DE4224795C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines stabilen Regelverhaltens einer Einspeiseschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines stabilen Regelverhaltens einer Einspeiseschaltung, bestehend aus einer Kreuz-Reihen­ schaltung zweier Steller, die jeweils aus einer Eingangs­ drossel, mindestens einem Schaltmittel und einem Ausgangs­ kondensator bestehen.

Aus der EP 03 83 971 A1 ist eine Einspeiseschaltung für eine Mehrsystemlokomotive bekannt. Diese Einspeiseschaltung be­ steht aus einem ersten und einem zweiten selbstgeführten vierpulsigen Stromrichter, wobei ein wechselstromseitiger Eingang eines ersten Brückenzweiges des ersten Stromrichters über eine Induktivität mit einem wechselstromseitigen Eingang eines ersten Brükkenzweiges des zweiten Stromrichters ver­ knüpft ist. Die zweiten wechselstromseitigen Eingänge dieser beiden Stromrichter sind in derselben Art miteinander ver­ knüpft. Als Induktivitäten sind die Sekundärwicklungen des Stromrichtertransformators vorgesehen. Durch eine in dieser europäischen Patentanmeldung beschriebenen Ansteuerung kann aus der beschriebenen Einspeiseschaltung eine Einspeise­ schaltung, bestehend aus zwei Aufwärtsstellern, erzeugt werden, wobei die beiden Aufwärtssteller eine Kreuz-Reihen­ schaltung bilden.

Aus der BBC-Druckschrift Nr. D VK 40076D mit dem Titel "Vier­ quadrantensteller - eine netzfreundliche Einspeisung für Triebfahrzeuge mit Drehstromantrieb", Sonderdruck aus "Elektrische Bahnen", Jahrgang 45, Heft 6, 1974, ist eine Einspeiseschaltung bekannt, die aus einer Wechselspannung eine konstante Gleichspannung mit geringen Oberschwingungen bereitstellt. Dem Wechselspannungsnetz (Einspeisung) wird dabei möglichst nur Wirkleistung entnommen, d. h., der Lei­ stungsfaktor ist groß. Der Aufwand für eine derartige Ein­ speiseschaltung in Gewicht, Volumen und Kosten soll möglichst gering sein.

Von der aus der EP 03 83 971 A1 bekannten Einspeiseschaltung ist in Fig. 1 ein Prinzipschaltbild näher dargestellt und dient zur Erläuterung des Problems. Diese Einspeiseschaltung 2 besteht aus einer Kreuz-Reihenschaltung zweier Steller 4 und 6. Der Steller 4 bzw. 6 enthält eine Eingangsdrossel 8 bzw. 10, ein Schaltmittel 12 bzw. 14, einen Gleichrichter 16 bzw. 18 und einen Ausgangskondensator 20 bzw. 22. Das Schalt­ mittel 12 bzw. 14 ist elektrisch parallel zur Reihenschaltung Ausgangskondensator 20 bzw. 22 - Gleichrichter 16 bzw. 18 und elektrisch in Reihe zur Eingangsdrossel 8 bzw. 10 geschaltet, wobei der dem Schaltmittel 12 bzw. 14 abgewandte Anschluß der Eingangsdrossel 8 bzw. 10 mit einem Verbindungspunkt 24 bzw. 26 der Reihenschaltung Gleichrichter 18 - Ausgangskondensator 22 des zweiten Stellers 6 bzw. der Reihenschaltung Gleich­ richter 16 - Ausgangskondensator 20 des ersten Stellers 4 verknüpft ist. Am Ausgangskondensator 20 bzw. 22 des ersten Stellers 4 bzw. des zweiten Stellers 6 steht eine erste Aus­ gangsspannung U_aus1 bzw. eine zweite Ausgangsspannung U_aus2 an. Die eingangsseitigen Anschlüsse 28 und 30 der Einspeise­ schaltung 2 werden jeweils von den Verbindungspunkten des Ausgangskondensators 20 - Schaltmittel 12 und des Ausgangs­ kondensators 22 - Schaltmittel 14 gebildet. An diesen An­ schlüssen 28 und 30 ist eine Spannungsquelle 32 angeschlos­ sen. Die Ausgangsspannung U_aus1 bzw. U_aus2 ist über das Tastverhältnis von der Eingangsspannung U_ein1 bzw. U_ein2 abhängig. D.h., die Ausgangsspannung U_aus1 bzw. U_aus2 ist über das Übersetzungsverhältnis des Stellers 4 bzw. 6 von der Eingangsspannung U_ein1 bzw. U_ein2 abhängig.

