DE4216946A1 - Dreiphasenumrichter zur symmetrischen Speisung einer dreiphasigen Last und Verfahren zu seinem Betrieb - Google Patents
Dreiphasenumrichter zur symmetrischen Speisung einer dreiphasigen Last und Verfahren zu seinem BetriebInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Umrichter zur Speisung einer
dreiphasigen Last mit einem netzgespeisten Gleichrichter,
einem kapazitiven Zwischenkreis und einem
transistorisierten dreiphasigen Wechselrichter, an dessen
Ausgang drei Phasenspannungen U1, U2, U3 gebildet werden,
deren Amplituden und relativen Phasenlagen mittels einer
Pulsweitenmodulationssteuerung für die Transistoren des
Wechselrichters einstellbar sind sowie ein Verfahren zu
seinem Betrieb.
Ein Umrichter der eingangs genannten Art, wie er z. B. aus
"R. Lappe, H. Conrad, M. Kronberg, Leistungselektronik,
S. 299, Springer Verlag 1988" bekannt ist, stellt ein
Drehstromsystem zur Verfügung, bei dem im allgemeinen die
drei gleichen Phasenspannungen um 12° zueinander versetzt
sind. Die meisten, von solchen Stromrichtern gespeisten
Lasten sind symmetrisch, z. B. alle Elektromotoren. Die
vom Umrichter gespeiste dreiphasige Last kann aber im
allgemeinen auch unterschiedliche Impedanzen in den
einzelnen Phasen aufweisen. Dies führt dazu, daß die
einzelnen Phasenströme der Last ungleich sind sowohl im
Bezug auf ihre Amplitude als auch im Bezug auf ihre
relative Phasenlage. Eine solche Unsymmetrie ist für
bestimmte Anwendungen nicht wünschenswert, da sich
hierdurch einerseits die maximal verfügbare Leistung des
Stromrichters verringert und andererseits der geforderte
maximale Speisestrom nur in einer der drei Phasen
realisieren läßt. Ein Beispiel für einen solchen
Anwendungsfall, bei dem die Unsymmetrie der Impedanzen
der einzelnen Phasen der Last besonders extrem sein kann,
ist ein sogenannter Linearrührer, dessen Spulen die
dreiphasige Last eines Umrichters bilden.
Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrunde,
eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten
Art dahingehend weiterzuentwickeln, daß auch bei
unsymmetrischen Impedanzen der Last stets eine
symmetrische Stromverteilung der Phasenströme gegeben
ist.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs
genannten Art dadurch gelöst, daß für jeden Phasenstrom
(i1, i2, i3) jeweils ein Regler vorgesehen ist, wobei jedem
Regler derselbe Sollwert für den Betrag des Phasenstromes
zuführbar ist, wobei jeder Regelkreis ein Stellglied für
die Modulation der Amplitude der dem jeweiligen
Strangstrom (i1, i2, i3) zugeordneten Phasenspannung
(U1, U2, U3) aufweist und wobei die Phasenlagen der
Phasenspannungen durch die Pulsweitenmodulationssteuerung
jeweils 12° zueinander eingestellt sind.
Bei dem Verfahren der eingangs genannten Art wird diese
Aufgabe dadurch gelöst, daß jeder der Phasenströme durch
Stellen der Amplitude seiner zugehörigen Phasenspannung
auf den identischen Strombetrag geregelt wird, wobei die
Phasenlage der Phasenspannungen jeweils 12° zueinander
beträgt.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß zum einen
der Umrichter durch die Pulsweitenmodulation seiner
Transistoren so angesteuert wird, daß die Phasenlage der
Umrichterausgangsspannungen symmetrisch ist, so daß ein
phasen-symmetrisches Drehstromsystem zur Verfügung
gestellt bleibt. Andererseits wird die Amplitude jeder
einzelnen Phasenspannung so geregelt, daß der Strombetrag
in jeder Phase gleich ist, d. h. daß die Amplituden der
Phasenspannungen über die einzelnen Regelkreise
automatisch den unterschiedlichen Lastimpedanzen angepaßt
werden. Durch die zwangsweise Angleichung der Beträge der
drei Phasenströme wird erreicht, daß sie auch im Bezug
auf ihren Phasenwinkel jeweils 12° zueinander versetzt
sind. Dies wird dadurch erreicht, daß sich der
Mittelpunkt der Last im Zeigerdiagramm im Bezug auf den
Mittelpunkt des vom Umrichter zur Verfügung gestellten
Dreiphasensystems soweit verschiebt, bis die durch die
Regelkreise eingeprägten Bedingungen der
Strombetragsgleichheit erfüllt sind.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das
erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auf sämtliche
dreiphasige Lasten anwenden, sofern der Mittelpunkt der
Last im Zeigerdiagramm variabel ist. Dies ist für alle
Lasten in Dreieck-Schaltung und für Stern-Schaltungen mit
variablem Mittelpunkt erfüllt. Darüber hinaus ist die
erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße
Verfahren unabhängig von dem Drehsinn des
Drehstromsystemes.
