DE19742609A1 - Method of synchronising/controlling AC voltage-fed converters esp matrix converters, in multi-phase systems - Google Patents

Method of synchronising/controlling AC voltage-fed converters esp matrix converters, in multi-phase systems

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Abstract

A process for synchronising and/or controlling converters, especially for forming synchronising signals for matrix converters is described. With multiphase and also distorted sinusoidal input voltages, a direct zero-crossing point detection of the instantaneous value of the phase-to-phase voltages takes place using voltage discriminators. After filtering of the same input voltages, equivalent square wave pulse sequences are formed and thereafter using logical summation, gate signals in the region of the zero crossing points. The zero-crossing point signals, the synchronous pulses derived from them and the gate signals are added to the synchronising signals with precise phase assignment.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Synchronisation und/oder Steuerung von Stromrichtern, vorzugsweise von Matrixumrichtern.The invention relates to a method for synchronization and / or control of Power converters, preferably matrix converters.

Die Synchronisation mit sinusförmigen Wechselspannungen gespeister Stromrichter macht eine Nulldurchgangserkennung der Speisespannung erforderlich. Bei bekannten Verfahren bzw. Lösungen wird dabei auf eine unmittelbare Erfassung des Augenblickswertes des Nulldurchganges wegen der damit verbundenen hohen Störempfindlichkeit meist verzichtet. Üblich sind Lösungen, bei denen die Nulldurchgangserkennung nach einer Filterung erfolgt. Dies führt letztlich zu einer Synchronisation des Stromrichters auf die Grundwelle der Netzspannung, was auch in Mehrphasen-Systemen zur Anwendung kommt. In WP 0123 038 sowie in der DE-Zeitschrift RFE 29 (1980) 3, S. 143-149, RFE 30 (1981) 1, S. 15-19 und RFE 30 (1981) 2, S. 120-126, wird ein Synchronisationsverfahren erläutert, das in Mehrphasensystemen eine Synchronisation auf einen Mittelwert, gebildet aus den Grundwellen des Mehrphasensystems, gewährleistet. Bekannt sind des weiteren Lösungen, die durch verschiedenartig ausgeführte Oszillatoren synchronisiert werden. Zur Verringerung der Störempfindlichkeit von Synchronisationseinrichtungen wurde auch der Einsatz ungesteuerter Modellstromrichter vorgeschlagen.The synchronization with sinusoidal alternating current supplied power converters a zero crossing detection of the supply voltage is required. In known methods or solutions is based on an immediate recording of the instantaneous value of the Zero crossing is mostly omitted because of the associated high sensitivity to interference. Solutions are customary in which the zero crossing detection takes place after filtering. This ultimately leads to a synchronization of the converter to the fundamental wave of the Mains voltage, which is also used in multi-phase systems. In WP 0123 038 as well as in DE magazine RFE 29 (1980) 3, pp. 143-149, RFE 30 (1981) 1, pp. 15-19 and RFE 30 (1981) 2, pp. 120-126, a synchronization method is explained, which in Multiphase systems a synchronization to an average, formed from the Fundamental waves of the multiphase system, guaranteed. Solutions are also known which be synchronized by differently designed oscillators. To reduce the The use of uncontrolled was also sensitive to interference from synchronization devices Model converter proposed.

Die bekannten Lösungen mit Glättungsfilter haben den Nachteil, daß - nach Korrekturen der Phasenlage - eine Synchronisation auf die Grundwelle und nicht auf den Augenblickswert im Nulldurchgang erfolgt; bekannte Lösungen ohne Glättungsfilter haben den Nachteil unvertretbar hoher Störempfindlichkeit.The known solutions with smoothing filters have the disadvantage that - after corrections to the Phase position - a synchronization to the fundamental wave and not to the instantaneous value in Zero crossing occurs; Known solutions without a smoothing filter have the disadvantage unacceptably high sensitivity to interference.

Aufgabe der Erfindung ist eine solche Ausbildung der Nulldurchgangserkennung in Mehrphasensystemen, daß die Nulldurchgänge bei präziser Phasenzuordnung entsprechend den Augenblickswerten der verketteten Spannungen erfaßt werden und daß zugleich eine hohe Störsicherheit gegeben ist.The object of the invention is such a design of the zero crossing detection in Multi-phase systems that the zero crossings with precise phase assignment accordingly the instantaneous values of the linked tensions can be detected and that at the same time a high Interference immunity is given.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß aus den auch verzerrten sinusförmigen Eingangsspannungen nach Filterung äquivalente Rechteckimpulsfolgen gebildet werden, daß aus den verketteten Eingangsspannungen in deren Nulldurchgängen Nulldurchgangssignale bzw. Synchronpulse gebildet werden, die den jeweiligen Augenblickswerten entsprechen, und daß die äquivalenten Rechteckimpulsfolgen durch logische Mittel so verknüpft werden, daß Torsignaie entstehen, die für die Dauer der Toröffnung Nulldurchgangssignale bzw. Synchronpulse passieren lassen und ansonsten auftretende Störsignale zuverlässig ausfiltern bzw. unterdrücken.This object is achieved in that from the distorted sinusoidal input voltages after filtering equivalent rectangular pulse trains are formed that from the concatenated input voltages in their zero crossings Zero crossing signals or synchronizing pulses are formed which correspond to the respective Correspond to instantaneous values, and that the equivalent rectangular pulse sequences by logical means are linked in such a way that gate signals are created that last for the duration of the  Allow gate opening to pass zero-crossing signals or synchronizing pulses and otherwise Filter out or suppress interference signals that occur.

