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Dokumentenidentifikation DE3029311C2 27.10.1988
Titel Umrichter mit mehrphasigem Ausgang und je einem Stromregler für jeden Phasenausgang
Anmelder Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München, DE
Erfinder Salzmann, Theodor, Dipl.-Ing., 8520 Erlangen, DE
DE-Anmeldedatum 01.08.1980
DE-Aktenzeichen 3029311
Offenlegungstag 04.03.1982
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 27.10.1988
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.10.1988
IPC-Hauptklasse H02M 5/22

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem Umrichter zur Speisung einer mehrphasigen Last. Der Umrichter besteht aus m-Teilumrichtern mit Wechselspannungsausgängen. Jeweils ein Ausgang jedes Wechselrichters ist zu einem gemeinsamen, nicht mit der Last verbundenen Umrichter-Sternpunkt geführt. Jedem Teilumrichter ist der Ausgangsstrom durch einen eigenen, dem Steuersatz für den Teilumrichter vorgeschalteten Stromregler eingeprägt. Jedem Stromregler ist neben der Sollwert/Istwert-Differenz des Teilumrichter-Ausgangsstroms ein allen Stromreglern gemeinsames Zusatzsignal aufgeschaltet (DE-OS 25 02 513).

Zur Speisung einer m-phasigen Last werden insbesondere aus m Teilumrichtern aufgebaute Direktumrichter oder Pulsumrichter verwendet, wobei jeder Teilumrichter zwei Ausgänge zur Abgabe einer Wechselspannung aufweist und von einem Steuersatz angesteuert wird. Jeweils ein Ausgang jedes Teilumrichters ist an einen gemeinsamen Sternpunkt des Umrichters geführt, während an den anderen Ausgängen die entsprechenden Spannungen zur Speisung der Last abgegriffen werden. Ist der Umrichter-Sternpunkt an einen Nullpunkt oder an den Last-Sternpunkt angeschlossen, so kann der gesamte Laststrom dadurch geregelt werden, daß die Steuerspannungen für die Steuersätze jedes Teilumrichters jeweils von einem eigenen, dem entsprechenden Teilumrichter-Ausgang zugeordneten Stromregler gebildet werden. Insbesondere für die Speisung von elektrischen Maschinen ist es jedoch häufig von Vorteil, den Umrichter- Sternpunkt nicht anzuschließen. Der Maschinenstrom weist dann einen geringeren Oberschwingungsgehalt auf und es ist außerdem eine bessere Ausnutzung von Umrichter und Maschine möglich, wenn Ausgangsspannungen mit einem trapezförmigen Verlauf erzeugt werden.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist z. B. in der deutschen Offenlegungsschrift 25 02 513 beschrieben. Da jedoch wegen des Kirchhoff'schen Gesetzes am Umrichter- Sternpunkt die Summe der Ströme stets Null sein muß, sind die Ströme durch die drei Stromregler überbestimmt. Werden nun dem Stand der Technik entsprechend Stromregler mit integralem Anteil verwendet, so können die Ausgangsspannungen der Stromegler auseinanderlaufen, so daß der Umrichter-Sternpunkt elektrisch nicht mehr in der Mitte der Ausgangsphasen liegt. Es entsteht dann ein unsymmetrisches Spannungssystem. Daher wird entsprechend der erwähnten Offenlegungsschrift 25 02 513 auf die Sollwerte aller Stromregler ein gemeinsames Zusatzsignal aufgeschaltet, das aus der Spannungsdifferenz zwischen dem Umrichter-Sternpunkt und dem Last-Sternpunkt abgeleitet ist und diese Spannungsdifferenz zu Null regelt. Dies erfordert jedoch jeweils ein Spannungsmeßglied am Umrichter-Sternpunkt und am Maschinen-Sternpunkt, was insbesondere bei Hochspannungsanlagen für mehr als 1000 V einen erheblichen Aufwand bedeutet. Ist der Last-Sternpunkt unzugänglich, so ist ferner über Belastungswiderstände ein künstlicher Sternpunkt erst zu schaffen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Schaltungsanordnung zu vereinfachen.

Dies geschieht gemäß der Erfindung dadurch, daß die Stromregler-Ausgangssignale abgegriffen, summiert, über ein Glättungsglied (ein derartiges Glättungsglied kann als Regler mit dem Sollwert Null aufgefaßt werden) oder einen PT-Regler, dem ein Sollwert für die Spannung am Umrichter-Sternpunkt aufgeschaltet ist, geführt und als Zusatzsignal allen Stromreglern negativ aufgeschaltet sind.

