DE3506807C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Steuerverfahren für einen netzgeführten Stromrichter, bei dem zur Bildung der Zündbefehle für die steuerbaren Stromrichterventile eine sägezahnförmige Hilfsspannung und eine in Abhängigkeit zu regelnder Größen veränderbare Steuergleichspannung verglichen werden, wobei der Steuerbereich auf 210°el erweitert wird.

Die Erfindung bezieht sich desweiteren auf einen Steuersatz für einen netzgeführten Stromrichter zur Durchführung dieses Verfahrens, bei dem mindestens ein Komparator eine von mindestens einem Sägezahngenerator abgegebene Hilfsspannung und eine von einem Stromregler abgegebene Steuergleichspannung vergleicht.

Ein derartiges Steuerverfahren und ein derartiger Steuersatz sind aus der DE-OS 20 52 602 bekannt. Dort wird eine Schaltungsanordnung zur kontinuierlichen Ansteuerung einer einpulsigen Gegenparallelschaltung mit steuerbaren Halbleitern (Thyristoren) beschrieben, in deren Lastkreis ein eine Gegenspannung erzeugender Gleichstrommotor geschaltet ist. Dabei ist es zur feinfühligen Abbremsung des Motors vorgesehen, den Steuerbereich des Zündwinkels für die Zündung der Thyristoren auf einen Bereich der Wechselspannung zwischen 180° und 270° auszudehnen, wobei dem Steuersatz der Thyristoren ein zur Netzwechselspannung asynchron betriebener Sägezahngenerator zugeordnet ist.

Aus der DE-OS 24 12 055 ist eine Steuerschaltung mit Doppelweggleichrichtung und Durchschaltverzögerung für den Betrieb von Gleichstrommotoren bekannt. Dabei wird vorgeschlagen, die Zündwinkel für die Halbleiterventile des Stromrichters auf wenigstens 240° auszudehnen, um den Einfluß der bei drehendem Motor induzierten Gegenspannung auszugleichen.

Diese bekannten Schaltungen bzw. Verfahren funktionieren nur problemlos, solange der Betrieb mit stark lückendem Ausgangsstrom vorliegt, d. h., die Lastinduktivität muß klein gehalten werden. Um einen günstigen Formfaktor und somit eine optimale Ausnutzung des Motors zu erzielen, wird jedoch genau das Gegenteil, eine relativ große Lastinduktivität, angestrebt. Bei Vorliegen einer relativ großen Lastinduktivität und Erweiterung des Steuerbereichs auf über 180° tritt die Gefahr eines Wechselrichterkippens verstärkt auf.

Ein Steuerverfahren und ein Steuersatz für einen netzgeführten Zweipuls-Stromrichter sind aus der BBC-Druckschrift DHS 70 170D "Veritron-Doppelstromrichter", Typenreihe GAB für kreisstromfreien Umkehrbetrieb, Einphasenanschluß 10A . . . 65A, 1977 bekannt.

Die dort beschriebenen Doppelstromrichter mit zwei gegenparallel geschalteten Einphasenbrücken sind für kreisstromfreien Umkehrbetrieb bestimmt. Das Haupteinsatzgebiet ist die Drehzahlregelung von Gleichstrommaschinen im Vier-Quadranten Betrieb, z. B. für Fahr- und Hubantriebe bei Regalförderzeugen. Dabei ist Treiben und Bremsen bei einer Stromrichtung in beiden Drehrichtungen möglich, z. B. Treiben im Motorbetrieb-Rechtslauf (I. Quadrant, Gleichrichten) und Bremsen im Generatorbetrieb- Linkslauf (IV. Quadrant, Wechselrichten).

Dabei hat sich herausgestellt, daß beispielsweise bei Hubantrieben ein Betrieb mit konstanter Geschwindigkeit bzw. Drehzahl im Bereich kleiner Ströme nicht möglich ist, da infolge der von Antrieb erzeugten Gegenspannung der auf 150 . . . 170°el begrenzte Steuerwinkelbereich nicht ausreicht. Es ergibt sich infolgedessen ein fortwährendes Umschalten zwischen Brems- und Fahrbetrieb bei fortwährender Stromrichtungsumkehr und fortwährender Drehzahländerung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuerverfahren und einen Steuersatz für einen netzgeführten Stromrichter der eingangs genannten Art anzugeben, das bzw. der bei einem auf 210°el erweiterten Steuerbereich ein Wechselrichter-Kippen des Stromrichters zuverlässig verhindert.

Diese Aufgabe wird bezüglich des Steuerverfahrens in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß bei einem Zweipuls-Stromrichter zur Verhinderung eines Wechselrichter-Kippens Zündbefehle an die steuerbaren Stromrichterventile gegeben werden, falls im Bereich 150 . . . 180°el und 330 . . . 360°el noch ein Strom durch diese Ventile fließt.

