DE3447565A1

DE3447565A1 - Verfahren zur ansteuerung eines direktumrichters

Info

Publication number: DE3447565A1
Application number: DE3447565A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr.-Ing. 1000 Berlin Hussels
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1984-12-21
Filing date: 1984-12-21
Publication date: 1986-07-03
Also published as: DE3447565C2; ZA859779B

Description

-sf-

Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH PTL-B/Ham-zg

Theodor-Stern-Kai 1 B 84/3

D-6000 Prankfurt 70

Verfahren zur Ansteuerung eines Direktumrichters

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Dieses ist durch die DE-OS 29 45 145 bekannt.

Das bekannte Verfahren dient der Minderung des Blindleistungsbedarfs. Es wird bei der Speisung von Drehstrommaschinen in langsam laufenden Antrieben über kreisstromfrei betriebe Direktumrichter eingesetzt, die aus drei 6-pulsigen Brücken (Teilstromrichter) aufgebaut sind. Dabei gibt die Pulszahl die Anzahl der nicht gleichzeitigen Zündungen der Stromrxchterventile pro Netzperiode an.

Durch Auftrennen der Sternpunktverbindung zwischen dem Direktumrichter und der Drehstrommaschine wird ein zusätzlicher Freiheitsgrad für die Aussteuerung der Teilstrom-

- 4 - B 84/3

richter des Direktumrichters gewonnen. Es besteht dann nämlich die Möglichkeit, die zwischen den nicht verbundenen Sternpunkten auftretende Spannung (Nullspannung) so vorzugeben, daß immer einer der Teilstromrichter voll ausgesteuert ist (Trapezaussteuerung). Damit läßt sich die Ausgangsspannung des Direktumrichters um 15 % steigern. Gemäß der eingangs genannten DE-OS 29 45 145 wird dieses Verfahren auch unterhalb der Maximalaussteuerung zur Minderung der dem Netz entnommenen Blindleistung angewendet.

Die Aussteuerung der drei Teilstromrichter erfolgt über drei getrennte Stromregler, denen ein symmetrisches Drehstromsystem als Führungsgröße vorgegeben wird. Eine Linearisierung des Stellgliedes wird über Funktionsgeber mit einer arc sin-Kennlinie sowie für den Lückfall durch Funktionsgeber mit einer ~V χ -Kennlinie vorgenommen.

Werden netzseitig symmetrische, 120° lange Stromblöcke geschaltet, ergibt die harmonische Analyse, daß nur die sogenannten typischen Netzrückwirkungen, nämlich die erste, fünfte, siebente, elfte usw. Harmonische auftreten, während die untypischen Netzrückwirkungen, insbesondere die durch

2 und 3 teilbaren Harmonischen vermieden werden können.

Maschinenseitig wird ein möglichst sinusförmiger Strom bei möglichst sinusförmiger Spannung angestrebt, was sich durch eine hohe Pulszahl erreichen läßt. Das wiederum bedeutet jedoch einen hohen Aufwand, der sich bei der eingangs genannten Schaltung mit drei 6-pulsigen Brücken in 36 benötigten Stromrichterventilen niederschlägt.

Durch den Beitrag von E.M. Langham "CYCLO-CONVERTERS FOR

3 PHASE MOTOR CONTROL - A SYSTEM USING THE "NATURAL"

CIRCULATING CURRENT" für die INTERNATIONAL CONFERENCE ON

copy

- 5 - B 84/3

POWER ELECTRONICS and VARIABLE-SPEED DRIVES, 1.-4. May 1984 der Institution of Electrical Engineers, London ist es für kreisstrombehaftete Direktumrichter b_ekannt_s diesen Aufwand zu verringern und nur drei 3-pulsige Brücken, also nur 18 Stromrichterventile zu verwenden. Dabei sind jedoch nicht die Netzrückwirkungen beachtet, die sich im Auftreten von untypischen Harmonischen mit entsprechenden Seitenbändern (Modulationsprodukte) äußern.

