-
-
Verfahren zum Betrieb einer aus mehreren Teilstromrichtern bestehenden
netzgettlhrten Stromrichteranordnung.
-
Grosse Bedeutung bei netzgeführten Stromrichteranordnungen fttr industrielle
Antriebe und Bahnen hat die sogenannte Folgesteuerung erlangt, weil mit dieser der
Blindstrombedarf erheblich herabgesetzt wird.
-
Diese Steuerungsart setzt voraus, dass zumindest zwei Teilstromrichter
vorhanden sind. Es wird dann jeweils nur einer gesteuert, während die dbrigen in
maximaler Gleich- bzw. Wechselrichteraussteuerung festgehalten werden.
-
Von Nachteil bei netzgefuhrten, steuerbaren Stromrichteranordnungen
ist, dass sie im Wechselstromnetz harmonische Oberschwingungen des Netzstromes verursachen.
Diese können im Wechselstromnetz selbst oder in benachbarten Schwachstromkreisen
(induktive oder kapazitive Kopplung) unerwünschte Nebenwirkungen zur Folge haben.
-
Man ist deshalb bestrebt, die Oberschwingungen so weit wie möglich
zu reduzieren. Es sind daher verschiedene Massnahmen zur Verringerung der Oberwellen
bekannt geworden. So kann z,B, bei einem dreiphasigen Netz die Pulszahl der Stromrichteranordnung
erhöht werden.
-
Nachteilig ist, dass diese Möglichkeit bei einem einphasigen Wechselstromnetz,
wie es vorwiegend bei elektrischen Bahnen zur Verfugung steht, nicht anwendbar ißt.
-
Nach einer anderen Methode werden Filterschaltungen eingesetzt, welche
die Oberwellen vom Wechselstromnetz fernhalten sollen.
-
Die Verwendung von Filterschaltungen weist aber den grossen Nachteil
auf, dass die dazu notwendigen Drosselspulen und Kondensatoren sehr viel Platz beanspruchen
und auch sehr schwer sind, wenn sie genügend wirksam sein sollen, so dass diese
Möglichkeit bei Triebfahrzeugen (Lokomotiven) der Bahn nicht in Frage kommt.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb einer aus
mehreren Teilstromrichtern bestehenden netzgeführten Stromrichteranordnung anzugeben
das die Nachteile des Bekannten vermeidet.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass zwei Teilstromrichter,
deren Steuerwinkel mitoG1 und bezeichnet sind, in den Bereichen ftir
:
= (2n-l) . 180°/u bis 1800 und 1800 @@@ Bedingung α1 - α2 = (2n-1) #180°/#
gesteuert werden, wobei # die Ordnungszahl der zu unterdrückenden Harmonischen ist
und n eine positive ganze Zahl darstellt.
-
Nach einer bevorzugten Variante der Erfindung wird der Steuerbereich
der Stromrichteranordnung in mehrere Teilbereiche unterteilt, fUr welche die positive
ganze Zahl n jeweils um 1 (EINS) unterschiedlich ist, ausgehend von n=l für die
an den Enden des Steuerbereiches liegenden Teilbereiche.
-
Der Vorteil der Erfindung ist insbesondere darin zu sehen, dass es
durch eine steuerungstechnische Massnahme möglich ist, ilber den genannten Steuerbereich
hinweg die am meisten störende Harmonische völlig zu unterdrücken.
-
Wenn die bevorzugte Variante des erfindungsgemässen Steuerverfahrens
angewendet wird, so ist zusätzlich noch eine Reduzierung des Blindstrombedarfs der
Stromrichteranordnung zu erzielen.
-
Das erfindungsgemässe Verfahren zum Betrieb einer aus mehreren Teilstromrichtern
bestehenden netzgeführten Stromrichteranordnung wird nachfolgend anhand der Figuren
1 und 2 genauer erläutert.
-
Fig.l zeigt die mit einer gegenseitigen zeitlichen Verschiebung
auftretenden
grundfrequenten Netzwechselströme von zwei phasenverschoben gesteuerten Teilstromrichtern
und beispielsweise jeweils die zugehörige 5. Harmonische in Abhängigkeit von der
Zeit.
