DE3218885A1 - Regeleinrichtung fuer eine stromrichteranlage mit steuerbarem halbleitersteller - Google Patents

Regeleinrichtung fuer eine stromrichteranlage mit steuerbarem halbleitersteller

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Description

  • Regeleinrichtung für eine Stromrichteranlage mit steuerbarem Halbleitersteller Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung für eine Stromrichteranlage mit steuerbarem Halbleitersteller gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Eine derartige Regeleinrichtung für eine Stromrichteranlage kann Anwendung finden beim Antrieb von Bahnfahrzeugen, die aus einem Wechselspannungsnetz gespeist werden und bei statischen Umformern, die ein dreiphasiges Wechsclspannungsnetz mit einem einphasigen Wechselspannungsnetz verbinden.
  • Stromrichteranlagen erzeugen während ihres Betriebes ein ganzes Spektrum von Frequenzen. Bei gleichzeitigem Betrieb von Stromrichteranlagen und signaltechnischen Einrichtungen oder Fernsteuerungen besteht die Gefahr, daß im Oberwellenspektrum der Stromrichteranlage eine Spektra3iinie von der Frequenz liegt, die der Signalfrequen der signaltechnischen Einrichtung entspricht. Die signaltechnische Einrichtung wird durch die bei der Signalfrequenz liegende Störfrequenz in ihrem Betrieb gestört und es messen Maßnahmen getroffen werden, um eine Verträglichkeit von signaltechnischen Einrichtungen und Stromrichteranlagen zu erzielen.
  • Eine Regeleinrichtung fUr eine Stromrichteranlage mit steuerbarem Halbleiterstel3er der eingangs genannter Art ist aus der Dr-OS 29 32 091 bekannt. Dort wird zur UnterdrUckung einer bestimmten Störfrequenz im Oberwellenspektrum der Stromrichteranlage ein zusNtzicher Regelkreis eingesetzt, der einen Regler mit einem Frequenzgang aufweist, so daR bei der Störfrequenz eine hohe Verstärkung erreicht wird. Oberhalb der Störfrequenz und insbesondere im Bereich der Durchtrittsfrequenz des zusätzlichen Regelkreises (= Störstromregler) liegt eine nur geringe Phasendrehung vor. Unterhalb der Störfrequenz verringert sich die Verstärkung mit fallender Frequenz. Der Störstromregler besteht bei der bekannten Regeleinrichtung vorzugsweise aus einem as selektives Filter mit Mehrfach-Cegenkopplung ausgebildeten Resonanzverstärker (Bandpaß) mit abstimmung auf die Störfrequenz und aus einem nachgeschalteten PD-Regler.
  • Die Bandbreite der Störungsdampfung wird bei der beRannten Einrichtung durch die Bandbreite des auf die Signalfrequenz der signaltechnischen Einrichtung abgestimmten Bandpasses festgelegt. Um den parallel zum Störstromreg-1er liegenden Stromregelkreis nicht zu beeinflussen, m der Bandpaß eine ausreichende Flankensteilheit besitzen.
  • Bei Bahnfahrzeugen, die aus einem Glejchstromnetz versorgt werden, muß vor allem die DErnpfung der Taktfrequenz des Stromrichters gew.ahr]eistet sein, die um etwa eine Größenordnung unter der Signalfrequenz liegt.
  • Bei Wechseistromeinspeisung der Stromrichteranlage tritt als zusätzliche Anregung des signalfrequenten Bandpasses die Frequenz des Netzes (z.B. 16 2/3Hz) auf, die im Frequenzspektrum des Stromes weniger als eine Dekade von der Signalfrequenz (z.B. 100Hz) entfernt liegt, in ihrer Amplitude um 2...3 Größenordnungen stärker auftritt.
  • Um dem Störstromregelkreis eine ausreichende Schleifenverstärkung zu geben, die wegen des Proportionalverhaltens des Regelverfahrcns direkt ein Maß fUr die erzielbare Dämpfungswirkung ist, kann der verwendete Bandpaß eine ausgeprägte ResonanzUberhöhung vorweisen. Dadurch werden bei ausreichender Verstärkung im Durchlaßbereich gleichzeitig dicht benachbarte Frequenzlinien genügend gedämpft. Große Resonanzüberhöhung bedingt aber auch lange Einschwingzeiten und vor allem geringere Bandbreiten der Störungsdämpfung, als von den Signaleinrichtungen zugelassen werden kann.
