DE3224320A1 - Verfahren und vorrichtung zum phasenrichtigen und amplitudengetreuen ermitteln oder unterdruecken einer in einem messwert enthaltenen harmonischen schwingung, insbesondere bei einem direktumrichter zur speisung einer unsymmetrischen last - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum phasenrichtigen und amplitudengetreuen ermitteln oder unterdruecken einer in einem messwert enthaltenen harmonischen schwingung, insbesondere bei einem direktumrichter zur speisung einer unsymmetrischen last

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DE3224320A1 DE19823224320 DE3224320A DE3224320A1 DE 3224320 A1 DE3224320 A1 DE 3224320A1 DE 19823224320 DE19823224320 DE 19823224320 DE 3224320 A DE3224320 A DE 3224320A DE 3224320 A1 DE3224320 A1 DE 3224320A1
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Description

  • Verfahren und Vorrichtung zum phasenrichtigen und ampli-
  • tudengetreuen Ermitteln oder Unterdrücken einer in einem Meßwert enthaltenen harmonischen Schwingung, insbesondere bei einem Dire-ktumrichter zur Speisung einer unsymmetrischen Last.
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum phasenrichtigen und amplitudengetreuen Ermitteln einer im zeitlichen Verlauf eines Meßwertes enthaltenen harmonischen Schwingung n-ter Ordnung, wobei der Meßwert von einer Führungsgröße mit vorgegebener Frequenz bestimmt ist. Die Erfindung betrifft ferner die Anwendung des Verfahrens zum Unterdrücken dieser harmonischen Schwingung bzw. einer in einem System aus drei Meßwerten enthaltenen Gegensystemschwingung. Schließlich betrifft die Erfindung einen Direktumrichter, insbesondere einen Drehstrom-Drehstrom-Direktumrichter zur Speisung einer unsymmetrischen Last.
  • Ein als bevorzugtes Ausftihrungsbeispiel betrachteter Direktumrichter arbeitet ohne Zwischenstromkreis und enthält für jeden Umrichterausgang eine gesteuerte Umrichterbrückenschaltung, durch deren 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 Ausgangsstromes eine Umkehrung der Stromflußrichtung zu ermöghohen, sind die Umrichterbrückenschaltungen als Umkehrumrichter ausgebildet, d.h. sie enthalten jeweils zwei antiparallele Umrichterbrücken, von denen je nach der jewelligen 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 eriolgen.
  • Wird für die Steuer- oder Regeleinrichtung der auf einen Ausgang arbeitenden Brücken ein entsprechender Sollwert für den Ausgangsstrom (Laststrom) 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 Istetrom-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. 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.
  • Wird dagegen die Ausgangsspannung 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.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, aus einem Meßwert, insbesondere einem Meßwert für den Ausgangsstrom eines Direktumrichters bei veränderlicher Last, 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 im stationären Zustand keine Verzerrung der Phasenlage der Grundschwingung bewirken. Diese Aufgabe tritt insbesondere dann 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-Bahnnetz aus einem öffentlichen 50 Hz-Drehstromnetz gespeist werden soll. In diesem Fall sind die Phasenlagen der Ausgangs ströme in den einzelnen Strängen unterschiedlich und'veränderlioh, Die Erfindung läßt sich dabei unabhängig davon anwenden, ob die Ausgangsspannung oder der Ausgangsstrom des Umrichters durch entsprechende Führungsgrößen eingeprägt ist.
  • Häufig ist jedoch nicht nur die Grundschwingung, sondern auch eine bestimmte im Meßwert enthaltene Oberschwingung von Interesse. Der Betrieb eines Umrichters erzeugt stets die Gefahr, daß im Ausgangs strom und/oder Ausgangsspannung derartige Oberschwingungen auftreten, die in der angeschlossenen Last zu erheblichen Resonanzen und einer unertraglichen Belastung führen können. Auch im Umrichter selbst und im speisenden Netz können dadurch unerwünschte Rückwirkungen erzeugt werden. Es stellt sich daher allgemein die Aufgabe, aus einem Meßwert die n-te harmonische Sohwingungherauszufiltern, um ein phasenrichtiges und amplitudengetreues Signal zu erhalten, mit dem durch Aufschaltung auf die Führungsgröße des Meßwertes odereinen anderen Eingriff in die Steuerung oder Regelung der Anlage eine derartige Schwingung unterdrückt werden kann.
  • Für die Ausnutzung des Umrichters ist es vorteilhaft, wenn an den Umrichterausgängen eine trapezförmige Ausgangsspannung erzeugt wird (z.B. nach der DE-OS 30 29 319 = VPA 80 P 3131). Eine derartige trapezförmige Spannung enthält eine ausgeprägte Oberschwingung dritter Ordnung, die sich jedoch in der verketteten Spannung bei symmetrischer Last theoretisch vollkommen heraushebt.
  • Für die Speisung einer unsymmetrischen Last ist es zur Verminderung von Leistungspulsationen am Umrichter und entsprechende Rückwirkungen auf das speisende Netz vorteilhaft, an den Umrichterausgang eine Symmetriereinriehtung anzuschließen, so daß Umrichter und Netz nunmehr gleichmäßig belastet werden. Ungenauigkeiten beim Betrieb der Symmetriereinrichtung bewirken dabei, daß die ausgeprägte Oberschwingung dritter Ordnung sich nicht vollständig heraushebt. Da diese Symmetriereinrichtung auf die 50 lIz-Speisespannung abgestimmte Saugkreise enthält, kommt es im Gegenteil zu hohen Oberschwingungsströmen dieser Frequenz. Diese Ströme belasten die Saugkreise noch zusätzlich zu den Strömen, welche in der Symmetriereinrichtung selbst erzeugt werden. Außerdem schließt sich dieser Oberschwingungsstrom über das speisende Netz. Es ist daher insbesondere bei einem Drehstrom-Drehstrom-Umrichter zur Speisung einer unsymmetrischen, mittels einer Symmetriereinrichtung symmetrierten Last vorteilhaft, wenn eine Oberschwingung einer bestimmten Ordnungszahl, vor allem der Ordnungszahl 3, eriaßt und unterdrückt werden kann.
  • Obwohl die störenden hohen Oberschwingungsströme ursächlich mit den Eigenschaften der unsymmetrischen Last und der Symmetriereinrichtung zusammenhängen und in erster Linie die lastseitigen Bauteile unerwünscht stark belasten, können sie gemäß der Erfindung durch einen entsprechenden Eingriff in die Steuerung oder Regelung des Umrichters selbst unterdrückt werden.
  • Wird für die Führungsgroßen der Ausgangsströme bzw. Ausgangsspannungen ein symmetrisches System vorgegeben, so entsteht nur bei vollkommen symmetrischer Last ein symmetrisches System von Ausgangsströmen und Ausgangsspannungen, Eine unsymmetrische Last kann durch Verwendung einer Symmetriereinrichtung auf der Lastseite des Umrichters symmetrisiert werden. Dabei ist der Betrieb der Symmetriereinrichtung verhältnismäßig einfach, wenn das Spannungs-Istwertsystem am Direktumrichterausgang, d.h. am Eingang der Symmetriereinrichtung, symmetrisch ist. Trotz symmetrischem Führungsgrößensystem ist dies wegen Ungenauigkeiten in den Steuersätzen, verschieden lückendem Strom an den einzelnen Umrichterausgängen und anderen Fehlerquellen jedoch im allgemeinen nicht gegeben. Daher tritt in der Praxis kein vollkommen symmetrisches System von Ausgangsspannungen auf, sondern es bildet sich ein Spannungsgegensystem am Umrichterausgang aus. Dieses Spannungsgegensystem seinerseits führt zu einem Gegensystem und einem zusätzlichen Mitsystem der Lastströme. Um trotzdem ein symmetrisches System von Lastströmen zu erhalten, kann zwar in die Steuerung der Symmetriereinrichtung eingegriffen werden, jedoch ist dies sehr aufwendig. Gelingt es, das Spannungssystem an den Umrichterausgängen phasenrichtig und amplitudengetreu zu erfassen, so kann das Spannungsgegensystem bereits am Umrichterausgang durch einen entsprechenden Eingriff in die Umrichtersteuerung kompensiert werden, ohne dan in die Regelung der Symmetriereinrichtung eingegriffen werden muß.
  • Da selbst bei einer Unterdrückung der Stromoberschwingungen noch in den Grundschwingungen der Ausgangsströme ein Stromgegensystem enthalten ist, das zur Ausbildung eines entsprechenden Spannungsgegensystems führt, ist die erwähnte Unterdrückung des Spannungsgegensystems durch Eingriff in die Umrichtersteuerung auch in diesem Fall noch vorteilhaft.
  • Für die Begriffe ''symmetrisches System", Mitsystem und "Gegensystem" sei ein Umrichter, allgemeiner ein Stellglied mit drei Ausgängen, betrachtet, wobei jedem Ausgang eine Führungsgröße, z.B. ein entsprechender Spannungssollwert U*1, U*2, U*3 vorgegeben ist. Das Führungsgrößensystem wird als symmetrisch bezeichnet, wenn allen drei Führungsgrößen die gleiche Amplitude U*0 und der gleiche zeitliche Verlauf, jedoch jeweils um den Phasenwinkel 2 #/3 verschoben, vorgegeben ist, also z.B..
  • U*1 = U*0 cos #*t U*2 = U*0 cos (#*t - 2#/3) (1) U*1 = U*0 cos (#*t - 4#/3) Da U*1 als die eine orthogonale Komponente U*α eines ebenen Führungsgrößenvektors U* in einem raumfesten Koordiantensystem ( α,ß ) aufgefaßt werden kann, kann somit das Führungsgrößensystem auch durch einen mit der Frequenz ;* umlaufenden Vektor der Amplitude U*0 beschrieben werden.
  • Die Beschreibung durch einen ebenen Vektor ist allgemein für ein System aus drei Werten ii, i2j i3, z.B. die Meßwerte der Ausgangsströme, möglich, solange die Bedingung -1 + i2 § i3 = O gilt. Dies ist z.B. bei einer Dreieckschaltung oder einer Sternschaltung mit freiem- Sternpunkt gegeben. Sind die Meßwerte mit der Frequenz # veränderlich i1 = i1(#t), i2 = i2(#t), (2) i3 = -i1(#t)-i2 (#t), so kann bekanntlich der resultierende Istwert-Vektor i als eine Summe von zwei Vektoren i', i'', die jeweils eine konstante Amplitude i', it' besitzen, beschrieben werden, z.B. durch die orthogonalen raumfesten Komponenten iα = i'cos (#t + #') + i''cos(-#t + #'') (3) 1 = i' sin ( t + t') + i'' '' sin (- et+ Der Vektor i' ("Mitsystemvektor") stellt dabei ein mit der Frequenz # umlaufendes symmetrisches System ("Mitsystem") der Meßwerte, der "Gegensystemvektor" ein entsprechendes, mit der Frequenz -o (d.h. mit entgegengesetzter Umlaufrichtung) umlaufendes symmetrisches System ("Gegensystem") dar.
