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Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln einer in einem
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Meßwert enthaltenen harmonischen Schwingung (Zusatz zur deutschen
Patentanmeldung P 32 24 320.4 vom 29.6.1982) Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Ermitteln einer harmonischen Schwingung, deren Amplitude und Phase in einem
vorgegebenen Zusammenhang mit der Schwingung eines Meßwertes stehen, wie sie im
Hauptpatent (deutsche Patentanmeldung P 32 24 320.4 - VPA 82 P 3191) beschrieben
und im Oberbegriff des Anspruches 1 angegeben ist. Die Erfindung betrifft ferner
die Anwendung des Verfahrens zum Bilden einer Steuergröße für ein Stellglied zur
Stromeinspeisung in ein elektrisches Versorgungsnetz sowie eine Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens.
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In der Hauptanmeldung sind ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben,
die es gestatten, aus einem oder mehreren Meßwerten für die Ausgangsgröße eines
Stellgliedes, bei dem der Meßwert von einer Führungsgröße bestimmt ist, eine im
Meßwert enthaltene harmonische Schwingung zu ermitteln. So kann z.B. bei einem Direktumrichter
aus dem Meßwert des Stromes die Grundschwingung erfaßt werden, um mit den Nulldurchgängen
der Grundschwingung zwischen den antiparallelen Umrichterbrücken des Direktumrichters
eine stromflußrichtungsabhängige Umschaltung vorzunehmen. Es kann auch bei einem
System aus drei Meßwerten die Gegensystemschwingung ermittelt werden, um daraus
Korrekturgrößen für die Führungsgrößen zu erhalten, mit denen das Gegensystem unterdrückt
werden kann. Ebenso kann auch eine Oberschwingung erfaßt und unterdrückt werden.
Dadurch ist es insbesondere möglich, mittels eines Drehstrom-Drehstrom-Direktumrichters
in ein Wechselspannungs-Versorgungsnetz einzuspeisen, wobei dem Direktumrichter
zur
Symmetrierung der Last eine Symmetriereinrichtung nachgeschaltet
ist, um die durch die Einphasenbelastung hervorgerufene pulsierende Leistung zu
kompensieren und den Direktumrichter lediglich auf eine gleichbleibende einzuspeisende
Leistung auslegen zu müssen. Für eine einfache Steuerung der Symmetriereinrichtung
wird angestrebt, daß der Direktumrichter ein symmetrisches Drehspannungssystem liefert.
Durch den Einsatz der dort angegebenen Stromgrundschwingungserfassung, Stromoberschwingungsunterdrükkung
und Spannungsgegensystem-Unterdrückung wird dabei der wirtschaftliche Einsatz des
Direktumrichters möglich.
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Wird allgemein ein Stellglied für eine Drehspannung benutzt, um über
einen Ankoppeltransformator in ein Drehstrom-Versorgungsnetz einzuspeisen, so muß
häufig die Ausgangsspannung in Abhängigkeit von Phase und Amplitude der Netzspannung
so geregelt werden, daß über den Transformator gerade soviel Strom fließt, daß die
einzuspeisende Blind- und Wirkleistung aufgebracht wird. Es müssen also die Führungsgrößen
bzw. Stellgrößen für die Spannungssteuerung oder Spannungsregelung aus der gemessenen
Netzspannung selbst bestimmt werden, wobei besondere Maßnahmen zur Einhaltung der
den gewünschten Blind- und Wirkleistungen entsprechenden Amplituden- und Phasenbeziehung
zwischen Stellglied-Ausgangs spannung und Netzspannung nötig sind. Dabei kann das
Versorgungsnetz z.B. die symmetrische Drehspannung an der gesicherten Schiene einer
unterbrechungsfreien Stromversorgung sein. In diesem Fall kann aus den Meßwerten
an wenigstens zwei Phasenspannungen des Netzes die Information über Amplitude und
Phase der Stellgrößen erhalten werden, mit denen das speisende Stellglied gesteuert
wird.
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Wird aber ein Einphasennetz gespeist (z.B. um mittels eines Drehstrom-Dreh-strom-Umrichters
aus einem 50 Hz-Drehstromnetz in das einphasige 16 2/3-Hz-Netz einer elektri-
schen
Eisenbahnanlage einzuspeisen), so muß die Information über Frequenz, Phase und Amplitude
der Führungsgrößen oder Stellgrößen für das Stellgied aus einem einzigen Meßwert,
nämlich der Bahn-Wechselspannung bestimmt werden.
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Es muß also nicht nur aus den durch die Führungsgrößen bestimmten
Ausgangsgrößen des Steligliedes die Grundschwingung ermittelt und geeignete Korrekturgrößen
zur Gegensystemunterdrückung und Oberschwingungssystemunterdrückung bestimmt werden,
vielmehr kommt noch hinzu, daß aus einem Meßwert der Bahnspannung das symmetrische
System der Führungsgrößen oder Stellgrößen selbst ermittelt werden muß.
