DE3824202A1 - Method for controlling a four-quadrant controller - Google Patents

Method for controlling a four-quadrant controller

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Abstract

Asynchronous drive motors of three-phase locomotives are frequently supplied from an AC voltage network via a four-quadrant controller, a DC voltage intermediate circuit and an invertor. Interfering network harmonics occur in the intermediate circuit in the case of a distorted contact-wire voltage on the input side which is not sinusoidal. In order to avoid these harmonics it is proposed to transform the actual value of the contact-wire voltage (XAUF) and the actual value of the controller alternating current (XAIF) from the time domain into the frequency domain by means of discrete Fourier transformation. The complex current control variables (I3R, I3I, I5R, I5I) and voltage control variables (U3R, U3I, U5R, U5I) for the harmonics can thus be determined in the frequency domain - especially for the third and fifth harmonics -, and can then subsequently be transformed back into the time domain. This allows a compensation control voltage (YAUSTK) and a compensation control current (WAIK) to be formed in order to eliminate the interfering harmonics, and to be inserted into the control system of the four-quadrant controller. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steue­ rung eines Vierquadrantenstellers gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein solches Verfahren zur Steuerung eines Vierquadrantenstellers ist aus "Elektrische Bah­ nen", 1984, Heft 2, Seiten 56 bis 65 bekannt.The invention relates to a method of steering tion of a four-quadrant regulator according to the generic term of claim 1. Such a method of control of a four-quadrant regulator is from "Electric Bah nen ", 1984, No. 2, pages 56 to 65 known.

Die Asynchron-Fahrmotoren moderner Drehstromlokomotiven werden üblicherweise über einen Transformator, einen Vierquadrantensteller, einen Gleichspannungszwischen­ kreis mit Saugkreis und einen Wechselrichter aus einem Wechselspannungsnetz gespeist. Die Steuereinrichtung für den Vierquadrantensteller besteht aus einem Spannungs­ regler für die Regelung der Zwischenkreisspannung (=ausgangsseitige Gleichspannung), mindestens einem Stromregler zur Regelung des Phasenstromes (=eingangs­ seitiger Wechselstrom, entsprechend der Anzahl der Netzkreise), einer mit der Fahrdrahtspannung synchroni­ sierten Referenzsinusquelle und einem Modulator. Bei einer nicht sinusförmigen, d.h. verzerrten Fahrdraht­ spannung treten - durch Modulationsvorgänge bedingt - störende, geradzahlige Netzoberschwingungen im Zwischen­ kreis auf, die teilweise durch eigene Saugkreise (z.B. Saugkreise für 66 2/3 Hz, 100 Hz usw. bei einer Netzfre­ quenz von 16 2/3 Hz) unterdrückt werden müssen.The asynchronous traction motors of modern three-phase locomotives are usually via a transformer, a Four-quadrant regulator, a DC voltage between circuit with suction circuit and an inverter from one AC voltage network fed. The control device for the four-quadrant controller consists of a voltage controller for regulating the intermediate circuit voltage (= DC voltage on the output side), at least one Current controller for regulating the phase current (= input side alternating current, corresponding to the number of Network circuits), one synchronized with the contact wire voltage based reference sine source and a modulator. at a non-sinusoidal, i.e. distorted contact wire voltage - due to modulation processes - interfering, even-numbered network harmonics in between circuit, some of which is provided by its own suction circuit (e.g. Suction circuits for 66 2/3 Hz, 100 Hz etc. with a mains fre frequency of 16 2/3 Hz) must be suppressed.

Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrun­ de, ein Verfahren zur Steuerung eines Vierquandranten­ stellers der eingangsgenannten Art anzugeben, das auch bei verzerrter eingangsseitiger Wechselspannung eine möglichst glatte ausgangsseitige Gleichspannung ohne Oberschwingungen gewährleistet.On this basis, the invention is based on the object de, a method for controlling a four-quantum stellers of the type mentioned above to indicate that too in the case of a distorted AC voltage on the input side, a Output-side DC voltage as smooth as possible without Harmonics guaranteed.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.This task is performed in conjunction with the features of the The generic term according to the invention by the mark of claim 1 specified features solved.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen ins­ besondere darin, daß eigene Saugkreise im ausgangsseiti­ gen Zwischenkreis des Vierquadrantenstellers entfallen können (mit Ausnahme des auf die doppelte Netzfrequenz abgestimmten Saugkreises). Im Zeitbereich ändern sich alle Größen entsprechend ihrer Frequenz, es bestehen entsprechend hohe Anforderungen an die Rechengeschwin­ digkeit. Im aufgrund der Transformation erhaltenen Fre­ quenzbereich sind im stationären Fall alle Größen Gleichgrößen. Bei der Berechnung der Spannungs- und Stromsteuergrößen muß also nur die Dynamik des Systems berücksichtigt werden (Änderungsgeschwindigkeit der Fre­ quenzanteile). The advantages that can be achieved with the invention are ins special in the fact that own suction circuits in the output side The intermediate circuit of the four-quadrant controller is omitted can (with the exception of double the line frequency coordinated suction circuit). Change in the time domain all sizes, according to their frequency, exist correspondingly high demands on the computing speed age. In the Fre In the stationary case, the frequency range is all quantities Equal sizes. When calculating the voltage and So only the dynamics of the system need to control the current must be taken into account (rate of change of Fre frequency components).

