DE2530724C2 - Verfahren zur Verbesserung des dynamischen Führungs- und Störverhaltens eines Stromrichter-Regelkreises - Google Patents

Description

dadurch gekennzeichnet,

c) daß ein der Stromrichtereingangsspannung (Unwr) proportionales Spannungsistwertsignal ts (U_x)ermittelt wird,

d) daß ein Oberschwingungsspannungssignal (UoS(Rj) gebildet wird mittels eines ersten Subtrahiergliedes (1) als Differenzspannung zwischen dem Spannungsistwertsignal (U_x) und einer SKuerspannung (Usi) am Eingang eines Steuersatzes (St)aes Stromrichters (NWR),

e) daß aus diesem Oberschwingungsspannungssignal mittels einer Rechenschaltung (I) ein Oberschwingungsstromsignal (ios(R]) ermittelt wird, das dem von Oberschwingungen herrrührenden Stromanteil proportional ist,

f) daß der aus dem Netzstrom abgeleitete Istwert ein dem Netzstrom (I'm) proportionales StromistwertsignaJ (i_x) ist und jo

g) daß in einem zweiten Subtrahierglied (2) das Obersch* ingungsstromsignal (i'os(R)) von dem Stromistwertsignz! (i_x) siH-trahiert wird, so daß die resultierende, r\m Istwert-Eingang einer Regeleinrichtung (SR) Daliegende Größe (ix— ios(Rj)nahezu oberschwingungsfrei ist

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung des Spannungsistwertsignals (U_x)von der gesamten Stromrichtereingangsspannung (Unwr) am Stromrichtereingang (a) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung des Spannungsistwert· signals (U_x) ein bereits vorhandenes Abbild dieser Spannung (U'x(r)) am Steuereingang (b) des -»5 Stromrichters (NWR)verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Stromoberschwingungen durch eine Induktivität begrenzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenschaltung zur Ermittlung des Oberschwin- 5C gungsstromsignals (ios(R))e\n Integrierglied ((Jist.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet,

a) daß als Stromrichter zwei synchron arbeitende Umschalter (NWR) vorgesehen sind,

b) daß der aus der Netzspannung (U_n) abgeleitete Sollwert ein Stromsollwertsignal (i_w)ist und der Regeleinrichtung als sinusförmige Größe vorgegeben wird,

c) daß das am Ausgang des zweiten Subtrahiergliedes (2) anliegende resultierende Stromsignal (i_x—ios(R) in einem dritten Subtrahierglied (3) vom Stromsollwertsignal (/„^abgezogen wird,

d) daß die Differenz beider Werte einem Stromregler (SR) zugeführt wird, der einen Verstärkungsfaktor (V) und «in Zeitverhalten (T) aufweist, wobei am Ausgang des Stromreglers die Steuerspannung (Usj erscheint,

e) daß dieser Steuerspannung eine hoherfrequente dreieckförmige Hilfssteuerspannung (Uh) überlagert wird und

f) daß ferner ein Steuersatz (SfJ die Schnittpunkte der Hilfssteuerspannung (Uh) und der Steuerspannung (Ust) feststellt und an diesen Stellen an die zwei synchron arbeitenden Umschalter (NWR) einen Umschaltbefehl abgibt, so daß eine sinusförmig pulslängenmodulierte Stromrichtereingangsspannung entsteht, deren Grundschwingung durch den Verlauf der Steuerspannung vorgeschrieben ist, wobei die Differenz zwischen einer Netzspannung (U'n) an der Sekundärseite eines Transformators (T) und der Stromrichtereingangsspannung (Unwr) einen Strom (Vn) erzeugt, der durch die Regelungseinrichtung so geführt wird, daß er dem sinusförmigen Stromsollwertsignal (i_w) möglichst genau folgt.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks zusätzlicher Verbesserung des dynamischen Führungs- und Störverhaltens die Störgröße erfaßt und dem Steuerkreis des Stromrichters (NWR) zugeführt wird, wobei die Aussteuerung des Stromrichters so beeinflußt wird, daß sich die Störgröße nicht auf die Stromrichter-Ausgangsgröße auswirkt.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 5 und 6, wobei die Störgröße durch die in gewissen Grenzen schwankende Verbraucherspannung (2Vg) verkörpert wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verhinderung der Auswirkung dieser Schwankungen der Verbraucherspannung (2V_g) auf die Stromrichtereingangsspannung (Unwr) und der Störung des Stromregelkreises die Störgröße in der Weise eliminiert wird, daß mit einem Spannungswandler (Wg) die Zwischenkreisspannung (2 Vg) ermittelt und mittels eines Multipliziergliedes (4) mit der vom Dreiecksspannungsgenerator (G) gelieferten dreieckförmigen Hilfssteuerspannung (Uh) multipliziert wird.

