AT392177B - Vorrichtung zur erfassung der momentanleistung an einer phase eines wechselrichters mit vorgegebener eingangsgleichspannung, insbesondere eines pulswechselrichters - Google Patents

Description

AT 392 177 B

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung der Momentanleistung an einer Phase eines Wechselrichters mit vorgegebener Eingangsgleichspannung, insbesondere eines Pulswechselrichters, sowie deren Weiterbildung zur Erfassung der Wirk- und/oder Blindleistung, des Wirk- und/oder Blindstromes an dieser Phase bzw. zur Erfassung dieser Größen für den ganzen Wechselrichter. Häufig wird der Meßwert des Wirk- oder Blindstroms benutzt, z. B. um Strom- und Drehzahlpendelungen von umrichtergespeisten Asynchronmaschinen zu dämpfen. Dabei ist häufig eine möglichst unverzögerte Erfassung des entsprechenden Meßwertes wünschenswert

Eine Möglichkeit besteht z. B. darin, die Ausgangspannung in zweiphasige Komponenten umzurechnen und dann mit Hilfe eine Vektorfilters zu glätten und zu normieren. Die normierte Ausgangsspannung wird dann mit entsprechenden zweiphasigen Komponenten der Ausgangsströme multipliziert und liefert die Meßwerte von Wirk-bzw. Blindstrom oder bei Verwendung der nicht normierten Ausgangsspannung die Meßwerte von Wirk- bzw. Blindleistung. Dies erfordert nicht nur entsprechende Rechenglieder zur Umrechnung in zweiphasige Komponenten, sondern auch das Vektorfilter selbst Sofern derartige Meßwerte für die Phasen des Wechselrichters einzeln benötigt werden, müssen sie aus den zweiphasigen Komponenten errechnet werden.

Aufgabe der Erfindung ist eine möglichst aufwandsarme Ermittlung dieser Meßwerte eines derartigen Wechselrichters, insbesondere des lastseitigen Stromrichters eines Zwischenkreisumrichters mit eingeprägter Zwischenkreisspannung.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, deren vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung in den Unteransprüchen gekennzeichnet ist

Ausgangspunkt ist demgemäß eine Schaltung, bei der ein einem einzelnen Phasenstrom entsprechendes Meßsignal einem Schalter aufgeschaltet wird, der mit dem den Schaltzustand des auf diese Phase arbeitenden Wechselrichterschalters bestimmenden Schaltsignal betätigt wird. Das Schalterausgangssignal gibt den Momentanwert der Phasenleistung bzw. nach Mittelung über eine Halbperiode des Stromes die Wirkleistung der Phase an.

Es kann auch ein dem Phasenstrom an einem Ausgang des Wechselrichters entsprechendes Meßsignal bei Erfassung der Wirkleistung direkt bzw. bei Erfassung der Blindleistung nach eine Phasendrehung um π/2 je einem Schalter aufgeschaltet werden. Die Schalter werden mit den den Schaltzustand der Wechselrichterschalter bestimmenden Signalen betätigt. Die Ausgangssignale der Schalter werden dann in einem Überlagerungsglied addiert, das den entsprechenden pulsbreitenmodulieren Meßwert von Wirk- bzw. Blindleistung liefert

Anhand von 6 Figuren und 4 Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert

Fig. 1 zeigt dabei einen Gleichrichter, der als lastseitiger Stromrichter eines Zwischenkreisumrichters mit eingeprägter Zwischenkreisspannung verwendet ist. Fig. 2 verdeutlicht die Erfindung für den Fall, daß für eine einzelne Phase die Momentanleistung, die Wirkleistung und der Wirkstrom erfaßt werden sollen. In Fig. 3 ist eine Schaltung zur Erfassung von Wirkleistung und Wirkstrom des gesamten Umrichters nach Fig. 1 dargestellt. Fig. 4 zeigt eine Schaltung zur gleichzeitigen Erfassung von Blindstrom und Wirkstrom eines derartigen Stromrichters, wobei ein dabei verwendeter Koordinatendreher in Fig. 5 dargestellt ist. Fig. 6 stellt eine besonders aufwandsarme Schaltung zur Ermittlung der Meßwerte für Blindstrom und Wiikstrom dar.

