DE19711534A1 - Verfahren zur Regelung der Gleichspannung eines Gleichrichters - Google Patents

Verfahren zur Regelung der Gleichspannung eines Gleichrichters

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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 195 42 163 A1 bekannt ist. Dort wird die Gleichspannung eines Gleichrichters, der wechselstromseitig an eine 1. Sekundärwicklung eines Netztransformators angeschlossen ist, mittels steuerbarer Ventile eines 4Quadrantenstellers des Gleichrichters geregelt. Eine Steuerspannung für diese steuerbaren Ventile wird durch einen Spannungsregler mit unterlagertem Stromregler vorgegeben. Durch eine Wechselstromlast, z. B. eine Hilfseinrichtung von Bahnfahrzeugen, kann die Phasenlage des Primärstromes des mit dem Gleichrichter in Wirkverbindung stehenden Netztransformators unerwünscht verschoben werden. Um dies zu kompensieren, wird die Steuerspannung auch in Abhängigkeit vom Imaginärteil dieses Primärstromes, der mittels einer Fourieranalyse gewonnen wird, geregelt. Dieser Spannungsregelung liegt ein Transformatormodell mit fest vorgegebenen Transformatorparametern für den resultierenden Wicklungswiderstand und die Streuinduktivität der Sekundärwicklung und die auf die Sekundärseite umgerechnete Primärwicklung zugrunde. Nachteilig dabei ist, daß der relativ langsame Stromregler starke Regeldifferenzen ausregeln muß, wenn sich diese z. B. durch eine Temperaturerhöhung der Transformatorwicklungen ändern. Durch die ständige statische Belastung des Reglers verschlechtert sich dessen dynamisches Verhalten. Der Stromregler ist eigentlich für Unstetigkeiten vorgesehen, die durch den Hilfsbetriebestromrichter, die Zugsammelschiene oder durch Bügelsprünge hervorgerufen 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 Regeldynamik des Stromrichters verbessert wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Stromregler entlastet und sein Netzverhalten verbessert wird. Dies erfolgt durch Berechnung und Mittelung der Transformatorparameter der Antriebseinheiten, welche im Fahren langsam nachgeführt werden.
Durch die aktuelle Erfassung der resultierenden Parameter des Transformators für die einzelnen Netzkreise werden die temperaturabhängigen Leitwiderstände berücksichtigt und die Kopplungen der Sekundärwicklungen in die Rechnung mit einbezogen. Die Regelung kann mit der gleichen Anzahl von Transformatormodellen wie Netzkreisen bestückt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbei­ spiels erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Gleichrichter, der wechselstromseitig an einen Netztransformator und gleichstromseitig über einen Wechselrichter an eine Wechselstromlast angeschlossen ist, mit zugehörigem Regelkreis für die Regelung der Gleichspannung des Gleichrichters,
Fig. 2-4 den zeitlichen Verlauf der Stromreglerstellgröße für Stromkreise von 3 Transformatorsekundärwicklungen,
Fig. 5 relative Fehler des ohmschen Widerstandes 3er Transformatorsekundärwicklungen und
Fig. 6 relative Fehler des induktiven Widerstandes 3er Transformatorsekundärwicklungen.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Der Einfachheit wegen sind nachfolgend die Bezeichnungen von Spannungen, Strömen mit dazu proportionalen Signalen und Istwerten gleichgesetzt.
Ein Netztransformator (Tr) steht mit 2 zueinander parallelgeschalteten Primärwicklungen (PW1) und (PW2) 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 (oder 25 kV und 50 Hz) und andererseits über 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 1. Stromwandler (7), an dem eine Wechselstromstärke bzw. ein Gleichrichterstrom (i1) abgreifbar ist, mit einem Gleichrichter (3) in Wirkverbindung. Der Gleichrichter (3) ist ein 4Quadrantensteller mit 4 GTO- Thyristoren (T1-T4) 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) über einen Gleichspannungszwischenkreis (4) mit einem Wechselrichter (5) verbunden, welcher wechselstromseitig eine Asynchronmaschine (6) antreibt. Der Gleichspannungszwischenkreis (4) weist einen Kondensator (C) und einen Saugkreis auf. Zwischen der positiven Spannungsschiene (P) und der negativen Spannungsschiene (N) liegt eine Zwischenkreisspannung bzw. Gleichspannung (Ud) an, die in ihrer Amplitude geregelt werden soll. Anstelle der Asynchronmaschine (6) könnte auch ein Gleichstromlichtbogenofen oder ein 2. Wechselstromnetz als Wechselstromlast vorgesehen sein.