Es besteht jedoch gerade die Forderung, nicht nur den Blindleistungsbedarf insbesondere bei kreisstromfraien Direktumrichtern gering zu halten, sondern vor allem auch alles zu tun, um bei deren Betrieb Netzrückwirkungen durch untypische Harmonische und deren Modulationsprodukte zu vermeiden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, das eingangs angegebene Verfahren so auszugestalten, daß bei einem Direktumrichter mit verringertem Schaltungsaufwand (also weniger benötigten Stromrichterventilen) bei den Netzrückwirkungen möglichst nur die typischen Harmonischen auftreten, zumindest aber die zweite Harmonische weitgehend unterdrückt wird.

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

Auf vorteilhafte Weise wird durch die erstellte Regelgröße für die Aussteuerung der einzelnen Teilstromrichter die Nullspannung derartig variiert, daß die zweite Harmonische zu Null wird. Aufgrund dieser Tatsache ist es möglich, die Teilstromrichter 3-pulsig auszubilden, den dreiphasigen Direktumrichter also mit lediglich 18 Stromrichterventilen zu betreiben. Mit der Maßnahme nach der Erfindung wird insgesamt das Oberwellenspektrum insoweit verbessert, daß die noch auftretenden untypischen Harmonischen verringert sind, während die Amplituden

/■&-■ 6 -

3U7565

- 6 - B 84/3

der typischen Harmonischen entsprechend größer ausfallen. Letztere müssen jedoch in jedem Falle kompensiert werden, so daß insgesamt weniger Störungen im Netz auftreten. Durch das Verfahren nach der Erfindung erscheint als zusätzlicher Effekt der Strom auf der Maschinenseite des Direktumrichters höherpulsig, weil die Zündimpulse gleichmäßiger verteilt sind. Der maschinenseitige Strom ist damit stärker geglättet.

Die Erfindung soll im folgenden anhand der Zeichnung für ein Ausführungsbeispiel beschrieben werden. Es zeigen:

Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines Direktumrichters, der aus drei 3-pulsigen Teilstromrichtern aufgebaut ist,

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild zur Symmetrierung des Netzstromes zwecks Vermeidung der

zweiten Harmonischen und

Fig. 3 die graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs der zweiten Harmonischen und einer zum Fourierkoeffizienten proportionalen Funktion.

Gemäß Fig. 1 ist die Ständerwicklung einer Drehstrommaschine mit den Phasen u, v, w über einen kreisstromfrei arbeitenden Direktumrichter mit einem dreiphasigen Netz R, S, T verbunden, Der Direktumrichter besteht aus drei 3-pulsigen Teilstromrichtern 21, 22, 23, die jeweils eine Phasenwicklung der Drehstrommaschine über ein antiparallelgeschaltetes,aus Thyristoren gebildetes Stromrichterventilpaar an die drei Phasenleiter des Netzes R, S, T schalten. Der Direktumrichter weist also lediglich insgesamt 18 Stromrichterventile auf; sein Schaltungsaufwand gegenüber den allgemein üblichen,

- 7 - B 84/3

aus drei 6-pulsigen Teilstromrichtern mit 36 Stromrichteranteilen bestehenden Direktumrichtern ist mithin sehr günstig.

Der gezeigte Direktumrichter kann im Aufbau und in der Funktion mit einer 6-pulsigen, unsymmetrisch ausgesteuerten Brückenschaltung verglichen werden. Wie sich in Fig. 1 zeigt, enthält der Direktumrichter insgesamt eine 6-Puls-Brücke. Allerdings existieren zwei untere Brückenhälften. Darüberhinaus werden, um den gestrichelt eingezeichneten Gesamtstrom i___e fließen zu lassen, der sich jeweils zu unterschiedlichen Zeiten aus unterschiedlichen Anteilen der Maschinenströme ipi» ^"22' ^"23 ^er9Ü^>t» c&^e obere und die untere Brückenhälfte unabhängig voneinander angesteuert. Diese Unsymmetrie der Aussteuerung ist die Ursache für zusätzliche Netzrückwirkungen gegenüber einem drei 6-pulsige, symmetrisch angesteuerte Brücken als Teilstromrichter enthaltenden Direktumrichter. Es treten nicht symmetrisch zueinander liegende positive und negative Stromblöcke auf, die zu Rückwirkungsströmen geradzahliger Vielfacher der Netzfrequenz mit den dazugehörigen Seitenbändern als Modulationsprodukten führen. Da die Amplituden der Ströme indirekt proportional ihrer Ordnungszahl sind, kommt der 2. Harmonischen besondere Bedeutung zu.

