Verfahren zum Betriebe gittergesteuerter Stromrichter od. dgl. Gittergesteuerte
Stromrichter werden in der Regel mit sogenannter Anschnittsteuerung betrieben, indem
der Zündzeitpunkt jeder einzelnen Anode gegenüber dem Zeitpunkt der Spannungsgleichheit
in jeder Periode um einen mehr oder weniger großen Winkel a verzögert wird. Änderungen
des Aussteuerungsgrades werden durch stetige Verschiebung der Zündzeitpunkte zwischen
den Endlagen der Vollaussteuerung (a = 0) und der höchstzulässigen Wechselrichteraussteuerung
(a,..,), welche durch die Trittgrenze bzw. den notwendigen Sicherheitsabstand von
der Stellung a = 180' gegeben ist, herbeigeführt. amax beträgt normalerweise
bei Vollast etwa 1501, bei Teillast kann er näher an 180' herangerückt
werden. Im umfangreicheren Betriebseinheiten mit größerer Anodenzahl hat man häufig
zwecks Blindleistungsersparnis eine unsymmetrische Steuerung angewendet, bei welcher
nicht sämtliche Anoden gleichzeitig und in gleichem Maße, sondern einzelne Gruppen
oder selbst einzelne Anoden bzw. Gefäße nacheinander bis zur völligen Sperrung herabgesteuert
werden. Auch in diesen Fällen wird aber bei jeder einzelnen Anode der Zündzeitpunkt
zwischen zwei Endlagen durch alle Zwischenstellungen hindurch stetig verstellt.
Dazu sind verhältnismäßig umständliche Steuereinrichtungen mit Steuerspannungen
verschiedener, teilweise schwierig zu erzeugender Kurvenforin erforderlich, besonders
wenn der Stromrichter zur Speisung drehzahlgeregelter Motorantriebe dient. Demgegenüber
wird mit der Erfindung eine wesentliche Vereinfachung erzielt.Method for operating grid-controlled power converters or the like. Grid-controlled power converters are usually operated with so-called gating control, in that the ignition point of each individual anode is delayed by a more or less large angle a compared to the point of voltage equality in each period. Changes in the level of modulation are made by constantly shifting the ignition times between the end positions of full modulation (a = 0) and the maximum permissible inverter modulation (a, ..,), which is given by the step limit or the necessary safety distance from position a = 180 ' , brought about. amax is normally around 1501 at full load, but can be moved closer to 180 ' at partial load. In more extensive operating units with a larger number of anodes, an asymmetrical control has often been used in order to save reactive power, in which not all anodes are controlled simultaneously and to the same extent, but individual groups or even individual anodes or vessels one after the other until they are completely blocked. In these cases, too, the ignition point is continuously adjusted between two end positions through all intermediate positions for each individual anode. For this purpose, relatively cumbersome control devices with control voltages of various curve shapes, some of which are difficult to generate, are required, especially if the converter is used to supply speed-controlled motor drives. In contrast, a significant simplification is achieved with the invention.
Die Erfindung bezieht sich demzufolge auf ein Verfahren zum Betriebe
gesteuerter Stromrichter mit elektronischen Steuerelementen zur Änderung des Aussteuerungsgrades
durch Verstellung derZündzeitpunkte, insbesondere zur Speisung geregelter Motorantriebe.
Erfindungsgemäß wird die Steuerung auf zwei ausgewählte Zündwinkelwerte, einen im
Gleichrichtergebiet und einen im Wechselrichterbetrieb, beschränkt und durch einen
elektronischen Regler bei jedem Vorzeichenwechsel der Regelabweichung ein praktisch
trägheitsloser sprunghafter Wechsel der Zündlage von dem einen zu dem anderen Winkelwert
bzw. umgekehrt in extrem kurzen Zeitabständen bis herab zu einem Bruchteil einer
Wechselspannungsperiode ermöglicht.The invention thus relates to a method of operation
Controlled converter with electronic control elements to change the level of control
by adjusting the ignition times, especially for supplying regulated motor drives.
According to the invention, the control is based on two selected ignition angle values, one im
Rectifier area and one in inverter operation, limited and by one
electronic controller with every sign change of the control deviation a practical
Inertia-free abrupt change of the ignition position from one to the other angular value
or vice versa in extremely short time intervals down to a fraction of a
AC voltage period allows.
