DE2709079B2

DE2709079B2 - Verfahren und Einrichtung zur blindstromfreien Aussteuerung einer Stromrichteranordnung

Info

Publication number: DE2709079B2
Application number: DE19772709079
Authority: DE
Inventors: Teruo Dipl.-Ing. Yokohama Imura; Shinobu Fujisawa Kanagawa Kawabata
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1976-03-04
Filing date: 1977-03-02
Publication date: 1980-04-30
Also published as: DE2709079C3; DE2709079A1; JPS52106453A; CH611468A5; SE7702369L; AT352836B; ATA138677A

Description

Es wird die Priorität aus der japanischen Patentanmeldung T 51-23414 vom 4. 3.1976 beansprucht.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur blindstromfreien Aussteuerung einer Stromrichteranordnung, insbesondere zur Speisung eines Gleichstrommotors, mit einem ersten, netzgeführten Stromrichter und einem vom selben Netz gespeisten zweiten Stromrichter, der mit einer Zwangskommutierungseinrichtung versehen ist, wobei die Stromrichter so ausgesteuert werden, daß die steuerbaren Ventile des zweiten Stromrichters um etwa den gleichen Steuerwinkel vor dem natürlichen Kommutieringszeitpunkt gezündet werden, um den die entsprechenden steuerbaren Ventile des ersten Stromrichters nach dem natürlichen Kommutierungszeitpunkt gezündet werden.

Kin derartiges Verfahren ist nach der DK-OS 15 63 254 bekannt. Dabei speisen die beiden Stromrichter jeweils eigene Verbraucher. Eine nach dem gleichen Prinzip arbeitende Stromrichterschaltung nach der DE-PS 9 10 931 zeigt die Farallelspeisung beider Stromrichter auf einen gemeinsamen Verbraucher. Die Einstellung der zur vollständigen Blindstromkompe.isation erforderlichen Steuerwinkelwerte bereitet aber dann Schwierigkeiten, wenn die einzelnen Bauelemente der Stromrichter in ihren Eigenschaften nicht völlig übereinstimmen, die zugehörigen Steuersätze Nichtlinearitäten aufweisen oder die durch die Kommutierung bedingten Überlappungswinkel der einzelnen Phasenströme nicht mehr vernachlässigbar klein sind. Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, bei einer Stromrichteranordnung der eingangs genannten Art für den in der Stromrichtertechnik an sich ebenfalls bekannten Fall der Reihenschaltung der beiden Stromrichter (»Elektrische Bahnen«, 1972, Seite 14) ein Verfahren anzugeben, mit dem auf einfache Weise selbsttätig die Zündwinkel der beiden Stromrichter auf solche Werte justiert werden, daß stets ein Betrieb der Stromrichteranordnung mit einem Leistungsfaktor vom Wert 1 sichergestellt ist.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß dadurch, daß bei Reihenschaltung der beiden Stromrichter miteinander und mit der Last die Ausgangsgleichspannungen des ersten und des zweiten Stromrichters in einem e-sten und zweiten Spannungsregler entsprechend einem gemeinsam vorgegebenen Sollwert geregelt werden durch Beeinflussung der Steuerwinkel der beiden Stromrichter in Abhängigkeit vom jeweiligen Ergebnis des Vergleichs zwischen Sollwert und jeweiliger Ausgangsgleichspannung.

Grundgedanke der Erfindung ist es also, einander entsprechende Ventile der beiden Stromrichter annähernd symmetrisch zum natürlichen Kommutierungszeitpunkt so zu zünden, daß die Mittelwerte der Ausgangsgleichspannungen beider Stromrichter exakt übereinstimmen, womit dann bei sämtlichen Belastungszuständen ein Leistungsfaktor bzw. ein Verschiebungsfaktor vom Wert 1 erzwungen wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung samt ihren weiteren Ausgestaltungen, welche in Unteransprüchen gekennzeichnet sind, soll nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert werden.

