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Die
Erfindung betrifft eine Stromversorgung zur Erzeugung zeitlich vorgebbarer,
gesteuerter und geregelter Stromverläufe und ein Verfahren
zum Steuern und Regeln dieser.
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Stromversorgungen
im Allgemeinen dienen dem stromspezifischen Betreiben irgendwelcher
elektrischen Lasten, im Besonderen soll ein zeitabhängiger
Stromverlauf durch eine Last eingestellt werden können. Zur
Bereitstellung großer Ströme sind Stromrichter
eine zuverlässige und bewährte Lösung,
jedoch liefern sie eine wellige Ausgangsspannung und somit einen
welligen Ausgangsstrom.
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Zur
Speisung von Beschleunigermagneten in Beschleunigeranlagen ist eine
sehr hohe Genauigkeit des Magnetstroms erforderlich. Aus diesem
Grund kommen bei herkömmlichen Stromrichterlösungen
als Stromversorgung für Beschleunigermagnete z. B. LC-Filter
zum Einsatz (siehe beispielsweise I., 1 darin). Diese
haben schlechte dynamische Eigenschaften, da durch das Filter und
durch den Lastmagnet, regelungstechnisch gesehen, ein System 2.
Ordnung entsteht.
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Bei
Synchrotron-Beschleunigern werden rampengeregelte Stromversorgungen
benötigt. Die oben beschriebenen klassischen Stromrichterlösungen
scheiden wegen ihres schlechten dynamischen Verhaltens und der unvermeidbaren
Schleppfehlern während der Stromrampen, hervorgerufen durch
den notwendigen PI-Regler, für diese Anwendungen aus.
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Eine
Stromversorgung welche auf ein passives LC-Filter am Ausgang des
Stromrichters verzichten kann wird in I. vorgestellt. Die Stromversorgung
besteht aus einem 12-pulsigen Stromrichter, SCR (= silicon controlled
rectifier), der den Hauptteil des Laststromes beisteuert, und einem
lastparallelen Aktivfil ter, in I. die Paralleleinspeisung, PE, genannt,
die nur ein kleinen Teil des Laststromes beisteuert, jedoch die
Genauigkeit und Stabilität des Laststromes bewirkt. Für
das in I. beschriebene Verfahren ist jedoch ein großer
technischer Aufwand nötig, um die Verluste in den linear
geregelten Transistorbänken zu minimieren. Weiterhin ist
hierzu eine komplexe Steuerung nötig.
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Wie
in II. vorgestellt, kann ein phasengesteuerter Thyristorstromrichter
in seinem stationären und dynamischen Verhalten für
Anwendungen mit hoher Genauigkeit und schnelle Antwort verbessert
werden, indem ein paralleles, pulsbreitengesteuertes Aktivfilter
verwendet wird. Wieder übernimmt der Stromrichter den Hauptanteil
des Laststromes, das Aktivfilter lediglich die harmonische Aufhebung
und Stromfehlerkompensation und steuert nur unter vorübergehenden
Bedingungen einen Teil des Laststromes bei. Das führt zu
einer kleinen Leistungsauslegung des Aktivfilters. Wegen des Taktfilters
am Ausgang des Aktivfilters benötigt die in II beschriebene
Lösung zusätzlich ein passives LC-Filter am Ausgang
des Stromrichters um die geforderte Genauigkeit einzuhalten, mit
den oben beschriebenen Nachteilen.
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Hierin
gründet die Aufgabe, die zu der Erfindung führte,
nämlich eine Stromversorgung mit lastparallelem Aktivfilter
bereit zu stellen, mit der zeitabhängig vorgebbare Stromverläufe
mit hoher Genauigkeit verzögerungsfrei und hochdynamisch
eingestellt werden können. Gleichzeitig sollen die Verluste
in den Halbleitern und der Bauteileaufwand sowie die Komplexität
der Steuerung und Regelung gering gehalten werden, und die Notwendigkeit
für ein passives LC-Filter am Ausgang des Stromrichters
vermieden werden.
