-
-
Verfahren und Vorrichtung zum Umschalten eines Direkt-
-
umrichters mit vorgegebener AusgznR swechselspannunl; Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zum Ansteuern der Umschaltung von antiparallelen Drehstrombrücken
eines Direktumrichters, dem eine Ausgangswechselspannung durch Steuerung oder Regelung
vorgegeben wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
-
Ubliche Direktumrichter enthalten für jeden Ausgang eine Drehstrombrücke,
bei der durch Ansteuerung der Brückenventile aus den Eingangsphasenspannungen geeignete
Bereiche ausgeschnitten werden, die am Brückenausgang zur gessinschten Ausgangsspannung
zusammengesetzt werden. Für die Umkehrung der Stromflußrichtung ist für jeden Ausgang
eine antiparallele Drehstrombrücke erforderlich, die von einer Kommandostufe umgeschaltet
werden muß, um beim Nulldurchgang des Iststromes durch Umschaltung der Zündimpulse
von der einen Drehstrombrücke auf die dazu antiparallele Drehstrombrücke die Umkehrung
der Stromrichtung zu ermöglichen. Ublicherweise wird der Direktumrichter so gesteuert
oder geregelt, daß ihm der gewünschte Laststrom in Frequenz und Amplitude vorgegeben
wird. Die Umschaltung erfolgt dann mit den Nulldurchgängen der Stromsollkurve und
die Ausgangs spannung stellt sich entsprechend der vorgegebenen Last frei ein.
-
In vielen Fällen wäre es jedoch vorteilhafter, die Ausgangswechselspannung
auf eine Sollkurve mit vorgegebener Frequenz, Amplitude und z.B. sinusförmigem oder
trapezförmigem Verlauf zu steuern oder zu regeln. Dieser Spannungssollkurve kann
eine Stromsollkurve zugeordnet werden, die den Stromverlauf für den hypothetischen
Fall angibt, daß sich der Strom vollkommen frei einstellen
kann
ohne Beschränkung auf die Stromdurchlaßrichtung der gerade gezündeten Brückenventile.
Die Nulldurchgänge dieser Stromsollkurve sind gegenüber den Nulldurchgängen der
vorgegebenen Ausgangswechselspannung um einen Winkel ("Soll-Lastwinkel") phasenverschoben,
wobei sich der Lastwinkel entsprechend der aktuellen Last verändert. Bei optimaler
Steuerung des Ausgangs stromes muß daher der Zeitpunkt für die Umschaltung der Drehstrombrücken
entsprechend verändert werden. Andernfalls treten innerhalb jeder Halbwelle des
Ausgangsstromes Zustände auf, in denen eine angesteuerte Drehstrombrücke wegen der
Vorzeichenumkehr des Stromes nicht stromführend ist und der Wechselrichterausgang
daher keinen Strom abgibt. Dies ist verbunden mit einem deutlichen Ansteigen des
Oberwellengehaltes, insbesondere der Oberschwingung mit der dritten Umrichterausgangsfrequenz.
Die zur jeweils vorgegebenen Ausgangsspannung gehörende Sollkurve ist jedoch unbekannt
und der oben definierte Soll-Lastwinkel ist meßtechnisch nicht direkt erfaßbar.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Direktumrichter,
dessen Ausgangswechselspannung durch Regelung oder Steuerung vorgegeben wird, die
Umschaltvorrichtung (Kommandostufe) der Direktumrichterzündsteuerung bei wechselender
Last so anzusteuern, daß die Umschaltzeitpunkte mit den Nulldurchgängen der Stromsollkurve
zusammenfallen. Die Umschaltzeitpunkte können in ihrer Phasenlage bezüglich der
Ausgangswechselspannung als "Umschaltwinkel" vorgegeben werden; zur Veränderung
der Umschaltzeitpunkte sollen die Umschaltwinkel entsprechend einer elektrischen
Größe verschoben werden, die im wesentlichen aus ungeglätteten Meßwerten des aktuellen
Stromes gebildet wird.
-
Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, daß im angestrebten Betriebszustand
(Umschaltwinkel = Soll-Last-
winkel) der Umschaltzeitpunkt mit dem
im folgenden als 'rLastwinkel" bezeichneten Nulidurchgang der Grundschwingung des
Iststromverlaufes zusammenfällt und sich i..
-
allen anderen Betriebszuständen Oberschwingungen ausbilden, die zu
einer Unsymmetrie im Stromverlauf führen.
-
Um den Umschaltwinkel auf den (unbekannten) Soll-Lastwinkel einzuregeln,
könnte demnach als Regelabweichung die Differenz zwischen dem soeben definierten
Lastwinkel und dem Umschaltwinkel benutzt werden, jedoch ist auch die Grundschwingung
des Iststromverlaufes und deren Nulldurchgang (d.h. dieser "Lastwinkel") meßtechnisch
nicht direkt erfaßbar. Anstelle der Regelabweichung zwischen Umschaltwinkel und
Lastwinkel (bzw. Soll-Lastwinkel) wird daher bei der Erfindung eine andere elektrische
Größe gebildet.
-
Dies geschieht, indem der Strom zu ausgewählten Zeitpunkten innerhalb
einer Halbperiode gemessen wird. Die gemessenen Stromistwerte weichen in charakteristischer
Weise von den Stromwerten ab, die sich bei symmetrischem Kurvenverlauf aber sonst
gleichen Bedingungen (Umschaltzeitpunkt, Frequenz, Effektivwert) ergeben. Aus den
Stromistwerten wird eine Größe gebildet, -die ein Maß für die Unsymmetrie des Stromverlaufes
darstellt und der Differenz zwischen dem jeweiligen Umschaltwinkel und dem Lastwinkel
entspricht. Diese Größe (!1UnsymmetriegröBe") kann dazu verwendet werden, um den
Umschaltwinkel dem unbekannten Soll-Lastwinkel nachzuführen. Die Ausgangsstrom-Orundschwingung
bzw. der Lastwinkel selbst wird dabei nicht benötigt. Insbesondere wird die Ausgangsstrom-Grundschwin
gung nicht durch Glättung des Iststromverlaufes über mehrere Halbperioden ermittelt.
Eine derartige Glättung würde - abgesehen von der unerwünschten Trägheit - ihrerseits
eine Phasenverschiebung bewirken, so daß zwischen dem geglätteten Stromverlauf und
der Ausgangsspannung keine frequenzunabhängige Phasenbeziehung mehr besteht.
