DE4216946A1 - Dreiphasenumrichter zur symmetrischen Speisung einer dreiphasigen Last und Verfahren zu seinem Betrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Umrichter zur Speisung einer dreiphasigen Last mit einem netzgespeisten Gleichrichter, einem kapazitiven Zwischenkreis und einem transistorisierten dreiphasigen Wechselrichter, an dessen Ausgang drei Phasenspannungen U₁, U₂, U₃ gebildet werden, deren Amplituden und relativen Phasenlagen mittels einer Pulsweitenmodulationssteuerung für die Transistoren des Wechselrichters einstellbar sind sowie ein Verfahren zu seinem Betrieb.

Ein Umrichter der eingangs genannten Art, wie er z. B. aus "R. Lappe, H. Conrad, M. Kronberg, Leistungselektronik, S. 299, Springer Verlag 1988" bekannt ist, stellt ein Drehstromsystem zur Verfügung, bei dem im allgemeinen die drei gleichen Phasenspannungen um 12° zueinander versetzt sind. Die meisten, von solchen Stromrichtern gespeisten Lasten sind symmetrisch, z. B. alle Elektromotoren. Die vom Umrichter gespeiste dreiphasige Last kann aber im allgemeinen auch unterschiedliche Impedanzen in den einzelnen Phasen aufweisen. Dies führt dazu, daß die einzelnen Phasenströme der Last ungleich sind sowohl im Bezug auf ihre Amplitude als auch im Bezug auf ihre relative Phasenlage. Eine solche Unsymmetrie ist für bestimmte Anwendungen nicht wünschenswert, da sich hierdurch einerseits die maximal verfügbare Leistung des Stromrichters verringert und andererseits der geforderte maximale Speisestrom nur in einer der drei Phasen realisieren läßt. Ein Beispiel für einen solchen Anwendungsfall, bei dem die Unsymmetrie der Impedanzen der einzelnen Phasen der Last besonders extrem sein kann, ist ein sogenannter Linearrührer, dessen Spulen die dreiphasige Last eines Umrichters bilden.

Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend weiterzuentwickeln, daß auch bei unsymmetrischen Impedanzen der Last stets eine symmetrische Stromverteilung der Phasenströme gegeben ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß für jeden Phasenstrom (i₁, i₂, i₃) jeweils ein Regler vorgesehen ist, wobei jedem Regler derselbe Sollwert für den Betrag des Phasenstromes zuführbar ist, wobei jeder Regelkreis ein Stellglied für die Modulation der Amplitude der dem jeweiligen Strangstrom (i₁, i₂, i₃) zugeordneten Phasenspannung (U₁, U₂, U₃) aufweist und wobei die Phasenlagen der Phasenspannungen durch die Pulsweitenmodulationssteuerung jeweils 12° zueinander eingestellt sind.

Bei dem Verfahren der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß jeder der Phasenströme durch Stellen der Amplitude seiner zugehörigen Phasenspannung auf den identischen Strombetrag geregelt wird, wobei die Phasenlage der Phasenspannungen jeweils 12° zueinander beträgt.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß zum einen der Umrichter durch die Pulsweitenmodulation seiner Transistoren so angesteuert wird, daß die Phasenlage der Umrichterausgangsspannungen symmetrisch ist, so daß ein phasen-symmetrisches Drehstromsystem zur Verfügung gestellt bleibt. Andererseits wird die Amplitude jeder einzelnen Phasenspannung so geregelt, daß der Strombetrag in jeder Phase gleich ist, d. h. daß die Amplituden der Phasenspannungen über die einzelnen Regelkreise automatisch den unterschiedlichen Lastimpedanzen angepaßt werden. Durch die zwangsweise Angleichung der Beträge der drei Phasenströme wird erreicht, daß sie auch im Bezug auf ihren Phasenwinkel jeweils 12° zueinander versetzt sind. Dies wird dadurch erreicht, daß sich der Mittelpunkt der Last im Zeigerdiagramm im Bezug auf den Mittelpunkt des vom Umrichter zur Verfügung gestellten Dreiphasensystems soweit verschiebt, bis die durch die Regelkreise eingeprägten Bedingungen der Strombetragsgleichheit erfüllt sind.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auf sämtliche dreiphasige Lasten anwenden, sofern der Mittelpunkt der Last im Zeigerdiagramm variabel ist. Dies ist für alle Lasten in Dreieck-Schaltung und für Stern-Schaltungen mit variablem Mittelpunkt erfüllt. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren unabhängig von dem Drehsinn des Drehstromsystemes.

