CH679716A5 - - Google Patents

Description

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Beschreibung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Regelkreis für einen Pulsbreitenmodulations-Aufwärtskonverter mit einer Spannungsquelle, welcher Regelkreis über eine Drossel an ein Netzgerät angeschaltet ist.

Hintergrund der Erfindung

In der nachfolgenden Beschreibung steht PWM jeweils für Pulsbreitenmodulation (Puls Wide Modulation).

Es wurde bereits ein Frequenzkonverter vorgeschlagen, der eingangsseitig einen Konverter zum Umwandeln einer von einem Wechselstromnetz gelieferten und über eine Drossel geleiteten Wechselstromleistung in eine Gleichstromleistung sowie ausgangsseitig einen Motorkonverter zum Abgeben einer Wechselspannung mit einer variablen Spannung und variablen Frequenz an einen Wechselstrom-Motor aufweist. Beide Konverter bilden einen PWM-Konverter mit einer Spannungsquelle. Dabei sind beide Gleichstromklemmen beider Konverter miteinander verbunden und ein Siebkondensator ist zwischen die positive und die negative Klemme der beiden Konverter geschaltet. Dieser Frequenzkonverter kann im Leistungsfaktor, d.h. Leistungsfaktor im Hinblick auf die Wechselstromleitung, eine Verbesserung bringen und kann während des Laufes des Motors Leistung aufnehmen und abgeben.

Wenn in einem Frequenzkonverter dieser Art ein Laststrom fliesst, wird an der Drossel, die zwischen das Wechselstromnetz und den eingangsseitigen Konverter geschaltet ist, ein Spannungsabfall Vl auftreten. Der eingangsseitige Konverter muss diesen Spannungsabfall so gut wie möglich kompensieren, um einen Regelvorgang zu bekommen, der zu einer Ausgangsspannung führt, die gleich einem vorgegebenen Wert ist. Nimmt man an, dass der Leistungsfaktor auf der Eingangsseite mit <£ und die Beziehung mit <ï> = 1 ausgedrückt wird, dann wird der Spannungsabfall Vl der Versorgungsspannung mit einer Phasenverschiebung von 90° nacheilen. Wenn ein Versuch unternommen wird, den Spannungsabfall Vl mit einer nacheilenden Phasenverschiebung von 90° mit dem eingangsseitigen Konverter zu kompensieren, so dass dieser eine Ausgangsspannung abgibt, die einem vorgegebenen Wert entspricht, muss der eingangsseitige Konverter ein Regelsignal verarbeiten, das vektoriel grösser als der Vektor des Spannungsabfalls ist. Insbesondere in dem Fall, in dem der Laststrom und der Spannungsabfall an der Drossel sehr gross sind, muss auch das Regelsignal sehr gross werden, was möglicherweise dazu führt, dass das Regelsignai den linearen Regelbereich des Regelkreises überschreitet und in den Sättigungsbereich gelangt. Wenn die Betriebsweise des Regelkreises den Sättigungsbereich erreicht hat, wird ein ganz besonderer Zustand der Regelung auftreten, und zwar so, dass die Gleichspannung des eingangsseitigen Konverters während des Arbeitslaufes des Motors absinkt und während des Regenerationslaufes des Motors ansteigt.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist Gegenstand dieser Erfindung, einen Regelkreis für einen PWM-Aufwärtskonverter mit Spannungsquelle zu schaffen, der zu einer stabilen Regelung ohne ausserordentlichen Zustand im Zustand der Regelung führt und dies unabhängig vom Laststrom.

Dies wird erreicht mit einem Regelkreis mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Hierbei werden somit in einem Regelkreis Mittel zur Kompensation des Spannungsabfalles an der Drossel vorgesehen. Daher besteht auch für den Fall, in dem der Laststrom und damit der Spannungsabfall Vl an der Drossel sehr gross werden, keine Möglichkeit, dass das Regelsignal gross wird und den linearen Regelbereich des Regelkreises überschreitet und der Sättigungsbereich erreicht wird. Demzufolge kann sowohl in der Arbeitsphase als auch in der Regenerationsphase des Motors jederzeit eine stabile Gleichspannung erhalten werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In den beigefügten Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Regelkreises für einen PWM-Auf-wärtskonverter mit einer Spannungsquelle nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Vektordiagramm zur Erläuterung der Betriebsweise des Regelkreises nach Fig. 1 und

Fig. 3 einen Stromlaufplan eines Frequenzkonverters, bei dem die Erfindung angewendet wird.

Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausfüh-rungsbeispieis

In Fig. 3 ist ein Stromlaufplan eines Frequenzkonverters gezeigt, bei dem die Erfindung eingesetzt ist. Von einem kommerziellen Wechselstromnetz 1 wird eine geregelte Wechselspannung an den Wechselstrommotor 6, z.B. einen Induktionsmotor, gegeben, und zwar über eine Drossel 2, einen eingangsseitigen (netzseitigen) Konverter 3, einen Siebkondensator 4 und den ausgangsseitigen (motorseitigen) Konverter 5. Der eingangsseitige Konverter 3 und der ausgangsseitige Konverter 5 haben denselben Aufbau. Jeder Zweig der entsprechenden Konverter hat Schaltelemente der selbstlöschenden Art, wie z.B. Transistoren oder GTO's (Gate Turn Off Thyristors) usw., denen Dioden antiparallel geschaltet sind. In der Figur sind Transistoren als Schaltelemente angegeben. Während der Regelung einer Spannung des Gleichstromkreises, d.h. einer Spannung am Siebkondensator 4, so dass diese mit einem vorgegebenen Wert gleich wird, kann dieser Frequenzkonverter während des Arbeitslaufes des Motors Leistung von der Wechselstromquelle 1 über den eingangsseitigen Konver-

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ter 3 und den ausgangsseitigen Konverter 5 an den Wechselstrommotor 6 abgeben. Im Gegensatz dazu kann der Frequenzkonverter während des Regenerationslaufes des Motors Leistung von dem Wechselstrommotor 6 über den ausgangsseitigen Konverter 5 und den eingangsseitigen Konverter 3 zur Wechselstromquelle 1 zurückübertragen und einen zufriedenstellenden Leistungsfaktor auf der Seite der Wechselstromquelle ermöglichen. Der eingangsseitige Konverter 3 kann eine sogenannte Aufwärtsregeiung (step-up control) ausführen, um einen Gleichspannungsstromkreis (Kondensatorspannung) einzustellen, so dass diese Spannung gleich einem vorgegebenen Wert wird, der grösser ist als ein Scheitel- oder Spitzenwert der Wechselstromquelle 1 in Zusammenarbeit mit der Drossel 2 und dem Siebkondensator 4. Diese Erfindung betrifft ein Regelsystem für den eingangsseitigen Konverter 3 in einem derartigen Frequenzkonverter.

In Fig. 1 ist ein Regelkreis nach der Erfindung gezeigt, der für den eingangsseitigen Konverter 3 verwendet wird. Am Addierer 7 wird eine Bezugsspannung V*, die von einem Bezugsspannungssetzer 8 abgegeben wird, mit einer aktuellen Spannung V, die von einem Spannungsdetektor 9 erfasst wird, verglichen. Ein erhaltene Abweichung aV wird als Eingangssignal einem Spannungsregler (AVR) 10 zugeführt. Der Spannungsregler 10 gibt in Form eines Gleichstromsignals eine Bezugsstromamplitude |l*| ab, die erlaubt, dass die Abweichung gleich null ist, d.h. dass die aktuelle Spannung V mit der Bezugsspannung V* übereinstimmt. Eine Spannung der Wechselstromquelle 1, d.h. eine eingangsseitige Spannung der Drossel 2 wird durch den Spannungsdetektor 11 erfasst. Ein erster Sinuswellen-Bezugsgenerator 12 erzeugt eine erste Bezugssinuswelle eines digitalen Signals, das mit der er-fassten Spannung synchron ist. Ein zweiter Sinuswellen-Bezugsgenerator 22 erzeugt eine zweite Bezugssinuswelle eines Digitalsignals, das der ersten Bezugssinuswelie mit einer Phasenverschiebung von 90° vorauseilt. Die erste Bezugssinuswelle, die durch den ersten Sinuswellen-Bezugsgene-rator 12 erzeugt wird, ist Eingangssignal für einen ersten Multiplikations-D/A-Konverter 23. Der erste D/A-Konverter 13 gibt in der Form eines Analogsignals einen Bezugsstrom lu* als Ausgangssignal ab, der einem Produkt der Bezugssinuswelle aus dem Sinuswellen-Bezugsgenerator 12 und einer Bezugsstromamplitude |P| des Spannungsreglers 10 entspricht. Der zweite D/A-Konverter 23 gibt andererseits eine Kompensationssteuerspannung Vlc ab, die einem Produkt der vorauseilenden Bezugssinuswelle des Sinuswellen-Bezugsgenerators 22 und einer Bezugsstromamplitude |l*| des Spannungsreglers 10 ist. Am Addierer 14 wird der Bezugsstrom lu* des ersten D/A-Konverters 13 mit einem vom Stromdetektor 16 erfassten Ladestrom I verglichen. Eine Abweichung wird als Eingangssignal einem Stromregler (ACR) 17 zugeführt. Der Stromregler 17 gibt eine Steuerspannung Va ab, die ermöglicht, dass die Eingangsabweichung gleich null wird. Die Steuerspannung Va des Stromreglers 17 und die Kompensationssteuerspannung Vlc des

