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Steuersatz für einen Stromrichter Die Erfindung bezieht sich auf einen
Steuersatz für einen Stromrichter, der einen an der Netzspannung liegenden Synchronisiertransformator
zur Bildung einer Synchronisierspannung, ein nachgescha-ltetes Glättungsglied und
einen von der geglätteten Synchronisierspannung gesteuerten Grenzwertmelder zur
Bildung von Synchronisierimpulsen, einen von den Synchronisierimpulsen gesteuerten
Sägezahngenerator und einen Vergleicher enthält, der durch Vergleich der Sägezahnspannung
mit der Steuergleichspannung eines Eingangsverstärkers Steuerimpulse bildet.
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Ein derartiger, beispielsweise aus DIN 41750, Blatt 7, Februar 1972,
bekannter Steuersatz ist nicht für den Betrieb an frequenz- und spannungsvariablen
Netzen geeignet, da hier aufgrund der frequenz- und damit phasenabhängigen Glättung
Phasenfehler auftreten würden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Steuersatz für
einen Stromrichter zu schaffen, der zum Betrieb an frequenz- und spannungsvariablen
Netzen geeignet ist.
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Erfindungsgemäß wird dies bei einem Steuersatz der eingangs genannten
Art durch die Kombination der folgenden Merkmale erreicht: a) Ein Prequenz-Spannungs-Umsetzer
bildet aus den Synchronisierimpulsen eine frequenzproportionale Spannung, die dem
Sägezahngenerator als zusätzliche Eingangs spannung zugeführt ist,
b)
ein mit der frequenzproportionalen Spannung beaufschlagter Funktionsgeber mit einem
die Abhängigkeit der Phasenverschiebung des Glättungsgliedes von der Frequenz nachbildenden
Funktionsverlauf bildet eine Kompensationsspannung, die entweder dem Eingangsverstärker
als Impulsverschiebesignal oder dem Sägezahngenerator als zusätzliche Eingangsspannung
eingegeben ist.
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Bei einem erfindungsgemäßen Steuersatz ist die Synchronisierspannung
über ein Glättungsglied geführt, dessen Glättung Se nach dem Verhältnis der Stromrichterleistung
zur Kurzschlußleistung des Netzes und dem möglichen Spannungsbereich zwischen ca.
200 el und 800 el gewählt ist. Ein starres Netz bedingt eine geringe Glättung, während
ein schwaches Netz einer großen Glättung bedarf. Ein bevorzugter Wert der Glättung
liegt bei ca. 600 el bei einer mittleren Frequenz zwischen der maximal und minimal
möglichen Netzfrequenz.
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Die derart geglättete Synchronisierspannung wird von einem nachgeschalteten
Grenzwertmelder ausgewertet. Ein Frequenz-Spannungs-Umsetzer erzeugt aus den Synchronisierimpulsen
eine frequenzproportionale Spannung, die dem Sägezahngenerator als zusätzliches
Eingangssignal zugeführt ist. Hierdurch wird die Amplitude der Sägezahnspannung
frequenzunabhängig konstant gehalten.
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Zur Korrektur des von der Glättung verursachten Fehlers in der Phasenlage
der Zündimpulse bildet ein Funktionsgeber eine Kompensationsspannung aus der frequenzproportionalen
Spannung des Frequenz-Spannungs-Umsetzers. Der Funktionsgeber bildet die Abhängigkeit
der Phasenverschiebung des Glättungsgliedes von der Frequenz nach. Ist beispielsweise
ein Glättungsglied mit einer Widerstands-Kondensator-Kombination (RC-Glied) vorgesehen,
so beschreibt die Gleichung (1) die Abhängigkeit der Phasenverschiebung f von der
Frequenz f: arc tan 2Wf . v (1) Setzt man in die Gleichung (1) den Ausdruck i =
RC ein
und faßt alle konstanten Faktoren mit einem Faktor k = 2t
RC zusammen, so erhält man Gleichung (1a): < = arc tan k . f (ia) Wenn ein anderes
Glättungsglied vorgesehen ist, so ergibt sich eine entsprechend andere Frequenzabhängigkeit
der Phasenverechiebung.
