DE2836573A1 - Steuersatz fuer einen mehrphasigen stromrichter - Google Patents

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 78 P 3 1 6 O BRD

Steuersatz für einen mehrphasigen Stromrichter

Bei bekannten Steuersätzen für Stromrichter sind die erforderlichen Referenzspannungsgeneratoren und Vergleicher in analoger Technik ausgeführt. Bei Steuersätzen für mehrphasige Stromrichter muß eine entsprechende Anzahl von Referenzspannungen, beispielsweise Sägezahnspannungen, zeitlich versetzt erzeugt und mit einem Regelsignal verglichen werden. Zur Vermeidung von Unsymmetrien müssen die Referenzspannungen sehr genau aufeinander abgeglichen werden. Hierzu ist ein Abgleich aller verwendeten Bauelemente und eine Kompensation von Driftfehlern erforderlich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfachen und ohne Justieraufwand herstellbaren Steuersatz für einen mehrphasigen Stromrichter zu schaffen, der auf einfache Weise für zusätzliche Betriebserfordernisse erweiterbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Oszillator einen dual codierten Zähler antreibt,

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dessen Zählerausgänge mit den ersten Summandeneingängen

einer Anzahl von

Addierern verbunden sind, deren zweite Summandeneingänge mit Phasenwinkelvorgaben verbunden sind und deren Summenausgänge mit einer Logikschaltung verbunden sind, die aus den Signalen auf den Summenausgängen der Addierer Zeitimpulse ableitet und zu Zündimpulsen für die gesteuerten Ventile des Stromrichters verknüpft.

Mit einem derartigen Steuersatz läßt sich bereits ein ungesteuerter Betrieb eines mehrphasigen Stromrichters mit einem festen Impulsmuster realisieren. Die Signale auf den Summenausgängen der Addierer bilden ein Impulsraster, aus dem Zeitimpulse abgeleitet und zu Zündimpulsen verknüpft werden können. Die Zeitimpulse können mit monostabilen Kippstufen gewonnen werden, die von den Flanken der Impulse auf den Summenausgängen der Addierer angestoßen werden und die auf die gewünschten Impulszeiten eingestellt sind. Es ist jedoch auch möglich, digitale Zeitstufen zu verwenden. Eine digitale Zeitstufe enthält beispielsweise einen mit einer konstanten Impulsfrequenz schwingenden Oszillator, der einen Zähler antreibt, dessen Zählerstand von einer Auswerteschaltung überwacht wird. Der Zähler wird zu Beginn des gewünschten Zeitimpulses freigegeben und zählt die Oszillatorimpulse bis zu einem vorgegebenen Zählerstand, bei dem die Auswerteschaltung den Zähler rücksetzt und den Zeitimpuls beendet.

Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Steuersatzes liegt in der einfachen Bildung der Zündimpulse für einen mehrphasigen Stromrichter, insbesondere einen dreiphasigen Stromrichter. Die Mehrphasigkeit der Zündimpulse wird auf einfache Weise durch digitale Phasenwinkelvorgaben realisiert, die entweder fest eingestellt oder von Phasenwinkelreglern gesteuert werden können.

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Die bei einem erfindungsgemäßen Steuersatz verwendeten digitalen Bauelemente, wie Zähler, Addierer und Verknüpfungsglieder weisen keine betriebsmäßig relevanten Exemplarstreuungen auf. Hier ist daher keinerlei Justieraufwand erforderlich.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Steuersatzes ermöglicht eine Schnellabschaltung des Stromrichters bei einem Schutzbefehl, beispielsweise im Kurzschlußfall eines Verbrauchers. Bei einer Schnellabschaltung werden die Zündimpulse für die Hauptventile gesperrt und es wird eine von der momentanen Phasenlage abhängige Verschiebung der ZUndimpulse für die Löschventile vorgenommen. Zusätzlich kann eine Erhöhung der Betriebsfrequenz, vorzugsweise auf ein Vielfaches der normalen Betriebsfrequenz vorgenommen werden, die den Stillsetzvorgang des Stromrichters beschleunigt. Durch die Verschiebung der ZUndimpulse für die Löschventile werden die gerade stromführenden Hauptventile zeitoptimal gelöscht. Schaltungstechnisch läßt sich dies auf einfache Weise dadurch realisieren, daß ein Multiplexer vorgesehen ist, dessen erste Gruppe von Eingängen unmittelbar mit den Ausgängen des Zählers, dessen zweite Gruppe von Eingängen mit den um wenigstens eine Wertigkeit verschobenen Ausgängen des Zählers und dessen Ausgänge mit den ersten Summandeneingängen der Addierer verbunden sind, deren zweite Summandeneingänge über Zwischenspeicher mit den Ausgängen von Datenspeichern verbunden sind, deren Adresseneingänge mit den Ausgängen des Zählers verbunden sind und die auf eine für jeden Zählerstand optimale Zündimpulsverschiebung programmiert sind, wobei bei einer Schnellabschaltung der Multiplexer umgesteuert und die Ausgangssignale der Datenspeicher in die Zwischenspeicher übernommen werden.

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Die Erfindung ist in den Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispieles im einzelnen beschrieben. Es zeigen:

PIG 1 die Schaltung eines bekannten Stromrichters, FIG 2 Diagramme zur Veranschaulichung eines Kommutierungsvorganges im Stromrichter der FIG 1, FIG 3 das Blockschaltbild eines Steuersatzes für den Stromrichter der FIG 1,
FIG 4 das Blockschaltbild der Logikschaltung im Steuersatz der FIG 3,

FIG 5, 6 Diagramme von wesentlichen Signalverläufen der Lagikschaltung der FIG 4,

FIG 7 eine graphische Darstellung der Programmierung eines Funktionsspeichers im Steuersatz der FIG 3, FIG 8 Diagramme zur Veranschaulichung der Impulsverschiebung bei einer Schnellabschaltung des Stromrichters.