  • Alternativ kann man bei gleicher Schleifnverstärkunff im Resonanzpunkt auf die erforderliche Selektivität (Resonanzüberhöhung) des Bandpasses verzichten und im Ausgangssignal des Störstromreglers neben der Signalfrequenz die Frequenz des Netzes auftreten lassen, die dann aber wegen der obengenannten Größenverhältnisse je nach Auslegung mit 20% ... 50% des Istwertsignals vom Netzstrom auftritt. Abgesehen davon, daß damit der Netzstrom wesentlich stärker als die Signalfrequenz im Stellsignal des Störstromreglers vorhanden wäre, wird wegen des parallelen Eingriffs von Strom- und Störstromregler dadurch die Stromregelung erheblich beeinträchtigt.
  • Der netzfrequente Anteil im Stellsignal des Störstromreglers würde neben einer Amplitudenveränderung insbesonder eine Phasenverschiebung des Netzstromes gegenüber der von der Stromso].lwertvorgabe gewUnschten Phasen lage bewirken, so daß der bei Bahnstromrichtern verlangte gute Leistungsfaktor verschlechtert würde. Weiterhin müßte, um bei Vollaussteuerung des Stromrichters eine Uberschreitung der Stellgrenzen (d.h. hier der maximal zulässigen Reglerausgangsspannung) zu vermeiden, die notwendige Stellreserve geschaffen werden. Damit wUrde der Stromrichter letztlich Uberdimensioniert.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regelt in richtung für eine Stromrichteranlage t steuerbarem Halbleitersteller der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der eine bestimmte Störfrequenz unterdrückt werden kann, ohne daß damit eine Verschlechterung des Leistungsfaktors der Anlage oder eine fiberdimensionierung des Stromrichters verbunden ist.
  • Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
  • Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile liegen insbesondere darin, daß durch die UnterdriIckung der Netz frequenz der Stromregelkreis und der Störstromregelkreis voneinander entkoppelt sInd, so daß Bandbreite und Schleifenverstärkung im Störtromregler in weitem Bereich ohne Beeinträchtigung der Stromregelung wählbar und an die Erfordernisse adaptierbar sind. Wegen der geringen Amplitude im Bereich der Signal frequenz wird auch bei großer Schleifenverstärkung keine Stellreserve erforderlich.
  • Die erfindungsgemäße Regeleinrichtung stellt nur sehr geringe Blindleistungsansprüche an einen an die Stromrichteranlage angeschlossenen Zwischenkreis. Eine Adaptierung an verschiedene Betriebszustände der Stromrichteranlage, wie beispielsweise Fahren, Bremsen eines Triebfahrzeuges usw. ist nicht nötig. Die Störstromregelung ist unabhängig von der Aussteuerung des Stromrichters und weitgehend unabhängig von der Höhe des fließen- den Zwischenkreisstromes.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert.
  • Es zeigen: Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der Regeleinrichtung für eine Stromrichteranlage mit steuerbarem Halbleitersteller, Fig. 2 die Bandsperre des Störstromreglers, Fig. 3 den Bandpaß des Störstromreglers, Fig. 4 das PDT-Glied des Störstromreglers, Fig. 5 den Amplitudengang des Störstromreglers, Fig. 6 den Phasengang des Störstromreglers.
  • In Fig. 1 ist ein Prinzipschaltbild der Regeleinrichtung für eine Stromrichteranlage mit steuerbarem Halbleitersteller dargestellt. Eine Oberleitung 1 und eine Schiene 2 werden durch ein Einphasen-Wechselspannungsnetz gespeist. Ein Triebfahrzeug greift die an der Oberleitung 1 anliegende Spannung über einen Bügel 3 ab und ist über mehrere Räder 4 mit der Schiene 2 verbunden. Die zwischen Bügel 3 und Rad 4 anliegende Fahrdrahtspannung ist mit UF und der über den BUgel 3 flieRende Fahrdrahtstrom ist mit IF bezeichnet. Zur Ermittlung des Fahrdrahtstrom-Istwertes XIF ist eine Stromerfassungseinrichtung 5 vorgesehen. Im Leitungszug zwischen Bügel 3 und Rad 4 sind eine Drossel 6 und die Primärwicklung 7 eines Transformators 8 angeordnet. Parallel zur Primarwicklung 7 ist ein Kondensator 9 geschaltet. Zur Ermittlung des Fahrdrahtspannungs-Istwertes XUF ist eine Spannungserfassungseinrlchtung 10 vorgesehen.