  • Auch der allgemeine Verlauf stellt als eine Uberlagerung symmetrischer Systeme ein symmetrisches System dar. Insbesondere können also die Führungsgrößen des Direktumrichters trapezförmig vorgegeben werden. Sind aber zwischen die Umrichterausgänge unsymmetrische und/oder zeitlich veränderliche Lasten angeschlossen, so ergibt sich für jeden Ausgangsstrom ein Kurvenverlauf, der hinsichtlich sowohl der Phase wie auch der Kurvenform und Amplitude stark von der entsprechenden Führungsgröße abweicht, wobei diese Abweichung von Ausgang zu Ausgang unterschiedlich und zeitlich veränderlich ist. Das entsprechende Meßwert-System ist also stark unsymmetrisch, d.h. eine Mischung aus Mitsystem und Gegensystem.
  • Bei angeschlossenem Sternpunkt kommt hinzu, daß noch ein "Nullsystem" i0 = i1 + i2 + i3 vorhanden ist, das unsymmetrisch auf die Umrichterausgänge verteilt und der Mischung aus Mit- und Gegensystem überlagert ist, wobei die Mit- und Gegensysteme in diesem Fall den abgeleiteten Meßwerten i1-i0 - i0/3, i2-i0/3, i3-i0/3 zugeordnet sind.
  • Die Erfindung geht nun von der grundlegenden Aufgabe aus, aus einem Meßwert, für den eine mit einer Soll frequenz veränderliche Führungsgröße vorgegeben ist, oder einem System derartiger Meßwerte eine bestimmte harmonische Schwingung n-ter Ordnung zu erfassen0 Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Damit kann insbesondere bei einem Direktumrichter die in den Meßwerten der Ausgangsströme enthaltene Grundschwingung bestimmt werden, um z.B. ein Umschaltsignal zum stromrichtungsabhängigen Umschalten zwischen den antiparallelen Umrichterbrücken des Direktumrichters zu erhalten Gemäß einer anderen bevorzugten Anwendung kann allgemein bei einem Stellglied eine bestimmte Oberschwingung in den Meßwerten der Ausgangsgrößen erfaßt werden, um daraus eine Korrekturgröße zu erhalten, mit der durch Aufschalten auf die Führungsgröße oder eine aus der Führungsgröße abgeleiteten Stellgröße die entsprechende Oberschwingung unterdrückt werden kann Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung kann das Verfahren dazu verwendet werden, um bei einem System von Meßwerten, insbesondere dem Spannungs-Istwertsystem am Ausgang eines Direktumrichters, das Gegensystem phasenrichtig und amplitudengetreu zu erfassen, um daraus eine Korrekturgröße zu bilden, die durch Aufschalten auf das symmetrisch vorgegebene System von Führungsgrößen oder auf das aus den Führungsgrößen abgeleitete Stellgrößensystem das Gegensystem zu unterdrücken.
  • Die entsprechenden Anwendungen, geeignete Vorrichtungen zur Durchführung sowie Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet und werden anhand von mehreren Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert.
  • Dabei zeigt: Fig. 1 einen Drehstrom-Drehstrom-Direktumrichter zur Speisung einer angeschlossenen Last, Fig. 2 Vektordiagremme, um die Zusammensetzung der Meßwerte zu einem resultierenden Istwertvektor und die Aufspaltung des Istwertvektors in einen Mitsystemvektor und einem Gegensystemvektor zu verdeutlichen, Fig. 3 eine schematische Darstellung des Vorgangs zum Ermitteln der Grundschwingung eines einzelnen Meßwertes, Fig. 4 eine vorteilhafte Ausführung der Vorrichtung nach Fig. 3, Fig. 5 eine Vorrichtung entsprechend Fig. 4, wobei die Grundschwingungen eines Systems aus drei Meßwerten gebildet wird, Fig. 6 eine einphasige Last mit paralleler Symmetriereinrichtung für den Umrichter nach Fig. i, Fig. 7 eine Anordnung zum Ermitteln der dritten harmonischen Schwingung eines Istwertes, bezogen auf die der Führungsgröße für die Istwerte vorgegebene Sollfrequenz, Fig. 8 eine Vorrichtung zum Unterdrücken der 3. harmonischen Schwingung eines dreiphasigen, stromgeregelten Stellgliedes, beispielsweise des Umrichters nach Fig. 1, Fig. 9 eine Vorrichtung zum Unterdrücken der Spannungsgegensystem-Grundschwingung eines Spannungsstellgliedes, Fig.10 die Zusammenschaltung der Vorrich den Figuren 5, 8 und 9 zu einer Regelschaltung für den Umrichter nach Fig. i Bevorzugte Anwendung der Erfindung ist eine Regelanordnung für einen Drehstrom-Drehstrom-Direktumrichter zur Speisung einer unsymmetrischen Last. Bei hohen Leistungen bewirkt eine unsymmetrische Last eine unerträgliche Rück-Wirkung auf das speisende Drehstromnetz, weshalb der Last eine elektronische Symmetriereinrichtung zum Erzeugen eines symmetrischen Systems von Umrichter-Ausgangsströmen parallelgeschaltet ist. Eine Regeleinrichtung bildet aus einer Führungsgröße mit vorgegebener Sollfrequenz und aus Meßwerten für die Ströme und/oder Spannungen an den Umrichterausgängen Stellgrößen zum Erzeugen eines symmetrischen Systems von Umrichter-Ausgangsspannungen. Ferner erfordert ein derartiger Direktumrichter eine Umschalteinrichtung, die jeweils die auf einen Umrichterausgang arbeitenden antiparallelen Gleichrichterbrücken beim Nulldurchgang der Stromgrundschwingung umschaltet. IIierzu ist der Umschalteinrichtung ein aus Strommeßferten an den Umrichterausgängen abgeleitetes Umsteuersignal zugeführt.
  • In Fig. i ist ein derartiger Drehstrom-Drehstrom-Direktumrichter mit einer derartigen, im wesentlichen bekannten negelanordnung 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 i, 2, 3 arbeitenden Gleichrichterbrücken 51, 52, 53 jeweils nur in einer Richtung Strom führen können, ist jeder dieser Gleichrichterbrücken eine weitere Gleichrichterbrücke 51', 52', 53' zur Erzeugung der anderen Ilalbwelle antiparallel geschaltet Die AnkoppcluIIg der Brtickenschaltungen an das Versorgungsnetz N geschieht iiber ent- sprechende Stromrichtertransformatoren 54, 54', 0 56'.
  • 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 #t, U* sin a)tt beschriebener Spannungssollvektor U*, der mit einem entsprechenden Istspannungsvekto on 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 gleichartiger Koordinatenwandler 8 kann auch für die drei Ausgangsströme i1, i2, i3 vorgesehen sein, um z.B. eine Stromeinprägung anstelle der Spannungseinprägung durchzuführen.
  • Da ein Vektor stets zwei Bestimmungsgrößen (z.B0 seine kartesischen oder 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, sie enthält also zwei Subtraktionsstellen, deren Ausgangssignale den Differenzvektor darstellen und der ebenfalls aus zwei 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 Zündbefehle für die jeweiligen Umkehrumrichter des Direktumrichters umgewandelt werden kann.
  • Dadurch wird dem Direktumrichter die Ausgangsspannung eingeprägt. Ebenso kann aber auch der Ausgangs strom eingeprägt werden. Der entsprechende Sollvektor, im Beispiel also der Sollspannungsvektor 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*129 U 23 U 3i vorzunehmen und diese Sollwerte dann mit den entsprechenden Istwerten zu vergleichen und jeweils einer eigenen, dem auf den entsprechenden Ausgang arbeitenden Umkehrstromrichter zugeordnete Regeleinrichtung aufzuschalten.
  • Eine Kommandostufe 10 sorgt als Umschalteinrichtung dafür, daß die Steuerspannung bzw. die Zündimpulse für die einzelnen Umkehrumrichter nur auf diejenige der beiden antiparallelen Brückenschaltungen des entsprechenden Umkehrumrichters gegeben werden, deren Stromführungsrichtung der Polarität der Grundschwingung des Ausgangs stromes entspricht. Die andere Brückenschaltung bleibt dabei gesperrt. Ilier entsteht das Problem, die Umschaltzeitpunkte aus dem Verlauf des Umrichterstromes so zu bestimmen, daß sie mit den Nulldurchgängen der Stromgrundschwingung bzw.
  • eines entsprechenden Umsteuersignals zusammenfallen.
  • In Fig. 1 ist dies dadurch schematisch dargestellt, daß der Kommandostufe 10 die mittels eines Filters 10' aus dem Iststromvektor i ermittelten Umsteuersignale ii, i2, i3 vorgegeben werden, deren Nulldurchgänge mittels Grenzwertmeldern 12 festgestellt werden, um damit entsprechende Umschalter li zu steuern.
  • 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 Schwingung 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 Stel- le verwendet, wo sie nicht zu einer Phasenvershiebung führen.
  • Zum Verständnis der Koordinatenwandler und weiterer bei der Erfindung verwendeter Rechenbausteine sei das obere Diagramm in Fig. 2 betrachtet. In einem raumfesten Bezugssystem sind den drei Ausgängen 1, 2, 3 drei gegeneinander um 120° verschobene, fste Richtungen vorgegeben, die den Richtungen von drei raumfesten Vektoren festlegen. Der Vektorbetrag dieser Vektoren wird durch den Meßwert am jeweiligen Ausgang festgelegt. Dadurch werden also z.B.
  • die Vektoren ii, 12, 13 für die Ausgangsstrom-Meßwerte ii, 12, 13 (im Beispiel einer einphasigen Last: i1 = i2, i3 = O) gebildet. Der Koordinatenwandler setzt diese Vektoren nach den Regeln der Vektoraddition zu einem resultierenden Vektor, dem Laststromvektor ib zusammen. Dabei gilt die algebraische Verknüpfungsvorschrift: wobei (abgesehen von einem gemeinsamen Proportionalitätsfaktor) iα, iß die Komponenten des resultierenden Vektors i bezüglich eines raumfesten orthogonalen Koordinatensystems sind und als das den resultierenden Vektor bestimmende Signalpaar am Ausgang des Koordinatenwandlers abgegriffen werden. Diese algebraische Verknüpfungsregeln ermöglichen auch mittels eines "2/3-Koordinatenwandlers" die Umrechnung eines in orthogonalen Komponenten gegebenen Vektors in einzelne skalare Größen, die als Länge entsprechender Vektoren drei gegeneinander um i200 versetzten Richtungen zugeordnet sind.
  • Es sind auch Koordinatenwandler bekannt, die die Umrechnung einer kartesischen Vektordarstellung in Polarkoordi- naten gestatten, so daß der resultierende Vektor i z.B.
  • auch durch seine Länge i und einen Winkel # beschrieben werden kann. Ähnlich arbeitet auch ein Vektoranalysator, der aus den kartesischen Komponenten iα, I eines Vektors i einerseits den Vektorbetrag i, andererseits ein Winkelsignal erzeugt, das aus dem Signalpaar i M /i=cos 9, iß/i=sin# besteht und somit die Projektion eines in Richtung des Vektors i weisenden Einheitsvektors auf zwei orthogonale Bezugsachsen α,ß berechnet. In den mittleren Diagrammen von Fig. 2 sind entsprechende raumfeste Bezugsachsen α,ß und der (im Beispiel negative) Winkel für den durch raumfeste Komponenten(iα, i k ) vorgegebenen Vektor i dargestellt.
