DE19548254C1 - Digital control of inverter output voltage e.g. for guaranteed current supply for consumer load with battery back=up - Google Patents
Digital control of inverter output voltage e.g. for guaranteed current supply for consumer load with battery back=upInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur digitalen Regelung der Spannungen am Ausgang eines Wechselrichters nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method for digitally regulating the voltages at the output of an inverter according to the preamble of claim 1.
Ein derartiges Verfahren ist bereits in der am 01.08.1995 eingereichten deutschen Anmeldung 1 95 28 122.5-32 vorgeschlagen worden. Das dort erwähnte Verfahren zielt darauf ab im Falle eines Kurzschlusses - zum Schutze des Wechselrichters vor Überlastung - den Kurzschlußstrom gezielt zu senken. Dazu wird zwischen den Abtastzeiten mittels eines in der Regeleinrichtung laufenden Programms mehrfach abgefragt, ob ein Kurzschluß aufgetreten ist.Such a procedure is already in the one on 01.08.1995 German application 1 95 28 122.5-32 has been proposed. That there mentioned method aims at in case of a short circuit - to Protect the inverter against overload - target the short-circuit current to lower. For this purpose, between the sampling times by means of a Control device running program queried several times whether a Short circuit has occurred.
Aus der EP 0 208 088 A1 ist ein Wechselrichter bekannt, bei dem jeweils ein Paar von Stromrichterventilen auf einen primärseitigen Anschluß eines Drehstromtransformators geschaltet ist. Jedes Paar ist an eine gemeinsame Gleichspannungsquelle geschaltet. Die Spannungen an den Ausgangsklemmen der Sekundärwicklung des Drehstromtransformators werden durch eine Pulsbreitenmodulation geregelt.An inverter is known from EP 0 208 088 A1, in each of which a pair of converter valves on a primary connection of one Three-phase transformer is switched. Every couple is in common DC voltage source switched. The voltages at the output terminals the secondary winding of the three-phase transformer are replaced by a Pulse width modulation regulated.
In der EP 0 351 783 A2 ist ein pulsweitenmoduliert gesteuerter Wechselrichter beschrieben, an den ein Elektromotor angeschlossen ist. Der magnetische Fluß in dem Elektromotor wird mittels des Wechselrichters geregelt. Die Regelung arbeitet digital. Zeitdiskret wird der magnetische Fluß erfaßt und unter Einbeziehung des letzten berechneten Wertes der nächste Wert für den Fluß bestimmt. Dieser Wert bildet die Grundlage für eine gezielte Ansteuerung des Wechselrichters im folgenden Abtastintervall.EP 0 351 783 A2 describes a pulse width modulated Inverter described to which an electric motor is connected. Of the magnetic flux in the electric motor is generated by means of the inverter regulated. The control works digitally. The magnetic becomes discrete in time Flow and including the last calculated value of the next value determined for the river. This value forms the basis for targeted control of the inverter in the following sampling interval.
Die DE 43 30 944 A1 befaßt sich mit der Strombegrenzung in einer digital arbeitenden pulsweitengesteuerten Wechselrichterschaltung. Jeweils am Anfang eines Abtastintervalls wird der Wert des Stromes am Ende des Abtastintervalls vorausbestimmt. Anschließend wird er mit dem maximal zulässigen Wert verglichen; für den Fall, daß er größer ist als der maximal zulässige Wert, wird der Spannungssollwert für die Pulsweitenmodulationseinrichtung des Wechselrichters verkleinert, in allen anderen Fällen bleibt der Spannungssollwert unverändert. DE 43 30 944 A1 deals with the current limitation in a digital working pulse-width controlled inverter circuit. Each on At the beginning of a sampling interval, the value of the current at the end of the Predetermined sampling interval. Then he will go to the maximum permissible value compared; in the event that it is larger than the maximum permissible value, the voltage setpoint for the Pulse width modulation device of the inverter reduced, in all in other cases, the voltage setpoint remains unchanged.
Gezielte Maßnahmen zur Verbesserung der statischen und dynamischen Eigenschaften der Regelung werden in den erwähnten Schriften nicht erwähnt.Targeted measures to improve the static and dynamic Properties of the regulation are not in the mentioned writings mentioned.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur digitalen Regelung der Spannungen am Ausgang eines Wechselrichters zu schaffen, bei dem eine hohe Regeldynamik bei verhältnismäßig niedriger Schaltfrequenz der Wechselrichter erreicht wird. Außerdem soll - auch bei nichtlinearer Belastung (im Nennbereich) - durch das Verfahren ein besonders geringer Klirrfaktor der Ausgangsspannungen des Wechselrichters erzielt werden.The invention has for its object a method for digital To regulate the voltages at the output of an inverter, where a high control dynamic at a relatively low Switching frequency of the inverter is reached. In addition - also at non-linear load (in the nominal range) - by the method particularly low harmonic distortion of the output voltages of the inverter be achieved.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1.According to the invention, this object is achieved by a method according to Claim 1.
Mit den erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich bei einer verhältnismäßig niedrigen Abtast- und Schaltfrequenz eine relativ hohe Regeldynamik erzielen. Dabei ist die Abtastfrequenz ein Maß für die Häufigkeit (in einem Bezugszeitraum), mit der die Regeleinrichtung die für die Regelung relevanten Strom- und Spannungswerte digital erfaßt; die Schaltfrequenz bezieht sich auf die Anzahl der PWM-Pulse (in einem Bezugszeitraum), mittels derer der Wechselrichter ausgangsseitig aus einer Gleichspannung die Wechselspannungen des Drehstromsystems erzeugt. Die PWM-Pulse sind das Ergebnis einer Pulsweitenmodulation. With the method according to the invention, one can be proportionate low sampling and switching frequency a relatively high control dynamics achieve. The sampling frequency is a measure of the frequency (in one Reference period) with which the control device is used for the control relevant current and voltage values recorded digitally; the switching frequency refers to the number of PWM pulses (in a reference period), by means of which the inverter on the output side from a DC voltage generates the AC voltages of the three-phase system. The PWM pulses are the result of pulse width modulation.
