AT395486B - Schaltungsanordnung zur strommessung bei einem frequenzumrichter mit spannungszwischenkreis - Google Patents

Description

AT 395 486 B

DieErfindung betriffteineSchaltungsanordnungzurStrommessungbci einem FrequenzumrichtermitSpannungs-zwischenkreis,derz.B. eine Drehstromasynchronmaschine speist, wobei der Maschinenwechselrichtervorzugsweise ein aus drei Schaltpolen bestehender Pulswechselrichter ist, der die Verstellung der Ausgangsspannung des Frequenzumrichters nach Amplitude und Frequenz vomimmt 5 Aus der DD-PS Nr. 261 894 ist eine Schaltungsanordnung zur Steuerung von Schwingkreiswechselrichtem bekannt Bei dieser Schaltungsanordnung werden Signale aus dem Zwischenstromkreis für weitere Aufgaben haangezogen. Diese bekannte Schaltungsanordnung findet aber für Stromquellen von Gasentladungslasem und plasmatechnologischen Verfahren Anwendung.

Die Aufgabe da Erfindung besteht nun darin, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, mit der aus den Impulsen 10 von nur einem Strommeßorgan die Werte der Grundschwingung, des Wirkanteiles und des Spitzenwertes des Ausgangsstromes des Maschinenwechselrichtos ermittelt werden können.

Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst Diese ist dadurch gekennzeichnet, daß im Zwischenkreis des Frequenzumrichters ein Strommeßorgan vorgesehen ist welches zu bestimmten Zeitpunkten Impulse liefert, die den in den Zwischenkreis durchgeschalteten Strangströmen dazu speisenden Maschine entsprechen, wobei jeweils zwei 1S Impulse aufeinanda folgen, von denen jeder die Größe eines andaen Strangstromes darstellt, und z. B. nach jeweils zwei Impulsen ein Freilaufzustand auftritt, bei dem der Zwischenkreisstrom Null ist und daß die Impulse einer Stromspitzenwerterfassungsschaltung, eina Grundschwingungsstromerfassungsschaltung und einer Wirkstromerfassungsschaltung zuführbar sind und daß eine Logikschaltung vorgesehen ist, an die die Wechselrich-ta-Istzustandssignalegelangen und von da mindestens ein AusgangmiteinerStromerfassungsschaltungverbunden 20 ist und daß jeda dieser Stromerfassungsschaltungen ein Analog-Digital-Wandler nachgeschaltet ist, der mit einem

Mikroprozessorsystem verbunden ist.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung besteht die Wirkstromerfassung aus einem von der Logikschaltung steuerbaren elektronischen Umschalta dem ein Filta, insbesondere Tiefpaßfilter, nachgeschaltet ist, wobei dem einen Eingang des Umschaltas die Impulse vom Strommeßorgan zuführbar sind und der zweite Eingang mit dem 25 Ausgang des Filters verbunden ist

Von Vorteil ist, daß die Stromspitzenwerterfassungsschaltung aus einer von der Logikschaltung steuerbaren Abtast-Halte-Schaltung, der eine Summioungsstelle folgt, die einerseits direkt an einen Eingang einer Größtwertauswahlschaltung und andererseits über einen Inverter an einen zweiten Eingang dieser Größtwertauswahlschaltung angeschlossen ist, besteht und daß die Impulse vom Strommeßorgan der Abtast-Halte-Schaltung, 30 derSummierungsstelleundeinerseitsdirekteinemdrittenEingangundandererseitsübereinenlnvatereinem vierten

Eingang der Größtwertauswahlschaltung zuführbar sind.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht die Grundschwingungsstromerfassungsschaltung aus zwei unabhängig voneinander von der Logikschaltung steuerbaren elektronischen Umschaltern, denen je ein Filter, insbesondere Tiefpaßfilter, nachgeschaltet ist, welches mit je einem invertierenden und einem nichtinvertierenden 35 Gleichrichter verbunden ist, wobei die beiden invertierenden Gleichrichter an eine Kleiner-Auswahlschaltung und die beiden nichtinvertierenden Gleichrichter an eine Größer-Auswahlschaltung angeschlossen sind und die beiden Auswahlschaltungen ausgangseitig über eine Summierungsstelle miteinander vabunden sind, und daß dem einen Eingang jedes Umschalters die Impulse vom Strommeßorgan zuführbar sind und der zweite Eingang mit dem Ausgang des Filters verbunden ist. 40 VonVorteilistfemer.daßderAusgangderStFomspitzenwerterfassungsschaltungbzw.derGrößtwertauswahlschal- tung einerseits mit einer Spitzenwerthalteschaltung und andererseits mit einer Einrichtung zur Abschaltung bei Spitzenwertüberschreitung verbunden ist