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Verfahren zur Verbesserung des dynamischen Führungs- und Störverhaltens des Regelkreises eines geregelten Stromrichters nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Mit diesem Oberbegriff nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik Bezug, wie er in der DE-OS !5019 beschrieben ist. Dort ist ein Verfahren zur Stromregelung angegeben, mit dem die Grundwellen- und/oder die Oberwellenblindleistung bei selbstkommutierenden Stromrichtern verringert und/oder die Grundwellenblindleistung auf induktive oder kapazitive Werte eingestellt werden kann. Dazu wird aus der Netzwechselspannung eine Trapezspannung als Führungsgröße für den Sollwert und der Netz- oder der Verbraucherstrom bzw. ein Teil davon als Istwert des Verbraucherstromes verwendet. Die aus der Netzspannung ggf. mittels eines Siebgliedes abgeleitete Führungsgröße wird mit Hilfe einer Phasenschwenkeinrichtung in der Phase gegenüber der Grundwelle der Netzwechselspannung verschoben. Der Stromistwert wird einer Regeleinrichtung unkorrigiert bezüglich seines Oberwellenteils zugeführt.

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Stromrichter erzeugen am Ausgang neben dem erwünschten Spannungsmittelwert bzw. der erwünschten Spannungsgrundschwingung auch unerwünschte Oberschwingungen, die im allgemeinen um so störender in Erscheinung treten, je niedriger die Pulszahl des Stromrichters ist. Von hohen Frequenzen herrührende Oberschwingungsströme können durch in Verbrauchern, wie 2. B. Motoren, vorhandene Streureaktanzen klein gehalten werden.

Für Wechselricnter sind in der Siemens-Zeitschrift 45 ι ο (1971), Heft 3, S. 154-161 ein Modulationsverfahren mit einer Abtastung der sinusförmigen Referenzspannung mit der Grundschwingungsfrequenz und veränderlicher Amplitude durch eine symmetrische Dreieckspannung höherer Pulsfrequenz und ein Modulaiionsverfah- «5 ren mit Gleichspannungsniveaus beschrieben. Beide Modulationsverfahren sind kombinierbar und nur in einem begrenzten Bereich der Grundschwingungsfrequenz anwendbar. Die beim Pulsbetrieb entstehenden Oberschwingungsströme erzeugen bei am Ausgang des Wechselrichters angeschlossenen Asynchronmaschinen Pendelmomente und eine zusätzliche Läufererwärmung.

In Regelkreisen, von denen man nicht nur stationär, sondern auch dynamisch ein gutes Führungsverhalten und Störverhalten verlangt, können diese Oberschwingungen nicht nur lästig in Erscheinung treten, sondern das Stör- und Führungsverhalten so weit beeinträchtigen, daß gravierende Folgen auftreten können.