Im Zeitbereich wären zur Bestimmung der Steuergrößen trigonometrische Funktionen (arctan) zu berechnen, im Frequenzbereich treten nur Multiplikationen und Additi­ onen auf. Der Aufwand für die diskrete Fouriertransfor­ mation (DFT) ist vergleichbar mit dem Aufwand für digi­ tale Filter, welche bei Berechnungen im Zeitbereich not­ wendig wären.In the time domain would be to determine the control variables calculate trigonometric functions (arctan), im Frequency range only occur multiplications and additi ons on. The effort for the discrete Fourier transform mation (DFT) is comparable to the effort for digi tale filters, which are necessary for calculations in the time domain would be agile.

Voraussetzung für die diskrete Fouriertransformation ist ein Bezugssystem. Dieses wird mit der Fahrdrahtspannung (Netzspannung) synchronisiert. Damit hat man die Mög­ lichkeit, das Zeitfenster für die diskrete Fouriertrans­ formation genau eine Netzperiode lang zu machen, so daß sich bei der diskreten Fouriertransformation keine sy­ stematischen Fehler ergeben und mit einfach zu realisie­ rendem Rechteckfenster gearbeitet werden kann.The prerequisite for the discrete Fourier transformation is a frame of reference. This is done with the contact wire tension (Mains voltage) synchronized. So you have the poss opportunity, the time window for the discrete Fourier trans formation to make exactly one network period long, so that In the discrete Fourier transformation, no sy stematic errors and with easy to implement rendem rectangular window can be worked.

Die Erfindung wird nachstehend anhand des in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.The invention is hereinafter based on the in the drawing tion illustrated embodiment explained.

In der einzigen Figur ist die Steuer- und Regeleinrich­ tung für einen Vierquadrantensteller eines Schienenfahr­ zeuges dargestellt. Es ist ein Transformator 1 zu erken­ nen, der primärseitig über seine erste Eingangsklemme und einen Schalter 2 am Fahrdraht 3 sowie über seine zweite Eingangsklemme am Rad/Schiene-System 4 liegt und der sekundärseitig über zwei getrennte Sekundärwicklun­ gen mit zwei gleichspannungsseitig parallel geschalte­ ten, einen Gleichspannungszwischenkreis speisenden Vier­ quadrantenstellern 6 verbunden ist. Der über eine Strom­ erfassungseinrichtung meßbare, in die Primärwicklung des Transformators 1 fließende Fahrdrahtstrom ist mit IF und die an den Klemmen der Primärwicklung des Transformators 1 anliegende, mittels einer Spannungserfassungseinrich­ tung 5 meßbare Fahrdrahtspannung ist mit UF bezeichnet. Der der Spannungserfassungseinrichtung 5 entnehmbare Fahrdrahtspannungsistwert ist mit XAUF bezeichnet.In the single figure, the control and regulating device is shown for a four-quadrant actuator of a rail vehicle. A transformer 1 can be seen, which is on the primary side via its first input terminal and a switch 2 on the contact wire 3 and via its second input terminal on the wheel / rail system 4 and which is connected on the secondary side via two separate secondary windings with two DC voltage side connected in parallel, a DC voltage intermediate circuit feeding four quadrant regulators 6 is connected. The catenary current flowing into the primary winding of the transformer 1 , which can be measured via a current detection device, is denoted by IF and the contact wire voltage which is present at the terminals of the primary winding of the transformer 1 and which can be measured by means of a voltage detection device 5 is denoted by UF . The contact wire voltage actual value that can be taken from the voltage detection device 5 is denoted by XAUF.

Jede Phase des Vierquandrantenstellers 6 weist zwei zünd- und löschbare Halbleiterventile 7, 9 und zwei Di­ oden 8, 10 auf, und zwar sind die Kathoden des Ventils 7 der Diode 10 sowie die Anoden des Ventils 9 und der Di­ ode 8 miteinander verbunden und bilden den wechselspan­ nungsseitigen Anschlußpunkt des Stellers. Andererseits sind die Anode des Ventils 7 und die Kathode der Diode 8 miteinander verbunden und über eine Stromanstiegserfas­ sungseinrichtung zur positiven Klemme 19 des Gleichspan­ nungszwischenkreises geführt. Die Kathode des Ventils 9 und die Anode des Ventils 10 sind über eine Stroman­ stiegserfassungseinrichtung 12 zur negativen Klemme 20 des Gleichspannungszwischenkreises geführt. Zur Ansteue­ rung der zünd- und löschbaren Halbleiterventile 7 bzw. 9 sind Gate-Units 13 bzw. 14 vorgesehen, falls abschaltba­ re Thyristoren (GTO) verwendet werden. Bei Verwendung von konventionellen Thyristoren ist eine zusätzliche Löscheinrichtung erforderlich.Each phase of the four-quadrant controller 6 has two ignitable and erasable semiconductor valves 7 , 9 and two diodes 8 , 10 , namely the cathodes of the valve 7 of the diode 10 and the anodes of the valve 9 and the diode 8 are connected to each other and form the AC voltage-side connection point of the controller. On the other hand, the anode of the valve 7 and the cathode of the diode 8 are connected to one another and passed through a current rise detection device to the positive terminal 19 of the DC voltage intermediate circuit. The cathode of the valve 9 and the anode of the valve 10 are led via a Stroman increase detection device 12 to the negative terminal 20 of the DC voltage intermediate circuit. To control the ignitable and erasable semiconductor valves 7 and 9 , gate units 13 and 14 are provided, if thyristors (GTO) can be switched off. When using conventional thyristors, an additional extinguishing device is required.

