DE3738180A1

DE3738180A1 - Verfahren und vorrichtung zur regelung der ausgangsgleichspannung eines selbstgefuehrten netzstromrichters

Info

Publication number: DE3738180A1
Application number: DE19873738180
Authority: DE
Inventors: Guenter Dipl Ing Schwesig
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1987-11-10
Filing date: 1987-11-10
Publication date: 1989-05-18
Anticipated expiration: 2007-11-11
Also published as: DE3738180C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Ausgangs gleichspannung eines selbstgeführten, von einem Versorgungsnetz gespeisten Stromrichters, insbesondere eines Transistor-Strom richters, vorzugsweise zum Einprägen der Zwischenkreis-Gleich spannung eines Zwischenkreisumrichters. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung hierzu.

Bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist der selbstge führte Netzstromrichter eines Spannungszwischenkreis-Umrichters gemäß Fig. 1. Dabei wird die Zwischenkreisspannung u _D aus einer die Stromrichterventile (z. B. Transistoren) Z 1, T 2, . . .T 6 umfas senden Brückenschaltung aus dem Versorgungsnetz mit den Phasen R, S, T gespeist. Mit Mp ist symbolisch ein Null-Leiter gezeigt, der jedoch in der Regel nicht vorhanden ist. Während daher die Strom-Meßglieder IR, IS und IT die Phasenleiter-Ströme i _R, i _S und i _T zu messen gestatten, kann über Meßglieder URS, UST nur jeweils die verkettete Spannung u _RS und u _ST zwischen den Phasen leitern R, S, T erfaßt werden, während die zugehörigen Phasen leiter-Spannungen u _R, . . . nicht direkt erfaßbar sind.

Für den stabilen Betrieb am Netz müssen beim selbstgeführten Netzstromrichter eines derartigen Spannungszwischenkreisumrich ters die aus dem Netz entnommenen Phasenströme i _R, i _S und i _T geregelt werden. Meist soll dem Netz keine oder eine vorgegebene Blindleistung entnommen werden, so daß die Phasenlage der Ströme zu den Netzspannungen fest vorgegeben werden muß. Die Amplitude der Phasenströme dagegen ergibt sich als Funktion der zu über tragenden Wirk- und Blindleistung.

Es ist also erforderlich, die Ansteuersignale für die Strom richterventile auf die Netzspannung zu synchronisieren. Hier zu haben sich sogenannte "Vektorfilter" bewährt, die aus den verketteten Spannungen die Komponenten eines den Phasenleiter- Spannungen zugeordneten Vektors berechnen, mittels eines Vek tordrehers in ein zunächst asynchron rotierendes Koordinanten system transformieren und einem Regler zuführen, der eine transformierte Vektorkomponente auf einen einem vorgegebenen Differenzwinkel entsprechenden Sollwert regelt. Das Ausgangs signal dieses Reglers liefert die Steuerspannung für einen Vektoroszillator, an dessen Ausgang zwei Winkelfunktionen ab gegriffen werden, die die Achsen des rotierenden Koordinaten systems festlegen und auf den Vektordreher rückgeführt werden. Diese Winkelfunktionen beschreiben ein nullkomponentenfreies Drehsystem, das mit der Frequenz des Netzes im ausgeregelten Zustand phasenstarr umläuft (DE-OS 33 47 549 = VPA 83 P 3452).

Ein derartiges Vektorfilter bedingt einen hohen Aufwand an Bau teilen und Kosten. Außerdem tritt bei Netzschwankungen aufgrund der endlichen Dynamik des Winkelregelkreises ein Fehlwinkel zwischen Phasenspannung und dem nullkomponentenfreien Drehsystem auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für den stabilen Be trieb am Netz auf möglichst einfache und kostengünstige Weise die Stromrichterventile derart anzusteuern, daß die Phasenströme synchron (d. h. mit einer Phasenverschiebung Null oder einer anderen vorgegebenen Phasenverschiebung) zu der Spannung des Netzes ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 2. Eine hierzu geeignete Vor richtung besitzt die Merkmale des Anspruchs 4.

Anhand von drei bevorzugten Ausführungsbeispielen, die in drei weiteren Figuren dargestellt sind, wird die Erfindung näher erläutert.