  • Der Transformator 8 besitzt mehrere Sekundärwicklungen 11, 12 ..., wovon nachfolgend lediglich die Beschaltung der Sekundärwicklung 1I betrachtet wird. Der Istwert XIU des über die Wicklung 11 fließenden Stromes IU wird mittels einer Stromerfassungseinrichtung 13 ermittelt.
  • An die Wicklung 11 des Transformators 8 ist ein Vierquadrantensteller 14 angeschlossen. Der Aufbau eines solchen Vierquadrantenstellers ist beispielsweise aus der DE-OS 22 17 023 bekannt.
  • Die Gleichspannungsanschlüsse des Vierquadrantenstellers 14 sind mit einem Saugkreis 15 und einem Kondensator 15 beschaltet und bilden die gleichspannungsseitigen Ausgangsklemmen 17 der Stromrichteranlage. An diese Ausgangsklemmen 17 ist beispielsweise ein Gleichstrom-oder Gleichspannungsverbraucher oder der Cleichspannungszwischenkreis eines Umrichters angeschlossen. Der Umrichter speist dabei z.B. ausgangsseitig eine Drehstrom-Asynchronmaschine zum Antrieb des Triebfahrzeuges.
  • Zur Ermittlung des Istwertes XUD der zwischen den Ausgangsklemmen 17 anliegenden Gleichspannung UD ist eine Spannungserfassungseinrichtung 18 vorgesehen. Zur Ansteuerung der Stromrichterventile des Vierquadrantentellers 14 dient ein Steuersatz 19.
  • Das Ausgangssignal XUD der Spannungserfassungseinrichtung 18 wird einer Vergleichsstelle 20 mit negativem Vorzeichen zugeführt. Als weiteres Eingangssignal liegt der Vergleichsstelle 20 der Sollwert der Gleichspannung WUD mit positivem Vorzeichen an. Das Ausgangssignal XUD - WUD der Vergleichsstelle 20 wird einem Spannungsregler 21 (PI-Regler) zugeleitet. Der Regler 21 ist ausgangsseitig Tit zwei Recheneinheiten 22, 23 (Multiplizierern) verbunden, wobei der Recheneinheit 22 desweiteren das Eingangssignal sin t t und der Rechen- einheit 23 das Eingangssignal cos U t zugeführt werden.
  • Mit W ist dabei die Kreisfrequenz CJ = 2 7r f des Einpbasenwecbselspannungsnetzes bezeichnet, wobei die Frequenz f des Netzes im Ausführungsbeispiel 16 2/3Hz beträgt.
  • Das Ausgangssignal WIU der Recheneinheit 22 stellt den Sollwert für den Strom Iu dar und wird mit positivem Vorzeichen einer Vergleichsstelle 24 zugeleitet, der als weiteres Eingangssignal der von der Stromerfassungseinrichtung 13 erfaßte Istwert XIU mit negativem Vorzeichen anliegt. Ausgangsseitig ist die Vergleichsstelle 24 silber einen dem Spannungsregler 21 unterlagerten Stromregler 25 (PI-Regler) mit einem Summierer 26 verbunden. Als weitere Eingangssignale werden dem Summierer 26 der Fahrdrahtspannungs-Istwert XUF, das Ausgangssignal der Recheneinheit 23 sowie das Ausgangssignal eines noch im einzelnen zu beschreibenden Störstromreglers 27 zugeführt.
  • Der Störstromregler 27 besteht aus der Reihenschaltung einer Bandsperre 28, eines Bandpasses 29 und gegebenenfalls eines PDT-Gliedes 30. Das Eingangssignal XIF des Störstromreglers 27, d.h. der Fahrdrahtstrom-Istwert, stellt gleichzeitig das Eingangssignal Uei der Bandsperre 28 dar. Das Ausgangssignal Ua1 der Bandsperre 28 ist gleichzeitig das Eingangssignal Ue2 des nachgeschalteten Bandpasses 29. Das Ausgangssignal Ua2 des Bandpasses 29 ist gleichzeitig das Eingangssignal Ue3 des PDT-Gliedes 30. Das Ausgangssignal Ua3 des PDT-Gliedes stellt das Ausgangsignal des Störstromreglers 27 dar und liegt dem Summierer 26 mit negativem Vorzeichen an.
