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Verfahren und Vorrichtung zum Umschalten der Strom-
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flußrichtung eines Direktumrichters, insbesondere eines Drehstrom-Drehstrom-Umrichters
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum stromflußrichtungsabhängigen Umschalten
zwischen antiparallelen, auf einen gemeinsamen Umrichterausgang arbeitenden Umrichterbrücken
eines Direktumrichters, wobei der Umsteuerbefehl aus einem der Stromgrundschwingung
am Umrichterausgang entsprechenden Umsteuersignal gebildet wird. Die Erfindung betrifft
ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Ein Direktumrichter, insbesondere in Drehstrom-Direktumrichter, arbeitet
ohne Zwischenstromkreis und enthält für Jeden Umrichterausgang eine gesteuerte Umrichterbrückkenschaltung,-durch
derer Ansteuerung aus dem zeitlichen Verlauf der Umrichtereingangsspannungen derartige
Abschnitte herausgeschnitten und auf den Ausgang geschaltet werden, daß am Ausgang
eine durch einen Sollwert vorgegebene Spannung der gewünschten Amplitude und Frequenz
entsteht. Um nach Jeder Halbwelle des Ausgang stromes eine Umkehrung der Stromflußrichtung
zu ermdglichen, sind die Umrichterbrtlckenschaltungen als Umkehrumrichter ausgebildet,
d.h. sie enthalten Jeweils zwei antiparallele Umrichterbrücken von denen Je nach
der Jeweiligen Stromführungsrichtung die eine angesteuert und die andere gesperrt
ist. Für einen ordnungsgemäßen Betrieb eines derartigen Direktumrichters muß die
Umschaltung zwischen den beiden antiparallelen Brücken Jeweils möglichst beim Nulldurchgang
der Stromgrundschwingung erfolgen.
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Wird für die Steuer- oder Regeleinrichtung der auf einen Ausgang arbeitenden
Brocken ein entsprechender Sollwert für den Ausgangsstrom (Last3trom) vorgegeben,
so kann der Umschaltzeitpunkt aus den Nulldurchgängen eines Umschaltsignals ermittelt
werden, das der entsprechenden Grundschwingung des Sollstromes entspricht, wobei
diese Sollstromgrundschwingung im Idealfall gleich der Iststrom-Grundschwingung
ist. In der Praxis führt Jedoch eine ungenaue Einstellung des Umschaltzeitpunktes
zu einer Verzerrung des Iststromes gegenüber der durch die Sollwerte vorgegebenen
Kurvenform und damit zu einer Iststrom-Grundschwingung> deren Nulldurchgänge
noch mehr von den Nulldurchgängen der Stromsollkurve abweichen.
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Ein Ausfiltern der in den Strommeßwerten enthaltenen Grundschwingung
ist Jedoch nicht direkt möglich, da die Filter aufgrund ihrer dynamischen Eigenschaften
eine lastabhängige Phasenverschiebung des Kurvenverlaufes bewirken und somit Phase
und Amplitude der Grundschwingung nicht korrekt wiedergeben.
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Wird dagegen die AusgangssSannunz des Direktumrichters durch entsprechende
Sollwerte vorgegeben (Spannungseinprägung), so stellt sich der Strom von selbst
mit einer Phasenlage gegenüber der vorgegebenen Ausgangsspannung ein, die bei veränderlicher
Last ebenfalls veränderlich ist, so daß aus dem Sollspannungsverlauf noch weniger
auf die Nulldurchgänge der Iststrom-Grundschwingung geschlossen werden kann.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, aus einem Meßwert
für den Ausgangsstrom eines Direktumrichters die im Meßwert enthaltene Grundschwingung
zu ermitteln, ohne daß dynamische Glieder verwendet werden bzw. sofern derartige
Glieder doch eingesetzt werden müssen, sollen sie an einer Stelle verwendet werden,
an der sie zumindest ii stationären Zustand keine Verzerrung der Phasenlage der
Grundschwingung bewirken.
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Diese Aufgabe tritt insbesondere darm auf, wenn ein Drehstrom-Drehstrom-Direktumrichter
eine unsymmetrische Last speist, z.B. einen nur zwischen zwei Drehstromausgängen
angeschlossenen Wechselstromverbraucher. Das liegt besonders dann vor, wenn ein
16 2/3 Hz-Einphasen-Bannnetz aus einem öffentlichen 50 Hz-Drehstromnetz gespeist
werden soll. In diesem Fall sind die Phasenlagen der Ausgangsströme in den einzelnen
Strängen unterschiedlich und veränderlich. Die Erfindung läßt sich dabei unabhängig
davon anwenden, ob die Ausgangsspannung oder der Ausgangsstrom des Umrichters durch
entsprechende Führungsgrößen eingeprägt ist.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Dabei wird die in den MeBwerten der Ausgangsströme enthaltene Grundschwinguxlg bestimmt,
um das Umschaltsignal zum stromrichtungsabbängigen Umschalten zwischen den antiparallelen
Umrichterbrücken des Direktumrichters zu erhalten.
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Geeignete Vorrichtungen zur flui'chführurig der Erfindung sowie Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet und werden anhand von mehreren
Ausführungabeispielen und Figuren näher erläutert.