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Die Erfindung geht daher von der in vielen Anwendungsgebieten gegebenen
Aufgabe aus, aus einem oder mehreren Meßwerten eine harmonische Schwingung (oder
ein System solcher Schwingungen) zu ermitteln, deren Amplitude und Phase in einer
gewünschten Beziehung zu einer im Meßwert enthaltenen Schwingung steht, also z.B.
die Grundschwingung des Meßwertes, eine Gegensystem-Grundschwingung, die n-te Oberschwingung
oder eine entsprechendeeinem zu übertragenden Blind- oder Wirkstrom phasenverschobene
und amplitudenverstärkte Grundschwingung.
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Gegenüber der Hauptanmeldung ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
das im Hauptpatent angegebene Verfahren so zu verallgemeinern und abzuwandeln, daß
die Erfassung der erwähnten harmonischen Schwingung auch dann möglich ist, wenn
nicht von einer gegebenen Führungsgröße für Meßwerte ausgegangen werden kann oder
soll.
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Das in der Hauptanmeldung beschriebene Verfahren weist bereits die
folgenden Merkmale auf: a) durch ein mit der Frequenz der harmonischen Schwingung
veränderliches Winkel signal wird in einem raumfesten Bezugssystem ein Bezugsvektor
festgelegt, der eine
Koordinatenachse eines mit dieser Frequenz
im gegebenen Umlaufsinn rotierenden orthogonalen Koordinaten-Mitsystens bestimmt,
h) dem Meßwert wird im raumfesten Bezugssystem ein Istwert-Vektor zugeordnet, der
durch Demodulation des Meßwertes mit dem Winkel signal in einen zeitlich veränderlichen,
bezüglich des Koordinatenmitsystems durch zwei demodulierte Meßwertsignale erfaßten
Istwert-Vektor übergeführt wird, c) aus den zeitlichen Mittelwerten der demodulierten
Meßwertsignale werden entsprechende auf das Koordinaten-Mitsystem bezogene Komponenten
eines mit dem Koordinaten-Mitsystem rotierenden Mitsystem-Vektors gebildet, und
i) die auf das Koordinaten-Mitsystem bezogenen Mitsystemvektor-Komponenten werden
derart rückmoduliert, daß ein rückmoduliertes, eine raumfeste Komponente des Mitsystem-Vektors
darstellendes Meßwertsignal erhalten wird, der die gesuchte harmonische Schwingung
zugeordnet ist.
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Das in der Hauptanmeldung beschriebene Verfahren ist für einen Meßwert
angegeben, dessen Grundfrequenz durch eine Führungsgröße mit vorgegebener Sollfrequenz
bestimmt ist und bei dem die harmonische Schwingung n-ter Ordnung zu ermitteln ist.
Das Winkel signal ist in diesem Fall aus der Führungsgröße abgeleitet. Der Istwert-Vektor
ist dabei im raumfesten Bezugssystem durch eine zeitunabhängige algebraische Verknüpfung
gewonnen, während dem die raumfeste Komponente des Mitsystem-Vektors darstellenden
rückmodulierten Meßwertsignal die harmonische Schwingung durch die entsprechende
inverse Verknüpfung zugeordnet ist.
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Davon abweichend wird gemäß der vorgegebenen Erfindung zur Bildung
des Winkelsignals die Phasendifferenz zwischen der ermittelten harmonischen Schwingung
und dem Meßwert erfaßt und die Frequenz des Winkelsignals solange nachgestellt,
bis die Phasendifferenz den durch die gewünschte Phasenbeziehung gegebenen Wert
erreicht.
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Liegt ein System von symmetrischen Meßwerten vor, wie dies bei dem
erwähnten Fall einer Einspeisung in ein symmetrisches Drehspannungsnetz gegeben
ist, so kann die Zuordnung des Istwertvektors zu den Meßwerten ebenfalls durch die
bereits in der Hauptanmeldung beschriebene algebraische Zuordnung gewonnen werden.
In dem Fall, daß ein symmetrisches System von drei Stellgrößen für ein Stellglied
mit Drehstromausgang gebildet werden soll, wobei der Drehstromausgang mittels einer
Symmetriereinrichtung an ein einphasiges Versorgungsnetz angeschlossen ist und somit
nur eine einzige Wechselspannungsgröße als Meßwert vorliegt, kann die Zuordnung
eines Istwert-Vektors zu dieser Wechsel spannung dadurch vorgenommen werden, daß
die eine raumfeste Komponente des Istwert-Vektors durch die Netzspannung selbst
vorgegeben wird, die andere Komponente des Istwertvektors aber durch eine Phasenverschiebung
von etwa 900 aus dem Meßwert gebildet wird.
