DE2513809C3 - Umrichter mit Gleichspannungszwischenkreis - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Umrichter mit einem netzgeführten gesteuerten Gleichrichter, einem selbstgeführten Wechselrichter mit Hauptthyristoren in Brückenschaltung, einem den Gleich- und den Wechselrichter verbindenden Gleichspannungszwischenkreis und einem Regler für den Gleichrichter, dem als Istwert die Ausgangsspannung des Umrichters zugeführt ist und der zur Sollwerteingabe mit einem Sollwertgeber verbunden ist.

Seiche Umrichter mit variabler Zwischenkreisspannung und Regeleinrichtung sind bekannt (Siemens-Zeitschrift 1967, Seiten 133 bis 138). Solche Umrichter werden wegen ihres einfachen Konzeptes vielfach angewendet, beispielsweise zur Speisung von Drehstrommaschinen, insbesondere von Motorgruppen. Bei diesen Umrichtern ist der Wechselrichter mit einer Kommutierungseinrichtung für seine Hauptthyristoren ausgerüstet. Unter Umständen kann, beispielsweise bei niedriger Zwischenkreisspannung und sprunghaftem Laststromanstieg, die Kommutierfähigkeit nicht zur Kommutierung der Hauptthyristoren ausreichen. Es droht dann die Gefahr von Kommutierungskurzschlüssen, die zu einem Ausfall und zur Zerstörung des Umrichters führen können. Um solche Kommutierungskurzschlüsse zu vermeiden, kann man eine Phasenanschnittssteuerung im Wechselrichter vorsehen, mit der ein Hauptimpuls für einen Hauptthyristor vorzeitig beendet und eine Kommutierung eingeleitet wird, wenn ein Zustand einzutreten droht, bei dem die Kommutierfähiekeit nicht mehr ausreicht. Die Phasenanschnittssteuerung des Wechselrichters führt u.U. zu einet lückenden Umrichterausgangsspannung und damit zu einem lückenden Istwert für den Regler des Gleichrichters, mit dem ein falscher Regeleingriff bewirk«, wird, der zu einer Instabilität der Regeleinrichtung führen kann.

Es besteht die Aufgabe, einen Umrichter der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß bei Phasenanschnittssteuerung der Hauptthyristoren des Wechselrichters ein falscher Regeleingriff vermieden wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Auswerteschaltung vorgesehen ist, deren Eingängen die an die Hauptthyristoren gelegten Hauptimpulse, deren Dauer jeweils gleich der vorgesehenen Stromführungsdauer des zugeordneten Hauptthyristors ist, und der Istwert zugeführt sind und die über digitale Verknüpfungsglieder ein Signal zur Unterbrechung der Verbindungsleitung zwischen Sollwertgeber und Regbr abgibt, wenn und solange kein Istwert und gleichzeitig an allen Hauptthyristoren wenigstens einer Brückenhälfte des Wechselrichters kein Hauptimpuls ansteht.

Beim erfindungsgemäßen Umrichter ist sichergestellt, daß ein falscher Regeleingriff nur dann verhindert wird, wenn sowohl der Istwert lückt, als auch Zündimpulse an den Hauptthyristoren einer Brückenhälfte fehlen. Damit wird erreicht, daß Lücken im Istwert dem Sollwert phasengetreu aufgezwungen werden und der Regler auch dann arbeitet, wenn trotz Phasenanschnitt, beispielsweise wegen weiterhin leitender Freilaufdioden, eine Lücke im Spannungs-Istwert nicht vorhanden ist.

Bei einer einfachen vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Umrichters kann ein von der Auswerteschaltung angesteuerter Schalter in der Verbindungsleitung zwischen Sollwertgeber und Regler angeordnet sein und es kann in der Auswerteschaltung ein Grenzwertmelder vorgesehen sein, dem wenigstens eines der digitalen Verknüpfungsglieder nachgeschaltet ist.