Dabei ist in Fig. 1 der Hauptstromkreis einer erfindungsgemäß blindstromfrei aussteuerbaren Stromrichteranordnung dargestellt; Fig. 2 zeigt erläuternde Diagramme zum Steuerverfahren, in Fig. 3 ist ein Schaltungsbeispiel zur Realisierung der symmetrischen Zündwinkelsteuerung dargestellt, während Fig. 4 ein Blockdiagramm zur erfindungsgemäßen Phasenregelung zeigt.

Nach Fig. I besteht eine blindstromfreie ausgesteuerte Stromrichteranordnung aus einem netzgeführten Stromrichter 1 mit sechs in einer dreiphasigen Brückenschaltung angeordneten Thyristoren Uu Vi, Wi, Xu Vi, Zi und einem mit einer Zwangskommutierungseinrichtung FC versehener Stromrichter 2 mit den sechs Thyristoren Ui, Vi, W-,, Xi, Yi, Zj, welche ebenfalls eine dreiphasige Brücke bilden. Die Gleichstromausgänge der Stromrichter 1 und 2 sind in Reihe mit einer Last 3 geschaltet. Die Drehstromeingänge R, S und T der beiden Stromrichter 1 und 2 sind von den drei Phasen eines gemeinsamen Drehstromnetzes versorgt. Der netzgeführte Stromrichter I wird nun erfindungsgemäß mit einem gegenüber dem natürlichen Kommutierungszeitpunkl nacheilenden Steuerwinkel <\i und der

zwangskommutierbare Stromrichter 2 mit einem gegenüber dem natürlichen Kommutierungszeitpunkt voreilenden Steuerwinkel der Größe — at2 betrieben, wobei gilt |ati|«|«₂|· Es kann somit nie induktive Blindleistung des netzgeführten Stromrichters 1 durch eine gleich große kapazitive Blindleistung des zwangskommutierbaren Stromrichters 2 kompensiert und die gesamte Stromrichtereinheit mit einem Leistungsfaktor vom Wert 1 betrieben werden.

F i g. 2 zeigt ein Diagramm zur Zündwinkelsteuerung, welches sich beispielhaft auf den Thyristor U\ des Stromrichters 1 und den Thyristor U₂ des Stromrichters 2 bezieht Von einem aus der Netzwechselspannung gewonnenen Synchronisiersignal Au wird ein Sägezahnsignal SZu entsprechend F i g. 2c abgeleitet. Die durch Schraffur gekennzeichnete positive Halbwelle des Synchronisiersignals Au beginnt zum Zeitpunkt t₂, welcher dem natürlichen Kommutierungszeitpunkt (Steuerwinkel λ = 0) der Thyristoren U\ und U₂ entspricht. Weiterhin wird von einem zum Signal Au invertierten Signal Au ein Sägezahnsigna! SZu entsprechend Fig.2d abgeleitet Das Synchronisiersignal Au entsprechend Fig. 2b wird für den Stromrichter 1 in analoger Weise als Synchronisiersignal Ax für die um 180° versetzte Steuerung des Thyristors X₁ verwendet. Die Sägezahnsignale entsprechend den Fig.2c und 2d haben Phasenwinkelunterschiede von 180° und steigen in gleicher Weise während einer Halbwelle ült ihnen zugeordneten Synchronisiersignale (Au bzw. Au) zeitlinear an. Das Sägezahnsignal, welches von der Synchronisierspannung Au abgeleitet ist, wird mit der Spannungsdifferenz eines Steuersignals + V₁ und einer konstanten Vorspannung — V_n verglichen und für den Thyristor U₁ wird zum Zeitpunkt /3 ein Zündinipuls dann abgegeben, wenn die Spannungspegel der beiden miteinander zu vergleichenden Signale übereinstimmen, d. h. die Beziehung gilt 5Zu= V,— V«. Entsprechend wird das aus der Synchronisierspannung Äu abgeleitete Sägezahnsignal SZu mit der Summe der konstanten Vorspannung — Vn und dem bezüglich seiner Polarität umgekehrten Steuersignal - V₁ verglichen und ein Zündimpuls für den Thyristor 2 zum Zeitpunkt i, erzeugt, d. h. wenn gilt SZu= — V,— Vn. Aus dem Diagramm gemäß Fig.2 ist ersichtlich, daß auf diese Weise die Zündzeitpunkte f, und t\ der Thyristoren U₁ und Ui immer symmetrisch zum natürlichen Kommutierungszeitpunkt f > des Thyristors U\ liegen. Es wird daher der Thyristor U₁ bei einem Zündverzögerungswinkel von + <% und der Thyristor LA bei einem Zündverfrühungswinkel von —x gezündet, wenn das Vorspannungssignal - V/i so gewählt wird, daß sich für den Wert Null des Steuersignals V₁ ein Steuerwinkel von α = 90° ergibt. Für diese Aussteuerung werden die Mittelwerte der Ausgangsgleichspannungen der Stromrichter 1 und 2 zu Null. Ist das Steuersignal V₁ positiv, dann bewegt sich der Steuerwinkel nt im Bereich von 90° bis 0° und die Stromrichter 1 und 2 sind im normalen Gleichrichterbetrieb, während für negative Werte des Steuersignals V₁ sich der Steuerwinkel in: Bereich von 90° bis 180° bewegt und die Stromrichter 1 und 2 im Wechselrichterbetrieb arbeiten.