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Die
Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1
gegenständlich und durch die des Anspruchs 4 verfah rensmäßig
gelöst.
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Nach
Anspruch 1 besteht das Aktivfilter aus seiner Stromrichtergruppe
und einer an deren Ausgang angeschlossenen Taktbrücke aus
vier Schaltelementen V1 bis V4 mit jeweils einer in Gegenrichtung überbrückenden
und leitenden Freilaufdiode D1 bis D4 zur bipolaren getakteten Stromeinspeisung.
Am Ausgang der Taktbrücke sitzt eine Drossel, die Taktdrossel
L3, die zusammen mit einem Kondensator C2
und einer RC-Bedämpfung, R3 und C3, einen Tiefpass 2. Ordnung
bildet.
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Durch
diesen Aufbau ist ein 4-Quadranten-Betrieb – und damit
ein bipolarer Ausgangsstrom – des Aktivfilters möglich.
Dadurch kann der Mittelwert des Ausgangsstromes des Aktivfilters
zu Null geregelt werden. Daraus ergibt sich eine Reduzierung der
Anschlussleistung und des Bauteileaufwandes. Die beschriebene Schaltungstopologie
hat gegenüber einer linear geregelten Transistorbank prinzipbedingt
geringere Verluste, was zusätzlich zu einer Reduktion der
Baugröße führt. Ein weiter Vorteil dieser
Topologie gegenüber einer linearen Transistorbank besteht
darin, dass sie von Natur aus eine Spannungsquelle darstellt, was
sich günstig für die Realisierung der Regelung
auswirkt.
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Wenn
der Mittelwert der Stromrichterspannung ebenfalls exakt dem Wert
der Lastspannung entspricht fällt die Stromrichterwelligkeit
komplett an der Glättungsdrossel L2 ab,
der daraus resultierende Welligkeitsstrom fließt über
das Aktivfilter. Nach dem nebengeordneten Anspruch 4 wird zur Regelung
des Stromes ISR der Stromversorgung in der
ersten Regelstrecke am Eingang des Reglers FRiSR das
Signal ΔISR = (ILSoll – IList) – (IAFSoll – IAFIst) gebildet, indem dem Sollwert für
den Laststrom IL der Sollwert des Aktivfilterstromes
IAF subtrahiert wird. Dieser ist bei einem
bipolar arbeitendem Aktivfilter 0. Daraus ergibt sich der Sollwert
des Stromrichterstromes. Dem Istwert des Laststromes wird der Istwert
des Aktivfilter-Stromes sub trahiert, daraus ergibt sich der Istwert
des Stromrichterstromes.
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Die
sich ergebende Regeldifferenz ΔISR wird
dem Regler FRiSR zugeführt. Weicht
der Strom des Aktivfilters von Null ab, so ändert sich
diese Regeldifferenz und der Regler FRiSR greift
so lange ein, bis der Strom IAF des Aktivfilters
Null geworden ist. Auf diese Weise liefert das Aktivfilter im Mittel
keinen Strom in die Last. Der Stromrichter stellt somit die lastseitig
benötigte Leistung alleine zur Verfügung. Nur
bei schnellen Änderungen des Stromsollwertes, etwa am Rampenbeginn
bzw. Rampenende, welcher der Stromrichter nur verzögert folgen
kann, weicht der Mittelwert des Aktivfilter-Stromes von Null ab.
Um die Regelung des Stromrichters zu entlasten, wird das Ausgangssignal
des Reglers FRiSR mit dem Signal des Sollwerts
der Lastspannung Usoll verknüpft.
