用于从三相交流电网将电能馈入/反馈到－带电压耦合电路的变流器中的调节装置的制作方法

专利名称：用于从三相交流电网将电能馈入/反馈到－带电压耦合电路的变流器中的调节装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于从一个三相交流电网将电能馈入/反馈到一带电压耦合电路的变流器中的调节装置，该调节装置可优选地被用作为一电压耦合电路变流器的自动控制的电网整流器。
已经知道，连接在一个三相交流电网上的一整流器的整流器阀由控制信号所控制，该控制信号在采用一调相回路的条件下与电网的电压系统的相位相同步。该已知的调相回路其出发点是一个三相交流系统可用一合适的坐标系统中的一向量的正交分量来表示。由此将交流系统的实际值用一向量旋转子转换成一旋转坐标系统中的电压向量的分量。该向量转换的转换元素可如下地来得到被转换向量的相对于一在旋转坐标系统中固定地预定方向的平均角偏移被输入一角度调节器。它的输出信号确定了旋转坐标系统的频率并控制振荡器频率，振荡器的输出信号一方面提供转换元素所需的转换角的角函数，另一方面则提供与电网交流电压同步的参考电压的相位。
为能在交流电网中稳定工作，在具有电压耦合电路的一变流器的自动控制的电网整流器中必须调节从电网抽取的主电流iu、iv、iw。大多数情况下不应或仅从电网接收一预定的无功功率，这样必须固定地预先给出电流相对于电网电压的相位。与此相对，相电流的幅值则用作为待传送的有功功率和无功功率的函数。由此则要求用于整流器阀的控制信号与电网电压同步。这可通过前述的向量滤波器来产生，但由此则带来部件的高额费用以及与之相关联的费用。此外，在电网波动时因调相回路有限的动态性能而在相电压和参考电压间出现一角误差。
另外的问题则是由整流器所引起的对交流电网的反作用。在用单机形式的相电流从交流电网将电能馈入或反馈至一电压耦合电路中时会出现谐波(电网频率的5、7、9等次谐波)。然而从电磁兼容性的观点来看，这些电网反作用是不希望的。
为减小这些电网的反作用，已知有一种整流器，它借助于一调相器形成一与一交流电压同步的模拟角信号，以便于对形成数字相角函数值的函数存储器进行寻址。一直流电压调节器为从交流电压电网抽取交流电流的系统的幅值提供设定值。通过将数字相角函数值与设定幅值相乘，数/模转换器提供一相电流设定值系统，该系统与相应的电流实际值作比较。比较结果用来控制下级的电流调节器，其输出信号提供用于整流器阀(例如晶体管)的控制信号。
然而这样一种调节方案却具有如下缺点它对交流电网的一相的故障并不是很具有抵抗力，因为在这样一种情况下的调节会产生正反馈，由此会损坏作为整流器阀用的晶体管。
因此本发明的目的是提供一种调节装置，通过它可如下地来控制一具有电压耦合电路的变流器的整流器阀，使得相电流能同步于交流电网的电压(亦即具有一0度的相移或具有另一预先给定的相移)，通过在交流电网中的电网反作用尤其是通过谐波来减少、或通过它们来阻止这种调节在一相发生故障时产生正反馈。由此，馈入/反馈单元的坚固性相对于迄今已知的解决方案应有所提高。
本发明的目的是通过一种用于从一交流电网中将电能馈入/反馈至一具有电压耦合电路的变流器的调节装置来实现的，该调节装置具有如下特征1.1一相位检测器，它为每一相将相应相的实际极性提供为数字信号，1.2一调相回路，用于产生与被采集的相位同步的二进制地址信号，该调相回路由提供相应相位的实际极性的数字信号之一所控制，1.3一由该二进制地址信号所控制的函数存储元件，用于产生至少两个正常相位的数字式的、相互有相移的相角函数值以及从属的表达各相角函数值极性符号的数字信号，1.4至少两数/模转换器级，它们在其输入端被供有各自的数字相角函数值，1.5至少两乘法器级，通过它