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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einprägung sinusförmiger Netzphasenströme bei Drei- phasen-Dreipunkt-Pulsgleichrichtersystemen mit Hochsetzstellerstruktur, d. h. netzseitig vorgeschalteten Induktivitäten und eingeprägter Ausgangsspannung wie es im Kennzeichenteil des Patentanspruches 1 beschrieben ist, sowie Vorrichtungen zur Erhöhung des Aussteuerbereiches dreiphasiger nach dem Verfahren gesteuerter Pulsgleichrichtersysteme.
Nach dem derzeitigen Stand der Technik wird, wie in der A954/99 beschrieben, die Regelung der Eingangsströme eines unidirektionalen dreiphasigen Pulsgleichrichtersystems mit ohmschem Grundschwingungsnetzverhalten vorteilhaft ohne Multiplizierer bzw. ohne Vorgabe expliziter Phasenstromsollwerte ausgeführt. Die Ansteuersignale der Leistungshalbleiter werden hiebei in jeder Phase mittels eines Komparators über direkten Vergleich der Phasenstromistwerte mit einem für alle Phasen identen Dreieckträgersignal gebildet, wobei für Dreipunktkonverter wie z. B. in der EP 94120245. 9 (AT406434B) beschrieben, für negative Netzphasenspannung eine Inversion des zugeordneten pulsbreitenmodulierten Ansteuersignals vorzunehmen ist.
Um eine symmetrische Aussteuerbarkeit der Pulsbreitenmodulation zu erreichen ist gemäss der A954/99 weiters dem Dreieckträgersignal in jeder Phase ein netzfrequentes Rechtecksignal mit einem der zugeordneten Netzphasenspannung bzw. dem zugeordneten Netzphasenstrom gleichen Vorzeichen und einer Amplitude in Höhe des Momentanwertes der Dreieckamplitude zu addieren. Aufgrund der Eigenstabilität des, durch die Gleichheit von Netz- und Gleichrichtereingangsspannung definierten Systemzustandes resultiert dann eine selbsttätige netzspannungsproportionale Führung der Phasenströme, entsprechend ohmschem Netzverhalten. Durch die Netzspannung wird ja bei, auf einen Festwert geregelter Ausgangsspannung direkt die erforderliche relative Pulsbreite und damit direkt der lokale Wert des modulierenden Signals (des Phasenstromistwertes) bestimmt.
Allgemein wird der sich einstellende Strom durch das Verhältnis der Ausgangsspannung und des Augenblickswertes der Netzphasenspannung und durch die Amplitude des Dreieckträgersignals bestimmt. Wird z. B. die Trägersignalamplitude auf den halben Wert verringert, wird bereits für den halben Stromwert die für das Spannungsgleichgewicht erforderliche Pulsbreite erreicht, der Phasenstrom wird sich demgemäss um einen Faktor 2 verringern. Über die Amplitude des Dreiecksträgers ist somit eine direkte Vorgabe der Stromamplitude möglich. Die Symmetrie der Ausgangsteilspannungen des Dreipunktkonverters kann durch ein zu den Phasenstromsollwerten addiertes, durch einen übergeordneten Regler vorgegebenes Offsetsignal sichergestellt werden.
Das Regelkonzept vermeidet zwar die bei analoger Realisierung relativ hohen Kosten der für die Erzeugung von Phasenstromsollwerten vorzusehenden Multiplizierer weist allerdings aufgrund der in jeder Phase anhängig vom Vorzeichen der zugeordneten Netzphasenspannung vorzunehmenden Inversionen des pulsbreitenmodulierten Ansteuersignals und Verschiebung des Dreieckträgersignals einen noch immer relativ hohen Realisierungsaufwand auf.
