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Dokumentenidentifikation DE3533174C2 02.11.1989
Titel Spannungsnachführung eines Stromreglers
Anmelder Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH, 6000 Frankfurt, DE
Erfinder Niesel, Norbert, Ing.(grad.);
Wegener, Klaus, Ing.(grad.), 1000 Berlin, DE
DE-Anmeldedatum 13.09.1985
DE-Aktenzeichen 3533174
Offenlegungstag 02.04.1987
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 02.11.1989
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.11.1989
IPC-Hauptklasse H02M 7/72
IPC-Nebenklasse H02M 5/44   
Zusammenfassung Beim Betrieb eines Stromreglers (N1) mit PI-P-Verhalten in einem unterlagerten Regelkreis innerhalb einer Frequenzregelung für gegenparallelgeschaltete, netzseitige Stromrichter eines eine Last speisenden, eine Glättungsdrossel in seinem Gleichspannungs-Zwischenkreis aufweisenden Umrichters soll bei allen Betriebspunkten, also auch bei der Umschaltung vom motorischen in den generatorischen Betrieb der Last und umgekehrt, eine gezielte Aufladung des Zwischenkreiskondensators an der Stromgrenze sichergestellt sein. Zu diesem Zweck wird dem Ausgangssignal des Stromreglers (N1) eine der Zwischenkreisspannung des Umrichters proportionale Größe (XUD), die auf die Netzspannung (UNETZ) normiert ist, aufgeschaltet.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens. Eine Frequenzregelung der beschriebenen Art ist aus der Zeitschrift "Technische Mitteilungen AEG-Telefunken" 67 (1977), Heft 1, Seiten 6 bis 11 bekannt.

Für Umrichter mit Gleichspannungszwischenkreis, bei denen diese Frequenzregelung angewendet wird, ist es aus der Zeitschrift "Technische Mitteilungen AEG- Telefunken" 69. Jahrgang (1979), Heft 5/6, Seiten 186 bis 191 auch bekannt, für den Vierquadrantenbetrieb zwei Netzstromrichter vorzusehen, von denen der eine, beim generatorischen Betrieb der Last arbeitende Stromrichter über einen Rückspeisetransformator mit dem Netz verbunden ist.

Ein insbesondere zur Anwendung bei über kreisstromfrei gegenparallelgeschaltete Stromrichter gespeisten Gleichstromantrieben vorgesehener Stromregler mit PI-P-Verhalten, der auch bei einem Verfahren der eingangs genannten Art eingesetzt werden kann, ist in der Zeitschrift "Technische Mitteilungen AEG-Telefunken" 69. Jahrgang (1979), Heft 5/6, Seiten 162 bis 166 beschrieben. Danach ist es auch bekannt, mit Hilfe eines Funktionsbildners aus der Stromführungsgröße ein zusätzliches Signal zu gewinnen, das die Reglerspannung additiv beeinflußt. Damit soll eine für den Lückbereich des Stromes notwendige hohe Proportionalverstärkung erzielt werden.

Wird ein derartiger Regler mit PI-P-Verhalten in einem unterlagerten Regelkreis bei der eingangs angeführten Frequenzregelung eingesetzt, muß bei einem Richtungswechsel des Zwischenkreisstromes die Spannung des Beschaltungskondensators des Reglers gespeichert bleiben. Es kann beim Öffnen des Regelkreises durch Störgrößen vom Stromregler eine undefinierte Steuerspannung für die netzgeführten Stromrichter vorgegeben werden. Wird insbesondere der Regelkreis dadurch unterbrochen, daß am Ausgang eine Stromscheitelwertsbegrenzung eingreift und damit die Stromführungsgröße größer wird als die Stromreglergröße, so besteht bei anschließender Stromrichtungsumkehr die Gefahr, daß das Signal zur Ansteuerung der Stromrichterventile völlig falsch in seinem Betrag zur tatsächlichen Zwischenkreisspannung steht. Damit entnimmt der angesteuerte netzgeführte Stromrichter völlig undefinierte Ströme aus dem Netz.

Durch die Siemens-Zeitschrift 42 (1968), Heft 9, Seiten 773 bis 777 ist ein Umrichter mit durch Drosseln eingeprägtem Zwischenkreisstrom bekannt, der zusätzlich auch einen Kondesator im Zwischenkreis aufweist, dessen Spannung dem Ausgangssignal eines Stromreglers für den Netzstromrichter dieses I-Umrichters aufgeschaltet wird. Dieser Kondensator hat jedoch lediglich eine Filterwirkung. Insbesondere wird bei dieser Anordnung kein linearer Zusammenhang zwischen der Zwischenkreisspannung und dem Steuerwinkel des Netzstromrichters erreicht. Das zuvor geschilderte Problem kann also bei dieser Umrichterart nicht auftreten.

