DE4007350C2

DE4007350C2 - Steuerbarer Gleichrichter

Info

Publication number: DE4007350C2
Application number: DE4007350A
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Nakata; Akira Kimura; Youji Takahashi; Yoshio Tsutsui; Kiyoshi Nakamura; Atsushi Abe
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-03-08
Filing date: 1990-03-08
Publication date: 1997-08-14
Anticipated expiration: 2010-03-09
Also published as: CA2011563C; CA2011563A1; US5177677A; DE4007350A1

Description

Die Erfindung betrifft einen steuerbaren Gleichrichter gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2. Ein derartiger Gleichrichter ist aus der EP 0 237 012 A2 bekannt. Die Erfin dung betrifft insbesondere einen steuerbaren Gleichrichter, der sich zur Umwandlung einer Ausgangswechselspannung eines Umrichters oder eines Wechselstromgenerators für einen kon taktlosen Stromabnehmer, der bei einer Magnetschwebebahn, einem Kraftfahrzeug oder bei der Windkrafterzeugung verwen det wird, in eine Gleichspannung eignet.

Ein Stromversorgungssystem zur Erzeugung einer Gleichspan nung aus einer Wechselspannungsquelle variabler Frequenz und variabler Spannung unter Anwendung eines Stromrichters ist vielseitig anwendbar, z. B. für den Batterielader von Kraft fahrzeugen. Eine Anwendungsmöglichkeit für ein solches System als bordeigene Stromversorgung für eine Magnetschwe bebahn ist zu erwarten.

Kontaktlose Stromabnehmer für bisher bekannte Magnetschwebe bahnen sind in verschiedenen Schriften angegeben, z. B. "The Institute of Electrical Engineers of Japan Journal Division B", Bd. 101, Nr. 1 (1981), S. 33-40, "The Journal of 20th National Symposium for Cybernetic Utilization in Railways", 1983, S. 549-553.

Das in IEEJ Journal, Division B, Bd. 101, Nr. 1 (1981), S. 33-40, angegebene System dient der Gleichrichtung einer Wechselspannung, die in einer Stromabnehmerwicklung erzeugt wird, durch einen Zweiweg-Diodengleichrichterkreis, um einem Verbraucher Leistung zuzuführen, und weist keine Funktion zur Regelung der Ausgangsgleichspannung auf.

Das im Journal of the 20th National Symposium for Cybernetic Utilization in Railways, 1983, S. 549-553, gezeigte System dagegen hat zusätzlich zu den im vorgenannten System vorhan denen Bauelementen einen Gleichstromstellkreis (Zusatzver stärker), um die Funktion der Regelung der Ausgangsgleich spannung vorzusehen.

Das in JP-A-61-121 773 angegebene System umfaßt einen Strom umrichter mit einer selbstlöschenden Schaltvorrichtung zur Dämpfung des Ausgangsspannungsabfalls infolge des Blindwi derstands auf der Wechselstromseite, um eine größere Ener giemenge liefern zu können.

Bei der Erzeugung einer Gleichspannung von einem Wechsel stromgenerator, wie etwa in einem Kraftfahrzeug, wird bisher ein System mit einem Diodengleichrichterkreis gemeinsam mit einem Wechselstromgenerator verwendet, der die Funktion hat, den Feldstrom zur Regelung der Ausgangsgleichspannung zu steuern, wie es in "The Car Electronics Subsystem", Fig. 3, S. 146, von Chunichi Co., beschrieben ist.

Bei einer Dreiphasenstromversorgung, die einen Innenwider stand (Induktivität L und Widerstand R) hat und in bezug auf variable Frequenz und variable Spannung symmetrisch ist, sei angenommen, daß die jeweilige Phasenspannung (nachstehend als "Quellenspannung" bezeichnet) E_uo = E_vo = E_wo = E_o, der Phasenstrom (nachstehend als "Starkstrom" bezeichnet) I_u = I_v = I_w = I und der Phasenverschiebungswinkel = Φ. Wenn man die hohen Oberwellen der Spannung und des Stroms und die Umrichterverluste ignoriert, ist die von der Stromversorgung P zur Verfügung gestellte Leistung P durch die folgende Gleichung ausgedrückt:

P = 3(E_o · IcosΦ - RI²) (1).

Wie aus der Gleichung ersichtlich ist, wird die Leistung P maximal, wenn den nachstehenden Gleichungen genügt ist:

CosΦ = 1 (2)

I = E_o/2R = I₁ (3).

Auch wenn ein höherer als dieser Quellenstrom geliefert wird, erhöht sich die Leistung nicht, sondern nimmt eher ab. Dabei ist die von der Stromversorgung zur Verfügung gestell te maximale Leistung P_max gegeben durch:

P_max = 3E_o²/4R (4).

Der Quellenstrom andererseits hat einen zulässigen Maximal wert, der durch die Quellenkapazität od. dgl. bestimmt ist. Wenn der zulässige Maximalwert I_max ist, dann gilt die fol gende Beziehung aus der Gleichung (3):

I = E_o/2R I_max,
E_o 2RI_max (5).

In diesem Bereich muß der Quellenstrom unter I_max begrenzt sein. Unter dieser Bedingung ergibt sich die an der Strom versorgung verfügbare maximale Leistung P_max zu:

P_max =3 (E_oI_max - RI_max²) (6).