  • Ein derartiger Vektoranalysator ist in der deutschen Offenlegungsschrift 29 19 786 (= VPA 79 P 3074) zusammen mit einem Vektordreher beschrieben. Ein Vektordreher ermöglicht es, die in einem ersten Bezugssystem gegebenen Komponenten (z.B. iα , iX ) in die entsprechenden Komponenten iα', iß' eines zweiten Bezugssystems α', ß' umzurechnen, das gegenüber dem ersten Bezugssystem um einen durch ein eingegebenes Winkelsignal bestimmten Winkel # gedreht ist. Besteht das Winkelsignal z.B. aus dem Signalpaar cos # , sin , , so bildet ein mit VD(-) bezeichneter Vektordreher die neuen Komponenten: iα' = iα # cos # + ißsin# = i cos (# - #), (6) iß' = -iαsin # + i ß cos # = i sin (# - #), die den Projektionen des Vektors i auf die Bezugsachsen des um den Winkel # gedrehten, neuen Bezugssytems α', ß' entsprechen. Ein mit VD(+) bezeichneter Vektordreher führt die entsprechende inverse Operation aus: iα'' = iα cos# - sin#, (7) iß'' = iα sin# + iß cos#, durch die die Komponenten iα, iß bezüglich des Bezugssystems i,5 in die Komponenten iα'' , i eines um - # gedrehtes Bezugssystem α'', ß'' überführt werden.
  • Die mittleren Diagramme von Fig. 2 zeigen die entsprechenden Komponenten iα' , iß' und iα''.., iß' des Vektors i in zwei gegensinnig um den gleichen Winkel gedrehten Bezugssystemen.
  • Im unteren Diagramm von Fig. 2 ist der Vektor i, der im raumfesten Bezugssystem eine veränderliche Länge i (t) und eine veränderliche Richtung #(t) haben kann, bezüglich zweier Koordinatensysteme α', ß' ("Koordinaten-Mitsystem") und α'', ß'' ("Koordinaten-Gegensystem") dargestellt, die in der Zeit ht gegenüber dem raumfesten Bezugssystem um den Winkel #(#t) gegenläufig gedreht sind.
  • Der Vektor i besitzt demnach in dem Koordinaten-Mitsystem die Komponenten iα', iß' (Mitsystem-Komponenten) und im Koordinaten-Gegesystem die Komponenten iα'', iß''.
  • Das gleiche gilt auch für ein Sollwertsystem. So kann dem symmetrischen Führungsgrößensystem (i) durch Anwendung der Verknüpfungsvorschrift (5) der Vektor U* mit den raumfesten orthogonalen Komponenten U* = U0* cos Uß* = U0* sin # * t zugeordnet werden. Die Transformation (6) in ein mit #* umlaufendes Koordinaten-Mitsystem liefert die Komponenten U*α'0 U*O, U*'00, also zeitlich konstante Gleichgrößen, die einen das Führungsgrößensystem beschreibenden, im Koordinaten-Mitsystem ruhenden Vektor ("Mitsystemvektor") darstellen. Im entsprechenden Koordinaten-Gegensystem liefert die Transformation (7) die Wechselgrößen Uα'' * = U0*cos2# *t, Uß''* = U0*sin2#t. Die zeitlichen Mittelwerte dieser Wechselgrößen verschwinden, da das Führungsgrößensystem bereits durch' den Mitsystemvektor vollständig beschrieben ist.
  • Das gleiche gilt auch für ein Sollwertsystem.
  • So kann z.B. dem Führungsgrößensystem (1) zu einem Zeitpunkt t0, der durch #*t0 ~ 300 oder 1500 gegeben ist, (d.h. U1* = U2*, U3* = 0) den einzelnen skalaren Führungsgrößen jeweils ein Vektor U1*, U2*, U3* gemäß den Diagrammen von Fig. 2 zugeordnet werden. Die Verknüpfungsvorschrift (5) und die Transformation (6) liefern in dem mit (t) = o*t umlaufenden Koordinaten-Mitsystem die Komponenten U*α'= U0*, U*ß'=0 des resultierenden Führungsvektors U*, die als zeitunabhängige Gleichgrößen einen im Koordinaten-Mitsystem rechnenden Vektor ("Mitsystemvektor'') darstellen und ein symmetrisches System beschreiben.
  • Für andere Zeitpunkte t 4 to (d.h. U3* *0) ergeben sich naturgemäß Diagramme, die von Fig. 2 abweichen, da die dort gezeichneten Diagramme für ein unsymmetrisches System gelten. Die Transformation (6) liefert mit dem Winkelsignal #= # # t und das unsymmetrische System (3) die Zerlegung iα' = i' cos #' + i'' cos(- 2#t + #''), iß' = i' sin #' + i'' sin(- 2#t + #''), wobei die Gleichanteile i'cos ', i'sin ' die Komponenten des Mitsystemvektor i im Koordinaten-Mitsystem darstellen. Die Transformation (7) liefert dagegen mit = i'cos (2#t + #') + i'' cos #'', = i'sin (2#t + #') + i'' sin #'', zwei Größen, deren Gleichanteile die Komponenten eines im Koordinaten-Gegensystem rechnenden Gegensystem-Vektors i'' bilden.
  • Gemäß diesen Erläuterungen lassen sich also für jedes schiefsymmetrische System, das eine Frequenz O enthält, entsprechende, zur Beschreibung des Systems notwendige Gleichgrößen ? ", vv> i' und i" finden.
  • Gemäß dem der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken soll eine im zeitlichen Verlauf eines Meßwertes enthaltene harmonische Schwingung n-ter Ordnung ermittelt werden, wenn der Meßwert von einer Führungsgröße mit vorgegebener Soll-Frequenz bestimmt ist. Handelt es sich bei dem Meßwert um den Momentanwert des Stromes an einem Umrichterausgang und bei der Führungsgröße um eine entsprechende Sollspannung, so ist seine Grundfrequenz durch die Sollfrequenz der Führungsgröße gegeben; jedoch folgt der Meßwert der Führungsgröße mit einer lastabhängigen Phasenverschiebung und ist von durch den Umrichterbetrieb bedingten Oberschwingungen überlagert, so daß z.B. für die Bildung des Umsteuersignals für die Kommandostufe 10 in Fig. i zumindest die Phase der Stromgrundschwingung ermittelt werden muß. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist das Umsteuersignal auch in der Amplitude proportional zur Stromgrundschwingung.
  • Ausgangspunkt ist ein aus der Führungsgröße abgeleitetes Winkelsignal, das in einem raumfesten Bezugssystem einen Bezugsvektor festlegt, der bei einer Bestimmung der Grundschwingung mit der vorgegebenen Frequenz der Fiihrungsgröne (bzw. bei der Bestimmung der harmonischen Schwingung n-ter Ordnung mit der n-fachen vorgegebenen Frequenz) und konstantem Umlaufsinn rotiert und eine Koordinatenachse eines rotierenden, orthogonalen Koordinaten-Mitsystems bestimmt. Als erforderliches Mittel zur Bildung des Winkelsignals geneigt z0B. eine Eingabeeinrichtung, die in Fig. 3 als ein von der Sollfrequenz X * gesteuerter Sägezahngenerator 29 dargestellt ist. Das Ausgangssignal dieses Sägezahngenerators ist zwischen einem 1800 entsprechenden Minimalwert und einem +810° entsprechenden Maximalwert veränderlich und stellt somit ein Winkelsignal #* dar, durch das im raumfesten Bezugssystem die Bestimmungsgrößen des Bezugsvektors, z.B. eines durch den Betrag 1 und die Richtung ?* in Polarkoordinaten oder durch die orthogonalen Komponenten cos #*, sin#* bestimmten Einheitsvektors festgelegt sind, der bezüglich einer raumfesten Bezugsachse mit der Frequenz w* umläuft. Der Bezug zu der Führungsgröße ist durch einen polar/kartesisch arbeitenden Koordinatenwandler 29' angedeutet, dem neben dem Winkelsignal * auch die Sollamplitude U0* der Führungsgröße (Spannung) zugeführt ist und der diese Polarkomponenten des Führungsgrößenvektors in entsprechende kartesische Komponenten umrechnet, von denen die Komponente U0* cos t* vom Stellglied (Umrichter 5) als Steuer-oder Regelgröße zum Stellen des Stromes il verwendet werden kann.
  • Sodann wird der Meßwert ii derart mit dem Winkelsignal *demoduliert, daß zwei im Koordinanten-Mitsystem ( α', P ') die Komponenten i«, , iF eines zeitlich veränderlichen Istwert-Vektors i darstellende demodulierte Meßwertsignale erhalten werden. Die Komponenten des Istwert-Vektors i im raumfesten Bezugssystem sind dabei dem Istwert durch eine zeitunabhängige algebraische Verknüpfungsvorschrift zugeordnet. Hierzu dient die Vektordreherstufe 32 in Fig. 3, der im allgemeinen Fall neben dem Winkelsignal #* die Bestimmungsgröaen des gemäß (5) aus dem Meßwerten ii, i2, i3 gebildete resultierende Istwert-Vektor zugeführt wird, so daß mit dem Verfahren simultan alle Istwerte ii, i2, i3 gleichzeitig verarbeitet werden Fig. 3 stellt jedoch zunächst den Fall dar, daß nur ein einziger Meßwert verarbeitet wird. Durch Zuordnung einer konstanten Richtung (z.B. # = O) kann auch aus einem einzigen Meßwert ein Istwert-Vektor der Länge i = i1/cost gebildet werden. In Fig. 3 ist zur Verdeutlichung des Verfahrens eine Polardarstellung gewählt, so daß die entsprechenden Polarkoordinaten (konstante Richtung = o, Vektorbetrag i = i1) der Vektordreherstufe 32 zugefiihrt sind.
  • Da der Meßwert ii vor allem die von der Führungsgröße U1* bestimmte Grundfrequenz * enthält (Umlauffrequenz des Koordinaten-Mitsystems) stellt i im Koordinaten-Mitsystem einen durch die Polarkoordinaten (i, - y*) beschreibbaren, im wesentlichen ruhenden Vektor dar. Die Subtraktionsstelle 30 nimmt daher eine Demodulation des Istwert-Vektors vor, wobei der nachgeschaltete Koordinatenwandler (31) die demodulierten Polarkoordinaten in entsprechende demodulierte Meßwertsignale iα'#, iß' umrechnet, die die kartesischen Komponenten iα', iß' des Istwertvektors im orthogonalen Koordinaten-Mitsystem darstellen.
  • Anschleßend werden gemäß der Erfindung die zeitlichen Mittelwerte dieser demodulierten Meßwertsignale gebildet0 Dies geschieht mittels der Filterstufe 33, die aus jeweils einem integrierenden Bauglied, z.B. einem Tiefpaßfilter, für jedes der beiden demodulierten Meßwertsignale besteht.
