DE69029447T2

DE69029447T2 - Thyristorwandlersystem mit Unterdrückung von Oberwellen

Info

Publication number: DE69029447T2
Application number: DE1990629447
Authority: DE
Inventors: Isao Furo; Isao Iyoda; Hiroshi Suzuki; Makoto Terada
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1989-09-18
Filing date: 1990-09-18
Publication date: 1997-06-26
Anticipated expiration: 2010-09-19
Also published as: JPH03103032A; CA2025505C; EP0419217A2; EP0419217B1; JP2690155B2; EP0419217A3; CA2025505A1; DE69029447D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft Wandlersysteme zum Umwandeln von Wechselstromenergie in Gleichstromenergie mit Unterdrückung von höheren harmonischen Schwingungen am Installationspunkt.
In einem Fall, in dem Halbleiter-Wandlerschaltungen, wie z.B. Wechselrichter, Brücken-Thyristorstromrichter, Thyristormotoren, die Direktumrichter verwenden, usw. direkt an Energieversorgungssysteme angeschlossen sind, fließen von den Wandlerschaltungen erzeugte höhere harmonische Schwingungen in die Energiesysteme, die gewöhnlich eine kleinere Impedanz haben, so daß in der Energieversorgung eine Oberwellenverzerrung erzeugt wird. Daher werden den Lasten, die mit dem Energieversorgungssystem verbunden sind, Spannungen mit Oberwellenverzerrungen zugeführt. Diese höheren harmonischen Schwingungen können die elektrischen Bauelemente, insbesondere Kondensatoren, die damit gespeist werden, überhitzen, was manchmal zum Ausfall der Isolation führen kann. Wenn andererseits Drosselspulen in Reihe mit den Kondensatoren geschaltet sind, um zu verhindern, daß die höheren harmonischen Schwingungen in die Kondensatoren fließen, kann in solchen Drosselspulen abnormales Rauschen oder ein Temperaturanstieg beobachtet werden.
Um die durch die höheren harmonischen Schwingungen hervorgerufenen Schäden zu verringern, werden passive Filter, die aus passiven Elementen, wie etwa Drosselspulen und Kondensatoren bestehen, oder aktive Filter, die aus aktiven Elementen bestehen, verwendet. Diese Filter haben jedoch einen gewissen Widerstand, der Einfügungsenergieverluste erhöht und damit den Wirkungsgrad des Systems herabsetzt.
Fig. 1 zeigt ein herkömmliches System zum Unterdrücken von höheren harmonischen Schwingungen (EP-A-0 254 073). Mit einem Zwischenpunkt 4 zwischen der Stromversorgungsseite 1 und einer Lastseite 2 ist eine Abzweigleitung 3 für das System zum Unterdrücken der höheren harmonischen Schwingungen gekoppelt. Die Ausgangssignale der Transformatorinstrumente 40, 41 und 42, die jeweils die Spannung an dem Abzweigpunkt, den Laststrom auf der Seite der Nutzerlast und den Strom an der Seite der Energieversorgung messen, werden in die Meß/Überwachungs/Steuerschaltung 5 eingeführt, die die höheren harmonischen Schwingungen mißt und überwacht. Eine Hauptfilterschaltung 6, die mit dem Zwischenpunkt 4 verbunden ist, um die höheren harmonischen Schwingungen zu absorbieren, wird von der Steuerschaltung 5 gesteuert.
In dem System gemäß Fig. 1 werden die höheren harmonischen Schwingungen, die von mit der Nutzerlastseite 2 verbundenen elektrischen Komponenten erzeugt werden und in die Energieversorgungsseite 1 fließen, in die Filterschaltung 6 abgezweigt, um dort absorbiert zu werden. Somit wird der Anteil an höheren harmonischen Schwingungen, die in die Stromversorgungsseite 1 fließen, verringert.
Dieses System zum Unterdrücken der höheren harmonischen Schwingungen ist sowohl vom Prinzip her als auch im praktischen Betrieb an sich gut. Die Installationskosten können jedoch sehr hoch werden, wenn solche Systeme für jede einzelne der Lasten, die mit dem Energieversorgungssystem verbunden sind, vorgesehen werden sollen.
Unter den Lasten, die mit der Stromversorgung verbunden sind, gibt es solche, die eine Wellenform-Feinsteuerung verlangen, die mit Hilfe von Wechselrichtern, Direktumrichtern oder dergleichen durchgeführt wird. Es gibt aber auch Lasten mit großer Trägheit, wie etwa elektrische Widerstandsheizeinrichtungen oder Elektrolysezellenlasten, bei denen geringe Schwankungen keine Rolle spielen und für deren Betrieb nur das Zeitintegral der Energie oder das des ihnen zugeführten Stroms von Bedeutung ist. Im Fall dieser Lasten haben kleine Schwankungen der Wellenform nur eine geringe Auswirkung auf ihren Betrieb. Wenn nämlich die Lasten nur auf die Wärmemenge oder die Elektrizitätsmenge ansprechen, die dem Zeitintegral der Energie oder des Stroms entspricht, werden die momentanen Schwankungen in den Wellenformen infolge der Integrationsoperation gefiltert und geglättet und haben daher keine wesentliche Auswirkung.