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In
den abhängigen gegenständlichen Ansprüchen
2 und 3 sind zweckmäßige Stromrichterverschaltungen
beschrieben. Nach dem Unteranspruch 2 kann die Stromversorgung aus
mindestens zwei parallelen Stromrichtern bestehen, die jeweils 6-pulsig
sind. Sie können phasengleich pulsen, so dass die Stromversorgung
an ihrem Ausgang ebenfalls 6-pulsig ist. Sie können jedoch
auch phasenversetzt zueinander pulsen, so dass dadurch schon eine
erste Glättung des gesamten Stromrichterstromes erreicht
wird. Technisch zweckmäßig würde, vorzugsweise
symmetrisch, d. h. um 60°/n, mit n als Anzahl paralleler
Stromrichter, gegeneinander versetzt, gepulst werden, um einen möglichst
hohen Glättungseffekt schon dadurch zu erreichen. Technisch
häufig sind zwei um 30° zueinander versetzte,
gleichartige Stromrichter, das über die Schaltung am jeweiligen
Eingangstransformator erreicht wird. Zwei parallele Stromrichter
pulsen phasengleich zueinander 6-pulsig und phasenverschoben zueinander
12-pulsig. Jeder Stromrichter der parallelen Anordnung hat seine Glättungsdrossel
am Ausgang.
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Besondere
Aufmerksamkeit wäre vor allem steuer- und regelungstechnisch
bei parallelen Stromrichtern dem einzelnen Stromrichterbeitrag ISRn und damit einem jeweiligen Stromunterschied ΔiSRn zum gesamten Stromrichterstrom ISR = Σ ISRn beizumessen.
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Nach
dem Unteranspruch 3 kann die Stromversorgung aber auch aus mindestens
zwei seriellen Stromrichtern bestehen, die jeweils 6-pulsig sind.
Sie können ebenfalls gleichphasig pulsen, so dass die Stromversorgung
an ihrem Ausgang ebenfalls 6-pulsig ist. Sie können jedoch
ebenfalls auch phasenversetzt zueinander pulsen, so dass dadurch
schon eine erste Glättung des gesamten Stromrichterstromes
erreicht wird. Technisch zweckmäßig würde
vorzugsweise symmetrisch, d. h. um 60°/n, mit n als Anzahl
paralleler Stromrichter, gegeneinander versetzt gepulst werden,
um auch so einen möglichst hohen Glättungseffekt schon
dadurch zu erreichen. Technisch häufig sind zwei um 30° zueinander
versetzte, gleichartige Stromrichter. Damit ist der gesamte Strom
ISR der Stromversorgung gleich dem einzelnen
Stromrichterstrom ISRn. Dabei besteht allerdings
eine Ausgangsspannung, die sich aus den einzelnen Stromrichterspannungen
zusammensetzt, also USR = Σ USRn. Eine Glättungsdrossel für
die gesamte Stromversorgung kann dann unter Beachtung des Isolationsaufwands
dabei ausreichend sein.
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Das
im nebengeordneten Anspruch 4 beanspruchte Steuer- und Regelverfahren
wird in den abhängigen Verfahrensansprüchen 5
bis 11 verfeinert. Im Folgenden wird vorausgehend das Regelkonzept
erläutert und dann weiter die Merkmale der abhängigen
Verfahrensansprüche einbezogen.
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Zur
Regelung des Laststromes IL wird in der
zweiten Regelstrecke am Eingang des Reglers FRiL für den
Laststrom das Signal des Sollwerts ILSoll und
das Signal des Istwerts ILIst des Laststromes
IL gemäß ΔIL = ILSoll – ILIst gebildet. Das Ausgangssignal des Reglers
FRiL wird mit dem Signal des Sollwerts Usoll und dem Signal des Istwerts ULastist der Lastspannung verknüpft
und als Eingangssignal auf den Regler FRuL für
die Lastspannung gegeben. Sein Ausgangssignal wird mit dem Signal
des Sollwerts Usoll und einem vorgegebenen
Vorsteuersignal USG verknüpft und
damit die Steuer und Regelgröße USteuerAF für
das Aktivfilter vorgelegt. Durch die Regelung des Aktivfilters wird
in jedem Moment, eine exakt dem geforderten Sollwert entsprechende
glatte Lastspannung UL eingeprägt.
Dies geschieht durch den Regler FRuL, welcher
durch das Ausgangssignal des Reglers FRi,
korrigiert wird. Um die Genauigkeit und die Dynamik des Reglers
FRuL zu erhöhen, wird dieser mit
dem Sollwert der Lastspannung am Reglerausgang vorgesteuert.
