DE19542163A1 - Verfahren zur Regelung der Gleichspannung eines Gleichrichters - Google Patents

Verfahren zur Regelung der Gleichspannung eines Gleichrichters

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DE19542163A1 DE1995142163 DE19542163A DE19542163A1 DE 19542163 A1 DE19542163 A1 DE 19542163A1 DE 1995142163 DE1995142163 DE 1995142163 DE 19542163 A DE19542163 A DE 19542163A DE 19542163 A1 DE19542163 A1 DE 19542163A1
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Description

Technisches Gebiet
Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Verfahren zur Regelung der Gleichspannung eines Gleichrichters nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Stand der Technik
Mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik Bezug, wie er aus der DE 40 37 531 A1 bekannt ist. Dort werden elektrische Fahrzeugmaschinen aus einem Bahnnetz über einen Netztransformator und einen Umrichter gespeist. Der Umrichter besteht aus 2 Gleichrichtern, einem Gleichspannungszwischenkreis und einem Wechselrichter, wobei die Stromrichter des Umrichters als 4-Quadrantensteller in 3-Punktschaltung ausgeführt sind. Die Zwischenkreisspannung des Umrichters wird mittels eines Spannungsreglers mit 2 unterlagerten Stromreglern für die Ströme durch die jeweilige Sekundärwicklung des Netztransformators geregelt. Parallel zu den 2 Stromregelkreisen ist je eine Schaltung zur Kompensation von Streuinduktivitäten vorgesehen, welche im wesentlichen von den Sekundärwicklungen des Netztransformators herrühren.
Nachteilig dabei ist, daß Hilfsbetriebe auf dem Fahrzeug den Phasenwinkel des Primärstromes des Netztransformators bezüglich der Netzspannung verändern, was sich besonders bei kleiner Traktionsleistung störend bemerkbar macht. Der von Bahnbetreibern geforderte Phasenwinkel kann damit nur ungenau eingehalten werden.
Darstellung der Erfindung
Die Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist, löst die Aufgabe, ein Verfahren zur Regelung der Gleichspannung eines Gleichrichters der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, daß die Blindleistung oder die Phasenlage des Primärstromes des mit dem Gleichrichter in Wirkverbindung stehenden Netztransformators auf einen vorgebbaren Wert geregelt werden kann.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß z. B. der von Bahnbetreibern geforderte Phasenwinkel genauer eingehalten werden kann. Über die Traktion kann die Blindleistung der Hilfsbetriebe kompensiert werden. Ganz allgemein lassen sich Störeinflüsse auf die Phasenlage des Primärstromes des mit dem Gleichrichter in Wirkverbindung stehenden Netztransformators kompensieren. Die gewünschte Kompensation kann mittels eines Rechners erfolgen und nachträglich in bestehende Anlagen integriert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbei­ spiels erläutert. Die einzige Figur zeigt einen Gleichrichter, der wechselstromseitig an einen Netztransformator und gleichstromseitig über einen nicht dargestellten Wechselrichter an eine Wechselstromlast angeschlossen ist, mit zugehörigem Regelkreis für die Regelung der Gleichspannung des Gleichrichters.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Ein Netztransformator (Tr) steht mit seiner Primärwicklung einerseits über einen Strombügel (2) mit einer Fahrleitung bzw. mit einem Wechselstromnetz (1) mit einer einphasigen Wechselspannung bzw. Netzspannung (UN) von 15 kV und einer Frequenz von 16 2/3 Hz und andererseits über einen Stromwandler (7) und ein Fahrzeugrad (8) eines nicht dargestellten Schienenfahrzeuges mit einer geerdeten Fahrzeugschiene (9) elektrisch in Wirkverbindung.
Eine 1. Sekundärwicklung (SW1) des Netztransformators (Tr) steht über einen Stromwandler (6), an dem ein Gleichrichterstromistwert (ix) abgreifbar ist, mit einem Gleichrichter (3) in Wirkverbindung. Der Gleichrichter (3) ist ein 4-Quadrantensteller mit 4 GTO-Thyristoren in seinen Brückenzweigen mit dazu antiparallelen Dioden.