Es ist also nach Maßgabe der Quellenspannung möglich, die durch die Gleichungen (4) und (6) definierte Leistung an der Stromversorgung zu erzeugen.

Bei einem Gleichrichterkreis, der eine nicht selbstlöschende Schaltvorrichtung wie etwa eine Diode oder einen Thyristor aufweist, bewirkt der in der Wechselstromversorgungsseite vorhandene Blindwiderstand eine Überlappung der Stromwendung zum Kommutierungszeitpunkt der Vorrichtung. Durch diese Er scheinung wird der Leistungsfaktor der Stromversorgung glei chermaßen verringert. Mit zunehmendem Laststrom wird diese Überlappung der Stromwendungsvorgänge weiter verstärkt, so daß die Gleichspannung abnimmt, was es unmöglich macht, in wirksamer Weise Strom zuzuführen.

Wenn der Kommutierungs-Überlappungswinkel z. B. in einem aus Dioden aufgebauten Zweiweg-Drehstromgleichrichterkreis klei ner als 60° ist, ergibt sich die Ausgangsgleichspannung E_d durch die folgende Gleichung, wenn man annimmt, daß der Gleichstrom vollständig geglättet ist:

E_d = E_do - (3/π) ω LI_d (7)

wobei E_do eine Leerlaufgleichspannung, ω eine Stromversor gungs-Winkelfrequenz, L eine Induktivität einer Wechsel spannungsquelle und I_d ein Gleichstrom ist.

In der Gleichung (7) bezeichnet der zweite Term auf der rechten Seite einen Spannungsabfall, der aus der Kommutie rungsüberlappung resultiert. Dieser Spannungsabfall nimmt proportional zum Gleichstrom und zur Netzfrequenz zu. Aus der Beziehung der Gleichung (7) wird die Umwandlungsleistung P_d wie folgt bestimmt:

P_d = E_dI_d = E_doI_d - (3/π) ω LI_d² (8).

Es ist ersichtlich, daß die Erscheinung der Kommutierungs- Überlappung die Umwandlungsleistung P_d um einen Betrag ver ringert, der gleich dem rechten Term auf der rechten Seite in der obigen Gleichung ist. Insbesondere im Bereich einer hohen Quellenfrequenz, in dem der Blindwiderstand groß ist, kann aus der Stromversorgung nicht in effektiver Weise Leistung entnommen werden.

Auch kann im Bereich einer niedrigen Quellenspannung, in dem die Ausgangsgleichspannung ebenfalls niedrig ist, Strom erst geliefert werden, wenn die Ausgangsgleichspannung die Batteriespannung erreicht, so daß die Batterie nicht geladen wird. Inzwischen wird dem Verbraucher Strom nur von der Bat terie zugeführt, wodurch die Belastung der Batterie erhöht wird. Wenn ein vorbestimmter Pegel der Ausgangsgleichspan nung aufrechterhalten werden soll, ist eine gesonderte Ver stärkervorrichtung od. dgl. erforderlich.

Dagegen zeigt JP-A-61-121 773 ein System, das den Abfall der Ausgangsleistung dadurch verringern soll, daß die Kommutie rungs-Überlappung weitgehend verringert wird. Auch dieses System kann jedoch die Kommutierungs-Überlappung nicht voll ständig beseitigen, und ein vorbestimmter Wert der Ausgangs gleichspannung dieses Systems kann nur in einem begrenzten Quellenspannungsbereich aufrechterhalten werden, wie dies auch bei dem vorgenannten Diodengleichrichterkreis der Fall ist.

Wenn als Leistungswandler ein Spannungsumsetzer mit Puls breitenmodulation (kurz: PDM-Spannungsumsetzer) mit einer einen Leistungstransistor aufweisenden Selbstlöschvorrich tung verwendet wird, verhindert die positive Nutzung des Blindwiderstands auf der Wechselstromzuführseite die Kom mutierungs-Überlappung. Die konventionellen Regelverfahren berücksichtigen jedoch den Betrieb mit niedriger Quellen spannung nicht, so daß der Versuch, von einer Stromversor gung einen Strom abzunehmen, der den durch die Gleichung (3) angegebenen Stromwert weit übersteigt, zu einer unerwünsch ten Leistungsverminderung innerhalb eines zulässigen Maxi malwerts des Quellenstroms führt. Im Bereich einer hohen Quellenspannung dagegen begrenzt ein Maximalwert der Ein gangswechselspannung eines PDM-Umsetzers, der primär durch die Gleichspannung bestimmt ist, den Bereich der Quellen spannung, in dem der PDM-Umsetzer betriebsfähig ist. Das in der EP 0 237 012 A2 entspricht JP-A-62-210 866) angegebene Sy stem löst diese Probleme. Wenn bei diesem bekannten System die Quellenspannung auf einen Pegel steigt, bei dem sich die Eingangsspannung einem Maximalwert nähert, wird eine interne Regelgröße, die der Eingangsspannung zugeordnet ist, nach Maßgabe der Differenz zwischen dem Maximalwert und der Ein gangsspannung korrigiert, um zu verhindern, daß die Ein gangsspannung den Maximalwert übersteigt, was einen fort gesetzten Betrieb ermöglicht. Bei diesem System, bei dem die Eingangsspannung durch eine komplexe Regelschleife unter den Maximalwert begrenzt wird, tritt das Problem auf, wie eine stabile Regelcharakteristik sichergestellt werden kann. In diesem System werden Realteil und Imaginärteil der zu er zeugenden Spannung getrennt gesteuert und jeweils durch Begrenzer so begrenzt, daß die zulässigen Stromgrenzen für Leistungshalbleiterbauteile, wie beispielsweise GTO-Thy ristoren, nicht überschritten werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines steuer baren Gleichrichters, der die Lieferung einer maximalen Leistung in Teilbereichen des gesamten Betriebsbereichs einer Wechselstromversorgung mit variabler Frequenz und variabler Spannung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 und 2 gelöst. Abhängige Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die allgemeine Auslegung eines Leistungswandlungs systems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfin dung;