Bevorzugte Verwendung findet die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren bei Magnetrührern, die entweder als Strangrührer, Kokillenrührer oder Linearrührer ausgeführt sein können. Insbesondere bei letzterem ist in der Regel eine starke Unsymmetrie der Lastimpedanzen gegeben, so daß mit Hilfe der Erfindung eine erhebliche Verbesserung der maximal verfügbaren Leistung eines solchen Linearrührers erreicht wird, da der maximale Strom in allen drei Phasen zur Verfügung steht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert.

Dabei zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Umrichters und

Fig. 2 ein Zeigerdiagramm zur Erläuterung der Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, besteht der Umrichter aus einem von einem Dreiphasennetz L₁, L₂, L₃ gespeisten Brückengleichrichter 1, der einen kapazitiven Zwischenkreis 2 versorgt. An den kapazitiven Zwischenkreis 2 angeschlossen ist ein Wechselrichter 3, welcher ausgangsseitig ein Dreiphasensystem durch die Phasenspannungen U₁, U₂, U₃ bildet. Hierzu sind in den Brückendiagonalen des Drehstromwechselrichters 3 steuerbare Halbleiterschalter, insbesondere Transistoren oder IGBT-Transistoren vorgesehen, deren Steueranschlüsse von einer Pulsweitenmodulationssteuereinheit 5 angesteuert werden.

Im nicht durchgesteuerten Zustand der einzelnen Schaltelemente des Wechselrichters 3 können Ausgleichströme durch die antiparallel zu den Schaltelementen liegenden Freilaufdioden fließen. Der Ausgang des Umrichters ist auf eine dreiphasige Last 4 geschaltet, an deren jeweiligen Impedanzen die Leiterspannungen U_L1, U_L2, U_L3 anliegen, und in die die Phasenströme i₁, i₂, i₃ fließen.

Mittels herkömmlicher bzw. Kompensations-Stromwandler werden den jeweiligen Phasenströmen i₁, i₂, i₃ entsprechende Signale vor den Lastimpedanzen abgegriffen und auf Strom-Istwert-Erfassungseinrichtungen 6.1, 6.2, 6.3 geführt. Diese bilden jeweils die Istwert-Eingangsgrößen dreier separater Regelkreise, deren jeweilige Regler durch die Elemente 7.1, 7.2, 7.3 gebildet sind. Jeder der Regler 7.1, 7.2, 7.3 arbeitet auf ein Stellglied 8.1, 8.2, 8.3. Mittels der Stellglieder 8.1, 8.2, 8.3 werden in der Pulsweitenmodulationssteuereinrichtung 5 Signale zur Ansteuerung der Steueranschlüsse der Steuerelemente (Transistoren) des Dreiphasenwechselrichters 3 erzeugt. Den Sollwerteingang eines jeden der drei separaten Regelkreise 7.1, 7.2, 7.3 bildet ein Sollwert für den Phasenstrom I_Soll.

Die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nun insbesondere im Zusammenhang mit Fig. 2 näher erläutert.

Die Pulsweitenmodulationssteuerung 5 beeinflußt die Steueranschlüsse der Steuerelemente im Wechselrichter 3 einerseits so, daß die Phasenlage der Ausgangsspannungen U₁, U₂, U₃ des Wechselrichters konstant ist, d. h. daß die drei Spannungen jeweils 12° zueinander versetzt sind. Der Mittelpunkt der Phasenspannungen U₁, U₂, U₃ wird durch den Punkt M_P in Fig. 2 gebildet.

Die im allgemeinen aufgrund der unterschiedlichen Lastimpedanzen der Last 4 auch unterschiedlichen Phasenströme i₁, i₂, i₃ werden mittels der Istwerterfassungen 6.1, 6.2, 6.3 gemessen und als Istwerteingangsgrößen auf die jeweiligen den einzelnen Phasen zugeordneten Regelkreise gegeben. Da den Regelkreisen als Sollwert jeweils derselbe gewünschte Betrag des Phasenstromes vorgegeben wird, arbeitet jeder Regler 7.1, 7.2, 7.3 über das ihm zugeordnete Stellglied 8.1, 8.2, 8.3 auf die Pulsweitenmodulationssteuerung 5 so, daß die dem Phasenstrom i₁, i₂, i₃ zugehörige Phasenspannung U₁, U₂, U₃ in ihrer Amplitude so verändert wird, daß trotz der in jeder Phase unterschiedlichen Lastimpedanz die jeweiligen Beträge der Phasenströme i₁, i₂, i₃ konstant sind.