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Um
die bipolare Arbeitsweise und den Verzicht auf ein passives LC-Filter
am Stromrichter-ausgang zu ermöglichen und gleichzeitig
eine hohe Genauigkeit des Systems zu gewährleisten, müssen
zwei wesentliche Störeinflüsse, welche auf die
Lastspannung wirken, beseitigt werden. Dies geschieht durch Aufschaltung
der Vorsteuergröße USG,
welche die Struktur USG = UAF~ +
UVB hat.
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Der
erste Störeinfluss wird durch die Spannungssprünge
der Stromrichterausgangsspannung hervorgerufen. Der Tiefpass 2.
Ordnung am Ausgang der Taktbrücke (siehe 1 bis 3)
ist notwendig zur Glättung der Taktfrequenz. Die dazu notwendige
Glättungsdrossel, die Taktdrossel L3,
bildet mit der Stromrichterdrossel L2 einen
Spannungsteiler, wodurch die Sprünge der Stromrichterausgangsspannung
USR~ beim Wechsel des Leitzustandes der
Brückenthyristoren im Verhältnis L3/L2 USR~ an die Last
durchgeschaltet werden. Damit jedoch bei einer sprungförmigen Änderung
der Stromrichterspannung die Stromwelligkeit nicht ansteigt, ist eine
Vorsteuerung des Aktivfilters nötig. Für die Welligkeitsanteile
der Ströme, durch „~" angedeutet, gilt: ILast~ = ISR~ +
IAF~.
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Für
IAF~ = ISR~ ist:
ILast~ = 0.
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Mit
und U
SR~ =
jωL
2 I
SR~ ist
schließlich:
UAF~ = – L3/L2 USR~. -
D.
h. durch Messung des Welligkeitsanteils USR~ der
Stromrichterspannung USR und dem Verhältnis L3/L2 kann die notwendige Änderung
des Welligkeitsanteils UAF~ der Spannung
UAF des Aktivfilters berechnet werden. Um
das Verhältnis L3/L2 von
den nichtlinearen und stromabhängigen Eigenschaften der
Induktivitäten L3 und L2 unabhängig zu machen, werden weiterhin
die Kennlinien L3 als Funktion von IAF und L2 als Funktion von
ISR hinterlegt. UAF~ bildet
eine additive Komponente der Vorsteuergröße USG, die neben dem Signal der Sollwertspannung
USoll mit dem Ausgangssignal des Lastspannungsreglers
FRuL verknüpft wird.
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Der
zweite wesentliche Störeinfluss ergibt sich durch das Taktverfahren.
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Die
für das Aktivfilter verwendete Taktregelung ist in der
DE 34 38 921 C2 ,
insbesondere Spalte 3, Zeile 51 bis Spalte 5, Zeile 40, ausführlich
beschrieben und anhand der
2 und
3 darin
schaltungstechnisch dargestellt.
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Bei
diesem Verfahren werden zur Vermeidung von Kurzschlüssen
der Brückenzweige Einschaltverzögerungen tν eingeführt. Bei unterschiedlichem
Vorzeichen von Laststrom IL und Ausgangsspannung
UL wächst oder sinkt der Spannungsmittelwert
stationär um 2tν/Ts Ud im Vergleich
zu gleichen Vorzeichen von Strom und Spannung an. tν ist
die notwendige, oben beschrieben Einschaltverzögerung in
der Taktbrücke, Ts die Taktperiode
in der Taktbrücke und Ud die Zwischenkreisspannung
des Aktivfilters. Dies führt im Bereich kurz nach einem
Vorzeichenwechsel des Stromes IAL zu großen
Abweichungen der Ausgangsspannung UL vom
Sollwert USoll. Nach Anspruch 6 wird das
durch den Spannungsregler FRuL in der zweiten
Reglerstrecke ausgeglichen, indem je nach Leitzustand der Schaltelemente
V1 bis V4 der Taktbrücke und, abhän gig vom Vorzeichen
des Stromes IAL des Aktivfilters und den
Ansteuersignalen für die Halbleiterschalter V1 bis V4,
eine Signalkomponente Ukorr = 2tν/Ts·Ud zugeschlagen wird, welche ebenfalls Bestandteil
der Vorsteuergröße von USG ist.