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Die in der Hauptanmeldung beschriebene Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens weist bereits auf: a) Mittel zur Bildung eines mit der Frequenz der
harmonischen Schwingung veränderlichen Winkelsignals, das im raumfesten Bezugssystem
einen Bezugsvektor festlegt, der mit dieser Frequenz im gegebenen Umlaufsinn rotiert
und eine Koordinatenachse eines rotierenden orthogonalen Koordinaten-Mitsystems
bestimmt,
b) eine erste Vektordreherstufe, die den Meßwert derart
mit dem Winkelsignal demoduliert, daß zwei im Koordinaten-Mitsystem die Komponenten
eines zeitlich veränderlichen Istwert-Vektors darstellende demodulierte Meßwertsignale
erhalten werden, wobei die Komponenten des Istwertvektors im raumfesten Bezugssystem
aus dem momentanen Meßwert durch eine erste Zuordnungsschaltung gewinnbar sind,
c) eine Filterstufe, die aus den zeitlichen Mittelwerten der demodulierten Meßwertsignale
auf das Koordinaten-Mit system bezogene Komponenten eines mit dem Koordinaten-Mitsystem
rotierenden Mitsystemvektors bildet und d) eine zweite Vektorstufe, die die auf
das Koordinaten-Mitsystem bezogenen Komponenten des Mitsystem-Vektors derart rückmoduliert,
daß ein rückmoduliertes, eine raumfeste Komponente des Mitsystem-Vektors darstellendes
Meßsignal erhalten wird, wobei diese Komponente durch eine invers zur ersten Zuordnungsschaltung
arbeitende zweite Zuordnungsschaltung der harmonischen Schwingung zugeordnet wird.
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Während im Fall der Hauptanmeldung das Winkel signal unmittelbar aus
der Führungsgröße abgeleitet werden kann, sind hier als Mittel zur Bildung des Winkelsignals
ein Nachführregler, dem als Istwert die tatsächliche Phasendifferenz und als Sollwert
die gewünschte Phasendifferenz zwischen dem Winkelsignal und der harmonischen Schwingung
zugeführt sind, und ein nachgeschalteter Integrator vorgesehen, an dem die Phase
des Winkelsignals abgreifbar ist.
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In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Anwendungen
der Erfindung angegeben. Anhand von vier Ausführungsbeispielen und 6 Figuren ist
die Erfindung
näher erläutert.
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Figur 1 zeigt eine im wesentlichen mit Polarkoordination arbeitende
Ausführungsform der Erfindung, während bei der Ausführungsform nach Fig. 2 orthogonale
Koordinaten verwendet werden. Figur 3 ist ein Vektordiagramm zur Verdeutlichung
des Einflusses von Blindstrom und Wirkstrom auf den Zusammenhang zwischen der Ausgangsspannung
eines Stellgliedes und der Netzspannung bei Einspeisung in ein Netz. Figur 4 zeigt
eine vereinfachte Ausführungsform der Erfindung bei Anwendung auf die Einspeisung
in ein einphasiges Netz mittels eines dreiphasigen Stellgliedes.
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Figur 5 stellt schematisch eine Zuordnungsschaltung dar, die einem
einphasigen Meßwert die orthogonalen Komponenten des Istwert-Vektors zuordnet. Die
Vorrichtung nach Figur 6 entspricht der Vorrichtung nach Figur 4, wobei jedoch eine
Umkehrung der Energieflußrichtung für den Wirkstrom vorgesehen ist.
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Figur 1 geht aus von Fig. 3 der Hauptanmeldung und zeigt eine Vorrichtung,
bei der aus einem Meßwert Amplitude und Phase einer Grundschwingung ermittelt werden
soll.
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Ein Stellglied (in diesem Fall ein von einem Drehstromnetz N gespeister
Direktumrichter 5 mit Drehstromausgang) ist über eine Anordnung 115, die Filter
und einen Ankoppeltransformator enthält, an ein mit u, v, w bezeichnetes elektrisches
Netz, z.B. die sichere Schiene.einer unterbrechungsfreien Stromversorgung, angeschlossen.
Während bei der Hauptanmeldung Strom- und Spannungsmeßglieder direkt am Ausgang
des Direktumrichters angeschlossen sind, um neben der für die stromflußrichtungsabhängige
Umschaltung der Umrichterventile benötigte Stromgrundschwingung auch die entsprechenden
Korrekturgrößen zur Korrektur der aus einem symmetrischen System von Führungsgrößen
abgeleiteten Umrichter-Stellgrößen zu ermitteln, mit denen ein Gegenschwingungssystem
und ein Oberschwingungssystem
unterdrückt werden kann, ist hier
vorgesehen, mittels eines Meßgliedes 116 die Spannung U zu erfassen, die geu genüber
der Ausgangsspannung U1 des Stellgliedes 5 um durch den Wirkstrom und Blindstrom
an der Schaltungsanordnung 115 abfallenden Spannung Au abweicht.