-
Vielmehr wird höchstens eine gewisse Glättung der Oberschwingungen
durchgeführt, indem als Iststromwerte Meßwerte verwendet werden, die durch Mittelung
(z.B. Integration) über Teilintervalle innerhalb einer Halbperiode der Stromschwingung
gebildet werden.
-
Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird demnach gemäß der Erfindung
der Umschaltwinkel X (d.h. der auf die Phasenlage der Ausgangswechselspannung bezogene
Umschaltzeitpunkt der Drehstrombrücken) dem Lastwinkel B* (d.h. der Phasenverschiebung
zwischen den Nulldurchgängen der Ausgangswechselspannung und der Ausgangsstrom-Grundschwingung)
nachgeführt. Hierzu wird die Unsymmetrie, die mit wachsender Differenz zwischen
Lastwinkel und Umschaltwinkel wächst, erfaßt. (Unter Unsymx1etrie wird dabei verstanden,
daß zu zwei bezüglich eines Symmetriezeitpunktes symmetrischen Zeitpunkten die Stromistwerte
betragsmäßig nicht übereinstimmen, wobei als Synemetriezeitpunkt ein Umschaltzeitpunkt
bzw. der eine Viertelperiode spätere zeitliche Mittelpunkt zwischen zwei Umschaltzeitpunkten
gewählt wird.) Die Erfassung der Unsymmetrie geschieht, indem wenigstens der durch
einen Umrichterausgang fließende Ausgangsstrom erfaßt und aus den erfaßten Stromistwerten
eine mit minimal werdender Unsymmetrie sich entsprechend ändernde elektrische Größe
(Unsymmetriegröße) gebildet wird. Der Umschaltwinkel wird in Abhängigkeit von der
Unsymmetriegröße verändert bis die Unsymmetrie minimal wird.
-
Vorteilhaft werden die Stromistwerte durch Integration des Ausgangsstromes
während bestimmter Stromerfassungsintervalle gebildet, die kleiner als die Halbperiode
der Ausgangswechselspannung sind. Die zeitliche Lage für diese Intervalle wird jeweils
aus dem vorausgegangenen Umschaltzeitpunkt und der Periode der Ausgangswechselspannung
bestimmt. Hierbei kann man auf verschiedene Weise
ausnutzen, daß
bei verzögerter Umschaltung (Lastwinkel Umschaltwinkel) der Ausgangs strom innerhalb
jeder Halbschwingung zunächst stärker ansteigt und gegen Ende der Halbperiode auf
den Wert Null absinkt, da der Iststrom sein Vorzeichen wechselt, bevor auf die antiparallele
Drehstrombrücke umgeschaltet wird.
-
Bei einem Direktumrichter mit Drehstromausgang und symmetrischer Last
ist im Idealfall (Lastwinkel = Umschaltwinkel) der in einem Umrichterausgang fließende
Strom zu einem Zeitpunkt, der gegenüber dem Umschaltzeitpunkt um +600 el verschoben
ist, betragsmäßig gleich dem Strom in dem gegenüber diesem Phasenausgang um 1200
el nacheilenden Umrichterausgang zum gleichen Zeitpunkt. Bei verzögerter Umschaltung
ist aber der zum 600 el entsprechenden Zeitpunkt gemessene Strom in der einen Phase
größer und in der anderen Phase geringer. Die Differenz der beiden Stromwerte zeigt
somit an, daß der Umschaltwinkel dem Lastwinkel nicht entspricht, und kann zum Nachführen
des Umschaltwinkels verwendet werden.
-
Man kann sich auch mit der Erfassung des Stromes in einem einzigen
Phasenausgang des Direktumrichters begnügen. Dabei kann ausgenutzt werden, daß im
Idealfall (symmeçrischer Verlauf) Stromwerte gleich sind, die zu Zeitpunkten gemessen
werden, die gegenüber dem letzten Umschaltzeitpunkt um 900 -LT und 900 +AT verschoben
sind. Auch hier tritt bei Abweichungen des Umschaltwinkels vom Lastwinkel eine dieser
Abweichung entsprechende Differenz der gemessenen Stromwerte auf.
-
Daher werden vorteilhaft die Stromerfassungsintervalle so gelegt,
daß sie symmetrisch zum Symmetriepunkt, d.h. zu einem Umschaltpunkt oder einem um
eine Viertelperiode der Ausgangswechselspannung späteren Bezugszeitpunkt, liegen.
-
Das Verfahren kann als eine Umschaltwinkel-Regelung aufgefaßt werden,
bei der die Unsymmetriegröße anstelle der Regelabweichung verwendet wird, da die
Unsymmetriegröße ungefähr proportional der Abweichung zwischen Umschaltwinkel und
Lastwinkel ist. Sie hängt aber in den meisten Fällen auch noch von der Amplitude
des sich entsprechend der Last einstellenden Ausgangsstromes ab, d.h. die Regelverstärkung
ist lastabhängig. Dies wird vermieden, wenn die erfaßten Strom-Istwerte jeweils
durch die Amplitude des Ausgangsstromes dividiert werden.
-
Die Stromkurve ist auch im Idealfall (Lastwinkel = Umschaltwinkel)
wegen der durch die Betriebsbedingungen hervorgerufenen Oberwellen nicht völlig
symmetrisch.
-
Z.B. erzeugen p-pulsige Drehstrombrücken Oberwellen der p-fachen Umrichtereingangsfrequenz.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist daher die Lange jedes Stromerfassungsintervalles
so gewählt, daß Stromoberschwingungen der p-fachen Umrichter-Eingangsfrequenz weitgehend
ausgemittelt sind. Insbesondere beträgt die Intervallänge etwa den p-ten Teil einer
Eingacgsfrequenzperiode. Als Stromistwert wird dann der Mittelwert des innerhalb
dieses Zeitintervalls gemessenen Stromes erfaßt.