Je nach Leitzustand der Elemente der Taktbrücke und Stromrichtung
des Stromes IPE sind der Spannungsabfall
UT an den Schaltelementen V1 bis V4 und
der Spannungsabfall UD an den zugeordneten
Dioden D1 bis D4 in Phase oder in Gegenphase zur Ausgangsspannung.
Dadurch ergeben sich bei der bipolaren Arbeitsweise beim Stromnulldurchgang
Störeinflüsse, welche durch die Regelung ausgeglichen
werden müssen. Bei sehr niederinduktiven Lasten können
dadurch Probleme für die Genauigkeit des Laststromes entstehen.
Um dies zu vermeiden, wird, je nach Leitzustand der Elemente V1
bis V4 und D1 bis D4 der Taktbrücke eine weitere Vorsteuergröße
UVB gebildet. Diese Größe
ist abhängig vom Vorzeichen des Stromes IAL,
der über einen Gleichstromwandler gemessen wird, und von
der Ausgangsspannung der Taktbrücke, welcher sich durch
die bekannten Ansteuersignale für die Halbleiterschalter
ergibt.
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Nach
Anspruch 6 wird der Vorsteuerspannung U
SG je
nach Leitzustand der Schaltelemente V1 bis V4 der Taktbrücke,
abhängig vom Vorzeichen des Stromes I
AF des
Aktivfilters und den Ansteuersignalen für die Schaltelemente
V1 bis V4, eine weitere Signalkomponente U
VB zugegeben,
die die Struktur: U
VB = +/– U
korr +/– U
T +/– U
D, besitzt. Die folgende Tabelle 1 gibt die
Werte der zusätzlichen Vorsteuergröße
U
VB an.
| | nur
V1 oder nur V4 | Nur
V2 oder nur V3 | V1
+ V3 oder V2 + V4 | V1,
V4 | V2,
V3 | Kein
IGBT |
| IPE > 0 | UVB = Ukorr + UT + DU | UVB = Ukorr + 2UD | UVB = Ukorr + UT + UD | UVB = Ukorr + 2UT | UVB = Ukorr + 2UD | UVB = Ukorr + 2UD |
| IPE < 0 | UVB = –Ukorr – 2UD | UVB = –Ukorr – UT – UD | UVB = –Ukorr – UT – UD | UVB = –Ukorr – 2UD | UVB = –Ukorr – 2UT | UVB = –Ukorr – 2UD |
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Wobei
UD der Spannungsabfall an der leitenden
Diode in Form einer bezogenen Größe ist. UT, der Spannungsabfall an dem leitenden Halbleiterschalter,
beispielsweise einem IGBT, ist ebenfalls eine bezogene Größe.
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Die
Ausgangsspannung USR am Stromrichter ist
von der Steuer- und Regelgröße USteuerSR abhängig und
damit vom Steuerwinkel α mit dem der Stromrichter gefahren
wird. Es ist Udα = Udi0·cosα.
Das Stellglied hat deshalb eine nichtlineare Übertragungsfunktion.
Soll der Regler FRiSR vom Ausgleichen dieser
Charakteristik entlastet werden, ist die Linearisierung in Form
einer arcos-Funktion notwendig. Mit dieser Maßnahme kann die
Reglereinstellung gemäß Anspruch 7 günstiger
gewählt werden.
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Im
Falle von zwei zueinander parallelen Stromrichtern der Stromversorgung
wird nach Anspruch 8 die Steuer- und Regelgröße
USteuerSR direkt als Steuer- und Regelungssignal
USteuerSR1 für zur Steuerung und
Regelung des einen Stromrichters verwendet wird und, mit dem Stromdifferenzsignal ΔISR verknüpft, auf den Eingang eines
Differenzverstärkers FRΔisR gegeben,
an dessen Ausgang das Steuer- und Regelungssignal USteuerSR2 zur
Steuerung und Regelung des andern, zweiten Stromrichters ansteht.