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Dabei zeigt: Fig. 1 einen Drehstrom-Drehstrom-Direktumrichter zur
Speisung einer angeschlossenen Last, Fig. 2 bis Fig. 5 Vektordiagramme, um die Zusammensetzung
der Meßwerte zu einem resultierenden Istwertvektor und die Aufspaltung des Istwertvektors
in einen Mitsystemvektor und einem Gegensystemvektor zu verdeutlichen, Fig. 6 eine
schematische Darstellung des Vorgangs zum Ermitteln der Grundschwingung eines einzelnen
Meßwertes,
Fig. 7 eine vorteilhafte Ausführung der Vorrichtung
nach Fig. 6, Fig. 8 eine Vorrichtung entsprechend Fig. 7, wobei die Grundschwingungen
eines Systems aus drei Meßwerten gebildet wird.
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In Fig. 1 ist ein derartiger Drehstrom-Drehstrom-Direktumrichter mit
einer derartigen, im wesentlichen bekannten Regelanordnung dargestellt. Von den
drei Drehstromausgängen 1, 2, 3 sind nur zwei Ausgänge 1, 2 des Direktumrichters
5 an eine Last 4 angeschlossen. Dabei ist Jedem Drehstromausgang eine an das Drehstromnetz
N angeschlossene Gleichrichterbrücke 51, 52, 53 zugeordnet, deren anderer Ausgang
zu einem Sternpunkt 57 geführt ist, so daß durch eine entsprechende Zündung der
Gleichrichterventile geeignete zeitliche Abschnitte der verketteten Spannungen des
Netzes herausgeschnitten und an der Ausgangsseite zu einer Halbwelle niedrigerer
Frequenz zusammengesetzt werden können. Da die auf die Jeweiligen Ausgänge 1, 2,
3 arbeitenden Gleichrichterbrücken 51, 52, 53 Jeweils nur in einer Richtung Strom
fuhren können, ist Jeder dieser Gleichrichterbrücken eine weitere Gleichrichterbrücke
51', 52', 53' zur Erzeugung der anderen Halbwelle antiparallel geschaltet.
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Die Ankopplung der Brückenschaltungen an das Versorgungsnetz N geschieht
über entsprechende Stromrichtertransformatoren 54, 54', ... 56'.
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Der hier dargestellte Direktumrichter wird geregelt betrieben, indem
einer Regeleinheit 6 Sollwerte für seine Ausgangsspannung zugeführt werden, z.B.
ein durch die beiden Komponenten U cos 62*t, U* sind ;*t beschriebener Spannungssollvektor
U*, der mit einem entsprechenden Istspannungsvektor U, der von einem 3/2-Koordinatenwandler
7 aus den entsprechenden, mittels zwischen den Ausgängen 1, 2 und 3 angeordneten
Meßwandlern erfaßten Meßspannungen U12, U23, U31 gebildet wird. Ein gleichar-
tilger
Koordinatenwandler 8 kann auch für die drei Ausgangsströme ii, i2, i3 vorgesehen
sein, tun z.3. eine S trome inprägung ans teile der Spannungseinprägung durchzufuhren.
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Da ein Vektor stets zwei Bestimmungsgrößen (z.Bw seine kartesischen
odar polaren Koordinaten) besitzt, stellt Jedes vektorielle Signal ein Signalpaar
dar, das über eine Signal-Doppelleitung (in den Figuren durch Doppelpfeile dargestellt)
übertragen wird. Entsprechend ist das für die Regeleinheit 6- vorgesehene Regelvergleichsglied
zur komponentenweisen Subtraktion des Istvektors U vom Sollvektor U* ausgebildet,
es enthält also zwei Subtraktonsstellen, deren Ausgangssignale den Differenzvektor
darstellen und der ebenfalls aus zwe Einzelreglern aufgebauten Regeleinheit 6 zugeführt
sind. Deren Ausgangssignale stellen einen Steuervektor dar, der über einen 2/3-Koordinatenwandler
9 in entsprechende Stellgrößen (Steuerspannungen) und über (nicht dargestellte)
Steuersätze in ZUndbefe e für die Jeweiligen Umkehrumrichter des Direktumrichters
umgewandelt werden kann.
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Dadurch wird dem Direktumrichter die Ausgangsspannung eingeprägt.
Ebenso kann aber auch der Ausgangsstrom eingeprägt werden. Der entsprechende Sollvektor,
im Beispiel also der Solispannungsvektor U*, kann zur Erzeugung eines symmetrischen
Ausgangs Systems als ein mit der gewünschten Ausgangsfrequenz f* umlaufender Vektor
konstanten Betrages vorgegeben werden. Im Einzelfall ist es häufig vorteilhafter,
zuerst die Umwandlung des kartesisch vorgegebenen Sollvektors in drei Sollwerte
U*12, U*23, U*31 vorzunehmen und diese Sollwerte dann mit den entsprechenden Istwerten
zu vergleichen und Jeweils einer eigenen, dem auf den entsprechenden Ausgang arbeitenden
Umkehrstromrichter zugeordneten Regeleinrichtung aufzuschalten.
