DE3025112C2

DE3025112C2 - Verfahren zur Steuerung einer Stromrichterschaltung

Info

Publication number: DE3025112C2
Application number: DE19803025112
Authority: DE
Inventors: Peter Ing.(grad.) 1000 Berlin Falk
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1980-06-30
Filing date: 1980-06-30
Publication date: 1985-02-14
Also published as: DE3025112A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung einer Stromrichterschaltung mit in Reihe geschalteten löschbaren Stromrichterbrücken unsymmetrisch-halbgesteuerter (LUB) oder symmetrisch-vollgesteuerter Art, die mit ein- oder mehreren Löschkondensatoren und ggf. Speicherkondensatoren je Brücke versehen ist, von denen jeweils die Hauptthyristoren bei definierten Zündwinkeln («) gezündet und durch die über Löschthyristoren entladbaren Löschkondensatoren bei definierten Abschnittswinkeln (ß) gelöscht werden.

Stromrichterschaltungen mit in Reihe geschalteten, gesteuerten Stromrichterbrücken werden allgemein zur Erzielung eines günstigeren Leistungsfaktors in sogenannter Folgeschaltung betrieben. Dabei werden die Brücken nacheinander (in Folge) durchgesteuert. Dies bedingt jedoch, daß jeder Brücke eine eigene Steuereinrichtung zuzuordnen ist. Ferner sind Maßnahmen zu treffen, die den einwandfreien Folgebetrieb sicherstellen, d. h. den Übergang von der einen auf die nachfolgende Brücke oder die Impulsvorgabe nach Vollaufsteuerung der ersten Brücke gewährleisten. Solche Steuerverfahren sind bekannt und ausgeführt.

Der Aufwand und auch die Steuerblindleistung lassen sich mit sogenannten halbsteuerbaren Brücken verringern, bei denen jeweils nur zwei von vier Ventilen steuerbar, die anderen dagegen nicht steuerbar sind. Eingesetzt werden für Folgesteuerungen vor allem sogenannte unsymmetrische halbsteuerbare Brücken (z. B. DE-OS 25 14 279).

Um den Leistungsfaktor zu verbessern, ist es auch bekannt, die Stromrichter derartiger Brücken mit Kommutierungseinrichtungen zu versehen, so daß eine Selbbtlöschung erreicht werden kann. Man spricht dann z.B. von löschbaren unsymmetrischen Brückenschaltungen (LUB), die je nach Ausführung mit einem Löschkondensator als IC-Schaltung, mit zwei Löschkondensatoren als 2C-Schaltung und mit zwei Löschkondensatoren mit einem Speicherkondensator als 3C-Schaltung bezeichnet werden. Auch das ist bekannt

Werden solche löschbaren Brücken in Folgesteuerung betrieben, so sind nicht nur eigene Impulsvorgabeeinrichtungen für die Hauptthyristoren jeder Brücke, sondern auch noch eigene Impulsvorgabeeinrichtungen für die Löschthyristoren erforderlich. Steuerungen für löschbare Brücken sind, wegen der getrennten Einstellung des Anschnitts- und Abschnitts-(Lösch-)winkels und auch wegen besonderer Vorkehrungen für den Anfahrvorgang gegenüber Steuerungen für nicht löschbare Brücken sehr aufwendig. Bei den heute bekannten Reihenschaltungen von Stromrichterbrücken ist jeder Stromrichterbrücke ein eigener Steuersatz zugeordnet.

Darüber hinaus ergibt sich bei Folgesteuerungen ein zusätzlicher Steuerungs- und Verriegelungsaufwand für den steuerungsmäßigen Übergang von der ersten auf die zweite Brücke. Der Steuerungsaufwand bei Reihenschaltungen von Stromrichterbrücken wird dabei mehr als verdoppelt Eine besonders günstige Relation von Aufwand zu Nutzen ergibt sich, wenn bei Folgeschaltungen solcher Stromrichterbrücken dann nur eine der beiden Brücken mit Selbstlöschung betrieben wird. Lösungen dieser Art werden daher bevorzugt eingesetzt (z.B. genannte DE-OS 25 14 279 oder DE-OS 26 09 285). Aus der letztgenannten Schrift geht es im übrigen für Folgesteuerungen als bekannt hervor, einen Anfahrvorgang zweckmäßig lediglich über eine Durchsteuerung der Löschthyristoren zu beginnen.