An Hand der in den Zeichnungen dargestellten Blockschaltbilder und der Strom Verläufe wird die Erfindung nun noch näha erläutert 45 Die Fig. 1 stellt einen bekannten Spannungszwischenkreisumrichter als Blockschaltbild dar, die Fig. 2 zeigt ebenfalls als Blockschaltbild die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Erfassung der einzelnen Anteile des Maschinenwechselrichterstromes aus dem Stromsignal des Zwischenkreises, in Fig. 3 sind die Grundschwingungen der in 60°-Abschnitten in den Zwischenkreis durchgeschalteten Motorströme bei verschiedenen Lastfällen zu sehen und das Stromsignal in Fig. 4 ist ein in einem 60°-Abschnitt in den Zwischenkreis durchgeschaltetes reales Signal 50 ohne Darstellung der überlagerten Stromwelligkeit der Motorströme.

Der bekannte Spannungszwischenkreisumrichter in Fig. 1 besteht aus einem an ein Drehstromnetz (2) angeschlossenen dreiphasigen Gleichrichter (1), der gleichspannungsseitig zwei Wicklungen (3,4) einer Glättungsdrossel und einen Zwischenkreiskondensator (5) aufweist. Im Zwischenkreis ist weiters erfindungsgemäß noch das Strommeßorgan (6) vorgesehen, welches z. B. ein Kompensationsstromwandler ist Der Maschinenwechselrichter 55 (7), da eine Drehstromasynchronmaschine (8) speist ist in diesem Fall als Pulswechselrichter ausgeführt

Das Blockschaltbild in Fig. 2 besteht aus drei Stromerfassungsschaltungen (9,10,11) von denen eine den Wirkstromanteil (Iw), eine zweiteden Grundschwingungsanteil (Ij) und einedritteden Spitzenwerte!) des Wechsel- -2-

