DE3218885C2 - Regeleinrichtung für eine Stromrichteranlage mit steuerbarem Halbleitersteller - Google Patents

Regeleinrichtung für eine Stromrichteranlage mit steuerbarem Halbleitersteller

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Abstract

Bei dieser Regeleinrichtung für eine an ein Wechselspannungsnetz angeschlossene Stromrichteranlage mit steuerbarem Halbleitersteller (14) ist dem Stromregler (25) ein Störstromregler (27) parallelgeschaltet. Der Störstromregler dient zur Unterdrückung von Störfrequenzen, die durch Eigen schaften des Stromrichtertransformators oder durch die gleichstromseitig angeschlossene Anlage erzeugt werden und den Betrieb signaltechnischer Einrichtungen stören. Der Störstromregler (27) empfängt eingangsseitig ein dem Netzstrom (I ↓F) des Stellers (14) entsprechendes Signal und weist eine Bandsperre (28) zur Unterdrückung des netzfrequenten Anteils sowie einen Bandpaß (29) zur selektiven Anhebung der Störfrequenz auf. Das Ausgangssignal des Störstromreglers (27) wird im Sinne einer Gegenkopplung zum Ausgangssignal des Stromreglers (25) addiert. Die Regeleinrichtung findet Verwendung beim Antrieb von Bahnfahrzeugen und bei statischen Wechselstrom-Umformern.

Description

30
Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung für eine Stromrichteranlage mit steuerbarem Halbleitersteller gemäß dem Oberbegriff de:> Anspruchs 1.
Eine derartige Regeleinrichtung für eine Stromrichteranlage kann Anwendung finden beim Antrieb von Bahnfahrzeugen, die aus einem Wechselspannungsnetz gespeist werden und bei statischen Umformern, die ein dreiphasiges Wechselspannungsnetz mit einem einphasigen Wechselspannungsnetz verbinden.
Stromrichteranlagen erzeugen während ihres Betriebes ein ganzes Spektrum von Frequenzen. Bei gleichzeitigem Betrieb von Stromrichteranlagen und signaltechnischen Einrichtungen oder Fernsteuerungen besteht die Gefahr, daß im Oberwellenspektrum der Stromrichteranlage eine Spektrallinie von der Frequenz liegt, die der Signalfrequenz der signaltechnischen Einrichtung entspricht. Die signaltechnische Einrichtung wird durch die bei der Signalfrequenz liegende Störfrequenz in ihrem Betrieb gestört und es müssen Maßnahmen getroffen werden, um eine Verträglichkeit von signaltechnischen Einrichtungen und Stromrichteranlagen zu erzielen.
Eine Regeleinrichtung für eine Stromrichteranlage mit steuerbarem Halbleitersteller der eingangs genannten Art ist aus der DE-OS 29 32 091 bekannt. Dort wird zur Unterdrückung einer bestimmten Störfrequenz im Oberwellenspektrum der Stromrichteranlage ein zusätzlicher Regelkreis eingesetzt, der einen Regler mit einem Frequenzgang aufweist, so daß bei der Störfrequenz eine hohe Verstärkung erreicht wird. Oberhalb der Störfrequenz und insbesondere im Bereich der Durchtrittsfrequenz des zusätzlichen Regelkreises (= Störstromregler) liegt eine nur geringe Phasendrehung vor. Unterhalb der Störfrequenz verringert sich die Verstärkung mit fallender Frequenz. Der Störstromregler besteht bei der bekannten Regeleinrichtung vorzugsweise aus einem als selektives Filter mit Mehrfach-Gegenkopplung ausgebildeten Resonanzverstärker (Bandpaß) mit Abstimmung auf die Störfrequenz und aus einem nachgeschalteten PD-Regler.