Im folgenden wird der erfindungsgemäße Umrichter beispielhaft anhand der F i g. 1 bis 3 näher erläutert. In den Figuren sind gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

F i g. 1 zeigt das Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Umrichters. Eine Motorgruppe 10 wird aus einem Drehstromnetz mit den Phasen R, S, Tuber einen fremdgesteuerten, netzgeführten Gleichrichter 11, einen Gleichspannungszwischenkreis 12 mit einer Glättungsdrossel 13 und einem Zwischenkreiskondensator 14 und einen selbstgeführten, fremdgesteuerten Wechselrichter 15 gespeist. Bezüglich des Aufbaus eines solchen Umrichters und seiner Wirkungsweise wird auch auf die oben bereits zitierte Literaturstelle verwiesen. In den Ausgangsleitungen 16 des Umrichters ist zur Erfassung des Stromistwertes ein Stromindikator 17, der beispielsweise ein Stromwandler mit nachgeschaltetem Gleichrichter sein kann, und zur Erfassung des Istwertes U-_at der Ausgangsspannung Ua ein Spannungsindikator 18 angeordnet, der beispielsweise ein Übertragungstransformator mit nachgeschaltetem Gleichrichter sein kann. Bei dem beschriebenen Umrichter wird durch Steuerung des Gleichrichters 11 die Zwischenkreisspannung U_t im Gleichstromzwischenkreis 12 und damit die Größe der Spannung gesteuert, die der Motorgruppe 10 zugeführt wird. Die Frequenz der Maschinenspannung wird durch die Taktfrequenz der Hauptthyristoren des Wechselrichters !5 und die Drehrichtung des Drehstrommotors durch die Reihenfolge der Stromführung

der Hauptthyristoren des Wechselrichters 15 bestimmt. Für den Wechselrichter ist ein mit einem Steuereingang 2ß versehener Steuersatz 19 vorgesehen, der einen Impulsgeber mit nachgeschaltetem Ringzähler enthält. Ein solcher Steuersatz ist beispielsweise in dem obengenannten Buch von D. Ernst und D. S t r ö 1 e, Springer Verlag 1973, Seiten 54 bis 56 beschrieben. Mit diesem Steuersatz werden Hauptimpulse zur Zündung der Hauptthyristoren über Leitungen 21 und Löschimpulse zur Auslösung der Kommutierung der Hauptthyristören über Leitungen 22 abgegeben. Weiterhin ist eine Überwachungseinrichtung 23 für die Kommutierfähigkeit des Wechselrichters 15 vorgesehen, mit der über einen Eingang 24 des Steuersatzes 19 vorzeitig eine Kommutierung auszulösen ist, wenn ein Zustand eintritt, bei dem die Kommutierfähigkeit des Wechselrichters 15 nicht mehr auszureichen droht. Hierzu kann beispielsweise bei einer Kommutiereinrichtung mit Kommutierungskondensatoren die Spannung an den Kommutierungskondensatoren im Wechselrichter 15 erfaßt und über die Leitung 25 der Überwachungseinrichtung 23 als Maß für die Kommutierfähigkeit des Wechselrichters zugeführt werden.

Die Thyristoren des Gleichrichters 11 erhalten über Leitungen 26 Zündimpulse von einem Steuersatz 27, wie er beispielsweise in dem Buch von G. M ö 11 g e η, »Netzgeführte Stromrichter mit Thyristoren«, Siemens AG 1967, Seite 275 oder 280 beschrieben ist. Dem Steuersatz 27 wird über eine Leitung 28 ein Regelsignal zugeführt, das mit einem Spannungsregler 29 gewonnen wird, der im Ausführungsbeispiel ein PI-Regler ist. Dem Spannungsregler 29 ist ein Strombegrenzungsregler 30 nachgeschaltet, dem der Stromistwert über die Leitung