Gleichstromseitig ist der Gleichrichter (3) einerseits über eine positive Spannungsschiene (P) und andererseits über eine negative Spannungsschiene (N) mit einem Kondensator (C) und einem (über einen nicht dargestellten Wechselrichter) dazu parallelgeschalteten Wechselstromwiderstand bzw. einer Impedanz bzw. Wechselstromlast (4) elektrisch verbunden. Zwischen der positiven Spannungsschiene (P) und der negativen Spannungsschiene (N) liegt eine Zwischenkreisspannung bzw. Gleichrichtergleichspannung (Ud) an, die in ihrer Amplitude geregelt werden soll. Als Wechselstromlast (4) können z. B. nicht dargestellte Asynchronmaschinen vorgesehen sein, welche über den nicht dargestellten Wechselrichter an die positive Spannungsschiene (P) kund an die negative Spannungsschiene (N) angeschlossen sind. Die Wechselstromlast (4) könnte auch ein Gleichstromlichtbogenofen oder ein 2. Wechselstromnetz sein, das über einen Wechselrichter angeschlossen ist.
An eine 2. Sekundärwicklung (SW2) des Netztransformator (Tr) ist, ohne Umrichter mit geregelter Zwischenkreisgleichspannung (Ud), eine 2. Wechselstromlast (5) angeschlossen, durch welche die Blindleistung und die Phasenlage des Primärstromes des mit dem Gleichrichter (3) in Wirkverbindung stehenden Netztransformators (Tr) in unerwünschter Weise verändert wird. Die Wechselstromlast (5) kann z. B. Hilfsbetriebe eines Schienenfahrzeuges, wie Klimaanlage, Beleuchtung, Küche usw., umfassen.
Die nachstehend angegebene Regelschaltung zur Regelung der Amplitude der Gleichrichtergleichspannung (Ud) umfaßt einen PI-Regler bzw. Spannungsregler (10), dem eingangsseitig ein vorgebbarer Sollwert (Udw) und ein gemessener Istwert (Udx) der Gleichrichtergleichspannung (Ud) zugeführt ist. Ausgangsseitig liefert der Spannungsregler (10) eine Reglerstellgröße (ixpw), entsprechend einem Sollwert der Amplitude des Wirkanteils des Gleichrichterstromistwertes (ix), an 1. Faktoreingänge (x) von 1. und 2. Multiplizierern (11, 14). Ein 2. Faktoreingang (y) des 1. Multiplizierers (11) erhält von einem Sinus-Cosinus- Generator (22), dem eingangsseitig ein zur Netzspannung (UN) proportionales Signal zugeführt ist, ein Sinussignal (sin (ω · t)), wobei ω die Kreisfrequenz des Wechselstromes bzw. der Netzspannung (UN) ist und t die Zeit bedeutet. Ein 2. Faktoreingang (y) des 2. Multiplizierers (14) erhält von dem Sinus-Cosinus-Generator (22) ein Cosinussignal (cos (ω · t)). Das Produktsignal des 1. Multiplizierers (11) ist einem nichtnegierenden Eingang eines 1. Summierers (12) zugeführt und das Produktsignal des 2. Multiplizierers (14) einem nichtnegierenden Eingang eines 2. Summierers (20).
Ein PI-Regler bzw. 1. Stromregler (13) erhält eingangsseitig von dem Stromwandler (6) den Gleichrichterstromistwert (ix) und vom Ausgang des 1. Summierers (12) einen Gleichrichterstromsollwert (iw) und liefert ausgangsseitig eine Stromreglerstellgröße (ΔU) an einen negierenden Eingang eines 3. Summierers (15). Dieser liefert ausgangsseitig eine Steuerspannung (USt) an einen Pulsbreitenmodulator bzw. Steuerimpulsgenerator (16), der Steuersignale an die 4 GTO-Thyristoren (T1-T4) liefert, wobei aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit nur eine Verbindungsleitung eingezeichnet ist.
Einem Funktionsbildner bzw. Fourieranalysator (17) ist eingangsseitig ein Summenstromistwert (iSx) vom Ausgang des Stromwandlers (7) zugeführt; ausgangsseitig liefert er den Cosinus- bzw. Imaginäranteil (Im(iSx)) der Fourier- Reihenentwicklung des Summenstromistwertes (iSx) gemäß:
mit N = Anzahl der Abtastpunkte (z. B. im Bereich von 20-100), n = Ordnungszahl der Harmonischen, N T = Periodendauer der Grundschwingung, k = fortlaufende Summationszahl, T = reziproke Abtastfrequenz.
