DE4120611C2

DE4120611C2 - Verfahren zur Begrenzung der Zwischenkreisspannung eines Spannungszwischenkreis-Umrichters

Info

Publication number: DE4120611C2
Application number: DE4120611A
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl Ing Prenzel; Matthias Dipl Ing Lange
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Alstom Power Conversion GmbH
Priority date: 1991-06-20
Filing date: 1991-06-20
Publication date: 1993-12-02
Anticipated expiration: 2011-06-21
Also published as: DE4120611A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs. Ein solches Verfahren ist durch den Aufsatz von K. Pölzler: "Antriebssystem "Standard Dynamik" für Drehstrommaschinen" In: Elin-Zeitschrift 1990, Heft 1/2, Seiten 21 bis 26 bekannt.

Bei diesem bekannten Verfahren wird in unterschiedlicher Weise auf den Wirkstromsollwert Einfluß genommen: Beim normalen generatorischen Bremsen wird der Wirkstrom mittels eines Zweipunktreglers begrenzt und der Strommaximalwert so geführt, daß die Zwischenkreisspannung einen bestimmten Wert nicht überschreitet. Beim Stützbetrieb während eines Netzausfalls übernimmt ein Stützregler die Vorgabe des generatorischen Wirkstromsollwertes und hält dadurch die Zwischenkreisspannung auf einen ausreichend hohen Wert. Zur Lösung jeder Aufgabe ist also ein gesonderter Regler vorgesehen.

Durch die DE 32 36 692 A1 ist ein Zwischenkreisumrichter mit ungesteuertem Netzgleichrichter und ohne einen Bremssteller im Zwischenkreis bekannt, der im Normalbetrieb eine Spannungs-Frequenz-Steuerung in der Weise aufweist, daß bei variabler Drehzahl des Drehstromantriebs am Ausgang des Wechsel richters des Zwischenkreisumrichters das Verhältnis zwischen Spannung und Frequenz konstant gehalten wird. Ein mit seinen Parametern den jeweiligen technologischen Gegebenheiten anzupassender Steilheitsbegrenzer verhindert dabei zu schnelle Frequenzänderungen bei der Änderung der Drehzahlvorgabe.

Wird der Drehstromantrieb abgebremst, ist wegen des fehlenden Bremsstellers im Zwischenkreis sicherzustellen, daß die Spannung im Zwischenkreis des Um richters infolge der in den Zwischenkreis rückgespeisten (generatorischen) Energie einen Maximalwert nicht überschreitet. Zu diesem Zweck kann bei Kenntnis des Verhaltens des Drehstromantriebes beim Abbremsen über die Parametrierung des Steilheitsbegrenzers eine feste Bremszeit vorgegeben werden. Die Menge der in den Zwischenkreis eingespeisten Energie findet dabei keine Berücksichtigung.

Die zuvor erwähnte DE 32 36 692 A1 beschreibt auch einen (Not-) Betriebs fall des Umrichters, bei dem durch einen störungsbedingten Ausfall der Netz spannung ein Absinken der Zwischenkreisspannung hingenommen werden muß. Durch Rückspeisung der im Drehstromantrieb vorhandenen kinetischen Energie in den Zwischenkreis ist es möglich, trotz der Netzstörung den Betrieb des Zwischenkreisumrichters für die üblicherweise verhältnismäßig kurze Zeit der Störung aufrechtzuhalten (sogenannte kinetische Stützung des Zwischenkreises). Zu diesem Zweck wird bei Netzausfall der Sollwert für die Zwischenkreisspan nung allmählich verringert, so daß die vorhandene Energie möglichst lange für diesen Notbetrieb zur Verfügung steht. Es muß dabei sichergestellt werden, daß die Zwischenkreisspannung nicht einen unteren, zum Betrieb zwingend notwen digen Grenzwert unterschreitet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Begrenzung der Zwischenkreisspannung eines Spannungszwischenkreis-Umrichters anzugeben, welches einen nur geringen Aufwand für die Steuer- und Regeleinrichtung benötigt, wenn sowohl im normalen Bremsbetrieb die Zwischenkreisspannung ohne eine umständliche Parametrierung (Bremszeit) auf den zulässigen Maxi malwert begrenzt werden muß als auch während kurzer Netzausfälle bei ge führtem Abbremsen des Drehstromantriebs die Zwischenkreisspannung auf einem Minimalwert gehalten werden muß.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch gekenn zeichneten Merkmale gelöst.

Dieses Verfahren sieht also vorteilhafterweise nur die Verwendung eines ein zigen Reglers zur Begrenzung der Zwischenkreisspannung auf ein Maximum oder Minimum je nach Betriebszustand vor, wobei, ohne daß das Einstellen von Kennlinien nötig ist, die Regelung auf das Maximum einen Bremsbetrieb ohne Bremssteller und die Regelung auf das Minimum die kinetische Stützung bei Spannungsabfall sicherstellt und eine Umschaltung "on line" durch die Steuerung erfolgt.