31 zugeführt ist. Dem Spannungsregler 29 ist eine Addilionsstufe 31 vorgeschaltet, der über eine Leitung

32 der Spannungsistwert U,_s, und über eine Leitung 33 ein Sollwert zugeführt ist, den ein Sollwertgeber 34 abgibt. In der Verbindungsleitung 33 ist ein Schalter 35 vorgesehen, der über einen Betätigungseingang 35a von einer Auswerteschaltung 36 betätigt werden kann. Dabei wird angenommen, daß der Schalter 35 geschlossen ist, wenn am Betätigungseingang 35a ein Η-Signal liegt, und daß er mit einem L-Signal geöffnet wird. Der Schalter 35 kann beispielsweise sin FET-Schalter sein. Der Auswerteschaltung 36 sind über einen Eingang 36a der Spannungsistwert Um und über Eingänge 366 die Leitungen 21 zugeführt, an denen die Hauptimpulse für die Hauptthyristoren des Wechselrichters 15 anstehen.

Es wurde bereits erwähnt, daß bei solchen Umrichtern Betriebszustände auftreten können, bei denen die Kommutierfähigkeit der Kommutierungseinrichtung des Wechselrichters 15 nicht mehr zur Kommutierung der Hauptthyristoren des Wechselrichters 15 ausreicht. Ein solcher Betriebszustand ist beispielsweise bei kleiner Zwischenkreisspannung und sprungartig ansteigendem Lastslrom gegeben. Bei einem solchen Betriebszustand droht die Gefahr von Kommutierungskurzschlüssen im Wechselrichter 15 und damit der Ausfall bzw. die Zerstörung des Umrichters. Um dieser Gefahr zu begegnen, ist eine Phasenanschnittssteuerung der Hauptthyristoren des Wechselrichters 15 vorgesehen, mit der eine Kommutierung vorzeitig dann ausgelöst wird, wenn mit der Überwachungseinrichtung 23 ein Betriebszustand gemeldet wird, bei dem die Kommutierfähigkeit nicht mehr auszureichen droht. Diese vorzeitige Kommutierung durch Phasenanschnittssteuerung des Wechselrichters 15 kann zu einer lückenden Umrichteirausgangsspannung U_A und damit zu einem lückenden Spannungsistwert U_m führen. Trotz Phasenanschnittssteuerung brauchen Lücken in der Umrichterausgangsspannung und damit im SpannungE-istwert nicht aufzutreten, wenn beispielsweise zwei oder drei Freilaufdioden leitend sind. Bei einem lückenden Istwert Uisi wird für die Spannungsregelung durch den Gleichrichter 11 der Mittelwert des Istwertes Um bei gleichem Sollwert kleiner und demzufolge versucht der Regler 29 die Zwischenkreisspannung Uz zu erhöhen. Damit erfolgt ein falscher Regeleingriff. Eine erhöhte Zwischenkreisspannung hätte zur Folge, daß die Lücken in der Umrichterausgangsspannung beispielsweise wegen eines sehr rasch ansteigenden Laststromes noch vergrößert werden, was eine weitere Erhöhung der Zwischenkreisspannung /V/nach sich führen würde. Der falsche Regeleingriff könnte also zu einer Instabilität der Regelung führen.

Um einen solchen falschen Regeleingriff zu vermeiden, ist die Auswerteschaltung 36 vorgesehen, der über den Eingang 36«; der Istwert Uf₅₁ und über die 2/7 Eingänge 36b dii; Hauptimpulse Tu und T₂,_i für die Hauptthyristoren des Wechselrichters 15 zugeführt sind, wobei T₂,die Hauptimpulse der einen und T₂,_i die Hauptimpulse der anderen Brückenhälfte sind, /=1, 2... /7 ist, und 2n gleich der Anzahl der Hauptthyristoren ist. In der Auswerteschaltung 36 wird mit digitalen Verknüpfungsgliedern gemäß der Beziehung

T₁ VT₃ ν... vr_2H)

V(T₂ VT₄ V... VT₂,)}

ein Signal χ geschaffen, mit dem über den Betätigungseingang 35a der Schalter 35 bei L-Signal geöffnet und damit die Sollwerteirigabe unterdrückt wird, wenn kein Istwert ansteht, d. h. eine Lücke im Istwert vorhanden ist und die Hauptthyristoren wenigstens einer Brückenhälfte des Wechselrichters 15 keinen Zündimpuls wegen der Phasenanschnittssteuerung erhalten.