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Eine Kommandostufe 10 sorgt al Umschalteinrichtung dafür, daß die
Steuerspannung bzw. die Zündimpulse für die einzelnen Umkehrumrichter nur auf diejenige
der beiden antiparallelen Brückenschaltungen des entsprechenden Umkehrumrichters
gogeben werden, deren Stromführungsrichtung der Polarität der Grundschwingung des
Ausgangsstromes entspricht. Die andere Brückenschaltung bleibt dabei gesperrt. Hier
entsteht das Problem, de Umschaltzeitpunkte aus dem Verlauf des Umrichterstromes
so zu bestimmen, daß sie mit den Nulldurchgängen der Stromgrundschwingung bzw. eines
entsprechenden Um steuert signals zusammenfallen.
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In Fig. 1 ist dies dadurch schematisch dargestellt, daß der Kommandostufe
10 die mittels eines Filters 10' aus dem Iststromvektor i ermittelten Umsteuersignale
I1, I2, 13 vorgegeben werden, deren Nulldurchgänge mittels Grenzwertmeldern 12 festgestellt
werden, um damit entsprechende Umschalter 11 zu steuerns Das mit der Erfindung zu
lösende Problem liegt dabei darin, daß z.B. die Stromgrundfrequenz an sich zwar
durch übliche Filter ermittelt werden kann, wobei aber die Schwing selbst eine lastabhängige
Phasenverschiebung erleidet. Die Stromgrundschwingung soll daher durch eine Schaltung
ermittelt werden, die entweder überhaupt keine Dynamikglieder enthält oder solche
Glieder an einer Stelle verwendet, wo sie nicht zu einer Phasenverschiebung führen.
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Zur Erläuterung der Begriffe "Mitsystem", "Gegensystem", "Koordinatenwandler"
und "Vektordreher" sei in Fig. 2 ein ebener Vektor betrachtet. Zu seiner Bestimmung
sind zwei Bestimmungsgrößen erforderlich, z.B. bei einer Polardarstellung seine
Länge (Betrag i) und seine Richtung (Winkel t) bezüglich einer raumfesten Bezugsachse
oder bei einer orthogonalen Darstellung seine
orthogonalen Komponenten
iα = i # cos; iß = i sin # bezüglich der orthogonalen raumfesten Koordinatenachsen
CL, Entsprechend ist zum Ubernltteln eines vektoriellen Signales eine Doppelleitung
(in den Figuren als Doppelpfeil dargestellt) erforderllch. Anstelle des Winkelsignals
# können auch die Winkelfunktionen cos #, sin # verwendet werden, die als Doppeisignal
die orthogonalen raumfesten Komponenten des in die entsprechende Richtung weisenden
Einheitsvektors # darstellen.
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Durch Vorgabe des Betrages i und des Winkels y kann also gemäß der
algebraischen Verknüpfungsvorschrift
von einer Polardarstellung auf eine kartesische Darstellung übergegangen werden.
Dies geschieht durch sogenannte "P/K-Wandler".
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Für die inverse Verknüpfungsregel
stehen "K/P-Wandler", die die Polarkoordinaten (i, #) liefern, bzw. "Vektoranalysatoren",
die den Vektorbetrag i und den Einheitsvektor # liefern, zur Verfugung, Drei Meßwerten
oder Sollwerten können nun drei Istwertvektoren oder Sollwertvektoren i1, i2, i3
zugeordnet werden, die den Jeweiligen Betrag ii, 12; 13 und eine von drei um 1200
gegeneinander gedrehten raumfesten Richtungen (z.B. #1 = 0; #2 = - 120°, #3 = -
240°) aufweisen, Handelt es sich z.B. um die Meßwerte eines Systems aus drei Phasenströmen
i1, 12; i3, wobei die Stromphasen in Dreieckschaltung oder in Sternschaltung mit
freiem Sternpunkt (i1 + i2 + i3 = i0 =0) miteinander verbunden sind, so erhält man
durch vektorielle Addition dieser Vektoren einen resultierenden Vektor i, dessen
orthogonalen raumfesten Komponenten iα , bis auf einen Faktor 3/2 aus den
Werten i1, i2, i3
- i1 - i2 durch die algebraische Verknüpfungsvorschrift
bestimmt sind.
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In diesem Fall ist nur jeweils die Kenntnis von zwei der drei Werte
i1 i2, i3 erforderlich.
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Für ein System aus Werten I1, I2, I3 mit I0 = I1 + I2 + I3 # 0 kann
jederzeit durch i1 = I1 - I0/3, i2 = I2 - I0/3, i3 = I3 - I0/3 auf ein "Nullpunktfreies
System" mit io = c übergegangen werden.
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Ein sogenannter "3/2-Wandler" vollzieht die Zuordnung der drei nullpunktfreien
Werte i1, i2, i3 auf die beiden orthogonalen Komponenten des resultierenden Vektors
gemäß (2), während ein "2/3~Wandler" gemäß der.inversen Verknüfungsvorschrift aus
den orthogonalen Komponenten die einzelnen Phasenwerte i1, i2, i3 liefert, die -
bis auf einen gemeinsamen Proportionalfaktor - den ProSektionen des Vektors i auf
die durch #1, #2, #3 gegebenen Achsen entsprechen.
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Diese Verhältnisse sind in Fig. 2, fUr ein Dreiphasensystem mit im
wesentlichen zweiphasiger Last gezeigt (i1#- 12, i3 z O).