Die Aufgabe wird bezüglich des Steuersatzes in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruchs 2 dadurch gelöst, daß einem UND-Glied eingangsseitig Strom-Istwertsignale sowie Signale in den Bereichen 150 . . . 180°el und 330 . . . 360°el zugeleitet werden und das UND-Glied ausgangsseitig einen Umschalter ansteuert, dem eingangsseitig die Steuergleichspannung sowie Massepotential anliegen und der ausgangsseitig an den Komparator angeschlossen ist.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß das Steuerverfahren und der Steuersatz universell für "Geradeaus-Stromrichter" als auch für "Umkehrstromrichter" einsetzbar sind, wobei auch bei Gegenspannung des Antriebs und kleinen einzustellenden Drehmomenten bzw. Strömen ein Betrieb mit konstanter Drehzahl oder Geschwindigkeit ermöglicht wird.

Vorteilhaft ist zur Vermeidung eines Wechselrichterkippens ein Strommeßverfahren vorgesehen, welches nicht nur die absolute Größe des Stroms erkennt, sondern auch die Zuordnung zum jeweiligen Ventilpfad. Falls in den Bereichen 150° . . . 180° oder 330° . . . 360° noch ein Verbraucherstrom fließt, erfolgt sofort eine Zündung des entsprechenden Ventils im Bereich 150° . . . 180° oder 330° . . . 360°, um ein Wechselrichterkippen zu verhindern. Hierdurch wird eine zuverlässige Funktionsweise des Steuersatzes unter praktischen Bedingungen erreicht.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Anspruch 3 gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen aus zwei gegenparallel geschalteten Zweipuls-Stromrichtern bestehenden Doppelstromrichter mit Steuer- und Regeleinrichtung,

Fig. 2 den Betrieb eines Zweipuls-Stromrichters im I. bzw. III. Quadranten bei maximaler Gegenspannung,

Fig. 3 den Betrieb eines Zweipuls-Stromrichters im I. bzw. III. Quadranten ohne Gegenspannung,

Fig. 4 den Betrieb eines Zweipuls-Stromrichters im IV. bzw. II. Quadranten bei maximaler Gegenspannung,

Fig. 5 eine erste Variante eines Steuersatzes mit erweitertem Steuerbereich,

Fig. 6 den zeitlichen Verlauf interessierender Größen zum Steuersatz gemäß Fig. 5,

Fig. 7 interessierende Signale im digitalen Phasenregelkreis,

Fig. 8 eine zweite Variante eines Steuersatzes mit erweitertem Steuerbereich,

Fig. 9 den zeitlichen Verlauf interessierender Größen zum Steuersatz gemäß Fig. 8,

Fig. 10 Einzelheiten der Impulserzeugung.

In Fig. 1 ist ein Doppelstromrichter mit zwei gegenparallel geschalteten Zweipuls-Stromrichtern in Brückenschaltung 1, 2 für kreisstromfreien Umkehrbetrieb dargestellt. Der Zweipuls-Stromrichter 1 besteht aus den vier steuerbaren Stromrichterventilen V1.1, V1.2, V1.3, V1.4 und der Zweipuls-Stromrichter 2 weist die vier steuerbaren Stromrichterventile V2.1, V2.2, V2.3, V2.4 auf. Zwischen den gemeinsamen Phasenanschlüssen L1, L2 der beiden Zweipuls-Stromrichter 1, 2 liegt die Netzspannung U_VT an. Die miteinander verbundenen Gleichspannungsanschlüsse der Zweipuls-Stromrichter 1, 2 sind mit der Reihenschaltung einer Gleichstrommaschine M und einer Glättungsinduktivität L beschaltet. Die zwischen den Gleichspannungsanschlüssen der Zweipuls-Stromrichter 1, 2 liegende Verbraucherspannung ist mit U_{di α} und der in die Gleichstrommaschine M fließende Verbraucherstrom ist mit I_d bezeichnet. Von der Gleichstrommaschine M kann die Gegenspannung EMK induziert werden.

Zur Regelung der Drehzahl der Gleichstrommaschine M ist ein Drehzahlregler 3A vorgesehen. Dieser empfängt über eine vorgeschaltete Vergleichsstelle 4 die Drehzahl-Differenz n_soll-n_ist bzw. n_ist-n_soll (je nach Drehrichtung der Maschine M), wobei der Drehzahl-Sollwert n_soll beliebig vorgebbar und der Drehzahl-Istwert n_ist der Gleichstrommaschine M mittels einer Drehzahlerfassungseinrichtung 5 direkt erfaßbar sind. Der am Ausgang des Drehzahlreglers 3A anstehende Strom-Sollwert I_soll wird über einen zwischengeschalteten Polaritätswender 6A einer Vergleichsstelle 6B zugeführt. Als weiteres Eingangssignal liegt der Vergleichsstelle 6B der mit Hilfe eines Stromwandlers 7 erfaßte Strom-Istwert I_ist an. Die Vergleichsstelle 6 leitet die Stromdifferenz I_ist-I_soll einen Stromregler 8 zu, der ausgangsseitig eine Steuergleichspannung U_St an einen Komparator 9 abgibt. Dem Komparator 9 liegt als zweite Eingangsgröße die Ausgangsspannung eines Sägezahngenerators 10 an.

