DE4131823C1 - Bidirectional power supply circuitry between AC and DC networks - holds intermediate DC at high level using two rectifiers with common connections on DC and AC sides - Google Patents

Bidirectional power supply circuitry between AC and DC networks - holds intermediate DC at high level using two rectifiers with common connections on DC and AC sides

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Abstract

The circuit links an AC grid to a DC load.The 3-phase grid is connected via a commutating choke (LK) to two controlled rectifiers (VB, RB) in parallel which supply the load (L) through a smoothing choke (Ld) and parallel capacitor (Cd). A comparator (K) and control unit (KL) are used to maintain the DC voltage at the required value by suitable switching of the rectifiers, one being used for energy flow from AC to DC, the other for reverse flow. USE/ADVANTAGE - Rectifiers linking an AC grid to a DC load. Need for only a small smoothing choke on DC side reduces expense.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1. Eine solche Schaltungsanordnung ist durch die DE-OS 20 42 107 bzw. durch den Aufsatz von A. Buxbaum "Die Regeldynamik von Stromrichterantrieben" in: Technische Mitteilungen AEG-Telefunken 60 (1970), Heft 6, Seiten 361 bis 367 bekannt.The invention relates to a circuit arrangement according to the Ober concept of claim 1. Such a circuit arrangement is by the DE-OS 20 42 107 or by the article by A. Buxbaum "The control dynamics of converter drives "in: Technical information AEG-Telefunken 60 (1970), Issue 6, pages 361 to 367.

Mit diesen bekannten Anordnungen werden in kreisstromfreier Gegenparallel­ schaltung Betriebszustände sowohl mit lückendem als auch (und vor allem) mit nicht lückendem Strom durchfahren. Dazu ist eine große Gleichspannungs­ drossel notwendig (siehe auch Erläuterungen zu Bild 7 im letztgenannten Auf­ satz), so daß der Materialaufwand wie auch der regelungstechnische Aufwand hoch ist.With these known arrangements are in parallel circuit-free counterparallel switching operating states with both gaping and (and above all) drive through with non-gap current. To do this is a large DC voltage throttle necessary (see also explanations for Figure 7 in the last mentioned above sentence), so that the cost of materials as well as the technical control effort is high.

Bei der durch den Beitrag von Beinhold, Lautz und Wegener "Semiverter - ein neues Geräteprogramm" in: Technische Mitteilungen AEG-Telefunken Jahrgang 69 (1979), Heft 5/6, Seiten 186 bis 191 bekannten Schaltungsanordnung sind zwischen einem Wechselspannungsnetz und einem ein Gleichspannungsnetz re­ präsentierenden Gleichspannungszwischenkreis eines Zwischenkreis-Umrichters zwei netzgeführte Stromrichter vorgesehen, von denen wechselspannungsseitig der eine Stromrichter über den Energie vom Wechselspannungsnetz in den Zwischenkreis fließt, direkt und der andere Stromrichter, über den Energie aus dem Gleichspannungskreis zurück ins Wechselspannungsnetz fließt, über einen Spartransformator angeschlossen sind. Entsprechend einer vorgebenen Führungsgröße wird dabei die Spannung im Gleichspannungskreis über einen Spannungsregler durch Beeinflussung einer die Stromrichter über ihren Steuer­ winkel steuernden Steuereinrichtung geregelt. Je nach der durch die Führungs­ größe vorgegebenen Energierichtung erfolgt über eine Umschaltlogik während einer Stromlücke eine Aktivierung eines der beiden Stromrichter.In the semiverter - a through the contribution of Beinhold, Lautz and Wegener new device range "in: Technical Bulletins AEG-Telefunken year 69 (1979), No. 5/6, pages 186 to 191 known circuit arrangement between an AC network and a DC network right presenting DC link of an intermediate circuit converter two mains-operated converters are provided, one of which is on the AC side the one converter over the energy from the AC network to the The DC link flows, directly and the other converter, over the energy flows from the DC voltage circuit back into the AC voltage network an autotransformer are connected. According to a given one The reference variable is the voltage in the DC circuit via a Voltage regulator by influencing one of the converters via their control angle-controlling control device regulated. Depending on the by the leadership size given energy direction takes place via a switching logic during activation of one of the two converters.