In Fig. 2 ist das zum Prinzipschaltbild der Einspeiseschal­ tung 2 nach Fig. 1 zugehörige regelungstechnische Block­ schaltbild dargestellt. Der Übersichtlichkeit halber ist auf die Darstellung einer zugehörigen übergeordneten Rege­ lung, an deren Steuerausgänge jeweils ein Steuersignal U_St1 und U_St2 für die Steller 4 und 6 anstehen, verzichtet worden. Für langsamere elektrische Vorgänge, als es der Schaltfre­ quenz bzw. Taktfrequenz des Stellers 4 bzw. 6 entspricht, kann in guter Näherung das getaktete Schaltmittel 12 bzw. 14 als Multiplizierer 34 und 36 bzw. 38 und 40 betrachtet wer­ den, wobei 34 und 38 das Stellverhalten für die Spannung und 36 und 40 das Stellverhalten für den Strom beschreiben. Die Eingangsdrossel 8 bzw. 10 und der Ausgangskondensator 20 bzw. 22 sind jeweils als Integrator 42 bzw. 44 und 46 bzw. 48 re­ gelungstechnisch dargestellt. Wie dieses regelungstechnische Blockschaltbild zeigt, bildet der Integrator 42 und 46 bzw. 44 und 48 einen Schwingkreis, der infolge seines geringen ohmschen Widerstandes schwach gedämpft ist. Dadurch werden Resonanzvorgänge nur schwach gedämpft.

Die natürlichen Resonanzschleifen, auch Schleife 1. Art ge­ nannt, sind in einem regelungstechnischen Blockschaltbild nach Fig. 2 in der Fig. 3 als unterbrochene Linien a und b dargestellt. Zusätzlich zu den natürlichen Resonanzschleifen a und b der Steller 4 und 6 stellen sich durch die Kreuz- Reihenschaltung der beiden Steller 4 und 6 noch zwei weitere Resonanzschleifen, auch Kreuzschleife 1 und Kreuzschleife 2 genannt, ein, die in der Fig. 3 als Punkt-Strich-Linien c und d dargestellt sind. Bei der Kreuzschleife 1 (Punkt- Strich-Linie c) bilden der Integrator 46 des Stellers 4 und der Integrator 44 des Stellers 6 einen schwach gedämpften Resonanzkreis. Bei der Kreuzschleife 2 (Punkt-Strich-Linie d) bilden der Integrator 48 des Stellers 6 und der Integrator 42 des Stellers 4 einen schwach gedämpften Resonanzkreis. In einer parallelen Patentanmeldung (DE 42 24 796 A1) ist angegeben, wie eine Schleife 1. Art auf einfache Weise aufgetrennt werden kann.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, wobei mit einfachen Mitteln die Kreuzschleifen bei einer eingangs beschriebenen Einspei­ seschaltung aufgetrennt werden konnen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An­ spruchs 1 und des Anspruchs 2 gelöst.

Durch die Korrektur der Steuersignale für die beiden Steller der Einspeiseschaltung in Abhängigkeit einer erzeugten Stel­ lerregeldifferenzspannung aus einer Stellerausgangsspannung und eines zugehörigen Ausgangsspannungs-Sollwertes jeweils eines anderen Stellers werden der Einspeiseschaltung korri­ gierte Steuersignale zugeführt, wodurch jeweils die Kreuz­ schleifen aufgetrennt werden. D.h., durch eine externe Zu­ satzmaßnahme wird das regelungstechnische wirksame Ersatz­ schaltbild der Einspeiseschaltung nach Fig. 2 derart ver­ ändert, daß jeweils die geschlossene Resonanzschleife aufge­ trennt wird.

Da bei der Verwendung der Einspeiseschaltung zur Versorgung eines Spannungszwischenkreises die Stellerausgangsspannung vorzugsweise konstant zu halten ist, bietet es sich an, die Rückwirkung dieser Stellerausgangsspannung auf den jeweils anderen Stellerkreis aufzutrennen. Eine vollständige Elimina­ tion der rückwirkenden Spannung ist nicht absolut möglich, aber deren Änderung um einen definierten Arbeitspunkt kann vollständig in der Rückwirkung beseitigt werden, wodurch die Kreuzschleifen aufgetrennt werden. Die Stellerausgangsspan­ nung wird dazu in eine konstante Arbeitspunktkomponente und in eine Komponente, die die Abweichung von diesem Punkt wie­ dergibt, zerlegt. Die Ansteuerung geschieht auf der Signal­ seite entsprechend normiert mit einer dieser Abweichung pro­ portionalen Komponente. Der Regeleingriff einer übergeordne­ ten Regelung wird nun gleichermaßen normiert, der Kreuzschlei­ fenauftrennung additiv überlagert, wobei dieser Regler wegen der Schleifenauftrennung eine freizügige Dimensionierung zuläßt, die sich nur noch an den verbleibenden Strecken­ komponenten sowie der Steller-Taktfrequenz orientiert.

Durch diese funktionsmäßige Auftrennung der Kreuzschleifen c und d der Einspeiseschaltung 2, bestehend aus einer Kreuz- Reihenschaltung zweier Steller 4 und 6, erhält man ein stabi­ les Regelverhalten dieser Einspeiseschaltung 2.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel nach der Erfin­ dung schematisch veranschaulicht ist.

Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens.

