DE2945145C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verminderung des Steuerblindleistungsbedarfs eines einen Wechselstromverbraucher mit freiem Sternpunkt oder mit Dreieckswicklung speisenden Direktum­ richters gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein derartiges Verfahren ist aus der "Siemens-Zeitschrift" 51 (1977) Heft 5, Sei­ ten 416 bis 422 bekannt.

Insbesondere eignet sich der Direktumrichter in Verbindung mit einer Wechselstrommaschine für einen getriebelosen Antrieb für hohe Lei­ stungen und niedrige Drehzahlen. Der Direktumrichter besteht aus je einem gegenparallel arbeitenden Umkehrstromrichter für jede Phase des Netzes. In einem 3-Phasennetz erfolgt die Speisung der 3 Umkehr­ stromrichter durch einen Transformator, der drei Sekundärwicklungen enthält. Die Ausgänge der drei Umkehrstromrichter sind in Sternschal­ tung miteinander verbunden und bilden für den Antrieb eine niederfre­ quente dreiphasige Spannungsquelle. Wirkungsweise, Eigenschaften und die Steuerung des Direktumrichters für einen getriebelosen Antrieb sind aus der o. a. Literaturstelle bekannt. Während des Anfahrens des Antriebes wird der Direktumrichter so gesteuert, daß seine Ausgangs­ spannung sinusförmig ist. Im Bereich der Vollaussteuerung arbeitet der Umrichter im Trapezbetrieb, bei dem seine Ausgangsspannung über 2mal 60°el konstant bleibt und sich in den Übergangsbereichen so ändert, daß die verketteten Spannungen sinusförmig verlaufen. Neben der besseren Ausnutzung des Umrichters wird im Trapezbetrieb der Blindleistungsbedarf herabgesetzt. Dagegen ist in dem Bereich, in dem der Umrichter nicht vollausgesteuert wird, also bei kleineren Dreh­ zahlen, der Blindleistungsbedarf unbeeinflußt.

Durch die AT-PS 2 32 134 ist eine Steueranordnung für Umrichter be­ kannt, durch die die Ausgangsspannungen des Umrichters gegenüber einer Ansteuerung mit rein-sinusförmigen Steuergrößen angehoben werden kann. Zu diesem Zweck werden einer sinusförmigen Steuerspannung harmonische Oberwellen zugesetzt, so daß sich eine abgeplattete Kurvenform für die Steuergrößen ergibt. Dies wiederum führt zu dem schon zuvor er­ wähnten trapezförmigen Verlauf der Ausgangsspannung des Umrichters bei maximaler Ausgangsspannung. Eine Verminderung des Steuerblindleistungs­ bedarfs des Umrichters, insbesondere in Stellbereichen einer nicht maximalen Ausgangsspannung, ist nicht angestrebt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verminderung des Steuer­ blindleistungsbedarfs eines Direktumrichters im gesamten Aussteuerbe­ reich mit den weiteren Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspru­ ches 1 anzugeben.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens ist in den Patentan­ sprüchen 2 und 3 angegeben.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß der hohe Steuerblindleistungsbedarf bei niedrigen Ausgangsspannungen des Direkt­ umrichters vermieden wird und daß im übrigen Aussteuerbereich der Blindleistungsbedarf geringer ist als bei der Trapezaussteuerung. Ein­ zig bei Vollaussteuerung des Direktumrichters stimmt der Blindlei­ stungsbedarf bei Anwendung des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens mit dem bei Trapezansteuerung überein.

Die Erfindung wird nun anhand eines in den Fig. 1, 3, 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Fig. 2 zeigt die zeitlichen Verläufe der Ausgangs­ spannungen der Einzel-Umkehrstromrichter, des Steuer­ winkels und der Blindleistung eines Einzel-Umkehrstrom­ richters, die nicht nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden.

In der Fig. 1 ist die Schaltung eines dreiphasigen Direktumrichters angegeben. Für jede Phase ist ein Einzel- Umkehrstromrichter 1, 2, 3 vorgesehen, der jeweils zwei antiparallele Drehstrombrückenschaltungen Ia, Ib, IIa, IIb, IIIa, IIIb enthält. Die antiparallelen Drehstrom­ brückenschaltungen sind eingangsseitig mit je einer in Stern geschalteten Sekundärwicklung 11, 12, 13 eines Stromrichtertransformators verbunden. Jeder Einzel-Um­ kehrstromrichter 1, 2, 3 besitzt zwei Ausgänge, von denen jeweils einer in einem Sternpunkt (Punkt 0) zusammenge­ schaltet ist. Die anderen Ausgänge führen zu einer in Stern geschalteten dreiphasigen Wicklung 4 einer Wechsel­ strommaschine. Die Ausgangsspannungen der Einzel-Umkehr­ stromrichter sind mit U ₁₀, U ₂₀, U ₃₀, die verketteten Spannungen mit U ₁₂, U ₂₃, U ₃₁ bezeichnet.