Die Bandbreite der Störungsdämpfung wird bei der bekannten Einrichtung durch die Bandbreite des auf die Signalfrequenz der signaltechnischen Einrichtung abgestimmten Bandpasses festgelegt. Um den parallel zum Störstromregler liegenden Stromregelkreis nichi zu beeinflussen, muß der Bandpaß eine ausreichende Flankensteilheit besitzen. Bei Bahnfahrzeugen, die aus einem Gleichstromnetz versorgt werden, muß vor allem die Dämpfung der Taktfrequenz des Stromrichters gewährleistet sein, die um etwa eine Größenordnung über der P ignalfrequenz liegt
Bei Wechselstromeinspeisung der Stromrichteranlage tritt als zusätzliche Anregung des signalfrequenten Bandpasses die Frequenz des Netzes (z. B. 162/3 Hz) auf, die im Frequenzspektrum des Stromes weniger als eine Dekade von der Signalfrequenz (z. B. 100 Hz) entfernt liegt und in ihrer .Amplitude um 2 ... 3 Größenordnungen stärker auftritt
Um dem Störstromregelkreis eine ausreichende Schleifenverstärkung zu geben, die wegen des Proportionalverhaltens des Regelverfahrens direkt ein Maß für die erzielbare Dämpfungswirkung ist, kann der verwendete Bandpaß eine ausgeprägte Resonanzüberhöhung vorweisen. Dadurch werden bei ausreichender Verstärkung im Durchlaßbereich gleichzeitig dicht benachbarte Frequenzlinien genügend gedämpft Große Resonanzüberhöhung bedingt aber auch lange Einschwingzeiten und vor allem geringere Bandbreiten der Störungsdämpfung als von den Signaleinrichtungen zugelassen werden kann.
Alternativ kann man bei gleicher Schleifenverstärkung im Resonanzpunkt auf die erforderliche Selektivität (Resonanzüberhöhung) des Bandpasses verzichten und im Ausgangssignal des Störstromreglers neben der Signalfrequenz die Frequenz des Neves auftreten lassen, die dann aber wegen der obengenannten Größenverhältnisse je nach Auslegung mit 20% ... 50% des Istwertsignals vom Netzstrom auftritt. Abgesehen davon, daß damit der Netzstrom wesentlich stärker als die Signalfrequenz im Stellsignal des Störstromreglers vorhanden wäre, wird wegen des parallelen Eingriffs von Strom- und Störstromregler dadurch die Stromregelung erheblich beeinträchtigt.
Der netzfrequente Anteil im Stellsignal des Störstromreglers würde neben einer Amplitudenveränderung insbesondere eine Phasenverschiebung des Netzstromes gegenüber der von der Stromsollwertvorgabe gewünschten Phasenlage bewirken, so daß der bei Bahnstromrichtern verlangte gute Leistungsfaktor verschlechtert würde. Weiterhin müßte, um bei Vollaussteuerung des Stromrichters eine Überschreitung der Stellgrenzen (d. h. hier der maximal zulässigen Reglerausgangsspannung) zu vermeiden, die notwendige Stellreserve geschaffen werden. Damit würde der Stromrichter letztlich überdimensioniert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung für eine Stromrichteranlage mit steuerbarem Halbleitersteller der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der eine bestimmte Störfrequenz unterdrückt werden kann, ohne daß damit eine Verschlechterung des Leistungsfaktors der Anlage oder eine Überdimensionierung des Stromrichters verbunden ist.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile liegen insbesondere darin, daß durch die Unterdrückung der Netzfrequenz der Stromregelkreis und der Störstromregelkreis voneinander entkoppelt sind, so daß Bandbreite und Schleifenverstärkung im Störstromregler in weitem Bereich ohne Beeinträchtigung der Stromregelung wählbar und an die Erfordernisse adaptierbar sind. Wegen der geringen Amplitude im Bereich der Signalfrequenz wird auch bei großer Schleifenverstärkung keine Stellreserve erforderlich.