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher eine Hauptaufgabe der Erfindung, ein einfaches und kostengünstiges Wandlersystem zum Umwandeln eines von einer Wechselstromquelle gelieferten Wechselstroms in einen Gleichstrom anzugeben, der einer Abzweigsystemlast zugeführt wird, die gegenüber einer Hochfrequenzabweichung tolerant ist, wobei die Erzeugung von höheren harmonischen Schwingungen wirkungsvoll unterdrückt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Wandlersystem zur Unterdrückung von höheren harmonischen Schwingungen angegeben, das geeignet ist, an einen Zwischenpunkt zwischen einer Wechselstromquelle und Lasten angeschlossen zu werden, wobei das Wandlersystem folgendes aufweist:
- eine Meßeinrichtung zum Messen von elektrischen Parametern an der Stromquellenseite und der Lastenseite;
- eine Steuerschaltungseinrichtung, die mit ihren Eingängen an die Ausgänge der Meßeinrichtung angeschlossen ist und deren Ausgänge an eine Absorptionseinrichtung für hohe harmonische Frequenzen angeschlossen sind, wobei die Steuerschaltungseinrichtung wirksam ist, um die Absorptionseinrichtung für hohe harmonische Frequenzen zu steuern, um höhere harmonische Schwingungen zu reduzieren, die an der Stromquellenseite enthalten sind, wobei die Absorptionseinrichtung für hohe harmonische Frequenzen auch wirksam ist, um die zugeführte Wechselstromenergie in Gleichstromenergie umzuwandeln, und ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Absorptionseinrichtung für hohe harmonische Frequenzen eine Halbleiter-Wandlerschaltungseinrichtung aufweist, die dazu dient, ein Ausgangssignal von der Steuerschaltungseinrichtung zu empfangen;
und daß eine spezifische Abzweiglast, die eine große Zeitkonstante im Zusammenhang mit dem Rest der Lasten hat, derart angeordnet ist, daß sie mit Gleichstromenergie von der Halbleiter-Wandlerschaltungseinrichtung versorgt wird;
wobei die Steuerschaltungseinrichtung wirksam ist, um:
(i) einen Verzögerungswinkel bzw. einen Überlappungswinkel zu unterscheiden, die einen Nullpegel bzw. eine Anstiegszeit in der Stromwellenform der Halbleiter-Wandlerschaltungseinrichtung repräsentieren;
(ii) hohe harmonische Frequenzkomponenten zu bestimmen; und
(iii) den Verzögerungswinkel und den Überlappungswinkel auf gewünschte Werte einzustellen, und zwar durch Steuerung der Halbleiter-Schaltelemente der Halbleiter-Wandlerschaltungseinrichtung, um den der Verzweigungslast zugeführten Strom zu variieren und somit den vorgegebenen Pegel der hohen harmonischen Frequenzkomponenten auf einen Sollwert zu bringen.
Es wird bevorzugt, daß die Steuerschaltungseinrichtung folgendes aufweist: Abtast- und Halteschaltungseinrichtungen, um Abtastwerte der elektrischen Parameter zu halten, die zu vorgegebenen Zeitpunkten von der Meßeinrichtung gemessen werden; eine Multiplexereinrichtung, die an die Abtast- und Halteschaltungseinrichtungen angeschlossen ist, um die Ausgangssignale der Abtast- und Halteschaltungseinrichtungen im Multiplexbetrieb abzugeben; und einen Mikroprozessor, der an die Multiplexereinrichtung angeschlossen ist, um den Steuerverzögerungswinkel in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal von der Multiplexereinrichtung zu bestimmen.
Weitere bevorzugte Merkmale sind in den Ansprüchen 2 bis 8 angegeben.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die neuen Merkmale, die als für die Erfindung charakteristisch angesehen werden, sind im einzelnen in den anhängenden Ansprüchen aufgeführt. Die Erfindung selbst läßt sich jedoch sowohl hinsichtlich ihrer Organisation als auch ihrer Funktionsweisen in Verbindung mit weiteren Zielen und Vorteilen am besten aus der genauen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen verstehen; die Zeichnungen zeigen in:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines herkömmlichen Systems zum Unterdrücken von höheren harmonischen Schwingungen;
Fig. 2 repräsentative Wellenformen in einer Dreiphasen- Wandlerschaltung vom Thyristorbrückentyp;
Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Thyristor-Wandlersystems mit Unterdrückung von höheren harmonischen Schwingungen gemäß der Erfindung;
Fig. 4 ein Blockschaltbild, das eine Implementierung des Thyristor-Wandlersystems gemäß Fig. 3 zeigt; und
Fig. 5 ein Flußdiagramm, das die Operation der Steuerschaltung des Wandlersystems von Fig. 4 zeigt, wobei die Fig. 5(A) und 5(B) die erste bzw. die zweite Hälfte des Operationsablaufs zeigen.
In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile oder Elemente.

GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Zuerst wird das Prinzip der Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben, die die Spannungs- und Stromwellenformen einer Wandlerschaltung vom Dreiphasen-Thyristorbrückentyp (Gleichrichterschaltung) zeigt, um Wechselstromenergie in Gleichstromenergie gleichzurichten. In Fig. 2 bezeichnen die Kurven W1 und W2 die Speisespannung der ersten bzw. der dritten Phase; die Kurve W3 bezeichnet den Leitungsstrom der ersten Phase, d. h. den Strom durch ein Thyristor-Wandlerschaltungselement (einen Zweig der Thyristorbrückenschaltung) entsprechend der ersten Phase.
Wie Fig. 2 zeigt, ist der Leitungsstrom W3 der ersten Phase Null während einer Verzögerungszeit α (die dem Steuerverzögerungswinkel α entspricht) ab dem Zeitpunkt t1, zu dem die Spannungswellenformen W1 und W3 der ersten und der dritten Phase einander kreuzen, so daß der Wert von W1 größer als der von W2 wird.
Ab dem Zeitpunkt t2 am Ende der Verzögerungszeit α nimmt der Leitungsstrom W3 der ersten Phase allmählich während der Anstiegszeit u (die dem Überlappungswinkel u entspricht) zu, um den stabilen Konstantwert Id zum Zeitpunkt t3 am Ende der Anstiegszeit u zu erreichen. Für den Fall, daß der Überlappungswinkel u nicht vernachlässigbar klein ist, ist es wohlbekannt, daß der Überlappungswinkel u wie folgt ausgedrückt werden kann:
u = - α + cos&supmin;¹ {cosα - (6XsId)/(π Ed&sub0;)} --- (1)
mit:
α = Verzögerungswinkel;
Id = Schaltungsgleichstrom;
Edo = mittlere Gleichspannung im lastfreien/steuerungslosen Zustand, die gleich ca. 2,34 Vs ist;
Xs = Reaktanz der Stromversorgungsseite (d. h. die Kommutierungsreaktanz je Phase); und
Vs = angelegte Leitungs-Wechselspannung (d. h. der effektive Wert der Versorgungsphasenspannung).
Wenn zum Zweck der Änderung des Ausgangssignals des Wandlers zur Lastseite der Verzögerungswinkel α oder der Wert der Last selbst variiert wird, wird der Überlappungswinkel u auf dem Wert stabilisiert, der der obigen Gleichung (1) genügt.
Während dieser Änderungen kann die Reaktanz Xs hinter der Stromversorgungsseite als im wesentlichen konstant angesehen werden. Unter Bildung des Differentials der obigen Gleichung (1) erhält man daher:
Daraus erhält man unter der Annahme DEdo = 0 die folgende Gleichung (2):
Xs = (π /6)Ed&sub0; (Δα /ΔId) {sin(u + α ) - sin α } --- (2) .
Somit kann die Reaktanz Xs der Stromversorgungsseite mit Hilfe dieser Gleichung (2) bestimmt werden, wenn die Änderung ΔId des Gleichstroms Id, die der Änderung der Last entspricht, bekannt ist.
Durch Nutzung des Werts der Reaktanz Xs der Stromversorgungsseite, der wie oben beschrieben erhalten ist, kann die Beziehung zwischen dem Steuerverzögerungswinkel α und dem Überlappungswinkel u mittels der folgenden Gleichung (3) eindeutig bestimmt werden:
cos α - cos(α + u) = (6XsId)/(π Ed&sub0;) --- (3) .
Allgemein gesagt, es nehmen die höheren harmonischen Schwingungsanteile (die Verhältnisse der höheren harmonischen Schwingungskomponenten in bezug auf die Grundkomponente), die in der Eingangswellenform der Wandlerschaltung enthalten sind, die aus der Dreiphasen-Thyristorbrücke besteht, mit der Zunahme des Überlappungswinkels u ab. Wie dem Fachmann wohlbekannt ist, kann die exakte Beziehung zwischen den höheren harmonischen Schwingungsanteilen und dem Überlappungswinkel u auf der Grundlage der Fourieranalyse bestimmt werden. Somit kann allgemein geschlossen werden, daß die höheren harmonischen Schwingungsanteile rasch abnehmen, wenn der Überlappungswinkel u von 0 auf 30º zunimmt.
Wenn der Verzögerungswinkel α auf einen vorbestimmten Wert festgelegt ist, ist der Überlappungswinkel u durch den Zustand der angeschlossenen Last (d. h. die Werte des Gleichstroms Id und der Spannung Edo) und den Zustand der Stromversorgungsseite (d. h. den Wert der Reaktanz Xs) bestimmt. Ferner können die höheren harmonischen Schwingungsanteile auf der Grundlage des Verzögerungswinkels α und des Überlappungswinkels u errechnet werden.
