DE3111756A1

DE3111756A1 - Steuervorrichtung fuer einen steuerumrichter

Info

Publication number: DE3111756A1
Application number: DE19813111756
Authority: DE
Inventors: Kihei Yokohama Nakajima; Kenichi Kodaira Tokyo Otsuka; Hiroshi Hachioji Tokyo Uchino
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1980-03-26
Filing date: 1981-03-25
Publication date: 1982-01-28
Also published as: JPS56136178A; JPS6155344B2; DE3111756C2; US4349867A

Description

Steuervorrichtung für einen Steuerumrichter

Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für einen Steuerumrichter, insbesondere zur Verbesserung des Eingangsleistungsfaktors des Steuerumrichters.

Ein Steuerumrichter (cycloconverter) ist eine Vorrichtung zur unmittelbaren Umwandlung eines Wechselstroms einer ersten Frequenz in einen anderen Wechselstrom mit einer zweiten Frequenz. Als Frequenzwandler großer Leistung wird bekanntlich ein Steuerumrichter in Form einer Kombination aus mehreren Brückenumformern des Eigenkommutierungs-Typs eingesetzt, weil ein solcher Steuerumrichter unter schnellansprechender Steuerung stabil arbeitet. Der Eingangsleistungsfaktor des Steuerumrichters ist aber ungünstiger als beim Gleichspannungswandler. Der Eingang zum Steuerumrichter enthält nämlich einen großen Anteil an Blindleistungskomponenten. Da eine Spannung über eine an die Ausgangsklemme des Steuerumrichters angeschlossene Last im allgemeinen eine Sinuswellenform besitzt, wird die Eingangswechselspannung des Steuerumrichters so gewählt, daß die Ausgangsspannung eines Brückenwandlers (Spannung zwischen einem gemeinsamen oder Sammel-Verbindungspunkt der Brükkenwandler und einer Lastanschlußklemme des betreffenden Brückenwandlers) einen Scheitelwert der sinusförmigen Lastspannung erreichen kann. Auch wenn der Scheitelwert der Lastspannung der maximalen Ausgangsspannung des Steuerumrichters gleich ist, sind die Spannungswerte im größten Teil einer Periode der Lastspannung kleiner als die maximale Ausgangsspannung des Steuerumrichters.

Mehrere siliziumgesteuerte Gleichrichter jedes Brückenwandlers, die den Steuerumrichter bilden, nehmen an den Gate-Elektroden von einer Steuervorrichtung für den Steuerumrichter gelieferte Steuersignale ab und unterliegen der |

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Steuerung durch diese Steuersignale. Es sei angenommen, daß der Steuerverzögerungswinkel jedes siliziumgesteuerten Gleichrichters OC beträgt. Ebenso sei angenommen, daß die Ausgangsfrequenz des Steuerumrichters Null beträgt, d. h. daß ein konstanter Gleichstrom durch den Steuerumrichter fließt. Unter diesen idealen Betriebsbedingungen des Steuerumrichters beträgt sein Eingangsleistungsfaktor cos 0r_; die Ausgangsgleichspannung des Steuerumrichters ist cos (X proportional, und die Blindeingangsleistung zum Steuerumrichter ist sin Qt proportional. Zur Verbesserung des Eingangsleistungsfaktors des Steuerumrichters durch Verringerung der Blindeingangsleistung der betreffenden Brückenwandler muß daher jeder Brückenwandler so angesteuert werden, daß er eine möglichst große positive oder negative Ausgangsspannung über den größtmöglichen Teil einer (Zyklus-)Periode der Lastphasenspannung erzeugt.

Der Eingangsleistungsfaktor des Steuerumrichters hängt weitgehend von einem Spannungsumwandlungsverhältnis A-(A= Scheitelwert der Lastspannung/Höchstwert einer idealen Ausgangsspannung des Steuerumrichters, nämlich für den Fall, daß der Steuerverzogerungswinkel CX jedes siliziumgesteuerten Gleichrichters Null beträgt) und von einem Leistungsfaktor der Last selbst ab. Je größer das Spannungsumwandlungsverhältnis und der Leistungsfaktor der Last selbst sind, um so mehr ist der Eingangsleistungsfaktor des Steuerumrichters verbessert. Unabhängig hiervon wird jedoch die Ausgangsspannung jedes Brückenwandlers beim bisherigen Steuerumrichter so gesteuert, daß sie eine Sinuswellenform besitzt. Der Eingangsleistungsfaktor des Steuerumrichters ist daher bislang niedriger als derjenige eines Gleichspannungswandlers.

Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Schaffung einer Steuervorrichtung für einen Steuerumrichter, welche den Eingangsleistungsfaktor des Steuerumrichters durch Steuerung desselben in der Weise verbessert, daß seine positive oder negative Ausgangsspannung größer ist als die

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Spannung der an ihn angeschlossenen Last.

