用于控制整流器的控制系统和方法.pdf

本发明涉及用于控制整流器（2）的控制系统（1）和方法。控制系统（1）使得能够配置并且由于改变操作条件而更改整流器的操作并且采用更简单且更快的方式在最佳操作范围内操作整流器（2）。用于控制整流器（2）的控制系统（1）包括：每相的至少一个电抗器（6），其连接到整流器（2）用于向整流器（2）提供输入信号；用于提供偏置电流以用于控制电抗器（6）的设备（7）；用于提供控制电流以用于控制电抗器（6）的设备（8）。偏置电流固定为预定义值，其视为对于用于提供控制电流以用于控制电抗器（6）的设备（8）的输入信号，而用于提供控制电流以用于控制电抗器（6）的设备（8）补偿偏置电流的预定义值与定义电抗器（6）的线性操作范围的起始点的起始值之间的差异。本发明的另外的目标是采用更高效方式通过使用用于控制整流器（2）的改进方法来

1.  用于控制整流器（2）的控制系统（1），其具有：
-每相至少一个电抗器（6），其连接到所述整流器（2）用于向所述整流器（2）提供输入信号，
-用于提供偏置电流以用于控制所述电抗器（6）的设备（7），
-用于提供控制电流以用于控制所述电抗器（6）的设备（8），
所述控制系统的特征在于所述偏置电流固定为预定义值，其视为对于用于提供控制电流以用于控制所述电抗器（6）的设备（8）的输入信号，而用于提供控制电流以用于控制所述电抗器（6）的设备（8）补偿所述偏置电流的预定义值与定义所述电抗器（6）的线性操作范围的起始点的起始值之间的差异。

2.  如权利要求1所述的控制系统（1），其特征在于所述电抗器（6）的操作范围的起始点取决于所述整流器（2）的过程参数。

3.  如权利要求1所述的控制系统（1），其特征在于对于所述偏置电流的预定义偏移值取决于所述电抗器（6）的特征滞后曲线。

4.  如权利要求2所述的控制系统（1），其特征在于所述电抗器（6）的滞后曲线内的线性操作范围由定义所述起始点的起始值和定义所述电抗器（6）的线性操作范围的终点的终值定义。

5.  如权利要求1-4中任一项所述的控制系统（1），其特征在于用于提供偏置电流以用于控制所述电抗器（6）的设备（7）包括偏置电流电路并且用于提供控制电流以用于控制所述电抗器（6）的设备（8）包括控制电流电路。

6.  如权利要求5所述的控制系统（1），其特征在于所述偏置电流电路（7）和所述控制电流电路（8）彼此互连。

7.  如权利要求5所述的控制系统（1），其特征在于所述偏置电流电路（7）和所述控制电流电路（8）是两个独立电流电路。

8.  如权利要求5所述的控制系统（1），其特征在于所述控制系统（1）包括控制电流电路（8）。

9.  如上述权利要求中任一项所述的控制系统（1），其特征在于有载抽头转换器连接到变压器部（5）用于所述整流器（2）输出信号的粗略控制。

10.  如上述权利要求中任一项所述的用于控制整流器（2）的控制系统（1），其特征在于所述控制系统（1）包括控制单元（3）。

11.  如权利要求10所述的用于控制整流器（2）的控制系统（1），其特征在于所述控制单元（3）包括用于提供偏置电流以用于控制所述电抗器（6）的设备（7）和用于提供控制电流以用于控制所述电抗器（6）的设备（8）。

12.  如权利要求10所述的用于控制整流器（2）的控制系统（1），其特征在于所述控制单元（3）仅包括用于提供控制电流以用于控制所述电抗器（6）的设备（8）。

13.  如权利要求10-12中任一项所述的用于控制整流器（2）的控制系统（1），其特征在于所述控制系统（1）包括多个控制单元（3），其中多个所述控制单元（3）的每个控制单元耦合于每相的至少一个电抗器（6）并且能够操作每相的至少一个电抗器（6）。

14.  如权利要求10-12中任一项所述的用于控制整流器（2）的控制系统（1），其特征在于所述控制系统（1）包括单个控制单元（3），所述单个控制单元耦合于所述控制系统（1）的多个电抗器（6）并且能够操作多个所述电抗器（6）。

