DE2657712C2

DE2657712C2 - Regelschaltung für einen steuerbaren Stromrichter

Info

Publication number: DE2657712C2
Application number: DE19762657712
Authority: DE
Inventors: Felix Dr.-Ing. Blaschke; Theodor Dipl.-Ing. 8520 Erlangen Salzmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-12-20
Filing date: 1976-12-20
Publication date: 1985-02-07
Also published as: DE2657712A1; JPS5379253A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelschaltung für einen steuerbaren Stromrichter, an dessen Ausgang eine Last mit Gegen-EMK angeschlossen ist, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (DE-PS 06 768).

Eine von der Regelabweichung des Laststroms beaufschlagte Regelschaltung läßt sich bekanntlich beispielsweise in Verbindung mit einem gesteuerten Wechselrichter einsetzen, der eine Wechselstrommaschine speist. Sie läßt sich aber auch in Verbindung mit einem gesteuerten Gleichrichter, der eine Gleichstrommaschine speist, verwenden. Die Regelschaltung sorgt in beiden Fällen dafür, daß der der Last zugeführte Strom auf dem vorgegebenen Strom-Sollwert festgehalten wird. Aus Stabilitätsgründen kann es bei Regelkreisen allgemein erforderlich sein, in die Rückführung des Istwertes Stabiliiätsglieder einzufügen (W. Oppelt: »Kleines Handbuch technischer Regelvorgänge«, 1972, Seite 297) oder auch im Regler selbst eine zusätzliche Rückführung der Reglerausgangsgröße vorzusehen (W. Oppelt. a. a. O.. Seite 492). Dies ändert jedoch nichts daran, daß bei einer Stromregelung der Strom-Istwert der Regelschaltung in gegenkoppelndem Sinn iuifgeschaltet wird.

Wird als Stromrichter ein Zwischenkreisumrichter mit eingeprägtem, die Ausgangsstromamplitude bestimmenden Zwischenkreisgleichstrorr? verwendet, so stelli sich die Lastspannung jeweils entsprechend der Last frei ein, während der Spannungsabfall an der im Zwischenkreis erforderlichen Drossel die Änderung des Zwischenkreisstromes bestimmt Die Regelung des Zwischenkreisstromes kann daher plötzlichen Änderungen des Lastzustandes nur verzögert ausregeln. Nach der DE-PS 18 06 768 ist daher vorgesehen, am lastseitigen Ende der Zwischenkreisdrossel die Gleichspannung zu erfassen und dem Ausgangssignal des Stromreglers additiv aufzuschalten. Durch diese Mitkopplung der Zwischenkreisspannung kann die verzögernde Wirkung der Gleichstrom-Zwischenkreisdrossel aufgehoben werden.

Bei der Regelung des Stromes in einer Last mit Gegenspannung, z. B. in einer Drehfeldmaschine oder Gleichstrommaschine, treten aber auch bei schnellen Änderungen des Strom-Sollwertes Schwierigkeiten auf. Diese bestehen z. B. darin, daß der Istwert des Stromes dem Strom-Sollwert selbst dann nicht sofort folgen kann, we,nn keine Zwischenkreisdrossel vorhanden ist. Im Augenblick der Änderung des Strom-Sollwertes können u. U. beträchtliche Abweichungen auftreten, die zum einen zu Instabilitäten und Regelschwingungcn in überlagerten Regelkreisen, zum anderen aber auch insbesondere zu unerwünschten Verzögerungen bei der Lcistungs- und/oder Momenteinstellung führen können.

Bei der Regelung des Stromes in einer Last mit Gegenspannung, die von einem Wechselstrom durchflossen ist, treten darüber hinaus weitere Schwierigkeiten auf; die praktische Erfahrung bei der Regelung des Leiterstromes in einer Synchronmaschine, die von einem Stromrichter mit steuerbarer Ausgangsspannung (ζ. Β. Direkt- oder Pulsumrichter) gespeist ist, hat beispielsweise ergeben, daß sich bei höherer Ausgangsfrequenz besondere Probleme einstellen. Diese Probleme bestehen u. U. darin, daß — beginnend bei einer Ausgangsfre- quenz von etwa 3 bis 6 Hz — eine Differenz hinsichtlich Amplitude und Phasenlage zwischen dem eingestellten Strom-Sollwert und dem von dem Stromregler eingestellten Istwert des Stromes auftritt. Diese Differenz nimmt mit größer werdender Ausgangsfrequenz zu.

