DE3721631A1 - Verfahren und vorrichtung zur steuerung eines wechsel-umrichters vom stromumlauftyp - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur steuerung eines wechsel-umrichters vom stromumlauftyp

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung eines Wechsel-Umrichters vom Stromumlauftyp gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie auf Wechsel-Umrichtereinrichtungen der genannten Art gemäß den Oberbegriffen der nebengeordneten Patentansprüche 2 und 3.
Mit Hilfe des Wechsel-Umrichters nach der Erfindung ist es möglich, einen elektrischen Strom mit variabler Frequenz zu einem Wechselstrommotor zu liefern, der beispielsweise ein Induktionsmotor oder dergleichen sein kann.
Es ist bereits ein Wechsel-Umrichter zur Verknüpfung von Eingangswechselspannungen bekannt, um eine Ausgangswechselspannung mit einer Frequenz zu erzeugen, die sich von der der Eingangswechselspannung unterscheidet. Da ein derartiger Wechsel-Umrichter vom Stromumlauftyp in der Lage ist, die Leitfähigkeitsperioden von Thyristoren in kontinuierlicher Weise umzuschalten bzw. zu verändern, die zu einer positiven und einer negativen Gruppe zusammengefaßt sind, läßt sich als Ausgangsstrom-Wellenform eine wenigstens annähernd sinusförmige Wellenform einstellen. Hierdurch werden ungewünschte Drehmomentschwankungen, die insbesondere bei niedrigen Drehzahlen des die Last des Wechsel-Umrichters bildenden Motors auftreten, unterdrückt. Der bekannte Wechsel-Umrichter vom Stromumlauftyp weist jedoch den Nachteil auf, daß sein Eigenleistungsfaktor vermindert ist, da der gesamte Umlaufstrom eine nacheilende Blindkomponente bildet.
In der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung JP-B 53552 ist bereits eine Einrichtung zur Kompensation einer derartigen Blindkomponente in der abgegebenen Leitung eines Wechsel-Umrichters vom Stromumlauftyp beschrieben. Das Blindleistungs-Steuersystem nach dieser Veröffentlichung ist so ausgebildet, daß der Umlaufstrom in den einzelnen Phasen des Wechsel-Umrichters unterschiedlich eingestellt wird. Dabei wird der Umlaufstrom in derjenigen Phase reduziert, in der der Laststrom einen großen Absolutwert aufweist, während der Umlaufstrom in derjenigen Phase vermindert wird, in der der Laststrom einen kleineren Absolutwert bestitzt. Auf diese Weise wird die Blindleistung unter Verwendung voreilender Blindkomponenten gesteuert, die durch am Leistungsempfangsende vorhandene Phasenschieberkondensatoren erzeugt werden, ohne daß es erforderlich ist, die Kapazität des Wechsel-Umrichters signifikant zu erhöhen.
Beim bekannten Blindleistungs-Steuersystem wird jedoch der Umlaufstrom im Überlastzustand nicht in besonderer Weise gesteuert. Das bedeutet, daß bei Auftreten des Überlastzustandes ein über einer Gleichstrom(DC)-Drosselspule auftretender Spannungsabfall erhöht wird, so daß sich die Ausgangsspannung des Wechsel-Umrichters in einer solchen Weise verändert, daß der die Last bildende Wechselstrommotor nicht mehr das gewünschte Drehmoment abgibt. Um dieses Problem zu überwinden, kann die Quellenspannung des Wechsel- Umrichters auf einen Spannungspegel angehoben werden, der erforderlich ist, wenn sich die Last im Überlastzustand befindet (dieser Spannungspegel ist gleich der Summe aus dem Spannungsabfall über der Gleichstrom(DC)-Drosselspule und der zur Last gelieferten Spannung). Mit einer derartigen Maßnahme wird jedoch die Blindkomponente erhöht, wenn sich die Last nicht mehr im Überlastzustand, sondern im sogenannten Leichtlast-Zustand befindet. Es wird also auch hier wiederum der Eigenleistungsfaktor (source power factor) herabgesetzt. Um den erhöhten Anteil der Blindkomponente mit Hilfe eines Phasenschieberkondensators am Leistungsempfangsende zu absorbieren, ist es erforderlich, die Kapazität des Phasenschieberkondensators zu erhöhen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Wechsel-Umrichters vom Stromumlauftyp zu schaffen, derart, daß die Quellenspannung des Wechsel-Umrichters auf eine erforderliche Spannung eingestellt werden kann, wenn sich die Last im maximalen Überlastzustand befindet, ohne daß dabei der Eigenleistungsfaktor im sogenannten Leichtlast-Zustand vermindert wird.