Die Zeitkonstante des Glättungsgliedes bzw. des PT-Reglers wird vorzugsweise mindestens so groß gewählt wie die Zeitkonstante der Last, sie kann aber auch wesentlich größer sein. Das Verhältnis der Verstärkung des Glättungsgliedes bzw. des PT-Reglers zur Verstärkung des Stromreglers wird vorteilhaft kleiner 1, vorzugsweise etwa 1/3 gewählt.

Der Sollwert für die Teilumrichter-Ausgangsströme wird in der Regel von einer Steuereinrichtung für die Last geliefert und weist dabei einen sinusförmigen Verlauf auf. Nach Aufschaltung des dazugehörigen Istwertes und ggf. einer zusätzlichen Spannung zur Vorsteuerung der Regler, wie das aus den deutschen Offenlegungsschriften 26 57 712 und 26 57 762 bekannt ist, entstehen dadurch die Steuerspannungen für die jeweils auf die Ventile eines Teilumrichters wirkenden Steuersätze, wobei die Seuerspannungen ebenfalls sinusförmigen Verlauf haben. Ein derartiges sinusförmiges Steuerspannungssystem entspricht einem symmetrischen Drehstromsystem. Wie bereits erwähnt, ist es jedoch vorteilhaft, wenn die Ausgangsspannungen der Teilumrichter einen annähernd trapezförmigen Verlauf haben. In der bereits erwähnten DE-OS 25 02 513 ist vorgeschlagen, jede zunächst sinusförmige Steuerspannung in einer Umformerstufe in eine annähernd trapezförmige Steuerspannung umzuformen und dann einem "linearisierten" Steuersatz aufzuschalten. Bei einem derartigen Steuersatz besteht zwischen der Umrichter-Ausgangsspannung und der Steuerspannung ein linearer Zusammenhang. Bei trapezförmiger Steuerspannung wird also eine ebenfalls trapezförmige Ausgangsspannung erzeugt. Die Ausregelung des Nullsystems mittels des Glättungsgliedes bzw. PT-Reglers beeinflußt die Bildung der trapezförmigen Ausgangsspannungen praktisch nicht, wenn gemäß einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung die Stromregler-Ausgangssignale zur Bildung des Zusatzsignales vor den Umformern abgegriffen werden.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform werden bei einem Direktumrichter jedoch die dem symmetrischen Drehstromsystem entsprechenden sinusförmigen Steuerspannungen zur Erzeugung annähernd trapezförmiger Ausgangsspannungen ohne Verwendung eines Umformes direkt einem Steuersatz zugeführt, der einen linear proportionalen Zusammenhang zwischen Steuerspannung und Steuerwinkel aufweist. Der Zusammenhang zwischen Umformer-Ausgangsspannung und Steuerspannung ist bei einem derartigen Steuersatz dann nicht-linear, wobei jedoch bei einer sinusförmigen Steuerspannung ein für die vorgesehene Anwendung besonders vorteilhafter, annähernd trapezförmiger Verlauf der Ausgangsspannung entsteht.

Anhand eines Ausführungsbeispieles und einer Figur wird die Erfindung näher erläutert.

Die Figur zeigt einen Direktumrichter mit drei Einphasen- Ausgängen 1, 2, 3 von drei Teilumrichtern 4, 5, 6, die von entsprechenden Steuersätzen 7, 8, 9 angesteuert werden. Wechselspannungsseitig ist jeder Teilumrichtereingang über eine getrennte Sekundärwicklung eines Transformators 10 an ein Wechselspannungsnetz N angeschlossen. Anstelle eines Direktumrichters kann auch ein Pulsumrichter vorteilhaft verwendet werden, der aus einzelnen Teilumrichtern besteht, die von einem Gleichspannungsnetz, z. B. einem Zwischenkreis, gespeist werden. Mit dem Umrichter-Sternpunkt 11 ist jeweils ein Wechselspannungsausgang jedes Teilrichters verbunden, während die anderen Ausgänge 1, 2, 3 zur Speisung einer symmetrischen Last, vorzugsweise einer Drehfeldmaschine 12, mit den Teilumrichter-Ausgangsströmen i1, i2, i3 dient.

Zur Regelung der Teilumrichter-Ausgangsströme werden Sollwerte i1*, i2*, i3* geliefert und am Eingang entsprechender Stromregler 13, 14, 15 mit den dazugehörigen Istwerten i1, i2, i3 verglichen. Den Ausgangsspannungen dieser Stromregler können zur erwähnten Vorsteuerung zusätzliche Spannungen UV 1, UV 2, UV 3 aufgeschaltet werden.