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Zur Erläuterung der Schaltung sei nur die Grundschwingung der Spannung
U betrachtet, die bezüglich einer Bezugsu phase #*(t) =60. t durch Uu=lUl. cos(#t+#')
beschreibbar ist. Die Bezugsphase # * kann dabei als Richtungskomponente eines in
einem raumfesten Polarkoordinaten dargestellten, mit der Frequenz W umlaufenden
Einheitsvektors aufgefaßt werden.
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Der Meßwert U wird als Betrag eines im raumfesten Polaru koordinatensystem
durch die Richtungskomponente ff = o bestimmten Vektors Uu aufgefaßt, so daß U durch
die -u raumfesten Polarkoordinaten Uu, # = 0 beschreibbar ist.
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Zunächst sei angenommen, daß das Winkelsignal t* = #. t bereits verfügbar
ist, so daß durch die Subtraktion am Punkt 30 die raumfeste Winkel koordinate C
= 0 in die Winkelkoordinate #' = # - # * in einem mit der Frequenz CL>* rotierenden
Polarkoordinatensystem überführt wird, aus dem der nachfolgende polarkartesische
Koordinatenwandler 31 einer ersten Vektorstufe 32 ein Signalpaar (Vektorsignal"
U'#, U'ß ) erzeugt, das die kartesischen Komponenten des Istwertvektors bezüglich
eines orthogonalen, mit dem rotierenden Polarkoordinatensystem synchron umlaufenden
"Koordinaten-Mitsystems" (Koordinatenachsen o(', a ') darstellt. Die beiden kartesischen
Komponenten werden an Tiefpaßfiltern 33', 33'' der Filterstufe 33 gemittelt, wobei
die gemittelten Komponenten Uα = |U| . cos ', Uß ,=U|. sin #' entstehen, die
die Komponenten eines "Mitsystem-Vektors" U darstellen.
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Für den Fall, daß an den in Fig. I eingezeichneten Additionsstellen,
die zur komponentenweisen Addition eines vorgebbaren Zusatzvektors bU dienen, keine
vektorielle Addition vorgenommen wird, liefert die Rückmodulation von U , und U
ß, in raumfeste Polarkoordinaten mittels einer zweiten Vektordreherstufe 34 (kartesisch-polarer
Koordinatenwandler 35 und Addition des Winkelsignals * am Punkt 36) die Betragskomponente
U des Mitsystemvektors, die gleich der Grundschwingungsamplitude U des Meßwertes
ist, und eine Richtungskomponente ef', die gleich der Phasendifferenz ' zwischen
der Meßwert-Grundschwingung und dem Winkel signal ç* ist. Wenn also als harmonische
Schwingung die Grundschwingung des Meßwertes u selbst ermittelt werden soll, so
kann in der Schaltung nach Fig. 1 A U = 0 eingegeben und die Grundschwingung am
Ausgang der Vektordreherstufe 34 abgegriffen werden. Um die vorausgesetzte Frequenzgleichheit
zwischen u und sicherzustellen, wird an der Additionsstelle 118 die Phasendifferenz
* - 9 ' (Winkel zwischen den Vektoren 9 und U) gebildet und mit einem entspechenden
Sollwert (9* # - 9')* = 0 verglichen. Das Vergleichsergebnis ##* wird1 einem PI-Regler
119 aufgeschaltet, der einem entsprechenden Winkelsignalgenerator 29 für das Winkel
signal 9* vorgeschaltet ist. Der Winkelsignalgenerator 29 kann ein frequenzgesteuerter
Sägezahngenerator sein, z.B. ein spannungsgesteuerter Impulsgenerator, dessen Impulse
von einem als Integrator wirkenden Impulszähler gezählt werden, der jeweils bei
Erreichen eines bestimmten, +1800 entsprechenden Zählerstand auf einen -180 entsprechenden
Zählerstand rückgesetzt wird. Das Ausgangssignal des Reglers 119 stellt somit die
Frequenz für das Winkelsignal * dar, das durch entsprechende vorübergehende Frequenzänderung
jeweils der Phase ' so nachgeführt wird, daß das Regelvergleichsergebnis verschwindet
(#* = Da die Netzfrequenz im allgemeinen stets etwas um eine Nennfrequenz ,* schwankt,
kann einer entsprechenden
Additionsstelle am Eingang des Generators
29 die Nennfrequenz ,A,* vorgegeben und das Reglerausgangssignal nur nun zur exakten
Synchronisation auf die jeweils vorliegende Netzfrequenz verwendet werden.
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Soll nun für die Stellglied-Ausgangsspannung U1 eine Steuergröße U*1
so vorgegeben werden, daß über die Anordnung 115 ein gewisser Soll-Wirkstrom und
Soll-Blindstrom fließt, so kann bei Kenntnis der Dimensionierung dieser Anordnung
115 aus diesen Strömen ein vektorieller Spannungsabfall tU* errechnet werden. Dieser
wird an den Additionsstellen 117', 117" aufgeschaltet. Dadurch wird bewirkt, daß
sich Amplitude und Phase der Ausgangsspannung U1 gegenüber der gemessenen Netzspannung
U geu rade um den zu den Stromsollwerten gehörenden Betrag verändern.