Für die verketteten Spannungen u _RS, u _ST und u _TR des Netzes gilt, daß ihre Nullkomponente (d. h. die Summe der drei Span nungen) den Wert Null besitzt. Auch der selbstgeführte Netzstromrichter der Fig. 1 vermag nur ein nullkomponentenfreies Stromsystem zu übertragen. Reine Wirkstrom-Übertragung liegt dabei dann vor, wenn die Phasenleiter-Ströme i _R, i _S, i _T jeweils streng in Phase zu den Spannungen u _R - u ₀, u _S - u ₀ und u _T - u ₀ liegen, wobei u ₀ die Nullkomponente der Phasenspannung ist. Dieses nullkomponentenfreie System der Phasenleiter Spannungen kann aber aus den verketteten Phasenspannungen durch eine Rechenstufe gemäß den Beziehungen u _R - u ₀ = (u _TR - u _RS )/3 = -(2u _RS + u _ST)/3
u _s - u ₀ = (u _RS - u _ST )/3
u _T - u ₀ = (u _ST - u _TR )/3 = (u _RS + 2u _ST )/3
berechnet werden. Der Erfindung liegt nun der Gedanke zugrunde, eine auf die in den Stromrichter fließenden Phasenströme wir kende Stromregelung mit einem nullsystemfreien System von Stromsollwerten zu verwenden. Die Phasenlage dieses Sollwert- Systems wird unter Berücksichtigung des gewünschten Leistungs faktor-Winkels ϕ direkt durch das nullkomponentenfreie Phasen leiter-Spannungssystem gegeben, deren Betrag durch Regeln der Ausgangsgleichspannung u _D modifiziert wird, um den Betragssoll wert für die Phasenströme zu bilden. Daher kann das Ausgangs signal eines Gleichspannungsreglers mit einer nullkomponen tenfreien Phasenleiter-Spannung multipliziert werden und lie fert den Sollwert für den zugehörigen Phasenleiter-Strom. Es genügt dabei jedoch, von nur zwei der Phasenleiter-Spannungen auszugehen, da der dritte Phasenleiter-Stromsollwert sich wegen der Nullkomponentenfreiheit aus (i _R* + i _S* + i _T* = 0) ergibt. Um die Ansteuersignale der Stromrichterventile auf möglichst einfache Weise zu erhalten, wird für jedes der Ventilpaare T 1/T 2, T 3/T 4 und T 5/T 6 ein eigener Zweipunktregler verwendet, dessen Aus gangssignale direkt auf die Steuereingänge der Ventile aufge schaltet werden können.

Dadurch ergibt sich in einem ersten bevorzugten Ausführungs beispiel die in Fig. 2 gezeigte Anordnung, bei der eine erste Rechenstufe (Koordinatenwandler KW) aus den verketteten Span nungen die beiden Phasenleiter-Spannungen u _R und u _S bildet. Ein Gleichspannungsregler RU ermittelt aus der Soll/Ist-Diffe renz u _D* - u _D der Ausgangsgleichspannung den Betragssollwert i*, aus dem die Multiplizierer MP 1, MP 2 die Phasenstrom-Soll werte i _R* und i _S* bilden. Mittels des Addierers AD und des Inversionsgliedes IN wird auch der dritte Phasenstrom-Sollwert i _T* - i _R* - i _S* gebildet, der zusätzlich zu i _R* und i _S* für eine Zweipunktregelung der Phasenleiter-Ströme verwendet wird. Dazu werden die entsprechenden Soll/Ist-Differenzen der Phasenströme Hysterese-Reglern HR, HS und HT zugeführt, deren Ausgangssignale direkt als Ansteuerimpulse für die Transistoren des Stromrich ters verwendet werden.

Wegen der Linearität der in der ersten Rechenstufe KW und der zweiten Rechenstufe (AD, IN) verwendeten Beziehungen ist es gleichgültig, ob die Multiplikation mit i* mittels zweier Mul tiplizierer am Eingang oder Ausgang der ersten Rechenstufe oder mittels drei Multiplizierern am Ausgang der zweiten Re chenstufe erfolgt. Ist z. B. zur Kompensation einer Blindlei stung eine vorgegebene Phasenverschiebung zwischen den Strom sollwerten und den Phasenleiter-Spannungen um einen Zusatz winkel ϕ* gewünscht, so können die entsprechenden Funktionen cos ϕ* und sin ϕ* einem zwischen den beiden Rechenstufen an geordneten Vektordreher VD zugeführt werden.

Anstelle der drei Hysterese-Stromregler (auch "Toleranzband- Stromregler" genannt) können auch stetige Phasenstromregler verwendet werden, wie in Fig. 3 dargestellt ist.

