DE3935868C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines antiparallel direkt zu einem ungesteuerten, mindestens 12pulsigen Gleichrichter angeordneten gesteuerten Rückarbeitsstromrichters zur Kopplung eines Drehspannungsnetzes mit einem Gleichspannungszwischenkreis.

Eine derartige höherpulsige Gleichrichterschaltung mit antiparallel angeordnetem Rückarbeitsstromrichter dient zur Kopplung eines Drehspannungsnetzes mit einem Gleichspannungszwischenkreis, wobei ein Energiefluß in beiden Richtungen ermöglicht wird. Die höherpulsige Gleichrichterschaltung besteht dabei aus magnetischen Koppelelementen (netzseitige Saugdrossel, Stromteilerdrossel) und ungesteuerten Brückengleichrichtern und gestattet je nach Ausführungsform einen 12pulsigen, 18pulsigen oder 24pulsigen Gleichrichterbetrieb (siehe DE 38 26 524 A1, insbesondere Fig. 8, 9 mit zugehöriger Beschreibung).

Aus der DE 34 26 324 A1 ist ein Umrichter mit Gleichspannungszwischenkreis zur Speisung einer Drehfeldmaschine bekannt, bei dem der Gleichspannungszwischenkreis über einen ungesteuerten Gleichrichter an das Netz angeschlossen ist.

Dem Gleichrichter ist zur Energierückspeisung ein Wechselrichter parallel geschaltet, der über einen Spartransformator mit dem Netz verbunden ist. Zur Verringerung des Aufwands für den Wechselrichter und zur Verbesserung des Wirkungsgrades ist mit einem Schalter die Verbindungsleitung zwischen Gleichrichter und Gleichspannungszwischenkreis während der Energierückspeisung bei generatorischem Betrieb der Drehfeldmaschine zu unterbrechen.

Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines antiparallel direkt zu einem ungesteuerten, mindestens 12pulsigen Gleichrichter angeordneten gesteuerten Rückarbeitsstromrichters anzugeben, das in allen Betriebsbereichen einen optimalen Energiefluß in beiden Richtungen gewährleistet.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines antiparallel direkt zu einem ungesteuerten, mindestens 12pulsigen Gleichrichter angeordneten gesteuerten Rückarbeitsstromrichters zur Kopplung eines Drehspannungs­ netzes mit einem Gleichspannungszwischenkreis, wobei die Pulszahl des ungesteuerten Gleichrichters höher ist als die des gesteuerten Stromrichters, mit folgenden Merkmalen:

• - im Wechselrichterbetrieb werden die Zündimpulse für die Thyristoren des Rückarbeitsstromrichters stets freigegeben,
• - im Gleichrichterbetrieb werden die Zündimpulse gesperrt, wenn der Zwischenkreisgleichstrom größer als 5% bis 15% des Nennzwischenkreisgleichstromes ist und
• - im Gleichrichterbetrieb werden die Zündimpulse freigegeben, wenn der Zwischenkreisgleichstrom kleiner als 5% bis 15% des Nennzwischenkreisgleichstromes ist, und wenn gleichzeitig die Zwischenkreisgleichspannung einen vorgebbaren Gleichspannungswert nicht überschreitet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der nach dem vorgeschlagenen Verfahren betriebene, aufwandsarme Rückarbeitsstromrichter die 12pulsigen, 18pulsigen oder 24pulsigen Gleichrichterschaltungen optimal und kostengünstig zu einer Leistungseinspeisung für beide Energieflußrichtungen ergänzt. Dabei ist keine Veränderung der höherpulsigen Gleichrichterschaltungen erforderlich.

Vorteilhaft kann als Rückarbeitsstromrichter ein handelsüblicher, sehr kostengünstiger, netzgeführter, 6pulsiger, vollgesteuerter Stromrichter in Brückenschaltung eingesetzt werden. Die Thyristoren des Rückarbeitsstromrichters können als Netzthyristoren ausgeführt und mit Kurz- oder Langimpulsen angesteuert werden.

Es ist kein zusätzlicher Transformator zur Potential­ trennung oder Spannungsanpassung für den Rückarbeits­ stromrichter erforderlich. Desweiteren sind vorteilhaft keine zusätzlichen gleichspannungsseitigen oder wechsel­ spannungsseitigen Induktivitäten für den Rückarbeits­ stromrichter erforderlich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Leistungseinspei­ sung,

Fig. 2 eine Regelungsstruktur,

Fig. 3, 4 die zeitlichen Verläufe interessierender Grö­ ßen im Wechselrichterbetrieb,

Fig. 5, 6 die zeitlichen Verläufe interessierender Grö­ ßen im Gleichrichterbetrieb.