Fig 1 zeigt den Schaltungsaufbau eines bekannten dreiphasigen, sechspulsigen Stromrichters (Aircraft electrical power seminar, 10.-11.Mai 1977, Technical Proceedings, S. 59 - 68, Fig. 14, New York, ACS 11,406, revised 3/78). Als steuerbare Ventile können insbesondere Thyristoren und als ungesteuerte Ventile insbesondere Dioden eingesetzt werden. Zur besseren Übersicht sind die Schutzbeschaltungen der Ventile nicht dargestellt. In der praktischen Ausführung sind allen Ventilen RC-Glieder parallel geschaltet, sowie magnetische Bauelemente zur Begrenzung der Spannungs- und Stromanstiegsgeschwindigkeit zugeordnet. Ebenso sind Schaltungsmaßnahmen zur Beeinflussung der Kommutierungsvorgänge bekannt (McMurray, a.a.O, FIG 16, DE-AS 23 23 905), die hier nicht dargestellt sind.

Der Stromrichter ist als dreiphasiger Brückenwechselrichter ausgebildet und formt die Eingangsgleichspannung einer Gleichspannungsquelle B, beispielsweise einer Batterie oder eines Gleichspannungszwischenkreises, in

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eine ein Drehstromsystem bildende Wechselspannung mit den Phasen RST um. Der Brückenstrang für die Phase R enthält die Brückenzweige mit den steuerbaren Hauptventilen n11 und ni4. Der Brückenstrang für die Phase S enthält die Brückenzweige mit den steuerbaren Hauptventilen n12 und n15· Der Brückenstrang für die Phase T enthält die Brückenzweige mit den steuerbaren Hauptventilen n13 und ni6. Den steuerbaren Hauptventilen n11 bis ni6 sind jeweils Rückarbeitsdioden d11 bis di6 antiparallel geschaltet.

Den steuerbaren Hauptventilen n11 bis ni6 ist als gemeinsamer Kommutierungskreis ein Reihenschwingkreis mit einem Kommutierungskondensator C und einer Komnnrtierungsdrossel L zugeordnet. Die Kondensatorspannung ist mit u , der Strom im Reihenschwingkreis mit 1γ« bezeichnet. Der untere Anschluß des LC-Reihenschwingkreises ist über eine Antiparallelschaltung von steuerbaren Hilfsventilen n4, n5 mit der Phase R, über eine weitere Antiparallelschaltung mit den steuerbaren Hilfsventilen n6, n7 mit der Phase S und über eine weitere Antiparallelschaltung mit den steuerbaren Hilfsventilen n8, n9 mit der Phase T des Wechselrichters verbunden. Der obere Anschluß des Reihenschwingkreises ist über ein steuerbares Löschventil n1 mit dem positiven Potential und über ein steuerbares Löschventil n2 mit dem negativen Potential der Gleichspannungsquelle B verbunden.

In FIG 6 sind in der unteren Hälfte die Zündimpulse für die steuerbaren Ventile n1 bis ni6 dargestellt. Da der Stromrichter dem Stand der Technik entnommen ist, erübrigt sich eine ausführliche Beschreibung des Zündimpulsmusters. Es soll jedoch der Ablauf eines Kommutierungsvorganges beispielhaft anhand einer Kommutierung vom steuerbaren Hauptventil n11 auf das steuerbare Hauptventil ni4 beschrieben werden, um zu zeigen, daß

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der erfindungsgemäße Steuersatz geeignet ist, auch relativ komplizierte ZUndimpulsmuster in schaltungsmäßig einfacher Weise zu realisieren.

FIG 2 veranschaulicht einen KommutierungsVorgang anhand der ZUndimpulse für die am Kommutierungsvorgang beteiligten steuerbaren Ventile und des Verlaufes des Schwingkreisstromes i_LC und der Kondensatorspannung u~ am Kommutierungskondensator C. Der Kommutierungskondensator C sei mit der in FIG 1 in Klammern angegebenen Polarität aufgeladen. Die Kommutierung wird nach einer Pausenzeit ti nach dem Ende des Zündimpulses für das Hauptventil n11 durch gleichzeitige Zündung des Löschventils n1 und des Hilfsventils n4 eingeleitet. Die Dauer der Zündimpulse für die Ventile n1 und n4 ist mit t3 bezeichnet. Der Strom im Hauptventil n11 wird abkommutiert. Der LC-Reihenschwingkreis schwingt über die Rückerbeitsdiode d11 um. Der Kommutierungskondensator C wird auf eine Spannung mit entgegengesetzter Polarität aufgeladen. Im NuIldurchgang des Schwingkreisstromes i_LC erlischt der Strom in den Ventilen n1, n4 und d11. Nach dem Umschwingvorgang wird nach einer Zeit t2 nach Beginn der ZUndimpulse für die Ventile n1, n4 das nachfolgende Hauptventil ni4 gezündet.

