DE2151019A1

DE2151019A1 - Verfahren und anordnung zur regelung des einem wechselstromnetz entnommenen oder zugefuehrten stromes

Info

Publication number: DE2151019A1
Application number: DE19712151019
Authority: DE
Inventors: Guenter Dipl Ing Dr In Lehmann
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1971-10-08
Filing date: 1971-10-08
Publication date: 1973-04-12
Also published as: DE2151019C3; DE2151019B2; CH559987A5

Description

Verfahren und Anordnung zur Regelung des einem Wechselstromnetz entnommenen oder zugeführten Stromes Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des über einen selbstkommutierten Stromrichter einem Wechselstromnetz entnommenen oder zugeführten Stromes und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Elektrische Verbraucher über einen selbstkommutierten Stromrichter aus einem Wechselstromnetz zu speisen und auf Strom zu regeln, ist bekannt (DOS 1 438 018, Fig. 8 bis 13).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Stromregelung anzugeben, mit dem die Grundwellen- und/ oder die Oberwellenblindleistung bei derartigen Stromrichtern mit gerShgem Aufwand auf ein Minimum gebracht und/oder die Grundwellenblindleistung auf induktive oder kapasitive Werte eingestellt werden knnn.
Diese Aufgabe wird bei Stromrichtern der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Netzwechselspannung oder ein davon abgeleiteter definierter Teil als Fuhrungsgröße für den Sollwert und der Netz- oder der Verbraucherstrom bzw. ein Teil davon als Istwert des Verbraucherstromes verwendet wird.
In Weiterbildung der Erfindung wird die aus der Netzwechselspannung herausgesiebte Grundwelle oder eine aus der Netzwechselspannung abgeleitete Trapezspannung als Führungsgröße für den Sollwert verwendet.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die von der Netzwechselspannung abgeleitete Führungsgröße mit Hilfe einer Phasenschwenkeinrichtung in der Phase gegenüber der Grundwelle der NetzwechselspannuRg verschoben . Durch die vorgeschlagene Maßnahme wird es beispielsweise möglich, den Strom in der Fahrleitung eines aus dem Wechselstromnetz gespeisten Triebfahrzeuges erheblich herabzusetzen.
Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele sei die Erfindung erläutert.
Fig. 1 zeigt einen aus dem Wechselstromnetz gespeisten Wechselstromverbraucher, während die Figuren 3, 5, 7 und 8 Gleichstromverbraucher zeigen, die aus dem Wechselstromnetz gespeist werden.
Die Fig0 2, 4 und 6 zeigen den Verlauf der zugehörigen Ströme und Spannungen.
In Fig. 1 wird ein aus einem Widerstand und einer Induktivität bestehender elektrischer Verbraucher 1, an dessen Stelle selbstverständlich ein Motor oder ein anderer Verbraucher treten kann, aus einem Wechselspannungsnetz 13 mit der Wechselspannung Uw gespeist. Zur Einstellung des Stromes im Verbraucher 1 ist zwischen Verbraucher 1 und Netz 13 ein Wechselstromsteller 2 mit antiparallel geschalteten zünd- und löschbaren Thyristoren 2a, 2b geschaltet. Unter einem zünd-und löschbaren Thyristor sei entweder ein Thyristor verstanden, der mit Hilfe der ihm zugeführten Steuerimpulse sowohl ein- als auch ausgeschaltet werden kann, oder ein Thyristor, der mit Hilfe der ihm zugeführten Steuerimpulse ein- und über eine besondere Löscheinrichtung (Stumpe/Heumann "hyristoren" S. 154) ausgeschaltet wird.
Um die Oberwellenblindleistung im Wechselstromnetz 13 möglichst klein zu halten, wird diesem ein möglichst sinusförmiger Strom entnommen. Zu diesem Zwecke wird der Regeleinrichtung 3, die den Thyristoren 2a und 2b die benötigten Zünd- und Löschimpulse liefert, ein sinusförmiger Sollwert für den Verbraucherstrom zugeführt. Um darüberhinaus auch die Grundwellenblindleistung auf ein Minimum zu bringen, muß der dem Netz entnommene Strom phasengleich mit der Netzwechselspannung uw sein. Um dies zu erreichen, wird die im allgemeinen sinusförmige Netzwechselspannung uw selbst oder ein wkhlbarer dbfinierter Teil davon als Fuhfungsgröße für den Sollwert des Verbraucherstromes verwendet. Wenn die Netzwechselspannung selbst nicht sinusförmig ist, kann die mittels eines Siebgliedes herausgesiebte Grundwelle der Netzwechselspannung als Führungsgröße verwendet werden.
Als Stromistwert wird der Regeleinrichtung 3 der Netz strom zugeführt, der mit dem hinter dem Wechselstromsteller 2 fließenden Strom identisch ist. Entsprechend der Abweichung zwischen Stromsoll- und Stromistwert wird der Wechselstromsteller 2 über die Regeleinrichtung 3 periodisch derart ein- und ausgeschaltet, daß sich der gewünschte Stromverlauf einstellt.
Parallel zum eigentlichen Verbraucher 1 und parallel zum Wechselstromsteller 2 sind Kondensatoren 6, 4 geschaltet, die im Falle eines induktivitätsbehafteten Verbrauchers während der Zeit, in der der Wechselstromsteller 2 ausschaltet, ein vorübergehendes Weiterfließen des Stromes ermöglichen und damit Überspannungen beim Ausschalten der Thyristoren 2a, 2b klein halten. Nach Bedarf kann auch parallel zum Wechselstromnetz 13 ein derartiges Dämpfungsglied 5 geschaltet werden. Anstelle von Kondensatoren können auch Kombinationen von Kondensatoren, Widerständen und Induktivitäten vorgesehen werden.
