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Unterdrückung einer kritischen Rückwirkungsfrequenz eines
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Uber einen Gleichstromsteller gespeisten Wechselrichters Die Erfindung
betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Unterdrücken einer kritischen Frequenz
in den RUckwirkungen auf die Speisespannung eines mit sich ändernder Ausgangsfrequenz
betriebenen p-pulsigen Wechselrichterms mit einem Gleichstromsteller im Eingangskreis.
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Wird bei einem mit eingeprägten Eingangsgleichstron betriebenen Wechselrichter
der Eingangsgleichstrom über einen Gleichstromsteller gesteuert, so treten zwischen
der Frequenz, mit der die Ventile des Wechselrichters gezUndet werden, und der Zündfrequenz
der Stellerventile Schwebungen auf, die auf das speisende Netz rückwirken.
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Derartige Rückwirkungen können in bestimmten Frequenzbereichen bei
anderen an das speisende Netz angeschlossenen Anlagen Störungen hervorrufen. Ähnliche
Rückwirkungen können auch bei Wechselrichtern mit eingeprägter Eingangsgleichspannung
auftreten.
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Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung sind Bahnen, deren
Wechselatromantriebe von einem mit einem Gleichstromsteller im Eingangskreis Wrchselrichter
gespeist werden.
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Zur Steuerung des Verkehrsflusses auf den Gleisstrecken werden von
einer Steuerzentrale die einzelnen Gleisabschnitte abgefragt, ob sich auf ihnen
Fahrzeuge befinden.
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Dazu wird eine 50-Hz-Spannung zwischen die Fahrschienen eingespeist.
Befindet sich auf dem Streckenabschnitt ein Fahrzeug, so ist über dessen Fahrgestell
die eingespeiste Wechselspannung kurzgeschlossen, worauf ein entsprechender Detektor,
z B. ein Gleisrelais, anspricht. Schwebungen zwischen der Stellerfrequenz und der
Wechselrichterfrequenz im Antriebssysten des Fahrzeuges können nun dazu führen,
daß zwischen den an sich über die Räder des Fahrzeuges kurzgeschlossenen Fahrschienen
Rückwirkungen auftreten, deren 50-Hz-Anteile vom Detektor so empfangen werden, als
würde sich kein Fahrzeug im Streckenabschnitt befinden.
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Um derartige Rückwirkungen zu unterdrücken, könnte ein entsprechendes
auf 50 Hz ausgelegtes Filter im Eingangskreis vorgesehen werden. Dazu würden Jedoch
große Netzdrosseln und Netzkondensatoren benötigt, wodurch der Antrieb schwer und
teuer wUrde und außerdem z.B. in U-Bahn-Triebwägen nicht ohne Vergrößerung des Bauvolumens
unterzubringen wäre.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, derartige kritische Frequenzen
in den Netzrückwirkungen in Anlagen zu unterdrtoken, die einen Wechselrichter und
einen vorgeschalteten Gleichstrossteller enthalten.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Zündfrequenz
der Stellervintile in Abhängigkeit von der Wechselrichterausgangsfrequenz so gesteuert
wird, daß die Differenzfrequenz zwischen der p-fachen Wechselrichterausgangsfrequenz
und der Stellerfrequenz sich stets um
mindestens einen votgegebenen
Frequenzabstand von der kritischen Frequenz untersheidet.
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So kann vorteilhaft der Steller mit einer ersten konstanten Frequenz
betrieben werden, solang sich die Differenz zwischen dieser konstanten Frequenz
und der p-fachen Wechselrichterausgangsfrequenz um mindestens den vorgegebenen Frequenzabstand
von der kritischen Frequenz unterscheidet.
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Wenn Jedoch die Differenzfrequenz (Schtebungsfrequenz) den vorgegebenen
Frequenzabstand unterschreitet, d.h. in die Nähe der kritischen Frequenz kommt,
wird der Steller mit einer anderen Frequenz, vorteilhaft einer zweiten konstanten
Frequenz* betrieben.
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Die Aussteuerung der Stellerventile wird in der Regel von einem Stromregler
vorgegeben. Vorteilhaft werden bei den gemäß der Erfindung vorgesehenen Änderungen
der Stellerfrequenz die Stellerventile unabhängig von der Stellerfrequenzänderung
ausgesteuert. So soll insbesondere der durch diese Stromregelung vorgegebene Aussteuerungsgrad
der Stellerventile beibehalten werden.