FIG 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Steuersatzes für die Steuerung des in FIG 1 dargestellten dreiphasigen Stromrichters, der eine besonders rasche Stillsetzung und einen daran anschließenden Betrieb mit eingeprägtem Strom ermöglicht. Die Zündimpulse des Steuersatzes werden über Impulsverstärker, vorzugsweise tastbare Impulsgeneratoren, und ImpulsUbertrager oder über optische oder hochfrequenztechnische Ubertragungsstrecken auf die Steuerstrecken der steuerbaren Ventile gegeben. Für das Verständnis der Erfindung ist lediglich von Bedeutung, daß der Steuersatz ZUndimpulse

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für die steuerbaren Ventile des Stromrichters erzeugt. Die bei digitalen Schaltungen üblichen Maßnahmen zur Bildung eines Taktrasters sind rieht dargestellt. Die detaillierten Angaben über die verwendeten Bauelemente und die Zahlenangaben sind nur beispielhaft zu verstehen.

Der Steuersatz enthält einen freilaufenden Oszillator 1, der eine Impulsfolge mit konstanter Impulsfrequenz von beispielsweise 12,8 kHz erzeugt. Ein 8-Bit-Zähler 2 teilt die Impulsfrequenz des Oszillators 1 herunter. Der Zähler 2 wird als Vorwärtszähler mit dualer Codierung betrieben. An den Zählerausgängen erscheinen Impulsfolgen mit sich jeweils verdoppelnder Impulsfrequenz. Auf dem Zählerausgang 2H erscheint eine Impulsfolge mit einer Impulsfrequenz von 50 Hz, auf dem Ausgang 2G eine Impulsfolge mit einer Impulsfrequenz von 100 Hz, usw. bis zum Ausgang 2A, auf dem eine Impulsfolge mit einer Impulsfrequenz von 6,4 kHz erscheint» Die niedrigste Impulsfrequenz von 50 Hz am Ausgang 2H ist die gewünschte Frequenz der Ausgangsspannung des Stromrichters, die im folgenden als Betriebsfrequenz bezeichnet wird.

Die Ausgänge 2A...2H des Zählers 2 sind auf die erste Gruppe von acht Eingängen eines 2-Kanal-Multiplexers 3 für je 8 Bit geschaltet. Die zweite Gruppe von Eingängen des Multiplexers 3 ist mit den Zählerausgängen 2A...2F beschaltet und somit um zwei Wertigkeiten gegenüber der ersten Gruppe von Eingängen verschoben. Die beiden nicht benötigten Eingänge der zweiten Gruppe sind ständig mit 0-Signal belegt. Der Multiplexer 3 schaltet nach Maßgabe eines Steuersignals an seinem Steuereingang entweder die erste oder die zweite Gruppe von Eingängen auf seine Ausgänge durch. Der Multiplexer 3 wird so gesteuert, daß im ungestörten Betrieb der Zählerstand des Zählers 2 unmittelbar an den Ausgängen des Multiplexers 3 ansteht, während bei einer Störung der um zwei Wertigkeiten

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verschobene Zählerstand auf die Ausgänge des Multiplexers 3 durchgeschaltet wird.

Das für die Ansteuerung des Stromrichters erforderliche dreiphasige Zündimpulssystem wird durch Addition von Phasenwinkelvorgaben von 120° el bzw. 240° el zu einer Bezugsphase gebildet. Hierzu sind die Ausgänge des Multiplexers 3 mit den ersten Summandeneingängen von Addierern 10, 20, 30 verbunden. Die zweitaiSummandeneingänge der Addier ei* 10, 20, 30 sind mit den Ausgängen von weiteren 2-Kanal-Multiplexem 13, 23, 33 für je 8 Bit verbunden. Die Summenausgänge der Addierer 10, 20, 30 sind mit den Adresseneingängen von Speichern 11, 21, verbunden, in denen Funktionen gespeichert sind. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich dabei um 256x4bit-Festwertspeicher, in denen Sägezahnfunktionen gespeichert sind. Die Programmierung der Funktionsspeicher 11, 21, ist in FIG 7 dargestellt. Im ungestörten Betrieb sind die Ausgänge der Multiplexer 13, 23, 33 jsv/eils mit den an ihre erste Gruppe von Eingängen geschalteten Phasenwinkelvorgaben 14, 24, 34 verbunden. Im Störungsfalle können die weiteren Multiplexer 13_P 23, 33 durch ein Steuersignal auf ihre Steuereingänge derart umgesteuert werden, daß 3ie die Signale von Zwischenspeichern 15, 25, 35 durchschalten, die ihrerseits an weitere Speicher 16, 26, 36 angeschlossen sind, die im Ausführungsbeispiel 256x8bit-Festwertspeicher sind.

Die Ausgänge der Funktionsspeieher 11, 21, 31 sind mit den ersten Vergleichereingängen von digitalen Komparatoren 12, 22, 32 verbunden, deren zweite Vergleichereingänge mit den Ausgängen eines Analog-Digital-Wandlers verbunden sind. Der Analogeingang des Analog-Digital-Wandlers 6 ist über eine schematisch dargestellte Umschalteinrichtung 8 im ungeregelten Betrieb mit einer fest vorgegebenen Spannung beaufschlagt, die beispiels-

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weise an einem Potentiometer 9 abgegriffen wird. Im geregelten Betrieb wird die Umschalteinrichtung 8 umgesteuert. Der Analogeingang des Analog-Digital-Umsetzers 6 ist dann mit einem Regelsignal U„ eines Reglers 5 beaufschlagt, beispielsweise eines Stromreglers.

