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Regelanordnung zur Regelung der Ausgangsspannung eines
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stromrichtergespe isten LC-Zwischenkreises.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelanordnung zur Regelung der
Ausgangsspannung eines aus einer Längsdrossel und einem Querkondensator bestehenden
LC-Zwischenkreises, der eingangsseitig über einen Stromrichter gespeist wird sowie
ausgangsseitig mit einem Verbraucher beschaltet ist und bei der einem Spannungsregler
eingangsseitig die Differenz aus Zwischenkreisspannungs-Sollwert und -Istwert zugeführt
wird.
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Für einen aus einem Einspeisetransformator und Gleichrichter mit nachgeschaltetem
Zwischenkreis aus Längsdrossel und Querkondensator bestehenden Leistungsteil zur
Speisung eines Verbrauchers für eingeprägte Eingangsspannung, z,B. U-Wechselrichter
mit nachgeschalteten Drehstrommotoren ist es bekannt, die am Zwischenkreiskqndensator
abfallende Spannung
zu erfassen, einem speziellen Tiefpaßfilter
zuzuführen und das gefilterte Signal mit einem Sollwert zu vergleichen; die Differenz
aus Spannungsist- und -sollwert einem PI-Regler zuzuführen und das Ausgangssignal
des PI-Reglers dem Steuersatz des Gleichrichters zur Regelung der Ausgangsspannung
des LC-Zwischenkreises (= Kondensatorspannung) einzugeben. Diese bekannte Regelanordnung
führt in nachteiliger Weise zu Stabilitätsproblemen, denn es wird eine ungedämpfte
Dauerschwingung nur durch externe Dämpfung vermieden. Diese Stabilitätsprobleme
vermindern die Zuverlässigkeit der Anlage und/oder machen eine Überdimensionierung
des Leistungsteils erforderlich.
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Da der Zwischenkreis ein nur schwach gedämpfter Resonanzkreis ist,
gelingt es mit der bekannten Anordnung nicht, die Zwischenkreis-Resonanzschwingungen
zu dämpfen; durch geeignete Dimensionierung der Reglerbeschaltung kann allenfalls
versucht werden, diese Resonanzschwingung nicht zu-Zusätzlich durch den PI-Regler
zu verstärken. Diese Schwingungen führen zu Spannungsüberhöhungen am Zwischenkreiskondensator,
die bei der Wechselrichterdimensionierung berücksichtigt werden müssen. Der Zwischenkreiskondensator
sollte einerseits zur Reduzierung der verfahrensbedingten Spannungsüberhöhung möglichst
groß gewählt werden, andererseits sollte er aus Schutzgründen (Wechselrichterdurchzündung)
möglichst klein sein.
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Der Frfindunq liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regelanordnung zur
Regelung der Ausgangsspannung eines stromrichtergespeisten LC-Kreises zu entwickeln,
die eine bessere Stabilität des Regelkreises gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Vergleichsstelle
vorgesehen ist, die die Differenz aus dem Ausgangssignal des Spannungsreglers und
dem als Hilfsregelgröße dienenden Kondensator-Istwert bildet und einem Strom-
regler
zuführt und daß das Ausgangssignal des Stromreglers einem Summationspunkt zugeführt
wird, dem eingangsseitig desweiteren ein Signal anliegt, das durch Verknüpfung des
Verbrauchereingangsstromes mit der Speisespannung und dem Sollwert der Zwischenkreisspannung
entsteht und der ausgangsseitig an einem mit dem Stromrichter verbundenen Steuersatz
liegt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen
entnehmbar.
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Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß durch die Hilfsgrößenregelung eine derart starke Dämpfung bewirkt wird, die
Resonanzschwingungen im Zwischenkreis vermeidet. Damit entfällt die Notwendiykeit,
resonanzbedingte Überspannungen bei der Dimensionierung des Leistungsteils berücksichtigen
zu müssen. Abgesehen von der Totzeit des Einspeisestromrichters reagiert die Regelanordnung
nahezu verzögerungsfrei auf dynamische Vorgänge im speisenden Netz und im Verbraucher.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden anhand der Zeichnungen
dargestellt.
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Es zeigen: Fig. 1 den Leistungsteil der Einspeisung und des Zwischenkreises
sowie die Zwischenkreisspannungsregelung, Fig. 2 das Störverhalten des Regelkreises
bei einem Sprung der Wechselrichterleistung, Fig. 3 eine angepaßte Störgrößenaufschaltung,
Fig. 4 einsetzbare Filtercharakteristiken und eine mögliche Filteranordnung.