Der in Fig. 1 gezeigte, nur aus 18 Stromrichterventilen aufgebaute Direktumrichter ist nur dann sinnvoll einsetzbar, wenn es gelingt, die zuvor geschilderten Netzrückwirkungen, also insbesondere die 2. Harmonische, zu mindern bzw. zu eliminieren.

Hier setzt nun das Verfahren nach der Erfindung ein, mit dem der Direktumrichter derart ausgesteuert werden kann, daß die Amplituden der untypischen Harmonischen stark verringert werden.

B 84/3

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß durch die nicht verbundenen Sternpunkte der Drehstrommaschine und des Direktumrichters ein zusätzlicher Freiheitsgrad für die Aussteuerung der Stromrichterventile der Teilstromrichter über die auftretende Spannungsdifferenz (Nullspannung) u~q zwischen den Sternpunkten gegeben ist. Infolge der offenen Sternpunktverbindung tritt kein Nullsystem im Strom auf, d.h. die Strontzeitflachen negativer und positiver Stromblöcke sind gleich. Das Nullsystem der Spannung dient durch Veränderung der Aussteuerung und damit des Zündwinkels der Verschiebung der Stromblöcke. Durch Variation der Nullspannung soll erreicht werden, daß der Schwerpunkt eines positiven Stromblocks symmetrisch zu dem des zugehörigen negativen Stromblocks liegt. Infolge der gleichgroßen Spannungszeitflächen läßt sich besonders die 2. Harmonische im Netzstrom vermindern.

Die Ausführung der zuvor geschilderten Aussteuerung ist in Fig. 2 gezeigt:

Auf die Netzspannung u^ bezogene Ausgangsspannungen u-*» Up-, Upo der einzelnen Teilstromrichter 21, 22, 23 werden in bekannter Weise über einen arcsin-Kennliniengeber 1 Iinearisiert und als Signale oC, cC₂> OC zur Aussteuerung der jeweiligen Teilstromrichter 21, 22, 23 zur Verfügung gestellt.

Jedes Signal «**,., <*--» ^3 wird einem Kennliniengeber 2 zugeführt. Dieser Kennliniengeber 2 ist so eingestellt, daß er aus der Abweichung des Steuerwinkels oC, oCp, ⁰^₃ jedes Einzelstromrichters 21, 22, 23 vom Steuerwinkel für die Aussteuerung Null die Abweichung der Amplitude der 2. Harmonischen von derjenigen Amplitude bei der Aussteuerung Null (d.h. die Amplitude der 2. Harmonischen des entsprechenden

- 9 - B 84/3

Stromrichters für den Fall, daß in den beiden anderen Teilstromrichtern in umgekehrter Richtung Strom fließt, und daß diese mit Null ausgesteuert werden) bereitstellt. Dieser kennlinienmäßige Zusammenhang ist z.B. rechnerisch aus der harmonischen Analyse über das entsprechende Fourier-Integral oder durch entsprechende Messungen herleitbar. Am Ausgang des Kennliniengebers 2 steht mithin ein modifiziertes Signal an, das der jeweiligen Amplitude der 2. Harmonischen entspricht.

Jedes modifizierte Signal wird dann mit einem Signal entsprechend dem Absolutwert des durch den betreffenden Teilstromrichter 21, 22, 23 fließenden Stromes ipi» ^22' ^23 ^ⁿ einem Multiplizierer 31, 32 oder 33 multipliziert.