Vielfach ist infolge dieser unerwünschten Phasen- und Amplitudenabweichung zwischen Stromsoll- und Istwert bei höheren Frequenzen (ab 3 bis 6 Hz) eine direkte Stromregelung nicht mehr möglich. Auch hat die Praxis gezeigt, daß bei einem Direktumrichter sich durch

so den an den Direktumrichter gegebenen Umschaltbefehl bei Durchgang durch den Stromsollwert Null ein zeitlicher Stromverlauf einstellt, der von der gewünschten Sinusform erheblich abweicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Füh-

rungsverhalten einer Regelschaltung mit einem Stromrcgler für einen Stromrichter, der eine eine Gegen-EMK erzeugende Last speist, zu verbessern. Sie soll so ausgebildet werden, daß auch bei schnellen Änderungen des vorgegebenen Strom-Sollwertes und/oder höheren Ausgangsfrequenzen eine ausreichend genaue und stabile Stromregelung erzielt wird.

Die Erfindung beruht auf der Überlegung, daß das angeführte schlechte l'ührungsverhaltcn einer Regelschaltung der eingangs genannten Art sowohl bei

b5 schnellen Änderungen des Strom-Sollwertes als auch bei hohen Ausgangsfrequenzen letztlich darauf zurückzuführen ist, daß sich unter den angegebenen Bedingungen auch die als Störgröße wirkende Cicgcnspannung

der Last, also bei einer Maschine ihre Geg_en-EMK., schnell ändert und die Regelschaltung die Änderung nicht schnell genug kompensieren kann.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß bei einem Stromrichter ohne Gleichsiromzwischenkreis, also z. B. einem Direktumrichtcr oder Pulswechselrichter, die für einer. Stromrichter mit Glcichstromzwischenkreis an sich bekannte Mitkopplung eines Spannungswertes derart abgewandelt wird, daß als Vorsteuerspannung eine dec Gegenspannung der Last entsprechende Vorsteuerspannung an den Eingang des Additionsgliedes geführt ist (Anspruch 1).

Die erfindungsgemäße Regelschaltung läßt sich mit Vorteil in Verbindung mit einem Stromrichter mit steuerbarer Ausgang-jspannung, der eine Synchronmaschine speist, einsetzen. Als Stromrichter kommen hierbei in erster Linie Direktumrichter und Pulsumrichter in Bet;acht Die Regelschaltung läßt sich aber auch mit Vorteil in Verbindung mit einem steuerbaren Gleichrichter verwenden, der eine Gleichstrommaschine speist

Bei der erfindungsgemäßen Regelschaltung wird im erwähnten Additionsglied zwischen Stromregler und Stromrichter eine Spannungsvorsteuerung mittels Aufschaltung der Gegenspannung durchgeführt Hierdurch wird der Einfluß der als Störgröße wirkenden Gegenspannung der Last (bei einer Maschine gleich der Gegen-EMK. dieser Maschine) vollständig kompensiert. Vorausgesetzt ist dabei ein verzögerungsfreies Stellglied (Stromrichter) mit linearisierter Steuerkennlinie. Ist dies nicht gegeben, so ist die Kompensation nicht vollständig. Besonders bei hoher Ausgangsfrequenz, die bei einem vom 50-Hz-Netz gespeisten Direktumrichtcr im vorliegend gemeinten Sinne bereits bei 3 Hz beginnt, wird dadurch das Führungsverhalten der Stromregelung wesentlich verbessert. Damit ist auch bei hohen Werten der Ausgangsfrequenz noch eine direkte Stromregelung des oder der Leiterströme, z. B. einer Synchronmaschine, möglich. Es läßt sich also festhalten, daß es bei der erfhidungsgemäßcn Regelschaltung möglich ist, eine für die Praxis ausreichend genaue Regelung auch bei hohen Ausgangsfrequenzen durchzuführen. Darüber hinaus wird bei schnellen Änderungen des Strom-Sollwertes die übliche störende Abweichung zwischen Sollwert und Istwert wesentlich verringert. Leistungs- und/oder Momcnleneinstellung können daher praktisch unverzögert vorgenommen werden.

Bei der hier vorgeschlagenen Vorsteuerung mit der Gegenspannung sind nur wenige und einfache Bauelemente erforderlich. Daher läßt sich gegenüber den herkömmlichen Regelschaltungen schon mit einem geringen finanziellen Aufwand eine beträchtliche Verbesserung des dynamischen Regelverhaltens erzielen. Als weiterer Vorteil der Erfindung wird es angesehen, daß die erfindungsgemäße Regelschaltung dasselbe stabile Regelverhalten besitzt wie die herkömmlichen Regelschaltungen.

