DE3625011A1 - Einrichtung zur messung der wirkleistung in einem als schwingkreis ausgebildeten lastkreis eines statischen elektrischen umrichters - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Messung der Wirkleistung in einem als Schwingkreis ausgebildeten Lastkreis eines Umrichters, der aus einem gesteuerten Gleichrichter und einem daran angeschlossenen Wechselrichter mit in Brückenschaltung angeordneten, von einer Löschzeit-Regeleinrichtung gesteuerten elektronischen Schaltern besteht, wobei die Löschzeit-Regeleinrichtung als Ist-Werte die Spannung am Lastkreis und den dem Lastkreis zugeführten Strom erhält. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Umrichter dieser Art, bei denen der Lastkreis von einem Parallelschwingkreis gebildet wird und/oder die Gleichrichter von einem Strom- und Spannungsregler gesteuert werden und/oder im Zwischenkreis eine Glättungsdrossel angeordnet ist, und/oder die elektronischen Schalter Thyristoren sind.

Umrichter dieser Art sind bekannt. Um bei solchen Umrichtern die Wirkleistung im Lastkreis zu messen, ist es üblich, ein Kreuzspulmeßgerät einzusetzen, dem ein dem vom Wechselrichter an den Lastkreis gelieferten Strom proportionales Signal sowie ein der Spannung am Lastkreis proportionales Signal zugeleitet werden. Solche Kreuzspulmeßgeräte sind teuer und lassen sich bei niedrigen Frequenzen unter 50 Hz grundsätzlich nicht und bei hohen Frequenzen oberhalb 20 kHz wegen des bei den geforderten hohen Lastströmen erforderlichen Stromwandlers nicht einsetzen. Aber auch im mittleren Frequenzbereich ist der Einsatz von Stromwandlern problematisch, da Stromwandler, die bei den geforderten großen Lastströmen ein dem Laststrom proportionales Meßsignal liefern, teuer sind. Schließlich ist oft aus Raumgründen die Unterbringung eines solchen Stromwandlers am Wechselrichterausgang kaum oder nur unter großem Aufwand möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen statischen elektrischen Umrichter eine Einrichtung zur Messung der Wirkleistung zu schaffen, die bei vergleichsweise geringem Aufwand bezüglich des Frequenzbereiches in der Messung praktisch nicht begrenzt ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Eingänge eines Multiplizierers, dessen Ausgang an ein Anzeigegerät angeschlossen ist, mit einem Spannungssignalgeber für ein der Spannung am Lastkreis proportionales Signal und einem Stromsignalgeber für ein dem Eingangsstrom des Gleichrichters proportionales Signal verbunden sind, und daß ein Steuersignalgeber, dessen Steuersignal beim Null-Durchgang des dem Lastkreis zugeführten Stroms seine Polarität wechselt, den Multiplizierer derart steuert, daß er unter Berücksichtigung der Polaritäten des Steuersignals, des Stromsignals und des Spannungssignals aus den Produkten des Stromsignals und des Spannungssignals den arithmetischen Mittelwert bildet. Insbesondere ist vorgesehen, daß das vom Steuersignalgeber gelieferte Steuersignal einen konstanten Absolutwert hat und der Multiplizierer in Abhängigkeit von der Polarität dieses Steuersignals die Polarität des Steuersignals einstellt.

