DE3522025A1 - Verfahren zum betrieb eines nullstrommelders fuer einen kreisstromfreien doppelstromrichter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Nullstrommelders für einen kreisstromfreien Doppelstromrichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solches Verfahren zum Betrieb eines Nullstrommelders für einen kreisstromfreien Doppelstromrichter ist aus der DE-OS 32 12 321 bekannt. Kreisstromfreie Doppelstromrichter (Umkehrstromrichter) dienen vorzugsweise zur Speisung von Gleichstrommotoren und gestatten eine gute Regelung des Energieflusses zwischen dem Stromnetz und dem Motor. Ein Doppelstromrichter erlaubt eine sehr schnelle Momentenumkehr im Motor, weil für jede Stromrichtung und damit Momentenrichtung ein besonderer Stromrichter zur Verfügung steht. Das Umschalten von einem Teilstromrichter auf den anderen Teilstromrichter des Doppelstromrichters erfolgt mittels einer Regeleinrichtung. Die Stromrichtungsumkehr geschieht dadurch, daß zuerst der noch stromführende Teil des Doppelstromrichters stromlos gemacht und dann die Steuer- bzw. Zündimpulse des Steuersatzes auf den anderen Teil umgeschaltet werden.

Kreisstromfreie Doppelstromrichter (Umkehrstromrichter) benötigen für die störungsfreie Umschaltung von einem Teilstromrichter auf den anderen deshalb einen Melder, der den Zustand "alle Stromrichterventile (Thyristoren) sind stromlos" anzeigt. Beim Nullstrommelder der DE-OS 32 12 321 wird die am Eingang des Doppelstromrichters anstehende Wechselspannung mit der am Ausgang des Doppelstromrichters anliegenden Gleichspannung verglichen. In denjenigen Zeitabschnitten, in denen der Verlauf der Wechselspannung bzw. deren Umkehrspannung mit dem Verlauf der Gleichspannung übereinstimmt, führen die Ventile des Doppelstromrichters Strom. In den übrigen, stromlosen Zeitabschnitten unterscheidet sich die Gleichspannung deutlich von der Wechselspannung bzw. deren Umkehrspannung. Aufgrund dieser Kriterien können Stromsignale bzw. Stromnullsignale gebildet und der Regeleinrichtung für den Doppelstromrichter zugeführt werden. Dadurch wird eine störungsfreie Umschaltung von einem Teilstromrichter auf den anderen ermöglicht.

In der DE-PA P 35 06 807.8 sind ein Steuerverfahren und ein Steuersatz für einen netzgeführten Zweipuls-Stromrichter beschrieben, bei denen der Steuerbereich über die üblichen 150°el . . . 170°el hinaus auf 210°el erweitert wird, indem die ansteigenden Flanken einer zur Bildung der Zündbefehle dienenden sägezahnförmigen Hilfsspannung jeweils bei 210°el und 30°el im Bezug zur Netzspannung beendet werden. Um einen erweiterten Steuerbereich bis 210° el realisieren zu können, darf nicht mehr - wie bisher üblich - eine Begrenzung bei 150° . . . 165° el vorgesehen sein. Trotzdem müssen jedoch bei Gefahr eines Wechselrichterkippens zwangsweise Zündimpulse im Bereich 150° . . . 180° el generiert werden. Die Gefahr eines Wechselrichterkippens liegt stets dann vor, wenn im Bereich 150° . . . 180° el noch Strom fließt, der dann durch den Nullstrommelder erkannt und gemeldet wird.