Diese Aufgabe wird bei einer Steuervorrichtung für einen Steuerumrichter, der an eine Mehrphasen-Wechselstromquelle angeschlossen ist und m Sätze von Brückenwandlern aufweist, die jeweils mit einer ersten Ausgangsklemme an einen gemeinsamen bzw. Sammel-Verbindungspunkt und mit einer zweiten Ausgangsklenune an eine entsprechende Eingangsklemme einer vom Sammel-Verbindungspunkt getrennten, m-phasigen (m ^ 3) Last angeschlossen sind und die jeweils aus siliziumgesteuerten Gleichrichterelementen (SCR) bestehen, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Steuervorrichtung eine SpannungsSteuer- oder -regeleinrichtung zur Steuerung (Einstellung) der Ausgangsspannungen der Brückenwandler nach Maßgabe eines vorbestimmten Bezugsspannungssignals, eine Stromsteuer- oder -regeleinrichtung zur Steuerung (Einstellung) der Ausgangsspannungen der Brückenwandler nach Maßgabe eines Phasensteuer-Eingangssignals, das von einem Unterschied zwischen einem Bezugsstromsignal abhängig ist, um die Ausgangsströme der Brükkenwandler und die Lastströme der Last zu bestimmen, und Schaltereinheiten zum periodischen Umschalten der Spannungsund der Stromsteuereinrichtung in Übereinstimmung mit einer Phase der Lastspannung aufweist, daß die Spannungssteuereinrichtung mittels des Bezugsspannungssignals die Ausgangsspannung des Brückenwandlers entsprechend einer Lastspannung während einer 1/m Periode eines Zyklus der Lastspannung steuert, wobei sich der Mittelpunkt der 1/m Periode an einem positiven oder negativen Hochstamplitudenpunkt der Lastspannung befindet, und daß die Stromsteuereinrichtung mittels des Phasensteuer-Eingangssignals die Ausgangsspannung des Brückenwandlers während der restlichen Periode des einen Zyklus der Lastspannung steuert.

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Die Schalteinrichtung gibt jede Phasenspannung der Last einer Logikschaltung ein und bewirkt ein vorbestimmtes Umschalten mittels des AusgangsSignaIs der Logikschaltung/ um dabei die Spannungs- und Strornsteuereinheit nach Maßgabe einer Phase der Lastspannung zu wählen.

Erfindungsgemäß wird der Steuerumrichter so angesteuert, daß er eine die Lastspannung übersteigende positive oder negative Ausgangsspannung liefert, wodurch der Eingangsleistungsfaktor des Steuerumrichters verbessert wird.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Steuerumrichteranlage, auf welche eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuerumrichter-Steuervorrichtung angewandt ist,

Fig. 2 ein Schaltbild eines bei der Schaltung nach Fig. 1 verwendeten SchaltSignalgenerators,

Fig. 3A und 3B graphische Darstellungen der Beziehungen zwischen der Ausgangsspannung eines Brückenwandlers und einer entsprechenden Phasenspannung der Last gemäß Fig. 1,

Fig. 4A eine graphische Darstellung einer Änderung eines Eingangsleistungsfaktors bei einem bisherigen Steuerumrichter in bezug auf einen Lastleistungsfaktor,

Fig. 4B eine graphische Darstellung der Änderung eines Eingangsleistungsfaktors eines durch die erfindungsgemäße Steuervorrichtung angesteuerten Steuerumrichters,

Fig. 5 ein Schaltbild einer Steuerumrichteranlage mit einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

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Fig. 6 ein Blockschaltbild eines bei der Schaltung nach Fig. 5 verwendeten Bezugsspannungssignalgenerators,

Fig. 7 eine graphische Darstellung einer Wellenform zur Verdeutlichung der Funktion eines bei der Schaltung nach Fig. 6 verwendeten Festwertspeichers und

Fig. 8 eine graphische Darstellung von Wellenformen zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen einer Phasenspannung der Last und einer Ausgangsspannung eines Brückenwandlers gemäß Fig. 5.

Im folgenden ist die Erfindung der Einfachheit halber anhand einer Steuervorrichtung für einen Steuerumrichter zur Lieferung von Strom mit einer gewünschten Frequenz zu einer in Sternschaltung angeordneten Dreiphasen-Last beschrieben. Gemäß Fig. 1 sind drei Ausgänge 1a, 1b und 1c eines Dreiphasen-Eingangstransformators 1 an Brückenwandler 2a, 2b bzw. 2c angeschlossen, die einen Steuerumrichter 2 bilden. Jeder Brückenwandler besteht aus zwei Dreiphasen-Vollweggleichrichterf? die in Antiparallelschaltung angeordnet sind und jeweils eine Anzahl von siliziumgesteuerten Gleichrichterelementen (SCR) aufweisen. Das eine Ende (erste Ausgangsklemme) jedes Brückenwandlers ist an einen gemeinsamen bzw. Sammel-Verbindungspunkt angeschlossen, während die anderen Enden (zweite Ausgangsklemmen) dieser Brückenwandler mit den Eingangsklemmen einer Last 3 verbunden sind. Die Last 3 kann entweder eine LR-Last ader eine Wechselstrom-Motorlast sein; bei der dargestellten Ausführungsform ist als Last 3 jedoch eine LR-Last vorgesehen. Die Lastströme von den Phasen U, V und W sind mit i-, i„ bzw. i„ bezeichnet, während ein Neutralpunkt der Last 3 bei 4 angegeben ist. Der Sammelverbindungspunkt der Brückenwandler 2a bis 2c ist vom Neutral-