In Fig. 2 ist der zugehörige Verlauf von Strom und Spannung dargestellt. Je nach Charakteristik des Verbrauchers 1 wird sich das Ein-Ausschalt-Verhältnis des Wechselstromstellers 2 im Verlauf einer Periode verändern. Die schraffierten Flächen stellen die dem Verbraucher 1 zugeführte Spannung dar.
Die ausgezogenen Linien zeigen die Netzspannung Uw und den Netz strom iw. Eine eventuelle Abweichung des Stromistwertes von der Sinusform und der Aufwand für Dämpfungsglieder können durch eine hohe Frequenz des Wechselstromstellers 2 klein gehalten werden.
Neben der geschilderten Betriebsweise mit möglichst kleiner Ober- oder Grundwellenblindleistung, bei der der Sollwert bzw. die Führungsgröße für den Sollwert sinusförmig und in Phase zur Netzspannung ist, kann auch eine definierte kapazitive oder auch induktive Grundwellenblindlei-stung, d.h.
eine Vor- oder Nacheilung des Stromes, erwünscht sein, weil dadurch z.B. die Spannung des Wechsel- oder Drehstromnetzes 13 stabilisiert oder die Blindleistung anderer Verbraucher kompensiert werden kann. In der Regeleinrichtung 3 oder in der zugehörigen Sollwertvorgabe 3a ist in diesem Fall eine Phasenschwenkeinrichtung -vorzusehen, mit deren Hilfe dem Sollwert bzw. der Führungsgröße für den Sollwert die gewunschte Phasenverschiebung gegenüber der Netzwechselspannung gegeben wird. Je nach Charakteristik des Verbrauchers 1 wird sich eine Stromführung bei negativer Spannung, also außerhalb der für die gewun.schte Stromrichtung positiven Halbwelle, nicht immer erreichen lassen. Die erwünschte Phasenverschiebung der Grundwelle ist dennoch möglich, wobei eine evtl.
Vergrößerung der Oberwellen eintritt.
In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens für Gleichstromverbraucher dargestellt. Die Schaltung selbst ist bekannt (VDE-Fachtagung Elektronik 1969, Fig. 4, S. 137). Die Wechselspannung Uw wird über einen Diodengleichrichter 7 gleichgerichtet und über einen zünd- und löschbaren Thyristor 2a dem Verbraucher 1 zugeführt. Soll- und Istwert werden wie zuvor aus der Netzwechselspannung und dem Netzwechselstrom entnommen und der Regeleinrichtung 3 zugeführt, welche dem Thyristor 2a nach Maßgabe des Stromsoll-und Stromistwertes Zünd- und Löschimpulse zuführt. Die Regeleinrichtung 3 sorgt hier ebenfalls dafür, daß der Netzwecheelstrom entsprechend dem vorgegebenen Sollwert sinusförmig ist und die gleichePhasenlage wie die Netzwechselspannung 13 oder eine andere vorgegebene Phasenlage hat. Zur Begrenzung der Überspannungen und zur besseren Glättung des Stromes im Verbraucher 1 isthier ein Freilaufventil 8 vorgesehen. Selbstverständlich können zusätzlich oder alternativ Bedämpfungen gemäß Fig. 1 angeordnet werden.
Der Verlauf der zugehörigen Spannungen und Ströme ist in Fig. 4 dargestellt, wobei wie in Fig. 2 davon ausgegangen wurde, daß der Sollwert im Hinblick auf die gewünschten minimalen Grund- und Oberwellenblindleistungen sinusförmig und phasengleich zur Netzwechselspannung ist. Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens für Gleichstromverbraucher zeigt Fig. 5, bei der die gleiche Grundschaltung wie in Fig. 3 verwendet wird. Hier wird davon ausgegangen, daß dem Verbraucher 1 ein möglichst glatter Gleichstrom zugeführt werden soll. Wenn keine besonderen Siebglieder vorgesehen sind, ist damit auf der Wechselstromseite zwar eine entsprechende Oberwellenblindleistung nicht vermeidbar, jedoch kann die Grundwellenblindleistung, d.h. die Phasenverschiebung zwischen Netzspannung und Netz strom nach wie vor auf einen vorgegebenen induktiven oder kapazitiven Wert eingestellt oder aber vermieden werden. Als Sollwert wird der Regeleinrichtung 3 eine aus der Sinus spannung des Wechselstromnetzes 13 abgeleitete Trapezspannung zugeführt, die je nach Wunsch entweder in Phase oder phasenverschoben zur Netzwechselspannung ist. Als Istwert wird der Verbraucherstrom verwendet. Freilaufventile 8 und Dämpfungsglieder 5 können auch hier vorgesehen werden.
Der Verlauf der zugehörigen Spannungen und Ströme bei z.B.
kleinster Grundwellenblindleistung ist in Fig. 6 dargestellt.
min weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung für GleichsUromverbraucher zeigt Fig. 7. Auch diese Grundschaltung ist benannt (20 1 438 018, Fig. 13). Im Gegensatz zu den Fig. 3 u2ld 5 sind die zünd- und löschbaren Thyristoren 9 und 10 Teil der Stromrichterbrücke. Die Aufgaben des Freilaufs werden von den Dioden 11 und 12 übernommen. Diese Schaltung kann ebenso wie die Schaltungen in Fig. 3 bzw. 5 entweder so betrieben werden, daß ddr Strom im Wechselsüromnetz 13 sinusförmig ist oder der Gleichstrom im Verbraucher 1 eine möglichst geringe Welligkeit hat. Der Aufwand an Bauelementen ist gegenüber den anderen Lösungen geringer.
Der Gegenstand dieser Erfindung ist nicht nur bei einphasiger, sondern auch bei dreiphasiger Wechselstromzuleitung anwendbar. Eine mögliche Schaltung zeigt Fig. 8. Darüber hinaus können die hier aufgezeigten Verfahren auch bei Wechselrichterbetrieb angewendet werden.
8 Seiten Beschreibung 8 Patentansprüche Blatt Zeichnungen mit 8 Figuren