5 AT 395 486 B 10 15 20 25 30 35 richterausgangsstromes aus dem Stromsignal im Zwischenkreis (Id) ermittelt. Die Wirkstromerfassungsschaltung (11) besteht aus einem steuerbaren elektronischen Umschalter (12), dem ein Filter (13), hier ein Tiefpaßfilter, nachgeschaltet ist. Dem einen Eingang (14) des Umschalters (12) wird das Zwischenkreisstromsignal (Id) zugeführt und der zweite Eingang (15) ist mit dem Ausgang des Filters (13) verbunden. Von einer Logik (16) aus wird der Umschalter (12) betätigt. Die Grundschwingungsstromerfassungsschaltung (10) weist zwei steuerbare elektronische Umschalter (17,18) auf, die ebenfalls über die Logik (16) betätigt werden. Jedem Umschalter (17,18) ist ein Filter (19,20), welches auch ein Tiefpaßfilter ist, nachgeschaltet. Der Ausgang jedes Filters (19,20) ist mit einem Eingang (21,22) des zugehörigen Umschalters (17,18) verbunden. An die zweiten Eingänge (23,24) der Umschalter (17,18) gelangt das Zwischenkreisstromsignal (Id). Jedem Filter (19,20) ist ein nichtinvertierender, sowie ein invertierender Gleichrichter (25,26,27,28) nachgeschaltet. Die beiden nichtinvertierenden Gleichrichter (25, 26) sind an eine Größer-Auswahlschaltung (29) und die beiden invertierenden Gleichrichter (27,28) sind an eine Kleiner-Auswahlschaltung (30) angeschlossen. Die beiden Auswahlschaltungen (29, 30) sind ausgangsseitig über eine Summierungsstelle (31) zusammengeführt. Bei der Stromspitzenwerterfassungsschaltung (9) wird das Zwischenkreisstromsignal (Id) einer Abtast-Halte-Schaltung (32), einer dieser nachgeschalteten Summierungsstelle (33), einer Größtwertauswahlschaltung (34) und einem Inverter (35) zugeführt. Der Inverter (35) ist an einen Eingang (36) der Größtwertauswahlschaltung (34) angeschlossen. Auch das Ausgangssignal der Summierungsstelle (33) ist einerseits direkt an einen Eingang (37) und andererseits über einen Inverter (38) an einen weiteren Eingang (39) der Größtwertauswahlschaltung (34) gelegt. Die Abtast-Halte-Schaltung(32)wird ebenfalls von der Logik (16) gesteuert. Dieser sindeingangsseitigdieWechselrichter-Istzustands-Signale (Ujst, Vist, Wj§t) zugeführt. Im Zwischenkreis eines Spannungszwischenkreisumrichters sind abschnittsweise die drei Ausgangsströme des Maschinenwechselrichters sichtbar. Die Periodendauer des Zwischenkreisstromes (Id) entspricht dabei 60° der Ausgangsstromgrundschwingung. In einer solchen 60°-Periode des Zwischenkreisstromes werden immer Stromimpulse zweier Ausgangsströme in den Zwischenkreis durchgeschaltet. In den übrigen 60°-Perioden werden die beiden ausgewählten Ströme zyklisch vertauscht Bei asynchroner und synchroner Dreiecksmodulation treten Stromdoppelimpulse im Zwischenkreis auf. Zwischen den Stromdoppelimpulsen, die die in den Zwischenkreis durchgeschalteten Maschinenströme zweier verschiedener Phasen darstellen, liegt jeweils ein Freilaufzustand an der positiven bzw. negativen Zwischenkreisschiene, während dem der Zwischenkreisstrom Null ist. Das Pulsmuster besümmt somit den eigentlichen Verlauf des Zwischenkreisstromes. Welche Maschinenstromäbschnitte, durch das Pulsmuster vorgegeben, in einer 60°-Periode in den Zwischenkreis durchgeschaltet werden, hängt von der Phasenverschiebung zwischen den Grundschwingungen von Maschinenstrom und -Spannung ab. Der Verlauf des Zwischenkreisstromes wird dadurch lastabhängig. In Fig. 3 sind diese Grundschwingungen von zwei in den Zwischenkreis durchgeschalteten Maschinenströmen (ij) und (i2) in einem 60°-Abschnitt bei verschiedenen Lastfällen dargestellt. Im praktischen Betrieb werden also entsprechend der Phasenverschiebung Doppelimpulse von jeweils zwei bestimmten Phasenstromabschnitten in den Zwischenkreis geschaltet. In einer Grundschwingungsperiode tritt sechsmal hintereinander die gleiche Folge von Stromimpulsen der Ströme (ij) und (»2) auf. Das bedeutet folgende Zuordnung zwischen den Phasenströmen und den im Zwischenkreis sichtbaren Strömen (ij) und (i2): 40 45

60°-Abschnitt h h 1 *R -'S 2 -iT *R 3 lS -tT 4 _1R lS 5 tT *XR 6 _1S tT 50

Nachfolgend wird nun noch die Funktion der einzelnen Stromerfassungsschaltungen (9,10,11) erklärt. Die Wiikstromerfassnng (11) beruhtauf einer getakteten Mittelung des Zwischenkreisstromes (Id). Der Schalter (12) in Fig. 2 wird nur dann geschlossen, wenn im Zwischenkreis Strom fließt. Während der Freilaufzeiten wird der Wert des Filters (13) konstant gehalten. Die Steuerung des Schalters (12) erfolgt über die Logik (16), deren Eingangssignale (U jst, Vj^, Wj^) von den Schaltzuständen der einzelnen Schaltpole durch Messung der Ausgangsspannungen abgeleitet werden. -3- 55

Claims (5)