Die Einzel-Umkehrstromrichter 1, 2, 3 werden nach dem Stand der Technik zunächst nur so gesteuert, daß ihre Ausgangsspannungen U ₁₀, U ₂₀, U ₃₀ sinusförmig verlaufen. Sie sind in Fig. 2a, b, c, unter Vernachlässigung der stromrichterspezifischen Oberschwingungen dargestellt. Für den Anlauf der Wechselstrommaschine, also bei niedrigen Drehzahlen, werden kleine Ausgangswechsel­ spannungen des Direktumrichters gefordert. Die Wechsel­ spannung entsteht dadurch, daß der Steuerwinkel α kon­ tinuierlich verändert wird. Die Amplitude der Wechsel­ spannung wird durch die Größe des Steuerwinkels α be­ einflußt. Der zeitliche Verlauf des Steuerwinkels α, für den Einzel-Umkehrstromrichter 1 ist in Fig. 2d, die Steuerblindleistung Q _A des Einzel-Umkehrstromrichters 1 in Fig. 2e für den Fall, daß der Lastwinkel der ange­ schlossenen Maschine gleich 0 ist, dargestellt. Die zeit­ lichen Verläufe der Steuerblindleistungen der anderen Einzel-Umkehrstromrichter 2 und 3 sind jeweils um 120° ver­ schoben. Durch Addition der Steuerblindleistungen der Einzel-Umkehrstromrichter 1, 2, 3 erhält man die Steuer­ blindleistung des Direktumrichters, deren zeitlicher Ver­ lauf in Fig. 2e mit Kurve Q _G dargestellt ist.

Die Fig. 2f zeigt den sinusförmigen Verlauf der ver­ ketteten Ausgangsspannung U ₁₂.

Werden die Einzel-Umkehrstromrichter 1, 2, 3 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gesteuert, haben ihre Aus­ gangsphasenspannungen U ₁₀, U ₂₀, U ₃₀ die in der Fig. 3a, b, c dargestellten nicht sinusförmigen Verläufe. Diese entstehen dadurch, daß jeder der sinusförmigen Ausgangs­ phasenspannungen nach den Fig. 2a, b, c eine ver­ änderliche Zusatzspannung U ₀ hinzugefügt wird. Ihr zeit­ licher Verlauf ist in Fig. 3d dargestellt. Die Frequenz der Zusatzspannung U ₀ entspricht der mit der Phasenzahl multiplizierten Ausgangsfrequenz des Direktumrichters. Ihre Amplitude ist so groß, daß jeweils einer der Einzel- Umkehrstromrichter 1, 2, 3 vollausgesteuert ist. Die Vollaussteuerung jeweils eines Einzel-Umkehrstromrichters wechselt zyklisch mit der Ausgangsfrequenz des Direkt­ umrichters zwischen den Einzel-Umkehrstromrichtern 1, 2, 3. In den Fig. 3e, f, g, sind die Verläufe der Steuer­ winkel α jeweils von einem der Einzel-Umkehrstromrich­ ter 1, 2, 3 dargestellt. Während der Zeitabschnitte t ₁, bis t ₂ und t ₄ bis t ₅ ist der Einzel-Umkehrstromrichter 1, während der Zeitabschnitte t ₀ bis t ₁ und t ₃ bis t ₄ der Einzel-Umkehrstromrichter 2 und während der Zeitabschnitte t ₂ bis t ₃ und t ₅ bis t ₆ der Einzel-Umkehrstromrichter 3 vollausgesteuert. Obwohl jede der Ausgangsphasenspannungen U ₁₀, U ₂₀, U ₃₀ einen nicht sinusförmigen Verlauf hat, sind deren verkettete Spannungen U ₁₂, U ₂₃, U ₃₁ sinusförmig. In Fig. 3h ist die verkettete Spannung U ₁₂ dargestellt.

