DE4306345C1 - Verfahren und Anordnung zur Modifizierung der Sollwertvorgabe für die Stromregler eines Direktumrichters während einer Stormrichtungsumschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Modifizierung der Sollwertvorgabe für die Stromregler eines Direktumrichters während einer Stromrichtungsumschaltung wie es im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher bezeichnet ist.

Zum Verständnis und zur besseren Zuordnung der Erfindung wird zunächst auf Fig. 3 verwiesen, die eine bekannte, schematische Steuerungsschaltung von über Direktumrichter gespeiste Synchronmaschinen zeigt, wie sie z. B. bei Walzwerkantrieben Verwendung finden (Siemens Power Engineering Guide, 1986, Seiten 10/38 und 10/39).

Dort wird ein Synchronmotor 1 über drei Einzelstromrichter 2u, 2v, 2w gespeist, die den Direktumrichter bilden und über Transformatoren 3 an ein Mehrphasennetz angeschlossen sind. Jedem der Einzelstromrichter ist ein als Phasenstromregler eingesetzter PI-Stromregler 4 zugeordnet, der einerseits zugeordnet errechnete Stromsollwerte W_{i schalt} U, V, W von einer Maschinenführung 5 und andererseits abgegriffene Stromistwerte X_iS U, V, W über einen Subtraktionspunkt 20 zugeführt bekommt und wobei jeder Phasenstromregler eine Steuerspannung U_St1 bzw. U_St2 bzw. U_St3 abgibt. Dieser Steuerspannung wird zugeordnet über einen Additionspunkt 21 jeweils eine Sollspannung W_Us U, V, W von der Maschinenführung 5 aufgeschaltet. Der Maschinenführung 5 wird neben den Strom- und Spannungsistwerten X_iS U, V, W bzw. X_US U, V, W die Istdrehzahl X_n und die Lage des Rotors (cos λ, sin λ) des Motors 1, ein von einem Feldstromregler 6 abgeleiteter Flußsollwert W_{ψ S} und das Sollmoment W_M aus einer überlagerten Drehzahlregelung 7 zugeführt.

An die bei einer solchen Anordnung mit Direktumrichter eingesetzten Stromregler 4 werden besondere Anforderungen hinsichtlich der Dynamik gestellt. Um den erforderlichen sinusförmigen Strom in die Maschine 1 einprägen zu können, müssen sie jeweils - unterstützt durch eine Ausgangsspannungsvorsteuerung - das korrekte Übergangsverhalten in allen Betriebsbereichen sicherstellen. Abweichungen der Stromkurvenform einer Phase wirken sich stets auch verzerrend auf die beiden anderen Phasen aus.

Die Einhaltung einer optimalen Sinusform des Phasenstromes ist eine Grundvoraussetzung für einen vernünftigen Direktumrichterbetrieb. Eine wesentliche Einflußgröße ist die Dauer und zeitliche Lage der stromlosen Umschaltpause bei einem (+, -)-Wechsel der jeweils stromführenden Stromrichterbrücke. Die stromlose Umschaltdauer beeinflußt nicht nur den Verlauf des Stromes in der entsprechenden Phase, sondern hat auch Rückwirkungen auf die beiden anderen Phasen, was durch die lineare Abhängigkeit des gesamten Systems bedingt ist. Die stromlose Pause sollte so klein wie technisch realisierbar sein und darüber hinaus symmetrisch zum eigentlichen Nulldurchgang des sinusförmigen Stromsollwertes liegen.

Das ist meist oder oft nicht der Fall und ist bedingt durch die Pulsationen des Strom-Istwertes X_i um den idealen, strichpunktiert dargestellten Sollwertverlauf W_i, wie es Fig. 1 zeigt. Fig. 1a zeigt vergrößert den hier interessierenden Nulldurchgang des Sollwertes W_i beim (+, -)-Wechsel und den Istwertverlauf X_i. Der Nulldurchgang des Strom-Istwertes X_i würde nach Fig. 1a gegenüber dem Sollwert verspätet erfolgen, da vor dem Nulldurchgang nochmals in positiver Richtung gezündet würde (vgl. punktierte Stromkuppe); dann käme die stromlose Pause und erst danach eine Freigabe für die andere Stromrichtung. Das bringt unerwünschte Verzerrungen mit Stromspitzen und hat ein Hin- und Herschalten der Regler zur Folge.