  • Das Ausgangssignal des Summierers 26 wird einer Vergleichsstelle 31 mit positivem Vorzeichen zugeführt. Der Vergleichsstelle 31 liegt die Ausgangsspannung eines Dreieckspannungserzeugers 32 mit negativem Vorzeichen an. Ausgangsseitig ist die Vergleichsstelle 31 über einen Komparator 33 mit dem Steuersatz 19 verbunden.
  • In Fig. 2 ist die Band sperre 28 des Störstromreglers 27 dargestellt. Zwischen ihren Eingangsklemmen liegt die Eingangsspannung Uei, d.h. der Istwert XIF des Fahrdrahtstromes an. An die erste Eingangsklemme sind ein Widerstand R1 und ein Kondensator C1 angeschlossen. Der Widerstand R1 ist andererseits mit einem Widerstand R2 und einem Kondensator C2 verbunden. Der Widerstand R2 ist an einen Kondensator C3 und an den t'+"-Eingang eines ersten Operationsverstärkers 01 angeschlossen. Die Kondensatoren C1 und C3 sind miteinander verbunden und liegen über einem Widerstand RB am Kondensator C2 sowie am "-"-Eingang und am Ausgang eines zweiten Operationsverstärkers 02. Der +"-Einqana dieses Operationsverstärkers 02 ist mit zwei Widerständen R4, R5 verbunden, wobei der Widerstand R4 an den "-"-Eingang sowie an den Ausgang des ersten Operationsverstärkers 01 und an die erste Ausgangsklemme der Bandsperre 28 sowie der Widerstand R9 an die zweite Eingangsklemme und zweite Ausgangsklemme der Bandsperre 28 verbindende Masseleitung angeschlossen sind. Die Ausgangsspannung zwischen den Ausgangsklemmen der Bandsperre 28 ist mit Uai bezeichnet.
  • In Fig. 3 ist der Bandpaß 29 des Störstromreglers 27 dargestellt. Zwischen den Eingangsklemmen des Bandpasses 29 liegt die Eingangsspannung Ue2 (= Usa1) an. An die erste Eingangsklemme ist ein Widerstand R6 angeschlossen, der andererseits mit einem Widerstand R7 sowie Kondensatoren C4 und C5 verbunden ist. Der Kondensator Cl; ist direkt an die erste Ausgangsklemme des Bandpasses 29, an den Ausgang eines Operatlonsverstärkers 03 sowie an einen Widerstand R8 angeschlossen. Am "-"-Eingang des Operationsverstärkers 03 liegen der Kondensator C5 und der Widerstand R8 sowie am "+"-Eingang von 03 ein Widerstand Rg, der andererseits ebenfalls wie der Widerstand R7 an der zweite Eingangsklemme und zweite Ausgangsklemme des Bandpasses 29 verbindenden Massenleitung angeschlossen ist. Die Ausgangsspannung zwischen den Ausgangsklemmen des Bandpasses 29 ist mit Ua2 bezeichnet.
  • In Fig. 4 ist das PDT-Glied 30 des Störstromreglers 27 dargestellt. Zwischen den Eingangsklemmen des PDT-Gliedes 30 liegt die Eingangsspannung Ue3(= Ua2) an. Mit der ersten Eingangsklemme sind zwei Widerstände RiO, R11 verbunden. An den Widerstand R10 sind andererseits ein Widerstand R12, ein Kondensator C6 sowie der "-"-Eingang eines Operationsverstärkers 04 angeschlossen. Kondensator C6 und Widerstand R11 sind miteinander verbunden.
  • Der Widerstand R12 liegt andererseits an der ersten Ausgangsklemme des PDT-Gliedes 30 und am Ausgang des Operationsverstärkers 04, dessen "+"-Eingang über einen Widerstand R13 an der zweite Eingangsklemme und zweite Ausgangsklemme des PDT-Gliedes 30 verbindenden Masseleitung angeschlossen ist. Die Ausgangsspannung zwischen den Ausgangsklemmen des PDT-Gliedes 30 ist mit Ua3 bezeichnet.
  • Nachfolgend wird die Funktions.weise der Regeleinrichtung für eine Stromrichteranlage mit steuerbarem Halbleitersteller beschrieben. Zur Unterdrückung von signalfrequenten 100Hz-Störströmen ist dem Stromregler 25 der selektiv wirkende Störstromregler 27 parallelgeschaltet.