Die Summe der einzelnen Produkte wird dann einem Regler 4 zugeführt, dessen Ausgangssignal der auf die die Netzspannung u^ bezogenen Nullspannung u~_n entspricht. Es dient als Regelgröße jeweils für die Aussteuerung der einzelnen Teilstromrichter 21, 22, 23.

Wenn der Direktumrichter nur bei kleiner Aussteuerung betrieben wird, kann der Kennliniengeber 2 entfallen.

In Fig. 3 ist der zeitliche Verlauf der Spannung u^ einer Netzphase und der zugehörige Stromverlauf i- für den Fall der Aussteuerung Null (Zündwinkelcd =0) eingezeichnet. Weiterhin ist eine im Stromblock enthaltene zweite Harmonische als Strom i (mit normierter Amplitude) ebenfalls über der Zeit t aufgetragen. Der Anteil der 2. Harmonischen im Netzstrom i^, wird entsprechend dem Fourierintegral als Integral des Produktes i χ i, über eine Periode der Netzspannung ermittelt. Werden positive und negative Stromblöcke um gleiche Winkelet verschoben, bleibt der Wert des Integrals Null. Hier wird jedoch angenommen, daß die Blöcke um unterschiedliche Winkel oO verschoben werden. Für den Fall, daß der untere

- 10 - '" B 84/3

Block (negativer Strom) bei o6 = 0 bleibt und nur der obere verschoben wird, gibt die Funktion i_F den Wert der 2. Harmonischen in Abhängigkeit von oC an. Die Kennlinie i_ (oC ) entsprechend dem Kennlinienblock 2 in Fig. 2 gibt also nur den 5 Teil der zweiten Harmonischen an, der sich durch Verschieben aus der Nullage ergibt.

Eine Vereinfachung des Verfahrens kann darin bestehen, die Amplitude der Nullspannung direkt auszurechnen. Die Frequenz der Nullspannung ist die dreifache Netzfrequenz und die Kurvenform ist in guter Näherung sinusförmig. Damit kann das Verfahren allerdings auch umgekehrt zur Berechnung einer 3. Harmonischen für andere Zwecke eingesetzt werden.

- Leerseite -

Claims

Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH PTL~B/Ham-zg

Theodor-Stern-Kai 1 B 84/3

D-6000 Frankfurt 70

Verfahren zur Ansteuerung eines Direktumrichters Patentansprüche

Verfahren zur Ansteuerung eines mit einem m-phasigen ., Netz verbundenen, aus m-pulsigen Teilstromrichtern auf- Γ gebauten Direktumrichters, der eine n-phasige Last kreisstromfrei speist, mit einer Aussteuerung der Teilstromrichter unter Berücksichtigung der Spannungsdifferenz (Nullspannung) zwischen den nicht miteinander verbundenen Sternpunkten der Last und der Teilstr'omrichter, dadurch gekennzeichnet^

daß zunächst das Signal für die Aussteuerung jedes einzelnen Teilstromrichters kennlinienmäßig aus der Abweichung des Steuerwinkels des betreffenden Teilstromrichters vom Steuerwinkel für die Aussteuerung Null derart modifiziert wird, daß es der Abweichung der Amplitude der 2. Harmonischen von derjenigen Amplitude für die Aussteuerung Null entspricht,

daß sodann jedes modifizierte Signal mit einem Signal entsprechend dem Betrag des durch den betreffenden Teilstromrichter fließenden Stromes multipliziert wird, :'

_ 2 -^CO

- 2 - B 84/3

daß darauf die einzelnen Produkte zu einem Summensignal addiert werden und

daß schließlich dieses Summensignal einem Regler zugeführt wird, dessen Ausgang die Nullspannung bestimmt, 05 die zur Aussteuerung der einzelnen Teilstromrichter addiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

10 daß bei nur kleiner Aussteuerung der Teilstromrichter die kennlinienmaßige Modifizierung der Signale für die Aussteuerung vor der Multiplikation entfällt.

15

20

25

30

35