DE3029311C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem Umrichter zur Speisung einer mehrphasigen Last. Der Um­ richter besteht aus m-Teilumrichtern mit Wechselspannungs­ ausgängen. Jeweils ein Ausgang jedes Wechselrichters ist zu einem gemeinsamen, nicht mit der Last verbundenen Um­ richter-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-Diffe­ renz des Teilumrichter-Ausgangsstroms ein allen Stromreg­ lern gemeinsames Zusatzsignal aufgeschaltet (DE-OS 25 02 513).

Zur Speisung einer m-phasigen Last werden insbesondere aus m Teilumrichtern aufgebaute Direktumrichter oder Puls­ umrichter verwendet, wobei jeder Teilumrichter zwei Aus­ gänge 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 ab­ gegriffen 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 Teilumrich­ ters jeweils von einem eigenen, dem entsprechenden Teil­ umrichter-Ausgang zugeordneten Stromregler gebildet wer­ den. Insbesondere für die Speisung von elektrischen Ma­ schinen 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 tra­ pezförmigen 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. Wer­ den nun dem Stand der Technik entsprechend Stromregler mit integralem Anteil verwendet, so können die Ausgangs­ spannungen der Stromegler auseinanderlaufen, so daß der Umrichter-Sternpunkt elektrisch nicht mehr in der Mitte der Ausgangsphasen liegt. Es entsteht dann ein unsymme­ trisches Spannungssystem. Daher wird entsprechend der er­ wähnten Offenlegungsschrift 25 02 513 auf die Sollwerte aller Stromregler ein gemeinsames Zusatzsignal aufge­ schaltet, das aus der Spannungsdifferenz zwischen dem Umrichter-Sternpunkt und dem Last-Sternpunkt abgeleitet ist und diese Spannungsdifferenz zu Null regelt. Dies er­ fordert jedoch jeweils ein Spannungsmeßglied am Umrich­ ter-Sternpunkt und am Maschinen-Sternpunkt, was insbeson­ dere bei Hochspannungsanlagen für mehr als 1000 V einen erheblichen Aufwand bedeutet. Ist der Last-Sternpunkt un­ zugänglich, 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-Reg­ lers wird vorzugsweise mindestens so groß gewählt wie die Zeitkonstante der Last, sie kann aber auch wesent­ lich 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 ge­ liefert 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 Steuer­ spannungen für die jeweils auf die Ventile eines Teilum­ richters wirkenden Steuersätze, wobei die Seuerspannun­ gen ebenfalls sinusförmigen Verlauf haben. Ein derarti­ ges 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 vor­ geschlagen, jede zunächst sinusförmige Steuerspannung in einer Umformerstufe in eine annähernd trapezförmige Steuerspannung umzuformen und dann einem "linearisierten" Steuersatz aufzuschalten. Bei einem derartigen Steuer­ satz besteht zwischen der Umrichter-Ausgangsspannung und der Steuerspannung ein linearer Zusammenhang. Bei tra­ pezförmiger Steuerspannung wird also eine ebenfalls tra­ pezförmige Ausgangsspannung erzeugt. Die Ausregelung des Nullsystems mittels des Glättungsgliedes bzw. PT-Reglers beeinflußt die Bildung der trapezförmigen Ausgangsspan­ nungen praktisch nicht, wenn gemäß einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung die Stromregler-Ausgangssignale zur Bildung des Zusatzsignales vor den Umformern abge­ griffen werden.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform werden bei einem Direktumrichter jedoch die dem symme­ trischen Drehstromsystem entsprechenden sinusförmigen Steuerspannungen zur Erzeugung annähernd trapezförmiger Ausgangsspannungen ohne Verwendung eines Umformes direkt einem Steuersatz zugeführt, der einen linear proportiona­ len Zusammenhang zwischen Steuerspannung und Steuerwinkel aufweist. Der Zusammenhang zwischen Umformer-Ausgangs­ spannung und Steuerspannung ist bei einem derartigen Steuersatz dann nicht-linear, wobei jedoch bei einer sinusförmigen Steuerspannung ein für die vorgesehene Anwendung besonders vorteilhafter, annähernd trapezför­ miger 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 wer­ den. Wechselspannungsseitig ist jeder Teilumrichterein­ gang über eine getrennte Sekundärwicklung eines Transfor­ mators 10 an ein Wechselspannungsnetz N angeschlossen. Anstelle eines Direktumrichters kann auch ein Pulsumrich­ ter vorteilhaft verwendet werden, der aus einzelnen Teil­ umrichtern besteht, die von einem Gleichspannungsnetz, z. B. einem Zwischenkreis, gespeist werden. Mit dem Um­ richter-Sternpunkt 11 ist jeweils ein Wechselspannungs­ ausgang jedes Teilrichters verbunden, während die anderen Ausgänge 1, 2, 3 zur Speisung einer symmetrischen Last, vorzugsweise einer Drehfeldmaschine 12, mit den Teilum­ richter-Ausgangsströmen i 1, i 2, i 3 dient.