Während bei der Schaltung nach Fig. 2 als Phasenstromregler Komparatoren mit einer endlichen Hysteresebreite verwendet werden, deren Ausgangssignal direkt die Ansteuerimpulse für die Stromrichterventile liefert, werden nach Fig. 3 Komparatoren HR′, HS′ und HT′ mit einer vernachlässigbaren Hysteresebreite verwendet. Ihnen werden Phasenleiter-Spannungssollwerte u _R*, u _S* und u _T* zugeführt, die mit einer höherfrequenten Referenzspan nung u _ref, die von einem Referenzspannungs-Generator URef, ins besondere einem Dreieck-Spannungsgenerator, geliefert werden. Dadurch werden die Phasenleiter-Spannungssollwerte, die ungefähr eine Sinusform aufweisen, pulsbreitenmoduliert, und die breitenmodulierten Ausgangsimpulse der Komparatoren dienen direkt als Ansteuerimpulse der Stromrichterventile.

Die Sollwerte u _R* und u _S* für die Komparatoren HR′ und HS′ werden aus den beiden Phasenleiter-Spannungsmeßwerten u _R und u _S gebildet, indem den in den Sollwert-Kanälen der Komparato ren angeordneten Multiplizierern MP 1 und MP 2 der Strombetrag- Sollwert i* zur Bildung der Phasenleiter-Stromsollwerte i _R*, i _S* zugeführt wird und diese Sollwerte jeweils einer von den Strom- Istwerten i _R, i _S beaufschlagte Regelvergleichsstelle CPR, CPS mit je einem nachgeschalteten Phasenstrom-Regler RIR und RIS eingespeist wird. Mit AD und IN sind wieder die Additionsstelle und das Inversionsglied der zweiten Rechenstufe bezeichnet, die aus den beiden Sollwerten für die Komparatoren HR′ und HS′ den Sollwert u _T* für den dritten Komparator HT′ liefert.

Häufig liegen die Spannungs-Istwerte u _RS, u _ST und u _D zum Zwec ke einer übergeordneten Regelung und/oder Überwachung der An ordnung in digitaler Form vor. Die erste Rechenstufe (Koordi natenwandler KW), der Ausgangsgleichspannungs-Regler RU und ggf. der Vektordreher VD kann dann ohne weiteres in digitaler Form realisiert werden.

Besonders einfache Lösungen ergeben sich, wenn anstelle von Analog-Multiplizierern (z. B. MP 1 und MP 2 in Fig. 3) multiplizie rende Digital/Analog-Umsetzer verwendet werden können, die ein analoges Signal, insbesondere ein analoges Meßsignal, am einen Eingang mit einem digitalisierten Signal am anderen Eingang zu einem Analogsignal verarbeiten können. So erfordern die multi plizierenden Digital/Analog-Umsetzer DAUR und DAUS in Fig. 4 nur einen Gleichstrom-Regler RU mit digitalisiertem Ausgangssignal. Deren analoge Ausgangssignale stellen somit analoge Strom-Soll werte i _R*, i _S* dar, die entsprechend den Fig. 2 und 3 weiter verarbeitet werden.

Claims

1. Verfahren zur Regelung der Ausgangs-Gleichspannung eines selbstgeführten, von einem Versorgungsnetz gespeisten Strom richters, vorzugsweise eines Transistorgleichrichters, ins besondere zum Einprägen der Zwischenkreis-Gleichspannung eines Zwischenkreisumrichters, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) aus der Soll/Istwert-Differenz der Ausgangsgleichspannung (u _D) wird ein Strom-Betragssollwert (i*) gebildet,
b) die Meßwerte (u _R, u _S) für zwei Phasenleiterspannungen werden erfaßt und durch Umrechnung in drei nullkomponenten freie Phasenleiterspannungen (u _R u _S, u _T ) und Bewertung mit dem Strom-Betragssollwert in drei Phasenstrom-Sollwerte (i _R*, i _S*, i _T* ) umgerechnet, die mit entsprechenden Phasenstrom- Istwerten verglichen werden, und
c) jedes Vergleichsergebnis wird einem Hystereseregler (HR, HS, HT) zugeführt, mit deren Ausgangssignalen die Ventile (T 1/T 2; T 3/T 4; T 5/T 6) angesteuert werden. (Fig. 2).

