DE2040893B2

DE2040893B2 - Eirnichtung zur steuerung netzgefuehrter stromrichter

Info

Publication number: DE2040893B2
Application number: DE19702040893
Authority: DE
Inventors: Ingemar Dipl.-Ing. 8520 Erlangen; Waldmann Hermann Dipl.-Ing. 8521 Weiher Neuffer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-08-18
Filing date: 1970-08-18
Publication date: 1972-09-21
Also published as: SE363003B; AT314660B; AU460141B2; GB1347548A; DE2040893A1; US3683262A; ES394300A1; CH531272A; JPS475179A; JPS5441694B1; AU3227571A; FR2104440A5; CA925942A; BE771392A; ZA715377B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Steuerung netzgeführter Stromrichter.

Bei netzgeführten Stromrichteranlagen wird üblicherweise der Nulldurchgang einer von der Netz-

spannung abgeleiteten Wechselspannung zum Synchronisieren der für die Zündung der einzelnen Stromrichterventile vorgesehenen Steuersätze benutzt, indem dieser Nulldurchgang Sägezahngeneratoren triggert, welche bei Erreichen eines durch die Steuerspannung vorgegebenen Spannungswertes Zün.iimpulse auslösen, vgl. Siemens-Zeitschrift 1965, S. 189 bis 191. Ist der Nulldurchgang der Netzspannung jedoch durch überlagerte Oberschwingungen bzw. Netzspannungseiribrüche gestört, was insbesondere bei schwachen, mit Stromrichtern belasteten Netzen auftritt, dann weicht der Zündwinkel der Stromrichterventiie in unkontrollierbarer Weise von dem vorgegebenen Wert ab. Sind an das gleiche Netz mehrere Stromrichter angeschlossen, so können zudem bei den bisher verwendeten Steuersätzen gegenseitige Beeinflussungen auftreten, welche diesen Effekt noch verstärken. Meist wird deshalb die Synchronisationsspannung mit Hilfe einer RC-Kombination geglättet, wobei dann notwendigerweise auch eine frequcn/abhängige Phasenverschiebung der geglätteten Synchronisationswechselspannung in Kauf genommen werden muß, welche sich zwar für eine ganz bestimmte Netzfrequenz bei der Festlegung der durch die Synchronisationsspannung einzuleitenden Erzeugung der Zündimpulse berücksichtigen läßt; jede Abweichung von dieser Netzfrequenz bedingt aber grundsätzlich eine entsprechende Verschiebung der Zündzeitpunkte von ihrem vorgegebenen Wert.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen von Oberwellen, Spannungseinbrüchen und Frequenzänderungen der Netzspannung unbeeinflußten, d. h. ohne Phasenfehler arbeitenden Steuersatz zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelost, daß

a) ein dem Netzspannungsvektor zugeordnetes Phasenfilter vorgesehen ist. welches einen oberwellenfreien Zweiphasengenerator enthält, dessen Frequenz vom Ausgang eines P/-Reglers bestimmt ist, der eingangsseitig mit einer von der Differenz zwischen dem Phasenwinkel des Netzspannungsvektors und dem Phasenwinkel des von den Ausgangsspannungen des Zweiphasengenerators gebildeten Vektors abhängigen Größe beaufschlagt ist,

b) die beiden am Ausgang des Phasenfilters auftretenden Komponentenspannungen und zwei den Steuerwinkel bestimmende Spannungen den Eingängen eines Vektordrehers zugeführt sind, dessen Ausgangsspannungen die Komponenten eines Steuerdrehvektors bilden,

c) ein mit den Komponentenspannungen des Steuerdrehvektors beaufschlagter Winkelschalter vorgesehen ist, der in bestimmten, wiederkehrenden Winkellagen des Steuerdrehvektors zur Zündung der Slromrichterventile verwendete Steuerimpulse ausgibt.

Grundgedanke der Erfindung ist es also, die Grundkomponente des Netzspannungsvektors von seinen Oberwellenkomponenten phasenrein zu separieren und durch eine vorgebbare Phasendrehung dieser Grundkomponente einen direkt zur Phasenanschnittsteuerung der Stromrichterventile geeigneten Steuerdrehvektor zu bilden.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung, deren bevorzugtes Anwendungsgebiet Anlagen zur Hochspannungs-Gleichstromübertragung sind, sind aus der nachfolgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Unteransprüchen zu entnehmen.