Bevorzugte Verwendung findet die erfindungsgemäße
Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren bei
Magnetrührern, die entweder als Strangrührer,
Kokillenrührer oder Linearrührer ausgeführt sein können.
Insbesondere bei letzterem ist in der Regel eine starke
Unsymmetrie der Lastimpedanzen gegeben, so daß mit Hilfe
der Erfindung eine erhebliche Verbesserung der maximal
verfügbaren Leistung eines solchen Linearrührers erreicht
wird, da der maximale Strom in allen drei Phasen zur
Verfügung steht.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer ein
Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher
erläutert.
Dabei zeigen
Fig. 1 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen
Umrichters und
Fig. 2 ein Zeigerdiagramm zur Erläuterung der Funktion
der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, besteht der Umrichter aus
einem von einem Dreiphasennetz L1, L2, L3 gespeisten
Brückengleichrichter 1, der einen kapazitiven
Zwischenkreis 2 versorgt. An den kapazitiven
Zwischenkreis 2 angeschlossen ist ein Wechselrichter 3,
welcher ausgangsseitig ein Dreiphasensystem durch die
Phasenspannungen U1, U2, U3 bildet. Hierzu sind in den
Brückendiagonalen des Drehstromwechselrichters 3
steuerbare Halbleiterschalter, insbesondere Transistoren
oder IGBT-Transistoren vorgesehen, deren Steueranschlüsse
von einer Pulsweitenmodulationssteuereinheit 5
angesteuert werden.
Im nicht durchgesteuerten Zustand der einzelnen
Schaltelemente des Wechselrichters 3 können
Ausgleichströme durch die antiparallel zu den
Schaltelementen liegenden Freilaufdioden fließen. Der
Ausgang des Umrichters ist auf eine dreiphasige Last 4
geschaltet, an deren jeweiligen Impedanzen die
Leiterspannungen UL1, UL2, UL3 anliegen, und in die die
Phasenströme i1, i2, i3 fließen.
Mittels herkömmlicher bzw. Kompensations-Stromwandler
werden den jeweiligen Phasenströmen i1, i2, i3
entsprechende Signale vor den Lastimpedanzen abgegriffen
und auf Strom-Istwert-Erfassungseinrichtungen 6.1, 6.2, 6.3
geführt. Diese bilden jeweils die Istwert-Eingangsgrößen
dreier separater Regelkreise, deren jeweilige Regler
durch die Elemente 7.1, 7.2, 7.3 gebildet sind. Jeder der
Regler 7.1, 7.2, 7.3 arbeitet auf ein Stellglied
8.1, 8.2, 8.3. Mittels der Stellglieder 8.1, 8.2, 8.3 werden
in der Pulsweitenmodulationssteuereinrichtung 5 Signale
zur Ansteuerung der Steueranschlüsse der Steuerelemente
(Transistoren) des Dreiphasenwechselrichters 3 erzeugt.
Den Sollwerteingang eines jeden der drei separaten
Regelkreise 7.1, 7.2, 7.3 bildet ein Sollwert für den
Phasenstrom ISoll.
Die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nun
insbesondere im Zusammenhang mit Fig. 2 näher erläutert.
Die Pulsweitenmodulationssteuerung 5 beeinflußt die
Steueranschlüsse der Steuerelemente im Wechselrichter 3
einerseits so, daß die Phasenlage der Ausgangsspannungen
U1, U2, U3 des Wechselrichters konstant ist, d. h. daß die
drei Spannungen jeweils 12° zueinander versetzt sind.
Der Mittelpunkt der Phasenspannungen U1, U2, U3 wird durch
den Punkt MP in Fig. 2 gebildet.
Die im allgemeinen aufgrund der unterschiedlichen
Lastimpedanzen der Last 4 auch unterschiedlichen
Phasenströme i1, i2, i3 werden mittels der
Istwerterfassungen 6.1, 6.2, 6.3 gemessen und als
Istwerteingangsgrößen auf die jeweiligen den einzelnen
Phasen zugeordneten Regelkreise gegeben. Da den
Regelkreisen als Sollwert jeweils derselbe gewünschte
Betrag des Phasenstromes vorgegeben wird, arbeitet jeder
Regler 7.1, 7.2, 7.3 über das ihm zugeordnete Stellglied
8.1, 8.2, 8.3 auf die Pulsweitenmodulationssteuerung 5 so,
daß die dem Phasenstrom i1, i2, i3 zugehörige
Phasenspannung U1, U2, U3 in ihrer Amplitude so verändert
wird, daß trotz der in jeder Phase unterschiedlichen
Lastimpedanz die jeweiligen Beträge der Phasenströme
i1, i2, i3 konstant sind.
