DE3533174A1 - Voltage follow-up of a current regulator - Google Patents
Voltage follow-up of a current regulatorInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens. Eine Frequenzregelung der beschriebenen Art ist aus der Zeitschrift "Technische Mitteilungen AEG-Telefunken" 67 (1977), Heft 1, Seiten 6 bis 11 bekannt.The invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and a circuit arrangement for implementation of the procedure. A frequency control of the type described is off the magazine "Technical Notices AEG-Telefunken" 67 (1977), Issue 1, pages 6 to 11 known.
Für Umrichter mit Gleichspannungszwischenkreis, bei denen diese Frequenzregelung angewendet wird, ist es aus der Zeitschrift "Technische Mitteilungen AEG-Telefunken" 69 (1979), Heft 5/6, Seiten 34 bis 39 auch bekannt, für den Vierquadrantenbetrieb zwei Netzstromrichter vorzusehen, von denen der eine, beim generatorischen Betrieb der Last arbeitende Stromrichter über einen Rückspeisetransformator mit dem Netz verbunden ist.For inverters with a DC link, where this frequency control is used, it is from the magazine "Technical communications AEG-Telefunken "69 (1979), No. 5/6, pages 34 to 39 also known for the four-quadrant operation to provide two line converters, of which the a converter operating during generator operation of the load a regenerative transformer is connected to the network.
Ein insbesondere zur Anwendung bei über kreisstromfrei gegenparallelgeschaltete Stromrichter gespeisten Gleichstromantrieben vorgesehener Stromregler mit PI-P-Verhalten, der auch bei einem Verfahren der eingangs genannten Art eingesetzt werden kann, ist in der Zeitschrift "Technische Mitteilungen AEG-Telefunken" 69 (1979), Heft 5/6, Seiten 10 bis 14 beschrieben. Danach ist es auch bekannt, mit Hilfe eines Funktionsbildners aus der Stromführungsgröße ein zusätzliches Signal zu gewinnen, das die Reglerspannung additiv beeinflußt. Damit soll eine für den Lückbereich des Stromes notwendige hohe Proportionalverstärkung erzielt werden.A particularly for use with counter-parallel connected via over-current Current regulator-supplied current regulators with PI-P behavior, which is also the case with a method of the beginning can be used, is in the magazine "Technical Mitteilungen AEG-Telefunken "69 (1979), No. 5/6, pages 10 to 14 described. After that it is also known with the help of a function builder to obtain an additional signal from the current control variable, which the Regulator voltage influenced additively. This is supposed to be one for the gap area necessary high proportional gain of the current can be achieved.
Wird ein derartiger Regler mit PI-P-Verhalten in einem unterlagerten Regelkreis bei der eingangs angeführten Frequenzregelung eingesetzt, muß bei einem Richtungswechsel des Zwischenkreisstromes die Spannung des Beschaltungskondensators des Reglers gespeichert bleiben. Es kann beim Öffnen des Regelkreises durch Störgrößen vom Stromregler eine undefinierte Steuerspannung für die netzgeführten Stromrichter vorgegeben werden. Wird insbesondere der Regelkreis dadurch unterbrochen, daß am Ausgang eine Stromscheitelwertsbegrenzung eingreift und damit die Stromführungsgröße größer wird als die Stromreglergröße, so besteht bei anschließender Stromrichtungsumkehr die Gefahr, daß das Signal zur Ansteuerung der Stromrichterventile völlig falsch in seinem Betrag zur tatsächlichen Zwischenkreisspannung steht. Damit entnimmt der angesteuerte netzgeführte Stromrichter völlig undefinierte Ströme aus dem Netz.Is such a controller with PI-P behavior in a subordinate Control loop used in the frequency control mentioned above, the voltage must change when the DC link current changes direction of the wiring capacitor of the controller remain stored. It can when opening the control loop due to disturbances from the current controller undefined control voltage specified for the line-guided converter will. In particular, the control loop is interrupted by the fact that on Output intervenes a current peak limit and thus the current command variable becomes larger than the current controller size, there is a subsequent Reversal of current direction the risk that the signal to control The converter valves are completely wrong in their actual amount DC link voltage is. The controlled one then removes mains-operated converters completely undefined currents from the mains.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs angegebenen Art so auszugestalten, daß vom Stromregler zu jedem Zeitpunkt ein Steuersignal für die netzseitigen Stromrichter abgegeben wird, das den tatsächlichen Verhältnissen im Zwischenkreis gerecht wird, d. h. es soll bei allen Betriebspunkten eine gezielte Aufladung des die Zwischenkreisspannung einprägenden Kondensators an der Stromgrenze gesichert sein. Auch soll eine Schaltungsanordnung angegeben werden, mit der das Verfahren dann durchführbar ist.The invention has for its object a method of the beginning specified type so that the current regulator at any time a control signal for the line-side converters is emitted, that does justice to the actual conditions in the DC link, d. H. At all operating points, the DC link voltage should be charged specifically be impressed capacitor at the current limit. A circuit arrangement is also to be specified with which the method is then feasible.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung für das Verfahren durch das in Anspruch 1 gekennzeichnete Merkmal gelöst.This object is achieved according to the invention for the method by the Characteristic characterized claim 1 solved.
Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß der eigentliche PI-Regler nur bei Übergangszuständen arbeitet, d. h. im ausgeregelten Zustand liegt am Ausgang des Reglers kein Spannungssignal vor. Auf einfache Weise wird also der Stromregler von der Zwischenkreisspannung nachgeführt, so daß die vom Stromregler abgegebenen Steuersignale für die netzseitigen Stromrichter definiert entsprechend dem im Zwischenkreis herrschenden Zustand auftreten. The invention is based on the knowledge that the actual PI controller only works in transition states, i. H. in the regulated State there is no voltage signal at the output of the controller. On So the current regulator is simple from the DC link voltage tracked so that the control signals emitted by the current controller for the line-side converter is defined according to that in the intermediate circuit prevailing condition.
Eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ist im Anspruch 5 gekennzeichnet.A circuit arrangement for performing the method according to the invention is characterized in claim 5.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Schaltungsanordnung nach der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.Advantageous embodiments of the method and the circuit arrangement according to the invention are specified in the remaining claims.
Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Es zeigenThe invention will now be described with reference to one in the drawing Embodiment will be explained. Show it
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild für den Einsatz eines Stromreglers mit PI-P- Verhalten in einem unterlagerten Regelkreis innerhalb einer Frequenzregelung für gegenparallelgeschaltete netzseitige Stromrichter eines Gleichspannungs-Zwischenkreis-Umrichters und Fig. 1 is a block diagram for the use of a current controller with PI-P behavior in a lower-level control loop within a frequency control for oppositely connected network-side converters of a DC link converter and
Fig. 2 das Prinzipschaltbild für einen entsprechend der Spannung im Gleichspannungs- Zwischenkreis des Umrichters nach Fig. 1 gemäß der Erfindung nachgeführten Stromregler. Fig. 2 shows the basic circuit diagram for a current controller according to the invention corresponding to the voltage in the DC link of the converter of FIG. 1.
Gemäß Fig. 1 liegt ein Gleichspannungs-Zwischenkreis-Umrichter mit seinen beiden netzseitigen Stromrichtern SR 1, SR 2 an einem dreiphasigen Netz RST. Die beiden netzseitigen Stromrichter SR 1, SR 2 sind als dreiphasige Brückenschaltungen ausgebildet, wobei der bei der einer Energierückspeisung vom Umrichter in das Netz RST in Betrieb befindliche Stromrichter SR 2 über einen Rückspeisetransformator T 1 mit dem Netz verbunden ist. Der Gleichspannungs- Zwischenkreis weist eine Glättungsdrossel L und einen Stützkondensator C auf, an dem die Zwischenkreispannung U D anliegt. Lastseitig besteht der Umrichter aus einem nicht in Einzelheiten dargestellten Stromrichter SR 3, der z. B. aus einer Freilaufdiodenbrücke und einer vollgesteuerten, selbstgeführten Thyristorbrücke gebildet sein kann. Der Stromrichter SR 3 ist mit einer aus vier dreiphasigen Asynchronmaschinen bestehenden Last verbunden. Für die Last steht am Ausgang des Umrichters eine symmetrische, dreiphasige Wechselspannung R′ S′ T′ variabler Frequenz zur Verfügung. Referring to FIG. 1, a DC voltage intermediate circuit converter is located with its two line-side power converters SR 1, SR 2 on a three-phase network RST. The two line-side converters SR 1 , SR 2 are designed as three-phase bridge circuits, the converter SR 2, which is in operation during energy recovery from the converter into the grid RST, being connected to the grid via a regenerative transformer T 1 . The DC voltage intermediate circuit has a smoothing inductor L and a backup capacitor C , to which the intermediate circuit voltage U D is present. On the load side, the converter consists of a converter SR 3 , not shown in detail. B. can be formed from a free-wheeling diode bridge and a fully controlled, self-guided thyristor bridge. The SR 3 converter is connected to a load consisting of four three-phase asynchronous machines. A symmetrical, three-phase AC voltage R ′ S ′ T ′ variable frequency is available for the load at the output of the converter.
