DE1263164B

DE1263164B - Steuerverfahren zur Veraenderung der Frequenz und der Spannung eines im Schaltbetrieb arbeitenden Wechselrichters

Info

Publication number: DE1263164B
Application number: DEL41663A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Otto Mohr; Dr-Ing Heinz Guenter Lott; Dr-Ing Joachim Boecker
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1962-04-05
Filing date: 1962-04-05
Publication date: 1968-03-14
Also published as: CH409116A; SE320726B; GB1036464A; FR1352577A

Description

Steuerverfahren zur Veränderung der Frequenz und der Spannung eines im Schaltbetrieb arbeitenden Wechselrichters Es ist bekannt, aus Gleichstrom mit Hilfe von Wechselrichtern Wechselspannungen zu erzeugen. Man kann auch durch Verwendung von beispielsweise drei einzelnen Wechselrichtern, die aus derselben Gleichstromquelle gespeist werden, ein normales Drehstromsystem mit 120° Phasenverschiebung aufbauen. Die dabei verwendeten Wechselrichter arbeiten lediglich als Schalter und setzen die Gleichspannung zu einer Rechteck-Wechselspannung zusammen. Wird eine sinusförmige Ausgangsspannung verlangt, so müssen zusätzlich Siebmittel eingesetzt werden.
Diese bekannte Anordnung hat gewisse Nachteile: Der Wechselrichter arbeitet mit der für die Belastung geforderten Frequenz. Handelt es sich hierbei um. eine relativ niedrige Frequenz (z. B. 50 Hz), so sind die zur Erzielung einer sinusförmigen Spannung erforderlichen Siebmittel außerordentlich groß. Soll die Frequenz geändert werden, dann sind entsprechende Eingriffe in die Steuerung der im Wechselrichter enthaltenen Schaltelemente erforderlich. Bei der Veränderung der Frequenz dieser bekannten Wechselrichter bleibt jedoch die Amplitude der Rechteckspannung unverändert, da die Schalter die Spannung der Gleichstromquelle lediglich fortlaufend umpolen. Hierdurch entstehen Schwierigkeiten, wenn der Verbraucher aus einer Eiseninduktivität besteht (z. B. Wechselstrommotor, Rüttelantrieb, Magnetverstärker). Solche Verbraucher sind bekanntlich aus wirtschaftlichen und raumsparenden Gründen so ausgelegt, daß die Induktion im Eisen einen durch die Sättigung und die Eisenverluste begrenzten Höchstwert hat. Diese Induktion bleibt nur konstant, solange das Verhältnis der Größe der speisenden Spannung zur Frequenz der speisenden Spannung konstant bleibt. Wird also beispielsweise ein Wechselstrommotor über einen Wechselrichter bekannter Art gespeist, so ist dieser Motor bei Heraufsetzung der Speisefrequenz nicht mehr voll ausgenutzt, da die Spannung dieses Wechselrichters konstant bleibt.
Es ist weiterhin bereits ein Steuerverfahren zur Veränderung der Frequenz und der Spannung eines im Schaltbetrieb arbeitenden Wechselrichters bekanntgeworden, bei dem durch periodische Impulsbreitenmodulation der Mittelwert der Ausgangsspannung des mit konstanter und relativ hoher Frequenz arbeitenden Wechselrichters sinusförmig schwankt und die so entstehende Unterwelle über Siebmittel, die zur Zurückhaltung der höhenfrequenten Spannungen dienen, dem Verbraucher zugeführt wird, wobei diese Unterwelle in ihrer Frequenz durch Veränderung der Periode der Impulsbreitenmodulation und in ihrer Amplitude durch Veränderung der Intensität der periodischen Impulsbreitenschwankung einstellbar ist.
Es werden also bei diesem bekannten Verfahren zunächst Sinushalbwellen gebildet, die, um eine sinusförmige Wechselspannung zu ergeben, jedoch nachteiligerweise eine besondere periodische Umpolung im Takt der niederfrequenten Spannung erfordern.
Die Erfindung betrifft ein Steuerverfahren zur Veränderung der Frequenz und der Spannung eines im Schaltbetrieb arbeitenden Wechselrichters, bei dem auf jeden positiven Impuls ein negativer Impuls folgt.
Erfindungsgemäß schwankt durch Veränderung des Verhältnisses der Dauer des positiven und des negativen Impulses innerhalb einer Periode der Mittelwert der Ausgangsspannung des mit konstanter und relativ hoher Frequenz arbeitenden Wechselrichters sinusförmig; und es wird die so entstehende Unterwelle über Siebmittel, die zur Zurückhaltung der höhenfrequenten Spannung dienen, dem Verbraucher zugeführt, wobei diese Unterwelle in. ihrer Frequenz durch Veränderung der Periode der Impulsbreiten= modulation und in ihrer Amplitude durch Veränderung der Intensität der periodischen Impulsbreitensehwankung einstellbar ist.