Die verfahrensseitige Lösung der gestellten Aufgabe ist dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 zu entnehmen. Dagegen sind vorrichtungsseitige Lösungen der gestellten Aufgabe in den kennzeichnenden Teilen der nebengeordneten Patentansprüche 2 und 3 angegeben.
Entsprechend der Erfindung wird ein Umlaufgleichstrom so lange konstant gehalten, solange nicht die Summe aus einem über der Gleichstrom(DC)-Drosselspule auftretenden Spannungsabfall und einer zur Last gelieferten Spannung (z. B. die Ausgangsspannung des Wechsel-Umrichters) eine Quellenspannung überschreitet. Übersteigt dagegen diese Summenspannung die Quellenspannung, so wird ein zusätzlicher Umlaufstrom zur Reduzierung des Spannungsabfalls über der Gleichstrom(DC)-Drosselspule erzeugt.
Ein Verfahren nach der Erfindung zur Steuerung eines Wechsel-Umrichters vom Stromumlauftyp, der einen positiven Umrichter und einen negativen Umrichter enthält, die über eine Gleichstrom(DC)-Drosselspule antiparallel zueinander geschaltet sind, welche einen Wechselstrom mit vorbestimmter Frequenz zu einer eine Last bildenden Maschine oder zu einem Gerät liefert, zeichnet sich dadurch aus, daß in einem Fall, bei dem die Größe eines Produkts aus einem durch die Last hindurchfließenden Strom und der Kreisfrequenz des Laststroms (z. B. der maximale differentielle Wert des Laststroms) kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, der über den positiven und negativen Umsetzer hindurchfließende Umlaufstrom auf einem Minimalpegel konstantgehalten wird, um auf diese Weise zu verhindern, daß sich der Eigenleistungsfaktor im Leichtlast-Zustand vermindert, während in einem Fall, bei dem die Größe des Produkts aus dem Laststrom und seiner Kreisfrequenz größer als der vorbestimmte Wert ist, ein zusätzlicher Umlaufstrom erzeugt wird, wobei dieser Strom eine Änderung in der Anzahl der Verkettungen des Magnetflusses in der Gleichstrom(DC)-Drosselspule reduziert, um auf diese Weise den Spannungsabfall über der Gleichstrom(DC)-Drosselspule zu vermindern, so daß sichergestellt ist, daß eine von der Last geforderte Spannung geliefert wird.
Zur Verbesserung des Eigenleistungsfaktors wird der Umlaufstrom reduziert. Wird jedoch in diesem Zusammenhang der Umlaufstrom sprunghaft unterbrochen, so treten Verzerrungen in der Wellenform der Ausgangsspannung auf und damit auch im Laststrom, so daß sich Drehmomentschwankungen bei dem die Last bildenden Wechselstrommotor einstellen. Vorteilhafterweise wird daher der Umlaufstrom auf einem minimalen konstanten Pegel gehalten. Andererseits tritt über der Gleichstrom(DC)-Drosselspule ein Spannungsabfall auf, und zwar infolge des Laststroms. Die Größe des Spannungsabfalls hängt proportional von der Größe des Laststroms und seiner Kreisfrequenz ab.
Unter diesen Umständen wird der Umlaufstrom auf einem minimalen und im wesentlichen konstanten Wert aufrechterhalten, solange nicht die Ausgangsspannung die Quellenspannung übersteigt. Andernfalls fließt zusätzlich ein Umlaufstrom in dem Sinne, daß eine Änderung in der Verkettung des Magnetflusses in der Gleichstrom(DC)-Drosselspule unterdrückt wird, um auf diese Weise den Spannungsabfall über der Gleichstrom(DC)-Drosselspule zu reduzieren und sicherzustellen, daß die Last mit einer hinreichenden Spannung versorgt wird. In dieser Weise läßt sich die Quellenspannung des Wechsel-Umrichters auf eine Spannung setzten, die von der Last im Überlastzustand gefordert wird, und zwar ohne Verminderung des Eigenleistungsfaktors im Leichtlast-Zustand.
Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Es zeigt
Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Wechsel-Umrichtereinrichtung vom Stromumlauftyp mit zugeordneter Steuereinrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 2A bis 2C Wellenformen eines Umlaufstroms,
Fig. 3 eine graphische Darstellung der Größe des Laststroms in Abhängigkeit seiner Kreisfrequenz,
Fig. 4 eine graphische Darstellung der Größe eines Umlaufstrombefehls in Abhängigkeit eines Produkts aus der Größe des Laststroms und seiner Kreisfrequenz,
Fig. 5 ein Blockdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Wechsel-Umrichtereinrichtung vom Stromumlauftyp und
Fig. 6 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Beziehung zwischen einem Koeffizienten k und der Größe des Produkts aus Laststrom und seiner Kreisfrequenz.