Der Sägezahngenerator 10 wird über eine Synchronisationseinrichtung 11 in Abhängigkeit der Netzspannung U_VT synchronisiert und gibt eine sägezahnförmige Spannung doppelter Netzfrequenz 2f_VT ab, wobei die Spannungsflanken jeweils zwischen 0° und 180°el kontinuierlich ansteigen. Das Ausgangssignal des Komparators 9 wird einem Umschalter 12 zugeführt, der je nach vorliegendem Stromrichtungssignal RS entweder einen Impulserzeuger 13A zur Ansteuerung des Zweipuls-Stromrichters 1 oder einen Impulserzeuger 14A zur Ansteuerung des Zweipuls-Stromrichters 2 aktiviert. Den Impulserzeugern 13A bzw. 14A sind jeweils Umschalter 13B bzw. 14B nachgeschaltet.

Die zur Halbwellen-Umschaltung dienenden Umschalter 13B und 14B werden von der Synchronisationseinrichtung 11 angesteuert. Der erste, Zündimpulse Z1 führende Umschaltkontakt des Umschalters 13B ist mit den Steueranschlüssen der Ventile V1.1 und V1.2 verbunden, während die Steueranschlüsse der Ventile V1.3 und V1.4 an den zweiten Umschaltkontakt angeschlossen sind und mit Zündimpulsen Z2 beaufschlagt werden. Der erste, Zündimpulse Z3 führende Umschaltkontakt des Umschalters 14B ist mit den Steueranschlüssen der Ventile V2.1 und V2.2 verbunden, während die Steueranschlüsse der Ventile V2.3 und V2.4 an den zweiten Umschaltkontakt angeschlossen sind und mit Zündimpulsen Z4 beaufschlagt werden.

Bei der eingezeichneten Stromrichtung von I_d werden im Bereich positiver Spannung U_VT (L1 positiver als L2) Zündimpulse Z1 und im Bereich negativer Spannung U_VT (L1 negativer als L2) Zündimpulse Z2 durchschaltet. Bei einer Stromrichtung von I_d entgegen dem eingezeichneten Sinn werden im Bereich positiver Spannung U_VT Zündimpulse Z3 und im Bereich negativer Spannung U_VT Zündimpulse Z4 durchgeschaltet.

Da das Ausgangssignal des Drehzahlreglers 3A bipolar ist (+/-I_soll), wird über einen Komparator 3B die Polarität des Drehzahlregler-Ausgangs bestimmt. Der Komparator 3B kann mit einer einstellbaren Hysterese versehen sein. Das Ausgangssignal des Komparators 3B entspricht der momentan geforderten Stromrichtung und wird über einen Schalter 3C an einen Stromrichtungsspeicher 3D weitergegeben. Das ausgangsseitig am Stromrichtungsspeicher 3D anstehende Stromrichtungssignal RS wird sowohl dem Polaritätswender 6A als auch dem Steuereingang des Umschalters 12 zugeführt und bestimmt somit die Stellung des Umschalters 12, d. die Auswahl der Brücke.

Die Verstärkung des Polaritätswenders 6A wird je nach vorliegendem Stromrichtungssignal RS mit +1 der -1 bewertet, so daß der an die Vergleichsstelle 6B abgegebene Strom-Sollwert I_soll stets negativ ist.

Da die Stromrichtungs-Umkehr nur im stromlosen Zustand erfolgen darf, ist ein mit dem Strom-Istwert I_ist beaufschlagter, den Schalter 3C ansteuernder Strommelder 3E vorgesehen. Der Strommelder 3E gibt bei fließendem Strom ein Stromsignal SS an den Schalter 3C ab, was zur Öffnung des Schalters 3C führt. Ändert sich bei anstehendem Stromsignal SS die Polarität von I_soll am Ausgang des Drehzahlreglers 3A, dann schaltet der Komparator 3C zwar um, kann jedoch wegen des geöffneten Schalters 3C seinen Ausgangszustand nicht an den Stromrichtungsspeicher 3D weitergeben. Somit wird der Ausgang des Polaritätsmelders 6A positiv, bis das Stromsignal SS verschwindet. Folglich wird der Schalter 3C geschlossen, der Stromrichtungsspeicher 3D speichert die neue Richtung ab und der Strom kann wieder aufgebaut werden.

Zur Begrenzung der vom Stromregler 8 an den Komparator 9 abgegebenen Steuerspannung U_St ist ein Begrenzer 15 vorgesehen. Mit Hilfe des Begrenzers 15 läßt sich der durch die Steuerspannung U_St vorgegebene Steuerwinkel beispielsweise auf 150° bzw. in Abhängigkeit des Stromes I_d auf einen Bereich 150 . . . 170° begrenzen.

Die möglichen Betriebsarten der durch den Doppelstromrichter versorgten Gleichstrommaschine M können mit Hilfe der vier Quadranten des Drehmoment-Drehzahl-Diagrammes dargestellt werden. Im I. Quadranten arbeitet der Zweipuls-Stromrichter 1 im Gleichrichterbetrieb und die Maschine M treibt im Motorbetrieb-Rechtslauf an. Im II. Quadranten arbeitet der Zweipuls-Stromrichter 2 im Wechselrichterbetrieb und die Maschine M wird im Generatorbetrieb- Rechtslauf gebremst. Im III. Quadranten arbeitet der Zweipuls-Stromrichter 2 im Gleichrichterbetrieb und die Maschine M treibt im Motorbetrieb-Linkslauf an. Im IV. Quadranten arbeitet der Zweipuls-Stromrichter 1 im Wechselrichterbetrieb und die Maschine M wird im Generatorbetrieb- Linkslauf gebremst. Im Betrieb ist dabei immer nur ein Zweipuls-Stromrichter. Zur Strom- bzw. Momentenumkehr werden die Zündimpulse vom einen auf den anderen Zweipuls-Stromrichter umgeschaltet.