In Fig. 1 ist ein Prinzipschaltbild einer Leistungsein­ speisung dargestellt. An ein Drehspannungsnetz 1 mit den Phasenleitern L1, L2, L3 und dem Nulleiter N ist über Sicherungen 2, 3, 4 und Netzdrosseln 5, 6, 7 eine höher­ pulsige Gleichrichterschaltung 8 angeschlossen. Die hö­ herpulsige Gleichrichterschaltung 8 besteht aus einem Stromrichter (ungesteuerte Brückengleichrichter) mit vorgeschalteter dreiphasiger netzseitiger Saugdrossel­ schaltung (= magnetisches Koppelelement) gemäß deutscher Patentanmeldung P 38 26 524.9. Die Saugdrosselschaltung enthält dabei drei jeweils aus mehreren Wicklungen be­ stehende, jeweils einen gemeinsamen Kern aufweisende Wicklungsgruppen. Zusätzlich kann eine dreiphasige Stromteilerdrossel als weiteres magnetisches Koppelele­ ment zwischen Drehstromnetz und Saugdrosselschaltung vorgesehen sein (siehe DE 38 26 524 A1). Die Stromteiler­ drossel enthält drei jeweils aus zwei Wicklungen beste­ hende, jeweils einen gemeinsamen, magnetisierbaren Kern aufweisende Wicklungsgruppen. Das Drehstromnetz ist bei dieser Ausführungsform mit je einer Phase an einen An­ schluß einer solchen Wicklungsgruppe angeschlossen. Mit­ tels dieser höherpulsigen Gleichrichterschaltung 8 läßt sich je nach Ausführungsform ein 12-Puls-, 18-Puls- oder 24-Puls-Gleichrichterbetrieb realisieren, wodurch der Oberschwingungsanteil des Netzstromes stark vermindert ist.

Die zwischen L1 und N liegende Netzsternspannung ist mit uL1N und die zwischen L1 und L2 liegende Netzwechsel­ spannung ist mit uL1L2 bezeichnet. Die in die Gleich­ richterschaltung 8 fließenden Phasenströme lauten iaD, ibD, icD (Phasen a, b, c). An die Gleichrichterschaltung 8 ist ein Gleichspannungszwischenkreis 9 mit Zwischen­ kreiskondensator C angeschlossen. Der Ausgangsgleich­ strom der Gleichrichterschaltung 8 lautet idD. Die posi­ tive bzw. negative Gleichspannungsklemme des Gleichspan­ nungszwischenkreises ist mit D+ bzw. D- bezeichnet.

An den Gleichspannungszwischenkreis 9 ist eine Last 17 angeschlossen, z.B. eine wechselrichtergespeiste An­ triebsmaschine mit Drehmomentregelung. Die Eingangsspan­ nung der Last 17 beträgt 2Ed (= Zwischenkreisgleichspan­ nung) und der Eingangsgleichstrom beträgt idL (= Zwi­ schenkreisgleichstrom). Die Last 17 kann dem Zwischen­ kreis 9 Leistung entnehmen oder zuführen.

Antiparallel zur Gleichrichterschaltung 8 ist ein 6pul­ siger, vollgesteuerter, netzgeführter Rückarbeitsstrom­ richter 10 in Dreiphasen-Brückenschaltung angeordnet.

Die Drehstromeinspeisung erfolgt über Verzweigungsstel­ len in den Verbindungsleitungen zwischen Netzdrosseln 5, 6, 7 und Gleichrichterschaltung 8. Die in den Rückar­ beitsstromrichter 10 fließenden Phasenströme lauten iaT, ibT, icT. Der über die Netzdrossel 5 fließende Netzstrom ia der Phase a setzt sich aus der Summe iaD + iaT zusam­ men. Die über die Netzdrosseln 6 bzw. 7 fließenden Netz­ ströme lauten ib = ibD + ibT bzw. ic = icD + icT.

