DE69018600T2

DE69018600T2 - Stromverteilungssteuerung für Wechselrichter im Parallelbetrieb.

Info

Publication number: DE69018600T2
Application number: DE69018600T
Authority: DE
Inventors: Thomas Patrick Loftus
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1989-12-28
Filing date: 1990-11-27
Publication date: 1995-08-17
Anticipated expiration: 2010-11-28
Also published as: US5036452A; EP0435460A3; EP0435460B1; EP0435460A2; JP2679868B2; JPH03256532A; DE69018600D1

Description

Erfindungsgebiet

Vorliegende Erfindung betrifft Stromrichtschaltungen und insbesondere die Lastteilung zwischen parallel an eine gemeinsame Last angeschalteten Stromschaltungen zur Bereitstellung von redundantem Dauerstrom für diese Last.

Stand der Technik

Parallel geschaltete Stromrichtschaltungen teilen sich in Abwesenheit einer Lastteilungssteuerung eine gemeinsame Last häufig ungleich. Diese Abweichungen ergeben sich aus leichten Unterschieden der geregelten Ausgangsspannung jedes einzelnen Stromrichters, wodurch einer der Stromrichter beinahe den gesamten Laststrom liefert.
æm diese parallel geschalteten Stromrichter darauf zu beschränken, daß sie einer Last im wesentlichen gleiche Ströme zuführen, werden Laststromsteuerungsrückkopplungsanordnungen benutzt. In einer dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechenden beispielhaften Anordnung (US-Patent 4,276,590) wird die Stromteilung zwischen parallel an eine gemeinsame Last angeschalteten Stromrichtern durch Erkennung eines Unterschiedes der Ströme zwischen den parallel geschalteten Stromrichtern und Verändern des Tastverhältnisses der Leistungsschalter zur Aufrechterhaltung der Laststromteilung zwischen den parallel geschalteten Stromrichtern bewirkt.
Eine ähnliche Laststromsteuerung ist im technischen Bericht N76-26393/8 der NASA offenbart, der ein Verfahren und eine Einrichtung zur automatischen Lastteilung zwischen parallel geschalteten Stromrichtern offenbart. Eine Stromsummier- und Unsymmetrieerkennungsschaltung erzeugt ein Differenz signal in Verbindung mit dem regelnden Rückkopplungssignal jedes Stromrichters, um Laststromteilung unter den parallel geschalteten Stromrichtern zu erreichen.
In vielen Anwendungen sind Stromrichter aus Gründen der Verläßlichkeit, Redundanz und Kontinuierlichkeit des Stroms zur Ausgangsschiene parallel geschaltet. In diesen Anwendungen muß die Wahrscheinlichkeit von Schienenspannungsausschlägen und -stoßspitzen minimiert werden. Diese aufgezählten und sonstige ähnliche Anordnungen reagieren jedoch auf Verbindungs- und Abtrennungsübergänge und Fehlerzustande mit beträchtlichen Ausgangsschienenspannungsausschlägen. Ein beträchtlicher Schienenspannungsausschlag könnte auf treten, wenn einer bzw. eine der Ausgänge oder Parallelschaltungen der parallel geschalteten Stromrichter plötzlich abgetrennt oder zugeschaltet wird oder wenn einer der parallel geschalteten Stromrichter ab- oder angeschaltet wird. Auch könnte ein beträchtlicher Schienenspannungsausschlag auftreten, wenn die parallel schaltende Schiene kurzgeschlossen wird.

Darstellung der Erfindung

Diese Aufgabe wird durch einen Stromrichter nach Anspruch 1 gelöst, in dem Schaltungen zur Begrenzung der Veränderung der Ausgangsspannung, die durch den Betrieb der Stromteilungssteuerung erreicht werden können, tätig sind.
Über einen die Höhe begrenzenden Verstärker wird eine zur Unsymmetrie des Stroms in parallel geschalteten Stromrichtern proportionale Spannung an den Fehlerverstärkereingang jedes Stromrichters angelegt. Die Größe der Ausgangsschienenspannungsänderung, die sich ergeben kann, wird durch die Sättigungsgrenze des Verstärkers und durch den Wert des den Ausgangsstrom des Verstärkers begrenzenden Widerstands begrenzt. Diese Bauteile können so ausgelegt sein, daß die maximale Ausgangsänderung mit der im schlimmsten Fall eintretenden Abweichung der Nennausgangsspannung vergleichbar sein kann. Diese Abweichung liegt typisch in der Größenordnung von 2% der Nennausgangsspannung.
Benutzung dieses Verstärkers erlaubt dem Fehlerverstärker, sofort auf geringe Ausgangsspannungsunsymmetrien zu reagieren. Darüber hinaus wird diese Schaltung keine großen Spannungsverzerrungen bewirken, wenn auf der parallel schaltenden Schiene ein Übergang oder Fehlerzustand eintritt oder eine große Ausgangsstromunsymmetrie besteht.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist:
Figur 1 ein Schaltschema von zwei parallel geschalteten Stromrichtern mit Steuerschaltungen, um Laststromteilung zu ermöglichen und nach den Grundsätzen der Erfindung Schienenspannungsausschläge zu beschränken,
Figur 2 ein Schaltschema einer zur Verwendung als, wie in Figur 1 gezeigt, zu anderen Stromrichtern parallel an eine Last angeschalteter Stromrichter geeigneten Stromrichterschaltung und
Figur 3 ein Schaltschema einer in der in Figur 1 gezeigten Rückkopplungsschaltung benutzten Verstärkerschal tung.

