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Regelanordnune für eine Stromrichteranlage mit steuerbarem
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Halbleitersteller" Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelanordnung
für eine Stromrichteranlage mit steuerbarem Halbleitersteller zur Speisung eines
Gleichstrom- oder Gleichspannungsverbrauchers oder eines Gleichspannungszwischenkreises
eines Umrichters aus einem Gleichspanrnrngsnetz oder einem einphasigen Wechselspannungsnetz
unter Erhaltung im wesentlichen oberschwingungsfreier Netzgrößen mit einem Regelkreis
mit Steuersatz zur Steuerungder steuerbaren Ventile des steuerbaren Halbleiterstellers,
inshesondere mit einem Spannungsregler mit unterlagertem Stromregler, an den der
Steuersatz ausgangsseitig angeschlossen ist.
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Die Erfindung kann Anwendung finden in der Antriebstechnik, bevorzugt,
Jedoch nicht atisschließlich, bei Drehstromantrieben von elektrischen Lokomotiven,
die aus Gleichspannungs- oder Wechselspannungsbahnnetzen gespeist werden.
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Derartige Drehstromantriebe mit Wechselrichter und Gleichspannungazwischenkreis
sind besonders günstig zu realisieren,
wenn eine Gleichspannungsquelle
bzw. eine Zwischenkreisspannung mit kleinen Oberschwingungen und konstanter Gleichspannung
zur Verfügung steht. Das Bahnnetz, aus dem die Energie aufgenommen wird, wird besonders
optimal belastet, wenn geringe Oberschwingungen vorliegen und der Netzstrom in Phase
mit der Netzspannung (Grundschwingung) ist.
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Es sind Pulsstromrichteranordnungen bekannt (J. Eörber,DT-Zeitschrift
ETR "Eisenbahntechnische Rundschau", Heft 7/8, 1975, Seiten 251 bis 259 = BBC Sonderdruck
D Ex 50756 D, Seiten 1 bis 10; J. Körber, Zeitschrift Glasers Annalen", Jg. 100
(1976) Heft 2/3, Seiten 58 bis 64 = BBC Sonderdruck D lEK 60024 D, Seiten 1 bis
9), die diese Probleme sowohl für eingangsseitige Gleichspannung als auch eingangsseitige
Wechselspannung lösen.
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Zur Regelung dieser Eingangsstromrichter wird ein bekannter Spannungsregelkreis
für die Zwischenkreis;pannunmit unterlagertem Netzstromregelkreis verwendet. Die
Regelanordnung der eingangs beschriebenen Gattung ist für einen Stromrichter an
einem Einphasen-Wechselstromnetz bekannt (DT-OS 22 17 023, Zusatz zu DT-OS 21 59
397). In diesem bekannten Fall werden der eingangsseitige Wechselstrom und die eingangsseitige
Sinusfunktion sowie die ausgangsseitige Gleichspannung gemessen und in einem Spannungsregelkreis
mit unterlagerter Stromregelung undßit einem Rechenglied ausgewertet, so daß schließlich
über einen; Steuersatz die SUnd- und Löschzeitpunkte der Ventile eines halbe leiterstellers,
der mit dem eingangsseitigen Vollwellengleichrichter zusammengeschaltet ist, in
Abhängigkeit von den Meßgrößen verstellt werden. Dabei wird im wesentlichen ein
oberschwingungsfreier Strom erhalten, der in Phase mit der Netzspannung ist. Die
bekannte Anordnung arbeitet in allen vier Quadranten der Strom-Spannungscharakteristik,
bezogen auf die Eingangsgrößen.
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Im bekannten Fall wird folglich aktiv in die Steuerung des Halbleiterstellers
bzw. Stromrichters eingegriffen, um u.a.
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Netzrückwirkungen zu vermeiden.
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Zur Erzielung eines nahezu sinusförmigen Wechselstromes unter gleichzeitiger
Abgabe gut geglätteter GlechgröBen ist einerseits eine harmonisch-zeitvariante Übersetzung
bzw. Steuerung eines Einphasenstromrichters und andererseits die Anordnung von Energiespeichern
bzw. Saugkreisen im Gleichstromzwischenkreis bzw. vor dem Verbraucher bekannt (M.Depenbrock
"Einphasen-Stromrichter mit sinusförmigem Netzstrom und gut geglätteten Gleichgrößen"
ETZ-A Bd. 94 (1973) H.8, S. 466 - 471; D. Daum Untersuchung eines Einphasen-Stromrichters
mit nahezu sinusförmigem Netzstrom und gut geglätteten Gleichgrößen" Dissertation,
Ruhr-Unisversität Bochum, 1974 ; H. Kehrmann, W. Lienau, R. Nill "Vierquadrantensteller
- eine netsfreundliche Einspeisung für Triebfahrzeuge mit Drehstromantrieb", Elektr.