F i g. 1 zeigt zunächst den grundsätzlichen Aufbau der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung für einen sechspulsigen Stromrichter 1, beispielsweise in Drehstrombrückenschaltung, weldier über einen Stromrichtertransformator 2 an ein Drehstromnetz 3 mit den Phasen R, S, T angeschlossen ist und eine Last 4 mit einem Gleichstrom i_g speist, dessen Größe von

ίο einer an der Eingangsklemme 5 des Steuersatzes angelegten Steuergleichspannung U_Sl beeinflußbar ist. Um den Gleichstrom i_g auf einen bestimmten Wert zu regeln, kann z. B. ein Stromregler 6 verwendet sein, in dessen Eingangskreis eine von einem Gleichstromwandler gewonnene, dem Gleichstrom I₉ proportionale Größe als Istwert mit einem Sollwert i* verglichen wird und dessen Ausgang mit der Eingangsklemme 5 des Steuersatzes verbunden ist. An drei weiteren, mit 7, 8 und 9 bezeichneten Eingangsklemmen des Steuersatzes liegen die drei mit U_R, U_s und U_T bezeichneten Phasenspannungen des Drehstromnetzes 3 und werden in einer Transformationsschaltung 10 in ein Zweiphasensystem so übergeführt, daß die zwei am Ausgang der Transformationsschaltung 10 auftretenden Spannungen u_r und u, zwei orthogonalen Komponenten des durch die Phasenspannungen U_R, 1/5 und U_T dargestellten Netzspannungsvektors proportional sind. Diese Transformationsschaltung kann somit beispielsweise aus zwei Additionsverstärkern bestehen, welche die nachfolgenden Beziehungen realisieren:

u_r= U_R - J-(U₅+ U

Der Spannung u_r wäre dabei dieselbe Richtung zugeordnet wie die der durch die Phasenspannung U_R beschriebenen Komponente des Netzspannungsvektors. Bei entsprechend geändertem Aufbau der Transformationsschaltung 10 können diese Spannungen i<_r und Uj selbstverständlich auch aus den verketteten Spannungen U_RS, U_ST und U_TR des Drehstromnetzes 3 gewonnen werden. Die Spannungen u, und Uj beschreiben mithin den Netzspannungsvektor in einem rechtwinkligen Koordinatensystem, wobei die jeweilige Phasenlage, bezogen auf dieses Koordinatensystem, durch den Phasenwinkel β — mi — 90° gegeben ist, wenn <·> die Kreisfrequenz der Phasenspannungen

U_R = Ci sin ml,

U* = Ci sin (et- 120°)

und

U_T = Ci sin (₍..i-240°)

bedeutet. Die Spannungen u_r und u, beaufschlagen die Eingangsklemmen 11 und 12 eines Phasenfilters 13, welches in einer noch später zu erläuternden Weise die Aufgabe löst, die Grundkomponente des Netzspannungsvektors von seinen ihm überlagerten

Oberschwingungskomponenten zu separieren, so daß an den Ausgangsklemmen 14 und 15 ein bei jeder Frequenz phasenrichtiges Abbild der Grundkomponente des Netzspannungsvektors in Form zweier

oberwellenfreier Sinus-Kosinus-Spannungen u_r und üj entsteht, welche den Eingängen 16 und 17 eines mit 18 bezeichneten Vektordrehers zugeführt sind. Diesem Vektordreher 18 kommt die Aufgabe zu, den Phasenwinkel β des ihm in Form der beiden Komponentenspannungen ü_r und «, zugeführten Netzspannungsvektors um einen im folgenden mit Steuerwinkel bezeichneten Winkel α zurückzudrehen, wobei der Tangens dieses Winkels « dem Verhältnis der Spannungen entspricht, welche an zwei weiteren Eingängen 23 und 24 des Vektordrehers 18 angelegt werden.

Die an der Eingangsklemme 5 anliegende Steuerspannung U_s, ist nun einerseits mit dem Eingang 23 des Vektordrehers unmittelbar und andererseits über einen quadrierenden Funktionsgenerator !9, beispielsweise in Form eines Multiplizierers, mit dem subtraktiven Eingang eines Summiergliedes 20 verbunden, an dessen anderem Eingang eine konstante Spannung der Größe Kf additiv wirkt. Die Ausgangsspannung des Summiergliedes 20 ist über einen radizierenden Funktionsgenerator an den Eingang 23 des Vektordrehers 18 angeschlossen. Dieser radizierende Funktionsgenerator besteht aus einem Gleichstromverstärker 21 mit sehr großer Leerlaufverstärkung, in dessen Gegenkopplungspfad ein quadrierender Funktionsgenerator 22 angeordnet ist. Da einerseits das Verhältnis der beiden an den Eingängen 23 und 24 anliegenden Spannungen dem Tangens des Steuerwinkels α entspricht, um den der Netzspannungsvektor im Vektordreher 18 verdreht wird, andererseits die Summe der Quadrate dieser Spannungen immer gleich der an dem additiven Eingang des Summiergliedes 20 wirkenden Spannung K] ist, wird die der Eingangsklemme von 20 zügeführte Steuerspannung U_s, stets dem Kosinus des Winkels α proportional sein. Da nun der Kosinus des Steuerwinkels (Zündverzögerungswinkels) eines Stromrichters proportional der von ihm abgegebenen Gleichspannung ist, hat die zuvor beschriebene Schaltung den Vorteil, daß ein direkt proportionaler Zusammenhang besteht zwischen der Ausgangsspannung des Stromrichters 1 und der an der Eingangsklemme 5 zugeführten Steuerspannung U_St, und zwar für einen Steuerwinkelbereich von 0 bis 180°.

