DE3227391C2

DE3227391C2 - Regeleinrichtung für einen kreisstromfreien Umkehrstromrichter

Info

Publication number: DE3227391C2
Application number: DE19823227391
Authority: DE
Inventors: Lutz Dipl.-Ing. 6840 Lampertheim Bergmann; Robert 6840 Lampertheim Eichbaum; Chang-Duk Dipl.-Ing. 6520 Worms Kim
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1982-07-22
Filing date: 1982-07-22
Publication date: 1986-09-25
Also published as: DE3227391A1

Abstract

Bei dieser Regeleinrichtung für einen aus einem Drehstromnetz gespeisten Umkehrstromrichter in antiparalleler Schaltung zweier Drehstrombrücken dient zur Veranlassung von Stromrichtungsumschaltungen ein Stromrichtungsmelder (14) ohne Schalthysterese. Der Stromrichtungsmelder (14) erwirkt bei kleinen Strömen eine alternierende Stromrichtungsumkehr mit dreifacher Netzfrequenz, um den Stromregler (3) stets reaktionsbereit zu halten und störende Totzeiten bzw. unzulässige Stromstöße bei einer Stromrichtungsumkehr zu vermeiden. Zur Erzeugung der Umschaltungen mit dreifacher Netzfrequenz werden die Zündimpulse (Z) des Steuersatzes (16) mittels eines Impulssammlers (20) gesammelt und über einen Impulsverlängerer (21) einem Frequenzteiler (22) zugeleitet. Der Frequenzteiler (22) steuert einen mit dem Stromsollwert (I ↓s ↓o ↓l ↓l) beaufschlagten Polaritätswender (11) an, dessen ausgangsseitige Wechselspannung mit dem Stromsollwert (I ↓s ↓o ↓l ↓l) summiert und dem Stromrichtungsmelder (14) zugeführt wird. Die Regeleinrichtung kann Anwendung finden in der Antriebstechnik bei der Speisung von Gleichstrommotoren.

Description

freien Umkehr- oder Doppelstromrichter,

F i g. 2 den Aufbau eines Umkehr- oder Doppelstromrichters,

Fig.3 die zeitlichen Verläufe der interessierenden Spannung bzw. Signale.

In Fig. 1 ist eine Regeleinrichtung für einen kreisstromfreien Umkehr- oder Doppelstromrichter dargestellt. Ein Stromistwert 4, wird über eine Verzweigungsstelle 1 einer Vergleichstelle 2 zugeleitet, der als weitere Eingangsgröße ein Stromsollwert /„// anliegt. Der Stromsollwert /«,/; kann auch mit Hilfe eines übergeordneten Drehzahl- oder Spannungsreglers aus der Drehzahl des an den Umkehrstromrichter angeschlossenen Motors oder aus der Spannung abgeleitet werden. Die Vergleichstelle 2 gibt ausgangsseitig die Regelabweichung χ = Isoii — list an einen Stromregler 3 (PI-Regler) ab. Die Regelerausgangsspannung y des Reglei s 3 wird einem steuerbaren Poiaritätswender 4 (Umpoler) zugeführt. Der Poiaritätswender 4 überträgt das Signal y je nach vorliegendem Steuersignal mit einer Verstärkung von -I-1 bzw. — 1 und gibt diese gerichtete Reglerausgangsspannung y⁺ an eine Additionsstelle 5 ab. Die gerichtete Reglerausgangsspannung y⁺ ist z. B. positiv für Gleichrichterbetrieb und negativ für Wechselrichterbetrieb des Umkehrstromrichters.

Der Stromsollwert /_JO//wird neben der Vergleichstelle 2 über eine Verzweigungsstelle 6 einem Tiefpaß erster Ordnung 7 zugeführt. Der dem Tiefpaß 7 ausgangsseitig entnehmbare gefilterte Stromsollwert gelangt über eine Verzweigungsstelle 8 an eine Additionsstelle 9 und an einen Funktionsgeber 10. Der Funktionsgeber 10 gib», ausgangsseitig ein Modulationssignal M an einen steuerbaren Poiaritätswender 11 (Umpoler) ab. Der Poiaritätswender U verstärkt das Signal M je nach vorliegendem Steuersignal mit einer Verstärkung von +1 bzw. — 1 und gibt dieses gerichtete Modulationssignal M⁺ an die Additionsstelle 9 ab.