Detaillierte Beschreibung

In Figur 1 ist ein beispielhaftes Stromsystem mit parallel an eine gemeinsame Last angeschalteten ersten und zweiten Stromrichtern 110 und 210 gezeigt. Stromteilung des der Last von jedem Stromrichter zugeführten Stroms wird durch eine Rückkopplungsanordnung gesteuert, die das Tastverhältnis einer Leistungsschaltvorrichtung in jedem Stromrichter ändert, um jeden Stromrichter auf die Abgabe von im wesentlichen gleichen Stromausgaben zu beschränken.
An die Eingangsklemmen 101 und 102 des ersten Stromrichters 110 ist eine Eingangsgleichstromquelle 100 angelegt. Der Ausgang ist über eine ODER-Verknüpfungsdiode 111 an eine schematisch als Widerstand 301 gezeigte Last angeschaltet. Diese Last 301 kann eine Schiene oder ein sonstiges Lastnetzwerk sein, das von mehr als einem Stromrichter versorgt wird.
Der zweite Stromrichter 210 ist ebenfalls über eine ODER-Verknüpfungsdiode 211 an die gemeinsame Last 301 angeschlossen. Der Stromrichter 210 ist im wesentlichen mit dem ersten Stromrichter 110 identisch. Die Eingangsspannungsversorgung 200 zum Stromrichter 210 kann derselbe Spannungseingang, der den Stromrichter 110 versorgt, sein.
Der Stromfluß jedes Stromrichters 110 und 210 wird von den Strommeßtransformatoren 130 bzw. 230 gemessen. Jeder Stromrichter weist eine gleichartige Rückkopplungsanordnung auf, die nach den Grundsätzen der Erfindung tätig ist, um Ausgangsstromteilung zwischen den zwei Stromrichtern zu ermöglichen und den sich ergebenden Ausgangsschienenspannungsausschlag zu beschränken.
Eine Strommeßwicklung 129 ist zum Messen eines Stromflusses in einer Leistungsschaltvorrichtung des Stromrichters 110 geschaltet. Die Wicklung 129 ist eine Primärwicklung des Meßtransformators 130. Eine Sekundärwicklung 131 liefert einen den Wechselstrom im Stromrichter 110 darstellenden Wechselstrom. Die Sekundärwicklung 131 ist über eine Diode 136 mit einem niederohmigen Widerstand 137 verbunden, mit dem sichergestellt wird, daß die Sekundärwicklung eine zum Spitzenstrom im Stromrichter proportionale Spitzanspannung entwickelt.
Eine zweite Diode 132 verbindet die Sekundärwicklung 131 mit einer Schaltung mit relativ hoher Zeitkonstante, die einen parallel geschalteten Widerstand 134 und Kondensator 133 umfaßt. Mit diesem Netzwerk wird am Kondensator 133 eine zum Spitzenstrom im Stromrichter 110 proportionale Gleichspannung aufrechterhalten. Der Widerstand 234 und Kondensator 233 erhalten auf gleiche Weise eine zum Strom im Stromrichter 210 proportionale Gleichspannung aufrecht. Die Reihenschaltung des Kondensators 133 und Kondensators 233 ergibt an Leitungen 139 und 239 Spannungen, die zum Unterschied zwischen den Strömen der beiden Stromrichter 110 und 210 proportional sind.
Über die Leitung 139 wird das zum Unterschied des Stroms proportionale Signal an einen die Höhe begrenzenden Invertierverstärker 140 angeschaltet. Der Verstärker 140 ist ein einfacher Dioden-Transistor-Verstärker. Der Verstärker 140 ist in die Rückkopplungsschleife eingeführt, um die Rückkopplungsverstärkung und damit Empfindlichkeit für geringe Laststromunterschiede zu erhöhen. Er weist auch einen begrenzten Ausgangsbereich auf, so daß er für große Unterschiede, die während Übergängen auftreten, unempfindlich ist.
Der Verstärker 140 legt sein Ausgangssigual an den Eingang des Fehlerverstärkers 161 und an den zentralen Knotenpunkt des Schienenspannungsmeßteilers 150 über einen Widerstand 141 an, der die maximale Größe der Veränderung der Ausgangsschienenspannung begrenzt. Wenn für jede Stromrichterschaltung eine Spannungsrückkopplungsschleife eingeschaltet wird, würde ihr die Ausgangsspannung darstellendes Spannungssignal über den Spannungsteiler 150 an den Invertiereingang des Fehlerverstärkers 161 angelegt werden. In der Stromrichterschaltung 110 würde es an die Klemme 164 angelegt und mit der Ausgabe des Verstärkers 140 summiert werden.
Der nichtinvertierende Eingang des Fehlerverstärkers 161 ist mit der Bezugsspannungsquelle 105 verbunden. Die vom Fehlerverstärker 161 erzeugte und auf den Verstärker 140 reagierende Fehlerspannungsausgabe ist an den Stromrichter angeschaltet, um die Höhe der Stromrichterausgabe zu steuern.