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Der zweiten Vektordreherstufe 34 wird nun der Mitsystem-Vektor Ü'
= U + AU aufgeschaltet und dadurch der entsprechende Sollbetrag U'1 für die Steuergröße
U*1 sowie eine Richtungskomponente #' 1 erhalten. Der Nachführregler 119 führt nun
die Phase +' des Winkelsignals g* nicht mehr direkt der Phase t' der Meßwertgrundschwingung
(Vektor U') nach, sondern der Phase N'1='+ ##*, wobei t* die zu #U* gehörende Soll-Phasenverschiebung
ist. Folglich stellt das Winkelsignal * tatsächlich die Phase der Steuergröße U*1
dar und kann an einem pozusammen@@ lar-kartesischen Koordinatenwandler 120fmit dem
Soll-Betrag U'1 1 zur Steuergröße selbst verarbeitet werden.
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Während bisher von einem einzelnen Meßwert ausgegangen ist und etwa
erforderliche Stellgrößen für die anderen Phasenspannungen jeweils durch analoge
Schaltungen ermittelt werden müssen, kann bei Einspeisung in ein Drehstromnetz gleich
von zwei oder drei der Meßwerte ausgegangen werden, denen durch einen 3/2-Koordinatenwandler
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die kartesischen, raumfesten Komponenten des Istwertvektors gemäß
einer zeitunabhängigen algebraischen Zuordnungsvorschrift zugeordnet werden. Anstelle
der in Polarkoordinaten arbeitenden Vektorstufe 32 und der zweiten Vektordreherstufe
34 werden die kartesisch arbeitenden Vektordreher 32' und Vektordreher 34' verwendet.
Dadurch wird der Istwertvektor U in das mit dem Drehsinn des -u Drehspannungsnetzes
mitrotierende Koordinaten-Mitsystemd, transformiert, seine Komponenten gemittelt(durch
ein gemeinsames Symbol 33' dargestellt) und rücktransformiert.
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Sofern das Drehspannungsnetz ein symmetrisches Mitsystem darstellt,
genügen diese Bauteile; ist dagegen auch ein Gegenss vorhanden und in der Steuerung
des Stellgliedes 5 zu berücksichtigen, so kann auch mittels eines Vektordrehers
32" der Istwertvektor in ein entsprechendes entgegengesetzt zum Mitsystem rotierendes
Koordinaten-Gegensystem transformiert, mittels eines Tiefpaßfilters 32'' zur Bildung
eines Gegensystem-Vektors geglättet und an einem Vektordreher 34', ins raumfeste
Bezugssystem rücktransformiert werden. Durch Subtraktion (Subtraktionsstelle 41)
des Mitsystemvektors vom Istwertvektor kann dabei das Gegensystem bei der Ermittlung
des Gegensystemvektors isoliert werden. An der Additionsstelle 37 werden Mitsystemvektor
und Gegensystemvektor zu der gesuchten harmonischen Schwingung zusammengesetzt.
Diese Bauteile wirken wie die Baugruppe 50 nach Fig. 5 der Hauptanmeldung.
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Bei dieser mit orthogonalen Komponenten arbeitenden Vorrichtung ist
entsprechend der Additionsstelle 118 für die Winkelkomponenten ein Vektordreher
121 vorgesehen, der an seinem Winkelsignaleingang von dem dem Winkelsignal * entsprechenden
Bezugsvektor y5* und an seinem Vektorsignaleingang vom Summationsvektor des Additionsgliedes
37 beaufschlagt ist. Die Ausgangssignale dieses Vektordrehers beschreiben mit U
sin tt und U cos zu den
Grundschwingungs-Vektor U, wobei mit 6
die Phasendifferenz zwischen dem Winkel signal ,f * und der Grundschwingung ' bezeichnet
ist. Durch Division der beiden Komponenten wird eine monoton mit der Phasendifferenz
tt steigende Funktion tg At gebildet, wobei die Diode 123 dafür sorgt, daß für ##<-
- 900 und dt > + 900 das Ausgangssignal des Dividierers 122 am äußeren Ende des
Rechenbereiches liegt, so daß die gesamte Regelung diesen instabilen Bereich rasch
verläßt. Durch Vergleich dieser Funttion tg af mit einem entsprechenden Sollwert
an der Vergleichsstelle 121' wird die Eingangsgröße für den Nachführregler 119 gebildet,
dessen Ausgangssignal o* über einen Spannungsfrequenzwandler (spannungsgesteuerter
Impulsgenerator 124) einem rücksetzbaren Zähler 125 aufgeschaltet wird. Dessen Ausgangssignal
t* = J *-dt wird einem als Funktionsgenerator dienenden Festwertspeicher 126 zugeführt
und dort in die Funktionen cos sin t * umgesetzt. Ein anschließender Digital/Analog-Wandler
127 liefert ein analoges Signalpaar, das als Winkelsignal der Baugruppe 50 für die
entsprechenden Koordinatentransformation zugeführt wird. Die hier beschriebene Schaltung
wirkt dabei ebenso als Vektorfilter wie die in Fig. 5 der Hauptanmeldung angegebene
Schaltung, ohne daß jedoch die Frequenz des Winkelsignales von außen vorgegeben
wird.
