DE2922004C2 - Regeleinrichtung für eine mehrphasige Stromrichterschaltung mit Thyristoren - Google Patents

Description

einer Regeleinrichtung RE Die Thyristor-Brückenschaltung ist eingangsseitig über Stromwandler WI bis W3 an die Phasen R, S, T eines Wechselstromnetzes angeschlossen. Die Stromwandler sind sekundärseitig mit einer dreiphasigen Gleichrichtersdraltung Gl 1 verbunden. Die Regeleinrichtung setzt sich aus sechs Funktionseinheiten zusammen, die in den F i g. 2 bis 7 zusammen mit den Impulsdiagrammen :& den F i g. 8 und 9 näher erläutert werden.

In Fig.2 ist das Synchronisierteil Sy der Regeleinrichtung RE dargestellt. Das Synchronisierteil steuert die Eingange des Regelumsetzers Ru und des Impulsverteilers /vmit den Pulsverläufen Λ/ι bis N₃ bzw. 5i bis 5*. Die Pulse Ni bis N₃ kennzeichnen dabei sämtliche Spannungs-Nulldurchgänge des speisenden Drehstromnetzes R, S. T. Die Pulse Si bis 5b geben dagegen die möglichen Zündbereiche für die einzelnen Netzhalbwellen vor. Der Anschluß des Synchronisierteils Sy an das Netz R, S, T erfolgt über einen Drehstromtransformator Tr der Internversorgung Stv für die Erzeugung der Versorgungsspannungeh, welcher an drei eigenen Sekundärausgängen die verketteten Netzspannungen Urs, Us-t and Ut-r erzeugt Zum Ausgleich von Netzverzerrungen ist jeder dieser drei Sekundärwicklungen ein aktives Filter Fl bis F3 (Fig.7) nachgeschaltet, welche die Spannungsverläufe vor allem im Bereich der Nulldurchgänge bei minimalem Phasenverlust entzerren. Die sekundärseitig zusammengefaßten Wicklungsmittelpunkte M der Filterausgangsübertrager Ü (F i g. 7) werden durch eine gemeinsame Zenerdiode ZX gegenüber der OV-Bezugsspannung der Internversorgung Stv auf positivem Potential gehalten, welches für die Eingänge der nachfolgenden 7TL-Schaltglieder logisch 1 darstellt. Der Schaltzustand logisch Null für die 7TL-Eingänge entsteht immer dann, solange die mittels Gleichrichter erzeugten Halbwellengleichspannungen größer als diese Zenerschwelle sind, d. h. bezogen auf OV-Potential negativ sind. Die in sämtlichen Ausgängen angeordneten Konstantstromdioden Kd 1 bis 9 begrenzen den logischen-O-Pegel auf noch zulässige negative Werte.

Die Internversorgung Stv die außer dem Bezugspotentia! 0 Volt die Versorgungsspannungen U1, U 2, U 3 und U4 liefert, wird eingangsseitig aus den Sekundärwicklungen 1, II, III des Drehstromtransformators Tr gespeist.

Der in Fig.3 dargestellte Regelumsetzer Ru bestimmt abhängig von der verstärkten Regelabweichung Urm2 zum Ausgleich auftretender Störgrößen wie Netzspannungsschwankungen oder Laständerungen den dazu nötigen Zündzeitpunkt für die Thyristoren Th 1 bis 77? 6. Die Regelabweichung wird von der am Ausgang der Thyristor-Regeleinheit abgegebenen Ausgangsspannung — Ua in einem Spannungsregler Sr abgeleitet. Die Analog-Digital-Umwandlung der Regelabweichung geschieht durch einen Spannungsvergleich mit einer Sägezahnspannung in einem Komparator A 4. Am Ausgang des Komparators A 4 werden Gleichspannungsimpulse KS(Fig.8) mit variablem Tastgrad bei konstanter, der Sägezahnperiode entsprechenden Pulsfolgefrequenz abgegeben. Die aufsteigende und den Zündzeitpunkt bestimmende Flanke der Gleichspannungspulse KS wird durch den Schnittpunkt der Sägezahnspannung SS mit der verstärkten Regelabweichung Uk2 vorgegeben. Der aus den Gleichspannungsimpulsen /^abgeleitete invertierte Pulsverlauf KS'mil definiert verzögerter Abstiegsflanke erzeugt zusammen mit den Glcichspannungsimpulsen KS im Impulsverteiler Iv einen Zündimpulsverlauf KZ. l>r Pulsabsland des Sumnicnzündstromes beträgt bei der vorliegenden Drehstrom-Thyristor-Brückenschaltung '/t. · T mit T= Netzperiode. Der maximale Zündbercich umfaßt dagegen '/> ■ T.

