DE10303712B4 - Verfahren zur Kompensation eines durch eine wirksame Verriegelungszeit eines Wechselrichters hervorgerufenen Spannungsfehlers - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Kompensation eines durch eine wirksame Verriegelungszeit (t_D) eines Wechselrichters (4) hervorgerufenen Spannungsfehlers (Δv) mittels einer vorbestimmten Kompensationszeit (t_C) mit folgenden Verfahrensschritten:
a) Vorgabe einer Stellgröße (v^*) für den Wechselrichter (4) bei einer ersten Schaltfrequenz (f_{p_low}) und anschließenden Ermittlung einer mittleren Modulationsspannung (v_act(f_{p_low})) innerhalb einer Messperiode,
b) Umschaltung auf eine von der ersten Schaltfrequenz (f_{p_low}) verschiedene zweite Schaltfrequenz (f_{p_high}) und anschließender Ermittlung einer mittleren Modulationsspannung (v_act(f_{p_high})),
c) Vergleich dieser ermittelten Modulationsspannungen (v_act(f_{p_high}), v_act(f_{p_low})) und schrittweise Veränderung der vorbestimmten Kompensationszeit (t_C) bis der Vergleich umschlägt und
d) mehrmalige Wiederholung der Verfahrensschritte a) bis c) eines ersten Iterationszyklusses, wobei die Anzahl der Iterationszyklen von einer vorbestimmten Genauigkeitsanforderung abhängt.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kompensation eines durch eine wirksame Verriegelungszeit eines Wechselrichters hervorgerufenen Spannungsfehlers mittels einer vorbestimmten Kompensationszeit.
• Halbleiterventile eines Stromrichters, insbesondere eines Wechselrichters, erreichen den sicheren ein- bzw. ausgeschalteten Zustand erst nach einer bestimmten Ein- bzw. Ausschaltzeit. Um bei einem mehrpulsigen Stromrichter, insbesondere einem sechspulsigen Wechselrichter, einen Brückenkurzschluss zu vermeiden, muss ein Einschaltvorgang eines Ventils eines Brückenzweiges um eine Zeitspanne gegenüber dem Ausschaltvorgang eines anderen Ventils dieses Brückenzweiges verzögert werden. Diese Zeitspanne muss größer sein als die Ausschaltverzugszeit des ausschaltetenden Ventils. Diese Zeitspanne der Verzögerung wird auch als Verriegelungszeit oder Schutzzeit bezeichnet. Diese Verzögerungszeit verursacht Fehler in der Spannungsabbildung, d.h., eine vorgegebene Stellgröße am Modulator des Wechselrichters wird nicht exakt mittels einer Modulation am Wechselrichterausgang abgebildet.
• Im Handel sind Frequenzumrichter erhältlich, die eine Einrichtung zur Kompensation der Verriegelungszeit aufweist. Dabei wird von einer konstanten Verriegelungszeit ausgegangen, die ebenfalls konstante Spannungsfehler generieren. Diese Fehler werden mit Hilfe einer konstanten Kompensationszeit kompensiert. Mittels dieser Kompensationszeit wird je nach Stromvorzeichen eine Schaltdauer verkürzt oder verlängert. Ein derartiges Verfahren ist aus der Veröffentlichung "Pulse Based Dead Time Compensator for PWM-Inverters", von David Leggate und Russel J. Kerman, abgedruckt in "Industrial Elec tronis, Control and Instrumentation", 1995, Proceedings of the 1995 IEEE IECON 21st International Conference, Volume 1, 6–10 Nov. 1995, Seiten 474–481 vol. 1, bekannt. In dieser Veröffentlichung sind weitere Kompensationsverfahren wie z.B. von Typ Spannungskompensation und Stromrückkopplungkompensation näher beschrieben. Die Ermittlung einer optimalen Kompensationszeit ist jedoch problematisch, da die Ein- und Ausschaltsverzugszeiten der verwendeten Stromrichterventile nicht bekannt sind und da diese auch vom geführten Strom abhängig sind. Somit stellt dieses bekannte Kompensationsverfahren eher einen Kompromiss dar.
