DE2636668C2

DE2636668C2 - Regelanordnung für eine Stromrichteranlage mit steuerbarem Halbleitersteller

Info

Publication number: DE2636668C2
Application number: DE2636668A
Authority: DE
Inventors: Winfried Dipl.-Ing. 6800 Mannheim Daumann; Reiner Dipl.-Ing. 6945 Hirschberg Nill
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1976-08-14
Filing date: 1976-08-14
Publication date: 1982-08-12
Also published as: CH617548A5; DE2636668A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Sie kann Anwendung finden in der Antriebstechnik, bevorzugt, jedoch nicht ausschließlich, bei Drehstromantrieben von elektrischen Lokomotiven, die aus Gleichspannungsoder Wechselspannungsbahnnetzxn gespeist werden.

Derartige Drehstromantriebe 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 Grundschwingung der Netzspannung ist

Es sind Pulsstromrichteranordnungen bekannt (J. Körber, DE-Zeitschrift ETR »Eisenbahntechnische Rundschau«, Heft 7/8, 1975, Seiten 251 bis 259 = BBC Sonderdruck D VK 50756 D, Seiten 1 bis 10; J. Körber, Zeitschrift »Glasers Annalen«, Jg. 100 (1976) Heft 2/3, Seiten 58 bis 64 = BBC Sonderdruck D VK 60024 D, Seiten 1 bis 9), die diese Probleme sowohl für eingangsseitige Gleichspannung als auch eingangsseitige Wechselspannung lösen.

Eine Regelanordnung der eingangs beschriebenen Gattung ist für einen Stromrichter an einem Einphasen-Wechselstromnetz bekannt (DE-OS 2217 023). In diesem bekannten Fall werden eingangsseitig der Netzstrom und der Verlauf der Netzspannung sowie die ausgangsseitige Gleichspannung gemessen und in einem Spannungsregelkreis mit unterlagerter Stromregelung ausgewertet, so daß schließlich über einen Steuersatz die Zünd- und Löschzeitpunkt der Ventile eines Halbleiterstellers, der mit einem Vollwellengleichrichter zusammengeschaltet ist, in Abhängigkeit von den Meßgrößen verstellt werden. Dabei wird ein im wesentlichen oberschwingungsfreier Netzstrom erhalten, der in Phase mit der Netzspannung ist Die bekannte Anordnung arbeitet in allen vier Quadranten der Strom-Spannungscharakteristik, bezogen auf die Eingangsgrößen.

Im bekannten Fall wird folglich aktiv in die Steuerung des Halbleiterstellers bzw. Stromrichters eingegriffen, um u. a. Netzrückwirkungen zu vermeiden. Zur Erzielung eines nahezu sinusförmigen Wechsel stromes unter gleichzeitiger Abgabe gut geglätteter Gleichgrößen ist einerseits eine harmonisch-zeitvariante Obersetzung bzw. Steuerung eines Einphasenstromrichters und andererseits die Anordnung von Energiespeichern bzw. Saugkreisen im Gleichstromzwischen-

kreis bzw. vor dem Verbraucher bekannt (M. Depenbrock »Einphasen-Stromrichter mit sinusförmigem Netzstrom und gut geglätteten Gleichgrößen« ETZ-A, Bd. 94 [1973], H. 8, Seiten 466 bis 471; D. Daum »Untersuchung eines Einphasen-Stromrichters mit nahezu sinusförmigen Netzstrom und gut geglätteten Gleichgroßen«, Dissertation, Ruhr-Universität Bochum, 1974; H. Kehrmann, W. Lienau, R. NiIl »Vierquadrantensteller — eine netzfreundliche Einspeisung für Triebfahrzeugs mit Drehstromantrieb«, Elektrische Bahnen 45 [1974], H. 6, Seiten 135 bis 142; G. Klinger »Regelungstechnische Untersuchung einer Einphasen-Stromrichterschaltung mit harmonisch zeitvariantem Übertrager« IFAC SYMPOSIUM, Düsseldorf, 7. bis 9. Oktober 1974, Band I, Seite 443 bis 456; M. Depenbrock, »Einphasenstromrichter mit optimiertem Leistungsfaktor« ETZ-A, Bd. 95 [1974], H. 7, Seiten 360 bis 363). Insbesondere durch Klinger 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.

