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Schaltungsanordnung für einen Steuersatz eines Stromrichters Die Erfindung
bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für die Verbesserung der Impulsgenauigkeit
eines Steuersatzes für einen Stromrichter.
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Bei Stromrichtern, die beispielsweise für die Stromversorgung der
Elektromagnete von Elementarteilchen-Beschleunigern und in Hochspannungs-Gleichstrom-0bertragungsanlagen
eingesetzt werden, sind zur Vermeidung von unerwünschten Oberschwingungen hochgenaue
Steuersätze erforderlich. Derartige hochgenaue Steuersätze sind aufwendig und erfordern
insbesondere eine erhebliche Abgleicharbeit. Eine hinreichende Impulsgenauigkeit
ist jeweils nur für einen kurzen Zeitraum realisierbar. Ein bekannter hochgenauer
Steuersatz (US-PS 3 466 525) erlaubt nur eine langsame Veränderung des Zündwinkels.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zusatzeinrichtung für
Steuersätze zu schaffen, mit der die Impulsgenauigkeit beliebiger Steuersätze erheblich
gesteigert werden kann.
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Eine erfindungsgemäße Zusatzschaltung weist folgende Merkmale auf:
a) ein freischwingender, frequenzsteuerbarer Impulsgenerator zur Erzeugung einer
Folge von Leitimpulsen, b) ein Pulslage-Regelkreis zur Steuerung des freischwingenden
Impulsgenerators durch Vergleich der Impulse des Steuersatzes mit den Leitimpulsen,
c)
eine Impulsformerstufe zur Bildung einer Folge von Schaltimpulsen aus den Leitimpulsen,
d) für jedes Ventil bzw. für jede Ventilgruppe mit gleichzeitig zu zündenden Ventilen
je eine Verzögerungsschaltung zur Bildung von Zündimpulsen aus den Impulsen des
Steuersatzes und den Schaltimpulsen.
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Der freischwingende frequenz steuerbare Impulsgenerator, der vorzugsweise
als Rechteckgenerator ausgebildet ist, erzeugt Leitimpulse, deren Pulsfrequenz gleich
dem n-fachen Wert der Netzfrequenz ist, wobei n die Pulszahl des zugehörigen Stromrichters
ist. Der frequenzsteuerbare Impulsgenerator wird so geregelt, daß die Leitimpulse
eine bestimmte einstellbare Zeit tl hinter den Impulsen des Steuersatzes liegen,
dessen Impulsgenauigkeit prinzipiell beliebig sein kann, beispielsweise + 20 el.
Der Pulslage-Regelkreis vergleicht zwei Impulsketten miteinander,-nämlich die Leitimpulse
des freischwingenden Impulsgenerators und die zusammengefaßten Impulse des Steuersatzes.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung arbeitet daher auch, wenn der zugehörige
Stromrichter nicht angeschlossen bzw. nicht in Betrieb ist. Als Pulslageregler wird
vorzugsweise ein PI-Regler verwendet, dessen Nachstellzeit so groß gewählt ist,
daß der Pulsabstand der Leitimpulse des frequenzsteuerbaren Impulsgenerators als
konstant angesehen werden kann.
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Die Verzögerungsschaltung zur Bildung der eigentlichen Zündimpulse
für die gesteuerten Halbleiterventile des Stromrichters weist vorzugsweise eine
maximale Verzögerungszeit t2 auf, die etwa dem doppelten Wert der vorstehend genannten
Zeit tl entspricht. Diese Verzögerungsschaltung gibt Zündimpulse an die gesteuerten
Halbleiterventile des Stromrichters ab, wenn der Steuersatz einen Impuls abgibt
und die Verzögerungszeit t2 abgelaufen ist, oder wenn der Steuersatz einen Impuls
abgibt und ein Impuls des freischwingenden, frequenzsteuerbaren Impulsgenerators
die Verzögerungszeit verkürzt.
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Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung läßt sich eine netzunabhängige
hohe Impulsgenauigkeit der Zündimpulse erzielen.