Während des Zeitabschnittes in dem jeder Einzel-Umkehrstrom­ richter 1, 2, 3 vollausgesteuert ist (α = 0°), ist dessen Steuerblindleistung Null. Der zeitliche Verlauf der Steuer­ blindleistungen Q _A , Q _B , Q _C eines jeden Einzel-Umkehrstrom­ richters ist in den Fig. 3j, k, l dargestellt. Im Ver­ gleich dazu ist der Kurvenverlauf der Steuerblindleistung des Einzel-Umkehrstromrichters 1 nach Bild 2e zu sehen, wenn er ohne das erfindungsgemäße Verfahren betrieben wird. Danach ist ohne Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens während der Zeitabschnitte t ₁ bis t ₂ und t ₄ bis t ₅ in Fig. 2e die Steuerblindleistung des Einzel-Umkehrstrom­ richters 1 am größten, bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens während der gleichen Zeitabschnitte jedoch Null (Bild 3j).

Für die anderen Einzel-Umkehrstromrichter 2 und 3 gilt während anderer Zeitabschnitte das Entsprechende. Durch Addition der Steuerblindleistungen der Einzel-Umkehrstrom­ richter 1, 2, 3 erhält man wieder die Steuerblindleistung des Direktumrichters, deren zeitlicher Verlauf strich­ punktiert in Fig. 3l dargestellt ist. Aus dem Vergleich dieser Kurve mit der Kurve Q _G in Fig. 2e wird die Verminde­ rung des Steuerblindleistungsbedarfs eines Direktumrich­ ters bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens deut­ lich.

Eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens ist in Fig. 4 dargestellt, wobei lineare Übertragungscharakte­ ristiken der Einzel-Umkehrstromrichter abgenommen werden.

Mit a, b, c sind Eingangsklemmen der Anordnung bezeichnet, die je mit einem Eingang eines Frequenzverdreifachers 4, einer Schaltung zur Bestimmung des Maximalwertes dreier Funktionen 5, einer Schaltung zur Bestimmung des Minimal­ wertes dreier Funktionen 6 und mit je einem Summierpunkt 7, 8, 9 verbunden sind. Der Ausgang der Schaltung zur Be­ stimmung des Maximalwertes dreier Funktionen 5 führt über einen Punkt 10 zu einem Eingang eines Umschalters 11. An den Ausgang der Schaltung zur Bestimmung des Minimalwer­ tes dreier Funktionen 6 ist über einen Punkt 12 ein weite­ rer Eingang des Umschalters 11 angeschlossen. Der Ausgang des Frequenzverdreifachers 4 ist mit einem Steuereingang des Umschalters 11 verbunden. An die Summierpunkte 7, 8, 9 ist außerdem der Ausgang des Umschalters 11 angeschlossen.

Sie stellen gleichzeitig drei Ausgänge der Anordnung zur Durchführung des Verfahrens dar.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: An jede der Eingangsklemmen a, b, c wird je eine sinusförmige Steuer­ spannung angelegt, die jeweils um 120° phasenverschoben sind. Sie sind in Fig. 5 dargestellt und mit V ₁, V ₂, V ₃ bezeichnet. Von dem Baustein 5 wird aus den sinusförmigen Steuerspannungen jeweils die ausgewählt, die am größten ist. Im Punkt 10 wird dieser Wert von einer konstanten am Ausgang maximal zulässigen Steuerspannung V* _max subtra­ hiert und die Differenz auf den Eingang des Umschalters 11 gegeben.