  • Die zeitlichen Mittelwerte stellen dann die auf das Koordinaten-Mitsystem bezogenen kartesischen Komponenten eines mit dem Koordinaten-Mitsystem rotierenden Mitsystem-Vektors i' dar. Diese Tiefpaßfilter 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.
  • Schließlich werden die Ausgangssignale i¢, i ß, der Tiefpaßfilter wieder derart rückmoduliert, daß ein eine raumfeste Komponente des Mitsystemvektors darstellendes rückmoduliertes Meßwertsignal i' erhalten wird, wobei dem rUckniodulierten Meßwertsignal durch die zur zeitunabhängigen algebraischen Zuordnungsvorschrift inverse Zuordnung die harmonische Grundschwingung zugeordnet wird.
  • Diese Rückmodulation geschieht 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 für die Grundschwingungsamplitude abgegriffen werden kann. Da der Mitsystemvektor im Mitsystem ruht, ist seine entsprechende Winkelvariable eine Gleichspannung, der nunmehr an der Additionsstelle 36 das Winkelsignal * entsprechend der RUcktransformation ins raumfeste Bezugssystem aufgeschaltet wird, also gegenüber der Aufschaltung an der Subtraktionsstelle 31 mit entgegengesetztem Vorzeichen. Das dabei entstehende Signal ' stellt dann wiederum eine mit der Frequenz * veränderliche Größe dar, die jedoch gegenüber dem Winkelsignal #* um eine bestimmte Phasendifferenz verschoben ist. Dadurch ist die Phasendifferenz zwischen der Grundschwingung des Meßwertes ii und der Phase t* der Führungsgröße ermittelt.
  • Die Bezeichnung der im wesentlichen die Koordinatenwandler 31 und 35 zur wechselseitigen Umrechnung von RZarkoordinaten in Karthesekoordinaten enthaltenden Stufen 32 und 34 als "Vektordreherstufen" weist bereits darauf hin, daß vorteilhaft nicht mit Polarkoordinaten gearbeitet wird0 Fig. 4 zeigt eine in kartesischer Vektordarstellung arbeitende Vorrichtung, mit der ebenfalls nur die Grundschwingung eines einzelnen, skalaren Meßwertes ermittelt wird0 Auch hier kann dem Meßwert i1 durch Vorgabe einer konstanten Richtung # ein Istwert-Vektor i zugeordnet werden; z.B. können die raumfesten kartesischen Komponenten des Istwert-Vektors zu i α = ii, iß= const ii (entsprechend der Richtung # = arc cos i P / i ), insbesondere mit iß = 0 (d.h. # =0) vorgegeben werden. Das mit der Sollfrequenz f* umlaufende Winkel signal wird unmittelbar durch die beiden kartesischen raumfesten Komponenten cos #*, sin t* eines mit der Frequenz w* umlaufenden Einheitsvektors y * gegeben, was schematisch durch einen frequenzgesteuerten Oszillator 29' ("Vektoroszillator") dargestellt ist, der zwei um #/2 versetzte Slnusschwingungen erzeugt. Durch Multiplikation mit der Sollamplitude * * kann dabei wieder die Führungsgröße U1* ereugt werden, mit der das Stellglied (Umrichter) für den Meßwert ii gesteuert oder geregelt wird. Auch die Vorrichtung nach Fig. 4 enthält eine erste Vekto 32, eine Filterstufe 33 und eine zweite Vekt e 34. Das den Einheitsvektor 2 #* darstellende Wickelsignalpaar ist dem entsprechenden Wickelsignaleingang eines Vektordrehers 32' zugeführt, das von dem die Komponenten des Istwert-Vektors darstellenden Signalpaar (ia= i1, iß= o) beaufschlagt ist.
  • Dieser Vektordreher führt unmittelbar die Koordinatentransformation vom raumfesten Bezugssystem in das Koordinaten-Mitsystem durch. Auch hier werden also die kartesischen Komponenten i « , i ß' des Istwert-Vektors im orthogonalen Koordinaten-Mitsystem gebildet. Sie entsprechen den Projektionen des Istwert-Vektors auf die beiden Bezugsachsen α', ' 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. 4 durch ein gemeinsames Filtersymbol 33' dargestellt sind, in die entsprechenden zeitlichen Mittelwerte umgewandelt. Dadurch werden also bezüglich des Koordinaten-Mitsystems die Komponenten des im Koordinaten-Mitsystem ruhenden MTtsytem-Vektors i' ermittelt, dessen Betrag der im Meßwert enthaltenden Grundschwingungsamplitude proportional ist.
  • Ein Vektordreher 34' in der zweiten Vektordreherstufe transformiert nun die Komponenten des Mitsystemvektors mittels des Winkelsignals v in seine raumfesten Komponenten, wobei diese Transformation eine Modulation ist, da der im Koordinaten-Mitsystem ruhende Mitsystemvektor i' im raumfesten Bezugssystem mit der Frequenz dazu umläuft und entsprechend periodische Komponenten aufweist. Die beiden dem Mitsystem zugeordneten Vektordreher 32', 34' und das dem Mitsystem zugeordnete Filterglied 33' wirken also analog den Baugruppen 32, 33, 34 in Fig. 3.
  • Fig. 4 arbeitet jedoch nach folgender vorteilhafter Weiterbildung des in Fig. 3 dargestellten erfindungsgemäßen Verfahrens: Der Meßwert i1 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 ig erhalten werden. 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 32", der die raumfesten Komponenten des Istwert-Vektors ins Koordinaten-Gegensystem umrechnet.
  • Ferner werden auch die zeitlichen Mittelwerte der weiteren demodulierten Meßwertsignale 1α'' . i.. als entsprechende, auf das Koordinanten-Gegensystem bezogene Komponenten #α'' , #ß'' eines mit dem Gegensystem rotierenden Gegensystem-Vektors #'' gebildet. Hierzu enthält die Filterstufe 33 neben den Tiefpaßfiltern 33' für die Vcktorkompaenten im Koordinaten-Mitsystem auch für jede Komponente im Koordinaten-Gegensystem je einen Integrator bzw. ein entsprechend dimensioniertes Tiefpaßfilter zur Bildung der Gleichanteile dieser Komponenten, wobei die beiden dem Gegensystem zugeordneten Tiefpaßfilter wiederum nur durch ein gemeinsames Filtersymbol 33" dargestellt sind.
  • Sodann werden auch die zeitlichen Mittelwerte der weiteren demodulierten Meßwertsignale derart rückmoduliert, daß ein eine raumfeste Komponente des Gegensystem-Vektore it darstellendes weiteres rückmoduliertes Meßwertsignal erhalten wird.
  • Hierzu 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 Gegensystem-Vektor #'' in dessen Komponenten bezüglich des raumfesten Bezugssystems umrechnet.
  • Schließlich werden die beiden rückmodulierten Meßwertsig nale zu einem eine Komponente eines resultierenden Vektors darstellenden elektrischen Signal addiert, dem durch die zur zeitunabhängigen algebraischen Zuordnungsvor-Schrift inverse Zuordnung die interessierende harmonische Schwingung des Meßwertes ii, in diesem Fall also die Grundschwingung, zugeordnet wird. Uierzii dient das Additionsglied 37, das durch komponentenweise Addition der raumfesten Vektoren 1'> Si'' den zum Istwert-Velçtor gehörenden Istwert-Grundschwingungsvektor i bildet. Da im hier betrachteten Fall der Istwert-Vektor aus dem Neßwert i1 durch die algebraische Zuordnung iα=i1, iα=0 gebildet ist, ist auch nur iK , also die zum Ist-Vektor parallele Komponente des resultierenden Vektors T von Interesse und beschreibt die Grundschwingung des Meßwertes amplitudengetreu und phasenrichtig.
  • Wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 2 erläutert wurde, können die drei Umricliterströme i1, i2, i3 zu einem resultierenden Istwert-Vektor ("Laststromvektor") 1 zusammengesetzt werden, wobei im Fall einer einphasigen Last wegen i1 = -i2 der Laststromvektor i gegenüber der dem Ausgangsstrom ii zugeordneten Vektor um 300 gedreht ist.
  • Die Anordnung nach Fig. 3 oder 4 läßt sich jedoch ohne weiteres auch für eine dreiphasige Last anwenden, wenn der ersten Vektordreherstufe nicht die beiden Bestimmungsgrößen eines nur dem Meßwert ii zugeordneten Vektors konstanter Richtung zugeführt werden, sondern die beiden Bestimmungsgrößen des aus ii, i2 und i resultierenden Laststromvektors. Dies ist in Fig. 5 gezeigt.
  • Itier ist davon ausgegangen, daß die Führungsgröße für die Meßwerte nicht durch die Sollfrequenz O * vorgegeben ist, sondern durch die kartesischen ortsfesten Komponenten eines mit der Frequenz o* umlaufenden Sollvektors, z.B.
  • den Spannungssollvektor U*O Der Vektoroszillator 29' aus Fig. 4 kann in diesem Fall als Vektoranalysator 29'' ausgebildet sein, häufig ist aber das mit dem Sollvektor umlaufende Winkelsignal j* * auch an einer anderen Stelle der Regeleinrichtung abgreifbar. Die Zusammensetzung der Meßwerte ii, i2, i3 zum Istwert-Vektor i ist bereits in Zusammenhang mit dem Koordinatenwandler 8 aus Fig0 1 erläutert worden.
  • Auch die erste Vektorstufe 32, die Filterstufe 33 und die zweite Vektorstufe 34, sowie das Additionsglied 37 sind entsprechend Fig. 4 aufgebaut und arbeiten analog0 Dadurch wird ein resultierender Vektor i erzeugt, der nunmehr als ein Laststrom-Grundschwingungsvektor eindeutig die in den einzelnen Ausgangsströmen enthaltenen Grundschwingungen ii, i2, i3 beschreibt. Die Zuordnung des Grundschwingungsvektors i zu diesen einzelnen Grundschwingungen kann über einen nachgeschalteten 2/3-Koordinatenwandler 40 erfolgen.
  • Die gesamte, mit 50 bezeichnete Baugruppe kann demnach als ein das dynamische Filter 10' in Fig. i ersetzendes statisches 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 Kommandostufe eines Direktumrichters die Umschaltung zwischen den antiparallelen, auf einen getneinsamen Ausgang arbeitenden Gleichrichterbrücken eines Direktumrichters vornimmt, Da das Stromsystem im wesentlichen dem FUhrungsgrößensystem folgt und mit dessen Frequenz umläuft, liefert bereits die Darstellung des resultierenden Stromvektors i im Koordinaten-Mitsyfitem am Ausgang des Vektordrehers 32' im wesentlichen Gleichgrößen. Sie sind nur von geringen Oberschwingungen iiberlagert, die weitgehend demjenigen Anteil des Stromsystems zugeordnet sind, der durch den Gegensystemsektor beschrieben ist und gegenüber dem Mitsystem mit doppelter Frequenz umläuft. Die Auslegung des Filtergliedes 33' zur Unterdrückung dieser geringen Oberschwigunge stellt keine wesentlichen Probleme tier. Der dem Gegensystem zugeordnete erste Vektordreher 32'r jedoch liefert Ausgangsgrößen mit einem Gleichanteil der gegenüber den entsprechenden Mitsystemgrößen gering und von erheblicben Oberschwingungen überlagert ist, die von dem gegenüber dem Koorinaten-Gegen.