Die Fig. 1 zeigt eine Wechsel-Umrichtereinrichtung vom Stromumlauftyp mit einem Wechsel-Umrichter und einer Steuereinrichtung.
Der Wechsel-Umrichter vom Stromumlauftyp enthält einen positiven Umrichter 2, z. B. eine positive Gruppe bzw. Reihe von Thyristoren, einen negativen Umrichter 3, z. B. eine negative Gruppe bzw. Reihe von Thyristoren, und eine Gleichstrom(DC)-Drosselspule 4, die einen Mittenabgriff aufweist. Sowohl der positive Umrichter 2 als auch der negative Umrichter 3 sind mit einem Leistungstransformator 1 verbunden. Im Zusammenhang mit Fig. 1 sei erwähnt, daß der positive Umrichter 2 bzw. Konverter und der negative Umrichter 3 bzw. Konverter nur für eine Phase eingezeichnet sind, und daß der mit dem Mittenabgriff der Gleichstrom(DC)-Drosselspule 4 verbundene Wechselstrommotor nur bezüglich einer Phase in Form einer Ersatzschaltung 5 dargestellt ist. Die Ausgangsspannungen v P und v N des positiven Umrichters 2 und des negativen Umrichters 3 lassen sich jeweils durch ein Gatepulssignal verändern, das durch eine Phasensteuerschaltung 6 erzeugt wird. Eine Addierstufe 8 empfängt an einem Eingang einen Laststrombefehl i L * und an einem anderen Eingang ein Laststrom-Detektorsignal i L , wobei das letztere durch einen Laststromdetektor 18 erzeugt und der Addierstufe 8 als Rückkopplungssignal zugeführt wird. Die Differenz zwischen dem Laststrombefehl i L * und dem Laststrom-Detektorsignal i L wird mit Hilfe eines Reglers 7 bzw. Verstärkers verstärkt, um ein Lastspannungs-Befehlssignal v L * zu erhalten, über das eine für die Last 5 erforderliche Spannung einstellbar ist, wobei die Last 5 durch einen Wechselstrommotor gebildet wird. Ferner ist eine Addierstufe 10 vorhanden, die an einem Eingang einen Umlaufstrombefehl i O * und an einem anderen Eingang ein Umlaufstrom-Detektorsignal i O empfängt, wobei letzteres durch eine Umlaufstrom-Detektorschaltung 14 erzeugt wird. Das Umlaufstrom-Detektorsignal i O von der Umlaufstrom-Detektorschaltung 14 wird der Addierstufe als Rückkopplungssignal zugeführt. Die Differenz zwischen diesen beiden Eingangssignalen i O * und i O wird mit Hilfe des Reglers 9 bzw. Verstärkers verstärkt, um auf diese Weise einen Spannungsbefehl v O * am Ausgang des Reglers 9 zu erhalten. Das Umlaufstrom-Detektorsignal i O wird mit Hilfe der Umlaufstrom-Detektorschaltung 14 arithmetisch bestimmt, und zwar auf der Grundlage eines Stromdetektorsignals i P , das durch einen Umrichter-Ausgangsstromdetektor 19 geliefert wird, der mit dem positiven Umrichter 2 verbunden ist, auf der Grundlage eines Stromdetektorsignals i N , das von einem Umrichter-Ausgangsstromdetektor 20 geliefert wird, der mit dem negativen Umrichter 3 verbunden ist, sowie auf der Grundlage des Laststrom-Detektorsignals i L , das durch den Laststromdetektor 18 erzeugt wird. Die Berechnung des Umlaufstrom-Detektorsignals i O erfolgt über die nachstehende Gleichung:
Die Ausgangsspannungsbefehle v P * und v N * für den positiven Umrichter 2 und den negativen Umrichter 3, die der Phasensteuerschaltung 6 zugeführt werden, werden mit Hilfe von Addierstufen 16 und 17 sowie mit Hilfe einer Inverterschaltung 15 gebildet, und zwar durch arithmetische Verarbeitung der Signale v L * und v O * über folgende Gleichungen:
v P * = v L * + v O * (2)
v N * = -v L * + v O * (3)
Werden jeweils die Verhältnisse der Ausgangsspannungenv P und v N des positiven und des negativen Umrichters zu den Befehlsspannungen v P * und v N * durch die Größen K P und K N ausgedrückt, so besteht zwischen letzteren folgender Zusammenhang:
K P = -K N (4)
Unter Verwendung der oben beschriebenen Beziehungen werden folgende Zusammenhänge zwischen den Größen v P , v N und v L *, v O * erhalten:
Die bis jetzt beschriebenen Schaltungselemente und arithmetischen Operationen lassen sich auch im Zusammenhang mit dem herkömmlichen Wechsel-Umrichter vom Stromumlauftyp verwenden.