Diese Steuerung ist wesentlich einfacher als die bisher üblichen Verfahren,
und man kommt daher auch mit einer einfacheren Steuereinrichtung aus. Ferner kann
der Blindleistungsbedarf des Stromrichters in seinem gesamten Steuerbereich erheblich
ge-
ringer gehalten werden. Ein weiterer Vorteil des neuen Steuerverfahrens
besteht darin, daß bei Schaltungen mit größerer Pulszahl die der Pulszahl entsprechenden
Komponenten des Oberschwingungsspektrums gleiche Phasenlagen haben. Andere, der
Pulszahl fremde Komponenten treten nur mit kleinen Effektivwcrten auf. Der geringste
Blindleistungsbedarf unter sonst gleichen Verhältnissen kann dadurch erzielt werden,
daß als ausgewählte Zündwinkelwerte, mit denen die Steuerung arbeitet, die beiden
extremen Werte der VoRaussteuerung als Gleichrichter (a = 0) und die höchstzulässige
Wechselrichteraussteuerung (a = a.".,) festgelegt werden. Durch eine stromabhängige
Beeinflussung des Sicherheitsabstandes 1801 -a"", kann der Wechselrichterbereich
optimal ausgenutzt werden.This control is much simpler than the previously customary methods, and a simpler control device can therefore be used. Furthermore, the reactive power demand of the power converter can be held in its entire control range were less significant. Another advantage of the new control method is that, in circuits with a larger number of pulses, the components of the harmonic spectrum corresponding to the number of pulses have the same phase positions. Other components that are not related to the number of pulses occur only with small effective values. The lowest reactive power requirement under otherwise identical conditions can be achieved by defining the two extreme values of the pre-modulation as rectifier (a = 0) and the maximum permissible inverter modulation (a = a. ".,) As selected ignition angle values with which the control works The inverter area can be optimally used by influencing the safety distance 1801 -a "" depending on the current.
Die Steuerung kann vorteilhaft als an sich bekannte Impulssteuerung
ausgebildet sein, welche für jede Anode in jeder Wechselspannungsperiode zwei Impulse
mit fester Phasenlage, z. B. a - 0' und a = 150' bereithält. Einer
dieser Zündimpulse wird jeweils durch den Regler unterdrückt, je nachdem,
ob in dem betreffenden Zeitpunkt der Istwert, d. h. der zeitliche Mittelwert
der Meßgröße (Spannung oder Strom auf der Gleichstromseite) kleiner bzw. größer
ist als der vorgegebene Sollwert. Solange der Sollwert bei Speisung des Verbrauchers
mit Gleichstrom unterschritten wird, kommt bei jeder Anode der Zündimpuls, zur Zeit
a = 0, zur Wirkung. In diesem Falle braucht der andere Impuls, der bei a
= 150'
liegt, nicht einmal unterdrückt zu werden, weil er dann an dem vorhandenen
Betriebszustand des Ventils ohnehin nichts ändern kann. Wird jedoch der
Sollwert
überschritten, so wird durch den Regler der erste Impuls bei a = 01 unterdrückt,
so daß nur der zweite bei a = 150' zur Wirkung kommt und einen Brennabschnitt
einleitet, in dem das betreffende Ventil im Wechselrichterbetrieb arbeitet. Dadurch
wird der zeitliche Mittelwert der gemessenen Größe auf der Gleichstromseite wieder
vermindert und so dem Sollwert angenähert. Die vorbesehriebene Betriebsart entspricht
beispielsweise dem Anlassen eines Gleichstromantriebsmotors, der Drehzahlsteigerung
und dem Fahren mit Last. Der Betrieb mit Bremsung und Drehrichtungsumkehr kann daraus
ohne weiteres unter Benutzung bekannter Verfahren und Schaltungen abgeleitet werden
und kann durch entsprechende Verstellung des Sollwertes der Stellgröße herbeigeführt
werden.The control can advantageously be designed as a pulse control known per se, which for each anode in each AC voltage period two pulses with a fixed phase position, z. B. holds a - 0 ' and a = 150' ready. One of these ignition pulses is suppressed by the controller, depending on whether the actual value, ie. H. the mean value of the measured variable over time (voltage or current on the direct current side) is smaller or larger than the specified nominal value. As long as the target value is not reached when the consumer is supplied with direct current, the ignition pulse at each anode takes effect at time a = 0. In this case, the other pulse, which is at a = 150 ' , does not even need to be suppressed because it cannot change the existing operating state of the valve anyway. However, if the setpoint is exceeded, the controller suppresses the first pulse at a = 01 so that only the second at a = 150 'takes effect and initiates a combustion section in which the valve in question works in inverter mode. As a result, the mean value over time of the measured variable on the direct current side is reduced again and thus approximates the nominal value. The operating mode described above corresponds, for example, to starting a DC drive motor, increasing the speed and driving with a load. Operation with braking and reversal of the direction of rotation can easily be derived from this using known methods and circuits and can be brought about by appropriate adjustment of the setpoint of the manipulated variable.
