DE3111756C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für einen Direktumrichter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine solche Steuervorrichtung ist aus der DE-AS 24 15 398 bekannt.

Dort werden bei einer 3phasigen Last die Brückenwandler von zwei Phasen durch die Stromregeleinrichtung eingestellt, während der Brückenwandler der dritten Phase durch die Spannungssteuereinrichtung gesteuert ist, und die Ausgangsspannung des Brückenwandlers weist keine Gleichstromkomponente auf.

Ein Direktumrichter ist eine Vorrichtung zur unmittelbaren Umwandlung eines Wechselstroms einer ersten Frequenz in einen anderen Wechselstrom mit einer zweiten Frequenz. Als Frequenzwandler großer Leistung wird bekanntlich ein Direktumrichter in Form einer Kombination aus mehreren Brückenumformern des Eigenkommutierungs-Typs eingesetzt, weil ein solcher Direktumrichter unter schnellansprechender Steuerung stabil arbeitet. Der Eingangsleistungsfaktor des Direktumrichters ist aber ungünstiger als beim Gleichspannungswandler. Der Eingang zum Direktumrichter enthält nämlich einen großen Anteil an Blindleistungskomponenten. Da eine Spannung über eine an die Ausgangsklemme des Direktumrichters angeschlossene Last im allgemeinen eine Sinuswellenform besitzt, wird die Eingangswechselspannung des Direktumrichters so gewählt, daß die Ausgangsspannung eines Brückenwandlers (Spannung zwischen einem Sammel-Verbindungspunkt der Brückenwandler und einer Lastanschlußklemme des betreffenden Brückenwandlers) einen Scheitelwert der sinusförmigen Lastspannung erreichen kann. Auch wenn der Scheitelwert der Lastspannung der maximalen Ausgangsspannung des Steuerumrichters gleich ist, sind die Spannungswerte im größten Teil einer Periode der Lastspannung kleiner als die maximale Ausgangsspannung des Steuerumrichters.

Mehrere steuerbare Halbleiterventile jedes Brückenwandlers, die den Direktumrichter bilden, nehmen an den Steuerelektroden von einer Steuervorrichtung für den Direktumrichter gelieferte Steuersignale ab und werden durch diese gesteuert. Es sei angenommen, daß der Steuerverzögerungswinkel jedes steuerbaren Halbleiterventils α beträgt. Ebenso sie angenommen, daß die Ausgangsfrequenz des Direktumrichters Null beträgt, d. h. daß ein konstanter Gleichstrom durch den Direktumrichter fließt. Unter diesen idealen Betriebsbedingungen des Direktumrichters beträgt sein Eingangsleistungsfaktor cos α die Ausgangsgleichspannung des Direktumrichters ist zu cos α proportional, und die Blindeingangsleistung zum Direktumrichter ist zu sin α proportional. Zur Verbesserung des Eingangsleistungsfaktors des Direktumrichters durch Verringerung der Blindeingangsleistung der betreffenden Brückenwandler muß daher jeder Brückenwandler so angesteuert werden, daß er eine möglichst große positive oder negative Ausgangsspannung über den größtmöglichen Teil einer Periode der Lastphasenspannung erzeugt.

Der Eingangsleistungsfaktor des Direktumrichters hängt weitgehend von einem Spannungsumwandlungsverhältnis λ (λ = Scheitelwert der Lastspannung/Höchstwert einer idealen Ausgangsspannung des Direktumrichters, für den Fall, daß der Steuerverzögerungswinkel α jedes steuerbaren Halbleiterventiles Null beträgt) und von einem Leistungsfaktor der Last selbst ab. Je größer das Spannungsumwandlungsverhältnis und der Leistungsfaktor der Last selbst sind, um so mehr ist der Eingangsleistungsfaktor des Direktumrichters verbessert. Unabhängig hiervon wird jedoch die Ausgangsspannung jedes Brückenwandlers beim bisherigen Direktumrichter so gesteuert, daß sie eine Sinuswellenform besitzt. Der Eingangsleistungsfaktor des Direktumrichters ist daher bislang niedriger als derjenige eines Gleichspannungswandlers.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Steuervorrichtung der eingangs genannten Art den Eingangsleistungsfaktor des Direktumrichters durch Steuerung desselben in der Weise zu verbessern, daß seine positive oder negative Ausgangsspannung größer ist als die Spannung der an ihm angeschlossenen Last.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Die Erfindung ermöglicht eine Steuervorrichtung, mit der der Eingangsleistungsfaktor eines Direktumrichters verbessert werden kann, indem die Blindeingangsleistung der betreffenden Brückenwandler verringert wird. Hierzu wird jeder Brückenwandler so angesteuert, daß er eine möglichst positive oder negative Ausgangsspannung über dem größtmöglichen Teil einer Periode der Lastspannung erzeugt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 6 gekennzeichnet.

