DE102005004697A1

DE102005004697A1 - Verfahren zur Ermittlung von Laststrom und Saugkreisstrom bei Vier-Quadrantenstellern

Info

Publication number: DE102005004697A1
Application number: DE200510004697
Authority: DE
Inventors: Jürgen van der Dr. Weem
Original assignee: VOSSLOH KIEPE GmbH
Current assignee: VOSSLOH KIEPE GmbH
Priority date: 2005-02-02
Filing date: 2005-02-02
Publication date: 2006-08-10

Abstract

Ein Verfahren zur Ermittlung von Laststrom und Saugkreisstrom bei Vier-Quadrantenstellern, insbesondere bei Einspeisestromrichtern auf Bahnfahrzeugen, die unter Wechselstromfahrleitung betrieben werden. Dem Vier-Quadrantensteller ist eine Wechselspannungsquelle vorgeschaltet, aus der ein Eingangsstrom in den Vier-Quadrantensteller eingeht. Der Vier-Quadrantensteller besitzt eine Gleichrichterschaltung mit einem Zwischenkreis, der mindestens eine Kapazität enthält, und es ist ihm eine Last, insbesondere ein elektrischer Antrieb, nachgeschaltet. Dem Zwischenkreis ist ein Saugkreis, bestehend aus mindestens einer Saugkreiskapazität und mindestens einer Saugkreisinduktivität, parallel geschaltet, und aus dem Gleichrichter geht ein Ausgangsstrom I¶A¶ aus, welcher sich in einen Laststrom I¶L¶ und einen Saugkreisstrom I¶S¶ teilt. Das Verfahren besteht darin, dass der Laststrom I¶L¶ und der Saugkreisstrom I¶S¶ aus dem Ausgangsstrom I¶A¶ separiert werden und dass diese Separierung online geschieht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren bei Vier-Quadrantenstellern gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 zur Ermittlung des Laststromes I_L und des Saugkreisstromes I_S aus dem Ausgangsstrom I_A.
Die Verwendung von Vier-Quadrantenstellern, die zur Gleichrichtung eines Wechselstromes eingesetzt werden, ist hinlänglich bekannt. Ebenfalls bekannt ist die Verwendung dieser Vier- Quadrantensteller für die Bereitstellung einer Eingangsspannung für geregelte elektrische Antriebe, insbesondere bei Bahnfahrzeugen.
Auch bekannt ist der im Oberbegriff von Patentanspruch 1 beschriebene Aufbau des Vier- Quadrantenstellers, im Sinne der Erfindung bestehend aus einer Brücke aus steuerbaren Halbleiterventilen, einer Zwischenkreiskapazität und einem Saugkreis mit den Elementen Saugkreiskapazität und Saugkreisinduktivität. Die Steuerung und Überwachung einer solchen Schaltung ist ebenfalls bekannt. Für Steuerungs- und Überwachungszwecke ist sowohl die Kenntnis über den aktuellen Wert des Stromes I_S als auch über den des Stromes I_L, welcher den Eingangsstrom für den elektrischen Antrieb darstellt, von Interesse. Benötigt werden die aktuellen Werte dieser Ströme beispielsweise für die Überwachung auf einen Kurzschluss, die Überwachung auf unerwartete Werte, den Schutz vor Überlastung des Saugkreises, den Schutz vor Überlastung der angeschlossenen Last, eine Vorsteuerung des Vier-Quadrantenstellers durch Berücksichtigung des Laststromes I_L in der Steuerung und für eine Plausibilitätsprüfung, um daraus Fehler in der Messwerterfassung zu erkennen. Für die Kenntnisnahme dieser Ströme müssen nach bisheriger Technik beide Ströme mit separaten Sensoren gemessen werden. Durch diese Sensoren wird der schaltungstechnische Aufwand erhöht.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, welches unter möglichst geringem schaltungstechnischem Aufwand online die Ermittlung des Laststromes und des Saugkreisstromes leistet.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen aus dem kennzeichnenden Teil von Patentanspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Der Kern der Erfindung besteht darin, aus dem Ausgangsstrom I_A des Gleichrichters den Laststrom I_L und den Saugkreisstrom I_S zu separieren.