Zur Regelung der Teilumrichter-Ausgangsströme werden Sollwerte i 1*, i 2*, i 3* geliefert und am Ein­ gang entsprechender Stromregler 13, 14, 15 mit den dazu­ gehörigen Istwerten i 1, i 2, i 3 verglichen. Den Ausgangs­ spannungen dieser Stromregler können zur erwähnten Vor­ steuerung zusätzliche Spannungen U _{V 1}, U _{V 2}, U _{V 3} aufge­ schaltet werden.

Zur Erzeugung trapezförmiger Ausgangsspannungen an den Ausgängen 1, 2, 3 können, wie bereits erwähnt wurde, die Stromregler-Ausgangssignale nun Umformern 13′, 14′, 15′ zur Erzeugung annähernd trapezförmiger Steuerspannungen U _{ST 1}, U _{ST 2}, U _{ST 3} für "linearisierte" Steuersätze 7, 8, 9 zugeführt werden. Diese Umformerstufen 13′, 14′, 15′ können jedoch entfallen, wenn, wie in der Figur angedeu­ tet 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 anti­ parallelen Ventile der Teilumrichter eine Umkehrung des Stromflusses durch den Umrichter bewirken.

Zur Erläuterung dieser Variante, bei der zur Erzeugung trapezförmiger Ausgangsspannungen sinusförmige Steuer­ spannungen verwendet weden, sei daran erinnert, daß beim netzgeführten Stromrichter zwischen der Ausgangs­ spannung U _a , dem Steuerwinkel α und der Steuerspannung U _ST der Zusammenhang

U _a = U _di0 cos α = U _di ₀ cos α (U _ST )

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

α = α (U _ST ) = k · U _ST

besteht, so ergibt sich daraus für die Ausgangsspannung

U _a = U _di ₀ cos (k · sin ω t)

wobei mit U _di ₀ die "ideelle Leerlaufgleichspannung", die sich durch die Ausgangsspannung beim Steuerwinkel α = 0° ergibt, bezeichnet ist und eine sinusförmige Steuerspan­ nung U _ST = U _{ST 0 · sin ω t mit der Amplitude U ST 0 voraus­ gesetzt wird. Ein derartiger Verlauf der Ausgangsspannung U a zeichnet sich dadurch aus, daß insbesondere die dritte Oberschwingung stark hervortritt und in einer Überhöhung der Amplitude U a 1 der Grundschwingung gegenüber der Am­ plitude U di ₀ der Ausgangsspannung bemerkbar macht, wäh­ rend der Gehalt an Oberschwingungen der fünften und siebten Ordnung kleiner als 1,5% ist. Dieser Ausgangs­ spannungsverlauf 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 U ST 1, U ST 2, U ST 3 abgegriffen, an einem Summationspunkt 20 sum­ miert und einem Glättungsglied 21 (Verzögerungsglied 1. Ordnung) zugeführt. Ferner wird eine Invertierung vorge­ nommen. Sodann wird die Ausgangspannung des Glättungs­ gliedes 21 als gemeinsamer Zusatz-Sollwert i z * für alle Regler 13, 14, 15 den jeweiligen Reglereingängen aufge­ schaltet. Das Glättungsglied 21 kann als ein PT-Regler aufgefaßt werden, dem der Sollwert U 0* = Null vorgesehen ist. Es kann daher anstelle eines Glättungsgliedes auch ein Null­ punktregler selbst verwendet werden, dem der Sollwert U 0* = 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 symme­ trischen Systems von Ausgangsspannungen ein System ver­ wendet werden, das eine gewünschte Nullschwingung (Null­ system) enthält, so kann auch ein gewünschter Sollwert für dieses Nullsystem, d. h. für die Spannung U 0 am Um­ richter-Sternpunkt 11, vorgegeben werden, wozu eine ent­ sprechende Vergleichsstelle 21′ am Eingang des PT-Reglers 21 vorgesehen ist. Die Invertierung kann hierbei gleich durch Vorzeichenumkehr an dem Vergleichspunkt 21′ erfolgen. Die Vorgabe einer Spannung am Umrichtersternpunkt ist ins­ besondere dann vorteilhaft, wenn die Ausgangsspannung je­ des Teilumrichters wegen der genannten Vorteile bei der Ausnutzung des Umrichters einen annähernd trapezförmigen Verlauf haben sollen. Ein derartiges System von Ausgangs­ spannungen ist insofern unsymmetrisch, als am Umrichter- Sternpunkt eine Spannung U 0 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 Ausgangs­ spannungs-Grundschwingung beträgt. Die Stromsollwerte für die Teilumrichter können dann ebenfalls entsprechend einem symmetrischen Drehstromsystem sinusfömig vorge­ geben werden; das gemeinsame, vom PT-Regler gelieferte Zusatzsignal bewirkt auch ohne Zwischenschaltung einer Umformerstufe eine derartige Deformierung der Steuer­ spannung, daß von linearisierten Steuersätzen die ge­ wünschten trapezförmigen Ausgangsspannungen erzeugt werden.}