In Fig. 2 ist der Betrieb des Zweipuls-Stromrichters 1 im Motorbetrieb-Rechtslauf der Gleichstrommaschine M im I. Quadranten (bzw. des Zweipuls-Stromrichters 2 im III. Quadranten bei Motorbetrieb-Linkslauf) dargestellt. Die von der Gleichstrommaschine M induzierte Gegenspannung EMK weist ihren maximalen Wert auf. Im einzelnen sind die Netzspannung U_VT (U_L1-L2 und U_L2-L1) und der Verlauf der Verbraucherspannung U_{di α} in Abhängigkeit verschiedener Steuerwinkel α=60°, 90°, 120°, 140°, 150° gezeigt. Bei einem Steuerwinkel α=60° ergibt sich der unter a.2 angegebene Verbraucherstrom I_d. Bei Steuerwinkeln α=90°, 120°, 140° ergeben sich die unter b.2, c.2, d.2 angegebenen Verbraucherströme I_d. Bei einem Steuerwinkel α=150° stellt sich ein Verbraucherstrom I_dmin=0 ein. Um Werte zwischen den beiden Grenzwerten maximale Verbraucherspannung U_{di a max} - minimale Verbraucherspannung U_{di α min}=0 bzw. maximaler Verbraucherstrom I_dmax - minimaler Verbraucherstrom I_dmin=0 einstellen zu können, ist ein Steuerbereich von 0<α<150° erforderlich.

In Fig. 3 ist ebenfalls der Betrieb des Zweipuls-Stromrichters 1 im Motorbetrieb-Rechtslauf der Gleichstrommaschine M im I. Quadranten (bzw. des Zweipuls-Stromrichters 2 im III. Quadranten bei Motorbetrieb-Linkslauf) dargestellt, jedoch weist die Gegenspannung EMK den Wert 0 auf. Es sind die Netzspannung U_VT (mit U_L1-L2 und U_L2-L1) und der Verlauf der Verbraucherspannung U_{di α} in Abhängigkeit verschiedener Steuerwinkel α=90°, 120°, 150°, 160°, 170° gezeigt. Bei Steuerwinkeln α=90°, 120°, 150°, 160°, 170° ergeben sich die unter a.3, b.3, c.3, d.3, e.3 angegebenen Verbraucherströme I_d. Um Verbraucherströme kleiner als c.3 einstellen zu können, muß das aus der eingangs erwähnten BBC-Druckschrift S. 6, 7, 11 bekannte Verfahren der "stromabhängigen Wechselrichter-Grenzlage" eingesetzt werden, d. h. der Steuerbereich wird stromabhängig über α=150° hinaus bis maximal α=170° verschoben. Damit kann als kleinster Strom I_dmin der unter e.3 angedeutete Strom eingestellt werden. Ein Verbraucherstrom I_d=0 ergibt sich bei einem Steuerwinkel α=180°.

In Fig. 4 ist der Betrieb des Zweipuls-Stromrichters 1 im Generatorbetrieb-Linkslauf der Gleichstrommaschine M im IV. Quadranten (bzw. des Zweipuls-Stromrichters 2 im II. Quadranten bei Generatorbetrieb-Rechtslauf) dargestellt. Die von der Gleichstrommaschine M induzierte Gegenspannung EMK weist ihren maximalen Wert auf. Es sind die Netzspannung U_VT (mit U_L1-L2 und U_L2-L1) und der Verlauf der Verbraucherspannung U_{di a} in Abhängigkeit verschiedener Steuerwinkel α=120°, 150°, 160°, 170°, 210° gezeigt. Bei Steuerwinkeln α=120°, 150°, 160°, 170° ergeben sich die unter a.4, b.4, c.4, d.4 angegebenen Verbraucherströme I_d, d. h. trotz des Einsatzes des Verfahrens der "stromabhängigen Wechselrichter- Grenzlage" im Bereich bis 170° verbleibt ein verhältnismäßig hoher, in d.4 angedeuteter Reststrom. Ein Verbraucherstrom I_dmin=0 ist erst bei einem Steuerwinkel von 210° möglich, wenn maximale Gegenspannung vorliegt.

Aus dem unter den Fig. 2 bis 4 erläuterten Betriebsverhalten eines Zweipuls-Stromrichters an einer Gleichstrommaschine ergibt sich, daß die Gleichstrommaschine unter bestimmten Betriebsbedingungen trotz des Einsatzes des Verfahrens der "stromabhängigen Wechselrichter- Grenzlage" nicht mit konstanter Drehzahl betrieben werden kann. Derartige Betriebsbedingungen treten beispielsweise auf, wenn die Gleichstrommaschine als Gleichstrom-Nebenschlußmotor ausgeführt ist und zum Antrieb eines Aufzuges dient.

