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Dokumentenidentifikation DE3738180C2 12.09.1996
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Ausgangsgleichspannung eines selbstgeführten Netzstromrichters
Anmelder Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München, DE
Erfinder Schwesig, Günter, Dipl.-Ing. (FH), 8520 Erlangen, DE
DE-Anmeldedatum 10.11.1987
DE-Aktenzeichen 3738180
Offenlegungstag 18.05.1989
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 12.09.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.09.1996
IPC-Hauptklasse H02M 7/12

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Zwischenkreis-Gleichspannung als Ausgangsgleichspannung eines selbstgeführten, von einem Versorgungsnetz gespeisten Stromrichters. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung hierzu.

Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind aus der US-PS 4 328 454 bekannt.

Bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist der selbstgeführte Netzstromrichter eines Spannungszwischenkreis-Umrichters gemäß Fig. 1. Dabei wird die Zwischenkreisspannung uD aus einer die Stromrichterventile (z. B. Transistoren) T1, T2, . . ., T6 umfassenden Brückenschaltung aus dem Versorgungsnetz mit den Phasen R, S, T gespeist. Mit Mp ist symbolisch ein Null-Leiter gezeigt, der jedoch in der Regel nicht vorhanden ist. Während daher die Strom-Meßglieder IR, IS und IT die Phasenleiter-Ströme iR, iS und iT zu messen gestatten, kann über Meßglieder URS, UST nur jeweils die verkettete Spannung uRS und uST zwischen den Phasenleitern R, S, T erfaßt werden, während die zugehörigen Phasenleiter-Spannungen uR, . . . nicht direkt erfaßbar sind.

Für den stabilen Betrieb am Netz müssen beim selbstgeführten Netzstromrichter eines derartigen Spannungszwischenkreis-Umrichters die aus dem Netz entnommenen Phasenströme iR, iS und iT geregelt werden. Meist soll dem Netz keine oder eine vorgegebene Blindleistung entnommen werden, so daß die Phasenlage der Ströme zu den Netzspannungen fest vorgegeben werden muß. Die Amplitude der Phasenströme dagegen ergibt sich als Funktion der zu übertragenden Wirk- und Blindleistung.

Es ist also erforderlich, die Ansteuersignale für die Stromrichterventile auf die Netzspannung zu synchronisieren. Hierzu haben sich sogenannte "Vektorfilter" bewährt, die aus den verketteten Spannungen die Komponenten eines den Phasenleiter-Spannungen zugeordneten Vektors berechnen, mittels eines Vektordrehers in ein zunächst asynchron rotierendes Koordinatensystem transformieren und einem Regler zuführen, der eine transformierte Vektorkomponente auf einen einem vorgegebenen Differenzwinkel entsprechenden Sollwert regelt. Das Ausgangssignal dieses Reglers liefert die Steuerspannung für einen Vektoroszillator, an dessen Ausgang zwei Winkelfunktionen abgegriffen werden, die die Achsen des rotierenden Koordinatensystems festlegen und auf den Vektordreher rückgeführt werden. Diese Winkelfunktionen beschreiben ein nullkomponentenfrei es Drehsystem, das mit der Frequenz des Netzes im ausgeregelten Zustand phasenstarr umläuft (DE-OS 33 47 549).

Ein derartiges Vektorfilter bedingt einen hohen Aufwand an Bauteilen und Kosten. Außerdem tritt bei Netzschwankungen aufgrund der endlichen Dynamik des Winkelreglerkreises ein Fehlwinkel zwischen Phasenspannung und dem nullkomponentenfreien Drehsystem auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für den stabilen Betrieb am Netz auf möglichst einfache und kostengünstige Weise die Stromrichterventile derart anzusteuern, daß die Phasenströme synchron (d. h. mit einer Phasenverschiebung Null oder einer anderen vorgegebenen Phasenverschiebung) zu der Spannung des Netzes sind.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 2. Eine hierzu geeignete Vorrichtung besitzt die Merkmale des Anspruchs 4.

Anhand von drei bevorzugten Ausführungsbeispielen, die in drei weiteren Figuren dargestellt sind, wird die Erfindung näher erläutert.