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Bei
mehr als zwei parallelen Stromrichtergruppen einer Stromversorgung
wird nach Anspruch 9 der Stromrichterstrom ISRn einer
Gruppe mit dem Strommittelwert ISRmittel =
1/n Σ ISRn aller Stromrichtergruppen
verglichen und das Stromdifferenzsignal ΔISRn =
ISRmittel – ISRn gebildet.
Es wird mit dem Ausgangssignal des Linearisieres verknüpft
und als Eingangssignal auf den n-ten Stromkorrekturregler FRΔiSRn gegeben, an dessen Ausgang
dann das Steuersignal USteuerSRn für
den n-ten Stromrichter der Stromversorgung anliegt.
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Bei
ebenfalls mehr als zwei Stromrichtergruppen der Stromversorgung
wird nach Anspruch 10 ein Signal aus der Differenz des Laststroms
IL mit dem Strom Strom IAF des
Aktivfilters gebildet und durch die Anzahl n der Stromrichter der
Stromversorgung geteilt wird, wodurch ein berechneter Mittelwert
ISRmittelber vorliegt, der zur Bildung des
jeweiligen Differenzstromes ΔISRn = ISRmittelber – ISRn herangezogen wird. Das Signal davon
wird dann mit dem Ausgangssignal des Linearisieres verknüpft
und als Eingangssignal auf den Stromkorrekturregler FRΔiSRn gegeben,
an dessen Ausgang die Steuer- und Regelgröße USteuerSRn für den n-ten Stromrichter
der Stromversorgung ansteht.
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In
Anspruch 11 wird noch eine Schutzmaßnahme für
die Stromversorgung aufgeführt. Die zweite Regelstrecke
zur Steuerung und Regelung des Aktivfilters wird hierzu ausgangsseitig
um einen Grenzwertregler FRiAFgrenz für
den Strom IAF des Aktivfilters verlängert,
dessen Eingangssignal das mit dem Signal der Vorsteuerspannung USG und dem Sollspannungssignal Usoll verknüpfte
Ausgangssignal des Lastspannungsreglers FRuL ist.
Dieser vergleicht das aktuelle Signal aus der Messung des Stromes
IAF des Aktivfilters mit einem vorgegebenen
und einstellbaren Grenzwertstrom FAFgrenz.
und stellt die Größe UstAF so
ein, dass der vorgegeben Grenzwert nicht überschritten
wird. Das Aktivfilter schützt sich auf diese Weise-selbst,
ohne eine Störmeldung zu produzieren. Während
der Zeit des Regeleingriffes dieses Reglers kann die Stromgenauigkeit
nicht eingehalten werden. Dieser Regler sollte bei korrekten Sollwerten
für U und I und intakter SVE aber nie zum Einsatz kommen.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels
beschrieben. Bekleidend werden die 1 bis 5 herangezogen.
Sie zeigen im Einzelnen:
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1 die
12-pulsige Stromversorgung mit Aktivfilter (serielle Stromrichter);
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2 die
12-pulsige Stromversorgung mit Aktivfilter (parallele Stromrichter);
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3 die
Taktbrücke der bipolaren Aktivfiltereinspeisung;
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4 das
Regelkonzept für die Stromversorgung mit Aktivfiltereinspeisung;
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5 die
differenzstromgeregelte Stromrichterregelung mit Schutz;
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6 die
Stromrichterregelung bei mehr als zwei parallelen Stromrichtern;
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Die
in 1 vorgestellte Stromversorgung ist beispielhaft.