-
In dieser Figur ist mit iL der Strom im Wechselstromnetz bezeichnet,
wobei JL1 und JL2 die Anteile der Teilwechselrichter am Wechselstrom darstellen
und # die Ordnungszahl der Harmonischen bedeutet.
-
Werden zwei Teilstromrichter mit einer gegenseitigen Phasenverschiebung
gesteuert, so weisen auch deren grundfrequente Anteile am Wechselstrom (JL1, #=1;
JL2, #=1) diese Phasenverschiebung zueinander auf. Dabei sind aber auch die Phasenlagen
der von den Teiletromrichtern herrührenden harmonischen Oberschwingungen gegeneinander
verschoben, und zwar Wegen ihrer höheren Frequenz um den Phasenverschiebungswinkel
multipliziert mit der Ordnungszahl der Jeweiligen Harmonischen.
-
Wie die Fig.l erkennen lässt, wird z.B. die 5.Harmonische völlig kompensiert,
wenn die gegenseitige Phasenverschiebung zwischen den Steuerimpulsen für die zwei
Teilstromrichter gleich der halben Periodendauer der Oberwelle ist, oder ein ungeradezahliges
Vielfaches davon (infolge der Kommutierungsinduktivitäten und der nicht unendlich
grossen Oleichstromglättungsinduktivität treten geringrUgige Verschiebungen auf).
Die von den zwei Teilstromrichtern herrührenden 5. Harmonischen liegen bei dieser
Einstellung
in Gegenphase und heben sich somit vollständig auf.
-
Damit die 5. Harmonische unterdrückt wird, gilt also: -α2 =
(2n-1) # 180°/5 FUr eine beliebige Harmonische ist sinngemäss eine andere Phasenverschiebung
einzustellen.
-
In allgemeiner Form ist daher zu schreiben: α1 - α2 =
(2n-1) # 180°/# Dadurch, dass nach der Erfindung sowohl α 1 als auch oC2 unter
@inhaltung er Bedingung veränderbar sind, ist es möglich, die Ausgang spannung der
Stromrichteranordnung stufenlos zu regeln und gleichzeitig eine Oberwellenkompensation
einzustellen.
-
Die zuvor genannte Bedingung kann aber nur in einem bestimmten Steuerbereich
eingehalten werden, weil α 1 und α2 (bei Jedem Stromrichter) lediglich
von 0 bis 1800 einstellbar sind.
-
Somit ist bei 0' 2 = 0 der kleinste Wert für α1, fUr den die
obige Bedingung noch zutrifft, gleich (2n-1). 1800 Andererseits ist durch α1
t 1800 der grösste Wert für α 2 fUr den die obige Bedingung noch zutrifft,
bestimmt, nämlich # 180° - (2n-1) # 180°/#
Auf eine Steuerung der
Stromrichteranordnung ausserhalb dieses Bereiches kann entweder verzichtet werden,
oder sie wird als normale Folgesteuerung ausgefUhrt.
-
Ein wichtiges Merkmal einer Stromrichteranordnung ist aus dem Diagramm
der Fig.2 abzulesen, das beispielsweise für zwei Teilstromrichter gezeichnet ist.
Auf der Ordinate ist das Verhältnis JLp/Jd und auf der Abszisse JLp/Jd (positiv
und negativ entsprechend Gleichrichter- und Wechselrichterbetrieb) aufgetragen,
wobei J den Blindstrom im Wechselstromnetz und JLp den Wirk-La Lp strom in diesem
darstellen.
-
Mit Jd ist der Gleichstrom bezeichnet, zur den vorausgesetzt wird,
dass er konstant ist. Wenn auf der Gleichstromseite der Stromrichteranordnung eine
genügend grosse Induktivität vorhanden ist, kann dieser Zustand realisiert werden.
-
Nachdem die an der Stromrichteranordnung anliegende Gleichspannung
Ud dem Wirkstromanteil proportional ist, kann auf der Abszisse auch das Verhältnis
Ud/U # K aufgetragen werden, wobei L L den Effektivwert der anliegenden Wechselspannung
darstellt und eine von der Stromrichteranordnung abhängige Konstante ist.