Die Schaltereinheiten geben jede Phasenspannung der Last einer Logikschaltung ein und bewirken ein vorbestimmtes Umschalten mittels des Ausgangssignals der Logikschaltung, um dabei die Spannungssteuereinrichtung und die Stromregeleinrichtung nach Maßgabe einer Phase der Lastspannung zu wählen.

Der Direktumrichter wird so angesteuert, daß er eine die Lastspannung übersteigende positive oder negative Ausgangsspannung liefert, wodurch der Eingangsleistungsfaktor des Direktumrichters verbessert wird.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild eines Direktumrichters, auf welchen eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung angewandt ist,

Fig. 2 ein Schaltbild eines bei der Schaltung nach Fig. 1 verwendeten Schaltsignalgenerators,

Fig. 3A und 3B graphische Darstellungen der Beziehungen zwischen der Ausgangsspannung eines Brückenwandlers und einer entsprechenden Phasenspannung der Last gemäß Fig. 1,

Fig. 4A eine graphische Darstellung einer Änderung eines Eingangsleistungsfaktors bei einem bisherigen Direktumrichter in bezug auf einen Lastleistungsfaktor,

Fig. 4B eine graphische Darstellung der Änderung eines Eingangsleistungsfaktors eines durch die erfindungsgemäße Steuervorrichtung angesteuerten Direktumrichters,

Fig. 5 ein Schaltbild eines Direktumrichters mit einer Steuervorrichtung nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 6 ein Blockschaltbild eines bei der Schaltung nach Fig. 5 verwendeten Bezugsspannungssignalgenerators,

Fig. 7 eine graphische Darstellung einer Wellenform zur Verdeutlichung der Funktion eines bei der Schaltung nach Fig. 6 verwendeten Festwertspeichers und

Fig. 8 eine graphische Darstellung von Wellenformen zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen einer Phasenspannung der Last und einer Ausgangsspannung eines Brückenwandlers gemäß Fig. 5.

Im folgenden ist die Erfindung der Einfachheit halber anhand einer Steuervorrichtung für einen Direktumrichter zur Lieferung von Strom mit einer gewünschten Frequenz zu einer in Sternschaltung angeordneten Dreiphasen-Last beschrieben. Gemäß Fig. 1 sind drei Ausgänge 1 a, 1 b und 1 c eines Dreiphasen-Eingangstransformators 1 an Brückenwandler 2 a, 2 b bzw. 2 c angeschlossen, die einen Direktumrichter 2 bilden. Jeder Brückenwnadler besteht aus zwei Dreiphasen-Vollweggleichrichtern, die in Antiparallelschaltung angeordnet sind und jeweils eine Anzahl von steuerbaren Halbleiterventilen (SCR) aufweisen. Das eine Ende (erste Ausgangsklemme) jedes Brückenwandlers ist an einen Sammel-Verbindungspunkt angeschlossen, während die anderen Enden (zweite Ausgangsklemmen) dieser Brückenwandler mit den Eingangsklemmen einer Last 3 verbunden sind. Die Last 3 kann entweder einer LR-Last oder eine Wechselstrom-Motorlast sein; bei der dargestellten Ausführungsform ist als Last 3 jedoch eine LR-Last vorgesehen. Die Lastströme von den Phasen U, V und W sind mit i _U , i _V bzw. i _W bezeichnet, während ein Neutralpunkt der Last 3 bei 4 angegeben ist. Der Sammelverbindungspunkt der Brückenwandler 2 a bis 2 c ist vom Neutralpunkt 4 der Last getrennt. Die Lastströme i _U , i _V und i _W besitzen jeweils eine Sinuswellenform. Ein Schaltsignalgenerator 5 berechnet die jeweiligen Phasen der Phasenspannungen der Last, um Schaltsignale zur Betätigung von noch näher zu beschreibenden Schaltereinheiten zu erzeugen. Insbesondere erhält der Schaltsignalgenerator 5 über Potentialtransformaten (PT) 6 Lastspannungen zur Erzeugung von Signalen L _U , L _V und L _W für die Betätigung der Schaltereinheiten in einem vorgegebenen Takt. Die Einzelheiten des Schaltsignalgenerators sind anhand von Fig. 2 näher erläutert. Lastenstromdetektorschaltungen 7 a bis 7 c erfassen die zu den Brückenwandlern 2 a bis 2 c fließenden Eingangswechselströme über Stromtransformatoren (CT) 8. Die Symbole i* _U , i* _V und i* _W stehen für Bezugsstromsignale jeweils verschiedener Phasen. Die Frequenzen der Ausgangssignale des Direktumrichters ändern sich die Abhängigkeit von den Frequenzen der Bezugsstromsignale. Die Lastströme ändern sich in Abhängigkeit von den Amplituden der Bezugsstromsignale. Addierstufen 9 a bis 9 c liefern Signale, welche die Unterschiede zwischen den Bezugsstromsignalen und den Lastströmen oder den Ausgangssignalen von den Stromdetektorschaltungen bezeichnen. Die Differenzsignale werden Verstärkerschaltungen 10 a bis 10 c eingespeist. Ein Bezugsspannungssignal 11 ist bei der dargestellten Ausführungsform eine konstante Gleichspannung. Die Ausgangssignale PHi der Verstärker 10 a bis 10 c werden als Phasensteuer-Eingangssignale entsprechend den genannten Unterschieden oder Differenzen bezeihnet. Ein Bezugsspannungssignal ist mit PRv bezeichnet. Schalter 12 a bis 12 c, welche die Schaltereinheiten bilden, werden durch die Signale L _U , L _V bzw. L _W zu jeweils verschiedenen Zeitpunkten betätigt. Die Ausgangssignale dieser Schalter nach dem Umschalten derselben werden an Phasensteuerschaltungen 13 a bis 13 c angelegt, deren Ausgangsimpulse als Steuersignale an die Steuerelektroden der steuerbaren Halbleiterventile der Brückenwandler über zugeordnete Steuer-Impulsverstärker 14 a bis 14 c angelegt werden.

