DE2315240C3 - Verfahren und Anordnung zur Regelung des Laststromes eines Drehstrom-Wechselstrom-Direktumrichters - Google Patents

Description

erläutert, die den Stromverlauf wahrend einer Halbwelle der Halbwellendauer A über der Zeitachse ι zeigt.

Bei einem schnellen Stromanstieg des jeweils mit einer ausgezogenen Linie dargestellten Lastsiromes.ist bei der Halbwellenform 1 eine Strombegrenzung auf den Wert /i erforderlich, um den Effektivwert hir zu erhalten. Bei der Halbwellenform 2 mit einem langsamen Stromanstieg muß dagegen für den gleichen Effektivwert Un eine Strombegrenzung auf den höheren Wert /2 gewählt werden.

Es wurde gefunden, daß bei unterschiedlichen Stromanstiegsgeschwindigkeiten die Werte der Strombegrenzung auf der als punktierte Linie dargestellten Hüllkurve 3 liegen, die sich aus einem konstanten Anteil 3a und einem nach einer Exponentialfunktion ansteigenden Anteil 36 zusammensetzt.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Hüllkurve 3 bei Beginn jeder Halbwelle der Laststromes als Sollwert-Führungskurve gebildet und mit dem Istwert verglichen. Sobald der Istwert die Hüllkurve 3 erreicht, wird ihr jeweiliger Wert als Sollwert für die weitere Stromflußdauer der Halbwelie konstant gehalten und gegen Ende der Halbwelle auf Null gesetzt. Die dadurch entstehenden Sollwertkurven sind als gestrichelte Linienzüge la bzw. 2a für die Halbwellenformen 1 bzw. 2 eingezeichnet.

Aus F i g. 1 ersieht man den Vorteil der erfindungsgemäßen Steuerung des Stromsollwertes gegenüber einer festen Einstellung der Strombegrenzung. Bei einer festen Einstellung beispielsweise auf den Wert /1 würde zwar beim raschen Stromanstieg der Halbwellenform 1 der gewünschte Effektivwert left erzielt werden, bei einem langsameren Stromanstieg dagegen wäre der erreichte Effektivwert kleiner. Mit der Erfindung wird dagegen der Effektivwert des Laststromes konstant gehalten, da Veränderungen der ohmschen und/oder induktiven Widerstandskomponenten im Lastkreis bei jeder Halbwelle ebenso berücksichtigt werden wie Änderungen in der Speisespannung des Direktumrichters.

Die für den jeweiligen Anwendungsfall geeignete Hüllkurve 3 als Sollwertführungskurve kann entweder berechnet oder empirisch bestimmt werden. Ihr konstanter Anteil 3a entspricht dem betrachteten Verbraucher ohne dessen induktiven Anteil. Weiterhin kann man für zwei Werte des Lastwiderstandes dessen ohmsche und induktive Komponenten messen und daraus die Halbwellenform des Laststromes und den jeweiligen Wert der Strombegrenzung bestimmen, der für den gewünschten Effektivwert erforderlich ist.

Die erfindungsgemäße Anordnung zur Durchführung des Verfahrens wird an Hand der in den F i g. 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben.

F i g. 2 zeigt als Blockschaltbild einen Direktumrichter mit einem erfindungsgemäßen Sollwertgeber. Der Direktumrichter besteht aus zwei antiparallel geschalteten Stromrichtergruppen 4 und 5 mit ihnen zugeordneten Impulsverstärkern 6 und 7, die von einem Steuersatz 8 und einer Kommandostufe 9 gesteuert werden. Der Kommandostufe 9 wird die Frequenz h eines einphasigen Wechselstromes vorgegeben, den der Direktumrichter aus einem Drehstromnetz mit der Netzfrequenz /i bildet. Im Lastkreis des Direktumrichters liegt ein Verbraucher mit dem ohmschen Widerstand 10 und der Induktivität 11. Der Steuersatz 8 wird vom Stromregler 12 beeinflußt, der den Istwert mit dem Sollwert von einem Sollwertgeber vergleicht. Der Sollwertgeber hesteht aus einem PIP-Glied 13 zur Bildung der Sollwert-Funktionskurve und einer Stromvergleichssciialtung 14, die nach erstmaliger Sollwert-Istwert-Übereinstimmung innerhalb einer Halbwelle den Ausgang des PlP-Gliedes konstant hält, sowie einen den Ausgang des PIP-Gliedes kurzschließenden Schalter 15. Ein PIP-Glied (s. a. W. O ρ ρ e 11 »Kleines Handbuch technischer Regelvorgänge«, 3. Auflage, 1960, S. 192) läßt sich beispielsweise durch die Parallelschaltung eines P-Gliedes und eines Verzögerungsgliedes erster Ordnung darstellen.