-
Mit 3Li und JL2 sind gleich wie in Fig.l die grundfrequenten Anteile
der beiden Teilstromrichter am Wechselstrom bezeichnet.
-
Werden beispielsweise beide Teilstromrichter voll ausgesteuert,
=
α2 = 0), so wird ausschliesslich ein Wirkstrom übertragen und die Oleichspannung
hat dabei ihren Maximalwert (Verluste vernachlässigt).
-
Symmetrische Steuerung der beiden Teilstromrichter bedeutet, dass
aGl stets gleich α2 ist.-Werden nun zum Zwecke der Spannungsregelung die Steuerwinkel
c 1 und «2 symmetrisch geändert, so folgt die Spitze des Summenzeigers ### + ###
der Kurve A. Man erkennt aus diesem Verlauf, dass gerade dann, wenn die Gleichspannung
auf Null geregelt ist, der grösstmögliche Blindstrom fliesst.
-
Bei Folgesteuerung hingegen wird zuerst α 2 auf Null gehalten
und α1 ist zur Spannungsregelung veränderlich. Die Spitze des aus der vektoriellen
Addition von JLd und JL2 resultierenden Summenzeigers verläuft bei dieser Steuerung
entlang der Kurve B.
-
Im Wechselrichterbetrieb ist dann α2 2 auf 1800 rest eingestellt
und oCl 1 ist wieder variabel; es gilt Kurve B'. Man erkennt daraus den gegenUber
der symmetrischen Steuerung wesentlich verringerten Blindstrombedarf Sowohl bei
der Polgesteuerung als auch bei der symmetrischen Steuerung werden aber die störenden
Oberwellen nicht in brauchbarer Weise unterdrUckt.
-
Bei der erfindungsgemässen Steuerung der beiden Teilstromrichter verläuft
die Spitze des Summenzeigers aus 44 + g2 vom
@ Punkt C1 aus bis
zum Punkt C2 entlang der Kurve C, wenn α2 = α2 = 180/v (in Fig. 2 ist
beispielsweise v = 7 angenommen); die positive ganze Zahl n ist also gleich 1.
-
Bei Betrachtung der Kurve C kann zunächst der Eindruck entstehen,
dass es das erfindungsgemässe Verfahren zwar gestattet, bestimmte Oberwellen vollständig
zu kompensieren, dass dieser Vorteil aber um den Preis zu e eines grossen Blindstromverbrauches
erkauft wurde.
-
Dazu ist zu bemerken, dass sowohl die Kurve B als auch die Kur--ven
C, D und E (die später noch besprochen werden) unter Vernachlässigung der, an der
Kommutierung der Stromrichteranordnung beteiligten, Induktivitäten dargestellt sind.
-
Bei Berücksichtigung der wechselstromseitigen Streuinduktivitäten
erfahren nämlich diese Kurven eine Verschiebung in Richtung eines grösseren Blindstromes.
-
Aber auch die Filterschaltungen, welche bei den in bekannter Weise
gesteuerten Stromrichteranordnungen trotz der damit verbundenen Nachteile zur Unterdrückung
der Oberwellen vorzusehen sind, bewirken eine Erhöhung des Blindstromes. Nachdem
bei einer gemäss der Erfindung gesteuerten Stromrichteranordnung Filterschaltungen
nicht erforderlich sind, tritt auch die damit zusammenhängende Blindstromerhöhung
nicht ein.
-
Eingehende Versuche haben gezeigt, dass der Blindstromverbrauch bei
einer erfindun gsgemäss gesteuerten Stromrichteranordnung
im zeitlichen
Mittel während des praktischen Einsatzes bei einer Versuchslokomotive nicht wesentlich
Uber dem einer mit Folgesteuerung betriebenen Stromrichteranordnung liegt.
-
Erfolgt die Steuerung gemäss der bevorzugten Variante des erfindungsgemässen
Verfahrens, so ist noch eine zusätzliche Verringerung des Blindstromverbrauches
zu erzielen.