15.  如所述权利要求中任一项所述的用于控制整流器（2）的控制系统（1），其特征在于用于提供控制电流以用于控制所述电抗器（6）的设备（8）包括软件模块。

16.  整流器（2），其包括如权利要求1-15中任一项所述的控制系统（1）。

17.  用于控制由每相的至少一个电抗器（6）控制的整流器（2）的方法，所述每相的至少一个电抗器连接到所述整流器（2）用于向所述整流器（2）提供输入信号，所述方法包括以下步骤：
-通过用于控制所述电抗器（6）的设备（7）将偏置电流值设置为预定义值；
-通过补偿所述偏置电流的预定义值与所述起始值之间的差异来找到在所述电抗器（6）的控制曲线内定义线性操作范围的起始点的起始值，所述预定义值视为对于提供控制电流以用于控制所述电抗器（6）的设备（8）的输入信号；
-找到定义所述电抗器（6）的线性操作范围的终点的终值，而所述起始点和终点定义所述电抗器（6）的控制曲线内的线性操作范围。

18.  如权利要求17所述的用于控制整流器（2）的方法，其特征在于定义所述电抗器（6）的线性操作范围的起始点和终点通过自动调谐来设置。

用于控制整流器的控制系统和方法
技术领域
本发明涉及用于控制整流器的控制系统。此外，本发明涉及用于控制整流器的方法。特别地，本发明涉及用于控制二极管整流器的控制系统。
背景技术
众所周知整流器将交流电压或电流信号转换成直流电压或电流信号。它在大的应用和工业过程的领域中使用。整流器的输出电压的控制通常通过下列方法来进行：为了粗调整流器的输出电压，使用具有有载抽头转换器（OLTC）的变压器。为了细调输出电压，使用饱和电抗器，其耦合于整流器用于控制整流器。电抗器的控制由两个电流电路实现，这在现有技术中是一般惯例：一个偏置电路和一个控制电路。偏置电路的电流可由单相自耦变压器和B2二极管整流器实现。备选地，可使用具有许多固定抽头（在其二次侧上）的变压器和整流器电路。控制电路的电流可由B6晶闸管整流器实现。控制电路通常由对饱和电抗器的控制绕组馈电的可控直流电源组成。备选地，控制电流还可以是可变交流信号，其通过无源整流器来整流（例如使用二极管）。
然而，这样的实现的劣势是对于这些电流电路中的每个，需要两个独立整流桥-一个桥针对偏置电流电路并且一个桥针对控制电流电路。然而，这导致更加复杂并且从而导致对于控制整流器的制造和维护成本增加。另外的劣势是用于偏置电路的自耦变压器必须手动设置，从而也导致在试运转和操作这样的整流器系统时服务和维护时间量增加。
特别在试运转整流器期间并且在操作整流器期间过程参数改变的情况下，偏置电流和控制电流范围需要适于允许整流器系统的最佳控制响应。该调整通常手动进行以在可控电抗器元件的特征滞后曲线中找到适合线性操作范围的最佳值。然而，这在由于过程参数改变而需要迅速作出反应时通常是耗时的。则整流器必须适应于(adopted)新的过程参数以允许有耦合于整流器的技术系统的最佳控制响应。
本发明的目标是提供用于控制整流器以便使得更简单且更快配置和更改（adopt）整流器操作的改进控制系统。特别地，在整流器的操作条件改变时，应相应地更改整流器的操作行为以便能够在最佳操作范围内操作整流器。本发明的另一个技术目标是提供改进的控制系统用于控制整流器，从而使制造和维护成本量减少。本发明的另外的技术目标是提供改进的方法用于控制整流器以便在过程参数改变的情况下使调整整流器的时间减少并且因此对可耦合于整流器的技术系统提供最佳控制响应。
发明内容
技术方案是提供控制系统用于控制如由独立权利要求1的特征所定义的整流器。另外的技术方案是提供用于用如由独立权利要求17的特征所定义的控制系统来控制整流器的方法。本发明的优选示例由附上的独立权利要求阐述。
本发明的核心思想是用于控制整流器的控制系统，其包括：每相至少一个电抗器，其连接到整流器以用于向整流器提供输入信号；用于提供偏置电流以用于控制电抗器的另外的设备；和用于提供控制电流以用于控制电抗器的设备。偏置电流固定为预定义值，其视为对于用于提供控制电流的设备的输入信号，而用于提供控制电流的设备补偿偏置电流的预定义值与定义电抗器的线性操作范围的起始点的起始值之间的差异。