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Mit Hilfe der phasenabhängigen Kompensationsspannung kann auf zweierlei
Weise eine phasenrichtige Lage der Zündimpulse erreicht werden. Die eine Variante
der Erfindung sieht vor, daß die Kompensationsspannung dem Eingangsverstärker als
Impulsverschiebesignal eingegeben ist. Die Kompensationsspannung wird somit der
Steuerspannung für den Eingangsverstärker mit je nach Phasenlage positivem oder
negativem Vorzeichen überlagert. Der nachfolgende Vergleich der Sägezahnspannung
erfolgt dann mit einer um die Kompensationsspannung angehobenen oder abgesenkten
Reglerspannung. Die andere Variante der Erfindung sieht vor, daß die thaeenabhängige
Kompensationsspannung dem Sägezahngenerator als zusätzliche Eingangsspannung eingegeben
ist. Hierdurch wird die Steilheit der ansteigenden Sägezahnflanken beeinflußt. Bei
beiden Varianten der Erfindung erhalten die Zündimpulse die richtige Phasenlage
unabhängig von der momentanen Frequenz des Netzes und unabhängig von der momentanen
Netzspannung.
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Bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Steuersatzes können Stromrichter
an Netzen mit hohem Frequenzvariationsbereich und hohem Spannungsvariationsbereich
betrieben werden. An das Verhältnis zwischen der StromrichterleStung und der Kurzschlußleistung
des Netzes bzw. an die Kommutierungsimpedanz werden dabei keine hohen Anforderungen
gestellt.
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Zur Sicherstellung einer frequenzunabhängigen Begrenzung der Aussteuerung
des Stromrichters werden nach einer Ausgestaltung der Erfindung die Begrenzungen
mit Hilfe der frequenzproportionalen Spannung und/oder der Kompensationsspannung
nachgeführt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihre in den Unteransprüchen
näher gekennzeichneten Ausgestaltungen sind in der Zeichnung dargestellt und werden
im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Figur 1 ein Blockschaltbild einer 1.
Variante eines erfindungsgemäßen Steuersatzes, Figur 2 eine schematische Darstellung
des Sägezahngenerators 5 in der Schaltung nach Figur 1, Figur 3 ein Blockschaltbild
einer weiteren Variante eines erfindungsgemäßen Steuersatzes, Figur 4 eine schematische
Darstellung des Sägezahngenerators 5' in der Schaltung nach Figur 3, Figur 5 eine
schematische Darstellung des Vergleichers 6' in der Schaltung nach Figur 3, Figur
6 eine schematische Darstellung eines Steuerbereichsbegrenzers 15.
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Im Blockschaltbild der Figur 1 bildet ein primärseitig an ein dreiphasiges
Netz angeschlossener Synchronisiertransformator 1 eine dreiphasige Synchronisierspannung,
die über identische Glättungsglieder 2 mit der eitkonstanten r geführt ist. Die
Glättungsglieder können als beliebige bekannte Glättungsglieder ausgeführt sein,
beispielsweise als RC-Glieder. Ihre Glättung liegt im Bereich zwischen ca. 20° el
und 800 el. Die geglättete Synchronisierspannung steuert Grenzwertmelder 3, die
Synchronisierimpulse für einen Säezahngenerator 5 bilden. Bei einem Anschluß an
ein einphasiges Netz ist selbstverständlich nur ein einziger Synchronisiertransformator,
ein Glättungsglied und ein Grenzwertmelder erforderlich. Die vom Sägezahngenerator
5 an seiner Ausgangsklemme 17 erzeugte Sägezahnspannung wird in einem Vergleicher
6 mit einer Steuergleichspannung U5 an der Klemme 18 verglichen. Die Steuergleichspannung
U5 wird in einem Eingangsverstärker 14 aus einer Reglerspannung Ur an Klemme 13
gebildet und über einen Steuerbereichsbegrenzer 15 geführt.
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Der Vergleicher 6 bildet Steuerimpulse für den Stromrichter 12. Die
Steuerimpulse gelangen über einen Impulsverstärker 7 und gegebenenfalls über einen
Impulsübertrager 4 zu den gesteuerten Ventilen des Stromrichters 12.