• Aus der Veröffentlichung "Varying the switching frequency to compensate the dead-time in pulse width modulated voltage source inverters", von A.C. Oliveira, A.M.N. Lima und C.B. Jacobina, abgedruckt in "Power Electronics Specialists Conference", 2002 IEEE 33^rd Annual, Vol. 1, 23.–27. Juni 2002, Seiten 244–249, ist ein weiteres Kompensationsverfahren bekannt, dass ebenfalls die Schaltdauer je nach Stromvorzeichen verkürzt oder verlängert, wobei jedoch bei einem hohen Modula-tionsindex ebenfalls die Schaltperiode verlängert wird. Dadurch wird sichergestellt, dass eine Verkürzung und eine Verlängerung der Schaltdauer bei einem hohen Modulationsindex auch ausgeführt werden können. Eine optimale Kompensationszeit kann mit diesem Verfahren ebenfalls nicht ermittelt werden.
• Der durch den Wechselrichter hervorgerufene Spannungsfehler ist die Differenz zwischen einer Stellgröße am Eingang eines Modulators des Wechselrichters und einer wirksamen Ausgangsspannung an den Klemmen des Wechselrichters. Die Stellgröße am Eingang des Modulators wird auch als Modulator-Sollspannung bezeichnet.
• In der 1 ist ein Brückenzweig 2 eines Wechselrichters 4 näher dargestellt. Dieser Brückenzweig 2 weist zwei Stromrichterventile 6 und 8 auf, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Diese Reihenschaltung ist elektrisch parallel zu einem Kondensator 10 geschaltet, an der eine Gleichspannung V_dc abfällt. Ein Verbindungspunkt 12 der beiden Stromrichterventile 6 und 8 ist ein Ausgang des Brückenzweiges 2, an dem eine pulsweitenmodulierte Spannung V_act ansteht. An den Steueranschlüssen der Stromrichterventile 6 und 8 stehen deren Steuerspannungen an.
• In der 2 ist eine Schaltperiode einer Modulator-Sollspannung (Stellgröße) dargestellt. Außerdem zeigt diese 2 jeweils eine Schaltperiode der Steuerspannungen V₊ und V_– der Stromrichterventile 6 und 8 des Brückenzweiges 2 nach 1. Ferner sind in dieser 2 noch jeweils eine Schaltperiode der pulsweitenmodulierten Spannungen V_act für einen Ausgangsstrom i_act > 0 und für einen Ausgangsstrom i_act < 0.
• Der Spannungsfehler Δv des Wechselrichters 4 wird gemäß 2 hauptsächlich durch zwei Effekte hervorgerufen:
  Ein Teil des Spannungsfehlers Δv wird durch die Schwellspannung v_On der Stromrichterventile 6 und 8 erzeugt, die schaltfrequenzunabhängig sind und in erster Nährung als konstant angenommen werden können.
• Ein zweiter Teil des Spannungsfehlers Δv resultiert aus dem nicht idealen Schaltverhalten des Wechselrichters 4. Der Fehler Δv ist abhängig von der wirksamen Verriegelungszeit t_D, die sich aus einer Soll-Verriegelungszeit t_V und den Ein- und Ausschaltverzugszeiten t_On und t_Off des Wechselrichters ergeben, und der Stromrichtung. Diese wirksame Verriegelungszeit t_D wird gemäß folgender Gleichung: tD = tV + tOn – tOff (1)berechnet. Die Verzugszeiten t_On und t_Off verursachen einen Fehler in der Spannungszeitfläche pro Schaltperiode und sind damit schaltfrequenzabhängig. Der Gesamtspannungsfehler Δv kann durch folgende Gleichung:

  

  beschrieben werden.
• Ein Spannungsfehler Δv ist in der 2 jeweils abhängig von der Stromrichtung als straffierte Fläche dargestellt.
• Der durch die wirksame Verriegelungszeit t_D hervorgerufene Spannungsfehler Δv kann gemäß mittels des bekannten Kompensationsverfahrens nicht vollständig elimeniert werden. Dazu wird eine Kompensationszeit t_C vorgesehen, mittels der je nach Stromvorzeichen eine Schaltdauer verlängert bzw. verkürzt wird. Unter Einbeziehung der Kompensationszeit t_C wird die Gleichung für den Spannungsfehler Δv zu:

  
• Mittels dieser Spannungsfehlergleichung kann die Kompensationszeit t_C nicht ohne weiteres berechnet werden, da mehrere Variablen nicht bekannt sind. Zu diesem gehört die wirksame Verriegelungszeit t_D, die Schwellspannung v_On und der Span nungsfehler Δv. Die Schwellspannung v_On kann aus Datenblättern der verwendeten Stromrichterventile 6 und 8 entnommen werden. Der Spannungsfehler Δv kann bestimmt werden, wenn die Spannung am Wechselrichterausgang gemessen wird. Dazu wird ein Meßinstrument benötigt, wodurch sich der Aufwand erhöht. Die wirksame Verriegelungszeit t_D ist von der Schaltfrequenz f_p unabhängig. Dagegen ist jedoch ein resultierender Spannungsfehler Δv frequenzabhängig. Somit kann die Kompensationszeit t_C, und damit die Eliminierung des Spannungsfehlers Δv nur mit einem höheren Aufwand nur näherungsweise bestimmt werden.
• Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, dass bekannte Verfahren zur Kompensation eines Spannungsfehlers derart wieterzubilden, dass ohne großen Aufwand eine vollständige Kompensation des Spannungsfehlers erzielt wird.
• Diese Aufgabe wird mit den Verfahrensschritten a) bis d) des Anspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.
• Dadurch, dass eine Stellgröße bei zwei unterschiedlichen Schaltfrequenzen, beispielsweise bei einer kleinen und einer höheren Schaltfrequenz, eingeprägt wird, erhält man zwei Modulationsspannungen, deren Vergleich ein Maß für die Verstellung einer vorbestimmten Kompensationszeit ist, wobei diese Kompensationszeit schrittweise verstellt wird, bis der Vergleich in eine jeweils andere Richtung umschlägt. Diese Verfahrensschritte gehören zu einem Iterationszyklus. In Abhängigkeit einer Genauigkeitsanforderung werden diese Verfahrensschritte eines Iterationszyklusses wiederholt. Somit erhält man ein Iterationsverfahren, mittels dem man unabhängig von einem vorbestimmten Startwert der Kompensationszeit in kürzester Zeit ohne großen Aufwand die exakte Kompensationzeit erhält und somit ein auftretender Spannungsfehler vollständig kompensiert werden kann.
• Bei einem vorteilhaften Verfahren wird die Stellgröße von einer Stromregelung vorgegeben, und diese generierten Stellgrößen bei einer kleinen und höheren Schaltfrequenz miteinander verglichen. Daran schließt sich die schrittweise Veränderung der Kompensationszeit an. Somit erhält man ein Verfahren, bei dem kein Spannungsmessglied mehr benötigt wird, wodurch dieses vorteilhafte Verfahren nachträglich in jedem im Handel erhältlichen Frequenzumrichter ohne großen Aufwand integriert werden kann.
• Den Unteransprüchen 3 bis 7 sind vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens entnehmbar.
• Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert wird.
