DE2641199A1

DE2641199A1 - Stromrichter

Info

Publication number: DE2641199A1
Application number: DE19762641199
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl Ing Skoog
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1975-09-24
Filing date: 1976-09-14
Publication date: 1977-04-07
Also published as: GB1551996A; US4119897A; SE393909B; SE7510689L; CA1062327A

Description

Stromrichter

Die Erfindung betrifft einen Stromrichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

/spannung
Die Gleich U, . eines in bekannter Weise gesteuerten

Stromrichters erhält man im Prinzip aus der Gleichung

^udor ^ud · ^cos<*

wobei ot der Steuerwinkel ist und U, die Gleichspannung, die man fürt* = 0 erhält. Eine maximale Gleichspannung im Gleichrichterbetrieb (O^oC^9O°) erhält man theoretisch bei ot * 0 und eine maximale Gleichspannung im Wechselrichterbetrieb (90%tli80^oC) beioC= 180°. In der Praxis ist der Steuerwinkel jedoch mit Rücksicht auf die Kommutierung stets sowohl nach oben wie unten auf bestimmte Werte begrenzt. Der Steuerwinkel cA ist also bei bekannten Stromrichtern verstellbar zwischen einem Mindestwert φ. J₁₁I_n ¹¹¹¹Cl einem Höchstöchstwert d _max

wert cC ♦ ^Die Begrenzung auf einen Höchstwert d _max ist

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deshalb erforderlich, weil der Kommutierungsvorgang bereits in einem gewissen Abstand vor dem Nulldurchgang der Kommutierungsspannung beendet sein muß und das erlöschende Stromrichterventil spätestens beim Nulldurchgang der Kommutierungsspannung, also bei o(. = 180°, eine Sperrspannung aufzunehmen im Stande sein muß. Die für den Kommutierungsvorgang erforderliche Zeit nimmt mit dem Laststrom des Stromrichters zu. ö(_max niuß daher so niedrig gewählt werden, daß der größte vorkommende Strom des Stromrichters mit Sicherheit kommutiert werden kann. Bei typischen Stromrichtern bedeutet dies, daß <oC„„„

/flax

verhältnismäßig niedrig gewählt werden muß. Bei bekannten Stromrichtern liegt oC beispielsweise bei 140°. Dies bedeutet, daß die maximal mögliche Gleichspannung U, im Wechselrichterbetrieb wesentlich unterschritten wird.

Bei dem typischen Anwendungsfall der Speisung und Regelung eines Gleichstrommotors über einen Stromrichter muß der Stromrichter so dimensioniert werden, daß seine höchste Gleichspannung im Wechselrichterbetrieb (|U_d* ⁰⁰³⁰^v_nO_xI) die maximal im Motor induzierte elektromotorische Kraft (EMK) übersteigt. Dies ist erforderlich, damit der Motorstrom unter allen Umständen auf Null heruntergesteuert werden kann. Für übliche Motordaten bedeutet dies, daß ein bekannter Stromrichter praktisch unter allen Betriebsbedingungen stark überdimensiioniert sein muß, er also schlecht ausgenutzt ist.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stromrichter der eingangs genannten Art in der Weise fortzuentwickeln, daß seine Ausnutzung besser als bisher ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Stromrichter nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, der erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.

Anhand der Figuren soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Beschaltung eines Stromrichters nach der Erfindung,

Fig. 2 die Begrenzung des Steuerwinkels und somit der Gleichspannung des Stromrichters in Abhängigkeit von der EMK der Last,

Fig. 3 ι wie der Strom des Stromrichters in Abhängigkeit von der oberen Begrenzung des Steuerwinkels nach oben hin begrenzt ist.