Sie besteht aus zwei in Reihe zueinander geschalteten Stromrichtern
SR1 und SR2. Beide Stromrichter sind an ein erstes, ein 20 kV Netz über
je einen Transformator angeschlossen. Beide Transformatoren sind
am Ausgang elektrisch um +15° bzw. –15° gedreht, so
dass die beiden 6-pulsigen Stromrichterbrücken SR1 und
SR2 um 30° gegeneinander pulsen, wodurch am Ausgang der
Stromversorgung aus den zwei seriellen Stromrichtern SR1 und SR2
eine 12-pulsige Spannung bzw. ein 12-pulsiger Strom vorliegt. Durch
beide Stromrichter fließt aufgrund der Reihenschaltung
ein und derselbe Strom ISR = ISR1 =
ISR2, es gibt hier also keinen Stromunterschied.
Unmittelbar am Ausgang der Stromversorgung sitzt zur Glättung
des Stromrichterstromes ISR die Glättungsdrossel
L2. Der Ausgang der Stromversorgung mit Glättungsdrossel
L2 wird über das Aktivfilter AF parallel zur Last L geschlossen.
Die Aktivfiltereinspeisung ist eingangsseitig an ein zweites Netz,
hier das 400 V Netz angeschlossen. Die Aktivfiltereinspeisung AF besteht
aus einem 6-pulsigen Stromrichter, an dessen Ausgang die Taktbrücke
gemäß 2 angeschlossen ist. Die Taktdrossel
L3 schließt sich an. Der Ausgang
wird über das Hochpassfilter aus dem Kondensator C3 und parallel dazu dem seriellen Zweig aus
dem Kondenstor C4 und dem Widerstand R4
geschlossen. Die Taktdrossel L3 bildet mit dem Kondensator C2 und der RC-Bedämpfung durch R3 und C3 ein auf
die Taktperiode Ts abgestimmtes Tiefpassfilter.
Der Stromrichterstrom ISR trägt
hauptsächlich zum Laststrom IL bei,
er bildet den Hauptanteil. Der Strom IAF aus
der Aktivfilterspeisung ist lediglich noch ein Korrekturstrom. Beide
Ströme, der Laststrom IL und der
Strom IAF aus der getakteten bipolaren Aktivfiltereinspeisung,
können hier über je einen Gleichstrom-Stromwandler
hoch genau gemessen werden, wobei dies nur für den Laststrom
IL notwendig ist. Beim Strom IAF von
der Aktivfiltereinspeisung genügt die Erfassung und damit
Messung nur über einen nicht hochgenauen Hall-Wandler.
Es wird also u. a. jeweils ein Ist-Signal für die Steuerung
und Regelung des Stromrichters und darüber hinaus für
die Datenverarbeitung im Allgemeinen daraus abgeleitet.
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Die
in 2 vorgestellte Stromversorgung ist beispielhaft
und unterscheidet sich zu 1 darin,
dass in 2 zwei parallele statt zweier
seriellen Stromrichtergruppen verwendet werden. Jedoch liegt auch
dort die 12-Pulsigkeit durch die 30°-Phasenverschiebung
gegeneinander vor.
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3 zeigt
die Taktbrücke als solche, an deren Eingang die Zwischenkreisspannung
U
d als Ausgangsspannung des 6-pulsigen Stromrichters
der Aktivfiltereinspeisung ansteht. Die Taktbrücke besteht
aus den 4 Halbleiterschaltern V1 bis V4, die hier beispielsweise
IGBTn (Insulated Gate Bipolar Transistor) sind. Jeder dieser Halbleiterschalter
ist durch eine Diode über brückt, die in Sperrrichtung
des zugehörigen Halbleiterschalters leitend ist. Zur Taktung
der Taktbrücke wird auf die
DE 34 38 921 C2 , siehe oben, verwiesen.
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Die
Stromversorgung mit getakteter bipolarer Aktivfiltereinspeisung
wird über zwei Regelstrecken gemäß 3 gesteuert
und geregelt. Der Laststrom wird über den Regler FRiSR in der im Bild oberen Reglerstrecke
kontrolliert, gesteuert und geregelt. Hierzu wird das Differenzsignal ΔIL aus dem Sollwert ISoll und
dem Istwert ILast des Laststromes IL gebildet und mit dem Differenzsignal ΔIAF = IAFSoll – IAFIst verknüpft und als Eingangssignal
auf den Regler FRiSR gegeben. Sein Ausgangssignal
wird mit dem Sollwert der Lastspannung USoll verknüpft
und dann als Regelgröße USteuerSR auf
die Stromversorgung gegeben.