Zur Erzeugung der PWM-Pulse werden - in an sich bekannter Weise - die Wechselrichterventile gezielt angesteuert. Dadurch wird die den Wechselrichter speisende Gleichspannung zu bestimmten Zeitabschnitten an die Zuleitungen der Primärwicklung des Wechselrichters durchgeschaltet. Die Dauer dieser Zeitabschnitte, also die Breite der PWM-Pulse ist proportional zu den (digitalen) Stellwerten, die die Regeleinrichtung zyklisch aus den abgetasteten Strom- und Spannungswerten (für die Nachregelung der Ausgangsspannungen) ermittelt. Derartige PWM-Pulse werden - unabhängig voneinander unter Berücksichtigung jeweils eigener Stellwerte - für jede der drei primärseitigen Teilwicklungen des Drehstromtransformators erzeugt.The PWM pulses are generated in a manner known per se Inverter valves controlled specifically. This will make the Inverters supply DC voltage at certain time intervals the feed lines of the primary winding of the inverter are switched through. The The duration of these time segments, i.e. the width of the PWM pulses, is proportional to the (digital) control values which the control device cyclically generates from the sampled current and voltage values (for readjustment of the Output voltages) determined. Such PWM pulses become independent from each other taking into account their own manipulated values - for each of the three primary windings of the three-phase transformer.
Zwar wird grundsätzlich zur Erzielung einer hohen (Regelungs-)Dynamik eine hohe Schaltfrequenz angestrebt, auf der anderen Seite steigt mit der Schaltfrequenz auch die Verlustleistung im Wechselrichter. Eine wichtige Größe in diesem Zusammenhang ist ferner die Regelfrequenz, also die Anzahl der Stellwerte (in einem Bezugszeitraum), die für jeden Ausgang der Regelungseinrichtung berechnet und danach als Stellgrößen realisiert werden. Mit dem Anstieg der Regelfrequenz steigt die Dynamik der Regelung.Basically, to achieve a high (regulatory) dynamic striving for a high switching frequency, on the other hand increases with the Switching frequency also the power loss in the inverter. An important The variable in this context is also the control frequency, that is Number of manipulated values (in a reference period), for each output of the Control device calculated and then implemented as manipulated variables will. As the control frequency increases, the dynamics of the Regulation.
Bei den erfindungsgemäßen Verfahren wird eine hohe Regelfrequenz bei gleichzeitig niedriger Schaltfrequenz erreicht, und zwar ist die Regelfrequenz doppelt so hoch wie die Schaltfrequenz.In the methods according to the invention, a high control frequency is used reached at the same time lower switching frequency, namely Control frequency twice the switching frequency.
Nach dem Anspruch 1 wird sowohl nach jedem Abtastzeitpunkt als auch zu einem Zeitpunkt in der (zeitlichen) Mitte zwischen zwei unmittelbar aufeinander folgenden Abtastzeitpunkten, jeweils ein Stellwert berechnet. Zwischen den zwei unmittelbar aufeinander folgenden Abtastzeitpunkten wird aber nur ein einziger PWM-Puls erzeugt.According to claim 1, both after each sampling time and a point in time in the (temporal) middle between two immediately successive sampling times, one manipulated value each is calculated. Between the two immediately consecutive sampling times but only a single PWM pulse is generated.
Der Zeitpunkt für den Beginn dieses PWM-Pulses hängt ab von dem unmittelbar nach dem ersten Abtastzeitpunkt berechneten Stellwert, der Zeitpunkt für sein Ende richtet sich nach dem als nächstes berechneten Stellwert.The time for the beginning of this PWM pulse depends on that immediately after the first sampling time, the manipulated value, the The time for its end depends on the next calculated one Manipulated variable.
Mit einem einzigen PWM-Puls werden folglich bei der erfindungsgemäßen Regelung zwei Stellwerte berücksichtigt.With a single PWM pulse are consequently in the invention Regulation takes two control values into account.
Das Verfahren läßt sich bei einem Wechselrichter verwenden, der in einer Anlage für eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) arbeitet. The method can be used with an inverter that is in a System for an uninterruptible power supply (UPS) works.
Bei einer derartigen Anlage werden - im störungsfreien Betrieb - aufladbare Batterien (Akkumulatoren) über einen Gleichrichter vom Netz mit einem Ladeerhaltungsstrom versorgt. Die Batterien speisen gleichzeitig einen Wechselrichter, der eine Wechselstromversorgung der an die Anlage angeschlossenen Verbraucher übernimmt.In such a system - in trouble-free operation - rechargeable batteries (accumulators) via a rectifier from the mains supplied with a trickle charge current. The batteries feed at the same time an inverter that provides an AC power supply to the system connected consumer takes over.
Bei einem Ausfall des Netzes bezieht der Wechselrichter seine Energie ausschließlich aus den Batterien, und es kann somit - trotz des Netzausfalls - für einen bestimmten Zeitraum die Versorgung der Verbraucher sichergestellt werden.If the grid fails, the inverter draws its energy exclusively from the batteries, and it can - despite the Power failure - the supply of the for a certain period Consumers are ensured.
Es hat sich gezeigt, daß die Regelung besonders stabil arbeitet, wenn in den als nächstes zu realisierenden Stellwert auch die zuletzt (im vorherigen Regelungsintervall) verwirklichte Stellgröße, gewichtet mit einem Faktor, einfließt, wie es im Anspruch 2 definiert ist.It has been shown that the control works particularly stable when in the control value to be realized next also the last one (in the previous Control interval) realized manipulated variable, weighted by a factor, flows as defined in claim 2.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen gekennzeichnet.Further preferred embodiments of the invention are in the rest Subclaims marked.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von fünf Zeichnungen, aus denen sich weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben, näher beschrieben.The following is an embodiment of the invention based on five Drawings showing further details and advantages described in more detail.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 ein Schaltbild eines Wechselrichters für ein Drehstromsystem, Fig. 1 is a circuit diagram of an inverter for a three-phase system,
Fig. 2 den Verlauf von Strom und Spannung an einer primärseitigen Teilwicklung des Drehstromtransformators, Fig. 2 shows the course of current and voltage at a primary side coil of the three-phase transformer,
Fig. 3 Abtastwerte des Stromes durch eine primärseitige Teilwicklung, wenn stets zu Beginn einer Pulsperiode abgetastet wird, Fig. 3 samples of the current through a primary-side winding part, when it is always sampled at the beginning of a pulse period,
Fig. 4 Abtastwerte des Stromes durch eine primärseitige Teilwicklung, wenn stets zu Beginn und in der Mitte einer Pulsperiode abgetastet wird, und Fig. 4 samples of the current through a primary-side winding when it is always sampled at the beginning and in the middle of a pulse period, and
Fig. 5 in Form von PWM-Pulsen realisierte Stellwerte. Fig. 5 realized in the form of PWM pulses output values.