In der Zeichnung ist in den Fig. 1 bis 3 die Bildung
der Gleichspannung in einem Dreiphasensystern bei Steuerung mit a = 0' und
a = 1501 durch drei Kurvenbilder beispielsweise für drei theoretische Sonderfälle
veranschaulicht, welche verschiedenen Verhältniswerten der tatsächlich abgegebenen
mittleren Gleichspannung Ug zu dem bei Vollaussteuerung a = 01 erreichten
Gleichspannungsmittelwert U,() entsprechen. Fig. 1 gilt für Ug: U,0 =
0,158. Dabei umfaßt ein Brennfolgezyklus jeweils vier Perioden
= 8,7. Fig. 2 gilt für Ug: Ug 0 0,25. Dabei umfaßt ein Brennfolgezyklus
jeweils zwei Perioden = 4,-z. Fig. 3 gilt für U,: Ugo =
0,5. Dabei umfaßt ein Brennfolgezyklus jeweils eine Periode = 2-r, wobei
eine der drei Phasen überhaupt nicht beteiligt ist. In der Praxis werden die dargestellten
stationären Zustände nicht auftreten, weil schon durch kleinste Schwankungen der
Speisespannung oder der Belastung Unregelmäßigkeiten hervorgerufen werden. Infolgedessen
kommt jeder Gleichspannungswert durch eine statistische Mittelwertsbildung auf Grund
der wahrscheinlichsten Zündfolge zustande. Ein so gesteuerter Stromrichter hat im
gesamten Spannungsbereich einschließlich des Wechselrichterbetriebes nahezu die
gleiche geringe Blindleistungsaufnahme wie bei voller Aussteuerung unter Berücksichtigung
der Kommutierungsblindleistung. Außerdem ist die Ventilbeanspruchung, welche durch
das Produkt von Sprungspannung und Stromsteilheit gegeben ist, wesentlich geringer
als bei den bekannten Steuerverfahren mit Teilaussteuerung durch stetige Zündwinkelverschiebung.In the drawing, 1 is shown in FIGS. To 3, the formation of the DC voltage in a Dreiphasensystern with control with a = 0 'and a = 1501 illustrated by three graphs, for example, three theoretical special cases which different ratio values of the actually output average DC voltage Ug to the correspond to the DC mean value U, () reached at full level a = 01. Fig. 1 applies to Ug: U, 0 = 0.158. A focal sequence cycle comprises four periods = 8.7. Fig. 2 applies to Ug: Ug 0 0.25. A focal sequence cycle comprises two periods = 4, -z. Fig. 3 applies to U,: Ugo = 0.5. A focal sequence cycle includes a period = 2-r, one of the three phases not being involved at all. In practice, the steady-state conditions shown will not occur because even the smallest fluctuations in the supply voltage or the load cause irregularities. As a result, every DC voltage value is obtained through a statistical averaging based on the most likely ignition sequence. A converter controlled in this way has almost the same low reactive power consumption over the entire voltage range including inverter operation as with full modulation, taking into account the commutation reactive power. In addition, the valve stress, which is given by the product of the jump voltage and the current gradient, is significantly lower than in the known control methods with partial modulation through constant ignition angle shift.
Bezüglich der Glättung des Gleichstromes stellt das neue Steuerverfahren
keine höheren Anforderungen als die bisher üblichen. Beispielsweise wird für einen
dreipulsigen Stromrichter die Zeitkonstante im Gleichstromkreis vorteilhaft auf
einen Wert in der Größenordnung von 0,1 Sekunde festgelegt, der mit den üblichen
Glättungsmitteln in bekannter Weise herzustellen ist. Wenn auch im Netzstrom Oberschwingungen
aller denkbaren Ordnungszahlen auftreten, so ist doch die Mehrzahl derselben auf
sehr kleine Amplituden beschränkt und zeitlich über die Betriebsdauer statistisch
verteilt, so daß sie sich nicht störend auswirken. Das der Pulszahl zugehörige »Grundspektrum«
bleibt im ganzen Steuerbereich im wesentlichen. unverändert, hat jedoch auch bei
Betrieb mit dem neuen Steuerverfahren eine definierte Phasenlage zur Grundwelle.