Falls die Aufzugslast mit einer vorgeschriebenen Geschwindigkeit abwärts gefahren werden soll, wird unter Berücksichtigung des Lastgewichtes, der Reibverluste und eines Gegengewichtes ein relativ kleines Drehmoment an der Motorwelle in Richtung "aufwärts" gefordert, d. h. der Zweipuls-Stromrichter 1 ist im IV. Quadranten (Generatorbetrieb- Linkslauf, Wechselrichten) bei relativ kleinem Verbraucherstrom zu betreiben. Der Stromregler 8 versucht, diesen kleinen Strom - der im Bereich d.4 . . . e.4 gemäß Fig. 4 liegt - einzustellen. Trotz Vorgabe des Steuerwinkels in Wechselrichter-Grenzlage bis 170° ist der sich ergebende Verbraucherstrom noch zu groß, d. h. die Abwärtsgeschwindigkeit der Last ist noch zu klein. Infolgedessen gibt der Drehzahlregler 3A zur Erhöhung der Geschwindigkeit den Befehl zur Stromrichtungsumkehr, d. h. der Zweipuls-Stromrichter 1 wird abgeschaltet und der Zweipuls-Stromrichter 2 zugeschaltet.

Der Zweipuls-Stromrichter 2 arbeitet im III. Quadranten (Motorbetrieb-Linkslauf, Gleichrichten) bei sehr kleinem Verbraucherstrom im Bereich d.2 . . . e.2 gemäß Fig. 2. Dies führt jedoch zu einer Erhöhung der Abwärtsgeschwindigkeit über die vorgeschriebene Geschwindigkeit hinaus. Infolgedessen gibt der Drehzahlregler 3A zur Reduzierung der Geschwindigkeit wiederum den Befehl zur Stromrichtungsumkehr, der Zweipuls-Stromrichter 2 wird abgeschaltet und der Zweipuls-Stromrichter 1 wiederum zugeschaltet. Durch das laufende Umschalten zwischen Bremsen (mit dem Zweipuls-Stromrichter 1) und Treiben (mit dem Zweipuls- Stromrichter 2) ist ein konstanter Betrieb mit der vorgeschriebenen Geschwindigkeit nicht möglich.

Um einen konstanten Betrieb des Doppelstromrichters unter allen Betriebsbedingungen zu ermöglichen, wird der Steuerwinkelbereich nicht auf 150 . . . 170° beschränkt, sondern bis auf 210° erweitert. In Fig. 5 ist hierzu eine erste Variante eines Steuersatzes mit erweitertem Steuerbereich dargestellt. Bei diesem Steuersatz ist ein digitaler Phasenregelkreis PLL (Phase-locked loop), bestehend aus den Baueinheiten 16 bis 20 vorgesehen.

Einem Polaritätswender 16 des PLL wird eingangsseitig die Netzspannung U_VT zugeleitet. Der Ausgang des Polaritätswenders 16 (Signal U_A16) ist mit einem Phasenregler 17 verbunden, der ausgangsseitig (Signal U_A17) einen spannungsgesteuerten Oszillator 18 (VCO, Voltage controlled oscillator) ansteuert. Der Phasenregler 17 hat PI-Charakteristik mit kleinem V_P (P-Verstärkung). Der Oszillator 18 erzeugt eine Spannung mit 12facher Netzfrequenz 12f_VT, die einem digitalen Frequenzteiler 19 zugeleitet wird. Der Teiler 19 teilt die ihm zugeführte Spannung mit dem Divisor 6 und weist ausgangsseitig mehrere Impulsausgänge auf. Ein Impulsausgang 19.1 des Teilers 19, bei dem jeweils bei 90° und 270° ein Impuls ansteht, ist über einen Dividierer 20 an den Polaritätswender 16 angeschlossen. Der Dividierer 20 teilt die Signale mit dem Divisor 2 (Signal U₂₀). Über diesen an den Impulsausgang 19.1 angeschlossenen Rückkopplungszweig wird die Synchronisierung des Oszillators geregelt. Die Signale U₂₀ des Dividierers 20 steuern den Polaritätswender 16 dabei derart an, daß dessen Verstärkung alternierend +1/-1 wird, d. h. das Signal U_VT wird dem Phasenregler 17 abwechselnd als +U_VT und -U_VT zugeführt.

Zwei weitere Impulsausgänge 19.2 und 19.3 des Teilers 19 sind an einen Wählschalter 21 angeschlossen. Beim Impulsausgang 19.2 stehen jeweils bei 0° und 180° Impulse an, während beim Impulsausgang 19.3 bei 30° und 210° Impulse auftreten. Mit Hilfe des Wahlschalters 21 kann wahlweise einer dieser beiden Impulsausgänge 19.2 oder 19.3 mit dem Eingang des Sägezahngenerators 10 verbunden werden. Die vom Sägezahngenerator 10 abgegebene Hilfsspannung U_H1, U_H2 weist wiederum zweifache Netzfrequenz f_VT auf.

Bei Durchschalten des Impulsausganges 19.2 beginnen die Spannungsflanken der Hilfsspannung U_H1 bei 0° und enden bei 180°. Bei Durchschalten des Impulsausganges 19.3 beginnen die Spannungsflanken der Hilfsspannung U_H2 bei 30° und enden bei 210°. Die Hilfsspannung des Sägezahngenerators 10 wird wiederum dem Komparator 9 zugeleitet.