Da jeder Zündimpuls während einer Anstiegsflanke der Sägezahnspannung 55 erzeugt wird, liegen die nötige Säsezahnperiode und der so erzielbare Teilsteuerbereich mit V_b · 7* fest. Zur Erweiterung dieses Bereichs auf den maximal erforderlichen Wert von V₃ · 7"ist die

to Sägezahnspannung in ihrer Phasenlage maximal ¹A, ■ T verschiebbar. Die Erzeugung der Sägezahnspannung 55 erfolgt durch eine langsame Aufladung eines Kondensators Cs über einen Vorwiderstand Rs aus der Hilfsspannung t/l der Internversorgung mit anschließender schneller Entladung über einen parallelen Steuertransistor Tss. Die veränderbare Phasenlage der Sägezahnspannung wird derart erzeugt, daß die Entladtzeitpunk-Ie des Sägezahnkondensators Cs abhängig von der verstärkten Regelabweichung Ur ι zeitlich verschoben werden. Die Regelabweichungen Ur 1 und Ur2 sind gleich groß, jedoch hochohmig voneinander entkoppelt. In einem weiteren Komparator A 2 wird durch Vergleich einer primären netzsynchronen Hilfs-Sägezahnspannung PS mit der Regelabweichung Ur ι eine im Tastgrad variable Pulsfolge KP mit der Periodendauer Ve · T erzeugt, dessen zeitlich verschiebbare Abstiegsflanken den Entladungsbeginn für den Sägezahnkondensator Cs bestimmen. Die aufsteigende Flanke der Gleichspannungsimpulse KP beginnt, sobald die Hilfs-Sägezahnspannung PS die Regelabweichung Ur \ überschreitet. Die Entladedauer für den Sägezahnkondensator Cs wird durch die Zeitkonsti,.ite eines Differenziergliedes DG festgelegt, das eine im Tastgrad konstanten Pulsverlauf KP' erzeugt. Ober einen Inverter /4 gelangen diese Pulse an die Steuerstrecke des Entladungstransistors Tss des Sägezahnkondensators Cs. Die Hilfs-Sägezahnspannung PS wird durch Aufladung eines Kondensators CHs über einen Widerstand Rhs aus der Hilfsspannung UX erzeugt. Die schnelle Entladung des Kondensators Chs erfolge jedoch während der Netzspannungs-Nulldurchgänge, durch die im Synchronisierteil Sy gebildeten und in Inverterstufen IX, 12,13 invertierten Ansteuerimpulse N X. N 2, N 3 für einen Entladetransislor Tsh für den Hilfs-Sägezahnkondensator Chs.

Da bei Netzspannungsabsenkung auch die verstärkte Regelabweichung Ur \n abnimmt, werden auch die Schnittpunkte mit der Hilfs-Sägezahnspannung PS und der Sägezahnspannung SS nach links zu früheren Zündzeilpunkten verschoben. Für den Fall, daß die Regelabweichung Ur _l/2 unter die Sägezahnspannung von PS bzw. SS absinkt, und kein Schnittpunkt mehr zustande kommt, sind zur Bildung einer sogenannten unteren Trittgrenze (uTG), und somit zur Sicherung der Gleichspannungsimpulse KTund KS zwei weitere Kompara-