Wegen der Oberschwingungen kann man nämlich bei der Regelkreisverstärkung besonders bei mittleren und hohen Grundschwingungsfrequenzen gewisse Grenzen nicht überschreiten — die Verstärkung der Oberschwingungen würde sonst die Regelverstärker »verstopfen« —, so daß das dynamische Führungs- und Störverhalten unbefriedigend bleiben muß. Die übliche Methode der Oberschwingungs-Unterdrückung durch Filter hilft hier nicht weiter, denn sie bedeutet ja nichts anderes als ein Zurücknehmen der Regelkreis-Verstärkung im Bereich der Oberschwingungs-Frequenzen und damit Beeinträchtigung des dynamischen Führungs- und Störverhaltens.

Diese Schwierigkeiten treten besonders dort zutage, wo Ströme durch einen Umrichter oder Wechselrichter verwendenden Regelkreis sinusförmig und meist auch mit variabler Amplitude und Frequenz geregelt werden müssen. Hier ist nämlich schon der »stationäre« Zustand, d. h. die sinusförmige Stromführung bei konstanter Amplitude und Frequenz für den Regelkreis ein dynamischer Vorgang, der aus den obenerwähnten Gründen nur mangelhaft beherrscht wird, und zwar um so schlechter, je höher die Frequenz und je niedriger die Pulszahl des Stromrichters ist.

Solange solche Regelkreise sich im Inneren von Anlagen befinden, ist ihre mehr oder weniger unvollkommene Beherrschung im allgemeinen nur für den projektierenden Ingenieur ein Problem.

Sobald aber — wie z. B. bei Netzwechselrichterlokomotiven — der Strom, den eine Anlage dem Netz entnimmt, auf möglichst exakte Sinusform geregelt werden soll, entstehen durch unvollkommenes Führungs- und Störverhalten auch für den Kunden, seinen Stromlieferanten sowie für Betreiber von dadurch gestörten anderen Anlagen Probleme, deren befriedigende Lösung dringend erforderlich ist, weil diese Technik andernfalls generell abgelehnt werden könnte.

Die Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufabe, das dynamische

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⁶⁵ Führungs- und Störverhalten eines Regelkreises mit darin enthaltenem Stromrichter wesentlich zu verbessern.

Sind die Stromoberschwingungen — wie es meistens der Fall ist — durch eine Induktivität begrenzt, so wird die zur Ermittlung der Oberschwingungen im Stromrichterausgangsstrom dienende Rechenschaltung durch eine Integrationsschaltung verkörpert.

Zwecks zusätzlicher Verbesserung des dynamischen Führungs- und StörverhaJtens kann die Störgröße erfaßt und dem Steuerkreis des Stromrichters zugeführt werden, wobei die Aussteuerung des Stromrichters so beeinflußt wird, daß sich die Störgröße nicht auf die Stromrichter-Ausgangsgröße auswirkt.

Die Erfindung sei jetzt anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert Es zeigt

F i g. I einen Stromrichterregelkreis ohne die erfindungsgemäße Oberschwingungs-Korrektur des Stromistwertsignals und

Fig.2 eiasn Stromrichterregelkreis zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahren

in F i g. 1 soll ein Gleichstromverbrauch^r — z. B. ein nicht dargestellter Kurzschlußläufermotor mit vorgeschaltetem Wechselrichter — seine Energie über zwei synchron arbeitende Schalter NWR, eine Drossel D und einen Trs-isformator Taus dem Netz /V beziehen. Die Schalter, nachfolgend als Stromrichter bezeichnet, arbeiten wie zwei trägheitslose Umschalter, die ihren jeweiligen Ausgang asynchron entweder auf den positiven oder negativen Pol der Ausgangsgleichspannung 2Vg umschalten können und von welchen deswegen nur das Schalterersatzbild dargestellt ist. Die Drossel D kann durch die Streuinduktivität des Transformators Γ gegeben sein. Dabei wird gefordert, daß dem Netz ein möglichst gut sinusförmiger Strom mit z. B.cos φ= 1 entnommen wird.

Aus der Netzspannung Un abgeleitet wird — auf hier nicht interessierende Weise — ein Stromsollwertsignal Iw des Netzstromes gebildet und der Regeleinrichvung des Stromrichters als sinusförmige Größe vorgegeben.