Claims (4)

1. Schaltungsanordnung mit einem Umrichter zur Speisung einer m-phasigen Last, wobei der Umrichter aus m Teilum­ richtern (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 vorge­ schalteten Stromregler (13; 14; 15) eingeprägt ist und jedem Stromreg­ ler neben der Sollwert-Istwert-Differenz des Teilumrich­ ter-Ausgangstromes ein allen Stromeglern gemeinsames Zusatzsignal aufgeschaltet ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Stromregler-Ausgangs­ signale abgegriffen, summiert (Summationspunkt 20), über ein Glättungsglied oder einen PT-Regler (21), dem ein Sollwert (U ₀*) für die Spannung am Umrichter-Sternpunkt (11) aufgeschaltet ist, geführt und als Zusatzsignal allen Stromreglern (13, 14, 15) negativ aufgeschaltet sind.

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. 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. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Soll­ werte für die Teilumrichter-Ausgangsströme entsprechend einem symmetrischen Drehstromsystem sinusförmig vorgege­ ben sind, daß zur Erzeugung annähernd trapezförmiger Wechselspannungen an den Wechselspannungsausgängen (1, 2, 3) jedes Stromregler-Ausgangssignal einem dem Steuersatz vorgeschalteten Umformer (13′, 14′, 15′) zur Erzeugung einer annähend trapezförmigen Steuerspan­ nung (U _{ST 1}, U _{ST 2}, U _{ST 3) aufgeschaltet ist, daß jeder Steuersatz eine der Steuerspannung linear proportionale Teilumrichter-Ausgangsspannung erzeugt, und daß zur Bil­ dung des Zusatzsignals die Stromregler-Ausgangssignale vor den Umformern abgegriffen sind. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Soll­ werte für die Teilumrichter-Ausgangströme entsprechend einem symmetrischen Drehstromsystem sinusförmig vorge­ geben sind und daß zur Erzeugung annähernd trapezför­ miger Ausgangsspannungen das Zusatzsignal von dem PT- Regler, dem Sollwert (U 0*) die dritte Oberschwingung einer Teilumrichter-Ausgangsspannung mit einer etwa 15% der Ausgangsspannung-Grundschwingung betragenden Ampli­ tude aufgeschaltet ist, gebildet und jedes Stromregler- Ausgangssignal als Steuerspannung für einen Steuersatz dient, der eine der Steuerspannung linear proportionale Teilumrichter-Ausgangsspannung erzeugt. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Soll­ werte für die Teilumrichter-Ausgangsströme entsprechend einem symmetrischen Drehstromsystem sinusförmig vorgege­ ben 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 (U ST 1, U ST 2, U ST 3) linear proportionalen Steuerwinkel (α) ansteuert.}