Fig. 1 zeigt einen Wechselrichter 1 zur Speisung dreier Phasen u, v und w eines Drehstromsystems mit einem Mittelpunktleiter 2. Zwischen jeder Phase u, v und w des Drehstromsystems und dem Mittelpunktieiter 2 liegt jeweils ein nichtlinearer Verbraucher NL_u, NL_v und NL_w. Fig. 1 shows an inverter 1 for supplying three phases u, v and w of a three-phase system with a center conductor 2. U between each phase, v and w of the three-phase system and the Mittelpunktieiter 2 is in each case a non-linear loads NL_u, NL_v and NL_w.
Mittels einer digitalen Regeleinrichtung 3 und einer damit verbundenen Pulsweitenmodulationseinrichtung PWM werden die Leiterspannungen (zwischen den Phasen u, v und w), die auch "verkettete Spannungen" genannt werden, am Ausgang 4 des Wechselrichters 1 bezüglich ihrer Amplitude und ihres Klirrfaktors (< 5%) geregelt. Die Regeleinrichtung 3 und die Pulsweitenmodulationseinrichtung PWM brauchen bei einer Realisierung der Schaltungsanordnung nicht räumlich getrennt als eigene Geräte gefertigt zu sein; vielmehr bilden sie zusammen einen digitalen Regler.By means of a digital control device 3 and a pulse width modulation device PWM connected to it, the conductor voltages (between the phases u, v and w), which are also called “linked voltages”, are output at the output 4 of the inverter 1 with respect to their amplitude and their harmonic distortion (<5% ) regulated. The control device 3 and the pulse width modulation device PWM need not be manufactured spatially separated as separate devices when implementing the circuit arrangement; rather, together they form a digital controller.
Der Wechselrichter 1 wird gespeist von einer (nicht dargestellten) Gleichspannungsquelle, bei der es sich beispielsweise um eine Reihenschaltung von Akkumulatorenbatterien handeln kann. Parallel zu der Gleichspannungsquelle liegt ein Kondensator Cz, an dem die Gleichspannung ud liegt. In an sich bekannter Weise sind an den Pluspol und an den Minuspol der Gleichspannungsquelle jeweils drei Transistoren als Wechselrichterventile geschaltet.The inverter 1 is fed by a DC voltage source (not shown), which can be, for example, a series connection of accumulator batteries. In parallel with the DC voltage source is a capacitor C z , on which the DC voltage u d is connected. In a manner known per se, three transistors are connected to the positive pole and to the negative pole of the direct voltage source as inverter valves.
Bei den Transistoren handelt es sich um npn-Transistoren, von denen drei mit ihrem Kollektoranschluß mit dem Pluspol und drei mit ihrem Emitteranschluß mit dem Minuspol verbunden sind. Die nicht mit einem Pol der Gleichspannungsquelle verbundenen Emitter- bzw. Kollektoranschlüsse sind an drei Zuleitungen u′, v′ und w′ für eine Primärwicklung 5 eines Drehstromtransformators TR gelegt, und zwar in der Weise, daß jede Zuleitung u′, v′ und w′ mit dem Emitteranschluß eines Transistors und mit dem Kollektoranschluß eines ihm zugeordneten weiteren Transistors verbunden ist.The transistors are npn transistors, three of which are connected to the positive pole with their collector connection and three to the negative pole with their emitter connection. The not connected to one pole of the DC voltage source emitter or collector connections are connected to three leads u ', v' and w 'for a primary winding 5 of a three-phase transformer TR, in such a way that each lead u', v 'and w 'Is connected to the emitter terminal of a transistor and to the collector terminal of a further transistor assigned to it.
Die auf diese Weise einer bestimmten Zuleitung u′, v′ oder w′ zugeordneten Transistoren bilden ein Paar von Transistoren. Damit kann jede Zuleitung u′, v′ und w′ einzeln über den einen Transistor (eines Paares) mit dem Pluspol verbunden werden und über den anderen Transistor des Paares mit dem Minuspol. Die Basisanschlüsse eines jeden Paares zugeordneter Transistoren sind jeweils an einen gemeinsamen Ausgang der Pulsweitenmodulationseinrichtung PWM geführt, wobei allerdings zwischen den Basisanschlüssen der mit dem Minuspol verbundenen Transistoren und den drei Ausgängen der Pulsweitenmodulationseinrichtung PWM jeweils ein Inverter 6 geschaltet ist. The transistors assigned in this way to a specific supply line u ', v' or w 'form a pair of transistors. So each lead u ', v' and w 'can be connected individually via the one transistor (of a pair) to the positive pole and via the other transistor of the pair to the negative pole. The base connections of each pair of transistors assigned are each connected to a common output of the pulse width modulation device PWM, but an inverter 6 is connected between the base connections of the transistors connected to the negative pole and the three outputs of the pulse width modulation device PWM.
Der Drehstromtransformator TR weist primärseitig eine Dreieckswicklung 5 und sekundärseitig eine Zickzackwicklung 7 auf. Die Zuleitungen u′, v′ und w′ für die Primärwicklung sind jeweils zwischen zwei Teilwicklungen der Dreieckswicklung 5 geführt.The three-phase transformer TR has a triangular winding 5 on the primary side and a zigzag winding 7 on the secondary side. The leads u ', v' and w 'for the primary winding are each guided between two partial windings of the triangular winding 5 .