Die Polarität der Strommeßschaltungen, des Invertierverstärkers und des Fehlerverstärkers ergeben zusammen eine Rückkopplung mit der richtigen Polarität, um sicherzustellen, daß die Unterschiede der Ausgangsströme berichtigt werden. Die Polarität von jeweils zwei kann invertiert werden und dabei immer noch die richtige Rückkopplungspolarität aufrechterhalten werden, um Lastteilung zu bewirken.
Eine gleichartige Steueranordnung ist bei dem Stromrichter 210 enthalten und umfaßt die Spitzenspannungserkennungsschaltungen mit Kondensator 233, der die Höhe begrenzenden Vers tärkerschal tung 210 mit hoher Verstärkung und dem Fehlerverstärker 261.
In Figur 2 ist ein für die Anwendung auf das parallele Stromsystem der Figur 1 geeigneter Stromrichter offenbart. Die Stromrichterschaltung der Figur 2 weist einen Gleichspannungseingang an dem Eingangsklemmen 101 und 102 auf.
Der Stromrichter 110 enthält ein Eingangsfilter 111, das an eine Leistungsschaltung mit einer MOSFET- Leistungsschaltvorrichtung 115 und der Primärwicklung 119 eines Leistungstransformators 120 angeschlossen ist. Eine Sekundärwicklung 121 ist über die Gleichrichtdiode 113 an ein Ausgangsfilter 117 angeschlossen, das wiederum mit einer als Widerstand 301 in der Figur 1 gezeigten Last oder Schiene verbunden ist. Diese Last kann eine Schiene oder ein sonstiges Lastnetzwerk sein, das von mehr als einem Stromrichter versorgt wird.
Die MOSFET-Leistungsschaltvorrichtung 115 im Stromrichter 110 wird durch eine Rückkopplungssteuerung gesteuert, die als Reaktion auf den von der MOSFET- Leistungsschaltvorrichtung 115 in jedem Zyklus erreichten Spitzenstrom funktioniert. Der erreichte Spitzenstrom wird durch periodisches Sperren der MOSFET-Leistungsschaltvorrichtung bei Erkennung eines Spitzenstrompegels gesteuert. Dieses Schalten findet als Reaktion auf die impulsbreitenmodulierte Axitriebsschaltung 121 statt, die auf den in Figur 1 gezeigten Fehlerverstärker 161 reagiert.
In Figur 3 ist schematisch ein zur Verwendung als der in Figur 1 gezeigte Verstärker 140 und 240 geeigneter Transistordiodenverstärker gezeigt. Dieser Verstärker weist einen Stromspiegelaufbau auf und stellt sowohl die benötigte Begrenzungsfunktion zum Vermeiden einer Schienenspannungsstoßspitze und eine hohe Verstärkung bereit, um die Empfindlichkeit für geringe Laststromunterschiede zu bieten.
Die Leitung 139 ist, wie in Figur 1 gezeigt, mit dem Spitzenspannungsspeicherkondensator 133 verbunden. Die Verstärkerschaltung 140 enthält einen NPN-Transistor 146, dessen Kollektor über die Leitung 149 mit seiner Leitungsbasis verbunden ist. Sein Kollektor ist auch über einen Widerstand 145 mit einer Vrsorgungsspannung an der Klemme 175 verbunden. Sein Emitter ist über einen Widerstand 148 mit einer Erdrückleitung 167 verbunden. Der Widerstand 148 ist von einem Spannungsspeicherkondensator 159 nebengeschlossen, der über die Leitung 139 mit dem (in Figur 1 gezeigten) Spannungsspeicherkondensator 133 verbunden ist.
Die Basis des Transistors 146 ist mit der Basis eines Transistors 151 verbunden. Ein Widerstand 155 verbindet den Kollektor des Transistors 151 mit dem Invertiereingang eines (in Figur 1 gezeigten) Fehlerverstärkers 161. Sein Emitter ist über den Widerstand 158 mit der Erdrückleitung 167 verbunden.
Der Invertiereingang des (in Figur 1 gezeigten) Fehlerverstärkers 161 ist auch mit dem zentralen Knotenpunkt eines Spannungsteilers 150 mit Widerständen 162 und 163 verbunden. Der Widerstand 163 ist an der Klemme 164 an eine Spannung angeschaltet, die eine Spannungsregelungssteuerspannung sein kann. Der Widerstand 162 ist mit der Erdrückleitung verbunden. Sein nichtinvertierender Eingang ist mit der Bezugsspannungsquelle 105 verbunden. Die vom Fehlerverstärker 161 erzeugte Fehlerausgangsspannung ist über Leitung 166 an einen (in Figur 2 gezeigten) Impulsbreitenmodulationsantrieb 121 angekoppelt, um ein Tastverhältnis der Stromrichtschaltung 110 zu steuern.
Der in der Figur 3 gezeigte Verstärker 140 funktioniert als Stromspiegel. Durch Steuern des Stroms im Transistor 151 als Reaktion auf den Strom im Transistor 146 wird die an den Invertiereingang des Fehlerverstärkers 161 angelegte Spannung verändert, um zwischen den Stromrichtern 110 und 210 eine Laststromsymmetrie zu erreichen.

