DE2110345A1 - Schaltungsanordnung zur Steuerung und Regelung eines Gleichstrom-Gleichstrom-Umrichters - Google Patents

Description

• Schaltungsanordnung zur Steuerung und Regelung eines Gleichstrom - Gleichstrom - Umrichters Vielfach wird in der Technik die regelbare und verlustarme Umrichtung einer zur Verfügung stehenden Gleichsprnnung in eine andere verlangt. Für diesen Zweck werden hauptsächlich Gleichstrom-Pulswandler oder selbstgeführte Umrichter mit den entsprechenden Steuer- und Regeleinrichtungen herangezogen. Die Erfindung betrifft nun eine den Anforderungen eines solchen selbstgeführten Umrichters in hohem Maße Rechnung tragende Steuer- und Regeleinrichtung. Se ist dadurch gekeunzeichnet, daß für die Steuerung (Bildung der Leitfrequenz usw.) der Gleichrichter und der Wechselrichter des Umrichters und die Regelung des Laststromes bzw. der Lastspannung ein mittelbar oder unmittelbar Steuerungsimpulse für die Gleich- und Wechselrichter und eine Vergleichs-Spannung zur Regelung des Laststromes bzw. der Lastspannung liefernder gemeinsamer Funktionsgenerator vorgesehen ist.
• Anhand der Figuren soll der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
• Die Fig. 1 zeigt als Blockschaltbild die bekannte Schaltung eines selbstgeführten einphasigen, mit Thyristoren ausgerüsteten Umrichters, wie er z.B. zur niedervoltigen Ladung einer Batterie mit einer Spannung von 24 . 30 Volt maximal aus einer Gleichspannung von 600 Volt benutzt werden könnte.
• An den Eingangsklemmen 21, 22 steht die umzurichtende Spannung von 600 Volt, an den Ausgangsklemmen 23, 24 die z.B.
• zur Ladung einer Batterie dienende niedervoltige Spannung, die in dem Bereich von 24 - 30 Volt maximal regelbar sein soll. Die Glättungskondensatoren sind mit 25 und 26, der Haupttransformator mit 27, die Kommutierungskondensatoren mit 28 und 29, die Kommutierungsdrossel mit 30, die Freilaufdioden mit 31 und 32, die Wechselrichterthyristoren mit 33 und 34 und die Gleichrichterthyristoren auf der Sekundärseite des Transformators 27 mit 35 und 36 bezeichnet. Der Leitung 37 wird der Istwert des Laststromes Gilt, parallel zu den Ausgangsklemmen23 und 24 der Istwert der Netzspannung ist entnommen.
• Die Fig. 2 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung. Zur Regelung der Spannung und des Stromes der Last ist eine Ablöseregelung vorgesehen, bei der eine Größtwertauswshl stattfindet. Selbstverständlich können auch andere Regelverfahren, z.B. eine Kaskadenregelung, benützt werden.
• Dem Größtwertglied 1 werden der Istwert des Laststromes 1ist und der Istwert der Spannung Uist zugeführt. Die Differenz zwischen dem größeren der beiden Istwerte und der gemeinsamen, von einem Referenzwert herrührenden Führungsgröße 2 steuert den mit Gegenkopplungen versehenen Regler 3O Am Reglerausgang erscheint eine Gleichspannung Ust, deren Zeitverhalten von den Gegenkopplungen des Reglers abhängt.
• Diese Reglerspannung Ust wird zu einer von einem Rampenimpulse (Sägezshnspannung) erzeugenden Steuergenerator (Funktionsgenerator 4) für die Gleichrichter und Wechselrichter gleichzeitig erzeugten Rechteckspannung in Beziehung gebracht, wie später noch näher erläutert wird. Zunächst soll aber die Steuerung beschrieben werden. Außer der Regelung muß, wie erwähnt, noch eine Steuerung der Wechsel- und Gleichrichter des Umrichters vorgesehen sein.
• Dazu dient vor allem ein Funktionsgenerator 4, z.B. ein Niller-Integrator, der über zwei voneinander abhängige Ausgänge mit Rechteck- und Rampen-(Sägezahn)-Spannung verfügt.
• (Vergleiche Fig. 4). Die Frequenz des Funktionsgenerators 4 hängt von der Phasenzahl ab und beträgt ein Mehrfaches der gewünschten Wechselrichterfrequenz. Sie kann freischwingend oder fremdgesteuert erzeugt werden. Das Rechtecksignal des 2'unktionsgenelators 4 (unterer Ausgang, Leitung 40) wird der UrltersetzelstuSe 5 zugeführt und von dieser untersetzt, bei einphasigem betrieb z.B. im Verh:altni) 2 : 1. bie Gleichrichterstufen 6 und 7 sowie die Wechselrichterstufen 8 und 9 weisen "Und"-Eingänge auf, denen die Ausgangssignale der Stufe 5 als Leitfrequenz zugeführt werden. Auf diese Weise wird für die Gleichrichter unmittelbar die Beziehung zwischen Frequenz und Phasenlage des fuhrenden Wechselstromnetzes hergestellt, ohne daß, wie üblich, der Umweg über von der Ausgangsspannung des Wechselstromnetzes (synchrone Netzspannung) abhängige Synchronisiereinrichtungen gemacht werden muß.
• Die Gleich- und Wechselrichter-Endstufen 6, 7, 8, 9 sind mit Zusatzeinrichtungen zur Potentialtrennung versehen, was im Schaltbild durch die Doppelstriche bei diesen Stufen veranschaulicht werden soll. Die Potentialtrennung ist aus Schutzgründen notwendig, um keine galvanische Verbindung zwischen Batterie- und Hochspannungspotential zu haben.