Der Eingangsstrom für den Umrichter ist mit I E , der Zwischenkreisstrom bei motorischen Betrieb der Last (Betrieb des netzseitigen Stromrichters SR 1) ist mit I DMot und der Strom für generatorischen Betrieb der Last (SR 2) in Betrieb) ist mit I DGen bezeichnet.The input current for the converter is I E , the DC link current for motor operation of the load (operation of the line-side converter SR 1 ) is I DMot and the current for generator operation of the load ( SR 2 ) is operational with I DGen .
Die Frequenzregelung des Umrichters ist aus dem Signalflußplan (Fig. 1, unten) zu erkennen. Die Führungsgröße für die Frequenz der eingangsseitigen Stromrichter SR 1, SR 2 des Umrichters wird von einem Potentiometer 1 über einen Steilheitsbegrenzer 2, der zu schnelle Frequenzänderungen bei der Führungsgröße vermeidet, einem Frequenzregler 4 zugeführt. Als Regelgröße dient dem Frequenzregler 4 eine der Zwischenkreisspannung U D und damit der Frequnez der netzseitigen Stromrichter SR 1, SR 2 proportionale Größe. Die Ausgangsspannung des Frequenzreglers 4 bildet die auf einen Maximalwert (Stromgrenze) begrenzte Stromführungsgröße für einen unterlagerten Stromregler 5, der über einen Steuersatz 6 die netzseitigen Stromrichter SR 1 bzw. SR 2 aussteuert. Als Regelgröße dient dem Stromregler 5 eine dem Eingangsstrom I E des Umrichters proportionale Signalspannung X IE .The frequency control of the converter can be seen from the signal flow chart ( Fig. 1, below). The reference variable for the frequency of the converter SR 1 , SR 2 on the input side of the converter is supplied to a frequency controller 4 by a potentiometer 1 via a slope limiter 2 , which avoids rapid changes in the frequency of the reference variable. The frequency controller 4 uses a variable proportional to the intermediate circuit voltage U D and thus the frequency of the line-side converters SR 1 , SR 2 as the controlled variable. The output voltage of the frequency regulator 4 forms the current control variable, limited to a maximum value (current limit), for a subordinate current regulator 5 , which controls the line-side converters SR 1 and SR 2 via a control set 6 . The current regulator 5 uses a signal voltage X IE that is proportional to the input current I E of the converter as the controlled variable.
Mit dem Umrichter läßt sich ein geführter Bremsvorgang realisieren, bei dem durch Verringerung der Ständerfrequenz der die Last darstellenden Motoren stetig gebremst wird, so daß die Bremsenergie über den Umrichter durch Betrieb des netzseitigen Stromrichters SR 2 und den Rückspeisetransformator T 1 in das Netz RST zurückgeliefert wird. Dabei wird zunächst die Bremsenergie von der Last über den Stromrichter SR 3 in den Zwischenkreiskondensator C abgegeben. Dies führt zu einer Spannungserhöhung, so daß sich die Polarität des Ausgangssignals des Frequenzreglers 4 ändert. Die Polaritätsänderung wird zusammen mit der Richtungsänderung des Eingangsstromes I E des Umrichters von einer Umschaltautomatik 8 erfaßt und zu einem Befehl an eine Impulsumschaltung 7 ausgewertet, die die Ansteuersignale des Steuersatzes 6 vom Stromrichter SR 1 auf den Stromrichter SR 2 umschaltet. Damit kann dann der Stromrichter SR 2 die überschüssige Energie des Zwischenkreiskondensators im Wechselrichterbetrieb ins Netz zurückführen.The converter can be used to implement a guided braking process in which the stator frequency of the motors representing the load is continuously braked so that the braking energy is returned to the network RST via the converter by operating the line-side converter SR 2 and the regenerative transformer T 1 . First, the braking energy is released from the load into the intermediate circuit capacitor C via the converter SR 3 . This leads to a voltage increase, so that the polarity of the output signal of the frequency regulator 4 changes. The change in polarity is detected together with the change in direction of the input current I E of the converter by an automatic switch 8 and evaluated for a command to a pulse switch 7 , which switches the control signals of the control set 6 from the converter SR 1 to the converter SR 2 . The SR 2 converter can then return the excess energy of the intermediate circuit capacitor to the grid in inverter operation.