Die mit den höchstwertigen Signalen belegten Ausgänge A und M des Addierers 10, sowie die entsprechenden Ausgänge B und N des Addierers 20 und die Ausgänge C und 0 des Addierers 30 sind mit einer Logikschaltung4 verbunden. Die Logikschaltung 4 ist eingangsseitig weiterhin mit den Ausgängen T, U, V der Komparatoren 12, 22, 32 verbunden. Die Logikschaltung 4 bildet die ZUndimpulse für die gesteuerten Ventile n1 bis ni6. Der Aufbau der Logikschaltung 4 wird anhand der Verknüpfungsgleichungen und der FIG 4 beschrieben.

Im ungeregelten Betrieb wird der in FIG 1 dargestellte Stromrichter mit einem festen Impulsmuster gesteuert.

Vorzugsweise ist eine Spannungsregelung für die Eingangsgleichspannung vorgesehen, die jedoch in diesem Zusammenhang nicht von Interesse ist. Entsprechend den acht Zählerausgängen des Zählers 2 ist jede Periode der Ausgangsspannung des Stromrichters in 2 = 256 Inkremente eingeteilt. Die am Potentiometer 9 abgegriffene Spannung hat einen festen Wert, der der Vollansteuerung entspricht. Die Multiplexer sind derart gesteuert, daß der Multiplexer 3 den Zählerausgang unmittelbar auf die ersten Summandeneingänge der Addierer 10, 20, 30 durchschaltet und daß die Multiplexer 13, 23, 33 die Phasenwinkel vorgaben 14, 24, 34 auf die zweiten Summandeneingänge der Addierer 10, 20, 30 durchschalten.

Die Phasenwinkelvorgabe 14 ist auf die Zahl 0000 0000 eingestellt. Die Phasenwinkelvorgabe 24 ist auf die Zahl 01010101 (dezimal: 85) eingestellt, die bei einem

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Al

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vernachlässigter kleinen Winkelfehler einem Phasenwinkel von 120° el entspricht. Die Phasenwinkelvorgabe 34 ist auf die Zahl 10101010 (dezimal: 170) eingestellt, die einem Phasenwinkel von 240° el näherungsweise entspricht. Durch die Phasenwinkelvorgaben 14, 24, 34 werden die Signale auf den Summenausgangen der Addierer 10, 20, 30 derart verschoben, daß ein dreiphasiges System entsteht, das bis auf die vernachlässigbar kleinen Winkelfehler ein symmetrisches Dreiphasensystem bildet.

Die Phasenwinkelvorgabe 14 könnte bei einer festen Phasenwinkelvorgabe entfallen. Es ist Jedoch auch möglich, geregelte Phasenwinkelvorgaben vorzusehen, bei denen die Vorgabewerte beispielsweise von einem Phasenwinkelregler über einen Analog-Digital-Umsetzer oder von einem Phasenwinkelrechner gebildet werden.

Die Addierer 10, 20, 30 bilden fortlaufend die Adressen für die Funktionsspeicher 11, 21, 31. Die Ausgänge A und M des Addierers 10, die Ausgänge B und N des Addierers 20 und die Ausgänge C und 0 des Addierers 30 sind mit Signalen belegt, deren Verlauf in FIG 5 in den entsprechend beschrifteten Zeilen ersichtlich ist. Die Signale A, B, C bilden ein 180°-Raster. Die Signale M, N, 0 bilden ein 90°-Raster. Die in den Funktionsspeichern 11, 21, 31 gespeicherten Sägezahnfunktionen werden in den Komparatoren 12, 22, 32 mit der am Analog-Digital-Wandler 6 anstehenden Zahl verglichen, die zu 0001 (dezimal: 1) gewählt ist. Wenn die von den Funktionsspeichern 11, 21, 31 jeweils nach Maßgabe der Säge- zahnfunktion ausgegebene Zahl kleiner ist als die vom Analog-Digital-Wandler 6 ausgegebene Zahl, so erscheinen Impulse auf den Ausgängen T, U, V der Komparatoren 12, 22, 32, die in FIG 5 mit T₁, U₁, V₁ bezeichnet sind.

Aufbau und Funktion der Logikschaltung 4 wird anhand des in FIG 4 dargestellten Schaltbildes und der Diagramme in

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den FIG 5 und 6 erläutert. Die Signale sind mit den Bezugszeichen der Leitungen bezeichnet, auf denen sie anstehen. Die Zündimpulse sind mit den Bezugszeichen der entsprechenden Ventile bezeichnet. 5

FIG 4 zeigt den Aufbau der Logikschaltung 4 in einer getrennten Darstellung für die Bildung der Zündimpulse für die Löschventile n1, n2 und die Hilfsventlle n4 bis n9 sowie für die Hauptventile n11 bis n15. Die der Logikschaltung 4 eingangsseitig zugeführten Signale A, B, C, M, N, 0 von den Summenausgängen der Addierer 10, 20, 30 und die Aussteuerungssignale T, U, V von den Komparatoren 12, 22, 32 werden zunächst in nicht näher bezeichneten Invertiergliedern invertiert. Aus den ursprünglichen und den invertierten Signalen werden in NOR-Gattern 40 bis 45 die Signale D bis J nach folgenden Verknüpfungsgleichungen gebildet:

Die Impulse D...J sind jeweils 60°-Impulse. Aus diesen Impulsen wird ein Signal K als 60°-Raster durch die Verknüpfung im NOR-Gatter 49 zusammengesetzt:

K « EvGvJ
Das Signal K wird im Invertierglied 51 invertiert.