Ein 2. Stromregler (18) erhält eingangsseitig den Imaginäranteil (Im(iSx)) vom Ausgang des Fourieranalysators (17) und einen vorgebbaren Sollimaginärwert (Im(iSw)) der Grundschwingung des Summenstromistwertes (iSx), der auch als Tabelle oder Kennlinie in Abhängigkeit von der Netzspannung (UN) und/oder vom Summenstromistwert (iSx) vorgegeben werden kann. Ausgangsseitig liefert der 2. Stromregler (18) als Reglerstellgröße einen Sollwert (iSqw) der Amplitude des Blindanteils des Summenstromistwertes (iSx) an 1. Faktoreingänge (x) von 3. und 4. Summierern (19, 23). Ein 2. Faktoreingang (y) des 3. Multiplizierers (19) erhält von dem Sinus-Cosinus-Generator (22) das Sinussignal (sin (ω · t)). Ein 2. Faktoreingang (y) des 4. Multiplizierers (23) erhält vom dem Sinus-Cosinus-Generator (22) das Cosinussignal (cos (ω · t)). Das Produktsignal des 3. Multiplizierers (19) ist einem negierenden Eingang des 2. Summierers (20) zugeführt und das Produktsignal des 4. Multiplizierers (23) einem nichtnegierenden Eingang des 1. Summierers (12).
Der Gleichrichterstromsollwert (iw) vom Ausgang des 1. Summierers (12) ist einem nichtnegierenden Eingang eines 4. Summierers (21) zugeführt, in dem es mit einem vorgebbaren 1. Koeffizienten (RSW1), entsprechend einem ohmschen Widerstand der 1. Sekundärwicklung (SW1), multipliziert wird. Einem negierenden Eingang des 4. Summierers (21) ist das Ausgangssignal des 2. Summierers (20) zugeführt, in dem es mit einem vorgebbaren 2. Koeffizienten (Lσ), entsprechend einer Streuinduktivität der 1. Sekundärwicklung (SW1), multipliziert und zum Produkt iw · RSW1 vom anderen Eingang addiert wird. Ausgangsseitig liefert der 4. Summierer (21) eine Spannungskomponente (UZK) an einen negierenden Eingang des 3. Summierers (15). Einem nichtnegierenden Eingang dieses 3. Summierers (15) ist der Istwert (UNx) der Netzspannung (UN) zugeführt.
Der Spannungsregler (10) erzeugt also aus der Regelabweichung der Gleichrichtergleichspannung (Ud) einen Sollstrom, nämlich die Reglerstellgröße (ixpw). Dieser Sollstrom wird mit einem Sinussignal (sin (ω · t)) moduliert, welches den gewünschten Phasenwinkel des Gleichrichterstromistwertes (ix) besitzt. Das derart modulierte Signal bildet den Sollwert (iw) für den 1. Stromregler (13). Dessen Stellgröße (ΔU) wird von dem Istwert (UNx) der Netzspannung (UN) subtrahiert. Nach einer weiteren Subtraktion der Spannungskomponente
UZK = RSW1 · [ixpw · sin (ω · t) + iSqw · cos (ω · t)] -
Lσ · [ixpw · cos (ω · t) - iSqw · sin (ω · t)]
entsteht somit die Steuerspannung (USt), welche auf den Steuerimpulsgenerator (16) gegeben wird, gemäß
USt = UNx - ΔU - UZK.
Durch die Summenbildung im 4. Summierer (21) werden die ohmschen und induktiven Spannungsabfälle (in einem Transformatorersatzbild) berechnet und zu einer Vorsteuerung für den 1. Stromregler (13) verwendet. Der 2. Stromregelkreis mit dem 2. Stromregler (18) besitzt einen Eingang für einen Imaginäranteil (Im(iSx)) des Summenstromistwertes (iSx), der dazu benutzt werden kann, den Leistungsfaktor mit einer Kennlinie gesteuert vorzugeben.