Im folgenden ist ein Beispiel für den Aufbau des Schaltsignalgenerators 5 anhand von Fig. 2 erläutert. Die Spannungen V _U , V _V und V _W der einzelnen Phasen der Last 3, die über den Potentialtransformator 6 abgenommen werden, werden an Filter 5₁ bis 5₃ angelegt, um in den Spannungen enthaltene Welligkeitskomponenten zu beseitigen und Spannungen _U , _V bzw. _W zu formen, die jeweils eine einer Sinuswellenform sehr ähnliche Wellenform besitzen. Bei der dargestellten Ausführungsform erscheinen die Spannungen _U , _V an der Plusklemme bzw. der Minusklemme einer Addierstufe 15₁, die Spannungen _U und _W an der Plusklemme bzw. an der Minusklemme einer Addierstufe 15₂, die Spannungen _V und _W an der Plusklemme bzw. an der Minusklemme einer Addierstufe 15₃, die Spannungen _V und _U an der Plusklemme bzw. an der Minusklemme einer Addierstufe 15₄, die Spannungen _W und _U an der Plusklemme bzw. an der Minusklemme einer Addierstufe 15₅, und die Spannungen _W und _V an der Plusklemme bzw. an der Minusklemme einer Addierstufe 15₆. Ein Komparator 16₁ vergleicht die Spannungen _U und _V , während ein Komparator 16₂ die Spannungen _U und _W , ein Komparator 16₃ die Spannungen _V und _W , ein Komparator 16₄ die Spannungen _V und _U , ein Komparator 16₅ die Spannungen _W und _U und ein Komparator 16₆ die Spannungen _W und _U vergleicht. Jeder Komparator liefert bei Eingang eines positiven Eingangssignals ein Signal "1" und bei Eingang eines negativen Eingangssignals ein Signal "0". Die Ausgangssignale der Komparatoren 16₁ und 16₂ werden einem UND-Glied 17₁ eingespeist, während die Ausgangssignale der Komparatoren 16₅ und 16₆ einem UND-Glied 17₃ eingespeist werden. Bei dieser Schaltungsanordnung liefert das UND-Glied 17₁ ein Signal L _U zum Umschalten des Schalters 12 a auf das Bezugsspannungssignal PHv während einer Zeitspanne, während welcher die Spannung _U größer ist als die beiden restlichen Phasenspannungen.

Das UND-Glied 17₂ liefert ein Signal L _V zum Umschalten des Schalters 12 b auf das Bezugsspannungssignal PHv, wenn die Spannung _V größer ist als die beiden anderen Phasenspannungen. Das UND-Glied 17₃ liefert ein Signal zum Umschalten des Schalters 12 c auf das Bezugsspannungssignal PHv, wenn die Spannung _W größer ist als die anderen Spannungen.