Bei der Erfindung werden drei Signale miteinander verknüpft und daraus ein Signal gewonnen, das in einem einfachen Anzeigegerät, z. B. einem Drehspulmeßgerät die Wirkleistung anzeigt. Zum Unterschied zu den beim Einsatz eines Kreuzspulmeßgerätes angewandten Meßverfahren werden nicht die Absolutwerte der Lastkreisspannung und des dem Lastkreis zugeführten Stroms unter Berücksichtigung der Polaritäten von Spannung und Strom miteinander verknüpft, sondern die Lastkreisspannung mit ihrem absoluten Wert und ihrer Polarität und der Absolutwert des dem Gleichrichter zugeführten Stroms unter Berücksichtigung der Polarität des dem Lastkreis zugeführten Stroms. Daß bei dieser Meßmethode der Absolutwert des dem Lastkreis zugeführten Stroms nicht berücksichtigt zu werden braucht, sondern stattdessen der Absolutwert des Eingangsstroms des Gleichrichters beruht darauf, daß diese beiden Ströme über einen Formfaktor miteinander verknüpft sind. Die vom Eingangsstrom des Gleichrichters nicht ableitbare, aber für die Wirkleistungserfassung bzw. für die Berücksichtigung der Blindleistung notwendige Information über die Phasenlagen von Lastkreisspannung und von dem dem Lastkreis zugeführten Strom wird durch die Erfassung der Polarität des dem Lastkreis zugeführten Stroms gewonnen. Dafür braucht lediglich der Null-Durchgang des Stroms exakt erfaßt zu werden. Das bedeutet, daß nicht länger aufwendige Stromwandler benötigt werden, die den dem Lastkreis zugeführten Strom proportional abbilden. Da demnach für die Erfassung des Eingangsstroms des Gleichrichters, der Lastkreisspannung und des Null-Durchgangs des dem Lastkreis zugeführten Stroms die ohnehin für den Stromspannungsregler des Gleichrichters und der Löschzeit-Regeleinrichtung vorgesehenen Signalgeber benutzt werden können, ist der für die erfindungsgemäße Einrichtung zur Wirkleistungsmessung erforderliche zusätzliche Aufwand gering.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 ein Schaltungsdiagramm eines Parallelschwingkreisumrichters mit einer Einrichtung zur Wirkleistungsmessung,

Fig. 2 ein Diagramm für den Strom und die Spannung eines Thyristors während des Umrichterbetriebes,

Fig. 3 ein Diagramm für den Strom und die Spannung in einer Diagonalen des Wechselrichters bzw. im Lastkreis und

Fig. 4 ein Spannungsdiagramm für den Integrator.

Ein Parallelschwingkreisumrichter besteht aus einem von einem Drehstromnetz gespeisten Gleichrichter 1, dem ein Strom- und Spannungsregler 2 zugeordnet ist, einer Glättungsdrossel 3 und einem Wechselrichter 4. Sowohl der Gleichrichter 1 als auch der Wechselrichter 4 sind thyristorisiert.

Ein als Parallelschwingkreis ausgebildeter Lastkreis 5 ist an dem in Brückenschaltung ausgeführten Wechselrichter 4 derart angeschlossen, daß er wechselweise von den Diagonalen des Wechselrichters 4 mit Strom I _w versorgt wird. Die den Zündelektroden der Thyristoren des Wechselrichters 4 zugeführten, die Umkommutierung einleitenden Zündimpulse werden von einem Zündimpulsgenerator 6 geliefert, der von einer Löschzeit-Regeleinrichtung 7 eingestellt wird.

Der trapezförmige Strom I _w zum Lastkreis 5 wird über einen Stromwandler 8 einem einen Diskriminator umfassenden Signalgeber 9 zugeführt, an dessen Ausgang ein Steuersignal i _st mit einem konstanten Absolutwert ansteht, dessen Polarität beim Null-Durchgang des Stromes I _w wechselt. Ein Spannungssignalgeber 10, der am Lastkreis 5 angeschlossen ist, liefert ein der Lastkreisspannung U _w proportionales Signal u _w . Aus diesem Signal u _w entwickelt ein Diskriminator 11 einen Steuerimpuls, der einem Integrator 12 zugeführt wird. Der Integrator 12 erhält darüber hinaus das Steuersignal i _st des Steuersignalgebers 9 und einen von den an die Thyristoren des Wechselrichters 4 gelieferten Zündimpulsen abgeleiteter Steuerimpuls. Der Integrator 11 liefert in Abhängigkeit von diesen Signalen das Ist-Wert-Signal für die Löschzeit an die Löschzeit-Regeleinrichtung 7, die außerdem ein Soll-Wert-Signal erhält.