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Da die Unsymmetrien im Steuersatz ausgeregelt werden, entstehen keine
zusätzlichen Oberschwingungen. Es lassen sich beliebig schnelle Änderungen des Zündwinkels
durchführen. Die Gleichrichtergrenze und die Wechselrichtertii ttgrenze wird vom
Steuersatz bestimmt. Einschwingungsvorgänge können bei abgeschaltetem Stromrichter
stattfinden. Es ist keine störende unterlagerte Regelung erforderlich, wenn die
erstgenannte Zeit t1 etwa im Bereich zwischen 20el und 40el liegt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihre in den UnteransprU-chen
näher gekennzeichneten Ausgestaltungen sind in der Zeichnung dargestellt und werden
im folgenden näher beschrieben: Figur 1 zeigt das Prinzip einer erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung zur Verbesserung der Impulsgenauigkeit eines Steuersatzes 4
für einen Stromrichter 1. Der netzgeführte Stromrichter 1 mit gesteuerten Ventilen
la bis 1f - insbesondere Thyristoren - in Bruckenschaltung ist an ein Drehstromnetz
3 mit den Phasen RST angeschlossen. Der Stromrichter 1 speist eine Last 2, die durch
eine ohmsche und eine induktive Komponente dargestellt ist.
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Als Last 2 kann beispielsweise ein Elektromagnet vorgesehen sein oder
aber auch eine Hochspannungs-Gleichstrom-2bertragungsleitung (HG8-Leitung), die
zu einem weitentfernten Wechselrichter führt. Der Stromrichter 1 soll mit Hilfe
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung auch über längere Zeiträume hinweg mit
großer Genauigkeit gesteuert werden, damit unerwünschte Oberschwingungen in der
Last 2 vermieden werden. Dabei soll es möglich sein, den Zündwinkel schnell zu verändern,
um ihn an geänderte Netzspannungs- oder Lastverhältnisse anzupassen.
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Die Steueranordnung enthält in üblicher Weise einen Steuersatz 4,
der über einen Steuerabgriff mit der Netzspannung synchronisiert ist. Der Steuersatz
4 bildet in bekannter Weise in Abhängigkeit von einer an Klemme 17 zugeführten Steuerspannung
Us4, die beispielsweise von einer nicht dargestellten Regeleinrichtung gebildet
sein kann, und in synchroner Abhängigkeit von den Nulldurchgängen der Netzspannung
Ausgangsimpulse I4a bis I4f für die gesteuerten Ventile 1a bis 1f des Stromrichters
1. Die Impulse I4a bis I4f sind jeweils um 600 el gegeneinander phasenverschoben.
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Da die Ausgangsimpulse des Steuersatzes 4 mit den Nulldurchgängen
der Netzspannung synchronisiert sind, ist bei Schwankungen der Netzspannung und
Netzfrequenz keine ausreichende Genauigkeit mehr gewährleistet. Um auch bei schwankender
Netzspannung und -frequenz eine hohe Impulsgenauigkeit zu gewährleisten, werden
die Ausgangsimpulse des Steuersatzes 4 über eine Korrekturschaltung geführt. Die
Korrekturschaltung enthält ein als ODER-Glied 6 symbolisch dargestelltes Verknüpfungsglied,
in dem die Impulse I4a bis I4f zu einer Impulsfolge I6 zusammengefaßt werden. Die
Impulsfolge I6 bildet die Istimpulse für einen Pulslage-Regelkreis mit einem Vergleichspunkt
7, einem Frequenz-Spannungs-Umsetzer 8 und einem PI-Regler 9. Ein freischwingender,
frequenzsteuerbarer Impulsgenerator 5 bildet eine Folge von Leitimpulsen I5 als
Sollimpulse für den Pulslage-Regelkreis. Die Impulsfrequenz der Leitimpulse des
Impulsgenerators 5 beträgt im dargestellten Ausführungsbeispiel die 6-fache Netzfrequenz,
da es sich um eine 6-pulsige Stromrichterschaltung handelt. Aus dem Unterschied