  • system mit doppelter Frequenz rotierenden Mitsystem-Anteil des Stromsystems hervorgerufen werden, Die Auslegung des dem Gegensystei zugeordneten Filtergliedes kann daher unerwünscht große Zeitkonstanten bedingen.
  • 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 Meßwertsignale (d.h. des Gegensystem-Vektors tTT) nicht die weiteren demodulierten Meßwertsignale selbst gemittelt werden, sondern eine Mittelung der auf des Koordinaten-Gegensystem bezogenen Komponenten der vektoriellen Differenz aus Istvektor und Mitsystenvektor vorgenonnen wird.
  • Dem Eingang des dem Gegensystem zugeordneten Filgergliedes werden also nicht die Komponenten des Istwert-Vektors i selbst zugeführt, sondern die Komponenten des Difierenzvektors i-#'. Am Ausgang des Filtergliedes 33 stehen die Komponenten des Mitsysten-Vektors #' bezüglich des Koordinaten-Mitsysteis an. Die Bildung der Differenz i-iT erfolgt komponentenweise. Hierzu kann am Eingang des dem Gegensystem zugeordneten Filtergliedes 33'' in Prinzip eine entsprechende Substraktionsstelle vorgesehen sein, der die Ausgangsgrößen des Vektordrehers 32 " und über zwei hintereinander geschaltete Vektordreher, von denen der erste Vektordreher den Mitsystenvektor zunächst ins raumfeste Bezugssystem und der zweite Vektordreher ihn dann ins Gegensysten transformiert, die Ausgangsgrößen des Filtergliedes 33' zugeführt werden.
  • Einfacher ist jedoch die in Fig. 5 gezeigte Anordnung, bei der den Vektordreher 32'' ein Subtraktionsglied 41 zur komponentenweisen Subtraktion des am Ausgang des Vektordrehers 34' abgegriffenen Mitsystemvektors vorgeschaltet ist. Zwischen dem Ausgang des Vektordrehers 34' und dem Subtraktionsglied 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 komponentenweisen 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 Spannungseinprägung, sondern mit Stromeinprägung arbeitet.
  • Die Erfindung läßt sich vorteilhaft insbesondere dazu verwenden, aus einem normalen 50 Hz-Drehspannungsnetz in das 16 2/3-Hz-Wechselspannungssystem einer Bahnetronversorgung einzuspeisen. Um bei den üblichen Leistungen von Bahnnetzen die auftretenden erheblichen Rückwirkungen auf das speisende Netz zu vermindern, sind Symmetriereinrichtungen bekannt, die es gestatten, den durch den Umrichter fließenden Strom symmetrisch auf die drei Umrichterausgänge zu verteilen, so daß eine gleichmäßige Belastung des Wechselrichters erreicht und störende Netzrückwirkungen unterdrückt werden (deutsche Offenlegungss'chrift 29 39 514, Sonderdruck aus "Elektrische Bahnen" 198i, Seiten 286 bis 288, 312 bis 314).
  • Eine derartige Anordnung ist in Fig. 6 gezeigt, wobei an die beiden Ulrichterausgänge 1 und 2 die Einphasenlast 4 gelegt ist und die an die drei Umrichterausgänge ierner angeschlossene Symmetriereinrichtung 60 aus einer Sternschaltung von drei Phasenschiebern besteht. Jeder Phasenschieber stellt eine über eine entsprechende Steuereinrichtung 61 steuerbare Impedanz dar. Zwischen die Ausgänge 1 und 2 bzw. 2 und 3 sind rerner Saugkreise angeordnet, die auf die verschiedenen Oberschwingungen der Umrichterausgangsfrequenz abgestimmt sind.
  • Dabei sind insbesondere erhebliche Stromoberschwingungen dritter Ordnung zu befürchten. Selbst wenn die Umrichterausgangsspannung durch ein zu einem symmetrischen System von Ausgangs spannungen gehörendes System von FUhrungsgrö-Ben bestimmt ist, kann die Rückwirkung der Stromoberschwingung auf den Umrichter dessen Spannung so deformieren, daß eine ordnungsgemäße Steuerung der elektronischen SyDmetriereinrichtung wesentlich erschwert wird.
  • Um diese Rückwirkungen der Stromoberschwingungen auf die Umrichterausspannung gering zu halten, sind vorteilhaft den an die Umrichterausgänge 1 und 2 angeschlossenen Eingängen der elektronischen Symmetriereinrichtung aui diese dritte Oberschwingung (50 Hz) ausgelegte Sperrkreise 62, 63 vorgeschaltet. Um die Stromoberschwingung noch wirkungsvoller zu unterdrücken und auch die elektronische Sy-etriereinrichtun von diesen Oberschwingungen zu entlasten, ist vorgesehen, das erfindungsgemäße Verfahren dazu zu verwenden, die harmonische Schwingung der betreffenden Ordnung zu erfassen und eine entsprechende Korrekturgröße der Führungsgröße oder einer aus der Ftthrungsgröße abgeleiteten Stellgröße aufzuschalten.
  • Dles>entsprlcht einer Störgrößenaufschaltung und ermöglicht dann die Unterdrückung der betreffenden Oberschwintung.
  • Die Erfassung der Oberschwingung arbeitet nach des gleichee erfindungsgemäßen Prinzip, so daß auch hier die erste Vektorstuie 32, die Filterstufe 33 und die zweite Vektordreherstufe 34 verwendet werden können, wie in Fig. 7 dargestellt ist. Im Unterschied zu Fig. 5 kann als Winkelsignal für die Vektordreherstufen nicht das der Grundschwingung des Führungsgrößensystems entsprechende Winkelsignal #* selbst verwendet werden, vielmehr muß ein Winkelsignal L3* verwendet werden, das mit der dreifachen Sollfrequenz *) umläuft.
  • Ein derartiges Winkelsignal ist jedoch leicht erreichbar, wenn man den vom Winkelsignal +* dargestellten rotierenden Einheitsvektor sowohl auf den Winkelsignaleingang wie auf den Vektoreingang eines ersten Vektordrehers 70 aufschaltet, dem der Vektoreingang eines weiteren Vektordrehers 71 nachgeschaltet ist, dessen Winkelsignaleingang ebenfalls das Winkelsignal #* zugeführt ist. Der Vektordreher 70 transformiert somit den mit #* umlaufenden Einheitsvektor in ein gegensinnig umlaufendes Koordinatensystem, so daß die dadurch erhaltenen Komponenten einen mit doppelter Frequenz umlaufenden Vektor darstellen. Der nachgeschaltete Vektordreher 71 transformiert diesen Vektor erneut in ein mit #* gegensinnig rotierendes Koordinatensystem, so daß die am Ausgang erhaltenen Komponenten einen mit dreifacher Frequenz umlaufenden Einheitensvektor #³* darstellen.
  • Dieser Vektor kann nun als Winkelsigial den entsprechenden Vektordreherstufen 32 und 34 zugeführt werden, um die im Meßwertsystem enthaltene harmonisch. Schwingung dritter Ordnung am Ausgang des Additionsgliedes 37 zu erhalten. Hier ist es vorteilhaft, das zu ermittelnde System dritter Ordnung bereits am Eingang der Anordnung von der Stromgrundschwingung zu isolieren, falls diese Strogrundschwingung bereits durch eine Anordnung entsprechend Fig. 5 bestimmt ist. Die Grundschwingung erscheint nämlich am Ausgang der Vektordreherstufe 32 ebenfalls als Wechselgröße, während die dritte Mitsystem-Oberschwingung bzw. die dritte Gegensystem-Oberschwingung von den Vektordrehern der Vektordreherstufe 32 als Gleichgrößen mit einem gegenüber der Amplitude der Grundschwingung wesentlich geringeren Pegel gebildet werden. Daher ist es vorteilhaft, dem Eingang der Vektorstufe 32 ein Subtraktionaglied 72 zur komponentenweisen Subtraktion des Istwert- Vektors i vom Istwert-Grundschwingungsvektor T vorzuschalten, wobei der Istwert-Grundsebvingungßvektor der den Grundschwingungsanteilen der Meßwerte entsprechend der erwähnten algebraischen Zuordnungsvorschrift zugeordnete Vektor ist.
  • Iesbesondere kann man zum Unterdrücken einer im Meßwert enthaltenen Oberschwingung n-ter Ordnung so vorgehen, daß die Gleichanteile der mit der n-fachen Sollfrequenz dewodulierten Meßwertsignale jeweils einem Nullpunktregler zugeführt und erst die Ausgangssignale der Nullpunktregler anstelle der demodulierten Meßwertsignale selbst rückmoduliert werden. Die durch die inverse Zuordnung gewonnene Größe kann dann als Störungsgröße der Führungsgröße oder einer aus der Führungsgröße abgeleiteten Stellgröße aufgeschaltet werden.
  • Eine entsprechende Vorrichtung ist in Fig. 8 dargestellt.
  • Dabei ist von einer Stromeinprägung ausgegangen, die dadurch erreicht wird, daß zur Vorgabe eines symmetrischen Führungsgrößensystems für den Umrichterausgangsstrom einmal die Sollfrequenz x* vorgegeben und über einen Vektoroszillator 80 in die Komponenten eines umlaufenden Einheitsvektore #* umgesetzt wird. Das Führungsgrößensystem wird ferner durch Eingabe des Sollwertes i* für die Amplitude des Stromsystems festgelegt und durch Multiplikation mit den Komponenten des Einheitsvektors 9* wird ein synchron umlaufender Strom-Sollvektor i* erzeugt.
  • Durch Regelvergleich mit den entsprechenden Istwert-Vektor i werden mittels einer Stromreglerstufe Si die Komponenten eines Steuervektors gebildet, die mittels des Komponentenwandlers 82 in die entsprechenden Stellgrößen für die Gleichrichterbrücken des Umrichters umgesetzt werden.
  • Zum Unterdrücken der dritten harmonischen Schwingung ist die Baugruppe 80 vorgesehen, die entsprechend Fig. 7 aufgebaut ist. Zum Bilden des Winkelsignals dienen wiederum die beiden hintereinander geschalteten Vektordreher 70, 71, wobei die Komponenten des Einheitsvektors cm + sowohl dem Vektoreingang des Vektordrehers 70 wie den Winkelsignaleingängen beider Vektordreher 70, 71 zugeführt ist.
  • Abweichend von Fig. 7 ist zwischen die Filterstufe 33 und die zweite Vektordreherstufe 34 für jede Komponente des Mitsystemvektors und des Gegensystemvektors jeweils ein Nullpunktregler geschaltet, wobei die Regler für die Mitsystemvektor-Komponenten durch ein einziges Reglersynbol 83 und die Regler für die Gegensystemkomponenten durch ein einziges Reglersymbol 84 dargestellt sind. Die Regler 83, 84 sind vorzugsweise integrale Regler und ihre Ausgänge stellen nunmehr die Komponenten eines Mitsystem-Korrekturvektors bzw Gegensystem-Korrekturvektors dar, wobei diese Vektoren durch die zweite Vektordreherstufe 34 ins raumfeste Bezugssystem rücktransformiert und an der Additionsstelle 35 zu einem resultierenden Korrekturvektor zusammengesetzt werden. Dieser resultierende Korrekturvektor wird an einer Additionsstelle 85 dem von den Stromreglern 81 gelieferten Steuervektor im Sinne einer Spannungsvorsteuerung des Umrichters überlagert.
