DE3204673C2

DE3204673C2 -

Info

Publication number: DE3204673C2
Application number: DE3204673A
Authority: DE
Inventors: Hans-Herbert Dipl.-Ing. 1000 Berlin De Voigt
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1982-02-11
Filing date: 1982-02-11
Publication date: 1987-12-03
Also published as: DE3204673A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens. Ein derartiges Verfahren ist durch die DE-OS 29 35 320 bekannt.

Der Blindleistungssollwert wird dabei von einem Sollwertgeber als Konstante vorgegeben, die der vom Umrichter einschließlich der Maschine zum Zeitpunkt des Betriebes bei Nennleistung verbrauchten Blindleistung entspricht. Diese wird im wesentlichen durch die Kompensationseinrichtung aufgebracht, so daß das Netz durch den Betrieb der umrichtergespeisten Synchronmaschine nicht mit Blindleistung belastet ist. Änderungen der Netzverhältnisse (Spannungsschwankungen) werden bei diesem Verfahren jedoch nicht berücksichtigt.

Insbesondere wenn die Maschine in einem Drehzahlbereich mit wechselndem Drehmoment betrieben wird, ist es erwünscht, daß eine Anpassung an die sich einstellenden Belastungsverhältnisse erfolgen kann. Das ist mit einer Schonzeitregelung möglich, wie sie in ETZ Band 102 (1981), Heft 1, Seiten 14 bis 18 beschrieben ist. Dieses Verfahren zielt darauf ab, beim Maschinenstromrichter die Maschine im Teillastbereich mit möglichst großem Leistungsfaktor zu betreiben. Der Zwischenkreisstrom wird möglichst klein, die Zwischenkreisspannung möglichst groß gehalten. Dadurch stellt sich jedoch die netzseitige Blindleistung drehzahl- und belastungsabhängig ein, was zu entsprechenden Spannungsschwankungen führt. Eine Kompensation der auftretenden Blindleistung ist nur sehr aufwendig mit dynamischen Kompensationseinrichtungen durchführbar.

Durch die US-PS 41 74 497 ist eine Anordnung bekannt, durch die die Blindleistung eines Stromrichters der variablen Blindleistung eines parallel liegenden Verbrauchers angepaßt wird. Dazu dient ein Blindleistungsregelkreis mit auf die Netzspannung normierten Regelgrößen durch Division des Istwerts durch die quadrierte Spannung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs angegebene Verfahren so auszugestalten, daß ein optimaler Betrieb der umrichtergespeisten Synchronmaschine hinsichtlich des Netzleistungsfaktors in allen Betriebsbereichen bei schwankenden Netzverhältnissen sichergestellt ist.

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

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Das Verfahren soll im folgenden anhand der Zeichnung für ein Ausführungsbeispiel erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 einen Prinzipschaltplan eines schonzeit- und blindleistungsgeregelten Stromrichtermotors synchroner Bauart,

Fig. 2 die Abhängigkeit der Leistung des Drehmoments und des Netzstroms bei einem Betrieb des Umrichters mit konstanter Blindleistung in Abhängigkeit von der Drehzahl und

Fig. 3 a, b, c die Belastungskennlinien bei verschiedenen Drehzahlen in bezug auf den Maschinenstromrichter- und den Netzstromrichter-Steuerwinkel sowie den Strom in Abhängigkeit vom Drehmoment.

In Fig. 1 ist ein dreiphasiges Netz L 1, L 2, L 3 gezeigt, das eine aus Drosselspulen und Kondensatoren aufgebaute statische Kompensationseinrichtung 24 aufweist. Das dreiphasige Netz ist über einen Umrichter mit einem Synchronmotor 4 verbunden. Der Umrichter besteht in seinem Leistungsteil aus einem Netzstromrichter 1, einer einen eingeprägten Strom im Zwischenkreis gewährleistenden Zwischenkreisdrossel 2 und einem Maschinenstromrichter 3.

In bekannter Weise wird über einen Drehzahlregler 5 ein von einem Sollwertgeber 6 vorgegebener Drehzahlsollwert w _n mit einem Drehzahlistwert x _n, der von einem Meßwertumformer 9 aus der Klemmenspannung des Motors 4 gewonnen wird, verglichen. Die Abweichung wird in einen Stromsollwert w _I umgewandelt. Der zugehörige Stromistwert als dem Zwischenkreisgleichstrom proportionale Größe I _d wird von einem Stromwandler 17 im Zwischenkreis geliefert. Die Regelabweichung w _I -I _d beeinflußt über einen Stromregler 7 und einen Steuersatz 8 die Lage der Zündimpulse der steuerbaren Ventile des Netzstromrichters 1 und damit dessen Ausgangsspannung.