Das Ausgangssignal der Additionsstelle 9 gelangt über eine Verzweigungsstelle 12 an einen steuerbaren Poiaritätswender 13 (Umpoler) und an einen Stromrichlungsmelder 14. Der Poiaritätswender 13 (Funktionsweise wie bei den Polaritätswendern 4 und 11) ist mit einem Funktionsgeber 15 für die Stromsteuerung im Lückbereich verbunden. Der Funktionsgeber 15 gibt ausgangsseitig ein Zusatzsignal an die Additionsstelle 5 ab. Dieses Zusatzsignal weist einen negativen Maximalwert auf, wenn das Ausgangssignal des Polaritätswenders 13 minimal ist und nimmt mit zunehmer.dem Ausgangssignal des Polaritätswenders 13 zu. Diese direkte Beeinflussung der Steuerspannung und damit des Zündwinkels durch das dem Funktionsgeber 15 ausgangsseitig entnehmbare Zusatzsignal dient zum Ausgleich der im Lückbereich schlechten Regelungsdynamik des Stromreglers 3.

Die Additionsstelle 5 liefert ausgangsseitig eine Steuerspannung 5 an einen Steuersatz 16. Der sechskanalige Steuersatz 16 gibt ausgangsseitig Zündimpulse Z an eine Verzweigungsstelle 17 ab. Die Verzweigungsstelle 17 ist mit einem steuerbaren Impulsfreigabeschalter 18 für eine Stromrichtung A und mit einem steuerbaren Impulsfreigabeschalter 19 für eine Stromrichtung B verbunden. Den Freigabeschaltern 18 bzw. 19 sind ausgangsseitig Zündimpulse Za bzw. Zb für eine Stromrichtung A bzw. B entnehmbar.

An die Verzweigungsstelle 17 ist des weiteren ein Impulssammler 20 mit sechs Eingangskanälen angeschlossen, der ausgangsseitig die Zündimpulse Z+ als Impulsfolge an einen Impulsverlängerer 21 mit invertierendem Ausgang abgibt. Die gesammelten und verlängerten Zündimpulse werden einem Frequenzteiler 22 (Flip-Flop) zugeleitet, der ausgangsseitig Umpolsignale R + an den Steuereingang des Polaritätswenders 11 abgibt.

Den Steuereingängen der Umpulsfreigabeschalter 18 und 19 sowie der Poiaritätswender 4 und 13 werden eingangsseitig Stromrichtungssignale R über eine Vezweigungsstelle 23 zugeführt. Der Steuereingang des

ίο Impulsfreigabeschalters 18 ist dabei invertierend. Die Stromrichtungssignale R sind dem Ausgang eines Richtungsspeichers 24 entnehmbar. Eingangsseitig ist der Richtungsspeicher 24 über einen steuerbaren Obernahmeschalter 25 zum Setzen des Richtungsspeichers mit dem Stromrichtungsmelder 14 verbunden. Der Steuereingang des Übernahmeschalters 25 wird mit Strom-Nullsignalen N eines Stromnullmelders 26 beaufschlagt. Eingangsseitig liegt dem Stromnullmelder 26 der Stromistwert /«, an.

In F i g. 2 ist der Aufbau eines Umkehr- oder Doppeistromrichters 27 dargestellt. Der Umkehrstromrichter besteht aus zwei gleichartig aufgebauten Drehstrombrücken, Teile A und B, die wechselspannungsseitig parallel an einem Drehstromnetz 28 mit der Spannung U liegen und gleichstromseitig an einen Gleichstrommotor 29 angeschlossen sind. Die gleichstromseitigen Klemmen der beiden Brücken sind dabei jeweils unterschiedlich mit dem Gleichstrommotor 29 verbunden. In der Zuführung vom Drehstromnetz 28 zum Umkehrstromrichter 27 sind Stromwandler 30 angeordnet, die sekundärseitig mit einer Gleichrichterbrücke 31 zur Erfassung des Stromistwertes /», beschaltet sind.

In F i g. 3 sind die zeitlichen Verläufe der Spannung LJ des Drehstromnetzes 28, des gerichteten Modulationssignals M+ und der Zündimpulse Zwährend einer Periode 2 ^-dargestellt.

Nachfolgend wird die Funktionsweise der Regeleinrichtung für einen kreisstromfreien Umkehrstromrichter beschrieben. Die Regeleinrichtung ermöglicht bei sehr kleinen Strömen im Umkehrstromrichter 27 eine periodische Umsteuerung der Stromrichtung mit dreifacher Netzfrequenz des den Stromrichter speisenden Drehstromnetzes 28. Der Stromrichtungsmelder 14 ist hierzu als Komparator ausgebildet, d. h. im Prinzip als Operationsverstärker ohne jegliche Rückführung und besitzt keine bzw. eine vernachlässigbare und für die Funktion unwesentliche Schalthysterese. Die periodische Umschaltung der Stromrichtung mit dreifacher Netzfrequenz bei kleinen Strömen kommt dadurch zustände, daß dem mittels des Tiefpasses 7 gefilterten Stromsollwert das mit dreifacher Netzfrequenz alternierende gerichtete Modulationssignal M+ an der Additionsstelle 9 zugesetzt wird.