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In der Fig. 1 ist der Leistungsteil der Einspeisung und des Zwischenkreises
sowie die Zwischenkreisspannungsregelung mit
Hilfsgröße bei einem
Schienenfahrzeug dargestellt. Zwischen einem Fahrdraht 1 und einer Schiene 2 ist
ein Einspeisetransformator 3 geschaltet. Der Einspeisetransformator 3 weist z.B.
eine Primär- und zwei Sekundärwicklungen auf.
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Die Sekundärwicklungen sind mit einem Gleichrichter 4 verbunden. Der
Gleichrichter 4 weist beispielsweise zwei gleichstromseitig in Reihe geschaltete
ungesteuerte und halhgesteuerte Stromrichterbrücken auf. Zwischen seinen beiden
Ausgangspolen steht die ideelle Zwischenkreisspannung UdiZ an. Der Gleichrichter
4 ist ausgangsseitig mit einem LC-Zwischenkreis, bestehend aus einer im Zuge eines
Zwischenkreispoles liegenden Zwischenkreisdrossel 5 und einem zwischen den Polen
des Zwischenkreises angeordneten Zwischenkreiskondensator 6, beschaltet. Die Induktivität
der Zwischenkreisdrossel 5 beträgt Ld, die an ihr abfallende Drosselspannung ist
mit UL bezeichnet. Durch die Drossel 5 fließt der Zwischenkreisstrom 1d Die Kapazität
des Zwischenkreiskondensators beträgt Cd. Zur Messung des Kondensatorstromes IC
ist vor dem Kondensator 6 ein Stromwandler 7 angeordnet. Ein Spannungswandler 8
dient zur Messung der am Zwischenkreiskondensator 6 abfallenden Zwischenkreisspannung
Ud. Der LC-Zwischenkreis ist ausgangsseitig mit einem U-Wechselrichter 9 (= Verbraucher)
beschaltet. Mit dem Wechselrichter 9 sind beispielsweise (nicht dargestellte) Fahrmotoren
verbunden.
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Die Zwischenkreisspannungsregelung weist eine erste Vergleichsstelle
10 auf, der eingangsseitig mit positivem Vorzeichen ein Zwischenkreisspannungssollwert
Udsoll sowie mit negativem Vorzeichen der mit Hilfe des Spannungswandlers 8 erfaßte
Zwischenkreisspannungs-Istwert Udist zugeführt werden und die ausgangsseitig das
gebildete Differenzsignal Udsoll - Udist an einen Spannungsregler 11 abgibt. Einer
zweiten Vergleichsstelle 12 werden eingangsseitig das Ausgangssignal des Spannungsreglers
11 1soll
mit positivem Vorzeichen sowie der mit hilfe des Stromwandlers
7 erfaßte Kondensatorstrom-Istwert Weist mit negativem Vorzeichen zugeführt. Das
gebildete Differenzsignal 1soll - Icist wird einem Stromregler 13 zugeführt.
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Einem Summationspunkt 14 werden eingangsseitig das Ausgangssignal
des Stromreglers 13 mit positivem Vorzeichen und ein Signal eingegeben, da8 durch
Verknüpfung der Signale UF (= Speisespannung zwischen Fahrdraht 1 und Schiene 2),
IWR (r Verbrauchereingangsstrom) und gegebenenfalls Udsoll entsteht. Im Ausführungsbeispiel
gemäß Fig. 1 wird dem Summationspunkt 14 neben dem Ausgangssignal des Stromreglers
13 das Signal IWR mit positivem Vorzeichen sowie das Signal UF mit negativem Vorzeichen
zugeführt. Eine hierzu alternative Möglichkeit ist in Fig. 3 dargestellt.
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Das Ausgangssignal des Summationspunktes 14 wird einem Steuersatz
15 eingegeben, der zur Ansteuerung der Stromrichterventile des Gleichrichters 4
dient. Die beiden Störgrößen Eingangsstrom IWR bzw. Speisespannung UF (Scheitel-
oder Effektivwert) können mittels eines im Zwischenkreispol vor dem Wechselrichter
9 angeordneten Stromwandlers 16 bzw. eines zwischen Fahr-draht 1 und Einspeisetransformator
2 angeordneten Spannungswandlers 17 erfaßt werden.