Wie oben beschrieben, wird daher in der Wandlerschaltung vom Brückentyp zum Gleichrichten von Wechselstromenergie in Gleichstromenergie der Überlappungswinkel aus den Zuständen der Last und der Stromversorgungsseite bestimmt, wenn der Verzögerungswinkel α geändert wird, und daher können die höheren harmonischen Schwingungsanteile modifiziert werden.
Wenn der Überlappungswinkel u und der Verzögerungswinkel α wie oben beschrieben gesteuert werden, ändert sich das Eingangssignal zu der Last, d. h. die Wärmemenge oder die Elektrizitätsmenge (d. h. die elektrische Ladung), bei Beobachtung in bezug auf kurze Zeitdauern. Die akkumulative Wärmemenge oder Elektrizitätsmenge, die zu dem Zeitintegral der an die Last angelegten Energie oder des Stroms proportional ist, kann auf einen vorbestimmten Wert, der von der Last verlangt wird, eingestellt werden, wenn der Wert des Eingangs-Wechselstroms mit Hilfe einer geeigneten Regeleinrichtung, wie etwa eines induktiven Spannungsreglers (IVR), eingestellt wird. Nachstehend wird die Methode dieser Einstellung für den Fall beschrieben, in dem (1) die Last eine Widerstandsheizeinrichtung oder eine Glühlampe ist und (2) die Last eine von einem Gleichrichter getriebene Last ist.
(1) In dem Fall, in dem die Last eine Widerstandsheizeinrichtung oder eine Glühlampe ist, können Einstellung und Regelung der darin erzeugten Wärmemenge wie folgt durchgeführt werden.
Wenn der Last ein Strom zugeführt wird, der höhere harmonische Schwingungen aufweist, kann der Eingangsstrom I zu der Last wie folgt geschrieben werden:
Somit ist das Quadrat von I:
Andererseits kann die in P.U. ausgedrückte Wärmemenge W wie folgt angegeben werden:
Somit ist
wobei der zweite und der dritte integrale Term über ein Intervall reichen, das ein ganzzahliges Vielfaches nT der Periode T ist, und somit tendieren beide gegen Null. Infolgedessen ist
W = {I&sub0;² + (1/2) (I&sub1;² + I&sub2;² + .... + In²)} nT ,
wobei die Amplituden I&sub0;, I&sub1;, I&sub2;, ..., In der in dem Eingangssignal enthaltenen höheren harmonischen Schwingungen eindeutig bestimmt werden können. Daher kann in dem Fall, in dem die Last eine Widerstandsheizeinrichtung usw. ist, die in der Last erzeugte Wärme nur durch Einstellen der Amplituden des Eingangssignals, das höhere harmonische Schwingungen enthält, eingestellt werden.
(2) In dem Fall dagegen, in dem die Last eine Last vom gleichzurichtenden Typ ist, wie etwa eine Batterieladeeinrichtung oder eine Elektrolysezelle, können Einstellung und Regelung der akkumulativen zugeführten Elektrizitätsmenge (der elektrischen Ladung) wie folgt durchgeführt werden.
Wie im obigen Fall kann der Eingangsstrom I zu der Last wie folgt geschrieben werden:
I = I&sub0; + I&sub1; sin(ω t + α &sub1;) + .... + In sin (nω t + α n) .
Daher ist der Absolutwert von I:
I = I&sub0; + I&sub1; sin(ω t + α &sub1;) + ... + In sin (nω t + α n) .
Infolgedessen ist die akkumulative Elektrizitätsmenge oder das effektive Eingangssignal C zu der Last:
wobei die n-te harmonische Komponente Cn von C sich folgendermaßen ergibt:
Da nämlich die ursprüngliche Wellenform aus einer Gleichstromkomponente und harmonischen Komponenten geradzahliger Ordnung zusammensetzt ist, ist ihr Mittelwert gleich dem Integral der Gleichstromkomponenten. Somit gilt:
Daher wird das Ausgangssignal C nach einer ausreichenden Anzahl von Perioden T (größer als n Perioden) nur durch die Amplituden der jeweiligen harmonischen Schwingungen beeinflußt, die in dem Eingangsstrom enthalten sind. Ferner ist jede der harmonischen Schwingungskomponenten I&sub1;, ..., In, die in dem Eingangsstrom enthalten sind, eindeutig bestimmt.
Es kann daher geschlossen werden, daß in dem Fall, in dem eine elektrochemische Last an die Stromversorgung angeschlossen ist, die Elektrizitätsmenge, die der effektive Eingangswert zu der Last ist, dadurch richtig geregelt werden kann, daß nur die Amplituden des Eingangssignals eingestellt werden.