-
Zur Durchführung des Verfahrens wird eine Vorrichtung vorgeschlagen,
die eine Stromerfassungseinrichtung für den Istwert des Umrichter-Ausgangsstromes,
eine Zeitsteuerschaltung zur Ansteuerung der Stromerfassungseinrichtung und eine
Auswerteschaltung enthält. Die Zeitsteuerschaltung legt die Zeiterfassungsintervalle
fest, indem sie den Zeitabstand, mit dem die Intervalle auf den zur vorangegangenen
Umschaltung führenden Ansteuerbefehl folgen, aus der vorgegebenen Ausgangsfrequenz
vorgibt und die Dauer der Intervalle festlegt. In diesen Intervallen wird die Stromerfassung
freigegeben, die
mittels einer entsprechenden Schaltung aus den
erfaßten Stromistwerten eine der csymmetrie des zeitlichen Verlaufes des Ausgangsstromes
entsprechende elektrische Größe (Unsymmetriegröße) ermittelt. Die Auswerteschaltung
ihrerseits bildet einen Auslosebefehl für die Umschalteinrichtung, wobei dle Phasenlage
des Auslösebefehls bezüglich der Ausgangswechselspannung entsprechend der Unsymmetriegröße
veränderlich ist. Vorteilhaft enthält die Stromerfassungseinrichtung einen Integrator
für die Stromistwerte. Dabei kann dem Integrator ein Dividierer vor- oder nachgeschaltet
sein, dem als Dividend der Stromistwert bzw. die Ausgangsgröße des Integrators und
als Divisor die Amplitude des Ausgangsstromes aufgeschaltet ist.
-
Vorteilhaft wird die Stromerfassung zu zwei symmetrisch um einen Umschaltzeitpunkt
oder um einen eine Viertelperiode späteren Zeitpunl;"L liegenden Intervallen freigegeben.
Die Beträge der Stromistwerte während dieser Intervalle werden mit entgegengesetzten
Vorzeichen integriert.
-
Bevorzugt werden die Auslösebefehle am Ausgang eines Grenzwertmelders
abgegriffen. Der Phasenbezug zur Ausgangswechselspannung wird dadurch erreicht,
daß der Auswerte schaltung eine Referenzwechselgröße mit der Frequenz der Ausgangsspannung
zugefUhrt ist. Die Referenzwechselgröße kann zusammen mit der Unsymmetriegröße dem
Eingang des Grenzwertmelders aufgeschaltet sein; die Eingangsgröße des Grenzwertmelders
kann aber auch auf andere Weise mittels der Unsymmetriegröße aus der Referenzwechselgröße
abgeleitet sein. Vorteilhaft werden insbesondere zwei gleichfrequente, gegeneinander
phasenverschobene Referenzwechselgrößen durch gewichtete Addition zur Grenzwertmelder-Eingangsgröße
zusammengesetzt, wobei die Gewichte durch die Unsymmetriegröße bestimmt sind.
-
Besonders vorteilhaft ist die Unsymmetriegröße einem Integrator aufgeschaltet,
der dann als integraler Regelverstärker für die erfindungsgemäße Umschaltwinkelregelung
wirkt. In diesem Fall ist die Referenzwechselspannung bevorzugt phasenfest zur Ausgangswechselspannung,
insbesondere kann direkt die Sollspannung für die Ausgangswechselspannung selbst
verwendet werden.
-
Ein besonderer Vorzug des Verfahrens ist es, daß es leicht mittels
einer digitalisierten Vorrichtung durchführbar ist. So kann z.B. in der Auswerteschaltung
mittels eines geeigneten Bauelementes, z.B. eines Frequenzumsetzers, eine der Stellgröße
proportionale Anzahl von Zählimpulsen erzeugt und als Integrator ein digitaler Vorwärts-Rückwärtszähler
verwendet werden.
-
Anhand von zwei Ausführungsbeispielen und 11 Figuren wird die Erfindung
näher erläutert.
-
Figur 1 zeigt einen an ein dreiphasiges Netz N angeschlossenen Direktumrichter
mit einem einphasigen, eine ohmischinduktive Last 1 speisenden Ausgang 2, der aus
einer in positiver Richtung des Ausgangsstromes I arbeitenden Drehstrombrücke 3
und einer dazu antiparallelen Drehstrombrücke 4 besteht. Dem Direktumrichter 3,
4 wird eine Ausgangsspannung vorgegeben. Dies kann z.B. dadurch geschehen, daß entsprechende
Steuerspannungen U* und Uf für Amplitude und Frequenz der Sollspannung sowie (am
Phasenausgang 2 abgegriffene) Spannungsistwerte einer Regeleinrichtung 5 eingegeben
werden, die daraus die Steuerspannung für die Zündsteuerung der Ventile bildet.
Die Zündsteuerung 6 selbst enthält neben dem Steuersatz für die Umrichterventile
eine Kommandostufe, die entsprechend vorgegebenen Auslösebefehlen Ub jeweils die
Zündimpulse für die eine Umrichterbrücke freigibt und die andere Umrichterbrücke
sperrt.
-
Die Auslösebefehle LTb werden gemäß der Erfindung in einer Vorrichtung
7 gebildet, die eine Stromerfassungseinrichtung 8, eine Auswerteschaltung 9 und
eine Zeitsteuerung 10 enthält. Die Zeitsteuerschaltung gibt die Erfassung der Stromistwerte
durch die Stromerfassungseinrichtung während der Stromerfassungsintervalle frei,
wobei die Stromerfassungsintervalle jeweils um aus der vorgegebenen Ausgangsfrequenz
ermittelte Zeitabstände auf die vorangegangene Umschaltung folgen.
-
Für die Bildung der Unsymmetriegröße wird ausgenützt, daß im angestrebten
Zustand der Nulldurchgang des Ausgangsstromes I mit einem Umschaltzeitpunkt t+ zusammenfällt
und der Kurvenverlauf des Ausgangs stromes (abgesehen von der den Umrichterbetrieb
hervorgerufenen Oberwelligkeit) die Symmetrie eigenschaften I (t+- #T) - I (t+ +aT)
=O bzw.
-
I (t++ Tf/4 - a T) + I (t+ + Tf/4 + gr) = O zeigt, wobei Tf die Periode
der Ausgangsspannung und T der Zeitabstand zwIschen dem Symmetriepunkt t + bzw.
-
t + + Tf/4 und zwei symmetrisch dazu liegenden Stromerfassungszeitpunkten
ist. Als Unsymmetriegröße kann also die Differenz DF zweier unterschiedlicher Strommeßwerte
gebildet werden. Entsprechend wird die Stromerfassungs einrichtung über die Zeitsteuerschaltung
zu den dazugehörigen Meßzeiten freigegeben (z.B. über Schalter); die Meßwerte werden
gespeichert und noch vor dem jeweils nächsten Umschaltbefehl wird die Differenz
DF dieser Meßwerte in die Auswerteschaltung 9 eingegeben.