Aus der US-PS 38 83 792 ist eine Regelschaltung bekannt, die die Zündzeitpunkte für die Ventile einer HGÜ-Station derart verstellt, daß auf der Wechselstrom-Varsorgungsleitung weder eine Gleichstromkomponente noch Harmonische der Netzfrequenz auftreten. Hierzu werden die Effektivwerte des Gleichanteils, des Grundfrequenzanteils und der Oberwellenanteile in Netzstrom und Netzspannung mittels je eines abgestimmten Filters bestimmt, gemäß ihrer Bedeutung gewichtet und auf einen Digitalrechner

so gegeben. Dieser variiert die Zündzeitpunkte derart, daß eine aus den gemessenen Anteilen gebildete n-dimensionale Funktion, die ein Maß für die Störungen auf der Wechselstrom-Versorgungsleitung ist, einen minimalen Wert annimmt

In dem vorgenannten Stand der Technik 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

f>5 Bahnanlagen erwähnt Diese automatischen Streckenblöcke arbeiten mit einem Wechselstromsignal. Die Streckenblockfrequenz liegt seit Jahrzehnten fest Da die Stromrichter meistens ein ganzes Spektrum von

Frequenzen erzeugen, so lange keine besonderen Maßnahmen getroffen werden, ist es möglich, daß im Oberwellenspektrum eine Spektrallinie von der Frequenz liegt, bei der die Signalanlage arbeitet

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Bildung einzelner störender Oberwellen in einer Stromrichteranlage mit einem Spannungsregler mit unterlagertem Stromregler weiter zu verringern.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1.

Mit Hilfe des zweiten Regelkreises wird aktiv in den ersten Regelkreis' der Stromrichteranlage eingewirkt, derart, daß vorbestimmte Störfrequenzen ausgeregelt werden. Damit sind bessere Ergebnisse erzielbar als bei der herkömmlichen Verwendung rein passiver Filter. Insbesondere können genau die Frequenzen unterdrückt werden, die die Funktion von Signalanlagen stören könnten, auch wenn diese Frequenzen keine Harmonischen der Netzfrequenz oder der Wechselrichterfrequenz sind. Die Anwendung ist möglich sowohl bei einem Halbleitersteller mit Löschkreis (Körber, DE-Zeitschrift ETR, s. o.) als auch bei einem Halbleitersteller, der gemäß DE-OS 22 17 023 mit einem Gleichrichter zusammengeschaltet ist und insgesamt einen Vierquadrantensteller darstellt

Bei einer zweckmäßigen Ausbildung umfaßt der zweite Regelkreis ein selektives Filter für die Störfrequenz, einen proportional wirkenden Regler und eine Additionsstelle, an die auch der Ausgang des ersten Regelkreises angeschlossen ist Der Proportionalitätsfaktor des proportional wirkenden Reglers ist vorteilhafterweise einstellbar.

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

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 schematisch einen bekannten stromrichtergespeisten Traktionsantrieb mit Einquadranten-Gleichstromsteller und Drehstromantrieb,

F i g. 2 einen bekannten Einquadranten-Gleichstromsteller für die Schaltung nach F i g. 1,

Fig.3 eine bekannte Regelanordnung für die Schaltung nach F i g. 1 mit Spannungsregler und unterlagertem Stromregler und

Fig.4 eine erfindungsgemäße Regelanordnung für die Schaltung nach F i g. 1. .

F i g. 1 zeigt eine bekannte Anordnung (Körber, s. o.) für einen Lokantrieb. Als wesentliche Elemente sind dargestellt: ein Stromabnehmer 10 an einer Fahrleitung 11, eine Filterdrossel 12, ein Filterkondensator 13, ein Einquadranten-Halbleiiersteller 14, ein Gleichspannungszwischenkreis 15 mit Kondensator 16, ein Wechselrichter 17 mit Drehstromausgang 18, ein Drehstrommotor 19 und eine Schiene 20 zur Stromrückleitung. Weiterhin sind eingezeichnet: Netzstrom Jm Netzspannung Un, Gleichstrom /</ und Gleichspannung Ud- Der Parallelkondensator 16 schließt die höherfrequenten Oberschwingungen kurz, so daß eine im wesentlichen geglättete Gleichspannung Ud vorliegt Dies gilt für den bekannten Fall mit der nachfolgend näher aufgezeigten Beschränkung.