Soll ein Antrieb, z. B. ein Fahrzeugantrieb, allerdings ins Netz rückspeisen können, d. h. soll der Energiefluß umkehrbar sein (sogenannter Wechselrichterbetrieb), dann müssen alle Stromrichterbrücken voll steuerbar und löschbar ausgebildet sein.

Wechselrichterbetrieb ist für löschbare Brücken nur in 1C- oder 2C-Schaltung möglich. Deshalb wurde hierzu bereits vorgeschlagen, bei einer Reihenschaltung von zwei Stromrichterbrücken beide Brücken selbstgelöscht in 2C-Schaltung zu betreiben.

Generell ist jedoch feststellbar, daß eine Verbesserung des Verschiebungsfaktors cos φ bei Folgesteuerungen von löschbaren Brücken im Vergleich zu Folgesteuerungen von netzgeführten Brücken mit einem wesentlich erhöhten Steuerungsaufwand erkauft werden muß, was prinzipiell eine höhere Störanfälligkeit und damit eine Beeinträchtigung der Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit der Anlage erbringt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein neues Steuerverfahren zu schaffen, mit dem der Aufwand für die Steuerung bezogen auf bekannte Stromrichteranordnungen mit reihengeschalteten Brücken reduziert werden kann. Dabei soll der Verschiebungsfaktor cos φ und der Leistungsfaktor λ bekannter Anordnungen noch verbessert werden.

Diese Aufgabe wird für eine Anordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß für sämtliche in Reihe geschalteten Stromrichterbrücken (I und II) die Ansteuerung der Hauptthyristoren von einer gemeinsa-

men Steuereinrichtung für das Zünden und die Ansteuerung der Löschthyristoren von einer gemeinsamen Steuereinrichtung für das Löschen erfolgt, wobei zunächst die Zündimpülse für die Löschthyristoren von β = 0° bis ßmax verstellt werden, bei Erreichen von ;?„,„* auch die Hauptthyristoren gezündet werden, anschließend der Zündwinkel von «_OT„ bis a = <+ und gleichzeitig der Abschnittswinkel von ß_max bis zu einem Minimalwert ßmm verstellt werden. Durch die Erfindung ergibt sich hinsichtlich des Blindstromverhaltens eine Gleichwertigkeit mit Folgesteuerungen in Reihe geschalteter Stromrichterbrücken. Bei der Erfindung wurde von der Erkenntnis ausgegangen, daß bei Reihenschaltung von selbstgelöschten Brücken solche Folgesteuerungen an sich nicht mehr zwingend erforderlich sind, um einen optimalen Verschiebungsfaktor zu erreichen, d.h. um Strom und Spannung möglichst in Phase zu halten. Bei selbstgelöschten Stromrichtern sind nämlich Zünd- und Löschzeitpunkt und damit die zeitliche Lage des Stromflusses innerhalb einer Halbschwingung der Versorgungsspannung frei wählbar. Der gewählte Stromblock kann schwerpunktsmäßig annähernd symmetrisch zur Halbwelle der Versorgungsspannung gehalten werden, so daß eine zweckmäßige Parallelansteuerung der in Reihe geschalteten Brücken die gleiche Effektivität erbringt.