本发明的重要方面是整流器（优选地，二极管整流器）的输出参数（例如输出电压或输出电流）可以通过控制连接到整流器的调节器来控制。电抗器本身由凭借偏置电流电路和控制电流电路提供的偏置电流和/或控制电流来控制。电抗器的电气行为取决于它的特征滞后曲线，其定义电抗器的操作范围。滞后曲线的形式取决于电抗器的操作参数，并且从而可根据例如信号干扰、影响电抗器行为的温度等变化的外部条件来改变。如本领域内技术人员已知的，电抗器应优选地在所述滞后曲线的线性范围内操作。与现有技术相比，发明性控制系统使用预定义值，其是被测量且用作用于控制电抗器的输入信号的偏移值。
所述电抗器的所述滞后曲线的线性操作范围由定义起始点的起始值和定义所述电抗器的线性操作范围的终点的终值来定义。
根据偏移值在所述电抗器的所述滞后曲线上的位置，控制电流由使用控制电流电路来补偿所述偏移值与所述电抗器的线性操作范围的起始点之间的差异的设备提供。从而，所述电抗器的线性操作范围的起始点也可由于影响电抗器并且从而影响它的特征滞后曲线的位置和形状的信号干扰而改变，发明性控制系统能够拉平（level）并且平衡偏移值与所述电抗器的线性操作范围的起始点之间的差异，从而使得更容易且更快找到所述电抗器的线性操作范围的起始点。
本发明的一个优势是偏置电流（其简单地是预定义偏移值）可以设置为在整流器试运转期间的参数。这允许短的整流器系统试运转时间。此外，在必需最小时间来找到电抗器的线性操作范围时将整流器设置成期望操作模式，这简单得多且快得多。从而，如现有技术中常见的那样找到所述电抗器的线性操作范围的起始和终点的迭代过程不再是必需的。
发明性控制系统还允许整流器对影响整流器系统的操作的外部信号干扰（例如信号噪声）更鲁棒。即使信号干扰影响整流器，发明性控制系统使人能够更快且高效地将整流器的行为设置成它的优选线性操作模式。
本发明的另外的优势是它可以非常容易实现为不同的技术系统，例如控制和通信系统，因为它提供可以连接到外部系统部件的定义接口。发明性控制系统本身主要自给自足地操作，并且从而，它可以独立于连接到发明性系统的控制和通信系统操作。
本发明的另外的核心方面是提供用于由具有至少一个电抗器（其耦合于整流器）的控制系统控制整流器的方法。电抗器具有由特征控制曲线（例如滞后曲线）定义的操作行为并且电抗器耦合于整流器，其中电抗器控制整流器。
方法包括下列步骤：
l通过用于控制电抗器的设备将偏置电流值设置为预定义值；
l通过补偿偏置电流的预定义值（其视为对于提供用于控制电抗器的控制电流的设备的输入信号）与起始值之间的差异以找到在电抗器的控制曲线内定义线性操作范围的起始点的起始值；
l找到定义所述电抗器的线性操作范围的终点的终值，而起始点和终点定义所述电抗器的控制曲线内的线性操作范围。
在全视图中应注意定义电抗器的线性操作范围的起始点和终点通过或可以通过自动调谐来设置。
在更详细视图中应注意电抗器的线性操作范围的起始点是由用于提供控制电流的设备（例如耦合于至少一个电抗器的控制电流电路）所提供的控制电流值。控制电流的自动设置旨在补偿预定义偏置电流值（其在第一步骤中设置）与所述起始点之间的差异。偏置电流值可以是固定偏移参数。偏置电流值可与电抗器的线性操作范围的起始点匹配，但如果预定义偏置电流值与所述起始点不同，控制电流值必须设置成补偿预定义偏置电流值与所述起始点之间的差异。这也可以通过自动调谐来进行。
自动调谐允许自动设置偏置和控制电流极限。找到并且设置偏置和控制电流值的极限的目标是具有影响电抗器控制的电抗器的最大线性控制范围。应注意自动调谐也可使用具有固定抽头（在试运转来设置偏置电流期间选择它们）的变压器采用半自动方式进行。
自动调谐的另外的实现是它也可以对仅具有单个控制电流电路（其提供控制电流）而没有提供偏置电流的独立偏置电路的控制系统运作。这因为可以防止对电抗器的线性操作范围手动找到最佳设定值的耗时过程而有利地允许快得多的整流器试运转。
应进一步注意因为偏置电流值作为预定义值可以在整流器试运转期间手动或自动设置成固定值，但它也可以在电抗器的线性操作范围的起始点和终点的自动重调谐期间设置成不同的值。