Soll die Gleichspannung im Gleichspannungsnetz bzw. im Gleichspannungs­ zwischenkreis eines Umrichters lediglich auf hohem Niveau, z. B. mit einer auf die ideelle Gleichspannung Udi bezogenen Gleichspannung Ud (ideelles Gleichspannungsverhältnis) zwischen 1,0 und 0,95 gehalten werden, ist der schaltungstechnische Aufwand (Gleichspannungsdrossel und eventuell zusätz­ licher Spartransformator) wie auch der regelungstechnische Aufwand der bekannten Schaltungsanordnungen recht hoch.Should the DC voltage in the DC voltage network or in the DC voltage DC link of a converter only at a high level, e.g. B. with a DC voltage Ud (ideal DC voltage ratio) between 1.0 and 0.95 is the  circuit complexity (DC choke and possibly additional autotransformer) as well as the control engineering effort of known circuit arrangements quite high.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit der Schaltungsanordnung der eingangs angegebenen Art eine Spannungshaltung auf der Gleichspannungsseite auf hohem Niveau mit deutlicher Verringerung des Aufwands zu erreichen.The invention is based, with the circuit arrangement of the task a voltage maintenance on the DC voltage side at a high level with a significant reduction in effort.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekenn­ zeichneten Merkmale gelöst.This object is characterized according to the invention by the in claim 1 features resolved.

Vorteilhafterweise kann damit die Gleichspannungsdrossel erheblich geringer dimensioniert werden (im Extremfall kann sogar auf eine Drosselspule ganz verzichtet werden) und der sonst zur Spannungsanhebung für die Energierück­ speisung ins Wechselspannungsnetz benötigte (Spar-)Transformator bei Gleich­ spannungszwischenkreisumrichtern kann entfallen. Außerdem wird eine Regel­ einrichtung für die Spannung nicht benötigt, da über den Kennliniengeber ein Kennlinienbetrieb in Zweipunktbetrieb gefahren wird.Advantageously, the DC choke can thus be considerably lower dimensioned (in extreme cases, even on a choke coil entirely to be dispensed with) and otherwise to raise the voltage for the energy return Feeding into the AC network required (economy) transformer for DC DC link converters can be omitted. It also becomes a rule device for the voltage is not required, as via the characteristic encoder Characteristic operation in two-point operation.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Schaltungsanordnung nach der Erfindung, bei der diese statt im Zweipunktbetrieb in Abhängigkeit von Laststrom be­ trieben wird, ist im Anspruch 2 gekennzeichnet.An advantageous embodiment of the circuit arrangement according to the invention, where these be instead of two-point operation depending on the load current is driven, is characterized in claim 2.

Die Erfindung wird im folgenden für zwei Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigenThe invention is described below for two exemplary embodiments Drawing described. Show it

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung mit einem Komparator als Umschaltglied für einen Zweipunktbetrieb der Stromrichter und Fig. 1 shows a circuit arrangement with a comparator as a switching element for two-point operation of the converter and

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung für einen laststromabhängigen Betrieb der Stromrichter. Fig. 2 shows a circuit arrangement for a load current-dependent operation of the converter.

Sowohl Fig. 1 als auch Fig. 2 zeigen ein mit einem dreiphasigen Wechselspan­ nungsnetz N über zwei steuerbare Stromrichter VB, RB verbundenes Gleich­ spannungsnetz (z. B. einen Gleichspannungs-Zwischenkreis in einem Zwischenkreis­ umrichter), an das eine Last L (z. B. ein Wechselrichter mit einem Antrieb) angeschlossen ist. Both Fig. 1 and Fig. 2 show a with a three-phase AC voltage network N via two controllable converters VB, RB connected DC network (z. B. a DC link in an intermediate circuit converter) to which a load L (z. B. an inverter with a drive) is connected.