Zweckmäßigerweise kann durch eine Anschlagsbegrenzung dafür gesorgt werden, daß sich die auf den Eingang 24 and auf den Funktionsgenerator 19 wirkende Emgangsspannung, wie angedeutet, lediglich zwischen zwei nullpunktsymmetrischen Spannungsgrenzen +Kl und — Kl bewegen kann, wobei die Beträge dieser Grenzspannungen der Wurzel aus dem Betrag der am additiven Eingang des Summiergliedes 20 angelegten Spannung Kf entsprechen. Eine derartige Spannungsbegrenzung kann in einfachster Weise in zwei mit den entsprechenden Grenzspannungen vorgespannten Dioden bestehen, welche zu der an der Emgangsklemme 5 anliegenden Spannungen parallelgeschaltet werden. Soll der Stromrichter 1 auch als Wechselrichter betrieben werden, dann empfiehlt es sich, mit Rücksicht auf die Wechsefrichterü itlgreuze die negative Spannungsbegrenzung kleiner als den Wert K₁ 2x1 wählen.

Für genre Ansprüche hinsichtlich Linearität und SteuerwinkelN^eich wäre auch die Variante brauchbar, bei welcher die Steuerspannung U_St direkt mit dem Eingang 24 des Vektordrehers 18 verbunden ist und an den Eingang 23 eine konstante, nicht von der Steuerspannung U_SI abhängige Spannung K₃ gelegt wird. Hierzu müßte sich die mit 25 bezeichnete Schaltbrücke in ihrer gestrichelt angedeuteten, senkrechten Stellung befinden. Der Verdreh- bzw. Steuerwinkel α würde dann nach wie vor mit wachsender Steuerspannung U_s, anwachsen, bei größeren Werten der Steuerspannung U_St jedoch nicht mehr linear mit dieser. Der lineare Zusammenhang zwischen der Steuerspannung U_Sl und dem Steuerwinkel « läßt sich jedoch innerhalb eines für viele Anwendungsfälle ausreichenden Steuerwinkelbereiches leicht wieder herstellen, indem man — bei senkrechter Lage der mit 26 bezeichneten Schaltbrücke — die Steuerspannung U_Sl dem Eingang 24 des Vektordrehers 18 über einen linearisierenden Funktionsgenerator 27 zuführt, zwischen dessen Ausgangsspannung α und seiner Eingangsspannung e folgende Beziehung besteht

wobei U_max die maximale Ausgangsgleichspannung des verwendeten Stromrichters und ρ der gewünschte Proportionalitätsfaktor zwischen der Steuerspannung U_St und der Stromrichterausgangsspannung bedeutet. Ein derartiger Funktionsgenerator kann als Verstärkungsglied aufgefaßt werden, dessen Verstärkungsfaktor mit zunehmender Eingangsspannung steigt, und kann in einfacher Weise durch einen gegengekuppelten Gleichstromverstärker realisiert werden, dessen Eingangskreis aus mehreren parallel geschalteten, mit verschiedenen Gleichspannungen vorgespannten Schwellwertdioden oder Zenerdioden in Reihe mit jeweils einem Widerstand besteht.

Die an den Ausgangsklemmen 28 und 29 des Vektordrehers 18 auftretenden Spannungskomponenten des Steuerdrehvektors, der dem geglätteten Netzvektor um den mittels der Steuerspannung U_s, vorgegebenen Winkel η nacheilt, sind den Eingangsklemmen 30 und 31 eines mit 32 bezeichneten Winkelschalters zugeführt, dem die Aufgabe zukommt, in bestimmten, wiederkehrenden Winkdlagen des Steuerdrehvektors zur Zündung der Stromrichterventile verwendete Steuerimpulse auszugeben. Für den Fall, daß der mit 1 bezeichnete Stromrichter aus einer sechspulsigen Drehstrombrückenschaltung besteht, erscheinen in einer noch näher zu erläuternden Weise an den mit 33 a bis 33/ bezeichneten Ausgangs-. klemmen des Winkelschalters 32 sechs Impulsspannungen, deren Anfangsflanken jeweils um 60° gegeneinander versetzt sind und deren Dauer jeweils 120° beträgt

F i g. 2 veranschaulicht das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Steuerprinzip an Hand eines Vektorschaubildes. Es zeigt drei gegeneinander um 120° versetzte Achsen aS, aR, aT, in deren Richtung Phasenspannungskomponenten i/_K, [7_S, U_T des Netzspannungsvektors wirken. In einem orthogonalen Koordinatensystem mit den Achsen r und j ist der von seinen Oberwellen separierte Netzspannungsvektor U durch seine beiden Komponenten u_r und üj beschrieben, sein auf dieses Koordinatensystem bezogener Phasenwinkel ist mit /i bezeichnet Diesen Komponenten eines derart geglättetei. Net7-spannungsvektors proportionale Spannungen wurden an den Ausgangsklemmen 14 und 15 des Phasenfilters 13 (vgl. Fig. 1) erscheinen. Durch den Vek-