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Anhand zweier Ausführungsbeiapiele und dreier Figuren sind das Verfahren
nach der Erfindung sowie eine vorteilhafte Vorrichtung zu dessen Durchführung näher
erläutert.
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In Figur 1 ist mit 1 der p-pulsige Wechselrichter, z.B.
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eine 6-pulsige Brückenschaltung von Thyristoren, bezeichnet, dessen
Eingangskreis ein Gleichstrom eingeprägt wird. Dazu ist einem Wechselrichtereingang
eine Drossel 2 vorgeschaltet und Drossel und Wechselrichter über eine Freilaufdiode
3 überbrückt. Die Gleichatromeinspeisung wird gesteuert über einen Cleichstromsteller
4. Dieser Eingangskreis ist im bevorzugten Fall, das die Erfindung bei elektrischen
Triebtahrzeugen verwendet wird (in diesem Fall speist der Ausgang 5 des Wechselrichters
1 einen
elektrischen Wechseistromantrieb 6, z.B. eine Asynchronmaschine),
über einen Stromabnehmer 7 mit einer Gleichstromschiene 8 verbunden, während der
andere Gleichspannungspol 9 z.B. Uber die Räder des Triebfahrzeuges mit den Schienen
(Massepol) verbunden sein kann Die Gleichstromstellerventile werden durch periodische
Impulse des Steuersatzes 10 gezündet und gelöscht. Dieser Steuersatz 10 bekommt
seine Frequenz von einem Frequenzwandler 11, z.3. einem spannungsgesteuerten Oszillator,
dessen Frequenz fst durch eine Frequenzsteuerspannung U(fst) vorgegeben wird. Bezüglich
den Ausgangsimpulsen des Frequenzwandlers 11 können die ZUnd- oder Löschinpulse
der Gleichstromventile durch eine dem Steuersatz 10 vorgebbare Steuerspannung Ust
in ihrer Phasenlage verändert werden, um z.B. die Stärke des eingeprägten Stromes
I über einen Regelkreis (Regler 12) zu regeln. Unter der Stellerfrequenz fst ist
dabei die Frequenz zu verstehen, mit der ein Stellerventil, z.B. ein Hauptventil
oder ein für die Löschung eines Hauptventiles vorgesehenes Löschventil, gezündet
wird.
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Zur Zündung der Wechseirichterventile werden einem Impulsverteiler
13 die Taktimpulse (Frequenz p.fwr) eines Frequenzwandlers 14 eingegeben, der die
Impulse zyklisch auf die p Ventile des p-pulsigen Wechselrichters verteilt.
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Der Ausgangsstrom hat dann an Jedem Drehstromausgang des Wechselrichters
die Ausgangsfrequenz fwr. Auch der Frequenzwandler 14 kann als spannungsgesteuerter
Oszillator aufgebaut sein, wobei die Oszillatorfrequenz fwr über eine entsprechende
Steuerspannung U(fwr) vorgegeben wird. Durch die Wechselrichter-Zündungen entstehen
Oberschwingungen der Frequenz p fwr, die sich den vom Steller hervorgerufenen Oberschwingungen
fst im einspeisenden Netz Uberlagern. Zwischen diesen Oberfrequenzen treten ferner
Schwebungen auf.
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Ans speisende Netz oder wenigstens an den Massepol 9 können nun weitere
elektrische Geräte angeschlossen sein, z.B. ein eingangs erwähntes Signalrelais,
die auf einen Wechselstromanteil der kritischen Frequenz fkr eupfindlich sind. Daher
muß diese kritische Frequenz fkr zuverlässig ausgefiltert werden. Wäre hierzu allein
ein im Eingangskreis liegendes LC-Filter vorgesehen, so würde dieses Filter sehr
groß zu dimensionieren sein. Gemäß der Erfindung ist dem Frequenzsteuereingang 15
der Ventilzündsteuerung 10, 11 eine Frequenzsteuereinrichtung 20 für die Frequenz
fst des Gleichstromstellers vorgesehen, der eine der Wechselrichterfrequenz fwr
entsprechende Größe aufgeschaltet ist. Als eine derartige Größe kann das Ausgangssignal
eines an die Maschine 6 angeschlossenen Tachogenerotors oder eines anderen die Wechselrichter-Istfrequenz
erfassenden Meßgliedes vorgesehen sein, es kann aber auch vorteilhaft die Steuergröße
U(fwr) für den Impulsgenerator 14, d.h. praktisch der Sollwert für die Wechselrichterfrequenz,
verwendet werden.