Die Zickzackwicklung 7 umfaßt insgesamt fünf Teilwicklungen, von denen drei - bzgl. der magnetischen Kopplung - jeweils einer Teilwicklung der Primärwicklung 5 zugeordnet und dabei an ihrer der Primärwicklung 5 abgewandten Seite unmittelbar miteinander und zusätzlich mit dem Mittelpunktleiter 2 verbunden sind. Für die Phasen v und w am Ausgang des Wechselrichters 1 ist jeweils eine weitere Teilwicklung (als zweite Teilwicklung der zugehörigen Phase) vorhanden. Von diesen beiden Teilwicklungen ist die der Phase v zugeordnete Teilwicklung einerseits mit dem der Primärwicklung zugewandten Ende der ersten Teilwicklung der Phase w verbunden und mit ihrem anderen Ende unmittelbar mit der Phase v am Ausgang 4 des Wechselrichters 1.The zigzag winding 7 includes a total of five partial windings, three of which - with respect to the magnetic coupling -. Each associated with a part winding of the primary winding 5, while 5 side facing away from and in addition are connected to the center conductor 2 at its primary winding with each other directly. For phases v and w at the output of inverter 1 there is a further partial winding (as a second partial winding of the associated phase). Of these two partial windings, the partial winding assigned to phase v is connected on the one hand to the end of the first partial winding of phase w facing the primary winding and at the other end directly to phase v at output 4 of inverter 1 .
In ähnlicher Weise ist die zweite Teilwicklung der Phase w mit ihrem einen Ende an dem der Primärwicklung 5 zugewandten Ende der Teilwicklung der Phase u angeschlossen und mit ihrem anderen Ende am die Phase w bildenden Ausgang 4 des Wechselrichters 1.Similarly, the second partial winding of phase w has one end connected to the end of the partial winding of phase u facing primary winding 5 and the other end to output 4 of inverter 1 forming phase w.
Die erste Teilwicklung der Phase v ist mit ihrem der Primärwicklung zugewandten Ende mit dem entsprechenden Ende der ersten Tellwicklung der Phase w verbunden und bildet zusätzlich die Phase u am Ausgang des Wechselrichters 1.The first partial winding of phase v is connected with its end facing the primary winding to the corresponding end of the first plate winding of phase w and additionally forms phase u at the output of inverter 1 .
Zwischen den drei Leitungen der Phasen u, v und w am Ausgang 4 ist im Wechselrichter 1 jeweils ein Kondensator C geschaltet. Aus der Zickzackwicklung 7 des Drehstromtransformators TR ist der Mittelpunktleiter 2 herausgeführt. Die nichtlinearen Verbraucher NL_u, NL_v und NL_w sind zwischen eine Phase u, v bzw. w am Ausgang 4 einerseits und den Mittelpunktleiter 2 andererseits geschaltet.A capacitor C is connected in the inverter 1 between the three lines of the phases u, v and w at the output 4 . The center conductor 2 is led out of the zigzag winding 7 of the three-phase transformer TR. The non-linear consumers NL_u, NL_v and NL_w are connected between a phase u, v and w at the output 4 on the one hand and the center conductor 2 on the other.
Die durch die drei Teilwicklungen in die Primärwicklung 5 des Drehstromtransformators TR fließenden Ströme i_uv, i_vw und i_wu werden mittels dreier Stromwandler von der Regeleinrichtung 3 zu festen Abtastzeitpunkten digital erfaßt. The currents i_uv, i_vw and i_wu flowing through the three partial windings into the primary winding 5 of the three-phase transformer TR are detected digitally by means of three current transformers by the control device 3 at fixed sampling times.
Zusätzlich nimmt die Regeleinrichtung 3 - ebenfalls zu den Abtastzeitpunkten - die drei Spannungen u_u, u_v und u_w (jeweils zwischen den Phasen u, v und w und dem Mittelpunktleiter 2) am Ausgang Drehstromtransformators TR auf. Schließlich erfaßt die Regeleinrichtung 3 - mittels Stromwandlern - die durch die Phasen u, v und w in die Verbraucher NL_u, NL_v und NL_w fließenden Ströme iz_u, iz_v, iz_w.In addition, the control device 3 - also at the sampling times - receives the three voltages u_u, u_v and u_w (in each case between the phases u, v and w and the center conductor 2 ) at the output of the three-phase transformer TR. Finally, the control device 3 detects - by means of current transformers - the currents iz_u, iz_v, iz_w flowing through the phases u, v and w into the consumers NL_u, NL_v and NL_w.
Unter Berücksichtigung der auf diese Weise erfaßten Strom- und Spannungswerte errechnet ein in der Regeleinrichtung 3 gespeicherter Regelalgorithmus Stellwerte, die als PWM-Impulse (der Pulsweitenmodulationseinrichtung PWM) an die Zuleitungen u′, v′ und w′ (und damit an die drei Teilwicklungen der Primärwicklung 5) gelegt werden.Taking into account the current and voltage values recorded in this way, a control algorithm stored in the control device 3 calculates control values which are sent as PWM pulses (the pulse width modulation device PWM) to the leads u ', v' and w '(and thus to the three partial windings of the Primary winding 5 ).
Fig. 2 zeigt den Verlauf der zwischen den Zuleitungen u′ und v′ des Dreiphasentransformators TR (nach Fig. 1) anliegenden Spannung u_uv, und zwar zwischen zwei unmittelbar benachbarten Abtastzeitpunkten tA1 und tA2. Bei der Spannung u_uv handelt es sich stets um einen PWM-Puls, der allerdings nicht - wie beispielhaft in Fig. 2 dargestellt - genau in der Mitte zwischen den Abtastzeltpunkten tA1 und tA2 liegen muß; nähere Einzelheiten dazu finden sich weiter unten. Fig. 2 shows the profile of the voltage u_uv present between the leads u 'and v' of the three-phase transformer TR (according to FIG. 1), namely between two immediately adjacent sampling times t A1 and t A2 . The voltage u_uv is always a PWM pulse which, however, does not have to lie exactly in the middle between the sampling tent points t A1 and t A2 , as is shown by way of example in FIG. 2; further details can be found below.