  • Anstelle einer Spannungsvorsteuerung bei Stromeinprägung kann bei einer Spannungseinprägung als FUhrungsgrößensystem auch, wie in früher betrachteten Fällen, das Spannungssystem vorgegeben werden, wobei der Korrekturvektor direkt dem Sollspannungsvektor überlagert und als Eingangsgröße der Spannungsregelung verwendet wird.
  • Unabhängig von der durch verschiedene Fehlerquellen erzeugten dritten harmonischen Schwingung des Spannungsmitsystems bzw. Spannungsgegensystems eilt der Strom in dem hier betrachteten Anwendungsfall den Spannungen um etwa 90° nach. Deshalb ist zwischen Filterstufe 33 und den Nullpunktreglern 83, 84 eine Einrichtung vorgesehen, die den Mitsystem-Vektor und dem Gegensystem-Vektor Jeweils um 900 dreht. Da die Drehung eines Vektors um 900 dadurch erreicht werden kann, daß das Vorzeichen einer Komponente geändert und die Rollen der beiden Komponenten vertauscht werden, kann dies gemäß Fig. 8 dadurch geschehen, daß die Ausgänge der Filterstufe 33 kreuzweise mit Eingängen der Nullpunktregler 83, 84 verbunden werden, wobei jeweils eine Komponente des von der Filterstuie 33 gelieferten Mitsystem-Vektors bzw. Gegensystem-Vektors mittels der Invertierglieder 86, 86' negiert wird.
  • Wie bereits erwähnt wurde, ist es vorteilhaft, ein System von trapezförmigen Ausgangsspannungen am Umrichter zu erzügen. Eine Trapezkurve enthält neben der Grundschwingung vor allem eine ausgeprägte dritte Oberfrequenz. Bei dieser Anordnung, bei der von einem gleichförmig umlaufenden Vektor 2 * für die Führungsgröße ausgegangen wird, kann man diese trapezförmige Aussteuerung vorteilhaft dadurch erhalten, daß dem entsprechenden, mit der Grundfrequenz umlauienden Steuervektor die dritte Oberschwingung dadurch aufgeprägt wird, daß ein mit eXer geeigneten Phasenlage und dreifacher frequenzumlaufender Korrekturvektor auf geschaltet wird. Da das von dem Vektordreher 71 gelieferte Winkelsignal bereits einen mit dreiiacher Frequenz umlauienden Vektor darstellt, kann die trapezförmige Aussteuerung dadurch erreicht werden, daß mittels eines weiteren Vektordrehers 87, dessen Winkelsignaleingang mit einem konstanten Winkelsignal beaufschlagt ist, dieser mit dreidaher Frequenz rotierende Vektor zu dem ohnehin bereits gebildeten Korrekturvektor addiert und an der Additionsstelle 85 dem Steuervektor überlagert wird.
  • Auch bei Fig. 8 ist eine den beiden Vektordrehern der ersten Vektordreherstufe 32 vorgeschaltete Subtraktionsstufe 72 zur komponentenweisen Subtraktion eines den in den Meßwerten enthaltenen Grundschwingungen zugeordneten Grundschwingungsvektors i von dem Istwert-Vektor i vorgesehen.
  • Obwohl das Meßwertsystem durch ein rotierendes symmetrisches System von Führungsgrößen bosti=st ist, kann, wie bereits erläutert wurde, ein störendes Meßwert-Gegensystem auftreten. Nach der soeben erläuterten Unterdrückung von Oberschwingungen macht sich dieses Gegensystem noch in einer Gegensystem-Grundschwingung bemerkbar, die auf ähnliche Weise unterdrückt werden kann.
  • Zur Erläuterung des Vorgehens sei auf Fig. 3 zurUckgegangen, wo ein Vektor (im Fall von. Fig. i ein Vektor des veränderlichen Betrages ii und des konstanten Winkels #= = o) in das Koordinaten-Mitsystem transformiert ("demodulie,t"), durch Mittelung der kartesischen Komponenten in einen Mitsystem-Vektor überführt und anschließend in das raumfeste Bezugssystem transformiert ("rEckmoduliert") wird.
  • Entsprechend kann man zum Ermitteln einer Gegensystem-Schwingung in einem von drei Meßwerten gebildeten, durch einen resultierenden Istwert-Vektor darstellbaren Meßwertsystem den Istwert-Vektor in ein Koordinaten-Gegensystem (ein entgegengesetzt zum symmetrischen System der Fuhrun6sgrößen rotierendes Bezugssystem) transformieren ("demodulieren").
  • Die derart demodulierten Meßwerte stellen nun die Komponenten des Istwert-Vektors im Koordinaten-Gegensystem dar und werden gemittelt, wobei sowohl die Mitsystemschwingungen des Istwert-Systems wie die Oberschwingungen eli- miniert werden. Die zeitlichen Mittelwerte dieser derart demodulierten Meßwerte entsprechen dann den Komponenten eines resultierenden Gegensystem-Vektors bezUglich des Koordinaten-Gegensystems. Die anschließende Rücktransformation ("Rückmodulation") ins raumfest Bezugssytem liefert dann die Gegensystem-Grundschwingung, die durch entsprechende Aufschaltung einer Korrekturgrö ße unterdrückt werden soll.
  • Dabei kann für die Bildung und Auischaltung der Sorrekturgröße analog zu Fig. 8 ein Nullpunktregler zwischen der Filterstufe zur Bildung der zeitlichen Mittelwerte, ein Vektordreher zur Rüokmodulation und ein Additionsglied zum Aufschalten der Ausgangsgröße des zur Rückmodulation vorgesehenen zweiten Vektordrehers auf das Führungsgrößensystem verwendet werden. Eine entsprechende Schaltung ist in Fig. 9 dargestellt. Da die Gegensystem Grundschwingung der Spannung unterdrückt werden soll, wird mittels des Koordinatenwandlers 90' der resultierende Istwert-Spannungsvektor U gebildet, während das Winkelsignal aus dem entsprechenden Führungsgrößensystem für die Spannung, also z.B. einem Sollspannungsvektor U* mittles eines Vektoranalysators 91 gebildet werden kann. Da das Winkelsignal entgegengesetzt zum FUhrungsgrößensystem rotieren soll und sich daher von einem mit dem Führungsgrößensystem rotierenden Winkelsignal nur um ein Vorzeichen unterscheidet, z.B. dem Vorzeichen der Komponente sin ;*t des entsprechend rotierenden Einheitsvektors, andererseits die Transformation in ein Koordinaten-Mitsystem und die Transformation in ein Koordinaten-Gegensystem lediglich durch die Vorzeichenbewertung am Winkelsignaleingang eines Vektordrehers voneinander abweichen, ist notfalls lediglich ein Negationsglied erforderlich, um das in der Praxis an anderer Stelle der Regeleinrichtung bereits vorhandene, die Rotation des Führungsgrößensystems bestimsende Winkelsignal zur zur Transformation ins Koordinaten-Gegensystem zu verwenden.
  • Die Demodulation der Meßwerte im Koordinaten-Gegensystem erfolgt wiederum über eine erste Vektordreherstuie 32, wobei dem Vektoreingang eine Summationsstelle 41 vorgeschaltet sein kann, der der Istwert-Vektor U und der entsprechende Sollwert-Vektor U* aufgeschaltet ist. Dadurch wird bereits vor der Bildung der zeitlichen Mittelwerte eine M itsyste mschwingung weitgehend eliminiert. An die erste Vek ,ute 32'' schließt sich die Filterstufe 33 " an, die die Komponenten des Gegensystem-Grundschwingungsvektors bildet. Ferner ist ebenfalls eine zweite Vektorstuie 34| zur Rückmodulation ins raumfeste Bezugssystem vorgesehen, deren Ausgangsgröße als Komponenten eines Korrekturvektors an einer Additionsstelle 95 dem Vektor U* des Führungsgrößensystems aufgeschaltet ist.
  • Ein nachgeschalteter Koordinatenwandler 92 bildet daraus, entsprechend der zur Verknüpfungsvorschrift des Koordinatenwandlers 90' inversen Operation,dle Stellgrößen für den als Spannungsstellglied aufzufassenden Umrichter.
  • Vektordreher 32'', Filgerglied 33" und Vektordreher 34'' entsprecheniden jeweils dem Gegensystem zugeordneten Vektordrehern und Filtergliedern in der Anordnung nach Fig.
  • 5. Abweichend jedoch ist zwischen den durch ein gemeinsames Filtersymbol dargestellten Filtergliedern für die demodulierten Meßwertsignale und dem Vektordreher 34'' ein Nullpunktregelglied 96 vorgesehen. Ein derartiges Regelglied besteht wie in den vorausgegangenen Fällen aus jeweils einem Regler für jede Komponente des Eingangsvektors, wobei diesen Reglern jeweils der Wert 8 als Sollwert der entsprechenden Komponente vorgegeben ist. Dies ist in Fig. 9 symbolisch durch das Regelvergleichsglied 97 dargestellt, dessen Sollwert-Eingänge auf konstantem Potential liegen. Bei integrierenden Reglern kann die FilterstuSe in der Regelschaltung verwirklicht sein.
  • In Fig. 10 ist schematisch dargestellt, wie die bisher betrachteten Einzelsehaltungen zusammengesetzt werden können, um die in Fig. 1 mit 6 bezeichnete Regelanordnung und das mit 10' bezeichnete, jetzt allerdings stationär arbeitende Filter zu erhalten.
  • Dabei ist davon ausgegangen, daß der Umrichter eine unsymmetrische Last und eine dazu parallele elektronische Symmetriereinrichtung speist.
  • Der Umrichter wird mit Stromeinprägung betrieben, wozu ihm jeweils der Sollwert i* für die Ausgangsstrom-Amplitude und die Sollfrequenz o* vorgegeben wird. Ein Sollwert-Geber 100 bildet daraus das Führungsgrößensystem für ein symmetrisches System von Ausgangsströmen, z.B.
  • indem mittels eines Vektoroszillators 101 ein mit der Sollfrequenz w* umlaufender Einhoitsvektor f* gebildet wird, dessen Komponenten durch Multiplikation mit dem Strombetrag i* (Multiplikator 102) den Sollvektor i* zur Vorgabe eines symmetrischen Führungsgrößensystem für den Umrichter liefern. Ebenso kann aus dem mit der Sollirequenz * umlaufenden Vektor #* in einer Rechenstufe 103 im Fall einer Spannungseinprägung der Spannungs-Sollwert U* für den Umrichter gebildet werden. Sofern als unsymmetrische Last ein Wechsel stromnetz vorgesehen ist, kann es eriorderlich sein, mittels der Rechenstufe 103 eine Anpassung des Sollvektors U* an Phasenlage und Amplitude des Wechselspannungsnetzes vorzunehmen.