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Aus den Signalen M, N, O und M, ΪΪ, Ö werden in NOR-Gattern 46 bis 48 die Signale P, Q, R gebildet:

P =	IT	V	ü
Q m	H	V	ü
R -		V

Die Signale P, Q, R sind 3O°-Impulse, die im NOR-Gatter 50 zum Signal S verknüft werden, das ein 30°-Raster dargestellt:

S β PvQvR

Aus dem Signal S werden die Zeitimpulse d, e, f durch monostabile Kippstufen 52, 53, 54 gebildet. Die monostabile Kippstufe 52 mit der Laufzeit ti und die monostabile Kippstufe 53 mit der Laufzeit t2 werden bei Jeder ansteigenden Flanke des Signals S angestoßen. Das Ausgangssignal d der monostabilen Kippstufe 52 stößt die monostabile Kippstufe 54 mit der Laufzeit t3 an. Die Zeit ti ist die Pause zwischen dem Ende eines Hauptimpulses und dem Beginn des nächstfolgenden Löschimpulses. Die Zeit t2 ist die Pause zwischen dem Ende eines Zünd- __ impulses für ein Hauptventil und dem Beginn des Zündimpulses für das gegenüberliegende Hauptventil. Die Zeit t3 ist die Impulsdauer der Löschimpulse (siehe auch FIG 2)

Das Ausgangssignal f der Kippstufe 54 wird in nicht im einzelnen bezeichneten UND-Gattern mit den Signalen D bis J zu den Zündimpulsen für die Hilfsventile n4 bis n9 verknüpft, sowie in weiteren UND-Gattern mit den Signalen K und 7. zu Zündimpulsen für die Löschventile n1, n2:

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n5 » DAf

n8 » EAf

n7 - F_Af

n4 » GAf

n9 - H_Af

n6 = JAf

n1 - KAf n2 » KAf

Zur Bildung der Zündimpulse für die gesteuerten Hauptventile n11 bis ni6 wird das Ausgangssignal e der Kippstufe 53 mit den Signalen A, B, C, 1", B", ü in NOR-Gattern 61 bis 66 verknüpft. Die Ausgänge der NOR-Gatter 61 bis 66 sind mit den Setzeingängen von bistabilen Kippstufen 55 bis 60 verbunden, deren RUcksetzeingänge mit jeweils einem der Signale A, B", C, A", B, U belegt sind. Aus den Signalen h bis η auf den Ausgängen der Kippstufen 55 bis 60 werden durch konjunktive Verknüpfung mit den inversen Aussteuerungssignalen T, U, V die Zündimpulse für die Hauptventile n11 biß n15 gebildet: 20

n11 -	T	Λ	h
ni6 «	ü	Λ	i
n12 =	V	Λ	k
ni4 -	T	Λ	1
n13 =	ü	Λ	m
n15 -	V	Λ	η

Die Aussteuerungssignale T, U, V bestimmen die Aussteuerung des Streori chters. Für einen ungeregelten Betrieb des Stromrichters können die Aussteuerungssignale fest vorgegeben werden, beispielsweise durch monostabile Kippstufen, die von geeigneten Signalen auf Ausgängen der

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Addierer angestoßen werden. In FIG 5 sind die Aussteuerungssignale T, U, V jeweils für Vollaussteuerung T1, U1, V1 und für minimale Aussteuerung T15, U15, V15 gezeigt. Man erkennt, daß beispielsweise das Aussteuerungssignal T durch monostabile Kippstufen gebildet werden kann, die von der ansteigenden Flanke des Signals D bzw. von der ansteigenden Flanke des Signals G angestoßen werden und deren Laufzeit auf die gewünschte Dauer des Aussteuerungssignals eingestellt ist. Analoges gilt für die Aussteuerungssignale U bzw. V, die aus den Signalen E und H bzw. F und J abgeleitet werden können. Änderungen der Aussteuerung sind durch entsprechende Änderungen der Laufzeiten der Kippstufen möglich.

Das vorliegende Ausführungsbeispiel zeigt einen anderen Weg. Die Aussteuerungssignale T, U, V werden durch einen digitalen Vergleich eines Regelsignals mit den Ausgangssignalen von Funktionsspeichern gebildet. Hierzu wird zunächst die Programmierung eines Funktionsspeichers anhand von FIG 7 erläuert.

FIG 7 zeigt in Form einer grafischen Darstellung die Programmierung des FunktionsSpeichers 11. An der waagrechten Achse sind die Adressen in dezimaler Schreibweise und an der senkrechten Achse die mit den betreffenden Adressen abrufbaren Speicherinhalte in binärer Darstellung angeschrieben. Die Speicherinhalte bestehen in den Zahlen 0 bis 15. Beispielsweise gibt der Funktionsspeicher 11 beim Anlegen der Adresse 85 die binäre Zahl 1101 (dezimal: 13) oder beim Anlegen der Adresse 171 die binäre Zahl 0011 (dezimal: 3) aus. Wenn die Adressen 0 bis 255 vom Addierer 10 nacheinander angelegt werden, so erscheinen auf den Speieherausgangen Zahlen, die in der grafischen Darstellung zwei aufeinanderfolgende Sägezähne mit einer durch die Digitalisierung bedingten Stufigkeit bilden. Hieraus wird durch einen digitalen

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Vergleich mit einem Regelsignal U_R im Komparator 12 das Aussteuerungssignal T für die Hauptventile n11 und ni4 gebildet. Beispielsweise ergibt sich für ein Regelsignal Udq, das in die Zahl 1000 (dezimal: 8) umgesetzt wird, ein Aussteuerungssignal T_Q. Die maximale Aussteuerung des Stromrichters erfolgt bei einem Regelsignal U_R1, das als 0001 (dezimal: 1) festgelegt wird, wobei durch den digitalen Vergleich zwischen υ*ο>. und den aus dem Funktionsspeicher ausgelesenen Zahlen das Aussteuerungssignal TI gebildet wird. Bei der minimalen Aussteuerung wird durch den digitalen Vergleich des Regelsignals U_r-jk = 1111 (dezimal: 15) ein Aussteuerungssignal T15 gebildet. Auf diese Weise entstehen wiederum die bereits in FIG 5 dargestellten Aussteuerungssignale T1, U1, V1 für Vollaus- steuerung und T15, U15, V15 für Minimalaussteuerung, die jedoch durch den beschriebenen digitalen Vergleich in Abhängigkeit von einem Regelsignal in Zwischenstufen geändert werden können.