使用偏置和/或控制电流值的极限的自动调谐的另外的优势是它在对控制电路找到最佳设定值中减少对手动试运转的依赖。自动调谐也允许重新调谐控制电路而不需要维护工程师在技术系统的现场。每当过程参数改变或受到信号干扰影响时，重新调谐还允许控制电路设置成最佳线性操作范围，即使在整流器操作期间也如此。
应进一步注意通过对每个电抗器独立使用控制电路，相位之间的电流不平衡可以均衡。
附图说明
在图中：
图1示出连接到整流器的发明性控制系统的示例；
图2示出电抗器的特征控制曲线的示例。
在图中使用的标号和它们的意思采用简要描述的形式在标号列表中列出。原则上，相同的部件在图中提供有相同的标号。任何描述的实施例代表本发明的主题的示例并且不具有任何限制性效应。
具体实施方式
根据用于控制在工业应用（像铝电解）中使用的整流器的控制系统的第一优选实施例，电抗器的线性操作范围的起始点取决于过程参数。这些过程参数可以是整流器的输入电压和/或电流。发明性控制系统的优势是操作整流器中灵活性的增加，其主要独立于控制整流器的电抗器特性。此外，更快且更精确的结果可以在使整流器适应于外部信号或变化的操作模式时实现。
在本发明的另外的实施例中，对于由例如偏置电流电路等设备提供的偏置电流的预定义偏移值取决于电抗器的特征滞后曲线，其定义电抗器的电信号行为。因为滞后曲线的形状可由于影响电抗器和整流器系统的信号干扰而改变，偏置电流的预定义偏移值也可改变。然而，该改变然后可被校正并且通过由例如控制电流电路等设备提供的合适控制电流来补偿。
应注意预定义偏移值可与定义电抗器的线性操作范围的开始的起始点匹配，但这可以是例外情况。从而，在努力找到所述起始点中，必须要补偿与预定义偏移值的差异。这通过由控制电流电路提供具有合适值的控制电流来实现。
此外，应注意发明性控制系统包括：偏置电流电路，作为用于提供偏置电流的设备；和包括用于提供控制电流的控制电流电路的设备。
然而，发明性控制系统还可采用控制电流电路独自在控制系统中使用而不使用偏置电流电路（其意指整流器专门由控制电流电路控制）的方式运作。这具有使用数量减少的电气部件并且从而导致操作和维护整流器的成本减小的优势。
应进一步注意通过对每个电抗器独立使用控制电路，相位之间的电流不平衡可以均衡。
在优选实施例中，在系统的变压器部中或外部安装至少一个电抗器，这取决于整流器应用的要求。
在发明性控制系统的另外的实施例中，有载抽头转换器连接到变压器部用于整流器输出信号的粗略控制。这具有控制系统的成本减少的优势，因为电抗器的尺寸可以明显减少，从而使电抗器的无功功率减少。
根据优选实施例，偏置电流电路和控制电流电路彼此互连。这具有在电抗器中仅需要使用具有单个绕组的电流电路并且从而使整流器系统的部件成本减少这一优势。
根据优选实施例，偏置电流电路和控制电流电路是两个独立电流电路。这因为信号重叠减少而也是本发明的优选实施例。在控制电流电路失效的情况下，该实施例有助于防止超过电流极限，这将由于安全原因而导致切断整流器，因为偏置电流电路的部件通常对信号干扰更鲁棒。
根据优选实施例，用于提供偏置电流的设备和用于提供控制电路的设备在控制单元内实现以便使整流器所需要的空间减少。
根据优选实施例，用于提供控制电流电路的设备包含软件模块。
根据优选实施例，用于控制整流器的发明性控制系统在整流器中实现。发明性控制系统的应用不限于特定整流器应用，并且从而，发明性系统也可在系统中实现以用于控制二极管整流器。
根据用于控制整流器的方法的优选实施例，定义电抗器的线性操作范围的起始点和终点可通过自动调谐来设置。在每相至少一个电抗器的控制曲线内线性操作范围的最小和最大极限值的自动调谐使系统能够保持在所述电抗器的线性操作范围内，即使整流器的操作模式由于影响整流器操作模式的外部新参数或信号干扰而改变也如此。自动调谐在整流器的操作条件改变时也允许有快且最佳控制响应。
所述电抗器的控制曲线内线性操作范围的起始和终止极限的值的自动调谐的另外的优势是这些极限的定期调整可以在整流器操作期间的过程改变被登记时实施。实施自动调谐的频率取决于整流器的输出电压。例如，如果超出整流器的输出电压的预定义极限，开始自动调谐。从而，对例如信号改变和耦合于整流器的负载改变等过程改变迅速作出反应并且其可影响整流器的操作行为，这是可能的。因此，维护的质量通过使用自动调谐来代替手动找到所述电抗器的线性操作范围的所述最小和最大值而明显增加。