Fig. 3 zeigt ein Thyristor-Wandlersystem mit einer Einrichtung gemäß der Erfindung, um höhere harmonische Schwingungen zu unterdrücken. Wie im Fall des Systems von Fig. 1 ist eine Abzweigung 3 an einen Zwischenpunkt 4 zwischen der Stromversorgungsseite 1 und einer Lastseite 2 angeschlossen. Die Ausgangssignale der Transformatorinstrumente 40, 41 und 42, die die Spannung an dem Zwischenpunkt bzw. den Laststrom an der Nutzerseite bzw. den Strom an der Stromversorgungsseite messen, werden in die Meß/Überwachungs/Steuerschaltung 5A eingegeben, die die höheren harmonischen Schwingungen mißt und überwacht, wie nachstehend beschrieben wird. Eine Halbleiter-Energieversorgungseinrichtung 7, z. B. eine Wandlerschaltung vom Thyristorbrückentyp, die mit dem Zwischenpunkt 4 verbunden ist, liefert in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal der Steuerschaltung 5A eine Energie an die Abzweiglast 8.
Die Meß/Überwachungs/Steuerschaltung 5A bestimmt auf der Basis der Ausgangssignale des Spannungstransformators 40 und der Stromtransformatoren 41 und 42 usw. die Spannung und die Ströme, die höhere harmonische Schwingungen enthalten, die in der Energie vorhanden sind; auf der Basis dieser Bestimmungen steuert die Steuerschaltung 5A erforderlichenfalls die Thyristor-Wandlerschaltung 7. Infolgedessen wird das an die Last 8 angelegte elektrische Eingangssignal etwas verschieden von demjenigen, das ohne Steuerung an sie angelegt würde. Wenn aber das hier behandelte Energiesystem als Ganzes gesehen wird, ist den Eingangsbedingungen, die die daran angeschaltete Last erfordert, genügt, so daß die höheren harmonischen Schwingungsanteile erheblich verringert werden können, ohne daß dadurch die eigentlichen Funktionen der Last beeinflußt werden, wie im Detail anschließend beschrieben wird.
Es ist insbesondere zu beachten, daß dann, wenn die Meß/Überwachungs/Steuerschaltung 5A ein präzises Steuerverhalten hat, das mit dem des aktiven Filters vergleichbar ist, das bisher zur Unterdrückung von höheren harmonischen Schwingungen verwendet wurde, die höheren harmonischen Schwingungsanteile des Speisestroms in ausreichender Weise auf Werte verringert werden können, die im wesentlichen gleich den nominellen niedrigen Werten sind.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel des tatsächlichen Aufbaus der Steuerschaltung 5A zusammen mit Einzelheiten anderer Schaltungselemente. Wie Fig. 4 zeigt, weist die Steuerschaltung 5A Eingangsanschlüsse 50-1 bis 50-5 auf. An die Eingangsanschlüsse 50-1 bis 50-3 werden jeweils die Ausgangssignale der Transformatorinstrumente 40 bis 42 angelegt; andererseits werden den Eingangsanschlüssen 50-4 und 50-5 die Ausgangssignale eines Potentialtransformators 80 bzw. eines Stromtransformators 81 zugeführt, wie nachstehend beschrieben wird. Wandler 51-1 bis 51-5, die an die jeweiligen Eingangsanschlüsse 50-1 bis 50-5 angeschlossen sind, wandeln die Spannung und die Ströme, die an den jeweiligen Eingangsanschlüssen angelegt werden, in entsprechende Spannungen mit geeigneten Pegeln um. Die Abtast-und-Halteverstärker 52-1 bis 52-5, die mit den jeweiligen Wandlern 51-1 bis 51-5 verbunden sind, halten und speichern zum richtigen Zeitpunkt die jeweiligen Ausgangssignale der mit ihnen verbundenen Wandler. Ein Multiplexer 53, der mit den Abtast-und-Halteverstärkern 52-1 bis 52-5 verbunden ist, schaltet die Ausgangssignale der analogen Ausgänge der Abtast-und-Halteverstärker um (d. h. er schaltet sie aufeinanderfolgend um), so daß die analogen Ausgangssignale der Abtast-und-Halteverstärker im Multiplexbetrieb dem A/D-Wandler 54 zugeführt werden. Der A/D-Wandler 54 wandelt die von dem Multiplexer 53 im Multiplexbetrieb empfangenen analogen Abtastspannungen in ein entsprechendes digitales Ausgangssignal um. Ein Mikroprozessor 55 empfängt dieses digitale