Detaillierte Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels
Der Spannungsbefehl v O * für den erforderlichen Umlaufstromfluß und der Spannungsbefehl v L * für den erforderlichen Laststromfluß werden in der bereits oben beschriebenen Weise bestimmt.
Es sei nun angenommen, daß die Ausgangsspannungen des positiven Umrichters 2 und des negativen Umrichters 3 durch die Größen v P und v N repräsentiert werden, wobei die entsprechenden Ausgangsströme durch die Größen i P und i N dargestellt werden. Eine Klemmenspannung (sie stimmt mit der Phasenspannung überein) des die Last 5 bildenden Wechselstrommotors wird durch die Größe v L ausgedrückt. Der Innenwiderstand des Wechselstrommotors wird durch die Größe R L bezeichnet, wobei sein induktiver Blindwiderstand L L ist. Ferner werden das Spannungsäquivalent zur elektromotorischen Gegenkraft des Motors e M , der Laststrom des Motors mit i L , der Widerstand der Gleichstrom(DC)-Drosselspule mit r, ihre Selbstinduktivität mit L, ihre Gegeninduktivität mit M und ein Differentialoperator d/dt mit p bezeichnet. Die Polaritäten der Spannungen und Ströme sind in Übereinstimmung mit den in Fig. 1 gezeigten Pfeilrichtungen gewählt. Unter diesen Bedingungen lassen sich die Spannungen v P , v N und v L durch folgende Gleichungen ausdrücken:
v P = (r + pL) · i P + pM · i N + v L (7)
v N = -pM · i P - (r + pL) · i N + v L (8)
v L = (R L + pL L ) · i L + e M (9)
Unter Berücksichtigung der Polaritäten des Laststroms i L und der Umrichter-Ausgangsströme i P und i N ergibt sich folgendes:
Für den Fall i L O:
i P = i L + i O , und i N = i O (10)
Für den Fall i L < O:
i P = i O , und i N = -i L + i O (11)
Anhand der Gleichungen (10) und (11) werden folgende Ausdrücke erhalten:
i P - i N = i L (12a)
i P + i N = |i L | + 2 · i O (12b)
Unter Berücksichtigung der Gleichungen (7), (8) und (12) lassen sich die Gleichungen (5) und (6) wie folgt umschreiben:
Wie anhand der Gleichung (13) zu erkennen ist, wird der Laststrom i L durch den Lastspannungsbefehl v L * gesteuert. Nimmt in diesem Zusammenhang die Selbstinduktivität L den gleichen Wert wie die Gegeninduktivität M der Gleichstrom(DC)-Drosselspule 4 an, ist also L = M, so gilt wenigstens näherungsweise K P · v L * ≈ v L , da « gegenüber v L ist. Auf der anderen Seite wird der Spannungsbefehl v O *, der zum Fließen des Umlaufstroms i O erforderlich ist, durch den Differentialwert des Absolutwerts des Laststroms i L und durch den Differentialwert des Umlaufstroms i O bestimmt.
In diesem Zusammenhang lehrt die Erfindung, einen Umlaufstrom I OC mit flachem Verlauf entsprechend Fig. 2A umlaufen zu lassen, wenn das Produkt aus der Größe des Laststroms und seiner Kreisfrequenz nicht größer als ein vorbestimmter Wert ist. Auf der anderen Seite fließen Umlaufströme i O in Abhängigkeit der Größe des oben beschriebenen Produkts gemäß den Fig. 2B und 2C, wenn das genannte Produkt den vorbestimmten Wert überschreitet. Der Umlaufstrombefehl i O *, der durch die Umlaufstrom-Befehlsschaltung 21 A des nach Fig. 1 beschriebenen Ausführungsbeispiels erzeugt wird, erfüllt somit die folgende Bedingung:
Hierbei sind I LP * ein Spitzenwert des Laststrombefehls, I OC * ein flacher Umlaufstrom-Befehlswert und k ein Koeffizient oder Faktor, der dem Produkt aus Laststrom und Kreisfrequenz des Laststroms entspricht. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß die Umlaufstrom-Befehlsschaltung 21 A eine Multiplizierstufe 25 zur Bestimmung des Produkts aus der Größe I LP * und der Kreisfrequenz ω sowie einen Funktionsgenerator (13) zur Erzeugung des Koeffizienten k in Übereinstimmung mit der Größe des Produkts enthält. Das Koeffizientensignal k wird einem Eingang einer Multiplizierstufe 30 zugeführt. Die Laststrombefehlsspitze I LP * wird zum Ausgangssignal einer Absolutwertschaltung 24 hinzuaddiert, und zwar mit Hilfe einer Addierstufe 12. Die sich ergebende Summe wird von der Addierstufe 12 dem anderen Eingang der Multiplizierstufe 30 zugeführt. Auf diese Weise wird die arithmetische Berechnung in Übereinstimmung mit dem ersten Term auf der rechten Seite der Gleichung (15) ausgeführt. Das Ausgangssignal der Multiplizierstufe 30 wird zu einer Addierstufe 11 übertragen.