Die Gegenspannung der Last ist im allgemeinen nicht direkt meßbar. Sie wird daher gemäß einer Weiterbildung der Erfindung in einer besonderen Schaltung nachgebildet.

Bei einer Synchronmaschine wird die Gegen-EM K im wesentlichen vom Erregerstrom bestimmt und ist nur in geringem Maße von den Regelkreisgrößen Ausgangsspannung U des Stromrichters und Strom / in der Last abhängig. Die Gegen-EM K kann aber aus diesen beiden Regelkreisgrößen U und / nachgebildet werden. Es ergibt sich unter Berücksichtigung des Übcrtragungsverhaltens V, /(I + pT_K) der Regelstrecke als Gleichung für die Gegenspannung E einer Last folgende Beziehung

D?s Symbol ρ bezeichnet hierbei den komplexen Laplace-Operator und T_s die Streckenzeilkonstante. Die nach Gleichung (1) nachgebildete Gegenspannung E kann auf die Ausgangsspannung des Siromreglers dt-

ίο rekt aufgeschaltet werden.

Eine nach diesem Prinzip arbeitende Regelschaltung sieht gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vor, daß zur Bildung der Gegenspannung ein weiteres Additionsglied vorgesehen ist dem einerseits die Ausgangsspan- nung des Stromrichters positiv und andererseits die Ausgangsspannung eines Baugliedes mit PD-Verhalten, das vom Istwert des Stromes gespeist ist, negativ zugeführt ist
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von zwei Figuren näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Regelschaltung mit der Aufschaltung einer Gegenspannung die in einer besonderen Schaltung aus der Lastspannung und dem Laststrom nachgebildet wird,

F i g. 2 ein passives Bauglied in Einzeldarstellung, das bei einer Regelschaltung nach Fig. 1 eigesetzt werden kann, und
F i g. 3 ein aktives Bauelement, das ebenfalls bei der Regelschaltung nach F i g. 1 verwendet werden kann.

F i g. 1 zeigt eine Regelschaltung, die in Form eines Strukiurbild aufgezeichnet ist. Ein an eine (nicht gezeigte) Spannungsquelle angeschlossener Stromrichter, der einschließlich seines linearisierenden Steuersatzes mit 2 bezeichnet ist, speist mit seiner Ausgangsspannung U eine Last 4, die zumindest im Betrieb eine Gegenspannung E aufweist. Bei dem Stromrichter 2 kann es sich insbesondere um einen Direktumrichter oder einen Pulsumrichter und bei der Last 4 um eine Synchronmaschine handeln; als Gegenspannung E ist dann die Gegen-EM K der Synchronmaschine wirksam.

Im Strukturschaltbild ist die Gegenspannung E von der Ausgangsspannung U abzuziehen, da nur die Differenzspannung (U-E)iür die Größe des Laststromes / verantwortlich ist. Deshalb ist in der Last 4 ein Subtraktionsglied 4a eingezeichnet. Die Last 4 ist als Teil der Regelstrecke zu betrachten und besitzt eine Sireckenzeitkonstante T_s und eine Verstärkung V₁. Um dieses Verzögerungsverhalten kenntlich zu machen, enthält die Last 4 in F i g. 1 ein Verzögerungsglied 4b. Die Last 4

hat näherungsweise ein Übertragungsverhalten V₁ / (1 + pT_s), wobei ρ der zugeordnete komplexe Laplace-Operator ist.

Der Stromrichter 2 besitzt ein Übertragungsverhalten näherungsweise gemäß 1 /(I + pa), wobei σ gleich der Ersatzzeitkonstanten des Stromrichters 2. (a< T₅) ist. Dem Stromrichter 2 ist ein Stromregelkreis mit einem Stromregler 6 zugeordnet. Das Vergleichsglied dieses Siromreglers 6 ist besonders eingezeichnet und mit 8

μ bezeichnet. Dem Vergleichsglied 8 werden ein vorgegebener Strom-Sollwert /* und der an der Last 4 abgegriffene Istwert /des Stromes zugeführt. Am Ausgang des Stromreglers 6 wird eine Ausgatigsspannung Un abgegeben. Der Stromregler 6 besitzt Pl-Übertragungsver-

b5 halten. Seine Verstärkung ist V«, seine Nachstellzeit T_n. Im vorliegenden Fall wird die Ausgangsspannung Un des Stromreglers nicht direkt dem Eingang des Steuersatzes des Stromrichters 2 als Steuerspannung i/₍- züge-

führt. Vielmehr ist zwischen dem Ausgang des Stromreglers 6 und dem Eingang des Stromrichters 2 ein Additionsglied 10 geschaltet, das die Steuerspannung U₁. durch Addition der Ausgangsspannung Uk mit einer Vorsteuerspannung Uv bildet. Das Additionsglied 10 ist Bestandteil eines Vorsteuerungszweiges.