Fig. 2 ein Diagramm, das die Auslegung eines Batterie stromsteuerkreises zeigt;

Fig. 3 eine andere Auslegung des Batteriestromregelkreises;

Fig. 4 die Auslegung eines Spannungsbegrenzerkreises im Batteriestromregelkreis nach Fig. 3;

Fig. 5 die Auslegung des zweiten Begrenzers nach Fig. 1;

Fig. 6 ein Diagramm, das ein Ersatzschaltbild der Wech selstromversorgungsseite eines Hauptstromkreises zeigt;

Fig. 7 ein Vektordiagramm zur Erläuterung des Betriebs der Schaltung von Fig. 6;

Fig. 8 ein Diagramm, das eine Betriebscharakteristik des Systems von Fig. 1 zeigt;

Fig. 9, 10 und 11 Vektordiagramme zur Erläuterung des Betriebs gemäß Fig. 8;

Fig. 12 die Auslegung eines anderen Ausführungsbeispiels eines Phasenwinkelregelkreises 65 aus Fig. 1;

Fig. 13 ein Vektordiagramm zur Erläuterung des Betriebs von Fig. 12;

Fig. 14 die Auslegung einer Anordnung zum Schätzen einer Quellenspannung;

Fig. 15 die Auslegung eines weiteren Ausführungsbeispiels des Stromreglers 64 nach Fig. 1;

Fig. 16 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Netz frequenz und dem Verstärkungsfaktor des Systems von Fig. 15 zeigt; und

Fig. 17 eine Schaltungsauslegung des ersten Begrenzers 63 aus Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein Leistungswandlungssystem zwischen eine Drehstromversorgung 1 und einen Verbraucher 3 geschaltet. Die Drehstromversorgung umfaßt einen Innenwiderstand aus einer Induktivität und einem Widerstand zur Erzeugung einer Dreiphasenspannung mit variabler Frequenz und variabler Spannung. Ein Ausgangskreis einer bordeigenen Stromversor gung einer Magnetschwebebahn (kontaktloses Stromabnehmer system), ein Wechselstromerzeugungssystem für ein Kraft fahrzeug oder ein Umrichter sind Beispiele einer solchen Drehstromversorgung variabler Frequenz und variabler Span nung.

Die Ausgangsseite der Drehstromversorgung 1 ist an einen PDM-Stromumrichter 2 angeschlossen, der mehrere Schaltvor richtungen aus Transistoren aufweist, die beliebige selbst löschenden Schaltvorrichtungen wie abschaltbare bzw. GTO- Thyristoren und Dioden sein können. Jeder Transistor unter liegt einem Schaltvorgang aufgrund eines Impulssignals zur Umrichtung eines Wechselstroms in einen Gleichstrom. Die Ausgangsseite dieses Stromrichters 2 ist an einen Filter kreis angeschlossen mit einem Filterkondensator 51, einer als Filter wirkenden Reaktanzspule 52 und einer Rückstrom blockierdiode 7, die kathodenseitig mit einer Batterie 4 parallel zum Verbrauer geschaltet ist. Dabei wird insbeson dere die Ausgangsspannung des Stromrichters 2 von dem Fil terkreis geglättet, und die so geglättete Gleichspannung wird der Batterie 4 und dem Verbraucher 3 zugeführt. Nach stehend wird unabhängig von der Auslegung des oben genannten Hauptstromkreises eine Regelschaltung beschrieben.

Die Regelschaltung hat einen Batterieladestromregler bzw. einen Batteriestromregelkreis 60, einen Ausgangsgleichspan nungsregler bzw. Spannungsstellkreis 62, einen ersten Be grenzer 63, einen Eingangswechselstromregler bzw. Strom stellkreis 64, einen Phasenwinkelregelkreis 65, einen zwei ten Begrenzer 66, einen Pulsdauermodulationskreis 67 und Stromaufnehmer 68, 69.

Der Batteriestromregelkreis 60 erstellt die Gleichspannungsführungsgröße E_d* so, daß der Batteriestrom I_b einen vorbe stimmten Wert erreichen kann, um den Batteriestrom immer unter einem Nennladestrom zu halten. Ein Schaltkreis mit dieser Funktion ist in Fig. 2 gezeigt. Wenn der Batterie strom i_b in positiver Richtung größer ist, wenn die Batterie geladen wird, wird die Gleichspannungsführungsgröße E_d* ver ringert. Ein großer Batteriestrom i_b in positiver Richtung wird durch eine große Stromzuführung von der Drehstromver sorgung 1 bewirkt. Wenn die Gleichspannung e_d in einem solchen Fall belassen wird, wie sie ist, so wird der Bat teriestrom i_b übermäßig hoch, wodurch die Standzeit der Batterie 4 verkürzt wird. Wenn der Batteriestrom i_b in ne gativer Richtung groß ist, bezeichnet dies dagegen eine zu geringe Stromzufuhr von der Drehstromversorgung 1, und in diesem Fall wird die maximale von der Drehstromversorgung 1 lieferbare Leistung benötigt, indem die Gleichspannungs führungsgröße E_d* vergrößert wird.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform des Batteriestrom regelkreises 60.