In Fig. 4 ist anstelle des regelungstechnischen Blockschalt­ bildes der Einspeiseschaltung nach Fig. 2 der Übersichtlich­ keit halber nur ein mit einer Strich-Punkt-Linie veranschau­ lichter Block dargestellt. An den Ausgängen dieser Einspeise­ schaltung 2 stehen die Stellerausgangsspannungen U_aus1 und U_aus2 an. Diese Ausgangsspannungen U_aus1 und U_aus2 werden je­ weils mittels einer Meßeinrichtung 50 einem Vergleicher 52 und 54 zugeführt. Am positiven Eingang des Vergleichers 52 steht ein zur Stellerausgangsspannung U_aus1 zugehörige Aus­ gangsspannungs-Sollwert U*_aus1 an. Am positiven Eingang des Vergleichers 54 steht ein zur Stellerausgangsspannung U_aus2 zugehörige Ausgangsspannungs-Sollwert U*_aus2 an. Der Ausgang des Vergleichers 52 ist über einen Addierer 56 mit einem zweiten Steuereingang 58 und der Ausgang des Vergleichers 54 ist über einen Addierer 60 mit einem ersten Steuereingang 62 verbunden. Der Vergleicher 52 bzw. 54 zerlegt die Stellerausgangsspannung U_aus1 bzw. U_aus2 in einer konstanten Arbeits­ komponente U*_aus1 bzw. U*_aus2 und in eine Komponente ΔU_aus1 bzw. ΔU_aus2, die die Abweichung von der Arbeitskomponente wiedergibt. Diese Komponente ΔU_aus1 bzw. ΔU_aus2 steht am Ausgang des Vergleichers 52 bzw. 54 an. Diese auch als Stellerregeldifferenzspannung bezeichnete Komponente ΔU_aus1 bzw. ΔU_aus2 wirkt auf das Steuersignal U_St2 für den zweiten Steller 6 bzw. auf das Steuersignal U_St1 des ersten Stellers 4 additiv ein. D.h., immer die ermittelte Stellerregeldifferenzspannung ΔU_aus1 bzw. ΔU_aus2 des einen Stellers 4 bzw. 6 wird zum Steuersignal U_St2 bzw. U_St1 des anderen Stellers 6 bzw. 4 dazuaddiert. Das so erzeugte korrigierte Steuersignal U′_St1 bzw. das Steuersignal U′_St2 wird dem ersten Steuereingang 62 bzw dem zweiten Steuer­ eingang 58 der Einspeiseschaltung 2 zugeführt.

Dadurch ist die rückwirkende Spannung U_aus1 bzw. U_aus2 nicht absolut eliminiert, jedoch deren Änderungen ΔU_aus1 bzw. ΔU_aus2 um einen definierten Arbeitspunkt, beispielsweise der Aus­ gangsspannungs-Sollwert U*_aus1 bzw. U*_aus2, kann vollständig in der Rückwirkung beseitigt werden. Dadurch erhält man ein stabiles Regelverhalten der Einspeiseschaltung. Die Auftren­ nung der in Fig. 3 dargestellten Schleife 1. Art (unterbro­ chene Linie a und b) kann mit der hier dargestellten Auftren­ nung der Kreuzschleifen c, d kombiniert werden. Die Kreuz­ schleifen lassen sich mit dem beschriebenen Verfahren unab­ hängig von den Schleifen 1. Art auftrennen.

Claims (2)

1. Verfahren zur Erzeugung eines stabilen Regelverhaltens einer Einspeiseschaltung (2), bestehend aus einer Kreuz-Rei­ henschaltung zweier Steller (4, 6), die jeweils aus einer Ein­ gangsdrossel (8, 10), mindestens einem Schaltmittel (12, 14) und einem Ausgangskondensator (20, 22) bestehen, wobei in Ab­ hängigkeit je einer erfaßten Stellerausgangsspannung (U_aus1, U_aus2) und je eines zugehörigen Ausgangsspannungs-Sollwertes (U*_aus1, U*_aus2) eine erste und eine zweite Stellerregeldiffe­ renzspannung (ΔU_aus1, ΔU_aus2) bestimmt wird, die jeweils ein zweites und ein erstes Steuersignal (U_St2, U_St1) der Einspei­ seschaltung (2) korrigieren und diese korrigierten Steuer­ signale (U′_St2, U′_St1) der Einspeiseschaltung (2) zugeführt werden.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Einspeiseschaltung (2), bestehend aus einer Kreuz- Reihenschaltung zweier Steller (4, 6), die jeweils aus einer Eingangsdrossel (8, 10), mindestens einem Schaltmittel (12, 14) und einem Ausgangskondensator (20, 22) bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellerausgänge (U_aus1, U_aus2) mittels je einer Meßeinrichtung (50) mit je einem Vergleicher (52, 54) verknüpft sind, an dessen positivem Eingang ein Ausgangsspannungs-Sollwert (U*_aus1, U*_aus2) ansteht, daß die Ausgänge der Vergleicher (52, 54) jeweils mit einem ersten Eingang eines Addierers (56, 60) verbunden sind, an dessen zweitem Eingang eine Steuerspannung (U_St2, U_St1) des anderen Stellers (6, 4) ansteht, und daß die Ausgänge der Addierer (56, 60) jeweils mit einem Steuereingang (58, 62) der Einspeiseschaltung (2) verbunden sind.