In Konsequenz könnte zwar der Gedanke auftreten, damit die Reihenschaltung der Stromrichterbrücken zugunsten einer einzigen Brücke aufzugeben, doch müßte dann die Eingangsspannung der einzigen Brücke auf die Summenspannung der in Reihe geschalteten Brücken angehoben werden (gleiche Leistung und gleichen Strom vorausgesetzt). Das führt in der Regel jedoch zu Spannungsbeanspruchungen für die Halbleiterelemente und Kondensatoren, die in der Praxis nur schwer beherrschbar sind und die Ausrüstung auch aus Volumengründen schlecht einbaubar machen würde. Auch auf längere Sicht ist deshalb die Aufteilung der Leistung auf mehrere in Reihe geschaltete löschbare Teilstromrichter die zweckmäßigste Lösung. Die Erfindung schafft die Voraussetzung, auch den Steuerungsaufwand geringer zu halten als bei den üblichen Folgesteuerungen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Anhand von in der Zeichnung dargestellten schematischen Beispielen wird im folgenden die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die Schaltung zweier in Reihe geschalteter Stromrichterbrücken in L{7ß2C-Schaltung, F i g. 2 ein Zünd- und Löschwinkelschema,

F i g. 3 eine Steuerkennlinie zur Zünd- und Löschwinkelvorgabe in Abhängigkeit von einer Reglerspannung,

F i g. 4 ein Schaltschema in Blockbilddarstellung für die Steuerung zweier parallel ansteuerbarer Stromrichterbrücken.

Die in F i g. 1 dargestellte Reihenschaltung von zwei löschbaren unsymmetrischen Stromrichterbrücken I und Il in 2C-Schaltung, d. h. mit zwei Löschkondensatoren ist aus der Folgeschaltungstechnik her bekannt. Die Hauptthyristoren 1, Γ und 2,2' sowie die Löschthyristoren 3, 3' und 4, 4' der beiden Brücken werden jetzt nur anders und zwar parallel angesteuert. Mit 5,5', 6,6', 7, T und 8,8' sind Freilaufdioden bezeichnet. 9,9' und 10,10' stellen die Löschkondensatoren dar. Eingespeist wird über einen Transformator 11 und der Lastanschluß, ζ. Β. Fahrmotoren, erfolgt über die Klemmen 12 und 13. Mit 14 und 14' sind noch Ladewiderstände benannt.

Das Anfahren erfolgt über die Löschkreise. Hierzu werden nur die Löschthyristoren 3, 3' und 4, 4' angesteuert, während die Zündimpulse für die Hauptthyristoren 1, Γ und 2, 2' unterdrückt bleiben. Der Zweck dieses Steuerverfahrens ist bekanntlich das Ermöglichen eines ruckfreien Anfahrens uad die Sicherstellung eines -egelfähigen dynamischen Verhaltens der Steuerung. Vor dem Anfahrvorgang sind die Löschkondensatoren 9,9' und 10,10' über ihre Ladewiderstände 14,14' auf den Scheitelwert der Transformatorsekundärspannung aufgeladen. Durch Zünden der Lösch thyristoren 3 und 3' bzw. 4 und 4' werden die an den Kondensatoren 9,10 bzw. 9', 10' und den Transformatorsekundärwicklungen liegenden Spannungen in Reihe geschaltet Die Löschkondensatoren 9, 10 bzw. 9', 10' entladen sich über die nicht dargestellte Last. Anschließend werden sie aus dem Netztransformator 11 über die Last wieder aufgeladen. Währenddessen läßt die in der Transformatorreaktanz gespeicherte Energie den Strom über die Kondensatoren weiterfließen. Durch Verstellen des Zündzeitpunktes für die Löschthyristoren 3,3' und 4,4', d. h. von Abschnittswinkel β = 0° bis/?_ma* ζ. Β. 90° elektrisch (vgl. F i g. 2) läßt sich der Laststrom und die treibende Spannung kontinuierlich erhöhen.
Dieser Steuerbereich wird in weniger als 1 Sekunde durchlaufen.