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Zur Beschreibung von zeitabhängigen Meßwerten sei zunächst ein mit
gleichbleibender Umlauffrequenz u umlaufender resultierender Vektor i'( Qt) konstanter
Länge i'(#) mit den orthogonalen, auf das raumfeste Koordinatensystem α,ß
bezogenen Komponenten
betrachtet, der durch die beiden Gleichgrößen i' () und #' bestimmt ist. Die zu
(2) inverse Verknüpfungsvorschrift liefert - bis auf einen konstanten Proportionalitätsf
or -
Ein derartiges System von drei Werten wird als "symmetrisches System" bezeichnet.
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In Fig. 3 ist dies dargestellt, wobei zusätzlich ein mit der Umlauffrequenz
+# gegenüber dem raumfesten Koordinatensystem umlaufendes Koordinatensystem α',
ß' eingezeichnet ist. Bezüglich α', ß' besitzt der resultierende Vektor i1
die konstanten Komponenten:
und stellt einen ruhenden Vektor dar.
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Die Umrechnung der Komponenten bezüglich des ortsfesten - Koordinatensystems
in die Komponenten bezüglich des umlaufenden (d.h. um den Winkel # = ##t gedrehten)
X',g' - Koordinatensyst s geschieht durch einen mit VD(-) bezeichneten Vektordreher,
der gemäß der Transformation
aus dem an seinem Vektoreingang eingegebenen Vektorsignal (i'α ,i' ) und dem
an seinem Winkelsignal eingegebenen Winkelsignal (cos sin) das Vektor-Ausgangssignal
i'« i'ß', , erzeugt.
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Die durch die entsprechende inverse Transformation durchzuführende
Rücktransformation ins raumfeste Koordinatensystem entspricht der Transformation
aus einem System in ein um den Winkel <p= - #t gedrehtes (also entgegengesetzt
umlaufendes) Koordinatensystem und geschieht durch einen mit VD(+) bezeichneten
Vektordreher. Da die inverse Transformation durch den Übergang von sin auf sin (-P)
= - sin # erhalten wird, kann ein Vektordreher
-Typ durch entsprechende
Vorzeichenbewertung (Inversionsglieder) am Winkelsignaleingang ohne Änderung des
Winkelsignals auch für die inverse Transformation verwendet werden.
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In Fig. 4 ist ein Vektor i'' (#) eingezeichnet, der in einem Koordinatensystem
α'', ß'' ruht, das mit der Umlauffrequenz - # gegenüber dem raumfesten α,
ß-System umläuft. Seine orthogonalen Komponenten bezüglich des α', ß''-Systems
bzw. des α, ß-Systems sind gegeben durch
Die zu (2) inverse Verknupfungsvorschrift liefert dann bis auf den konstanten Proportionalitätsfaktor:
das ebenfalls ein symmetrisches System darstellt, das durch zwei Gleichgrößen i''
i und #'' beschreibbar ist.
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Im allgemeinen Fall ist ein aus 3 Meßwerten i1 = i01# cos(#t + #1),
i2 = i20 cos(#t + #2), i3 = i1 - i2 gegebenes System durch 4 Gleichgrößen, nämlich
die Amplituden 110, 120 und die Phasenlagen und #2, beschreibbar und somit nicht
symmetrisch.
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Figur 5 zeigt jedoch, daf3 die Vektoraddition der beiden Vektoren
i', einen Vektor i liefert, der nunmehr das Meßwertesystem i1, i2, i3 als Überlagerung
der beiden symmetrischen Systeme i1', i2', i3' und i2', i3', beschreibt. Bei einer
dem positiven Vorzeichen der Umlauffrequenz vorgegebenen Umlaufrichtung wird das
mit +# gegenüber dem raumfesten Koordinatensystem umlaufende , System als "Koordinaten-Mitsystem"
und das entgegengesetzt umlaufende Koordinatensystem als WKoordinaten-Gegensystem"
bezeichnet. Der Vektor i'
("Mitsystem-Vektor") beschreibt dann
das im System i1, i2, i3 enthalltene "Mitsystem" i1', i2', i3', der Vektor i'' das
enthaltene "Gegensystem" i1'', i2'', i3''.
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Gemäß dem der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken, der insbesondere
bei einem spannungsgesteuerten Direktumrichter mit Drehstromausgang anwendbar ist,
soll die im zeitlichen Verlauf eines Meßwertes für den Strom an einem Umrichterausgang
enthaltene harmonische Grundschwingung ermittelt werden, wenn der Meßwert von einer
Führungsgröße mit vorgegebener Sollfrequenz bestimmt ist. Während die Spannung bei
Spannurzgseinprägung durch die Führungsgröße gesteurt wird, ist die Strom-Grundfrequenz
zwar durch die Spannungs-Sollfrequenz gegeben, jedoch folgt der Meßwert des Stromes
mit einer lastabhängigen Phasenverschiebung und ist von durch den Umrichterbetrieb
bedingten Oberschwingungen überlagert, so daß für die Bildung des Umsteuersignals
für die Kommandostufe 10 in Fig. 1 zumindest die Phase der Stromgrundschwingung
ermittelt we ' 'en muß. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist das Umsteuersignal
auch in der Amplitude proportional zur Stromgrundschwingung.
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Ausgangspunkt ist ein aus der Führungsgröße abgeleitetes Winkelsignal,
das in einem raumfesten Bezugssystem einen Bezugsvektor festlegt, der mit der vorgegebenen
Frequenz der Führungsgröße und konstantem Umlaufsinn rotiert und eine Koordinatenachse
bestimmt.