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punkt 4 der Last getrennt. Die Lastströme i , i_v und i„ besitzen jeweils eine Sinuswellenform. Ein Schaltsignalgenerator 5 berechnet die jeweiligen Phasen der Phasenspannungen der Last, um Schaltsignale zur Betätigung von noch näher zu beschreibenden Schaltereinheiten zu erzeugen. Insbesondere erhält der Schaltsignalgenerator 5 über Potentialtransformatoreri (PT) 6 Lastspannungen zur Erzeugung von Signalen L , L.. und L_w für die Betätigung der Schaltereinheiten in einem vorgegebenen Takt. Die Einzelheiten des Schaltsignalgenerators sind anhand von Fig. 2 näher erläutert. Stromdetektorschaltungen 7a bis 7c erfassen die zu den Brückenwandlern 2a bis 2c fließenden Eingangswechselströme über Stromtransformatoren (CT) Die Symbole i*_n/ i*_v und i* stehen für Bezugsstromsignale jeweils verschiedener Phase. Die Frequenzen der Ausgangssignale des Steuerumrichters ändern sich in Abhängigkeit von den Frequenzen der Bezugsstromsignale. Die Lastströme ändern sich in Abhängigkeit von den Amplituden der Bezugsstromsignale. Addierstufen 9a bis 9c liefern Signale/ ■welche die Unterschiede zwischen den Bezugsstromsignalen und den Lastströmen oder den Ausgangssignalen von den Stromdetektorschaltungen bezeichnen. Die Differenzsignale werden Verstärkerschaltungen 10a bis 10c eingespeist. Ein Bezugsspannungssignal 11 ist bei der dargestellten Ausführungsform eine konstante Gleichspannung. Die Ausgangssignale PHi der Verstärker 10a bis 10c werden als Phasensteuer-Eingangssignale entsprechend den genannten Unterschieden oder Differenzen bezeichnet. Ein Bezugsspannungssignal ist mit PHv bezeichnet. Schalter 12a bis 12c, welche die Schaltereinheiten bilden, werden durch die Signale L_n, L_v bzw. Iu, zu jeweils verschiedenen Zeitpunkten betätigt. Die Ausgangssignale dieser Schalter nach dem Umschalten derselben werden an Phasensteuerschaltungen 13a bis 13c angelegt, deren Ausgangsimpulse als Steuersignale an die Gate-Elektroden der siliziumgesteuerten Gleichrichter der Brückenwandler über zugeordnete Gate-Impulsver-

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- 11 stärker 14a bis 14c angelegt werden.

Im folgenden ist ein Beispiel für den Aufbau des Schaltsignalgenerators 5 anhand von Fig. 2 erläutert. Die Spannungen V_n, V_v und V_w der einzelnen Phasen der Last 3, die über den Potentialtransformator 6 abgenommen werden, werden an Filter 5. bis 5₃ angelegt,- um in den Spannungen enthaltene Welligkeitskomponenten zu beseitigen und Spannungen

V , V bzw. V zu formen, die jeweils eine einer Sinuswellenform sehr ähnliche Wellenform besitzen. Bei der dargestellten Ausführungsform erscheinen die Spannungen V_n, V_v an der Plusklemme bzw. der Minusklemme einer Addierstufe 15.., die Spannungen V und V.. an der Plusklemme bzw. an der Minusklemme einer Addierstufe 15-r die Spannungen V._r und V_rT an der Plusklemme bzw. an der Minusklemme einer Addierstufe 15,, die Spannungen V_v und V an der Plusklemme bzw. an der Minusklemme einer Addierstufe 15., die Spannungen vL und V_n an der Plusklemme bzw. an der Minusklemme einer Addierstufe 15,-/ und die Spannungen V-. und V„ an der Plusklemme bzw. an der Minusklemme einer Addierstufe 15g. Ein Komparator 16.. vergleicht die Spannungen

V und V„, während ein Komparator 16- die Spannungen V_n und V , ein Komparator 16, die Spannungen V_v und V„, ein Komparator 16. die Spannungen V_v und V_n, ein Komparator 16c die Spannungen V_w und V_n und ein Komparator 16 die Spannungen V., und V_n vergleicht. Jeder Komparator liefert bei Eingang eines positiven Eingangssignals ein Signal "1" und bei Eingang eines negativen Eingangssignals ein Signal "0". Die Ausgangssignale der Komparatoren 16- und 16₂ werden einem UND-Glied 17- eingespeist, während die Ausgangssignale der Komparatoren 16₃ und 16. einem UND-Glied 17₂ und die Ausgangssignale der Komparatoren 16₅ und 16g einem UND-Glied 17₃ eingespeist werden. Bei dieser Schaltungsanordnung liefert das UND-Glied 17.. ein Signal L zum Umschalten des Schalters 12a auf das Bezugsspannungssignal PHv während einer Zeitspanne, während welcher die Spannung V_n größer ist als die beiden restlichen Phasenspannungen.