Aus der Klemmenspannung des Synchronmotors 4 und der Sperrspannung der Ventile des Maschinenstromrichters 3 wird von dem Meßwertumformer 9 neben dem drehzahlproportionalen Signal x _n das dem Istwert der Schonzeit proportionale Signal t _s erzeugt. Dieses Signal t _s wird mit einem Schonzeitsollwert t _s* verglichen, der konstant, strom- oder drehzahlabhängig vorgegeben werden kann. Die Differenz dieser Signale wird von einem Schonzeitregler 10 in einen Wert umgeformt, der dem Maschinen-Steuerwinkel χ entspricht. Eine drehzahlabhängige Begrenzungsschaltung 11 verhindert die Unterschreitung vorgegebener Minimalwerte χ _min des Maschinen-Steuerwinkels, damit ein minimaler Löschwinkel bei dem als Wechselrichter arbeitenden Maschinenstromrichter 3 nicht unterschritten wird. Die Zündimpulse für die Ventile des Maschinenstromrichters 3 werden in Abhängigkeit vom Maschinen-Steuerwinkel χ von einem Zündsteuersatz 12 gebildet.

Für eine zusätzliche Blindleistungsregelung wird über einen Meßwertumformer 13 eine der Netzspannung proportionale Größe U _N gebildet, und über ein erstes Quadrierglied 14 sowie ein diesem nachgeschaltetes Anpassungsglied 15 der Sollwert w _Q der Blindleistung errechnet. Das Anpassungsglied 15 dividiert dabei seine Eingangsgröße durch einen Wert X _SK, das der Grundschwingungsreaktanz der Kompensationseinrichtung 24 entspricht. Ein Meßglied 16 erfaßt die Zwischenkreisspannung und liefert eine dieser proportionale Größe U _d. Ein erster Multiplizierer 18 bildet das Produkt aus den Größen U _d und I _d; ein dem ersten Multiplizierer 18 nachgeschaltetes zweites Quadrierglied bildet eine der quadrierten Wirkleistung des Netzstromrichters 1 proportionale Größe P². In einem zweiten Multiplizierer 19 wird das Produkt aus den Größen U _N und I _d gebildet und einem nachgeschalteten dritten Quadrierglied 21 zugeführt. Am Ausgang des dritten Quadrierglieds 21 steht dann eine Größe S² an, die der quadrierten Scheinleistung des Netzstromrichters 1 proportional ist. Die Differenz S²-P² wird einem Radizierer 22 zugeführt, dessen Ausgang dem Istwert x _Q der Blindleistung des Netzstromrichters entspricht. Die Differenz w _Q -x _Q wird einem Blindleistungsregler 23 zugeführt.

Der Ausgang des Blindleistungsreglers 23 beeinflußt den Schonzeit-Regelkreis derart, daß bei W _Q < X _Q die Schonzeit und damit der Maschinen-Steuerwinkel χ vergrößert und bei W _Q < X _Q verringert wird. Durch das Begrenzungsglied 11 wird ein Unterschreiten der minimal zulässigen Schonzeit verhindert.

Unter Vernachlässigung der Kommutierung und aller Verluste ist die Leistung P _M des Synchronmotors 4 bei einem Motorstrom I _M und einer Motorspannung U _M

gleich der Leistung P _d im Zwischenkreis und gleich der aus dem Netz zugeführten Leistung P _NSR
(U _NSR = Netzspannung, I _NSR = Netzstrom)

α ist hier der netzseitige, χ der maschinenseitige Steuerwinkel. Unter der Voraussetzung konstanten Maschinenflusses, d. h.

U _M/n = konst. (n Motordrehzahl)

und da der Motorstrom I _M dem Netzstrom I _NSR entspricht, kann unter Bezug auf die Nenngröße (Index "N" "Nenn") geschrieben werden

Da die Grundschwingungsblindleistung des Netzstromrichters 1 das Produkt aus der ideellen Leerlaufgleichspannung, dem Zwischenkreisgleichstrom und sin α ist, kann durch Änderung des maschinenseitigen Steuerwinkels χ die aufgenommene Blindleistung beeinflußt werden. Durch den Drehzahlregelkreis 5, 7, 8 wird der Zwischenkreisstrom angepaßt, so daß die erforderliche Wirkleistung zur Verfügung steht.

Bei Erreichen der minimal zulässigen Schonzeit kann die Wirkleistung nur noch durch den Zwischenkreisgleichstrom erhöht werden. Es tritt dann ein Blindstromanteil auch im Netzstrom auf.

