DE19701191A1 - Verfahren und System zur Spannungsumsetzung - Google Patents

Description

In Anlagen wie Stahlverarbeitungslinien werden unter Umstän­ den mehrere Spannungsumsetzer gleichzeitig verwendet. In derartigen Fällen wird eine Wechselspannung (Netzspannung) durch jeweilige (Wechselspannungs/Gleichspannungs-) Umsetzer (nachfolgend als Umsetzer bezeichnet) in eine Gleichspannung umgesetzt, und die Lastseite des Umsetzers wird unter Ver­ wendung der Gleichspannung betrieben. Jeder Umsetzer wird abhängig gesteuert, mit einer Steuerung einer Gleichspan­ nungseinheit und einer Steuerung des Eingangsstroms. Wenn ein Umsetzer durch PWM (Impulsbreitenmodulation)-Steuerung angesteuert wird, fließen Oberwellen zum Netz. Als bekannte Techniken zum Unterdrücken von Oberwellen werden die folgen­ den genannt:

• (1) Eine mit der Umsetzerspannung synchronisierte PWM-Steue­ rung wird unter Verwendung einer Dreieckssignal-Trägerwelle ausgeführt, die mit der Eingangsspannung des Umsetzers (Ein­ gangsspannungs-Sollwert für den Umsetzer) synchronisiert ist, um die jeweiligen Umsetzer so zu steuern, daß Oberwel­ len verringert sind.
• (2) Eine mit der Quellenspannung synchronisierte PWM-Steue­ rung wird unter Verwendung einer Dreieckssignal-Trägerwelle ausgeführt, die mit der Spannungsquelle synchronisiert ist, um die jeweiligen Umsetzer anzusteuern und die Phasen der jeweiligen Dreieckssignal-Trägerwellen so zu ändern, daß die Oberwellen verringert sind.
• (3) Es wird ein Oberwellenfilter hinzugefügt, um Oberwellen zu verringern.

Eine mit dem Umsetzer synchronisierte PWM-Steuerung ist ein PWM-System, das dazu geeignet ist, Oberwellen in einem Span­ nungsumsetzer mit niedriger Trägerfrequenz zu unterdrücken. Da die Dreieckssignal-Trägerwelle, einschließlich der Phase derselben, mit einem Eingangsspannungs-Sollwert für den Um­ setzer synchronisiert wird, kann der Faktor, gemäß dem Ober­ wellen erzeugt werden, auf einem im wesentlichen konstanten niedrigen Niveau gehalten werden. Jedoch treten in tatsäch­ lichen Fällen die folgenden Probleme auf.

Um mit der Umsetzerspannung synchronisierte PWM-Steuerung zu erzielen, sind Schaltungen wie eine PLL-Schaltung erforder­ lich. Ferner existiert, da sich die Eingangsspannung am Um­ setzer abhängig vom Lastzustand wesentlich ändert, eine Ver­ zögerung, bevor die PLL-Schaltung damit beginnt, die Syn­ chronisierung zu starten. Ferner ändern sich, wenn mehrere Umsetzer unabhängige Lasten aufweisen, die Phasen der Ober­ wellen (die Phasen zur Netzspannung), wie sie abhängig von den Betriebszuständen der jeweiligen Umsetzer erzeugt wer­ den, so daß die Oberwellen am Empfangsende gegeneinander aufgehoben werden können oder einander überlappen können und dabei zunehmen, was abhängig von den jeweiligen Lastbedin­ gungen erfolgt, und dadurch ändern sich die Anteile der Oberwellen deutlich. So ist es schwierig, zu erfassen, wel­ che Oberwellen erzeugt werden, und es ist schwierig, Ober­ wellen am Empfangsende zu unterdrücken.

Spannungssynchronisierte PWM-Steuerung erzeugt ein Synchro­ nisierungssignal von der Spannungsquelle und liefert ein ge­ meinsames Synchronisierungssignal an die jeweiligen Umset­ zer, um die PWM-Steuerung auszuführen. In diesem Fall kön­ nen, da die Dreieckssignal-Trägerwelle, einschließlich der Phase, mit der Netzspannung synchronisiert ist, die Oberwel­ len am Empfangsende dadurch unterdrückt werden, daß die Phasen (zur Netzspannung hin) der jeweiligen Dreieckssignal- Trägerwellen geändert werden. Insbesondere ist es wirkungs­ voll, die Oberwellen nahe geradzahliger Oberwellen (2fc, 4fc, . . .) der Trägerfrequenz fc zu unterdrücken. Wenn sich jedoch die Phase der Eingangsspannung am Umsetzer ändert (wenn sich die Last am Umsetzer ändert), ändert sich der An­ teil der Oberwellen wesentlich (in diesem Fall ändert sich eher die Amplitude als die Phase der Oberwellen). Demgemäß ändert sich das Ausmaß der Erzeugung von Oberwellen abhängig vom Lastzustand am Umsetzer. Insbesondere ist dieser Trend bei einer Einheit großer Leistung mit niedriger Trägerfre­ quenz merklich.