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Fig. 1 zeigt einen steuerbaren Stromrichter SR, der als Wechselrichter arbeiten kann. Der Stromrichter kann von beliebiger Art sein. Es kann sich z.B. um einen bekannten brückengeschalteten Stromrichter handeln, bei dem in allen Brückenzweigen Thyristoren liegen. Die Wechselspannungsanschlüsse AC des Stromrichters sind an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen, z.B. ein normales Wechselspannungsnetz, und die Gleichspannungsanschlüsse EC sind an eine Last angeschlossen. Im Ausführungsbeispiel besteht die Last aus dem Ankerkreis eines Gleichstrommotors M, dessen Drehzahl mit Hilfe des Stromrichters gesteuert wird. Dieser ist mit einem an sich bekannten Regelsystem zur Drehzahlregelung des Motors versehen. Ein Tachometergenerator TG ist mechanisch an den Motor gekuppelt und erzeugt ein der Motordrehzahl proportionales Signal n. Von einem Sollwertgeber 1, der schematisch durch ein gleichspannungsgespeistes Potentiometer dargestellt ist, wird ein einstellbarer Drehzahlsollwert n_r abgenommen. Dieser wird im Vergleichsglied 2 mit der Drehzahl η verglichen, und die Differenz wird dem Drehzahlregler 3 zugeführt, der, wie in der Figur angedeutet, in bekannter Weise eine PI-Charakteristik haben kann. Das Ausgangssignal I des Reglers ist der Sollwert für den Stromrichterstrom. Er ist nach oben auf einen Wert I begrenzt, der vom Funktionsgenerator 13 bestimmt wird. Der Stromsollwert wird einem Vergleichsglied 5 zugeführt. Über einen Stromwandler 9 und einen Gleichrichter 10 erhält man ein

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dem Gleichstrom I des Stromrichters entsprechendes Signal. Die Differenz zwischen I und I wird einem Stromregler 6 zugeführt, der ebenso wie der Drehzahlregler 3 eine PI-Charakteristik haben kann. Das Ausgangssignal des Reglers 6 wird in der nachstehend näher beschriebenen Weise nach unten auf den Wert Ug ⁿ begrenzt. Das begrenzte Ausgangssignal Ug wird dem Steuergerät 8 des Stromrichters zugeführt und bestimmt die Gleichspannung des Stromrichters, die auch mit U_g bezeichnet wird. Wie oben erwähnt, ist es bereits bekannt, den Steuerwinkel eines Stromrichters nach unten auf einen bestimmten Wert C^_m4_n) und nach oben auf einen anderen bestimmten Wert (o( _max) ²^ begrenzen. Dies ist (bei konstanter Speisewechselspannung) dasselbe, als wenn man die Gleichspannung des Stromrichters nach oben auf einen Wert U,* ^cos °^min "¹^* ^nac^ ^un^^en einen Wert U^'coscC begrenzt.

Gemäß der Erfindung ist nun die untere Begrenzung für die Gleichspannung, d.h. die obere Begrenzung für den Steuerwinkel, in Abhängigkeit von der EMK der Last variierbar. Diese EMK kann in dem gezeigten Fall, bei dem die Last ein Motor ist, auf verschiedene Weise festgestellt werden. Eine Möglichkeit besteht darin, die Spannung an der Last zu messen und von dieser die inneren resistiven und induktiven Spannungsfälle des Motors zu subtrahieren. Normalerweise sind diese Spannungsfälle bei mäßigen Stromänderungsge-. schwindigkeiten so klein oder kurzzeitig, daß sie in diesem Zusammenhang vernachlässigt werden können, so daß die Motor-

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spannung als ein Maß für die EMK des Motors verwendet werden kann. Dieser Fall ist in Fig. 1 gezeigt. Die Motorspannung U„ wird von einem Spannungsmeßglied 11 gemessen, welches ein der Spannung proportionales Signal geeigneter Größe abgibt. Das Meßglied 11 kann beispielsweise ein Spannungsteiler sein. Wenn erforderlich, kann das Meßsignal über ein Tiefpaßfilter filtriert werden, dessen Zeitkonstante so gewählt wird, daß die kurzzeitigen induktiven Spannungsfälle ausgefiltert werden, während die langsameren Änderungen der EMK des Motors nicht vom Filter beeinflußt werden. Gewisse Motoren sind mit besonderen Anschlüssen versehen, die so angeordnet sind, daß man an ihnen eine Meßspannung erhält, aus welcher die inneren induktiven Spannungsfälle eliminiert sind. Diese Spannung ist also ein besseres Maß für die EMK des Motors als die Ankerspannung.