Als Vorsteuerspannung Uv ist hier speziell die Gegenspannung E der Last 4 vorgesehen. Da diese beispielsweise bei einer Synchronmaschine nicht direkt meßbar ist, wird sie in einer besonderen Schaltung nachgebildet.

Diese Schaltung umfaßt ein Additionsglied 18 und ein Bauglied 20. Dem einen Eingang des weiteren Additionsgliedes 18 ist die Ausgangsspannung Udes Stromrichters 2 positiv vorgegeben. Zur Messung dieser Aus- gangsspannung U dient ein Meßglied 16. Dem zweiten Eingang des weiteren Additionsgliedes 18 ist in negativer Anschaltung die Ausgangsspannung W des Baugliedes 20 zugeführt. Bei diesem Bauglied 20 handelt es sich um ein solches mit Proportional- und Differentialverhalten, also um ein PD-Glied. Das Bauglied 20 ist seinerseits an ein Meßglied angeschlossen, das den Istwert / des in der Last 4 fließenden Stromes liefert. Das Übertragungsverhalten des Baugliedes 20 ist durch (1 + ρ T₁)/ V_s gegeben, wobei V, wieder die Streckenverstärkung der Last 4 ist.

Im Additionsglied 18 wird gemäß der oben angegebenen Gleichung (1) ein Signal gebildet, das ein Maß für die Gegenspannung Eist. Infolge der Aufschaltung dieses Signals £im Additionsglied 10 können Änderungen der Gegenspannung £, die sich als Störgröße bemerkbar macht, schnell kompensiert werden.

In F i g. 2 ist dargestellt, wie das passive Bauglied 20 mit PD-Verhalten im einzelnen aufgebaut sein kann. Es besteht nach Fig.2 aus einer Parallelschaltung eines Widerstandes 22 mit einem Kondensator 24.

F i g. 3 zeigt ein aktives Bauglied 20. Es enthält einen Operationsverstärker 30, dessen einer Eingang an Masse gelegt ist. In der Rückführung liegt ein Widerstand 32. Dem anderen Eingang des Operationsverstärkers 30 ist eine Parallelschaltung, bestehend aus einem Widerstand 34 und einem Kondensator 36, vorgeschaltet. Dieses Vorhaltglied 34,36 besitzt PD-Verhalten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Regelschaltung für einen steuerbaren Stromrichter (2), an dessen Ausgang eine Last (4) mit Gegsn-EMK angeschlossen ist, mit einem Stromregelkreis, dessen Stromregler (6) dem Steuersatz des Stromrichters vorgeschaltet und dessen Vergleichsglicd (8) mit einem Stromsollwert (I*) und dem Istwert (J) des Laststroms beaufschlagt ist, und mit einem Additionsglied (10), das zwischen dem Stromregler (6) und dem Steuersatz des Stromrichters (2) liegt und an dessen einem Eingang eine die Last speisende Spannung (U)\m mitkoppelnden Sinne als Vorsteuerspannung (Uv) anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Stromrichter ohne Gleichstromzwischenkreis (Zwischenkreis mit eingeprägtem Gleichstrom) ais Vorsteuerspannung eine der Gegenspannung (E) der Last (4) entsprechende Vorsteuerspannung (Uv) an den Eingang des Additionsgliedes geführt ist (F i g. 1).

2. Regelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Gegenspannung (E) ein weiteres Additionsglied (18) vorgesehen ist, dem einerseits die Ausgangsspannung (U) des Stromrichters (2) positiv und andererseits die Ausgangsspannung (W) eines vom Laststrom-Istwert (I) gespeisten Baugliedes (20) mit wenigstens Proportional- und Differential-Verhalten negativ zugeführt ist(F ig. 1).

3. Regelschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Laststrom-Istwert gespeiste Bauglied (20) eine Parallelschaltung eines Widerstandes (22) mit einem Kondensator (24) enthält (F ig. 2).

4. Regelschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Laststrom-Istwert gespeiste Bauglied (20) einen Operationsverstärker (30) enthält, an dessen Eingang eine Parallelschaltung aus einem Widerstand (34) und einem Kondensator (36) liegt (F i g. 3).