Die Erfindung soll im folgenden für ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeich nung erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 ein Drehzahl-Regelungsstrukturbild mit einem Funktionsblock zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung bei einem Gleich spannungs-Zwischenkreisumrichter, über den ein Drehstromantrieb betrieben wird und

Fig. 2 Einzelheiten zu dem in Fig. 1 enthaltenen Funktionsblock zur Be grenzung der Zwischenkreisspannung des Umrichters.

Gemäß Fig. 1 werden zur Bestimmung der Steuergrößen für den (nicht gezeigten), mit einem Drehstromantrieb verbundenen Gleichspannungs-Zwischenkreisumrichter die Solldrehzahl wn und eine der tatsächlichen Drehzahl des Drehstromantriebs entsprechende Regelgröße xn sowie von einem Spannungsmodell 1 ein Sollwert wim für den Magnetisierungsstrom des Drehstromantriebs und durch (ebenfalls nicht gezeigte) Meßeinrichtungen bereitgestellte Meßwerte vorgegeben. Aus letzteren errechnet ein Istwertrechner 7 die Istwerte der Magnetisierungsstromkomponente xim und der Lastkomponente xil im Maschinenstrom. Die Regelabweichung des Istwerts der Magnetisierungsstromkomponente xim von dem Sollwert wim wird über einen Magnetisierungsstrom-Regelverstärker 6 dem Spannungsrechner (Spannungsmodell) 1 als Signal Δu zugeführt.

Ein Drehzahlregelverstärker 5 gibt die Regelabweichung des Istwerts xn der Drehzahl von dem vorgegebenen Drehzahl-Sollwert wn als Sollwert wil für die lastabhängige Komponente des Maschinenstromes vor. Dieser Sollwert wil wird erstens dem Spannungsmodell 1 zugeführt. Zweitens wird die Regelab weichung des Istwerts xil der lastabhängigen Komponente im Maschinenstrom von diesem Sollwert wil über einen Läuferstromregelverstärker 3 einer Frequenz addition 2 eingegeben, und drittens bestimmt dieser Sollwert wil über ein in der Frequenzaddition 2 enthaltenes Läufermodell in Abhängigkeit des Quotienten von Läuferwiderstand und Verkettungsfluß eine zusätzliche Frequenzanhebung in der Frequenzaddition 2, der als Basiswert der Drehzahlistwert xn des Dreh stromantriebs vorgegeben wird.

Der Ausgangswert der Frequenzaddition 2, nämlich das Frequenzführungssignal f für die Steuerung des mit dem Drehstromantrieb verbundenen Stromrichters wird ebenfalls dem Spannungsmodell 1 eingegeben. Das Spannungsmodell 1 gibt dann in üblicher Weise den Betrag der Ständerspannung |US| und zur Läuferflußorientierung den Winkel ϕu für die Stromrichtersteuerung vor.

Ferner ist zur Begrenzung der Zwischenkreisspannung des Gleichspannungszwischenkreis-Umrichters ein Funktionsblock 8 vorgesehen, dem eingangsseitig die Regelab weichung des Istwerts xu_d der Zwischenkreisspannung des Umrichters von einem vorgegebenen Sollwert wu_d zugeführt ist. In der in Fig. 1 gezeigten Regelstruktur wirkt der Stellwert des Funktionsblocks 8 auf die generatorische Begrenzung des Drehzahlregelverstärkers 5, dessen Stellwert als Drehmomentführungsgröße des unterlagerten Stromregelkreises dient. Der so hergestellte Einfluß des Funktionsblocks 8 hat eine zwischenkreisspannungsabhängige Regelung der gene ratorischen Stromgrenze zur Folge.

Eine motorische Strombegrenzung der Ausgangsgröße des Drehzahlregelverstärkers 5 ist ebenfalls vorgesehen, soll hier aber nicht weiter erläutert werden.

Fig. 2 zeigt die Funktionsstruktur des Funktionsblocks 8 innerhalb der (in Fig. 1 gezeigten) Drehzahlregelung.

Dabei wird gemäß Fig. 2 einem Regelverstärker 8′ bei der eingezeichneten Stellung eines ersten Schalters 10 die an einem Vergleichspunkt 9 gebildete Regelab weichung der Zwischenkreisspannung-Regelgröße xu_d von einer Zwischenkreis spannungs-Führungsgröße wu_dMAX zugeführt.

Der Stellwert y des Regelverstärkers 8′ wird über einen Funktionsbaustein 11 geführt, dessen Ausgangsgröße y′ durch folgende Kriterien bestimmt ist:

y′=y für y 0,
y′=0 für y < 0.

Diese Ausgangsgröße y′ wird in einem nachgeschalteten Begrenzungsbaustein 12, dessen Ausgangsgröße als generatorische Stromgrenze (vgl. Fig. 1) mit i_gen bezeichnet ist, auf ihre Zuverlässigkeit überprüft. Dem Begrenzungsbaustein 12 werden über einen Umschalter 13 parametrierbare Grenzwerte I_GEN1 oder I_GEN2 zugeführt. Die Umschaltung über den Schalteingang < I_GEN1 geschieht lastabhängig. Bei motorischem Betrieb wirkt die Begrenzung I_GEN1, bei generatorischem Betrieb I_GEN2. Dabei ist I_GEN1 « I_GEN2.