• 1 zeigt eine Schaltungsanordnung eines Brückenzweiges eines Wechselrichters, die
• 2 zeigt über der Zeitspanne einer Schaltdauer neben den in der 1 eingetragenen Signalen auch noch eine Modulator-Sollspannung und einen Spannungsfehler für je ein Stromvorzeichen, die
• 3 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Identifikation einer Kompensationszeit mit Spannungssteuerung und Spannungsmessung, in der
• 4 ist eine Schaltungsanordnung zur Identifikation einer Kompensationszeit mit Spannungssteuerung und Strommessung dargestellt, die
• 5 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Identifikation einer Kompensationszeit in einem geschlossenen Stromregelkreis, und die
• 6 bis 11 zeigen jeweils in einem Diagramm wie das erfindungsgemäße Verfahren in Abhängigkeit von Schaltfrequenzverhältnis und Startwert der Kompensationszeit konvergiert.
• In der 3 ist eine Schaltungsanordnung zur Identifikation einer Kompensationszeit t_C näher dargestellt. Ein Modulator ist mit 14 und ein Drehstrommotor ist mit 16 bezeichnet. Der Modulator 14 ist Bestandteil des Wechselrichters 4 an dessen Ausgängen der Drehstrommotor 16 angeschlossen ist. Am Ausgang dieses Wechselrichters 4 ist ebenfalls eine Einrichtung 18 zum Erfassen dessen Ausgangsspannung v_act angeschlossen.
• In der 4 ist eine weitere Schaltungsanordnung zur Identifikation einer Kompensationszeit t_C näher dargestellt. Diese Schaltungsanordnung unterscheidet sich von der Schaltungsanordnung gemäß 3 dadurch, dass anstelle der Einrichtung 18 eine Einrichtung 20 zum Erfassen eines Wechselrichters-Ausgangsstromes i_act vorgesehen ist.
• Bei beiden Schaltungsanordnungen steht am Stelleingang des Modulators 14 eine Stellgröße v^* an, die auch als Modulator-Sollspannung v^* bezeichnet wird. An Parametereingängen des Modulators 14 steht eine Schaltfrequenz f_p, eine wirksame Verriegelungszeit t_D und eine Kompensationszeit t_C an. Der Modulator 14 wandelt die Modulator-Sollspannung v^* in eine Pulsfolge um. Eine Schaltdauer dieser Modulator-Sollspannung v^* ist in der 2 veranschaulicht. Damit im Wechselrichter 4 kein Brückenkurzschluss entstehen kann, wird bei der Generierung einer Pulsfolge aus der Modulator-Sollspannung v^* eine wirksame Verriegelungszeit t_D berücksichtigt. Der durch die wirksame Verriegelungszeit t_D hervorgerufene Spannungsfehler Δv soll durch die Vorgabe einer Kompensationszeit t_C kompensiert werden.
• In der 5 ist eine vorteilhafte Schaltungsanordnung zur Identifikation einer Kompensationszeit t_C näher dargestellt. Diese unterscheidet sich von den zuvor beschriebenen Schaltungsanordnungen dadurch, dass eine Stromregelung, bestehend aus einem Stromvergleicher 22 und einem Stromregler 24, vorgesehen ist. Der Ausgang des Stromreglers 24 ist mit dem Stelleingang des Modulators 14 verbunden. Am nicht invertier ten Eingang des Stromvergleichers 22 steht ein Strom-Sollwert i^* an, wobei an seinem invertierendem Eingang ein Strom-Istwert i_act des Drehstrommotors 16 ansteht. Die Modulator-Sollspannung v^* wird bei dieser Schaltungsanordnung mittels des Stromrichterkreises bestimmt. Bei den im Handel erhältlichen Frequenzumrichtern ist eine derartige Stromregelung vorhanden.
• Anhand dieser Schaltungsanordnung soll nun das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert werden:
  Das erfindungsgemäße Verfahren beginnt damit, dass eine vorbestimmte Stellgröße v^* bei einer kleinen Schaltfrequenz f_{p_low} vorgegeben wird. Diese vorbestimmte Stellgröße v^* wird mittels einer Vorgabe eines Strom-Sollwertes i^* generiert. Die Stromeinprägung garantiert gegenüber einer Spannungssteuerung, dass der Strom innerhalb der für den Umrichter zulässigen Grenzen gehalten werden kann. Die sich einstellende Stellgröße v^* bei einer kleinen Schaltfrequenz f_{p_low} wird gemerkt. Anschließend wird die Schaltfrequenz f_p auf eine höhere Schaltfrequenz f_{p_high} umgeschaltet und die sich einstellende Stellgröße v^* (f_{p_high}) mit der gespeicherten Stellgröße v^* (f_{p_low}) verglichen. D.h., es wird folgende Bedingung: v* (fp_high) > v* (fp_low)überprüft. Wird diese Bedingung erfüllt, so liegt eine Unterkompensation vor. Der Wert für die vorgegebene Kompensationszeit t_C muss erhöht werden. Wird diese Bedingung nicht erfüllt, liegt eine Überkompensation vor, und der Wert der vorgegebenen Kompensationszeit t_C muss erniedrigt werden. In diesem ersten Iterationszyklus wird die Kompensationszeit t_C solange verändert, bis der Vergleich in die jeweils andere Richtung umschlägt. D.h., dass die Bedingung zunächst erfüllt bzw. nicht erfüllt wird und nach einigen Erhöhungen bzw. Erniedrigungen der Kompensationszeit t_C diese Bedingung erfüllt wird. Mit der Änderung des Vergleichs ist der erste Iterati onszyklus abgeschlossen. Der zweite Iterationszyklus beginnt damit, dass wieder eine Stellgröße v^* bei einer kleinen Schaltfrequenz f_{p_low} erfasst wird und für einen anschließenden Vergleich gemerkt wird. Anschließend wird die Schaltfrequenz f_P erhöht und die genannte Bedingung des Spannungsvergleiches überprüft. Wird die Bedingung wieder erfüllt, so wird die Kompensationszeit t_C wieder in Schritten erhöht, bis zu dem Zeitpunkt, wo der Vergleich in die andere Richtung wieder umschlägt. An diese beiden Iterationszyklen können sich noch mehrere Zyklen anschließen. Wie viele Zyklen abgearbeitet werden müssen, hängt von einer vorbestimmten Genauigkeitsanforderung ab.
• In der 6, 8 und 10 sind jeweils das erfindungsgemäße Verfahren in Abhängigkeit von Schaltverhältnissen k_s bei einem Startwert der Kompensationszeit t_C von Null in einem Diagramm dargestellt. In den 7, 9 und 11 sind ebenfalls jeweils das erfindungsgemäße Verfahren in Abhängigkeit von Schaltverhältnissen k_s dargestellt, wobei der Startwert der Kompensationszeit t_C auf 4 μsec bzw. 3 μsec gesetzt wurde. Unabhängig vom Startwert der Kompensationszeit t_C konvergiert nach einer gleichen Zeitdauer die Kompensationszeit t_C auf den selben Endwert. Die Auflösung der Iterationszyklen hängt vom Verhältnis ks von höherer zur niederer Schaltfrequenz f_P ab. In den 6 und 7 ist das Verhältnis k_s = 2, in den 8 und 9 ist das Verhältnis k_s = 1,3 und in den 10 und 11 ist das Schaltfrequenzverhältnis k_s = 8.
• Die Anzahl der notwendigen Iterationszyklen kann unter Verwendung der einstellbaren Auflösung der Kompensationszeit abgeschätzt werden, um eine sinnvolle Einstellung der Kompensationszeit t_C zu finden. Das Verfahren kann abgebrochen werden, wenn folgende Bedingung: |tD – tC(n)|< Δtmin (4) erfüllt wird, wobei mit Δt_min die Auflösung für die Verstellung der Kompensationszeit vorbestimmt wird. Die Iterationsgleichung in allgemeiner Form lautet:

  

  wobei:

t_C(n):

gesuchte Kompensationszeit

t_D:

wirksame Verriegelungszeit

t_C(0):

Startwert der Kompensationszeit

k_s:

Verhältnis von höherer zu niedriger Schaltfre quenz

ist. Setzt man die Bedingung (4) in die Iterationsgleichung (5) ein und löst diese nach der Anzahl n der Iterationszyklen auf, so ergibt sich folgende Gleichung:

für die minimale notwendige Anzahl n der Iterationszyklen. Nach dem die minimale Anzahl n_min der Iterationszyklen abgearbeitet ist, wird das Verfahren beendet.
• Prinzipiell kann das erfindungsgemäße Verfahren nach einer beliebigen Anzahl jedoch mindestens einem Iterationszyklus abgebrochen werden. Beispielsweise kann dann abgebrochen werden, wenn sich die Kompensationszeit t_C zwischen zwei Iterationszyklen nur noch um +/- einem Inkrement (Auflösung der Kompensationszeit t_C) ändert. Wie viele Iterationszyklen abgearbeitet werden sollen, hängt von der Dauer und Robustheit des Verfahrens ab.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine automatische Ermittlung der Kompensationszeit t_C, wodurch eine genauere Spannungsabbildung des Wechselrichters gewährleistet wird.
• Dadurch werden die sich durch das nichtlineare Verhalten des Wechselrichters 4 ergebende Nachteile wie Stromverzerrung und Momentenwelligkeit vermieden. Das Verfahren ist einfach und robust. Außerdem konvergiert das Verfahren für beliebige Startwerte der Kompensationszeit t_C. Selbst wenn sich die Schaltfrequenzen f_{p_low} und f_{p_high} nur unwesentlich voneinander unterscheiden, liefert das erfindungsgemäße Verfahren auch dann noch verwertbare Ergebnisse. Damit eignet sich das Verfahren auch im Bereich großer Leistungen, wo die Freiheitsgrade in der Schaltfrequenzwahl eingeschränkt sind.

Claims (7)

1. Verfahren zur Kompensation eines durch eine wirksame Verriegelungszeit (t_D) eines Wechselrichters (4) hervorgerufenen Spannungsfehlers (Δv) mittels einer vorbestimmten Kompensationszeit (t_C) mit folgenden Verfahrensschritten: a) Vorgabe einer Stellgröße (v^*) für den Wechselrichter (4) bei einer ersten Schaltfrequenz (f_{p_low}) und anschließenden Ermittlung einer mittleren Modulationsspannung (v_act(f_{p_low})) innerhalb einer Messperiode, b) Umschaltung auf eine von der ersten Schaltfrequenz (f_{p_low}) verschiedene zweite Schaltfrequenz (f_{p_high}) und anschließender Ermittlung einer mittleren Modulationsspannung (v_act(f_{p_high})), c) Vergleich dieser ermittelten Modulationsspannungen (v_act(f_{p_high}), v_act(f_{p_low})) und schrittweise Veränderung der vorbestimmten Kompensationszeit (t_C) bis der Vergleich umschlägt und d) mehrmalige Wiederholung der Verfahrensschritte a) bis c) eines ersten Iterationszyklusses, wobei die Anzahl der Iterationszyklen von einer vorbestimmten Genauigkeitsanforderung abhängt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße (v^*) in Abhängigkeit einer Stromregelung vorgegeben wird, die bei kleiner und höherer Schaltfrequenz (f_{p_low}, f_{p_high}) miteinander verglichen werden.
3. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrmalige Wiederholung abgebrochen werden, so bald folgende Bedingung: |tD – tC(n)| < Δtmin erfüllt wird.
4. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine minimal notwenige Anzahl (n) der Wiederholungen gemäß folgender Gleichung:

   

   berechnet wird.
5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Endwert der Kompensationszeit (t_C) gemäß folgender Gleichung:

   

   berechnet wird.
6. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert der vorbestimmten Kompensationszeit (t_C) gleich Null ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert der vorbestimmten Kompensationszeit (t_C) größer dem Endwert (t_C(n)) der vorbestimmten Kompensationszeit (t_C) ist.