CH653824A5

CH653824A5 - Method and control device for controlling a self-commutated invertor having a variable fundamental frequency

Info

Publication number: CH653824A5
Application number: CH1179A
Authority: CH
Inventors: Robert Prof Dr Menzies; Thomas Seger
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1979-01-03
Filing date: 1979-01-03
Publication date: 1986-01-15
Also published as: FR2446031B1; DE2903575A1; SE451355B; ATA778779A; SE8000048L; AT371959B; DE2903575C2; FR2446031A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung eines selbstgeführten Wechselrichters mit veränderlicher Grundfrequenz nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Steuerungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Derartige Wechselrichtersteuerungen sind bekannt aus B.D. Bedford u. R.G. Hoft, «Princi-ples of Inverter Circuits», New York, Wiley, 1964, und erlauben z.B. die Unterdrückung bestimmter Oberschwingungen in der Ausgangsspannung mit Hilfe entsprechender Zwischenkom-mutierungs-Phasenwinkel, die fest vorgegeben sind. The invention relates to a method for controlling a self-commutated inverter with a variable fundamental frequency according to the preamble of claim 1. The invention also relates to a control device for carrying out the method. Such inverter controls are known from B.D. Bedford et al. R.G. Hoft, "Principle of Inverter Circuits", New York, Wiley, 1964, and allow e.g. the suppression of certain harmonics in the output voltage with the aid of corresponding intermediate commutation phase angles, which are fixed.

Bei veränderlicher Aussteuerung der Grundfrequenz, z.B. von Bereichen nahe der maximale Schaltfrequenz des Wechselrichters bis zu sehr niedrigen Bereichen, lässt sich mit einem fest vorgegebenen Zwischenkommutierungsmuster (Anzahl und Phasenwinkel der Zwischenkommutierungen) ein befriedigender Betrieb nicht erreichen, u.a. wegen des mit der Grundfrequenz fi proportional wachsenden Minimalwinkel Aa = 360°-Tt-fi (Tt = minimaler Zeitabstand zwischen aufeinanderfolgenden Kommutierungen) der Zwischenkommutierungen gegeneinander. With variable control of the basic frequency, e.g. from ranges close to the maximum switching frequency of the inverter to very low ranges, satisfactory operation cannot be achieved with a fixed intermediate commutation pattern (number and phase angle of the intermediate commutations), among other things. because of the minimum angle Aa = 360 ° -Tt-fi (Tt = minimum time interval between successive commutations) of the intermediate commutations, which increases proportionally with the basic frequency fi.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Steuerverfahrens und einer Steuereinrichtung der eingangs genannten Art, die eine weite Grundfrequenzaussteuerung bei vergleichsweise guter Oberschwingungsunterdrückung ermöglichen. The object of the invention is therefore to provide a control method and a control device of the type mentioned at the outset which enable a wide fundamental frequency control with comparatively good harmonic suppression.

Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich durch die in den Ansprüchen 1 und 5 angegebenen Merkmale. Damit kann der Aussteuerbereich in Teilbereiche mit unterschiedlichen Zwischenkommutierungszahlen (M, z.B. bezogen auf je eine Viertelperiode der Grundfrequenz) zerlegt werden, für die geeignete bzw. optimale Phasenwinkel (ai, 02 ) The inventive solution to this problem is characterized by the features specified in claims 1 and 5. This enables the modulation range to be broken down into sub-ranges with different intermediate commutation numbers (M, e.g. related to a quarter period of the basic frequency), for the suitable or optimal phase angle (ai, 02)

u.a. mit Hilfe an sich bekannter Berechnungsmethoden (s.o.), die nicht zum Gegenstand der Erfindung gehören, festgelegt werden können. i.a. with the help of known calculation methods (see above), which are not part of the subject matter of the invention.

Es wird also ein selbstgeführter Wechselrichter mit der Grundfrequenz angesteuert, wobei diese Frequenz veränderlich ist, und z.B. zur Drehzahlsteuerung eines Motors dienen kann. Dabei kann der Oberschwingungsgehalt mittels zusätzlichen Kommutierungen zu bestimmten Phasenwinkeln ai, a.2, a3, CI4 vermindert werden, jedoch muss dabei ein Mindest-Zeitabstand Tt entsprechend einem zur Grundfrequenz fi proportionalen Abstandswinkel Aa zwischen aufeinanderfolgenden Kommutierungen eingehalten werden. Zur Oberschwingungsunterdrük-kung über weite Grundschwingungsbereiche ist erfindungsge-mäss eine selbsttätige Umschaltung der Anzahl von zusätzlichen Kommutierungen M = 1, 2, 3, in Abhängigkeit von mindestens einem Grenzwert der eingesteuerten Grundfrequenz fi gegensinnig zur Änderung der Grundfrequenz vorgesehen. A self-commutated inverter is therefore controlled with the basic frequency, this frequency being variable, and e.g. can serve to control the speed of an engine. The harmonic content can be reduced by means of additional commutations to certain phase angles ai, a.2, a3, CI4, however, a minimum time interval Tt corresponding to a distance angle Aa proportional to the basic frequency fi must be maintained between successive commutations. In order to suppress harmonics over wide ranges of fundamental vibrations, according to the invention an automatic switchover of the number of additional commutations M = 1, 2, 3, depending on at least one limit value of the input fundamental frequency fi, is provided in the opposite direction to the change of the fundamental frequency.