• Um den Geräte aufwand für die Potentialtrennung gering halten zu können, werden den Gittern der Thyristoren Rechteck-Kettenimpulse zugeführt. Die Bildung der Kettenimpulse erfolgt am "Und"-Eingang der Gleichrichter/Wechselrichter-Endstufen 6, 7, 8, 9 durch Verknüpfung der von Stufe 5 kommenden Gleichrichter/Wechselrichter-Leitfrequenz mit den Impulsen der als "Oder"-Glied wirkenden Simultanstufe 10. Die Stufe 10 liefert einen Ausgangsimpuls, wenn die eingangsseitigen "Oder"-Bedingungen erfüllt sind. Der Oder" -Eingang der Stufe 10 wird von einem freischwingenden Impulsgenerator 11 mit vorgegebeIlem Tastverhältnis, dessen Frequenz beliebig, Jedoch größer als die Frequenz des Funktionsgenerators 4 ist, wid differenzierten Signalen der Untersetzerstufe 5 sowie Stufe 12 ulgesteuert Die Differentiation der Signale der Untersetzerstufe 5 und 12 kann in einer getrennten Stufe oder wie bei diesem Beispiel in der Stufe 10 selbst vorgenommen werden. Durch diese Verknüpfung werden Schwebungen zwischen der Gleichrichter/ Wechselrichter-Leitfrequenz der Untersetzerstufe 5 und dem freischwingenden Impulsgenerator 11 und damit Störungen des Umrichterbetriebes vermieden.
• Anhand der Big. 3 soll der Zusammenhang der von diesen Stufen ausgehenden Impulsfolgen naher erläutert werden. In diesem Diagramm ist mit 51 die von dem Impulsgenerator 11 erzeugte Impulskette bezeichnet, die beliebig, also normalerweise nicht synchron mit der Impulsfolge der mit 52 bezeichnasen, von einem Ausgang der Untersetzerstufe 5 gelieferten, die Leitfrequenz für die Gleichrichter und Wechselrichter bildenden Blockkette, sowie den Impulsen der Stufe 12, mit 55 bezeichnet, abläuft. Durch die Verknüpfung der differenzierten Signale der Untersetzerstufe 5 und der Stufe 12 mit der Impulskette 51 in der Simultanstufe 10 erfolgt eine Synchronisierung, wie dies die Impulsfolge 53 zeigt, sodaß Schwebungen zwischen der Gleichrichter/Wechs elrichter-Le itfre quenz der Stufe 5 und der Stufe 12 und der von dem freischwingenden Generator 11 gelieferten Impulskete, die zu E'unktionsstörungen der Zündung der Thyristoren führen könnten, vermieden werden. Die Wechselrichter-Gitterimpulse sind mit 54 bezeichnet.
• Nachdem vorstehend die Steuerung der Gleich- und Wechselrichter erläutert; worden sind, muß noch die Regelung des Ausgangs stromes bzw. der Ausgangsspannung naher beschrieben werden. Zur Regelung dieser Größen muß eine stetige Verschiebung der Gleichrichterzündimpulse und damit des Steuerwinkels bezogen auf die Phasenlage des führenden Wechsel£stromnetzes möglich sein, da der Mittelwert des Gleichstromes bzw.
• der Gleichspannung sich in Abhängigkeit vom Steuerwinkel ändert. Die Einstellung des Steuerwinkels erfolgt mit Hilfe der insbesondere von der Belastung abhängigen veränderlichen Reglerausgangsspannung Ust, deren Entstehung ohen bereits geschildert war. Durch Vergleich der Reglerausgangsspannung Ust mit der Ramp-enspannung (Sägezahnspannung) des Funktionsgenerators 4 (Fig. 2) am Eingang der Impulsverschiebungsstufe 12, die als Neßtrigger oder Komparator ausgebildet ist, wird die den Betriebsanforderungen entsprechende Einstellung der Phasenlage der Gleichrichter-Zündimpulse vorgenommen. Das Ausgangssignal der Impulsverschiebungufe 12 wird dem "Und"-Eingang der Gleichrichterstufen 6 und 7 zugeführt. In der Fig. 2 ist diese Impulsverschiebung durch einen kleinen Rechteckimpuls mit einem Zweirichtungspfeil im Innern des Schaltsymbols für die Gleichrichter gekermzeichnet.
• Das Diagramm nach Fig. 4 veranschaulicht in Verbindung mit Fig. 2 die Impulsverschiebung. In diesem Diagramm ist auf der Ordinate der Spannungspegel U, auf der Abszisse die Zeit t aufgetragen. Vom oberen Ausgang des btunktionsgeIlerotors 4 (Fig. 2) wird die Rampenspannung 42 (Fig. zu ) über Leitung 41 dem Vergleichspurlkt 43 vor dem bing:uig der Impulverschiebungsstufe 12 zugeführt. In Fig. 4 ist eine sich im Zeitpunkt 44 infolge von Belastungsänderungen ändernde ReglerausgangsspannungU5 betrachtet. Wie aus der Impulsfolge 45 der Impulsverschiebungsstufe ersichtlich ist, verbreitern sich die Impulsblöcke hinter der Stufe 12 bei größerwerdender Spannung-Ust.
• In dem Diagramm nach Fig. 4 sind noch die vom internen Ausgang des Funktionsgenerators 4 gelieferten Rechteckimpulse (Nadelimpulse) 46 und die von der Stufe 5 gelieferten Rechteckblöcke 47, die die Leitfrequenz für die Gleich- und Wechselrichter festlegen, eingetragen, um die Phasenbeziehungen zu verdeutlichen.
• Die Verwendung eines gemeinsamen Funktionsgenerators in Verbindung mit der Impulsverschiebungsstufe gewährleistet einerseits die genaue Symmetrie des Steuerwinkels für sämtliche Gleichrichtergruppen. Außerdem wird unmittelbar durch Untersetzung der Rechtecksignale des Funktonsgenerators und durch die Verknüpfung mit den entsprechenden Wechselrichter/Gleichrichter-Gruppen-Synchronismus in der Phasenzuordnung erzielt.
• Zusätzlich können an den "Und"-Eingängen der Endstufen 6, 7, 8, 9 weitere Verknüpfungen z.B. mit einer Überwachungseinrichtung 13 (Fig.2) vorgenommen werden.
• 7 zeiten Beschreibung 11 Patentansprüche 2 Blatt Zeichnungen mit 4 Figuren