tordreher wird der geglättete Netzspannungsvektor U um einen von der Steuerspannung U_Sl abhängigen Winkel α zurückgedreht. Der resultierende, mit StV bezeichnete Steuerdrehvektor eilt demnach dem Netzvektor U um den Winkel α nach. Wird dafür gesorgt, daß in fast vorgegebenen Winkellagen dieses Steuervektors StV jeweils ein Zündimpuls für die Ventile des Stromrichters erzeugt wird, dann wird das Auftreten dieser Zündimpulse gegenüber dem Erreichen einer bestimmten Winkellage des Netzspannungsvektors, welche beispielsweise dem natürlichen Kommutieringszeitpunkt des Stromrichters entspricht, durch die Steuerspannung einstellbar verzögert. Der Steuerwinkel « entspricht damit, wie schon erwähnt, dem Zündverzögerungswinkel des Stromrichters.

Im Spannungsdiagramm gemäß F i g. 3 ist der zeitliche Verlauf der drei Phasenspannungen U_R, U_s und U _T des Drehstromvektors dargestellt. Durch den Winkelschalter mit dem ihm eingangsseitig zugeführten Steuerdrehvektor wird gewissermaßen ein mit ZR bezeichnetes Impulsrastcr bereitgestellt, mit

einem festen gegenseitigen Abstand y der einzelnen Rasterimpulse im Falle einer sechspulsigen Stromrichterschaltung, wobei das Impulsraster insgesamt durch den Steuerwinkel α verschoben werden kann. F i g. 4 zeigt in blockschaltbildlicher Darstellung den näheren Aufbau des in Fig. 1 mit 13 bezeichneten Phasenfilters, das auf dem Gedanken beruht, den Phasenwinkel eines oberwellenfreien, orthogonalen Vektorkomponenten proportionale Spannungen liefernden Zweiphasengenerators 34 so zu beeinflussen, daß dessen Unterschied zum Phasenwinkel des oberwellenbehafteten Netzspannungsvektors — dargestellt durch die beiden Spannungen Uj und u_r an den Eingangsklemmen 11 und 12 - - im Mittel verschwindet, wodurch die von den überlagerten Oberwellen verursachten Schwankungen von zeitlichen Veränderungen der Grundwelle selbst separiert und für sich geglättet werden können. Dieser oberwellenfreie Zweiphasengenerator besteht in an sich bekannter Weise (deutsche Offenlegungsschrift 1 413 994) aus zwei ringförmig hintereinandergeschaltcten Integratoren 35 und 36. denen jeweils ein Multiplizierer 37 bzw. 38 vorgeordnet ist. Die zweiten Eingänge der Multiplizierer 37 und 38 werden parallel von der an einem Frequenzsteuereingang 39 anliegenden Spannung beaufschlagt, der die Frequenz der an den mit den Ausgangsklemmen 14 und 15 verbundenen Ausgangsspannungen der Integratoren 35 und 36 proportional ist. Mit den an diesen Klemmen auftretenden Spannungen K₂ cos/J und K₂ sin/i wird also ein Vektor beschrieben, dessen Phasenwinkel β dem Zeitintegral der an dem Frequenzsteuereingang 39 zugeführten Spannung entspricht Damit der Zweiphasengenerator 34 Schwingungen mit konstanter Amplitude erzeugt, sind zur Amplitudenstabilisierung die Integratoren 35 und 36 mit zwei weiteren Multiplizierern 40 und 41 rückgekoppelt, an deren anderen Eingängen das Ausgangssignal eines Amplitudenreglers 42 mit P/-Verhalten anliegt In dessen Eingangskreis wirkt die Differenz einer konstanten Spannung K₂ und der Summe der mittels zweier weiterer Multiplizierer 44 bzw. 45 quadrierten Ausgangsspannungen der Integratoren 35 bzw. 36. Die Ausgangsspannung des Amplitudenreglers 42 verändert sich nun so lange, bis die Amplituden der an den Ausgangsklemmen 14 und 15 erscheinenden Sinus-Kosinus-Spannungen gleich der Quadratwurzel K₂ der an dem Amplitudensteuereingang 43 zugeführten Spannung sind.

Die Ausgangsklemmen 14 und 15 des Zweiphasengenerators 34 sind mit den Eingängen zweier Multiplizierer 46 und 47, auf deren andere Eingänge die an die Eingangsklemmen 11 und 12 gelegten Komponentenspannungen Uj und M_r des Netzspannungsvektors wirken, in der Weise verbunden, daß am Ausgang eines Summiergliedes 48, dem eingangsseitig die Ausgangsspannungen der Multiplizierer 46 und 47 zugeführt sind, eine Größe erscheint, welche proportional dem Sinus des jeweiligen Differenzwinkels zwischen dem Netzspannungsvektor und dem von

,₅ dem Zweiphasengenerator 34 gelieferten Drehvektor entspricht. Da das Ausgangssignal des Summiergliedes 48 die Eingangsgröße des auf den Frequenzsteuereingang 39 wirkenden P/-Reglers 49 darstellt, wird dieser durch Veränderung seiner mit -S- be-