Ausgangssignal vom A/D-Wandler 54 und unterzieht es vorbestimmten logischen und arithmetischen Operationen. In dem ROM 56 ist beispielsweise die trigonometrische Funktionstabelle in tabellarischer Datenform gespeichert, so daß eine zusätzliche Speichereinrichtung für die numerischen Operationen des Mikroprozessors 55 vorhanden ist. Eine Abgabeschnittstelle 57, die aus einer sogenannten Pegelumsetzerschaltung besteht, ist vorgesehen, um über den Ausgangsanschluß 58 die Ergebnisse der Beurteilungen des Mikroprozessors 55 abzugeben, die aus seinen Operationen erhalten werden. Die vorstehenden Komponenten 50 bis 58 sind in der Meß/Überwachungs/Steuerschaltung 5A enthalten.
Wie Fig. 4 außerdem zeigt, weist die Wandlerschaltung 7 vom Thyristorbrückentyp folgendes auf: eine Energiewandlerschaltungseinheit 70, die Thyristoren oder Transistoren als Schaltelemente verwendet, und eine Steuerschaltungseinheit 71. Die Steuereinheit 71, die mit einem Eingang mit dem Ausgangsanschluß 58 der Steuerschaltung 5A verbunden ist, erzeugt in Abhängigkeit von dem Beurteilungsergebnis des Mikroprozessors 55, das sie über die Schnittstelle 57 und den Ausgangsanschluß 58 der Steuerschaltung 5A erhält, ein wellenförmiges Impulssignal, um die Wandlerzündschaltungseinheit 70 zu steuern. Ferner weist die Steuerschaltungseinheit 71 einen weiteren Eingang auf, der an eine Rückführung von der Last 8 usw. angeschlossen ist. Der Potentialtransformator 80 und der Stromtransformator 81 messen die Spannung bzw. den Strom, die der Abzweiglast 8 zugeführt werden. Die Ausgangssignale dieser Transformatoren 80 und 81 werden der Steuerschaltung 5A über die Eingangsanschlüsse 50-4 bzw. 50-5 zugeführt.
Fig. 5 ist das Flußdiagramm, das die Abläufe der Ausführungsform gemäß der Erfindung zeigt, wie sie in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist, wobei die Fig. 5(A) bzw. 5(B) die erste bzw. die zweite Hälfte zeigen.
In Schritt S1 werden die Spannung Ed und der Strom Id an der Ausgangsseite der Thyristor-Wandlerschaltung 7 gemessen.
Dann werden in Schritt S2 aus den Momentanwerten der Spannungen und Ströme, die in den Mikroprozessor 55 der Steuerschaltung 5A eingegeben werden, ihre Werte an der Stromversorgungsseite 1, der Lastseite 2 und der Abzweiglastseite 8 gemessen, und der Steuerverzögerungswinkel α und der Überlappungswinkel u werden bestimmt.
In Schritt S3 wird unter Nutzung der in Schritt S1 bestimmten Spannung Ed und des Stroms Id sowie des in Schritt S2 bestimmten Verzögerungswinkels α und des Überlappungswinkels u die Reaktanz Xs der Stromversorgungsseite 1 mittels der obigen Gleichung (2) abgeschätzt.
Im folgenden Schritt S4 werden unter Nutzung der wie oben beschrieben gewonnenen Wellenformdaten HHF (höhere harmonische Frequenzkomponenten), d. h. die höheren harmonischen Schwingungsanteile (insbesondere die überwiegenden fünften und siebten harmonischen Schwingungsanteile), die in der Spannung und dem Strom an der Stromversorgungsseite 1 enthalten sind, errechnet und festgestellt.
Wenn die höheren harmonischen Anteile, wie sie in Schritt S4 bestimmt werden, größer als ihre vorbestimmten Sollwerte sind, werden geeignete Vorgabewerte des Verzögerungswinkels α und des Überlappungswinkels u auf der Basis einer numerischen Tabelle gewählt, die vorher berechnet und in dem Festwertspeicher, wie etwa dem ROM 56 gespeichert worden ist. Es ist in diesem Zusammenhang zu beachten, daß die Beziehung zwischen den höheren harmonischen Schwingungsanteilen und dem Steuerverzögerungswinkel α und dem Überlappungswinkel u, wie oben beschrieben, in Graphenform bestimmt werden kann, wenn der Wert der Reaktanz Xs bekannt ist. Wenn entschieden wird, daß Herabsetzungen der höheren harmonischen Schwingungsanteile auf geeignete Werte wirkungsvoll sein können, wird der Verzögerungswinkel α der Energiewandlereinheit 70 in Schritt S5 in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal der Steuerschaltungseinheit 71 in der Thyristor-Wandlerschaltung 7 dementsprechend modifiziert.