Der Batteriestromregelkreis 60 hat einen Stromdetektor 601 zur Umwandlung eines Ausgangssignals des Stromaufnehmers 69 in einen Mittelwert des Batteriestroms i_b, einen Addierer 603 zur Bildung eines Signals entsprechend der Differenz zwischen dem Batteriestrom i_b und der Batteriestromführungs größe i_b*, die den Maximalwert des Batterieladestroms als Sollzustandsgröße der Batterie 4 bezeichnet, und einen Stromregler 602 zur Bildung einer Gleichspannungsführungs größe E_do* zur Regelung des Ausgangssignals des Addierers 603 auf Null. Die Größe E_do* wird dem Spannungsbegrenzungs kreis 604 zugeführt.

Der Spannungsbegrenzungskreis 604 (Fig. 4) ist so ausgelegt, daß er die Gleichspannungsführungsgröße E_d* bildet, die die auf einen vorbestimmten Wert begrenzte Gleichspannungsgröße E_do* ist. Mit anderen Worten ist der Spannungsbegrenzungs kreis 604 als ein Element zur Begrenzung der Stellgröße E_do* innerhalb eines vorbestimmten Bereichs vorgesehen.

Der Batteriestromregelkreis 60, der die vorgenannten Bauele mente enthält, erlaubt ein ordnungsgemäßes Laden der Batte rie 4 innerhalb eines richtigen Bereichs des Nenn-Lade stroms, wodurch verhindert wird, daß die Batterie durch einen übermäßigen Ladestrom verschlechtert wird. Ferner kann die Batterie einen eventuell auftretenden Leistungsmangel in solchen Fällen ausgleichen durch Lieferung einer niedrigen Quellenspannung.

Wenn dem Verbraucher 3 einfach ohne jede Batterie 4 Strom zugeführt wird, kann der Batteriestromregelkreis 60 entfal len.

Der Spannungsstellkreis 62 hat einen Spannungsdetektor 621 zur Erzeugung einer Spannung am Filterkondensator 51 als Ausgangsspannung E_d des Stromrichters 2, einen Addierer 623 zur Bildung eines Signals entsprechend der Differenz zwi schen der Gleichspannungsführungsgröße E_d* und der Gleich spannung E_d und einen Spannungsregler 622 zur Bildung einer Eingangsstromführungsgröße I_o* mit einem Integrationselement zur Dämpfung des Ausgangssignals des Addierers 623 auf Null. Die Führungsgröße I_o* wird dem ersten Begrenzer 63 zuge führt, dem außerdem ein Signal von einem Spannungsdetektor 631 zugeführt wird zur Umwandlung der Ausgangsspannung der Drehstromversorgung 1 in eine Spannung E_uo eines bestimmten Effektivwerts. Der erste Begrenzer 63 wirkt, wie Fig. 17 zeigt, zur Begrenzung der Eingangsstromführungsgröße I_o* entsprechend dem Eingangssignal bei einem einen Grenzwert I_m nicht überschreitenden Wert und erzeugt eine begrenzte Stromführungsgröße I_u*.

Der Stromstellkreis 64 hat einen Stromdetektor 641 zur Umwandlung des Ausgangsstroms des Stromtransformators 68 in einen Eingangsstrom I_u eines bestimmten Effektivwertes, einen Addierer 643 zur Bildung eines Signals entsprechend der Differenz zwischen dem Eingangsstrom I_u und der Strom führungsgröße I_u* und einem Stromregler 642 mit einem Inte grationselement zur Bildung einer Imaginärteilführungsgröße E_ui* als Ausgangsspannungsführungsgröße zur Dämpfung des Ausgangssignals des Addierers 643 auf Null.

Der Phasenwinkelregelkreis 65 hat einen Phasendetektor 651 zur Bildung eines Phasenwinkels Φ aus dem Quellenstrom i_u und der Quellenspannung e_uo, einen Addierer 653 zur Bildung eines Signals entsprechend der Differenz zwischen der Phasenwinkelführungsgröße Φ* (normalerweise Null) und dem Phasenwinkel Φ und einem Phasenregler 652 mit einem Inte grationselement zur Bildung einer Realteilführungsgröße E_uro*, um eine Komponente der Eingangsspannung des Strom richters 2 mit der Quellenspannung phasengleich zu machen.

Der zweite Begrenzer 66 für den Realteil hat, wie Fig. 5 zeigt, einen Grenzwertbildungskreis 662 zur Bildung eines Grenzwerts E_umax entsprechend der Eingangsspannungs-Imagi närteilführungsgröße E_ui* und einen Begrenzungskreis 661 zur Begrenzung der Realteilführungsgröße E_uro* nach Maßgabe des Ausgangssignals des Grenzwertbildungskreises 662. Insbeson dere dient der zweite Begrenzer 66 der Begrenzung der Größe der Eingangsspannung des Stromrichters 2 unter den vorbe stimmten Wert E_umax nach Maßgabe der Eingangsspannungs-Imagi närteilführungsgröße E_ui*. Diese Grenzwerte sind in solcher Weise vorgegeben, daß die Realteilführungsgröße E_ur* der Eingangsspannung des Stromrichters 2 der folgenden Gleichung (9) genügt:

E_ur*² E_umax - E_ui* (9).