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Um nun auf die im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebene Weise das Stellglied
5 steuern zu können, kann die Grundschwingungsamplitude U des Meßwertes über einen
Vektoranalysator 128 an der Baugruppe 50 abgegriffen werden.
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Durch Zuschalten eines Amplituden-Zusatzsollwertes AU* am Additionsglied
129 kann daraus die Sollamplitude U* für das durch den Steuervektor U* vorzugebende
Stellgrößensystem des Direktumrichters 5 gebildet werden. Die entsprechende Phasenverschiebung
bzw des Steuervektors U* gegenüber dem Istwert-Vektor4j kann an der Regelvergleichsstelle
121'
vorgegeben werden. Werden nun die beiden Komponenten des Bezugsvektors yt* mit dem
Sollbetrag Uk multipliziert, so erhält man den gewünschten Steuervektor U*, durch
den die entsprechenden Führungs-oder Stellgrößen für den Direktumrichter 5 geliefert
werden.
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Dieser Vektor U* entspricht letztlich in der gleichen Weise dem Mitsystemvektor,
wie der Vektor U*1 dem Vektor U nach Fig. 1, auch-wenn für die Vektoraddition (Additions--u
stellen 117', 117'' in Fig. 1) bei der Vorrichtung nach Fig. 2 getrennte Additionsstellen
für Betrag und Phase vorgesehen sind, denen die entsprechenden, in der zweiten Vektordreherstufe
gebildeten Größen erst nach der Rückmodulation ins raumfeste Bezugssystem aufgeschaltet
sind.
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Letztlich wird also aucil hier der Mitsystem-Vektor aus den Mittelwerten
der demodulierten Meßwertsignale. und geeignet vorzugebenden Sollwerten, die dem
einzuspeisenden Wirk- und Blindstrom entsprechen, so gebildet, wie es der Vektorsumme
des durch die Mittelwerte bestimmten Vektors und eines durch die Sollwerte bestimmten
Zusatzvektors entspricht. Die durch die Rückmodulation gelieferte, den raumfesten
Komponenten des Mitsystemvektors zugeordnete Schwingung wird wiederum als Steuergröße
für das Stellglied abgegriffen.
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Im folgenden wird der bevorzugte Anwendungsfall betrachtet, daß zwischen
zwei Wechselrichterausgängen, zwischen denen die verkettete Spannung U12 anliegt,
über einen Ankoppeltransformator eine einphasige Last, insbesondere ein Wechselspannungsnetz,
angeschlossen ist. Eine Symmetriereinrichtung entsprechend Fig. 6 der Hauptanmeldung
sorgt über geeignete Blindleistungssteller dafür, daß bei Vorgabe eines symmetrischen
Stellgrößensystems die Ausgänge des Wechselrichters symmetrisch belastet sind. Dazu
ist es
erforderlich, daß über den die beiden Ausgänge belastenden
Ankoppeltransformator neben der ins Wechselspannungsnetz einzuspeisenden Wirkleistung
eine zur Symmetrierung erforderliche Blindleistung fließt.
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In Fig. 3 ist das Ersatzschaltbild des Ankoppelkondensators angegeben,
dessen Induktivität durch den Widerstand X und dessen ohmscher Widerstand durch
R symbolisiert ist. Dabei sind die durch den Sollvektor U* bestimmte Wechselspannung
U12 und der vom Stellglied (Wechselrichter) über den Ankoppeltransformator getriebene
Strom i12 als entsprechende Vektoren U12, i12 aufgefaßt, wobei im linken Diagramm
von Fig. 3 die Lieferung von Wirkleistung und Blindleistung in das Wechselstromnetz
erfolgt, während im rechten Diagramm zwar auch der Steller Blindleistung aufbringt,
jedoch die Wirkleistung in den Steller gespeist wird. Der Blindleistungsanteil 1B
des Stromes i12 bewirkt einen ohmschen Spannungsabfall R . 1B und einen induktiven
Spannungsabfall x . IB, der Wirkstromanteil IW einen ohmschen Spannungsabfall R
. IW und einen induktiven Spannungsabfall X . IW. Die Vektoraddition dieser Größen
führt zum Spannungsvektor Uu. Man erkennt, daß der Betrag des Spannungsvektors U12
im wesentlichen (R#0) durch IUul. cos##* + x . 1B gegeben, dagegen tan ##* proportional
x 1w ist. Da die Richtung des Vektors U12 bzw. U* durch #* gegeben und (#*-#') dem
Sollwert zu cp * nachgeführt ist, ist |U|cos 1 U 1 cos u am Ausgang der Filterstufe
als entsprechende Komponente von U im mit m Uu it mit #* umlaufenden Koordinatensystem
abgegriffen, um durch Überlagerung mit dem Blindstrom-Sollwert IB* (Fig. 4) den
Betragssollwert |U1*| zu bilden. Durch Vorgabe des Wirkstrom-Sollwertes Iw* dagegen
kann die Komw ponente |Uu|. sinA # bzw. ## geregelt werden, wie Fig.4 zeigt.