Als nächstes werden in Schritt S6 die HHF oder höheren harmonischen Schwingungsanteile ebenso wie in Schritt S4 diskriminiert.
Im folgenden Schritt S7 wird abgefragt, ob die vorher bestimmten höheren harmonischen Schwingungsanteile in einem vorbestimmten zulässigen Bereich sind.
Wenn die Entscheidung gemäß Schritt S7 akzeptabel ist, werden in Schritt S8 die Spannung Ed und der Strom Id an der Seite der Last 8 erneut gemessen; in dem anschließenden Schritt S9 wird ferner das Zeitintegral der Eingangssignaländerung zur Last 8 errechnet. In Schritt S10 wird dann abgefragt, ob das Integral der Eingangssignal-Variation zur Lastseite, wie es oben bestimmt wurde, innerhalb vorbestimmter zulässiger Grenzen ist. Wenn die Diskriminierung in Schritt S10 kein Problem darstellt, wird die Reaktanz Xs der Stromversorgung 1 erneut abgeschätzt, so daß die Serie von Operationen beendet wird.
Wenn andererseits die Einstellung des Werts des Verzögerungswinkels α in Schritt S5 nicht geeigneet ist und somit die Verringerungen der höheren harmonischen Schwingungsanteile auf vorbestimmte kleine Werte nicht erfolgen konnten, sollte der Verzögerungswinkel α erneut verstellt werden. Wenn daher in Schritt S7 festgestellt wird, daß die gemessenen höheren harmonischen Schwingungsanteile nicht innerhalb des vorbestimmten zulässigen Bereichs sind, geht die Steuerung zu Schritt S12, in dem abgefragt wird, ob die Werte des Verzögerungswinkels α und des Überlappungswinkels u, die der obigen Gleichung (3) genügen und die höheren harmonischen Schwingungsanteile unter die vorbestimmten Werte verringern, gefunden werden können. Wenn die Bedingung in Schritt S12 erfüllt wird, geht der Ablauf zu Schritt S2 zurück, der oben beschrieben wurde.
Wenn andererseits die Bedingung in Schritt S12 nicht erfüllt wird, geht der Ablauf weiter zu Schritt S13, in dem die Einstellung an der Stromversorgungsseite 1 durchgeführt wird.
Wenn ferner die Bedingungen in Schritt S10 und S12 nicht erfüllt werden (d. h. wenn entschieden wird, daß die festgestellten harmonischen Schwingungsanteile nicht innerhalb der zulässigen Grenzen sind und daß außerdem die Lösung eines Verzögerungswinkels α und eines Überlappungswinkels u, die der Gleichung (3) genügt, nicht gefunden werden kann), geht der Ablauf weiter zu Schritt S13, in dem die Eingangssignal- Einstellung an der Stromversorgungsseite 1 ausgeführt wird.
Wenn keine großen Änderungen an der Stromversorgungs- und der Lastseite vorhanden sind, können im allgemeinen die Werte des Verzögerungswinkels α und des Überlappungswinkels u, die der obigen Gleichung (3) genügen, so bestimmt werden, daß höhere harmonische Schwingungsanteile unter vorbestimmten Werten gehalten werden und das Integral der Eingangssignal-Änderung zu der Last 8 innerhalb zulässiger Grenzen gehalten wird. Wenn jedoch große Änderungen an der Stromversorgungs- oder der Lastseite vorhanden sind, werden die Eingangssignal-Einstellungen mit Hilfe einer externen Versorgungseinstelleinrichtung in Schritt S13 durchgeführt.
Wenn außerdem in der Speisespannung und dem Speisestrom des Energieversorgungssystems eine gewisse Wellenformverzerrung vorhanden ist, sollte anstelle der obigen Abläufe eine umfangreichere Wellenformeinstellung vorgenommen werden, die der verzerrten Energiezufuhr entspricht. Die Technik für eine solche Einstellung ist bereits als Steuereinrichtung der aktiven Filter bekannt. Auch in diesem Fall wird die spezifische Last nicht von dem Ausgangssignal der Wandlereinrichtung beeinflußt, so daß die Wellenformkompensation des Eingangsstroms und der Eingangsspannung, die dem Wandlersystem zugeführt werden, gewährleistet ist.
Die Philosophie der vorliegenden Erfindung ist bei der Modifikation der Steuereinrichtung anwendbar, wenn die oben erwähnte Verzerrung nicht vernachlässigt werden kann.