■i¹) toren eingeführt. Diese Trittgrenzenkomparatoren A 1, A 3 schalten nur im unteren Regelbereich während der Dauer der Sägezahnkondensatoren-Entladungen KP und KSauf OV-Potential. Damit bleiben die zur Erzeugung der Sägezahnspannung und zur Markierung der Zündzeitpunkte erforderlichen aufsteigenden Flanken der Gleichspannungspulse KF und KS unterhalb der unteren Regelbereichsgrenze zeitlich fixiert erhalten. Ein Ansteigen der Regelabweichung Ur ι über die Hilfs-Sägezahnspannung PS hinaus, erfordert zur Erhallung h^r· dtr Sägezahnspannung SS die Einführung einer oberen Trittgrenze (oTG) im Pulsvcrlauf KP. Dies geschieht dadurch, daß während der Entladedauer des Kondensators Chs für die Hilfs-SäKezahnsDannune die Reeelab-

weichung Ur ι durch den Entladetransistor um eine Diodenschwelle unter die Hilfs-Sägezahnspannung PS abgesenkt wird, wodurch wieder Schnittpunkte mit der Hilfs-Sägezahnspannung PS erzwungen werden. Während der Entladezeit entstehen somit auch über der oberen Regelbereichsgrenze Gleichspannungsimpulse KP. Die Erzeugung und die Zuordnung der Zündimpulse /u den einzelnen Thyristoren Th 1 bis 77? 6 der Brückenschaltung erfolgt unter Verwendung der Gleichspannungsimpulsfolgen KS und KS' des Regelumsetzcrs Ru in Verbindung mit den Synchronisierimpulsen 51 bis 5 6 der Synchronisierschaltung Sy in dem in F i g. 4 dargestellten Impulsverteiler IV. Der theoretisch mögliche Zündbereich für die sechspulsige Drehstrom-Brückenschaltung erstreckt sich jeweils über die letzten zwei Drittel der sinusförmigen verketteten Netzhalbwellen, was bei einer Netzperiode Teinem maximalen Stellbereich und damit auch einer maximalen Phasenänderung des Zündimpulsverlaufs von V3 · Tentspricht. Die wirk-

Die im Impulsverteiler IV auf die einzelnen Ausgänge Zl bis Z 6 verteilten und invertierten Zündimpulse KZ werden in einem nachgeschalteten Zündimpulsverstärker ZVverstärkt und untereinander galvanisch entkoppelt. Der Zündimpulsverstärker ist in F i g. 5 dargestellt. Die Treibertransistoren TsIO bis 7s 15 vom PNP-Typ erhalten ihre öffnende Ansteuerung immer während eines auftretenden Zündimpulses KZ. Die Eingänge Zl bis Z6 des Zündimpulsverstärkers werden dabei abwechselnd auf OV-Potential und als Folge davon die Primärwicklungen der Zündübertrager ZU 1 bis ZÜ6 abwechselnd an die Hilfsspannung Ui der Internversorgung geschaltet. Die Zündübertrager enthalten je zwei Sekundärwicklungen, welche die gleichzeitige Zündung des jeweils den Laststrom übernehmenden Thyristorpaares ermöglichen. Dadurch ergeben sich pro Thyristoransteuerung Doppelimpulse im zeitlichen Abstand von Vt, · T. Zur Vermeidung von Fehlimpulsen während des Aufbaues der internen Versorgungsspan-

lich erzielbaren Zündbereiche SV bis S6' ergeben sich 20 nungen beim Einschalten der Netzspannung wird die

aus den Synchronisierimpulsen S1 bis S 6, welche beidseitig um ihre Überlappungszeiten verkürzt sind. Mit Si' bis S3' sind dabei die Zündbereiche für die positiven und mit S4' und S6' die Zündbereiche für die negativen Netzhalbwellen bezeichnet. Wegen der vergleichsweisen kurzen Zündimpulsfolge von V₆ ■ Γ können in jedem dieser vorgegebenen Zündbereiche Sl' bis S6' zwei aufeinanderfolgende Zündimpulse treffen. Die Auswahl des zeitlich richtigen Zündimpulses erfolgt durch die Impulsverläufe Qi und Q2 (Vj · T- Periodendauer), welche bei konstantem Tastgrad abhängig von der verstärkten Regelabweichung Uk 3, die identisch ist mit der Regelabweichung L/«i und Ur2. in der Phasenlage so verändert werden, daß ihre Pulse immer

Hilfsspannung Ui für den Zündimpulsverstärker erst nach Ablauf einer vorgegebenen Verzögerungszeit durchgeschaltet.