Zur Quellenspannung synchronisierte PWM-Steuerung legt ein gemeinsames Synchronisierungssignal an mehrere Umsetzer und ändert die Phasen der jeweiligen Dreieckssignal-Trägerwel­ len, so daß ein Synchronisierungssignal für zusammenwirken­ den Betrieb erforderlich ist.

Wie es im Dokument JP-A-6- 351106 offenbart ist, kann, wenn mehrere Umsetzer mit einem Transformator verbunden sind, das gemeinsame Synchronisie­ rungssignal leicht erhalten werden, jedoch ist es schwierig, Zusammenwirkenden Betrieb zu erzielen, wenn mehrere Umsetzer verteilt angebracht sind, wie in einem Walzwerk.

Wenn große Spannungsfilter mit den jeweiligen Umsetzern ver­ bunden werden, bewirkt dies eine Vergrößerung der Vorrich­ tung und eine Verringerung der Ausgangsleistung. Bei einem großen Spannungsumsetzer ist es erforderlich, da die Fre­ quenz der erzeugten Oberwellen niedrig ist, einem Antireso­ nanzeffekt volle Aufmerksamkeit zu schenken, wenn ein Filter konzipiert wird, und es ist sehr schwierig, die Filterkon­ zeption selbst zu erstellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein System zur Steuerung von Spannungsumsetzern zu schaffen, die es ermöglichen, an ein Spannungsnetz gelangende Oberwel­ len zu unterdrücken, wenn mehrere Umsetzer verteilt instal­ liert sind.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß für jeden Umsetzer die Quellenspannungsphase der Netzspannung erfaßt wird, die in einem PWM-Signal enthaltenen Oberwellenkomponenten mit der erfaßten Quellenspannungsphase synchronisiert werden und dafür gesorgt wird, daß die Phasen der Oberwellenkompo­ nenten voneinander verschieden sind.

Ferner wird die obige Aufgabe dadurch gelöst, daß die Quel­ lenspannungsphase der Netzspannung für jeden Umsetzer erfaßt wird, eine Synchronisierung mit der Quellenspannungs­ phase auf Grundlage des erfaßten Werts erfolgt, Dreiecks­ signal-Trägerwellen erzeugt werden, für die verschiedene Phasen eingestellt sind, und für die Umsetzer eine PWM- Steuerung unter Verwendung der Dreieckssignal-Trägerwellen ausgeführt wird.

Auf diese Weise können die ausgegebenen Oberwellen verrin­ gert werden. Da es nicht erforderlich ist, ein Signal für zusammenwirkenden Betrieb zwischen den Umsetzern zu erzeu­ gen, und da kein Oberwellenfilter erforderlich ist, werden eine Größenverringerung der Vorrichtung und eine Leistungs­ zunahme erzielt.

Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und ein System zur Steuerung von Spannungsumsetzern zu schaffen, die es ermöglichen, Oberwellen auf ein vorbestimmtes Niveau oder darunter zu verringern.

Die vorstehende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in einer Periode von einem positiven bis zu einem negativen Spitzen­ wert sowie in einer Periode von einem negativen bis zu einem positiven Spitzenwert, die Halbperioden einer Dreieckssi­ gnal-Trägerwelle sind, der Mittelwert von Sollwerten auf Grundlage jeweiliger Sollwert abgeschätzt wird und die Soll­ werte unter Verwendung des Schätzwerts kompensiert werden.

In diesem Fall ist, da die Amplitude der Oberwellen durch die Sollspannungskompensation im wesentlichen konstant ge­ halten wird, die Abhängigkeit vom Lastzustand verringert, und die Oberwellen können auf ein vorbestimmtes Niveau oder weniger herabgesetzt werden.

Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und ein System zur Steuerung von Spannungsumsetzern zu schaffen, die die Oberwellen minimieren können, wie sie an das Span­ nungsnetz ausgegeben werden.

Die vorstehende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß Eingangs­ ströme in die jeweiligen Spannungsumsetzer erfaßt werden, Trägerphasen-Einstellwerte von Dreieckssignal-Trägerwellen auf Grundlage der erfaßten Eingangsstromstärken bestimmt werden und die Dreieckssignal-Trägerwellen so ausgegeben werden, daß sie auf Grundlage der Trägerphase-Einstellwerte und der Quellenspannungsphase mit der letzteren synchroni­ siert sind.

In diesem Fall wird dynamischer, zusammenwirkender Betrieb zwischen den Umsetzern erzielt, wodurch Oberwellen minimiert werden, wie sie an die Netzspannung ausgegeben werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen nä­ her erläutert.