zwischen der Soll-Impulslage der Leitimpulse I5 und der Ist-Impulslage der in der
Impulsfolge I6 zusammengefaßten Ausgangsimpulse des Steuersatz es 4 wird im Vergleichspunkt
7 eine Pulsfolge I7 abgeleitet, die über den Frequenz-Spannungs-Umsetzer 8 in eine
Istspannung U8 umgesetzt wird. Die Ist-Spannung U8 wird zusammen mit einer einstellbaren
Sollspannung Um 0, die beispielsweise an einem Potentiometer abgegriffen sein kann,
dem PI-Regler 9 zugeführt. Die Spannungsdifferenz zwischen der Istspannung U8 und
der Sollspannung U10 steuert den PI-Regler 9 aus, dessen Ausgangsspannung U55 die
Steuerspannung für den frequenzsteuerbaren Impulsgenerator 5 darstellt. Die Trägheit
des Pulslage-Regelkreises wird so groß gewählt, daß der Pulsabstand der Leitimpulse
I5 des Impulsgenerators 5 als nahezu konstant angesehen werden kann. Die Trägheit
des Regelkreises kann bei der dargestellten 6-pulsigen Schaltung beispielsweise
so gewählt werden, daß die Abweichungen im Pulsabstand der Leitimpulse kleiner als
2(usec sind.
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Die Leitimpulse I5 werden einer Impulsformerstufe 11 zugeführt, die
eine Folge von Schaltimpulsen 111 bildet. Aus den Schaltimpulsen I11 werden die
Zündimpulse für die gesteuerten Ventile mit Hilfe von Verzögerungsschaltungen, weiteren
Impulsformerstufen und Leistungsstufen abgeleitet. Um die Ubersichtlichkeit der
Zeichnung zu wahren, ist lediglich die Bildung der Zündimpulse 114a für das gesteuerte
Ventil la mit einer Leistungsstufe 14a, einer Impulsformerstufe 13a und einer Verzögerungsschaltung
12a dargestellt. Den anderen gesteuerten Ventilen sind gleichartig aufgebaute Verzögerungsschaltungen
zugeordnet, denen eingangsseitig ebenfalls die Schaltimpulse I11 und die zugehörigen
Ausgangsimpulse des Steuersatzes 4 zugeführt sind.
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Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Bildung der Schaltimpulse
111 im Zusammenwirken mit einer nachgeschalteten Verzögerungsschaltung. Der freischwingende
frequenz steuerbare Impulsgenerator 5 enthält in an sich bekannter Weise einen Sägezahngenerator
5a, dem die Steuerspannung Us5 eingangsseitig zugeführt ist, sowie eine nachgeschaltete
Impulsformerstufe 5b zur Bildung von Rechteckimpulsen als Leitimpulse I5 aus den
Sägezahnimpulsen. Die Sägezahnimpulse werden herausgeführt und einem Grenzwertmelder
11' als Impulsformerstufe eingangsseitig zugeführt, dessen einstellbarer Ansprechschwellwert
U15 von einem Potentiometer 15 abgegriffen ist. Die Schaltimpulse I11, die durch
Vergleich der Sägezahnspannung des Sägezahngenerators 5a mit dem Ansprechschwellwert
U15 gebildet werden, haben ebenfalls einen nahezu konstanten Impulsabstand. Die
Schaltimpulse I11 sollen nun so eingestellt werden, daß sie um den maximalen Fehler
des Steuersatzes 4 zeitlich nach der zusammengefaßten Impulsfolge I6 des Steuersatzes
4 liegen. Jeder Ausgangsimpuls, z.B. I4a des Steuersatzes 4, startet einen Hiifssägezahngenerator
12a mit einer Laufzeit, die etwas größer ist als der maximale Fehler des Steuersatzes
4. An den Hilfssägezahngenerator 12a ist ein weiterer Grenzwertmelder 13a angeschlossen,
der einen Ausgangsimpuls abgibt, wenn die Hilfssägezahnspannung einen vorbestimmten
Betrag ihrer Amplitude - beispielsweise
80 % - durchlaufen hat
oder wenn der Schaltimpuls I11 in den Hilfssägezahn hineintaktet. Die Ausgangsimpulse
des Grenzwertmelders 13a werden einer Leistungsstufe 14a zugeführt, welche die Zündimpulslänge
bestimmt und die Impulse zu ZUndimpulsen für die gesteuerten Ventile des Stromrichters
verstärkt.