Für die Spannungen u_vw und u_wu würden sich ebenfalls derartige Gleichspannungsimpulse ergeben, die allerdings (wegen der Phasenverschiebung in einem Drehstromsystem) zu anderen Zeitpunkten auftreten würden.Such would also apply to the voltages u_vw and u_wu DC pulses result, which however (because of the Phase shift in a three-phase system) at other times would occur.
Diese zuvor erwähnten Spannungen sind Leiterspannungen zwischen den (sich aus den Indices ergebenden) Phasen u, v und w am Ausgang des Wechselrichters 1; sie lassen sich aus den Spannungen u_u, u_v und u_w an den nichtlinearen Verbrauchern NL_v, NL_u und NL_w berechnen:These previously mentioned voltages are conductor voltages between the phases u, v and w (resulting from the indices) at the output of the inverter 1 ; they can be calculated from the voltages u_u, u_v and u_w at the non-linear consumers NL_v, NL_u and NL_w:
u_uv = u_u - u_v
u_vw = u_v - u_w
u_wu = u_w - u_u.u_uv = u_u - u_v
u_vw = u_v - u_w
u_wu = u_w - u_u.
Die PWM-Puls ergeben sich aus einer Pulsweitenmodulation. Die Pulsweitenmodulationseinrichtung PWM (nach Fig. 1) steuert in an sich bekannter Weise die Wechselrichterventile derart an, daß am Ausgang 4 des Wechselrichters 1 ein Drehstromsystem entsteht. The PWM pulse results from pulse width modulation. The pulse width modulation device PWM (according to FIG. 1) controls the inverter valves in a manner known per se in such a way that a three-phase system is produced at the output 4 of the inverter 1 .
Die Höhe des PWM-Pulses ist gleich der Größe der speisenden Gleichspannung (bei Vernachlässigung der Spannungen in den Verbindungsleitungen und Wechselrichterventilen).The level of the PWM pulse is equal to the size of the feeding DC voltage (if the voltages in the Connecting lines and inverter valves).
Die Dauer zwischen zwei benachbarten Abtastzeitpunkten tA1 und tA2 wird nachfolgend Pulszeit TP genannt. Der PWM-Puls nach Fig. 2 hat maximal eine Breite, die der Pulszeit TP entspricht.The duration between two adjacent sampling times t A1 and t A2 is called pulse time T P below. The PWM pulse according to FIG. 2 has a maximum width that corresponds to the pulse time T P.
Der (digitale) Stellwert y_mn (mit mn ε {uv, vw, wu}), der von der Regeleinrichtung 3 aufgrund eines vorgegebenen Regelalgorithmusses ermittelt wird, ist proportional zu einem Mittelwert der Spannung, der in einer halben Pulszeit TP (also in einer Zeit TP/2) realisiert werden soll. Da die Höhe des PWM-Pulses (Spannung u_uv) nach Fig. 2 durch die Gleichspannung ud (nach Fig. 1) vorgegeben ist, läßt sich der Mittelwert nur durch Wahl der richtigen Dauer des PWM-Pulses einstellen.The (digital) manipulated variable y_mn (with mn ε {uv, vw, wu}), which is determined by the control device 3 on the basis of a predetermined control algorithm, is proportional to an average value of the voltage, which in half a pulse time T P (i.e. in a Time T P / 2) to be realized. Since the level of the PWM pulse (voltage u_uv) according to FIG. 2 is predetermined by the direct voltage u d (according to FIG. 1), the mean value can only be set by choosing the correct duration of the PWM pulse.
Um die Schaltfrequenz der Wechselrichterventile gering zu halten, werden zwei unmittelbar hintereinander von der Regeleinrichtung 3 abgegebenen Stellwerte y_mn(k) und y_mn(k+1) mn ε {uv, vw, wu}) stets über einen einzigen PWM-Puls realisiert.In order to keep the switching frequency of the inverter valves low, two manipulated values y_mn (k) and y_mn (k + 1) mn ε {uv, vw, wu}), which are output in succession by the control device 3 , are always implemented via a single PWM pulse.
Der PWM-Puls wird stets zwischen zwei unmittelbar aufeinander folgenden Abtastzeitpunkten tA1 und tA2 ausgeben. Die Abtastung der Strom- und Spannungswerte, die programmgesteuert von der Regeleinrichtung 3 durchgeführt wird (vgl. Fig. 1), erfolgt also stets zu Beginn einer Pulsperiode TP, im "Nullvektor".The PWM pulse is always output between two immediately consecutive sampling times t A1 and t A2 . The sampling of the current and voltage values, which is carried out program-controlled by the control device 3 (cf. FIG. 1), always takes place at the beginning of a pulse period T P , in the "zero vector".
Über dem PWM-Puls ist in der Fig. 2 der Verlauf des Stromes i_uv (als ansteigende Gerade) durch die Teilwicklung des Drehstromtransformators TR, an die die Spannung u_uv angelegt ist, dargestellt (ein entsprechender Stromverlauf ergibt sich - zeitversetzt - für die Ströme i_vw und i_wu).The course of the current i_uv (as a rising straight line) through the partial winding of the three-phase transformer TR, to which the voltage u_uv is applied, is shown above the PWM pulse in FIG. 2 (a corresponding current course results - staggered in time - for the currents i_vw and i_wu).