Die erfindungsgemäße Regeleinrichtung stellt nur sehr geringe Blindleistungsansprüche an einen an die Stromrichteranlage angeschlossenen Zwischenkreis. Eine Adaptierung an verschiedene Betriebszustände der Stromrichteranlage, wie beispielsweise Fahren, Brem- is sen eines Triebfahrzeuges usw. ist nicht nötig. Die Störstromregiilung ist unabhängig von der Aussteuerung des Stromrichters und weitgehend unabhängig von der Höhe des fließenden Zwischenkreisstromes.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert Es zeigt
F i g. 1 ein Prinzipschaltbild der Regeleinrichtung für eine Stromrichteranlage mit steuerbarem Halbleitersteller,
F i g. 2 die Bandsperre des Störstromreglers,
F i g. 3 den Bandpaß des Störstromreglers,
F i g. 4 das PDT-Glied des Störstromreglers,
F i g. 5 den Amplitudengang des Störstromreglers, F i g. 6 den Phasengang des Störstromreglers.
In F i g. 1 ist ein Prinzipschaltbild der Regeleinrichtung für eine Stromrichteranlage mit steuerbarem Halbleitersteller dargestellt Eine Oberleitung 1 und eine Schiene 2 werden durch ein Emphasen-Wechselspannungsnetz gespeist Ein Triebfahrzeug greift die an der Oberleitung 1 anliegende Spannung über einen Bügel 3 ab und ist über mehrere Räder 4 mit der Schiene 2 verbunden. Pie zwischen Bügel 3 und Rad 4 anliegende Fahrdrahtspannung ist mit Uf und der über den Bügel 3 fließende Fahrdrahtstrom ist mit If bezeichnet Zur Ermittlung des Fahrdrahtstrom-Istwertes XIF ist eine Stromerfassungseinrichtung 5 vorgesehen. Im Leitungszug zwischen Bügel 3 und Rad 4 sind eine Drossel 6 und die Primärwicklung 7 eines Transformators 8 angeordnet Parallel zur Primärwicklung 7 ist ein Kondensator 9 geschaltet. Zur Ermittlung des Fahrdrahtspannungs-Istwertes XUF ist eine Spannungserfassungseinrichtung 10 vorgesehen.
Der Transformator 8 besitzt mehrere Sekundärwicklungen 11, ?2 ... wovon nachfolgend lediglich die Beschaltung der Sekundärwicklung 11 betrachtet wird. Der Istwert XlU des über die Wicklung 11 fließenden Stromes Iu wird mittels einer Stromeirfassungseinrichtung 13 ermittelt. An die Wicklung 11 des Transformators 8 ist ein Vierquadrantenteller 14 angeschlossen. Der Aufbau eines solchen Vierquadrantenstellers ist beispielsweise aus der DE-OS 22 17 023 bekannt.
Die Gleichspannungsanschlüsse des Vierquadrantenstellers 14 sind mit einem Saugkreis 15 und einem Kondensator 16 beschaltet und bilden die gleichspannungsseitigen Ausgangsklemmen 17 der Stromrichteranlage. An diese Ausgangsklemmen 17 ist beispielsweise ein Gleichstrom- oder Gleichspannungsvcrbraucher oder der Gleichspannungszwischenkreis eines Umrichters es angeschlossen. Der Uin-fchter speist dabei z. B. ausgangsseitig eine Drehstrom-Asynchronmaschine zum Antrieb des Triebfahrzeuges.
Zur Ermittlung des Istwertes XUD der zwischen den Ausgangsklemmen 17 anliegenden Gleichspannung Uo ist eine Spannungserfassungsreinrichtung 18 vorgesehen. Zur Ansteuerung der Stromrichterventile des Vierquadrantenstellers 14 dient ein Steuersatz 19.