Zur Ansteuerung der Thyristoren T1, T2, T3, T4, T5, T6 des Rückarbeitsstromrichters 10 ist eine Steuer- und Regelschaltung 11 vorgesehen. Die Steuer- und Regel­ schaltung 11 empfängt eingangsseitig den Zwischenkreis­ gleichspannungs-Istwert 2Edist, das gemessene und/oder aus Soll- und Istwertgrößen der Lastregelung berechnete Vorsteuersignal idV proportional zum Lastgleichstrom, die Ist-Potentiale der drei Phasenleiter L1, L2, L3, das Signal Wechselrichter-Grenzlage WRG und das Signal IS ("Impulssperre" oder "Impulssperre aufgehoben"). Das von außen zugeführte Signal Wechselrichter-Grenzlage WRG und das Signal IS müssen von einer übergeordneten Steuerung beim Ein- und Ausschalten sowie bei Störungen erzeugt werden. Ausgangsseitig gibt die Steuer- und Re­ gelschaltung 11 Gateströme (entsprechend Zündimpulsen Z) für die Steuerelektroden der Thyristoren T1 . . . T6 ab. Als Beispiel ist der Gatestrom iG1 zum Thyristor T1 gezeigt.

Der Rückarbeitsstromrichter 10 ist mit einer Schutzbe­ schaltung (TSE-Beschaltung) 12 versehen. Während die negative Gleichspannungsklemme T- des Rückarbeitsstrom­ richters 10 über einem niederohmigen Widerstand 13 und eine Sicherung 15 mit der positiven Gleichspannungsklem­ me D+ des Zwischenkreises verbunden ist, liegt die posi­ tive Gleichspannungsklemme T+ des Rückarbeitsstromrich­ ters 10 über einem niederohmigen Widerstand 14 und eine Sicherung 16 an der negativen Gleichspannungsklemme D- des Gleichspannungszwischenkreises 9. Die Widerstände 13 und 14 dienen dem Schutz der Thyristoren beim Kippen des Rückarbeitsstromrichters 10, indem sie den Spitzenwert des Kurzschlußstromes begrenzen. Der über die Sicherung 15 fließende Ausgangsgleichstrom des Rückarbeitsstrom­ richters 10 beträgt idT. Der Summengleichstrom aus idD + idT ist mit id bezeichnet.

Der Rückarbeitsstromrichter 10 ersetzt vorteilhaft einen sonst erforderlichen Widerstands-Steller.

Der Rückarbeitsstromrichter 10 kann außerdem einen Kurz­ schlußthyristor zum Überspannungsschutz ersetzen, wenn bei Überspannung im Gleichspannungszwischenkreis 9 alle Thyristoren T1 . . . T6 gleichzeitig gezündet und die Bau­ elemente 13 bis 16 entsprechend ausgelegt werden.

Im Gleichrichterbetrieb der Leistungseinspeisung werden die Zündimpulse für die Thyristoren T1 . . . T6 des Rückar­ beitsstromrichters 10 gesperrt, wenn der Zwischenkreis­ gleichstrom idL (= Mittelwert) größer als 5% bis 15% des Nennzwischenkreisgleichstromes idLN (= Mittelwert) ist. Die Zündimpulse für die Thyristoren des Rückarbeits­ stromrichters 10 werden im Wechselrichterbetrieb stets freigegeben. Die Zündimpulse für T1 . . . T6 werden im Gleichrichterbetrieb freigegeben, wenn der Zwischen­ kreisgleichstrom idL kleiner als 5% bis 15% des Nennzwi­ schenkreisgleichstromes idLN ist. Die Zündimpulsfreigabe erfolgt, wenn der Grenzwert des Zwischenkreisgleichstro­ mes (= 5% bis 15% von idLN) im Gleichrichterbetrieb un­ terschritten ist und gleichzeitig die Zwischenkreis­ gleichspannung 2Edist einen bestimmten vorgegebenen Gleichspannungswert nicht überschritten hat.

Sobald die Zündimpulse des Rückarbeitsstromrichters 10 freigegeben sind, wird dieser geregelt betrieben, wobei das Verhältnis aus der Zwischenkreisgleichspannung 2Edist zur Netzwechselspannung die Regelgröße ist. Die Steuerwinkel α des Rückarbeitsstromrichters 10 liegen im Bereich von etwa 145° α 175°.

Zur Verbesserung des Verhaltens bei schnellen Lastände­ rungen kann in vielen Anwendungen aus den Soll- und/oder Istwerten der Lastregelung ein dem mittleren Gleichstrom der Last proportionales Vorsteuersignal idV gebildet werden. Zum Beispiel ergibt sich bei einer wechselrich­ tergespeisten Antriebsmaschine mit Drehmomentregelung ein dem mittleren Laststrom proportionales Vorsteuersi­ gnal nach der Gleichung:

wobei
Mdsoll = Drehmomentsollwert,
nist = Drehzahlistwert.