Die schaltungsmäßige Realisierung der geschilderten Bildung der Aussteuerungssignale zeigt wiederum FIG 3. Ein Regler 5 erzeugt ein Regelsignal U_R, das von einem Analog-Digital-Wandler 6 in eine Zahl zwischen 0001 (dezimal: 1) und 1111 (dezimal: 15)umgesetzt wird. Das digitalisierte Regelsignal wird in den Komparatoren 12, 22, 32 mit den Zahlen verglichen, die aus den Funktionsspeichern 11, 21, 31 ausgelesen werden. Die Aussteuerungssignale T, U, V liegen hoch, wenn das digitalisierte Regelsignal größer ist als die ausgelesene Zahl.

Bei der Programmierung der Funktionsspeicher können auch andere Funktionen eingegeben werden, beispielsweise Rampenfunktionen mit unterschiedlichen Steigungen. Insbesondere können auch nichtlineare Zusammenhänge zwischen dem Regelsignal und der gewünschten Aussteuerung auf einfache Weise bei durch entsprechende Programmierung

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berücksichtigt werden.

FIG 3 zeigt eine Umschaltmöglichkeit zwischen einem geregelten und einem ungeregelten Betrieb. Der Analogeingang des Analog-Digital-Wandlers 6 ist über die Umschalteinrichtung 8 entweder mit dem Ausgang des Reglers 5 oder mit dem Potentiometer 9 verbunden. Im ungeregelten Betrieb befindet sich die Umschalteinrichtung 8 in der dargestellten Lage. Am Potentiometer 9 wird eine Spannung eingestellt, bei der vom Analog-Digital-Wandler 6 eine der gewünschten Aussteuerung entsprechende Zahl weitergegeben wird, beispielsweise die Zahl 0001 für eine maximale Aussteuerung mit den Aussteuerungssignalen T₁, U₁, V₁.

Der in FIG 1 dargestellte Wechselrichter weist nur einen LC-Reihenschwingkreis als Kommutierungskreis für sämtliche Hauptventile auf. Bei einer Schnellabschaltung des Wechselrichters aufgrund eines Schutzbefehls können daher nicht alle stromführenden Hauptventile gleichzeitig durch entsprechende Zündimpulse gelöscht werden. Vielmehr besteht die Gefahr, daß im KurzSchlußfall eines angeschlossenen Verbrauchers der Kurzschlußstrom auf Werte ansteigt, bei denen die Kommutierungsfähigkeit des Wechselrichters überschritten wird. Es sind daher die nachstehend beschriebenen Maßnahmen vorgesehen, um bei einem Schutzbefehl den Wechselrichter rasch stillsetzen zu können.

Zur Bildung eines Schutzbefehls wird beispielsweise der Ausgangsstrom I^ des Wechselrichters erfaßt und einem Grenzwertmelder 28 zugeführt. Übersteigt der Ausgangsstrom des Wechselrichters einen vorgegebenen Grenzwert, so ändert der Grenzwertmelder 28 sein Ausgangssignal und stößt eine monostabile Kippstufe 7 an, die einen Impuls Z (siehe auch FIG 8) von vorgegebener Dauer erzeugt,

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beispielsweise von 6,7 msec. Mit dem ImpulsZ <fer monostabilen Kippstufe 7 wird eine Schnellabschaltung des Wechselrichters eingeleitet. Hierzu werden die Zündimpulse für die gesteuerten Hauptventile n1 bis ni6 des Wechselrichters gesperrt, Weiterhin wird die Betriebsfrequenz erhöht, vorzugsweise auf ein Vielfaches der normalen Betriebsfrequenz, und die Phasenlage des Systems mit erhöhter Betriebsfrequenz wird gegenüber dem System mit normaler Betriebsfrequenz verändert. Die erhöhte Betriebsfrequenz wird so gewählt, daß die für die in der Wechselrichterschaltung verwendeten Ventiltypen vorgeschriebenen Mindestzeiten eingehalten werden. Diese Mindestzeiten ergeben sich aus der Dimensionierung der Bauelemente des Kommutierungskreises, dem maximal zu kommutierenden Strom und aus der Schonzeit der Ventile. Wählt man als erhöhte Betriebsfrequenz ein 2ⁿ-faches der normalen Betriebsfrequenz, so kann die Frequenzerhöhung duroh eine Verschiebung der Zählerausgänge um η Wertigkeiten mit Hilfe des Multiplexers 3 sehr einfach durchgeführt werden. Im Ausführungsbeispiel der FIG 3 1st die zweite Gruppe von Eingängen des Multiplexers mit den Zählerausgängen 2A...2F beschaltet und somit um zwei Wertigkeiten gegenüber der ersten Gruppe von Eingängen verschoben. Durch den als Steuersignal verwendeten Im-" puls der monostabilen Kippstufe 7 wird der Multiplexer 3 umgesteuert, so daß an seinen Ausgängen der um zwei Wertigkeiten verschobene Zählerstand erscheint und den ersten Summandeneingängen der Addierer 10, 20, 30 zugeführt wird. Gleichzeitig werden auch die weiteren Multiplexer 13_; 23 und 33 umgesteuert und ein Übernahmeimpuls auf die Speicher 15, 25 und 35 gegeben. Die Speicher 15, 25, 35 übernehmen die an den Ausgängen der weiteren Speicher 16, 26, 36 momentan anstehenden Zahlen, die nunmehr über die Multiplexer 13, 23, 33 anstelle der Phasenwinkelvorgaben 14, 24, 34 auf die zweiten Summandeneingänge der Addierer 10, 20, 30.geschaltet sind. Die