Aus der US 6 115 274 A ist eine Ansteuerschaltung für ein, durch diskontinuierliche Eingangsstörme mit sinusförmiger Einhüllender und nur einen Leistungstransistor gekennzeichnetes Dreiphasen-Pulsgleichrichtersystem bekannt. Der Leistungstransistor kann für diese Schaltung im einfachsten Fall mit konstantem Tastverhältnis betrieben werden, das durch einen Komparator gebildet wird, der ein Sägezahn-Trägersignal mit einem durch den Ausgangsspannungsregler vorgegebenen stationär konstanten Signal vergleicht. Die Eingangsleistung und damit die Amplitude der Eingangsphasenströme wird direkt durch den Ausgangsspannungsregler vorgegeben, eine Multiplikation zur Generierung sinusförmiger Sollwerte für unterlagerte Phasenstromregler ist nicht erforderlich.
Die sinusförmige Formung der Eingangsströme, genauer der Einhüllende der diskontinuierlichen Eingangsströme findet topologie bedingt selbsttätig im Leistungsteil statt. Da der Leistungsteil Zweipunktstruktur und nur einen Leistungstransistor bzw. diskontinuierlichen Eingangsstromverlauf aufweist ist allerdings die beschriebene Ansteuerschaltung für DreipunktPulsgleichrichtersysteme mit drei Leistungshalbleitern nicht einsetzbar.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Regelverfahren für Dreiphasen-Dreipunkt-Pulsgleichrichtersysteme zu schaffen, das die Phasenströme in an sich bekannter Weise selbsttätig, d. h. ohne explizite Sollwertvorgabe bzw. Multiplikation in Phase mit der zugeordneten Phasenspannung führt und keine netzspannungsabhängige Inversion des pulsbreitenmodulierten Ansteuersignals und keine netzspannungsabhängige Verschiebung des Dreieckträgersignals erfordert.
Dies wird erfindungsgemäss durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 erreicht. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entneh-
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men.
Grundgedanke der Erfindung ist, die in jeder Phase dem, das pulsbreitenmodulierte Ansteuersignal des zugeordneten elektronischen Schalters bildenden Komparator nachgeordnete, vom Vorzeichen der Phasenspannung bzw. des Phasenstromes abhängige Inversion an den Komparatoreingang zu verschieben, d. h. anstelle des Phasenstromistwertes den gleichgerichteten Phasenstrom als modulierendes Signal heranzuziehen.
Weiters ist dann erfindungsgemäss auch das, das Dreieckträgersignal verschiebende netzfrequente Rechtecksignal mit der zugeordneten Netzphasenspannung bzw. dem zugeordneten Netzphasenstrom gleichem Vorzeichen netzsynchron gleichzurichten und entartet so zu einem konstanten Offset in Höhe der Amplitude des Trägersig- nals. Das erfindungsgemässe Stromregelverfahren erfordert damit keine Detektion der Vorzeichen der Netzphasenspannungen bzw. keine netzspannungsabhängige Inversion der Phasenschaltentscheidungen und keine Bildung netzsynchroner Rechtecksignale und resultiert so in einem überaus geringen Realisierungsaufwand.
Bei erfindungsgemässer Ausführung der Stromregelung liegen innerhalb der gesamten Netzperiode die bei konventioneller Realisierung nur in der positiven Stromhalbschwingung gegebenen Verhältnisse vor, eine nähere Erklärung kann daher unterbleiben. Grundsätzlich sei nur festgehalten, dass ein (gleichgerichteter) Phasenstrom durch das Offsetsignal entsprechend der jeweiligen Amplitude des Trägersignals zu negativen Werten verschoben wird (dies ist gleichwertig einer entgegengesetzten Verschiebung des Trägersignals). Entsprechend wird der Komparator einer Phase ein positives Ausgangssignal ausgeben bzw. den zugeordneten elektronischen Schalter durchschalten wenn der Momentanwert des Dreieckträgersignals über dem des modulierenden Signals liegt.
D. h. es wird bei Erhöhung des Stromistwertes die am Eingang des zugeordneten Brückenzweiges des Dreipunktkonverters auftretende Spannung erhöht bis lokal ein Gleichgewicht mit der treibenden Netzphasenspannung gefunden ist. Auf die Amplitude des Phasenstromes kann durch einen übergeordneten Regler in an sich bekannter Form wieder über Änderung der Amplitude des Dreieckträgersignals Einfluss genommen werden.