In Fig. 2 ist eine Regelungsstruktur dargestellt. Es ist ein Sollwertbildner 18 zu erkennen, der aus den Poten­ tialen der Phasenleiter L1, L2, L3 mit Hilfe eines Transformators, eines Gleichrichters, eines Widerstan­ des, eines Kondensators und eines Potentiometers einen netzspannungsabhängigen Spannungssollwert Usoll erzeugt. Vom Spannungssollwert Usoll wird in einer Vergleichs­ stelle 19 der Spannungsistwert Uist subtrahiert und die erhaltene Spannungsdifferenz ΔU = Usoll-Uist wird einem Regler 20 zugeleitet. Zu der dem Regler 20 ent­ nehmbaren Reglerspannung UR wird in einer Additionsstel­ le 21 eine Vorsteuerspannung UV addiert und die erhalte­ ne Steuerspannung US = UR + UV wird einem Steuersatz 22 zugeleitet, der einen entsprechenden Steuerwinkel α für den Rückarbeitsstromrichter 10 vorgibt.

Zur Bildung des Spannungsistwertes Uist aus der Zwi­ schenkreisgleichspannung 2Edist ist ein Potentialtren­ nungsglied 23 vorgesehen. Der Spannungsistwert Uist wird neben der Vergleichsstelle 19 auch einem hysteresebehaf­ teten erste(n) Komparator 24 und einem Vorsteuersignalbildner 26 zugeführt.

Der erste(n) Komparator 24 gibt hysteresebehaftet in Abhängigkeit des Spannungsistwertes Uist ein Signal "Impulssperre" (logisches Signal 0) bzw. ein Signal "Impulssperre auf­ gehoben" (logisches Signal 1) an ein UND-Gatter 27 ab.

Der Vorsteuersignalbildner 26 empfängt eingangsseitig neben dem Spannungsistwert Uist den auch der Drehmomemt­ regelung der Last 17 zugeleiteten Drehmomentsollwert Mdsoll sowie den erfaßten Drehzahlistwert nist und bil­ det hieraus das Vorsteuersignal idV gemäß der oben ange­ gebenen Beziehung. Das erzeugte Vorsteuersignal idV wird einem hysteresebehafteten zweite(n) Komparator 25 sowie einem Vor­ steuerspannungsbildner 28 zugeführt. Der Vorsteuerspan­ nungsbildner 28 gibt gemäß einer vorgegebenen Kennlinie die Vorsteuerspannung UV in Abhängigkeit des Vorsteuer­ signals idV an die Additionsstelle 21 ab.

Der zweite(n) Komparator 25 gibt hysteresebehaftet in Abhängigkeit des dem Lastgleichstrom proportionalen Vorsteuersignals idV ein Signal "Impulssperre" (logisches Signal 0) bzw. ein Signal "Impulssperre aufgehoben" (logisches Signal 1) an das UND-Gatter 27 ab. Das UND-Gatter 27 gibt aus­ gangsseitig das Signal IS "Impulssperre aufgehoben" (lo­ gisches Signal 1) für den Rückarbeitsstromrichter 10 vor, wenn beide Komparatoren 24 und 25 ein Signal "Im­ pulssperre aufgehoben" (logisches Signal 1) melden. Das UND-Gatter 27 gibt ausgangsseitig das Signal IS "Impuls­ sperre" (logisches Signal 0) für den Rückarbeitsstrom­ richter 10 vor, wenn einer der beiden Komparatoren 24 oder 25 oder beide Komparatoren 24 und 25 das Signal "Impulssperre" (logisches Signal 0) melden.

In den Fig. 3 und 4 sind die zeitlichen Verläufe inter­ essierender Größen im Wechselrichterbetrieb dargestellt, und zwar im einzelnen die Netzsternspannung uL1N (= durchgezogener Linienzug) und der Gatestrom iG1 (= Zündimpuls für den Thyristor T1 = gestrichelter oder punktierter Linienzug) in Fig. 3 sowie der Netzstrom ia (= durchgezogener Linienzug) und der Wechselstrom iaT (= gestrichelter Linienzug) des Rückarbeitsstromrichters 10 in Fig. 4. Die Zeitverläufe zeigen das Verhalten der Schaltung im Wechselrichterbetrieb bei idL = 1,1 idLN. Der Steuerwinkel α beträgt etwa 145°. Es können wahl­ weise die gestrichelt dargestellten Langimpulse oder die punktiert angedeuteten Kurzimpulse verwendet werden.

In den Zeitbereichen zwischen t1 und t2 (iaT = 0, ia ist negativ), zwischen t7 und t8 (ia und iaT sind positiv) und zwischen t9 und t10 (iaT = 0, ia ist negativ) ergibt sich jeweils ein negativer Phasenstrom iaD in der Gleichrichterschaltung 8. In den Zeitbereichen zwischen t3 und t4 (ia und iaT sind negativ), zwischen t5 und t6 (iaT = 0, ia ist positiv) und zwischen t11 und t12 (ia und iaT sind negativ) fließt ein positiver Phasenstrom iaD. In den übrigen Zeitbereichen gilt iaD = 0.