  • Aus den Führungsgrößen i* des Wechselrichters wird an einer Vergleichsstelle 104 der Sollwert-Istwert-Vergleich vorgenol.en, wobei als Istwerte wahlweise der das Meßwertsystem beschreibende Stromvektor i oder dessen z.B. am Ausgang des Vektordrehers 38 einer Anordnung nach Fig. 5 anstehender Mitsystem-Grundschwingungsvektor i' verwendet werden kann (Umschalter 105). Ein nachge- schalteter Koordinatenwandler 106 wandelt den beim Regelvergleich erhaltenen Diiferenzvektor in drei Komponenten um, von denen mindestens zwei einem Regler 107, 107' zugeleitet werden. Ein dritter Regler erübrigt sich wegen der Bedingung ii + i2 + 13 t O, es kann aber unter Umständen vorteilhafter sein, auch. drei Regler zu verwenden und die Einhaltung dieser Bedingung auf andere Weise zu gewährleisten.
  • Den durch diese Regeleinrichtung erhaltenen Stellgrößen ist an den Additionsstellen 108, 108', 108'' jeweils eine Korrekturgröße aufgeschaltet und die dabei erhaltenen Steuerspannungen sind den Steuersätzen der auf die Umrichterausgänge arbeitenden Gleichrichterbrücken zugeführt, die zusammen mit ihren jeweiligen Koomandostuien (Umßchalteinrichtungen) zu einer Umri¢hteretelleinrichtung 109 zusammengefaßt sind. Die den tberlagerungsstellen 108, 108', 108'' zugeführten Signale sind mittels eines Koordinatenwandlers 110 aus einer vektoriellen Größe gebildet, die durch Addition aus zwei Systemen von Korrekturgrößen erhalten ist (Additionsstolle iii).
  • @ Das mit i bezeichnete erste System der Korrekturgrößen ist von einer Vorrichtung zur Unterdrückung der 3. Oberschwingung entsprechend der Baugruppe 80 in Fig. 8 aus der Führungsgrößen-Grundschwingung (Winkelsignal 22*) und den Strommeßwerten (Istwert-Vektor i) gebüdet, wozu vorteilhaft auch der resultierende Vektor T des Stromgrundschwingungssystems herangezogen werden kann.
  • Dieser resultierende Vektor des Stromgrúndschwingungssystems wird von einer Vorrichtung 50, die der Baugruppe 50 aus Fig. 5 entspricht, aus dem Meßwert-System i und dem Winkelsignal 2 * und ggi. dem Sollvektor i* ermittelt.
  • Die Vorrichtung 50 dient dabei als statisches Vektorfilter; um aus den erfaßten Ausgangs strömen des Umrichters die der Sollfrequenz entsprechende Grundschwingung als Umsteuersignal für die in der Stelleinrichtung 109 enthaltenen Kommandostufen zu ermitteln.
  • Das mit U "* bezeichnete zweite System von Korrekturgrößen wird von einer Vorrichtung 90, entsprechend der Baugruppe 90 in Fig. 9, aus den Spannungsmeßwerten U und der Führungsgrößen-Grundschwingung *+ bzw. dem damit angestrebten symmetrischen System von Ausgangs spannungen (Spannungßsollvektor U*) ermittelt.
  • Bei der hier beschriebenen Stromregelung werden die Korrekturgrößen zur Vorsteuerung der Steuerspannungen des Umrichters benutzt. Man kann aber auch eine Spannungsregelung vorsehen, wobei die Korrekturgrößen als Störgrößen direkt dem Sollspannungssystem aufgeschaltet und die Regler 107, 107' für einen Spannungsregelvergleich erst hinter der Korrekturgrößenaufschaltung angebracht sind.
  • Diese Vorrichtung gestattet einerseits eine Einspeisung in ein Wechselspannungssystem aus einem Drehspannungssystem ohne störende Rückwirkungen auf das speisende Drehspannungssystem, andererseits können der Umrichter und die zur Symmetrierung der Einphasenlast vorgesehene Symmetriereinrichtung allein auf die zu übertragende Wirkleistung abgestint werden, ohne wegen Gegensystemschwingungen oder Oberschwingungen überdimensioniert werden zu müssen.
  • 10 Figuren 24 Patentansprüche L e e r s e i t e

Claims (23)

  2. Patentansprüche 1. Verfahren zum phasenrichtigen und amplitudengetreuen Ermitteln einer im zeitlichen Verlauf eines- Meßwertes (i1) enthaltenen harmonischen Schwingung n-ter Ordnung, wobei der Meßwert von einer Führungsgröße mit vorgegebener Sollfrequenz bestimmt ist, g e k e n n z e i c h -n e t durch folgende Merkmale: a) es wird ein Winkelsignal ( #*) gebildet, das ia einem raumfesten Bezugssystem einen Bezugsvektor festlegt, der mit der n-fachen vorgegebenen Frequenz und konstanzen Umlaufsinn rotiert und eine Koordinatenachse eines rotierenden, orthogonalen Koordinaten-Mitsystems bestimmt, b) der Meßwert (11) wird derart mit dem Vinkelsignal (#*) demoduliert, daß zwei in Koordinaten-Mitsystem einen zeitlich veränderlichen Istwert-Vektor darstellende demodulierte Meßwertsignale (1α', iß') erhalten werden, wobei die Komponenten (il, ) des Istwert-Vektors im raumfesten Bezugssystem aus dem momentanen Meßwert (ii) durch einen zeitunabhängige algebraische Verknüpfung gewinnbar sind, c) die zeitlichen Mittelwerte der demodulierten Meßwertsignale werden als entsprechende auf das Koordinaten-Mitsystem bezogene Komponenten (#α', #ß') eines mit dem Koordinaten-Mitsystem rotierenden Mitsystem-Vektors gebildet, und d) die zeitlichen Mittelwerte der demodulierten Meßwertsignale werden derart rückmoduliert, daß ein rückmoduliertes, eine raumfeste Komponente () ) des Mitsystem-Vektors darstellendes Meßwertsignal erhalten wird, wobei dieser Komponente (#') durch die zur Zeit unabhängigen algebraischen Zuordnungsvorschrift inverse Zuordnung die harmonische Schwingung n-ter Ordnung zugeordnet wird (Fit 3) 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h t e -kennzeichnet, daß der Meßwert auch derart mit dem Winkelsignal demoduliert wird., daß zwei die Komponenten des Ist-Vektors in einem mit gleicher Frequenz und entgegengesetzt zum Koordinaten-Mitsystem umlaufenden Koordinaten-Gegensystem darstellende weitere demodulierte Meßwertsignale (i α'', 1 * " ) erhalten werden, daß auch die zeitlichen Mittelwerte der weiteren demodulierten Meßwertsignale als entsprechende auf das Koordinaten-Gegensystem bezogene Komoponenten eines mit dem Koordinaten-Gegensystem rotierenden Gegensystem-Vektors (III) gebildet werden, daß auch die zeitlichen Mittelwerte der weiteren demodulierten Meßwertsignale derart rückmoduliert werden, daß ein eine raumfeste Komponente des Gegensystem-Vektors darstellendes weiteres rückmoduliertes Meßwertsignal erhalten wird, und daß die beiden rückmodulierten Meßwertsignale eine Komponente eines resultierenden Vektors (#) darstellenden elektrischen Signal addiert werden, dem durch die zur zeitunabhängigen algebraischen Zuordnungsvorschrift inverse Zuordnung die harmonische Schwingung n-ter Ordnung zugeordnet wird (Fig. 4).
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2 für ein System aus drei Meßwerten (i 12, i3), von denen wenigstens zwei Meßwerte ermittelt und zu einem resultierenden Istwert-Vektor (i) zusammengesetzt werden, d a d u r c h g e -k e n n z e 1 c h n e t , daß die zeitlichen Mittelwerte der weiteren demodulierten Meßwertsignale dadurch gebildet werden, daß die auf das Koordinaten-Gegensystem bezogenen Komponenten der vektoriellen Differenz (i-iT) aus Istvektor (i) und Mitsystem-Vektor (i') gemittelt werden (Fig. 5).
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 2 für ein System aus drei Meßwerten, von denen wenigstens zwei Meßwerte ermittelt und zu einem gemeinsamen Istwert-Vektor zusammengesetzt werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die zeitlichen Mittelwerte der weiteren demodulierten Meßwertsignale dadurch erhalten werden, daß die auf das Koordinaten-Gegensystem bezogenen Komponenten der vektoriellen Differenz (i - i*) aus Istwert-Vektor und einem mit der Sollfrequenz umlaufenden Sollwert-Vektor gemittelt werden (Fig. 5).
  5. 5. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche t bis 4 zum stronflußrichtungsabhäigen Umschalten zwischen den antiparallelen, auf einen gemeinsamen Ausgang arbeitenden Gleichrichterbrücken eines Direktumrichters, d a d u r c h g e k e n n z e i c Ii n e t , daß aus dem Meßwert des Stromes am jeweiligen Umrichterausgang die Grundschwingung phasenrichtig erfaßt und beim Nulldurchgang der Grundschwingung ein Umschaltsignal abgegeben wird (Fig. 10).
  6. 6. Anwendung des Verfahrens nach einem der Anspruche 1 bis 4 zum Unterdrücken einer im Meßwert enthaltenen Schwingung n-ter Ordnung, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die harmonische Schwingung n-ter Ordnung phasenrichtig erfaßt und eine deren Amplitude proportionale Sorrekturgröße der Führungsgröße oder einer aus der FUhrungsgrdße abgeleiteten Stellgröße phasenrichtig aufgeschaltet wird.
  7. 7. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zum Unterdrücken einer im Meßwert enthaltenen Oberschwingung n-ter Ordnung, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Gleichanteile der mit der n-fachen Sollfrequenz demodulierten Meßwertsignale jeweils einem Nullpunktregler zugeführt werden, die Ausgangssi6-nale der Nullpunktregler der Rücknodulation unterworien werden und die durch die inverse Zuordnung gewonnenen Größen als Korrekturgrößen der Führungsgröß oder einer aus der Führungsgröße abgeleiteten Stellgröße aufgeschaltet werden (Fig. 8).
  8. 8, Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 zum Unterdrücken eines Gegensystems in einem durch ein rotierendes symmetrisches System von Führungsgrößen bestimmte System von drei Meßwerten, d a d u r c h g e -k e n n z ei c h n e t , daß die Meßwerte in einem entgegengesetst zum symmetrischen System von Führungsgrößen rotierenden Koordinatensystem derart demoduliert werden, daß die zeitlichen Mittelwerte den auf dieses Koordinatensystem bezogenen Komponenten eines resultierenden Vektors entsprechen, daß jeder zeitliche Mittelwert einem Nullpunktregler zugeführt wird, daß die Ausgangssignale des Nullpunktreglers rückmoduliert werden und die durch die inverse Zuordnung gewonnenen Größen als Korrekturgrößen den Führungsgrößen oder aus den Führungsgrößen abgeleiteten Stellgrößen aufgeschaltet werden (Fig. 9).