Für die verketteten Spannungen uRS, uST und uTR des Netzes gilt, daß ihre Nullkomponente (d. h. die Summe der drei Spannungen) den Wert Null besitzt. Auch der selbstgeführte Netzstromrichter der Fig. 1 vermag nur ein nullkomponentenfreies Stromsystem zu übertragen. Reine Wirkstrom-Übertragung liegt dabei dann vor, wenn die Phasenleiter-Ströme iR, IS, iT jeweils streng in Phase zu den Spannungen uS-u&sub0;, uS-u&sub0; und uT-u&sub0; liegen, wobei u&sub0; die Nullkomponente der Phasenspannung ist. Dieses nullkomponentenfreie System der Phasenleiterspannungen kann aber aus den verketteten Phasenspannungen durch eine Rechenstufe gemäß den Beziehungen

uR-u&sub0; = (uTR-uRS)/3 = -(2uRS + uST)/3

uS-u&sub0; = (uRS-uST)/3

uT-u&sub0; = (uST-uTR)/3 = (uRS + 2uST)/3

berechnet werden. Bei diesen Spannungen handelt es sich um vektorielle Größen.

Der Erfindung liegt nun der Gedanke zugrunde, eine auf die in den Stromrichter fließenden Phasenströme wirkende Stromregelung mit einem nullsystemfreien System von Stromsollwerten zu verwenden. Die Phasenlage dieses Sollwert-Systems wird unter Berücksichtigung des gewünschten Leistungsfaktor-Winkels φ direkt durch das nullkomponentenfreie Phasenleiter-Spannungssystem gegeben. Dazu erfolgt ein regelnder Eingriff über die Differenz von Soll-Ausgangsgleichspannung uD* und Ausgangsgleichspannung uD, um den jeweiligen Betragssollwert für die Phasenströme zu bilden. Daher kann das Ausgangssignal eines Gleichspannungsreglers mit einer der nullkomponentenfreien Phasenleiter-Spannungen multipliziert werden und liefert den Sollwert für den zugehörigen Phasenleiter-Strom. Es genügt dabei jedoch, von nur zwei der Phasenleiter-Spannungen auszugehen, da der dritte Phasenleiter-Stromsollwert sich wegen der Nullkomponentenfreiheit aus (iR* + iS* + iT* = 0) ergibt. Um die Ansteuersignale der Stromrichterventile auf möglichst einfache Weise zu erhalten, wird für jedes der Stromrichterventilpaare T1/T2, T3/T4 und T5/T6 ein eigener Zweipunktregler verwendet, dessen Ausgangssignale direkt auf die Steuereingänge der Halbleiterschalter aufgeschaltet werden können.

Dadurch ergibt sich in einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel die in Fig. 2 gezeigte Anordnung, bei der eine erste Rechenstufe (Koordinatenwandler KW) aus den verketteten Spannungen die beiden Phasenleiter-Spannungen uR und uS bildet. Ein Gleichspannungsregler RU ermittelt aus der Soll/Ist-Differenz uD*-uD der Ausgangsgleichspannung den Betragssollwert |I*|, aus dem die Multiplizierer MP1, MP2 die Phasenstrom-Sollwerte iR* und iS* bilden. Mittels des Addierers AD und des Inversionsgliedes IN wird auch der dritte Phasenstrom-Sollwert iT* = -iR*-iS* gebildet, der zusätzlich zu iR* und iS* für eine Zweipunktregelung der Phasenleiter-Ströme verwendet wird. Dazu werden die entsprechenden Soll/Ist-Differenzen der Phasenströme Hysterese-Reglern HR, HS und HT zugeführt, deren Ausgangssignale direkt als Ansteuerimpulse für die Transistoren des Stromrichters verwendet werden. Die Hysterese-Regler HR, HS und HT werden im folgenden auch als Zweipunktregler bezeichnet. Die unmittelbar vorgeschalteten Vergleichsstufen (ohne Bezugszeichen) werden auch als Vergleicher bezeichnet.

Wegen der Linearität der in der ersten Rechenstufe KW und der zweiten Rechenstufe (AD, IN) verwendeten Beziehungen ist es gleichgültig, ob die Multiplikation mit |I*| mittels zweier Multiplizierer am Eingang oder Ausgang der ersten Rechenstufe oder mittels dreier Multiplizierer am Ausgang der zweiten Rechenstufe erfolgt. Ist z. B. zur Kompensation einer Blindleistung eine vorgegebene Phasenverschiebung zwischen den Stromsollwerten und den Phasenleiter-Spannungen um einen Zusatzwinkel φ* gewünscht, so können die entsprechenden Funktionen cosφ* und sinφ* einem zwischen den beiden Rechenstufen angeordneten Vektordreher VD zugeführt werden.

Anstelle der drei Hysterese-Stromregler (auch "Toleranzband-Stromregler" genannt) können auch stetige Phasenstromregler verwendet werden, wie in Fig. 3 dargestellt ist.