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Fällt ein Schaltimpuls I11nicht in den Hilfssägezahn des Hilfssägezahngenerators
12a, so liegen alle Zündimpulse für die gesteuerten Ventile des Stromrichters um
einen konstanten Betrag zeitlich hinter den Ausgangsimpulsen des Steuersatzes 4.
Dies geschieht bei einer Zündwinkeländerung schneller als 10 0el pro Periode und
beim Einschalten des Steuersatzes. Nach Abklingen der dynamischen Vorgänge zieht
der Pulslage-Regelkreis den Schaltimpuls 111 in den Hilfssägezahn hinein, so daß
die Lage des Zündimpulses vom Schaltimpuls bestimmt wird. Hierdurch wird erreicht,
daß die Zündimpulse untereinander einen hochkonstanten Abstand und damit eine hohe
Impulsgenauigkeit aufweisen.
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Es ist unkritisch, wenn bei dynamischen Zündwinkeländerungen der Schaltimpuls
außerhalb des Hilfssägezahns fällt, da bei dynamischen Vorgängen keine Impulsgenauigkeit
definiert werden kann.
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Die erfindungsgemäße Zusatzeinrichtung hat den Vorteil, daß der Steuersatz
4 die Gleichrichterbegrenzung und die Wechselrichtertrittgrenze bestimmt. Ferner
ist ein rasches Verändern des Zündwinkels möglich.
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Die Funktion der erfindungsgemäßen Zusatzeinrichtung wird anhand der
Diagramme in Figur 3 deutlich: Figur 3a zeigt die Impulse I4a des Steuersatzes 4
für das gesteuerte Ventil la des Stromrichters 1.
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Figur 3b zeigt die Impulsfolge I6 als Summe der Impulse des Steuersatzes
4.
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Figur 3c zeigt die Leitimpulse I5 im Ausgang des freischwingenden,
frequenzsteuerbaren Impulsgenerators 5.
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Figur 3d zeigt die Impulsfolge I7, die durch den Vergleich von I5
mit I6 entsteht und nach einer Digital-Analog-Umsetzung die Regelgröße für den Impulsgenerator
5 darstellt.
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Figur 3e zeigt die Sägezahnspannung des Sägezahngenerators 5a im Impulsgenerator
5 und den Ansprechschwellwert U15 des Grenzwertmelders 11'.
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Figur 3f zeigt die Folge der hieraus abgeleiteten Schaltimpulse III.
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Figur 3g zeigt die Hilfssägezahnspannung im Ausgang des Hilfssägezahngenerators
12a.
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Figur 3h zeigt die Ausgangsimpulse des Grenzwertmelders 13a.
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Die Zündimpulse I14a für das Steuerventil la des Stromrichters 1 sind
in Frequenz und Phasenlage mit den Ausgangsimpulsen des Grenzwertmelders 13a identisch,
sie sind im Leistungsniveau an die Ansteuerleistung des Steuerventils 1a angepaßt.
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Figur 4 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung mit verbessertem
dynamischen Verhalten. Gleiche und gleichwirkende Bauteile sind mit den gleichen
Bezugsziffern versehen. Der Steuersatz 4 des Stromrichters 1 ist in bekannter Weise
aus einer Synchronisiereinheit 4a zur Erzeugung einer Synchronisierspannung, einem
nachgeschalteten Vergleichsspannungserzeuger 4b zur Erzeugung einer periodischen
Vergleichsspannung, einem Sägezahngenerator 4c als Impulserzeuger und einem nachgeschalteten
Impulsformer 4d aufgebaut. Dem Sägezahngenerator 4c als Impulserzeuger wird eine
Steuergleichspannung U54 an der Eingangsklemme 17 zugeführt.