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Als eriorderliches Mittel zur Bildung des Winkelsignals genügt z.B.
eine Eingabeeinrichtung, die in Fig. 6 als ein von der Sollfrequenz * gesteuerter
SAgezahngenerator 29 dargestellt ist. Das Ausgangssignal dieses Sägezahngenerators
ist zwischen einem 1800 entspre-
chenden Minimalwert und einem
+180° entsprechenden Maximalwert veränderlich und stellt somit ein Winkelsignal
t * dar, durch das im raumfes-ten Bezugssystem die Bestimmungsgrößen des Bezugsvektors,
z.B. eines durch den Betrag 1 und die Richtung #* in Polarkoordinaten oder durch
die orthogonalen Komponenten cos &f #*, », sin CO * bestimmten Einheitsvektors
festgelegt sind, der bezüglich einer raumfesten Bezugsachse uilt der Frequenz #*
umläuft. Der Bezug zu der Führungsgröße ist durch einen polar/kartesisch arbeitenden
Koordinatenwandler 29' angedeutet, dem neben dem Winkelsignal q* auch die Sollamplitude
Uo* der Führungsgröße (Spannung) zugeführt ist und der diese Polarkomponenten des
Führungsgrößenvektors in entsprechende kartesisehe Komponenten umrechnet, von denen
die Konponente Uo* cos t* vom Stellglied (Umrichter 5) als Steuer-oder Regel größe
zum Stellen des Stromes ii verwendet werden kann.
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Sodann wird der Meßwert ii derart mit dem Winkelsignal #* demoduliert,
daß zwei im Koordinaten-Mitsystem (α', ß') die Komponenten iα', iß'
eines zeitlich veränderlichen Istwert-Vektors i darstellende demodulierte Meßwertsignale
erhalten werden. Die Komponenten des Istwert-Vektors i im raumfestes Bezugssystem
sind dabei dem Istwert durch eine zeitunabhängige algebraische Verknüpfungsvorschrift
zugeordnet. Hierzu dient die Vektordreherstufe 32 in Fig. 6 , der im allgemeinen
Fall neben dem Winkelsignal #* die Bestimmungsgrößen des gemäß (2) aus dem Meßwerten
ii, i2, i3 gebildete resultierende Istwert-Vektor zugeführt wird, so daß mit dem
Verfahren simultan alle Istwerte i 12, i3 gleichzeitig verarbeitet werden.
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Fig. 6 stellt jedoch zunächst den Fall dar, daß nur ein einziger Meßwert
verarbeitet wird, Durch Zuordnung einer konstanten Richtung (z.B. #=0) kann auch
aus einem einzigen Meßwert ein Istwert-Vektor der Länge i = i1/cos#
gebildet
werden. in Fig.6 ist zur Verdeutlichung des Verfahrens eine Polardarstellung gewählt,
so daß die entsprechenden Polarkoordinaten (konstante Richtung # ==, Vektorbetrag
i = i1) der Vektordreherstufe 32 zugeführt sind.
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Da der Meßwert i1 vor allen die von der Führungsgröße Ui* bestimmte
Grundfrequenz #* enthält (Umlauffrequenz des Koordinaten-Mitsystems), stellt i im
Koordinaten-Mitsystem einen durch die Polarkoordinaten (i, # - #*) beschreibbaren,
im wesentlichen ruhenden Vektor dar. Die Subtraktionsstelle 30 nimmt daher eine
Demodulation des Istwert-Vektors vor, wohei der nachgeschaltete Koordinatenwandler
(31) die demodulierten Polarkoordinaten in entsprechende demodulierte Meßwertsignale
iα', iß' umrechnet, die die kartesischen Komponenten 1 , iß' des Istwertvektors
im orthogonalen Koordinaten-Mitsystem darstellen.
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Anschließend werden gemäß der Erfindung die zeitlichen Mittelwerte
dieser demodulierten Meßwertsignale gebildet0 Dies geschieht mittels der Fiterstufe
77 die aus jeweils einem integrierenden Bauglied, z.B. einem Tiefpaßfilter, für
jedes der beiden demodulierten Meßwertsignale besteht.
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Die zeitlichen Mittelwerte stellen dann die auf das Soordinaten-Mitsystem
bezogenen kartesischen Komponenten eines mit dem Koordinaten-Mitsystem rotierenden
Mit system-Vektors r dar. Diese TieSpaßfilter sind zwar an sich dynamische Glieder,
jedoch liefern sie Gleichspannungen und dienen nur zur Unterdrückung der Oberschwingungen.
Eine Phasenverschiebung der Grundschwingung kann dadurch nicht bewirkt werden Schließen
werden die Ausgangssignale iα', iß' der Tiefpaßfilter wieder derart rückmoduliert,
daß ein eine raumfeste Komponente der Mitsystemvektors darstellendes rück-
modulierte
Meßwertsignal #' erhalten wird, wobei dem rückmodulierten Meßwertsignal durch die
zur zeitunabhängigen algebraischen Zuordnungsvorschrift inverse Zuordnung die harmonische
Grundschwingung zugeordnet wird.