-
Man erhält ein integrales Regelverfahren, wenn die Meßwerte bzw. die
daraus gebildete Unsymmetriegröße einem Integrator aufgeschaltet werden, der in
der Stromerfassungseinrichtung oder der Auswerteschaltung an geordnet sein kann.
Werden die Strommeßwerte jeweils mit dem der
verwendeten Symmetrleeigenschaft
entsprechenden Vorzeichen einem Integrator in der Stromerfassungseinrichtung eingegeben,
so kann einerseits als Strommeßwert jeweils der Mittelwert über ein Stromerfassungsintervall
gebildet werden, andererseits kann im Integrator gleichzeitig die Speicherung und
Differenzbildung vorgenommen werden.
-
Die Auswerteschaltung 9 bildet den Auslösebefehl Ub an einem Grenzwertmelder,
dem im einfachsten Fall die Unsymmetriegröße DF bzw. deren Integral als Bezugsspannung
und eine mit der Ausgangswechselspannung U* synchrone Referenzwechselspannung vorgegeben
ist. Dadurch werden die Phasenlagen der Auslösebefehle bezüglich der Ausgangswechselspannung
entsprechend der Unsymmetriegröße verstellt. Weitere Ausführungen für die Stromerfassungs
einrichtung und die Auswerteschaltung sind anhand der Figuren 5 bis 11 erläutert.
-
Figur 2 zeigt die Verhältnisse für optimale Ansteuerung der Kommandostufe
(phasengerechtes Umschalten der Drehstrombrücken). Dem Direktumrichter kann die
angestrebte Ausgangs spannung durch eine entsprechende Referenzkurve U* mit der
Frequenz f (Kreisfrequenz X oder Periode Tf) vorgegeben werden. Der 6-pulsige Direktumrichter
liefert dann, bedingt durch seinen Betrieb, eine entsprechende, mit der 6-fachen
Eingangsfrequenz modulierte Ausgangsspannung U (Figur 2a). Entsprechend der Last
stellt sich der Ausgangsstrom I ein (Fig. 2b), bei dem die Nulldurchgänge der Grundschwingung
Io gegenüber den Nulldurchgängen der Soll spannung skurve U* bzw. der geglätteten
Ausgangsspannungskurve um den Lastwinkel * verschoben sind. Figur 2c zeigt den entsprechenden
Umschaltbefehl Ub.
-
Der in Figur 2b gezeigte praktisch symmetrische Kurvenverlauf stellt
sich jedoch nur ein, wenn der Umschaltwinkel > (die Zeitpunkte t + bzw. t für
die Umschaltung auf Stromführung der Brücken 3 bzw. 4) so gesteuert ist,
daß
gilt > = *. Weder >* noch Io sind jedoch einer direkten Messung . , zugänglich.
-
Die Verhältnisse nach Figur 3 ergeben sich, wenn Lastwinkel und Umschaltwinkel
nicht übereinstimmen. Die Ausgangsspannung U wird wieder so gesteuert, daß ihr geglätteter
Verlauf der eingegebenen Sollkurve U* entspricht.
-
Der sich einstellende Verlauf des Ausgangs stromes I besitzt eine
Grundschwingung Io, deren Nulldurchgang bezüglich dem Nulldurchgang der Spannung
U* den Winkel )ç* aufweist. Nach Figur 3 erfolgt die Umschaltung zu den Zeitpunkten
t+ und t d.h. mit dem Umschaltwinkel X = * + X. Die entsprechend der Stromflußrichtung
für die Grundschwingung Io des Ausgangsstromes gepolte Umrichterbrücke wird zu spät
gezündet und bleibt während des Intervalles bt vor jedem Umschaltzeitpunkt tf bzw.
-
t noch gesperrt. Der Ausgangsstrom, der sich entsprechend dem durch
die Spannungsregelung eingestellten Spannungsverlauf ausbildet, verteilt sich daher
bei jeder Halbperiode in der in Figur 3b angegebenen Weise auf die verbleibende
Stromführungszeit Tf/2 - At. Gegenüber dem sich bei phasenrichtiger Wahl des Umschaltwinkels
ergebenden symmetrischen Kurvenverlauf, wie er in Figur 2 gezeigt ist, ergibt sich
dabei eine starke Unsymmetrie, die im Hervortreten der dritten Oberschwingung zur
Ausgangsfrequenz bemerkbar ist.
-
Gemäß der Erfindung wird von dieser Unsymmetrie Gebrauch gemacht.
Zur Bildung der Unsymmetriegröße wird nicht der gesamte Kurvenverlauf I herangezogen,
sondern nur Stromwerte, die innerhalb von Zeitintervallen liegen, die kleiner als
die Halbperiode der Ausgangswechselspannung sind. Die Lage der Zeitpunkte für die
Stromerfassung wird da-bei entsprechend der angestrebten Symmetrie gewählt.
-
Figur 4 zeigt Beispiele hierzu. Wie man dieser Figur 4 entnehmen kann,
ist - wenn von Verfälschungen durch die
Oberschwingungen abgesehen
wird - zu den Zeitpunkten ti und t2 der gemessene Strom Ii und I2 beim dargestellten
symmetrischen Kurvenverlauf ( # =#*) gleichgroß, falls die Zeitpunkte t1 und t2
jeweils um die gleiche Zeit AT gegenüber dem zeitlichen Mittelpunkt (t+ + t )/2
zwischen zwei Umschaltungen versetzt sind. Ebenso ist der zum Zeitpunkt t3 gemessene
Strom I3 entgegengesetzt gleich dem Strom I2, falls die Zeitpunkte t2 und t3 symmetrisch
um einen Umschaltpunkt t liegen. Falls jedoch B>k* gewählt ist, ist (Ii 1 I2)>
O bzw. (12 + I3) <O. Für X4t kehren sich die Vorzeichen um. Diese Differenz kann
daher direkt als ein Maß für die Abweichung des Umschaltwinkels vom Lastwinkel verwendet
werden, um den Umschaltwinkel X dem Lastwinkel W* nachzuführen.