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Die Steuergleichspannung U54 wird beispielsweise von einem nicht dargestellten
Stromregelkreis für den Verbraucher 2 gebildet.
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Der freischwingende, frequenzsteuerbare Impulsgenerator 5 ist wiederum
aus einem Sägezahngenerator 5a mit einer nachgeschalteten Impulsformerstufe 5b aufgebaut.
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Zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens des Schaltimpulses wird
der Sägezahn des Sägezahngenerators 5a des Impulsgenerators 5 in seinen Grenzen
so geführt, daß beide Grenzen unmittelbar von der Steuerspannung U54 des Steuersatzes
4 geführt werden. Ferner wird die Amplitude der Sägezahnspannung des Sägezahngenerators
5a so eingestellt, dalf die Sägezahnspannung des Sägezahngenerators 4c und die Sägezahnspannung
des Sägezahngenerators 5a gleiche Spannungssteilheiten aufweisen.
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Jede Veränderung der Aussteuerung des Steuersatzes 4 durch die Steuerspannung
U54 geht damit unmittelbar in den Impulsgenerator 5 ein, ohne daß eine Verzögerung
durch den Pulslage-Regelkreis erfolgt.
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Figur 5a zeigt als Diagramm den linearen Sägezahn des Sägezahngenerators
4c des Steuersatzes 4.
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Figur 5b zeigt in einem Diagramm die Steuerspannung U54, die Sägezahnspannungen
U4c aller Pulse des Sägezahngenerators 4c des Steuersatzes 4 und die Sägezahnspannung
U5a des Sägezahngenerators 5a des Impulsgenerators 5, die in ihren Grenzen an die
Steuerspannung Us4 gebunden ist. Wie Figur 5b zeigt, kann sich die Steuerspannung
U54 beliebig schnell ändern, ohne daß der Schaltimpuls außerhalb des Hilfssägezahns
fällt. Ein Fehler kann nur dann auftreten, wenn eine sprunghafte Änderung der Steuer
spannung U84 in den Bereich zwischen einen Impuls des Steuersatzes 4 und einen Schaltimpuls
fällt. Eine derartige sprunghafte Anderung der Steuer spannung U54 in diesem Bereich
bringt zwar den Zündimpuls an die zeitlich richtige Stelle, kann aber nicht verhindern,
daß die Pulsfolge I7 einen falschen Impuls aufnimmt. Dadurch wird über den Pulslage-Regelkreis
der Schaltimpuls etwas verschoben und liegt beim nächsten Zündimpuls nicht richtig.
Bei einer Änderung der Aussteuerung von 360Oel pro Periode ist dieser Einfluß im
Pulslage-Regelkreis so gering, daß der Schaltimpuls nicht außerhalb des Hilfssägezahnes
fällt.
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Die Anordnung ist etwa in einem Frequenzbereich 1 : 2 frequenzunabhängig.
Durch eine frequenzproportionale Zusatzeinspeisung
kann die Schaltung
auf einen Frequenzbereich 1 : 10 erweitert werden. Hierzu wird die Anstiegsgeschwindigkeit
der Sägezahnspannung U4c des freilaufenden Rechteckgenerators 5 mit einer frequenzproportionalen
Spannung auch frequenzproportional geführt.
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Der Hilfssägezahngenerator 12a mit dem nachgeschalteten Grenzwertmelder
13a stellt eine Impulsverzögerungsschaltung dar.
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Wenn - wie in Figur 4 dargestellt - zwischen den Ausgang des Grenzwertmelders
13a und den Eingang des Impulsformers 14a eine weitere Impulsverzögerungsschaltung
mit einem weiteren Hilfssägezahngenerator 15a und einem weiteren Grenzwertmelder
16a zwischengeschaltet wird, so ist es m4yich, aus den Impulsen hoher Impulsgenauigkeit
mithilfe einer Steuerspannung U16 definierte Impulsunsymmetrien zu erzeugen. Die
Steuerspannung U16 wird an einer Klemme 18 dem zusätzlichen Grenzwertmelder 16a
eingespeist.