1. AT 395 486 B Funktion der Stromspitzenwerterfassung (9): Wie in Fig. 3 erkennbar ist, tritt im Zwischenkreis nicht immer das Maximum des Maschinenstromes und daher auch nicht das Maximum des Modulstromes auf. Dies gilt vor allem für Lastbereiche um Leerlauf und Kurzschluß. Der dritte Phasenstrom, der sich aus der Summe der beiden anderen Phasenströme (= Differenz der beiden im Zwischenkreis sichtbaren Ströme) ergibt, kann größer sein. Die Spitzenwerterfassungsschaltung (9) kann somit aus den beiden direkt durchgeschalteten Strömen zu bestimmten Zeitpunkten den dritten Strom bilden. Der größte auftretende Momentanwert wird dann als Spitzenwert weiterverarbeitet. Dieser Wert berücksichtigt auch die Welligkeit des Stromes. Aus Fig. 4 kann man erkennen, daß der dritte Phasenstrom aus der Sprunghöhe beim Umschalten zwischen zwei Phasenströmen rekonstruiert werden kann. Die Spitzenwerterfassungsschaltung (9) erkennt also durch die Spannungsistwerte (Ujst, Vjst, W^) wann eine derartige Umschaltung erfolgt. Zu diesem Zeitpunkt wird der Wert von (Ij) mit dem Abtast-Halte-Glied (32) gehalten (Wert vor dem Sprung). Nach dem Sprung wird die Differenz zwischen dem gehaltenen Wert und dem Momentanwert von (Ij) gebildet Abschließend wird das Abtast-Halte-Glied (32) wieder freigegeben, sodaß der Ausgang dem Eingang genau nachfolgt und die Schaltung für die nächste Messung vorbereitet ist Die Schaltung besteht grundsätzlich aus vier vom Zwischenkreis-strom ausgehenden Pfaden, die in einer Größtwertauswahl (34) zusammengeführt sind. Zwei kommen direkt vom Zwischenkreisstromsignal und repräsentieren daher die beiden direkt in den Zwischenkreis durchgeschalteten Phasenströme. Die beiden anderen Signale, die an die Eingänge (37,39) der Größtwertauswahl (34) gelangen, kommen von der Differenzbildung der Sprunghöhenerfassung und stellen den dritten im Zwischenkreis nicht sichtbaren Strom dar. Es wird jeweils das nichtinvertierte und das invertierte Signal zur Größtwertauswahl (34) geführt, da es nur auf den Betrag des Stromes ankommt. Das Ausgangssignal der Giößtwertauswahl (34) kann schon für Schutzzwecke verwendet werden. Für weitere regelungstechnische Auswertungen ist noch eine Spitzenwerthalteschaltung (40) nachgeschaltet. Das Ausgangssignal (i) hat die gleiche Normierung wie der Meßwert (1^). Funktion der Grundschwingungsströmerfassungsschaltung (10): Für die Regelung und Strombegrenzung ist neben dem Spitzenwert, der die Welligkeit des Stromes mitberücksichtigt, auch die Größe der Grundschwingung wichtig, da das Verhältnis der beiden je nach Maschinentype verschieden groß sein kann. Die beiden in einer 60°-Periode im Zwischenkreis abschnittsweise sichtbaren Phasenströme werden getrennt verarbeitet Die den einzelnen Phasenströmen zuordenbaren Stromimpulse werden jeweils auf ein eigenes Glättungsglied geschaltet Der so gemittelte Wert wird bis zum Auftreten des nächsten zugehörigen Stromimpulses konstant gehalten. Somit werden die Grundschwingungen der Ströme in zwei getrennten Pfaden rekonstruiert Die nachfolgende Gleichrichtung und Differenzbildung dient dazu, ein Sechspulssignal zu erzeugen, das den Grundschwingungsspitzenwert des Ausgangsstromes darstellt. Zur Bildung dieses Signals sind unabhängig vom Lastfall verschiedene Bildungsgesetze zu beachten: a) (ii(t)>0)A(i2(t)>0) b) (i1(t)>0)A(i2(t)<0) c) (i1(t)<0)A(i2(t)<0) d) (i1(t)<0)A(i2(t)>0) Auswahl des größeren Stromes Differenzbildung i j - i 2 Auswahl des kleineren Stromes und Inversion Differenzbildung i2 - ij Wieschon erwähntzeigt die Fig. 2 die beiden Glättungsglieder (19,20) mit den vorgelagerten Schaltern (17,18), die von der Logik (16) entsprechend der Zuordnung der Zwischenkreisstromimpulse zu den beiden Phasenströmen gesteuert werden. Die nachgeschalteten invertierenden (27,28) und nichtinvertierenden Gleichrichter (25,26) und Auswahlschaltungen (29, 30) realisieren auf einfache Weise die vorher beschriebenen Bildungsgesetze. Das Ausgangssignal der Schaltung liefert den Momentanwert der 