^al

zeichneten Ausgangsgröße und damit auch des Phasenwinkels β des Zweiphasengenerators 34 auf die Herbeiführung eines stationären Zustandes hinarbeiten, der dann erreicht ist, wenn die Eingangsgröße des P/-Reglers 49 im Mittel verschwindet. Der durch die Ausgangsspannungen K₂ cos/i und K₂ sin β beschriebene Vektor zeigt dann stets in Richtung der Grundkomponente U des Netzspannungsvektors bzw. führt nur noch periodische Schwankungen um diese Richtung aus, welche jedoch praktisch beliebig stark abgedämpft werden können, wenn die Proportionalverstärkung des P/-Reglers 49 genügend klein und seine Nachstellzeit genügend groß gewählt wird.

F i g. 5 zeigt den gerätetechnischen Aufbau des in F i g. 1 mit 18 bezeichneten Vektordrehers. Er besteht aus 7wei Addierverstärkern 50 und 51, denen die Ausgangsspannungen von vier Multiplizierern zugeführt sind. Sämtliche der mit den jeweils mit - und + bezeichneten Eingängen der Verstärker 50 und 51 verbundenen Widerstände sind von gleicher Größe. Die Multiplizierer sind jeweils paarweise mit den Eingängen 16 und 17 und den Eingängen 23 und 24 verbunden. Werden an die Eingänge 16 und 17 den Komponenten des geglätteten Netzspannungsvektors U proportionale Spannungen der Form sin ,J und cos ~ß angelegt, dann ist ersichtlich, daß an den Ausgangsklemmen 28 und 29 bei der dargestellten Schaltung Spannungen auftreten, welche proportional sind dem Kosinus und dem Sinus des Differenzwinkels ~ß~ — α, wobei der Tangens des Winkels α dem Verhältnis der an den Eingängen 23 und 24 anliegenden Spannungen entspricht

F i g. 6 zeigt den Innenaufbau des in F i g. 1 mit 32 bezeichneten Winkelschalters, der die Aufgabe erfüllen soll, aus _den Komponentenspannungen sin iß — a) und cos iß — n) des am Ausgang des Vektordrehers 18 gebildeten, kontinuierlich umlaufenden Steuervektors zur Zündung der Stromrichterventile verwendete Steuerimpulse zu bilden. Diese Komponentenspannungen werden in sechs Addierverstärkern 52 bis 57 mit verschiedenen Gewichten so addiert, daß an den Verstärkerausgängen sechs jeweils um

gegeneinander versetzte Sinusspannungen auftreten. Hierzu weisen die Beschaltungswiierstände der einzelnen Verstärker die in F i g. 6 angegebenen Widerstandsverhältnisse auf. Den Ausgängen der

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ίο

Verstärker 52 bis 57 ist jeweils ein Grenzwertmelder, beispielsweise in Gestalt eines an sich bekannten Schmitt-Triggers, nachgeschaltet, der bei einem von Null verschiedenen Eingangssignal E ein konstantes positives Ausgangssignal A abgibt. An den Ausgängen

dieser Grenzwertmelder entstehen daher um ^- gegeneinander versetzte Impulszüge, deren Dauer jeweils einer Halbperiode der sie beaufschlagenden Wechselspannungen bzw. einem halben Umlauf des Steuer- j₀ vektors entspricht. Diese Impulszüge sind im einzelnen in Fig. 7 dargestellt und mit Cl bis C6 bezeichnet. Es sind weiterhin sechs UND-Gatter 58 bis 63 vorgesehen, welche jeweils von zwei Grenzwertmeldern beaufschlagt sind und an ihrem Aus- ,₅ gang dann ein Signal erscheinen lassen, wenn die Ausgangsspannungen der beiden sie beaufschlagenden Grenzwertmelder einen von Null verschiedenen Wert aufweisen. Wie sich an Hand von F i g. 7 leicht verfolgen läßt, erscheinen auf diese Weise an den Ausgangsklemmen 33 a bis 33/ des Winkelschalters 32 sechs Impulszüge, welche jeweils gegeneinander um ~ versetzt sind und eine Dauer von ~~

aufweisen und damit als Zündimpulse für die einzelnen Ventile eines sechspulsigen Brückengleichrichters verwendet werden können. Im einzelnen wird die Ausgangsklemme 33 a dem Steuergitter des Ventils zugeordnet, welches für die negative Halbwelle der Phasenspannung U_T durchlässig ist, die Ausgangsklemme 33 c dem Stromrichterventil für die positive Halbwelle der Phasenspannung l/_s, die Ausgangsklemme 33 d dem Ventil für die negative Halbwelle der Phasenspannung U_R, die Ausgangsklemme 33 e dem Ventil für die positive Halbwelle der Phasenspannung U_T und schließlich die Ausgangsklemme 33/ dem Ventil für die negative 1 IaIbwelle der Phasenspannung U_s.