Eine vorteilhafte erfindungsgemässe Erweiterung des Verfahrens nach Anspruch 1 beschreibt der Patentanspruch 2. Hiebei werden erfindungsgemäss für positiven und negativen Phasenstrom inverse Dreieckträgersignale zur Pulsbreitenmodulation verwendet womit die Einschaltpulse der Leistungstransistoren der positiven Eingangsstrom führenden Phasen um eine halbe Taktperiode gegenüber den Einschaltpulsen der Leistungstransistoren der negativen Strom führenden Phasen auftreten.
Da aufgrund des Fehlens einer Verbindung zwischen Ausgangsspannungsmittelpunkt und Netzsternpunkt die verketteten Gleichrichtereingangsspannungen für die Bildung des schaltfrequenten Rippels des Eingangsstromes massgeblich sind wird so gegenüber einer phasengleichen Taktung der positiven und negativen Strom führenden Phasen vorteilhaft eine Verdopplung der effektiven Pulsfrequenz erreicht, womit bei gleichen Schaltverlusten eine signifikant geringere Amplitude der schalffrequenten Schwankung der Eingangsströme resultiert.
Eine vorteilhafte Vorrichtung zur Erhöhung des Aussteuerbereichs einer multipliziererfreien Phasenstromregelung nach Anspruch 1 oder 2 oder dem Stand der Technik entsprechender Form beschreibt der Patentanspruch 3. Wird als modulierendes Signal direkt der Phasenstrom verwendet entspricht dies einer einfachen Sinusmodulation da der Phasenstrom einen der i. a. sinusförmigen Netzphasenspannung proportionalen Verlauf aufweist. Es wird somit nicht die volle Aussteuerbarkeit des Dreipunkt-Pulsgleichrichtersystems genutzt.
Wie bekannt kann allerdings durch Erweiterung der sinusförmigen Phasenmodulationssignale durch eine für alle Phasen gleiche 3. Harmonische entsprechender Amplitude die Grenze zur Übersteuerung gegenüber Sinusmodulation um maximal 15, 7% erhöht werden. Erfindungsgemäss wird nun im vorliegenden Fall diese dritte Harmonische durch eine Operationsverstärkerschaltung derart gebildet, dass in jeder Phase abzweigend vom Phasenstrommesssignal zwei, durch entsprechend rückgekoppelte Operationsverstärker gebildete ideale invertierende Einweggleichrichterschaltungen angeordnet werden, wobei eine Gleichrichterschaltung die invertierte negative Halbschwingung und die zweite Gleichrichterschaltung die invertierte positive Halbschwingung des Phasenstrommesssignals ausgibt.
Die Ausgänge der die invertierten positiven Halbschwingungen der Phasenstrommesssignale darstellenden Gleichrichterschaltungen und Ausgänge der die invertierten negativen Halbschwingungen der Phasenstrommesssignale darstellenden Gleichrichterschaltungen werden nun in einem ersten und einem zweiten Verknüpfungspunkt verschaltet und
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zwischen diesen Verknüpfungspunkten wird ein aus Widerständen mit gleichem Ohmwert gebildeter Spannungsteiler angeordnet und die am Abgriff dieses Spannungsteilers gegenüber Bezugspotential abgreifbare Nullspannung, die, wie man einfach überlegt, dreifache Netzfrequenz aufweist, in jeder Phase mittels eines Summierverstärkers zum Phasenstrommesswert addiert. Das resultierende Signal wird dann anstelle des tatsächlichen Phasenstrommesswertes zur Pulsbreitenmodulation herangezogen.
Aufgrund der Absenkung des sinusförmigen Phasenstromverlaufs durch die Nullspannung in der Umgebung der Phasenstrommaxima wird so eine Erhöhung der Aussteuergrenze erreicht.
Die Erfindung wird im weiteren anhand einer Zeichnung (Fig. 1) näher erläutert.
