DE2151019C3 - Verfahren zur Regelung des einem Wechselstromnetz entnommenen oder zugeführten Stromes und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur Regelung des einem Wechselstromnetz entnommenen oder zugeführten Stromes und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Impulsbreiten-Regelung des über einen selbstkommutierten Stromrichter einem Wechselstromnetz entnommenen oder zurückgeführten Stromes mit Sollwertvorgabe sowie einem vom Strom abgeleiteten Istwert und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Elektrische Verbraucher auf vorgenannte Art über einen selbstkommutierten Stromrichter aus einem Wechselstromnetz zu mittel Impulsbreiten-Regelung auf Strom zu regeln, ist bekan t(DE-OS 14 38 018, F i g.8 bis 13, DE-OS 15 63 240).
Bei ähnlichen Schaltungen is; es zur Vermeidung von Schwingungen auch bekannt, c'ie Spannung an einem Eingangskondensator als Einflußgröße für die Regelung heranzuziehen (DE-OS 14 13y95).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Stromregelung anzugeben, mit dem die Grundwellen- und/oder die Oberwellenblindleistung bei derartigen Stromrichtern mit geringem Aufwand auf ein Minimum gebracht und/oder die Grundwellenblindleistung auf induktive oder kapazitive Werte eingestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird bei Stromrichtern der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Netzwechselspannung oder ein davon abgeleiteter definierter Teil als Führungsgröße für den Sollwert des Reglers und der Netz- oder der Verbraucherstrom bzw. ein Teil davon als Istweri verwendet wird.
in Weiterbildung der F.rfindung wird die aus der Netzwechselspannutig 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 Netzwechselspannung 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 Erfindgung erläutert.
Fig. 1 zeigt einen aus dem Wechselstromnetz gespeisten Wechselstrcmverbraucher, während die Fig. 3, 5, 7 und 8 Gleichstromverbraucher zeigen, die aus; dem Wechselstromnetz gespeist werden.
Die Fig. 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 der Motor oder ein anderer Verbraucher treten kann, aus einem Wechselspannungsnetz 13 mit der Wechselspannung u» gespeist. Zur Einstellung des Stromes im Verbraucher 1 ist zwischen Verbraucher 1 und Netz 13 em an sich bekannter (DE-OS 20 51 828) Wechselstromsteller 2 mit antiparallel geschalteten, allerdings /und- und löscibaren Thyristoren 2a, 7b geschaltet. Unter einem zund- und !(ischbarem Thyistor 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 »Thyristoren« S. 154) ausgeschaltet wird.
Um die Oberwellenblindleistung im Wechselstromnetz 13 klein zu halten, wird diesem ein möglichst sinusförmiger Strom entnommen. Zu diesem Zwecke wird der Regeleinrichtung 3, die den Thyristoren 2ε 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 Uy. sein. Um dies zu erreichen, wird die im allgemeinen sinusförmige Netzwechselspannung t/w selbst oder ein wählbarer definierter Teil davon als Führungsgröße 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 Netzstrom zugeführt, der mit dem hinter dem Wechselstromsteller 2 fließenden Strom identisch ist. Entsprechend der A u weichung zwischen Stromsoll- und Stromistwert wird uer Wechselstromsteller 2 über die Regeleinrichtung 3 periodisch derart ein- unc ausgeschaltet, daß sich der gewünschte Stromverlauf einstellt.
Parallel zum eigentlichen Verbraucher 1 und parallel zum Wechselstromsteller 2 sind Kondensatoren 4, 6 geschaltet, die im Falle eines induktivitätsbehafteteri 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- und 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 Netzstrom /w. Eine eventuelle Abweichung des Stromistwertes von der Sinusform und der Aufwand für Dämpfungsglieder können durch eine hohe Tast-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 Grundwellenblindleistung, 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 (iiler in der zugehörigen Sollwertvorgabe 3a ist in diesem Fall eine Phasenschwenkeinrichtung vorzusehen, mit deren Hilfe dem Sollwert bzw. der Führungsgroße für den Sollwert die gewünschte Phasenverschie-
bung gegenüber der Netzwechselspannung gegeben wird. Je nach Charakteristik des Verbrauchers 1 wird sich eine Stromführung bei negativer Spannung, also außerhalb der für die gewünschte 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, F ig. 4, S. 137; DE-OS 14 13 995). Die Wechselspannung u» 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 Netzwechselsnannung 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 Netzwechselstrom entsprechend dem vorgegebenen Sollwert sinusförmig ist und die gleiche Phasenlage wie die Netzwechselspannung 13 oder falls gewünscht, eine andere vorgegebene Phasenlage hat. Zur Begrenzung der Überspannungen und zur besseren Glättung des Stromes im Verbraucher 1 ist hier 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 F i g. 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 F i g. 5, bei der die gleiche Grundschaltung wie in F i g. 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 Netzstrom, nach wie vor auf einen vorgegebenen induktiven oder kapazitiven Wert eingestellt oder aber vermieden werden. Als Sollwert wird der Regeleinrichtung 3 eine aus der Sinusspannung des Wechselstromnetzes 13 abgeleitete Trapezspannung zugeführt, die je nach Wunsch entweder in Phase oder im erwünschten Maße phasenverschoben zur Netzwechselspannung ist. Als Istwert wird der Verbraucherstrom verwendet. Freilaufventile 8 und Dämpfungsglieder 5 könne auch hier vorgesehen werden.
