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DE4037531C2 - Verfahren zur Steuerung von Gleichrichtern - Google Patents

Verfahren zur Steuerung von Gleichrichtern

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DE4037531C2
DE4037531C2 DE4037531A DE4037531A DE4037531C2 DE 4037531 C2 DE4037531 C2 DE 4037531C2 DE 4037531 A DE4037531 A DE 4037531A DE 4037531 A DE4037531 A DE 4037531A DE 4037531 C2 DE4037531 C2 DE 4037531C2
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Alstom Transportation Germany GmbH
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DaimlerChrysler Rail Systems GmbH
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Description

TECHNISCHES GEBIET
Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Verfahren zur Steuerung von Gleichrichtern nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
STAND DER TECHNIK
Mit dem Oberbegriff nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik Bezug, wie er aus der deutschen Zeitschrift: Elektrische Bahnen, 45. Jahrgang, Heft 6, 1974, S. 135-­ 142, bekannt ist. Dort wird eine elektrische Speisung von Triebfahrzeugen mit Drehstromantrieb beschrieben, bei der 2 Vierquadrantensteller über je eine Transformatorsekundärwicklung netzseitig parallelgeschaltet sind und auf einen gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis arbeiten. Man erreicht dadurch, dass die Oberschwingungen der Netzströme auf der Sekundärseite um 180° elektrisch gegeneinander verschoben sind und sich damit auf der Primärseite durch die Summenbildung weitgehend kompensieren.
Wenn in einem Zug mehrere Lokomotiven fahren und jede Lokomotive mehrere Umrichter zur Speisung von Asynchronmaschinen aufweist, so kann es infolge einer fast gleichzeitigen Taktung aller beteiligten Vierquadrantensteller durch die taktfrequenzbedingten Oberschwingungen zu einer unzulässig hohen Verzerrung der Eingangswechselspannung kommen. Dabei kann eine Netzbelastung von 20 MW auftreten. Die Spannungsspitzen auf der Netzspannung können einige kV betragen, was zu Stromabschaltungen führen kann.
Aus dem Konferenzbericht von T. Seger und M. Wächter, Direct Digital Control of Four-Quadrant Power Converter, Second European Conference on Power Electronics and Applications, EPE 1987, Grenoble, 22.-24. September, Vol. 1, S 123-128, ist es bekannt, je Lokomotive Re 4/4 mit 4 Antriebsachsen einen 1. Mikroprozessor zur Synchronisierung der Vierquadrantensteller mit der Netzfrequenz sowie zur Spannungsregelung und einen 2. Mikroprozessor zur unterlagerten Stromregelung und Pulsbreitenmodulation der GTO-Thyristoren der Vierquadrantensteller zu verwenden. Parallel zu dem Stromregelkreis ist eine Schaltung zur Kompensation von Streuinduktivitäten vorgesehen, die im wesentlichen vom Netztransformator herrühren.
Auch hier werden alle Umrichter der Lokomotive gleich getaktet.
Die US 4,663,702 betrifft demgegenüber ein gattungsgemäßes Verfahren, bei dem in einem gemeinsamen Verbund angeordnete, zentral angesteuerte Vierquadrantensteller nach einem vorgegebenen, von der Anzahl der Vierquadrantensteller abhängigen Schema mit unterschiedlicher Phasenlage getaktet werden, um die Verzerrung der Eingangswechselspannung zu reduzieren.
Dieses Verfahren weist jedoch den Nachteil auf, dass eine vergleichsweise aufwändige Verbindung zwischen den die einzelnen Vierquadrantensteller tragenden Fahrzeugen vorhanden sein muss, um die zentral generierten Steuersignale zu den einzelnen Vierquadrantenstellern zu übertragen und den Taktversatz zu realisieren.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Der vorliegenden Erfindung liegt vor diesem Hintergrund die Aufgabe zu Grunde, ein gattungsgemäßes Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches in einfacher Weise eine flexible und zuverlässige Reduzierung der Verzerrungen der Eingangswechselspannung gewährleistet.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass bei einem gleichzeitigen Betrieb mehrerer Gleichrichter keine unzulässigen Spannungsspitzen auf der Netzspannung auftreten, die taktfrequenzbedingt sind. Unerwünschte Netzabschaltungen können vermieden werden.