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Da Fig. 1 auch für den Fall eines dreiphasigen Netzes bereits von
der Erfassung eines einzelnen Meßwertes ausgeht, kann die kartesische Arbeitsweise
der Vektordreher 32' und 34' (Fig. 2) auch auf die Vektordreherstufen 32, 34 in
Fig. 1 angewendet werden. Bei Betrachtung von Figur 1 fällt jedoch auf, daß an den
Additionsstellen 36 und 118 das Winkel signal Y * jeweils mit entgegengesetztem
Vorzeichen aufgeschaltet wird, so daß sie sich bei der Rückmodulation des Mitsystemvektors
aus dem rotierenden Mitsystem in das raumfeste Bezugssystem und dem Regelvergleich
für den Nachführregler 119 gegenseitig aufheben, während die Betragsamplitude bei
den Koordinatentransformationen ohnehin invariant ist.
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Daher ist es möglich, die Mittel zur Nachführung des Winkelsignals
in die zweite Vektordreherstufe 34 einzubeziehen. Dies ist in Figur 4 dargestellt,
wo die beiden, sich gegenseitig aufhebenden Additionsstellen 36, 118 nur gestrichelt
dargestellt sind. Die erste Vektorstufe 32 ist dabei durch einen Vektordreher 32a
dargestellt, dessen Winkelsignaleingang mit dem Ausgang des polar-kartesischen Koordinatenwandlers
120 in Figur 1 verbunden ist.
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Das Multiplikationsglied 128 multipliziert das dem Winkel f* entsprechende
Winkelsignal, das die Komponenten des entsprechenden Einheitsvektors +* darstellt,
mit dem an
der Additionsstelle 117' abgegriffenen Sollbetrag U*1,
um dadurch den Steuervektor U*1 zu liefern, mit dem das Ausgangsspannungssystem
des Stellgliedes 5 gestellt wird.
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Mit 122 ist eine weitere Regel- und Steuereinrichtung bezeichnet,
die aus diesem Steuervektor entsprechend der in Fig. 10 der Hauptanmeldung dargestellten
Schaltung die Stellsignale für die einzelnen Ausgangsgrößen des Stellgliedes 5 liefern.
Die hier beschriebene Anordnung ersetzt also den Sollwertgeber 100 aus- Fig. 10.
Der dort mit 101 bezeichnete Vektoroszillator entspricht dabei den Elementen . 29
und 120 aus Fig. 4, der schaltungsmäßig dadurch hergestellt werden kann, daß das
Integratorausgangssignal sowohl einem Sinus-Funktionsgeber wie einen Cosinus-Funktionsgeber
aufgeschaltet wird, deren Ausgangssignale gegebenenfalls mittels eines Vektoranalysators
zum Ausgleich von Rechenungenauigkeiten entsprechend der Beziehung sin2 * + cos2
9 = 1 normiert werden kann, wie dies in Fig. 6 durch das Bauteil 101 dargestellt
ist.
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Die Zuordnung des einzelnen Meßwertes Uu zu den orthogonalen Komponenten
eines entsprechenden Istwertvektors U«, wie er für den Vektordreher 32a in-Fig.
4 benötigt wird, geschieht dadurch, daß als die eine Istwert-Vektorkomponente direkt
der Meßwert selbst dem Vektordreher auf geschaltet wird, während die andere Komponente
über eine Verzögerungsschaltung gewonnen wird, die den Meßwert in seiner Phase um
etwa 900 verschiebt. Eine derartige Anordnung ist in Fig. 5 dargestellt.
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Zur Erzeugung der raumfesten p-Komponente des Istwertvektors wird
dabei -ein übliches Glättungsglied 150 verwendet, das z.B. aus der im Schaltsymbol
angegebenen Schaltung bestehen kann. Ein derartiges Glättungsglied hat das Übertragungsverhalten
Vv/(l+s.T), wodurch einerseits die Amplitude um den Verstärkungsfaktor Vv verzerrt,
andererseits
die Phase um einen bestimmten Winkel verschoben wird.