Ein dem Istwert in des Netzstromes proportionales, durch einen Strommesser ermitteltes Stromistwertsignal /, wird in einem Subtrahierglied 3 vom Stromsollwertsignal i_w abgezogen und die Differenz beider Werte einem Stromregler SR mit der Verstärkung V und einem Zeitverhalten (T) zugeführt. Am Ausgang des Stromreglers SR erscheint die Steuerspannung Us,, welcher eine höherfrequente dreiecksförmige Hilfssteuerspannung Uh überlagert wird. Ein Steuersatz 5/ stellt die Schnittpunkte der beiden Spannungen Ow und Ust fest und gibt an diesen Stellen einen Umschaltbefehl an den Stromrichter NWR. Auf diese Weise entsteht eine sinusförmig pulslängenmodulierte Stromrichtereing?ngs",pannung, deren Grundschwingung durch den Verlauf der Steuerspannung Us, vorgeschrieben ist.

Die Differenz zwisc.ien einer an der SekumJärseite des Transformators / anliegenden Netzspannung U'n und einer Stromrichtereingangsspannung LWs treibt einen Strom /W-über die Drossel D, welcher durch die Regelung so geführt wird, daß er dem sinusförmigen Stromsollwertsignal /».möglichst genau folgt.

Mit dieser Einrichtung allein wäre eine genaue Führung des Strom-Istwertes ;'v durch das Stromsollwertsignal /„jedoch nicht möglich. Der Strom-Istwert Ϊν enthält nämlich die besagten Oberschwingungen, welche im Stromregler SR verstärkt werden und dann ciie Steuerspannung Us, so stark verzerren wurden, daß keine sinusförmige Aussteuerung des Stromrichters

NWR mehr gewährleistet wäre. Um dies zu vermeiden, müßte man die Verstärkung V des Stromreglers SR so weit zurücknehmen, daß nun andererseits das Führungsund Störverhalten (z. B. Netzspannungsverzerrung oder Gleichspannungsschwankungen) ungenügend wären.

Die in Fig. 2 zusätzlich eingezeichneten schaltungstechnischen Vorkehrungen haben die Aufgabe, diese Mangel zu vermeiden. Sie arbeiten folgendermaßen:

Über den Spannungswandler W wird die Eingangsspannung Uhwr des Stromrichters (sinusförmig pulslängenmodulierte Rechteckspannung mit sinusförmig verlaufendem Grundschwingungsanteil) gemessen und ein Spannungsistwertsignal U, erhalten. Davon wird die Stcuerspannung Us, (welche ja dem Grundschwingungsanteil der Eingangsspannung Unwr des Stromrichters entspricht) in einem Subtrahierglied I abgezogen, und als Differenz erscheint dann ein dem Oberschwingungsanteil der Stromrichtereingangsspannung Uswr proportionales Oberschwingungsspannungssignal Uos(R) (der Index »K« besagt, daß die Oberschwingung »rechnerisch«, d.h. mit Hilfe einer Rechenschaltung, ermittelt wurde).

Es gibt auch Fälle, wo die Eingangsspannung I 'mwr des Stromrichters NWR nicht gemessen zu werden braucht, weil ein Abbild dieser Spannung schon am Steuereingang (b) des Stromrichters vorhanden ist (gestrichelte Linie mit U',/r), wobei »/?» wiederum eine Ermittlung von U_x mittels Rechenschaltungen bedeutet). Aus dem Oberschwingungsspannungssignal Uos;r> wird dann wieder mittels einer Rechenschaltung — und zwar des Integrators /. der als Nachbildung der Drossel D aufzufassen ist — ein Oberschwingungsstromsignal ios(R) ermittelt und von dem gemessenen Stromistwertsignal /', in einem Subtrahierglied 2 abgezogen, so daß ein Strom

'< — 1OS(Rt= ¹OSt + U)St —

/(7S.

u. //:c.r^ j. ι

m |uj. vji UIiViIX-M Ct

j. ι :

i UIiViIXM Ct !!igung:

igung:

gung: v: gemessener Istwert; R: s. oben iasx — Stromgrundschwingungssignal).