Der Verlauf der zugehörigen Spannungen und Ströme bei z. B. kleinster Grundwellenblindleistung ist in Fig. 6dargestellt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung für Gleichstromverbraucher zeigt Fig. 7. Bis auf die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist auch diese Grundschaltung bekannt (DE-OS 14 38 018, Fig. 13). Im Gegensatz zu den F i g. 3 und 5 sind die zünd- und löscn'jaren Thyristoren 9 und 10 Teil der Stromrichterbrücke. Die Aufgaben des Freilaufs werden von den beiden Dioden 11 und 12 übernommen. Diese Schaltung kann ebenso wie die Schaltungen in Fig. 3 bzw. 5
entweder so betrieben werden, daß der Strom im Wechselstromnetz 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 Wechse stromzuleitung anwendbar (DE-OS 14 13 995). Ein mögliche Schaltung zeigt Fig. 8. Darüber hina können die hier aufgezeigten Verfahren auch b Wechselrichterbetrieb angewendet werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

  1. Patentansprüche:
    J. Verfahren zur Impulsbreiten-Regelung des über einen selbstkommutierten Stromrichter aus einem Wechselstromnetz entnommenen oder zugeführten Stromes, mit Sollwertvorgabe sowie vom Strom abgeleiteten Istwert, dadurch gekennzeichnet, daß die Netzwechselspannung (uw) oder ein davon abgeleiteter definierter Teil als Führungsgröße für den Sollwert des Reglers und der Netz- oder ,0 der Verbraucherstrom bzw. ein Teil davon als Istwert verwendet wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundwelle der Netzwechselspannung (uw) herausgesiebt und als Führungsgröße für , den Sollwert verwendet wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus der Netzwechselspannung (uu) abgeleitete Trapezspannung als Fühpjngsgröße für den Sollwert verwendet wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Netzwechselspannung (uw) abgeleitete Führungsgröße mit Hilfe einer Phasenschwenkeinrichtung in der Phase gegenüber der Grundwelle der Netzwechselspannung verschoben wird.
  5. 5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4 zur Speisung eines Wechselstromverbrauchers, in Anwendung auf einen zwischen Verbraucher und Netz geschalteten Wechselstromsteller, der aus antiparallel geschalteten Thyristoren besteht, gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung (3), die den zünd- und löschbaren Thyristoren (2a, 2b) des Wechselstromstellers (2) nach Maßgabe des Stromsoll- und Stromistwenes Zünd- oder Löschimpulse zuführt (Fig. 1).
  6. 6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Speisung eines Gleichstromverbrauchers, in Anwendung auf eine Diodenbrücke an deren Wechselstromklemmen das Wechselstromnetz und an deren Gleichstromklemmen die Reihenschaltung aus einem zünd- und löschbaren Thyristor und dem Verbraucher angeschlossen ist, gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung (3), die dem zünd- und löschbarem Thyristor (2a,) nach Maßgabe des Stromsoll- und Stromistwertes Zünd- und Löschimpulse zuführt (F i g. 3 und Fig. 5).
  7. 7. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Speisung eines Gleichstromverbrauchers, in Anwendung auf eine aus Dioden und zünd- und löschbaren Thyristoren aufgebaute Stromrichterbrücke, an deren Gleichstromklemmen der Verbraucher angeschlossen ist, gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung (3), die den zünd- und löschbaren Thyristoren (9, 10) nach Maßgabe des Soll- und Stromistwertes Zünd- oder Löschimpulse zuführt (F i g. 7).
  8. 8. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einen der Ansprüche 1 bis 4. in Anwendung auf eine aus zünd- und löschbaren Thyristoren aufgebaute zwei- oder mehrphasige Stromrichterbrücke, gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung (3), die den zünd- und löschbaren Thyristoren nach Maßgabe des Stromsoll- und Stromistwertes Zünd- und Löschimpulse zuführt (F i g. 8).
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