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Das UND-Glied 17₂ liefert ein Signal L„ zum Umschalten des Schalters 12b auf das Bezugsspannungssignal PHv, wenn die Spannung V„ größer ist als die beiden anderen Phasenspannungen. Das UND-Glied 17₃ liefert ein Signal zum Umschalten des Schalters 12c auf das Bezugsspannungssignal PHv, wenn die Spannung V größer ist als die anderen Spannungen.

Die Arbeitsweise der Steuerumrichter-Steuervorrichtung gemäß Fig. 1 ist im folgenden anhand der Fig. 3A und 3B erläutert. Hierbei wird nur die Steuerung des Brückenwandlers 2c beschrieben, weil alle Brückenwandler 2a bis 2c auf dieselbe Weise angesteuert werden. In Fig. 3Λ. sind auf der Abszisse die Zeit und auf der Ordinate die Wellenformen von Spannungen aufgetragen, deren Welligkeitskomponenten aufgrund der Kommutierung der Thyristoren beseitigt worden sind. Bei 20 ist eine Sinus-Spannungswellenform der Phase W der Last 3 angegeben, während die Ziffer 21 eine Ausgangsspannungswellenform des Brückenwandlers 2c angibt, d. h. eine Wellenform der Spannung zwischen dem Sammel-Verbindungspunkt der Brückenwandler 2a bis 2c und der Ausgangsklemme des Brückenwandlers 2c. Die Ausgangsspannung 21 des Brückenwandlers 2c wird während einer Zeitspanne über einen elektrischen Winkel von 120°, d. h. während der Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten t.. und t₂, so gesteuert, daß sie eine feste positive Größe V besitzt.

Der Mittelpunkt dieser Zeitspanne befindet sich auf einem maximalen positiven Amplitudenpunkt t der Lastspannung der Phase W. Die Ausgangsspannungssteuerung während dieser Zeitspanne erfolgt durch das Bezugsspannungssignal PHv. Während der restlichen Zeitspanne einer Periode der Phasenspannung W, d. h. über einen elektrischen Winkel von 240°, wird die Ausgangsspannung des Brückenwandlers 2c durch das Phasensteuer-Eingangssignal PHi gesteuert, das vom Unterschied zwischen dem Bezugsstrom i*_w und dem Laststrom i_w abhängt. In Fig. 3A ist die Ausgangsspannung des

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Brückenwandlers 2c dann, wenn der Steuerverzögerungswinkel OC des siliziumgesteuerten Gleichrichters O beträgt, mit 1 bezeichnet. Die dargestellte Wellenform 21 der Ausgangsspannung gilt für den Fall, daß der Steuerverzögerung swinkel <X»30° oder der Steuervorlaufwinkel 30° beträgt. Fig. 3A veranschaulicht einen Fall, in welchem die Lastspannung der Phase W ungefähr den Höchstwert besitzt, während Fig. 3B einen Fall veranschaulicht, in welchem die Lastspannung der Phase W etwa die Hälfte der Größe gemäß Fig. 3A besitzt. Wie aus der Darstellung hervorgeht, weicht die Wellenform 21 der Ausgangsspannung des Brückenwandlers 2c zur positiven Seite hin ab. Weiterhin ist die Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten t₁ und t~, während welcher eine Hochpegelspannung V geliefert wird, länger als die entsprechende Zeitspanne beim bisherigen Steuerverfahren. Obgleich nicht speziell dargestellt, ist ersichtlich, daß die Ausgangsspannung des Steuerumformers 2 dann, wenn die Lastspannung 20 nahezu O beträgt, im wesentlichen eine feste positive Größe besitzt. Obgleich in den Fig. 3A und 3B nur die Ausgangsspannungswellenformen des Brückenwandlers 2c dargestellt sind, ist darauf hinzuweisen, daß ähnliche Wellenformen der Ausgangsspannungen der restlichen Brückenwandler 2b und 2a der Wellenform 21 gemäß Fig. 3A mit einer gegenseitigen Phasenverschieben von 120° überlagert sind.