Bei Einsatz des aus der DE-OS 32 12 321 bekannten Nullstrommelders beim Steuersatz gemäß DE-PA P 35 06 807.8 ergibt sich jedoch der Nachteil, daß innerhalb einer Periode zusätzlich zu den "echten", d.h. richtigen Stromsignalen zwei "unechte", d.h. falsche Stromsignale auftreten. Unter "unechten" Stromsignalen werden solche Stromsignale verstanden, die einen Stromfluß anzeigen, obwohl überhaupt kein Strom fließt. Der Grund der Bildung der "unechten" Stromsignale liegt darin, daß stets die am Eingang des Doppelstromrichters anstehende Wechselspannung und deren Umkehrspannung mit der ausgangsseitigen Gleichspannung verglichen werden. Treten derartige "unechte" Stromsignale im Bereich 150° . . . 180° el auf, so wird die Gefahr eines Wechselrichterkippens suggeriert, was zur zwangsweisen Bildung von Zündimpulsen im Bereich 150° . . . 180° el führt, obwohl im angegebenen Bereich überhaupt kein Stromfluß vorliegt und folglich die Gefahr eines Wechselrichterkippens nicht gegeben ist. Die "unechten" Stromsignale führen somit zu fehlerhaften Zündimpulsen, d.h. Zündimpulsen zu falschen, verfrühten Zeitpunkten im Bereich 150° . . . 180° el, wodurch eine Erweiterung des Steuerbereichs auf 210° el nicht realisiert werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Nullstrommelder für einen kreisstromfreien Doppelstromrichter der eingangs genannten Art anzugeben, der auch bei einer Erweiterung des Steuerbereichs auf 210°el eine fehlerfreie Strom-Nullerkennung mittels Ventilspannungsüberwachung ermöglicht.

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

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß beim Nullstrommelder in jedem Bereich unechte Strommeldungen erkannt und unterdrückt und damit fehlerhafte Zündimpulsbildungen ausgeschlossen werden. Es ist auch bei hochinduktiven Lasten, wie Erregerfeldern, Hubmagneten und ähnlichem eine sichere Strom-Nullerfassung mit großer Genauigkeit möglich. Infolge der Mitbenutzung von ohnehin für Regelungs- und Steueraufgaben vorhandenen Meßeinrichtungen ist lediglich ein geringer zusätzlicher Bauelementeaufwand zur Schaffung des Nullstrommelders erforderlich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert.

Es zeigen:

Fig.1 einen an einen Doppelstromrichter angeschlossenen Nullstrommelder,

Fig.2 bis 9 die zeitlichen Verläufe interessierender Spannungen und Signale.

In Fig. 1 ist ein an einem Doppelstromrichter (gesteuerter Einphasen-Vollweggleichrichter) angeschlossener Nullstrommelder dargestellt. Ein kreisstromfreier Doppelstromrichter (Umkehrstromrichter) 1 ist eingangsseitig mit einer Wechselspannungsquelle 2 (z.B. Wechselspannungsnetz) verbunden. Ausgangsseitig ist der Doppelstromrichter 1 über eine Drossel 3 mit einem Gleichstrommotor 4 beschaltet.

Zur Ermittlung der am Doppelstromrichter 1 eingangsseitig anliegenden Wechselspannung (Stromrichter-Eingangsspannung) U _AC bzw. der am Doppelstromrichter 1 ausgangsseitig anliegenden Gleichspannung (Stromrichter-Ausgangsspannung) U _DC sind Spannungserfassungseinrichtungen (Meßwertaufnehmer) 5 bzw. 6 vorgesehen. Als potentialtrennende Einrichtungen 5, 6 dienen beispielsweise Differenzverstärker mit sehr hochohmigen Eingangswiderständen. Die Wechselspannung U _AC läßt sich auch mittels eines Transformators als Einrichtung 5 erfassen.

Während die Wechselspannung U _AC dem Eingang eines Polaritätswenders 7 zugeleitet wird, liegt die Gleichspannung U _DC einer Additionsstelle 8 mit positivem Vorzeichen an. Der zweite Eingang der Additionsstelle 8 wird mit der über den Polaritätswender 7 geführten positiven bzw. negativem Wechselspannung +U _AC bzw.-U _AC beaufschlagt. die Ausgangsspannung der Additionsstelle 8 U _E = U _DC + U _AC bzw. U _E = U _DC - U _AC wird dem Eingang eines Spannungsbetragsmelders 9 zugeführt.

Der Spannungsbetragsmelder 9 gibt eine Ausgangsspannung U _A = 1 ab, falls die Eingangsspannung U _E innerhalb vorgebbarer Grenzwerte +x bzw. -x liegt, d.h. falls -x U _E +x. Der Spannungsbetragsmelder 9 gibt eine Ausgangsspannung U _A = 0 ab, falls die Eingangsspannung U _E den Grenzwert -x unterschreitet bzw. den Grenzwert +x überschreitet, d.h. falls U _E ≦ωτ -x bzw. U _E ≦λτ +x.