Die Arbeitsweise der Steuervorrichtung gemäß Fig. 1 ist im folgenden anhand der Fig. 3A und 3B erläutert. Hierbei wird nur die Steuerung des Brückenwandlers 2 c beschrieben, weil alle Brückenwandler 2 a bis 2 c auf dieselbe Weise angesteuert werden. In Fig. 3A sind auf der Abszisse die Zeit und auf der Ordinate die Wellenformen von Spannungen aufgetragen, deren Welligkeitskomponenten aufgrund der Kommutierung der Thyristoren beseitigt worden sind. Bei 20 ist eine Sinus-Spannungswellenform der Phase W der Last 3 angegeben, während die Ziffer 21 eine Ausgangsspannungswellenform des Brückenwandlers 2 c angibt, d. h. eine Wellenform der Spannung zwischen dem Sammel-Verbindungspunkt der Brückenwandler 2 a bis 2 c und der Ausgangsklemme des Brückenwandlers 2 c. Die Ausgangsspannung 21 des Brückenwandlers 2 c wird während einer Zeitspanne über einen elektrischen Winkel von 120°, d. h. während der Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂, so gesteuert, daß sie eine feste positive Größe V _c besitzt.

Der Mittelpunkt dieser Zeitspanne befindet sich auf einem maximalen positiven Amplitudenpunkt t _p der Lastspannung der Phase W. Die Ausgangsspannungssteuerung während dieser Zeitspanne erfolgt durch das Bezugsspannungssignal PHv. Während der restlichen Zeitspanne einer Periode der Phasenspannung W, d. h. über einen elektrischen Winkel von 240°, wird die Ausgangsspannung des Brückenwnadlers 2 c durch das Phasensteuer-Eingangssignal PHi gesteuert, das vom Unterschied zwischen dem Bezugsstrom i* _W und dem Laststrom i _W abhängt. In Fig. 3A ist die Ausgangsspannung des Brückenwandlers 2 c dann, wenn der Steuerverzögerungswinkel α des steuerbaren Halbleiterventiles O beträgt, mit 1 bezeichnet. Die dargestellte Wellenform 21 der Ausgangsspannung gilt für den Fall, daß der Steuerverzögerungswinkel α = 30° oder der Steuervorlaufwinkel 30° beträgt. Fig. 3A veranschaulicht einen Fall, in welchem die Lastspannung der Phase W ungefähr den Höchstwert besitzt, während Fig. 3B einen Fall veranschaulicht, in welchem die Lastspannung der Phase W etwa die Hälfte der Größe gemäß Fig. 3A besitzt. Wie aus der Darstellung hervorgeht, weicht die Wellenform 21 der Ausgangsspannung des Brückenwandlers 2 c zur positiven Seite hin ab. Weiterhin ist die Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂, während welcher eine Hochpegelspannung V _c geliefert wird, länger als die entsprechende Zeitspanne beim der bisherigen Steuerung. Obgleich nicht speziell dargestellt, ist ersichtlich, daß die Ausgangsspannung des Direktumrichters 2 dann, wenn die Lastspannung 20 nahezu O beträgt, im wesentlichen eine feste positive Größe besitzt. Obgleich in den Fig. 3A und 3B nur die Ausgangsspannungswellenformen des Brückenwandlers 2 c dargestellt sind, ist darauf hinzuweisen, daß ähnliche Wellenformen der Ausgangsspannungen der restlichen Brückenwandler 2 b und 2 a der Wellenform 21 gemäß Fig. 3A mit einer gegenseitigen Phasenverschieben von 120° überlagert sind.

Obgleich die Ausgangsspannung des Brückenwandlers 2 c die Wellenform gemäß Fig. 3A besitzt, können die Phasenspannung der Last und der Laststrom mit dem bisherigen Steuersystem zweckmäßig gesteuert werden. Der Grund hierfür ist folgender: Wenn ein Augenblickswert einer Phasenspannung der Last mit V _l sin ω _l t vorausgesetzt wird, wird die Ausgangsspannung des einen Brückenwandlers während eines elektrischen Winkels von (ω _l t = π/6) bis (ω _l t = 5π/6) so gesteuert, daß sie die feste Größe V _c gemäß Fig. 3A besitzt. Infolgedessen gilt:

Vc = v _n + V _l sin ω _l t (1)

In dieser Gleichung bedeutet v _n eine Spannung am Neutralpunkt 4 der Last 3 gegenüber dem Sammel-Verbindungspunkt der Brückenwandler 2 a bis 2 c, wobei sich v _n durch folgende Gleichung ausdrücken läßt:

v _n = Vc - V _l sin ω _l t (2)