Im Beispiel sind zwei Vierquadrantensteller mit den Pha­ sen U, V bzw. W, X vorgesehen, wobei die beiden Vierqua­ drantensteller wechselspannungsseitig an getrennten Se­ kundärwicklungen des Transformators 1 liegen. Gleich­ spannungseitig sind sie parallel geschaltet. Es können auch Anlagen mit nur einem Vierquadrantensteller oder mit drei Vierquadrantensteller ausgeführt werden.In the example, two four-quadrant controllers with the phases U , V and W , X are provided, the two four-quadrant controllers being on the alternating voltage side on separate secondary windings of the transformer 1 . They are connected in parallel on the same voltage side. Systems can also be designed with just one four-quadrant controller or with three four-quadrant controller.

Zur Erfassung der über die Sekundärwicklungen des Trans­ formators fließenden Stellerwechselstromistwerte XAIU bzw. XAIW der Steller mit den Phasen U, V bzw. W, X sind Stromerfassungseinrichtungen 15 bzw. 16 vorgesehen. Current detection devices 15 and 16 are provided to detect the actuator AC actual values XAIU or XAIW of the actuator with phases U , V or W , X flowing through the secondary windings of the transformer.

Der Stellergesamtstrom XAIP wird durch den Summierer 47 aus der Summe der Stellerstromistwerte XAIU und XAIW gebildet. Er entspricht dem auf die Sekundärseite umge­ rechneten Fahrdrahtstrom IF.The total controller current XAIP is formed by the adder 47 from the sum of the actual controller current values XAIU and XAIW . It corresponds to the contact wire current IF converted to the secondary side.

Zwischen den Klemmen 19, 20 des Gleichspannungszwischen­ kreises sind ein Filterkreis 17 (Saugkreis für den pul­ sierenden Wechselanteil), ein Kondensator 18 und eine Spannungserfassungseinrichtung 21 angeordnet. Mit Hilfe der Spannungserfassungeinrichtung 21 wird ein der zwi­ schen den Klemmen 19, 20 anliegenden Zwischenkreisspan­ nung UD (=ausgangsseitige Gleichspannung) entsprechen­ der Zwischenkreisspannungsistwert XAUD gebildet. Der Zwischenkreisstrom ist mit ID bezeichnet.Between the terminals 19 , 20 of the DC voltage intermediate circuit, a filter circuit 17 (suction circuit for the pulsing alternating component), a capacitor 18 and a voltage detection device 21 are arranged. With the aid of the voltage sensing device 21 of an interim's terminals 19, 20 adjacent the intermediate circuit voltage-UD (= output-side DC voltage) in accordance with the Zwischenkreisspannungsistwert XAUD formed. The intermediate circuit current is designated with ID.

Der von der Spannungserfassungeinrichtung 5 gebildete, der Fahrdrahtspannung UF entsprechende Fahrdrahtspan­ nungsistwert XAUF wird einer Transformationseinrichtung 23 zugeführt. Eine weitere Transformationseinrichtung 22 empfängt den Stellergesamtstrom XAIF. Diese Transforma­ tionseinrichtungen 22 bzw. 23 transformieren die Zeit­ größen Fahrdrahtstrom (entsprechend XAIF) bzw. Fahr­ drahtspannung (entsprechend XAUF) in den Frequenzbereich mittels harmonischer Analyse oder diskreter Frequenz­ transformation. Hierzu wird beispielsweise auf das Fach­ buch E. Oran Bigham, FFT, Schnelle Fourier-Tansformati­ on, 2. Aufl., 1985, R. Oldenburg-Verlag, München, ver­ wiesen. Die Ausgangsgrößen IP, IX, UF 1 R der Transforma­ tionseinrichtungen 22, 23 werden Recheneinrichtungen 24, 25 zur Berechnung der komplexen Übersetzungsverhältnisse Y (für den Strom) und Ü (für die Spannung) aus den ak­ tuellen Netzgrößen (Fahrdrahtgrößen) zugeleitet. The contact wire voltage actual value XAUF , which is formed by the voltage detection device 5 and corresponds to the contact wire voltage UF , is fed to a transformation device 23. A further transformation device 22 receives the total converter current XAIF. These transforma tion devices 22 and 23 transform the time-size contact wire current (according to XAIF) or contact wire voltage (according to XAUF) in the frequency range by means of harmonic analysis or discrete frequency transformation. For this purpose, the specialist book E. Oran Bigham, FFT, Schnelle Fourier-Tansformati on, 2nd edition, 1985, R. Oldenburg-Verlag, Munich, is referred to, for example. The output variables IP, IX, UF 1 R of the transforma tion devices 22 , 23 are fed to computing devices 24 , 25 for calculating the complex transmission ratios Y (for the current) and U (for the voltage) from the current network variables (contact wire sizes).

Die vorgeschlagene Steuereinrichtung verwendet nur Fahr­ drahtgrößen und wird damit unabhängig von der ausgeführ­ ten Anzahl von Vierquadrantenstellern an einem Transfor­ mator.The proposed control device uses only driving wire sizes and is therefore independent of the version th number of four-quadrant controllers on a transformer mator.