Bahnen 45 (1974), H. 6, S. 135 - 142; G. Klinger Regelungstechnische Untersuchung
einer Einphasen-Stromrichter schaltung mit harmonisch zeitvariantem Übertrager IFAC
SYMPOSIl Düsseldorf, 7. bis 9. Oktober 1974, Band I, Seite 443 - 456; M. Depenbrock
"Einphasenstromrichter mit optimiertem Leistungs faktor" ETZ-A Bd. 95 (1974), H.
7, S. 360 - 363). Insbesondere durch Klinge ist ein Mehrgrößen-Regelungssystem bekannt,
mittels dessen außer den vorgenannten Forderungen auch eine optimale Dämpfung der
aufgrund der zeitdiskreten Steuerung im Zwischenkreis entstehenden Schwingung erreicht
wird. Eine ähnliche Regelanordnung ist auch bei einem Einquadrantensteller mit Speisung
aus dem Gleichspannungsnetz realisierbar.
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In den vorgenannten bekannten Fällen ist jedoch jeweils ein wesentliches
Problem nicht angesprochen, das die Stromrichtertechnik für die Signaltechnik, insbesondere
bei Bahnbetrieben,
aufwirft: die Verträglichkeit von Signal- und
Stromrichteranlagen. Viele Signalanlagen arbeiten frequenzselektiv bei einer oder
mehreren Frequenzen und sprechen bei einer bestimmten Stromamplitude an. Lediglich
als Beispiel seien die automatischen Streckenblöcke zur Kontrolle der Belegung eines
Blockes (Streckenabschnittes) bei Bahnanlagen erwähnt. Diese automatischen Streckenblöcke
arbeiten mit einem Wechselstromsignal.
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Die Streckenblockfrequenz liegt seit Jahrzehnten fest. Da die Stromrichter
meistens ein ganzes Spektrum von Frequenzen erzeugen, solange kehle besonderen Maßnahmen
getroffen werden, ist es möglich, daß im Oberwellenspektrum Ene Spektrallinie von
der Frequenz liegt, bei der die Signalanlage arbeitet.
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Der Erfindung liegt, ausgehend der eingangs genannten bekannten Regelanordnung
(DT-OS 2 217 023), die Aufgabe zugrunde, die störungsfreie Funktion von Signalanlagen
trotz des Einsatzes von Stromrichtern und/oder Halbleiterstellern zu erhalten.
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Die Ldsung dieser Aufgabe besteht darin, daß erfindungsgemäß ein zusätzlicher
Regelkreis für eine bestimmte Störfrequenz mit Anschluß an den Steuersatz für den
Halbleitersteller 90rgesehen ist.
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Vorteilhaft kann somit der Erzeugung der Störfrequenzen nicht nur
in herkömmlicher Weise mit passiven Elementen entgegengewirkt werden, sondern es
wird zur Ausschaltung ganz bestimmter Störfrequenzen aktiv in den Halbleitersteller
bzw. den Stromrichter eingegriffen. Dabei kann es sich um einen an sich bekannten
Gleichstromsteller mit Löschkreis (görber, DT-Zeitschrift ETRs.4 handeln oder auch
um einen Halbleitersteller, der gemäß DT-OS 2 217 023 mit einem Gleichrichter zusammengeschaltet
ist und insgesamt einen Vierquadrantensteller darstellt.
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Der Halbleitersteller bzw. der Stromrichter ist gleichzeitig zusammen
mit dem Eingangsfilter und dem Zwischenkreisfilter und ggf. weiteren Schaltelementen
als Regelstrecke anzusehen.