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Sin Prequenz-Spannunffls-Umsetzer 8 bildet aus den Synchronisierimpulsen
der Grenzwertmelder 3 eine frequenzproportionale Spannung Uf, die dem Sägezahngenerator
5 als zusätzliches Eingangssignal zugeführt ist, um die Amplitude der Sägezahnspannung
konstant zu halten (siehe Fig. 2). Ein Sunktionsgeber 10 bildet aus der frequenzproportionalen
Spannung Uf an Klemme 9 eine phasenabhängige Kompensationsspannung Uy Die Kompensationsspannung
U9 wird bei der in Figur 1 dargestellten Variante der Erfindung dem Sägezahngenerator
als zusätzliches Eingangssignal überlagert. Dadurch wird die Steilheit der ansteigenden
Flanken der Sägezahnspannung in Abhängigkeit von der Netzfrequenz phasenrichtig
nachgeführt.
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Eine Nachführung der Grenzen des Steuerbereichs durch einen Singriff
in den Steuerbereichsbegrenzer 15 kann nach den Bedürfnissen des jeweiligen Anwndungsfalles
entweder in Abhängigkeit von der frequenzproportionalen Spannung Uf oder von der
Kompensationsspannung Uy erfolgen, oder aber - wie in Figur 1 dargestellt - sowohl
von der frequenzproportionalen Spannung Uf und der Kompensationsspannung Uy Ein
erfindungsgemäßer Steuersatz soll für Stromrichter an frequenz- und spannungsvariablen
Netzen geeignet sein. Diese können beispielsweise Inselnetze sein, bei denen ein
Generator von einem Dieselmotor angetrieben ist. Durch die Kommutierungsströme des
Stromrichters bei extrem schwachen Netzen kann die Sinusform der Netzspannung so
stark verzerrt sein, daß sie trotz passiver Glättung nicht mehr zur Taktung des
Steuersatzes geeignet ist. Dann sieht eine Ausgestaltung der Erfindung die Bildung
einer Korrekturspannung durch einen von der Netzspannung beaufschlagten Korrekturspannungserzeuger
vor. Die Korrekturspannung wird in diesem Falle der Synchronisierspannung des Synchronisiertransformators
1 überlagert. Die Korrekturspannung soll einen solchen Verlauf
aufweisen,
daß sie den Spannungsverzerrungen in der Netzspannung gerade entgegengesetzt gerichtet
ist. Dann ergibt die Überlagerung der Korrekturspannung mit der Synchronisierspannung
eine Spannung von wenigstens annähernd sinusförmigem Verlauf.
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Im Beispiel der Figur 1 ist als Korrekturspannungserzeuger ein frequenzkorrigierter
Hochpaß 16 als aktives Filter vorgesehen. Die Frequenzkorrektur kann mit Hilfe der
frequenzproportionalen Spannung Uf erfolgen. Ein derartiger Hochpaß ist nur für
die hochfrequenten Störschwingungen in der Netzspannung durchlässig. Bei entsprechender
Überlagerung dieser ausgefilterten hochfrequenten Störschwingungen mit der diese
Störschwingungen noch enthaltende Synchronisierspannung werden die Störschwingungen
eliminiert.
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Figur 2 zeigt die prinzipielle Innenschaltung eines Sägezahngenerators
5 in der Schaltung der Figur 1. Dieser enthält einen Operationsverstärker 20, in
dessen Rückkopplung ein von einem Transistor 22 als elektronischer Schalter überbrückter
Rückkopplungskondensator 21 vorgesehen ist. Eingangsseitig ist der Operationsverstärker
20 mit einer konstanten Spannung UO an der Klemme 23 beaufschlagt, die beispielsweise
von einer Zenerdiode abgegriffen sein kann. Als weitere Eingangsspannungen sind
die frequenzabhängige Spannung Uf von Klemme 9 und die Kompensationsspannung Ug
von Klemme 11 vorgesehen. Durch die frequenzproportionale Spannung Uf wird zunächst
die Amplitude der Sägezahnspannung konstant gehalten bzw. die Steilheit der ansteigenden
Flanke der Sägezahnspannung frequenzabhängig nachgeführt. Durch die Kompensationsspannung
Uy werden Amplitude bzw. Steilheit entsprechend der Glättungsfunktion verändert.