Gemäss der Erfindung können mehrere Gleichrichter ohne gegenseitigen Informationsaustausch phasenversetzt betrieben und somit die unerwünschten Auswirkungen der Oberschwingungen gering gehalten werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei­ spielen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 3 Fahrzeug-Antriebseinheiten mit je einem Umrichter aus 2 Gleichrichtern, einem Gleichspannungszwischenkreis und einem Wechselrichter zur Speisung 2er Asynchronmaschinen,
Fig. 2 eine Gleichrichter-Regelschaltung für die Gleichrichter gemäss Fig. 1 und
Fig. 3 ein Signaldiagramm zur Erläuterung der phasenverschobenen Taktung der Gleichrichter gemäss Fig. 1.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Fig. 1 zeigt 3 Lokomotiven (L1-L3), die über Strombügel (2) von einem Stromnetz bzw. einer gemeinsamen Fahrleitung (1) mit einer 1phasigen Wechselspannung von 15 kV und einer Frequenz von 16 2/3 Hz gespeist sind. In der Lokomotive (L1) ist eine Drehgestell- oder Fahrzeug-Antriebseinheit (3­ -7) dargestellt mit einem Netztransformator (3), der 2 Sekundärwicklungen aufweist, einem Umrichter (4) und 2 Asynchronmaschinen (5, 6), die von dem Umrichter (4) gespeist sind. Jede Lokomotive (L1-L3) weist 2 derartige Fahrzeug-Antriebseinheiten (3-7) auf. Der Übersichtlichkeit halber ist nur eine in der Lokomotive (L1) dargestellt.
Der Umrichter (4) weist 2 Gleichrichter bzw. Vierquadrantensteller (GR1, GR2) auf, die über einen Gleichspannungszwischenkreis (ZK) mit einem Wechselrichter (WR) verbunden sind. Die Gleichrichter (GR1, GR2) sind durch Zünd- bzw. Steuersignale (St1, St2) gesteuert, die von einer Gleichrichter-Regelschaltung (7) geliefert werden. Mit (UN) ist die an der Primärseite des Netztransformators (3) anliegende Netzspannung von 15 kV bezeichnet. Die Sekundärwicklungen des Netztransformators (3) weisen Streuinduktivitäten (Lσ) auf. Mit (IQ1) und (IQ2) sind Wechselströme am Eingang der Gleichrichter (GR1, GR2) bezeichnet. Der Gleichspannungszwischenkreis (ZK) weist einen Saugkreis zur Dämpfung von Oberschwingungen mit einer Reihenschaltung aus einem Saugkreiskondensator (Cs) und einer Saugkreisdrossel (Ls) auf, ferner 2 in Reihe geschaltete Zwischenkreiskondensatoren (C1, C2), wobei zu jedem Zwischenkreiskondensator (C1, C2) eine Reihenschaltung aus einem Thyristor und einem Widerstand zum Überspannungsschutz parallelgeschaltet ist. (UZ) bezeichnet die Zwischenkreisspannung.
Die Lokomotiven (L1) und (L2) fahren in einem gemeinsamen Zug und sind über einen Datenbus (8) miteinander verbunden, während die Lokomotive (L3) mit den anderen beiden Lokomotiven nicht verbunden ist.
Fig. 2 zeigt ein Schaltbild der Gleichrichter- Regelschaltung (7). Der Übersichtlichkeit halber sind nachfolgend physikalische Grössen und davon abgeleitete Signale gleich bezeichnet. Einem nichtnegierenden Eingang eines Summierers (21) ist ein vorgebbares Sollwertsignal (UZS) für die Zwischenkreisspannung (UZ) und einem negierenden Eingang das Istwertsignal der Zwischenkreisspannung (UZ) zugeführt. Ausgangsseitig ist der Summierer (21) über einen Proportional-Integral- bzw. PI-Regler (22) mit Faktoreingängen (x) von Multiplizierern (11, 18, 23, 28) verbunden.