D/A-Konverters 23 werden beide an einen Addierer 18 weitergeleitet, in dem eine Summierung der beiden Steuerspannungen zu einem Vektor ausgeführt wird. Die erhaltene Summe (Vektorsumme) wird der ersten Eingangsklemme eines PWM-Kon-verters 20 als PWM-Steuersignal Vb (s. Fig. 2) zugeführt. Dem PWM-Konverter 20 wird als zweites Eingangssignal ein Trägerwellensignal einer drei-eckförmigen Welle zugeführt, das von einem Oszillator 19 erzeugt wird. Der PWM-Komparator 20 spricht auf die beiden Eingangssignale an und gibt ein PWM-Steuersignal an, das einen Ein- und Aus-schalt-Betrieb der entsprechenden Schaltelemente im eingangsseitigen Konverter 3 steuert.

Es wird nun die Betriebsweise des Regelkreise nach Fig. 1 beschrieben.

Wie vorstehend beschrieben, eilt die Phase des Spannungsabfalles Vl an der Drossel 2 um 90° der Ausgangsspannung der Wechselstromquelle 1 nach. Auf der anderen Seite eilt die Bezugssinuswelle als Ausgangssignal des Sinuswellen-Bezugsgenerators 22 der Ausgangsspannung der Wechselstromquelle 1 um 90° voraus. Dementsprechend hat die Kompensationssteuerspannung Vlc als Ausgangssignal des D/A-Konverters 23 eine Beziehung derart, dass ihre Phase der Phase des Spannungsabfalles Vl an der Drossel 2 entgegengesetzt ist, d.h., es besteht eine Phasendifferenz von 180° (s. Fig. 2), und ihre Amplitude entspricht der Bezugsstromamplitude |l*|, d.h. dem Laststrom I.

In Übereinstimmung mit dem Regelkreis der Fig. 1, bei dem über die Drossel 2 ein Laststrom I fliesst, kann der Spannungsabfall Vl an der Drossel durch die Kompensationssteuerspannung Vlc, die vom Si-nuswellen-Bezugsgenerator 22 und dem D/A-Konverter 23 erhalten wird, aufgehoben werden. In diesem Falle wird eine kleinere PWM-Steuerspannung Vb vorgesehen. Daher wird eine PWM-Regelung des eingangsseitigen Konverters 2 über den PWM-Komparator 20 und den Basistreiberstromkreis 21 in Übereinstimmung mit dieser Kompensationssteuerspannung Vb ausgeführt. Wie aus der vorstehenden Beschreibung eindeutig hervorgeht, kann diese Erfindung eine stabile Regelung ausführen, ohne dass unabhängig von dem Laststrom I ein aus-sergewöhnlicher Zustand in der Regelung auftritt und denoch eine stabile Gleichspannung als Ausgangssignal erhalten wird.