Mit (R), (S), (T) und (U), (V), (W) sind in Fig. 1 die über eine ungesteuerte Gleichrichterschaltung (1) an ein praktisch konstantes Wechselstromnetz angeschlossenen Anschlüsse eines Zwischenkreisumrichters bzw. die lastseitigen Ausgänge dieses Zwischenkreisumrichters dargestellt. Über geeignete Meßglieder werden Meßwerte (ijj), (iy), (iyy) für die Phasenströme an den Ausgängen (U), (V) und (W) gebildet.

Im lastseitigen Stromrichter (2) ist jede Ausgang (U), (V), (W) jeweils über einen Halbleiterschalter (z. B. Transistoren) (Tjjj), (T^) bzw. (Tyj), (Τγ2> bzw. (Tyyjj, (Ty^) alternierend mit dem positiven bzw. negativen Pol des Zwischenkreises verbunden, dessen von der Gleichrichterbrücke (1) gelieferte Zwischenkreisspannung über einen Kondensator (3) konstant gehalten wird. Die Ansteuersignale für die drei Halbleiterschalter sind mit (Sy), (Sy), (Sw) bezeichnet. In jedem Schalter sind den einzelnen Transistoren Rückarbeitdioden antiparallel geschaltet. Weitere selbstverständliche Einzelheiten (Treiberstufen, Mittel zur Potentialtrennung etc.) sind in Fig. 1 weggelassen.

Die Ausgangsspannungen des Gleichrichters (2) sind in ihrer Phasenlage durch die Schaltimpulse bestimmt. Die Verwendung von Transistorschaltem ermöglicht dabei insbesondere, durch ein hochfrequentes Umschalten zwischen den beiden Zwischenkreispolen eine pulsbreitenmodulierte, insbesondere sinusförmige Ausgangsspannung herzustellen. Die Ausgangsströme sind bei eine derartigen Einprägung der Ausgangsspannungen durch die Impedanzverhältnisse der jeweiligen Last bestimmt und stellen sich frei ein. Die Momentanleistung ergibt sich dann aus einer phasenrichtigen Multiplikation des jeweiligen Ausgangsstromes mit der eingeprägten Spannung, deren durch geeignete Glättung gebildeter Mittelwert in jeder Halbperiode der Spannung die jeweilige Wirkleistung der Phase angibt, während die jeweilige Blindleistung einer Phase aus dem Produkt des Phasenstromes mit der um 90° verschobenen Spannung gewinnbar ist.

Entsprechend wird zur Erfassung der Wirkleistung jeweils des Meßsignal eines Phasenstromes direkt bzw. zur Erfassung der Blindleistung erst nach Phasendrehung um π/2 dem entsprechenden Schalter aufgeschaltet. Die Wirkleistung bzw. Blindleistung entspricht dann dem geglätteten Schalterausgangssignal. -2-

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Es kann daher die Erfassung der Momentanleistung zur Bestimmung von Wirk- und/oder Blindleistung herangezogen werden.

Das Betätigen des auf die Phase (U) arbeitenden Halbleiterschalters in Fig. 1 geschieht, indem während einer kurzen Schaltdauer (T j) durch das Ansteuersignal Sy = L der Transistor (Ty2) gesperrt und gleichzeitig über den Inverter (IN) der Transistor (Ty j) leitend gesteuert wird. An der Phase (U) liegt dann die Eingangsgleichspannung (+Ug) an. In der folgenden Schaltdauer (T2) werden durch ein Schaltsignal Sy = H beide Transistoren umgesteuert und an der Phase (U) die Spannung (-Ug) erzeugt. Im Mittel ergibt sich über die Taktperiode T^+T2 dann die Spannung (Uu) durch

Tl+T2 ΤΓΤ2 Uu

Uu = ^iug-T2.Ug)/(T1+T2) = (-)Ug;---

Tl+T2 (Ti+T2) Ug

Das Schaltsignal (Su) mit dem Tast-Verhältnis (Tj-T2)/(Tj+T2) ist also ein pulsbreitenmoduliertes Signal für die erzeugte Ausgangswechselspannung (Uu) die auf die Zwischenkreisspannung (Ug) normiert ist.