Claims

Patent ans rü ch e 1. Verfahren zur Regelung des über einen selbstkommutierten Stromrichter aus einem Wechselstromnetz entnommenen oder zugeführten Stromes, dadurch gekennzeichnet, daß die Netzwechselspannung (uw) oder ein davon abgeleiteter definierter Teil als Prlrungsgröße für den Sollwert und der Strom als Istwert bzw. ein Teil davon verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundwelle der Netzwechselspannung (uw) herausgesiebt und als Fuhrungsgröße für den Sollwert verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus der Netzwechselspannung (uw) abgeleitete Trapezspannung als Führungsgröße für den Sollwert verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Netzwechselspannung (uw) abgeleitete J?ührungsgröße mit Hilfe einer Phasenschwenkeinrichtung in der Phase gegenüber der Grundwelle der Netzwechselspannung verschoben wird.
5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4 zur Speisung eines Wechselstromverbrauchers, gekennzeichnet durch einen zwischen Verbraucher (1) und Netz (13) geschalteten Wechselstromsteller (2), der aus antiparallel geschalteten zünd- und löschbaren Thyristoren 2a, 2b) besteht, und eine Regeleinrichtung (3), die den zünd- und löschbaren Thyristoren (2a, 2b) des Wechselstromstellers (2) nach Maßgabe des Strom soll- und Stromistwertes Zünd- oder Löschimpulse zufiihrt.

(Fig. 1).
6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Speisung eines Gleichstromverbrauchers, gekennzeichnet durch eine Diodenbrücke (7), an deren Wechselstromklemmen das Wechselstromnetz (13) und an deren Gleichstromklemmen die Reihenschaltung aus einem zünd- und löschbaren Thyristor (2a) und dem Verbraucher (1) angeschlossen ist, und durch eine Regeleinrichtung (3), die dem zünd- und löschbaren Thyristor (2a) nach Maßgabe des Stromsoll- und Stromistwertes Zünd- und Löschimpulse zuführt. (Fig. 3 und Fig. 5)
7. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Speisung eines Gleichstromverbrauchers, gekennzeichnet durch eine aus Dioden (11, 12) und zünd- und löschbaren Thyristoren (9, 10) aufgebaute Stromrichterbrücke, an deren Gleichstromklemmen der Verbraucher (1) angeschlossen ist, und eine Regeleinrichtung (3), die den zünd- und löschbaren Thyristoren (9, 10) nach Maßgabe des Stromsoll- und Stromistwertes Zünd- oder Löschimpulse zuführt. (Fig. 7)
8. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einen der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine aus zünd-und löschbaren Thyristoren aufgebaute zwei- oder mehrphasige Stromrichterbrücke und eine Regeleinrichtung (3), die den zünd- und löschbaren Thyristoren nach Maßgabe des Stromsoll- und Stromistwertes Zünd- und Löschimpulse zuführt. (Fig. 8) L e e r s e i t e