Die Erfindung wird weiter anhand des in den Zeichnungen veranschaulichten Ausführungsbeispiels erläutert. Hierin zeigt: The invention is further explained on the basis of the exemplary embodiment illustrated in the drawings. Herein shows:

Fig. 1 ein Mehrfachdiagramm verschiedener Grössen über dem zu fi proportionalen Minimal-Abstandswinkel Aa, und zwar der verschiedenen Zwischenkommutierungs-Phasenwinkel ai, a2 verschiedener Oberschwingungs-Messzahlen bzw. 1 shows a multiple diagram of different quantities over the minimum distance angle Aa proportional to fi, namely the different intermediate commutation phase angles ai, a2 of different harmonic measured numbers or

Messfunktionen Fi, F2 die den Aussteuerbereichen mit unterschiedlichen Zwischenkommutierungszahlen Mi, M2 (bezogen auf eine Viertelperiode der Grundfrequenz fi) zugeordnet sind und der Optimierung der Zwischenkommutierungs-Pha-senwinkel in diesen Bereichen dienen, und einer normierten Grundfrequenz-Ausgangsspannungsamplitude Ui, sowie Measuring functions Fi, F2 which are assigned to the modulation areas with different intermediate commutation numbers Mi, M2 (based on a quarter period of the basic frequency fi) and which serve to optimize the intermediate commutation phase angles in these areas, and a normalized basic frequency output voltage amplitude Ui, and

Fig. 2 eine Prinzipschaltung für die Durchführung einer Zwischenkommutierungs-Umschaltung nach Fig. 1. FIG. 2 shows a basic circuit for carrying out an intermediate commutation switchover according to FIG. 1.

s s

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3rd

653 824 653 824

In Fig. 1 sind vier Aussteuerbereiche von Aa = 360°-Tt-fi, also auch von fi selbst mit einem entsprechenden Proportionalitätsfaktor, zwischen 0° und 15° mit den Zwischenkommutierungszahlen M = 4, 3, 2, 1 angedeutet. In einem praktischen Beispiel entspricht dies etwa einer Aussteuerung von fi zwischen 0 und 190 Hz, also einem grossen relativen Gesamtaussteuerbe-reich, wie er bisher nicht ohne weiteres mit annehmbarer Oberschwingungsunterdrückung verwirklicht werden konnte. Die oberen Grenzwerte von Aa für die Umschaltung zwischen den verschiedenen Werten von M sind mit 74, Y3, y2. Yi bezeichnet. Grundsätzlich können diese Umschalt-Grenzwerte auch durch entsprechende Werte von fi vorgegeben werden. 1 shows four modulation ranges of Aa = 360 ° -Tt-fi, that is also of fi itself with a corresponding proportionality factor, between 0 ° and 15 ° with the intermediate commutation numbers M = 4, 3, 2, 1. In a practical example, this corresponds to a modulation of fi between 0 and 190 Hz, i.e. a large relative total modulation range, which until now could not easily be achieved with acceptable harmonic suppression. The upper limits of Aa for switching between the different values of M are 74, Y3, y2. Called Yi. In principle, these switchover limit values can also be specified by corresponding values of fi.

In den einzelnen Aussteuerbereichen sind entsprechend einer optimalen Oberschwingungsunterdrückung bestimmte Werte bzw. funktionale Abhängigkeiten der Zwischenkommutierungs-Phasenwinkel von Aa festgelegt. Diese Optimierung findet ihren Ausdruck in entsprechenden Abschnitten von Ober- In accordance with an optimal harmonic suppression, certain values or functional dependencies of the inter-commutation phase angles of Aa are defined in the individual modulation ranges. This optimization finds expression in corresponding sections of

schwingungs-Messfunktionen F4 Fi, im Beispielsfall ein quadratischer Mittelwert (proportional zur Wurzel aus der Summe der Amplitudenquadrate) der Oberschwingungen. Gegebenenfalls kommt auch der in bekannter Weise definierte Klirrfaktor für diese Messfunktionen in Betracht. In besonders vorteilhafter Weise sind im Beispielsfall die Grenzwerte Y4 Vibration measurement functions F4 Fi, in the example a square mean (proportional to the root of the sum of the squares of the amplitudes) of the harmonics. If necessary, the distortion factor defined in a known manner can also be considered for these measurement functions. The limit values Y4 are particularly advantageous in the example