An eine k. Sekundärwicklung (SWk) des Netztransformator (Tr) kann ein gleicher Stromkreis (nicht dargestellt) angeschlossen sein wie an die 1. Sekundärwicklung (SW1). An einem k. Stromwandler (7) ist ein Gleichrichterstrom (ik) abgreifbar.
Die nachstehend angegebene Regelschaltung zur Regelung der Amplitude der Gleichspannung (Ud) umfaßt einen PI-Regler bzw. Spannungsregler (22), dem eingangsseitig ein vorgebbarer Gleichspannungssollwert (Udw) und ein gemessener Istwert der Gleichrichtergleichspannung (Ud) zugeführt ist. Ausgangsseitig liefert der Spannungsregler (22) eine Reglerstellgröße (i1pw), entsprechend einem Sollwert der Amplitude des Wirkanteils des Gleichrichterstromes (i1), an einen 1. Faktoreingang (x) eines Multiplizierers (23). Ein 2. Faktoreingang (y) des Multiplizierers (23) erhält von einem Sinus-Cosinus-Generator (10), 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 PI-Regler bzw. Stromregler (24) erhält eingangsseitig von dem 1. Stromwandler (7) den Gleichrichterstromistwert (i1) und vom Ausgang des Multiplizierers (23) einen Gleichrichterstromsollwert (iw); er liefert ausgangsseitig eine Stromreglerstellgröße (ΔU) an einen negierenden Eingang eines Summierers (25). Dieser liefert ausgangsseitig eine Steuerspannung (USt1) an einen Pulsbreitenmodulator bzw. Steuerimpulsgenerator (26), der 4 Steuersignale (S26) an die 4 GTO-Thyristoren (T1-T4) liefert, wobei aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit nur eine Verbindungsleitung zum GTO- Thyristor (T4) eingezeichnet ist.
Einem Funktionsbildner bzw. Fouriertransformator (11) ist eingangsseitig der Stromistwert (i1) vom Ausgang des 1. Stromwandlers (7) und das Sinussignal (sin (ω.t)) vom Sinus- Cosinus-Generator (10) zugeführt; ausgangsseitig liefert er den Realteil (Re(i1)) der Grundschwingung des Stromes (i1), entsprechend der Grundschwingungskomponente der Fouriertransformation, d. h. für n = 1, n = Ordnungszahl der Harmonischen.
Einem Funktionsbildner bzw. Fouriertransformator (12) ist eingangsseitig der Stromistwert (i1) vom Ausgang des 1. Stromwandlers (7) und das Cosinussignal (cos (ω.t)) vom Sinus- Cosinus-Generator (10) zugeführt; ausgangsseitig liefert er den Imaginärteil (IM(i1)) der Grundschwingung des Stromes (i1), entsprechend der Grundschwingungskomponente der Fouriertransformation.
Für die Analyse periodischer Signale z (i1, UN, Ust) mit einem Digitalrechner werden diese Signale synchron zur Schwingungsperiode N-fach abgetastet. Die Fourier- Reihenentwicklung transformiert das Signal z aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich; sie liefert den Sinusanteil bzw. Realteil von z gemäß:
und den Cosinusanteil bzw. Imaginärteil (Im(z)) gemäß:
mit N = Anzahl der Abtastpunkte (z. B. im Bereich von 20-100), N.T = Periodendauer der Grundschwingung, k = fortlaufende Summationszahl, T = reziproke Abtastfrequenz und k.T = t = Zeit.
Einem Funktionsbildner bzw. Fouriertransformator (13) ist eingangsseitig ein zur Netzspannung (UN) proportionaler Istwert vom Eingang des Sinus-Cosinus-Generators (10) und das Sinussignal (sin (ω.t)) zugeführt; ausgangsseitig liefert er den Realteil (Re(UN)) der Grundschwingung der Netzspannung (UN).
Einem Funktionsbildner bzw. Fouriertransformator (14) ist eingangsseitig ein zur Netzspannung (UN) proportionaler Istwert vom Eingang des Sinus-Cosinus-Generators (10) und das Cosinussignal (cos (ω.t)) zugeführt; ausgangsseitig liefert er den Imaginärteil (IM(UN)) der Grundschwingung der Netzspannung (UN).
In ähnlicher Weise erhalten Fouriertransformatoren (15) und (16) eingangsseitig je ein zur Steuerspannung (USt1) proportionales Signal zusätzlich zu den Sinus- bzw. Cosinussignalen. Ausgangsseitig liefern sie den Realteil (Re(USt1)) bzw. den Imaginärteil Im(USt1)) der Grundschwingung der Steuerspannung (Ust1).