Ein Sinus-Cosinus-Generator (16), dem eingangsseitig ein zur Netzspannung (UU) proportionales Signal zugeführt ist, liefert ausgangsseitig ein Signal sinωt an Faktoreingänge (y) der Multiplizierer (11) und (23) und an Drehglieder bzw. Winkeldreher (10, 17) sowie ein Signal cosωt an Faktoreingänge (y) der Multiplizierer (18) und (28). ω bedeutet die Kreisfrequenz des Wechselstromes der Fahrleitung (1). Ein Mikroprozessor (9), der eingangsseitig über den Datenbus (8) mit der Lokomotive (L2) verbunden ist, liefert ausgangsseitig Drehwinkel- bzw. Phasenwinkelsignale (ϕ) und (ϕ'), die gegenseitig um 180° phasenverschoben sind, an die Winkeldreher (10) bzw. (17). Falls der Umrichter (4) 3 Gleichrichter aufweisen sollte, würde die gegenseitige Phasenverschiebung 360°/3 = 120° betragen, bei 4 Gleichrichtern 360°/4 = 90° usw. Der Winkeldreher (10) liefert ausgangsseitig ein Signal sin(ωt + ϕ) an einen Pulsbreitenmodulator (15), der ausgangsseitig das Steuersignal (St1) für den Gleichrichter (GR1) liefert. Der Winkeldreher (17) liefert ein entsprechendes Signal mit dem Phasenwinkel (ϕ') an einen Pulsbreitenmodulator (27), der ausgangsseitig das Steuersignal (St2) für den Gleichrichter (GR2) liefert.
Die Multiplizierer (11) und (23) liefern Sollwertsignale (IQS1) bzw. (IQS2) für die Wechselströme (IQ1) bzw. (IQ2) an nichtnegierende Eingänge von Summierern (12) bzw. (24), deren negierenden Eingängen die Istwerte der Wechselströme (IQ1) bzw. (IQ2) zugeführt sind. Ausgangsseitig sind die Summierer (12) bzw. (24) über Stromregler bzw. PI-Regler (13) bzw. (25) mit negierenden Eingängen von Summierern (14) bzw. (26) verbunden. Diese beiden Schaltungszweige stellen Korrekturzweige zur Kompensation von Ungenauigkeiten in der Transformatormodellbildung dar. Ausgangsseitig sind die Summierer (14) bzw. (26) mit den Pulsbreitenmodulatoren (15) bzw. (27) verbunden.
Die Multiplizierer (18) bzw. (28) sind ausgangsseitig über Koeffizienten-Multiplizierer (19) bzw. (29) mit negierenden Eingängen der Summierer (14) bzw. (26) verbunden, deren nichtnegierenden Eingängen ein der Netzspannung (UN) proportionales Signal zugeführt ist. Die Koeffizienten- Multiplizierer (19) und (29) multiplizieren den jeweiligen Eingangswert mit dem Wert der Kreisfrequenz (ω) und der Streuinduktivität (Lσ).
Bei der in Fig. 2 dargestellten Schaltung handelt es sich um eine Spannungsregelung mit unterlagerter Stromregelung, bei der die Phasenlage der ausgangsseitigen Steuersignale (St1, St2) wesentlich durch die Phasenwinkel (ϕ, ϕ') bestimmt wird. Für jeden Umrichter (4) einer Lokomotive (L1, L2, L3) wird der Verschiebungswinkel zum Periodenbeginn, bezogen auf die 360° der Netzperiode, bzw. der Phasenwinkel (ϕ) im Mikroprozessor (9) berechnet gemäss:
ϕ = [(nx - 1).lmax! + (lx - 1).lmax!/lv + z.lmax!/lv]­ .180/[m.p.(n + lmax!)]