-
Ist nämlichalpha;1 - α2 = ###### (n=2), so folgt die Spitze
des Summenzeigers der Kurve D von D1 bis D2 und der Kurve E von El bis E2, wenn
α1 - α2 = ###### (n=3).
-
Bei allen diesen Einstellungen wird dabei die Harmonische v völlig
ausgelöscht.
-
Je grösser die positive ganze Zahl gewählt wird, desto kleiner ist
der Blindstromverbrauch der Stromrichteranordnung. Zugleich aber wird der mögliche
Steuerbereich eingeengt.
-
Damit nun aber über einen möglichst grossen Steuerbereich verrUgt
werden kann, erfolgt die Steuerung der Teilstromrichter in der Weise, dass die Spitze
des Summenzeigers auf ### und ### dem stark ausgezogenen Kurvenzug folgt.
-
Anhand der Fig.3 soll nun gezeigt werden, wie beispielsweise eine
Steuereinrichtung fUr eine Stromrichteranordnung ausgerührt werden
kann,
welche die Durchfuhrung des erfindungsgemässen Steuerverfahrens ermöglicht.
-
In dieser Figur bedeuten die Bezugszahlen 1 und 2 Teilstromrichter,
3 einen Triggerimpulsgenerator, der vom Wechselstromnetz 4 synchronisiert wird,
5 und 6 monostabile Multivibratoren, 7 und 8 Dirferenziersturen, 9 und 10 Steuerverstärker,
11 und 12 Gleichstrommaschinen, 13 und 14 Regelwiderstande, die Uber ein Gestänge
15 und 16 von Steuerhebeln 17 und 18 eingestellt werden.
-
Mit 19 und 20 sind Kurvenscheiben bezeichnet, die mittels eines Stellrades
21 gemeinsam gedreht werden können.
-
Monostabile Multivibratoren sind seit langem bekannt; eine detaillierte
Beschreibung ist z.B. dem "Electronics Pocket Book", Verlag George Newnes Ltd.,
Ausgabel963, zu entnehmen.
-
Ein RC-Glied im monostabilen Multivibrator ist bestimmend ftlr die
Impulsdauer, wobei ein Triggerimpuls den Beginn der Impulse auslöst.
-
An die Ausgänge der monostabilen Multivibratoren 5 und 6 sind die
Differenzierstufen 7 und 8 angeschlossen, welche jeweils beim ZurUckkippen der monostabilen
Multivibratoren in deren Ruhestellung Steuerimpulse abgeben, die in den Steuerverstärkern
9 und 10 verstärkt und den steuerbaren Ventilen der Teilstromrichter 1 und 2 zugefUhrt
werden.
-
Steuerwinkel 0'1 Die Regelwiderstände 13 und 14 sind die ohmschen
Widerstände der RC-Glieder, welche die Zeit bestimmen, nach der die monostabilen
Multivibratoren in die Ruhestellung zurückkippen.
-
Es sei zunächst angenommen, dass sich der Abgriff des Regelwiderstandes
13 in der Stellung Vr befindet. Diese Einstellung soll der minimalen Zeitkonstante
(RC) entsprechen, bei der noch die Funktion des monostabilen Multivibrators gewährleistet
ist.
-
Kurz vor dem Nulldurchgang der Wechselspannung schickt der Triggerimpulsgenerator
3 einen Triggerimpuls zum Eingang des monostabilen Multivibrators 5, woraufdieser
in seine Arbeitsstellung und, entsprechend der minimalen Zeitkonstante, rasch wieder
in seine Ruhestellung kippt. Bei diesem Zurückkippen erscheint am Ausgang der Differenzierstufe\
ein Steuerimpuls, der vom Steuerverstärker 9 verstärkt, dem Teilstromrichter 1 zugeführt
wird. Dieser wird damit voll-ausgesteuert.