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Zweckmäßig ist ein Regelkanal des zusätzlichen Regelkreises von der
Regelstrecke im Bereich der Signalführung einer Netzgröße abgezweigt und führt über
ein selektives Filter für die Störfrequenz. Dieser Regelkanal ist ausgangsseitig
über eine Additionsstelle, an die auch der Rückführkanal des normalen Regelkreises
angeschlossen ist, an den Steuerimpulsbildner angeschlossen. Er enthält weiterhin
einen proportional wirkenden Regler (P-Regler) mit einstellbarem Proportionalitätsfaktor
zwischen dem selektiven Filter und der Additionsstelle.
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In einfacher Weise wird durch das selektive Filter die Störfrequenz
aus dem Netzstrom herausgesiebt und über den P-Regler mit negativem Vorzeichen auf
die Additionsstelle bzw. auf den nachfolgenden Eingang des Steuerimpulsbildners
gegeben, der einen Pulsbreitenmodulator mit verschiebbaren Taktzeitpunkten enthält.
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Zur Festlegung der ZUnd- und Löschzeitpunkte für den Stromrichter
werden im Pulsbreitenmodulator Impulse wechselnder Impulsbreite und Phasenlage gebildet.
Der Pulsbreitenmodulator besteht bevorzugt aus einem Dreieckspannungsgenerator und
einem Komparator mit Anschluß an die Additionsstelle. Die Steuerimpulsbildung und
die Impulsverschiebung mit Hilfe eine zusätzlichen Spannung mit dreieckfdrmigen
Spannungsverlauf sind als solche bekannt (Buch von Heumann/Stumpe, "Thyristorer
Eigenschaften und Anwendungen" 3. Auflage (1974), Seite 105).
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigen: Fig.1 schematisch einen bekannten stromrichtergespeisten
Traktionsantrieb mit EinquadrantenG1ei chstromsteller und Drehstromantrieb,
Fig.
2 einen bekannten Einquadranten-Gleichstromsteller für die Schaltung nach Fig. 1,
Fig. 3 eine bekannte Regelanordnung für die Schaltung nach Fig.1 mit Spannungsregler
und unterlagertem Stromreglerl, Fig. 4 Zeitdiagramme für die Stellerspannung, die
Netzspannung! und den Netzstrom der Schaltung nach Fig. 1 und Fig. 5 eine erfindungsgemäße
Regelanordnung für die Schaltung nach Fig. 1.
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Figur 1 zeigt eine bekannte Anordnung (Körber, s.o.) für einen Lokantrieb.
Als wesentliche Elemente sind dargestellt: ein Stromabnehmer 10 an der Fahrleitung
i1, eine Filterdrossel 12, ein Filterköndensatorl3, ein Einquadranten-Halbleitersteller
14, ein Gleichspannungszwischenkreis 15 mit Eondensatoi 16, ein Wechselrichter 17
mit Drehstromausgang 18, ein Drehstrommotor 19 und eine Schiene 20 zur Stromrückleitung.
WeiterH hin sind eingezeichnet: Netzstrom iN Netzspannung UN, Gleichstrom iD und
Gleichspannung Ud. Der Parallelkondensator 16 schließt die höherfrequenten Oberschwingungen
kurz, so daß eine im wesentlichen geglättete Gleichspannung Ud vorliegt.
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Die gilt für den bekannten Fall mit der nachfolgend näher auf gezeigten
Beschränkung.
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Fig. 2 zeigt ein Prinzipschaltbild eines an sich bekannten Gleichstromstellers
14. Die Schaltelemente gemäß Fig. 1 sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Der Einquadranten-Halbleitersteller 14 besitzt eine Drossel 21, die an einen Versweigungspunkt
23 am Filterkondensator 13 angeschlossen ist.
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An diese Drossel 21 sind mit Polung in Durchlaßrichtung eine andererseits
am positiven Gleichstrompol liegende Diode 24 und - ebenfalls mit Polung in Durchlaßrichtung
- ein
andererseits am negativen Gleichstrompol liegender Thyristor
26 angeschlossen. Der Thyristor 26 ist in üblicher Weise mit einer Löscheinrichtung
versehen (Heumann/Stumpe, s.o.). Durch Zünden und Löschen des Thyristors können
Jeweils entsprechende Stromabschnitte des Eingangsstromes iN auf den Ausgang geschaltet
werden, derselbe wird ein- und ausgeschaltet.
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Hierbei tritt nun das Problem auf, daß eine am Zwischenkreis 15 angeschlossene
Belastung (z.B. ein Wechselrichter) Oberschwingungsspannungen im Zwischenkreis 15
erzeugen kann.