mit: nx = Nummer des Umrichters, n = Anzahl der Umrichter, lmax = maximale Anzahl von Umrichterkleinverbunden, lx = Nummer des Umrichterkleinverbundes, lv = Anzahl von Umrichterkleinverbunden in einem Umrichtergrossverbund, m = Anzahl Gleichrichter oder Vierquadrantensteller je Umrichter, p = Anzahl Taktungen je Wechselrichterperiode, Pulsigkeit des Netzkreises, z = Zufallszahl mit 0 ≦ z < 1.
Ein Umrichterkleinverbund bedeutet dabei z. B. eine Lokomotive, die 2 Drehgestelle bzw. Umrichter aufweist. Ein Umrichtergrossverbund bedeutet z. B. einen Zug mit maximal 4 im Verbund fahrenden Lokomotiven. nx kann ganzzahlige Werte zwischen 1 und n annehmen. p ist z. B. 12. z kann z. B. in Abhängigkeit vom der Betriebsdauer, d. h. vom zufälligen Einschaltzeitpunkt der Lokomotive (L1, L2, L3) gewählt werden. Der Summand z.lmax!/lv muss zu einer ganzen Zahl abgerundet werden.
Üblicherweise werden die Einschaltzeitpunkte für die Thyristoren der Gleichrichter (GP1, GR2) durch Schnittpunkte einer Sinuskurve mit einer Dreieck- bzw. Sägezahnkurve bestimmt. Diese Kurven und deren Schnittpunkte können mittels des Mikroprozessors (9) simuliert bzw. errechnet werden.
Fig. 3 zeigt simulierte Dreieckkurven zur Veranschaulichung der Erzeugung der unterschiedlichen Phasenlagen für unterschiedliche Umrichter (4). Auf der Ordinate ist eine Spannung (U) und auf der Abszisse eine Zeit (t) aufgetragen. Die Dreieckkurve (D1) ist z. B. dem Phasenwinkel (ϕ) zur Steuerung des Gleichrichters (GR1) zugeordnet und die um 180° dazu versetzte Dreieckkurve (D1') dem Phasenwinkel (ϕ') zur Steuerung des Gleichrichters (GR2). Den beiden nicht dargestellten Gleichrichtern des 2. Umrichters derselben Lokomotive (L1) sind die phasenverschobenen Dreieckkurven (D2) und (D2') zugeordnet. Dem 1. Gleichrichter der 2. Lokomotive (L2) ist die phasenverschobene Dreieckkurve (D3) zugeordnet usw. Auf diese Weise takten alle Gleichrichter (GR1, GR2) zu unterschiedlichen Zeiten. Bei einer Lokomotive mit m = 2 und p = 12 ergibt sich eine maximale Taktfrequenz von 180°/(2.12) = 7,5°. Bei nur einer Lokomotive bestehen somit 24 Einstellmöglichkeiten, bei 2 Lokomotiven 12, bei 3 Lokomotiven 8 usw. Maximal 24 Lokomotiven körnen so phasenversetzt betrieben werden.
In der Gleichung für den Phasenwinkel (ϕ) definieren die ersten beiden Summanden eine feste Versetzung bzw. Phasenverschiebung im Zugverbund und der 3. Summand einen zufälligen Versatz.
Gleichartige Lokomotiven, die in Mehrfachtraktion fahren, takten versetzt zueinander. Die führende Lokomotive gibt über den Datenbus (8) an die folgender Lokomotiven die Werte für den Phasenverschiebungswinkel der Dreieck- bzw. Hilfssteuerspannung (D1-D3) weiter. Dies setzt auf der führenden Lokomotive die Kenntnis der Anzahl Lokomotiven im Zugverbund voraus.