Fig. 1 zeigt den Aufbau eines Spannungsumsetzsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 zeigt einen Aufbau für den Fall, daß bei der Erfin­ dung zwei Umsetzer vorhanden sind;

Fig. 3 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen einer Quellenspannung, einer Umsetzer-Eingangsspannung und einer Dreieckssignal-Trägerwelle repräsentiert;

Fig. 4 zeigt ein Vektordiagramm, das die Umsetzer-Eingangs­ spannung repräsentiert;

Fig. 5 zeigt den Aufbau eines Spannungsumsetzsystems gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 6A zeigt die Beziehung zwischen einem Sollwert und einer Dreieckssignal-Trägerwelle bei einem bekannten System;

Fig. 6B zeigt die Beziehung zwischen dem Sollwert und der Dreieckssignal-Trägerwelle beim Ausführungsbeispiel von Fig. 5;

Fig. 7 zeigt zum Vergleich das Ausmaß der Erzeugung von Oberwellen bei der Erfindung und beim Stand der Technik;

Fig. 8 zeigt den Aufbau eines Spannungsumsetzsystems gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 9 veranschaulicht einen Betriebsalgorithmus einer Vor­ richtung zum Unterdrücken von Oberwellen beim Ausführungs­ beispiel von Fig. 8;

Fig. 10 zeigt den Lastzustand am Umsetzer und den Erzeu­ gungsanteil der 17. Oberwelle; und

Fig. 11 zeigt den Lastzustand am Umsetzer und den Erzeu­ gungsanteil der 5. Oberwelle.

In Fig. 1 bezeichnet die Zahl 1 ein Spannungsversorgungs­ netz, die Zahl 2 das Empfangsende des dargestellten Systems, die Zahl 3 einen Satz von Spannungsumsetzern, die Zahl 4 einen Sollwertgenerator zum Liefern eines Umsetzereingangs­ spannung-Sollwerts, die Zahl 52 einen Dreieckswellengenera­ tor zum Erzeugen einer Dreieckssignal-Trägerwelle, die Zahl 51 einen Komparator (PWM-Steuereinheit) zum Vergleichen des Ausgangssignals des Sollwertgenerators 4 mit der Dreiecks­ signal-Trägerwelle, die Zahl 6 eine Trägerphase-Einstellein­ richtung zum Einstellen der Phase der Dreieckssignal-Träger­ welle, die Zahl 7 eine Umsetzereinheit mit einem Umsetzer 71 und einem Transformator 72, die Zahl 8 einen Quellenspan­ nungs-Phasendetektor zum Erfassen einer Quellenspannungspha­ se Θe, die Zahl 9 einen Phasensollwertgenerator zum Berech­ nen der Phase es der Dreieckssignal-Trägerwelle auf Grundla­ ge der Quellenspannungsphase Θe und der Trägereinstellwerte Φs1-Φsn, und die Zahl 10 bezeichnet einen Inverter oder eine Last am Umsetzer wie einen Wechselspannungsmotor.

Nun wird der Betrieb des in Fig. 1 dargestellten Systems er­ läutert.

Der Sollwertgenerator 4 berechnet einen Spannungssollwert und gibt ihn aus, wie es dazu erforderlich ist, der Lastvor­ richtung 10 die erforderliche Spannung zuzuführen und den Spannungsfaktor des Umsetzers 71 auf den Wert 1 zu setzen. Andererseits wird die Quellenspannungsphase Θe vom Quellen­ spannungs-Phasendetektor 8 erfaßt, und im Phasensollwertge­ nerator 9 wird die Dreieckssignal-Trägerwelle mit der Quel­ lenspannungsphase Θe synchronisiert, und die Quellenspan­ nungsphase Θe und die Werte Φs1-Φn (wobei n die Anzahl von Sätzen von Umsetzern 71 ist), die Ausgangssignale der Trägerphasen-Einstelleinrichtung 6 sind, werden jeweils ad­ diert, um die Phasen Θs der Dreieckssignal-Trägerwellen zu berechnen und auszugeben. Hierbei kann die Quellenspannungs­ phase Θe unmittelbar aus der Netzspannung erfaßt werden. Die Trägerphasen-Einstellwerte Φs1-Φsn werden zu 180°/n bestimmt. Wenn z. B. zwei Sätze von Umsetzern 71 vorhanden sind, sind sie 0° und 90°, und wenn vier Sätze vorhanden sind, sind sie 0°, 45°, 90° und 135°. Der Dreieckssignalge­ nerator 52 gibt die Dreieckssignal-Trägerwelle auf Grundlage des Phasensollwerts Θs aus. Der Komparator 51 vergleicht das Ausgangssignal des Sollwertgenerators 4 mit der Dreieckssi­ gnal-Trägerwelle des Dreieckssignalgenerators 52, um den PWM-Impuls zu erzeugen. Die Schaltbauteile des Umsetzers 71 führen den Schaltvorgang abhängig vom PWM-Impuls aus. Der PWM-Impuls enthält eine Grundwellenkomponente, die dem Soll­ wert entspricht, sowie Oberwellen, wobei jede Phase der letzteren um 360°/n gegen jede Phase der Spannungsumsetzer 3 verschoben ist.