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Diese Rückmodulation geschicht mittels der zweiten Vektordreherstufe
34. Dabei werden zunächst die kartesischen Mitsystem-Vektorkomponenten #α',
#ß' in die Polarkomponenten eines mit dem Koordinaten-Mitsystem rotierenden Polarkoordinatensystems
umgerechnet. Anschließend wird in das ruhende Bezugssystem rücktransformiert, wobei
der Vektorbetrag des Mitsystemvektors invariant bleibt und als amplitudengetreues
Maß fiir d2 t' Grundschwingungsampli -tude abgegriffen werden kann Ua dar Mitsystemvektor
im Mitsystem ruht, ist seine entsprechende Winkelvariable eine Gleicllspannungs
der nunmehr an der Additionsstelle 36 das Winkelsignal #* entsprechend der Rücktransformation
ins raumfeste Bezugssystem aufgeschaltet wird, also gegenüber der Aufschaltung an
der Substraktionsstelle 31 mit entgegengesetztem Vorzeichen. Das dabei entstehende
Signal +' stellt dann wiederum eine mit der Frequenz #* veränderliche Größe dar,
die jedoch gegenüber dem Winkelsignal tp* um eine bestimmte Phasendifferenz verschoben
ist. Dadurch ist die Phasendifferenz zwischen der Grundschwingung des Meßwertes
ii und der Phase * der Führungsgröße ermittelt.
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Die Bezeichnung der im wesentlichen die Koordinatenwandler 31 und
35 zur wechselseitigen Umrechnung von RDarkoordinaten in Karthe6ekoordinaten enthaltenden
Stufen 52 und 34 als "Vektordreherstufen" weist bereits darauf hin, daß vorteilhaft
nicht mit Polarkoordinaten gearbeitet wird. Fig, 7 zeigt eine in kartesischer Vektordarstellung
arbeitende Vorrichtung, mit der ebenfalls nur die Grundschwingung eines einzelnen,
skalaren Meßwertes ermittelt wird.
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Auch hier kann dem Meßwert i durch Vorgabe einer konstanten Richtung
Y ein Istwert-Vektor t zugeordnet wrden; z.B. können die raumfesten kartesischen
Komponenten des Istwert-Vektors zu iα=i1, iß=const#I1(entsprechend der Richtung
# arc cos iß/1α), insbesondere mit iß = 0 (d.h. # = 0) vorgegeben werden.
Das mit der Sollfrequenz #* umlaufende Winkelsignal wird unmittelbar durch die beiden
kartesischen raumfesten Komponenten cos #*, sin#* eines mit der Frequenz #* umlaufenden
Einheitsvektors #* gegebn, was schematisch durch einen frequenzgesteuerten Oszillator
29' (Vektoroszillator") dargestellt ist, der zwei um #/2 versetzte Sinusschwingungen
erzeugt. Durch Multiplikation mit der Sollamplitude U0* kann dabei wieder die Führungsgröße
U1* erzeugt werden, mit der das Stellglied (Umrichter) für den Meßwert ii gesteuert
oder geregelt wird. Auch die. Vorrichtung nach Fig. 7 enthält eine erste Vektorstufe
32, eine Filterstufe 33 und eine zweite Vektorstufe 34. Das den Einheitsvektor g
* darstellende Wickelsignalpaar ist dem entsprechenden Wickelsignaleingang eines
Vektordrehers 32' zugeführt, das von dem die Komponenten des Istwert-Vektors darstellenden
Signalpaar (iα = i1, iß =0) beaufschlagt ist.
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Dieser Vektordreher führt unmittelbar die Koordinatentransformation
vom raumfesten Bezugssystem in das Koordinaten-Mitsystem durch. Auch hier werden
also die kartesischen Komponenten oil 3 i ß' des Istwert-Vektors im orthogonalen
Koordinaten-Mitsystem bildet, Sie entsprechen den Projektionen des Istwert-Vektors
auf die beiden Bezugsachsen α', ß' des Koordinaten-Mitsystems und stellen
die zum rotierenden Bezugsvektor #* parallele und dazu senkrechte Komponente des
Istwert-Vektors dar. Sie sind die demodulierten Meßwertsignale und werden mittels
zweier Tiefpaßfilter, die in Fig. 7 durch ein gemeinsames Filtersymbol 3' dargestellt
sind, in die entsprechenden
zeitlichen Mittelwerte umgewandelt.
Dadurch werden also bezüglich des Koordinaten-Mitsystems die Komponenten des im
Koordinaten-Mitsystem ruhenden Mitsystem-Vektors i ermittelt, dessen Betrag der
im Meßwert enthaltenden Grundschwingungsamplitude proportional ist.
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Ein Vektordreher 34' in der zweiten Vektordreherstufe transformiert
nun die Komponenteii des Mitsystemvektors mittels des Winkelsignals i* in seine
raumfesten Komponenten, wobei diese Transformation eine Modulation ist, da der im
Koordinaten-Mitsystem ruhende Mitsystemvektor i' im raumfesten Bezugssystem mit
der Frequenz #* umläuft und entsprechend periodische Komponenten aufweist. Die beiden
dem Mitsystem zugeordneten Velctordreher 32', 34' und das dem Mitsystem zugeordnete
Filterglied 33' wirken also analog den Baugruppeii 32, 33, 34 in Fig. 6 Fig. arbeitet
jedoch nach folgender vorteilhafter Weiterbildung des in Fig. 6 dargestellten erfindungsgemäßen
Verfahrens: Der Meßwert ii wird auch derart mit dem Winkelsignal demoduliert, daß
zwei weitere, die Komponenten des Istvektors in einem mit gleicher Frequenz und
entgegengesetzt zum Koordinaten-Mitsystem umlaufenden Koordinaten-Gegensystem darstellende
demodulierte Meßwertsignale iα'' , erhalten werden0 Hierzu enthält die erste
Vektorstufe 32 neben dem ersten dem Mitsystem zugeordneten Vektordreher 32', der
die raumfesten Komponenten des Istwert-Vektors ins Koordinaten-Mitsystem umrechnet,
noch einen ersten, einem gegensinnig zum Koordinaten-Mitsystem umlaufenden orthogonalen
Bezugssystem (Koordinaten-Gegensystem) zugeordneten Vektordreher 31'', der die raumfesten
Komponenten des Istwert-Vektors ins Koordinaten-Gegensystem umrechnet.