Anschließend werden die Zündimpulse für die Hauptthyristoren 1, Γ bzw. 2,2' freigegeben, wobei im vorliegenden Beispiel mit Züridwinkcin χ = 90° beginnend gegen 0 verstellt wird. Die Zündimpulse für die Haupt- und Löschthyristoren werden entsprechend der Ausgangsspannung eines Reglers gemeinsam vorzugsweise mit gleicher Geschwindigkeit gegen 0 verstellt So werden z. B. bei dem 0,75fachen der maximalen Reglerausgangsspannung die Hauptthyristoren bei <* = 45° gezündet und bei a = 135°, was einem β = 45° entspricht, durch Zünden der Löschthyristoren wieder gelöscht.

F i g. 3 zeigt für den geschilderten Vorgang eine mögliche Steuerkennlinie und zwar die erforderliche Zünd- und Löschwinkelvorgabe in Abhängigkeit von der Reglerausgangsspannung. Gleiche Verstellgeschwindigkeit für die Zünd- und Löschwinkel wird vorgenommen. Andere Steuerkennlinien mit z. B. verschiedenen Verstellgeschwindigkeiten sind denkbar. Angefahren wird nach F i g. 3 wie vorher beschrieben ausschließlich über den Löschkreis, wobei der Abschnittswinkel gemäß der strichpunktierten Linie von 0 aus bis auf ß_mBX = 90° — elektrisch vergrößert wird. Die Zündimpulse für die Hauptthyristoren 1,1', 2,2' sind hier bis zum Erreichen von ß_mm unterdrückt. Dies ergibt sich bis zum halben Wert der maximalen Reglerausgangsspannung.

Anschließend werden in Fortsetzung des Verlaufs der gestrichelten oberen Linie auch die Hauptthyristoren bei « = 90° gezündet und beide (<* und ß) dann gegen 0° verstellt Deutlich wird aber auch, daß nur oc bei weiterer Aufsteuerung bis 0° verstellt wird, dagegen β auf einen vorgegebenen Minimalwert {ßmm) begrenzt wird, um den bekannten blindleistungssparenden Effekt dieser Schaltung aufrecht zu erhalten.

Die dargestellte Steuerkennlinie ist nur beispielhaft.

So können in Abhängigkeit von anlagenspezifischen Voraussetzungen abweichende ßmax und ßmm sowie unterschiedliche Verstellgeschwindigkeiten für die Zünd- und Löschwinkelvorgabe erfolgen. In bestimmten Fällen Können durch Erfassen der Phasenlage der Grund-Schwingungen von Versorgungsspannung und Netzstrom die Zünd- und Löschzeitpunkte so gewählt werden, daß auf einen optimalen Verschiebungsfaktor cos φ geregelt wird.

Fig.4 zeigt ergänzend noch schematisch die erforderliche Steuerung in Blockbilddarstellung für zwei parallelgesteuerte Brücken. Die Stromrichterbrücken sind wieder mit I und Il und der Transformator mit 11 bezeichnet. Den Hauptthyristoren 1 bis 2' und Löschthyristören 3 bis 4' werden über getrennte Zündübertrager 15,16 und 17,18 die Zünd- bzw. Löschimpulse vorgegeben, wobei die Größe des jeweiligen Zünd- und Löschwinkels vom Regler 19 bestimmt wird.