Das Ausgangssigna] XUD der Spannungserfassungseinrichtung 18 wird einer Vergleichsstelle 20 mit negativem Vorzeichen zugeführt. Als weiteres Eingangssignal liegt der Vergleichsstelle 20 der Sollwert der Gleichspannung WUD mit positivem Vorzeichen an. Das Ausgangssignal XUD-WUD der Vergleichsstelle 20 wird einem Spannungsregler 21 (PI-Regler) zugeleitet Der Regler 21 ist ausgangsseitig mit zwei Recheneinheiten 22, 23 (Multiplizierern) verbunden, wobei der Recheneinheit 22 desweiteren das Eingangssignal sinrnt und der Recheneinheit 23 das Eingangssignal cosa>t zugeführt werden. Mit ω ist dabei die Kreisfrequenz ω = 2ar/des Einphasenwechselspannungsnetzes bezeichnet, wobei die Frequenz / des Netzes im Ausführungsbeispiei 162/3 Hz beträgt
Das Ausgangssignal WIU der Recheneinheit 22 stellt den Sollwert für den Strom Iu dar und wird mit positivem Vorzeichen einer Vergleichsstelle 24 zugeleitet, der als weiteres Eingangssignal der von der Stromerfassungseir^ichtung 13 erfaßte Istwert XIU m\l negativem Vorzeichen anliegt Ausgangsseitig ist die Vergleichsstelle 24 über einen dem Spannungsregler 21 unterlagerten Stromregler 25 (PI-Regler) mit einem Summierer 26 verbunden. Als weitere Eingangssignale werden dem Summierer 26 der Fahrdrahtspannungs-Istwert XUF, das Ausgangssignal der Recheneinheit 23 sowie das Ausgangssignal eines noch im einzelnen zu beschreibenden Störstromreglers 27 zugeführt
Der Störstromregler 27 besteht aus der Reihenschaltung einer Bandsperre 28, eines Bandpasses 29 und gegebenenfalls eines PDT-Giiedes 30. Das Eingangssignal XIF des Störstromreglers 27, d. h. der Fahrdrahtstrom-Istwert, stellt gleichzeitig das Eingangssignal Ue\ der Bandsperre 28 dar. Das Ausgangssignal U, 1 der Bandsperre 28 ist gleichzeitig das Eingangssignal UC2 des nachgeschalteten Bandpasses 29. Das Ausgangssignal Ua 2 des Bandpasses 29 ist gleichzeitig das Eingangssignal Uc3 des PDT-Gliedes 30. Das Ausgangssignal Ua3 des PDT-Gliedes stellt das Ausgangssisnal des Störstromreglers 27 dar und liegt dem Summierer 26 mit negativem Vorzeichen an.
Das Ausgangssignal des Summierers 26 wird einer Vergleichsstelle 31 mit positivem Vorzeichen zugeführt. Der Vergleichsstelle 31 liegt die Ausgangsspannung eines Dreieckspannungserzeugers 32 mit negativem Vorzeichen an. Ausgangsseitig ist die Vergleichsstelle 3! über einen Komparator 33 mit dem Steuersatz 19 verbunden.
In Fig. 2 ist die Bandsperre 28 des Störstromreg'ers 27 dargestellt. Zwischen ihren Eingangsklemmen liegt die Eingangsspannung Uc 1, d. h. der Istwert XIF des Fahrdrahtstromes an. An die erste Eingangsklemme sind ein Widerstand R\ und ein Kondensator Q angeschlossen. Der Widerstand R\ ist andererseits mit einem Widerstand R2 und einem Kondensator C2 verbunden. Der Widerstand R2 ist an einen Kondensator C3 und an den » + «-Eingang eines ersten Operationsverstärkers O\ angeschlossen. Die Kondensatoren Ci und Cz sind miteinander verbunc'en und liegen über einem Widerstand Ri am Kondensator C2 sowie am »—«-Eingang und am Ausgang eines zweiten Operationsverstärkers O2. Der » + «-Eingang dieses Operationsverstärkers O2 ist mit zwei Widerständen /?4, Rs verbunden, wobei der
Widerstand /?4 an den »—«-Eingang sowie an den Ausgang des ersten Operationsverstärkers O; und an die erste Ausgangsklemme der Bandsperre 28 sowie der Widerstand Rs an die zweite Eingangsklemme und zweite Ausgangsklemme der Bandsperre 28 verbindende Masseleitung angeschlossen sind. Die Ausgangsspannung zwischen den Ausgangsklemmen der Bandsperre 28 ist mit U1 \ bezeichnet.