Von den beiden z. B. in dreiphasiger Brückenschaltung ausgeführten Strom­ richtern dient der Stromrichter VB der Energiezufuhr in das Gleichspannungs­ netz und der Stromrichter RB der Energieabfuhr aus dem Gleichspannungsnetz. Beide Stromrichter VB, RB weisen einen gemeinsamen Anschluß an das Netz N über eine Wechselspannungsdrosselspule LK auf, die beiden Stromrichtern VB, RB gemeinsam als Kommutierungsdrossel dient.Of the two z. B. current in three-phase bridge circuit The converter VB is used to supply energy to the DC voltage network and the power converter RB of the energy dissipation from the DC voltage network. Both converters VB, RB have a common connection to the network N via an AC choke coil LK, the two converters VB, RB together serves as a commutation choke.

Im Gleichspannungsnetz ist eine Gleichspannungsdrosselspule Ld vorgesehen, und ein Kondensator Cd stützt die Gleichspannung Ud im Gleichspannungsnetz.A DC choke coil Ld is provided in the DC voltage network, and a capacitor Cd supports the direct voltage Ud in the direct voltage network.

Die Induktivität der Gleichspannungsdrosselspule Ld kann für diesen Betrieb sehr klein gehalten werden. Infolge der geringen gleichspannungsseitigen Induktivität sind nämlich die zu kommutierenden Ströme des die Energie ins Wechselspannungsnetz N rückspeisenden Stromrichters RB klein. Hierdurch kann der von einer die beiden Stromrichter VB und RB steuernden Steuer­ einrichtung LG vorzugebende Steuerwinkel für den Stromrichter RB über den im Wechselrichterbetrieb üblichen Grenzwert von 150° hinaus ohne Stabilitätsverlust erhöht werden, wodurch ein höheres Gleichspannungsniveau erzielt wird. Damit ist der sonst übliche Spartransformator bei der Energie­ rückspeisung ins Netz N überflüssig. Verringert man die Induktivität der Gleichspannungsdrosselspule Ld soweit, daß sich lückende Ströme einstellen, kann im Grenzfall auf die Drossel ganz verzichtet werden.The inductance of the DC choke coil Ld can be used for this operation be kept very small. Due to the low DC side Namely, inductance are the currents to be commutated by the energy into the AC network N regenerative converter RB small. Hereby can the of a control of the two converters VB and RB control device LG control angle to be specified for the converter RB the limit of 150 ° usual in inverter operation without Loss of stability can be increased, creating a higher DC voltage level is achieved. This is the usual autotransformer for energy feedback to the grid N superfluous. If you reduce the inductance of the DC choke coil Ld so far that gaping currents occur, the throttle can be completely dispensed with in the limit case.

Im Betrieb mit lückendem Strom ist die Gleichspannung Ud eine Funktion des Steuerwinkels und des mittleren Gleichstromes id. Für ein konstantes ideelles Spannungsverhältnis Ud/Udi, kann auf eine Regelung verzichtet werden:When operating with an intermittent current, the direct voltage Ud is a function the control angle and the mean direct current id. For a constant ideal tension ratio Ud / Udi, there is no need for regulation:

Gemäß Fig. 1 wird die Gleichspannung Ud nämlich zur Konstanthaltung des ideellen Gleichspannungsverhältnisses Ud/Udi auf z. B. 0,98 erfaßt und einem Komparator K für einen Zweipunktbetrieb zugeführt. Dieser Komparator K dient als Glied für die Umschaltung des Betriebes zwischen den beiden Strom­ richtern VB, RB. Sobald die Spannung Ud einen oberen bzw. einen unteren Grenzwert des Verhältnisses Ud/Udi überschreitet bzw. unterschreitet, wirkt der Komparator K auf die Steuereinrichtung (Steuerlogik) LG ein, die einen der beiden Stromrichter RB, VB zwecks Zufuhr oder Abfuhr von Energie in bzw. aus dem Gleichspannungsnetz während einer Stromlücke in Betrieb setzt. Referring to FIG. 1, the direct voltage Ud is namely z for keeping constant of the ideal direct voltage ratio Ud / Udi on. B. 0.98 detected and fed to a comparator K for two-point operation. This comparator K serves as a link for switching operation between the two power converters VB, RB. As soon as the voltage Ud exceeds or falls below an upper or a lower limit value of the ratio Ud / Udi, the comparator K acts on the control device (control logic) LG, which one of the two converters RB, VB for the purpose of supplying or removing energy in or . starts up from the DC voltage network during a current gap.

Über einen Kennlinienbildner KL wird dann lediglich in Abhängigkeit vom mittleren Gleichstrom id der Steuerwinkel für den jeweiligen Stromrichter RB, VB vorgegeben.A characteristic curve generator KL is then only dependent on mean direct current id the control angle for the respective converter RB, VB specified.

Zum Zwecke der Aktivierung des entsprechenden Stromrichters VB, RB ausschließlich während einer Stromlücke und zum Betrieb des Kennlinienbild­ ners KL wird der Gleichstrom id über eine Einrichtung W zur Erfassung des lückenden Stromes, vorzugsweise einen Wandler, erfaßt.For the purpose of activating the corresponding converter VB, RB only during a current gap and for operating the characteristic curve ners KL is the direct current id via a device W for detecting the intermittent current, preferably a converter.

Statt des Zweipunktbetriebes über den Komparator ist es entsprechend Fig. 2 auch vorteilhafterweise möglich, den durch die Last L fließenden Strom iL zur Steuerung der Stromrichter VB, RB heranzuziehen. Eine dem Laststrom iL proportionale Größe wird von einem Stromerfassungsglied W1, üblicherweise einem weiteren Stromwandler, auf den Eingang des Kennlinienbildners KL gegeben. In Abhängigkeit vom Mittelwert und von der Richtung des Last­ stromes iL wird dann durch den Kennliniengeber KL jeweils einer der Strom­ richter VB oder RB aktiviert und ausgesteuert.Instead of two-point operation via the comparator, it is also advantageously possible according to FIG. 2 to use the current iL flowing through the load L to control the converters VB, RB. A variable proportional to the load current iL is given by a current detection element W 1 , usually a further current transformer, to the input of the characteristic curve generator KL. Depending on the mean value and the direction of the load current iL, one of the converters VB or RB is then activated and controlled by the characteristic curve generator KL.

Auch bei der in Fig. 2 gezeigten Schaltungsanordnung erfolgt eine Umschal­ tung von einem Stromrichter VB bzw. RB auf den anderen Stromrichter RB bzw. VB nur während einer Stromlücke, die auch hier durch den Wandler W erfaßt wird und der Steuereinrichtung LG zwecks Freigabe des entsprechenden Stromrichters zugeführt wird.Also in the circuit arrangement shown in FIG. 2, a switchover from one converter VB or RB to the other converter RB or VB takes place only during a current gap, which is also detected here by the converter W and the control device LG for the purpose of releasing the corresponding one Power converter is supplied.

Es ist anstelle der zuvor erwähnten Verringerung der Induktivität der Gleich­ spannungsdrosselspule Ld auch möglich, dieses bei der Wechselspannungsdrossel­ spule LK vorzunehmen, d. h. die Funktion der Drosselspule LK auf die Gleich­ spannungsdrosselspule Ld zu übertragen. Auch damit ist dann der angestrebte geringere Aufwand realisiert.It is the same instead of the aforementioned reduction in inductance voltage choke coil Ld also possible, this with the AC choke to make coil LK, d. H. the function of the choke coil LK on the same to transfer voltage choke coil Ld. This is also the goal realized less effort.