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Figur 3 zeigt eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Steuersatzes.
.Funktionsgleiche Bauelemente sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Der Stromrichter
12 wird aus einem einphasixen Netz gespeist. Ein Frequenz-Spannungs-Umsetzer 8 bildet
wiederum aus den Synchronisierimpulsen an der Ausgangsklemme 24 des Grenzwertmelders
3 eine frequenzproportionale
Spannung Uf, die dem Sägezahngenerator
5' zugeführt ist (siehe Fig. 4). Der Funktionsgeber 10 bildet wiederum aus der frequenzproportionalen
Spannung Uf an Klemme 9 eine phasenabhängige Kompensationsspannung Uy an Klemme
11. Die Kompensationsspannung U f wird in einem Addierverstärker 25 der Reglerspannung
Ur überlagert und anschließend über den Eingangsverstärker 14 und den Steuerbereichsbegrenzer
15 gefiihrt und dem Vergleicher 6' als Steuergleichspannung U5 an Klemme 18 zugeführt.
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Bei dieser Variante der Erfindung wird somit die Sägezahnspannung
mit einer-um die Kompensationsspannung U y angehobenen oder abgesenkten Reglerspannung
verglichen.
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Die Bildung einer Korrekturspannung erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel
durch ein Differenzierglied 26 als Korrekturspannungserzeuger. Ein Differenzierglied
26 als Korrekturspannungserzeuger kann vorteilhaft bei einem Inselnetz eingesetzt
werden, bei dem sich der Generatorstrom erfassen läßt. Eine Frequenznachführung
ist hierbei nicht erforderlich.
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Figur 4 zeigt die Innenschaltung des Sägezahngenerators 5' in Figur
3. Man erkennt, daß zusätzlich zur konstanten Spannung UO an Klemme 13 die frequenzabhängige
Spannung Uf an Klemme 9 als weitere Eingangsspannung vorgesehen ist. Hierdurch wird
die Amplitude der Sägezahnspannung konstant gehalten bzw. die Steilheit der ansteigenden
Flanke der Sägezahnspannung frequenzabhängig nachgeführt.
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Figur 5 zeigt das Prinzip des Spannungsvergleiches bei der zweiten
Variante der -Erfindung. Die Kompensationsspannung Ug wird im Addierverstärker 25
der Reglerspannung Ur überlagert.
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Die Kompensationsspannung Ug hat somit die Funktion eines Impulsverschiebesignals.
Dem Addierverstärker 25 ist der Eingangsverstärker 14 und der Steuerbereichsbegrenzer
15 nachgeschaltet. Die Führung der Grenzen des Steuerbereichs erfolgt in diesem
Beispiel lediglich durch die Kompensationsspannung U f . Im Vergleicher 6 wird daher
die Sägezahnspannung an Klemme 17 mit einer Steuergleichspannung U5 an Klemme 18
verglichen, die einer -von der Kompensationsspannung Uf
korrigierten
Reglerspannung Ur entspricht.
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Figur 4 zeigt die Prinzipschaltung des Steuerbereichabegrenzers 15
zwischen seiner Singangsklemme 19 und seiner Ausgangsklemme 18. Als obere Begrenzung
des Steuerbereichs wird die Wechselrichtertrittgrenze durch das Potentiometer p1
und die Diode n1 festgelegt. Die untere Begrenzung des Steuerbreichs ist am Potentiometer
p2 über die Diode n2 einstellbar. An den Klemmen 26 und 27 können zusätzliche Spannungen
zur Verschiebung der Steuerbereichsgrenzen eingespeist werden. Eine frequenzabhängige-
Nachführung der Steuerbereichegrenzen kann durch eine aus der frequenzproportionalen
Spannung Uf abgeleitete zusätzliche Einspeisung erzielt werden. Zur phasenabhängigen
Nachführung der Steuerbereichsgrenzen wird eine aus der Kompensationsspannung abgeleitete
Spannung zusätzlich eingespeist. Es ist jedoch auch möglich, die obere und die untere
Begrenzung des Steuerbereichs getrennt nachzuführen und zwar sowohl in Abhängigkeit
von der frequenzproportionalen Spannung Uf wie auch von der Kompensationsspannung
U 6 Figuren 7 Patentansprüche