Der weitere Eingang des Komparators 9 ist mit dem Ausgang eines Umschalters 22 verbunden, an dessen erstem Eingang die vom Stromregler 8 abgegebene Steuerspannung U_St und an dessen zweitem Eingang die Spannung 0 (Massepotential) ansteht. Der Umschalter 22 wird durch ein UND-Glied 24 angesteuert, an dessen ersten Eingang über einem Analog/Binär-Wandler 23 (Strom-Null-Melder) der Strom-Istwert I_ist liegt. Der zweite Eingang des UND- Gliedes 24 ist mit einem Impulsausgang 19.4 des Teilers 19 verbunden, bei dem in den Bereichen 150 . . . 180° bzw. 330 . . . 360° Signalspannungen anstehen, d. h., in den genannten Bereichen liegt dem UND-Glied 24 eine positive Signalspannung A an. Die Beschaltung des Stromreglers 8 mit Polaritätswender 6A, Vergleichsstelle 6B, Drehzahlregler 3A und Vergleichsstelle 4 ist wie unter Fig. 1 beschrieben.

Der Komparator 9 vergleicht die Hilfsspannung U_H1 bzw. U_H2 mit der Steuerspannung U_St bzw. der Nullspannung. Ausgangsseitig ist der Komparator 9 mit den ersten Eingängen zweier UND-Glieder 26 und 27 verbunden. An die zweiten Eingänge dieser UND-Glieder ist ein Dividierer 25 angeschlossen, der eingangsseitig mit dem Ausgang des Umschalters 21 verbunden ist und die ihm zugeführte Signalspannung zur "Halbwellen-Anwahl" durch den Divisor 2 teilt. Im einzelnen sind dabei das UND-Glied 26 mit dem nichtinversen Ausgang und das UND-Glied 27 mit dem inversen Ausgang des Dividierers 25 verbunden. Das UND- Glied 26 liefert Zündbefehle für die positive Halbwelle, während das UND-Glied 27 Zündbefehle für die negative Halbwelle liefert. Die Einzelheiten zur Impulserzeugung sind in Fig. 9 dargestellt.

In Fig. 6 ist der zeitliche Verlauf der Hilfsspannungen U_H1 bzw. U_H2 und der vom Teiler 19 erzeugten Signale A zur Erläuterung der Funktionsweise des Steuersatzes gemäß Fig. 5 dargestellt. Die bei Durchschaltung des Impulsausganges 19.2 an den Sägezahngenerator 10 entstehende Hilfsspannung U_H1, bei der die Flanken jeweils bei 0°, 180°, 360° . . . gestartet werden, entspricht dem allgemein bekannten Verlauf einer Sägezahnspannung. Durch Vergleich mit der Steuerspannung U_St wird der Zündzeitpunkt bestimmt. Im dargestellten Beispiel wird die Hilfsspannung U_H1 bei 150° positiver als die Steuerspannung U_St, d. h., bei 150° wird ein Zündimpuls gebildet. Bei 180° wird der Zündimpuls wieder abgeschaltet, da U_H1 negativer als U_St wird.

Die bei Durchschaltung des Impulsausganges 19.3 an dem Sägezahngenerator 10 entstehende Hilfsspannung U_H2 weist Flanken auf, die jeweils bei 30°, 210° . . . starten. Da der mögliche Verschiebebereich wiederum 180° beträgt, kann bis 210° gesteuert werden. Im dargestellten Beispiel wird die Hilfsspannung U_H2 bei 180° positiver als die Steuerspannung U_St, d. h. bei 180° wird ein Zündimpuls gebildet. Bei 210° wird der Zündimpuls wieder abgeschaltet, da U_H2 negativer als U_St wird.

Durch die Erweiterung des Steuerbereiches auf 210° ergeben sich mehrere Probleme. Beispielsweise kann die maximale Ausgleichsspannung des Stromrichters (die sich bei bekannten Steuersätzen bei α=0° einstellt) nicht mehr erreicht werden, da der minimale Steuerwinkel α=30° beträgt. Bei Betrieb eines Gleichstrommotors kann im allgemeinen auf die restlichen 13,4% in der Ausgangsgleichspannung, die sich aus der Steuerwinkeldifferenz zwischen α=0° und α=30° ergibt, verzichtet werden. Bei Betrieb eines Erregerfeldes mit einem Steuersatz gemäß Fig. 5 besteht die Möglichkeit, anstelle des Impulsausganges 19.3 den Impulsausgang 19.2 an den Sägezahngenerator 10 durchzuschalten, denn in diesem Fall ist eine Erweiterung des Steuerwinkelbereichs auf 210° nicht notwendig.

Ein weiteres Problem ist, das Wechselrichter-Kippen des Stromrichters zu verhindern. Im bekannten Fall erfolgt dies durch eine feste Begrenzung des Steuerwinkels auf 150° bzw. stromabhängig auf 150 . . . 170° durch entsprechende Begrenzung der Steuerspannung U_St. Bei einem auf 210° erweiterten Steuerbereich muß jedoch der Steuerspannung gestattet werden, sich bis zu diesem Grenzwert zu bewegen. Zur Verhinderung eines Wechselrichter-Kippens wird das in den Bereichen 150 . . . 180° und 330 . . . 360° auftretende Signal A (siehe Fig. 6) des Teilers 19 über das UND-Glied 24 mit dem Strom-Istwert I_ist verknüpft, d. h. falls in den Bereichen 150 . . . 180° oder 330 . . . 360° ein Verbraucherstrom i_d fließt, erfolgt sofort eine Zündung des entsprechenden Ventils im Bereich 150 . . . 180° oder 330 . . . 360°, da der vom UND-Glied 24 angesteuerte Umschalter 22 die Spannung Null (Massepotential) als "Steuerspannung" an den Komparator 9 weitergibt. Da die Hilfsspannung U_H2 positiver als diese "Steuerspannung" Null ist, wird ein Zündimpuls gebildet.