Die Spannung v S , die für die Last 5 im Überlastzustand erforderlich ist, wird durch folgende Gleichung ausgedrückt:
Hierbei ist I Lmax der Stromwert bei der maximalen Kreisfrequenz.
Im Falle eines flach verlaufenden Umlaufstroms gemäß Fig. 2A wird ein Spannungsabfall über der Gleichstrom(DC)-Drosselspule 4 aufgrund des Laststroms erzeugt. In diesem Fall wird also eine Ausgangsspannung v P 1 des Wechsel-Umrichters erhalten, die sich durch folgende Gleichung bestimmt:
In der Fig. 3 sind der Bereich des Laststroms und der Bereich der Kreisfrequenz des Laststroms dargestellt, und zwar bezogen auf die drei verschiedenen Umlaufströme gemäß den Fig. 2A, 2B und 2C. Genauer gesagt kann der flache Umlaufstrom nach Fig. 2A nur in einem Bereich fließen, der in Fig. 3 durch folgende Wege eingegrenzt ist:
"O → I Lmax → C → B → ω max ".
Die Umlaufstrom-Betriebsart nach Fig. 2C entspricht dabei dem in Fig. 3 gezeigten Punkt A, während die Umlaufstrom-Betriebsart nach Fig. 2B in einem Bereich durchführbar ist, der durch folgende Wege bzw. Kurvenstücke eingeschlossen ist: "A → C → B". Für den Fall, daß die Widerstände der Gleichstrom(DC)-Drosselspule und der Last sehr klein gegenüber der Größe der Reaktanz bzw. der Größe des Blindwiderstands sind, läßt sich die durch die Grenzkurve C-B dargestellte Beziehung zwischen den Betriebsarten nach den Fig. 2A und 2B anhand der Gleichungen (16) und (17) wie folgt bestimmen:
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird angenommen, daß die Größe des Koeffizienten k des Umlaufstrombefehls i O * gemäß Gleichung (15) schwankt, und zwar in Abhängigkeit eines Produktes aus der Größe des Laststroms I L und seiner Kreisfrequenz ω (z. B. der maximale Differentialwert des Laststroms), und zwar wie folgt:
Ist ω · I L (ω · I L ) c ,
so gilt: k = 0 (19)
Ist ω · I L ω max · I Lmax ,
so gilt: k = 1 (20)
Ist ω max · I Lmax < ω · I L < (ω · I L ) c ,
wobei (ω · I L ) c = {L L /(L L + L) } · ω max · I Lmax ist.
Detaillierte Beschreibung des zweiten Ausführungsbeispiels
Es sei darauf hingewiesen, daß es im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel erforderlich ist, einen glatten Wechsel zwischen den drei oben genannten Betriebsarten durchzuführen, also zwischen der Betriebsart mit flachem Umlaufstrom gemäß Fig. 2A, der Betriebsart mit einem Umlaufstrom gemäß Fig. 2B und der Betriebsart mit einem Umlaufstrom gemäß Fig. 2C. Ferner sei bemerkt, daß die Umlaufströme nach den Fig. 2B und 2C jeweils eine Wechselstromkomponente enthalten. Wie diese Figuren zeigen, ist die Frequenz der konvexen Wellenform doppelt so groß wie die des Laststroms i L , was bedeutet, daß der Umlaufstrom mit konvexer Wellenform innerhalb des bis jetzt beschriebenen Umlaufstrom-Steuersystems (ACR-System) aufgrund der Antwortverzögerung dieses Systems nur schwer fließen kann. Weist beispielsweise der Laststrom eine hohe Frequenz auf, so kann der Steuersystemausgang aufgrund der Antwortverzögerung eine umgekehrte Polarität annehmen. Im schlechtesten Fall würde selbst der Spitzenwert des Umlaufstroms so verstärkt werden, daß ein Überstrompegel detektiert wird.