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Addierer 10, 20, 30 addieren jetzt den um zwei Wertigkeiten verschobenen Zählerstand zu den aus den Speichern 16, 26, 36 im Störungsaugenblick ausgelesenen Zahlen. Die Verschiebung des Zählerstandes um zwei Wertigkeiten entspricht einer Vervierfachung der Betriebsfrequenz. Die weiteren Speicher 16, 26, 36 sind derart programmiert, daß eine Impulsverschiebung für sämtliche Zündimpulse auftritt, die vom Zählerstand im Störungsaugenblick und damit auch von dem momentanen Wert der Phasenspannungen des Stromrichters abhängig ist. Dies wird anhand der Diagramme der FIG 8 nunmehr im einzelnen erläutert:

FIG 8 zeigt in Übereinstimmung mit FIG 6 die Zündimpulse für die Hauptventile n11 bis ni6 bei maximaler Aussteuerung, sowie die Zündimpulse für die Löschventile n1, n2 und die Hilfsventile n4 bis n9 bei normaler Betriebsfrequenz. Das Signal Z der Kippstufe 7 steuert den Stillsetzvorgang. Bei der ansteigenden Flanke des Impulses Z werden die Zümdimpulse für die Hauptventile gesperrt, es wird eine Verschiebung der Zündimpulse für die Löschventile und die Hilfsventile vorgenommen und es wird die Betriebsfrequenz erhöht. Bei der fallenden Flanke des Impulses Z werden zusätzlich auch die Zündimpulse für die Löschventile und die Hilfsventile gesperrt. Der Stromrichter ist stillgesetzt.

Der Verschiebung der Zündimpulse für die Löschventile liegt die Erkenntnis zugrunde, daß man bei einer Schnellabschaltung nicht abwarten sollte, bis der nächst Löschimpuls im normalen Rhythmus gebildet wird, sondern daß · der nächste Löschimpuls bereits unmittelbar nach dem Stillsetzbefehl gebildet wird. Wenn der Stillsetzbefehl in einen Löschimpuls fällt, so wird dieser Löschimpuls wiederholt, um sicherzustellen, daß das zugehörige Hauptventil tatsächlich gelöscht wird. Fällt dagegen der Still-

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setzbefehl zwischen die Löschimpulse, so wird das Impulsraster -zeitlich so verschoben, daß sofort der nächste Löschimpuls erscheint.

Es läßt sich für jeden Augenblick eine Verschiebung der Zündimpulse für die Löschventile angeben, die eine zeitoptimale Abschaltung de3 Stromrichters ermöglicht. Uni die Verschiebung des Iipulsrasters bei einer Schnellabschaltung schaltungstechnisch einfach realisieren zu können, ist es zweckmäßig, eine Periode der Ausgangsspannung des Stromrichters in eine Anzahl von Bereiche einzuteilen und die Verschiebung in Abhängigkeit von dem Bereich zu bestimmen, in den die Schnellabschaltung fällt.

Die zusätzlich vorgesehene Erhöhung der Betriebsfrequenz beschleunigt den Stillsetzvorgang noch weiter und stellt bei dem beschriebenen speziellen Wechselrichter den Gleichlauf zwischen den Zündimpulsen für die Löschventile und den Zündimpulsen für die Hilfsventile sicher.

In der Darstellung der FIG 8 sind bei der ansteigenden Flanke des Stillsetzbefehls Z die Hauptventile n11, ni6, n15 stromführend und sollen zeitoptimal gelöscht werden. Das Impulsraster der Zündimpulse für die Löschventile und die Hilfsventile wird zeitlich soweit nach vorne verschoben, daß sofort die Zündimpulse für die Ventile n2 und n7 kommen, gefolgt den Zündimpulsen für die T/entile n1 und n4, wiederum gefolgt von den Zündimpulsen für die Ventile n2 und n9. Die Hauptventile n15, n11 und ni6 werden in dieser Reihenfolge gelöscht. Der Stromrichter ist stillgesetzt. Aus Sicherheitsgründen steht der Stillsetzbefehl Z noch etwas länger an.