F i g. 2 zeigt das Prinzipschaltbild eines Einquadranten-Halbleiterstellers 14. Er besitzt eine Stellerdrossel 21, an die mit Polung in Durchlaßrichtung eine andererseits am positiven Gleichstrompol liegende Diode 24 und — ebenfalls mit Polung in Durchlaßrichtung — ein andererseits am negativen Gleichstrompoi liegender Halbleitersteller 26 angeschlossen sind Derartige Halbleitersteller sind bekannt aus dem oben genannten Buch von Heumann/Stumpe. Durch Zünden und Löschen des Halbieiterstellers 26 können jeweils entsprechende Stromabschnitte des Eingangsstromes i'n auf den Ausgang geschaltet werden.

Hierbei tritt nun das Problem auf, daß eine am Zwischenkreis 15 angeschlossene Belastung, z.B. der Wechselrichter 17, Oberschwingungen im Zwischenkreis 15 erzeugen kann. Diese Oberschwingungen sind unabhängig von den Oberschwingungen, die der Halbleitersteller 14 erzeugt Sie können mit der Taktfrequenz des Stellers 14 moduliert werden und zu der unerwünschten Beeinflussung der Signale führen, wie im folgenden näher aufgezeigt wird:

Für die Zwischenkreisspannung Ud, bestehend aus der Summe von Gleichanteil U_do und — stellvertretend für alle Oberschwingungen des Wechselrichters 17 — einer Oberschwingungsspannung Ud \ mit der Kreisfrequenz Mi gilt:

Ud(t) = Udo+ Ud\ ■ cosωιt

Die Taktung des Halbleiterstellers 26 führt zu einer Spannung U_sl, die aus einem Gleichanteil und Oberschwingungen der Taktfrequenz &>o besteht von der hier ebenfalls stellvertretend nur eine betrachtet wird:

Usjt) = Udo- K+ QK)■ costDoi,
wobei bedeuten:

K — Verhältnis der Sperrzeit des Halbleiterstellers 26 zur Taktperiode,

C(K) - aus der Fourierzerlegung ableitbare, stellvertretend betrachtete Oberschwingung.

Durch Überlagerung beider Spannungen gemäß obiger Gleichungen ergibt sich die Gleichung:

(0

K +

K ■ cos«,/ +

O₄₁ ■ C(K)

Udo

Hauptsächlich die Anteile mit ωι und o>o—&>i können mit einer kritischen Signalfrequenz ω» ζ. B. der Streckenblockfrequenz, zusammenfallen und damit eine Störung der Signalstromkreise bewirken.

Fig.3 zeigt die bekannte Regelanordnung der DE-OS 22 17 023. Sie besitzt im einzelnen eine erste Additionsstelle 30 zur Vergleichsbildung zwischen dem Gleichspannungs-Istwert Udui und dem Gleichspannungs-Sollwert Udsoih einen proportional-integral wir-

•

60

65 cos (<y₀ + W₁) / + cos ((U₀ - O)₁) t + C(K) cos(y₀i.

kenden Spannungsregler (PI-Spannungsregler) 31, eine zweite Additionsstelle 32 für den Vergleich zwischen dem von dem Pl-Spannungsregler 31 gelieferten Stromsollwert in_son und dem von einem Meßglied (nicht dargestellt) gelieferten Netzstromistwert isist, einen Pl-Stromregler 33 und einen Steuerimpulsbildner 50. Dieser besteht aus einer Additionsstelle 34, einem Dreieckspannungsgenerator 35, einem Komparator 36 und ausgangsseitig weiteren Schaltgliedern 49 zur

Bildung der Zündbefehle für die Thyristoren des Halbleiterstellers 14 bzw. 26. Diese und andere bekannte Regelanordnungen sind nicht imstande, den Oberschwingungsstrom bestimmter Frequenzen wirksam zu unterdrücken, weil die störenden Amplituden sehr klein gegenüber dem Nutzsignal sind.

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 Eingangsstromes und die Eingangsspannung aus Ausschnitten der Zwischenkreisspannung besteht, ist der Steller 14' durch zwei Multiplizierer 14" und 14'" dargestellt.