Beim zweiten Ausführungsbeispiel nach der Erfindung wird das oben beschriebene Problem überwunden, wobei die Umrichterspannung zum Treiben des Umlaufstroms getrennt nach Gleichstrom- und Wechselstromkomponenten behandelt wird. Die Gleichspannungskomponente wird von einem Ausgang einer Stromsteuerschaltung geliefert, während die Wechselspannungskomponente von einer Schaltung 22 zur Kompensation des Spannungsabfalls über der Gleichspannungs(DC)-Drosselspule geliefert wird.
Ein Blockschaltbild des zweiten Ausführungsbeispiels ist in Fig. 5 dargestellt. Dabei sind gleiche Teile wie in Fig. 1 mit gleichen Bezugszeichen versehen. Ein Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel besteht darin, daß die Umlaufstrom-Befehlsschaltung 21 B eine Schaltung 26 zur proportionalen Veränderung des Verstärkungsgrads bzw. zur Multiplikation des Befehls I LP * für den Laststromspitzenwert mit einem vorbestimmten Verstärkungsgrad enthält und darüber hinaus eine Addierstufe 11 aufweist, mit deren Hilfe das Ausgangssignal der Schaltung 26 zum Befehl I OC * für einen flachen Umlaufstrom hinzuaddiert wird. Die Addierstufe 11 ist so ausgebildet, daß sie ein konstantes Gleichstromsignal ausgibt. Die Addierstufe 10 empfängt an einem Eingang das Ausgangssignal einer Rückkopplungssignalschaltung 31 zur arithmetischen Bestimmung der Gleichstromkomponente des Umlaufstroms. Der andere Eingang der Addierstufe 10 ist mit dem Ausgang der Addierstufe 11 verbunden.
Hinsichtlich des Wechselspannungskomponentenbefehls für den Umlaufstrom wird das Ausgangssignal der Spannungsabfall- Kompensationsschaltung 22 zur Kompensation des Spannungsabfalls über der Gleichstrom(DC)-Drosselspule 4 einer Verstärkungsgrad-Korrekturschaltung 35 zugeführt, um arithmetisch verarbeitet zu werden. Das Ausgangssignal der Verstärkungsgrad-Korrekturschaltung 35 wird zu einer Addierstufe 32 geliefert. Dort wird es zum Ausgangssignal des Reglers 9 hinzuaddiert.
Die arithmetische Rückkopplungs-Signalschaltung 31 enthält eine Absolutwertschaltung 28 zur Bildung eines Absolutwertsignals anhand des Detektorausgangssignals des Laststromdetektors 18, eine Schaltung 27 zur proportionalen Veränderung des Verstärkungsgrads bzw. zur Multiplikation des Ausgangssignals der Absolutwertschaltung 28 mit einem vorbestimmten Verstärkungsgrad sowie eine Addierstufe 29 zur Addition des Ausgangssignals der Schaltung 27 mit dem Detektorsignal des Umlaufstromdetektors 14.
In der Spannungsabfall-Kompensationsschaltung 22 zur Kompensation des Spannungsabfalls über der Gleichstrom(DC)- Drosselspule wird der Laststrombefehl i L * einer Schaltung 36 zur proportionalen Veränderung des Verstärkungsgrads zugeführt, einer Differenzierstufe 37 sowie einer Polaritätsdetektorschaltung 39. Das Ausgangssignal der Differenzierstufe 37 wird einer Schaltung 38 zur proportionalen Veränderung des Verstärkungsgrads zugeführt, um damit auf arithmetischem Wege einen Reaktanzspannungsabfall über der Gleichstrom(DC)-Drosselspule 4 aufgrund des Laststroms zu bestimmen. Das Ausgangssignal der Schaltung 38 zur proportionalen Veränderung des Verstärkungsgrads wird einer Addierstufe 40 zugeführt, in der es zum Ausgangssignal der Schaltung 36 hinzuaddiert wird. Auf diese Weise wird auf arithmetischem Wege ein Widerstandsspannungsabfall über der Gleichstrom(DC)-Drosselspule bestimmt. Das Ausgangssignal der Addierstufe 40 wird dann mit dem Ausgangssignal der Polaritätsdetektorschaltung 39 in einer Multiplizierstufe 41 multipliziert.
Als nächstes wird das dem zweiten Ausführungsbeispiel zugrundeliegende Prinzip näher erläutert. Hierzu wird angenommen, daß ein Umlaufstrom in Übereinstimmung mit der Gleichung (15) erzeugt wird und daß sich der Spannungsbefehl v O * zum Treiben des Umlaufstroms unter Verwendung der Gleichungen (14) und (15) wie folgt bestimmt:
Der erste Term der Gleichung (22) repräsentiert den Differentialwert des Laststrombefehls i L * (Wechselstrom), multipliziert mit dem Koeffizienten (1-k), und stimmt mit dem Spannungsbefehl für die Wechselstrom(AC)-Komponente überein. Der zweite Term repräsentiert die Signalgröße proportional zu derjenigen des Laststromsignals und definiert den Wert des Gleichspannungsabfalls, also den Wert des Spannungsbefehls für die Gleichstrom(DC)-Komponente.
Entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel wird der durch den ersten Term der Gleichung (22) gebildete Spannungsbefehl für die Wechselspannungskomponente durch Multiplikation des Ausgangssignals der Spannungsabfall-Kompensationsschaltung 22 mit dem Koeffizienten (1 äk) erhalten, und zwar durch die Korrekturschaltung 35. Der durch den zweiten Term der Gleichung (22) beschriebene Spannungsbefehl für die Gleichstrom(DC)-Komponente wird in Form eines Ausgangssignals vom Umlaufstromregler 9 geliefert. Unter diesen Bedingungen werden der von der Umlaufstrom-Befehlsschaltung 21 erzeugte Strombefehlswert und sein Rückkopplungsanteil arithmetisch durch die Rückkopplungsschaltung 31 wie folgt bestimmt:
Entsprechend dem oben beschriebenen Verfahren wird das Eingangssignal zur Umlaufstrom-Steuerschaltung durch die Gleichstromkomponente gebildet und ist daher unabhängig von der Kreisfrequenz des Laststroms. Dies trifft für alle Betriebsarten gemäß den Fig. 2A, 2B oder 2C zu. Das bedeutet, daß die Frequenz des Laststroms unabhängig von der im Umlaufstrom-Steuersystem (ACR-System) vorhandenen Antwortverzögerung eingestellt werden kann, so daß das oben erwähnte Problem nicht mehr auftritt. Durch Bestimmung des Koeffizienten k in Übereinstimmung mit dem Produkt der Größe aus dem Laststrom und seiner Kreisfrequenz entsprechend Fig. 6 können darüber hinaus der Befehl für die Umlaufstrom-Steuerschaltung, der Rückkopplungsanteil und der Verstärkungsgrad für die Spannungsabfall-Kompensationsschaltung 22 gleichzeitig verändert werden, so daß ein glatter Wechsel zwischen den einzelnen Steuerbetriebsarten durchgeführt werden kann.
Bei den oben beschriebenen beiden Ausführungsbeispielen der Wechsel-Umrichtereinrichtung nach der Erfindung wurden die entsprechenden Steuersysteme in Form analoger Schaltungen ausgeführt, worauf die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist. Vielmehr kann auch ein digital arbeitendes Steuersystem zum Einsatz kommen, beispielsweise ein Mikroprozessor. Es wurde ferner erwähnt, daß der Koeffizient k in Abhängigkeit der Größe des Produkts aus dem Laststrom und seiner Kreisfrequenz verändert werden kann. Es ist aber auch möglich, den Koeffizienten k nur in Abhängigkeit der Größe des Laststroms zu verändern, wenn eine Änderung in der Kreisfrequenz vernachlässigbar ist.
Nach der Erfindung ist es möglich, im Überlastzustand ein Ansteigen des Spannungsabfalls über der Gleichstrom(DC)-Drosselspule zu verhindern, ohne daß der Eigenleistungsfaktor (source power factor) im lastärmeren bzw. Leichtlast-Zustand vermindert wird, so daß die Quellenspannung auf diejenige Spannung abgesenkt werden kann, die für die Last im Überlastzustand erforderlich ist.

Claims (7)

1. Verfahren zur Steuerung eines Wechsel-Umrichters vom Stromumlauftyp, der einen positiven Umrichter (2) und einen negativen Umrichter (3) enthält, die über eine Gleichstrom(DC)-Drosselspule (4) antiparallel zueinander geschaltet sind, welche einen Wechselstrom mit vorbestimmter Frequenz zu einer Last (5) liefert, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch den positiven Umrichter (2) und den negativen Umrichter (3) hindurchfließender Umlaufstrom (i O ) auf einem erforderlichen Minimalpegel gehalten wird, wenn ein durch die Last (5) fließender Laststrom (i L ) kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, und ein zusätzlicher Umlaufstrom zur Aufhebung eines über der Gleichstrom(DC)-Drosselspule (4) auftretenden Spannungsabfalls erzeugt wird, wenn der Laststrom (i L ) den vorbestimmten Wert überschreitet.