-
Um Verfälschungen durch die Oberschwingungen, insbesondere Oberschwingungen
mit der p-fachen Eingangsfrequenz des p-pulsigen Direktumrichters zu vermeiden,
wird der Ausgangsstrom I jeweils während symmetrisch um die Zeitpunkte t1, t2 bzw.
t3 liegende Zeitintervallen ATo integriert, wobei ATo etwa der Periodendauer der
p-fachen Eingangsfrequenz entspricht.
-
Figur 5a zeigt das Prinzip einer Stromerfassungseinrichtung zur Durchführung
eines derartigen Verfahrens, wobei der Symmetriepunkt um eine Viertelperiode gegenüber
der letzten Umschaltung versetzt ist. Der am Meßwandler 20 erfaßte Ausgangsstrom
wird bei der ersten Stromerfassung ggf. nach Verstärkung mittels eines Verstärkers
21 über einen Schalter 22 direkt und bei der nächsten Stromerfassung mit umgekehrtem
Vorzeichen (Umkehrverstärker 24) über einen Schalter 23 auf den Eingang eines Integrators
25 gegeben. Dieser Integrator 25 kann durch entsprechende Rücksetzbefehle |Kurzschlußschalter
26) rückgesetzt werden. Die Schalter 22, 23, 26 sind die meiste Zeit geöffnet. Lediglich
während einem symmetrisch um ti liegenden
Intervall konstanter
Dauer ATo wird der Schalter 22 und in einem symmetrisch um den Zeitpunkt t2 liegenden,
gleich langen Intervall der Schalter 23 geschlossen. Das Ausgangssignal Uint des
Integrators 25 ist in Figur 5b dargestellt. Bei geschlossenem Schalter 22 (Intervall
tl + To/2) steigt Uint auf einen Wert an, der dem Mittelwert Ii des bei geschlossenem
Schalter 22 fließenden Stromes entspricht. Entsprechend sinkt Uint bei geschlossenem
Schalter 23 (Zeitpunkt t2 + To/2) wieder um einen dem entsprechenden Mittelwert
12 entsprechenden Wert, so daß nach dem Öffnen des Schalters 23 eine Spannung ansteht,
die der Differenz DF = I1 - I2 entspricht. Diese Differenz DF steht nun als Unsymmetriegröße
während des Intervalles zu T1 am Integratorausgang an und kann in dieser Zeit für
das Nachführen des Umschaltwinkels von der Auswerteschaltung aufgenommen und verwertet
werden. Anschließend wird der Schalter 26 kurzfristig geschlossen und dadurch der
Integrator 25 zurückgesetzt, um bei der nächsten Ausgangsstrom-Halbperiode wieder
zur Integration des Ausgangs stromes zur Verfügung zu stehen.
-
Die Unsymmetriegröße DF verschwindet zwar für X =; *, ist jedoch von
der Amplitude Imax des Ausgangsstromes abhängig.
-
Es ist daher vorteilhaft, die Strommeßwerte mittels Division durch
den Imax zu normieren. Hierzu ist ein Dividierer 27 vorgesehen, der dem Integrator
vor- oder nachgeschaltet ist.
-
Wie bereits oben erwähnt wurde, kann anstelle der Zeitpunkte tl und
t2 auch zu den Zeitpunkten t2 und t3 eine Stromerfassung stattfinden. In diesem
Fall besitzen die Mittelwerte 12 und 13 bereits umgekehrtes Vorzeichen, so daß die
Verwendung eines Umkehrverstärkers bei der Schaltung nach Figur 5a entfällt.
-
Das Verfahren nach. der Erfindung wird anhand von Figur 6 noch näher
erläutert. Im linken Teil der Figur 6a ist der Fall dargestellt, daß die Umschaltung
der Umrichterbrücken zu Umschaltwinkeln>X* erfolgt. Der Nulldurchgang der Soll-Ausgangsspannung
U* liege bei ? = o. Die zu den Zeitintervallen um t1 und t2 gemessenen Strommittelwerte
sind durch die entsprechenden Stromzeitflächen I1 und I2 dargestellt. Wie man sieht,
ist in diesem Fall DF = I1-I2 >0-.
-
Entsprechend wird nun der Zeitpunkt t für die nächste Umschaltung
nicht nach einer Halbperiode Tf/2 der Ausgangsfrequenz vorgenommen, sondern sie
wird proportional zu DF um den Winkel Xvorverlegt, d.h. die Phasendifferenz zwischen
X und * wird verkleinert. Für den Fall, daß dadurch bereits der Betriebszustand
N,=* erreicht wird, ergibt sich die im rechten Teil dargestellte symmetrische Kurve,
für die gilt I'1 = I'2, wobei die Zeitpunkte t'1 und t'2 nunmehr symmetrisch zu
einem gegenüber dem letzten Umschaltzeitpunkt t um die halbe Ausgangsperiode Tf
verschobenen Bezugszeitpunkt gewählt sind.
-
Die Verschiebung des Umschaltwinkels kann dadurch geschehen, daß die
Stromerfassungs-Ausgangsgröße DF einer Referenzwechselgröße, deren Frequenz der
vorgegebenen Ausgangsfrequenz entspricht, aufgeschaltet wird und eine dabei gebildete
Spannung einem Grenzwertmelder als Stellglied zugeführt wird. Mit dem Ausgangssignal
des Grenzwertmelders kann direkt die Umschaltung der Drehstrombrücken erfolgen.
Da DF proportional der Regelabweichung - * ist, kann die Ansteuerung der Umschaltung
sowie gleichzeitig auch der Schalter 22, 23, 26 vorteilhaft nach dem Prinzip eines
Integralreglers erfolgen. Dies sei mit Figur 6b und einer Analogschaltung nach Figur
7 erläutert.
-
Aus den Schnittpunkten einer Wechselspannung Ug mit vorgegebenen Bezugsspannungen
Uo, U1, U2 werden die Zeit-
punkte für die Umschaltung und die
Betätigung der Schalter gewonnen werden. Die Wechselspannung kann in einem Generator
erzeugt werden, der jeweils mit den Umschaltzeitpunkten angestoßen wird.