  9. 9. Vorrichtung zum phasenrichtigen und amplitudengetreuen Ermitteln einer im zeitlichen Verlauf eines Meßwertes enthaltenen harmonischen Schwingung n-ter Ordnung, wobei der Meßwert von einer Führungsgröße mit vorgegebener Sollfrequenz ( #*) bestimmt ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, g e -k e n n z e i c h n e t durch a) Mittel (29) zur Bildung eines aus der Führungsgröße abgeleiteten Winkelsignals ( »*), das in einem raumiesten Bezugssystem einen Bezugsvektor O *) iestgelegt, der mit der n-fachen vorgegebenen Frequenz ( #*) und konstantem Umlaufsinn rotiert und eine Koordinatenachse eines rotierenden orthogonalen Koordinaten-Mitsystems bestimmt, b) eine erste Vektordreherstufe (32), die den Meßwert derart iit dem Winkelsignal demoduliert, daß zwei im Koordinaten-Mitsystem die Komponenten (iα', i eines zeitlich veränderlichen Istwert-Vektors darstellende demodulierte Meßwertsignale erhalten werden, wobei die Komponenten (i, ) des Istwert-Vektors im raumfesten Bezugssystem aus dem momentanen Meßwert durch eine nach einer zeitunabhängigen algebraischen Vorschrift arbeitende Zuordnungsschaltung gewinnbar sind, c) eine Filterstufe (33), die die zeitlichen Mittelwerte der ) der demodulierten Meßwertsignale als auf das Koordinaten-Mitsystem bezogene Komponenten eines mit dem Koordinaten-Mitsystem rotierenden Mitsystem-Vektors bildet, und d) eine zweite Vektordreherstuie, die die zeitlichen Mittelwerte (#α', #ß') der demodulierten Meßwertsignale derart rückioduliert, daß ein rückmoduliertes eine raumfeste Komponente des Mitsystem-Vektors darstellendes Meßwertsignal erhalten wird, wobei diese Komponente durch eine invers zur zeitunabhängigen algebraischen Vorschrift arbeitende Zuordnungsschaltung der harmonischen Schwingung n-ter Ordnung zugeordnet wird (Fig. 3).
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h ne t , daß die erste Vektorstufe (32) einen ersten, den Mitsystem zugeordneten Vektordreher (32'), der die raumfeste Komponente (iα ) des Meßwert-Vektors (iα, iß) in seine Mitsystem-Komponenten (iα', iß,) umrechnet, und einen ersten, einem gegensinnig zum Koordinaten-Mitsystem umlaufenden orthogonalen Koordinaten-Gegensystem zugeordneten Vektordreher (32'') enthält, der die raumfeste Komponente (iα) des Istwert-Vektors in seine Komponenten (iα'', i ,,) bezüglich des Koordinaten-Gegensystems umrechnet, daß die Filterstufe (33) für jede Komponente des Istwert-Vektors bezüglich des Koordinaten-Mitsystems und des Koordinaten-Gegensystems Je einen Integrator oder einen Filter zur Bildung der zeitlichen Mittelwerte dieser Komponenten enthält, und daß die zweite Vektorstufe (34) einen zweiten, dem Mitsystem zugeordneten Vektordreher (34'), der den durch die zeitlichen Mittelwerte der auf das Mitsystem bezogenen Komponenten bestimmten Mitsystem-Vektor (ist) in dessen raumfeste Komponenten umrechnet, einen zweiten, den Gegensystem zugeordneten Vektordreher (34''), der den durch die zeitlichen Mittelwerte der auf das Gegensystem bezogenen Komponenten bestimmten Gegensystos-Vektor (i'') in dessen raumfeste Komponenten umrechnet, und ein Additionsglied (37) zur komponentenweisen Addition des Mitsystem-Vektors und des Gegensystem-Vektors enthält (Fig. 4).
  11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß dem ersten dem Gegensystem zugeordneten Vektordreher (32'') ein Subtraktionsglied (41) vorgeschaltet ist zur komponentenweisen Subtraktion des Mitsystem-Vektors (i') vom Istwert-Vektor (i) (Fig.5).
  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 10, d a du r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß dem ersten dem Gegensystem zugeordneten Vektordreher (32'') ein Subtraktionsglied (ii) vorgeschaltet ist zur komponentenweisen Subtraktion eines mit der Sollfrequenz umlaufenden Sollwert-Vektors (i*) vom Istwert-Vektor (i) (Fig. 5).
  13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Mittel zur Bildung des Winkelsignals zwei hintereinandergeschaltete Vektordreher (70, 71) enthalten, wobei die Komponenten eines aus den Führungsgrößen abgeleiteten, synchron mit der Mitsystem umlaufenden Einheits-Vektors (#*) sowohl dem Vektoreingang des vorderen Vektordrehers (70) als auch den Winkelsignaleingängen beider Vektordreher (70, 71) zugeführt ist (Fig. 7).
  14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 13, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß eine Subtraktionsstelle (72) zur komponentenweisen Subtraktion des Istwert-Vektors (1) und eines den Grundschwingungen der Meßwerte zugeordneten Grundschwingungs-Vektors (1) der ersten Vektordreherstufe vorgeschaltet ist (Fig. 7).
  15. 15. Vorrichtung nach Anspruch 14, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h ne t , daß zwischen der Filterstuie (33) und der zweiten Vektordreherstufe (34) jeweils ein Nullpunktregler (83, 84) für jede Komponente des Mitsystem-Vektors und des Gegensyster-Vektors geschaltet ist (Fig. 8).
  16. 16. Vorrichtung nach Anspruch 15, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß zwischen Filterstufe und Nullpunktregler eine Einrichtung (86, 86') vorgesehen ist, die den Mitsystem-Vektor und den Gegensystem-Vektor jeweils um 900 dreht (Fig. 8).
  17. 17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Ausgangssignale der in der zweiten Vektordreherstufe (34) enthaltenen Vektordreher als Korrekturgrößen der Führungsgröße (i*) oder einer aus der Führungsgröße abgeleiteten Stellgröße (iB) aufgeschaltet sind (Additionsglied 85) (Fig. 8).
  18. 18. Vorrichtung nach Anspruch 17, da du r c h ge -k e n n z e ich ne t , daß das Winkelsignal (j3*) zusätzlich einem weiteren Vektordreher (87) zugeführt ist, dessen Winkelsignaleingang von einem fest vorgegebenen Signal beaufschlagt und dessen Ausgangs signale den Korrekturgrößen überlagert ist (Fig. 8).
  19. 19. Vorrichtung nach Anspruch 9, da du r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der erste Vektordreher (32 ") von Meßwertsignalen beaufschlagt ist, die d;e Komponenten eines ein System von drei Meßwerten (U1, U2, U3) erfassenden Istwert-Vektors (U) darstellen, wobei für die Meßwerte ein zu einem rotierenden Sollwert-Vektor (U*) gehörendes System von Führungsgrößen vorgegeben ist, daß die erste Vektordreherstufe (32) die Meßwertsignale in einem entgegengesetzt zum Sollvektor rotierenden orthogonalen Bezugssystem demoduliert, und daß am Ausgang der Filterstufe (33'') zur Bildung der zeitlichen Mittelwerte der demodulierten Meßwertsignale je ein Nullpunktregler (96) vorgesehen ist, dessen Ausgangssignale über die zweite Vektordreherstufe (34'') ins raumfeste Beugssystem rückmoduliert und als Korrekturgrößen zur Unterdrückung einer im Meßwertsyste enthaltenen Gegensystem-Grundschwingung abgegriffen werden (Fig. 9).
  20. 20. Vorrichtung nach Anspruch i9, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß dem ersten Vektordreher eine Subtraktionsstufe (41) zur komponentenweisen Subtraktion des Sollwert-Vektors (U*) vom Istwert-Vektor (U) vorgeschaltet ist.
  21. 21. Schaltungsanordnung mit einem Drehstrom-Drehstrom-Direktumrichter zur Speisung einer unsymmetrischen Last mit iolgenden Merkmalen: a) an die Umrichterausgänge ist eine elektronische Symmetriereinrichtung angeschlossen, die bei einem symmetrischen System von Umrlchter-Ausgangsspannun6en ein symmetrisches System von Ausgangsströmen erzeugt, b) eine Regeleinrichtung bildet aus einem Führungsgrößensystem vorgegebener Sollfrequenz und einem Meßwertsystem für die Ströme und/oder Spannungen an den Umrichterausgängen ein Stellgrößensystem zum Erzeugen eines symmetrischen Systems von Umrichter-Aus6angsspannungen, und c) eine Umschalteinrichtung, der ein aus dem Stromeßwertsystem abgeleitetes Umsteuersignal zugeführt isti schaltet die auf den jeweiligen Umrichterausgang arbeitenden, antiparallelen Gleichrichterbrücken jeweils beim Nulldurchgang der Grundschwingung des betreffenden Ausgangestromes um, g e k e n n z e i c h n e t durch folgende Merkmale der Regeleinrichtung: d) das Umsteuersignal (T) wird von einer die Grundschwingung der Ausgangsströme ermittelnden Einrichtung (50) nach einem der Ansprüche 9 bis 12 gebildet, e) eine Vorrichtung (80) nach einem der Ansprüche 13 bis 18 bildet aus dem Strommeßwertsystem und der Grundschwingung des Führungsgrößensystems ein erstes System von Korrekturgrößeren, das dem Führungsgrößensystem oder einem daraus abgeleiteten Stellgrößensystem zum Unterdrücken der im Stromsystem enthaltenen harmonischen Schwingung dritter Ordnung aufgeschaltet ist, und i) eine Vorrichtung (90) nach Anspruch 19 oder 20 bildet aus den Spannungsmeßwerten und der Grundschwingung des Führungsgrößensystems ein zweites System von Eorrekturgrößen, das dem Führungsgrößensystem zum Unterdrückken einer Spannungsgegensystem-Grundschwingung auigeschaltet ist.
  22. 22. Schaltungsanordnung nach Anspruch 21, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Regeleinrichtung als Führungsgraße ein zu einem symmetrischen System von Ausgangsspannungen gehörendes Spannungssollwertsystem vorgegeben, die Korrekturgrößensysteme dem Spannungssollwertsystem aufgeschaltet und die dadurch erhaltenen Größen einer Spannungßreglerstuie zugeführt sind, deren Ausgangssignale die Steuergrößen für die Gleichrichterbrücken des Direktunrichters bilden.
  23. 23. Vorrichtung nach Anspruch 21, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Regeleinrichtung als Führungsgrößen ein symmetrisches System von Stromsollwerten (i*) vorgegeben wird, da durch Regelvergleich des Stromsollwertsystems mit dem Stromistvertsystem oder dem Stromistwert-Grundschwingungssystem, insbesondere dem Stromistwert-Grundschwingungsmitsystem, in einer Stromreglerstufe (104, 106, 107) Steuerspannungen für die Gleichrichterbrücken des Direktumrichters gebildet und die Korrekturgrößensysteme dem Steuergrößensystem zur Spannungsvorsteuerung aufgeschaltet sind.
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