Dies bedeutet, daß sich die Spannung v _n am Neutralpunkt 4 der Last jede 1/3 Periode eines Zyklus der Phasenspannung der Last so ändert, daß sie der Gleichung (2) genügt. Die Ausgangsspannung des Brückenwandlers, die einer Stromregelung durch das Phasensteuer-Eingangssignal PHi unterworfen ist, ist die Summe aus der Spannung v _n am Last-Neutralpunkt gemäß Gleichung (2) und der Phasenspannung V _l sin l _l t der dem betreffenden Brückenwandler entsprechenden Last. Fig. 3A veranschaulicht einen Fall, in welchem der Scheitelwert der Spannung 20 der Phase W der Ausgangsspannung des Brückenwandlers 2 c gleich ist, der bzw. die mit einem Steuerverzögerungswinkel α = 30° oder einem Steuervorlaufwinkel β = 30° gesteuert wird. Durch Änderung der Neutralpunktspannung v _n bei jeder Drittelperiode eines Zyklus der W-Phasenspannung der Last wird die Ausgangsspannung des Brückenwandlers 2 c kleiner als der Höchstwert V _c seiner Ausgangsspannung in der Nähe des negativen Scheitelwerts der W-Phasenspannung (vgl. Fig. 3A). Mit anderen Worten: die maximale Amplitude (Scheitel-Scheitel) der Ausgangsspannung des Brückenwandlers 2 c ist kleiner als die maximale Amplitude (Scheitel-Scheitel) der W-Phasenspannung der Last. Dies setzt voraus, daß dann, wenn die Last 3 konstant ist, die Eingangsspannung des Brückenwandlers 2 c oder des Direktumrichters 2 kleiner sein kann als die Eingangsspannung des bisherigen Direktumrichters. Bei unverändert bleibender Last kann insbesondere die dem Direktumrichter eingespeiste, durch die erfindungsgemäße Steuervorrichtung gesteuerte Eingangswechselspannung etwa 87% der Direktumrichter-Eingangswechselspannung betragen, die durch die bisherige Steuervorrichtung gesteuert wird. Hieraus läßt sich eine Verbesserung des Eingangsleistungsfaktors des Direktumrichters ableiten.

Fig. 4A veranschaulicht eine Eingangsleistungsfaktor-Kennlinie des durch die bisherige Steuervorrichtung angesteuerten Direktumrichters. Fig. 4B veranschaulicht eine entsprechende Eingangsleistungsfaktor-Kennlinie des durch die erfindungsgemäße Steuervorrichtung angesteuerten Direktumrichters. In Fig. 4A und 4B sind auf der Abszisse der Leistungsfaktor der Last und auf der Ordinate der Eingangsleistungsfaktor des Direktumrichters aufgetragen, wobei das Spannungsumwandlungsverhältnis λ als Parameter herangezogen ist. Hierbei ist zu beachten, daß die Eingangsspannung des Direktumrichters gemäß Fig. 4B √/2 betragen kann, während die Eingangsspannung des Direktumrichters gemäß Fig. 4A die Größe 1 besitzen muß. Aus den Fig. 4A und 4B ergibt sich somit, daß mit der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung der Eingangsleistungsfaktor des Direktumrichters verbessert werden kann. Diese Verbesserung läßt sich auch im Fall einer in Dreiecksschaltung angeordneten Last erzielen.

Im folgenden ist eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung für einen Direktumrichter anhand von Fig. 5 erläutert. Dabei ist das Bezugsspannungssignal 11 bzw. PHv nach Fig. 1 durch ein von einem Bezugsspannungsgenerator 22 geliefertes Bezugsspannungssignal PHv ersetzt. Dieser Bezugsspannungsgenerator 22 nimmt die drei Phasenspannungen von der Last über den Schaltsignalgenerator 5 ab, um das Bezugsspannungssignal PHv zu erzeugen. Die Hauptmerkmale der Ausführungsform gemäß Fig. 5 liegen darin, daß die Amplitude der Ausgangsspannung des Brückenwandlers innerhalb der Spannungssteuerperiode von t₁ bis t₂ (Fig. 3A) geändert werden kann und daß die Amplitude der Ausgangsspannung des Brückenwandlers innerhalb der positiven Halbperiode der Lastspannung über einen vorgegebenen elektrischen Winkel (kleiner als 1/m Periode eines Zyklus der Lastspannung) konstant gehalten werden kann, wobei der Mittelpunkt der 1/m-Periode am maximalen positiven Scheitelpunkt der Lastspannung liegt. Der Schaltungsaufbau des Bezugsspannungssignalgenerators 22 ist in Fig. 6 dargestellt. Die Lastspannungen _U , _V und _W , deren Welligkeitskomponenten beseitigt worden sind, werden vom Schaltsignalgenerator 5 zum Bezugssignalgenerator 22 geliefert. Eine Scheitelwert-Rechenschaltung 25 nimmt die Spannungen _U bis _W ab und berechnet einen Scheitelwert V _{l 1} der Lastspannung nach folgender Gleichung:

Ein Dividierer oder Teiler 26 nimmt die Spannungen _U bis _W sowie den Scheitelwert V _{l 1} ab und dividiert erstere durch den Scheitelwert V _{l 1} zur Lieferung von drei Phasenspannungen _{U 1}, _{V 1} und _{W 1} mit einem festen Scheitelwert. Eine Spannungsphasen-Rechenschaltung 27 berechnet die Phasen der Eingangsspannungen _{U 1}, _{V 1} und _{W 1} zur Erzeugung eines Analogsignals 28, das für einen Phasenwinkel R steht. Ein Analog/Digital- bzw. A/D-Wandler 29 wandelt das Ausgangssignal 28 der Phasen-Rechenschaltung 27 in ein Digitalsignal 30 um. Ein Festwertspeicher (ROM) 31 speichert die Digitaldaten entsprechend einer Wellenform 34 gemäß Fig. 7. Der Inhalt des Festwertspeichers 31 wird entsprechend dem Ausgangstakt des Ausgangssignals 30 des A/D-Wandlers 29 ausgelesen. Wie durch die Wellenform 34 in Fig. 7 angedeutet, speichert der Festwertspeicher 31 Digitaldaten, die periodisch ausgelesen werden, um dieselben Wellenformen bei jeweils einem elektrischen Winkel von 120° zu erzeugen. Insbesondere speichert der Festwertspeicher 31 Daten "1". entsprechend dem Spitzenwert der Lastphasenspannung, der über einen elektrischen Winkel von etwa 100° reicht und dessen Mittelpunkt mit dem Spitzenwert in der positiven Halbwelle der Lastspannung koinzidiert, während er weiterhin Daten speichert, die sich im restlichen Teil der Periode des elektrischen Winkels von 120° allmählich von "1" auf "0,8" verkleinern. Das Ausgangssignal 32 des Festwertspeichers 31 wird durch einen D/A-Wandler 33 in ein Analogsignal 34 umgesetzt. Eine Multiplizierstufe 35 multipliziert das Ausgangssignal V _{l 1} der Scheitelwert-Rechenschaltung 25 mit dem Ausgangssignal 34 vom D/A-Wandler 33 zur Erzeugung eines Ausgangssignals 36. Ein Potentiometer 36 liefert die maximale Ausgangsspannung PH _max , um die Brückenwandler 2 a bis 2 c ein maximales Ausgangssignal liefern zu lassen. Eine erste Addierstufe 37 subtrahiert den Scheitelwert V _{l 1} vom Ausgangssignal PH _max des Potentiometers. Eine zweite Addierstufe 38 summiert die Ausgangsspannung der ersten Addierstufe 37 und das Ausgangssignal 36 von der Multiplizierstufe 35 zur Lieferung eines Bezugspannungssignals PHv. Letzteres wird für die Ansteuerung der Thyristoren in den Brückenwandlern 2 a bis 2 c gemäß Fig. 5 benutzt.

Im folgenden ist die Arbeitsweise des Bezugsspannungsgenerators 22 nach Fig. 6 anhand von Fig. 8 erläutert. Die Ausgangsspannungen _{U 1}, _{V 1} und _{W 1} des Teilers 26 sind drei Phasen-Wechselspannungen entsprechend den Phasenspannungen der Last 3 mit einem festen Scheitelwert. Die Phasenwinkel R der Phasenspannung werden durch die Spannungsphasen-Rechenschaltung 27 erfaßt, so daß das dem Phasenwinkel R entsprechende Analogsignal 28 erhalten wird. Der Phasenwinkel R wird durch den A/D-Wandler 29 in ein Digitalsignal 30 umgewandelt. Der Digital/Analog- bzw. D/A-Wandler 33 liefert das Analogsignal 34 entsprechend der Periode t₃ bis t₄ gemäß Fig. 7 zur Multiplizierstufe 35.

Das Ausgangssignal der ersten Addierstufe 37 und das Signal 36 als Produkt des Scheitelwerts V _{l 1} der Lastspannung und des Signals 34 werden der zweiten Addierstufe 38 eingegeben, die ihrerseits das Bezugspannungssignal PHv liefert. Wenn der Brückenwandler 2 c durch das Signal PHv während der Spannungssteuerperiode bzw. 1/m (120° im Fall der Dreiphasenanordnung) durch die Phasensteuerschaltung 13 c und einen Steuerimpulsverstärker 14 c gemäß Fig. 5 angesteuert wird, wird die Ausgangsspannungswellenform des Brückenwandlers 2 c so gesteuert, daß sie gemäß Fig. 8 eine Trapezwellenform 38 darstellt. Die Wellenform 38 enthält einen Teil 38 a mit einer festen, durch PH _max (entsprechend der Spannungssteuerung) bestimmten Größe und einen Teil 38 b (entsprechend der Stromsteuerung) mit einem Gefälle, welches der Lastspannung der Phase W proportional ist. Fig. 8 veranschaulicht einen Vergleich zwischen der Ausgangswellenform des Brückenwandlers 2 c entsprechend der Phase W der Last und der Wellenform der Spannung 39 der Lastphase W. Hierbei ist darauf hinzuweisen, daß die Ausgangsspannungswellenformen des Brückenwandlers 2 b entsprechend der Lastphase V und des Brückenwandlers 2 a entsprechend der Lastphase U mit einer Phasenverschiebung um 120° bzw. 240° gegenüber der Ausgangsspannungswellenform des Brückenwandlers 2 c auftreten. Mit der Ausführungsform gemäß Fig. 5 kann der Eingangsleistungsfaktor des Direktumrichters 2 noch weiter verbessert werden als bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1, deren Leistungsfaktor in Fig. 4B dargestellt ist.