Während das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 auf ein symmetrisches Netz abgestellt war, bei welchem also die Amplituden der drei Phasenspannungen gleich sind und die Summe ihrer Momentanwerte ^u jedem Zeitpunkt den Wert Null ergibt, ist in F i g. 8 eine Variante dargestellt, bei welcher diese Bedingung nicht mehr Voraussetzung ist, welche sich also besonders für die Fälle eignet, wo mit ein- oder zweiphasigen Netzkurzschlüssen gerechnet werden muß und die Bereitstellung der Züiidimpulse für die einzelnen Stromrichterphasen von diesen Netzkurzschlüssen ungestört weiter verlaufen solL Die in F i g. 8 dargestellte Anordnung enthält pro Phase ein mit einer verketteten Netzspannung IZ₇₇₁, 17^₅ bzw. U_5x beaufschlagtes Phasenfilter 13', den Vektordreher 18 und einen Winkelschalter 32', wobei der Winkelschalter 32' insofern eine geringfügige Abwandlung erfährt, als er anstatt wie beim Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 6 sechs nur zwei Ausgangsklemmen aufweist, nämlich die dort mit 33 b und 33 e bezeichneten Ausgangsklemmen samt den diesen zugeordneten Gattern 58 bzw. 61 und den auf diese Gatter wirkenden Verstärkern 52, 57 bzw. 54, 55. Es ist noch zu bemerken, daß für die Fälle, in denen ein kurzzeitiger Zündimpuls als ausreichend erachtet wird, sich ein erheblich einfacherer Aufbau des Wmkelschalters 32' ergibt, indem lediglich die Elemente (vgl. Fig. 6) bereitzustellen sind, welche zur Erzeugung der Signale Cl und C 4 erforderlich sind, die dann über ein Differenzierglied zu den Ausgangsklemmen 33 b und 33e geführt werden. Aus der Fig. 8 geht weiterhin der Aufbau einer 6pulsigen Drehstrombrückenschaltung mit gesteuerten Ventilen hervor sowie die Zuordnung der Ausgangsklemmen 33 b und 33 e zu den Steuerstrecken der Stromrichterventile in den einzelnen Phasen.

F i g. 9 zeigt den Aufbau eines bei der Anordnung gemäß F i g. 8 verwendbaren Phasenfilters 13', der im Prinzip dem in F i g. 4 dargestellten Phasenfilter 13 entspricht. Als Eingangsgröße an der Klemme 11 ist jedoch die verkettete Netzspannung U_RS zugeführt, und als Eingangsspannung an der Klemme 12 dient die an der Ausgangsklemme 14 des Zweiphasengenerators 34 erscheinende Ausgangsspannung. Weiterhin erhält der Frequenzsteuereingang 39 des Zweiphasengenerators 34 eine mit U_f bezeichnete Zusatzeinspeisung, deren Größe der jeweiligen Netzfrequenz entspricht und welche z. B. mittels eines an sich bekannten Frequenz-Spannungsumsetzers gewonnen werden kann, der mit der Netzfrequenz beaufschlagt wird. Mit Hilfe dieser zusätzlichen Einspeisung wird der Zweiphasengenerator 34 bezüglich seiner Frequenz vorgesteuert, während die Phasensynchronisation mit der Grundwelle des Netzspannungsvektors genau in der zuvor beschriebenen Weise erfolgt. Würden die Ausgangsspannungen des Zweiphasengenerators 34 die Amplitude K aufweisen, dann würde am Ausgang des Summiergliedes 48 eine Spannung auftreten, die neben einem dem Sinus des Differenzwinkels ft-'jiproportionalen Spannungsanteil auch noch einen Spannungsanteil der Form

2 <«rs K-K²) sin [fi + Ji)

von praktisch der doppelten Netzfrequenz aufweist, der zwar die Phasensynchronisation prinzipiell nicht in Frage stellt, jedoch zu einer gewissen unerwünschten Unruhe in der Ausgangsgröße des P/-Reglers49 führt. Zweckmäßigerweise wird daher die Amplitude der Ausgangsspannung des Zweiphasengenerators möglichst genau der Amplitude u_RS der Netzspannung U_RS angeglichen. Es kann sich als vorteilhaft erweisen, dirsc Angleichung selbsitäiig herbeizuführen, indem em von der Netzspannung U_RS beaufschlagter Amplitudenbildner vorgesehen wird, der bei der einen in F i g. 9 dargestellten Variante welche sich bei senkrechter Stellung der Schaltbrücken 64 und 65 ergibt, in einem Siebglied 66, beispielsweise in Form eines auf die Grundfrequenz abgestimmten Resonanzkreises, besteht, sowie in einem, diesem nachgeordneten quadrierenden Funktionsgenerator 67, einem Glättungsglied 68 sowie einem diesem nachgeordneten Verstärker 69 mit dem Verstärkungsfaktor 2. Da der Funktionsgenerator 67 ausgangsseitig eine Größe hefen, die proportional dem Quadrat des Momentanwertes der Netzspannung Uns ist, erscheint am Ausgang des Verstärkers 69 eine Größe, welche dem Amplitudenquadrat Uj₁₅ ihrer Grandwelle entspricht Diese Größe gelangt auf den Amplitudensteuereingang 43 des Zweiphasengenerators 34 und erzwingt auf diese Weise, daß die Amplitude der die Eingangsklemme 12 des Phasenfilters beaufschlagenden Wechselspannung praktisch der Amplitude der Spannung 1/^₅ entspricht