Nachdem die Beziehung E_uro* = E_urmax als Ergebnis der Opera tion erreicht ist, so daß der Gleichung (9) genügt ist, wird die Leistungswandlung durchgeführt, wobei die der umzuwan delnden Leistung zugeordnete Imaginärteilführungsgröße E_ui* der Eingangsspannung Priorität erhält. In diesem Fall ist der Betrieb mit maximalem Leistungsfaktor möglich, wodurch ein Stellsystem unter hochstabilen Bedingungen erhalten wird.

Der Pulsdauermodulationskreis 67 hat einen Koordinatenwandler 671 als Koordinatenumwandlungsmittel, der die Imaginär teilführungsgröße E_ui* und die Realteilführungsgröße E_ure einer Koordinatentransformation vom karthesischen ins polare Koordinatensystem unterwirft unter Bildung einer Amplituden führungsgröße E_u* und einer Phasenführungsgröße θ*, und einen Pulsdauergeberkreis 672 zur Bildung eines PDM-Signals nach Maßgabe der Amplitudenführungsgröße E_u* und der Phasen führungsgröße θ* und Lieferung des PDM-Signals als Basis signal an jeden Transistor des Stromrichters 2. Mit anderen Worten bildet der PDM-Kreis 672 zusammen mit dem ersten Be grenzer 66 und dem Phasenwinkelregelkreis 65 einen Pulssi gnalgeber.

Wenn man annimmt, daß die Eingangsspannung des Stromrichters 2 eine Wechselspannungsquelle bildet, wird der Wechselstrom kreis für eine bestimmte Phase des Stromrichters 2 durch die Ersatzschaltung von Fig. 6 ausgedrückt. In diesem Fall wer den die hohen Oberwellenanteile der Spannung und des Stroms und der Widerstand der Stromversorgung 1 ignoriert.

In Fig. 6 ist der Eingangsstrom I_u durch die folgende Glei chung (10) ausgedrückt:

wobei I_u bestimmt ist nach Maßgabe des Vektordiagramms von Fig. 7 und die Wirkkomponente I_ur sowie die Blindkomponente I_ui des Eingangsstroms I_u durch die Gleichungen (11) und (12) bestimmt sind.

wobei E_ur der Realteil (auf der Basis von E_uo) und E_ui der Eingangsspannungsimaginärteil (auf der Basis von E_uo) sind.

Aus der Gleichung (11) wird die Wirkkomponente I_ur durch den Eingangsspannungsimaginärteil E_ui bestimmt. Dagegen ist in Gleichung (12) die Blindkomponente I_ui vom Eingangsspan nungsrealteil E_ur abhängig. Infolgedessen kann durch Steuern des Stromumrichters 2 mit einem Vektorsteuerungssystem die Wandlungsleistung durch den Eingangsspannungsimaginärteil E_ui und der Leistungsfaktor durch den Eingangsspannungsreal teil E_ur jeweils unabhängig voneinander eingestellt werden. Wenn dabei ein Realteil E_ur gewählt wird, der der Beziehung E_ur-E_uo = 0 genügt, wird die Blindkomponente I_ui zu Null, und der Leistungsfaktor der Stromversorgung kann auf "1" gestellt werden.

Nachstehend wird der Betrieb eines Leistungswandlers als Anwendungsfall des genannten Vektorsteuersystems über den gesamten Spannungsbereich erläutert, wobei u. a. auf Fig. 8 Bezug genommen wird.

I. Bereich I, in dem die Ausgangsspannung der Wechsel stromversorgung 1 niedrig ist

In diesem Bereich, in dem die Quellenspannung und die Quel lenfrequenz niedrig sind, können der Leistungsfaktor "1" und die zugeführte Leistung ohne jede Einschränkung maximiert werden. Fig. 9 zeigt, daß weder der Strom I_u noch die Span nung E_u den Maximalwert erreichen, und die maximale Leistung kann innerhalb des Bereichs eines Vorgabewerts geliefert werden. In diesem Fall gibt der erste Begrenzer 63 einen Grenzwert I_m vor, um die Beziehung der Gleichung (3) in Übereinstimmung mit der vom Spannungsdetektor 631 aufgenom menen Quellenspannung E_uo zu halten. Auch ist die Stromfüh rungsgröße I_o* in solcher Weise begrenzt, daß der Grenzwert I_m nicht überschritten wird, und die Stromführungsgröße I_u* wird dem Stromstellkreis 64 zugeführt. Dabei verringert der Phasenwinkelregelkreis 65 die Phasenwinkelführungsgröße Φ* auf Null zur Regelung des Leistungsfaktors der Stromversor gung auf "1". Insbesondere wird, bis der Eingangsstrom den zulässigen Maximalwert der Drehstromversorgung 1 erreicht, die Leistungswandlungsregelung durchgeführt, um maximale Leistung innerhalb eines vorgegebenen Strombereichs zu er zeugen.