-
Mit 30 ist in Figur 7 die bereits in Figur 5a dargestellte Stromerfassungseinrichtung
bezeichnet, deren Schalter 22 und 23 jeweils zu den um die Zeitpunkte t1, t2, t1',
t2' liegenden Stromerfassungsintervallen geschlossen werden sollen. Zur Auswertung
der Stromerfassungs-Ausgangsgröße DF wird das Ausgangssignal des Integrators 25
für eine vorgegebene Zeit tT1 mittels eines Schalters 31 und ggf. mit einem Spannung-Strom-Verstärker
31' auf den Eingang eines Integrators 32 gegeben. Dieser Integrator 32 wird - im
Gegensatz zum Integrator 25 - nicht rückgesetzt und wirkt demnach wie der Regelverstärker
eines integrierenden Regelkreises. Sein Ausgang ist einem Grenzwertmelder 33 zugeführt.
-
Zum Nachstellen des Umschaltwinkels wird am Grenzwertmeldereingang
noch die Aufschaltung einer Referenzwechselgröße +i const, nämlich eines alternierenden
Gleichstrom konstanten Betrages vorgenommen. Dadurch entsteht eine Dreiecksspannung
Ug, deren Nulldurchgänge (durch die DF-Aufschaltung bedingt) mit den Umschaltzeitpunkten
t+ und t zusammenfallen. Die Amplitude UTf dieser Dreiecksspannung ist proportional
der Periode und umgekehrt proportional der Steuerspannung Uf für die vorgegebene
Frequenz. Für die zur Bildung der Dreiecksspannung fuhrende Integration von - i-
const kann der Regelintegrator 32 selbst verwendet werden. So kann i const durch
alternierendes Schließen über einen Schalter 34 direkt und über einen Schalter 35
mit entgegengesetztem Vorzeichen (Umkehrverstärker 36) zusätzlich zu DF am Eingang
des Integrators 32 aufgeschaltet werden. Das alternierende Öffnen und Schließen
der Schalter 34 und 35 geschieht, so-
bald die Ausgangs spannung
des Integrators 32 die vorgegebene Amplitude UTf bzw. -UTf erreicht. Dazu dient
ein die Ausgangs spannung des Integrators 32 abgreifender Gleichrichter 37, dessen
Ausgang zusammen mit der Spannung UTf einem Grenzwertmelder 38 zugeführt wird. Mittels
einer Flipp-Flopp-Schaltung 39 werden die Schalter 34 und 35 alternierend geschlossen,
sobald iUgi = UTf ist.
-
Wird nun, wie in Figur 6 ersichtlich ist, nach Öffnen des Schalters
22, d.h. zum Zeitpunkt t2 + ATo/2, der Schalter 31 für eine vorgegebene Zeit bT1
geschlossen, so bewirkt der vom Stromverstärker 31' gelieferte, zu DF proportionale
Strom, daß das vom Regelintegrator 32 gelieferte Ausgangssignal nunmehr gegenüber
der anfänglichen Dreieckekurve um ein Zeitintervall tt, das seinerzeit proportional
zu DF ist, verschoben wird. Wird dem Grenzwertmelder 33 die Bezugs spannung U =
0 vorgegeben und mit dem Ausgangssignal Ub dieses Grenzwertmelders die Umschaltung
der Brücken vorgenommen, so wird dadurch der Umschaltwinkel X um den zu At gehörenden
Winkel zu verschoben.
-
Zur Betätigung der Schalter 22, 23 und 25 der Stromerfassungseinrichtung
30 ist die Zeitsteuerschaltung 4C vorgesehen. Das vom Gleichrichter 37 kommende
Signal wird einem Grenzwertmelder 41 zugeführt, der ein Zeitglied 42 anstößt, sobald
Ug auf den vorgegebenen Wert U1 angewachsen ist.
-
Das Zeitglied 42 gibt für die Dauer STo einen Impuls zum Schließen
des Schalters 22 und somit zur Bildung des Stromwertes 11. Ferner wird mit dem Ausgang
des Gleichrichters 37 ein weiterer Grenzwertmelder 43 beaufschlagt. Sobald die abnehmende
Flanke von Ug den vorgegebenen Bezugswert U2 unterschreitet, wird ein Zeitglied
44 angestoßen, das für die gleiche Zeitdauer ATo den Schalter 23 schließt und somit
zur Erfassung des Stromwertes I2 dient.
-
Ferner wird vom Grenzwertmelder 41 ein Zeitglied 45 angestoßen, sobald
Ug mit seiner absteigenden Flanke den Grenzwert U1 wieder unterschreitet. Dadurch
wird für die Zeit bT1 der Schalter 31 geöffnet. Nach Rückkippen des Zeitgliedes
45 wird vorübergehend auch der Schalter 26 geschlossen und somit der Integrator
25 auf Null zurückgesetzt.
-
Die in Figur 7 dargestellte Analogschaltung dient als Beispiel zur
Veranschaulichung des Verfahrens. Vorteilhaft kann eine entsprechende Schaltung
auch digital aufgebaut werden. So kann die Zeiteteuerschaltung 40 z.B.
-
aus einem Impulsgenerator fester Frequenz und einem rücksetzbaren
Zähler bestehen, wobei der Zähler jeweils bei einem der Ausgangsfrequenz entsprechenden
Zählerstand rückgesetzt wird. An die Stelle der Schnittpunkte von Ug mit Uo, Ul,
U2 kann dabei eine Vorgabe entsprechender Zählersollwerte und eine Abfrage des Zählerstandes
treten.
-
Anhand der weiteren Figuren soll eine vorteilhafte digitalisierte
Ausführungsform der Erfindung für den Fall eines Direktumrichters mit dreiphasigem
Ausgang beschrieben werden.
-
Gemäß Figur 8 ist an das Drehstromnetz N ein Direktumrichter mit den
drei Phasenausgängen R, S, T angeschlossen, der als Verbraucher eine Asynchronmaschine
50 speist.
-
Auf jeden Phasenausgang R, S, T des Direktumrichters arbeitet je eine
Drehstrombrücke 51 R, 51 S, 51 T und eine dazu antiparallele Drehstrombrücke 52
R, 52 S, 52 T. Mittels dreier jeweils um 1200 gegeneinander versetzter Referenzspannungskurven
UR*, US*, Tut+, die einer Regeleinrichtung 53 zugeführt werden, wird jedem Phasenausgang
eine entsprechende Ausgangswechselspannung vorgegeben.
-
Der Regeleinrichtung 53 ist ein Steuersatz 54 zur An-
steuerung
der Direktumrichterventile nachgeschaltet. Der Steuersatz 54 enthält eine Kommandostufe,
die jeweils bei Umkehrung der Stromführungsrichtung in den entsprechenden Phasenausgängen
von einer Drehstrombrücke auf die dazu antiparallele Drehstrombrücke umschaltet.