Claims (4)

Patentansprüche

1. Regelkreis für einen Pulsbreitenmodulations-Aufwärtskonverter, nachfolgend PWM-Konverter genannt, mit einer Spannungsqueile, welcher Regelkreis durch die folgenden Mittel gekennzeichnet ist:

eine Drossel, die zwischen einem Wechselstromnetz und einer Wechselstromklemme des PWM-Konverters (3) in Reihe geschaltet ist,

einen Siebkondensator (4), der zwischen die Gleichstromklemme des Konventers (3) geschaltet ist,

Mittel (11) zum Feststellen einer Eingangsspannung an der Drossel (2),

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Mittel (9) zum Feststellen eines Gleichspannungsabfalles (V) an dem Siebkondensator (4),

Mittel (16) zum Feststellen eines Ladestromes (I), der in den Konverter (3) fliesst,

Mittel (8) zum Setzen einer Bezugsspannung (V*) im Hinblick auf den Konverter (3),

Mittel (7, 10) zur Abgabe einer Bezugsstromamplitude (II*!) auf der Basis der Abweichung der Bezugsspannung (V*) und des Gleichspannungsabfalles (V),

Mittel (12, 13) zur Abgabe eines Bezugstromes (lu*) synchron mit einer Eingangsspannung an der Drossel mit einer Amplitude, die der Bezugsstromamplitude (|l*|) entspricht,

Mittel (14,17) zur Abgabe einer Steuerspannung (Va), die erlaubt, dass der Ladestrom (I) dem Bezugsstrom (lu*) entspricht,

Mittel (22, 23) zur Abgabe einer Kompensationssteuerspannung (Vlc), die der Eingangsspannung der Drossel (2) mit einem Phasenwinkel von 90° vorauseilt und eine Amplitude hat, die der Amplitude der Bezugsstromamplitude (|I*|) enspricht,

Mittel (18) zum Berechnen einer Vektorsumme aus der Steuerspannung (Va) und der Kompensationssteuerspannung (Vlc) um die Vektorsumme als einen Pulsbreitenmodulations-Regelbefehl (Vb) abzugeben, und

Mittel (20,21) um eine Pulsbreitenmodulations-Rege-lung des Konverters (3) auf der Basis des Regelbefehles (Vb) zu bewirken.

2. Regelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Abgabe des Bezugsstromes (lu*) aus einem Sinusweilen-Bezugsgenerator (12) zur Abgabe eines Stichprobenwertes in der Form einer digitalisierten Bezugssinuswelle, der mit der Eingangsspannung der Drossel (2) synchron ist und einem Augenblickswert der Eingangsspannung entspricht, und einem Digital-Analog-Konverter (13) zur Abgabe eines Signals in Analogform, das einem Produkt des Ausgangssignals des Sinuswellen-Be-zugsgenerators (12) und der Bezugsstromamplitude (|l*|) entspricht, besteht.

3. Regelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Abgabe einer Kompensationssteuerspannung (Vlc) aus einem Sinuswellen-Bezugsgenerator zur Abgabe einer Bezugssinuswelle, welche in digitalisierter Form einen Stichprobenwert bildet der die Eingangsspannung um 90° phasenverschoben der Drossel (2) zuführt und einem Augenblickswert der der Drossel (2) zugeführten Eingangsspannung entspricht, und einem Multiplikations-Digital-Analog-Konverter (23) in der Form eines Digitalspeichers zur Abgabe eines Signals, das einem Produkt eines Ausgangsignals des Sinuswellen-Bezugsgenerators (22) und der Bezugsstromamplitude (|l*|) entspricht, besteht.

4. Regelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Pulsbreitenmodula-tions-Regelung einen Oszillator (19) zum Erzeugen einer dreieckförmigen Trägerwelle und einen Puls-breitenmodulations-Komparator (20) enthalten, der in Abhängigkeit der dreieckförmigen, von dem Oszillator (19) erzeugten Trägerwelle und dem Steuerbefehl (Vb) ein Regelsignal zum Ausführen einer Ein-Ausschaltsteuerung von Schaltelementen des Konverters (13) abgibt.

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