F i g. 2 zeigt ein Schaltbild der Auswertestufe 36. Als Wechselrichter 15 ist dabei eine Drehstrombrückenschaltung mit sechs Hauptthyristoren bzw. Brückenzweigen angenommen. Die Hauptimpulse Ti, T3 und Ts für die Hauptthyristoren einer Brückenhälfte sind über Eingänge 36f> einem ODER-Gatter 37 und die Hauptimpulse T₂, T4 und Τβ für die Hauptthyristoren der zweiten Brückenhälfte sind über weitere Eingänge 36b einem ODER-Gatter 38 zugeleitet. Den ODER-Gattern 37 und 38 ist ein NAND-Gatter 39 nachgeschaltet, dessen Ausgang mit dem einen Eingang eines weiteren NAND-Gatters 40 verbunden ist. Der zweite Eingang des NAND-Gatters 40 ist über eine Invertierstufe 42 und einen Grenzwertmelder 41 mit dem Eingang 36a der Auswerteschaltung 36 verbunden, an dem der negative Istwert Uj_Sr liegt. Im Ausführungsbeispiel ist der Grenzwertmelder 41 mit einem Operationsverstärker 41a aufgebaut, dessen invertierender Eingang über einen Widerstand 416 mit dem Eingang 36a verbunden ist und dessen nichtinvertierender Eingang an Nullpotential liegt. Am Ausgang des NAND-Gatters 40 und damit am Ausgang 36c der Auswerteschaltung 36 steht ein Signal gemäß der Beziehung

χ = U_is, M(T₁VT₃W T₅) V (T₂ V T₄ V T₆))

an, das dem Betätigungseingang 35a des Schalters 35 zugeführt ist. Damit wird der Schalter 35 mit einem

^-Signal nur dann geöffnet und damit die Sollwerteingabe unterbrochen, wenn der Istwert L/„, lückt und gleichzeitig den Hauptthyristoren wenigstens einer Brückenhälfte des Wechselrichters kein Zündimpuls zugeführt ist. Damit wird der Sollwert im gleichen Maße verfälscht, wie der Istwert. Die im Istwert auftretenden Lücken werden dem Sollwert phasengetreu aufgezwungen. Bei gleicher Eingangsglättung ergeben sich dann stabile Verhältnisse für den Regler 29 und damit für die Zwischenkreisspannung Uz-

Anhand der Fig.3a und 3b werden die oben geschilderten Zusammenhänge nochmals erläutert. Dabei ist der Übersichtlichkeit wegen in Fig.3a eine zweiphasige Brückenschaltung mit vier Brückenzweigen und je einem Hauptthyristor 1 bis 4 pro Brückenzweig als Wechselrichter 15 gezeigt, bei der außerdem noch die Zwangskommutierungseinrichtung für die Hauptthyristoren 1, 2, 3 und 4 weggelassen wurden. Am Eingang des Wechselrichters 15 liegt die veränderliche Zwischenkreisspannung Uz. Den Thyristören 1 und 3 der linken Brückenhälfte werden die Hauptimpulse T\ und T₃ und den Hauptthyristoren 2 und 4 der rechten Brückenhälfte werden die Hauptthyristoren T7 und T₄ phasenrichtig zugeführt. Über die Ausgangsklemmen 15a, an denen die Umrichterausgangsspannung U_A ansteht, wird eine ohmisch-induktive Last 10 gespeist und es wird über einen Spannungsindtkator 18, der einen Übertragungstransformator 18a und einen Gleichrichter 18b aufweist, der Istwert L/«, der Ausgangsspannung U_A abgegriffen. In Fig.3b sind die Hauptimpulse Tj bis T₄, die Ausgangsspannung U_A und als Istwert L/;_s(die gleichgerichtete Umrichterausgangsspannung U_A aufgetragen. Der Fig. 3b ist zu entnehmen, daß bei vorzeitiger Kommutierung einer der HaupUhyrisloren 1 bis 4 eine Lücke in der Umrichterausgangsspannung und damit eine Lücke im Istwert / auftreten kann. In der F i g. 3b ist dies durch die schraffiert gezeichneten Bereiche A gekennzeichnet. Mit der Auswerteschaltung 36 wird diese Lücke A im Istwert (Jin dem Sollwert gemäß der Beziehung