Auf diese Weise ist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel in jedem Spannungsumsetzer 3 für die Funktion gesorgt, die Quellenspannungsphase zu erfassen, in jedem Spannungsumsetz­ er 3 wird zur Spannung synchronisierte Steuerung erzielt, und es wird die Phase der Dreieckssignal-Trägerwelle zur Spannungsphase eingestellt.

Da es bei einem Umsetzer großer Leistung ausgehend vom Ge­ sichtspunkt des Funktionsvermögens von Schaltbauteilen schwierig ist, die Schaltfrequenz zu erhöhen, wird im allge­ meinen eine niedrige Frequenz verwendet. In diesem Fall wird synchronisierte PWM-Steuerung dazu verwendet, einen Schwe­ bungseffekt zu vermeiden.

Der Begriff "synchronisierte PWM-Steuerung" hat die folgen­ den zwei Bedeutungen. In einem ersten Fall wird von synchro­ nisierter PWM-Steuerung gesprochen, wenn das Verhältnis N (= fs/f1) der Grundfrequenz f1 (Netzspannungsfrequenz für den Umsetzer) zur Frequenz fs der Dreieckssignal-Trägerwelle eine ganze Zahl ist (wenn dreiphasiger Wechselstrom gehand­ habt wird, ist N ein Vielfaches von Drei und eine ungerade Zahl), und in einem zweiten Fall wird von synchronisierter PWM-Steuerung gesprochen, wenn die Phase der Dreieckssignal- Trägerwelle und die Phase der Grundwelle vollständig über­ einstimmen, zusätzlich zu den vorstehend angegebenen Bedin­ gungen. Hinsichtlich synchronisierter PWM-Steuerung gemäß dem ersten Fall werden die Grundwelle und die Dreieckssi­ gnal-Trägerwellen mit bestimmten Phasendifferenzen betrie­ ben, und bei synchronisierter PWM-Steuerung gemäß dem zwei­ ten Fall wird die Phasendifferenz auf Null gehalten. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel liegt der erste Fall einer synchronisierten PWM-Steuerung vor.

Abhängig davon, ob mit der Quellenspannung oder der Umset­ zereingangsspannung (der vom Sollwertgenerator 4 ausgegebe­ nen Spannung) synchronisiert wird, erfolgt eine Einteilung in mit der Quellenspannung synchronisierte PWM-Steuerung oder mit der Umsetzerspannung synchronisierte PWM-Steuerung.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 2-4 wird nun ein Prinzip zum Verringern der Oberwellen am Empfangsende 2 beim vorliegen­ den Ausführungsbeispiel erläutert. In Fig. 2 sind zwei Sätze von Umsetzern mit der Netzspannungsleitung 1 verbunden. Hin­ sichtlich des Umsetzers 1 ist die Phase der Umsetzerein­ gangsspannung Vc in bezug auf die Quellenspannung E aufgrund der Streuinduktivität des Transformators 72 verschoben. Für die Annahme, daß die Phasendifferenz zwischen Vc und E den Wert Φ1 hat, ist die Beziehung zwischen Signalverläufen E und Vc in Fig. 3(a) dargestellt. Eine Vektorrepräsentations­ beziehung ist in Fig. 4 dargestellt. Wie es aus Fig. 4 er­ sichtlich ist, nimmt, wenn der Eingangsstrom i ansteigt, eine Eingangs-ACL(Wechselspannungsdrossel)-Spannung VL zu, und die Phasendifferenz Φ1 nimmt zu. Demgemäß ist es erfor­ derlich, um den Eingangsspannungsfaktor auf dem Wert 1 zu halten (um dafür zu sorgen, daß E und i in Phase sind), Φ1 und Vc abhängig von der Stärke des Eingangsstroms i zu än­ dern. D. h., daß sich auch die Phase zwischen Vc und der Dreieckssignal-Trägerwelle synchron hiermit ändert. Dasselbe gilt für den Umsetzer 2.

Wie es in den Fig. 3 (b) und (c) dargestellt ist, hängen, wenn die Phasen Φs der Dreieckssignal-Trägerwellen gegenüber E durch die Trägerphase-Einstelleinrichtungen 6 der Umsetzer 1 und 2 auf 0° bzw. 90° eingestellt werden, die Phasen der erzeugten Oberwellen (insbesondere die Phasen der Komponen­ ten nahe ganzzahligen Vielfachen der Trägerfrequenz) nicht wesentlich von einer Änderung von Φ1 ab. In diesem Fall sind die Oberwellenphasen einander entgegengesetzt, und wenn zwei Sätze von Umsetzern verwendet werden, heben die jeweiligen Oberwellen einander auf, so daß Oberwellen am Empfangsende 2 verringert sind.

Während beim vorliegenden Ausführungsbeispiel der Umsetzer mit auf die Quellenspannung synchronisierter PWM betrieben wird, sind der Quellenspannungs-Phasendetektor 8 und der Phasensollwertgenerator 9 in jedem Umsetzer vorhanden, und jeder Umsetzer ist mit der Funktion versehen, eine Synchro­ nisierung zur Quellenspannungsphase der Netzspannungsleitung 1 auszuführen, und die Phasen der Netzspannungsleitung 1 und der Dreieckssignal-Trägerwelle werden anfangs durch die Trä­ gerphase-Einstelleinrichtung in jedem Umsetzer eingestellt.