Bei der zweiten in Fi g. 9 dargestellten Variante, welche sich bei waagerechter Stellung der Schaltbrucken 64 und 65 ergibt wird die Amplitude der

Netzspannung aus deren Gleichstrommittelwert gebildet. Hierzu ist ein Gleichrichter 70 vorgesehen, mit einem nachgeschalteten Glättungsglied 71, einem von dessen Ausgangsspannung beaufschlagten Verstärker 72 mit dem Verstärkungsgrad —- * 1,58

sowie schließlich einem quadrierenden Funktionsgenerator 73. Es entsteht am Ausgang dieses Amplitudenbildners eine dem Quadrat der Amplitude der Spannung U_RS proportionale Spannung, welche auf den Amplitudensteuereingang 43 des Zweiphasengenerators 34 geführt ist, so daß auch hiermit der unerwünschte Spannungsanteil in der Ausgangsspannung des Summiergliedes 48 praktisch verschwindet. In F i g. 10 ist eine besonders einfache Ausbildung des Phasenrilters dargestellt, in dessen Eingang lediglich der Multiplizierer 46 verwendet wird. Der hierbei im Ausgangssignal des Multiplizierers 46 auftretende und unerwünschte, höherfrequente Spannungsanteil kann durch ein Glättungsglied 74 ο und 74 b weitgehend unterdrückt werden, so daß am Eingang des PJ-Reglers 49 — analog den in den F i g. 4 und 9 dargestellten Ausführungsbeispielen — praktisch nur eine Größe wirkt, welche proportional dem Sinus des Differenzwinkels zwischen dem Phasenwinkel des Netzspannungsvektors und dem Phasenwinkel des von dem Zweiphasengenerator 34 erzeugten Vektors ist. Wesentlich bei den Ausluhrungsbeispielen gemäß den Fig. 9 und 10 bzw. bei deren dreiphasiger Verwendung gemäß F i g. 8 ist, daß bei einem Kurzschluß in einer oder mehreren Netzphasen die Erzeugung der Zündimpulse für die einzelnen Stromrichterphasen ungestört weiterverläuft und sich lediglich an der Phasenlage der ihnen zugeordneten verketteten Netzspannung orientiert. Selbst ein vorübergehender totaler Netzspannungszusammenbruch wird die letztlich die momentane Phasenlage des Steuervektors bestimmende Ausgangsgröße des P/-Reglers 49 kaum beeinflussen, so daß bei einer darauffolgenden Wiederkehr der entsprechenden Netzphasenspannung die Zündung in der entsprechenden Halbwelle praktisch zu genau demselben Zeitpunkt erfolgt, wie vor dem Auftreten einer derartigen Störung. Damit ist ein überaus großes

ίο Maß an Betriebssicherheit gewährleistet.

Fig. 11 zeigt schließlich eine einfache Realisierungsmöglichkeit für den in Fig. 1 mit 27 bezeichneten linearisierenden Funktionsgenerator. Im Eingangskreis eines gegengekoppelten Gleichstrom-Verstärkers 75 sind z. B. drei Zenerdi odenpaare 76 a bis 78 b entgegengesetzt in Reihe und jeweils in Serie mit einem Eingangswiderstand 79 bis 81 parallel zu einem weiteren Eingangswiderstand 82 angeordnet. Die Zenerdioden eines jeden Paares weisen unter sich gleiche, gegenüber den Zenerdioden der anderen Paare jeweils unterschiedliche Zenerspannungen auf. Mit steigender Eingangsspannung e wird also nacheinander jeweils eine Diode eines jeden Paares durchlässig und vermindert so den wirksamen Eingangswiderstand des Gleichstromverstärkers. Wird dessen Ausgangssignal über einen Umkehrverstärker 83 geführt, dann ergibt sich prinzipiell die im Blocksymbol des linearisierenden Funktionsgenerators 27 nach F i g. 1 angedeutete Charakteristik, wobei durch eine entsprechende Anzahl von Zenerdiodenpaaren und durch eine entsprechende Abstufung der Eingangswiderstände für eine genügend genaue Annäherung an die zuvor angegebene Beziehung zwischen der Eingangsspannung e und der Ausgangsspannung a gesorgt werden kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche :

1. Einrichtung zur Steuerung netzgeführter Stromrichter, dadurch gekennzeichnet, daß

a) ein dem Netzspannungsvektor zugeordnetes Phasenfilter (13, 13') vorgesehen ist, welches einen oberwellenfreien Zweiphasengenerator (34) enthält, dessen Frequenz vom Ausgang eines P/-Reglers (49) bestimmt ist, der eingangsseitig mit einer von der Differenz zwischen dem Phasenwinkel (β) des Netzsoannungsvektors und dem Phasenwinkel (/»') des von den Ausgangsspannungen des Zweipha- '⁵ sengenerators gebildeten Vektors abhängigen Größe beaufschlagt ist,

b) die beiden am Ausgang des Phasenfilters auftretenden Komponentenspannungen und zwei den Steuerwinkel («) bestimmende Spannungen den Eingängen (16. 17 bzw. 23. 24) eines Vektordrehers (18) zugeführt sind, dessen Ausgangsspannungen die Komponenten eines Steuerdrehvektors bilden.

c) ein mit den Komponentenspannungen des Steuerdrehvektors beaufschlagter Winkelschalter (32) vorgesehen ist. der in bestimmten, wiederkehrenden Winkellagen des Steuerdrehvektors zur Zündung der Stromrichterventile verwendete Steuerimpulse ausgibt. -³⁰

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweiphasengenerator (34) aus zwei hintereinandergeschalteten Integratoren (35, 36) besteht, denen jeweils ein Multiplizierer (37, 38) zur Frequenzsteuerung vorgeordnet ist. wobei die Integratoren jeweils über einen Multiplizierer (40, 41) zur Amplitudensteuerung gegengekoppelt sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Eingänge der gegenkoppelnden Multiplizierer (40, 41) mit dem Ausgang eines Reglers mit Integralverhalten (42) verbunden sind, in dessen Eingangskreis die Differenz einer konstanten Spannung (Kj) und der Summe der quadrierten Ausgangsspannungen des Zweiphasengenerators auftritt.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Quadrate der den Steuerwinkel («) bestimmenden Spannungen stets konstant ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine veränderbare Steuerspannung (U_St) über einen quadrierenden Funktionsgenerator (19) den einen Eingang eines Summiergliedes (20) subtraktiv beaufschlagt, an dessen zweitem Eingang eine konstante Spannung (Kf) additiv auftritt, wobei der Ausgang des Summiergliedes auf einen reduzierenden Funktionsgenerator (21, 22) geführt ist, dessen Ausgang sowie 60 die Steuerspannung an die Eingänge (23, 24) des Vektordrehers angeschlossen sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine der den Steuerwinkel bestimmenden Spannungen konstant ist und die fi.s andere in der über einen linearisierenden Funktionsgenerator (27) geführten Steuerspannung(t/_X,) besteht.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen einem Umkehrverstärker (83) vorgeordneten, gegengekoppelten Gleichstromverstärker (75), in dessen Eingangskreis mehrere entgegengesetzt in Reihe und in Serie mit je einem Widerstand (79 bis 81) geschaltete Zenerdiodenpaare (76a bis 78i>) parallel zu einem Eingangswiderstand (82) angeordnet sind.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1. 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Vektordreher (18) aus zwei Addierverstärkern (50, 5Jt und vier Multiplizierern besteht, denen paarweise die Ausgangsspannungen des Phasenfilters (13,13) sowie die der. Steuerwinkel («) bestimmenden Spannungen zugeführt sind, wobei die Ausgänue eines jeden Paares mit jeweils einem Verstärkereingang verbunden sind.

9. Einrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelschaiter (32) emgangsseiiig mit den Ausgängen des Vektordrehers (18) verbundene Addierverstärker (52 bis 57) enthält, durch welche die Steuerstrecken der Stromrichter über je ein Schwellwertglied und eine Gatterschaltung (58 bis 63) beaufschlagt sind.

!0. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9. dadurch gekennzeichnet, daß der P/-Regler (49) über mindestens ein Glättungsglied (74«, 74b) von der Ausgangsspannung eines Multiplizierers (46) beaufschlagt ist. dem eingangsseitig eine Ausgangsspannung des Zweiphasengenerators und eine verkettete Netzspannung (U _RS) zugeführt ist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche I bis 9. dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang des P/-Reglers (49) mit der Summe der Ausgangssignale zweier Multiplizierer (46. 47) beaufschlagt ist, denen eingangsseitig eine verkettete Netzspannung (U_KS) und die Ausgangispannungen des Zweiphasengenerators zugeführt sind, wobei dessen Amplitudcnstcuercingang (43) mit dem Ausgang eines der verketteten Netzspannung (U_RS) zugeordneten Amplitudenbildners verbunden ist.

12. Einrichtung nach Anspruch II. dadurch gekennzeichnet, daß im Amplitudenbildner ein Gleichrichter (70) in Reihe mit einem Glättungsglied (71), einem Verstärker (72) und einem quadrierenden Funktionsgenerator (73) angeordnet ist.

13. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß im Amplitudenbildner ein Siebglied (66) in Reihe mit einem quadrierenden Funktionsgenerator (67), einem Glättungsglied (68) und einem Verstärker (69) geschaltet ist.

14. Einrichtung nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch eine netzfrequenzproportionale Zusatzeinspeisung (U_f) in den Frequenzsteuereingang (39) des Zweiphasengenerators (34).

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Netzphase ein Phasenfilter, ein Vektordreher und ein Winkelschalter vorgesehen sind.