In den Fig. 5 und 6 sind die zeitlichen Verläufe inter­ essierender Größen im Gleichrichterbetrieb dargestellt, und zwar im einzelnen die Netzsternspannung uL1N (= durchgezogener Linienzug) und der Gatestrom iG1 (= Zündimpuls für den Thyristor T1 = gestrichelter oder punktierter Linienzug) in Fig. 5 sowie der Netzstrom ia (= durchgezogener Linienzug) und der Wechselstrom iaT (= gestrichelter Linienzug) des Rückarbeitsstromrichters 10 in Fig. 6. Die Zeitverläufe zeigen das Verhalten der Schaltung im Gleichrichterbetrieb bei idL = 0,14 idLN, d.h. kurz vor dem Sperren der Zündimpulse des Rückar­ beitsstromrichters bei 0,15 idLN. Der Steuerwinkel α beträgt ungefähr 170°. Es können wahlweise die gestri­ chelt dargestellten Langimpulse oder die punktiert ange­ deuteten Kurzimpulse verwendet werden.

In den Zeitbereichen bis t13 sowie zwischen t18 und t19 (jeweils iaT = 0, ia ist negativ) ergibt sich jeweils ein negativer Phasenstrom iaD in der Gleichrichterschal­ tung 8. In den Zeitbereichen zwischen t15 und t16 sowie ab t21 (jeweils iaT = 0, ia ist positiv) fließt ein po­ sitiver Phasenstrom iaD. In den übrigen Zeitbereichen gilt iaD = 0.

Bezüglich der Oberschwingungen des Netzstromes ia zeigt der 6pulsige Rückarbeitsstromrichter 10 erheblich schlechtere Eigenschaften als die höherpulsigen Gleich­ richterschaltungen. Daher sollte der Rückarbeitsstrom­ richter 10 in erster Linie eingesetzt werden, wenn nur kurzzeitig Rückspeisung erforderlich oder die Rückspei­ seleistung wesentlich kleiner als die Gleichrichterlei­ stung ist.

Claims (7)

1. Verfahren zum Betrieb eines antiparallel direkt zu einem ungesteuerten, mindestens 12pulsigen Gleichrichter angeordneten gesteuerten Rückarbeitsstromrichters zur Kopplung eines Drehspannungsnetzes mit einem Gleichspannungszwischenkreis, wobei die Pulszahl des ungesteuerten Gleichrichters höher ist als die des gesteuerten Stromrichters, mit folgenden Merkmalen:

• - im Wechselrichterbetrieb werden die Zündimpulse für die Thyristoren (T1 . . . T6) des Rückarbeitsstromrichters stets freigegeben,
• - im Gleichrichterbetrieb werden die Zündimpulse gesperrt, wenn der Zwischenkreisgleichstrom (idL) größer als 5% bis 15% des Nennzwischenkreisgleichstromes (idLN) ist und
• - im Gleichrichterbetrieb werden die Zümdimpulse freigegeben, wenn der Zwischenkreisgleichstrom (idL) kleiner als 5% bis 15% des Nennzwischenkreisgleichstromes (idLN) ist, und wenn gleichzeitig die Zwischenkreisgleichspannung (2Edist) einen vorgebbaren Gleichspannungswert nicht überschreitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündimpulse im Gleichrichterbetrieb nur freigegeben werden, wenn ein zum Drehmomentsollwert (Mdsoll) und zum Drehzahlistwert (nist) einer am Gleichspannungszwischenkreis betriebenen wechselrichtergespeisten Antriebsmaschine proportionales sowie zum Zwischenkreisgleichspannungsistwert (2Edist) umgekehrt proportionales Vorsteuersignal (idv) einen vorgebbaren Wert nicht überschreitet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis aus der Zwischenkreisgleichspannung (2Edist) zur Netzwechselspannung als Regelgröße herangezogen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerwinkel (α) des Rückarbeitsstromrichters (17) im Bereich von etwa 145° bis etwa 175° liegen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerwinkel (α) des Rückarbeitsstromrichters (10) in Abhängigkeit des Zwischenkreisgleichstromes (idL) vorgesteuert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Thyristoren (T1 . . . T6) mit Kurzsignalen angesteuert werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Thyristoren (T1 . . . T6) mit Langimpulsen angesteuert werden.