Y2 als Schnittpunktabszissen der Funktionen F4 und F3 bzw. F3 und F2 bzw. F2 und Fi bestimmt, so dass sich ein optimierter Gesamtverlauf über den Aussteuerbereich ergibt, weil die Mess-funktionswerte jeweils benachbarter Bereiche in den Umschaltpunkten übereinstimmen. Y2 is determined as the intersection abscissa of the functions F4 and F3 or F3 and F2 or F2 and Fi, so that there is an optimized overall course over the modulation range because the measurement function values of adjacent areas in the changeover points match.

Der oberste Umschaltpunkt bei yi entspricht einem Übergang zur zwischenkommutierungsfreien Grundfrequenztaktung mit M = 0. The top switching point at yi corresponds to a transition to inter-commutation-free fundamental frequency clocking with M = 0.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, gehen die Werte der Zwischen-kommutierungs-Phasenwinkel von Aa = 0 mit konstanten Abschnitten entsprechend der Funktion F4 bis zum Punkt y a in leicht gekrümmte Bereiche über, wobei die Abstandswinkel der Kommutierungen untereinander den Minimal-Abstandswinkel Aa nicht unterschreiten, wie es sein muss. Abgesehen von der abnehmenden Neigung der gekrümmten Kurvenabschnitte von As can be seen from FIG. 1, the values of the intermediate commutation phase angles from Aa = 0 with constant sections corresponding to the function F4 to point ya pass into slightly curved areas, the distance angles of the commutations among one another not changing the minimum distance angle Aa fall short of how it should be. Apart from the decreasing inclination of the curved curve sections from

04 ai sorgt der Umschaltpunkt Y4 selbst für die Einhaltung dieser Bedingung. Dies bedeutet, dass die Funktionen F4 Fi mit ihren Schnittstellen auch insoweit optimiert sind. In den anschliessenden Aussteuerbereichen gehen die Kurven der Zwi-5 schenkommutierungs-Phasenwinkel mit Annäherung an die Grenzwerte gemäss Aa in ansteigende Abschnitte über, wobei ai im letzten Abschnitt bis Yi auf der Grenzgeraden von Aa geführt ist, also ebenfalls ansteigt. Auf diese Weise ergibt sich der optimierte Gesamtverlauf der Aussteuerung. Die eingetragenen 10 Kurvenabschnitte von Ui zeigen, dass im gesamten Bereich eine hohe Grundschwingungsausbeute erreicht wird. 04 ai, the switchover point Y4 ensures that this condition is met. This means that the functions F4 Fi with their interfaces are also optimized in this respect. In the subsequent modulation ranges, the curves of the intermediate commutation phase angles merge into increasing sections with approximation to the limit values according to Aa, with ai being in the last section to Yi on the limit line from Aa, i.e. also increasing. This results in the optimized overall level of the modulation. The entered 10 curve sections of Ui show that a high fundamental vibration yield is achieved in the entire area.

In der Schaltung nach Fig. 2 werden die Umschaltpunkte bei Yi bis Y4 mittels Grenzwertschaltern Gì bis G4 verwirklicht, die als Differenzbildner gegenüber einem Eingang für Aa ge-15 schaltet sind und entsprechende, binäre Ausgangssignale an nachfolgende UND-Gatter Ai bis A4 liefern. Letztere sind über entsprechende Eingänge an vorgeordnete Differenz-Grenzwert-schalter G5 bis Gs angeschlossen, die einerseits unmittelbar mit einem fi zugeordneten Signal und andererseits mit vorgegebe-20 nen Grenzwerten fj/3, fr/5, fp/7, fj/9 beaufschlagt sind. Letztere entsprechen den angegebenen Bruchteilen der maximalen Schaltfrequenz fr und entsprechen einer von der Einhaltung der Abstandsbedingung der Zwischenkommutierungen gemäss Aa unabhängigen Optimierung der Oberschwingungsunterdrük-25 kung. Wenn also die letztere Bedingung unkritisch ist, bleiben die Grenzwerte fr/3 fr/9 allein wirksam und ermöglichen eine noch weitergehende Optimierung. Bei der Umschaltung nach Fig. 1 ist der umgekehrte Fall angenommen. In the circuit according to FIG. 2, the switchover points at Yi to Y4 are realized by means of limit switches Gì to G4, which are switched as a difference generator with respect to an input for Aa-15 and deliver corresponding binary output signals to subsequent AND gates Ai to A4. The latter are connected via corresponding inputs to upstream differential limit switches G5 to Gs, which on the one hand are directly supplied with a fi assigned signal and on the other hand with predetermined limit values fj / 3, fr / 5, fp / 7, fj / 9 . The latter correspond to the specified fractions of the maximum switching frequency fr and correspond to an optimization of the harmonic suppression independent of the compliance with the spacing condition of the intermediate commutations according to Aa. If the latter condition is not critical, the limit values fr / 3 fr / 9 remain effective alone and enable further optimization. The reverse case is assumed for the switchover according to FIG. 1.