-
Befindet sich der Abgriff des Regelwiderstandes 13 in der Stellung
V2, so ergibt das eine grössere Zeitkonstante beim monostabilen Multivibrator 5
als bei der zuvor besprochenen Einstellung. Er wird daher stärker verzögert in seine
Ruhelage zurUckkippen. Damit erhält aber der Steuerimpuls auch eine größere Zeitverschiebung
gegenUber den Nulldurchgängen der Wechselspannung. Die Zeitverschiebung, bezogen
auf die Periodendauer der Wechselspannung, entspricht dabei dem
Durch
Verstellen des Abgriffe am Regelwiderstand 13 kann somit der Steuerwinkel α1
für den Teilstromrichter 1 eingestellt werden.
-
Dasselbe gilt auch fUr die Steuerung deä Teilstromrichters 2.
-
Man kann nun die beiden Teilstromrichter unabhängig voneinander und
beliebig steuern.
-
Gemäss dem erfindungsgemässen Steuerverfahren ist es aber von Vorteil,
die vorgenannte Beziehung zwischen α1 und α2 einzuhalten.
-
Dazu können beispielsweise die Abgriffe der Regelwiderstande 13 und
14 Uber die Gestänge 15 und 16 durch die Steuerhebel 17 und 18 verstellt werden,
wobei die Stellung der Steuerhebel 17 bzw. 18 von den Kurvenscheiben 19 und 20 abhängt.
-
Um zwei Teilstromrichter so zu steuern, dass die Spitze des Summenzeigers
aus ### + ### der stark ausgezogenen Kurve in Fig.2 folgt, mUsste die Kurvenscheibe
19 etwa so ausgebildet sein, wie in Fig.4 ersichtlich und die Kurvenscheibe 20 erhielte
die in Fig.5 dargestellte Form.
-
Beide Kurvenscheiben sind auf einer gemeinsamen Welle montiert und
können zur Spannungseinstellung gedreht werden.
-
Die Steuerhebel 17 und 18 sind in der Stellung für in I °° und
und
qv2 = Oo gezeichnet.
-
Werden beide Kurvenscheiben mittels des Stellrades 21 (z.B.
-
Fahrtregler bei einer Lokomotive) in Pfeilrichtung gedreht, so bleibt
zunächst α 2 auf Null, während 4 1 zunimmt (Folgesteuerung). Dann folgt der
Steuerbereich, in dem die Bedingung α1 -α2 = (2n-1) # 180°/# eingehalten
werden kann.
-
Man erkennt deutlich die Sprungstellen, an denen von einem Teilbereich
auf den anderen umgeschaltet wird, so dass bei ständiger Oberwellenkompensation
dem Wechselstromnetz der minimalste Blindstrom entnommen wird. Eine (nahezu) volle
Drehung ergi@bt den gesamten Stauerbereich von Gleichrichter- bis Wechselrichterbetrieb
(bei einer Lokomotive z.B. Fahren - Bremsen).
-
Wenn nicht, wie es den Figuren 2, 4 und 5 zugrunde gelegt wurde, die
7. Harmonische, sondern z.B. die 5.Harmonische kompensiert werden soll> mUssen
selbstverständlich die Kurvenscheiben entsprechend anders geformt sein.
-
Das erfindungsbemässe Verfahren ist selbstverständlich nicht darauf
beschränkt, dass die Teilstromrichter gleichstromseitig zusammengeschaltet sind,
sie mUssen lediglich an ein gemeinsames Wechselstromnetz angeschlossen sein.
-
Als Teilstromrichter können z,B. auch die Hälften einer Brückenschaltung
angesehen werden.
-
Durch Kombination von mehr als zwei Teilstromrichtern ist es auch
m8glich, mehrere Harmonische zugleich vollständig zu eliminieren.
-
Die angeftihrten Beziehungen zwischen den Steuerwinkeln gelten exakt
unter der Voraussetzung, dass die Kommutierungsinduktivitäten vernachlässigt sind
und die Gleichstromglättungsdrossel eine unendliche Induktivität aufweist.
-
In der Praxis wird es deshalb erforderlich sein, die Steuerwinkel
mit RUcksicht aut die tatsächlichen Verhältnisse geringruhig anzupassen.