Das heißt, daß durch verschiedenes Einstellen der Trägerphasen in bezug zur Spannung des Netzes 1 die Oberwellen am Emp­ fangsende 2 verringert werden, wenn mehrere Sätze von Um­ setzern verwendet werden.

Übrigens können, da der Sollwert (der Sollwert für die Ein­ gangsspannung Vc) und die Dreieckssignal-Trägerwellen mit auf die Umsetzerspannung synchronisierter PWM-Steuerung syn­ chronisiert werden, die Oberwellen jedes Umsetzers immer auf ein vorbestimmtes Niveau oder darunter unterdrückt werden. Da sich jedoch Vc abhängig vom Lastzustand (dem Eingangs­ strom) deutlich ändert (insbesondere ändert sich die Phase Φ1 stark), ist es erforderlich, eine Synchronisierung hin­ sichtlich der Änderung vorzunehmen. Bei einem System, bei dem die Änderung des Eingangsstroms groß ist, ist eine Ver­ zögerung vorhanden, bevor die Synchronisierung startet, und es werden Oberwellen verschiedener Frequenzkomponenten wäh­ rend dieser Periode erzeugt, wobei diese jedoch vorüberge­ hend ist. Wenn ein Umsetzer als Einzeleinheit verwendet wird, ist das Ausmaß der Erzeugung von Oberwellen konstant, jedoch hängen, wenn mehrere Sätze von Umsetzern unabhängig angesteuert werden, die Oberwellen am Empfangsende von Pha­ senänderungen der jeweiligen Umsetzer ab, und sie können einander löschen oder einander verstärken. Im Ergebnis ist es schwierig, Oberwellen auf das vorbestimmte Niveau oder darunter zu unterdrücken.

Gemäß dem zum Stand der Technik zitierten Dokument JP-A-6- 351106 wird ein Synchronisierungssignal aus einer Spannung erzeugt, dieses wird gemeinsam an mehrere Umsetzer gelie­ fert, und die Phasen jeweiliger Dreieckssignal-Trägerwellen werden verschoben, um Oberwellen am Empfangsende zu unter­ drücken. Beim Spannungsumsetzsystem des vorliegenden Ausfüh­ rungsbeispiels ist jeder Umsetzer mit einem Quellenspan­ nungs-Phasendetektor 8 und einem Phasensollwertgenerator 9 versehen, und jeder Umsetzer hat die Funktion einer Synchro­ nisierung zur Quellenspannung. So ist es nicht erforderlich, ein Synchronisierungssignal zwischen Umsetzern zuzuführen, und wenn einmal die Phasenwinkel der Quellenspannung und der Dreieckssignal-Trägerwellen durch die Trägerphase-Einstell­ einrichtung 6 in jedem Umsetzer anfangs eingestellt sind, können die Oberwellen am Empfangsende verringert werden. So ist die Unabhängigkeit der jeweiligen Umsetzer stark, und die Auswirkung ist bei einem System groß, in dem keine je­ weiligen Umsetzer verteilt installiert sind.

Ferner kann durch das vorliegende Ausführungsbeispiel die Größe der Vorrichtung verringert werden, da es nicht erfor­ derlich ist, ein Filter zum Unterdrücken von Oberwellen an­ zuschließen. Ferner sind Schaltverluste verringert, und es ist eine Zunahme der Leistung der Vorrichtung möglich, da die Trägerfrequenz des Umsetzers niedriger eingestellt wer­ den kann.

Fig. 5 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine Sollwert-Kompensationseinrichtung 11 zum System von Fig. 1 hinzugefügt ist. Unter Bezugnahme auf die Fig. 6A und 6B wird nun die Funktion dieser Sollwert-Kompensations­ einrichtung 11 erläutert.

In Fig. 6A ist ein bekanntes PWM-System dargestellt. Bei diesem bekannten PWM-System wird ein Sollwert v(t)* mit der Dreieckssignal-Trägerwelle et(t) verglichen, um einen PWM- Impuls zu erzeugen. Beim Dreieckssignal-Vergleichsverfahren wird der Momentanwert (Höhe) des Sollwerts (am Punkt p in den Fig. 6A und 6B) unter Verwendung des Dreieckssignals zu jeder Halbperiode der rampenförmigen Trägerwelle abgetastet, und die Höhe des Sollwerts in eine Impulsbreite umgesetzt. Wenn jedoch die Trägerfrequenz niedrig ist (ein Zehntel der Frequenz des Sollwerts), wie in Fig. 6A dargestellt, reprä­ sentiert der Abtastpunkt nicht immer eine Periode Δt. D. h., daß der Fehler bei der PWM-Steuerung zunimmt. Im Ergebnis variieren die erzeugten Oberwellen deutlich abhängig von den Phasenbedingungen des Sollwerts v(t)* und der Dreieckssi­ gnal-Trägerwelle et(t).