Während bei der Schaltung nach Fig. 2 als Phasenstromregler Zweipunktregler mit einer endlichen Hysteresebreite verwendet werden, deren Ausgangssignal direkt die Ansteuerimpulse für die Stromrichterventile liefert, werden nach Fig. 3 Zweipunktregler HR&min;, HS&min; und HT&min; mit einer vernachlässigbaren Hysteresebreite verwendet. Ihnen werden Phasenleiter-Spannungssollwerte uR*, uS* und uT* zugeführt, die mit einer höherfrequenten Referenzspannung uref, die von einem Referenzspannungs-Generator Uref, insbesondere einem Dreieck-Spannungsgenerator, geliefert werden. Dadurch werden die Phasenleiter-Spannungssollwerte die ungefähr einen Sinusform aufweisen, pulsbreitenmoduliert, und die breitenmodulierten Ausgangsimpulse der Zweipunktregler dienen direkt als Ansteuerimpulse der Stromrichterventile.

Die Sollwerte uR* und uS* für die Vergleicher mit dem nachgeschalteten Zweipunktreglern HR&min; und HS&min; werden aus den beiden Phasenleiter-Spannungsmeßwerten uR und uS gebildet, indem den in den Sollwert-Kanälen angeordneten Multiplizierern MP1 und MP2 der Strombetrag-Sollwert |I*| zur Bildung der Phasenleiter-Stromsollwerte iR*, iS* zugeführt wird und diese Sollwerte jeweils einer von den Strom-Istwerten iR, iS beaufschlagte Regelvergleichsstelle CPR, CPS mit je einem nachgeschalteten Phasenstrom-Regler RIR und RIS eingespeist wird. Mit AD und IN sind wieder die Additionsstelle und das Inversionsglied der zweiten Rechenstufe bezeichnet, die aus den beiden Sollwerten Steuersignale für die beiden Zweipunktregler HR&min; und HS&min; und aus dem Sollwert uT* Steuersignale für den dritten Zweipunktregler HT&min; liefert.

Häufig liegen die Spannungs-Istwerte uRS, uST und uD zum Zwecke einer übergeordneten Regelung und/oder Überwachung der Anordnung in digitaler Form vor. Die erste Rechenstufe (Koordinatenwandler KW), der Ausgangsgleichspannungs-Regler RU und gegebenenfalls der Vektordreher VD können dann ohne weiteres in digitaler Form realisiert werden.