Die Ausgangsspannung des Reglers 19 wird dem Steuerkanal .4 für die Ansteuerung der Hauptthyristoren 1 bis 2' und dem Steuerkanal B für die Ansteuerung der Löschthyristoren 3 bis 4' zugeführt. Dabei wird zunächst die Reglerausgangsspannung über die Kennlinienbildner 20 (für die Hauptthyristoransteuerung) und 21 (für die Löschthyristoransteuerung) in eine Sieuerspannung umgesetzt. Die Steuerspannung und die von der Synchronisiereinrichtung 22 ausgegebene mit der Versorgungsspannung synchrone Dreieckspannung werden in die Impulsbildner 23 bzw. 24 eingegeben. Diese erzeugen während der Zeit, in der die Steuerspannung höher als die Dreiecksspannung ist, einen Impulsblock. Dieser wird in dem jeweils nachgeschalteten Impulskettenbildner 26 bzw. 27 in eine Impulskette umgesetzt Das im Steuerkanal A befindliche UND-Glied 25 bewirkt, daß bei Ausgabe eines Löschimpulsblockes durch den Impulsbildner 24 eine Kettenimpulsausgabe durch den Impulskettenbildner 24 eine Kettenimpulsausgabe durch den Impulskettenbildner 26 für die Hauptthyristoren 1 bis 2' blockiert wird. Die Impulsketten werden mit nachgeschalteten Kanalaufteilern 28 bzw. 29 in zwei Kanäle (positive und negative Halbschwingungen) aufgeteilt, verstärkt und über die Impulsübertrager 15 und 16 bzw. 17 und 18 auf die Thyristoren geschaltet

Bei einer herkömmlichen Folgeschaltung sind die in der strichpunktierten Kästchenumrahmung gezeichneten Funktionselemente jeweils für jede Stromrichterbrücke vorzusehen. Dies wird in F i g. 4 durch das strichpunktiert umrahmte leere Kästchen »x« auch angedeutet was jetzt nach der Erfindung eingespart werden kann. Außerdem sind bei herkömmlicher Schaltung auch noch zusätzlich Funktionsbausteine vorzusehen, mit denen eine, zur Sicherstellung des Stromflusses in den in Reihe geschalteten Brücken notwendige Impulsdurchschaltung erfolgen kann. Eine solche Impulsdurchschaltung bewirkt daß in den Zeiträumen, in denen zwei oder mehr Brücken angesteuert werden, die Impulsketten des Steuerkanals der einen Brücke auf die Steuerkanäle der in Betrieb befindlichen weiteren Brücken durchgeschaltet werden.

Durch die Erfindung ergibt sich ein Steuerverfahren mit wesentlicher Aufwandsminderung bei gleicher Effektivität Hinzu kommt eine höhere Servicefreundlichkeit und eine verbesserte Störsicherheit gegenüber An-Ordnungen mit höherer Bauelementezahl.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Steuerung einer Stromrichterschaltung mit in Reihe geschalteten löschbaren Stromrichterbrücken unsymmetrisch-halbgesteuerter (LUB) oder symmetrisch-vollgesteuerter Art, die mit ein- oder mehreren Löschkondensatoren und ggf. Speicherkondensatoren je Brücke versehen ist, von denen jeweils die Hauptthyristoren bei definierten Zündwinkeln (<*) gezündet und durch die über Löschthyristoren entladbaren Löschkondensatoren bei definierten Abschnittwinkeln (# gelöscht werden, dadurch gekennzeichnet, daß für sämtliche in Reihe geschalteten Stromrichterbrükken (I, II) die Ansteuerung der Hauptthyristoren (1, Y, 2, 2') von einer gemeinsamen Steuereinrichtung (A) für das Zünden und die Ansteuerung der Löschthyristoren (3,3', 4,4') von einer gemeinsamen Steuereinrichtung (B) für das Löschen erfolgt, wobei zunächst die Zündimpulse für die Löschthyristoren (3, 3', 4, 4') von β = 0° bis ß_ma verstellt werden, bei Erreichen von ß_mRX auch die Hauptthyristoren (1, Y, 2, 2') gezündet werden, anschließend der Zündwinkel von a_max bis tx = 0° und gleichzeitig der Abschnittwinkel von ßmax bis zu einem Minimalwert ßmin verstellt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichzeitige Verstellung der Zündwinkel von x_max bis λ = 0° und der Abschnittwinkel von ß_mm bis ßmin mit gleicher Verstellgeschwindigkeit erfolgt

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die maximalen Zündwinkel tx_max und Abschnittswinkel ß_m3X 90° betragen oder dicht darunter liegen.