Im einzelnen sind der Transformationseinrichtung 22 der Realteil des Grundschwingungsstromes IP (=Wirkstrom) und der Imaginärteil des Grundschwingungsstromes IQ (=Blindstrom) sowie der Transformationseinrichtung 23 der Realteil der Grundschwingung der Fahrdrahtspannung UF 1R, der Realteil der dritten Harmonischen der Fahr­ drahtspannung UF 3R, der Imaginärteil der dritten Harmo­ nischen der Fahrdrahtspannung UF 3I, der Realteil der fünften Harmonischen der Fahrdrahtspannung UF 5R und der Imaginärteil der fünften Harmonischen der Fahrdrahtspan­ nung UF 5I entnehmbar.In detail, the transformation device 22 is the real part of the fundamental oscillation current IP (= active current) and the imaginary part of the fundamental oscillation current IQ (= reactive current) and the transformation device 23 is the real part of the fundamental oscillation of the contact wire voltage UF 1 R, the real part of the third harmonic of the contact wire voltage UF 3 R , the imaginary part of the third harmonic of the contact wire voltage UF 3 I, the real part of the fifth harmonic of the contact wire voltage UF 5 R and the imaginary part of the fifth harmonic of the contact wire voltage UF 5 I can be seen.

Zur Synchronisation wird der Imaginärteil der Grund­ schwingung der Fahrdrahtspannung UF 1I berechnet und über eine PLL (Phase Locked Loop) auf Null geregelt. Damit ist die Synchronisation unempfindlich gegenüber Span­ nungsverzerrungen. Außerdem sind keine zusätzlichen Pro­ grammstrukturen erforderlich. Die Erst-Synchronisation (Einrasten) geschieht durch Suchen nach dem ersten posi­ tiven Spannungsnulldurchgang der Grundschwingung der Fahrdrahtspannung. Damit ist ein schnelleres Einrasten der PLL möglich.For synchronization, the imaginary part of the fundamental oscillation of the contact wire voltage UF 1 I is calculated and regulated to zero via a PLL (phase locked loop). This means that the synchronization is insensitive to voltage distortions. In addition, no additional program structures are required. The initial synchronization (locking) is done by looking for the first positive voltage zero crossing of the fundamental oscillation of the contact wire voltage. This enables the PLL to engage more quickly.

Die Recheneinrichtung 24 bildet den Realteil des Strom- Übersetzungsverhältnisses der dritten Harmonischen Y 3R, den Imaginärteil des Strom-Übersetzungsverhältnissen der dritten Harmonischen Y 3I, den Realteil des Spannungs- Übersetzungsverhältnisses der dritten Harmonischen Ü 3R und den Imaginärteil des Spannungs-Übersetzungsverhält­ nisses der dritten Harmonischen Ü 3I nach folgenden Glei­ chungen:The computing device 24 forms the real part of the current ratio of the third harmonic Y 3 R , the imaginary part of the current ratio of the third harmonic Y 3 I , the real part of the voltage ratio of the third harmonic Ü 3 R and the imaginary part of the voltage ratio of the third harmonic Ü 3 I according to the following equations:

Y 3R = - (UF 1R · IP) (UF 1R² + 8UF 1R · wL · IQ + 16w²L²(IP 2 + IQ²)), Y 3 R = - ( UF 1 R · IP ) ( UF 1 R ² + 8 UF 1 R · wL · IQ + 16 w²L ² ( IP 2 + IQ ²)),

Y 3I = - (UF 1R · IQ + 4wL(IP² + IQ²))/ (UF 1R 2 + 8UF1R · wL · IQ + 16w²L²(IP 2 + IQ 2)), Y 3 I = - ( UF 1 R · IQ + 4 wL (IP ² + IQ²)) / (UF 1 R 2 + 8 UF 1 R · wL · IQ + 16 w ² L ² ( IP 2 + IQ 2 )) ,

Ü 3R = -3(UF 1R · wL · IQ + 4w²L²(IP 2 + IQ 2))/ (UF1R 2 + 8UF 1R · wL · IQ + 16w²L²(IP 2 + IQ 2)),
Ü 3I = 3(UF 1R · wL · IP) (UF 1R 2 + 8UF 1 R · wL · IQ · 16w²L²(IP²+IQ 2)), Ü 3 R = -3 ( UF 1 R · wL · IQ + 4 w ² L ² ( IP 2 + IQ 2 )) / ( UF 1 R 2 + 8 UF 1 R · wL · IQ + 16 w ² L ² ( IP 2 + IQ 2 )),
Ü 3 I = 3 ( UF 1 R · wL · IP ) ( UF 1 R 2 + 8 UF 1 R · wL · IQ · 16 w ² L ² ( IP ² + IQ 2 )),

mitwith

w = 2 π. Fahrdrahtspannungsfrequenz (z. B. 16²/3 Hz),
L = Transformatorstreuinduktivität,
iF 1 = Komplexer Grundschwindungsstrom
= IP + jIQ, Uf 1 = Komplexe Grundschwingung der Fahrdrahtspan­ nung,
= UF 1R + j 0. w = 2 π . Contact wire voltage frequency (e.g. 16² / 3 Hz),
L = transformer leakage inductance,
iF 1 = complex basic shrinkage current
= IP + jIQ, Uf 1 = Complex fundamental oscillation of the contact wire voltage,
= UF 1 R + j 0.

Wie bereits erwähnt, wird der Imaginärteil der Grund­ schwingung der Fahrdrahtspannung UF 1I durch Synchronisa­ tion zwischen dem Fahrdrahtspannungsistwert XAUF und dem Bezugssystem der Transformationseinrichtung 23 auf Null geregelt.As already mentioned, the imaginary part of the fundamental oscillation of the contact wire voltage UF 1 I is regulated to zero by synchronization between the contact wire voltage actual value XAUF and the reference system of the transformation device 23.