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Diese Oberschwingungen können moduliert mit der Stellertaktung zu
unerwünschten Beeinflussungen der Signaltechnik führen, wie es es im folgenden näher
aufgezeigt wird: Für die Zwischenkreisspannung, bestehend aus der Summe von einem
Gleichanteil und-stellvertretend für alle Oberschwingungenaus aus einer Oberschwingungsspannung
mit der Kreisfrequenz »1 gil-
Die Taktung des Stellers 14 führt am Thyristor 26 zu einer Spannung, die aus einem
Gleichanteil und Oberschwingungen der Taktfrequenz besteht, von der hier ebenfalls
stellvertretend nur eine betrachtet wird:
wobei bedeuten: E - Verhältnis der Sperrzeit des Thyristors 26 zur Taktperiode,
C (g) - aus der Fourierzerlegung ableitbare, stellvertretend betrachtete Oberschwingung,
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- - Taktkreisfrequenz, U5t1 - Spannung am Thyristor 26.
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Durch Berücksichtigung beider obiger Gleichungen ergibt sich die Gleichung:
+C (K) cos #ot Für die Beeinflussung können hauptsächlich die Anteile mit # 1 und
#0 - #1 mit der kritischen Frequenz #s (z.B.
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0 der Streckenblockfrequenz) zusammenfallen.
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Fig. 3 zeigt eine an sich bekannte Regelanordnung (DT-OS 2 217 023).
Diese besitzt im einzelnen eine erste Additionsstelle 30 zur Vergleichsbildung zwischen
dem Gleichspannungs-Istwert Udist und dem Gleichspannungs-Sollwert Udsoll' einen
proportional-integrierend wirkenden Spannungsregler (PI-Spannungsregler) 31, eine
zweite Addationsstelle 32 für den Vergleich zwischen dem von dem PI-Spannungsregler
31 gelieferten
Stromsollwert iNsoll und dem von einem Meßglied
(nicht dargestellt) gelieferten Netzstromistwert iNistw einen PI-Stromregler 33
und einem Steuerimpulsbildner 50. Dieser besteht aus einer dritten Additionsstelle
34, einem Dreieckspannungsgenerator 35, einem Komparator 36 und ausgangsseitig weiteren
Schaltgliedern zur Bildung der Zündbefehle für Thyristor und Löscheinrichtung.
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Fig. 4 zeigt als Beispiel die oben vereinfacht formelmäßig abgeleitete
Entstehung der Oberschwingung mit Mischfrequenz.
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iN und uSt1 bedeuten dabei die Mittelwerte von Netzstrom und Stellereingangsspannung;
die anderen Größen sind bereits vorstehend erläutert. Man erkennt, daß u und F.
einen nieder-1N frequenten Oberschwingungsanteil enthalten, der weder in der Zwischenkreisspannung
enthalten ist, noch der Taktfrequenz entspricht. Die Darstellung ist in den Amplituden
sehr stark übertrieben. Die eingang Weschriebenen bekannten Regelanord -nungen sindnicht
imstande, den Oberschwingungsstrom wirksam zu unterdrücken, weil die störenden Amplituden
sehr klein gegenüber dem Nutzsignal sind.
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Fig. 5 zeigt unter Beibehaltung der bisherigen Bezeichnungen für wiederkehrende
Schaltglieder ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Regelanordnung, wobei die
Regelstrecke mit Stellerdrossel 21, Halbleitersteller 14' und Zwischenkreisfilter
16 strichpunktiert abgegrenzt ist. Das Eingangsfilter, bestehend aus Filterdrossel
12 und Filterkondensator 13, ist nicht berücksichtigt. Da der Ausgangsstrom des
Stellers 14' aus Ausschnitten des Eingangsetromes und die Eingangsapannung aus Ausschnitten
der Zwischenkreisspannung besteht, ist der Steller 14t durch zwei Multiplizierer
14 " und 14''' dargestellt.
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Die Erzeugung der störenden Mischfrequenz wird erfindungsgemäß dadurch
ausgeschaltet, daß der störende Frequenzanteil
des Drosselstromes
über ein selektives Filter 40 ausgesiebt und über einen getrennten Regelkreis ausgeregelt
wird. Zu diesem Zweck ist an der Stellerdrossel 21 ein Regelkanal 41 angeschlossen,
der über das selektive Filter 40, und einen P-Regler 42 mit negativem Vorzeichen
an die dritte Additionsstelle 34 führt, an die auch der Ausgang des Stromreglers
33 angeschlossen ist. Im weiteren Signalzug dieses zusätzlichen Regelkreises folgt
wie in Fig. 3 der Steuerimpulsbildner 50.