Claims (2)

1. Schaltungsanordnung mit zwei über eine Steuereinrichtung in Abhängigkeit von einer gleichspannungsseitig erfaßten Meßgröße gesteuerten Stromrichtern für einen Energiefluß in entgegengesetzten Richtungen zwischen einem Wech­ selspannungsnetz und einem zumindest mit einer Gleichspannungsdrossel­ spule versehenen und eine Last aufweisenden Gleichspannungsnetz, bei der je nach Richtung des Energieflusses einer der beiden Stromrichter durch ein Umschaltglied während einer Stromlücke aktiviert wird, wobei die beiden Stromrichter (VB, RB) wechselspannungs- und gleichspannungsseitig gemeinsame Anschlüsse aufweisen und eine dem gemeinsamen wechsel­ spannungsseitigen Anschluß vorgeschaltete Wechselspannungsdrosselspule (LK) als gemeinsame Kommutierungsdrossel vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die Gleichspannungsdrosselspule (Ld) so gering dimensioniert ist, daß sich über den gesamten Betriebsbereich bei einer Spannungshaltung auf der Gleichspannungsseite auf ein konstantes ideelles Gleichspannungsver­ hältnis (Ud/Udi) stets ein lückender Strom durch die Stromrichter (VB, RB) ergibt,
  • - daß als Umschaltglied ein Komparator (K) vorgesehen ist, dem die Gleichspannung (Ud) zugeführt wird und der bei Abweichung des ideellen Gleichspannungsverhältnisses (Ud/Udi) oberhalb oder unterhalb eines Grenzwertes einen der beiden Stromrichter (VB, RB) aktiviert,
  • - und daß ein Kennlinienbildner (KL) vorgesehen ist, der für den jeweils aktivierten Stromrichter (VB oder RB) der Steuereinrichtung (LG) den Steuerwinkel in Abhängigkeit vom Mittelwert des lückenden Stromes vorgibt.
1.Circuit arrangement with two converters controlled via a control device as a function of a measured variable on the direct voltage side for an energy flow in opposite directions between an alternating voltage network and a coil which is at least provided with a direct current choke and has a load having a direct voltage network, in which, depending on the direction of the energy flow, one of the Both converters are activated by a switching element during a current gap, the two converters (VB, RB) having common connections on the AC and DC sides and an AC choke coil (LK) connected upstream of the common AC connection as a common commutation choke, characterized in that
  • - That the DC choke coil (Ld) is dimensioned so small that there is always a gaping current through the converter (VB, RB) over the entire operating range with a voltage maintenance on the DC voltage side to a constant ideal DC voltage ratio (Ud / Udi),
  • that a comparator (K) is provided as the switching element, to which the direct voltage (Ud) is supplied and which, when the ideal direct voltage ratio (Ud / Udi) deviates above or below a limit value, activates one of the two converters (VB, RB),
  • - And that a characteristic curve generator (KL) is provided, which specifies the control angle as a function of the mean value of the gap current for the respectively activated converter (VB or RB) of the control device (LG).
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Komparators (K) ein Stromerfassungsglied (W1) vorgesehen ist, das den durch die Last (L) fließenden Strom erfaßt und das den Kennlinien­ geber (KL) derart beaufschlagt, daß dieser in Abhängigkeit vom Mittelwert und von der Richtung des Laststromes (iL) über die Steuereinrichtung (LG) jeweils einen der beiden Stromrichter (VB oder RB) aktiviert und für diesen Stromrichter (VB oder RB) den Steuerwinkel vorgibt.2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that instead of the comparator (K) a current detection element (W 1 ) is provided, which detects the current flowing through the load (L) and which acts on the characteristic curve (KL) such that this depending on the mean and on the direction of the load current (iL), one of the two converters (VB or RB) is activated via the control device (LG) and the control angle is specified for this converter (VB or RB).
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