Y 3 = Y 3R + jY 3I = komplexes Strom-Übersetzungsverhält­ nis der dritten Harmonischen, Y 3 = Y 3 R + jY 3 I = complex current transformation ratio of the third harmonic,

Ü 3 = Ü 3R + jÜ 3I = komplexes Spannungs-Übersetzungsver­ hältnis der dritten Harmonischen. Ü 3 = Ü 3 R + jÜ 3 I = complex voltage-translation ratio of the third harmonic.

Die Recheneinrichtung 25 bildet den Realteil des Strom- Übersetzungsverhältnisses der fünften Harmonischen Y 5R, den Imaginärteil des Strom-Übersetzungsverhältnisses der fünften Harmonischen Y 5I den Realteil des Spannungs- Übersetzungsverhältnisses der fünften Harmonischen Ü 5R und den Imaginärteil des Spannungs-Übersetzungsverhält­ nisses der fünften Harmonischen Ü 5I nach folgenden Glei­ chungen:The computing device 25 forms the real part of the current transformation ratio of the fifth harmonic Y 5 R , the imaginary part of the current transformation ratio of the fifth harmonic Y 5 I, the real part of the voltage transformation ratio of the fifth harmonic Ü 5 R and the imaginary part of the voltage transformation ratio of the fifth harmonic Ü 5 I according to the following equations:

Y 5R = (UF 1R · IP)/ (UF 1R 2 - 8UF 1R · wL · IQ+16w²L² (IP 2+IQ 2), Y 5 R = (UF 1 R · IP) / (UF 1 R 2 - 8 UF 1 R · wL · IQ +16 w ² L ² (IP 2 + IQ 2 ),

Y 5I = -(-UF 1R · IQ+4wL(IP 2+IQ 2))/ (UF 1R 2 - 8UF 1R · wL · IQ+16w²L²(IP 2+IP 2)), Y 5 I = - (- UF 1 R · IQ +4 wL (IP 2 + IQ 2 )) / (UF 1 R 2 - 8 UF 1 R · wL · IQ +16 w ² L ² (IP 2 + IP 2 )),

Ü 5R = (UF 1R · wL · IQ - 4w²L² (IP 2+IQ 2))/ (UF 1R 2 - 8UF 1 · wL · IQ+16w²L² (IP 2+IQ 2) Ü 5 R = (UF 1 R * wL * IQ - 4 w ² L ² (IP 2 + IQ 2 )) / (UF 1 R 2 - 8 UF 1 * wL * IQ +16 w ² L ² (IP 2 + IQ 2 )

Ü 5I = 5(UF 1R · wL · IP) UF 1R 2 - 8UF 1R · wL · IQ+16w²L²(IP 2+IQ 2)), Ü 5 I = 5 (UF 1 R · wL · IP) UF 1 R 2 - 8 UF 1 R · wL · IQ +16 w ² L ² (IP 2 + IQ 2 )),

Y 5 = Y 5R+jY 5I = komplexes Strom-Übersetzungsverhält­ nis der fünften Harmonischen, Y 5 = Y 5 R + jY 5 I = complex current transformation ratio of the fifth harmonic,

Ü 5 = Ü 5R+jÜ 5I = komplexes Spannungs-Übersetzungsver­ hältnis der fünften Harmonischen. Ü 5 = Ü 5 R + jÜ 5 I = complex voltage-translation ratio of the fifth harmonic.

Den Recheneinrichtungen 24 bzw. 25 sind jeweils komplexe Multiplizierer 26 bzw. 27 für die komplexe Multiplikation der komplexen Frequenzanteile mit den ebenfalls kom­ plexen Übertragungsgleichungen nachgeschaltet. Im ein­ zelnen werden im komplexen Multiplizierer 26 die komplexe dritte Harmonische der Fahrdrahtspannung UF 3=UF 3R+jUF 3I mit dem komplexen Übersetzungsver­ hältnis für den Strom Y 3=Y 3R+jY 3I sowie mit dem kom­ plexen Übersetzungsverhältnis für die Spannung Ü 3=Ü 3R+jÜ 3I komplex multipliziert. Als Ergebnis sind die gewünschten Frequenzanteile der Steuerspannung und des Eingangsstromes entnehmbar, d. h. der Realteil der Strom-Steuergröße für die dritte Harmonische im Fre­ quenzbereich I 3R, der Imaginärteil der Strom-Steuergröße für die dritte Harmonische im Frequenzbereich I 3I, der Realteil der Spannungs-Steuergröße für die dritte Harmo­ nische im Frequenzbereich U 3R und der Imaginärteil der Spannungs-Steuergröße für die dritte Harmonische im Fre­ quenzbereich U 3I.The computing devices 24 and 25 are each followed by complex multipliers 26 and 27 for the complex multiplication of the complex frequency components with the likewise complex transfer equations. In particular, in the complex multiplier 26, the complex third harmonic of the contact wire voltage UF 3 = UF 3 R + jUF 3 I with the complex transmission ratio for the current Y 3 = Y 3 R + jY 3 I and with the complex transmission ratio for the Voltage Ü 3 = Ü 3 R + jÜ 3 I complex multiplied. As a result, the desired frequency components of the control voltage and the input current can be taken, ie the real part of the current control variable for the third harmonic in the frequency range I 3 R , the imaginary part of the current control variable for the third harmonic in the frequency range I 3 I , the real part of the The voltage control variable for the third harmonic in the frequency range U 3 R and the imaginary part of the voltage control variable for the third harmonic in the frequency range U 3 I.