2. Wechsel-Umrichtereinrichtung vom Stromumlauftyp, mit
  • - einer Umrichterschaltung, die einen positiven Umrichter (2) und einen negativen Umrichter (3) enthält, welche über eine Gleichstrom(DC)-Drosselspule (4) antiparallel zueinander geschaltet sind, und
  • - einer Last (5), die von der Umrichterschaltung mit einem elektrischen Strom versorgt wird,
gekennzeichnet durch
  • - eine Lastspannungs-Befehlseinrichtung (8, 7, 18) zur Erzeugung eines Lastspannungs-Befehlssignals (v L *), mit dessen Hilfe eine Spannung (v L ) an die Last (5) anlegbar ist,
  • - eine Umlaufstrom-Befehlseinrichtung (21 A) zur Erzeugung eines Umlaufstrom-Befehlssignals (i O *), mit dessen Hilfe die Größe eines Umlaufstroms (i O ) einstellbar ist, der durch den positiven Umrichter (2) und den negativen Umrichter (3) hindurchfließt,
  • - eine Umlaufspannungs-Bestimmungseinrichtung (10) zur arithmetischen Bestimmung einer für den Umlaufstromfluß erforderlichen Spannung anhand des Umlaufstrom-Befehlssignals (i O *), und
  • - eine Phasensteuereinrichtung (6, 16, 17) zur Phasensteuerung durch Zündung des positiven und des negativen Umrichters (2, 3) auf der Grundlage der Summe der von der Umlaufspannungs-Bestimmungseinrichtung (10) und der Lastspannungs-Befehlseinrichtung (8, 7, 18) gelieferten Signale (v O *, V L *), wobei die Umlaufstrom-Befehlseinrichtung (21 A) die Größe des Umlaufstrom-Befehlssignals (i O *) so einstellt, daß eine Änderung des durch die Gleichstrom(DC)-Drosselspule (4) hindurchfließenden Stroms verringert wird, wenn ein aus der Größe des Laststroms (i L ) und seiner Kreisfrequenz (ω) gebildetes Produkt (ω i L ) eine vorbestimmte Größe übersteigt.
3. Wechsel-Umrichtereinrichtung vom Stromumlauftyp, mit
- einer Umrichterschaltung, die einen positiven Umrichter (2) und einen negativen Umrichter (3) enthält, die über eine Gleichstrom(DC)-Drosselspule (4) antiparallel zueinander geschaltet sind, und
- einer Last (5), die von der Umrichterschaltung mit einem elektrischen Strom versorgt wird,
gekennzeichnet durch
  • - eine Lastspannungs-Befehlseinrichtung (8, 7, 18) zur Erzeugung eines Lastspannungs-Befehlssignals (v L *), mit dessen Hilfe eine Spannung (v L ) an die Last (5) anlegbar ist,
  • - eine Umlaufstrom-Befehlseinrichtung (21 B) zur Erzeugung eines Umlaufstrom-Befehlssignals (i O *), mit dessen Hilfe die Größe eines Umlaufstroms (i O ) einstellbar ist, der durch den positiven Umrichter (2) und den negativen Umrichter (3) hindurchfließt,
  • - eine Umlaufspannungs-Bestimmungseinrichtung (21 B) zur arithmetischen Bestimmung einer für den Umlaufstromfluß erforderlichen Spannung anhand des Umlaufstrom-Befehlssignals (i O *),
  • - eine arithmetische Einrichtung (31) zur arithmetischen Bestimmung der Größe eines Spannungsabfalls über der Gleichstrom(DC)-Drosselspule (4) infolge des Laststromflusses (i L ),
  • - eine Umlaufspannungs-Befehlseinrichtung (22, 32) zur Addition des Ausgangssignals der Spannungsabfall-Bestimmungseinrichtung (31) mit dem Ausgangssignal der Umlaufspannungs-Bestimmungseinrichtung (21 B), und
  • - eine Phasensteuereinrichtung (6, 16, 17) zur Phasensteuerung durch Zündung des positiven und des negativen Umrichters (2, 3) auf der Grundlage der Summe der von der Umlaufspannungs-Bestimmungseinrichtung (21 B) und der Lastspannungs-Befehlseinrichtung (8, 7, 18) gelieferten Signale (v O *, v L *), wobei die Umlaufspannungs-Befehlseinrichtung (22, 32) in einem Fall, in dem das Produkt aus der Größe des Laststroms (i L ) und seiner Kreisfrequenz (ω) eine vorbestimmte Größe übersteigt, zum Ausgangssignal der Umlaufspannungs-Bestimmungseinrichtung (21 B) einen Betrag hinzuaddiert, der dem Produkt aus dem Signal der Spannungsabfall-Bestimmungseinrichtung (31) und einem Verstärkungsfaktor entspricht, welcher mit ansteigendem Produkt vermindert wird.
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