Demgemäß sind, wenn die Trägerfrequenz niedrig ist und die jeweiligen Umsetzer im System von Fig. 1 unabhängig arbei­ ten, die Ausmaße der von den jeweiligen Umsetzern erzeugten Oberwellen verschieden, und das Löschungsausmaß von Oberwel­ len am Empfangsende variiert, und der Unterdrückungseffekt hinsichtlich Oberwellen kann abhängig vom Zustand verringert sein.

Um die obigen Probleme zu überwinden, ist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel die Sollwert-Kompensationseinrichtung 11 hinzugefügt. Wie es in Fig. 5 dargestellt ist, ermittelt diese Sollwert-Kompensationsrichtung 11 den Sollwert v(t)* mit jeder Periode Δt, sie bilden den Mittelwert als neuen Sollwert v(t), und sie vergleicht diesen mit der Dreiecks­ signal-Trägerwelle et(t). Der Mittelwert v(t) des Sollwerts wird unter Verwendung des Momentanwerts des ursprünglichen Sollwerts v(t)* abgeschätzt. Im Ergebnis ist die Variation des Ausmaßes der Oberwellen aufgrund der Phasendifferenz zwischen der Dreieckssignal-Trägerwelle et(t) und dem Soll­ wert v(t)* verringert, und die von jedem Umsetzer 71 erzeug­ ten Oberwellen werden unabhängig vom Zustand mit im wesent­ lichen demselben Ausmaß gelöscht.

Fig. 7 zeigt ein Simulationsergebnis für die Änderung eines Oberwellenstroms Ih (Effektivwert aller Oberwellenkomponen­ ten), wenn der Phasenwinkel Φs der Dreieckssignal-Trägerwel­ le et(t) in bezug auf den Sollwert v(t)* geändert wird (für einen einzelnen Satz von Umsetzern, N = 9). Ohne die Soll­ wertkompensation (bekanntes System) steigen, wie es aus der gestrichelten Linie in Fig. 7 erkennbar ist, die Oberwellen im schlimmsten Fall auf das 1,5-fache. Wenn jedoch die Soll­ wertkompensation hinzugefügt wird, ist es aus der durchgezo­ genen Linie in Fig. 7 erkennbar, daß die Abhängigkeit der Oberwellen von Φs im wesentlichen verschwunden ist.

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Abhängigkeit vom Lastzustand verringert, da die Amplitude der Oberwellen durch die Spannungssollwert-Kompensation im wesentlichen konstant gehalten ist. Ferner können, da das Ausmaß der er­ zeugten Oberwellen selbst dann, wenn die Trägerfrequenz re­ lativ niedrig ist, auf ein im wesentlichen konstantes Niveau heruntergedrückt werden kann, die Oberwellen am Empfangsende selbst dann, wenn die jeweiligen Umsetzer unabhängig betrie­ ben werden, auf im wesentlichen konstantes Niveau oder dar­ unter heruntergedrückt werden.

Fig. 8 zeigt zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Er­ findung. Bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 und 5 wer­ den die jeweiligen Umsetzer 71 unabhängig angesteuert, und die Oberwellen am Empfangsende 2 werden dadurch unterdrückt, daß die Trägerphasen-Einstellwerte Φs anfangs eingestellt werden. Wenn jedoch eine spezielle Oberwelle zu unterdrücken ist oder wenn Oberwellen weiter auf eine Grenze herunterzu­ drücken sind, ist das Ausführungsbeispiel von Fig. 8 wir­ kungsvoll.

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Phasenein­ stellung Φs der Dreieckssignal-Trägerwelle in Echtzeit ab­ hängig vom Lastzustand jedes Umsetzers geändert, um einen zusammenwirkenden Betrieb zwischen Umsetzern auszuführen. In Fig. 8 bezeichnet die Zahl 12 einen Stromdetektor zum Erfas­ sen des Eingangsstroms i1, i2, i3, . . . für jeden Umsetzer, und die Zahl 13 bezeichnet eine Einrichtung zum Unterdrücken von Oberwellen zum Lesen des Eingangsstroms für jeden Um­ setzer und zum Liefern eines geeigneten Trägerphase-Ein­ stellwerts Φs (Φs1, Φs2, Φs3, . . ., Φsn) an jede Trägerpha­ sen-Einstelleinrichtung 6, um Oberwellen am Empfangsende 2 zu unterdrücken.