F i g. 3 zeigt die Schaltung des Sollwertgebers.

Ein Kondensator 17 liegt mit seinem einen Belag an einer konstanten Spannung Ul an einem Widerstand

18 und mit seinem anderen Belag über einen Potentiometerwiderstand 19 an der Versorgungsspannung Usm. Der Abgriff des Sollwertes erfolgt an einer Klemme Z zwischen Kondensator 17 und Potentiometerwiderstand 19. Der Widerstand 18 liegt im Ausgangskreis von als Darlington-Verstärker geschalteten Transistoren 20 und 21, die eine Konstantstromquelle bilden. An einem Potentiometer 22 wird die Basisspannung des Transistors 20 eingestellt und damit der Strom im Widerstand 18 bestimmt, der hier den gewünschten Spannungsabfall Ui hervorruft. Der Kondensator 17 ist von einem als elektronischer Schalter wirkenden Transistor 23 überbrückt, der von der Kommandostufe 9 über eine Klemme X angesteuert wird. Der Transistor 23 wird durchlässig gesteuert, sobald die Kommandostufe 9 die gerade stromführende Stromrichtergruppe auf volle Wechselrichteraussteuerung schaltet, um den Strom abzubauen. Der Transistor 23 wird zu Beginn der nächsten Halbwelle wieder gesperrt.

Der Kondensator 17 ist über einen Shunt 24 für einen Operationsverstärker 25 mit einem Vergleichspunkt 26 verbunden, an dem an der Klemme Z der Stromsollwert ansteht. Der Vergleichspunkt 26 liegt im Ausgangskreis eines Transistors 27, den der Operationsverstärker 25 ansteuert. Der Istwert des Lasistroms wird von einer Klemme Y über eine Diode 28 und einen Shunt 29 für einen Operationsverstärker 30 ebenfalls an den Vergleichspunkt 26 gelegt. Der Operationsverstärker 30 steuert einen Transistor 31 an, dessen Ausgangskreis den Steuerkreis des Transistors 27 überbrückt.

Mit Beginn einer Halbwelle des Laststromes wird der Transistor 23 gesperrt und damit der Kurzschluß des Kondensators 17 aufgehoben. An der Klemme Z steht jetzt die Sollwertspannung an, die sich aus dem konstanten Spannungsabfall UI am Widerstand 18 und einem nach einer e-Funktion ansteigenden Spanrungsanteil zusammensetzt, der aus dem Ladestrom über den Potentiometerwiderstand 19 und den Shunt 24 resultiert. Die Spannung an der Klemme Z realisiert somit den Verlauf der Hüllkurve 3 nach F i g. 1.

Der Ladestrom über den Potentiometerwiderstand

19 würde über den Spannungsabfall am Shunt 24 den Operationsverstärker 25 und damit den Transistor 27 voll durchsteuern. Da der Transistor 27 aber erst dann leitend werden soll, wenn der Istwert des Laststromes die Sollwert-Führungskurve erreicht, wird seine Steuerstrecke zunächst noch vom Transistor 31 kurzgeschlossen, der vom Operationsverstärker 30 voll durchgesteuert wird, solange dessen Shunt 29 von einem Strom über den Potentiometerwiderstand 19 und einen hochohmigen Widerstand 32 durchflossen wird.