Die Ausgangssignale der Fouriertransformatoren (11-16) sowie ein vom Sinus-Cosinus-Generator (10) ausgegebenes Kreisfrequenzsignal ω werden einem Funktionsbildner (17) zugeführt, der einen ohmschen Widerstand R des Transformators (Tr) berechnet, gemäß:
R = {Re(i1).[Re(UN) - Re(USt1)] + Im(i1).[Im(UN) - Im(USt1)]}/[Re(i1)2 + Im(i1)2]
und diesen ausgangsseitig an einen Mittelwertbildner (18) liefert. Ferner berechnet der Funktionsbildner (17) einen induktiven Widerstand L des Transformators (Tr) gemäß:
L = {Re(i1).[Im(UN) - Im(USt1)] - Im(i1) [Re(UN) - Re(USt1)]}/{ω.[Re(i1)2 + Im(i1)2]}
und liefert diesen ausgangsseitig an einen Mittelwertbildner (19).
Die Mittelwertbildner (18) und (19) mitteln die eingehenden Werte von R und L über eine vorgebbare Zeitdauer im Bereich von 10 s-100 s, vorzugsweise von 1 min, und stellen Mittelwerte Rm bzw. Lm einem Funktionsbildner (20) zur Verfügung. Dieser berechnet mit diesen Mittelwerten Rm bzw. Lm eine Transformatormodellspannung UM gemäß:
UM = Rm.[i1pw.sin (ω.t) + iSqw.cos (ω.t)] - Lm.[i1pw.cos (ω.t) - iSqw.sin (ω.t)],
wobei iSqw ein vorgebbarer Sollwert für die Amplitude des Blindanteils eines Transformatorsummenstromes ist. Für eine Wechselspannungsquelle (1) geringer Induktivität kann iSqw = 0 gesetzt werden. Anderenfalls kann man iSqw z. B. gemäß der DE 195 42 163 A1 bestimmen.
Die Transformatormodellspannung (UM) ist einem invertierenden Eingang und die Netzspannung (UN) einem nichtinvertierenden Eingang des Summierers (25) zugeführt. In dem Summierer (25) wird die Steuerspannung (USt1), welche auf den Steuerimpulsgenerator (26) gegeben wird, gemäß
USt1 = UN - ΔU - UM
gebildet.
In gleicher Weise wie es für den Stromkreis mit der 1. Sekundärwicklung (SW1) beschrieben wurde, können zeitlich nacheinander weitere Stromkreise geregelt werden, die an weitere Sekundärwicklungen, z. B. (SWk), angeschlossen sind. Anstelle des Index 1 für den Stromistwert (i1) tritt dann entsprechend der Index 2 . . ., allgemein k.
Die Fig. 2-4 zeigen die zeitliche Abhängigkeit der Stromreglerstellgrößen (ΔU) in Volt für 3 verschiedene Sekundärwicklungen (SW1, . . . SWk) einer nicht dargestellten Lokomotive in einer Rechnersimulation. Die Nachführung bzw. Aktualisierung der Parameter des Transformators (Tr) beginnt etwa 0,6 s nach Testbeginn. Die Zeit (t) ist auf der Abszisse in Sekunden aufgetragen. Man erkennt, insbesondere bei den Fig. 2 und 4, daß sich kurz nach Beginn der Parameternachführung die Amplituden der Stromreglerstellgröße (ΔU) stark verringern, was das Ziel der vorliegenden Erfindung ist. Am Beginn der Regelung wird mit vorgegebenen Transformator-Parametern gearbeitet, wie es z. B. aus der eingangs genannten DE 195 42 163 A1 bekannt ist.
Die Fig. 5 und 6 zeigen in einer Rechnersimulation für 3 verschiedene Sekundärwicklungen (SW1, . . . Swk), entsprechend den Fig. 2-5, den zeitlichen Verlauf eines relativen Fehlers (ΔR) des ohmschen Widerstandes (R) in % bzw. den zeitlichen Verlauf eines relativen Fehlers (ΔL) des induktiven Widerstandes (L) in %. ΔR-Kurven (27-29) in Fig. 5 sind den 3 Stromkreisen gemäß den Fig. 2-4 zugeordnet, entsprechendes gilt für ΔL-Kurven (30-32) in Fig. 6. Auch hieraus erkennt man die schnelle Abnahme der Fehleramplituden nach Beginn der Aktualisierung der Transformator-Parameter nach etwa 0,6 s.
Es versteht sich, daß andere als die im Beispiel angegebenen Schaltungen, 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 Real- und Blindanteils in der Fouriertransformation kann in Abhängigkeit von einer Harmonischen der Netzfrequenz erfolgen, vorzugsweise in Abhängigkeit von der 1. Harmonischen.