Fig. 9 veranschaulicht einen Funktionsalgorithmus der Ein­ richtung 13 zum Unterdrücken von Oberwellen. Als erstes wer­ den die Eingangsströme i1-in für die jeweiligen Umsetzer gelesen, und auf Grundlage dieser Stromstärken werden die Betriebsbedingungen x (x1-xn) für die jeweiligen Umsetzer berechnet. Wie es in Fig. 4 dargestellt ist, gilt x = tanΦ1, und es kann eine Bestimmung durch x = ωLi/E erfolgen (d. h., daß dann, wenn der Eingangsstrom i bekannt ist, die Berech­ nung aus der Spannung E und der Induktivität L ausgeführt werden kann). Wenn x positiv ist, repräsentiert dies einen Zustand zum Liefern einer Spannung an eine Last (Spannungs­ zuführung), und wenn x negativ ist, repräsentiert dies einen Regenerationszustand, und wenn x Null ist, repräsentiert dies einen Zustand ohne Last. Dann werden die Trägerphase- Einstellwerte Φs1-Φsn zeitweilig auf zweckdienliche Werte eingestellt (z. B. wird die Hälfte von mehreren Umsetzern auf 0° gesetzt, während die andere Hälfte auf 90° gesetzt wird). Dann werden die durch die jeweiligen Umsetzer erzeug­ ten Oberwellen Hn aus den Trägerphase-Einstellwerten und x1-xn abgeschätzt. Die Oberwellen Hn repräsentieren den Erzeugungsanteil von Oberwellen zur Gleichspannung des Um­ setzers, und sie entsprechen den aktuell vom Umsetzer er­ zeugten Oberwellen. Die Fig. 10 und 11 zeigen die Werte von Hn für die 17. bzw. 5. Sinuskomponente. Wie es in den Figuren dargestellt ist, wird Hn vorab als Funktion von Φs und x berechnet und dann in eine Tabelle eingespeichert. Die Ober­ wellen am Empfangsende 2 sind die Gesamtsumme der Werte Hn der jeweiligen Umsetzer. Der Wert x wird durch den Betriebs­ zustand des Umsetzers bestimmt, jedoch kann der Wert Φs wahlfrei bestimmt werden, so daß der Gesamtumfang von Ober­ wellen (Gesamtsumme von Hn) unter Verwendung von Φs mini­ miert werden kann. D. h., daß, wie es in Fig. 9 dargestellt ist, die Gesamtsumme der Werte Hn (Oberwellen am Empfangs­ ende) berechnet wird, nachdem Φs eingestellt wurde, das Aus­ maß erzeugter Oberwellen berechnet wird, und dann, wenn der Wert nicht gut wird, wird Φs erneut eingestellt, und die Ge­ samtsumme von Hn wird berechnet, und dieser Vorgang wird wiederholt, um den Minimalpunkt von Hn zu ermitteln. Die Trägerphase-Einstellwerte Φs1-Φsn, die dem so bestimmten Minimalpunkt entsprechen, werden an die jeweiligen Träger­ phase-Einstelleinrichtungen 6 geliefert.

Wenn die Anzahl von Umsetzern klein ist, kann Φs eingestellt werden, ohne daß die obige wiederholte Berechnung ausge­ führt wird. Nachfolgend wird ein spezielles Einstellverfah­ ren für Φs erläutert.

Es sei angenommen, daß zwei Umsetzer vorhanden sind, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, und daß die 17. Oberwelle (Fig. 10) zu unterdrücken ist. Ferner sei angenommen, daß der Um­ setzer auf Φs1 = 90° gesetzt ist und mit x = 0,1 angesteuert wird, und daß der Umsetzer 2 mit x = -0,1 angesteuert wird. Um die von den Umsetzern 1 und 2 am Empfangsende 2 erzeugten Oberwellen aufzuheben, ist es besser, wenn die Polaritäten der beiden Oberwellen einander entgegengesetzt sind und ihre Absolutwerte nahe beieinander liegen. Gemäß Fig. 10 ent­ spricht eher C als B der Stärke A, so daß die 17. Komponen­ te stärker unterdrückt wird, wenn Φs2 den Wert 180° statt 0° hat. Demgemäß gibt die Einrichtung 13 zum Unterdrücken von Oberwellen in diesem Zustand die Trägerphase-Einstellwerte Φs1 = 90° und Φs2 = 180° an die Trägerphase-Einstelleinrich­ tung 6. So werden die Oberwellenkomponenten minimiert.

Nun sei angenommen, daß der Umsetzer 1 auf x = -0,1 wech­ selt, während der Umsetzer auf x = -0,1 verbleibt (das Aus­ maß der erzeugten Oberwellen ändert sich auf A′). Da nun B nahe an der Stärke A liegt, wird die Oberwelle dieser Kompo­ nente stärker unterdrückt, wenn Φs2 = 0° gilt. Demgemäß wird der Sollwert Φs2 = 0° an den Umsetzer 2 ausgegeben. So wer­ den die Oberwellenkomponenten minimiert.

Durch geeignetes Umschalten von σ kann eine spezielle Ober­ welle am Empfangsende 2 unterdrückt werden, und die Oberwel­ len können bis auf die Grenzen heruntergedrückt werden. Dies ist nicht auf die 17. Oberwelle beschränkt, sondern dasselbe kann für die 5. Oberwelle, wie in Fig. 11 dargestellt, und andere Oberwellenkomponenten ausgeführt werden. Die Möglich­ keit, eine spezielle Oberwellenkomponente zu unterdrücken, kann Antiresonanz verhindern, wenn ein Filter am Empfangsen­ de 2 einzufügen ist. Ferner kann es ermöglicht werden, eine Änderung des Ausmaßes der Erzeugung von Oberwellen am Emp­ fangsende 2 vorab zu berechnen und diejenigen Trägerphasen zuzuführen, die das Gesamtausmaß minimieren.