phasengetreu aufgezwungen und der Schalter 35 bei L-Signal geöffnet. Ein ähnliches Impulsraster läßt sich für eine dreiphasige Brückenschaltung als Wechselrichter 15 aufzeichnen, wobei die Hauptimpuise annähernd 180° el lang sind. Aus diesem Impulsraster folgt, daß Lücken im Istwert immer dann auftreten, wenn auch eine Lücke zwischen zwei um 120° el versetzten Hauptimpulsen vorhanden ist. In der gleichgerichteten Istwertspannung L/,_s, können also immer dann Lücken entstehen, wenn ein Block einer verketteten Umrichterausgangsspannung infolge Phasenanschnitls kurzer als 60° el wird. Mit der oben in F i g. 2 gezeigten Auswerteschaltung läßt sich gemäß der dort angegebenen logischen Beziehung auch eine solche Lücke im Istwert dem Sollwert phasengetreu aufzwingen und damit stabile Verhältnisse für den Spannungsregler 29 erzielen.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß mit- dem erfindungsgemäßen Umrichter ohne besondere Maßnahmen falsche Regeleingriffe und ein instabiles Verhalten des Reglers bei Phasenanschnittssteuerung der Hauptthyristoren des Wechselrichters mit Sicherheit und ohne besonderen elektronischen Aufwand vermieden sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Umrichter mit einem netzgeführten gesteuerten Gleichrichter, einem selbstgeführten Wechselrichter mit Hauptthyristoren in Brückenschaltung, einem den Gleich- und den Wechselrichter verbindenden Gleichspannungszwischenkreis und einem Regler für den Gleichrichter, dem als Istwert die Ausgangsspannung des Umrichters zugeführt ist und der zur Sollwerteingabe mit einem Sollwertgeber verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswerteschaltung (36) vorgesehen ist, deren Eingängen (366 und 36a^die an die Hauptthyristoren gelegten Hauptimpulse, deren Dauer jeweils gleich der vorgesehenen Stromführungsdauer des zugeordneten Hauptthyristors ist, unJ der Istwert (U,_s) zugeführt sind und die über digitale Verknüpfungsglieder (37 bis 40,42) ein Signal zur Unterbrechung der Verbindungsleitung (33) zwischen Sollwertgeber (34) und Regler (29) abgibt, wenn und solange kein Istwert und gleichzeitig an allen Hauptthyristoren (1, 3 bzw. 2, 4) wenigstens einer Brückenhälfte des Wechselrichters (15) kein Hauptimpuls ansteht.

2. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein von der Auswerteschaltung (36) angesteuerter Schalter (35) in der Verbindungsleitung (33) zwischen Sollwertgeber (34) und Regler (29) angeordnet ist.

3. Umrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Auswerteschaltung (36) ein Grenzwertmelder (41) vorgesehen ist, dem wenigstens eines der digitalen Verknüpfungsglieder (40) nachgeschaltet ist.

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