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Zur Glättung des vom Spannungswandler 8 erfaßten Istwertes der Zwischenkreisspannung
Ud sollte in die Verbindungsleitung zwischen Spannungswandler 8 und Vergleichsstelle
10 ein Tiefpaßfilter 17 eingefügt werden. Ebenso sollte wegen der Welligkeit des
Kondensatorstromes Ic ein Tiefpaßfilter 19jan die Verbindungsleitung zwischen Stromwandler
7 und Vergleichsstelle 12 geschaltet werden, falls der Kondensatorstrom Ic mit hilfe
eines Stromwandlers abgegriffen wird.
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Nachfolgend wird die Funktionsweise der Regelanordnung beschrieben.
Zweck der Regelung ist es, die Zwischenkreisspannung Ud konstant auf einem vorgegebenen
Sollwert U <Ud = Regelgröße) zu halten. Als Stellglied dieser Spannungsregelung
dient der Stromrichter 4 mit seinen steuerbaren Stromrichterventilen, d.h. Stellgröße
ist beispielsweise der mittels des Steuersatzes 15 einstellbare Steuerwinkel °C
. Zusätzlich wird als Hilfsregelgröße der Strom Ic im Zwischenkreiskondensator 6
benötigt. Diese Hilfsregelgröße kann entweder auf direktem Wege durch Stromwandler
7 oder indirekt durch Differenzieren der Zwischenkreisspannung Ud mittels eines
DifferenEerglieis(siehe Fig. 4) der Regelung zugeführt werden.
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Die momentane Differenz zwischen Sollwert Udsoll und Istwert Udist
der Zwischenkreisspannung Ud wird im Spannungsregler 11 verstärkt. Sie ist Führungsgröße
eines zweiten Regelkreises für den Strom 1 im Zwischenkreiskondensator 6.
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c Dieser zweite Regelkreis verhält sich wie ein Folgesystem, auf
das die Änderung der Speisespannung UF, der Zwischenkreisspannung Ud und des Verbrauchereingangsstromes
1WR als Störgrößen einwirken. Durch diese Struktur werden Resonanzschwingungen im
Zwischenkreis unterdrückt. Erreicht nach einem Ausregelvorgang die Zwischenkreisspannung
Ud ihren Sollwert UdsOll, wird der Strom Ic im Zwischenkreiskondensator auf Null
geführt. Der Spannungsregler 11 ist prinzipbedingt ein P-Regler, der Stromregler
13 sollte aus Stabilitätsgründen ein P-Regler sein.
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In Fig. 2 ist das Störverhalten des Regelkreises bei einem Sprung
der Ausgangsleistung dargestellt. Mit Ausgangsleistung ist dabei das Produkt IWR
. Ud bezeichnet. Unter der Voraussetzung Udsoll = konstant soll dabei der Eingangsstrom
des Verbrauchers 9 von einem Wert IWRl auf einen Wert IWR2 zum Zeitpunkt tl steigen.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich,
fällt die Zwischenkreisspannung Ud
auf einen minimalen Wert Udmin ab und erreicht danach wieder den Wert Udsoll Der
Zwischenkreisstrom Id steigt vom Wert 1WRl auf einen maximalen Wert I(3maX und fällt
danach wieder auf den Wert IWR2 ab. Der Verbraucherstrom TWR steigt vom Wert 1WRl
auf einen maximalen Wert IWRmax an und fällt. danach auf den vorgegebenen Wert IWR2
ab. Der Kondensatorstrom 1 fällt c vom Wert 0 auf den minimalen Wert ICmin ab, steigt
danach auf den maximalen Wert ICmaX an und fällt wieder auf den Wert 0 ab. Dabei
gilt Icmax = Idmax - 1WRmax Bei dem in Fig. 2 dargestellten Störverhalten des Regelkreises
sind die Totzeit des Gleichrichters 4, die Welligkeit der ideellen Zwischenkreisspannung
Udi zu sowie das Zeitverhalten der eventuell eingesetzten Tiefpaßfilter 18 und 19
nicht berücksichtigt.
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Prinzipiell wirkt sich eine Erhöhung der Regelverstärkung (P-Verstärkung)
von Spannungsregler 11 und Stromregler 13 positiv auf den Regelfaktor und die Dynamik
(Schnelliqkeit bei Sollwertsprüngen, Stabilität) aus. Bedingt durch das Zeitverhalten
der Stromrichter 4 und 9 und der Filter 18 und 19 können bei hohen Reglerverstärkungen
Instabilitäten auftreten. Da mit Zurücknahme der P-Verstärkung auch die Regelabweichung
zunimmt, sind dann Störgrößenaufschaltungen (Speisespannung UF, Zwischenkreisstrom
Id) am Stromregler 13 zur Verkleinerung der Regelabweichung erforderlich.