Zur Erzeugung trapezförmiger Ausgangsspannungen an den Ausgängen 1, 2, 3 können, wie bereits erwähnt wurde, die Stromregler-Ausgangssignale nun Umformern 13&min;, 14&min;, 15&min; zur Erzeugung annähernd trapezförmiger Steuerspannungen UST 1, UST 2, UST 3 für "linearisierte" Steuersätze 7, 8, 9 zugeführt werden. Diese Umformerstufen 13&min;, 14&min;, 15&min; können jedoch entfallen, wenn, wie in der Figur angedeutet ist, die sinusförmigen Steuerspannungen Steuersätzen mit einem linear proportionalen Zusammenhang zwischen Steuerwinkel und Steuerspannung aufgeschaltet werden. Mit 16, 17 und 18 sind noch Kommandostufen bezeichnet, die bei Vorzeichen-Umkehr des jeweiligen Ausgangsstrom- Sollwertes durch eine Umschaltung auf die jeweils antiparallelen Ventile der Teilumrichter eine Umkehrung des Stromflusses durch den Umrichter bewirken.

Zur Erläuterung dieser Variante, bei der zur Erzeugung trapezförmiger Ausgangsspannungen sinusförmige Steuerspannungen verwendet weden, sei daran erinnert, daß beim netzgeführten Stromrichter zwischen der Ausgangsspannung Ua, dem Steuerwinkel α und der Steuerspannung UST der Zusammenhang

Ua = Udi0 cos α = Udi&sub0; cos α(UST)

besteht. Wird daher ein Steuersatz verwendet, für den zwischen Steuerspannung und Steuerwinkel der Zusammenhang

α = α(UST) = k · UST

besteht, so ergibt sich daraus für die Ausgangsspannung

Ua = Udi&sub0; cos (k · sin ωt)

wobei mit Udi&sub0; die "ideelle Leerlaufgleichspannung", die sich durch die Ausgangsspannung beim Steuerwinkel α = 0° ergibt, bezeichnet ist und eine sinusförmige Steuerspannung UST = UST 0 · sin ωt mit der Amplitude UST 0 vorausgesetzt wird. Ein derartiger Verlauf der Ausgangsspannung Ua zeichnet sich dadurch aus, daß insbesondere die dritte Oberschwingung stark hervortritt und in einer Überhöhung der Amplitude Ua 1 der Grundschwingung gegenüber der Amplitude Udi&sub0; der Ausgangsspannung bemerkbar macht, während der Gehalt an Oberschwingungen der fünften und siebten Ordnung kleiner als 1,5% ist. Dieser Ausgangsspannungsverlauf ist annähernd trapezförmig und für die Speisung einer symmetrischen Last in dem Fall besonders geeignet, daß der Last-Sternpunkt mit dem Umrichter- Sternpunkt nicht verbunden ist und die Last daher die dritte Oberschwingung von sich aus unterdrückt.

Gemäß der Erfindung werden die Steuerspannungen UST 1, UST 2, UST 3 abgegriffen, an einem Summationspunkt 20 summiert und einem Glättungsglied 21 (Verzögerungsglied 1. Ordnung) zugeführt. Ferner wird eine Invertierung vorgenommen. Sodann wird die Ausgangspannung des Glättungsgliedes 21 als gemeinsamer Zusatz-Sollwert iz* für alle Regler 13, 14, 15 den jeweiligen Reglereingängen aufgeschaltet.

Das Glättungsglied 21 kann als ein PT-Regler aufgefaßt werden, dem der Sollwert U0* = Null vorgesehen ist. Es kann daher anstelle eines Glättungsgliedes auch ein Nullpunktregler selbst verwendet werden, dem der Sollwert U0* = Null vorgegeben ist. Dies entspricht dem Fall, da ein symmetrisches System von Ausgangsspannungen erzeugt werden soll, d. h. die Spannung am Umrichter-Sternpunkt 11 stets gleich Null ist. Soll jedoch anstelle des symmetrischen Systems von Ausgangsspannungen ein System verwendet werden, das eine gewünschte Nullschwingung (Nullsystem) enthält, so kann auch ein gewünschter Sollwert für dieses Nullsystem, d. h. für die Spannung U0 am Umrichter-Sternpunkt 11, vorgegeben werden, wozu eine entsprechende Vergleichsstelle 21&min; am Eingang des PT-Reglers 21 vorgesehen ist. Die Invertierung kann hierbei gleich durch Vorzeichenumkehr an dem Vergleichspunkt 21&min; erfolgen.