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Ferner werden auch die zeitlichen Mittelwerte der weiteren demodulierten
Meßwertsignale iα", iß" als entsprechende, auf das Koordinaten-Gegensystem
bezogene Komponenten #α", #ß" eines mit dem Gegensystem rotierenden Gegensystem-Vektors
i" gebildet. Hierzu enthält die Filterstufe 33 neben den Tiefpaßfiltern 33' für
die Vektorkomponenten im Koordinaten-Mitsystem auch für jede Komponente im Koordinaten-Gegensystem
je einen Integrator bzw. ein entsprecllend dimensioniertes Tiefpaßfilter zur Bildung
der Gleichanteile dieser Komponen ten, wobei die beiden dem Gegen system zugeordneten
Tiefpaßfilter wiederum nur durch ein gemeinsames Filtersymbol 33'' dargestellt sind.
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Sodann werden auch die zeitlichen Mittelwerte der weiteren demodulierten
Meßwertsignale derart rückmoduliert, daß ein eine raumfeste Komponente des Gegensystem-Vektors
#'' darstellendes weiteres rückmoduliertes Meßwertsignal erhalten wird.
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ITierzu enthält die zweite Vektordreherstufe 34 neben dem zweiten,
dem Mitsystem zugeordneten Vektordreher (34' ) der die Komponenten des Mitsystemvektors
aus dem Koordinaten-Mitsystem ins raumfeste Bezugssystem umrechnet, noch einen zweiten,
dem Gegensystem zugeordneten Vektordreher 34'', der den durch die zeitlichen Mittelwerte
der weiteren demodulierten Meßwertsignale bestimmten aegensystem-Vektor #'' in dessen
Komponenten bezüglich des raumfesten Bezugs systems umrechnet.
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Schließlich werden die beiden rückmodulierten Meßwertsignale zu einem
eine Komponente eines resultierenden Vektors darstellenden elektrischen Signal addiert,
dem durch die zur zeitunabhängigen algebraischen Zuordnungsvorschrift inverse Zuordnung
die interessierende harmonische Schwingung des Meßwertes it, in diesem Fall also
die
Grundschwingung, zugeordnet wird. Bierzu dient das Additionsglied 37, das durch
komponentenweise Addition der raumfesten Vektoren #', #'' den zum Istwert-Vektor
gehörenden Istwert-Grundschwingungsvektor # bildet. Da im hier betrachteten Fall
der Istwert-Vektor aus dem Meßwert i1 durch die algebraische Zuordnung iα
= i1, iß = 0 gebildet ist, ist auch nur iα , also die zum Ist-Vektor parallele
Komponente des resultierenden Vektors i von Interesse und beschreibt die Grundschwingung
des Meßwertes amplitudengetreu und phasenrichtig.
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Wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 2 erläutert wurde, können die
drei Umrichterströme i1, i2, i3 zu einem resultierenden Istwert-Vektor ("Laststromvektor")
i zusammengesetzt werden, wobei im Fall einer einphasigen Last wegen i1 = -i2 der
Lasttromvektor i gegenüber der dem Ausgangsstrom ii zugeordneten Vektor um 300 gedreht
ist.
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Die Anordnung nach Fig. 6 oder 7 läßt sich jedoch ohne weiteres auch
für eine dreiphasige Last anwenden, wenn der ersten Vektordreherstufe nicht die
beiden Bestimmungsgrößen eines nur dem Meßwert i1 zugeordneten Vektors konstanter
Richtung zugeführt werden, sondern die beiden Bestimmungsgrößen des aus i1, i2 und
i3 resultierenden Laststromvektors. Dies ist in Fig. 5 gezeigt.
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Hier ist davon ausgegangen, daß die Führungsgröße für die Meßwerte
nicht durch die Sollfrequenz * vorgegeben ist, sondern durch die kartesischen ortsfesten
Komponenten eines mit der Frequenz * umlaufenden Sollvektors, z,B.
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den Spannungssollvektor U*. Der Vektoroszillator 29' aus Fig. 7 kann
in diesem Fall als Vektoranalysator 29'' ausgebildet sein, häufig ist aber das mit
dem Sollvektor umlaufende Winkelsignal #* auch an einer anderen Stelle der Regeleinrichtung
abgreifbar. Die Zusammensetzung der Meßwerte il, 12, i3 zum Istwert-Vektor i ist
bereits in Zusammenhang mit dem Koordinatenwandler 8 aus Fig. l erlautert worden.