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Die Frequenzeteuerschaltung verstellt die am Eingang 15 de Stellerimpulsgenerators
11 anliegende Führungsspannung {Ur die Stellerfrequenz so, daß bei vorgegebener
Wechselrichterfrequenz fwr die Differenzfrequenz #p#fwr-fst# sich deutlich von der
kritischen Frequenz fkr unterscheidet.
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Unter Berücksichtigung eines Sicherheits-Frequenzabstandes # fkr läßt
sich als Bedingung für das Auftreten störender Rückwirkungen fkr - #fkr =#pfwr-fst#
= fkr + # fkr angeben.
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Zur Uberwachung dieser Bedingung konnte z.B. die Eingangsspannung
U(fst) für den Stellerimpulsgenerator 11 stetig mit der entsprechenden Steuerspannung
U(fwr) entsprechend U<fst)= U(fwr)+#U zu verändern, wobei die durch die Zusatz
spannung AU bedingte Stellerfrequenzerhöhung tist mindestens 2. #fkr beträgt. Vorteilhafter
ist es Jedoch,
durch Vorgabe einer von der Wechselrichterfrequenz
unabhängigen Eingangsspannung U (fst°) einen Sollwert fst° für die Stellerfrequenz
vorzugeben (Eingang 22) und lediglich zu überwachen, ob die dabei entstehende Schwebungsfrequenz
#p#fwr-fst°# innerhalb des kritischen Frequenzbereiches fkr + #fkr fällt. Ist dieses
der Fall, so muß dann nur die Stellerfrequenz um den Betrag 2 # #fkr verstellt werden.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, den Sollwert fst° zunächst konstant
vorzugeben, Figur 2 zeigt, daß dann z.B. für fsto = 250 Hz zwei symmetrisch um die
Werte fst° + fkr liegende kritische Bereiche entstehen. Für fkr = 50 Hz und #fkr
= 20 Hz ergeben sich hiermit für p#fwr die kritischen Bereiche zu 180 bis 220 und
280 bis 320 Hz. Es genügt also, die Wechseirichterfrequenz fwr daraufhin zu überwachen,
ob sie in diese kritischen Bereiche fällt. Dies kann nach Figur 1 durch den Frequenzdiskriminator
23 geschehen, der nur dann eine Größe #U abgibt, wenn die Wechselrichterfrequenz
in diesen kritischen Bereichen liegt. Wird für diese Uberwachung die Führungispannung
U (fwr) für den Wechselrichter-Impulsgenerator 14 verwendet, so wird diese Führungsspannung
also einen 2-Fenster-Spannungsdiskriminator zugeführt, der nur dann ein Signal bU
abgibt, wenn diese Spannung U(fwr) in den Fenater U (p.fwr-180 Hz) bis U (p#fwr=220
Hz) oder in dem zweiten Fenster U (p#fwr=280 Hz) bis U (p#fwr=320 Hz) liegt. In
Figur 2 d ist das Ausgangssignal AU in Abhängigkeit von der Eingangsgröße U (fwr)
dieses Diskriminators dargestellt. Das Ausgangssignal dU wird an Eingang 15 dem
Stellerfrequenzsollwert positiv aufgeschaltet und bewirkt, daß die Stellerfrequenz
von den konstanten Wert fst° auf den konstanten Wert fst¹ = fst° + #fst mit #fst
# 2 # #fkr verstellt wird.
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Figur 2 zeigt die Änderung der Stellerfrequenz bei einem linearen
Hochfehren der Wechselrichterfrequenz fwr.