In Fig. 2 ist der Strom- und Spannungsverlauf für einen Thyristor dargestellt. In der Zeit bis t ₁ führt der Thyristor Strom. Die Spannung U _Th am Thyristor ist in dieser Zeit Null. Zum Zeitpunkt t ₁ wird an die Thyristoren der Gegendiagonalen vom Zündimpulsgenerator 6 ein Zündimpuls geliefert, wodurch die Umkommutierung des Wechselrichters 4 eingeleitet wird. Der Strom I _Th im Thyristor fällt bis zur Zeit t ₃ auf Null und weiter bis zur Zeit t ₄ auf einen negativen Wert ab, um dann allmählich wieder Null zu werden. Die Spannung U _Th am Thyristor ist bis zum Zeitpunkt t ₄ Null. Zum Zeitpunkt t ₄ springt sie auf einen maximalen negativen Wert, um dann sinusförmig bis in den positiven Bereich anzusteigen. Der Null-Durchgang der Spannung U _Th liegt bei t ₅.

In Fig. 3 ist der Strom I _Th eines Thyristors und die zugehörige Spannung U _Th gestrichelt bzw. strichpunktiert noch einmal dargestellt, um den zeitlichen Zusammenhang mit dem zu messenden Strom I _w und der zu messenden Spannung U _w im Lastkreis zu verdeutlichen. Der Strom I _w zum und die Spannung U _w am Lastkreis sind in ausgezogenen Linien dargestellt.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, läßt sich der Null-Durchgang des Stromes I _Th zum Zeitpunkt t ₃, der für die Löschzeit t ₃ bis t ₅ maßgebend ist, nicht unmittelbar durch Messung des Wechselrichterstromes I _w und/oder der Wechselrichterspannung U _w erfassen, weil weder dieser Strom I _w noch diese Spannung U _w zu diesem Zeitpunkt markante Änderungen, wie einen Null-Durchgang, im Strom- und Spannungsverlauf haben. Dennoch läßt sich nach einer besonderen Methode der Zeitpunkt t ₃ ermitteln. Dieser Methode liegt der Gedanke zugrunde, daß die Ströme I _Th , und I _w in einem Thyristor einer Diagonalen und im Lastkreis 5 einen linearen Verlauf haben, die Steilheit des Verlaufs des Stroms I _w im Lastkreis aber doppelt so groß ist wie die Steilheit des Verlaufs des Thyristorstroms I _Th und schließlich der Zeitpunkt t ₃ für den Null-Durchgang des Thyristorstroms I _Th mit dem Ende der Umkummutierung des Stroms I _w im Lastkreis zusammenfällt. Das bedeutet, daß der Zeitpunkt t ₃ für den Null-Durchgang des Thyristorstroms I _Th und damit auch für das Ende der Umkummutierung doppelt so weit vom Zeitpunkt t ₁ des Beginns der durch den Zündimpuls eingeleiteten Umkummutierung entfernt ist, wie der Zeitpunkg t ₂ des meßtechnisch leicht erfaßbaren Null-Durchgangs des Stroms I _w im Lastkreis 5.