Der Spannungsbetragsmelder 9 ist ausgangsseitig über einen Inverter 10 mit dem C-Eingang (Clock-Eingang) eines D-Kippgliedes 11 verbunden, d.h. dem C-Eingang des D-Kippgliedes 11 liegt die inverse Ausgangsspannung U _A des Spannungsbetragsmelders 9 an. Der D-.Eingang des D- Kippgliedes 11 ist an den Ausgang eines Exklusiv-ODER- Gliedes 12 angeschlossen. Das Exklusiv-ODER-Glied 12 weist zwei Eingänge auf, wobei dem ersten Eingang ein Stromrichtungssignal SR und dem zweiten Eingang ein Halbwellensignal HW anliegen. Das dem D-Kippglied 11 zugeführte Ausgangssignal des Exklusiv-ODER-Gliedes 12 ist mit S 12 bezeichnet.

Das Stromrichtungssignal beträgt SR = 1 bei Betrieb des ersten Teilstromrichters des Doppelstromrichters 1, d.h. bei einer positiven Stromrichtung +I durch den Gleichstrommotor 4 (Vorwärts-Drehrichtung des Motors 4). Das Stromrichtungssignal beträgt SR = 0 bei Betrieb des zweiten Teilstromrichters des Doppelstromrichters 1, d.h. bei einer negativen Stromrichtung -I durch den Gleichstrommotor 4 (Rückwärts-Drehrichtung des Motors 4).

Das Halbwellensignal beträgt HW = 1 im Bereich 30°ωt 210° el der Stromrichter-Eingangsspannung U _AC und es beträgt HW = 0 im Bereich 210° ωt 30°el. Dabei wird vorausgesetzt, daß der Steuerbereich zur Zündung der steuerbaren Ventile des Doppelstromrichters auf α = 210° el erweitert ist (α = Steuerwinkel).

Der S- und der R-Anschluß des D-Kippgliedes 11 sind jeweils mit Massepotential beaufschlagt. Das am Null-Ausgang des D-Kippgliedes 11 anstehende Signal S 11 wird dem Steuereingang des Polaritätswenders 7 zugeleitet. Bei Vorgabe eines Signales S 11 = 1 schaltet der Polaritätswender 7 die Spannung +U _AC an die Additionsstelle 8 durch. Bei Vorgabe eines Signales S 11 = 0 wird die Spannung -U _AC vom Polaritätswender 7 weitergeleitet.

Die Ausgangsspannung U _A des Spannungsbetragmelders 9 liegt ferner am Eingang eines Verzögerungsgliedes 13. Das Verzögerungsglied 13 gibt ausgangsseitig ein Stromsignal A ab und schaltet 0-1-Übergänge (Low-High-Übergänge) der Ausgangsspannung U _A unverzögert durch, während 1-0-Übergänge (High-Low-Übergänge) der Ausgangsspannung U _A um eine Verzögerungszeit t_V verzögert weitergegeben werden. Beträgt A = 1, so fließt Strom durch die Stromrichterventile des Doppelstromrichters 1, bei A = 0 sind alle Stromrichterventile stromlos. Das Stromsignal A wird an die Regeleinrichtung des Doppelstromrichters 1 weitergegeben und ermöglicht eine störungsfreie Umschaltung von einem Teilstromrichter auf den anderen.

Zur Erläuterung der Funktionsweise des Nullstrommelders sind in Fig. 2 die zeitlichten Verläufe der Stromrichter- Eingangsspannung U _AC (Wechselspannung) und der Stromrichter-Ausgangsspannung U _DC (Gleichspannung) gezeigt. Die zur Wechselspannung U _AC gehörige Umkehrspannung -U _AC ist gestrichelt dargestellt. Der zeitliche Verlauf der Gleichspannung U _DC deckt sich im Abschnitt ωt ₂ ωt ωt ₄ weitgehend (d.h. innerhalb vorgebbarer Grenzwerte -x, +x) mit dem zeitlichen Verlauf der Wechselspannung U _AC. In diesem Abschnitt führen die Stromrichterventile des Doppelstromrichters 1 Strom. In den übrigen Abschnitten bestimmt nicht die Wechselspannung U _AC bzw. deren Umkehrspannung -U _AC, sondern die Last (Drossel 3/Gleichstrommotor 4) den zeitlichen Verlauf der Gleichspannung U _DC. Diese stromlosen Zeitabschnitte sind durch folgende Aussage gekennzeichnet: Die Gleichspannung U _DC unterscheidet sich deutlich von der Wechselspannung U _AC bzw. deren Umkehrspannung -U _AC.