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Der Ausgang des Steuerimpulsbildners 50 ist an den Halbleiterin steller
14' angeschlossen, der Darstellungsweise nach Fig. 5 über einen Verzweigungspunkt
43 an die beiden dargestellten Blöcke 14 " und 14"'. Der Halbleitersteller 14' besitzt
zwei Ausgänge 44 und 45. Über den Ausgang 44 wird im regelungstechnischen Ersatzschaltbild
die Stellerspannung Ust4 an eine eingangsseitig der gesamten Regelanordnung bzw.
der Stellerdrossel 21 liegende vierte Additionsstelle 22 zurückgeführt.
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An dieser Additionsstelle 22 liegt außerdem das Netzspannungssignal
UN.
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Der Ausgang 45 des Halbleiterstellers 14 führt zu einer fünfte Additionsstelle
46, der zusätzlich der Lastgleichstrom id zugeführt wird. Das Ausgangssignal dieser
fünften Additionsstelle 46 ist auf das Zwischenkreisfilter 16 geführt, an dessen
Ausgang der Gleichspannungsistwert Udist abgegriffen und über einen Verzweigungspunkt
47 einmal im negativen Sinnder ersten Additionsstelle 30 und zum anderen dem Halbleitersteller
14' zugeführt wird. Der Ausgang der ersten Additionsstelle 30 führt über den Spannungsregler
31, dessen Ausgangssignal den Stromsollwert darstellt, zur zweiten Additionsstelle
32, der der von einer Verzweigungsstelle 48 an der Stellerdrossel 21 abgegriffene
Netzstromistwert im negativen Sinne zugeführt wird. Der Ausgang der zweiten Addittionsstelle
32 liegt am PI-Stromregler 33, dessen Ausgang schließlich zur dritten Additionsstelle
34 führt. Im weiteren Signalzug dieses
Regelkreises liegt wiederum
der Steuerimpulsbildner 50, dessen Ausgang an den Halbleitersteller 14' angeschlossen
ist.
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Die Wirkungsweise des zuletzt beschriebEnen Regelkreises entspricht
der der bekannten Anordnung nach Fig. 3. Die Wirkung des zusätzlichen Regelkreises
wird nachfolgend erläutert: Der Netzstrom iN wird in jedem Augenblick mit Hilfe
des selektiven Filters 40 auf evtl. Frequenzanteile überwacht. Liegt kein meßbarer
Anteil vor, so ist der zusätzliche Regelkreis nicht wirksam. Wird Jedoch ein meßbarer
Anteil empfangen, so ge langt dieser über den P-Regler 42 auf die dritte Additionsstelle
34 und beeinflußt deren Ausgangssignal und somit den Steuerimpulsbildner 50. Durch
diese Wirkung werden die Taktzeitpunkte des Halbleitersteller 14' derart verschoben,
daß die ursprünglich in der Stellereingangsspannung bzw. im Stellereingangsstrom
enthaltene Komponente mit dem Frequenzanteil to, kompensiert wird.
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Die Erfindung ist anhand eines aus einem Gleichspannungsnetz gespeisten
Einquadranten-Stellers beschrieben; sie ist in ähnlicher Weise auf einen aus einem
Wechselspannungsnetz gespeiste Vierquadrantensteller gemäß DT-OS 2 217 023 anwendbar.
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Die erfindungsgemäße Regelanordnung eignet sich in besonders vorteilhafter
Weise für eine Drehstromlok bei Betrieb am Gleichspannungs- oder Einphasen-Wechselspannungsfahrdraht;
denn es ist dabei von einer großen Dynamik des Antriebes und dem Wunsch nach extrem
kleinen Störströmen auszugehen. Es versteht sich dabei, daß die erdungsgemäßen Maßnahmen
zusätzlich bzw. zur Unterstützung der an sich bekannten Maßnahmen zur Unterdrückung
von Störschwinungen bzw. zur Verbesserung der Filterwirkung für die Signalfrequenz
eingesetzt werden können.
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