Im komplexen Multiplizierer 27 werden die komplexe fünf­ te Harmonische der Fahrdrahtspannung UF 5=UF 5R+jUF 5I mit dem komplexen Übersetzungsverhältnis für den Strom Y 5=Y 5R+jY 5I sowie mit dem komplexen Übersetzungsver­ hältnis für die Spannung Ü 5=Ü 5R+jÜ 5I komplex multi­ pliziert. Als Ergebnis sind die gewünschten Frequenzan­ teile der Steuerspannung und des Eingangsstromes ent­ nehmbar, d.h. der Realteil der Strom-Steuergröße für die fünfte Harmonische im Frequenzbereich I 5R, der Imaginär­ teil der Strom-Steuergröße für die fünfte Harmonische im Frequenzbereich I 5I, der Realteil der Spannungs-Steuer­ größe für die fünfte Harmonische im Frequenzbereich U 5R und der Imaginärteil der Spannungs-Steuergröße für die fünfte Harmonische im Frequenzbereich U 5I.In the complex multiplier 27 , the complex fifth harmonic of the contact wire voltage UF 5 = UF 5 R + jUF 5 I with the complex transmission ratio for the current Y 5 = Y 5 R + jY 5 I and with the complex transmission ratio for the voltage U 5 = Ü 5 R + jÜ 5 I complex multiplied. As a result, the desired frequency parts of the control voltage and the input current can be removed, ie the real part of the current control variable for the fifth harmonic in the frequency range I 5 R , the imaginary part of the current control variable for the fifth harmonic in the frequency range I 5 I , the Real part of the voltage control variable for the fifth harmonic in the frequency range U 5 R and the imaginary part of the voltage control variable for the fifth harmonic in the frequency range U 5 I.

Die komplexen Steuergrößen im Frequenzbereich I 3R, I 3I, U 3R, U 3I bzw. I 5R, I 5I, U 5R, U 5I werden einer Rücktrans­ formationseinrichtung 28 bzw. 29 zugeleitet. Der Rück­ transformationseinrichtung 28 liegen des weiteren die Signale sin 3wt und cos 3wt sowie der Rücktransformati­ onseinrichtung 29 die Signale sin 5wt und cos 5wt an. Durch die Rücktransformationseinrichtungen 28, 29 erfolgt die Rücktransformation der Steuergrößen in den Zeitbe­ reich mittels harmonischer Synthese. Hierzu wird wieder­ um auf das Fachbuch von Bigham verwiesen.The complex control variables in the frequency range I 3 R , I 3 I , U 3 R , U 3 I or I 5 R , I 5 I , U 5 R , U 5 I are fed to a reverse transformation device 28 and 29, respectively. The reverse transformation device 28 is also the signals sin 3 wt and cos 3 wt and the reverse transformation device 29 is the signals sin 5 wt and cos 5 wt . The inverse transformation devices 28 , 29 transform the control variables back into the time range by means of harmonic synthesis. In this regard, reference is again made to the textbook by Bigham.

Als Ergebnis sind den Rücktransformationseinrichtungen 28, 29 die Steuergrößen im Zeitbereich entnehmbar, d.h. der Rücktransformationseinrichtung 28 die Spannungs- Steuergröße für die dritte Harmonische im Zeitbereich UST 3 und die Strom-Steuergröße für die dritte Harmoni­ sche im Zeitbereich iK 3 sowie der Rücktransformations­ einrichtung 29 die Spannungs-Steuergröße für die fünfte Harmonische im Zeitbereich UST 5 und die Strom-Steuergrö­ ße für die fünfte Harmonische im Zeitbereich iK 5.As a result, the control variables in the time domain can be taken from the inverse transformation devices 28 , 29 , ie the inverse transformation device 28 the voltage control variable for the third harmonic in the time range UST 3 and the current control variable for the third harmonic cal in the time range iK 3 and the inverse transformation device 29 die The voltage control variable for the fifth harmonic in the time range UST 5 and the current control variable for the fifth harmonic in the time range iK 5.

Die Steuergröße UST 3 der Rücktransformationseinrichtung 28 wird einem Summenbildner 30 zugeführt. Diesem Summen­ bildner 30 liegt des weiteren die Steuergröße UST 5 der Rücktransformationseinrichtung 29 an. Ein weiterer Sum­ menbildner 31 empfängt die Steuergrößen iK 3 bzw. iK 5 der Einrichtungen 28 bzw. 29.The control variable UST 3 of the inverse transformation device 28 is fed to a summing unit 30. The control variable UST 5 of the inverse transformation device 29 is also applied to this summator 30. Another sum generator 31 receives the control variables iK 3 and iK 5 of the devices 28 and 29, respectively.

Die dem Summenbildner 30 ausgangsseitig entnehmbare Steuergröße, nämlich die analoge Kompensationssteuer­ spannung für die dritte und fünfte Harmonische YAUSTK=UST 3+UST 5, wird einem Summenbildner 32 zuge­ führt. Der dem Summenbildner 31 ausgangsseitig anliegen­ de Sollwert, nämlich der analoge Kompensations-Steuer­ strom für die dritte und fünfte Harmonische WAIK=iK 3+iK 5, wird einer Additionsstelle 33 mit po­ sitivem Vorzeichen zugeleitet.The control variable that can be taken from the summator 30 on the output side, namely the analog compensation control voltage for the third and fifth harmonics YAUSTK = UST 3+ UST 5, is fed to a summator 32 . The setpoint value applied to the summator 31 on the output side, namely the analog compensation control current for the third and fifth harmonics WAIK = iK 3+ iK 5, is fed to an addition point 33 with a positive sign.