  • Die störfrequenten Anteile im Netzstrom beruhen im wesentlichen auf Sättigungseffekten des Transformators 8. Infolge der Welligkeit der an den Ausgangsklemmen 17 der Stromrichteranlage anstehenden Spannung können im Primärstrom des Transformators zusätzliche 100Hz-Anteile verursacht werden. Diese werden vom Vierquadrantensteller 14 durch Modulation vom Glelchstromkreis (Zwischenkreis) zum Transformator 8 übertragen.
  • Der mittels der Stromerfassungselnrichtung 5 ermittelte Istwert XIF der Netzgröße, deren signalfrequenter 100-Hz-Anteil unterdrückt werden soll, wird auf die Bandsperre 28 des Störstromrlers 27 geschaltet, die auf die Netzfrequenz 16 2/3einz des Wechselspannungsnetcs abgestimmt ist und dadurch die Grundschwingung des Netzes sperrt. Die störfrequenten 100-Hz-Anteile des Netzstromes passieren die Bandsperre 28 mit einer Verstärkung von ungefähr 1 und minimaler Phasenverschiebung. Der so aufbereitete Istwert des Netzstromes wird über den Bandpaß 29 (mit oder ohne nachgeschaltetes PDT-Glied 30) geführt und dann im Sinne einer GegenkoDplung zum Stellsignal des Stromreglers 25 mittels des Summierer 26 addiert.
  • Durch die Unterdrückung der Netzfrequenz 16 2/3Hz sind der eigentliche Stromregelkreis und der Störstromregelkreis voneinander entkoppelt, so daR Bandbreite und Schleifenverstärkung im Störstromregler 27 in weitem Bereich ohne Beeinträchtigung der Stromregelung wählbar und an die Erfordernisse adaptierbar sind. Wegen der geringen Amplituden im Bereich der Signal frequenz 100Hz wird auch bei großer Schleifenverstärkung keine Stellreserve erforderlich.
  • Weiterhin ist die Anordnung so aufgebaut, daß mit der Bandsperre 28 als Eingangsfilter des Störstromreglers 27 keine Phasenverschiebung erzeugt wird, die die Stabilität des geschlossenen Regelkreises beeinträchtigen würde.
  • Der auf die Signal frequenz 100Hz abgestimrimte Bandpaß 29 hebt die Störstromkomponente selektiv an und läßt die Frequenz 100Hz beispielsweise mit einer Verstärkung von 10 passieren.
  • Das PDT-Glled 30 sorgt für eine Stabilitätsverbesserung durch Phasenanhebung bei f 100Hz. Die Eckfrequenzen des PDT-Gliedes liegen zweckmäßigerweise bei 25....30Hz bzw. 90....105Hz.
  • In Fig. 5 ist der Amplltudengang des Störstromreglers 27 dargestellt. Mit dem Faktor F = Ua3/Uel ist der Verstärkungsfaktor des Störstromreglers 27 und mit f die Frequenz bezeichnet. Es sind insbesondere der Einfluß der Bandsperre 28 durch den Abfall der Verstärkung bei f = 16 2/3Hz sowie der Einfluß des Bandpasses 29 durch Erhöhung der Verstärkung bei f = 100Hz ersichtlich.
  • In Fig. 6 ist der Phasengang des Störstromreglers 27 dargestellt.

Claims (3)

  1. A n s p r ü c h e 1. Regeleinrichtung für eine StromrIchteranlage mit steuerbarem Halbleitersteller zum Anschluß eines Gleichstrom- oder Cleichspannungsverbrauchers oder eines Zwischenkreises eines Umrichters an ein Wechseispannungsnetz mit einem Regelkreis mit S'seuersatz zur Steuerung der Ventile des Haibleiterstellers, insbesondere mit einem Stromregler, an den ein Steuerimpulsbildner ausgangsseitig angeschlossen ist, und mit einem zusätzlichen Störstromregler mit Anschluß an den Steuerimpulsbildner zu Eliminierung einer bestimmten Störfrequenz, wobei der Störstromregler einen auf die Störfrequenz abgestimmten Bandpaß aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß dem Bandpaß (29) eine auf die Frequenz des speisenden Wechselspannungsnetzes abgestimmte Bandsperre (28) vorgeschaltet ist.
  2. 2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Bandpaß (29) ein PDT-Glled (30) nachgeschaltet ist.
  3. 3. Regeleinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche bei Speisung des Halbleiterstellers über einen Transformator, dadurch gekennzeichnet, daß der Störstromregler eingangsseitig silber eine Stromerfassungseinrichtung (5) an den Primärkrei. des Transfcrrnators (8) angeschlossen ist.
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