Um zu erreichen, dass auch Lokomotiven, die nicht in einem Zugverbund fahren, phasenversetzt takten, ist eine Phasenversetzung nach dem Zufallsprinzip vorgesehen. Dabei bedeutet der Wert 0 der Zufallszahl (z) die Phasenlage 0° und der Wert 1 die Phasenlage 360°. Die Zufallszahl (z) sei zwischen 0 und 1 gleich verteilt. Dieses Verfahren hat folgende Vorteile:
  • - es wird keine Kenntnis des Zugverbandes vorausgesetzt (wieviele Lokomotiven usw.),
  • - es können verschiedenartige Triebfahrzeuge verwendet werden,
  • - es wird kein Kommunikationssignal zwischen den Triebfahrzeugen (Zugbus) benötigt,
  • - es ist sehr einfach und
  • - die Wirkung verbessert sich mit zunehmender Anzahl von Triebfahrzeugen.

Claims (5)

1. Verfahren zur Steuerung von Vierquadrantenstellern (GR1, GR2), von denen jeweils einer oder mehrere mit einer Gleichspannung oder einem Gleichspannungszwischenkreis (ZK) in Wirkverbindung stehen,
  • a) wobei der Einschaltzeitpunkt der steuerbaren Ventile der Vierquadrantensteller (GR1, GR2) mittels einer Spannungsregelung der Gleichspannung des jeweiligen Gleichspannungszwischenkreises (ZK) mit unterlagerter Stromregelung des jeweiligen Wechselstromes (IQ1, IQ2) des Vierquadrantenstellers (GR1, GR2) erfolgt, und
  • b) wobei der Wechselstromsollwert durch Multiplikation des Regelsignals der Spannungsregelung mit einem Sinussignal mit der Kreisfrequenz (ω) des Wechselstromistwertes gebildet wird,
dadurch gekennzeichnet,
  • a) dass mindestens zwei Verbunde von Vierquadrantenstellern (GR1, GR2) bzw. Umrichter mit jeweils einem oder mehreren Vierquadrantenstellern (GR1, GR2) mit einem gemeinsamen Stromnetz in Wirkverbindung stehen,
  • b) dass den beiden Verbunden bzw. Umrichtern nach dem Zufallsprinzip ein individueller Phasenwinkel zugeordnet wird,
  • c) dass die Vierquadrantensteller (GR1, GR2) jedes Verbundes bzw. Umrichters (4) durch Steuersignale (St1, St2) mit unterschiedlicher Phasenlage getaktet bzw. gesteuert werden und
  • d) dass jedem Vierquadrantensteller (GR1, GR2) ein individueller Stromregelkreis mit individuellem Wechselstromsollwert (IQS1, IQS2) zugeordnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenwinkel (ϕ, ϕ') in Abhängigkeit von der Nummer des Vierquadrantenstellers (GR1, GR2) innerhalb eines Verbundes dieser mehreren Vierquadrantensteller (GR1, GR2) gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei m Vierquadrantenstellern (GR1, GR2) eines Verbundes bzw. Umrichters diese Vierquadrantensteller (GR1, GR2) jeweils um 360°/m versetzt zueinander getaktet werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenwinkel (ϕ) mindestens eines Vierquadrantenstellers (GR1, GR2) in Abhängigkeit von einer Zufallszahl (z) vorgegeben wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenwinkel (ϕ) eines Vierquadrantenstellers (GR1, GR2) gemäss:
ϕ = [(nx - 1).lmax! + (lx - 1).lmax!/lv + z.lmax!/lv].180/[m.p.(n + lmax!)]
gebildet wird, mit: nx = Nummer des Umrichters, n = Anzahl der Umrichter, lmax = maximale Anzahl von Umrichterkleinverbunden, lx = Nummer des Umrichterkleinverbundes, lv = Anzahl von Umrichterkleinverbunden in einem Umrichtergrossverbund, m = Anzahl Gleichrichter oder Vierquadrantensteller je Umrichter, p = Anzahl Taktungen je Wechselrichterperiode, Pulsigkeit des Netzkreises, z = Zufallszahl mit 0 ≦ z < 1.
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