In Anwendung dieses erkannten Zusammenhangs geschieht die Erfassung der Löschzeit t ₃ bis t ₅ in der Weise, daß dem Integrator 12 als Startsignal ein von einem Zündimpuls des Zündimpulsgenerators 6 abgeleiteten Impuls für eine Integration in Richtung negativer Spannung geliefert wird. Diese Integration erfolgt mit konstantem Integranden. Sobald der Steuersignalgeber 9 zum Zeitpunkt t ₂ den Null-Durchgang des Stroms I _w im Lastkreis feststellt und sein im Absolutwert konstantes Ausgangssignal damit die Polarität wechselt, wird der Integrator 12 zur Umkehrung der Integration in positiver Spannungsrichtung veranlaßt. Der Absolutwert des Integranden wird dabei beibehalten. Diese Integration wird mittels eines vom Diskriminator 11 gelieferten Impulses zum Zeitpunkt t ₅ gestoppt, wenn der Diskriminator 11 den Null-Durchgang der Spannung U _w am Lastkreis feststellt. Der Null-Durchgang der Spannung des Integrators 12 zum Zeitpunkt t ₃ entspricht wegen der linearen Ab- und Aufwärtsintegration exakt dem Null-Durchgang des Stromes I _Th im Thyristor, so daß der vom Null-Durchgang t ₃ bis zum Zeitpunkt t ₅ der Integration angewachsene Spannungswert exakt der tatsächlichen Löschzeit des Thyristors entspricht. Dieses Spannungssignal gelangt als Ist-Wert-Signal auf die Löschzeit-Regeleinrichtung 7.

Diese Art der Erfassung der Löschzeit in einer Diagonalen wird entweder von Halbperiode zu Halbperiode oder über mehrere Halbperioden durchgeführt, wobei dann der Mittelwert der ermittelten, einzelnen Ist-Werte gebildet wird, um danach zum Erhalt der als Soll-Wert vorgegebenen Löschzeit eine Änderung der Zündimpuls-Folgefrequenz durchzuführen. Der soweit beschriebene Umrichter, insbesondere die Steuerung dieses Umrichters, ist aus der DE-PS 32 37 716 bekannt.

Um bei inem solchen Umrichter die Wirkleistung zu erfassen, ist ein Multiplizierer 12 vorgesehen, der unter Berücksichtigung der bei t ₂ wechselnden Polarität des dem Lastkreis 5 zugeführten Stroms I _w die Augenblickswerte des dem Gleichrichter 1 zugeführten Stroms und der Spannung U _w am Lastkreis 5 multipliziert und aus den so gebildeten Produkten über die Zeit den arithmetischen Mittelwert bildet, der das an ein Anzeigegerät (Drehspulmeßgerät) 16 gelieferte Signal für die Wirkleistung repräsentiert. Zu diesem Zweck sind die beiden Eingänge für das Spannungssingal U _w und das Stromsignal u _IG mit dem Signalgeber 10 und einem eine Strommeßeinrichtung umfassenden Signalgeber 13 am Eingang des Gleichrichters 1 verbunden. Der Signalgeber 13 liefert ein Gleichspannungssignal u _IG das über einen Formfaktor mit dem dem Lastkreis 5 zugeführten Strom I _w verknüpft ist. Zur Berücksichtigung des Formfaktors liegt in der zum Multiplizierer 12 führenden Signalleitung ein Gerät 14 zur Einstellung des Formfaktors. Die für den Formfaktor maßgeblichen, bekannten Werte lassen sich auf das Gerät 14 aufschalten. Neben dem dem Eingangsstrom des Gleichrichters 1 proportionalen Signal u _IG und dem der lastkreisspannung proportionalen Signal U _w erhält der Multiplizierer 12 das in der Polarität phasengleich mit dem dem Lastkreis zugeführten Strom I _w wechselnde Steuersignal i _s .