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Mit der zusätzlichen Impulsverzögerungsschaltung 15a, 16a ist es möglich,
die Oberschwingungen kleiner Ordnung zu Lasten der Oberschwingungen höherer Ordnung
zu verringern. Dies kann für die Auslegung von Filterkreisen wichtig sein. Ferner
ist der Vorteil gegeben, daß eine Impulslagenkorrektur an einem Hilfssägezahn mit
großer Spannungssteilheit und kurzer Laufzeit temperaturstabiler und stabiler gegen
Spannungsschwankungen ist als bei einem langsamen Sägezahn des Steuersatzes 4.
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Die erfindungsgemäße Zusatzeinrichtung zur Erhöhung der Impulsgenauigkeit
kann bei jedem beliebigen Steuersatz angewendet werden. Bei höherpulsigen Stromrichtern,
beispielsweise bei 12-pulsigen Stromrichtern, ergibt sich durch die hohe Pulssymmetrie
der Zündimpulse eine wesentlich günstigere Dimensionierung der Filter für die fünfte
und siebente Oberschwingung.
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Figur 6 zeigt eine zweite Variante der Erfindung, die sich durch einen
besonders einfachen Schaltungsaufbau auszeichnet und die bei geringeren Anforderungen
an die Impulssymmetrie vorteilhaft
eingesetzt werden kann. Mit
dieser Schaltungsanordnung läßt sich eine Impulssymmetrie von etwa 0,10 el erzielen.
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Der netzgeführte Stromrichter 1 zur Speisung des Verbrauchers 2 ist
an ein Drehstromnetz 3 mit den Phasen RST angeschlossen.
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Der Steuersatz 4 ist über einen Steuerabgriff mit der Netzspannung
synchronisiert. Der Steuersatz 4 bildet in bekannter Weise die Zündimpulse für die
Ventile des Stromrichters 1 in Abhängigkeit von einer an Klemme 17 zugeführten Steuerspannung.
Die Steuerspannung wird von einem Regler 20 gebildet, der im dargestellten Beispiel
Bestandteil einer Stromregelung ist. Dem Regler 20 wird eingangsseitig die Regeldifferenz
aus einer Sollwertspannung I* und einer von einem Strommeßwandler 19 erzeugten Istwertspannung
I zugeführt.
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Die Ausgangsimpulse des Steuersatzes 4 werden in einem als ODER-Glied
6 dargestellten Verknüpfungsglied zur Impulsfolge I6 zusammengefaßt. Aus der Impulsfolge
I6 wird in einer Verzögerungsstrecke 22 eine um 6O0el verzögerte Impulsfolge I6'
gebildet. Die verzögerte Impulsfolge I6' wird in einem Vergleichspunkt 25 mit der
unverzögerten Impulsfolge I6 verglichen. Die durch diesen Vergleich entstehende
gleichfrequente Impulsfolge Im wird einem Modulator 21 zugeführt, der die Modulations-Impulsfolge
Im auf die Ausgangsspannung des Reglers 20 moduliert.
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Dem Steuersatz 4 wird somit eine mit der Modulations-Impulsfolge Im
modulierte Steuerspannung zugeführt.
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Zur Einstellung einer exakten Verzögerung von 600 el für die Impulsfolge
I6' kann vorteilhaft ein Regelkreis herangezogen werden, der die Impulsfolge I6
mit der verzögerten Impulsfolge I6' über die Verzögerungsstrecke zur Phasengleichheit
führt.
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Bei dieser Variante der Erfindung werden die Ventile des Stromrichters
unmittelbar von den Zündimpulsen des Steuersatzes 4 gesteuert. Die erreichbare Impulssymmetrie
beträgt etwa 0,10 el.
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6 Figuren 5 Patentansprüche