Durch die Kopplung der drei Phasen beeinflußt zwar die
Änderung einer der Phasenspannungen sämtliche drei
Phasenströme. Allerdings ist die Beeinflussung der
übrigen, nicht der jeweiligen Phasenspannung zugeordneten
Ströme weitaus geringer als die Änderung des zugeordneten
Phasenstromes, so daß sich die drei Regelkreise
stabilisieren lassen.
Da die Summe der vektoriellen Addition der drei
Phasenströme i1, i2, i3 Null ist, kann die Bedingung der
betragsmäßig gleichen Phasenströme nur dann erfüllt sein,
wenn die Phasenströme i1, i2, i3, wie in Fig. 2
dargestellt, ein gleichseitiges Dreieck aufspannen, wobei
notwendigerweise die Phasenverschiebung der einzelnen
Phasenströme zueinander 12° beträgt.
Die Erfüllung dieser Bedingung ist im allgemeinen nur
möglich, wenn sich der Mittelpunkt M′p des
Phasenstromzeigersystems im Bezug auf den Mittelpunkt MP
des Phasenspannungssystems verschiebt.
Die in Fig. 2 dargestellten Phasenverschiebungswinkel
ϕ1, ϕ2, ϕ3 zwischen den jeweiligen Phasenströmen
i1, i2, i3 und den an der Lastimpedanz ab fallenden
Leiterspannungen UL1, UL2, UL3 sind dabei unterschiedlich,
nämlich entsprechend dem komplexen Widerstand der Last.
Durch die Symmetrierung der Phasenströme i1, i2, i3 wird es
erfindungsgemäß ermöglicht, daß in allen drei Phasen der
Last derselbe gewünschte Betrag für den Phasenstrom
erreicht werden kann, so daß der Umrichter optimal
ausgenutzt wird.
Claims (4)
1. Umrichter zur Speisung einer dreiphasigen Last (4)
mit einem netzgespeisten Gleichrichter (1), einem
kapazitiven Zwischenkreis (2) und einem
transistorisierten dreiphasigen Wechselrichter (3),
an dessen Ausgang drei Phasenspannungen (U1, U2, U3)
gebildet werden, deren Amplituden und relativen
Phasenlagen mittels einer Pulsweitenmodulationssteuerung
(5) für die Transistoren des Wechselrichters (3)
einstellbar sind,
dadurch gekennzeichnet, daß für
jeden Phasenstrom (i1, i2, i3) jeweils ein Regler
(7.1, 7.2, 7.3) vorgesehen ist, wobei jedem Regler
(7.1, 7.2, 7.3) derselbe Sollwert für den Betrag des
Phasenstromes zuführbar ist, wobei jeder Regelkreis
(7.1, 7.2, 7.3) ein Stellglied (8.1, 8.2, 8.3) für die
Modulation der Amplitude der dem jeweiligen Strangstrom
(i1, i2, i3) zugeordneten Phasenspannung (U1, U2, U3) aufweist
und wobei die Phasenlagen der Phasenspannungen durch die
Pulsweitenmodulationssteuerung (5) jeweils 120° zueinander
eingestellt sind.
2. Verfahren zur Symmetrierung der Phasenströme einer
dreiphasigen von einem Umrichter gespeisten Last (4), bei
dem die von einem netzgespeisten Gleichrichter (1)
gelieferte Zwischenkreisspannung mittels eines
pulsweitenmodulierbaren transistorisierten Wechselrichters
(3) in drei hinsichtlich ihrer Amplitude und Phasenlage
einstellbare Phasenspannungen (U1, U2, U3) gerichtet wird,
dadurch gekennzeichnet, daß jeder
der drei Phasenströme (i1, i2, i3) durch Stellen der
Amplitude seiner zugehörigen Phasenspannung (U1, U2, U3)
auf den identischen Strombetrag geregelt wird, wobei die
Phasenlage der Phasenspannungen (U1, U2, U3) jeweils 120°
zueinander beträgt.
3. Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 1 zur
Symmetrierung der Ströme in einem dreiphasigen
Magnetrührer, insbesondere einem Strangrührer oder
Kokillenrührer.
4. Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 1 zur
Symmetrierung der Ströme in einem Linearrührer.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19924216946 DE4216946C2 (de) | 1992-05-22 | 1992-05-22 | Verfahren zum Betrieb eines Dreiphasenumrichters zur symmetrischen Speisung einer dreiphasigen Last |
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DE19924216946 DE4216946C2 (de) | 1992-05-22 | 1992-05-22 | Verfahren zum Betrieb eines Dreiphasenumrichters zur symmetrischen Speisung einer dreiphasigen Last |
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DE4216946A1 true DE4216946A1 (de) | 1993-12-09 |
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