Die störende Mischfrequenz m_s wird erfindungsgemäß dadurch ausgeschaltet, daß der störende Frequenz- anteil des Drosselstromes /W über ein selektives Filter 40 ausgesiebt und über einen zweiten Regelkreis ausgeregelt wird. Zu diesem Zweck ist hinter der Stellerdrossel 21 ein Regelkanal 41 angeschlossen, der über das selektive Filter 40 und einen P-Regler 42 mit negativem Vorzeichen an eine dritte Additionsstelle 34' führt, an die auch der Ausgang des Stromreglers 33 angeschlossen ist Im weiteren Signalzug folgt wie in F i g. 3 der Steuerimpulsbildner 50. Der Ausgang des Steuerimpulsbildners 50 ist an den Halbleitersteller 14' angeschlos- sen, in der Darstellungsweise nach Fig.4 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 Usn an eine eingangsseitig der gesamten Regelanordnung bzw. der Stellerdrossel 21 liegende vierte Additionsstelle 22 zurückgeführt An dieser Additionsstelle 22 liegt außerdem das Netzspannungssignal Un-

Der Ausgang 45 des Halbleiterstellers 14' führt zu einer fünften Additionsstelle 46, der zusätzlich der Lastgleichstrom U zugeführt wird. Das Ausgangssignal dieser fünften Additionsstelle 46 ist auf das Zwischenkreisfilter 16 geführt an dessen Ausgang der Gleich- spannungsistwert Udm abgegriffen und über einen Verzweigungspunkt 47 einmal im negativen Sinn der ersten Additionsstelle 30 und zum anderen dem Halbleitersteller 14' zugeführt wird. Der Ausgang der ersten Additionsstelle führt über den Spannungsregler 31, dessen Ausgangssignal den Stromsollwert darstellt zur zweiten Additionsstelle 32, der der von einer Verzweigungsstelle 48 hinter der Stellerdrossel 21 abgegriffene Netzstromistwert im negativen Sinne zugeführt wird. Der Ausgang der zweiten Additionsstelle 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

Die Wirkung des zusätzlichen zweiten Regelkreises wird nachfolgend erläutert:

Der Netzstrom /^ wird in jedem Augenblick mit Hilfe des selektiven Filters 40 auf evtL Anteile der Frequenz ω_s überwacht Liegt kein meßbarer Anteil vor, so ist der zusätzliche Regelkreis nicht wirksam. Wird jedoch ein meßbarer Anteil empfangen, so gelangt 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 Halbleiterstellers 14' derart verschoben, daß die ursprünglich in der Stellereingangsspannung bzw. im Stellereingangsstrom enthaltene Komponente mit dem Frequenzanteil ω₅ kompensiert wird.

Die Erfindung ist anhand eines aus einem Gleichspannungsnetz gespeisten Einquadranten-Stellers beschrieben; sie ist in ähnlicher Weise auf einen aus einem Wechselspannungsnetz gespeisten Vierquadrantensteller gemäß DE-OS 22 17 023 anwendbar.

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 auf dem Fahrdraht auszugehen. Es versteht sich dabei, daß die erfindungsgemäßen Maßnahmen zusätzlich bzw. zur Unterstützung der an sich bekannten Maßnahmen zur Unterdrükkung von Störschwingungen bzw. zur Verbesserung der Filterwirkung für die Signalfrequenz eingesetzt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Regelanordnung für eine Stromrichteranlage mit steuerbarem Halbleitersteller zur Speisung eines Gleichstrom- oder Gleichspannungsverbrauchers oder eines Gleichspannungszwischenkreises eines Umrichters aus einem Gleichspannungsnetz oder einem einphasigen Wechselspannungsnetz unter Erhaltung im wesentlichen oberschwingungsfreier Netzgrößen, mit einem ersten Regelkreis, bestehend aus einem Spannungsregler mit unterlagertem Stromregler, und mit einem Steuersatz zur Steuerung der Ventile des Halbleiterstellers, dessen Steuerimpulsbildner an den Ausgang des ersten Regelkreises angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß hinter einer, dem Halbleitersteller vorgeschalteten Stellerdrossel <21) ein zweiter Regelkreis (40, 41, 42, 34') zum Ausregeln einer bestimmten, im Netzstrom Qn) enthaltenen Störfrequenz (m_s) angeschaltet und dem Steuerimpulsbildner (50) vorgeschaltet ist

2. Regelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Regelkreis ein selektives Filter (40) für die Störfrequenz (ω,), einen proportional wirkenden Regler (42) und eine Additionsstelle (34'), an die auch der Ausgang des ersten Regelkreises (30,31,32,33) angeschlossen ist, umfaßt