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Eine Störgrößenaufschaltung wie unter Fig. 1 beschrieben führt jedoch
bei großen Abweichungen vom Nennbetrieb zu größeren Regelabweichungen. Die Störgrößenaufschaltung
muß dann den Steuerkennlinien des Einspeisestromrichters (= Gleichrichter 4) angepaßt
werden.
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Fig. 3 zeigt die angepaßte Störgrößenaufschaltung für eine Einspeisung
aus einem Transformator 3 mit 2 Sekundärwicklungen und einer Reihenschaltung aus
einer halbgesteuerten und einer ungesteuerten Gleichrichterbrücke (Gleichrichter
4). Zusätzlich zu den in Fig. 1 dargestellten Bauteilen sind ein Dividierer 20,
Summationspunkte 21 und 22 sowie Multiplizierer 23 und 24 vorhanden. Einem Summationspunkt
22 werden eingangsseitig ein mit Hilfe eines Multiplizierer 23 (Multiplikationsfaktor
K1) bewertetes Signal K1 . Udsoll sowie ein mit Hilfe eines Multiplizierers 24 (Multiplikationsfaktor
K2) bewertetes Signal K2 . IWR jeweils mit positivem Vorzeichen zugeleitet. Das
Ausgangssignal x = K1 . Udsoll + K + IWR des Summationspunktes 22 wird einem Dividierer
20 zugeführt, dem desweiteren das Signal UF eingangsseitig anliegt. Das Ausgangssignal
x/UF des Dividierers 20 wird dem Summationspunkt 21 mit positivem Vorzeichen zugeleitet.
Als weitere Eingangsgröße liegt dem Summationspunkt 21 eine konstante Spannung Ukonst
mit negativem Vorzeichen an. Das Ausgangssignal des Summationspunktes 21 wird mit
positivem Vorzeichen auf den Summationspunkt 14 gegeben. Im Unterschied zum Au8führungsbeispiel
gemäß Fig. 1 liegen dem Summationspunkt 14 beim Beispiel gemäß Fig. 3 die Signale
UF und IWR nicht direkt an.
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Die zahlenmäßige Auslegung der Wichtungsfaktoren K1 und K2 sowie der
konstanten Spannung UkOnSt ist von den Daten des Leistungsteils abhängig. Mit Hilfe
des Dividierers 20 und der weiteren Summationspunkte 21, 22 wird das Steuerverhalten
der Einspeisung berücksichtigt; der Einfluß der Spannungsabfälle am Transformator
3 wird kompensiert, ebenso der Einfluß der schwankenden Speisespannung UF. Durch
die Anordnung gemäß Fig. 3 wird erreicht, daß auch bei kleiner p-Verstarkung der
Regler die bleibende Sollwertabweichung der Regelung klein ist.
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Bei Vorliegen eines anderen Typs von Einspeisestromrichter wird eine
entsprechend anders strukturierte Störgrößenaufschaltung erforderlich, d.h. anstelle
der Elemente 20, 21 und 22 wird eine angepaßte Schaltung verwendet, gegebenen-.
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falls entfällt die Störgrößenaufschaltung.
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In Fig. 4 sind einsetzbare Filterkreischarakteristiken und eine mögliche
Filteranordnung dargestellt. Dabei ist das Tiefpaßfilter 19b bei Fig. 4 nicht an
einen Stromwandler 7 angeschlossen, sondern liegt a usgang des Tiefpaßfilters 18.
Das Tiefpaßfilter 18 enthält für das vorliegende Beispiel (Hechselstromeinspeisung,
Brückenschaltung) ein Sperrglied für die doppelte Netzfrequenz der Speisespannung
UF. Am Ausgang des Filters 18 steht das der Regelung zugeführte Istwert-Signal Udist
der Zwischenkreisausgangsspannung an.
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Zur Erzeugung des Istwert-Signales Icist des Kondensatorstromes wird
im Beispiel gemäß Fg. 4 dem Filter 18 ein differenzierendes Filter 19b nachgeschaltet,
das zu höheren Frequenzen hin in einen Tiefpaß übergeht.
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Der Frequenzgang (Amplitude) der Filter 18 und 19b ist in Fig. 4 dargestellt.
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