Als Grenzbedingung für die Einhaltung der Blindleistung Q₁ der Filterkreise der statischen Kompensationseinrichtung 24 gilt für den Strom

bzw. die Leistung

In Fig. 2 ist in normierten Größen dargestellt, wie sich Leistung P, Drehmoment M und Netzstrom I bei Betrieb mit konstanter Blindleistung Q₁ über der Drehzahl n verhalten, wenn die Schonzeit des Maschinenstromrichters gerade der minimal zulässigen Schonzeit t _{s, min} entspricht. Ebenso ist der Verlauf der Steuerwinkel α und χ aufgetragen.

In Fig. 3a bis c sind in Abhängigkeit vom Drehmoment M _d für verschiedene Drehzahlen (als normierte Größen) die Belastungskennlinien für den Steuerwinkel χ des Maschinenstromrichters (Fig. 3a), für den Steuerwinkel α des Netzstromrichters (Fig. 3b) und den auf seinen Scheitelwert bezogenen Netzstrom I _NSR (Fig. 3c) wiedergegeben.

Claims

1. Verfahren zur Regelung des Netz-Leistungsfaktors eines an einem eine Blindleistungs-Kompensationseinrichtung aufweisenden Netz liegenden, aus einem steuerbaren Netzstromrichter, einem Gleichstromzwischenkreis und einem steuerbaren Maschinenstromrichter aufgebauten, eine Synchronmaschine speisenden Umrichters, bei dem der Netzstromrichter über einen Drehzahlregelkreis mit unterlagerter Stromregelung gesteuert wird und bei dem der Maschinenstromrichter in Abhängigkeit von der Regelabweichung eines Blindleistungsistwerts am Netzstromrichter von einem Blindleistungssollwert gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Blindleistungssollwert in Abhängigkeit von der Netzspannung und der Grundschwingungsreaktanz der Kompensationseinrichtung vorgegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelabweichung des Blindleistungsistwerts vom Blindleistungssollwert bei einer Schonzeitregelung, durch die der Maschinenstromrichter gesteuert wird, bis zur minimal zulässigen Schonzeit als zusätzliche Führungsgröße vorgegeben wird.

3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2,

- mit einem steuerbaren Netzstromrichter,
- mit einem Gleichstrom-Zwischenkreis,
- mit einem steuerbaren Maschinenstromrichter,
- mit einer vom Maschinenstromrichter gespeisten Synchronmaschine,
- mit einer parallel zum Netzstromrichter am Netz angeschlossenen Blindleistungs-Kompensationseinrichtung,
- mit einem Drehzahlregelkreis und einem unterlagerten Stromregelkreis, der den Netzstromrichter steuert,
- und mit einem Blindleistungsregelkreis, der den Maschinenstromrichter steuert,

gekennzeichnet durch eine den Blindleistungssollwert (W _Q ) bereitstellende Schaltung bestehend aus einem ersten Quadrierglied (14), dem eine der Spannung (U _N ) des Netzes proportionale Größe zugeführt ist, und einem dem ersten Quadrierglied nachgeschalteten Anpassungsglied (15), das eine Division seiner Eingangsgröße (U _N²) durch eine Größe (X _SK ) vornimmt, die der Grundschwingungsreaktanz der Kompensationseinrichtung entspricht.

4. Anordnung nach Anspruch 3 gekennzeichnet durch einen den Blindleistungsistwert (X _Q ) des Netzstromrichters (1) abgebenden Radizierer (22), dem eingangsseitig die Differenz aus einer der quadrierten Scheinleistung des Netzstromrichters (1) proportionalen Größe (S²) mit einer der quadrierten Wirkleistung des Netzstromrichters (1) proportionalen Größe (P²) zugeführt ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Blindleistungsregler (23) ausgangsseitig als Geber einer zusätzlichen Führungsgröße mit einem Schonzeitregler (10) zur Erstellung des Steuerwinkels der Ventile des Maschinenstromrichters (3) verbunden ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der der quadrierten Wirkleistung des Netzstromrichters (1) proportionalen Größe (P²) ein zweites Quadrierglied (20) vorgesehen ist, das einem ersten Multiplizierer (18) nachgeschaltet ist, dessen Eingang der Spannung und dem Strom im Gleichstromzwischenkreis proportionale Größen (U _d, I _d ) zugeführt sind und daß zur Bildung der der quadrierten Scheinleistung des Netzstromrichters (1) proportionalen Größe (S²) ein drittes Quadrierglied (21) vorgesehen ist, das einem zweiten Multiplizierer (19) nachgeschaltet ist, dessen Eingang eine der Netzspannung proportionale Größe (U _N ) und die dem Strom im Gleichstromzwischenkreis proportionale Größe (I _d ) zugeführt sind.