Obgleich die Ausgangsspannung des Brückenwandlers 2c die Wellenform gemäß Fig. 3A besitzt, können die Phasenspannung der Last und der Laststrom mit dem bisherigen Steuersystem zweckmäßig (in a manner) gesteuert werden. Der Grund hierfür ist folgender: Wenn ein Augenblickswert einer Phasenspannung der Last mit V, sina» ,t vorausgesetzt wird, wird die Ausgangsspannung des einen Brückenwandlers während eines elektrischen Winkels von fa't = 7/6) bis (<#,t = 5*776) so gesteuert, daß sie die feste Größe V_c gemäß Fig. 3A besitzt. Infolgedessen gilt:

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Vc = ν + V₁SInU,' t (1)

η χ l

In dieser Gleichung bedeutet ν eine Spannung am Neutralpunkt 4 der Last 3 gegenüber dem Sammel-Verbindungspunkt der Brückenwandler 2a bis 2c, wobei sich ν durch folgende Gleichung ausdrücken läßt:

ν = Vc - V, sin W₁1 (2)

Dies bedeutet, daß sich die Spannung ν am Neutralpunkt 4 der Last jede 1/3 Periode eines Zyklus der Phasenspannung der Last so ändert, daß sie der Gleichung (2) genügt. Die Ausgangsspannung des Brückenwandlers, die einer Stromsteue rung durch das Phasensteuer-Eingangssignal PHi unterworfen ist, ist die Summe aus der Spannung ν am Last-Neutral punkt gemäß Gleichung (2) und der Phasenspannung V, sin^-Lt der dem (betreffenden) Brückenwandler entsprechenden Last. Fig. 3A veranschaulicht einen Fall, in welchem der Scheitelwert der Spannung 20 der Phase W der Ausgangsspannung des Brückenwandlers 2c gleich ist, der bzw. die mit einem Steuerverzögerungswinkel Ct = 30° oder einem Steuervorlaufwinkel ß = 30° gesteuert wird. Durch Änderung der Neutralpunktspannung ν bei jeder Drittelperiode eines Zyklus der W-Phasenspannung der Last wird die Ausgangsspannung des Brückenwandlers 2c kleiner als der Höchstwert V seiner Ausgangsspannung in der Nähe des negativen Scheitelwerts der W-Phasenspannung (vgl. Fig. 3A). Mit anderen Worten: die maximale Amplitude (Scheitel-Scheitel) der Ausgangsspannung des Brückenwandlers 2c ist kleiner als die maximale Amplitude (Scheitel-Scheitel) der W-Phasenspannung der Last. Dies setzt voraus, daß dann, wenn die Last 3 konstant ist, die Eingangsspannung des Brückenwandlers 2c oder des Steuerumrichters 2 kleiner sein kann als die Eingangsspannung des bisherigen Steuerumrichters. Bei unverändert bleibender Last kann insbesondere die dem Steuerumrichter eingespeiste, durch die erfindungsgemäße Steuervorrichtung gesteuerte Eingangswechselspannung etwa 87 % der Steuerumrichter-Eingangswechselspannung betragen, die

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durch die bisherige ' Steuervorrichtung gesteuert wird. Hieraus läßt sich eine Verbesserung des Eingangsleistungsfaktors des Steuerumrichters ableiten.

Fig. 4A veranschaulicht eine Eingangsleistungsfaktor-Kennlinie des durch die bisherige Steuervorrichtung angesteuerten Steuerumrichters.· Fig. 4B veranschaulicht eine entsprechende Eingangsleistungsfaktor-Kennlinie des durch die erfindungsgemäße Steuervorrichtung angesteuerten Steuerumrichters. In Fig. 4A und 4B sind auf der Abszisse der Leistungsfaktor der Last und auf der Ordinate der Eingangsleistungsfaktor des Steuerumrichters aufgetragen, wobei das Spannungsumwandlungsverhältnis λ als Parameter herangezogen ist. Hierbei ist zu beachten, daß die Eingangsspannung des Steuerumrichters gemäß Fig. 4B /§/'2 betragen kann, während die Eingangsspannung des Steuerumrichters gemäß Fig. 4A die Größe 1 besitzen muß. Aus den Fig. 4A und 4B ergibt sich somit, daß mit der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung der Eingangsleistungsfaktor des Steuerumrichters verbessert werden kann. Diese Verbesserung läßt sich auch im Fall einer in Dreiecksschaltung angeordneten Last erzielen.

Im folgenden ist eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung für einen Steuerumrichter anhand von Fig. 5 erläutert. Dabei ist das Bezugsspannungssignal 11 bzw. PHv nach Fig. 1 durch ein von einem Bezugsspannungsgenerator 22 geliefertes Bezugsspannungssignal PHv ersetzt. Dieser Bezugsspannungsgenerator 22 nimmt die drei Phasenspannungen von der Last über den Schaltsignalgenerator 5 ab, um das Bezugsspannungssignal PHv zu erzeugen. Die Hauptmerkmale der Ausführungsform gemäß Fig. 5 liegen darin, daß die Amplitude der Ausgangsspannung des Brückenwandlers innerhalb der SpannungsSteuerperiode von t₁ bis t2 (Fig. 3A) geändert werden kann und daß die Amplitude der Ausgangs-

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spannung des Brückenwandlers innerhalb der positiven Halbperiode der Lastspannung über einen vorgegebenen elektrischen Winkel (kleiner als 1/m Periode eines Zyklus der Lastspannung) konstant gehalten werden kann, wobei der Mittelpunkt der 1/m Periode am maximalen positiven Scheitelpunkt der Lastspannung liegt. Der Schaltungsaufbau des*r2ugspannungssignalgenerators 22 ist in Fig. 6 dargestellt. Die Lastspannungen V.., V„ und V_w, deren Welligkeitskomponenten beseitigt worden sind, werden vom Schaltsignalgenerator 5 zum Bezugssignalgenerator 22 geliefert. Eine Scheitelwert-Rechenschaltung 25 nimmt die Spannungen Vy bis V_w ab und berechnet einen Scheitelwert V₁₁ der Lastspannung nach folgender Gleichung:

- /2/3 (V₀2 + V_V2 + V_W2)

Ein Teiler 26 nimmt die Spannungen V^ bis V_w sowie den Scheitelwert V,. ab und dividiert erstere durch den Scheitelwert V₁₁ zur Lieferung von drei Phasenspannungen V-.., V₁ und V₁ mit einem festen Scheitelwert. Eine Spannungsphasen-Rechenschaltung 27 berechnet die Phasen der Eingangs spannung en V_n1, V_v1 und V₁ zur Erzeugung eines Analogsignals 28, das für einen Phasenwinkel θ steht. Ein Analog/Digital- bzw. A/D-Wandler 29 wandelt das Ausgangs- * signal 28 der Phasen-Rechenschaltung 27 in ein Digitalsignal 30 um. Ein Festwertspeicher (ROM) 31 speichert die Digitaldaten entsprechend einer Wellenform 34 gemäß Fig. Der Inhalt des Festwertspeichers 31 wird entsprechend dem Ausgangstakt des AusgangsSignaIs 30 des A/D-Wandlers 29 ausgelesen. Wie durch die Wellenform 34 in Fig. 7 angedeutet, speichert der Festwertspeicher 31 Digitaldaten, die periodisch ausgelesen werden, um dieselben Wellenformen bei jeweils einem elektrischen Winkel von 120° zu erzeugen. Insbesondere speichert der Festwertspeicher 31 Daten "1"

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entsprechend dem Spitzenwert der Lastphasenspannung, der über einen elektrischen Winkel von etwa 100° reicht und dessen Mittelpunkt mit dem Spitzenwert in der positiven Halbwelle der Lastspannung koinzidiert, während er weiterhin Daten speichert, die sich im restlichen Teil der Periode des elektrischen Winkels von 120° allmählich von "1" auf "0,8" verkleinern. Das Ausgangssignal 32 des Festwertspeichers 31 wird durch einen D/A-Wandler in ein Analogsignal 34 umgesetzt. Eine Multiplizierstufe 35 multipliziert das Ausgangssignal V,.. der Scheitelwert-Rechenschaltung 25 mit dem Ausgangssignal 34 vom D/A-Wandler 33 zur Erzeugung eines Ausgangssignals 36. Ein Potentiometer 36 liefert die maximale Ausgangsspannung PHmax, um die Brückenwandler 2a bis 2c ein maximales Ausgangssignal liefern zu lassen. Eine erste Addierstufe 37 subtrahiert den Scheitelwert V₁₁ vom Ausgangssignal PHmax des Potentiometers. Eine zweite Addierstufe 38 summiert die Ausgangsspannung der ersten Addierstufe 37 und das Ausgangssignal 36 von der Multiplizierstufe 35 zur Lieferung eines Bezugsspannungssignals PHv. Letzteres wird für die Gate-Ansteuerung der Thyristoren in den Brükkenwandlern 2a bis 2c gemäß Fig. 5 benutzt.

Im folgenden ist die Arbeitsweise des Bezugsspannungsgenerator 22 nach Fig. 6 anhand von Fig. 8 erläutert. Die Ausgangsspannungen V₀₁ , V_V1 und V-,.. des Teilers 26 sind drei Phasen-Wechselspannungen entsprechend den Phasenspannungen der Last 3 mit einem festen Scheitelwert. Die Phasenwinkel θ der Phasenspannung werden durch die Spannungsphasen-Rechenschaltung 27 erfaßt, so daß das dem Phasenwinkel θ entsprechende Analogsignal 28 erhalten wird. Der Phasenwinkel θ wird durch den A/D-Wandler 29 in ein Digitalsignal 30 umgewandelt. Der Digital/Analog-" bzw. D/A-Wandler 33 liefert das Analogsignal 34 entsprechend der Periode t₃ bis t. gemäß Fig. 7 zur Multiplizierstufe