In Fig. 7 sind die Signale U_VT, U_A16, U_A17 und U_A20 des digitalen Phasenregelkreises PLL dargestellt. Das Signal U_A20liegt im ausgeregelten Zustand um 90° versetzt zum Signal U_VT (f_VT+90°). Damit ist der Mittelwert von U_A16=0. Bei einer Phasenverschiebung ≠90° zwischen U_VT und U_A20 wird der Mittelwert von U_A16≠0. Die nachfolgende Änderung von U_A12 führt zur Korrektur der Frequenz des Oszillators 18.

In Fig. 8 ist eine zweite Variante eines Steuersatzes mit erweitertem Steuerbereich dargestellt. Bei diesem Steuersatz ist ebenfalls ein digitaler Phasenregelkreis mit einem digitalen Frequenzteiler 28 vorgesehen, der die ihm zugeführte Spannung mit dem Divisor 6 teilt. Die Impulsausgänge des Teilers 28 sind mit 28.1 . . . 28.6 bezeichnet. Der erste Impulsausgang 28.1, bei dem jeweils bei 0° ein Impuls ansteht, ist mit dem "Start"-Eingang eines Sägezahngenerators 29 verbunden und der zweite Impulsausgang 28.2, bei dem jeweils bei 30° ein Impuls ansteht, führt zum "Stopp"-Eingang eines Sägezahngenerators 30. Der dritte Impulsausgang 28.3, bei dem jeweils bei 180° ein Impuls ansteht, ist an den "Start"-Eingang des Sägezahngenerators 30 angeschlossen und der vierte Impulsausgang 28.4, bei dem jeweils bei 210° ein Impuls ansteht, führt an den "Stopp"-Eingang des Sägezahngenerators 29. Der fünfte Impulsausgang 28.5, bei dem jeweils bei 90° und 270° Impulse anstehen, dient zum Anschluß des Rückkopplungszweiges des PLL und damit zur Synchronisation des spannungsgesteuerten Oszillators des PLL.

Der Sägezahngenerator 29 gibt eine Hilfsspannung U_H3 an den ersten Eingang eines Komparators 31 ab, dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang des Umschalters 22 verbunden ist. Der im Vergleich zum Sägezahngenerator 29 um 180° versetzt gestartete Sägezahngenerator 30 gibt eine Hilfsspannung U_H4 an den ersten Eingang eines Komparators 32 ab, dessen zweiter Eingang ebenfalls mit dem Ausgang des Umschalters 22 verbunden ist. Der Komparator 31 dient zur Erzeugung von Zündbefehlen im Bereich der positiven Halbwelle und der Komparator 32 zum Erzeugen von Zündbefehlen im Bereich der negativen Halbwelle. Die Einzelheiten zur Impulserzeugung sind in Fig. 9 dargestellt.

An den Eingängen des Umschalters 22 liegen die Steuerspannung U_St und die Spannung Null wie unter Fig. 5 beschrieben. Der Umschalter 22 wird wiederum durch das UND-Glied 24 angesteuert, an dessen ersten Eingang über den Analog/Binär-Wandler 23 der Strom-Istwert I_ist liegt. Der zweite Eingang des UND-Gliedes 24 ist mit einem Impulsausgang 28.6 des Teilers 28 verbunden, bei denen in den Bereichen 150 . . . 180° bzw. 330 . . . 360° Signalspannungen anstehen (positive Signalspannung A).

Die übrige Beschaltung der zweiten Variante nach Fig. 8 ist wie unter Fig. 5 beschrieben.

In Fig. 9 ist der zeitliche Verlauf der Hilfsspannung U_H3 bzw. U_H4 und der vom Teiler 28 erzeugten Signale A zur Erläuterung der Funktionsweise des Steuersatzes nach Fig. 8 dargestellt. Bei der vom Sägezahngenerator 29 erzeugten Hilfsspannung U_H3 werden die Flanken jeweils bei 0° bzw. bei 360° gestartet, steigen jeweils bis 210° an, werden auf 0 zurückgesetzt und bleiben im Bereich zwischen 210° und 360° konstant auf dem Wert 0. Durch Vergleich mit der Steuerspannung U_St wird wiederum der Zündzeitpunkt bestimmt. Im dargestellten Beispiel wird die Hilfsspannung U_H3 bei 180° positiver als die Steuerspannung U_St, d. h. bei 180° wird ein Zündimpuls gebildet.