Der Multiplizierer 12 multipliziert die Augenblickswerte der von den Signalgebern 10, 13 gelieferten spannungs- und stromabhängigen Signale i _s , u _IG , wobei die Phasenverschiebung zwischen der Lastkreisspannung U _w und dem dem Lastkreis zugeführten Strom I _w dadurch berücksichtigt wird, daß der Multiplizierer 12 auch das vom Steuersignalgeber 9 gelieferte, vom Null-Durchgang des dem Lastkreis 5 zugeführten Stroms abhängige Signal i _s auswertet. Da der Multiplizierer 12 somit nicht nur unmittelbar über den Null-Durchgang der Wechselrichterspannung U _w , sondern auch über den Null-Durchgang des Wechselrichterstroms I _w informiert ist, stehen ihm alle Informationen für die Bildung eines der Wirkleistung entsprechenden Signals, das er an ein Anzeigegerät (Drehspulmeßgerät) 16 liefert, zur Verfügung. Im einzelnen geschieht die Bildung des Ausgangssignals für das Anzeigegerät 15 in der Weise, daß das in seinem Absolutwert konstante, in der Polarität aber wechselnde Signal i _s mit dem vom Stromsignalgeber 13 gelieferten Stromsignal u _IG multipliziert wird. Das derart modifizierte in seiner Polarität sich mit dem dem Lastkreis zugeführten Strom I _w synchron ändernde Signal wird anschließend mit dem der Lastkreisspannung U _w proportionalen Signal multipliziert. Diese Multiplikationen führen dazu, daß bis zum Zeitpunkt t ₂, dem Null-Durchgang des dem Wechselrichter zugeführten Stroms die miteinander zu multiplizierenden Signale die gleiche Polarität haben, während in der Zeitphase von t ₂ bis t ₅ die miteinander zu multiplizierenden Signale polaritätsungleich sind, während zum Zeitpunkt t ₅ die Signale wieder die gleiche Polarität haben. Durch arithmetische Mittelbildung der positiven und negativen Produkte aus den Augenblickswerten der Lastkreisspannung und des durch die Polarität des Eingangsstroms des Lastkreises modifizierten Eingangsstroms des Gleichrichters 1 wird ein Meßwert erhalten, der ein Maß für die Wirkleistung ist und als Ausgangssignal an das Anzeigegerät 15 geliefert wird.

Claims (3)

1. Einrichtung zur Messung der Wirkleistung in einem als Schwingkreis ausgebildeten Lastkreis eines Umrichters, der aus einem gesteuerten Gleichrichter und einem daran angeschlossenen Wechselrichter mit in Brückenschaltung angeordneten, von einer Löschzeit-Regeleinrichtung gesteuerten elektronischen Schaltern besteht, wobei die Löschzeit-Regeleinrichtung als Ist-Werte die Spannung am Lastkreis und den dem Lastkreis zugeführten Strom erhält, dadurch gekennzeichnet, daß
die Eingänge eines Multiplizierers (12), dessen Ausgang an ein Anzeigegerät (15) angeschlossen ist, mit einem Spannungssignalgeber (10) für ein der Spannung (U _w ) am Lastkreis (5) proportionales Signal (u _w ) und ein dem Stromsignalgeber (13) für den Eingangsstrom des Gleichrichters (1) proportionales Signal (u _IG ) verbunden sind und daß ein Steuersignalgeber (9), dessen Stromsignal (i _s ) beim Null-Durchgang des den Lastkreis zugeführten Stroms (I _w ) seine Polarität wechselt, den Multiplizierer (12) derart steuert, daß er unter Berücksichtigung der Polaritäten des Steuersignals (i _s ), des Stromsignals (u _IG ) und des Spannungssignals (u _w ) aus den Produkten des Stromsignals (u _IG ) und des Spannungssignals (u _w ) den arithemtischen Mittelwert bildet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Steuersignalgeber (9) gelieferte Steuersignal (i _s ) einen konstanten Absolutwert hat und der Multiplizierer (12) in Abhängigkeit von der Polarität dieses Steuersignals (i _s ) die Polarität des Stromsignals (u _IG ) einstellt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Signalleitung vom Steuersignalgeber (13) zum Multiplizierer (12) ein Gerät (14) zur Einstellung des Formfaktors zwischen dem Eingangsstrom des Gleichrichters (1) und des dem Lastkreis (5) zugeführten Stroms (I _w ) liegt.