Claims

1. Stromrichter zur Stromteilung mit gleichen Stromrichtern, wenn er zu diesen parallel geschaltet ist, mit einem Leistungsschalter (115) zur periodischen Verbindung von Energie von einem Eingang zu einem Ausgang und Schaltungen (130-161) zum Erzeugen eines Leistungsschaltersteuersignals zum Regeln der Energieübertragnng vom Eingang zum Ausgang, mit Stroemeßschaltungen (130, 132, 133, 134, 136, 137) zum Messen eines Kraftstromsignals des Stromrichters bei einer Energieübertragung vom Eingang zum Ausgang und zum Ausgleichen des Kraftstromsignals durch ein externes Kraftstromsignal von den gleichartigen Stromrichtern, wenn er dazu parallel geschaltet ist, um ein ausgeglichenes Strommeßsignal zu erzeugen, und Schaltungen (140, 150) zum Anlegen des ausgeglichenen Strommeßsignals an einen Fehlerverstärker (161) zum Vergleichen desselben mit einem Bezugssignal (105), dadurch gekennzeichnet, daß die Anlegeschaltungen einen Dioden-Transistor-Stromverstärker (140) mit einer Eingangsdiodenvorrichtung (146) und einer Ausgangstransistorvorrichtung (151) umfassen, die das Umwandeln von kleinen ausgeglichenen Strommeßsignalen in ein Fehlersignal und ein Begrenzen von großen ausgeglichenen Strommeßsignalen zur Begrenzung von Spannungsausschlägen am Ausgang bewirken.

2. Stromrichter nach Anspruch 1, wobei die Strommeßschaltungen einen Stromwandler (130) mit einer Strommeß- Primärwicklung (129) in Reihe mit dem Leistungsschalter (115) und einer mit einer Gleichrichtdiode (132) verbundenen Sekundärwicklung (131), einen Speicherkondensator (133) zum Speichern einer zum Kraftstromsignal proportionalen Spannung und einen den Speicherkondensator überbrückenden Entladungswiderstand (134), wobei der Speicherkondensator mit einem ersten Belag an die Gleichrichtdiode (132) und an einen Schaltungsknoten (135) angeschlossen ist, der zur Verbindung mit einem zweiten Speicherkondensator (233) zum Speichern einer zu einem Kraftstrom eines zweiten Stromrichters proportionalen Spannung gedacht ist, und mit einem zweiten Belag an die Anlegeschaltungen angeschlossen ist.

3. Stromrichter nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein erster Spannungsteiler (150) an einem Eingang an den Fehlerverstärker (161) angeschlossen ist und die Ausgangstransistorvorrichtung (151) zum Verändern des Teilungsverhältnisses des Spannungsteilers geschaltet ist.