Ferner ist durch die US-PS 44 20 719 ebenfalls ein Umrichter mit einem Gleichstrom-Zwischenkreis bekannt. Doch fehlt hier ein Kondensator völlig, dessen undefinierte Aufladung bei einem U-Umrichter Schwierigkeiten bereitet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs angegebenen Art so auszugestalten, daß am Ausgang des Stromreglers zu jedem Zeitpunkt ein Steuersignal für die netzseitigen Stromrichter auftritt, das das den tatsächlichen Verhältnissen im Zwischenkreis gerecht wird, d. h. es soll bei allen Betriebspunkten eine gezielte Aufladung des die Zwischenkreisspannung einprägenden Kondensators an der Stromgrenze gesichert sein. Auch soll eine Schaltungsanordnung angegeben werden, mit der das Verfahren dann durchführbar ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung für das Verfahren durch das in Anspruch 1 gekennzeichnete Merkmal gelöst.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß der eigentliche PI-Regler nur bei Übergangszuständen arbeitet, d. h. im ausgeregelten Zustand liegt am Ausgang des Reglers kein Spannungssignal vor. Auf einfache Weise wird also der Stromregler von der Zwischenkreisspannung nachgeführt, so daß die vom Stromregler abgegebenen Steuersignale für die netzseitigen Stromrichter definiert entsprechend dem im Zwischenkreis herrschenden Zustand auftreten.

Eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ist im Anspruch 5 gekennzeichnet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Schaltungsanordnung nach der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild für den Einsatz eines Stromreglers mit PI-P- Verhalten in einem unterlagerten Regelkreis innerhalb einer Frequenzregelung für gegenparallelgeschaltete netzseitige Stromrichter eines Gleichspannungs-Zwischenkreis-Umrichters und

Fig. 2 das Prinzipschaltbild für einen entsprechend der Spannung im Gleichspannungs- Zwischenkreis des Umrichters nach Fig. 1 gemäß der Erfindung nachgeführten Stromregler.

Gemäß Fig. 1 liegt ein Gleichspannungs-Zwischenkreis-Umrichter mit seinen beiden netzseitigen Stromrichtern SR1, SR2 an einem dreiphasigen Netz RST. Die beiden netzseitigen Stromrichter SR1, SR2 sind als dreiphasige Brückenschaltungen ausgebildet, wobei der bei der einer Energierückspeisung vom Umrichter in das Netz RST in Betrieb befindliche Stromrichter SR2 über einen Rückspeisetransformator T1 mit dem Netz verbunden ist. Der Gleichspannungs- Zwischenkreis weist eine Glättungsdrossel L und einen Stützkondensator C auf, an dem die Zwischenkreispannung UD anliegt. Lastseitig besteht der Umrichter aus einem nicht in Einzelheiten dargestellten Stromrichter SR3, der z. B. aus einer Freilaufdiodenbrücke und einer vollgesteuerten, selbstgeführten Thyristorbrücke gebildet sein kann. Der Stromrichter SR3 ist mit einer aus vier dreiphasigen Asynchronmaschinen bestehenden Last verbunden. Für die Last steht am Ausgang des Umrichters eine symmetrische, dreiphasige Wechselspannung R&min; S&min; T&min; variabler Frequenz zur Verfügung.

Der Eingangsstrom für den Umrichter ist mit IE, der Zwischenkreisstrom bei motorischen Betrieb der Last (Betrieb des netzseitigen Stromrichters SR1) ist mit IDMot und der Strom für generatorischen Betrieb der Last (SR2 in Betrieb) ist mit IDGen bezeichnet.

Die Frequenzregelung des Umrichters ist aus dem Signalflußplan (Fig. 1, unten) zu erkennen. Die Führungsgröße für die Frequenz der eingangsseitigen Stromrichter SR1, SR2 des Umrichters wird von einem Potentiometer 1 über einen Steilheitsbegrenzer 2, der zu schnelle Frequenzänderungen bei der Führungsgröße vermeidet, einem Frequenzregler 4 zugeführt. Als Regelgröße dient dem Frequenzregler 4 eine der Zwischenkreisspannung UD und damit der Frequnez der netzseitigen Stromrichter SR1, SR2 proportionale Größe. Die Ausgangsspannung des Frequenzreglers 4 bildet die auf einen Maximalwert (Stromgrenze) begrenzte Stromführungsgröße für einen unterlagerten Stromregler 5, der über einen Steuersatz 6 die netzseitigen Stromrichter SR1 bzw. SR2 aussteuert. Als Regelgröße dient dem Stromregler 5 eine dem Eingangsstrom IE des Umrichters proportionale Signalspannung XIE.