Zur Erzeugung der verstärkten Regelabweichung aus 25 Laststrom oder Ausgangsspannung ist der in F i g. 6 als Blockschaltbild dargestellte Strom- und Spannungsregler Srvorgesehen. Die Regelgröße L//für die Strombegrenzung wird mittels der Stromwandler WI bis W3 und der Gleichrichterbrücke GIi (Fig. 1) gewonnen. 30 Die Regelgröße -Ua für die Spannungsregelung wird am Ausgang des Thyristor-Regelgerätes abgenommen. Die Bildung der verstärkten Regelabweichung erfolgt in Operationsverstärkern, die ausgangsseitig über Entkopplungsdioden so zusammengeschaltet sind, daß jenur einen Zündimpuls überdecken. Durch Verknüpfung 35 weils der Operationsverstärker mit der größeren Ausder Zündimpulse KZin den Zündbereichen Sl' bis S3' gangsspannung die Regelung und somit die Steuerung mit dem Impulsverlauf Q 1 und der Zündimpulse KZ in der Thyristoren übernimmt

den Zündbereichen Sl'bis S6'mit dem Impulsverlauf Die aus Strom- oder Spannungsregler gewonnene

Q 2 (6-Nandschaltglieder Λ 1 bis Λ 3, /1 bis /3) wird so verstärkte Regelabweichung greift an den nichtinvertiedie zeitlich richtige Zuordnung der Zündimpulse KZauf 40 renden Eingängen von drei Operationsverstärkern Cv 1, die einzelnen Steuerleitungen erzielt. Von der aus den Cv 2, Cv3 ein, welche an ihren Ausgängen die pegelglei-Gleichspannungsimpulsen KS und /CS'erzeugten Zünd- chen Steuerspannungen Ur i, Ur2 und Um für Regelumimpulsfolge KZ gelangt abwechselnd immer jeder setzer Ru und Impulsverteiler Iv erzeugen. Die Beeinsechste Impuls invertiert zu einem der sechs Ausgänge flussung der invertierenden Eingänge dieser drei Opera-Zl bis Z 6 des Impulsverteilers. Die phasenvariablen 45 tionsverstärker durch einen weiteren Operationsver-Pulsverläufe Q\,Q2 werden durch Sägezahnvergleich stärker Cv4 in Abhängigkeit von Netzspannungsändeaus der veränderbaren verstärkten Regelabweichung
Ur 3 mittels zwei Fensterkomparatoren B1, B 2 und B 3, B 4 abgeleitet. Die um V₆ - ^gegeneinander phasenverschobenen Sägezahnspannungen Sk 1 und Sk 2 werden 50
durch langsame Aufladung je eines Kondensators Ck 1
und Ck 2 über je einen Vorwiderstand Rk 1 und Rk 2
aus der Hilfsspannung Ui der Internversorgung und
durch anschließende schnelle Entladung über parallel

geschaltete Transistoren Ts 5 und Ts 6 erzeugt. Die Ent- 55 abweichung vortäuschend die nicht invertierenden Einladezeiten der Kondensatoren sind dabei identisch mit gänge der drei Operationsverstärker CvI, Cv 2 und der Überlappungsdauer der einzelnen Synchronisierim- Cv 3 über eine Entkopplungsdiode solange ansteuert, pulse S1 bis S6, woraus über Inverter /5, /6 die Puls- bis einer der drei Regler in seinen Regelbereich gelangt folgen Π und T2 gebildet und den Steuerstrecken der und den Arbeitspunkt festlegt Die wirksame Verzöge-Transistoren Ts 5 und Ts 6 zugeführt werden. Die Perio- 60 rungszeit v/ird durch ein /?C-Glied bestimmt Zur Erziedendauer der Sägezahnspannungen beträgt damit lung einer ausreichenden Stabilität des Regelkreises bei V₃ ■ T, so daß mit den daraus erzeugten Pulsen Q1 und bestmöglichen dynamischen Regeleigenschaften wer- Q 2 der gesamte Zündbereich aller Netzhalbwellen den die einzelnen Regler-Operationsverstärker und Reüberstrichen werden kann. Durch geeignete Überlap- gelgrößen-Spannungsteiler mit komplexen Dämpfungspung von Signalen werden die während der Entladung 65 und Vorhaltegliedern beschaltet

der Sägezahnkondensatoren Ck 1 und Ck 2 von den

Fensterkomparatoren Al, B 2 und 53, 84 erzeugten Hierzu 9 Blatt Zeichnungen
unerwünschten Impulse unterdrückt

rungen ergibt eine direkt wirkende Kompensation von Netzschwankungen in Form einer Störgrößenaufschaltung ohne Reglereingriff.