6-pulsig gleichgerichteten Motorgrundschwingungsströme. Für eine Strombegrenzungsregelung ist der Mittelwert (Ij) dieses Signals wirksam. PATENTANSPRÜCHE 1. Schaltungsanordnung zur Strommessung bei einem Frequenzumrichter mit Spannungszwischenkreis, der z. B. eine Drehstromasynchronmaschine speist, wobei der Maschinenwechselrichter vorzugsweise ein aus drei Schaltpolen bestehender Pulswechselrichter ist, der die Verstellung der Ausgangsspannung des Frequenzumrichters nach Amplitude und Frequenz vomimmt, dadurch gekennzeichnet, daß im Zwischenkreis des Frequenzumrichters ein -4- AT 395 486 B Strommeßorgan (6) vorgesehen ist, welches zu bestimmten Zeitpunkten Impulse liefert, die den in den Zwischenkreis durchgeschalteten Strangströmen der zu speisenden Maschine (8) entsprechen, wobei jeweils zwei Impulse aufeinander folgen, von denen jeder die Größe eines anderen Strangstromes darstellt, und z. B. nach jeweils zwei Impulsen ein Freilaufzustand auftritt, bei dem der Zwischenkreisstrom Null ist und daß die Impulse einer Strom-S spitzenwerterfassungsschaltung (9), einer Grundschwingungsstromerfassungsschaltung (10) und einer Wirkstrom erfassungsschaltung (11) zuf ührbar sind und daß eine Logikschaltung (16) vorgesehen ist, an die die Wechselrichter-Istzustandssignale (U^ V^, W^) gelangen und von der mindestens ein Ausgangmiteiner Stromerfassungsschaltung (9,10,11) verbunden ist und daß jeder dieser Stromerfassungsschaltungen (9,10,11) ein Analog-Digital-Wandler nachgeschaltet ist, der mit einem Mikroprozessorsystem verbunden ist. 10
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkstromerfassungsschaltung (11) aus einem von der Logikschaltung (16) steuerbaren elektronischen Umschalter (12) dem ein Filter (13), insbesondere Tiefpaßfilter, nachgeschaltet ist, besteht, wobei dem einen Eingang (14) des Umschalters (12) die Impulse vom Strommeßorgan (6) zuführbar sind und der zweite Eingang (15) mit dem Ausgang des Filters (13) verbunden ist 15
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromspitzenwerterfassungsschaltung (9) aus einervon der Logikschaltung (16) steuerbaren Abtast-Halte-Schaltung (32), der eine Summierungsstelle (33) folgt, die einerseits direkt an einen Eingang (37) einer Größtwertauswahlschaltung (34) und andererseits über einen Inverter (38) an einen zweiten Eingang (39) dieser Größtwertauswahlschaltung (34) angeschlossen ist, 20 besteht und daß die Impulse vom Strommeßorgan (6) der Abtast-Halte-Schaltung (32), der Summierungsstelle (33) und einerseits direkt einem dritten Eingang und andererseits über einen Inverter (35) einem vierten Eingang (36) der Größtwertauswahlschaltung (34) zuführbar sind.
4. 4. Schaltungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Grund- 25 schwingungsstromerfassungsschaltung (10) aus zwei unabhängig voneinander von der Logikschaltung (16) steuerbaren elektronischen Umschaltern (17,18), denen je ein Filter (19,20), insbesondere Tiefpaßfilter, nachgeschaltet ist, welches mit je einem invertierenden (27,28) und einem nichtinvertierenden Gleichrichter (25,26) verbunden ist, wobei die beiden invertierenden Gleichrichter (27, 28) an eine Kleiner-Auswahlschaltung (30) und die beiden nichtinvertierenden Gleichrichter (25,26) an eine Größer-Auswahlschaltung (29) angeschlossen sind und die beiden 30 Auswahlschaltungen (29,30) ausgangseitig über eine Summierungsstelle (31) miteinander verbunden sind, besteht und daß dem einen Eingang (23,24) jedes Umschalters (17,18) die Impulse vom Strommeßorgan (6) zuführbar sind und der zweite Eingang (21,22) mit dem Ausgang des Filters (19,20) verbunden ist
5. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch loder3, dadurch gekennzeichnet, daß der AusgangderStromspitzenwert-35 erfassungsschaltung (9) bzw. der Größtwertauswahlschaltung (34) einerseits mit einer Spitzenwerthalteschaltung (40) und andererseits mit ein»1 Einrichtung zur Abschaltung bei Spitzenwertüberschreitung verbunden ist 40 Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 45 50 -5- 55