In F i g. 3 ist der Bandpaß 29 des Störstromreglers 27 dargestellt Zwischen den Eingangsklemmen des Bandpasses 29 liegt die Eingangsspannung ίΛζ(= U1 \) an. An die erste Eingangsklemme ist ein Widerstand Re angeschlossen, der andererseits mit einem Widerstand /?7 sowie Kondensatoren C4 und Cs verbunden ist. Der Kondensator C4 ist direkt an die erste Ausgangsklemme des Bandpasses 29 an den Ausgang eines Operationsverstärkers Ch sowie an einen Widerstand Rs angeschlossen. Am »—«-Eingang des Operationsverstärkers Ch Hegen der Kondensator Cs und der Widerstand /?g sowie am » + «-Eingang von Ch ein Widerstand R?, der andererseits ebenfalls wie der Widerstand /?7 an der zweiten Eingangsklemme und zweite Ausgangsklemme des Bandpasses 29 verbindenden Massenleitung angeschlossen ist. Die Ausgangsspannung zwischen den Ausgangsklemmen des Bandpasses 29 ist mit U,2 bezeichnet.
In Fig.4 ist das PDT-Glied 30 des Störstromreglers 27 dargestellt. Zwischen den Eingangsklemmen des PDT-Gliedes 30 liegt die Eingangsspannung Uei[= U,2) an. Mit der ersten Eingangsklemme sind zwei Widerstände R\o, Rw verbunden. An den Widerstand /?io sind andererseits ein Widerstand Rn. ein Kondensator Cb sowie der »—«-Eingang eines Operationsverstärkers O4 angeschlossen. Kondensator C* und Widerstand Rw sind miteinander verbunden. Der Widerstand Λ12 liegt andererseits an der ersten Ausgangs-
Ui λ nrvr r"i: ι on ι λ ...._Α..~ An* /ΛηΑ IMCIIIIIIC UtI I LJ 1 -VJ11CUC3 JAJ UlIU ClIII /~lU3gClllg UV.O V^|^x.~
rationsverstärkers O4, dessen » + «-Eingang über einen Widerstand Rn an der zweite Eingangsklemme und zweite Ausgangsklemme des PDT-Gliedes 30 verbindenden Masseleitung angeschlossen ist. Die Ausgangsspannung zwischen den Ausgangsklemmen des PDT-Gliedes 30 ist mit U, 3 bezeichnet
Nachfolgend wird die Funktionsweise der Regeleinrichtung für eine Stromrichteranlage mit steuerbarem Halbleitersteller beschrieben. Zur Unterdrückung von signalfrequenten 10 Hz-Störströmen ist dem Stromregler 25 der selektiv wirkende Störstromregler 27 parallelgeschaltet. Die störfrequenten Anteile im Netzstrom beruhen im wesentlichen auf Sättigungseffekten des Transformators 8. infolge der Welligkeit der an den Ausgangsklemmen 17 der Stromrichteranlage anstehenden Spannung können im Primärstrom des Transformators zusätzliche 100 Hz-Anteile verursacht werden. Diese werden vom Vierquadrantensteller 14 durch Modulation vom Gleichstromkreis (Zwischenkreis) zum Transformator 8 übertragen.