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Auch die erste Vektorstufe 32, die Filterstufe 33 und die zweite Vektorstufe
34, sowie das Additionsglied 37 sind entsprechend Fig. 7 aufgebaut und arbeiten
analog. Dadurch wird ein resultierender Vektor # erzeugt, der ausmehr als ein Laststrom-Grundschwingungsvektor
eindeutig die in den einzelnen Ausgangsströmmen enthaltenen Grundschwingungen #1,
i2, i3 beschreibt. Die Zuordnung des Grundschwingungsvektors i zu diesen einzelnen
Grundschwingungen kann über einen nachgeschalteten 2/3-Koordinatenwandler 40 erfolgen.
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Die gesamte, mit 50 bezeichnete Baugruppe kann demnach als ein das
dynamische Filter 10' in Fig. 1 ersetzendes statische Vektorfilter eingesetzt werden,
um aus den Meßwerten des Stromes am jeweiligen Umrichterausgang die Grundschwingung
phasenrichtig zu erfassen und beim Nulldurchgang der Grundschwingung ein Umschaltsignal
abzugeben, mit dem die kommandorstufe eines Direktumrichters die Umschaltung zwischen
den Antiparallelen, auf einen gemeinsamen Ausgang arbeitenden Gleichrichterbrücken
eines Direktumrichters vornimmt.
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Da das Stromsystem im wesentlichen dem Führungsgrößensystem folgt
und mit dessen Frequenz umläuft, liefert bereits die Darstellung des resultierenden
Stromvektors i im Koordinaten-Mitsystem am Ausgang des Vektordrehers 32' im wesentlichen
Gleichgroßen. Sie sind nur von geringen Oberschwingungen überlagert, die weitgehend
demjenigen Anteil des Strnmsystems zugeordnet sind5 der durch den Gegensystemvektor
beschrieben ist und gegenüber dem Mitsystem mit doppe3ter Frequenz umläuft. Die
Auslegung des Filtergliedes 33' zur Unterdrückung dieser geringen Oberseliwingunge.n
stellt keine wesentlichen probleme dar. Der dem Gegensystem zugeordnete erste Vektordreher
32'' jedoch liefert Ausgangsgrößen mit einem Gleichanteil, der gegenüber den entsprechenden
Mitsystem-
größen gering und von erheblichen Oberschwingungen überlager
ist, die von dem gegenüber dem Soordinaten-Gegensystem mit doppelter Frequenz rotierenden
Mitsystem-Anteil des Stromsystems hervorgerufen werden. Die Auslegung des dem Gegensystem
zugeordneten Filtergliedes kann daher unerwünscht große Zeitkonstanten bedingen.
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Dies kann jedoch dadurch vermieden werden, daß bei einem derartigen
dreiphasigen System von Meßwerten, bei dem für wenigstens zwei Phasen der jeweilige
Meßwert ermittelt und zu einem gemeinsamen Istwert-Vektor zusammengesetzt werden,
für die Bildung der zeitlichen Mittelwerte der weiteren demodulierten MeBwertslgnale
(d.h. des Gegensystem-Vektors III) nicht die weiteren demodulierten Meßwertsignale
selbst gemittelt werden, sondern keine Mittelung der auf des Koordinaten-Gegensystem
bezogenen Somponenten der vektoriellen Differenz aus Istvektor und Nitsystemvektor
vorgenommen wird.
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Dem Eingang des dem Gegensystem zugeordneten Filgergliedes werden
also nicht die Komponenten des Istwert-Vektors i selbst zugeführt, sondern die Komponenten
des Differenzvektors i-Tr, Am Ausgang des Filtergliedes 33 stehen die Komponenten
des Mitsystem-Vektors II bezüglich des Koordinaten-Mitsystems an. Die Bildung der
Differenz i-r erfolgt komponentenweise. Hierzu kann am Eingang des dem Gegensystem
zugeordneten Filtergliedes 33 " im Prinzip ein entsprechende Subtraktionsstelle
vorgesehen sein, der die Ausgangsgrößen des Vektordrehers 32 " und über zwei hintereinander
geschaltete Vektordreher, von denen der erste Vektordreher den Mitsystemvektor zunächst
ins raumfeste Bezugssystem und der zweite Vektordreher ihn dann ins Gegensystem
transformiert, die Ausgangsgrößen des Filtergliedes 33' zugeführt werden.
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Einfacher ist Jedoch die in Fig.8 gezeigte Anordnung, bei der dem
Vektordreher 32'' ein Sübtraktionsglied 41
zur komponentenweisen
Subtraktion des am Ausgang des Vektordrehers 34' abgegriffenen Mitsystemvektors
vorgeschaltet ist4 Zwischen dem Ausgang des Vektordrehers 34' und dem Subtraktionaglied
41 ist durch einen Umschalter 42 angedeutet, daß auch eine andere Variante möglich
ist, bei der dem Subtraktionsglied 41 ein entsprechender Laststrom-Sollvektor i*
zur komponenten. weisen Subtraktion vom Istwert-Vektor aufgeschaltet wird. Dies
ist vor allem vorteilhaft, wenn durch das Führungsgrößensystem nicht der Soll-Spannungsvektor
U*, sondern ein Sollstrom-Vektor i* vorgegeben ist, d.h. der Umrichter nicht mit
Spannungseinprägun sondern mit Stromeinprägung arbeitet.
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8 Patentansprüche 8 Figuren