Zur Ermittlung von Übereinstimmungen bzw. Abweichungen zwischen den Spannungen U _AC, -U _AC und U _DC dienen der Polaritätswender 7, die Additionsstelle 8 und der nachgeschaltete Spannungsbetragsmelder 9. Die Ausgangsspannung U _A des Spannungsbetragsmelders 9 beträgt U _A = 1, falls die Stromrichterventile des Doppelstromrichters 1 Strom führen und es beträgt U _A = 0, falls die Stromrichterventile stromlos sind.

Die Information, ob jeweils +U _AC mit U _DC oder -U _AC mit U _DC verglichen werden muß, wird über das Exklusiv-ODER- Glied 12 aus dem Stromrichtungssignal SR und dem Halbwellensignal HW gewonnen. Bei Beibehaltung einer Stromrichtung (d.h. SR bleibt konstant 1 bzw. 0) ändert das Exklusiv- ODER-Glied 12 seine Ausgangsinformation jeweils bei 30° und 210° el (bei einem erweiterten Steuerbereich bis 210° el). Da jedoch ein Stromfluß über den Winkel 210° el hinaus möglich ist, darf die geänderte Information des Exklusiv-ODER-Gliedes 12 nicht an den Polaritätswender 7 weitergegeben werden, solange Strom fließt. Dies wird durch das D-Kippglied 11 erreicht, dessen Clock-Eingang C während des Stromflusses das Weiterreichen der am D-Eingang anstehenden Information an den Ausgang 0 verbietet. Erst nach Abbau des Stromes wird D-Kippglied 11 getaktet und der Polaritätswender 7 wechselt die Polarität.

Da in der kurzen Zeit des Polaritätswechsel des Polaritätswenders 7 ein fehlerfreies Erkennen der Ventilspannung nicht mit Sicherheit möglich ist, wird das Stromsignal über das Verzögerungsglied 13 an die Regeleinrichtung des Doppelstromrichters 1 weitergegeben. Dadurch wird sichergestellt, daß auch sehr kurze Stromführungszeiten erkannt werden. Die Verzögerungszeit t_v beträgt vorzugsweise 0,1 . . . 0,2 ms.

In Fig. 3 ist der zeitliche Verlauf der Ausgangspannung U _A des Spannungsbetragmelders 9 dargestellt. Im Abschnitt ωt ₂ ωt ωt ₄ beträgt U _A = 1 (wobei ωt ₄ ≈ 215° el), d.h. in diesem Abschnitt führen die Ventile des Doppelstromrichters 1 Strom. In den übrigen Abschnitten beträgt U _A = 0. In Fig. 3 ist ferner ein "unechtes" Stromsignal gestrichelt dargestellt. Ein solches "unechtes" Stromsignal würde infolge Schnittpunktbildung zwischen der Umkehrspannung -U _AC und der Gleichspannung U _DC im Bereich um 150° el auftreten, wenn nicht mittels des Exklusiv-ODER-Gliedes 12 und des Polaritätswenders 7 eine Unterdrückung der Umkehrspannung -U _AC im betrachteten Abschnitt erfolgen würde. Erst die Unterdrückung derartiger "unechter" Stromsignale ermöglicht die Erweiterung des Steuerbereichs auf 210°el.

In Fig. 4 ist der zeitliche Verlauf der inversen Ausgangsspannung des Spannungsbetragmelders dargestellt. Im Abschnitt ωt ₂ t R ωt ₄ beträgt = 0 und in den übrigen Abschnitten beträgt = 1.