Damit setzt sich der Gleichrichterstromsollwert (iw) aus 2 Komponenten zusammen: aus einem Wirkanteil (Reglerstellgröße (ixpw)), welcher vom Spannungsregler (10) erzeugt wird, und von einem Blindanteil (Sollwert (iSqw)), welcher von dem 2. Stromregler (18) zur Netzstützung mittels einer Kennlinie für die Sollwerte des Imaginäranteils (Im(iSw)) vorgegeben werden kann.
Mittels einer diskreten Fourieranalyse wird der Imaginäranteil der Grundschwingung im Summenstrom (iSx) bestimmt. Das Ergebnis (Sollwert (iSqw)) ist ein Gleichspannungswert, welcher der Amplitude des Blindstromes im Summenstrom (iSx) entspricht. Sein Vorzeichen zeigt an, ob der Blindstrom induktiver oder kapazitiver Natur ist.
Der errechnete Blindstrom kann jetzt geregelt werden. Als Sollwert kann z. B. der Wert 0 verwendet werden, wodurch der primärseitige Leistungsfaktor auf 1 geregelt wird. Es kann aber auch eine Blindstromsollwertvorgabe gemäß einer Kennlinie erfolgen. Falls mehrere Umrichter am gleichen Netztransformator (Tr) betrieben werden, können alle Umrichter als Stellglieder für die Blindleistungs- oder Blindstromregelung verwendet werden.
Es versteht sich, daß andere als die im Beispiel angegebenen Spannungen und Frequenzen verwendet werden können. Anstelle diskreter Bauelement für die Regelungen kann ein Mikroprozessor oder Rechner vorgesehen sein, mit dem die Berechnungen und Regelvorgänge ausgeführt werden.
Der Gleichrichter (3) kann Ventilsätze in 2- oder 3-Punktschaltung aufweisen. Anstelle von GTO-Thyristoren (T1-T4) können z. B. Transistoren als elektrische Ventile verwendet werden.
Die Berechnung des Blindanteils in der Fourieranalyse kann in Abhängigkeit von einer Harmonischen der Netzfrequenz erfolgen, vorzugsweise in Abhängigkeit von der 1. Harmonischen.
Anstelle eines Transformators kann als induktive Impedanz z. B. eine Drossel vorgesehen sein.
Die Erfindung eignet sich für alle Fälle, bei denen von einem Regelkreis nicht erfaßte Störeinflüsse, die einen Einfluß auf die Blindleistung oder auf den Blindstrom haben, kompensiert werden sollen.
Bezugszeichenliste
1 Wechselspannungsquelle, Wechselstromnetz, Fahrleitung
2 Strombügel
3 Gleichrichter, 4-Quadrantensteller
4, 5 Wechselstromwiderstand, Impedanz, Wechselstromlast
6, 7 Stromwandler
8 Rad, Fahrzeugrad
9 Schiene, Fahrzeugschiene
10 Spannungsregler, PI-Regler
11, 14, 19, 23 Multiplizierer
12, 15, 20, 21 Summierer
13, 18 Stromregler, PI-Regler
16 Pulsbreitenmodulator, Steuerimpulsgenerator
17 Fourieranalysator, Funktionsbildner
22 Sinus-Cosinus-Generator
C Kondensator, Zwischenkreiskondensator
cos (ω · t) Cosinussignal
i Strom
IM Imaginäranteil
IM(iSw) Sollimaginärwert der Grundschwingung von iSx
IM(iSx) Imaginäranteil von iSx
ix Stromistwert, Gleichrichterstromistwert
ixpw Reglerstellgröße von 10, Sollwert der Amplitude des Wirkanteils von ix
iSqw Reglerstellgröße von 18, Sollwert der Amplitude des Blindanteils von iSx
iw Stromsollwert, Gleichrichterstromsollwert
iSx Summenstromistwert
iSw Summenstromsollwert
Lσ Streuinduktivität von Tr
N negative Spannungsschiene von 3
P positive Spannungsschiene von 3
RSW1 ohmscher Widerstand von SW1
sin (ω · t) Sinussignal
SW1 1. Transformatorsekundärwicklung
SW2 2. Transformatorsekundärwicklung
t Zeit
Tr Transformator, Netztransformator
T1-T4 GTO-Thyristoren, steuerbare elektrische Ventile
U Spannung
Ud Gleichrichtergleichspannung, Zwischenkreisspannung
Udw Sollwert von Ud
Udx Istwert von Ud
UN Netzspannung
UNx Istwert von UN