Besonders einfache Lösungen ergeben sich, wenn anstelle von Analog-Multiplizierern (z. B. MP1 und MP2 in Fig. 3) multiplizierende Digital/Analog-Umsetzer verwendet werden können, die ein analoges Signal, insbesondere ein analoges Meßsignal, an einem Eingang mit einem digitalisierten Signal am anderen Eingang zu einem Analogsignal verarbeiten können. So erfordern die multiplizierenden Digital/Analog-Umsetzer DAUR und DAUS in Fig. 4 nur einen Gleichstrom-Regler RU mit digitalisiertem Ausgangssignal. Deren analoge Ausgangssignale stellen somit analoge Strom-Sollwerte iR*, iR* dar, die entsprechend den Fig. 2 und 3 weiterverarbeitet werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Regelung einer Zwischenkreis-Gleichspannung als Ausgangsgleichspannung eines selbstgeführten, von einem Versorgungsnetz gespeisten Stromrichters, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
    1. a) aus der Soll/Istwert-Differenz der Ausgangsgleichspannung (uD*, uD) wird ein Strom-Betragssollwert (|I*|) gebildet,
    2. b) die Meßwerte für zwei verkettete Phasenspannungen (uRS, uST) werden erfaßt und durch Umrechnung in drei nullkomponentenfreie Phasenleiterspannungen (uR, uS, uT) und Bewertung mit dem Strom-Betragssollwert (|I*|) in drei Phasenstrom-Sollwerte (iR*, iS*, iT*) umgerechnet, die mit entsprechenden Phasenstrom-Istwerten (iR, iS, iT) verglichen werden, und
    3. c) jedes Vergleichsergebnis wird jeweils einem Zweipunktregler (HR, HS, HT) zugeführt, mit dessen jeweiligen Ausgangssignal die zugehörigen Stromrichterventile (T1/T2; T3/T4; T5/T6) angesteuert werden (Fig. 2).
  2. 2. Verfahren zur Regelung einer Zwischenkreis-Gleichspannung als Ausgangsgleichspannung eines selbstgeführten, von einem Versorgungsnetz gespeisten Stromrichters, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
    1. a) aus der Soll/Istwert-Differenz der Ausgangsgleichspannung (uD*, uD) wird ein Strom-Betragssollwert (|I*|) gebildet,
    2. b) es werden Meßwerte für zwei verkettete Phasenspannungen (uRS, uST) erfaßt und durch Bewertung mit dem Strom-Betragssollwert (|I*|) in zwei Phasenstrom-Sollwerte (iR*, iS*) umgerechnet, die mit zwei entsprechenden Phasenstrom-Istwerten (iR, iS) verglichen werden,
    3. c) aus den beiden Vergleichsergebnissen werden drei Phasenleiter-Steuerspannungen (uR*, uS*, uT*) gebildet, die mittels einer höherfrequenten Referenzspannung (uref) pulsbreitenmoduliert werden, um mit den breitenmodulierten Impulsen der Steuerspannungen die Stromrichterventile (T1/T2; T3/T4; T5/T6) anzusteuern (Fig. 3).
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenlage der beiden Phasenleiter-Meßwerte um einen vorgegebenen Winkel verschoben werden.
  4. 4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch
    1. - eine erste Rechenstufe (KW), die aus den Meßwerten der verketteten Phasenspannungen (uRS, uST) zwei Phasenleiter-Spannungsmeßwerte (uR, uS) berechnet,
    2. - einen ersten und einen zweiten Vergleicher mit nachgeschaltetem Zweipunktregler (HR, HS), wobei dem Vergleicher aus den verketteten Phasenspannungen (uRS, uST) abgeleitete Phasenstrom-Sollwerte (iR*, iS*) zugeführt sind,
    3. - eine zweite Rechenstufe (AD, IN), die aus den zwei Phasenstrom-Sollwerten den dritten Phasenstrom-Sollwert (iT*) eines nullsystemfreien Dreiphasen-Systems berechnet,
    4. - einen vom dritten Sollwert (iT*) beaufschlagten dritten Vergleicher mit nachgeschaltetem Zweipunktregler (HT),
    5. - einem vom Istwert (uD) der Ausgangsgleichspannung und einem entsprechenden Sollwert (uD*) beaufschlagten Gleichspannungsregler (RU),
    6. - in den Sollwertkanälen der Vergleicher angeordneten Multiplizierern (MP1, MP2), denen das Ausgangssignal (|I*|) des Gleichspannungsreglers (RU) gemeinsam aufgeschaltet ist,
    7. - wobei die Ansteuerimpulse der Stromrichterventile an den Ausgängen der Zweipunktregler (HR, HS, HT) abgegriffen sind,
    8. - wobei das mittels eines der Multiplizierer (MP1) gebildeten Produkt aus dem Ausgangssignal (|I*|) des Gleichspannungsreglers (RU) und dem ersten Phasenleiter-Spannungsmeßwert (uR) sowie ein Phasenstrom-Istwert (iR) dem ersten Vergleicher, das Produkt aus dem Ausgangssignal (|I*|) des Gleichspannungsreglers (RU) und dem zweiten Phasenleiter-Spannungsmeßwert (uS) sowie ein zweiter Phasenstrom-Istwert (iS) dem zweiten Vergleicher und die negative Summe der beiden Produkte sowie ein dritter Phasenstrom-Istwert (iT) dem dritten Vergleicher zugeführt sind und
    9. - wobei den diesen drei Vergleichern nachgeschalteten Zweipunktreglern (HR, HS, HT) eine endliche Hysteresebreite vorgegeben ist (Fig. 2).
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen der ersten Rechenstufe (KW) nachgeschalteten, von einem vorgegebenen Zusatzwinkel (φ*) angesteuerten Vektordreher (VD).
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
    1. - zwischen die erste (KW) und die zweite Rechenstufe (AD, IN) zwei Phasenstromregler (RIR, RIS) geschaltet sind, denen jeweils das Produkt aus dem Ausgangssignal (|I*|) des Gleichspannungsreglers (RU) und einem Phasenleiter-Spannungsmeßwert (iR*, iS*) sowie ein Phasenstrom-Istwert (iR, iS) zugeführt ist,
    2. - ein Referenzspannungsgenerator (UREF) eine höherfrequente Tastspannung (uref) erzeugt,
    3. - das Ausgangssignal des einen Phasenstromreglers (RIR) als erster Sollwert zusammen mit der Tastspannung dem ersten Vergleicher, das Ausgangssignal des anderen Phasenstromreglers (RIS) als zweiter Sollwert zusammen mit der Tastspannung dem zweiten Vergleicher und die negative Summe der beiden Phasenstromregler-Ausgangssignale als dritter Sollwert zusammen mit der Tastspannung dem dritten Vergleicher zugeführt sind und
    4. - die den drei Vergleichern nachgeschalteten Zweipunktregler (HR&min;, HS&min;, HT&min;) eine vernachlässigbare Hysteresebreite aufweisen (Fig. 3).
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Gleichspannungsregler (RU) mit digitalem Ausgangssignal und multiplizierenden Digital/Analog-Wandlern (DAUR, DAUS) als Multiplizierer (Fig. 4).






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