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Die
zweite, untere Reglerstrecke in 4 setzt
sich aus dem Laststromregler FRiL und dem
Lastspannungsregler FRuL zusammen. Das Eingangssignal
auf diese zweite Reglerstrecke ist das Signal aus der Differenz
des Sollwerts und des Istwerts des Laststromes,
ΔIL = ISoll – ILastist. Dann wird das Ausgangssignal des
Laststromreglers FRiL mit der Differenz
aus Soll- und Istwert der Lastspannung, ΔUL =
USoll – UList verknüpft
und als Eingangssignal auf den Lastspannungsregler FRuL gegeben.
Das Ausgangssignal des Lastspannungsreglers FRuL wird
mit der Vorsteuergröße USG und
dem Sollwert der Lastspannung USoll verknüpft
und dann als Regelgröße USteuerPE auf
die getaktete bipolare Aktivfiltereinspeisung AF gegeben.
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In 5 sind
steuer- und regelungstechnische Erweiterungen insbesondere für
eine Stromversorgung aus zwei zueinander parallelen Stromrichtern
(Anspruch 8) angegeben. Darüber hinaus ist die Reglerstrecke für
die getaktete bipolare Aktivfiltereinspeisung um eine Schutzeinrichtung
erweitert, um den Strom IPE zu begrenzen
(Anspruch 11).
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Wie
oben erläutert, ist die Reglerstrecke um den Linearisierer
erweitert, um die Reglereinstellung günstiger wählen
zu können. Das Ausgangssignal des Linearisierers dient
beispielsweise einmal unmittelbar als Regel-/Stellgröße
USteuerSR1 des einen, ersten Stromrichters
der Stromversorgung. Zum andern wird es mit dem Differenzsignal ΔISR = ISR1 – ISR2 verknüpft und auf den Eingang
des Reglers zur Regelung des Stromunterschieds gegeben. Das Ausgangssignal
USteuerR2 daraus dient als Regel-/Stellgröße
für den zweiten Stromrichter der Stromversorgung.
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Die
Erweiterung der Reglerstrecke für die Aktivfiltereinspeisung,
im Bild unten, ist um den Schutzregeler FRiAFgrenz erweitert.
Dieser vergleicht das aktuelle Signal aus der Messung des Stromes
IAF des Aktivfilters mit einem vorgegebenen
und einstellbaren Grenzwertstrom FAFgrenz und
stellt die Größe UstAF so
ein, dass der vorgegeben Grenzwert nicht überschritten
wird. Dieser Regler sollte, wie oben erwähnt, bei korrekten
Sollwerten für U und I und intakter SVE allerdings nie
zum Einsatz kommen.
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6 bringt
die in Anspruch 9 und 10 beanspruchte Situation steuerungs- und
regelungstechnisch zum Ausdruck. Die Stromversorgung besteht hier
aus mehr als zwei, nämlich n zueinander parallelen Stromrichtern,
wobei n natürlich ist. Jeder Strom ISRn wird
mit dem Strommittelwert ISRmittel der n
Stromrichter verglichen, d. h. eine Stromdifferenz ΔISRn = ISRmittel – ISRn gebildet, die mit dem Ausgangssignal
des Linearisierers jeweils verknüpft und als Eingangssignal
auf den individuellen Regler zur Stromdifferenzregelung FRΔiSRn gegeben an dessen Ausgang
die Regelgröße USteuerSRn zur
Steuerung und Regelung des n-ten Stromrichters der Stromversorgung
ansteht. Für den gerechneten Mittelwert gemäß Anspruch
10 ist Reglerstreckensituation die gleiche wie zu Anspruch 9. Die
Situation der Reglerstrecke für das Aktivfilter bleibe
in beiden Fällen unverändert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3438921
C2 [0024, 0042]