In den US-PS 47 66 360 und 47 77 581 sowie der GB-PS 13 52 881 ist das Problem der durch Oberschwingungen behinderten Stromnulldurchgangserfassung bei kreisstromförmigen Direktumrichtern ebenfalls angesprochen.

Neben der einwandfreien Erfassung des Stromnulldurchganges und der Sperrfähigkeit der zuletzt stromführenden Gruppe bietet eine von der Sinusform abweichende Sollwertvorgabe vor einer Umschaltung eine Maßnahme zur Verkürzung und zeitlichen Symmetrierung der stromlosen Pause. Dazu ist aus der Praxis ein druckschriftlich nicht als Stand der Technik belegbares dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2 zugrunde liegendes Verfahren bekannt, bei dem durch Differenzierung des sinusförmigen Stromsollwertes mittels eines Differenziergliedes ein Voreilen des Umschaltsollwertes erzeugt wird, was die vorzeitige Umschaltung einleitet. Dies hat aber regelungstechnische Nachteile, die sich durch das Differenzierglied ergeben, bei dem kleinste Störungen abrupte schwer auszuregelnde Änderungen ergeben.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine weitgehende Symmetrierung der Umschaltpause auf den Nulldurchgang zu erreichen und dabei die Umschaltpause durch Unterdrücken ungewollter Stromkuppen in der alten Richtung zu verkleinern, ohne daß Differenzierglieder verwendet werden müssen.

Diese Aufgabe wird für ein Verfahren nach der Erfindung gemäß dem kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß es zweckmäßig ist, den sinusförmigen Stromsollwert bereits kurz vor dem Nulldurchgang, d. h. kurz vor einer Umschaltung in die andere Stromrichtung, lastabhängig abzuschalten und auf einen entsprechenden Schaltsollwert mit umgekehrtem Vorzeichen umzuschalten. Dann wird in der alten Richtung kein neuer Zündimpuls mehr mit nachfolgender störender Stromkuppe (vgl. Fig. 1a) ausgegeben, und die Freigabe für die andere Stromrichtung kann bereits kurz nach dem Nulldurchgang des eigentlichen Sollwertes erfolgen. Durch günstige Wahl des Sollwertverlaufes kann letztlich erreicht werden, daß das Verlöschen und der Neuaufbau des Stromes symmetrisch zum Nulldurchgang des Sollwertes liegt. Der optimale Verlauf des Sollwertes für die Umschaltung hängt hauptsächlich von der Belastung (Höhe der Stromamplitude) ab und weniger von der Frequenz. Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens mit vorteilhaften Ausgestaltungen ist den Unteransprüchen entnehmbar.

Anhand der schematischen Zeichnungsfiguren wird die Erfindung im nachstehenden näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 und 1a Darstellungen zum Soll-Istwertverlauf des Strom,

Fig. 2 Blockschaltbild für eine leistungsabhängige Sollwertvorgabe für die Phasenstromregler,

Fig. 3 eine bekannte Maschinensteuerung (bereits behandelt) mit Zuordnung des Erfindungsgegenstandes.

Die Fig. 1 und 1a wurden bereits behandelt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren und seine Anordnung zur Durchführung ergibt sich ein Nulldurchgang für den Stromistwert X_i, wie er in den Figuren zwischen -T1 und +T1 dick ausgezogen dargestellt ist.

Mit einer Schaltung, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, kann dieser Verlauf realisiert werden. Die Schaltung dient der belastungsfähigen Sollwertvorgabe für die Phasenstromregler 4 (vgl. Fig. 3) und ist der dortigen Maschinenführung zuzuordnen. In der Fig. 2 ist mit 31 ein Bewertungsglied bezeichnet, durch das ein vom Laststrom i_l (drehmomentbildende Stromkomponente im flußbezogenen Bezugssystem) aus der Maschinenführung 5 abhängiger Bereich Δi vorgegeben wird, der durch einen Parameter Δi max einstellbar ist. Der über einen Absolutwertbildner 32 gewonnene Betrag wird einerseits einem Differenzbildner 33 zugeführt und dort mit dem über einen weiteren Absolutwert 34 gewonnenen Betrag des sinusförmigen Stromsollwertes W_i verglichen und andererseits über eine Multiplizierstufe 35, die ein Vorzeichen zuordnet, dem Speicher eines Sample-&-Hold-Gliedes 36 zugeführt. Ist der Betrag des sinusförmigen Sollwertes einer Phase |W_i| größer als der Betrag |Δi|, so wird über den negativ wirkenden Anteil des Sollwertes der Phase der Sollwert nicht beeinflußt, d. h. W_{i sin} U, V, W wird vom Umschalter 37 im Schaltmodus a unverändert ausgegeben.