Der Zwischenkreis-Spannungsistwert XAUD der Spannungser­ fassungseinrichtung 21 wird einer Vergleichsstelle 34 mit negativem Vorzeichen zugeführt. Andererseits liegt der Vergleichsstelle 34 der Zwischenkreisspannungs-Soll­ wert WAUD mit positivem Vorzeichen an. Die Differenz WAUD-XAUD wird einem Spannungsregler 35 zugeleitet, dessen Ausgangssignal zu einer Additionsstelle 36 ge­ langt. Die Additionsstelle 36 addiert das Regleraus­ gangssignal mit dem Zwischenkreisstrom-Istwert XAID und führt die Summe zwei Multiplizierern 37, 38 zu. Dem Mul­ tiplizierer 37 liegt desweiteren das Signal cos wt an. Das Ausgangssignal des Multiplizierers 37 gelangt über ein Proportionalglied 39 mit einem Verstärkungsfaktor proportional zu wL zum Summenbildner 32. Das Proportio­ nalglied 39 dient zur Vorsteuerung des Spannungsabfalls an der im Transformator integrierten Netzdrossel. Dem Multiplizierer 38 liegt des weiteren das Signal sin wt an. Das Ausgangssignal des Multiplizierers 38 gelangt über ein Proportionalglied 40 mit einem Verstärkungsfak­ tor proportional zu R zum Summenbildner 32 sowie direkt zur Addiionsstelle 33. R entspricht dabei den ohmschen Widerständen im Transformator. Das Proportionalglied 40 dient zur Kompensation der ohmschen stromabhängigen Spannungsabfälle im Transformator.The intermediate circuit voltage actual value XAUD of the voltage detection device 21 is fed to a comparison junction 34 with a negative sign. On the other hand, the reference junction 34 has the intermediate circuit voltage setpoint value WAUD with a positive sign. The difference WAUD-XAUD is fed to a voltage regulator 35 , the output signal of which is sent to an addition point 36 . The addition point 36 adds the controller output signal to the intermediate circuit current actual value XAID and feeds the sum to two multipliers 37 , 38 . The multiplier 37 is also the signal cos wt . The output signal of the multiplier 37 reaches the summator 32 via a proportional element 39 with a gain factor proportional to wL. The proportional element 39 is used to pre-control the voltage drop across the line reactor integrated in the transformer. The signal sin wt is also applied to the multiplier 38. The output signal of the multiplier 38 reaches the summator 32 and directly to the addition point 33 via a proportional element 40 with a gain factor proportional to R. R corresponds to the ohmic resistance in the transformer. The proportional element 40 serves to compensate for the ohmic, current-dependent voltage drops in the transformer.

Eine Blindstrom-Stellgröße YAIQ wird zwei Multiplizierern 41,42 zugeführt. Dem Multiplizierer 41 liegt anderer­ seits das Signal cos wt an. Das Ausgangssignal des Mul­ tiplizierers 41 gelangt über ein Proportionalglied 43 mit einem Verstärkungsfaktor proportional zu R zum Sum­ menbildner 32 sowie direkt zur Additionsstelle 33. Dem Multiplizierer 42 liegt andererseits das Signal sin wt an. Das Ausgangssignal des Multiplizierers 42 gelangt über ein Proportionalglied mit einem Verstärkungsfaktor proportional zu wL zum Summenbildner. Die aus den Bau­ gliedern 41 bis 44 bestehende Anordnung stellt einen Phasenschieber dar und ermöglicht den kapazitiven und induktiven Fahr- und Bremsbetrieb des Schienenfahrzeu­ ges. Der Additionsstelle 33 liegt außer den bereits er­ wähnten Größen der Stellerwechselstromistwert XAIU mit negativem Vorzeichen an. Das Ausgangssignal der Additi­ onsstelle 33 gelangt über einen Stromregler 45 zum Summenbildner 32. Als weitere Eingangsgröße wird dem Summenbildner 32 der Fahrdrahtspannungsistwert XAUF zugeführt. Der Summenbildner 32 bildet ein Mischsignal der eingangsseitig an ihm liegenden Signale und beauf­ schlagt ausgangsseitig einen Modulator 46, der wiederum ausgangsseitig das Ansteuersignal IGU, IGW zur Ansteue­ rung der Gate-Units 13, 14 abgibt.A reactive current command value YAIQ is supplied to two multipliers 41,42. The multiplier 41 is, on the other hand, the signal cos wt . The output signal of the multiplier 41 passes via a proportional element 43 with a gain factor proportional to R to the summing unit 32 and directly to the addition point 33 . On the other hand, the multiplier 42 has the signal sin wt . The output signal of the multiplier 42 reaches the summator via a proportional element with a gain factor proportional to wL. The structure consists of the construction 41 to 44 existing arrangement represents a phase shifter and enables capacitive and inductive driving and braking operation of the rail vehicle. In addition to the quantities already mentioned, the addition point 33 has the actuator ac actual value XAIU with a negative sign. The output signal of the addition station 33 reaches the summing unit 32 via a current regulator 45 . The contact wire voltage actual value XAUF is fed to the summator 32 as a further input variable. The summator 32 forms a mixed signal of the signals applied to it on the input side and acts on the output side to a modulator 46 , which in turn emits the control signal IGU, IGW for controlling the gate units 13 , 14 on the output side.