II. Bereich II, in dem die Quellenspannung unter einer Vor gabespannung liegt

In diesem Bereich erreicht der Strom einen Maximalstromwert, der primär durch die Stromversorgungskapazität bestimmt ist.

Fig. 10 zeigt, daß der Strom I_u einen zulässigen Maximal strom I_max erreicht, während die Spannung E_uo keinen zulässi gen Maximalwert erreicht. Infolgedessen ist der Betrieb mit dem Leistungsfaktor "1" und einem zulässigen Maximalstrom I_max des Stroms möglich. Wenn die von dem Verbraucher benö tigte Leistung gering ist, ist es natürlich nicht notwendig, mit dem maximal zulässigen Strom I_max zu arbeiten.

In diesem Fall gibt der erste Begrenzer 63 den Grenzwert I_m bei einem zulässigen Maximum des Quellenstroms vor, inner halb dessen der Phasenwinkelregelkreis 65 die Wandlung durchführt, um eine maximale Leistung mit einem Leistungs faktor "1" der Stromversorgung zu erreichen. Unter dieser Bedingung wird, wenn mehr gewandelte Leistung verfügbar ist als der Verbraucher 3 benötigt, die Batterie 4 von dieser gewandelten Leistung geladen. Wenn die gewandelte Leistung nicht die vom Verbraucher 3 verlangte Leistung erreicht, wird dagegen dem Verbraucher 3 Leistung von der Batterie 4 zugeführt.

III. Bereich III, in dem die Quellenfrequenz und -spannung so hoch sind, daß die Eingangsspannung des Stromrich ters 2 einen Vorgabewert übersteigt

In diesem Bereich hat der Strom _u einen Maximalwert er reicht, und die Quellenspannung _uo hat ebenfalls einen Ma ximalwert der Eingangswechselspannung des Umrichters 2, der primär durch die Gleichspannung bestimmt ist, überschritten. In Fig. 11 ist die Funktion der Regelung des Leistungsfak tors auf "1" unterdrückt, weil eine Aktivierung einer derar tigen Funktion die Vorrichtung beschädigen würde. Infolge dessen wird der Strom _u eingestellt und folgt dem zulässi gen Maximalstrom I_max und der Eingangsspannung _u entlang der Maximalspannung E_max.

Der Phasenwinkelregelkreis 65 liefert dem zweiten Begrenzer 66 eine solche Realteilführungsgröße E_uro* für die Eingangs spannung, daß der Leistungsfaktor "1" der Drehstromversor gung 1 erhalten wird. Ein Maximalwert des Realteils, der dem Imaginärteil E_ui* entspricht, wird im zweiten Begrenzer 66 bestimmt.

Die Realteilführungsgröße E_uro* der Eingangsspannung wird auf einen vorbestimmten Wert begrenzt, um die Größe der Ein gangsspannung unter einem vorbestimmten Wert zu halten, und Strom wird dem Verbraucher 3 innerhalb des Bereichs des zulässigen Maximalwerts des Quellenstroms zugeführt.

Wenn die Spannungsführungsgröße E_uro* auf einen vorbestimmten Wert begrenzt ist, werden auf diese Weise der Leistungsfak tor und die Leistung vom Imaginärteil E_ui geregelt, so daß es möglich ist, die Leistung auf eine Höchstgrenze zu er höhen, und zwar auch dann, wenn der Leistungsfaktor der Stromversorgung absinkt, indem der Imaginärteil E_ui erhöht und E_u auf derselben Größe gehalten wird.

Insbesondere ist im Bereich I niedriger Quellenspannung der Eingangsstrom des Stromrichters in einer Weise begrenzt, daß der vom Stromrichter erzeugte Strom maximiert wird, und ist ferner auf einen zulässigen Höchstwert der Stromversorgung od. dgl., der erreicht werden kann, begrenzt. Dagegen ist im Bereich III hoher Quellenspannung der mit der Quellenspan nung phasengleiche Anteil der Eingangsspannung begrenzt. Durch Begrenzung dieses Realteils wird bevorzugt der zur Quellenspannung, die der gewandelten Leistung zugeordnet ist, senkrechte Anteil der Stromrichtereingangsgröße gere gelt. Infolgedessen wird durch den gesamten Betriebsbereich der maximale am Stromrichter verfügbare Strom geliefert.

Gemäß dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel ist der Filterkondensator 51 oder die Filterdrosselspule 52 als Filterglied eingefügt, und dadurch wird die aufgrund der vom Stromrichter 2 einfließenden hohen Oberwellen auf die Batte rie 4 wirkende Belastung vermindert. Der Filterkondensator 51 dient hauptsächlich dem Zweck, den im Ausgang des Strom richters 2 enthaltenen hohen Oberwellenstrom zu verringern, und kann auch dazu dienen, die Gleichspannung in dem Fall zu unterhalten, in dem die Batterie 4 entfällt und der Verbrau cher 3 keine EMK hat.

Die Diode 7 kann ferner den Rückfluß des Stroms von der Batterie 4 in den Stromrichter 2 unterbinden und dadurch eine Entladung der Batterie 4 verhindern. Da die Gleich spannungsführungsgröße E_do* andererseits vom Spannungsbe grenzungskreis 604 innerhalb eines vorbestimmten Bereichs begrenzt wird, ist eine richtige Aufladung innerhalb eines Spannungsbereichs möglich, der von den Kennwerten der Bat terie 4 abhängig ist, so daß zu starkes Laden oder Entladen vermieden wird.