F i g. 3 zeigt ein Beispiel zur Realisierung des in F i g. 2 dargestellten Steuerverfahrens. Mit 10 ist ein dem netzgeführten Stromrichter 1 zugeordneter Steuersatz bezeichnet, während mit 20 ein gleich aufgebauter Steuersatz für den /wangskommutierten Stromrichter 2 bezeichnet ist. Der besseren Übersichtlichkeit halber sind jev/cils nur die Bauelemente dargestellt, welche für die Bereitstellung der Zündirnpulse für die Thyristoren U\ bzw. LA benötigt werden. Entsprechende Bauelemente können in analoger Weise zur Zündung der übrigen Thyristoren vorgesehen werden. Der Steuersatz 10 enthält einen Sägezahngenerator ZG1, welcher vom Synchronisiersignal Au beaufschlagt wird, während in gleicher Weise im Steuersatz 20 ein vom Synchronisiersignal Au beaufschlagter Sägezahngenerator ZG 2 vorhanden ist. Au stellt dabei das invertierte Synchronisiersignal Au dar (vgl. Fig.2). Die Differenz der Steuerspannung Vj und einer konstanten Vorspannung — Ve wird in einem Komparator CM1 — beispielsweise in Form eines Grenzwertmelders oder eines Schmitt-Triggers — mit dem Ausgangssignal SZu des Sägezahngenerators ZGl verglichen. Sind die Spannungspegel dej beiden miteinander zu vergleichenden Signale gleich, gibt der Komparator CM1 einen Ausgangsimpuls heraus, welcher von einem Impulsverstärker PA 1 zu einem Zündimpuls ausreichender Amplitude verstärkt wird. Im Steuersatz 20 wird die Polarität des Steuersignals V, umgekehrt und zum konstanten Vorspannungssignal - V₈ addiert. Die Summe -(V,+ Vh) wird dann im Komparator CM2 mit dem Ausgangssignal SZu des Sägezahngenerators ZG 2 verglichen. Sind die Spannungspegel dieser beiden miteinander verglichenen Signale gleich, erzeugt ein Komparator CM2 einen Ausgangsimpuls, welcher von einem Impulsverstärker PA 2 ebenfalls zu einem Zündimpuls ausreichender Amplitude verstärkt wird.

jo Damit die vom netzgeführten Stromrichter 1 aufgenommene induktive Blindleistung vollständig durch die kapazitive Blindleistung des zwangskommutierbaren Stromrichters 2 kompensiert werden kann, müssen die Phasenwinkel der Grundwellenströme der

π beiden Stromrichter 1 und 2 symmetrisch zur Netzspannung liegen, d. h. der Grundwellenstrom des einen Stromrichters muß gegenüber der Netzspannung um so viel voreilen, als der Grundwellenstrom des anderen ihr gegenüber nacheilt. Mit dem bisher beschriebenen