Bei der vom Sägezahngenerator 30 erzeugten Hilfsspannung U_H4 werden die Flanken jeweils bei 180° gestartet, steigen jeweils bis 30° an, werden auf 0 zurückgesetzt und bleiben im Bereich zwischen 30° und 180° konstant auf dem Wert 0. Die durch Vergleich der Hilfsspannung U_H4 mit der Steuerspannung U_St bestimmten Zündzeitpunkte liegen bei 360°. Desweiteren ist in Fig. 9 noch das in den Bereichen 150° . . . 180° und 330° . . . 360° auftretende Signal A dargestellt.

Bei der zweiten Variante eines Steuersatzes mit erweitertem Steuerbereich gemäß Fig. 8 kann die maximale Ausgangsgleichspannung des Stromrichters trotz Erweiterung des Steuerbereichs auf 210° erreicht werden, d. h. der Steuerwinkel ist von 0° bis 210° einstellbar. Das Wechselrichter- Kippen des Stromrichters wird wiederum durch die Anordnung Analog/Binär-Wandler 23 (zur Erfassung des Strom-Istwertes) - UND-Glied 24 (zur Verknüpfung des Stromsignals mit dem Signal A) - Umschalter 22 (zur Zündimpulsbildung) in der gleichen Art und Weise verhindert, wie unter Fig. 5 beschrieben.

In Fig. 10 sind Einzelheiten der Impulserzeugung zu den Varianten nach Fig. 5 und 8 dargestellt. Das vom UND- Glied 26 (Fig. 5) oder vom Komparator 31 (Fig. 8) abgegebene Signal (Zündbefehle im Bereich der positiven Halbwelle) wird dem ersten Eingang eines UND-Gliedes 33 zugeführt. Das vom UND-Glied 27 (Fig. 5) oder vom Komparator 32 (Fig. 8) angegebene Signal (Zündbefehl im Bereich der negativen Halbwelle) gelangt zum ersten Eingang eines UND-Gliedes 34. Den zweiten Eingängen beider UND-Glieder 33, 34 werden während des Betriebes Impulsrechensignale zugeleitet. In Betriebspausen unterbleibt zur Impulsunterdrückung die Zuführung dieser Impulsrechensignale.

Den beiden UND-Gliedern 33, 34 sind zur Impulsauswahl vier UND-Glieder 35, 36, 37, 38 nachgeschaltet. Im einzelnen ist der Ausgang des UND-Gliedes 33 mit ersten Eingängen der UND-Glieder 35 und 37 sowie der Ausgang des UND-Gliedes 34 mit ersten Eingängen der UND-Glieder 36 und 38 verbunden. Die zweiten Eingänge der UND-Glieder 35 und 36 werden bei einer Stromrichtung SI (Betrieb im ersten oder vierten Quadranten) sowie die zweiten Eingänge der UND-Glieder 37 und 38 bei einer Stromrichtung SII (Betrieb im zweiten oder dritten Quadranten) beaufschlagt.

Die Ausgänge der UND-Glieder 35 bzw. 36 bzw. 37 bzw. 38 dienen jeweils zur Ansteuerung von Schaltern 39 bzw. 40 bzw. 41 bzw. 42. An den Schalter 39 ist ein Impulsübertrager 43 angeschlossen, der zur Ansteuerung der Stromrichterventile n2 und n3 dient. Dem Schalter 40 ist ein zur Ansteuerung der Stromrichterventile n1 und n4 geeigneter Impulsübertrager 44 nachgeordnet. Mit dem Schalter 41 ist ein zur Ansteuerung der Stromrichterventile n6 und n7 dienender Impulsübertrager 45 verbunden. An den Schalter 42 ist ein Impulsübertrager 46 angeschlossen, der zur Ansteuerung der Stromrichterventile n5 und n8 geeignet ist.

Claims (3)

1. Steuerverfahren für einen netzgeführten Stromrichter, bei dem zur Bildung der Zündbefehle für die steuerbaren Stromrichterventile eine sägezahnförmige Hilfsspannung und eine in Abhängigkeit zu regelnder Größen veränderbare Steuergleichspannung verglichen werden, wobei der Steuerbereich auf 210°el erweitert wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Zweipuls-Stromrichter zur Verhinderung eines Wechselrichter-Kippens Zündbefehle an die steuerbaren Stromrichterventile (n1 . . . n8) gegeben werden, falls im Bereich 150, 180°el und 330 . . . 360°el noch ein Strom durch diese Ventile fließt.

2. Steuersatz für einen netzgeführten Stromrichter zur Durchführung des Steuerverfahrens nach Anspruch 1, bei dem mindestens ein Komparator eine von mindestens einem Sägezahngenerator abgegebene Hilfsspannung und eine von einem Stromregler abgegebene Steuergleichspannung vergleicht, dadurch gekennzeichnet, daß einem UND- Glied (24) eingangsseitig Strom-Istwertsignale (I_ist) sowie Signale (A) in den Bereichen 150 . . . 180°el und 330 . . . 360°el zugeleitet werden und das UND-Glied (24) ausgangsseitig einen Umschalter (22) ansteuert, dem eingangsseitig die Steuergleichspannung (U_St) sowie Massepotential anliegen und der ausgangsseitig an den Komparator (9; 31, 32) angeschlossen ist.

3. Steuersatz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Start- und Stoppsignale für den Sägezahngenerator (10; 29, 30) mit Hilfe eines digitalen Phasenregelkreises (PLL) in Abhängigkeit der Netzspannung (U_VT) gebildet werden.