Wenn ferner der maximale Betriebsstrom des Stromrichters 2 vorher bestimmt wird, kann die Größe der Eingangsspannung auf einen vorbestimmten Wert begrenzt werden, indem die Realteilführungsgröße E_uro* der Eingangsspannung nach Maßgabe der Größe der Quellenspannung E_uo auf einen vorbestimmten Wert festgelegt wird. Wenn die Quellenspannung E_uo einen vorbestimmten Wert übersteigt, wird insbesondere die Real teilführungsgröße E_uro* der Eingangsspannung auf einen vorbe stimmten Wert E_urmax festgelegt. Wenn E_urmax in solcher Weise vorgegeben wird, daß die Beziehung der folgenden Gleichung

E_umax² E_ui*² + E_urmax² (13)

gegenüber der Imaginärteilführungsgröße E_ui* für jede Ein gangsspannung genügt, dann ist die Größe der Eingangsspan nung unter einen vorbestimmten Wert begrenzt. Dies führt zu einer erheblichen Vereinfachung des zweiten Begrenzers 66.

Es ist auch möglich, wie Fig. 12 zeigt, den Realteil der Eingangsspannung dadurch zu begrenzen, daß die Phasenwinkel führungsgröße Φ* nach Maßgabe der Quellenspannung geregelt wird. Da, wie Fig. 13 zeigt, der Realteil E_ur der Eingangs spannung für einen gegebenen Phasenwinkel Φ gegeben ist als

E_ur = E_uo + ω · LI_usinΦ (14)

kann dabei der Realteil der Eingangsspannung begrenzt wer den, indem die Phasenwinkelführungsgröße Φ* derart bestimmt wird, daß der Realteil E_ur der Eingangsspannung der Bezie hung der Gleichung (9) nach Maßgabe der Quellenspannung E_uo genügt. Daraus ergibt sich der Vorteil, daß das den Lei stungsfaktorregler 652 enthaltende Kompensationssystem ständig betrieben werden kann.

Im Gegensatz zu dem vorgenannten Ausführungsbeispiel, bei dem drei Phasen kollektiv durch Zweiphasenspannung und -strom geregelt werden, kann für jede Phase ein Eingangs spannungsstellkreis vorgesehen sein.

Das Meßsignal des Detektors 631 kann die Netzfrequenz sein, wenn eine bestimmte Beziehung zu ihr besteht. In einem sol chen Fall wird ein Spannungsfühler, etwa eine Geberspule, benötigt, wenn eine exakte Quellenspannung gewährleistet werden soll, ohne daß eine Beeinflussung durch die sich mit der Netzfrequenz ändernde Impedanz erfolgt. Wenn die Quel lenspannung der Netzfrequenz proportional ist, kann jedoch die Geberspule od. dgl. entfallen, soweit die Netzfrequenz detektiert und in eine Quellenspannung umgewandelt wird.

Ferner können Mittel zum Schätzen eines Meßsignals des Detektors 631 auf dem Quellenstrom und der Eingangsspannung des Stromrichters eingesetzt werden. Fig. 14 zeigt ein auf einen Detektor begrenztes Ausführungsbeispiel. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Quellenspannung mit dieser Schätzeinrichtung in der folgenden Weise geschätzt.

Die nachstehende Beziehungsgleichung gilt zwischen den Spannungen und Strömen verschiedener Teile.

e_uo + e_n = e_u + z_u i_u
e_vo + e_n = e_v + z_v i_v (15)
e_wo + e_n = e_w + z_w i_w.

Dabei ist e_vo die Quellenspannung, e_n die Spannung an einem Bezugspunkt, e_v die Eingangsspannung des Stromrichters, z_v der Wechselstromwiderstand, iv der Quellenstrom und v = u, v, w. Aus dieser Gleichung wird die Spannung e_n an einem Bezugspunkt mit abgeglichener Quellenspannung wie folgt geschrieben:

e_n = (e_u + e_v + e_w + z_u i_u + z_v i_v + z_w i_w)/3 (16).

Wenn also der Wechselstromwiderstand bekannt ist, kann die Quellenspannung durch Anwendung der Beziehungen der Glei chungen (15) und (16) geschätzt werden. Die Quellenspannung wird auf diese Weise mit hoher Genauigkeit ohne jeden Sensor zur Erfassung der Quellenspannung bestimmt.

Ferner kann das Meßsignal des Detektors 631 alternativ eine Fahrzeuggeschwindigkeit sein, wenn hierzu eine bestimmte Beziehung vorhanden ist. Solange die Quellenspannung haupt sächlich in bezug auf die Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt wird, kann ein Sensor od. dgl. zur Spannungsaufnahme entfal len. In einem solchen Fall kann es die einzige Funktion des Detektors 631 sein, die Fahrzeuggeschwindigkeit in eine Quellenspannung umzuwandeln.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 kann die Eingangs spannung des Umrichters durch Begrenzung der Streuspannung der Wechselstromversorgung begrenzt werden. Die Streuspan nung ist die Differenz zwischen der Quellenspannung und der Eingangsspannung des Umrichters, und daher ist der Eingangs strom durch Berechnungen bestimmbar, wenn die Netzfrequenz bekannt ist. In einem solchen Fall entfällt der Stromdetek torkreis.