Fig. 3 zeigt den Verlauf des Stromes i_uv für den Fall, daß er stets nur zu Beginn einer Pulsperiode TP erfaßt und mittels einer Sample-and-hold-Schaltung eine Treppenfunktion des Stromes i_uv erzeugt wird. Diese Treppenfunktion, die einem sinusförmigen Verlauf angenähert ist, würde von der Regeleinrichtung 3 bei der Berechnung der (nacheinander auszugebenden) Steilwerte y_mn(k) und y_mn(k+1) (mit mn ε {uv, vw, wu}) als Verlauf des Stromes i_mn (mit mn ε {uv, vw wu}) angesehen, wenn nicht - wie es die erfindungsgemäße Lösung vorsieht - ein zusätzlicher Stromwert für die Mitte einer jeden Pulsperiode TP eigens berechnet würde. FIG. 3 shows the course of the current i_uv in the event that it always only detects at the beginning of a pulse period T P and a staircase function of the current i_uv is generated by means of a sample-and-hold circuit. This staircase function, which approximates a sinusoidal curve, would be used by the control device 3 when calculating the steep values y_mn (k) and y_mn (k + 1) (to be output in succession) (with mn ε {uv, vw, wu}) as the curve of Current i_mn (with mn ε {uv, vw wu}) viewed if - as the solution according to the invention provides - an additional current value for the middle of each pulse period T P would not be calculated specifically.
Wenn nicht nur am Beginn, sondern auch in der Mitte einer jeden Pulsperiode TP ein Wert für den Strom i_uv abgetastet würde, ergäbe sich für die Regeleinrichtung 3 ein Stromverlauf, wie er durch die Zickzacklinie in Fig. 4 angedeutet ist. Die durch Abtastung ermittelten Werte sind durch Punkte gekennzeichnet. Die Punkte liegen oberhalb und unterhalb einer Sinuskurve, es tritt also eine erhebliche Stromwelligkeit auf. Dadurch wird der Stabilitätsbereich einer mit derartigen Abtastwerten versorgten Regelung erheblich eingeschränkt. Besonders bei Wechselrichtern 1 in ein Anlagen für eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV), welche auch nichtlineare Lasten beherrschen sollen, muß die Regelung sehr schnell reagieren. Gute Ergebnisse (Klirrfaktor < 5%) sind nur zu erzielen, wenn die Ausregelzeiten unter 0,5 ms liegen.If a value for the current i_uv were sampled not only at the beginning, but also in the middle of each pulse period T P , the control device 3 would have a current profile as indicated by the zigzag line in FIG. 4. The values determined by scanning are identified by dots. The points lie above and below a sine curve, so there is a considerable current ripple. This considerably limits the stability range of a control system supplied with such samples. Especially in the case of inverters 1 in a system for an uninterruptible power supply (UPS), which should also be able to handle non-linear loads, the control must react very quickly. Good results (harmonic distortion <5%) can only be achieved if the settling times are less than 0.5 ms.
Fig. 5 zeigt mehrere PWM-Pulse der Spannung u_uv auf einer Zeitachse t. Es ist ferner das "Zeitraster" angedeutet, in dem die digitale Regelung arbeitet, dazu sind Zeitpunkte k, k+1, k+2 . . . auf der Zeitachse t angegeben, an denen der Regelalgorithmus unter Einbeziehung eines neuen Stromwertes für den Strom i_uv mit der Berechnung der nächsten Stellgröße y_uv beginnt. Der Abstand zwischen zwei unmittelbar benachbarten Zeitpunkten k und k+1 entspricht einem Regelungsintervall und ist gleich dem Kehrwert der Regelfrequenz fR. Fig. 5 shows a plurality of PWM pulses of the voltage u_uv t on a time axis. The “time grid” in which the digital control works is also indicated, in addition to which are times k, k + 1, k + 2. . . indicated on the time axis t, on which the control algorithm, including a new current value for the current i_uv, begins to calculate the next manipulated variable y_uv. The distance between two immediately adjacent times k and k + 1 corresponds to a control interval and is equal to the reciprocal of the control frequency f R.
Die Zeitpunkte k, k+2, k+4 und k+2n sind Abtastzeitpunkte (in Fig. 2 mit TA1 und TA2 bezeichnet), an denen die Regeleinrichtung 3 programmgesteuert Strom- und Spannungswerte, die für die Regelung benötigt werden, abtastet. Diese Abtastzeitpunkte k, k+2, k+4 und k+2n markieren stets den Beginn einer Pulsperiode TP, innerhalb derer zwei unmittelbar hintereinanderliegende Stellwerte y_uv(k) und y_uv(k+1) mittels eines einzigen PWM-Pulses realisiert werden.The times k, k + 2, k + 4 and k + 2n are sampling times (designated T A1 and T A2 in FIG. 2) at which the control device 3 samples current and voltage values, which are required for the control, under program control . These sampling times k, k + 2, k + 4 and k + 2n always mark the beginning of a pulse period T P , within which two control values y_uv (k) and y_uv (k + 1), which are located immediately one behind the other, are realized by means of a single PWM pulse.
Wenn beispielsweise eine Stellgröße y_uv(k) von der Regeleinrichtung 3 ermittelt worden ist, die in dem Regelintervall direkt nach dem Zeitpunkt k realisiert werden soll (also zwischen dem Zeitpunkt k und dem Zeitpunkt k+1), dann wird mittels der Pulsweitenmodulation ermittelt, welche Breite (d. h. Zeitdauer) der PWM-Puls an den jeweiligen Zuleitungen u′ und v′ haben muß, um einen der Stellgröße y_uv(k) entsprechenden Mittelwert der Spannung (in dem Regelintervall) zu erzeugen.If, for example, a control variable y_uv (k) has been determined by the control device 3 and is to be implemented in the control interval directly after the time k (that is, between the time k and the time k + 1), then the pulse width modulation is used to determine which Width (ie duration) of the PWM pulse on the respective supply lines u 'and v' must have in order to generate an average value of the voltage (in the control interval) corresponding to the manipulated variable y_uv (k).
Ferner wird der Zeitpunkt berechnet, an dem der PWM-Puls beginnen muß; dabei muß berücksichtigt werden, daß er erst im nächsten Regelungsintervall (nach dem Zeitpunkt k+1) enden soll (nicht vorher!).Furthermore, the time at which the PWM pulse must start is calculated; it must be taken into account that it is only in the next Control interval (after the time k + 1) should end (not before!).