Claims

1. Wandlersystem zur Unterdrückung von höheren harmonischen Schwingungen, das geeignet ist, an einen Zwischenpunkt zwischen einer Wechselstromquelle und Lasten angeschlossen zu werden, wobei das Wandlersystem folgendes aufweist:

- eine Meßeinrichtung (41, 42) zum Messen von elektrischen Parametern an der Stromquellenseite (1) und der Lastenseite (2);

- eine Steuerschaltungseinrichtung (5A), die mit ihren Eingängen an die Ausgänge der Meßeinrichtung angeschlossen ist und deren Ausgänge an eine Absorptionseinrichtung (7, 8) für hohe harmonische Frequenzen angeschlossen sind, wobei die Steuerschaltungseinrichtung wirksam ist, um die Absorptionseinrichtung für hohe harmonische Frequenzen zu steuern, um höhere harmonische Schwingungen zu reduzieren, die an der Stromquellenseite enthalten sind, wobei die Absorptionseinrichtung für hohe harmonische Frequenzen auch wirksam ist, um die zugeführte Wechselstromenergie in Gleichstromenergie umzuwandeln,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Absorptionseinrichtung (7, 8) für hohe harmonische Frequenzen eine Halbleiter-Wandlerschaltungseinrichtung (7) aufweist, die dazu dient, ein Ausgangssignal von der Steuerschaltungseinrichtung (5A) zu empfangen;

und daß eine spezifische Abzweiglast (8), welche eine große Zeitkonstante im Zusammenhang mit dem Rest der Lasten hat, derart angeordnet ist, daß sie mit Gleichstromenergie von der Halbleiter-Wandlerschaltungseinrichtung (7) versorgt wird;

wobei die Steuerschaltungseinrichtung (5A) wirksam ist, um:

(i) einen Verzögerungswinkel (α) bzw. einen Überlappungswinkel (u) zu unterscheiden, die einen Null- Pegel bzw. eine Anstiegszeit in der Stromwellenform der Halbleiter-Wandlerschaltungseinrichtung (7) repräsentieren;

(ii) hohe harmonische Frequenzkomponenten zu bestimmen; und

(III) den Verzögerungswinkel (α) und den Überlappungswinkel (u) auf gewünschte Werte einzustellen, und zwar durch Steuerung der Halbleiter-Schaltelemente der Halbleiter-Wandlerschaltungseinrichtung (7), um den der Verzweigungslast (8) zugeführten Strom zu variieren und somit den vorgegebenen Pegel der hohen harmonischen Frequenzkomponenten auf einen Sollwert zu bringen.

2. Wandlersystem zur Unterdrückung von höheren harmonischen Schwingungen nach Anspruch 1, wobei die Steuerschaltungseinrichtung (5A) wirksam ist, um den Verzögerungswinkel (α) und den Überlappungswinkel (u) zu bestimmen, die in Abhängigkeit von der Reaktanz (Xs) auf der Stromversorgungsseite (1) sowie den Werten der Spannung (Edo) und des Stromes (Id), welche der Abzweiglast (8) zugeführt werden, bestimmt werden.

3. Wandlersystem zur Unterdrückung von höheren harmonischen Schwingungen nach Anspruch 1, wobei die Steuerschaltungseinrichtung wirksam ist, um den gewünschten Verzögerungswinkel (α) und den entsprechenden Überlappungswinkel (u) aus einem Speicher (56) zu bestimmen, und zwar in Abhängigkeit von der Abweichung der hohen harmonischen Frequenzkomponenten von einem vorgegebenen Sollwert.

4. Wandlersystem nach Anspruch 1, wobei die Reaktanz (Xs) gemäß der folgenden Relation bestimmt wird:

Xs = (π/6)Edo(Δα/ΔId){sin (u + α) - sin α},

wobei Δα und ΔId Änderungen beim Verzögerungswinkel α bzw. beim Strom Id bezeichnen.

5. Wandlersystem zur Unterdrückung von höheren harmonischen Schwingungen nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Bestimmung, ob der Verzögerungswinkel (α) und der Überlappungswinkel (u) wünschenswert sind oder nicht, die Beurteilung impliziert, ob diese Werte die folgende Relation erfüllen:

cos α - cos(α + u) = (6XsId) / (πEdo).

6. Wandlersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Meßeinrichtung (41, 42) Transformatorinstrumente aufweist, um Spannungen und Ströme an der Stromquellenseite (1) und der Lastenseite (2) zu messen.

7. Wandlersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleiter-Schaltelemente Thyristoren oder Transistoren aufweisen, welche die spezifischen Lasten mit großen Zeitkonstanten tragen.

8. Wandlersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerschaltungseinrichtung (5A) folgendes aufweist:

Abtast- und Halteschaltungseinrichtungen (52-1 bis 52-5), um Abtastwerte der elektrischen Parameter zu halten, die zu vorgegebenen Zeitpunkten von der Meßeinrichtung gemessen werden;

eine Multiplexereinrichtung (53), die an die Halteschaltungseinrichtungen angeschlossen ist, um die Ausgangssignale der Halteschaltungseinrichtungen im Multiplexbetrieb abzugeben; und

einen Mikroprozessor (55), der an die Multiplexereinrichtung angeschlossen ist, um den Steuerverzögerungswinkel (α) in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal von der Multiplexereinrichtung zu bestimmen.