DD298162A5

DD298162A5 - Schaltungsanordnung zur strommessung bei einem frequenzumrichter mit spannungszwischenkreis

Info

Publication number: DD298162A5
Application number: DD34391690A
Authority: DD
Inventors: Johannes Bock; Karl Schiftner
Original assignee: Elin Energieanwendung Gesellschaft M.B.H.,At
Priority date: 1989-09-18
Filing date: 1990-09-10
Publication date: 1992-02-06
Also published as: ATA216689A; AT395486B; DE4029267A1

Abstract

Bei der Erfindung handelt es sich um eine Schaltungsanordnung zur Strommessung bei einem Frequenzumrichter mit Spannungszwischenkreis, der eine Drehstromasynchronmaschine speist, wobei der Maschinenwechselrichter ein Pulswechselrichter ist. Im Zwischenkreis des Frequenzumrichters ist ein Strommeszorgan vorgesehen, welches Impulse liefert, die den in den Zwischenkreis durchgeschalteten Strangstroemen entsprechen. Diese Impulse werden einer Stromspitzenwerterfassungsschaltung * einer Grundschwingungsstromerfassungsschaltung (10) und einer Wirkstromerfassungsschaltung (11) zugefuehrt. Weiter ist eine Logikschaltung (16) vorgesehen, an die die Wechselrichter-Istzustandssignale gelangen und von der mindestens ein Ausgang mit einer Stromerfassungsschaltung (9, 10, 11) verbunden ist. Jeder dieser Stromerfassungsschaltungen (9, 10, 11) ist ein Analog-Digital-Wandler nachgeschaltet, der mit einem Mikroprozessorsystem verbunden ist. Mit der Schaltung werden aus den Impulsen von nur einem Strommeszorgan die Werte der Grundschwingung, des Wirkanteiles und des Spitzenwertes des Ausgangsstromes des Maschinenwechselrichters ermittelt.{Strommessung; Frequenzumrichter; Maschinenwechselrichter; Pulswechselrichter}

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Die Erfindung betrifft eine 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 vornimmt.

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

Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst. Diese ist dadurch gekennzeichnet, daß im Zwischenkreis des Frequenzumrichters ein Strommoßorgan vorgesehen ist, welches zu bestimmten Zeitpunkten Impulse liefert, die den in den Zwischenkreis durchgeschalteten Strangströmen der zu speisenden Maschine 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 Stromspitzenwerterfassungsschaltung, einer Grundschwingungsstromerfassungsschaltung und einer Wirkstromerfassungsschaltung zuführbar sind und daß eine Logikschaltung vorgesehen ist, an die die Wechsolrichter-Istzustandssignale gelangen und von der mindestens ein Ausgang mit einer Stromerfassungsschaltung verbunden ist und daß jeder dieser Stromerfassungsschaltungen ein Analog-Digital-Wandler nachgeschaltet ist, der mit einem Mikroprozessorsystem verbunden ist.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung besteht die Wirkstromerfassungsschaltung aus einem von der Logikschaltung steuerbaren elektronischen Umschalter dem ein Filter, insbesondere Tiefpaßfilter, nachgeschaltet ist, wobei dem einen Eingang des Umschalters die Impulse vom Strommeßorgan zuführbar sind und der zweite Eingang mit dem Ausgang des Filters verbunden ist.

Von Vorteil ist, daß die Stromspitzenwerterfassungsschaltung aus einer von der Logikschaltung steuerbaren Abtast-Halte-Schaltung, der eine Sumrnierungsstelle folgt, die einerseits direkt an einen Eingang einer Größtwertauswahlschaltung und anderers Tits über einen Inverter an einen zweiten Eingang dieser Größtwertauswahlschaltung angeschlossen ist, besteht und daß die Im, ulse vom Strommeßorgan der Abtast-Halte-Schaltung, der Summierungsstelle und einerseits direkt einem dritten Eingang und andererseits über einen Inverter einem 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 Gleichrichter verbunden ist, wobei die beiden invertiorenden 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 verbunden 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. Von Vorteil ist ferner, daß der Ausgang der Stromspitzenwerterfassungsschaltung bzw. der Größtwertauswahlschaltung 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 Stromverläufe wird die Erfindung nun noch näher erläutert.

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 Zwisch6nkreis 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 ohne Darstellung der überlagerten Stromwelligkeit der Motorströme.