Von dem Baustein 6 wird aus den sinusförmigen Steuerspan­ nungen jeweils die ausgewählt, die am kleinsten ist. Im Punkt 12 wird dieser Wert von negativen Wert der am Aus­ gang maximal zulässigen Steuerspannung -V* _max subtrahiert und die Differenz auf den weiteren Eingang des Umschalters 11 gegeben. Der Umschalter 11 wird von den Ausgangssi­ gnalen des Frequenzverdreifachers 4 gesteuert. Damit wer­ den die an den beiden Eingängen des Umschalters 11 vor­ handenen Spannungen mit der dreifachen Frequenz der sinus­ förmigen Steuerspannungen V ₁, V ₂, V ₃ abwechselnd auf den Ausgang des Umschalters 11 durchgeschaltet. Dessen Aus­ gangsspannung ist mit V ₀ bezeichnet und in Fig. 5 dar­ gestellt. In den Summierpunkten 7, 8, 9 wird die Aus­ gangsspannung V ₀ des Umschalters 11 als Zusatzsteuerspan­ nung zu den sinusförmigen Steuerspannungen V ₁, V ₂, V ₃ addiert, so daß sich drei nichtsinusförmige Steuerspannungen V ₁*, ₂*, V ₃* ergeben, mit denen die Einzel-Umkehrstrom­ richter 1, 2, 3 angesteuert werden. Die Phasenlage der Zusatzsteuerspannung V ₀ des Umschalters 11 zu den sinus­ förmigen Steuerspannungen V ₁, V ₂, V ₃ wird dabei so ausge­ wählt, daß die Zusatzsteuerspannungen V ₀ jeweils den­ jenigen Einzel-Umkehrstromrichter 1, 2, 3 je nach Betriebs­ art des Direktumrichters in volle Gleich- oder Wechsel­ richter Aussteuerung bringt, der ohne Einsatz des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens der Vollaussteuerung am nächsten ist. Da für die Stromrichter lineare Übertragungscharakte­ ristiken angenommen wurden, erhält man nichtsinusförmige Ausgangsphasenspannungen U ₁₀, Z ₂₀, U ₃₀ der Einzel-Umkehr­ stromrichter 1, 2, 3 wie sie in der Fig. 3a, b, c dar­ gestellt sind. Für die verketteten Ausgangsspannungen U ₁₂, U ₂₃, U ₃₁ und die Ströme des Direktumrichters bleibt jedoch die Sinusform erhalten.

Claims (3)

1. Verfahren zur Verminderung des Steuerblindleistungsbedarfs eines einen Wechselstromverbraucher mit freiem Sternpunkt oder mit Dreiecks­ wicklung speisenden Direktumrichters, dessen Einzel-Umkehrstromrichter ausgangsseitig sternförmig verbunden sind, für den gesamten Ausgangs­ spannungs-Stellbereich, bei dem für die gewünschte Ausgangsspannung der Steuerwinkel für die Zündung der Thyristoren des Umrichters perio­ disch mit der Ausgangsfrequenz verschoben wird, wobei bei maximal mög­ licher Ausgangswechselspannung so gesteuert wird, daß diese Spannung einen trapezförmigen Verlauf mit bereichsweiser Vollaussteuerung (Steuerwinkel α = 0) der anzusteuernden Thyristoren annimmt, während die verketteten Spannungen sinusförmig bleiben, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden der um 120° versetzt ar­ beitenden Umkehrstromrichter (1, 2, 3) innerhalb einer Periode der ge­ wünschten Ausgangsspannungen (U ₁₀, U ₂₀, U ₃₀) während zweier 60°el betragender Intervalle, die um 180°el voneinander versetzt sind, die sinusförmigen Steuerspannungen (V ₁, V ₂, V ₃) durch eine, in allen drei Strängen gleiche Zusatzspannung (U _o ) so verändert werden, daß unabhängig von der Höhe der Ausgangswechselspannung im gesamten Stell­ bereich in jedem 60°-Intervall jeweils der Umkehrstromrichter eines Stranges mit Vollaussteuerung betrieben wird, die verketteten Span­ nungen aber ebenfalls sinsuförmig bleiben.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus dem positiven Maximalwert mehrerer sinusförmiger Steuerspannungen (V ₁, V ₂, V ₃) und einer maximal zulässigen kon­ stanten Steuerspannung (V* _max ) gebildete Differenz und eine aus dem negativen Maximalwert der sinusförmigen Steuerspannungen (V ₁, V ₂, V ₃) und dem negativen Wert der maximal zulässigen Steuerspan­ nung (-V* _max ) gebildete Differenz je einem Eingang eines Umschal­ ters (11) zugeführt werden, der die beiden Differenzen mit der dreifachen Frequenz der sinusförmigen Steuerspannungen zu Sum­ mierpunkten (7, 8, 9) durchschaltet, die dort mit den sinusförmi­ gen Steuerspannungen (V ₁, V ₂, V ₃) addiert werden, so daß an deren Ausgängen nichtsinusförmige Steuerspannungen (V ₁*, V ₂*, V ₃*) zur Steuerung der Einzel-Umkehrstromrichter (1, 2, 3) entstehen.

3. Anordnung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenlage der Zusatzsteuerspannung V ₀ des Umschalters (11) zu den sinusförmigen Steuerspannungen (V ₁, V ₂, V ₃) so gewählt wird, daß die Zusatzsteuerspannungen V ₀ jeweils denjenigen Einzel-Umkehr­ stromrichter (1, 2, 3) je nach Betriebsart des Direktumrichters in volle Gleich- oder Wechselrichter-Aussteuerung bringt, der ohne Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens der Vollaussteue­ rung am nächsten ist.