Die Additionsstelle 33, der Stromreg1er 45, der Summen­ bildner 32 und der Modulator 46 sind je einmal für jeden Vierquadrantensteller an einem Transformator vorhanden. In der Figur sind die Blöcke für den ersten Vierquadran­ tensteller U, V gezeichnet und für den zweiten Vierqua­ drantensteller W, X angedeutet.The addition 33 , the Stromreg1er 45 , the summing 32 and the modulator 46 are each available once for each four-quadrant controller on a transformer. In the figure, the blocks for the first Vierquadran tensteller U , V are drawn and for the second Vierqua drantensteller W , X indicated.

Die Größen sin wt, cos wt, sin 3wt, cos 3wt, sin 5wt, cos 5wt werden von nicht dargestellten, mit der Fahr­ drahtspannung UF synchronisierten Referenzsinusquellen bzw. Referenzcosinusquellen erzeugt.The quantities sin wt , cos wt , sin 3 wt , cos 3 wt , sin 5 wt , cos 5 wt are generated by reference sine sources or reference cosine sources, not shown, which are synchronized with the contact wire voltage UF.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf die Anwen­ dung bei elektrischen Schienenfahrzeugen beschränkt, sondern eignet sich allgemein für Pulsstromrichter, die an einem "schwachen", insbesondere einphasigen Wechsel­ spannungsnetz betrieben werden.The method according to the invention is not limited to the application limited use for electric rail vehicles, but is generally suitable for pulse converters that on a "weak", especially single-phase change voltage network are operated.

Claims (5)

1. Verfahren zur Steuerung eines Vierquadranten­ stellers mit einer Spannungsregelung für die ausgangs­ seitige Gleichspannung und einer Stromregelung für den eingangsseitigen Wechselstrom, insbesondere für elektri­ sche Schienenfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß der Fahrdrahtspannungsistwert (XAUF) und der Stellerwechsel­ stromistwert (XAIF) mittels diskreter Fouriertransforma­ tion vom Zeitbereich in den Frequenzbereich transfor­ miert werden, daß aus den transformierten Größen (IP, IQ, UF 1R) die komplexen Übersetzungsverhältnisse für den Strom (Y 3R, Y 3I, Y 5R, Y 5I) und die Spannung (Y 3R, Ü 3I, Ü 5R, Ü 5I) der Harmonischen berechnet werden, daß zur Bildung der komplexen Steuergrößen im Frequenzbereich für den Strom (I 3R, I 3I, I 5R, I 5I) und die Spannung (U 3R, U 3I, U 5R, U 5I) eine komplexe Multiplikation der komplexen Übersetzungsverhältnisse mit den komplexen Harmonischen der Fahrdrahtspannung (UF 3R, UF 3I, UF 5I, UF 5R) erfolgt und daß anschließend eine Rücktransforma­ tion der Steuergrößen im Frequenzbereich in die Steuer­ größen im Zeitbereich zur Bildung der Spannungs-Steuer­ größen (UST 3, UST 5) und Strom-Steuergrößen (iK 3, iK 5) für die Harmonischen erfolgt.1. A method for controlling a four-quadrant actuator with a voltage control for the output-side direct voltage and a current control for the input-side alternating current, in particular for electrical rail vehicles, characterized in that the contact wire voltage actual value (XAUF) and the actuator alternating current actual value (XAIF) by means of discrete Fourier transforma tion are mized from the time domain to the frequency domain transfor that from the transformed values (IP, IQ, UF 1 R) the complex transmission ratios for the power (Y 3 R, Y 3 I, Y 5 R, Y 5 I) and the voltage ( Y 3 R , U 3 I , U 5 R , U 5 I ) of the harmonics are calculated that to form the complex control variables in the frequency range for the current ( I 3 R , I 3 I , I 5 R , I 5 I ) and the voltage ( U 3 R , U 3 I , U 5 R , U 5 I ) a complex multiplication of the complex transmission ratios with the complex harmonics of the contact wire voltage (UF 3 R , UF 3 I , UF 5 I , UF 5 R) takes place u nd that then a reverse transformation of the control variables in the frequency domain into the control variables in the time domain to form the voltage control variables (UST 3, UST 5) and current control variables (iK 3, iK 5) for the harmonics takes place. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Bezugssystem für die diskrete Fouriertrans­ formation mit der Fahrdrahtspannung (UF) synchronisiert wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that the reference system for the discrete Fourier transformation with the contact wire voltage (UF) is synchronized. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Zeitfenster für die diskrete Fouriertrans­ formation einer Periode der Fahrdrahtspanung (UF) ent­ spricht.3. The method according to claim 2, characterized in that a time window for the discrete Fourier transformation of a period of the contact wire voltage (UF) speaks ent. 4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Synchronisation des Bezugssystems der Ima­ ginärteil der Grundschwingung der Fahrdrahtspannung (UF 1I) auf Null geregelt wird.4. The method according to claim 2, characterized in that for synchronization of the reference system of the Ima ginärteil the fundamental oscillation of the contact wire voltage (UF 1 I) is regulated to zero. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Spannungs-Steuergrößen (UST 3, UST 5) und Strom-Steuergrößen (iK 3, iK 5) für die dritte und fünfte Harmonische bestimmt werden.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the voltage control variables (UST 3, UST 5) and current control variables (iK 3, iK 5) are determined for the third and fifth harmonics.
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