Mit dem Umrichter läßt sich ein geführter Bremsvorgang realisieren, bei dem durch Verringerung der Ständerfrequenz der die Last darstellenden Motoren stetig gebremst wird, so daß die Bremsenergie über den Umrichter durch Betrieb des netzseitigen Stromrichters SR2 und den Rückspeisetransformator T1 in das Netz RST zurückgeliefert wird. Dabei wird zunächst die Bremsenergie von der Last über den Stromrichter SR3 in den Zwischenkreiskondensator C abgegeben. Dies führt zu einer Spannungserhöhung, so daß sich die Polarität des Ausgangssignals des Frequenzreglers 4 ändert. Die Polaritätsänderung wird zusammen mit der Richtungsänderung des Eingangsstromes IE des Umrichters von einer Umschaltautomatik 8 erfaßt und zu einem Befehl an eine Impulsumschaltung 7 ausgewertet, die die Ansteuersignale des Steuersatzes 6 vom Stromrichter SR1 auf den Stromrichter SR2 umschaltet. Damit kann dann der Stromrichter SR2 die überschüssige Energie des Zwischenkreiskondensators im Wechselrichterbetrieb ins Netz zurückführen.

Lediglich angedeutet ist die Steuerung für den ausgangsseitigen Stromrichter SR3, da sie in diesem Zusammenhang uninteressant ist. Die Ausgangsspannung des Steilheitsbegrenzers 2 wird nämlich einer Einheit 9 zugeführt, die einen Spannungs-Frequenz-Umsetzer aufweist, in dem das Eingangssignal in eine einphasige proportionale Pulsfolge mit sechsfacher Frequenz des gewünschten Drehstromsystems umgewandelt wird. Das so erzeugte einphasige Signal wird dann in einem ebenfalls in der Einrichtung 9 vorhandenen Ringzähler in sechs 180°-Signale untersetzt, die um jeweils 60° gegeneinander verschoben sind. Diese 180°-Signale steuern den Stromrichter SR3 derart an, daß am Ausgang die symmetrische dreiphasige Wechselspannung R&min; S&min; T&min; für die Last entsteht.

Als Stromregler 5 kann in dieser in Fig. 1 gezeigten bekannten Schaltung ein Regler mit PI-P-Verhalten eingesetzt werden. Ein derartiger Stromregler weist gemäß Fig. 2 einen Regelverstärker N1 auf. Dieser ist mit einem Widerstand R1 und einem Kondensator C1 beschaltet. Dem Regelverstärker N1 ist eingangsseitig die Regelabweichung der dem Eingangsstrom des Umrichters proportionalen Größe XIE von der durch den Frequenzregler 4 vorgegebenen Führungsgröße WIE zugeführt. Einem Aufschaltungspunkt am Ausgang des Regelverstärkers N1 werden in bekannter Weise ein Signal einer durch ein Einstellglied N5 vorgegebenen 120°-Einstellung und zur Steuerung im Lückbereich ein Signal von einem durch die Führungsgröße WIE beaufschlagten



Funktionsbildner N4 zugeführt.

Bei einem Richtungswechsel des Zwischenkreisstromes, z. B. von IDMot auf IDGen, (in Fig. 1) nämlich von motorischen auf generatorischen Betrieb der Last, bleibt die Spannung des Beschaltungskondensators C1 (in Fig. 2) gespeichert. Wird nun der Regelkreis dadurch unterbrochen, daß eine (nicht gezeigte) Stromscheitelwertsbegrenzung eingreift und damit die Stromführungsgröße -WIE größer wird als die Stromregelgröße +XIE so kann das vom Stromregler 5 abgegebene Signal UeST zur Ansteuerung der Stromrichterventile des im Betrieb befindlichen netzseitigen Stromrichters SR1 bzw. SR2 völlig falsch zur tatsächlichen Zwischenkreisspannung UD stehen. Damit würden völlig undefinierte Ströme aus dem Netz RST entnommen und der Zwischenkreiskondensator C würde unkontrolliert aufgeladen werden.