Der mittels der Stromfassungseinrichtung 5 ermittelte Istwert XIF der Netzgröße, deren signalfrequenter 100-Hz-Anteil unterdrückt werden soll, wird auf die Bandsperre 28 des Störstromreglers 27 geschaltet die auf die Netzfrequenz 162Λ Hz des Wechselspannungsnetzes abgestimmt ist und dadurch die Grundschwingung des Netzes sperrt Die störfrequenten 100-Hz-Anteiie des Netzstromes passieren die Bandsperre 28 mit einer Verstärkung von ungefähr 1 und minimaler Phasenverschiebung. Der so aufbereitete Istwert des Netzstromes wird über den Bandpaß 29 (mit oder ohne nachgeschaltetes PDT-Glied 30) geführt und dann im Sinne einer Gegenkopplung zum Stellsignal des Stromreglers 25 mittels des Summierers 26 addiert.
Durch die Unterdrückung der Netzfrequenz 162/j Hz sind der eigentliche Stromregelkreis und der Störstromregelkreis voneinander entkoppelt, so daß Bandbreite und Schleifenverstärkung im Störstromregler 27 in weitem Bereich ohne Beeinträchtigung der Stromreglung wählbar und an die Erfordernisse adaptierbar sind. Wegen der geringen Amplituden im Bereich der Signalfrequenz 100 Hz wird auch bei großer Schleifenverstärkung keine Stellreserve erforderlich.
Weiterhin ist die Anordnung so aufgebaut, daß mit der Bandsperre 28 als Eingangsfilter des Störstromreglers 27 keine Phasenverschiebung erzeugt wird, die die Stabilität des geschlossenen Regelkreises beeinträchtigen würde.
Der auf die Signalfrequenz 100 Hz abgestimmte Bandpaß 29 hebt die Siörsirornkompoiienie selektiv au und läßt die Frequenz 100 Hz beispielsweise mit einer Verstärkung von 10 passieren.
Das PDT-Glied 30 sorgt für eine Stabilitätsverbesserung durch Phasenanhebung bei f> 100 Hz. Die Eckfrequenzen des PDT-Gliedes liegen zweckmäßigerweise bei 25... 30 Hz bzw. 90... 105 Hz.
In Fig.5 ist der Amplitudengang des Störstromreglers 27 dargestellt. Mit dem Faktor F= U13/U1.1 ist der Verstärkungsfaktor des Störstromreglers 27 und mit /■= co/2jrd\e Frequenz bezeichnet. Es sind insbesondere der Einfluß der Bandsperre 28 durch den Abfall der Verstärkung bei /-■ 162/3Hz sowie der Einfluß des Bandpasses 29 durch Erhöhung der Verstärkung bei /= 100 Hz ersichtlich.
In F i g. 6 ist der Phasengang des Störstromreglers 27 dargestellt.
HiCfZLi 3 υιάΐΐ i-ciCiiriuiigCn

Claims (3)

10 15 Patentansprüche:
1. Regeleinrichtung für eine Stromrichteranlage mit steuerbarem Halbleitersteller ium Anschluß eines Gleichstrom- oder Gleichspannungsverbrauchers oder eines Zwischenkreises eines Umrichters an ein Wechselspannungsnetz mit einem Regelkreis mit Steuersatz zur Steuerung der Ventile des Halbleiterstellers, insbesondere mit einem Stromregler, an den ein Steuerimpulsbildner ausgangsseitig angeschlossen ist, und mit einem zusätzlichen Störstromregler mit Anschluß an den Steuerimpulsbildner zur Eliminierung einer bestimmten Störfrequenz, wobei der Störstromregler einen auf die Störfrequenz abgestimmten Bandpaß aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß dem Bandpaß (29) eine auf die Frequenz des speisenden Wechselspannungsnetzes abgestimmte Bandsperre (28) vorgeschaltet ist
2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichne·., daß dem Bandpaß (29) ein PDT-GHed (30) nachgeschaltet ist
3. Regeleinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche bei Speisung des Halbleiterstellers über einen Transformator, dadurch gekennzeichnet, daß der Störstromregler (27) eingangsseitig über eine Siromerfassungseinrichtung (S) an den Primärkreis des Transformators (8) angeschlossen ist
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