Das der Additionsstelle 9 entnehmbare Summensignal wird dem Stromrichtungsmelder 14 zur Polaritätserkennung zugeführt. Zusätzlich wirkt es über den Poiaritätswender 13 und den Funktionsgeber 15 an der Additionsstelle 5 auf die Steuerspannung S zur Zündwinkelverstellung ein. Für die Führung des lückenden und alternierenden Laststromes des Umkehrstromrichters 27 ist es vorteilhaft, wenn das Modulationssignal M einen negativen Maximalwert aufweist, wenn der gefilterte Stromsollwert Null ist und mit zunehmendem Betrag des gefilterten Stromsollwertes zunimmt. Dies wird mittels des Funktionsgebers 10 erzielt. Der Funktionsgeber 10 liefert ausgangsseitig eine Gleichspannung mit dem genannten Verlauf als Modulationssignal M, die durch den Poiaritätswender 11 in eine rechteckförmige Wech-

selspannung als gerichtetes Modulationssignal M⁺ umgeformt wird (siehe F i g. 3).

Zur sicheren Umschaltung der Stromrichtung mit dreifacher Netzfrequenz ist die richtige Steuerung des dem Steuereingang des Polaritätswenders 11 zuzufüh- 5 renden Umpolsignals R⁺ zur abwechselnden Vorzeichenumkehr des Modulationssignals M entscheidend. Das Umpolsignal R⁺ muß den Polaritätswender 11 mit dreifacher Netzfrequenz schalten, und zwar stets zwischen den mit sechsfacher Netzfrequenz erzeugten 10 Zündimpulsen Z (siehe F i g. 3). Um dies zu erreichen, werden alle vom Steuersatz 16 abgegebenen Zündimpulse Z mittels des Impulssammlers 20 gesammelt und als eine Impulsfolge Z* dem Impulsverlängerer 21 zugeleitet. Das Ende jeden gesammelten und verlängerten 15 Zündimpulses triggeri ungefähr in der Mitte (Verzögerung ist über den Impulsverlängerer 21 einstellbar) zwischen zwei aufeinander folgenden Zündimpulsen den Frequenzteiler (Flip-Flop) 22. Der Frequenzteiler 22 teilt dadurch die sechsfache Netzfrequenz der Impuls- 20 folge Z⁺ auf den dreifachen Wert der Netzfrequenz zur Erzeugung des Umpolsignals R⁺ (siehe F i g. 3).

Die Richtung des der Additionsstelle 9 entnehmbaren Summensignals wird mit Hilfe des Stromrichtungsmelders 14 festgestellt und bei Stromnulldurchgang des Istwertes /,·« mittels des Übernahmeschalters 25 in den Richtungsspeicher 24 eingespeichert. Je nach vorliegender Stromrichtung wird einer der beiden Impulsfreigabeschalter IiI oder 19 durchgeschaltet und die Zündimpulse werden den Ventilen des Teiles A oder des Teiles Bdes Umkehrstromrichters 27 zugeführt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Regeleinrichtung für einen aus einem Drehstromnetz gespeisten Umkehrstromrichter in kreisstromfreier Antiparalielschaltung zweier Drehstrombrücken, mit einem Stromregler, dem eingangsseitig ein Stromist- und ein Stromsollwert zuführbar sind und der ausgangsseitig in Abhängigkeit der Regelabweichung einen Steuersatz zur Zündimpuls-Erzeugung beeinflußt, mit einem Stromrichtungsmelder zur Veranlassung von Stromrichtungsumschaltungen sowie einem je nach vorliegender Stromrichtung umschaltbaren ersten Polaritätswender und mit einer Zündimpuls-Umschalteinrichtung zur Beaufschlagung jeweils einer der beiden Umkehrstromrichter-Brücken, dadurch gekennzeichnet, daß ein Impulssammler (20) zur Sammlung der vom Steuersatz abgegebenen Zündimpulse (Z) vorgesehen ist, der ausgangsseitig die gesammelten Zündimpulse (Z+) als Impulsfolge über einen Impulsverlängerer (21) einem Frequenzteiler (22) zuführt, wobei der Frequenzteiler (22) einen mit dem Stromsollwert (I_soii) beaufschlagten zweiten Polaritätswender (11) ansteuert und die dem zweiten Polaritätswender (11) entnehmbare Wechselspannung dreifacher Netzfrequenz dem Stromrichtungsmelder (14) zugeleitet wird.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromsollwert (I_soi) dem zweiten Polaritätswender (11) über einen ersten Funktionsgeber (10) zuführbar ist, wobei das dem Funktionsgeber (10) entnehmbare Modulationssignal (M) ein negatives Maximum aufweist, wenn der Stromsollwert (Isoii) den Wert Null aufweist und zunimmt, wenn der Stromsollwert (I_son) in positiver oder negativer Richtung zunimmt.

3. Regeleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Additionsstelle (9) vorgesehen ist, die eingangsseitig den Stromsollwert (l_soii) sowie das Ausgangssignal (M⁺) des zweiten Polaritätswenders (11) empfängt und das Summensignal dem Stromrichtungsmelder (14) zuführt.

4. Regeleinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromsollwert (lioi!) über einen Tiefpaß (7) gefiltert wird.

5. Regeleinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromrichtungsmelder (14) keine bzw. eine vernachlässigbare Schalthysterese aufweist.

6. Regeleinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltflanken des Frequenzteilers (22) mittels des Impulsverlängeres (21) ungefähr in der Mitte zwischen den Zündimpulsen (Z+) der Impulsfolge einstellbar sind.

7. Regeleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Summensignal der Additionsstelle (9) über einen dritten Polaritätswender (13) und einen zweiten Funktionsgeber (15) dem Steuersatz (16) als Zusatzsignal zur Steuerspannung (S) zuleitbar ist.

8. Regeleinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das dem zweiten Funktionsgeber (15) entnehmbare Zusatzsignal ein negativs Maximum aufweist, wenn das Eingangssignal den Wert Null aufweist und zunimmt, wenn das Eingangssignal zunimmt.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung für einen kreisstromfreien Umkehrstromrichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Regeleinrichtung ist aus der DE-OS 28 27 358 bekannt Die Regeleinrichtung kann Anwendung finden in der Antriebstechnik bei der Speisung von Gleichstrommotoren.

In der Antriebstechnik werden Gleichstrommotoren eingesetzt, wenn die Drehzahl schnell und in weiten

ίο Grenzen veränderbar sein soll. Als Leistungsstellglieder werden dabei kreisstromfreie Doppelstromrichter bzw. Umkehrstromrichter in kreisstromfreier Antiparalielschaltung zweier Drehstrombrücken eingesetzt, weil sich mit diesen der Energiefluß zwischen dem Stromnetz und dem Motor sehr gut regeln läßt. Ein Doppelstromrichter erlaubt eine schnelle Momentanumkehr im Motor, weil für jede Stromrichtung und damit Momentenrichtung ein besonderer Stromrichter zur Verfügung steht

Kreisstromfreie Umkehr- oder Doppelstromrichter haben bei sehr kleinen Strömen ein schlechtes Kleinsignalverhalten, wenn infolge der Schalthysterese eines für die Umschaltung der Stromrichtung verantwortlichen Stromrichtungsmelders führungslose Bereiche für den Sti omregelkreis auftreten.

Um diesen Nachteil der Unstetigkeit beim Umschalten von einem Teil des Doppelstromrichters auf den anderen zu vermeiden, wird im bekannten Fall die Stromrichtung bei kleinen Strömen periodisch umgesteuert, auch wenn der Stromsollwert eigentlich noch deutlich die eine oder andere Stromrichtung anzeigt. Dabei hat sich herausgestellt, daß die Umschaltfrequenz zwar die dreifache Netzfrequenz des speisenden Drehstromnetzes haben kann, von Fall zu Fall jedoch auch niedriger ist. Dies macht sich bei reaktionsschnellen Antrieben als störendes »Zittern« des Motors bemerkbar.

Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung für einen kreisstromfreien Umkehrstromrichter der eingangs genannten Art anzugeben, mit der bei kleinen Strömen eine Umschaltung der Stromrichtung mit dreifacher Netzfrequenz sichergestellt wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die zwangsweise periodische Stromrichuingsumschaltung mit dreifacher Netzfrequenz des den Stromrichter speisenden Drehstromnetzes das Kleinsignalverhalten von Umkehrstromrichtern bei kleinen Strömen verbessert wird, ohne daß sich der Aufwand der Regeleinrichtung erhöht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
In diesem Zusammenhang ist aus Techn. Mitt. AEG-TELEFUNKEN 61 (1971) 2, Seite 135 bis 137 eine Stromregelung für eine kreisstromfreie Stromrichterschaltung bekannt, bei der die Strom-Steuerwinkel-Kennlinie im Lückbereich linearisiert und dem lückenlosen Strombereich angepaßt ist. Hierzu ist dem Stromregler ein Funktionsbildner parallel geschaltet. Eine kleinstmögliche Umschaltverzugszeit von einer Stromrichtergruppe auf die andere wird erreicht, indem man den stromlosen Zustand durch Überwachen der Ventilsperrspannungen erfaßt und eine Umschalteinrichtung mit rückstellbarer Zeitstufe einsetzt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Regeleinrichtung für einen kreisstrom-