Durch die Kopplung der drei Phasen beeinflußt zwar die Änderung einer der Phasenspannungen sämtliche drei Phasenströme. Allerdings ist die Beeinflussung der übrigen, nicht der jeweiligen Phasenspannung zugeordneten Ströme weitaus geringer als die Änderung des zugeordneten Phasenstromes, so daß sich die drei Regelkreise stabilisieren lassen.

Da die Summe der vektoriellen Addition der drei Phasenströme i₁, i₂, i₃ Null ist, kann die Bedingung der betragsmäßig gleichen Phasenströme nur dann erfüllt sein, wenn die Phasenströme i₁, i₂, i₃, wie in Fig. 2 dargestellt, ein gleichseitiges Dreieck aufspannen, wobei notwendigerweise die Phasenverschiebung der einzelnen Phasenströme zueinander 12° beträgt.

Die Erfüllung dieser Bedingung ist im allgemeinen nur möglich, wenn sich der Mittelpunkt M′_p des Phasenstromzeigersystems im Bezug auf den Mittelpunkt M_P des Phasenspannungssystems verschiebt.

Die in Fig. 2 dargestellten Phasenverschiebungswinkel ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃ zwischen den jeweiligen Phasenströmen i₁, i₂, i₃ und den an der Lastimpedanz ab fallenden Leiterspannungen U_L1, U_L2, U_L3 sind dabei unterschiedlich, nämlich entsprechend dem komplexen Widerstand der Last.

Durch die Symmetrierung der Phasenströme i₁, i₂, i₃ wird es erfindungsgemäß ermöglicht, daß in allen drei Phasen der Last derselbe gewünschte Betrag für den Phasenstrom erreicht werden kann, so daß der Umrichter optimal ausgenutzt wird.

Claims (4)

1. Umrichter zur Speisung einer dreiphasigen Last (4) mit einem netzgespeisten Gleichrichter (1), einem kapazitiven Zwischenkreis (2) und einem transistorisierten dreiphasigen Wechselrichter (3), an dessen Ausgang drei Phasenspannungen (U₁, U₂, U₃) gebildet werden, deren Amplituden und relativen Phasenlagen mittels einer Pulsweitenmodulationssteuerung (5) für die Transistoren des Wechselrichters (3) einstellbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Phasenstrom (i₁, i₂, i₃) jeweils ein Regler (7.1, 7.2, 7.3) vorgesehen ist, wobei jedem Regler (7.1, 7.2, 7.3) derselbe Sollwert für den Betrag des Phasenstromes zuführbar ist, wobei jeder Regelkreis (7.1, 7.2, 7.3) ein Stellglied (8.1, 8.2, 8.3) für die Modulation der Amplitude der dem jeweiligen Strangstrom (i₁, i₂, i₃) zugeordneten Phasenspannung (U₁, U₂, U₃) aufweist und wobei die Phasenlagen der Phasenspannungen durch die Pulsweitenmodulationssteuerung (5) jeweils 120° zueinander eingestellt sind.

2. Verfahren zur Symmetrierung der Phasenströme einer dreiphasigen von einem Umrichter gespeisten Last (4), bei dem die von einem netzgespeisten Gleichrichter (1) gelieferte Zwischenkreisspannung mittels eines pulsweitenmodulierbaren transistorisierten Wechselrichters (3) in drei hinsichtlich ihrer Amplitude und Phasenlage einstellbare Phasenspannungen (U₁, U₂, U₃) gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der drei Phasenströme (i₁, i₂, i₃) durch Stellen der Amplitude seiner zugehörigen Phasenspannung (U₁, U₂, U₃) auf den identischen Strombetrag geregelt wird, wobei die Phasenlage der Phasenspannungen (U₁, U₂, U₃) jeweils 120° zueinander beträgt.

3. Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Symmetrierung der Ströme in einem dreiphasigen Magnetrührer, insbesondere einem Strangrührer oder Kokillenrührer.

4. Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Symmetrierung der Ströme in einem Linearrührer.