Claims (8)

1. Steuerungsverfahren für Spannungsumsetzer zum Steuern mehrerer Spannungsumsetzer (3a), die mit einer Netzspan­ nungsleitung (1) verbunden sind, mit gesonderten PWM-Signa­ len, die eine einem Sollwert entsprechende Grundwellenkompo­ nente und Oberwellenkomponenten enthalten, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spannungsphase der Netzspannung erfaßt wird, die Oberwellenkomponenten mit der erfaßten Spannungs­ phase im wesentlichen synchronisiert werden und die Phasen der Oberwellenkomponenten voneinander verschieden gemacht werden.

2. Steuerungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Phasen der speziellen Oberwellenkomponen­ ten um 360°/n gegeneinander verschoben werden, wobei n die Anzahl von Sätzen von Spannungsumsetzern (3a) ist.

3. Steuerungsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die PWM-Signale auf Grund­ lage des Sollwerts und einer Dreieckssignal-Trägerwelle erfaßt werdend der Mittelwert des Sollwerts in einer Periode ab einem positiven Spitzenwert bis zu einem negativen Spit­ zenwert, wie einer Halbperiode der Dreieckssignal-Trägerwel­ le entsprechend, und einer Periode vom negativen Spitzenwert zum positiven Spitzenwert, wie der Halbperiode entsprechend, auf Grundlage des Sollwerts abgeschätzt wird und dieser Sollwert unter Verwendung des Schätzwerts kompensiert wird.

4. Steuerungsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsströme in die jeweiligen Spannungsumsetzer (3a) erfaßt werden und die Phasen der Oberwellenkomponenten auf Grundlage der erfaßten Eingangsstromstärken bestimmt werden.

5. Spannungsumsetzsystem mit einem Empfangsende (2), das mit einer Netzspannung (1) versorgt wird, und mit mehreren mit diesem Empfangsende verbundenen Spannungsumsetzern (2a), von denen jeder einen Dreieckssignal-Trägerwellengenerator (52) zum Erzeugen einer Dreieckssignal-Trägerwelle sowie eine PWM(Impulsbreitenmodulation)-Steuereinheit enthält, um ein PWM-Signal auszugeben, das auf Grundlage eines Sollwerts und der Dreieckssignal-Trägerwelle erzeugt wird, und um den Spannungsumsetzer zu steuern, dadurch gekennzeichnet, daß ein Detektor (8) zum Erfassen der Spannungsphase der Netz­ spannung sowie ein Dreieckssignal-Trägerwellengenerator zum Ausgeben der Dreieckssignal-Trägerwelle in solcher Weise, daß Synchronisation mit der vom Detektor erfaßten Span­ nungsphase vorliegt, in jedem der Spannungsumsetzer vorhan­ den sind, und daß die Dreieckssignal-Trägerwellengenerato­ ren in den Spannungsumsetzern die Dreieckssignal-Trägerwel­ len mit einander verschiedenen Phasen ausgeben.

6. Spannungsumsetzsystem nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Phasen der speziellen Oberwellenkomponen­ ten um 360°/n gegeneinander verschoben werden, wobei n die Anzahl von Sätzen von Spannungsumsetzern (3a) ist.

7. Spannungsumsetzsystem nach einem der Ansprüche 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine Sollwertkompensationseinrich­ tung (11) zum Abschätzen des Mittelwerts des Sollwerts in einer Periode ab einem positiven Spitzenwert bis zu einem negativen Spitzenwert, wie einer Halbperiode der Dreieckssi­ gnal-Trägerwelle entsprechend, und einer Periode vom negati­ ven Spitzenwert zum positiven Spitzenwert, wie der Halbpe­ riode entsprechend, auf Grundlage des Sollwerts und zum Kom­ pensieren dieses Sollwerts unter Verwendung des Schätzwerts.

8. Spannungsumsetzsystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Spannungsumsetzer (3a) ein Eingangsstromdetektor zum Erfassen des Eingangsstroms in den Spannungsumsetzer und eine Einrichtung zum Eingeben der erfaßten Eingangsstromwerte von den Eingangsstromdetektoren und zum Bestimmen einer Trägerphaseneinstellung, die für je­ den der Dreieckssignal-Trägerwellengeneratoren verschieden ist, auf Grundlage der erfaßten Eingangsstromwerte vorhan­ den sind, wobei der Dreieckssignal-Trägerwellengenerator die Dreieckssignal-Trägerwelle synchronisiert zur Spannungsphase auf Grundlage der erfaßten Spannungsphase und der Träger­ phaseneinstellung ausgibt.