Diese Regelung auf einen vorgebbaren, im Zwischenkreis und vom Wechselrichter des Umrichters noch zu beherrschenden Maximalwert der Zwischenkreisspannung wu_dMAX ist beim normalen Betrieb ohne Widerstandsschalter zum Abbau über schüssiger Energie im Zwischenkreis des Umrichters, z. B. beim Abbremsen des Antriebes, aktiv.

Im Normalbetrieb (motorisch) ist der Istwert der Zwischenkreisspannung xu_d kleiner als der parametrierbare Maximalwert wu_dMAX, so daß der Regelkreis des Regelverstärkers 8′ in diesem Fall nicht geschlossen ist. Ein Wegdriften der variablen Stellgröße i_gen wird verhindert, indem für diesen Betriebsfall eine niedrige Begrenzung I_GEN1 des Stellwertes y′, z. B. 5% des Nennwertes, gewählt wird.

Im Umschaltaugenblick vom üblichen motorischen Betrieb in den generatorischen Betrieb schaltet der Schalter 13 durch das Signal < I_GEN1 auf einen zweiten, höheren Grenzwert I_GEN2 um, z. B. 100% des Nennwertes.

Die Zwischenkreisspannung xu_d steigt an und wird auf die Führungsgröße wu_dMAX geregelt. Der Regelverstärker 8′ hat durch die Vorgabe der Begrenzung durch I_GEN2 einen großen Stellbereich, der die Wirksamkeit dieser Art von Regelung bis zu sehr kleinen Frequenzen gestattet.

Zu unterscheiden ist der Fall, daß im generatorischen Betrieb zuviel Energie in den Zwischenkreis gespeist zu werden droht und der Fall, daß, z. B. bei Netz spannungsausfall, zuwenig Energie im Zwischenkreis vorhanden ist. Im letzteren Fall wird die sogenannte kinetische Stützung des Zwischenkreises durch die im Drehstromantrieb vorhandene kinetische Energie wirksam. Dabei muß die Zwischen kreisspannung derart geregelt werden, daß sie gerade eine betriebsnotwendige untere Grenze entsprechend einem Sollwert wu_dMIN nicht unterschreitet, damit möglichst lange ein Notbetrieb aufrechterhalten werden kann. Dieser Fall wird gemäß der Erfindung ebenfalls über die gleiche in der Drehzahl-Regelstruktur vorhandene Regelung über den Regelverstärker 8′ beherrscht.

Die Regelung auf den unteren Sollwert wu_dMIN der Zwischenkreisspannung wird bei einem Netzausfall automatisch, d. h. mit einer "on line"-Umschaltung durch ein Signal < u_dMIN aktiviert. Dieses Signal < u_dMIN schaltet den Schalter 10 um, so daß dem Vergleichspunkt 9 vor dem Regelverstärker 8′ der Sollwert wu_dMIN zugeführt wird. Gleichzeitig findet eine Sperrung des Drehzahlsollwertes wn (vgl. Fig. 1) statt, so daß der Antrieb in den generatorischen Betriebszustand ge zwungen wird.

Voraussetzung ist - wie schon erwähnt - eine drehzahlgeregelte Struktur. Bei Antrieben mit einem digitalen Geber ist sicherzustellen, daß bei einem Netz ausfall dessen Versorgungsspannung weiterhin vorhanden ist, da ansonsten bei fehlendem Drehzahlistwert eine Regelung nicht mehr möglich ist.

Claims

Verfahren zur Begrenzung der Zwischenkreisspannung eines einen Drehstrom antrieb mit variabler Drehzahl speisenden Spannungszwischenkreis-Umrichters mit einem auf den Sollwert eines Wirkstromreglers wirkenden Begrenzungsregler, der den Strom im generatorischen Betrieb derart begrenzt, daß die Zwischenkreisspannung einen bestimmten Wert nicht überschreitet, und mit einer Vorgabe eines Wirkstromsollwerts, durch den bei Netzausfall die Zwischenkreisspannung auf einem ausreichend hohen Wert gehalten wird, dadurch gekennzeichnet,
- a) daß einem überlagerten Drehzahlregler, dessen Ausgang den Wirkstromsollwert bildet, bei Netzausfall der Sollwert gesperrt wird,
- b) daß dem Begrenzungsregler mit kontinuierlichem Regelverhalten ist Istwert die Zwischenkreisspannung und als Sollwert im generatorischen Betrieb ein erster, oberer Grenzwert und bei Netzausfall ein zweiter, unterer Grenzwert zugeführt wird,
- c) daß das Ausgangssignal des Begrenzungsreglers im motorischen Betrieb auf einen unteren Grenzwert (I_GEN1), bei generatorischem Betrieb oder Netzausfall auf einen oberen Grenzwert (I_GEN2) begrenzt wird.