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Das Ausgangssignal der ersten Addierstufe 37 und das Signal 36 als Produkt des Scheitelwerts V₁₁ der Lastspannung und des Signals 34 werden der zweiten Addierstufe 38 eingegeben, die ihrerseits das.iugspannungssignal PHv liefert. Wenn der Brückenwandler 2c durch das Signal PHv während der Spannungssteuerperiode bzw. 1/m (120° im Fall der Dreiphasenanordnung) durch die Phasensteuerschaltung 13c und einen Gate-Impulsverstärker 14c gemäß Fig. 5 angesteuert wird, wird die Ausgangsspannungswellenform des Brückenwandlers 2c so gesteuert, daß sie gemäß Fig. 8 eine Trapezwellenform 38 darstellt. Die Wellenform 38 enthält einen Teil 38a mit einer festen, durch PHmax (entsprechend der Spannungssteuerung) bestimmten Größe und einen Teil 38b (entsprechend der Stromsteuerung) mit einem Gefälle, welches der Lastspannung der Phase W.proportional ist. Fig. 8 veranschaulicht einen Vergleich zwischen der Ausgangswellenform des Brückenwandlers 2c entsprechend der Phase W der Last und der Wellenform der Spannung 39 der Lastphase W. Hierbei ist darauf hinzuweisen, daß die Ausgangsspannungswellenformen des Brückenwandlers 2b entsprechend der Lastphase V und des Brückenwandlers 2a entsprechend der Lastphase V mit einer Phasenverschiebung um 120° bzw. 240° gegenüber der Ausgangsspannungswellenform des Brückenwandlers 2c auftreten. Mit der Ausführungsform gemäß Fig. 5 kann der Eingangsleistungsfaktor des Steuerumrichters 2 noch weiter verbessert werden als bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1, deren Leistungsfaktor in Fig. 4B dargestellt ist.

Wenn bei der dargestellten Ausführungsform im Fall einer Dreiphasenlast die Lastströme zweier Phasen auf eine Sinuswellenform gesteuert werden, werden symmetrische Dreiphasen-Lastströme entsprechend der Beziehung i„ + i„ + i_- = erhalten. Die Ausgangsspannung des Steuerumrichters 2 wird so gesteuert, daß jeder der Brückenwandler 2a bis 2c eine hohe Ausgangsspannung (z. B. einen Teil 38a gemäß Fig. 8) liefert. Infolgedessen ändert sich die Spannung am Neutralpunkt 4 der Last 3 in Abhängigkeit von der

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hohen Ausgangsspannung in Übereinstimmung mit Gleichung (2)-Der Steuerumrichter 2 wird also so betrieben, daß er ständig eine hohe Ausgangsspannung liefert. Demzufolge, ist die Eingangsblindleistung des Steuerumrichters 2 klein, so daß sein Eingangsleistungsfaktor besser ist als beim bisherigen Steuerumrichtersystem, bei dem die Ausgangsspannung dieses Brückenwandlers so gesteuert wird, daß
sie eine Sinuswellenform besitzt. Da der Sammel-Verbindungspunkt der Brückenwandler 2a bis 2c vom Neutralpunkt 4 der Last 3 getrennt ist, liegt die Neutralpunktspannung der Last an, so daß die Amplitude (zwischen positivem und negativem Scheitelwert) der Lastspannung größer ist als die Amplitude (zwischen Mindestwert und Höchstwert) des Steuerumrichters 2. Dies bedeutet, daß die Eingangswechselspannung des Steuerumrichters kleiner sein kann als
beim bisherigen Steuerumrichtersystem. Infolgedessen kann der Steuerumrichter einen großen Eingangsleistungsfaktor besitzen; weiterhin werden hierdurch eine Verkleinerung der Abmessungen und eine Senkung der Kosten für die
Steuerumrichteranlage gewährleistet.

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Claims

Henkel, Kern, Feiler frHänre) :.. . . Patentanwälte Registered Representatives before the European Patent Office Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha 3111756 Kawasaki, Japan MöhlstraSe 37 D-8000 München Tel.: 089/982085-87 Telex: 0529802 hnkld Telegramme: ellipsoid 25. März 1981 KM-55P737-2 Steuervorrichtung für einen Steuerumrichter Patentansprüche

1./Steuervorrichtung für einen Steuerumrichter, der an eine Mehrphasen-Wechselstromquelle angeschlossen ist und m Sätze von Brückenwandlern aufweist, der jeweils mit einer ersten Ausgangskiemme an einen gemeinsamen bzw. Sammel-Verbindungspunkt und mit einer zweiten Ausgangsklemme an eine entsprechende Eingangsklemme einer vom Sammel-Verbindungspunkt getrennten, m-phasigen (m ^ 3) Last (3) angeschlossen sind und die jeweils aus siliziumgesteuerten Gleichrichterelementen(SCR) bestehen, dadurch gekennzeichnet/ daß die Steuervorrichtung eine Spannungssteuer- oder -regeleinrichtung zur Steuerung (Einstellung) der Ausgangsspannungen der Brückenwandler (2a - 2c) nach Maßgabe eines vorbestimmten Bezugsspannungssignals (PHv), eine Stromsteuer- oder -regeleinrichtung zur Steuerung (Einstellung) der Ausgangsspannungen der Brückenwandler nach Maßgabe eines Phasensteuer-E^ngargssignals (PHi), das