Die Erfindung soll anhand der 1–5 näher erläutert werden. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines möglichen Ausführungsbeispieles eines einphasigen Vier-Quadrantenstellers;
2 eine schematische Darstellung der Ermittlung des Laststromes I_L und des Saugkreisstromes I_S mittels Bandpass;
3 eine schematische Darstellung der Ermittlung des Laststromes I_L und des Saugkreisstromes I_S durch einen Estimationsalgorithmus;
4 eine schematische Darstellung der Ermittlung des Laststromes I_L und des Saugkreisstromes I_S unter Verwendung des Aussteuergrads a und des gemessenen Wertes des Eingangsstromes I_4QS;
5 eine schematische Darstellung der Ermittlung des Laststromes I_L und des Saugkreisstromes I_S unter Verwendung des Aussteuergrads a und des Grundschwingungsanteiles des Eingangsstromes I_4QS.
In der 1 ist der Vier-Quadrantensteller schematisch dargestellt. Der Vier-Quadrantensteller findet hierbei seine Anwendung als Eingangsstromrichter einer größeren Last auf einem Bahnfahrzeug, welches unter einer Wechselstromfahrleitung 1 betrieben wird. In diesem Schaltbild wird die Wechselspannung der Wechselstromfahrleitung 1 durch einen Transformator 3, der für den Betrieb eines Vier-Quadrantenstellers ausgelegt ist, auf niedrigere Werte heruntergespannt. Dem Transformator 3 nachgeschaltet ist eine Gleichrichterschaltung 4, die in dieser Ausführungsart aus steuerbaren IGBT-Halbleiterventilen 4.1 aufgebaut ist, da diese dem gegenwärtigen Stand der Technik entsprechen. Es ist jedoch auch jede andere Art von Stromrichterventilen denkbar. Die Gleichrichterschaltung 4 richtet die an ihrem Eingang anliegende, vom Transformator ausgehende Wechselspannung gleich. Aufgrund der Ansteuerung der Ventile kann die Energie sowohl zur Last hin als auch von der Last weg in das Netz zurückgespeist werden, so dass ein Vier-Quadrantenbetrieb möglich ist. Der aus dem Transformator 3 ausgehende und in die Gleichrichterschaltung 4 eingehende Eingangsstrom I_4QS ist dabei nahezu sinusförmig und wird von einem Stromsensor 9 gemessen.
Der Gleichrichterschaltung 4 nachgeschaltet ist ein Spannungszwischenkreis 5 mit einer Zwischenkreiskapazität 5.1, welcher die Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung 4 glättet. Da Eingangsspannung und -strom sinusförmig sind, gleiche Grundfrequenz haben und der Stromrichter keine nennenswerte Energie speichern kann, setzt sich seine Ausgangsleistung im wesentlichen aus einem Gleichanteil und einem Wechselanteil mit doppelter Netzfrequenz zusammen. Da für die überschlägigen Betrachtungen die Zwischenkreisspannung U_DC als konstant angenommen werden kann, besteht auch der Strom I_A im Wesentlichen aus einem Gleichanteil und einem Wechselanteil mit doppelter Netzfrequenz.
Dem Zwischenkreis parallelgeschaltet ist ein Saugkreis 6, bestehend aus einer Saugkreiskapazität 6.1 und einer Saugkreisinduktivität 6.2. Der Saugkreis schließt den Anteil mit doppelter Netzfrequenz kurz, damit die Zwischenkreiskapazität 5.1 nicht übermäßig groß werden muss und die Zwischenkreisspannung trotzdem annähernd konstant bleibt. Im Saugkreis 6 fließt der Saugkreisstrom I_S, der ein reiner Wechselstrom mit doppelter Netzfrequenz ist.
Am Vier-Quadrantensteller angeschlossen ist die elektrische Last 7. Der Laststrom I_L besteht hauptsächlich aus einer Gleichkomponente.
Am Knotenpunkt 8 teilt sich der Ausgangsstrom I_A in den Lastrom I_L und den Saugkreisstrom I_S auf.
Die 2–5 zeigen die verschiedenen Möglichkeiten der Ermittlung des Laststromes I_L und des Saugkreisstromes I_S.
Es stellt sich zuerst die Frage, inwieweit der Ausgangstrom I_A bekannt ist. Zum Einen kann der Strom I_A mit einem Stromsensor 9 gemessen werden. Somit reduziert sich bereits die Anzahl der benötigten Stromsensoren um eins. Zum Anderen bietet es sich an, um auch diesen Stromsensor 9 einzusparen, auch den Strom I_A aus anderen, bekannten Größen zu ermitteln, wie in 4 dargestellt. Als bekannte Größen dienen dazu der gemessene Eingangstrom I_4QS des Vier-Quadrantenstellers sowie der Wert des Aussteuergrads a. Der Strom I_4QS muss aus regelungs- und überwachungstechnischen Gründen ohnehin gemessen werden und liegt als Messwert in der Steuerung vor. Der Aussteuergrad a, der Werte zwischen –1 und 1 annehmen kann, ist als Quotient aus der Gleichrichter-Eingangswechselspannung und der gleichgerichteten Ausgangsspannung definiert. Durch den Aussteuergrad a können die Eingangsspannung und der Eingangsstrom I_4QS des Vier-Quadrantenstellers über Pulsweitenmodulation eingestellt werden. Dieser Wert liegt in der Steuerung vor, da aus diesem Wert üblicherweise die Schaltsignale für die Halbleiterventile gebildet werden.
Der Ermittlung des Ausgangsstromes I_A liegt nun zugrunde, dass der Gleichanteil ⁰I_A und der Anteil mit doppelter Netzfrequenz ²I_A des ausgangsseitigen Stromes I_A sich aus dem Grundschwingungsanteil ¹I_4QS des Eingangsstromes I_4QS und aus dem Grundschwingungsanteil ^Ia des Aussteuergrades a des Vier-Quadrantenstellers berechnen lassen, wobei ϕ₁ und ϕ₂ die Phasenwinkel des Aussteuergrades a und des Eingangsstromes I_4QS darstellen:
Der Grundschwingungsanteil ¹I_4QS des Eingangsstromes I_4QS kann aus dem Eingangsstrom I_4QS entweder über eine Fouriertransformation, über einen vorgeschalteten Filter oder über ein Estimationsverfahren, wie beispielsweise das Least-Squares-Estimation-Verfahren ermittelt werden, wie in 5 dargestellt. Es entsteht kein großer Fehler, wenn statt des Grundschwingungsanteil ¹I_4QS der aktuelle Messwert des Eingangsstromes I_4QS verwendet wird. Gleiches gilt, wenn statt des Grundschwingungsanteils ¹a der tatsächliche Aussteuergrad a verwendet wird.
Der Ausgangsstrom I_A lässt sich also entweder direkt messen oder er lässt sich aus dem Eingangsstrom I_4QS und dem Aussteuergrad a ermitteln. Somit wird eine Ermittlung des Laststromes I_L und des Saugkreisstromes I_S möglich. Für die Ermittlung dieser Ströme bieten sich zwei Möglichkeiten an: die Anwendung eines Bandpasses oder die Anwendung eines Estimationsalgorithmus.
Bei der Verwendung eines Bandpasses, wie in 2 dargestellt, wird der ermittelte Ausgangsstrom I_A über einen Bandpass, dessen Mittenfrequenz der Resonanzfrequenz des Saugkreises entspricht, geführt. Das Ausgangssignal des Bandpasses entspricht dann dem Saugkreisstrom I_S. Der Laststrom I_L lässt sich nun aus der Differenz vom gesamten Ausgangsstrom I_A und Saugkreisstrom I_S ermitteln. Der Bandpass kann auf verschiedene Weisen realisiert sein, beispielsweise als analoge elektronische Schaltung oder als zeitdiskrete Signalverarbeitung in einem Digitalrechner. Bei der Verwendung, wie in 3 dargestellt, eines Estimationsalgorithmus, wie beispielsweise dem Verfahren der Least Squares Estimation, wird direkt aus dem ermittelten Ausgangsstrom I_A der geschätzte Anteil mit der Frequenz des Saugkreises, der dem Strom I_S durch den Saugkreis entspricht und den geschätzten Gleichanteil, der dem Laststrom I_L entspricht, geliefert. Somit sind nun der Laststrom I_L und der Saugkreisstrom I_S bekannt und können für die oben beschriebenen Zwecke der Steuerung und Überwachung verwendet werden.