Um dieses zu vermeiden geht die Erfindung davon aus, daß der Stromregler nur bei Übergangszuständen arbeitet, d. h. im ausgeregelten Zustand liegt die Ausgangsspannung des Reglers am Punkt A in Fig. 2 auf 0 V. Dem Ausgangssignal des Stromreglers wird am Aufschaltpunkt am Ausgang eine der Zwischenkreisspannung UD proportionale Größe aufgeschaltet. Dies geschieht mittels eines Dividierers N10, dessen Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Netzspannung normiert wird. Eingangsseitig wird also dem Dividierer N10 als Dividend eine der Zwischenkreisspannung proportionale Größe XUD und als Divisor eine der Netzspannung UNETZ proportionale Größe zugeführt.

Da der zusätzliche Rückspeisetransformator T1 für den Stromrichter SR2 die Eingangsspannung anhebt, wird die Netzspannung bei der Betriebsart "generatorisch" dadurch korrigiert, daß ein Schalter D1 einen dem Eingang des Dividierers N10 vorgeschalteten ohmschen Widerstand R2 kurzschließt.

Zusätzlich ist der Ausgang A des Regelverstärkers N1 mit dem Ausgang eines Verstärkers N11 verbunden, dem eingangsseitig eine dem Eingangsstrom IE des Umrichters proportionale Größe XIE in Abhängigkeit davon zugeführt ist, ob ein generatorischer oder ein motorischer Betrieb der Last erfolgt. Dementsprechend wird der Betrag der dem Eingangsstrom proportionale Größe XIE bei motorischem Betrieb über einen Schalter D3 dem normalen Eingang des Verstärkers N11 zugeführt bzw. bei generatorischem Betrieb über einen Schalter D2 dem invertierenden Eingang des Verstärkers N11 eingegeben. Auf diese Weise wird das Ausgangssignal des Regelverstärkers N1 zusätzlich um die Spannungsabfälle an der Zwischenkreisdrossel L in Abhängigkeit von der Stromrichtung des Zwischenkreisstromes ID korrigiert.

Das von der Zwischenkreisspannung nachgeführte und zusätzlich über den Verstärker N11 für die Spannungsabfälle an der Zwischenkreisdrossel korrigierte Ausgangssignal des Stromreglers N1 wird gemäß Fig. 2 über ein arc sin-Kennlinien-Glied N2 linearisiert und über einen Verstärker N3 als Steuerspannung UeST dem Steuersatz 6 zur Ansteuerung eines der Stromrichter SR1 bzw. SR2 zugeführt. Der Zwischenkreiskondensator C wird damit gezielt bei allen Betriebspunkten an der vorgegebenen Stromgrenze aufgeladen.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Spannungsnachführung eines Stromreglers (5; N1, R1, C1) mit PI-P-Verhalten in einem unterlagerten Regelkreis innerhalb einer Frequenzregelung für antiparallelgeschaltete netzseitige Stromrichter (SR1, SR2) eines eine Last speisenden, eine Glättungsdrossel (L) in seinem Gleichspannungs-Zwischenkreis aufweisenden Umrichters, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ausgangssignal des nur bei Übergangszuständen arbeitenden Stromreglers (5; N1, R1, C1) eine der Zwischenkreisspannung (UD) proportionale Größe aufgeschaltet wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Zwischenkreisspannung (UD) proportionale Größe auf die Netzspannung (UNetz) normiert wird.
  3. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem im generatorischen Betrieb der Last mit dem zweiten Netzstromrichter (SR2) über einen Rückspeisetransformator (T1) Energie ins Netz zurückgespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß die der Zwischenkreisspannung (UD) proportionale Größe in Abhängigkeit von einem motorischen oder generatorischen Betrieb der Last zusätzlich korrigiert wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ausgangssignal des Stromreglers (5; N1, R1, C1) zusätzlich eine dem Eingangsstrom (IE) des Umrichters proportionale Größe (xIE) aufgeschaltet ist.
  5. 5. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang des Stromreglers (5; N1, R1, C1) eines Dividierers (N10) angeschlossen ist, dem eingangsseitig als Dividend eine der Zwischenkreisspannung (UD) proportionale Größe (XUD) und als Divisor eine der Netzspannung (UNetz) proportionale Größe zugeführt sind.
  6. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem mit der netzspannungsproportionalen Größe beaufschlagten Eingang des Dividierers (N10) ein ohmscher Widerstand (R2) vorgeschaltet ist, der bei generatorischem Betrieb der Last kurzgeschlossen ist.
  7. 7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Ausgang (5; N1, R1, C1) zusätzlich der Ausgang eines Verstärkers (N11) verbunden ist, dem eingangsseitig unter Beachtung der Richtung des durch den Umrichter fließenden Stromes (ID) eine dem Eingangsstrom (IE) des Umrichtes proportionale Größe (xIE) zugeführt ist.






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