Durch einen weiteren Operationsverstärker Dv 2 wird ein langsames Hochlaufen der Ausgangsspannung nach dem Einschaltbefehl erzeugt indem er seine abgegebene Spannung mit dem Maximalwert beginnend langsam verringert und damit eine abnehmende Regel-

Claims (7)

1 2 den Ansprüche, daß die Zündwinkelsteuerung nach Patentanüprüche: dem Einschallten der Thyristor-Regeleinrichtung unter Verwendung einer Hilfsspannung so beeinflußt

1. Regeleinrichtung für eine mehrphasige Strom- ist, daß die Ausgangsspannung verzögert auf ihren richterschaltung mit Thyristoren mit einer in jeder 5 Nennwert ansteigt

Phase wirksamen Zündwinkelsteuerung, bei der der 8. Regeleinrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge-Zündwinkel der Zündimipulse für die Thyristoren kennzeichnet, daß als Hilfsspannung die zeitlich abvon der Regelabweichung: der Ausgangsspannung nehmende Ausgangsspannung eines Operationsverdurch Vergleich der verstärkten Regelabweichung stärkers (DV2) verwendet wird, welche auf die mit einer periodischen Sägezahnspannung für alle 10 Zündwinkelsteuerung wie eine Regelabweichung Phasen bestimmt wird und bei der eine Verschie- einwirkt
bung der Phasenlage der Sägezahnspannung bis zu
Vt, der Periode der Wechselspannung bezogen auf
einen Nulldurchgang der Wechselspannung am Eingang der Stromrichterschaltung in Abhängigkeit 15 Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung von der verstärkten Regelabweichung erfolgt da- für eine mehrphasige Stromrichterschaltung mit Thyridurch gekennzeichnet, daß die Sägezahn- stören mit einer in jeder Phase wirksamen Zündwinkelspannung (SS) mit Ausnahme ihrer Phasenlage starr steuerung, bei der der Zündwinkel der Zündimpulse für an die 6fache Netzfrequenz gekoppelt ist, daß die die Thyristoren von der Regelabweichung der AusVerschiebung ihrer Phasenlage bei konstanter Pe- 20 gangsspannung durch Vergleich der verstärkten Regelriodendauer durch Vergleich der verstärkten Regel- abweichung mit einer periodischen Sägezahnspannung abweichung mit einer auf die Eingangswechselspan- für alle Phasen bestimmt wird und bei der eine Verschienung synchronisierten Hillfs-Sägezahnspannung (PS) bung der Phasenlage der Sägezahnspannung bis zu V₆ erfolgt und daß Mittel zur Auswahl des richtigen von der Periode der Wechselspannung bezogen auf einen jeweils zwei der in jeden Zündbereich fallenden 25 Nulldurchgang der Wechselspannung am Eingang der Zündimpulse vorgesehen sind. Stromrichterschaltung in Abhängigkeit von der ver-

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- stärkten Re3elabweichung erfolgt.

kennzeichnet, daß beim Vergleich der Hilfs-Säge- Eine derartige Schaltung ist aus der deutschen Pazahnspannung (PS) mit der verstärkten Regelabwei- tentschrift 2010046 bekannt. Bei dieser Regeleinrichchung (Ur i) eine im Tastgrad variable Pulsfolge 30 tung wird die Sägezahnfrequenz in einem freischwin- (KP) mit '/* der Periode der Wechselspannung er- genden Oszillator mit ungefähr der sechsfachen Netzzeugt wird, deren zeitlich verschiebbare Anstiegs- frequenz erzeugt Wegen der fehlenden Synchronisaflanken die abfallende Planke der Sägezahnspan- tion der Sägezahnfrequenz mit der Netzfrequenz entnung(SS)bestimmt. steht auf Grund der Differenzfrequenz eine Zündzeit-