Dies ist von Bedeutung für Stromrichteranordnungen höherer Pulszahl, deren Einzelsysteme
mit gleicher Belastung arbeiten. Die Verhältnisse sind also bezüglich dieser zum
»Grundspektrum« gehörenden Oberwellen günstiger als bei Stromrichteranordnungen
mit hergebrachter Steuerung.With regard to the smoothing of the direct current, the new control method does not make any higher requirements than the previously usual ones. For example, for a three-pulse converter, the time constant in the direct current circuit is advantageously set to a value in the order of magnitude of 0.1 second, which can be produced in a known manner using the usual smoothing means. Even if harmonics of all conceivable ordinal numbers occur in the mains current, the majority of them are limited to very small amplitudes and are statistically distributed over the operating period so that they do not have a disruptive effect. The "basic spectrum" associated with the number of pulses remains essentially throughout the entire control range. unchanged, but has a defined phase position to the fundamental wave even when operating with the new control method. This is important for converter arrangements with a higher number of pulses, the individual systems of which work with the same load. The conditions are therefore more favorable with regard to these harmonics, which belong to the "basic spectrum", than in the case of converter arrangements with conventional controls.
Da für einen Betrieb mit dem neuen Steuerverfahren ein praktisch trägheitsloser
Wechsel der Zündlagen von ausschlaggebender Bedeutung ist, so kommen als Steuer-
und Regeleinrichtungen hauptsächlich solche mit Elektronenröhren und vorzugsweise
mit Transistoren oder ähnlichen steuerbaren elektronischen Halbleiteranordnungen
in Betracht. Grundsätzlich können dazu bekannte Einrichtungen verwendet werden,
bei denen jedoch die sonst erforderlichen Mittel zur Verstellung der Phasenlage
der Zündzeitpunkte entbehrlich sind. In diesem Zusammenhang wird unter anderem auf
die deutschen Auslegeschriften 1000 936 und 1004 296 verwiesen,
in denen Anordnungen zur Erzeugung von Zündimpulsen mittels Transistoren beschrieben
und dargestellt sind.Since a practically inertia-free change of the ignition positions is of decisive importance for operation with the new control method, the control and regulating devices mainly used are those with electron tubes and preferably with transistors or similar controllable electronic semiconductor arrangements. In principle, known devices can be used for this purpose, in which, however, the means otherwise required for adjusting the phase position of the ignition times are dispensable. In this context, reference is made, inter alia, to the German Auslegeschrifts 1000 936 and 1 004 296 , in which arrangements for generating ignition pulses by means of transistors are described and illustrated.
Zur Bestimmung der Schaltbefehle, durch welche in Abhängigkeit von
dem Vorzeichen der Regelabweichung entweder der eine oder der andere Steuerimpuls
zur Wirkung gebracht wird, kann ein an sich bekannter Zweitpunktregler, insbesondere
Transistorregler, verwendet werden. Besonders geeignet ist ein Transistorregler
z. B. nach der deutschen Auslegeschrift 1074 127. A known two-point regulator, in particular a transistor regulator, can be used to determine the switching commands by which either one or the other control pulse is brought into effect as a function of the sign of the control deviation. Particularly suitable is a transistor regulator z. B. according to the German Auslegeschrift 1 074 127.
Das vorbesehriebene Steuerverfahren kann auch für gesteuerte Halbleiterventilanordnungen
verwendet werden, welche so ausgebildet sind, daß eine Anschnittsteuerung durch
gegenüber dem Spannungsnulldurchgang verzögerte Impulse möglich ist und eine Sperrung
jeweils erst im Stromnulldurchgang eintritt und vorher auch zwangläufig nicht herbeigeführt
werden kann. Derartige Halbleiteranordnungen sind unter anderem die in letzter Zeit
bekanntgewordenen Vierschichtsysteme mit p-n-p-n-Schichtun.g, bei denen beimAnlegen
einerWechselspannung an die äußeren Elektroden der mittlere p-n-Übergang den Stromdurchlaß
in jeder Periode zunächst sperrt, bis er durch einen elektrischen oder Lichtimpuls
stromdurchlässig gemacht und so der Halbleitergleichrichter gewissermaßen »gezündet«
wird.The control method described above can also be used for controlled semiconductor valve arrangements
are used, which are designed so that a gate control by
Delayed pulses compared to the voltage zero crossing are possible and a blocking
in each case only occurs when the current passes through zero and is not necessarily brought about beforehand
can be. Such semiconductor devices include those of recent times
known four-layer systems with p-n-p-n layering, in which when applying
an alternating voltage to the outer electrodes, the middle p-n junction allows the current to pass
initially locks in each period until it is triggered by an electrical or light pulse
made current-permeable and thus the semiconductor rectifier, as it were, "ignited"
will.