4(i Verfahren läßt sich dies erreichen, wenn die Eingangs-Ausgangs-Charakteristiken der Steuersätze 10 und 20 linear sind und vollkommen übereinstimmen sowie wenn der durch den Kommutiervorgang in jedem der Stromrichter bedingte Überlappungswinkel vernachläs-

4-, sigbar klein ist. In der Praxis erweist sich jedoch eine solche Linearisierung der Steuersätze als schwierig. Zum Einfluß des Stromüberlappungswinkels ist folgendes zu bemerken: Wird angenommen, daß Steuer- und Überlappungswinkel beim Stromrichter 1 die Werte oc\

-,(i und Ui haben und Steuer- und Überlappungswinkel beim Stromrichter 2 die Werte — «i und u₂, dann ergeben sich die Grundwellenströme /11 und /21 auf der Netzseite der beiden Stromrichter 1 und 2 relativ zu der Phasenlage der Netzspannung zu

in = K

= K

sin I ti} 1 +

sin

wobei /,/den Strom im Gleichstromkreis, K eine durch die Phasenzahl und ähnliche Parameter bestimmte Konstante und ο; die Kreisfrequenz, der Netzspannung ist. Nach diesen Gleichungen ist es im Hinblick auf symmetrische Phasenwinkel der Grundwellenströme erforderlich, die Überlappungswinkel klein zu hallen oder die von den Steuersätzen 10 und 20 ausgegebenen

Steuerwinkelwerte um die Überlappungswinkel berücksichtigende Werte entsprechend zu korrigieren.

Mit der in Fig.4 blockschaltbildlich dargestellten erfindungsgemäßen Einrichtung läßt sich selbsttätig eine solche Korrektur auch bei beliebig großen Überlappungswinkeln erreichen und darüber hinaus auch bei beliebig nichtlinearen oder voneinander abweichenden Charakteristiken der Steuersätze ein blindstromfreier Betrieb der Stromrichteranordnung sicherstellen. In Fig.4 bezeichnet I wiederum den netzgeführten, 2 den zwangskommutierbaren Stromrichter und 3 die Last. Wegen der Reihenschaltung der beiden Stromrichter setzt sich die die Last 3 beaufschlagende Spannung Ed aus der Summe der beiden Ausgangsspannunger. EdX und Ed2 der beiden Stromrichter zusammen. Der aus dieser Summenspannung resultierende Laststrom ist mit Id bezeichnet. Die einzelnen steuerbaren Ventile U\ bis Z\ des netzgeführten Stromrichters 1 sind mit dem Steuersatz 10 entnehmbaren Zündimpulsen versorgt, während den steuerbaren Ventilen L^bis Z? des zwangskommutierbaren Stromrichters 2 Zündimpulse vom Steuersatz 20 geliefert werden, wie es im Zusammenhang mit den F i g. 1 bis 3 beschrieben wurde. Die Ausgänge zweier Spannungsregler 11 und 21 sind mit den Eingängen der Steuersätze 10 und 20 verbunden, um ihnen anstelle der gemeinsamen Steuerspannung V₁ gemäß F i g. 3 nunmehr jeweils eine eigene Steuerspannung V₁ ι bzw. V₁₂ zuzuführen. Den Spannungsreglern 11 und 21 wird eine einstellbare Gleichspannung Ed* als gemeinsamer Sollwert zugeführt und dieser Sollwert mit den Ausgangsgleichspannungen Ed ¹I und Ed2 der Stromrichter 1 und 2 verglichen. Das Sollwertsignal Ed* kann auch von einem überlagerten, nicht dargestellten Stromregler geliefert werden, dem der Laststrom fj als Istwert zugeführt wird. Auf diese Weise kann auch der Laststrom feiner Regelung unterworfen werden.