Dieser Strom /, - iosiR^ics. ist jetzt (nahezu oberschwingungsfrei, und die Verstärkung V des Stromreglers SAf kann nun vergrößert werden, ohne daß man eine Verzerrung der Steuerspannung, Us, durch Oberschwingungen befürchten muß. Durch die höhere Verstärkung verbessert sich das Führungs- und Störverhalten des Regelkreises R zur sinusförmigen Führung des Netzstromes bzw. des Stromistwertes i',\.

Natürlich beschränken sich die Anwendungsmöglichkeiten der am obigen Beispiel erläuterten Methoden nicht auf den erörterten Fall.

Sie kommen auch in Frage, wenn der Stromrichter ein dreiphasiger Wechselrichter für sinusförmig pulslängenmodulierte Rechteckspannungen ist. dessen Ausgang eine Drehstrommaschinc speist, deren Strom dreiphasig sinusförmig geregelt werden soll.

Analoges gilt, wenn in diesem Fall der Stromrichter ein netzkommutierter Stromrichter ist.

Der Stromrichter darf auch ein inehrpulsiger Wechselrichter für sinusförmig pulslängenmodulierte Rechteckspannungen sein. Wichtig bei mehrpulsigen Wechselrichtern dieser Art ist, daß man die für die Stromoberschwingungsbildung maßgebende Spannung Unwh oder deren Abbild U, erfaßt, um daraus nach Abzug der dem Grundschwingungsanteil entsprechenden Steuerspannung Us, das wirksame Oberschwingungsspannungssignal UoS(R) mittels geeigneter Rechenschaltungen ermitteln zu können.

In Fig. 2 ist auch die weiter oben summarisch beschriebene Methode der Eliminierung einer Störgröße detaillierter dargestellt. Die zugehörigen Schaltungsteile sind mit geringerer Strichdicke ausgeführt. Die Störgröße komme in diesem Fall von der Zwischenkreisspannung 2 V_f, welche — aus in diesem Zusammenhang nicht interessierenden Gründen — in gewissen Grenzen schwanken möge. Aufgabe der mit geringer Strichdicke eingezeichneten Einrichtung ist es. zu verhindern, daß sich diese Spannungsschwankungen auf die Wechselrichtereingangsspannung Unwr auswirken und so als Störgröße den oben beschriebenen Stromregelkreis stören.

Zur Eliminierung der Störgröße beeinflußt man die Amplitude der dreiecksförmigen Hilfssteuerspannung ίΛ/so, daß sie in genau gleichem Maße schwankt wie die Verbraucher- bzw. Zwischenkreisspannung 2Vg. Man kann dies so realisieren, daß man die Zwischenkreisspannung rniSt {Spannungswandler Wy und das Zwischenkreisspannungssignal 2 V_g mittels eines Multipliziergliedes 4 mit der Ausgangsspannung des Dreiecksspannungsgenerators G multipliziert.

Ebensogut könnte man auch die Steuerspannung Us, beeinflussen, indem man sie bei zu hoher Zwischenkreisspannung reduziert und bei zu niedriger erhöht.

Die Beeinflussung erfolgt in beiden Fällen so, daß sich die Zwischenkreis-Spannungsschwankungen nicht auf die Grundschwingung der Stromrichter-Eingangsspannung auswirkt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Verbesserang des dynamischen Fflhnings- und Störverhaitens des Regelkreises eines geregelten Stromrichters (NWR) bei dem einer Regeleinrichtung (SR)

a) ein aus der Netzwechselspannung (Un) abgeleiteter sinusförmiger Strom-Sollwert und

b) ein aus dem Netzstrom abgeleiteter Strom-Istwert vorgegeben wird,