Von der Ausgangsspannung des G lättiinqs.q1 iedes wird der mit dem Faktor a multiplizierte
(Multiplizierer 151) Meßwert abgezogen unct das Subtraktionsergebnis anschl ießend
rni t dem Faktor il (Multiplizierer 152) multipliziert.
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Dadurch ertsteht, w@@ dem in fig. 5 gezeigten Vektordiagramrn entnommen
werden kann, ein um 90° verschobener Vektor, dessen Realteil gleich der -Komponente
des Vektors U ist, sofern die Faktoren a und b genau auf die jeweilige Frequenz
des Meßwertes Uu abgestimmt sind.
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Tatsächlich schwankt jedoch die Frequenz des Meßwertes U (d.h. die
Netzfrequenz) stets etwas um Ihren Nennwert, u so daß di Phasenverschiebung nicht
exakt 900 beträgt.
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Selbst wenn U u nur aus er harmonischen Grundschwingung besteht und
an sich die α-Komponente eines einen Kreis beschreibenden Vektors wäre, würde
der dadurch erhaltene Vektor eine Ellipse beschreiben. Daher wird das Ausgangssignal
dieser Verzögerungsschaltung nicht direkt dazu verwendet werden, um Phase und Amplitude
des der harmonischen Schwingung zugeordneten Grundschwingungsvektors zu erhalten,
sondern es wird erst die Demodulation, Glättung und Rückmodulation vorgenommen,
um dann mit dem Betragssignal und dem Winkel signal die entsprechenden Bestimmungsgrößen
dieser harmonischen Schwingung zu erhalten. Etwaige im Netz enthaltene Oberschwingungen
werden dabei ebenfalls eliminiert.
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Fig. 6 zeigt den ganzen Sollwergeber, der wiederum aus der Verzögerungsschaltung
14(), dem Vektordreher 32a, der Filterstufe 33', dem aus den Additionsstellen 117',
117'' bestehenden Additionsglied fiir dii vektoriel e Addition des durch 1B Iw*
bestimmten Zusatzvektors und der zweiten Vektordreherstufe besteht, in die die Mittel
zum Erzeugen des Winkelsignals durch Nach führen des Ausgan(ssignales bauteilmäßig
so integriert. sind, daß die zweite
Vektorstufe i-aktis; nlar noch
aus dem Nachführregler 119, dem Vektoroszillator 101 und ggf. dem Multiplizierer
128 besteht. Die Schaltung wir-d ergänzt durch die Stellglieder 125 und 126 fiir
den Wirkstromsollwert und den Blindstromso1wert sowie einen rxmvschalter 141, durch
den der Regelkreis des Nachführreglers 119 unterbrochen werden kann, um die Sollfrequenz
des Winkelsignals extern mittels eines Frequenz-Sollwertgebers 142 vorzugeben, anstelle
sie aus dem Netz direkt abzuleiten. Diese Frequenzvorgabe ist für den Fall vorgesehen,
daß mit dem Stellglied nicht synchron in ein bereits mit Spannung gespeistes Netz
eingespeist werden soll, sonder nur die Netzspannung für isolierte Verbraucher ohne
besondere Synchronisierung geliefert werden muß.
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Wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 3 erkennbar ist, kehrt sich bei
einer Umkehr der Energieflußrichtung für den Wirkstrom das Vorzeichen des Winkels
##4* um. Für eine derartige Richtungsumkehr ist bei der Schaltung nach Fig. 6 vorgesehen,
mittels eines Schalters 143 die eine der von der Filterstufe 33 gelieferten Vektorkomponenten
nicht mehr direkt auf die dem Eingang des Nachführreglers 119 vorgeschaltete Summationsstelle
1.17'' aufzuschalten, sondern zur Vorzeichenumkehr über ein entsprechendes Invertierglied
144. Ein entsprechender Schalter 145 mit einem Invertierglied 146 ist auch zwischen
dem Ausgang der Verzögerungsschaltung 140 und der ersten Vektordreherstufe 32a vorgesehen.
Für die erwähnte Energierichtungsumkehr ist am Ausgang des Sollwertgebers 125 für
den Wirkleistungssollwert ein Hochlaufgeber 149 angeordnet, der bei einer Änderung
der Wirkleistungsanforderung durch den Sollwertgeber 125 bewirkt, daß der Wirkleistungssollwert
zunächst rampenförmig heruntergefahren wird, bis bei Unterschreiten eines Minimal
betrages das Stellglied abgeschaltet, d.h. der Energietransport vollständig unterbrochen
wir. In der stromlosen Pause wird nunmehr die für
die Energierichtungsumkehr
notwendige Phasenumkehr (Betätigung der Schalter 143 und 145) vorgenommen. Anschließend
wird der Wirkleistungssollwert wieder rampenförmig hochgefahren, wobei bei Üherschrei
tung eines Minimalbetrages das Stellglied wieder akiviert wird.