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von einem Unterschied zwischen einem Bezugsstromsignal (i* - i*_w) abhängig ist, um die Ausgangsströme der Brükkenwandler und die Laststrome der Last (3) zu bestimmen/ und Schaltereinheiten (5, 12a - 12c) zum periodischen Umschalten der Spannungs- und der Stromsteuereinrichtung in Übereinstimmung mit einer Phase der Lastspannung aufweist, daß die Spannungssteuereinrichtung mittels des Bezugsspannungssignals die Ausgangsspannung des Brückenwandlers entsprechend einer Lastspannung währä*<ä einer 1/m Periode eines Zyklus der Lastspannung steuert, wobei sich der Mittelpunkt der 1/m Periode an einem positiven oder negativen Höchstamplitudenpunkt der Lastspannung befindet, und daß die Stromsteuereinrichtung mittels des Phasensteuer-Eingangssignals die Ausgangsspannung des Brückenwandlers während der restlichen (1-1/m) Periode des einen Zyklus der Lastspannung steuert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Phasensteuerschaltungen (13a - 13c) und Verstärkerschaltungen (14a - 14c) zur Verstärkung der Ausgangssignale der Phasensteuerschaltungen zwecks Lieferung von Gate-Steuersignalen für die siliziumgesteuerten Gleichrichterelements vorgesehen sind, daß die Schaltereinheiten einen Schaltsignalgenerator (5) zur Erfassung der Phasen der Lastspannungen zwecks Erzeugung von Schaltsignalen (L , L_v, L_n) sowie Umschalter (12a - 12c) aufweisen, die durch die Ausgangssignale des Schaltsignalgenerators ansteuerbar sind, daß die Spannungssteuereinrichtung das Bezugsspannungssignal (PHv) zu den Phasensteuerschaltungen liefert und daß die Stromsteuereinrichtung Stromdetektorschaltungen (7a - 7c) zur Erfassung der Eingangswechselströme der Last (3), Addierstufen zur Erzeugung von Differenzsignalen zwischen den Bezugsstromsignalen (i*Tj - i*_w) und den Ausgangssignalen - der Stromdetektorschaltungen sowie Verstärker (10a -

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1Oc) zur Verstärkung der Ausgangssignale der Addierstufen zwecks Lieferung der Ausgangssignale (PHi) der Verstärker zu den Phasensteuerschaltungen umfaßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltsignalgenerator (5) eine Logikschaltung (5a) zur Erzeugung von Ausgangssignalen (Ly - L-.) für die Betätigung der Umschalter (12a - 12c) in der Weise aufweist, daß das Bezugsspannungssignal (PHv) den Phasensteuerschaltungen (13a - 13c) nur während einer Zeitspanne zugeführt wird, in welcher die betreffenden Phasen der Last miteinander verglichen werden und eine vorgegebene Phasenspannung größer ist als die restlichen Phasenspannungen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltsignalgenerator (5) weiterhin Filter (S₁ 5^) zur Beseitigung von in den jeweiligen Phasenspannungen der Last enthaltenden Welligkeitsspannungen aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin ein Bezugsspannungsgenerator (22) zur Steuerung (Einstellung) einer Wellenform des Bezugsspannungssignals (PHv) vorgesehen ist und daß der Bezugsspannungsgenerator eine Scheitelwert-Rechenschaltung (25) zur Berechnung eines Scheitelwerts (V^ ..) der Lastspannung auf der Basis der jeweiligen Phasenspannungen der Last, einen Teiler (26) zur Lieferung von Phasenspannungen (V_TT1 - V-...) mit einem festen Scheitelwert durch Di-

Ul Wl

vidieren der jeweiligen Phasenspannungen der Last durch die Ausgangsspannung (V^..) von der Scheitelwert-Rechenschaltung , eine Spannungsphasen-Rechenschaltung (27) zur Berechnung der Phasenwinkel (Θ) der Ausgangsspannungen des Teilers, einen Analog/Digital- bzw. A/D-Wandler (29) zur A/D-Umwandlung des Ausgangssignals

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(28) der Phasenrechenschaltung, einen Festwertspeicher (ROM) (31), welcher eine sich periodisch in Abhängigkeit von einer Wellenform eines vorbestimmten Bezugsspannungssignals ändernde Spannung in Form von Digitaldaten speichert und dessen Inhalt nach Maßgabe des Ausgangssignals (30) des A/D-Wandlers (29) auslesbar ist, einen D/A-Wandler (33) zur D/A-Umwandlung des Ausgangssignals des Festwertspeichers, eine Multiplizierstufe (35) zum.Multiplizieren des Ausgangssignals (34) des D/A-Wandlers mit dem Ausgangssignal (V,..) der Scheitelwert-Rechenschaltung, ein Potentiometer (36) zur Lieferunq· eines ersten Höchstwerts des Bezugsspannungssignals, eine erste Addierj3tufe (37) zur Lieferung einer Differenz zwischen der Ausgangsgröße (PHmax) des Potentiometers und der Ausgangsspannung (V, ₁) der Scheitelwert-Rechenschaltung sowie eine zweite Addierstufe (38) zum Summieren des Ausgangssignals der ersten Addierstufe mit dem Ausgangssignal (36) der Multiplizierstufe zwecks Erzeugung des Bezugsspannungssignals (PHv) umfaßt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bezugsspannungssignal (PHv) eine Gleichspannung mit einer festen Amplitude ist.

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