Lediglich angedeutet ist die Steuerung für den ausgangsseitigen Stromrichter SR 3, da sie in diesem Zusammenhang uninteressant ist. Die Ausgangsspannung des Steilheitsbegrenzers 2 wird nämlich einer Einheit 9 zugeführt, die einen Spannungs-Frequenz-Umsetzer aufweist, in dem das Eingangssignal in eine einphasige proportionale Pulsfolge mit sechsfacher Frequenz des gewünschten Drehstromsystems umgewandelt wird. Das so erzeugte einphasige Signal wird dann in einem ebenfalls in der Einrichtung 9 vorhandenen Ringzähler in sechs 180°-Signale untersetzt, die um jeweils 60° gegeneinander verschoben sind. Diese 180°-Signale steuern den Stromrichter SR 3 derart an, daß am Ausgang die symmetrische dreiphasige Wechselspannung R′ S′ T′ für die Last entsteht.The control for the output-side converter SR 3 is only indicated, since it is of no interest in this context. The output voltage of the steepness limiter 2 is namely supplied to a unit 9 which has a voltage-frequency converter in which the input signal is converted into a single-phase proportional pulse train with six times the frequency of the desired three-phase system. The single-phase signal generated in this way is then converted into six 180 ° signals in a ring counter which is also present in the device 9 and which are shifted by 60 ° relative to one another. These 180 ° signals control the converter SR 3 in such a way that the symmetrical three-phase AC voltage R 'S' T ' for the load is produced at the output.
Als Stromregler 6 kann in dieser in Fig. 1 gezeigten bekannten Schaltung ein Regler mit PI-P-Verhalten eingesetzt werden. Ein derartiger Stromregler ist in Fig. 2 mit N 1 bezeichnet. Dieser ist mit einem Widerstand R 1 und einem Kondensator C 1 beschaltet. Dem Regler N 1 ist eingangsseitig die Regelabweichung der dem Eingangsstrom des Umrichters proportionalen Größe X IE von der durch den Frequenzregler 4 vorgegebenen Führungsgröße W IE zugeführt. Bei einem Richtungswechsel des Zwischenkreisstromes, z. B. von I DMot auf I DGen , nämlich von motorischen auf generatorischen Betrieb der Last, bleibt die Spannung des Beschaltungskondensators C 1 des Reglers N 1 gespeichert. Wird nun der Regelkreis dadurch unterbrochen, daß eine (nicht gezeigte) Stromscheitelwertsbegrenzung eingreift und damit die Stromführungsgröße -W IE größer wird als die Stromregelgröße +X IE so kann das vom Stromregler 5 abgegebene Signal U eST zur Ansteuerung der Stromrichterventile des im Betrieb befindlichen netzseitigen Stromrichters SR 1 bzw. SR 2 völlig falsch zur tatsächlichen Zwischenkreisspannung U D stehen. Damit würden völlig undefinierte Ströme aus dem Netz RST entnommen und der Zwischenkreiskondensator C würde unkontrolliert aufgeladen werden.In this known circuit shown in FIG. 1, a controller with PI-P behavior can be used as the current controller 6 . Such a current regulator is designated N 1 in FIG. 2. This is connected to a resistor R 1 and a capacitor C 1 . On the input side, the controller N 1 is supplied with the control deviation of the variable X IE, which is proportional to the input current of the converter, from the reference variable W IE specified by the frequency controller 4 . When changing the direction of the intermediate circuit current, for. B. from I DMot to I DGen , namely from motor to generator operation of the load, the voltage of the wiring capacitor C 1 of the regulator N 1 remains stored. If the control circuit is now interrupted by a current peak value limitation (not shown) intervening and the current control variable - W IE becoming greater than the current control variable + X IE , the signal U eST emitted by the current controller 5 can be used to control the converter valves of the line-side converter in operation SR 1 or SR 2 are completely wrong with the actual DC link voltage U D. This would remove completely undefined currents from the network RST and the intermediate circuit capacitor C would be charged in an uncontrolled manner.