Fig. 1 zeigt die vereinfachte schematische Darstellung der erfindungsgemässen Vorrichtung 1 zur Bildung von, einen weiten Aussteuerbereich sicherstellenden Phasenmodulationssignalen 2, 3, 4 nach Anspruch 3. An die Eingänge 5, 6, 7 der Vorrichtung 1 werden die Phasenstrommesssignale gelegt. In jeder Phase werden nun abzweigend vom Phasenstrommesssignal 5 bzw. 6 bzw. 7 zwei invertierende Einweggleichrichterschaltung 8, 9 bzw. 10, 11 bzw. 12, 13 angeordnet wobei die Einweggleichrichterschaltungen 8, 10, 12 die invertierte negative Halbschwingung des zugeordneten
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gen 9, 11, 13 die invertierten positiven Halbschwingungen der Phasenstrommesssignale 5, 6, 7 an ihren Ausgängen 18, 19, 20 bilden.
Die, die invertierten negativen Halbschwingungen der Phasenstrommesssignale darstellenden Ausgänge 15, 16, 17 der Phasengleichrichterschaltungen 8, 10, 12 und die, die invertierten positiven Halbschwingungen der Phasenstrommesssignale 5, 6, 7 darstellenden Ausgänge 18, 19, 20 der Gleichrichterschaltungen 9, 11, 13 werden nun in einem ersten Verknüpfungspunkt 21 und einem zweiten Verknüpfungspunkt 22 verschaltet. Zwischen diesen Verknüpfungspunkten wird ein aus Widerständen 23, 24 mit gleichem Ohmwert gebildeter Spannungsteiler 25 angeordnet und die am Abgriff 26 dieses Spannungsteilers gegenüber Bezugspotential 27 abgreifbare Nullspannung 28, die, wie man einfach überlegt, dreifache Netzfrequenz aufweist mittels Summierverstärker 29, 30, 31 zu jedem Phasenstrommesssignal 5, 6, 7 addiert.
Eine, die invertierte negative Halbschwingung eines Phasenstrommesssignals am Ausgang darstellende Einweggleichrichterschaltung wird hiebei vorteilhaft in an sich bekannter Weise eingangsseitig durch einen gegen den invertierenden Eingang 32 eines Operationsverstärkers 33 geschalteten Widerstand 34 gebildet, wobei der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers 33 mit Bezugspotential 27 verbunden ist.
Die Rückkopplung des Operationsverstärkers besteht aus zwei Zweigen 35 und 36 wobei Zweig 35 durch die Serienschaltung einer vom Ausgang 37 des Operationsverstärkers in Flussrichtung abzweigende Diode 38 und einen, von der Kathode 39 der Diode 38 gegen den invertierenden Eingang 32 geschalteten Serienwiderstand 40 (mit gleichem Ohmwert wie Eingangswiderstand 34) und Zweig 36 durch eine vom invertierenden Eingang 32 gegen den Ausgang 37 des Operationsverstärkers 33 in Flussrichtung geschaltete Diode 41 gebildet wird, womit am Verbindungspunkt 39 von Diode 38 und Widerstand 40 die invertierte negative Halbschwingung eines Phasenstrommesssignals abgegriffen werden kann.
Die, die invertierte positive Halbschwingung eines Phasenstrommesssignals darstellenden Gleichrichterschaltungen 9, 11, 13 weisen gleiche Grundstruktur wie die, die invertierten negativen Halbschwingungen bildenden Gleichrichterschaltungen 8, 10, 12, jedoch eine inverse Orientierung der Dioden 38 und 41 auf.
Zufolge der Verbindung der Ausgänge 15, 16, 17 tritt am Verknüpfungspunkt 21 der invertierte Minimalwert der netzfrequenten Phasenstrommesssignale 5, 6, 7, d. h. ein Signalverlauf mit dreifacher Netzfrequenz auf. Der Signalverlauf am Verbindungspunkt 22 wird demgegenüber durch den invertierten Maximalwert der Phasenstrommesssignale 5, 6, 7 bestimmt und zeigt ebenfalls dreifache Netzfrequenz. Am Abgriff 26 des Spannungsteilers tritt damit gegenüber Bezugspotential 27 eine reine Wechselspannung 28 mit dreifacher Netzfrequenz auf, die im Sinne der Addition einer Nullgrösse gleichartig zu allen Phasenstrommesssignalen 5, 6, 7 addiert wird. Die so resultierenden Ausgangssignale 2, 3, 4 der Vorrichtung 1 werden dann anstelle der tatsächlichen Phasenstrommesssignale 5, 6, 7 zur Pulsbreitenmodulation herangezogen.