Der bekannte Spannungszwischenkreisumrichter in Fig. 1 besteht aus einem an ein Drehstromnetz 2 angeschlossenem 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 7, der 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 l_w, eine zweite den Grundschwingungsanteil t, und eine dritte den Spitzenwert t des Wechselrichterausgangsstromes aus dem Stromsignal im Zwischenkreis Ij 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 l_d 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, oiner Größtwortauswahlschaltung 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 sind eingangsseitig die Wechselrichter-Istzustandssignale U_isl, V|_lt, W_is, 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 Maschinonströme zweier verschiedener Phasen darstellen, liegt jeweils ein Freilaufzustand an der positiven bzw. negativen Zwischenkreisschiene, während dem der Zwischenkreisstrom Null ist. Das Pulsmuster bestimmt somit den eigentlichen Verlauf des Zwischenkreisstromes.

Welche Maschinenstromabschnitte, 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 I₁ 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 J₁ und i₂ auf.

Das bedeutet folgende Zuordnung zwischen den Phasenströmen und den im Zwischenkreis sichtbaren Strömen ii und i₂:

60°-Abschnitt	i)	in	ij
1	-It	-is
2	•s	in
3	-Ir	-"τ
4	ίτ	is
5	-is	-ir
6	ίτ

Nachfolgend wird nun noch die Funktion der einzelnen Stromerfassungsschaltungen 9,10,11 erklärt.

Die Wirkstromerfassung 11 beruht auf einer getakteten Mittelung des Zwischenkreisstromes l_d. 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 Ui₁₁, V_ilt, W|„ von den Schaltzuständen der einzelnen Schaltpole durch Messung der Ausgangsspannungen abgeleitet werden.

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 Lasibereiche 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 Stiömen 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 Ui₁₁)V₁₁₁₁Wi₁, 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 Id gebildet.

Abschließend wird das Abtast-Halte-Glied 32 wieder freigegeben, so daß der Ausgang dem Eingang genau nachfolgt und die Schaltung für die nächste Messung vorbereitet ist. Die Schaltung besteht grundsätzlich aus vier vom Zwischenkreisstrom 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 Größtwertauswahl 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 l_d.

Funktion der Grundschwingungsstromerfassungsschaltung 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 Pharenströme 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) (i,(t) > 0) λ (i₂(t) > 0) Auswahl des größeren Stromes

b) (i,(t) > 0) λ Ii₂(O < 0) Differenzbildung i, - i₂

c) (Mt) < 0) α (i₂(t) < 0) Auswahl des kleineren Stromes und Inversion

d) (MO < 0) λ (i₂(t) > 0) Differenzbildung i₂ - i,

Wie schon erwähnt zeigt 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 6pulsig gleichgerichteten Motorgrundschwingungsströme. Für eine Strombegrenzungsregelung ist der Mittelwert l₍ dieses Signals wirksam.

Claims

1. Cchaltungsanordnung 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 vornimmt, dadurch gekennzeichnet, daß im Zwischenkreis des Frequonzumrichters ein 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 FreilaufzustanH auftritt, bei dem der Zwischenkreisstrom Null ist und daß die Impulse einer
Stromspitzenwerterfassungsschaltung (9), einer

Grundschwingungsstromerfassungsschaltung (10) und einer Wirkstromerfassungsschaltung (11) zuführbar sind und daß eine Logikschaltung (16) vorgesehen ist,.an die die Wechselrichter-Istzustandssignale {Uj_St, Vj_St, V' ) gelangen und von der mindestens ein Ausgang mit einer Stromerfassungsschaltung (9, iu, 11) verbunden ist und daß jeder dieser Stromerfassungsschaltungen (9,10,11) ein Analog-Digital-Wandler nachgeschaltet ist, der mit einem Mikroprozessorsystem verbunden ist.

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.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromspitzenwerterfassungsschaltung (9) aus einer von 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 Größtwertau >wahlschaltung (34) angeschlossen ist, 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. Schaltungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundschwingungsstromerfassungsschaltung (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 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. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der Stromspitzenwerterfassungsschaltung (9) bzw. der Größtwertauswahlsschaltung (34) einerseits mit einer Spitzenwerthalteschaltung (40) und andererseits mit einer Einrichtung zur Abschaltung bei Spitzenwertüberschreitung verbunden ist.