Um dieses zu vermeiden geht die Erfindung davon aus, daß der eigentliche PI-Regler N 1 nur bei Übergangszuständen arbeitet, d. h. im ausgeregelten Zustand liegt die Ausgangsspannung des Reglers am Punkt A auf 0 V. Dem Ausgangssignal des Stromreglers N 1 wird eine der Zwischenkreisspannung U D proportionale Größe aufgeschaltet. Dies geschieht mittels eines Dividierers N 10, dessen Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Netzspannung normiert wird. Eingangsseitig wird also dem Dividierer N 10 als Dividend eine der Zwischenkreisspannung proportionale Größe X UD und als Divisor eine der Netzspannung proportionale Größe U NETZ zugeführt. To avoid this, the invention assumes that the actual PI controller N 1 only works in transitional states, ie in the regulated state the output voltage of the controller at point A is 0 V. A variable proportional to the intermediate circuit voltage U D is applied to the output signal of the current regulator N 1 . This is done by means of a divider N 10 , the output voltage of which is standardized as a function of the mains voltage. On the input side, the divider N 10 is supplied as a dividend with a variable X UD proportional to the intermediate circuit voltage and as a divisor with a variable proportional to the mains voltage U NETZ .
Da der zusätzliche Rückspeisetransformator T 1 für den Stromrichter SR 2 die Eingangsspannung anhebt, wird die Netzspannung bei der Betriebsart "generatorisch" dadurch korrigiert, daß ein Schalter D 1 einen dem Eingang des Dividierers N 10 vorgeschalteten ohmschen Widerstand R 2 kurzschließt.Since the additional regenerative transformer T 1 raises the input voltage for the converter SR 2 , the mains voltage is corrected in the "generator" operating mode in that a switch D 1 short-circuits an ohmic resistor R 2 connected upstream of the input of the divider N 10 .
Zusätzlich ist der Ausgang A des Stromreglers N 1 mit einem Verstärker N 11 verbunden, dem eingangsseitig eine dem Eingangsstrom I E des Umrichters proportionale Größe X IE in Abhängigkeit davon zugeführt ist, ob ein generatorischer oder ein motorischer Betrieb der Last erfolgt. Dementsprechend wird der Betrag der dem Eingangsstrom proportionale Größe X IE bei motorischem Betrieb über einen Schalter D 3 dem normalen Eingang des Verstärkers N 11 zugeführt bzw. bei generatorischem Betrieb über einen Schalter D 2 dem invertierenden Eingang des Verstärkers N 11 eingegeben. Auf diese Weise wird das Ausgangssignal des Stromreglers N 1 zusätzlich um die Spannungsabfälle an der Zwischenkreisdrossel L in Abhängigkeit von der Stromrichtung des Zwischenkreisstromes I D korrigiert.In addition, the output A of the current regulator N 1 is connected to an amplifier N 11 , to the input side of which a variable X IE , which is proportional to the input current I E of the converter, is supplied, depending on whether the load is being operated as a generator or as a motor. Accordingly, the amount of the variable X IE proportional to the input current is fed to the normal input of the amplifier N 11 in the case of motor operation via a switch D 3 or is input to the inverting input of the amplifier N 11 in the case of generator operation using a switch D 2 . In this way, the output signal of the current regulator N 1 is additionally corrected for the voltage drops at the intermediate circuit choke L as a function of the current direction of the intermediate circuit current I D.
Das von der Zwischenkreisspannung nachgeführte und zusätzlich über den Verstärker N 11 für die Spannungsabfälle an der Zwischenkreisdrossel korrigierte Ausgangssignal des Stromreglers N 1 wird gemäß Fig. 2 über ein arc sin-Kennlinien-Glied N 2 linearisiert und über einen Verstärker N 3 als Steuerspannung U eST dem Steuersatz 6 zur Ansteuerung eines der Stromrichter SR 1 bzw. SR 2 zugeführt. Der Zwischenkreiskondensator C wird damit gezielt bei allen Betriebspunkten an der vorgegebenen Stromgrenze aufgeladen.The output signal of the current regulator N 1 , which is tracked by the intermediate circuit voltage and additionally corrected via the amplifier N 11 for the voltage drops at the intermediate circuit choke, is linearized according to FIG. 2 via an arc sin characteristic element N 2 and via an amplifier N 3 as control voltage U eST the control rate 6 for controlling one of the converters SR 1 and SR 2 supplied. The intermediate circuit capacitor C is thus specifically charged at all operating points at the predetermined current limit.
Claims (7)
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