们对位于输入侧的模拟相角值用一可预定的电流设定值来加权，该两乘法器级用于产生正常相位的模拟式的、相互有相移的相同幅值的交流设定值的一系统，1.6一调节比较级，它被输入该模拟交流设定值系统和一用于形成有关相位的差值的、经交流测量元件可采集到的模拟交流实际值系统，该比较级用于从各自所属的差值中为每一相位产生一模拟参考信号，1.7用于每一相位的一通过该相位的各参考信号控制的电流调节器，用于产生各控制脉冲，以用于连接至交流端终端的相应相位的整流器阀，1.8一比较器级，用于产生一阻断信号，该信号用于在下述场合阻断整流器阀用的控制脉冲至少一个由相位检测器所提供的、表示一相位实际极性符号的数字信号偏离开相应的由函数存储元件所提供的、表示各相角函数值极性符号的数字信号。
采用根据本发明的一调节装置所能取得的优点主要在于能在交流电网相电流和电压间取得一种同步性，由此使得在从交流电网中将电能馈入/反馈至电压耦合电路时产生的谐波成分减至最小，以及该调节装置在交流电网的至少一相发生故障时有很强的抵抗力。
在根据本发明的调节装置的第一有利的扩展设计中，该装置为一具有优点的电压调节器所补充。这是通过下述进一步的特征来实现的2.1一被供有由一预定的电压设定值和一反馈的电压实际值所产生的一差值的电压调节器，用于产生电流设定值，其中该电压调节器被设计成具有积分特性的比例调节器。
在根据本发明的调节装置的另一具有优点的扩展设计中，提供有一用于控制整流器阀的特别优越的下级电流调节器。由此可另外最大程度地减少开关损耗。这是通过以下另外的特征来达到的3.1用于每相位的各电流调节器被设计成具有可预定、有限迟滞带宽的迟滞调节器。
在本发明的一替代性的具有优点的扩展设计中还提供另一种用于优化下级电流调节器的可能性。这是通过以下另外的特征来实现的4.1用于每一相位的各电流调节器被设计成具有可预定的恒频率的脉宽调制调节器。
在根据本发明的调节装置的另一具有优点的扩展设计中，进一步降低了调节装置内部构件的花费，其中函数存储元件、数/模转换器级以及乘法器级必须设计成仅用于交流电网的两相。这是通过下述进一步的特征来实现的5.1一运算装置(R)，用于从由函数存储元件、数/模转换器级和乘法器级所提供的正常相位的模拟的、相互移相的具有相同幅值的交流电流设定值的仅仅两个来产生一第三正常相位的交流电流设定值。
在根据本发明的调节装置的另一具有优点的扩展设计中，能够提供一用于相位波动的可预给定的公差范围。这样比如可以允许有10°的相移，一超出该10°的相移却会导致阻断用于整流器阀的控制脉冲。这是通过下述进一步的特征来实现的6.1用于延长阻断信号的具有可预定延长时间的一脉冲延长元件。
在根据本发明的调节装置的另一具有优点的扩展设计中，此外还可达到能识别相位顺序的变化。这是通过下述进一步的特征来实现的7.1在函数存储元件中存储有表示相角函数值和各相角函数值符号的数字信号用于对交流电网的相位作多重分配，其中用于每一分配的相应存储器范围可通过相应于一种右旋/左旋磁场识别的地址信号来作调整。
本发明的其它细节和优点可根据下面对实施例的叙述并结合附图来加以了解，附图中

图1示出一用于从一交流电网将电能正弦形地输入/反馈至具有电压耦合电路的一变流器中的调节装置的方框线路图，该调节装置可在交流电网的相电流和电压间产生同步性且能抵抗电网的至少一相的故障。
在图1的示图中举例示出用于从一为图示更清晰起见而未示出的具有相U、W、V的交流电网中将电能正弦形地馈入/反馈至一具有一电压耦合电路的变流器UM中的一根据本发明的调节装置。通常人们总试图对该交流电网实施对称加载，这意味着从整流器的交流电压侧端子上的相U、W、V上来接收电流，该电流相应于一具有电流设定值iu-soll、iw-soll、iv-soll的对称系统。该所谓的对称交流电流设定值系统可用一幅值设定值isoll和一相应的相角来加以描述，从上述值得出三个所谓的交流电流设定值作为相互间有120°相移的、具有同一正比于isoll的幅值的信号。