Gemäß Fig. 2 wird das Schaltsignal (Su) auch zum Umlegen des als Polaritäts-Umschalter ausgebildeten Schalters (Nu) verwendet, dem das dem Phasenstrom (iy) entsprechende Meßsignal zugeführt ist Während der Schaltdauer (Tj) liegt (N„) in der oberen Stellung und schaltet auf einen als Glättungsglied beschalteten Operationsverstärker (4) das Signal (+iu). Während der Schaltdauer (Τ2) wird die Polarität umgeschaltet, indem der Schalter in die untere Stellung gelegt wird, bei der über einen Inverter (TV) nunmehr das Signal (-iu) auf das Glättungsglied gegeben wird. Dadurch entsteht nach Mittelung über die Tastperiode (Tj+T2) das Ausgangssignal τΓτ2 VCT1½ * 1+¾)= ( ) · = υπ·ν^·

Tl+T2

Die Schaltung stellt also praktisch einen Pulsbreitenmultiplikator für Strom und Spannung dar, der in diesem Fall mit Polaritätsumschaltung arbeitet

Sind die Eingangsgleichspannung (Zwischenkreisspannung) und die Amplitude der Ausgangsgrundschwingung des Wechselrichters bekannt, so ist dieses gepulste Schalterausgangssignal ein direktes Maß für die Momentanleistung an dieser Phase und der in jeder Halbperiode gemessene Mittelwert gibt die Wirkleistung an. Dieser Mittelwertbildung dient eine Schaltung (hier die Beschaltung des Operationsverstärkers (4)), die die Schalterausgangssignale glättet

Zur Berücksichtigung der Spannungsamplitude ist das nachgeschaltete Kennlinienglied (5) vorgesehen, das das Schalterausgangssignal mit dem Reziprokwert der Wechselrichteraussteuerung (u. U. unter weiterer Berücksichtigung der Spannungsnormierung auf die Zwischenkreisspannung) bewertet Dadurch entsteht dann ein Signal für den Wirkstrom dieser Phase.

Wendet man diese Schaltung auf alle Phasen des Wechselrichters an, so kann durch Addition der Leistungen bzw. Ströme in einem Überlagerungsglied ein entsprechendes Meßsignal für die Momentan- bzw. Wirkleistung und den Wirkstrom des ganzen Wechselrichters gebildet werden.

Eine entsprechende Schaltung ist in Fig. 3 dargestellt, wobei eine Ausgestaltung der Schalter (Ny), (Ny) und (Nyy) für die Meßsignale der Ströme (iy), (iy) und (iyy) gewählt ist, bei denen die Schalter selbst als einfache Ein/Aus-Schalter ausgebildet sind und der Polaritätswechsel dadurch erreicht wird, daß die jeweiligen Meßsignale mit dem konstanten Faktor -1/2 dem Additionsglied für die Schalterausgangsssignale zugeführt werden. Als Additionsglied ist dabei der bereits erwähnte, als Glättungsglied beschattete Operationsverstärker (4) verwendet.

Ist der lastseitige Stempunkt des Umrichters nicht angeschlossen, so güt iy + iy + ίψ = 0 und die mit dem Faktor -1/2 bewerteten Meßsignale brauchen nicht berücksichtigt zu werden. Man gelangt so zu eine vereinfachten Schaltung, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist.

Dort ist der jeweilige Meßwert (iy), (iy) und (iyy) zur Erfassung der Wirkleistung jeweils einem Schalter (My), (My), (Myy) zugeführt, wobei jeder Schalter mit dem Schaltsignal (Sy), (Sy), (Syy) des der -3-

AT 392 177 B entsprechenden Phase (U), (V), (W) zugeordneten Wechselrichterschalters betätigt wird. An den Ausgängen dieser Schalter stehen nunmehr Ausgangssignale an, die pulsbreitenmodulierte Werte für die Wirk- bzw. Blindleistung dieses Ausgangs darstellen. Die entsprechenden Meßwerte für den gesamten Wechselrichter werden gebildet, indem die von den Schalterausgangssignalen gebildeten Phasen-Wirkströme direkt im Additionsglied (4) zum resultierenden Wirkstrom-Meßwert addiert weiden.

Der dadurch gebildete Meßwert weist infolge der Pulsbreitenmultiplikation Oberschwingungen auf, die jedoch durch Glättung umso leichter beseitigt werden können, je höher die Arbeitsfrequenz der Pulsbreitenmodulation ist. Insbesondere bei einem Pulswechselrichter genügt daher eine geringe, mittels der RC-Beschaltung des Opertionsverstärkers (4) (Additionsgliedes) bewirkte Glättung.