Sobald die den Istwert des Laststromes abbildende Spannung an der Klemme V die Sollwertspannung

überschreitet, fließt ein Strom über die Diode 28 und den Shunt 29, der Operationsverstärker 30 kippt an seinen anderen Anschlag und sperrt den Transistor 31. Damit ist die Ansteuerung für den Transistor 27 freigegeben, der jetzt die Ströme vom Vergleichspunkt 26 in dem Maße ableitet, daß nur noch ein sehr kleiner Ladestrom über den Shunt 24 an den Kondensator 17 fließt, um dessen Leckstromverluste auszugleichen. Dieser sehr kleine Ladestrom steuert über den Operationsvcr stärker 25 den Transistor 27 gerade so weit aus, wie für die Erhaltung dieses Gleichgewichtszustandes erforderlich ist. Die Spannung am Abgriff Z für den Stromsollwert bleibt konstant.

Der Abschnitt mit konstantem Stromsolkvert wird am Ende der Stromflußdauer der betrachteten HaIbwelle dadurch beendet, daß die Kommandostufe 9 den elektronischen Schalter 23 durchlässig steuert. Der Kondensator 17 entlädt sich sehr schnell über einen niederohmigen Entladewidersiand 33. Der Stromsollwert wird dadurch auf Null gesetzt. Gleichzeitig steuert der Stromregler 15 die stromführende Stromrichtergruppe an die WechseirichterlriUgrenze. Der Strom wird dadurch schnellstmöglich abgebaut und damit auch die ihn abbildende Spannung an der Klemme Y.
Mit der Erfindung kann die für eine optimale Stromausnutzung der Umrichterventile erforderliche Stromreglerführung bewirkt werden, so daß eine optimale Ventilausnützung und damit eine erhöhte Abgabeleistung erzielt werden kann. Die Einstellung des gewünschten Effektivwertes des Laststromes kann auf einfache Weise mittels der Potentiometer 19,22,34 und 35 vorgenommen werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Regelung des Laststromes eines Drehstrom-Wechselstrom-Direktumrichters zur Speisung eines Verbrauchers mit zeitlich veränderlichen ohmschen und/oder induktiven Widerstandskomponenten mittels eines Stromsollwertes für den augenblicklichen Stromverlauf in jeder Halbwelle, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung des Effektivwertes (Urr) des Laststromes vom Beginn jeder Halbwelle des Laststromes ab eine Stromführungskurve (3) aus einem konstanten Anteil (3a) und einem nach einer zeitlichen Exponentialfunktion ansteigenden Anteil (3b) gebildet und zusätzlich zu dem für die Bilriung der Regelabweichung vorgesehenen Sollwert- Istwert-Vergleich mit dem Stromistwert verglichen wird, und daß in Abhängigkeit von diesem Vergleich beim Erreichen der Führungskurve (3) durch den Istwert der jeweilige Wert der Führungskurve (3) als Sollwert für die weitere Stromflußdauer der Halbwelle konstant gehalten und gegen Ende der Halbwelle auf Null gesetzt wird.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Sollwertführungskurve (3) ein PIP-Glied (13) und eine Stromvergleichsschaltung (14), die nach erstmaliger Sollwert-Istwert-Übereinstinv mung innerhalb einer Halbwelle den Ausgang des PIP-Gliedes (13) konstant hält, sowie ein Schaher (15) vorgesehen sind, durch den der Ausgang des PIP-Gliedes (13) kurzschließbar ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das PIP-Glied einen Kondensator (17) aufweist, dessen einer Belag mit einer konstanten Spannung (Ui) und dessen andere·· Belag über einen Potentiometerwiderstand (19) mit einer Versorgungsspannung (Ußan) verbunden ist, wobei der Abgriff (Z) für den Sollwert zwischen Kondensator (17) und Potentiometerwiderstand (19) liegt.

4. Anordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen den Kondensator (17) überbrückenden Schalter (23), der von einer Kommandostufe (9) des Direktumrichters betätigbar ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der den Kondensator (17) überbrükkende Schalter (23) als kontaktloser elektronischer Schalter ausgebildet ist, insbesondere als Transistor.

6. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgriff (Z) für den Sollwert den Vergleichspunkt (25) der Stromvergleichsschaltung bildet und einerseits über einen ersten Shunt (24) für einen ersten Operationsverstärker (25) am Kondensator (17) und andererseits über einen zweiten Shunt (29) für einen zweiten Operationsverstärker (30) an einer den Istwert des Laststromes abbildenden Spannung liegt, und daß der erste Operationsverstärker (25) einen ersten Transistor (27) ansteuert, dessen Ausgangskreis mit dem Vergleichs- 6c punkt (26) verbunden ist, und der zweite Operationsverstärker (30) einen zweiten Transistor (31) ansteuert, dessen Ausgangskreis den Steuerkreis des ersten Transistors (27) überbrückt.