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Der Steuersatz 10 für die StellerventilzUndungen enthält üblicherweise
einen Sägezahngenerator, der von den Taktimpulsen des Stellerimpulsgenerators 11
angestoßen wird, wobei die Phase der Zuridinpulse für die Haupt- oder Löschventile
bezüglich dieser Stellerimpulse aus den Schnittpunkten der Sägezahnspannung mit
einer von Regelkreis 12 gelieferten Steuerspannung Ust bestimmt wird. Der Sägezahn
wird üblicherweise durch Integration eines konstanten Stromes erzeugt, wobei der
Integrator durch die Generatorimpulse Jeweils zurückgesetzt wird. Eine Veränderung
der Iapulsfrequenz bewirkt dann, daß bei gleicher Steigung der Säge zähne die Amplitude
herabgesetzt wird. Dadurch verändert sich bei gleichbleibender Steuerspannung Ust
die relative Lage der Schnittpunkte von Sägezahn und Steuerspannung innerhalb Jeder
Sägezahnperiode. D.h. in diesem Fall bewirkt eine Verstellung der Stellerfrequenz
gleichzeitig eine Verstellung der Ventilaussteuerungen. Dadurch wird die Steuerung
des dem Wechseirichter einzuprägenden Stromes gestört.
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Daher wird die Ausgangsgröße # #U der Frequenzateuerschaltung nicht
nur dem Frequenzateuereingang für die Stellerventile, sondern auch der Ventilsteuerung
aufgeschaltet. Um die vom Regelkreis vorzugebende Aussteuerung konstant zu halten,
kann die Steuersparmung entsprechend der Frequenzänderung nachgeführt werden. Dies
bedingt Jedoch Eingriffe in die Regelstrecke des Reglers 12. Es ist daher vorteilhafter,
die von Regler 12 vorgegebene Steuerspannung Ust unverändert zu lassen und bei einer
Änderung der Stellerfrequenz lediglich die Steigung des Sägezahns so zu verändern,
daß die Sägezahaamplitude konstant bleibt. Dies kann dadurch geschehen, da8 das
Ausgangssignal au des Diskriminators 23 an einen eigenen, die Sägezahnateigung bestimmenden
Eingang gelegt wird, wobei durch Multiplikation mit einer Konstanten (Multiplikator
24) sichergestellt ist, daß bei der zum Ausgangssignal #U proportionalen Verstellung
der
Sägerzahnsteigung die Sägezahnamplitude tatsächlich konstant
bleibt.
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Wie die Erprobung zeigt, ist es auf diese Weise ohne großen Aufwand
an Filtergliedern möglich, die 50-Hz-Rückwirkungen auf das speisende Netz so gering
zu halten, daß eine auf diese Frequenz ansprechende Signaleinrichtung dadurch nicht
gestört wird.
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Als 6-pulsiger Wechselrichter kann auch eine Schaltung verwendet werden,
bei der für Jede Ausgangsklemme eine Brückenschaltung aus Gleichstromstellern verwendet
wird.
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Es ist dann möglich, dem Wechselrichter eine Eingangsgleichspannung
einzuprägen und die Gleichstromsteller pulsbreitenmoduliert so zu betreiben, daß
an Jeder Ausgangsklemne ein sinusähnlicher Ausgangsstrom der Grundfrequenz fwr entsteht.
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Figur 3 zeigt eine derartige Anordnung für einen Pulswechselrichter
mit eingeprägtem Strom, wobei gleiche Bezugizeichen die gleichen Bauteile wie in
Figur 1 bedeuten.
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Die Grundfrequenz fwr des Wechselrichter-Ausgangsstromes wird dabei
z.B. durch einen Regelkreis fUr die Motordrehzahl vorgegeben und einer den Zündverteiler
13 ersetzenden Zündsteuereinrichtung 13' eingegeben, der auch Führungsgrößen für
die Wechselrichter-Ausgangsamplitude eingegeben werden können und die die ZUnd-
und Löschimpulse für die Wechselrichterventile erzeugt. Die erfindungsgenäßte Steuerung
der Stellerfrequenz in Abhängigkeit von der Wechselrichter-Ausgangsfrequenz erfolgt
hier wie in dem zuvor angegebenen Beispiel. Das Verfahren und die Vorrichtung nach
der Erfindung kann auch in Verbindung mit höherpulsigen Wechaelrichtern durchgeführt
werden.