Bezugszeichenliste
1
Wechselspannungsquelle, Wechselstromnetz, Fahrleitung
2
Strombügel
3
Gleichrichter, 4Quadrantensteller
4
Gleichspannungszwischenkreis
5
Wechselrichter
6
Asynchronmaschine
7
Stromwandler
8
Rad, Fahrzeugrad
9
Schiene, Fahrzeugschiene
10
Sinus-Cosinus-Generator
11-16
Fouriertransformatoren
17
Funktionsbildner für R und L
18
Mittelwertbildner für R
19
Mittelwertbildner für L
20
Funktionsbildner für eine Transformatormodellspannung
22
Spannungsregler, PI-Regler
23
Multiplizierer
24
Stromregler, PI-Regler
25
Summierer
26
Pulsbreitenmodulator, Steuerimpulsgenerator
C Kondensator, Zwischenkreiskondensator
cos (ω.t) Cosinussignal
i Strom
IM Imaginärteil
i1
Wechselstromstärke durch SW1, Gleichrichterstrom, Gleichrichterstromistwert
ik
Wechselstromstärke durch SWk
i1pw
Sollwert der Amplitude des Wirkanteils von i1
iSqw
Sollwert der Amplitude des Blindanteils von i1
iw
Stromsollwert, Gleichrichterstromsollwert
L Induktivität von Tr
Lm
Mittelwert von L
N negative Spannungsschiene von
3
P positive Spannungsschiene von
3
R ohmscher Widerstand von Tr
Re Realteil
Rm
Mittelwert von R
sin (ω.t) Sinussignal
SW1 1. Transformatorsekundärwicklung
SWk k. Transformatorsekundärwicklung
t Zeit
Tr Transformator, Netztransformator
T1-T4 GTO-Thyristoren, steuerbare elektrische Ventile
Ud
Gleichrichtergleichspannung, Zwischenkreisspannung
Udw
Sollwert von Ud
UN
Netzspannung
USt1
, . . . UStk
Steuerspannung für
3
, Ausgangssignal von
25
UM
Transformatormodellspannung, Ausgangssignal von
20
x, y Faktoren
ΔL relativer Fehler von L
ΔR relativer Fehler von R
ΔU Stromreglerstellgröße, Ausgangssignal von
24
ω Kreisfrequenz des Wechselstromes von
1

Claims (4)

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 Gleichspannung (Ud) abgreifbar ist,
  • b) der als 4Quadrantensteller 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 einer Spannungsregelung mit unterlagerter Stromregelung und
  • d) ferner in Abhängigkeit von der Differenz eines zur Netzspannung (UN) proportionalen Signals und einer berechneten Transformatormodellspannung (UM) gebildet wird,
    dadurch gekennzeichnet,
  • e) daß die Transformatormodellspannung (UM) mit aktualisierten Transformatorparametern (R, L) berechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformatormodellspannung (UM) mit zeitlichen Mittelwerten von Transformatorparametern (Rm, Lm) berechnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
  • a) daß die Steuerspannung UStk gemäß:
    UStk = UN - ΔU - UM
    gebildet wird, wobei ΔU die Stromreglerstellgröße eines Stromreglers (24) des Stromregelkreises ist, und
  • b) daß die Transformatormodellspannung UM gemäß:
    UM = Rm.[i1pw.sin (ω.t) + iSqw.cos (ω.t)] - Lm.[i1pw.cos (ω.t) - iSqw.sin (ω.t)]
    gebildet wird, wobei Rm bzw. Lm Mittelwerte des ohmschen Widerstandes R bzw. des induktiven Widerstand L des Transformators (Tr), i1pw die Reglerstellgröße eines Spannungsreglers (22) des Spannungsregelkreises, iSqw einen vorgebbaren Sollwert für die Amplitude des Blindanteils eines Transformatorsummenstromes, ω die Kreisfrequenz der Netzspannung (UN) und t die Zeit bezeichnen, k = 1, 2, 3, . . .
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
  • a) daß der ohmsche Widerstand R des Transformators (Tr) gemäß:
    R = {Re(ik).[Re(UN) - Re(UStk)] + Im(ik).[Im(UN) - Im(UStk)]}/[Re(ik)2 + Im(ik)2]
    und
  • b) der induktiven Widerstand L des Transformators (Tr) gemäß:
    L = {Re(ik).[Im(UN) - Im(UStk)] - Im(ik).[Re(UN) - Re(UStk)]}/{ω.[Re(ik)2 + Im(ik)2]}
    gebildet wird, wobei Re einen Realteil, Im einen Imaginärteil einer physikalischen Größe und ik einen Stromistwert durch eine Sekundärwicklung (SWk) des Transformators (Tr) bedeuten.
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