采用一相位检测器PD来获取用于电网相U、W、V每一相的过零点或一其它预定的相角。相对于交流电网的相移可以是任意的，但却必须加以确定。因此必须预先给定这样一个相角。使得从中经相位检测器PD对电网相的每一相导出一数字信号σ(Uu)、σ(Uw)、σ(Uv)，这些信号以数字的形式分别表征相应电网相U、W、V的符号。
采用该所谓的数字信号中的任意一个来控制一相位调节回路(“锁相回路”Pase locked loop)，该相位调节回路输出端在所采集的相位上提供同步二进制地址信号ADR。
借助于该二进制地址信号ADR来控制一个或者也可选择是多个函数存储元件F，它们给出至少两个正常相位的数字的、相互具有等距离相移的相角函数值。由此对本发明来说该至少两个相角函数值是存储在唯一的一个函数存储元件中还是存储在为此分开设置的函数存储元件之中并不重要。在本实施例中，示出一用于从一交流电网中将能量正弦形地馈入/反馈的调节装置，因此存储在这个或这些函数存储元件F中的正常相位的数字式相角函数值被描述成一正弦形曲线SIN(u)、SIN(v)。可以对所有三个相位U、W、V来分别存储(在本实施例中也为正弦形的)相角函数值。如进一步描述的那样，特别有利的是仅仅存储那些对于电网相位(在本实施例中为相位U和V)的相角函数值，它们不被用于控制相位调节回路PLL(在本实施例中为电网相W)。
除已经提及的用于至少两电网相U、V的相角函数值之外，在这个或这些函数存储元件F中还另外存储有采取数字信号F(Uu)和F(Uv)形式的附属于相角函数值的各个符号的变化过程，这样这个或这些函数存储元件F对每一个为相应的电网相位所提供的相角函数值也分别提供各自的相角函数值极性符号。所提供的符号值F(Uu)、F(Uv)值为此具有比如与相位检测器PD所提供的数字符号信号σ(Uu)、σ(Uv)和σ(Uw)所相同的数字信号形式。
在图1中出于清晰起见而未示出的数/模转换器级中，数/模转换器级将输入端送入的各数字相角函数值SIN(u)、SIN(v)转换成相应的模拟的相互等间距相移的信号。该模拟的相互等间距相移的值被送至至少两乘法器级M，经该乘法器级对该模拟相角值用一预定的电流设定值isoll来加权。
该电流设定值isoll可比如在输出端由一调压器PI来提供，该调压器PI被加有由一预定的电压设定值Usoll和一反馈的电压实际值Uist产生的差值。该调压器PI被优选地设计成具有积分特性的比例调节器。
该至少两个乘法器级M的输出信号于是直接代表了模拟的交流电流设定值。对于在一个或数个函数存储元件F中存储有用于所有三相的正常相位的数字的、相互等间距相移的相角函数值的情况，则对应于三个数/模转换器级有必要设立三个乘法器级M，这样在输出端可提供所有三个模拟的交流电流设定值i-usoll，i-vsoll和i-wsoll。然而正如前面所提到的那样，在图1所示的实施例中仅仅将不用于控制相位调节回路PLL的相位U和V存储在一个或多个函数存储元件F中，这样便仅需要且仅示出两个数/模转换器级和两个乘法器级M。在后一个根据图1所示的实施例中利用了这样一个事实，即表示为零分量的电流实际值的算术和等于零。这一关系用下述计算公式来加以表达iu-ist+iv-ist+iw-ist＝0这样便可用一运算元件R将未被作为相角函数值存储在一个或多个函数存储元件中的第三相W的电流设定值根据如下的运算规则来加以确定iw-soll＝-(iu-soll+iv-soll)。