Tritt dagegen der Sollwertbetrag der Phase W_{i sin} U, V, W kleiner werdend in den Bereich von Δi, dann wird ein neuer Sollwert, der sogenannte Schaltsollwert W_{i schalt} U, V, W an die Stromregler 4 (vgl. Fig. 3) ausgegeben, der dem im Sample-&-Hold-Glied 36 gespeicherten Betrag |Δi| entspricht mit gegenüber dem sinusförmigen Sollwert umgekehrten Vorzeichen. Das Umschalten geschieht, sobald die erste Schwellwertstufe 38 anspricht, die einerseits den Umschalter 37 und andererseits das Sample-&-Hold-Glied 36 in den Schaltmodus b gehen, d. h. auf Speicherbetrieb umschalten läßt.

Die Vorzeichenumkehr wird über die Multiplizierstufe 35 bewirkt, der ein an -1 und +1 liegender Vorzeichenumschalter 39 vorgeschaltet ist, der von einer zweiten Schwellwertstufe 40 gesteuert wird. Letztere spricht etwa gleichzeitig mit Schwellwertstufe 38 an.

Claims (4)

1. Verfahren zur Modifizierung der sinusförmigen Sollwerte für die Stromregler eines kreisstromfreien Direktumrichters während einer Stromrichtungsumschaltung, insbesondere bei maschinengeführter Steuerung von über Direktumrichter gespeisten Synchronmaschinen dadurch gekennzeichnet, daß die Stromsollwerte (W_{i sin} U, V, W) über eine Anordnung geführt werden, die abhängig vom Laststrom (i_l) einen einstellbaren Umschaltwert (Δi) erzeugt, und die eine Umschaltung der Sollwertvorgabe für die Stromregler (4) vom sinusförmigen Stromsollwert (W_{i sin} U, V, W) auf einen Schaltsollwert mit umgekehrtem Vorzeichen (W_{i schalt} U, V, W) bewirkt, wenn und solange der sinusförmige Stromsollwert (W_{i sin} U, V, W) den Umschaltwert (Δi) betragsmäßig unterschreitet.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem kreisstromfreien Direktumrichter mit Stromreglern, deren sinusförmige Sollwerte während der Stromrichtungsumschaltung modifiziert werden, dadurch gekennzeichnet,

• - daß ein Bewertungsglied (31) abhängig vom Laststrom (i_l) den Umschaltwert (Δi) abgibt und mit seinem Ausgang über einen Absolutwertbildner (32) geführt für jede Phase mit je einem Differenzbildner (33) verbunden ist.
• - daß über je einen weiteren Absolutwertbildner (34) der jeweils sinusförmige Stromsollwert (W_{i sin} U, V, W) am Differenzbildner (33) anliegt,
• - daß die Betragsdifferenz (|Δi|-|W_i|) über je eine erste Schwellwertstufe (38) jeweils einem Umschalter (37) zugeführt wird,
• - daß mit dem Umschalter (37) einerseits der Stromsollwert und andererseits je ein Sample-&-Hold-Glied (36) verbunden ist,
• - daß der Umschaltwert (Δi) als Schaltsollwert W_{i schalt} U, V, W) mit umgekehrtem Vorzeichen im Sample-und-Hold-Glied (36) gespeichert ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Multiplizierstufe (35) eingangsseitig einerseits mit dem ersten Absolutwertbildner (32) und andererseits mit einem Vorzeichenumschalter (39) verbunden ist, der von einer zweiten Schwellwertstufe (40) gesteuert wird, die an den sinusförmigen Stromsollwert (W_{i sin} U, V, W) angeschlossen ist, und ausgangsseitig mit dem Sample-&-Hold-Glied (36) verbunden ist.

4. Anordnung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Sample-&-Hold-Glied (36) durch das Ausgangssignal der ersten Schwellwertstufe auf Haltestellung umgeschaltet wird, wenn der Stromsollwert den Umschaltwert betragsmäßig unterschreitet.