Claims (11)

1. P a t e n t a n s p r ü c h e @ Schaltungsanordnung zur Steuerung und Regelung eines Gleichstrom-Gleichstrom-Umrichters, dadurch gekennzeichnet, daß für die Steuerung (Bildung der Leitfrequenz usw.) der Gleichrichter (6, 7) und der Wechselrichter (8, 9) des Umrichters und die Regelung des Laststromes bzw. der Lastspannung ein mittelbar oder unmittelbar Steuerimpulse für die Gleichrichter (6, 7) und Wechselrichter (8, 9) und eine Vergleichsspannung zur Regelung des Laststromes bzw. der Lastspannung liefernder gemeinsamer Funktionsgenerator (4) vorgesehen ist.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Funktionsgenerator (4) einen eine Rampenspannung (Sägezahnspannung) liefernden Ausgang Er die Regelung des Laststromes bzw. der Lastspannung und einen Rechteckimpulse für die Steuerung des Umrichters liefernden Ausgang aufweist.
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Funktionsgenerator ein binäres Signal abgebender Miller-Integrator (4) dient.
4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die freischwingend oder frenderzeugte Frequenz des Funktiousgenerators (4) ein Mehrfaches der Umrichterfrequenz beträgt.
5. 5 Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Funktionsgenerator (4) eine die Rechteckimpulse enthaltende Untersetzerstufe nachgeschaltet ist, die die LeitSrequenz für die Umrichterstufen (6, 7, 8, 9) erzeugt.
6. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennz ichnet, daß die Ausgänge der Untersetzerstufe (5) mit einander paarweise zugeordneten Gleichrichtern und Wechselrichtern (6 und 9, bzw. 7 und 8) verbunden sind.
7. 7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kettenimpulse einer oberhalb der Frequenz des Funktionsgenerators (4) liegenden beliebigen Frequenz erzeugender Generator (11) vorgesehen ist, der mit dem 'XOder"-Eingang einer Simultanstufe (10) verbunden ist, dem auch differenzierte Impulse der Untersetzerstufe (5) und Stufe (12) zugeführt werden.
8. 8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Simultanstufe (10) mit den "Und"-Eingängen aller Umrichterendstufen (6, 7, 8, 9) verbunden ist.
9. 9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung des Laststromes bzw. der Lastspannung die Rampenspannung (sägezahnspsnnung) des Funktionsgenerators (4) in einer Additionsstelle (43) mit der Ausgangsspannung (Ust) eines Reglers (3), dem die Differenz einer Größtwertauswahl des Laststromes bzw.

   der Lastspannung (1) und einer Führungsgröße (2) zugeführt wird, verglichen wird und daß die entstehende algebraische Summe der Eingangssignale eine Impulsverschiebungsstufe (12) steuert, deren Ausgang den Steuerwinkel der Gleichrichter (6, 7) festlegt.
10. 10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß an den "Und" -Eingängen de Endstufen (6, 7, 8, 9) weitere Verknüpfungen, z.B. mit Überwachungseinrichtungen (13), vorgenommen werden.
11. 11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endstufen mit Zusatzeinrichtungen zur Potentialtrennung versehen sind.

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