USt Steuerspannung für 3, Ausgangssignal von 15
UZK Spannungskomponente, Ausgangssignal von 21
x, y Faktoren
ΔU Stromreglerstellgröße, Ausgangssignal von 13
ω Kreisfrequenz des Wechselstromes von 1

Claims (8)

1. Verfahren zur Regelung der Gleichspannung (Ud) eines Gleichrichters (3),
  • a) der wechselspannungsseitig über einen Transformator (Tr) mit einer Wechselspannungsquelle (1) in Wirkverbindung steht und an dem gleichspannungsseitig die Gleichrichtergleichspannung (Ud) abgreifbar ist,
  • b) der als 4-Quadrantensteller aufgebaut ist und mindestens ein steuerbares Ventil (T1-T4) je Ventilzweig aufweist,
  • c) wobei eine Steuerspannung (USt) zur Steuerung dieser steuerbaren Ventile (T1-T4) in Abhängigkeit von der Reglerstellgröße (ixpw) eines Spannungsreglers (10) geregelt wird, welcher in Abhängigkeit von einem vorgebbaren Spannungssollwert (Udw) und einem Spannungsistwert (Udx) der Gleichrichtergleichspannung (Ud) regelt,
dadurch gekennzeichnet,
  • d) daß die Regelung der Steuerspannung (USt) ferner in Abhängigkeit von der Blindleistung des Transformators (Tr) oder vom Blindstrom (Im(iSx)) durch die Primärwicklung des Transformators (Tr) erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
  • a) daß die Blindleistung des Transformators (Tr) oder der Blindstrom (Im(iSx)) durch die Primärwicklung des Transformators (Tr) mittels einer Fourieranalyse aus der elektrischen Leistung des Transformators (Tr) oder aus dem Summenstrom (iSx) durch die Primärwicklung des Transformators (Tr) ermittelt wird und
  • b) daß die Regelung der Steuerspannung (USt) in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Fourieranalyse erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fourieranalyse nur bezüglich der Grundschwingung in der elektrischen Leistung oder im Summenstrom (iSx) durch die Primärwicklung des Transformators (Tr) erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
  • a) daß der Cosinusanteil der Fourieranalyse als Istwert (Im(iSx)) einer PI-Regelung unterworfen wird und
  • b) daß ein Sollwert (Im(iSw)) für diese Regelung vorgebbar ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert (Im(iSw)) für diese Regelung gemäß einer Tabelle oder Kennlinie in Abhängigkeit von dem Summenstrom (iSx) durch die Primärwicklung des Transformators (Tr) oder von der Gleichrichtergleichspannung (Ud) vorgebbar ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsregelung der Gleichrichtergleichspannung (Ud) eine Stromregelung des Gleichrichterstromes (ix) unterlagert ist und die Steuerspannung (USt) in Abhängigkeit von der Stellgröße (ΔU) dieser Stromregelung erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Steuerspannung USt gemäß USt = UNx - ΔU - UZK erfolgt, mit UNx = Wechselspannung an der Primärseite des Transformator (Tr), ΔU = Stellgröße der Stromregelung, UZK = RSW1 · [ixpw · sin (ω · t) + iSqw · cos (ω · t)]-
Lσ · [ixpw · cos (ω · t) - iSqw · sin (ω · t)],RSW1 = ohmscher Widerstand einer 1. Sekundärwicklung (SW1) des Transformator (Tr), an welche der Gleichrichter (3) wechselspannungsseitig angeschlossen ist, Lσ = Streuimpedanz dieser 1. Sekundärwicklung (SW1), ixpw = Reglerstellgröße des Spannungsreglers (10), iSqw = Reglerstellgröße eines PI-Reglers (18) der Blindleistung des Transformators (Tr) oder des Blindstromes (Im(iSx)) durch die Primärwicklung des Transformators (Tr), ω = Kreisfrequenz des Gleichrichterstromes (ix), t = Zeit.
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