In Fig. 5 ist der zeitliche Verlauf des Stromrichtungssignals SR dargestellt. Es wird vorausgesetzt, daß das Stromrichtungssignal SR während des betrachteten Zeitabschnittes nicht verändert wird, so daß SR beispielsweise konstant den logischen Wert "1" aufweist. Es wird demnach der erste Teilstromrichter des Doppelstromrichters 1 angesteuert (positive Stromrichtung +I, Vorwärts-Drehrichtung des Motors 4).

In Fig. 6 ist der zeitliche Verlauf des Halbwellensignals HW dargestellt. Das Halbwellensignal beträgt HW = 1 im Abschnitt ωt ₁ ωt ωt ₃ und HW = 0 im Abschnitt ωt ₃ ωt ωt ₆, wobei ωt ₁ = ωt ₆ = 30° el und ωt ₃ = 210°el.

In Fig. 7 ist der zeitliche Verlauf des Signals S 12 dargestellt. Dieses Signal beträgt S 12 = 1 im Abschnitt ωt ₃ ωt ωt ₆ und S 12 = 0 im übrigen Abschnitt. Bei Vorgabe eines konstanten Stromrichtungssignals SR = 0 wäre S 12 = 1 im Abschnitt ωt ₁ ωt ωt ₃ und S 12 = 0 im übrigen Abschnitt.

In Fig. 8 ist der zeitliche Verlauf des Signals S 11 dargestellt. Dieses Signal beträgt S 11 = 1 im Abschnitt ωt ₁ ωt ωt ₄ und S 11 = 0 im übrigen Abschnitt. Die Differenz zwischen ωt ₄ und ωt ₃ entspricht der aufgrund der Stromflußdauer über ωt ₃ hinaus vom D-Kippglied 11 bewirkten Verzögerungszeit.

In Fig. 9 ist der zeitliche Verlauf des Stromsignals A dargestellt. Das Stromsignal beträgt A = 1 im Abschnitt ωt ₂ ωt ωt ₅ und A = 0 in den übrigen gezeigten Abschnitten, d.h. der Regeleinrichtung des Doppelstromrichters 1 wird eingegeben, daß die Stromrichterventile bis ωt ₂ und ab ωt ₅ stromlos sind. Die Differenz zwischen ωt ₅ und ωt ₄ entspricht exakt der Verzögerungszeit t _V des Verzögerungsgliedes 13.

Claims (4)

1. Verfahren zum Betrieb eines Nullstrommelders für eine Regeleinrichtung eines kreisstromfreien Doppelstromrichters zur Ermittlung von Strommnullsignalen, mit Spannungserfassungseinrichtungen zur Ermittlung der am Eingang des Doppelstromrichters anstehenden Wechselspannung sowie der am Ausgang des Doppelstromrichters anliegenden Gleichspannung, mit einer Additionsstelle zur Summierung der Wechselspannung und der Gleichspannung und mit einem nachgeschalteten Spannungsbetragmelder zur Bewertung der Spannungssumme in Abhängigkeit vorgebbarer Grenzwerte, dadurch gekennzeichnet, daß ein Polaritätswender (7) die Wechselspannung (U _AC) bzw. deren Umkehrspannung (-U _AC) an die Additionsstelle (8) durchschaltet, wobei der Polaritätswender in Abhängigkeit der Halbwellen der eingangsseitigen Wechselspannung (U _AC), der Stromrichtung und des Steuerbereichs (α) angesteuert wird.

2. Nullstrommelder zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Exklusiv- ODER-Glied (12) vorgesehen ist, das eingangsseitig von der Wechselspannung (U _AC) abgeleitete Halbwellensignale (HW) sowie Stromrichtungssignale (SR) empfängt und den Polaritätswender (7) ausgangsseitig ansteuert.

3. Nullstrommelder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein D-Kippglied (11) vorgesehen ist, dessen Clock-Eingang die inverse Ausgangsspannung () des Spannungsbetragmelders (9) und dessen D-Eingang das Ausgangssignal (S 12) des Exklusiv-ODER-Gliedes (12) empfangen und der den Polaritätswender (7) ansteuert.

4. Nullstrommelder nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Ausgangsspannung (U _A) des Spannungsbetragmelders (9) empfangendes Verzögerungsglied (13) vorgesehen ist, das Stromsignale (A) abgibt, deren Anstiegsflanken unverzögert sind und deren Abfallflanken verzögert werden.