Wenn bei der dargestellten Ausführungsform im Fall einer Dreiphasenlast die Lastströme zweier Phasen auf eine Sinuswellenform gesteuert werden, werden symmetrische Dreiphasen-Lastströme entsprechend der Beziehung i _U + i _V + i _W = O erhalten. Die Ausgangsspannung des Direktumrichters 2 wird so gesteuert, daß jeder der Brückenwandler 2 a bis 2 c eine hohe Ausgangsspannung (z. B. einen Teil 38 a gemäß Fig. 8) liefert. Infolgedessen ändert sich die Spannung am Neutralpunkt 4 der Last 3 in Abhängigkeit von der hohen Ausgangsspannung in Übereinstimmung mit Gleichung (2). Der Direktumrichter 2 wird also so betrieben, daß er ständig eine hohe Ausgangsspannung liefert. Demzufolge ist die Eingangsblindleistung des Direktumrichters 2 klein, so daß sein Eingangsleistungsfaktor besser ist als bei bisherigen Direktumrichtern, bei denen die Ausgangsspannung dieses Brückenwandlers so gesteuert wird, daß sie eine Sinuswellenform besitzt. Da der Sammel-Verbindungspunkt der Brückenwandler 2 a bis 2 c vom Neutralpunkt 4 der Last 3 getrennt ist, liegt die Neutralpunktspannung der Last an, so daß die Amplitude (zwischen positivem und negativen Scheitelwert) der Lastspannung größer ist als die Amplitude (zwischen Mindestwert und Höchstwert) des Direktumrichters 2. Dies bedeutet, daß die Eingangswechselspannung des Direktumrichters kleiner sein kann als bei bisherigen Direktumrichtern. Infolgedessen kann der Direktumrichter einen großen Eingangsleistungsfaktor besitzen; weiterhin werden hierdurch eine Verkleinerung der Abmessungen und eine Senkung der Kosten für den Direktumrichter gewährleistet.

Claims (6)

1. Steuervorrichtung für einen Direktumrichter, der an eine Mehrphasen-Wechselstromquelle angeschlossen ist und m Sätze von Brückenwandlern aufweist, von denen jeder mit einem ersten Ausgangsanschluß an einen gemeinsamen Verbindungspunkt und mit einem zweiten Ausgangsanschluß an einen entsprechenden Eingangsanschluß einer vom gemeinsamen Verbindungspunkt getrennten m-phasigen (m ≧ 3) Last (3) angeschlossen ist, und der aus steuerbaren Halbleiterventilen besteht, mit einer Spannungssteuereinrichtung zur Steuerung der Ausgangsspannungen der Brückenwandler (2 a-2 c) nach Maßgabe eines vorbestimmten Bezugsspannungssignals (PHv) mit fester Amplitude und einer Stromregeleinrichtung zur Regelung der Ausgangsspannungen der Brückenwandler (2 a-2 c) nach Maßgabe eines Phasensteuer-Eingangssignals (PHi) abhängig von der Differenz zu einem sinusförmigen Bezugsstromsignal (i* _U -i* _W ), um die Ausgangsströme der Brückenwandler (2 a-2 c) zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet,

• - daß Schaltereinheiten (5, 12 a-12 c) periodisch die Spannungssteuereinrichtung und die Stromregeleinrichtung entsprechend, der Phase der Lastspannung wirksam schalten,
• - daß die Spannungssteuereinrichtung mittels des Bezugsspannungssignals (PHv) die Ausgangsspannung des Brückenwandlers (2 a-2 c) entsprechend einer Lastspannung während einer 1/m-Periode eines Zyklus der Lastspannung steuert, wobei die Mitte der 1/m-Periode in einem positiven oder negativen Maximalpunkt der Lastspannung oder in der Nähe hiervon liegt, und
• - daß die Stromregeleinrichtung mittels des Phasensteuer-Eingangssignals (PHi) die Ausgangsspannung des Brückenwandlers (12 a-12 c) während der restlichen (1-1/m)-Periode des einen Zyklus der Lastspannung regelt (Fig. 1, 3).