该运算元件R可以比如被设计成一加法器形式或是一相应可编程的微处理器的形式。这样在运算元件R的输出端便提供有上述所需的交流电流设定值iw-soll，从而也提供一具有相同幅值的正常相位的模拟的、相互移相的匀交流电流设定值iw-soll、iu-soll、iv-soll。
原则上在一个或多个函数存储元件F的输出信号间的相移不一定要为120°。例如，也可以提供90°的一个相移，这样所形成的相角函数值便代表了在一圆坐标系中一数值标称向量的正交分量。从该系统中可通过与预定的电流设定值isoll相乘来形成一电流设定值向量的分量。这样一种向量经常被用来完整地描述一无零分量的三相系统，其中各单个的交流电流设定值iu-soll，iv-soll和iw-soll被形成为向量在三个空间上相互旋转120°的轴上的投影。它们经常借助于一个所谓的“二/三坐标转换器”来加以计算。
前述具有相互等间距相移交流电流设定值iu-soll，iv-soll和iw-soll的系统对每一相均被导至一调节比较级RV，其输入端同样也被输入一交流电流实际值系统iu-ist、iv-ist和iw-ist。相应的交流电流实际值经交流电流测量元件被采集。由此人们可再次利用以下事实，即可由另外两个电网相根据前面所述的两计算规则来重构一电网相。这样一个第三交流电流值，比如iw-ist可类似于在运算元件R中借助于一第二运算元件R2来获取。在所谓的调节比较器RW的输出端提供有用于每一相的一有关相位的差值，该值作为用于每一相U、V、W的模拟参考信号用来控制一对于每一相分开配置的下级电流调节器Iru、Irv和IRW。
这些电流调节器Iru、Irv、IRW中的每一个用来产生用于连接于交流电流侧终端的相应相位的变流器UM的整流器的各控制脉冲IMPu、IMPv、IMPw。这样可相互独立地对三相U、V、W进行调节。对实现各下级电流调节器IRu、IRv、IRw有两种可能性是比较有利的。
其中一种可将上述电流调节器设计成脉宽调制电流调节器PWM。在这种脉宽调制电流调节器中预先给定一恒定频率。电流脉动在电网相的一个周期中不为恒定。它在过零点区域中变大。在频域中在这种情况下表现出时标频率及其倍频十分明显。
用很小的代价可将下级的电流调节器实现为迟滞电流调节器。由此可将一公差带(迟滞)作为有限值来确定地预先给出。这种情况下可变的为频率。频率在电压过零点范围内增加。正是这一点代表了一种很大的优点。由于电压过零点和电流过零点在相位上相等(同步性)，因此尽管在高频时电路损失在该领域仍保持最小。在代表迟滞调节器的一下级电流调节器IRu、IRv、IRw的情况中，每当该相位的所属电流实际值与所属的电流设定值的差值大于预定的迟滞带宽时，整流器阀(为清晰起见图中未示出)就被切换。由此对每一相U、V、W产生电流的一双点调节，该电流由此实际上总在一给定公差带内在设定值周围波动。差值范围除了时标频率及其谐波之外表现为稍稍提高的噪声频带，该噪声频带在考虑到极限值的情况下在被设计为脉宽电流调节器的下级电流调节器中却要保持低几个数量级。
为对付在引言中已讲述的危险，即，在至少一个相发生故障时调节装置进入正反馈，由此例如设计成所谓的绝缘栅双极晶体管(IGBT晶体管)的整流器阀会受到破坏，因此根据本发明的如图1所示的调节装置则采用电路措施来加以扩展，这些措施用于防止上述危险发生。为此提供有一比较器级VG，该级VG在至少一电网相U、V、W发生故障时或者在出现不希望的相位波动时产生一阻断信号SP，用该信号来阻断用于整流器阀的控制脉冲IMPu、IMPv和IMPw。这种阻断可比如通过一晶体管，一接触器或者另一任意的开关装置来进行。比较器级VG被输入在相位检测器PD输出端所提供的数字极性符号信号σ(Uw)、σ(Uv)、σ(Uu)以及由一个或数个函数存储元件F所提供的代表相角函数值各自符号的数字信号F(Uu)、F(Uw)。这样可在从这个或这些函数存储元件F所读出的符号F(Uu)和F(Uw)之间进行比较。