Allerdings legt das Pulsbreitenverhältnis der Schaltsignale des Pulswechselrichters auch die Amplitude der Ausgangsspannungs-Grundschwingungen fest, so daß das Ausgangssignal des Additionsgliedes über den Aussteuerungsgrad des Wechselrichters der Wirkleistung proportional ist. Daher ist zur Ermittlung des Wirkstromes dem Additionsglied das Kennlinienglied (5) nachzuschalten, wodurch der vom Additionsglied gelieferte Meßwert mit dem Reziprokwert (r) der Wechselrichteraussteuerung bewertet wird. Das entsprechende, nunmehr vom Aussteuerungsgrad des Wechselrichters unabhängige Ausgangssignal des Kennliniengliedes (5) kann natürlich auch auf andere Weise erzeugt werden; insbesondere ist es möglich, diese Bewertung mit dem Reziprokwert des Aussteuerungsgrades auf digitale Weise in der diesen Meßwert verarbeitenden Steuerung der Maschine, z. B. einem Mikroprozessor, auszuführen. Auch anstelle der Analogschalter (My), (My), (Myy) und anstelle des Additionsgliedes (4) können entsprechende Digitalbausteine verwendet werden. Zur Erfassung des Blindstromes kann auf gleiche Weise vorgegangen werden, wobei es lediglich erforderlich ist, die Meßsignale (iy), (iy) und (iyy) zunächst mittels eines Phasendrehers (6) in ihrer Phasenlage um 90° zu drehen. Die auf diese Weise phasenverschobenen Meßwerte werden entsprechenden Schaltern (By), (By) und (Byy) zugeführt, die ebenfalls mit den den Schaltzustand der Wechselrichterschalter bestimmenden Schaltsignalen (Sy), (Sy) und (Syy) betätigt werden. Ein anschließendes Additionsglied, das ggf. zur Erreichung eine

Glättung durch einen Operationsverstärker (7) mit RC-Beschaltung ausgeführt sein kann, liefert dann den Meßwert für den Blindstrom, der z. B. im Falle eines Pulswechselrichters ebenfalls über ein Kennlinienglied (8) am Additionsglied (7) abgegriffen ist. Fig. 5 zeigt ein Beispiel eines Phasendrehers, bei dem die ursprünglichen Meßwerte (ijj), (iy) und (iyy) jeweils über entsprechende Multiplikations- und Additionsglieder zu einem neuen System von Meßwerten zusammengesetzt werden können, das nunmehr um π/2 gedreht ist. Diese Schaltung verursacht praktisch keinen Phasen- und Amplitudenfehler.

Selbstverständlich ist diese Erfassung von Wirk- und/oder Blindstrom nicht nur auf den dargestellten dreiphasigen Fall beschränkt, sondern kann auch für Wechselrichter mit anderer Phasenzahl verwendet werden. Ist der Stempunkt der Last nicht angeschlossen, sondern frei, so kann, da dann die Summe aller Ausgangströme Null ist, zumindest ein Phasenstrom aus den anderen Strömen berechnet werden, wodurch sich die Anzahl der benötigten Bauelemente verringert Eine derartige Verringerung ist u. U. auch in anderen Fällen möglich, z. B. wenn aufgrund einer streng symmetrischen Last rechnerisch erfaßbare Beziehungen zwischen einzelnen Phasenströmen bestehen, die es gestatten, bestimmte Phasenströme durch die restlichen Phasenströme rechnerisch zu ermitteln. Für wenigstens eine Phase kann dann als Schalt»-, der - entsprechend dem Schaltzustand des auf dieser Phase arbeitetenden Wechselrichterschalters und dessen Schaltsignal - mit diesem Schaltsignal betätigt wird, eine Schalteinrichtung vorgesehen sein, der als Meßsignal für den Phasenstrom dieser Phase ein aus anderen Phasenströmen zusammengesetztes Meßsignal aufgeschaltet ist Man kommt daher mit weniger Strom-Meßgliedern aus.

So ergibt sich z. B. im dreiphasigen Fall mit freiem Stempunkt eine besonders einfache Schaltung, wenn handelsübliche integrierte Schaltungen als Analogschalter verwendet werden, bei denen 4 einzelne Analogschalter zu einem einzigen Bauelement vereinigt sind. Eine derartige Konfiguration ist in Fig. 6 dargestellt.