Den UND-Gatter Ai bis A4 nachgeordnete Sperr-UND-30 Gatter A5 bis A7 besorgen eine gegenseitige Verriegelung der Grenzwertschalter entsprechend der vorgesehenen Umschaltfolge. Schliesslich werden von den Ausgängen der so gebildeten Logikschaltung Kommutierungs-Signalgeber KSo bis ks4 angesteuert, die in nicht näher ausgeführter, an sich naheliegender 35 Weise Kommutierungssignale bei den Winkeln 0° und 180° (für die Grundfrequenztaktung) bzw. ai bis 04 liefern, jeweils in den passenden Kombinationen für die Aussteuerbereiche mit M = 1 bis M = 4. Locking AND 30 gates A5 to A7 arranged downstream of the AND gate Ai to A4 ensure that the limit switches are mutually interlocked in accordance with the intended switching sequence. Finally, commutation signal transmitters KSo to ks4 are driven by the outputs of the logic circuit formed in this way, which deliver commutation signals at angles of 0 ° and 180 ° (for the basic frequency clocking) or ai to 04, respectively, in an unspecified, self-evident manner in suitable combinations for the modulation ranges with M = 1 to M = 4.

v v

2 Blätter Zeichnungen 2 sheets of drawings

Claims

653 824

1.Procedure for controlling a self-commutated inverter with a variable fundamental frequency, in which additional commutations of a predetermined phase position are controlled to reduce the harmonic content of the resulting output voltage or the output current within fundamental frequency pulses, depending on a change in the fundamental frequency (fi) or one of these uniquely assigned variable (Aa) an automatic switchover of the number of additional commutations (M) is carried out in the opposite direction to the change in the fundamental frequency (fi), characterized in that the switchover takes place as a function of exceeding at least one fundamental frequency limit value, this fundamental frequency limit value is determined by the fact that before and after this switchover, the additional commutation numbers and the associated ones

Commutation phase angles (ai, a.2) assigned

Harmonic measurements are approximately the same.

2. The method according to claim 1, characterized in that the quadratic mean values of the harmonic amplitudes (Fi, F2) are used as harmonic measurement numbers.

2nd

claims

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that in the upper modulation range of the fundamental frequency (fi) a switchover between pure fundamental frequency clocking (M = 0) and a minimum value of the additional commutation number (M = 1) is carried out.

4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the additional commutation phase angle within a basic frequency control interval, which is assigned to a specific additional commutation number (M), when the distance angle (ai, 012 - ai, a3) approaches - <X2,) of successive commutations at a minimum permissible distance angle (Aa) proportional to the basic frequency (fi) can be changed in the same direction as an increasing modulation of the basic frequency (fi).

5. Control device for performing the method according to claim 1, with a first commutation signal generator (KSo), which generates a first predetermined number (M) of commutation signals of the first predetermined phase position and with a binary logic circuit, which has a limit switch (Gi) , on the input side a first control variable (Aa) proportional to the fundamental frequency is supplied, characterized in that the control input of the first commutation signal generator (KSo) is connected via an inverting element to the output of a first differential limit switch (Gi), that at least one second commutation signal generator (KSi), which defines a second predetermined number (M) of commutation signals of second predetermined phase position (ai), is connected on the control side via a blocking element (A5) to the output of the first differential limit switch (Gi) that between the first differential limit switch (Gi) and the inverter or the two th commutation signal generator (KSi) an AND gate (Ai) is connected, which is connected on the input side in addition to the output of the first differential limit switch (Gi) to the output of another differential limit switch (G5), which corresponds to the fundamental frequency second control variable (fi) is supplied.

6. Control device according to claim 5, characterized in that the first differential limit switch (Gi) has a differential limit (yi), which is a function of harmonic measurements (Fi ... F4), in particular a function of the root mean square Harmonic amplitudes is set.

7. Control device according to claim 5 or 6, characterized in that by the commutation signal transmitter (KSo, KSi) commutation signals with a mutual

Phase angle distance can be determined, which is larger than a minimum allowable distance angle proportional to the fundamental frequency, in particular the minimum distance angle (Aa).