3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da- 35 punktverschiebung, die periodisch korrigiert werden durch gekennzeichnet, daß Schaltmittel zur Bildung muß. Außerdem ist der Abgleich von Unsymmetrien bei einer unteren und einer oberen Trittgrenze (uTG, der Regelumsetzung in den drei Phasen erschwert.
oTG) vorgesehen sind, die unterhalb der Regelbe- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch reichsgrenze die Erzeugung der Zündimpulse (KZ) Verbesserung der Rcgcleigenschaften die dynamische und oberhalb der Regelbereichsgrenze die Erzeu- 40 Konstanz von Thyristor-Regelgeräten anzuheben und gung des Sägezahns sicherstellen. den Abgleichaufwand für die mehrphasige Regelanord-

4. Regeleinrichtung nach einem der vorhergehen- nung zu verringern. Gemäß der Erfindung wird diese den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufgabe dadurch gelöst, daß die Sägezahnspannung mit Vermeidung von Fehl-Züridimpulsen während des Ausnahme ihrer Phasenlage starr an die 6fache Netzfre-Aufbaues interner Versorgungsspannungen beim 45 quenz gekoppelt ist, daß die Verschiebung ihrer Phasen-Anschalten der Netzeingangsspannung eine Verzö- lage bei konstanter Periodendauer durch Vergleich der gerungsschaltung vorgesehen ist, mittels der die Er- verstärkten Regelabweichung mit einer auf die Einzeugung von Zündimpulseri erst nach einer vorgege- gangswechselspannung synchronisierten Hilfs-Sägebenen Zeit freigegeben ist zahnspannung erfolgt und daß Mittel zur Auswahl des

5. Regeleinrichtung nach einem der vorhergehen- 50 richtigen von jeweils zwei der in jeden Zündbereich den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die fallenden Zündimpulse vorgesehen sind.

durch den Vergleich der Regelabweichung (Ur₂) mit Die Erfindung und weitere Einzelheiten der Erfinder Sägezahnspannung (SS) gebildeten Ansteuerim- dung werden anhand der F i g. 1 näher erläutert. Es zeigt pulse (KS, K') mittels einer Impulsverteilerschaltung Fig. 1 den prinzipiellen Schaltungsaufbau eines (Iv) und eines Zündverstärkers (Zv) in Zündimpulse 55 Drehstrom-Thyristor-Regelgerätes als Blockschaltbild, (KZ) mit der richtigen Zuordnung zu den Thyristo- Fi g. 2 die Synchronisierschaltung mit der internen ren (Th 1 ... ΤΛ6) der Thyristor-Regeleinrichtung Spannungsversorgung,
umgesetzt werden. F i g. 3 den Regelumsetzer,

6. Regeleinrichtung nach einem der vorhergehen- F i g. 4 den Impulsverteiler,

den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bo Fig. 5 den Zündimpulsverstärker,

Auswahl des zeitrichtigen Zündimpulses (KZ) aus Fig. 6den Strom-und Spannungsregler,

jeweils zwei der in jedem Ziindbereich fallenden Fig. 7 das aktive Filter,

Zündinipulse durch eine weitere Pulfsfolgc (Qi. F i g. 8 das Pulsdiagramm des Regelumsetzers.

Q 2) mit '/i der Periodendauer der Wechselspan- F i g. 9 das Pulsdiagramm des Impulsverteilers.

nung erfolgt, deren Phasenlage in Abhängigkeit von b^r> Das Drehstrom-Thyristor-Regclgeräi nach F i g. I bc-

der Regelabweichung (Uk i) so gesteuert ist, daß ihre steht aus einer Regelstrecke mit sechs in Brückcnschal-

Impulse immer nur einen ZUndimpuls überdecken. tung angeordneten Stellthyristoren 777 1 bis 77)6 mit

7. Regeleinrichtung nach einem der vorhergehen- einem iuisgangsseitig angeordneten I .('-Glied Cl und