Aufgrund der Absenkung des Betrages der sinusförmigen Phasenstrommesssignale 5, 6, 7 durch die Nullspannung 28 in der Umgebung der Maxima der Phasenstrommesssignale 5, 6, 7 führt dies auf die gewünschte, um 15. 7% gegen- über der Weglassung der Nullspannung 26 bzw. reiner Sinusmodulation erhöhte Aussteuergrenze der Pulsbreitenmodulation.
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Anzumerken ist, dass die invertierenden Einweggleichrichterschaltungen 8, 10, 12 und 9, 11, 13 auch durch nicht invertierende Einweggleichrichterschaltungen ersetzt werden können wobei dann die Summierverstärker 28, 29, 30 durch Subtrahierverstärker zu ersetzen sind und die Nullspannung 28 an die invertierenden Eingänge der Subtrahierverstärker zu legen ist.
Weiters ist festzuhalten, dass die Vorrichtung 1 in gleicher Form für Zwei- und Dreipunktkonverter eingesetzt werden kann. Ein an sich bekanntes Offsetsignal zur Regelung der Aufteilung der Ausgangsspannung bei Dreipunktkonvertern ist hiebei zu den Ausgängen 2, 3, 4 der Vorrichtung 1 bzw. am Eingang der Summierverstärker 29, 30, 31 zu addieren ; eine Addition zu den Phasenstrommesswerten 5, 6, 7 würde zu einer Verzerrung der Nullspannung 28 und damit zu einer Absenkung der Aussteuergrenze führen.
Alternativ kann die Regelung des Mittelpunktspotentials auch derart erfolgen, dass anstelle eines gemeinsamen Trägersignals für jede Phase ein eigenes Trägersignal zur Pulsbreitenmodulation vorgesehen und die Amplitude des Trägersignals während der positiven Halbschwingung des zugeordneten Eingangsphasenstromes erhöht (bzw. verringert) und während der negativen Halbschwingung verringert (bzw. erhöht) wird. Die Addition eines Offsetsig- nals kann damit unterbleiben.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur selbsttätigen Einprägung sinusförmiger Netzphasenströme bei Dreiphasen- Dreipunkt-Putsgleichrichtersystemen mit ohmschem Grundschwingungsnetzverhalten, die netzseitig vorgeschaltete Induktivitäten und eingeprägte Ausgangsspannung und eine Pulsbreitenmodulatorstufe je Phase aufweisen wobei die Amplitude der Phasenströme direkt über Änderung der Amplitude des für alle Phasen gemeinsamen, i. a.
konstante
Frequenz aufweisenden Dreiecksträgersignals durch einen übergeordneten Ausgangs- spannungsregler erfolgen kann, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Phase das gleich- gerichtete, einen Offset in Höhe der negativen Amplitude des für alle Phasen gleichen
Dreieckträgersignals aufweisende Phasenstrommesssignal als modulierendes Signal herangezogen wird und in jeder Phase durch Vergleich von Phasenstrommesssignal und
Dreieckträgersignal ein Ansteuersignal des zugeordneten elektronischen Schalters derart gebildet wird, dass der Schalter durchgeschaltet wird wenn der Momentanwert des Dreieck- trägersignals über dem des modulierenden Signals liegt und gesperrt wird, wenn das Drei- eckträgersignal den modulierenden Phasenstromverlauf unterschreitet,
womit in an sich bekannter Weise eine Erhöhung eines Phasenstromistwertes auf eine Erhöhung der am
Eingang des zugeordneten Brückenzweiges des Dreipunktkonverters auftretenden Span- nung führt, was in einem, durch das Gleichgewicht von treibender Netzphasenspannung und Gleichrichtereingangsphasenspannung definierten netzspannungsproportionalen Ver- lauf des Phasenstromes resultiert.