-
Zur Ansteuerung der Kommando stufe wird der Strom in Ausgang R mittels
einer Stromerfassungseinrichtung 55 erfaßt, wie sie im Zusammenhang mit Figur 5
bereits beschrieben wurde. Gegen Ende jeder Stromhalbschwingung steht am Ausgang
56 der Stromerfassungseinrichtung eine Spannung an, die der Differenz zweier zu
verschiedenen Zeiten innerhalb der Stromhalbschwingung erfaßten Strommittelwerte
entspricht. Zur weiteren Verarbeitung dieser Ausgangsspannung dient eine Auswerteschaltung,
die über einen Schalter 57, einen Gleichrichter 58 und einen Verstärker 59 die gleichgerichtete
und zweckentsprechend verstärkte Ausgangs spannung der Stromerfassungseinrichtung
auf einen Spannungs-Frequenz-Umsetzer 60 gibt. Wird daher der Schalter 57 vor Jeder
Umschaltung für eine festgelegte Dauer geschlossen, so erzeugt der Frequenzumsetzer
Spannungsimpulse, deren Anzahl der Differenz der von der Stromerfassungseinrichtung
erfaßten Stromistwerte ist. Diese Impulse, deren Anzahl die digitalisierte Unsymmetriegröße
für die Verstellung des Umschaltwinkels ist, werden als Zählimpulse auf den Zähleingang
eines digitalen Vorwärts-Rückwärts-Zählers 61 gegeben.
-
Die Zählrichtung dieses Vorwärts-Rückwärts-Zählers wird durch einen
entsprechenden Grenzwertmelder 62 vorgegeben, der das Vorzeichen der Stromerfassungs-Ausgangsspannung
vor deren Gleichrichtung im Gleichrichter 58 erfaßt. Der Zähler 61 wirkt als integrierender
Regelverstärker.
-
Ferner werden der Auswerteschaltung zwei Referenzspannungen zugeführt,
die die gleiche Frequenz f und eine feste Phasenlage zur vorgegebenen Ausgangswechselspannung
der
Phase R besitzen. Als derartige Referenzwechselspannungen können vorteilhaft die
Sollspannung UR* selbst und eine der beiden dazu um 1200 versetzten Sollspannungen
US* und UT* verwendet werden. Diese beiden Referenzspannungen werden gewichtet an
einem Additionsverstärker 62 addiert und die erhaltene Spannung Ug wird einem Grenzwertmelder
63 zugeführt, der die Umschaltbefehle Ub für die Kommando stufe 54 liefert. Die
Ansteuerung des Schalters 57 sowie die Festlegung der Zeitintervalle, zu denen die
Stromerfassungseinrichtung 55 die Mittelwerte des in Phasenausgang R fließenden
Stromes erfaßt, erfolgt durch eine Zeitsteuerschaltung 64. Die zeitliche Aufeinanderfolge
der Schaltvorgänge ist im Zusammennang mit Figur 6 bereits erläutert worden.
-
Die Zusammensetzung der Grenzwertmelder-Eingangsspannung Ug aus DF
und den Referenz spannungen UR* und US* erfolgt dadurch, daß entsprechend dem Zählerstand
des Vorwärts-Rückwärts-Zählers 61 die Gewichte für die gewichtete Addition von UR*
und US* verändert werden. Hierzu werden zunächst für den vorgesehenen Arbeitsbereich
der Vorrichtung die möglichen Winkellagen zwischen der vorgegebenen Phasenspannung
UR* und dem sich bei freier Einstellung ergebenden Ausgangsstrom IR* in der Phase
R in einzelne diskrete Winkelbereiche aufgeteilt, denen jeweils ein Lastwinkelsollwert
zugeordnet wird. In Figur 9 sind die Osanna-Kreise für eine Asynchronmaschine für
Nenndrehzahl und für 0,1 x Nenndrehzahl gezeigt. In diesem Frequenzbereich ergibt
sich der kleinste Lastwinkel h t für 0,1 x Wenn, der größte Lastwinkel ?L * für
Nenndrehzahl.
-
XVI Diesem vorgesehenen Arbeitsbereich der Asynchronmaschine sind
16 diskrete, äquidistante Lastwinkel zugeordnet. Jedem Lastwinkel entspricht eine
Sollwertkurve für den auf den Effektivwert des Stromes bezogenen Ausgangsstrom.
Bei optimalem Betrieb muß die Umschaltung der Drehstrombrükken jeweils mit dem Nulldurchgang
der zum tatsächlichen
Lastzustand gehörenden Sollwertkurve erfolgen.
-
Die Sollwertkurven selbst können aus den Referenzspannungen UR* und
US* zusammengesetzt werden, wie in Figur 10 gezeigt ist. Jede Winkellage I, II,
III, ... des Stromes kann dadurch erzeugt werden, daß zur Spannung UR* ein über
eine Potentiometerschaltung abgegriffener Bruchteil USI, US11, ... der anderen Referenzspannung
US* addiert wird. Gemäß Figur 8 kann die Addition dadurch erfolgen, daß die Spannung
US* über entsprechende Widerstände 65, die durch Schalter 66 einschaltbar sind,
auf den Eingang des Additionsverstärkers 62 aufgeschaltet wird. Die verschiedenen
Schalterstellungen werden dadurch entsprechende Zählerstände angesteuert. Zu einer
gegebenen Stellung der Schalter bildet der Additionsverstärker 62 die Wechselspannung
Ug, deren Nulldurchgänge vom Grenzwertmelder 63 erfaßt werden und die Umschaltung
der Drehstrombrücken steuern. Ermittelt nun die Stromerfassungseinrichtung eine
Differenz zwischen dem auf diese Weise vorgegebenen Umschaltwinkel und dem Phasenwinkel,
so wird der Zählerstand entsprechend dieser Differenz verstellt, die Schalter entsprechend
umgelegt und somit auf eine neue Wechselspannung übergegangen, deren Nulldurchgänge
verschoben sind. Dieses Verfahren wird fortgesetzt, bis Lastwinkel und Umschaltwinkel
übereinstimmen.