在本实施例情况下，其中仅仅对两个电网相U、V将相应的相角函数值以及所属的代表相角函数值各自极符号的数字信号存储在一个或多个函数存储元件F中，则仅仅对上述两相在从一个或多个函数存储元件F所读出的符号以及经相位检测器PD所测量的符号之间进行比较。这是通过相应的比较组件“＝1”来进行的，这些组件在协调时在输出端提供一数字信号“1”或高电平。未被存储在这个或这些函数存储器F中的用于控制相位调节回路PLL的相位W，通过该相位调节回路PLL被接通并同样被输入到比较器级VG。比较器“＝1”的输出信号以及上述被测量到的相位W的数字符号信号被输入到一“与非门”NAND，该与非门在输出端提供上述提及的阻断信号SP。如图1所示，该阻断信号被输到变流器UM，在该变流器中设有上文已提及的整流器阀。
另有一种改善方案，其中在比较器级VG的输出后面被接入一具有可预给的脉冲延长时间的脉冲延长元件IG。这样可在相位波动时调节一公差，该公差值不应导致对整流器阀的阻断。因此比如可预定允许一个10°的相移，其中一通过该相移所导致的短暂“1”信号在比较器级VG的输出端通过该脉冲延长元件IG来抑制。脉冲延长时间由此可这样来设定使得脉冲延长正好抑制掉在一最大为10°的相移时所出现的输入信号。这样通过该脉冲延长元件IG则可预先确定在相位波动时的一公差值，由此可防止整流器阀在较小的相位波动时也被阻断。但相位U、V、W中的至少一个发生故障却不顾脉冲延长元件的存在仍导致使阻断信号SP占有状态“1”或高电平且通过相应的开关器件来阻断用于整流器阀的控制脉冲。
在迄今所作的说明中始终是从在交流电网的相位和一个或多个函数存储元件F的存储内容(相角函数值和所属的极性符号)间的一种固定的配合出发的。在相位次序变化时则不再是上述情况。为在这样一种情况下也能使根据本发明的调整装置可靠地工作，可将用于多次分配给交流电网的相位的相角函数值以及代表相角函数值的各极性符号的数字信号存储在一个或多个用于相应电网相的函数存储元件F中。借助于一右/左旋磁场识别于是可用二进制地址信号ADR来调整有关相应存储器范围的所需的分配。
此外还可将本发明的调节装置以稍改动的形式用在补偿设备范围中，其中由此阻止无功功率的产生。这一点比如可通过如下措施来达到在进入工作之前用一相位检测器PD来获取各交流相U、V、W的相位，这样可提供描述进入工厂时的相位的相应数字符号信号。由此便可控制比如一设置在一个或多个函数存储元件之后的加法器。
权利要求
1.一种调节装置，用于将来自一交流电网的电能馈入/反馈至一具有电压耦合电路的变流器(UM)中，其特征在于1.1一相位检测器(PD)，它为每一相(U、V、W)以数字信号形式提供对应相位(U、V、W)的实际符号(σ(Uw)，σ(Uv)，σ(Uu))，1.2一相位调节回路(PLL)，用于产生一与所获取的相位同步的二进制地址信号(ADR)，该相位调节回路受提供该相应相位(U、V、W)的实际符号(σ(Uw)，σ(Uv)，σ(Uu))的数字信号之一的控制，1.3一函数存储元件(F)，它由该二进制地址信号(ADR)所控制，用于产生至少两个正常相位的数字的相互相移的相角函数值(SIN(u)，SIN(v))以及产生附属的代表各相角函数值符号的数字信号(F(Uu)，F(Uv))，1.4至少两数/模转换器级，它们在输入端被施加有各数字相角函数值(SIN(u)，SIN(v))，1.5至少两乘法器级(M)，用它们将位于输入端的模拟相角值用一可预定的电流设定值(isoll)加权，用于产生一具有相同幅值的正常相位的模拟的、相互相移的的交流电流设定值(iu-soll，iv-soll，iw-soll