Die Stellgröße y_uv(k+1) für das nächste Regelungsintervall, das mit dem Zeitpunkt k+1 beginnt, wird durch eine Fortsetzung des im vorherigen Regelungsintervall begonnenen PWM-Pulses realisiert.The manipulated variable y_uv (k + 1) for the next control interval that starts with the Time k + 1 starts, is continued by the previous one Control interval started PWM pulse realized.
Diese Stellgröße y_uv(k+1) wird von der Regelungseinrichtung 3 ermittelt auf der Grundlage eines berechneten Stromwertes i_uv(k+1) (für den Strom durch eine primärseitige Teilwicklung).This manipulated variable y_uv (k + 1) is determined by the control device 3 on the basis of a calculated current value i_uv (k + 1) (for the current through a primary winding).
Es versteht sich von selbst, daß die PWM-Pulse für die Paare von Zuleitungen (v′ und w′) und (w′ und u′) in gleicher Weise wie die PWM-Pulse für die Zuleitungen u′ und w′ gebildet werden. Für die Spannungen u_vw und u_wu ergibt sich - mit einer Zeitversetzung - der gleiche Verlauf, der in der Fig. 5 dargestellt ist.It goes without saying that the PWM pulses for the pairs of leads (v 'and w') and (w 'and u') are formed in the same way as the PWM pulses for the leads u 'and w'. For the voltages u_vw and u_wu there is - with a time offset - the same curve, which is shown in FIG. 5.
Für die Berechnung der Ströme, die von der Regelungseinrichtung als Stromwerte in der (zeitlichen) Mitte zwischen zwei aufeinander folgenden Abtastzeitpunkten k und k+2 verarbeitet werden, gelten folgende Formeln:For the calculation of the currents by the control device as Current values in the (temporal) middle between two successive ones The following formulas apply: sampling times k and k + 2 are processed:
i_uv(k+1) = i_uv(k)*k1 + u_uv(k)*k2 + iz_uv(k)*k3 + y_uv(k)*k4;
i_vw(k+1) = i_vw(k)*k5 + u_vw(k)*k6 + iz_vw(k)*k7 + y_vw(k)*k8 und
1_wu(k+1) = i_wu(k)*k9 + u_wu(k)*k10 + iz_wu(k)*k11 + y_wu(k)*k12,i_uv (k + 1) = i_uv (k) * k1 + u_uv (k) * k2 + iz_uv (k) * k3 + y_uv (k) * k4;
i_vw (k + 1) = i_vw (k) * k5 + u_vw (k) * k6 + iz_vw (k) * k7 + y_vw (k) * k8 and
1_wu (k + 1) = i_wu (k) * k9 + u_wu (k) * k10 + iz_wu (k) * k11 + y_wu (k) * k12,
wobei gilt:where:
u_uv(k) = u_u(k) - u_v(k),
u_vw(k) = u_v(k) - u_w(k),
u_wu(k) = u_w(k) - u_u(k),u_uv (k) = u_u (k) - u_v (k),
u_vw (k) = u_v (k) - u_w (k),
u_wu (k) = u_w (k) - u_u (k),
iz_uv(k) = iz_u(k) - iz_v(k),
iz_vw(k) = iz_v(k) - iz_w(k) und,
iz_wu(k) = iz_w(k) - iz_u(k).iz_uv (k) = iz_u (k) - iz_v (k),
iz_vw (k) = iz_v (k) - iz_w (k) and,
iz_wu (k) = iz_w (k) - iz_u (k).
Dabei sind
i_uv(k), i_vw (k), i_wu(k) der zum vorigen (Abtast-)Zeitpunkt k
abgetastete Wert des Stromes durch die
primärseitige Teilwicklung (zwischen den
Zuleitungen u′ und v, v′ und w′ bzw.
wund u′ nach Fig. 1),
u_u(k), u_v(k), u_w(k) der zum vorigen (Abtast-)Zeitpunkt k
abgetastete Wert der Spannung zwischen
der Phase u, v bzw. w und dem
Mittelpunktleiter 2 (nach Fig. 1),
y_uv(k), y_vw(k), y_wu(k) der zwischen dem Zeitpunkt k und dem
Zeitpunkt k+1 zwischen den Zuleitungen
u′ und v′, v′ und w′ bzw. w′ und u′
realisierte Stellwert
iz_u(k), iz_v(k), iz_w(k) der in der Phase u, w bzw. w (zu den
angeschlossenen Verbrauchern) fließende
Strom zum Zeitpunkt k
k1, k2 . . . k12 systemabhängige Faktoren. Diese Faktoren
lassen sich als Kenngrößen eines Modells
auffassen, mit Hilfe dessen der Strom
i_uv, i_vw bzw. i_wu ermittelt werden
kann.Are there
i_uv (k), i_vw (k), i_wu (k) the value of the current sampled at the previous (sampling) time k through the primary winding (between the leads u ′ and v, v ′ and w ′ or sore u ′ according to Fig. 1),
u_u (k), u_v (k), u_w (k) the value of the voltage sampled at the previous (sampling) time k between the phase u, v or w and the center conductor 2 (according to FIG. 1),
y_uv (k), y_vw (k), y_wu (k) the manipulated value realized between the time k and the time k + 1 between the supply lines u ′ and v ′, v ′ and w ′ or w ′ and u ′
iz_u (k), iz_v (k), iz_w (k) the current flowing in phase u, w or w (to the connected consumers) at time k
k1, k2. . . k12 system dependent factors. These factors can be understood as parameters of a model, with the aid of which the current i_uv, i_vw or i_wu can be determined.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn der Pulsweitenmodulationseinrichtung PWM von dem Reglerprogramm nicht der gerade berechnete Stellwert, nachfolgend y_uv_regler(k+1), y_vw_regler(k+1) und y_wu_regler(k+1) genannt, der in der zweiten Hälfte des Abtastintervalls realisiert werden soll, für die Bildung des PWM-Pulses umgesetzt wird, sondern der arithmetische Mittelwert aus der gerade berechneten Stellgröße y_uv_regler(k+1) und der im vorangegangen Regelintervall realisierten Stellgröße y_uv(k).It has proven to be particularly advantageous if the Pulse width modulation device PWM from the controller program not the just calculated control value, hereinafter y_uv_controller (k + 1), called y_vw_rechner (k + 1) and y_wu_rechner (k + 1), which in the second half of the sampling interval is to be realized for the formation of the PWM pulse is implemented, but the arithmetic mean from the straight calculated manipulated variable y_uv_rechner (k + 1) and the previous one Control interval realized manipulated variable y_uv (k).