65 Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zur Regelung des Laststromes eines Drehstrom-Wechselstrom-Direktumrichters zur Speisung eines Verbrauchers mit zeitlich veränderlichen ohmschen und/oder induktiven Widerstandskomponenten mittels eines Stromsollwertes für den augenblicklichen Stromverlauf in jeder Halbwelle.

Ein Drehstrom-Wechselstrom-Direktumrichter bildet aus einem dreiphasigen Drehstromnetz einen einphasigen Wechselstrom mit einer gegenüber der Netzirequenz wesentlich niedrigeren Frequenz. Er besteht aus zwei netzgeführten Stromrichtern, die von einem Steuersatz und einer Kommandostufe so gesteuert werden, daß im Lastkreis ein einphasiger Wechselstrom erzwungen wird. Es ist bekannt, den Laststrom eines Drehstrom-Wechselstrom-Direktumrichters mittels eines Stromsollwertes für den augenblicklichen Stromverlauf in jeder Halbwelle zu regeln. Der Stromsollwert verläuft sinusförmig (Siemens-Fachbuch »Netzgeführte Stromrichter mit Thyristoren«, 1967, S. 311 bis 319, insbesondere S. 315). Wird ein Direktumrichter zur Strombeheizung verwendet, beispielsweise in elektrischen Schmelzöfen, so hat sich ein trapezförmiger Stromverlauf als günstig erwiesen. Damit erzielt man einen hohen Effektivwert des einphasigen Wechselstromes (Siemens-Fachbuch »Netzgeführte Stromrichter mit Thyristoren«, 1967, S. 316).

Bei speziellen Anwendungsfällen, insbesondere bei Unterschlacke-Schmelzöfen, weist der \ crbraucherkreis ohmsche und induktive Widerstandskomponenten auf, die sich mit der Zeit ändern. So wurden beispielsweise beim Schmelzen eines Blocks bei Schmelzbeginn ein ohmscher Widerstand von 2,04 mQ und eine Induktivität von 85 μΗ gemessen, während bei Schmelzende der ohmsche Widerstand 1,9 mQ und die Induktivität 50 μΗ betrugen. Durch die Änderung der Widerstandskomponenten ändert sich die Zeitkonstante des Lastkreises erheblich und damit auch die Halbwellenform des Stromes auf Grund der unterschiedlichen Stromanstiegsgeschwindigkeiten.

Will man bei vorgegebener Frequenz im Lastkreis einen konstanten Effektivwert erreichen, so muß man bei einem langsamen Stromanstieg einen höheren Maximalwert des Laststromes während einer Halbwelle zulassen als bei einem schnellen Stromanstieg. Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Anordnung zur Regelung des Laststromes eines Drehstrom-Wechselstrom-Direktumrichters zu finden, bei dem der Effektivwert unabhängig von der Änderung der Zeitkonstante und damit der Stromanstiegsgeschwindigkeit auf Grund der zeitlich veränderlichen ohmschen und induktiven Widerstandskomponenten im Lastkreis konstant gehalten wird.

Erfindungsgemäß wird hierzu vorgeschlagen, daß zur Regelung des Effektivwertes des Laststromes vom Beginn jeder Halbwelle des Laststromes ab eine Stromführungskurve aus einem konstanten Anteil und einem nach einer zeitlichen Exponentialfunktion ansteigenden Anteil gebildet und zusätzlich zu dem für die Bildung der Regelabweichung vorgesehenen Sollwert-Istwert-Verglcich mit dem Stromistwert verglichen wird, und daß in Abhängigkeit von diesem Vergleich beim Erreichen der Führungskurve durch den Istwert der jeweilige Wert der Führungskurve als Sollwert für die weitere Stromflußdauer der Halbwelle konstant gehalten und gegen Ende der Halbwelle auf Null gesetzt wird.

Die Wirkungsweise und die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens werden an Hand der F i g. 1 näher