Auch andere Arten zur Messung der EMK des Motors können bei der Erfindung angewandt werden. Wenn gewünscht, kann die EMK des Motors in jedem Augenblick einfach aus der gemessenen Ankerspannung und dem gemessenen Strom berechnet werden, indem die resistiven und induktiven inneren Spannungsfälle errechnet und von der Ankerspannung subtrahiert werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, \ einen Multiplikator vorzusehen, der das Produkt aus den die Drehzahl des Motors und seinem magnetischen Fluß abbildenden Größen bildet. Dieses Produkt ist der EMK des

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Motors proportional.

Das der EMK des Motors entsprechende Signal U^ wird einem Funktionsgenerator 12 zugeführt. Der Funktionsgenerator bildet ein von U_M abhängige Signal Ug ⁿ , das dem Stromregler 6 in der Weise zugeführt wird, daß die untere Grenze der Stromrichterspannung dem Wert Ug folgt. Die Wirkungsweise des Funktionsgenerators 12 soll nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 2 näher beschrieben werden.

Das Signal Ug wird einem zweiten Funktionsgenerator 13 zugeführt, der ein von U? abhängiges Signal I____ erzeugt,

das dem Stromregler 3 in der Weise zugeführt wird, daß der /wert

Stromsoll I nach oben auf den Wert I begrenzt wird. Die Wirkungsweise des Funktionsgenerators 13 soll nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 3 näher beschrieben werden.

Fig. 2 zeigt die Gleichspannung Ug des Stromrichters als Funktion der EMK U_M des Motors (die inneren Spannungsfälle im Motor und Stromrichter sind dabei vernachlässigt). Die theoretische Höchstspannung des Stromrichters ist +U, und seine theoretische Mindestspannung -U,. Aus den oben genannten Gründen wird c^ zweckmäßigerweise auf einen Wert von (X. .begrenzt, und U_g kann dann den Wert U,* cos ^_min nicht übersteigen. Auf gleiche Weise wird bei der Erfindung^ nach oben auf einen festen Wert ^_3x begrenzt. Dieser wird so

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nahe wie möglich an 180° gelegt, und sein Wert wird

dadurch bestimmt, daß ein bestimmter Strom, der nur einen Teil des vollen BelastungsStroms beträgt (eventuell Null), kommutiert werden kann.

Diese oberen und unteren Grenzen für U_g sind in Fig. 2 durch waagerechte Linien kenntlich gemacht.

Bei kontinuierlichem Strom ist Ug = U_M, und dieser Zusammenhang ist durch die vollausgezogene Linie Ug (I = kont) in der Figur dargestellt. Der Stromrichter muß so gesteuert werden können, daß der Motorstrom I Null oder nahezu Null wird. Es ist dann notwendig, daß der Mittelwert der Stromrichterspannung unter der EMK des Motors liegt, und in der Praxis muß der Stromrichter, u.a. aufgrund der Forderungen an Herunterforcierung, auf eine etwas niedrigere Spannung gesteuert werden können, beispielsweise entsprechend der Kurve A in der Figur.

Der Wert UI entspricht dem Steuerwinkel, bei dem das Kommutierungsvermögen dem vollen Belastungsstrom entspricht.

Das Ausgangssignal Ug ⁿ des Funktionsgenerators 12 folgt bei zunehmendem U_M zuerst der waagerechten Linie U, · cosöC Zwischen UjJ₁ 'und UjJ₁ folgt es der Kurve A, und für U_M nimmt es den Wert UI an.

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Indem man die obere Steuerwinkelbegrenzung in oben beschriebener Weise variabel und abhängig von der EMK der Last macht, gewinnt man eine bessere Ausnutzung des Stromrichters als bisher.