2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• - weiterhin Phasensteuerschaltungen (13 a-13 c) und Verstärkerschaltungen (14 a-14 c) zur Verstärkung der Ausgangssignale der Phasensteuerschaltungen zwecks Lieferung von Gate-Steuersignalen für die steuerbaren Halbleiterventile vorgesehen sind,
• - die Schaltereinheiten (5, 12 a-12 c) einen Schaltsignalgenerator (5) zur Erfassung der Phasen der Lastspannungen zwecks Erzeugung von Schaltsignalen (L _U , L _V , L _W ) sowie Umschalter (12 a-12 c) aufweisen, die durch die Ausgangssignale des Schaltsignalgenerators (5) ansteuerbar sind,
• - die Spannungssteuereinrichtung das Bezugsspannungssignal (PHv) zu den Phasensteuerschaltungen (13 a-13 c) liefert und
• - die Stromregeleinrichtung Stromdektektorschaltungen (7 a-7 c) zur Erfassung der Eingangswechselströme der Last (3), Addierstufen (9 a-9 c) zur Erzeugung von Differenzsignalen zwischen den Bezugsstromsignalen (i* _U -i* _W ) und den Ausgangssignalen der Stromdetektorschaltungen (7 a-7 c) sowie Verstärker (10 a-10 c) zur Verstärkung der Ausgangssignale der Addierstufen (9 a-9 c) zwecks Lieferung der Ausgangssignale (PHi) der Verstärker (10 a-10 c) zu den Phasensteuerschaltungen (13 a-13 c) umfaßt. (Fig. 1).

3. Steuervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltsignalgenerator (5) eine Logikschaltung (5 a) zur Erzeugung der Schaltsignale L _U -L _W ) für die Betätigung der Umschalter (12 a-12 c) in der Weise aufweist, daß das Bezugsspannungssignal (PHv) den Phasensteuerschaltungen (13 a-13 c) nur während einer Zeitspanne zugeführt wird, in welcher die betreffenden Phasenspannungen der Last (3) miteinander verglichen werden und eine vorgegebene Phasenspannung größer ist als die restlichen Phasenspannungen (Fig. 2).

4. Steuervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltsignalgenerator (5) weiterhin Filter (5₁-5₃) zur Beseitigung von in den jeweiligen Phasenspannungen der Last (3) enthaltenden Welligkeitsspannungen aufweist (Fig. 2).

5. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin ein Bezugsspannungsgenerator (22) zur Einstellung der Wellenform des Bezugsspannungssignals (PHv) vorgesehen ist und daß der Bezugsspannungsgenerator (22) aufweist:

• - eine Scheitelwert-Rechenschaltung (25) zur Berechnung eines Scheitelwerts (V _{l 1}) der Lastspannung auf der Basis der jeweiligen Phasenspannungen der Last (3),
• - einen Dividierer (26) zur Lieferung von Phasenspannungen ( ₁- _{W 1}) mit einem festen Scheitelwert durch Dividieren der jeweiligen Phasenspannungen der Last (3) durch die Ausgangsspannung (V _{l 1}) von der Scheitelwerk-Rechenschaltung,
• - eine Spannungsphasen-Rechenschaltung (27) zur Berechnung der Phasenwinkel (R) der Ausgangsspannungen des Dividierers (26), eines Analog/Digital-Wandler (29) zur A/D-Umwandlung des Ausgangssignals (28) der Spannungsphasen-Rechenschaltung (27),
• - einen Festwertspeicher (ROM) (31), welcher eine sich periodisch in Abhängigkeit von einer Wellenform eines vorbestimmtn Bezugsspannungssignals ändernde Spannung in Form von Digitaldaten gespeichert und dessen Inhalt nach Maßgabe des Ausgangssignals (30) des Analog/Digital-Wandlers (29) auslesbar ist,
• - einen Digital/Analog-Wandler (33) zur D/A-Umwandlung des Ausgangssignals des Festwertspeichers (31),
• - eine Multiplizierstufe (35) zum Multiplizieren des Ausgangssignals (34) des Digital/Analog-Wandlers (33) mit dem Ausgangssignal V _{l 1}) der Scheitelwert-Rechenschaltung (25),
• - ein Potentiometer (36) zur Lieferung eines Höchstwertes des Bezugsspannungssignals (PH _max ),
• - eine erste Addierstufe (37) zur Lieferung einer Differenz zwischen dem Höchstwert des Bezugsspannungssignals (PH _max ) und der Ausgangsspannung (V _{l 1}) der Scheitelwert-Rechenschaltung (25) sowie
• - eine zweite Addierstufe (38) zum Summieren des Ausgangssignals der ersten Addierstufe (37) mit dem Ausgangssignal (36) der Multiplizierstufe (35) zwecks Erzeugung des Bezugsspannungssignals (PHv) (Fig. 6).

6. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bezugsspannungssignal (PHv) eine Gleichspannung mit fester Amplitude ist.