2. Verfahren zur Regelung der Ausgangsgleichspannung eines selbstgeführten, von einem Versorgungsnetz gespeisten Strom richters, vorzugsweise eines Transistorumrichters, insbeson dere zum Einprägen der Zwischenkreis-Gleichspannung eines Zwischenkreisumrichters, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) aus der Soll/Istwert-Differenz der Ausgangsgleichsspannung (u _D ) wird ein Strom-Betragssollwert (i*) gebildet,
b) es werden Meßwerte für zwei Phasenleiter-Spannungen erfaßt und durch Bewertung mit dem Strom-Betragssollwert in zwei Phasenstrom-Sollwerte (i _R*, i _S* ) umgerechnet, die mit zwei entsprechenden Phasenstrom-Istwerten (i _R, i _S ) verglichen werden,
c) aus den beiden Vergleichsergebnissen werden drei Phasenlei ter-Steuerspannungen (u _R*, u _S*, u _T* ) gebildet, die mittels einer höherfrequenten Referenzspannung (u _ref ) pulsbreiten moduliert werden, um mit den breitenmodulierten Impulsen der Steuerspannungen die Ventile (T 1/T 2; T 3/T 4; T 5/T 6) an zusteuern. (Fig. 3)

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Phasenlage der beiden Pha senleiter-Meßwerte um einen vorgegebenen Winkel verschoben werden.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine erste Rechenstufe (KW), die aus den Meßwerten der verketteten Phasenspannungen zwei Phasenleiter-Spannungsmeßwerte (u _R, u _S ) berechnet,
einen ersten und einen zweiten Komparator (HR, HS), dem aus den Phasenleiter-Spannungsmeßwerten abgeleitete Sollwerte (i _R*, i _S* ) zugeführt sind,
eine zweite Rechenstufe (AD, IN), die aus den zwei Sollwer ten den dritten Sollwert eines nullsystemfreien Dreiphasen- Systems berechnet,
einen vom dritten Sollwert beaufschlagten dritten Komparator (HT), einen vom Istwert (u _D ) der Ausgangsgleichspannung und einem entsprechenden Sollwert (u _D* ) beaufschlagten Gleichspannungs regler (RU), und
in den Sollwertkanälen der Komparatoren angeordnete Multipli zierer (MP 1, MP 2), denen das Ausgangssignal (i*) des Gleichspan nungsreglers gemeinsam aufgeschaltet ist,
wobei die Ansteuerimpulse der Stromrichterventile an den Aus gängen der Komparatoren (HR, HS, HT) abgegriffen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeich net durch einen der ersten Rechenstufe nachge schalteten, von einem vorgegebenen Zusatzwinkel (ϕ*) an gesteuerten Vektordreher (VD).

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß das mittels eines der Multi plizierer gebildete Produkt aus dem Ausgangssignal (i*) des Gleichspannungsreglers und dem ersten Phasenleiter-Spannungs meßwert (u _R ) sowie ein Phasenstrom-Istwert (i _R ) dem ersten Komparator, das Produkt aus dem Ausgangssignal des Gleich spannungsreglers und dem zweiten Phasenleiter-Spannungsmeß wert (u _S ) sowie ein zweiter Phasenstrom-Istwert dem zweiten Komparator und die negative Summe der beiden Produkte sowie ein dritter Phasenstrom-Istwert dem dritten Komparator zuge führt sind und daß den drei Komparatoren eine endliche Hy steresebreite vorgegeben ist. (Fig. 2)

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß zwischen die erste und die zweite Rechenstufe zwei Phasenstromregler (RIR, RIS) ge schaltet sind, denen jeweils das Produkt aus dem Ausgangs signal (u*) des Gleichspannungsreglers (RU) und einem Pha senleiter-Spannungsmeßwert sowie ein Phasenstrom-Istwert zugeführt ist, daß ein Referenzspannungsgenerator (URef) eine höherfrequente Tastspannung (u _ref ) erzeugt, daß das Aus gangssignal des einen Phasenstromreglers (RIR) als erster Sollwert zusammen mit der Tastspannung dem ersten Kompa rator, das Ausgangssignal des anderen Phasenstromreglers als zweiter Sollwert zusammen mit der Tastspannung dem zwei ten Komparator und die negative Summe der beiden Phasenstrom regler-Ausgangssignale als dritter Sollwert zusammen mit der Tastspannung dem dritten Komparator zugeführt sind und daß die drei Komparatoren eine vernachlässigbare Hysteresebreite aufweisen. (Fig. 3)

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Gleichspannungsregler mit digitalem Ausgangs signal und multiplizierende Digital/Analog-Wandler als Multi plizierer.