Der Vorteil des Erfindungsgegenstandes gegenüber der vorstehend beschriebenen bekannten Anordnung besteht darin, daß die periodisch notwendige Umpolungsschalthandlung auf Grund einer entsprechenden Steuerung der höhenfrequenten Wechselspannung vermieden ist. An Hand der F i g. 1 bis 3 soll die Erfindung näher erläutert werden. In F i g. 1 ist mit 1 ein an sich bekannter, im Schaltbetrieb arbeitender Wechselrichter bezeichnet. Er wird von der Gleichspannungsquelle 2 gespeist. Seine Ausgangsspannung U" wird über Siebmittel, die in dem Ausführungsbeispiel aus einer Längsinduktivität 4 und einer Querkapazität 5. bestehen, einem Verbraucher 3 zugeführt. Dieser Verbraucher 3 ist im Ausführungsbeispiel als induktiver Verbraucher dargestellt und kann z. B. eine Ständerwicklung eines Asynchronmotors sein. Der Wechselrichter 1 arbeitet mit einer Frequenz, die erheblich größer ist als die für den zu speisenden Verbraucher 3 erforderliche Frequenz. Solange die Umschaltsteuerung der im Wechselrichter 1 enthaltenen Schalter nicht beeinflußt wird, erhält man als Ausgangsspannung U" die in F i g. 2 a dargestellte Rechteckspannung. t bedeutet die Zeitachse. Die Fläche unter den positiven und negativen Halbwellenblöcken ist konstant. Da die Frequenz dieser Rechteckspannung U" sehr hoch ist, fällt die gesamte Spannung an der vorgeschalteten Induktivität 4 ab, während der induktive Verbraucher 3 durch den Kondensator 5 gegenüber der hohen Frequenz praktisch kurzgeschlossen ist. An den induktiven Verbraucher 3 gelangt also keine Spannung.
Durch eine periodische Impulsbreitenmodulation wird nun der Mittelwert der Ausgangsspannung U" sinusförmig verändert. Die positiven und negativen Halbwellenblöcke der Ausgangsspannung U" sind nicht mehr gleich groß, sondern ändern sich nach einer Sinusfunktion. Der hochfrequenten Spannung U" wird also eine niederfrequente Spannung Uä unterlagen (F i g. 2b). Gegenüber dieser niederfrequenten Spannung stellt die Induktivität 4 kein Hindernis dar, während der Kondensator 5 wegen seines hohen Blindwiderstandes als nicht vorhanden zu betrachten ist. Die niederfrequente Spannung liegt also am Verbraucher 3. Verändert man die Periode, mit der die Impulsbreitenmodulation schwankt, so ändert sich auch die Frequenz der am Verbraucher 3 liegenden Spannung.
Die Größe der niederfrequenten Ausgangsspannung kann durch die Intensität der periodischen Impulsbreitenschwankung verändert werden, d. h., das Verhältnis von t1 zu t2 (F i g. 2 b) ändert sich mehr oder weniger stark. Man kann also die Amplitude der Unterwellenspannung Uä verändern, obgleich die Amplitude der Ausgangsspannung U, des schaltenden Wechselrichters unverändert bleibt. Will man also beispielsweise erreichen, daß eine zu speisende Eiseninduktivität trotz Veränderung der Frequenz der speisenden Spannung stets mit gleicher Induktion betrieben wird, so braucht man nur dafür zu sorgen, daß die Intensität der periodischen Impulsbreitenschwankung und die Periode der Impulsbreitenmodulation gleichzeitig so verändert werden, daß der Quotient aus Amplitude und Frequenz der Unterwelle annähernd konstant bleibt. Im Wechselrichter selbst ist letztlich natürlich nur das Verhältnis von t,: t2 einstellbar; denn sowohl die Frequenz wie die Amplitude der Unterwelle werden durch das Verhältnis t,.: t2 bestimmt. Man kann sich den Vorgang so vorstellen, daß das Verhältnis ti : t2 von einer sinusförmigen Wechselspannung gesteuert wird. Ist der Augenblickswert dieser Wechselspannung gerade Null, so hat das Verhältnis t1 : t2 den Wert Eins. Durch die Vorgabe der Frequenz dieser Wechselspannung über den Eingang 1. f wird die Frequenz: der Unterwelle verändert und durch Vorgabe der Amplitude dieser Wechselspannung über den Eingang 1a wird die Amplitude der Unterwellenspannung verändert.
Will man einen induktiven Verbraucher, z. B. einen Wechselstrommotor so betreiben, daß, unabhängig von der Frequenz, die Ausnutzung des Eisens stets an der durch die Sättigung gezogenen Grenze liegt, dann kann man hierzu gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die Intensität der periodischen Impulsbreitenschwankungen in Abhängigkeit des aufgenommenen Motorstromes so steuern, daß dieser Strom seine Sinusform nicht verliert, im übrigen aber den größtmöglichen Wert annimmt.
Die Abweichung des Motorstromes von der Sinusform tritt bekanntlich nur dann ein, wenn das Eisen zu stark gesättigt ist. Das bedeutet aber, daß die Induktion die zuträglichen Werte überschreitet. Es muß also die Abweichung des Verbraucherstromes von der Sinusform ermittelt werden und die diese Abweichung beschreibende Größe im Sinn einer Zu steuerung auf den an sich voll aufgesteuerten Eingang 1 a des. Wechselrichters gegeben werden, über den die Intensität der periodischen Impulsbreitenschwankungen einstellbar ist. In F i g. 1 ist dieser Teil der Anordnung gestrichelt dargestellt. Im Punkt 6 wird der Verbraucherstrom erfaßt und im Glied 7 eine die Abweichung des Verbraucherstromes von der Sinusform beschreibende Größe gebildet: Diese wird auf den Eingang 1a gegeben.