y_uv(k+1) = y_uv(k)*a + y_uv_regler(k+1)*b
y_vw(k+1) = y_vw(k)*a + y_vw_regler(k+1)*b
y_wu(k+1) = y_wu(k)*a + y_wu_regler(k+1)*by_uv (k + 1) = y_uv (k) * a + y_uv_controller (k + 1) * b
y_vw (k + 1) = y_vw (k) * a + y_vw_controller (k + 1) * b
y_wu (k + 1) = y_wu (k) * a + y_wu_controller (k + 1) * b
Die Faktoren a und b brauchen nicht unbedingt genau einen Wert von 0,5 annehmen, Werte von 0,3 bis 0,7 sind ebenfalls möglich.The factors a and b do not necessarily need a value of 0.5 Assume values from 0.3 to 0.7 are also possible.
Claims (6)
- - i_uv(k+1) = i_uv(k)*k1 + u_uv(k)*k2 + iz_uv(k)*k3 + y_uv(k)*k4;
- - i_vw(k+1) = i_vw(k)*k5 + u_vw(k)*k6 + iz_vw(k)*k7 + y_vw(k)*k8 und
- - i_wu(k+1) = i_wu(k)*k9 + u_wu(k)*k10 + iz_wu(k)*k11 + y_wu(k)*k12,
- - i_uv (k + 1) = i_uv (k) * k1 + u_uv (k) * k2 + iz_uv (k) * k3 + y_uv (k) * k4;
- - i_vw (k + 1) = i_vw (k) * k5 + u_vw (k) * k6 + iz_vw (k) * k7 + y_vw (k) * k8 and
- - i_wu (k + 1) = i_wu (k) * k9 + u_wu (k) * k10 + iz_wu (k) * k11 + y_wu (k) * k12,
u_uv(k) = u_u(k) - u_v(k),
u_vw(k) = u_v(k) - u_w(k),
u_wu(k) = u_w(k) - u_u(k),
iz_uv(k) = iz_u(k) - iz_v(k),
iz_vw(k) = iz_v(k) - iz_w(k),
iz_wu(k) = iz_w(k) - iz_u(k), und
y_uv(k), y_vw(k), y_wu(k): berechnete Stellwerte zum Zeitpunkt (tA1; k),
daß, für jede primärseitige Teilwicklung getrennt, zu jedem abgetasteten und zu jedem berechneten Stromwert (i_uv, i_vw, i_wu) mittels des Programms der Regelungseinrichtung (3) jeweils ein Stellwert (y_uv, y_vw, y_wu) berechnet wird, daß zwei zwischen zwei unmittelbar aufeinander folgenden Abtastzeitpunkten (tA1 und tA2; k und k+2) berechnete Stellwerte (y_uv(k) und y_uv(k+1), y(_vw(k) und y_vw(k+1), y_wu(k) und y_wu(k+1)) mittels eines einzigen, durch eine Pulsweitenmodulation gebildeten, an zwei zugehörigen Zuleitungen (u′ und v′, u′ und w′, w′ und u′) des Drehstromtransformators (TR) liegenden PWM-Pulses realisiert werden. where:
u_uv (k) = u_u (k) - u_v (k),
u_vw (k) = u_v (k) - u_w (k),
u_wu (k) = u_w (k) - u_u (k),
iz_uv (k) = iz_u (k) - iz_v (k),
iz_vw (k) = iz_v (k) - iz_w (k),
iz_wu (k) = iz_w (k) - iz_u (k), and
y_uv (k), y_vw (k), y_wu (k): calculated manipulated values at time (t A1 ; k),
that, separately for each primary-side winding, for each sampled and for each calculated current value (i_uv, i_vw, i_wu) using the program of the control device ( 3 ), a manipulated value (y_uv, y_vw, y_wu) is calculated, that two between two directly on top of each other following sampling times (t A1 and t A2 ; k and k + 2) calculated manipulated values (y_uv (k) and y_uv (k + 1), y (_vw (k) and y_vw (k + 1), y_wu (k) and y_wu (k + 1)) by means of a single PWM pulse formed by a pulse width modulation and connected to two associated leads (u 'and v', u 'and w', w 'and u') of the three-phase transformer (TR).
- - y_uv(k+1) = y_uv(k)*a + y_uv_regler(k+1)*b,
- - y_vw(k+1) = y_vw(k)*a + y_vw_regler(k+1)*b,
- - y_wu(k+1) = y_wu(k)*a + y_vw_regler(k+1)*b,
- - y_uv (k + 1) = y_uv (k) * a + y_uv_controller (k + 1) * b,
- - y_vw (k + 1) = y_vw (k) * a + y_vw_ Governor (k + 1) * b,
- - y_wu (k + 1) = y_wu (k) * a + y_vw_rechner (k + 1) * b,
0,3 a, b 0,7.where:
0.3 a, b 0.7.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE1995148254 DE19548254C1 (en) | 1995-12-22 | 1995-12-22 | Digital control of inverter output voltage e.g. for guaranteed current supply for consumer load with battery back=up |
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| DE (1) | DE19548254C1 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0208088A1 (en) * | 1985-05-13 | 1987-01-14 | Siemens Aktiengesellschaft | Device for producing a three-phase voltage system with a neutral cable to be loaded |
| EP0351783A2 (en) * | 1988-07-19 | 1990-01-24 | Hitachi, Ltd. | PWM inverter apparatus |
| DE4330944A1 (en) * | 1993-09-08 | 1995-03-09 | Aeg Westinghouse Transport | Method for predictive current limiting in a solid-state railway current converter |
-
1995
- 1995-12-22 DE DE1995148254 patent/DE19548254C1/en not_active Expired - Fee Related
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