Die Vorgabe einer Spannung am Umrichtersternpunkt ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Ausgangsspannung jedes Teilumrichters wegen der genannten Vorteile bei der Ausnutzung des Umrichters einen annähernd trapezförmigen Verlauf haben sollen. Ein derartiges System von Ausgangsspannungen ist insofern unsymmetrisch, als am Umrichter- Sternpunkt eine Spannung U0 auftritt, die insbesondere die dritte Oberschwingung der Ausgangsfrequenz besitzt. Es ist daher vorteilhaft, als Sollwert dem PT-Regler die dritte Oberschwingung der Ausgangsfrequenz vorzugeben, wobei die Amplitude vorzugsweise etwa 15% der Ausgangsspannungs-Grundschwingung beträgt. Die Stromsollwerte für die Teilumrichter können dann ebenfalls entsprechend einem symmetrischen Drehstromsystem sinusfömig vorgegeben werden; das gemeinsame, vom PT-Regler gelieferte Zusatzsignal bewirkt auch ohne Zwischenschaltung einer Umformerstufe eine derartige Deformierung der Steuerspannung, daß von linearisierten Steuersätzen die gewünschten trapezförmigen Ausgangsspannungen erzeugt werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Schaltungsanordnung mit einem Umrichter zur Speisung einer m-phasigen Last, wobei der Umrichter aus m Teilumrichtern (4, 5, 6) mit Wechselspannungsausgängen besteht, jeweils ein Ausgang jedes Teilumrichters zu einem gemeinsamen, nicht mit der Last verbundenen Umrichter-Sternpunkt (11) geführt ist, jedem Teilumrichter (4; 5; 6) der Ausgangsstrom duch einen eigenen dem Steuersatz (7; 8; 9) für den Teilumrichter vorgeschalteten Stromregler (13; 14; 15) eingeprägt ist und jedem Stromregler neben der Sollwert-Istwert-Differenz des Teilumrichter-Ausgangstromes ein allen Stromeglern gemeinsames Zusatzsignal aufgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromregler-Ausgangssignale abgegriffen, summiert (Summationspunkt 20), über ein Glättungsglied oder einen PT-Regler (21), dem ein Sollwert (U0*) für die Spannung am Umrichter-Sternpunkt (11) aufgeschaltet ist, geführt und als Zusatzsignal allen Stromreglern (13, 14, 15) negativ aufgeschaltet sind.
  2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante des Glättungsgliedes bzw. PT-Reglers mindestens so groß wie die Zeitkonstante der Last ist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Verstärkung des Glättungsgliedes bzw. des PT-Reglers zur Verstärkung des Stromreglers kleiner 1, vorzugsweise etwa 1/3, ist.
  4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollwerte für die Teilumrichter-Ausgangsströme entsprechend einem symmetrischen Drehstromsystem sinusförmig vorgegeben sind, daß zur Erzeugung annähernd trapezförmiger Wechselspannungen an den Wechselspannungsausgängen (1, 2, 3) jedes Stromregler-Ausgangssignal einem dem Steuersatz vorgeschalteten Umformer (13&min;, 14&min;, 15&min;) zur Erzeugung einer annähend trapezförmigen Steuerspannung (UST 1, UST 2, UST 3) aufgeschaltet ist, daß jeder Steuersatz eine der Steuerspannung linear proportionale Teilumrichter-Ausgangsspannung erzeugt, und daß zur Bildung des Zusatzsignals die Stromregler-Ausgangssignale vor den Umformern abgegriffen sind.
  5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollwerte für die Teilumrichter-Ausgangströme entsprechend einem symmetrischen Drehstromsystem sinusförmig vorgegeben sind und daß zur Erzeugung annähernd trapezförmiger Ausgangsspannungen das Zusatzsignal von dem PT- Regler, dem Sollwert (U0*) die dritte Oberschwingung einer Teilumrichter-Ausgangsspannung mit einer etwa 15% der Ausgangsspannung-Grundschwingung betragenden Amplitude aufgeschaltet ist, gebildet und jedes Stromregler- Ausgangssignal als Steuerspannung für einen Steuersatz dient, der eine der Steuerspannung linear proportionale Teilumrichter-Ausgangsspannung erzeugt.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollwerte für die Teilumrichter-Ausgangsströme entsprechend einem symmetrischen Drehstromsystem sinusförmig vorgegeben sind und daß zur Erzeugung annähernd trapezförmiger Ausgangsspannungen jedes Stromregler-Ausgangssignal als Steuerspannung einem Steuersatz (7, 8, 9) zugeführt ist, der die Ventile des von ihm gesteuerten Teilumrichters mit einem zur Steuerspannung (UST 1, UST 2, UST 3) linear proportionalen Steuerwinkel (α) ansteuert.






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