Es kann von Vorteil sein, außerdem die Stromgrenze des Stromrichters in Abhängigkeit von Ug ⁿ variabel zu machen. Hierdurch kann man sicherstellen, daß der Laststrom niemals den höchsten Strom, der kommutiert werden kann, überschreitet. Fig. 3 zeigt ein Beispiel, wie das Ausgangssignal I___- des Funktionsgenerators 13 beschaffen sein kann, um in Abhängigkeit vom Eingangssignal Ug zu variieren. Bei federn Steuerwinkel ist I__„ so gewählt, daß er kleiner oder genau so groß ist, wie der höchste Strom, der bei dem betreffenden Steuerwinkel kommutiert werden kann. I____ wächst in dem Beispiel zunächst linear mit zunehmendem Ugⁱⁿ an, bis bei Ugⁱⁿ= U_g I_max = ΐ, wobei I der höchste erwartete Belastungsstrom des Stromrichters ist.

Da I_max eine Funktion von Ug ⁿ ist, die wiederum eine Funktion von U_M ist, kann man, falls gewünscht, I_max direkt aus Ujy, erhalten.

In Fig. 1 wird die variable obere Begrenzung des Steuerwinkels dadurch erhalten, daß die untere Begrenzung der Steuerspannung U_g varriert wird. Alternativ kann man die

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variable Steuerwinkelbegrenzung dadurch erhalten, daß ein der EJyTK der Last entsprechendes Signal (U_M) dem Steuergerät (8) des Stromrichters zugeführt wird und dort die Schaltungsglieder beeinflussen kann, die den Steuerwinkel bilden und begrenzen, so daß man die gewünschte Abhängigkeit der oberen Steuerwinkelgrenze von der EMK der Last erhält.

Die Funktionsgeneratoren 12 und 13 können in an sich bekannter Weise aufgebaut sein, beispielsweise mit Hilfe von Operationsverstärkern und vorgespannten Diodenkreisen.

Die Erfindung wurde vorstehend im Zusammenhang mit einem Einfachstromrichter beschrieben. Man erhält dieselben Vorteile, wenn man die Erfindung beispielsweise bei einem Doppelstromrichter zum Vierquadrantenantrieb eines Motors oder bei einem sequenzgesteuerten Stromrichter verwendet, d.h. einem Stromrichter, der eine Anzahl gleichstrommäßig in Reihe geschalteter Teilstromrichter enthält, die sukzessiv ausgesteuert werden.

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Claims

Patentansprüche

1. Stromrichter zum wechselstromseitigen Anschluß an eine Wechselspannungsquelle und gleichstromseitigen Anschluß an eine Last mit variierender eigener EMK mit Steuergliedern zur Steuerung der Gleichspannung des Stromrichters zwischen einem Höchstwert (U,* ^cos(^_m-t_n) und einem Mindestwert (Ugⁱⁿ), dadurch gekennzeichnet, daß der Stromrichter Glieder zur Messung einer der EMK der Last entsprechenden Größe (U„) sowie Glieder enthält, die in Abhängigkeit von der gemessenen Größe den

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Mindestwert (Ug ) der Gleichspannung des Stromrichters steuern.

2, Stromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Mindestwert (U_g ) nach oben auf einen Wert (Ug) begrenzt ist, bei dem das Kommutierungsvermögen des Stromrichters mindestens genau so groß ist, wie der erwartete maximale Gleichstrom (I) der Last.

3. Stromrichter nach Anspruch 1 oder 2, der mit strombegrenzenden Gliedern zur Begrenzung des Gleichstroms auf einen Höchstwert (I__e__) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Glieder (3) den Höchstwert (I_max) in Abhängigkeit von dem Mindestwert (Ugⁱⁿ) der Gleichspannung steuern.

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4. Stromrichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die strombegrenzenden Glieder (3) mit zunehmendem Mindestwert (U^min ) den Höchstwert (I_m_„) des Gleichstroms

ö ISaX

erhöhen.

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