Claims

Verfahren zur Ermittlung von Laststrom und Saugkreisstrom bei einphasigen Vier-Quadrantenstellern, insbesondere bei Einspeisestromrichtern auf Bahnfahrzeugen, die unter Wechselstromfahrleitung betrieben werden, a. wobei dem Vier-Quadrantensteller eine Wechselspannungsquelle, aus der ein Eingangsstrom in den Vier-Quadrantensteller eingeht, vorgeschaltet ist, b. wobei der Vier-Quadrantensteller eine Gleichrichterschaltung mit einem Zwischenkreis, der mindestens eine Kapazität enthält, aufweist, c. wobei dem Vier-Quadrantensteller eine elektrische Last, insbesondere ein elektrischer Antrieb, nachgeschaltet ist, d. wobei zu dem Zwischenkreis ein Saugkreis, bestehend aus mindestens einer Saugkreiskapazität und mindestens einer Saugkreisinduktivität, parallelgeschaltet ist, und e. wobei aus dem Gleichrichter ein Ausgangsstrom I_A ausgeht, welcher sich in einen Laststrom I_L und einen Saugkreisstrom I_S teilt, dadurch gekennzeichnet, f. dass der Laststrom I_L und der Saugkreisstrom I_S aus dem Ausgangsstrom I_A separiert werden und g. dass diese Separierung online geschieht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Separierung durch Filterung mittels Bandpass, dessen Mittenfrequenz im Bereich der Resonanzfrequenz des Saugkreises liegt, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bandpassfilter als analoge elektrische Schaltung ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bandpassfilter als zeitdiskrete Signalverarbeitung in einem Digitalrechner ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Separierung durch Schätzung unter Anwendung eines Estimationsalgorithmus erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Estimationsalgorithmus als Least-Squares-Estimation ausgebildet ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsstrom I_A mittels Stromsensor gemessen wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsstrom I_A aus dem Aussteuergrad des Vier-Quadrantensteller und dem Eingangsstrom berechnet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsstrom I_A aus dem Aussteuergrad des Vier-Quadrantensteller und dem Grundschwingungsanteil des Eingangsstroms berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundschwingungsanteil des Eingangsstroms aus dem gemessenen zeitlichen Verlauf des Eingangsstromes mittels FFT bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundschwingungsanteil des Eingangsstroms aus dem gemessenen Verlauf des Eingangsstromes mittels Estimationsverfahren bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Estimationsalgorithmus als Least-Squares-Estimation ausgebildet ist.