Claims

Patentansprüche: 1. Steuerverfahren zur Veränderung der Frequenz und der Spannung eines im Schaltbetrieb arbeitenden Wechselrichters, bei dem auf jeden positiven Impuls ein negativer Impuls folgt, dadurch gekennzeichnet, daß durch Veränderung des Verhältnisses der Dauer des positiven und des negativen Impulses innerhalb einer Periode der Mittelwert der Ausgangsspannung des mit konstanter und relativ hoher Frequenz arbeitenden Wechselrichters (1) snusförmig schwankt und die so entstehende Unterwelle über Siebmittel (4, 5), die zur Zurückhaltung der höherfrequenten Spannung dienen, dem Verbraucher zugeführt wird, wobei diese Unterwelle in ihrer Frequenz durch Veränderung der Periode der Impulsbreitenmodulation und in ihrer Amplitude durch Veränderung der Intensität der periodischen Impulsbreitenschwankung einstellbar ist.
2. Steuerverfahren nach Anspruch 1, insbesondere zur Speisung eines aus einer Eiseninduktivität (z. B. Wechselstrommotor) bestehenden Verbrauchers, dadurch gekennzeichnet, daß durch gleichzeitige Veränderung der Intensität der periodischen Impulsbreitenschwankung und der Periode der Impulsbreitenmodulation der Quotient aus Amplitude und Frequenz der Unterwelle (Verbraucherspannung) annähernd konstant gehalten wird.
3. Steuerverfahren nach Anspruch 1 zur Erzielung einer stets an der Sättigungsgrenze liegenden Ausnutzung des Eisens eines induktiven Verbrauchers (z. B. Wechselstrommaschine), dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichung des Verbraucherstromes von der Sinusform ermittelt wird (7) und diese Abweichung im Sinn der Zusteuerung auf den an sich voll aufgesteuerten Eingang (1 a) des Wechselrichters gegeben wird, über den die Intensität der periodischen Impulsbreitenschwankung einstellbar ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1065 080.