连续自动调谐的另外的优势是尽可能有效地操作电流控制，从而给予客户最高可能平均电流并且从而给出最高可能生产。
连续自动调谐的另外的优势是抽头转换器操作减少到最低可能，并且从而，抽头转换器装置的维护可以减少到最小值。
本发明的另外的发明性目标、备选方案和特征将从本发明的优选实施例的下列详细描述连同图变得明显。
具体实施方式
图1示出用于利用输出信号9控制整流器2的控制系统1，该输出信号9可以是对耦合于整流器2的负载（未示出）的输出电压或输出电流。整流器2可以是二极管整流器。负载可以是例如铝电解应用。控制系统1包括每相至少一个电抗器6、用于提供偏置电流以用于控制电抗器6的设备7和用于提供控制电流以用于控制电抗器6的设备8。优选地，设备7和8存储在控制单元3中，其耦合于至少一个电抗器6。
在本发明的另一个实施例中，耦合于至少一个电抗器6的控制单元3还可仅包括具有单绕组电路的设备8。
此外，单个控制单元3可耦合于控制系统1的多个电抗器6。单个控制电路3可因此操作控制系统1的多个电抗器6。
在本发明的备选实施例中，如果控制系统1包括对于每相的多个电抗器6，单个控制单元3耦合于所述电抗器6，这对于每相的每个电抗器6是可能的。在这样的结构中，多个控制单元3耦合于所述多个电抗器6。因此，在本发明的这样的备选实施例中，多个所述控制单元3的每个控制单元3操作多个所述电抗器6的至少一个电抗器6。
作为另一个示例，仅利用一个控制单元3来操作一个相的两个电抗器，这将是可能的。
电抗器6耦合于整流器2以用于向整流器2提供输入信号。用于提供偏置电流以用于控制电抗器6的设备7和用于提供控制电流以用于控制电抗器6的设备8连接到电抗器6。至少一个电抗器6耦合于变压器5，其还可包括有载抽头转换器（未示出）用于整流器输出电压的粗略控制。根据本发明的另一个方面，控制电抗器6来控制输出信号9，其可以是整流器2的输出电压或输出电流。电抗器6的操作行为取决于它的滞后曲线，其可由于操作参数（例如影响电抗器行为的外部信号干扰）而改变。
为了在考虑整流器2的不同操作模式或影响电抗器6的信号干扰时确保电抗器6在它的滞后曲线的线性操作范围内操作，必须相应地设置电抗器的线性操作范围的起始点和终点。这由发明性控制系统采用偏置电流固定为预定义值的方式进行，该预定义值视为用于提供控制电流以用于控制电抗器的设备8的输入信号，而设备8补偿偏置电流的预定义值与定义电抗器6的线性操作范围的起始点的起始值之间的差异。终点指设备8的固定值，在这里达到所述电抗器6的线性操作范围的末端。
图2示出如在图1中显示的至少一个电抗器6的特征控制曲线的示例。电抗器6连接到整流器2，用于向整流器2提供输入信号以用于控制整流器2。在图2中，电抗器6的特征控制曲线描绘为滞后曲线。
在下面，解释图2的滞后曲线内的点A、B、C和D的意思。
点A是作为由用于控制根据图1的电抗器的设备7设置的预定义值的偏置电流值的特征值。
点B是对于限定如在图1中示出的电抗器6的控制曲线内的线性操作范围B-D的起始点的起始值的特征。起始点B通过补偿偏置电流的预定义值（由图2中的点A表示，其视为对于如在图1中示出并且提供控制电流以用于控制电抗器6的设备8的输入信号）与起始值之间的差异而确定。
点D定义如在图1中示出的电抗器6的线性操作范围B-D的终点，而起始点B和终点D定义在电抗器6的控制曲线内的线性操作范围B-D。
应注意滞后曲线中的点B和D可以优选地通过自动调谐序列来找到。
点C考虑电抗器的滞后曲线的位置或形状由于操作情况（其可影响所述至少一个或多个电抗器部件6）而改变时的情景。在这样的情况下，自动调谐可以确保所述电抗器6的线性操作范围B-D的起始点B可自动调整来满足改变的操作条件。对于该情景的示例可以是工业电解槽（pot-line）工艺应用的改变DC电压。
符号参考列表
1控制系统
2整流器
3控制单元
5变压器部
6电抗器
7用于提供偏置电流以用于控制电抗器的设备
8用于提供控制电流以用于控制电抗器的设备
9整流器的输出参数
A对于偏置电流的值
B电抗器的线性操作范围的起始点
C在操作改变情况下电抗器的线性操作范围的起始点
D电抗器的线性操作范围的终点