Ferner kann bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 die Stromrichtereingangsspannung alternativ durch Begrenzung des Stromrichterausgangsstroms begrenzt werden. Insbesondere wird dabei der einen Stromrichterausgangsstrom liefernde Gleichstrom detektiert, und eine Eingangsspannungs- Imaginär teilführungsgröße wird nach Maßgabe der Differenz zwischen dem Gleichstrom und dem Wert der entsprechend der Quellen spannung begrenzten Gleichstromführungsgröße erstellt. Unge achtet der Anzahl Phasen der Stromversorgung kann nur ein einziger Stromdetektorkreis verwendet werden.

Wenn im übrigen bei dem vorgenannten Ausführungsbeispiel ein Ausgleichselement 644 zur Änderung der Gleichstromführungs größe auf einen der Winkelfrequenz der Wechselstromversor gung proportionalen Wert dem Ausgang des Stromreglers 642 nachgeschaltet ist, wie Fig. 15 zeigt, kann ein hochstabiles Stromstellsystem realisiert werden, das ungeachtet der Win kelfrequenz ω eine gleichbleibende Schleifenverstärkung aufrechterhält, wie Fig. 16 zeigt.

Wenn die Erfindung bei einem Wechselstromgenerator angewandt wird, der eine Stromversorgung mit einer Feldwicklung zur Spannungsregelung, etwa einen Batterielader eines Kraftfahr zeugs od. dgl. aufweist, kann ein Feldstromstellkreis ent fallen. Auch werden durch Verwendung eines Wechselstromgene rators mit einem keine Feldwicklung bzw. keinen Schleifring aufweisenden Dauermagneten die Größe und das Gewicht des Wechselstromgenerators reduziert.

Gemäß der Erfindung kann das Stromrichtsystem zur Gleich richtung einer Drehstromversorgung variabler Frequenz und variabler Spannung in eine Gleichstromversorgung so ausge legt werden, daß es über den gesamten Betriebsbereich einen maximalen an einem Stromrichter verfügbaren Strom liefert.

Zusätzlich wird bei dem Stromrichtsystem mit einer daran angeschlossenen Batterie gemäß der Erfindung die Eingangs spannung eines Stromrichters nach Maßgabe des zulässigen Stroms der Drehstromversorgung und des Ladezustands der Batterie geregelt, und daher wird die Batterie richtig aufgeladen, während gleichzeitig die Nutzung des Strom richters maximiert wird. Ferner wird eine Stromaufteilung zwischen dem Stromrichter und der Batterie optimiert.

Claims

1. Steuerbarer Gleichrichter (2) mit

- einer Regelung (62) seiner Ausgangsgleichspannung (e_d)
- einer unterlagerten Regelung (64) seines Eingangs wechselstroms (i_u), und
- einem ersten Begrenzer (63) für den Eingangswechsel strom-Sollwert (I_u*),
dadurch gekennzeichnet, daß der Grenzwert (im) des ersten Begrenzers (63) nach Maßgabe entweder der Spannung (E_uo) oder der Frequenz der Wechselstromquelle oder eines dazu äquivalenten Signals festgelegt wird.

2. Steuerbarer Gleichrichter (2) mit

- einer Regelung (62) seiner Ausgangsgleichspannung (e_d),
- einer unterlagerten Regelung (64) seines Eingangs wechselstroms (i_u),
- einem Phasenwinkelregelkreis (65) zur Erzeugung einer Stellgröße (E_uro*) für den Realteil der Eingangsspan nung, und
- einem zweiten Begrenzer (66) für die Stellgröße (E_ur* ) des Realteils, dadurch gekennzeichnet, daß der Grenzwert (E_urmax) des zweiten Begrenzers (66) nach Maßgabe des Imaginärteils (E_ui*) der Stellgröße der Eingangsspannung festgelegt wird.

3. Steuerbarer Gleichrichter nach Anspruch 2, mit

- einem ersten Begrenzer (63) für den Eingangswechsel strom-Sollwert,

dadurch gekennzeichnet, daß der Grenzwert (I_m) des ersten Begrenzers (63) nach Maßgabe entweder der Spannung (E_uo) oder der Frequenz der Wechselstromquelle oder eines dazu äquivalenten Signals festgelegt wird.

4. Steuerbarer Gleichrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch

- eine Batterie (4) an der Gleichstromausgangsseite des steuerbaren Gleichrichters, und
- eine der Ausgangsgleichspannungsregelung überlagerte Regelung (60) des Batterieladestroms (i_b).

5. Steuerbarer Gleichrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine zwischen dem steuerbaren Gleichrichter (2) und der Batterie (4) eingefügte Diode (7), die einen Stromrück fluß von der Batterie (4) blockiert.

6. Steuerbarer Gleichrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen zwischen den steuerbaren Gleichrichter (2) und den Verbraucher geschalteten Gleichstromfilterkreis (51, 52).

7. Steuerbarer Gleichrichter nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Begrenzer (63) der Grenzwert (Im) mit stei gender Spannung (Euo) der Wechselstromquelle steigt.

8. Steuerbarer Gleichrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im zweiten Begrenzer (66) der Grenzwert (Eurmax) mit steigendem Imaginärteil (Eui*) sinkt.