-
Figur 11 veranschaulicht dieses Verfahren. In Figur lla ist dargestellt,
wie bei konstant vorgegebener Ausgangswechselspannung UR* ein Lastwechsel von einem
stationären Betrieb auf-einen anderen stationären Betrieb vorgenommen wird. Im Diagramm
B, links oben ist der stationäre Anfangszustand angegeben, bei dem der Phasenstrom
IR den Lastwinkel \1* mit der Ausgangsspannung UR der Phase R einschließt. Mit dem
Pfeil 70 ist der Zeitpunkt bezeichnet, bei dem der Lastwechsel stattfindet. Für
den sta-
tionären Endzustand, der durch das Diagramm B2 angedeutet
ist, wird ein Phasenstrom größerer Amplitude und mit kleinerem Lastwinkel 2* angestrebt.
Die Grundschwingung der sich jeweils im stationären Zustand frei einstellenden Ausgangsströme
der Phase R ist in Figur 7la durch die Kurven IR* dargestellt. Daraus ist ersichtlich,
wie sich der Lastwinkel bei dem durch den Pfeil 70 angedeuteten Lastwechsel um den
Verschiebungswinkel >* ändert.
-
Der Umschaltwinkel muß dieser Verschiebung dazu nachgeführt werden.
In Figur lib sind die Sollkurven für die Stromgrundschwingung für verschiedene der
in Figur 9 gezeigten diskreten Phasenlagen dargestellt. Der stationäre Zustand 31
entspricht dabei der Kurve I bzw. in Figur 8 dem Zustand, in dem alle Schalter 66
geöffnet sind.
-
Der Grenzwertmelder spricht auf die Nulldurchgänge der Kurve I an
und gibt den in Figur llc für die erste Halbschwingung der Sollkurve I gezeigten
Befehl für die Stromführung der Drehstrombrücke 52 R. Dieser Befehl hält für eine
Halbperiode der Ausgangsfrequenz an. In Figur l-ld sind mit den schraffierten Flächen
die Stromzeitflächen dargestellt, die von der Stromerfassungseinrichtung zu symmetrisch
um den zeitlichen Mittelpunkt der Befehlsdauer liegenden Intervallen erfaßt werden.
Figur 17e gibt das Ausgangssignal Uint des in der Stromerfassungseinrichtung 55
enthaltenen Integrators wieder. Uint steigt dabei während des auf den Umschaltzeitpunkt
t folgenden, ersten Stromerfassungsintervalles auf einen der ersten dargestellten
Stromzeitfläche proportionalen Wert an. Da für den Betriebszustand B1 der Lastwinkel
gleich dem Verschiebungswinkel ist und somit eine symmetrische Stromkurve vorliegt,
sinkt Uint im zweiten Stromerfassungsintervall wieder auf Null ab. Daher erfolgt
für die nächste Umschaltung t+ keine Veränderung des Verschiebungswinkels.
-
Aufgrund der Verschiebung des Lastwinkels * um den Betrag \* liegt
aber jetzt eine unsymmetrische Stromkurve vor. Von der Stromerfassungseinrichtung
55 werden nunmehr
zu den beiden Stromerfassungslntervallen, die
symmetrisch um einen um eine Viertelperiode gegenüber der letzten Umschaltung verschobenen
Zeitpunkt (t++Tf/4) liegen, unterschiedliche Stromzeitflächen erfaßt, deren Differenz
DF1 proportional der Differenz der beiden erfaßten Stromwerte ist. Dieser Spannungswert
wird für die Schließdauer des Schalters 57 dem Spannungsfrequenzumsetzer 60 zugeführt,
der eine Anzahl von Zählimpulsen erzeugt, die proportional der in Figur 17e dargestellten
schraffierten Fläche ist.
-
Folglich ändert sich der Zählerstand des Zählers 61 und die Stellung
der Schalter 66 wird verändert. Dies bewirkt, daß die Ausgangs spannung Ug des Additionsverstärkers
62 nunmehr von der Kurve I in die Kurve III übergeht, deren Nulldurchgang um den
Winkel zwei gegenüber dem Nulldurchgang der Kurve I verschoben ist. Folglich erfolgt
auch die erneute Umschaltung t auf die Drehstrombrücke 52 R nicht mehr eine Halbperiode
Tf/2 nach der Umschaltung t+, sondern um den Winkel zwei früher. Der Bezugszeitpunkt,
zu dem die Zeiterfassungsintervalle für die nächste Stromhalbschwingung symmetrisch
liegen, ist um eine Viertelperiode der Ausgangsfrequenz gegenüber diesem neuen Umschaltzeitpunkt
verschoben. Der Vorgang wiederholt sich, wobei nunmehr während der Schließzeit des
Schalters 57 vom Frequenzumsetzer 60 eine der Differenz DF2 bzw. der dazugehörigen
schraffierten Fläche proportionale Anzahl von Zählimpulsen erzeugt wird. Dadurch
erfolgt eine erneute Veränderung der Schalter 66 und die Spannung Ug geht von der
Kurve III in die Kurve IV über. Dies entspricht einer- Verschiebung des Nulldurchgangs
um Demnach wird der Umschaltbefehl für die Drehstrombrücken erneut um einen Betrag
dX2 verändert. Der Vorgang wiederholt sich, so daß nach der nächsten Stromhalbschwingung
auf die Kurve IV übergegangen wird, mit der nunmehr der neue stationäre Zustand
erreicht ist.
-
Demgemäß kann dem Direktumrichter die Ausgangswechselspan-
nung
vorgegeben werden und die Umschaltung der antiparallelen Drehstrombrücken erfolgt
letzten Endes mit den Nulldurchgängen einer sich frei einstellenden Stromsollkurve.
Glättungsglieder, die den Stromverlauf über mehrere Halb schwingungen erfassen und
eine Verschlechterung der Dynamik mit sich bringen, sind dabei nicht erforderlich.
-
Mit der in Figur 8 gezeigten Vorrichtung wird die Umschaltung zwischen
den auf den Ausgang R arbeitenden Drehstrombrücken vorgenommen. Bei symmetrischer
Last genügt es, die auf die beiden anderen Phasenausgänge arbeitenden Drehstrombrücken
jeweils um 120° zeitlich versetzt anzusteuern. Bei unsymmetrischer Last kann auf
gleiche Weise für jede Phase eine entsprechende Vorrichtung vorgesehen sein.
-
15 Patentansprüche 11 Figuren