)系统，1.6一调节比较级(RV)，它被输入该模拟交流电流设定值系统(iu-soll，iv-soll，iw-soll)以及一由交流电流测量元件所获取的用于形成有关相位的差值的模拟交流电流实际值系统(iu-ist，iv-ist，iw-ist)，用于从各所属的差值中为每一相(U、V、W)产生一模拟参考信号，1.7用于每一相(U、V、W)的一通过该相位的各参考信号控制的电流调节器(IRu，IRv，IRw)，用于产生被连接到交流电流侧终端的相应相位上的整流器阀所用的各控制脉冲(IMPu，IMPv，IMPw)，1.8一比较器级(VG)，用于产生一阻断信号(SP)来阻断在下述情况下的整流器阀所用的控制脉冲(IMPu，IMPv，IMPw)，即至少一由相位检测器(PD)所提供的、代表一相位(U、V、W)的实际符号(σ(Uw)，σ(Uv)，σ(Uw))的数字信号偏离相应的由函数存储元件(F)所提供的代表各相角函数值符号的数字信号(F(Uu)，F(Uv))。
2.如权利要求1所述的调节装置，其特征在于2.1一用于产生电流设定值(isoll)的被施加有由一预定的电压设定值(Usoll)和一反馈的电压实际值(Uist)所产生的差值的电压调节器(PI)，其中该电压调节器被设计成具有积分特性的比例调节器。
3.如权利要求1或2所述的调节装置，其特征在于3.1用于每一相位的每一电流调节器(IRu，IRv，IRw)被设计成具有可预定的、有限迟滞带宽的迟滞调节器。
4.如权利要求1或2所述的调节装置，其特征在于4.1用于每一相位的每一电流调节器(IRu，IRv，IRw)被设计成具有可预定的恒定频率的脉宽调制调节器。
5.如上述任一项权利要求所述的调节装置，其特征在于5.1一运算器件(R)，用于从由函数存储元件(F)，数/模转换器级以及乘法器级(M)所提供的正常相位的模拟的、相互相移的具有相同幅值的交流电流设定值(iu-soll，iv-soll，iw-soll)中的仅仅两个值来产生一第三正常相位的交流电流设定值(iu-soll，iv-soll，iw-soll)。
6.如上述任一项权利要求所述的调节装置，其特征在于6.1一用于延长阻断信号(SP)的具有可预定的延长时间的脉冲延长元件(IG)。
7.如上述任一项权利要求所述的调节装置，其特征在于7.1在函数存储元件(F)中存储有用于对交流电网相位作多次分配的相角函数值(SIN(u)，SIN(v))以及代表各相角函数值符号的数字信号(F(Uu，F(Uv))，其中用于每一分配的相应存储器范围由相应于一右/左旋电场识别的地址信号(ADR)来加以调整。
全文摘要
一种调节装置,用于从一交流电网将电能馈入/反馈至一具有电压耦合电路的变流器中。按照本发明创造一种调节装置,用该调节装置不仅可减小在从交流电网中将电能馈入/反馈至一电压耦合电路时所出现的谐波分量,还可减小相应的电路损失。此外,该调节装置也能抵抗至少一电网相的故障或抵抗相位波动。这一点是这样来达到的:在一个或多个函数存储元件(F)中不仅存储有正常相位的数字的等距离相互相移的相角函数值(SIN(Φu),SIN(Φv),SIN(Φw)),而且还存储有所属的代表该相角函数值符号的数字信号(F(Uu),F(Uv))。这些数字符号信号在一比较器级(V)中与经一相位检测器(PD)所测到的各电网相的数字符号信号(σ(Uu),σ(Uv),σ(Uw)作比较且在这些被比较值相互不一致时产生一阻断信号(SP),利用该阻断信号(SP)可阻断用于变流器(UM)的整流器阀的控制脉冲。
文档编号H02M5/458GK1243613SQ98801683
公开日2000年2月2日 申请日期1998年1月20日 优先权日1997年1月31日
发明者库尔特·戈普夫里科 申请人:西门子公司