Die Spannungsregler 11 und 21 wirken nun auf die Steuersätze 10 und 20 in der V/eise, daß die Ausgangsspannung Ed1 und Ed2 der Stromrichter 1 und 2 mit dem Sollwert Ed* übereinstimmen. Wird die Leerlaufspannung der Stromrichter 1 und 2 mit Edi bezeichnet (Steuerwinkel αι=«2 = 0), dann sind dii Mittelwerte der Ausgangsgleichspannungen der Strom richter 1 und 2 bei Belastung und von NuI verschiedenen Steuerwinkeln

EdI = Ed₁, cos

EdI = Ed₁₁ cos

u 1

1/2

COS

cos

U \

■)·

Da cos-y-und cos-r-praktisch stets gleich groß sine

erzwungen, daß die Beziehung gilt

= Λ₂ -

»2

= ι

Es können daher die zuvor erwähnten Gleichungei (1) und (2) in folgender Form geschrieben werden:

i\\ = K ■ /,/sin (u>t+<p)
/i2 =/C · /</sin(wf—φ)

woraus ersichtlich wird, daß unabhängig von der Größi der durch die Laststromkommutierung bedingtei Überlappungswinkel, der Nichtlinearitäten der Steuer sätze oder von sonstigen Einflüssen die für einer

in blir.dstromfreien Betrieb erforderliche Bedingung nacl symmetrisch liegenden Phasenwinkeln der Grundwel lenströme der beiden Stromrichter selbsttätig und exak eingehalten wird. Damit kann bei sämtlichen BeIa stungszuständen ein Leistungsfaktor bzw. ein Verschie

J₅ bungsfaktor om Wert 1 sichergestellt werden.

Die vorliegende Erfindung kann selbstverständlicl mit denselben Vorteilen auch für einen stromrichterge speisten Umkehrantrieb verwendet werden. Hierzi wäre nur der aus den Stromrichtern 1 und ; bestehenden Stromrichteranordnung (F i g. 1) eine glei ehe Anordnung antiparallel zu schalten.

Hierzu 2 Blatt Zcichnunccn

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur blindstromfreien Aussteuerung einer Stromrichteranordnung, insbesondere zur Speisung eines Gleichstrommotors, mit einem ersten, netzgeführten Stromrichter und einem vom selben Netz gespeisten zweiten Stromrichter, der mit einer Zwangskommutierungseinrichtung versehen ist, wobei die Stromrichter so ausgesteuert werden, daß die steuerbaren Ventile des zweiten Stromrichters um etwa den gleichen Steuerwinkel vor dem natürlichen Kommutierungszeitpunkt gezündet werden, um den die entsprechenden steuerbaren Ventile des ersten Stromrichters nach dem natürlichen Kommutierungszeitpunkt gezündet werden, dadurch gekennzeichnet daß bei Reihenschaltung der beiden Stromrichter (1 und 2) miteinander und mit der Last (3) die Ausgangsgleichspannungen des ersten und des zweiten Stromrichters in einem ersten und zweiten Spannungsregler (11 und 21) entsprechend einem gemeinsam vorgegebenen Sollwert (Ed*) geregelt werden durch Beeinflussung der Steuerwinkel der beiden Stromrichter in Abhängigkeit vom jeweiligen Ergebnis des Vergleichs zwischen Sollwert und jeweiliger Ausgangsgleichspannung.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei mit der Netzwechselspannung synchronisiert um 180° el «1 versetzt arbeitende Sägezahngeneratoren (ZG 1, ZG 2), deren Ausgangsspannungen zur Bildung der Zündimpulse in zwei Komparatoren (CMX, CM2) mit der Differenz bzw. der Summe aus einer konstanten Spannung (-Vb) und einer von dem y, jeweils einzustellenden Steuerwinkel abhängigen Spannung (V) verglichen werden, wobei die konstante Spannung (— V«) alleine die Steuerwinkel plus bzw. minus 90° gegenüber dem natürlichen Kommutierungszeitpunkt ergibt und die von den einzustellenden Steuerwinkeln abhängigen Spannungen für den ersten und den zweiten Stromrichter jeweils von den zugehörigen Spannungsreglern (11, 21) geliefert werden.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn- v> zeichnet, daß der gemeinsame Sollwert (Ed*) der beiden Spannungsregler im Ausgangssignal eines überlagerten Stromreglers besteht.