Die schaltungstechnische Realisierung ist in FIG 3 dargestellt. Die zweiten Summandeneingänge der Addierer 10, 20, 30 werden bei einer Schnellabschaltung über die

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Multiplexer 13, 23, 33 und die Zwischenspeicher 15, 25, 35 mit den Festwertspeichern 16_; 26, 36 verbunden. Die Adresseneingänge der Festwertspeicher 16, 26, 36 sind mit den Ausgängen des Zählers 2 verbunden. Die Fest-Wertspeicher 16, 26, 36 sind so programmiert, daß bei jedem Zählerstand eine Zahl ausgelesen wird, die bei der Addition mit dem Zählerstand bzw. dem um eine oder mehrere Wertigkeiten verschobenen Zählerstand Signale auf den Ausgängen der Addierer ergibt, die über die Logikschaltung 4 geeignete ZUndimpulse für die Löschventile und die Hilfsventile hervorruft, um den Stromrichter zeitoptimal stillzusetzen. Bei einer Schnellabschaltung werden somit die Multiplexer 3, 13» 23, 33 umgesteuert und ein Übernahmebefehl für die Zwischenspeicher 15, 25, 35 gegeben. Nicht näher dargestellt ist die Sperrung der Zündimpulse für die Hauptventile, die beispielsweise durch geeignete Sperrgatter vorgenommen werden kann, sowie die später erfolgende Sperrung auch der Zündimpulse für die Löschventile und die Hilfsventile.

Der erfindungsgemäße Steuersatz ermöglicht somit mehrere Ausbaustufen und Betriebsarten:

Der einfachste Aufbau für einen ungeregelten Betrieb mit einem festen Impulsmuster enthält den Oszillator 1 und den Zähler 2, den Addierer 20 mit der Phasenwinkelvorgabe 24, den Addierer 30 mit der Phasenwinkelvorgabe 33» sowie die Logikschaltung 4. Die beiden Zählerausgänge 2G, 2H werden als Kanäle A und M der Logikschaltung 4 eingangsseitig zugeführt. Die entsprechenden Ausgänge der Addierer 20 und 30 werden als Kanäle B, N und C, 0 ebenfalls der Logikschaltung 4 eingangsseitig zugeführt. Die Aussteuerungssignale T, U, V werden fest vorgegeben, beispielsweise in der auf Seite 14 beschriebenen Weise.

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Für einen geregelten Betrieb sind zusätzlich die Funktionsspeicher 11, 21, 31 und die nachgeordneten Komparatoren 12, 22, 32, sowie Maßnahmen zur Bildung eines digitalisierten Regelsignals erforderlich, beispielsweise mit Hilfe e5.nes Analog-Digital-Wandlers 6 und eines vorgeschalteten Reglers 5. Wenn eine Umschaltmöglichkeit zwischen geregeltem und ungeregeltem Betrieb erforderlich ist, so kann dies durch eine Umschalteinrichtung 8 im Analogeingang des Analog-Digital-Wandlers 6 realisiert werden, mit der dessen Eingangsspannung zwischen einem Regelsignal und einer fest vorgegebenen Spannung umgeschaltet werden kann.

Ist eine Schnellabschaltung des vom Steuersatz gesteuerten Stromrichters erforderlich, so wird man den Steuersatz um die Multiplexer 3, 13, 23, 33, die Festwertspeicher 16, 26, 36 und die Zwischenspeicher 15, 25. 35 erweitern. Die Stillsetzung des Stromrichters wird durch eine Verschiebung der Zündimpulse für die Lösch- und Hilfsventile zeitoptimal durchgeführt. Eine Erhöhung der Betriebsfrequenz kann zusätzlich vorgenommen werden. Im Anschluß an eine Schnellabschaltung kann ein geregelter Betrieb mit eingeprägtem Strom gefahren werden, um Sicherungen selektiv zum Auslösen zu bringen.

8 Figuren

4 Patentansprüche

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Claims (4)

VPA ηψ 3 ISO BRO Patentansprüche

1.j Steuersatz für einen mehrphasigen Stromrichter,

adurch gekennzeichnet, daß ein 5 Oszillator (-1) einen dual codierten Zähler (2) antreibt, dessen Zählerausgänge mit den ersten Summandeneingängen einer Anzahl von Addierern (10, 20, 30) verbunden sind, deren zweite Summandeneingänge mit PhasenwinkeIvorgaben (14, 24, 34) verbunden sind und deren Summenausgänge mit einer Logikschaltung (4) verbunden sind, die aus den Signalen auf den Summenausgängen der Addierer (10, 20, 30) Zeitimpulse ableitet und zu Zündimpulsen für die gesteuerten Ventile des Stromrichters verknüpft,

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß bei einer Schnellabschaltung die Zündimpulse für die gesteuerten Hauptventile gesperrt werden und daß eine von der momentanen Phasenlage der Ausgangsspannung des Stromrichters abhängige Verschiebung der ZUndimpulse für die Löschventile vorgenommen wird.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß bei einer Schnellabschaltung die Betriebsfrequenz des Stromrichters erhöht wird.

4. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Multiplexer (3) vorgesehen ist, dessen erste Gruppe von Eingängen unmittelbar mit den Ausgängen des Zählers (2), dessen zweite Gruppe von Eingängen mit den um wenigstens eine Wertigkeit verschobenen Ausgängen des Zählers (2) und dessen Ausgänge mit den ersten Summanden- eingängen der Addierer (10, 20, 30) verbunden sind, deren zweite Summandeneingänge über Multiplexer

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(13, 23, 33) und Zwischenspeicher (15, 25, 35) mit den Ausgängen von Datenspeichern (16, 26, 36) verbunden sind, deren Adresseingänge mit den Ausgängen des Zählers (2) verbunden sind und die auf eine für Jeden Zählerstand optimale Zündimpulsverschiebung programmiert sind, wobei bei einer Schnellabschaltung die Multiplexer (3, 13, 23, 33) umgesteuert und die Ausgangssignale der Datenspeicher (16, 26, 36) in die Zwischenspeicher (15, 25, 35) übernommen werden.

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