Die Verstärkerschaltungen (10) und (11) bewirken dabei zunächst die für die Blindstromerfassung nötige Phasendrehung um 90°, wobei lediglich von den invertierten Meßwerten (iy), (iyy) ausgegangen wird. Der dadurch phasenverschobene Meßwert (iy) bzw. (iyy) wird einerseits jeweils über den Schalter (By) und (Byy) mit dem Schaltsignal (Sy) und (Syy) pulsbreitenmoduliert und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (7) (Additionsglied) zugeführt. Andererseits werden diese Meßwerte über Schalter (Byj) und (By2) auch mit dem Schaltsignal (Sy) pulsbreitenmoduliert und dem nichtinvertierenden Eingang des Additionsglieds (7) zugeführt, das somit entsprechend der Bedingung des freien Stempunktes (iy=-iy -iyy) den entsprechenden Blindstrom am Ausgang (V) errechnet. Die Schalter (By), (Byy), (Byj) und (By2) sind hierbei zu einer einzigen integrierten Schaltung zusammengefaßt. Die entsprechende Anordnung mit den Schaltern (My), (Myy) und (Myj), (My2), jedoch ohne den Phasendreher (10), (11) ist auch für die Erfassung des Wirkstromes (Iyy) vorgesehen. -4-

Claims (9)

1. AT392 177 B Insgesamt ergibt sich somit eine Schaltung, die die Erfassung von Blindstrom und Wirkstrom mit einem minimalen Aufwand ermöglicht. PATENTANSPRÜCHE 1. Vorrichtung zur Erfassung der Momentanleistung an einer Phase eines Wechselrichters, insbesondere eines Pulswechselrichters, dadurch gekennzeichnet, daß ein dem Phasenstrom entsprechendes Meßsignal (iu) einem Schalter (Ny) aufgeschaltet wird, daß der Schalter (Ny) mit dem den Schaltzustand des auf diese Phase (U) arbeitenden Wechselrichterschalters (Tyj), (Ty2) bestimmenden Schaltsignal (Sy) betätigt wird, und daß am Ausgang dieses Schalters ein der Momentanleistung entsprechendes Signal (Py) abgegriffen wird.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Erfassung der Wirk- und/oder Blindleistung an einer Phase des Wechselrichters, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal (iy) zur Erfassung der Wirkleistung direkt bzw. zur Erfassung der Blindleistung nach Phasendrehung um π/2 dem Schalter (My, By) aufgeschaltet wird, wobei die Wirkleistung bzw. Blindleistung dem geglätteten Schalterausgangssignal entspricht (Fig. 5).
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2 zur Erfassung des Wirk- und/oder Blindstromes an eine Phase des Wechselrichters, gekennzeichnet durch ein Kennlinienglied (5) oder eine Rechenstufe zur Bewertung des Schalterausgangssignals mit dem Reziprokwert der Wechselrichteraussteuerung (r) (Fig. 2).
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Erfassung der Momentanleistung des Wechselrichters, dadurch gekennzeichnet, daß für mehrere oder alle Phasen des Wechselrichters die Momentanleistungen erfaßt und in einem Überlagerungsglied (4) addiert werden (Fig. 3).
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4 für einen Wechselrichter mit lastseitigem freiem Stempunkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter als Ein/Ausschalter (My) ausgebildet sind (Fig. 4).
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für wenigstens eine Phase des Wechselrichters als Schalter, der mit dem den Schalterzustand des auf diese Phase arbeitenden Wechselrichterschalters bestimmenden Schaltsignal (Sy) betätigt wird, eine Schalteinrichtung (Myj), (My2) vorgesehen ist, der ein dem Phasenstrom dieser Phase entsprechendes, aus Meßsignalen (iu), (iy) anderer Phasenströme zusammengesetztes Meßsignal aufgeschaltet ist (Fig. 6).
7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6 zur Erfassung der Wirk- und/oder Blindleistung des Wechselrichters, dadurch gekennzeichnet, daß das jeweils einem Phasenstrom entsprechende Meßsignal zur Erfassung der Wirkleistung direkt bzw. zur Erfassung der Blindleistung nach Drehung um π/2 dem entsprechenden Schalter (My), (My), (M^y) bzw. (By), (By), (Byy) aufgeschaltet ist, wobei die im Überlagerungslied addierten Schalterausgangssignale der Wirkleistung bzw. Blindleistung entsprechen (Fig. 4).
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7 zur Erfassung des Wirk- und/oder Blindstromes des Wechselrichters, dadurch gekennzeichnet, daß am Überlagerungsglied ein Kennlinienglied (5), (8) oder eine Rechenstufe vorgesehen sind, die den durch Addition der Schalterausgangssignale entstehenden Meßwert mit dem Reziprokwert der Wechselrichteraussteuerung (r) bewerten (Fig. 4).
9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, gekennzeichnet durch eine Schaltung zur Glättung der Schaltmausgangssignale. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen -5-