Die erfindungsgemäße Lösung sichert grundsätzlich die Synchronisation eines mehrphasigen Stromrichters, vorzugsweise eines Matrixumrichters, auf die konkreten Augenblickswerte der Nulldurchgänge der verketteten Spannungen bei einem Höchstmaß an Störsicherheit jeweils zwischen aufeinander folgenden Nulldurchgängen. Die Erfindung unterscheidet sich insofern vom Stand der Technik.The solution according to the invention basically ensures the synchronization of a multi-phase Power converter, preferably a matrix converter, to the concrete instantaneous values of the Zero crossings of the linked voltages with a maximum of interference immunity between successive zero crossings. The invention differs in this respect from the state of the art.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht in ihrer weitgehenden Frequenzunabhängigkeit. Ein Betrieb ist beispielsweise sowohl am 50 Hz Netz als auch am 60 Hz Netz möglich.Another major advantage of the solution according to the invention is its extensive Frequency independence. Operation is, for example, both on the 50 Hz network and on the 60 Hz network possible.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel schematisch veranschaulicht ist.To further explain the invention, reference is made to the drawing in which a Embodiment is illustrated schematically.

Fig. 1 zeigt ein schematisches Schaltbild am Beispiel eines dreiphasigen Mehrsphasensystems. Fig. 1 shows a schematic diagram of the example of a three-phase multi-phase system.

Fig. 2 zeigt ein Schaltbeispiel für die Bildung äquivalenter Rechteckimpulsfolgen. Fig. 2 shows a circuit example for the formation of equivalent rectangular pulse trains.

Fig. 3 zeigt ein Schaltbeispiel für die Bildung von Nulldurchgangssignalen aus den verketteten Spannungen. Fig. 3 shows a circuit example for the formation of zero crossing signals from the chained voltages.

Fig. 4 verdeutlicht anhand von Signalverläufen das Wirkprinzip des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1. FIG. 4 illustrates the principle of operation of the exemplary embodiment according to FIG. 1 on the basis of signal profiles.

Fig. 5 zeigt die präzise Phasenzuordnung der Synchronisiersignale zu den Eingangsspannungen des Mehrphasensystems für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und die Signalverläufe nach Fig. 4. FIG. 5 shows the precise phase assignment of the synchronization signals to the input voltages of the multiphase system for the exemplary embodiment according to FIG. 1 and the signal profiles according to FIG. 4.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 werden die Strangspannungen (UL1, UL2, UL3) eines Dreiphasensystems entsprechend dem Schaltbeispiel nach Fig. 2 nach Einzelfilterung (RF1, RF2, CF) zu äquivalenten Rechteckimpulsfolgen (SY1, SY2, SY3) gewandelt; die Phasendrehung durch das vorzugsweise passive Filter sollte zweckmäßigerweise etwa 60°el betragen. Der Filterabschluß (DF, DE, Ts1) gewährleistet weitgehende Symmetrie der Impulsfolgen; die Optokoppler (OK) sichern die Potentialtrennung. Die Verknüpfung der drei äquivalenten Rechteckimpulsfolgen (SY1, SY2, SY3) zu einer Impulsfolge mit dreifacher Netzfrequenz bildet den Ausgangspunkt für eine nachfolgende gemäß Fig. 1 einkanalige Torsignalbildung. In the exemplary embodiment according to FIG. 1, the phase voltages (U L1 , U L2 , U L3 ) of a three-phase system corresponding to the switching example according to FIG. 2 after individual filtering (R F1 , R F2 , C F ) become equivalent rectangular pulse sequences (SY1, SY2, SY3) changed; the phase rotation through the preferably passive filter should expediently be approximately 60 ° el. The filter termination (D F , D E , Ts1) ensures extensive symmetry of the pulse trains; the optocouplers (OK) ensure electrical isolation. The combination of the three equivalent rectangular pulse sequences (SY1, SY2, SY3) to form a pulse sequence with three times the network frequency forms the starting point for a subsequent single-channel gate signal formation as shown in FIG. 1.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 erfolgt die Nulldurchgangsdetektion der verketteten Leiterspannungen (U12, U23, U31) üblicherweise jeweils ungefiltert zur optimalen Erfassung von Augenblickswerten; Fig. 3 zeigt ein Schaltbeispiel. An den Z-Dioden (Z-D) entstehen trapezförmige Spannungen, aus denen mittels Entkopplungsdiode (DL) die Versorgungsgleichspannungen der einzelnen Stränge an den Ladekondensatoren (CL) gebildet werden. Des weiteren werden mittels Schaltverstärker (Ts2) im Bereich um den Kleinstwert der trapezförmigen Spannungen Nulldurchgangssignale (SY12, SY23 , SY31) gebildet. Zeitpunkt und Dauer dieser Signale sind in gewissen Grenzen einstellbar (RG2). Die Optokoppler (OK) sichern die Potentialanpassung. Die Nulldurchgangssignale (SY12, SY23, SY31) werden ebenfalls zu einer höherfrequenten Impulsfolge verknüpft und steuern im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 eine einkanalige Synchronpulsbildung.In the exemplary embodiment according to FIG. 1, the zero crossing detection of the concatenated conductor voltages (U 12 , U 23 , U 31 ) is usually carried out unfiltered in each case for optimal detection of instantaneous values; Fig. 3 shows a circuit example. Trapezoidal voltages arise at the Z diodes (ZD), from which the DC supply voltages of the individual strands at the charging capacitors (C L ) are formed by means of a decoupling diode (D L ). Furthermore, zero crossing signals (SY12, SY23, SY31) are formed by means of switching amplifiers (Ts2) in the area around the minimum value of the trapezoidal voltages. The time and duration of these signals can be set within certain limits (R G2 ). The optocouplers (OK) ensure the potential adjustment. The zero crossing signals (SY12, SY23, SY31) are also linked to form a higher-frequency pulse train and control a single-channel synchronous pulse formation in the exemplary embodiment according to FIG. 1.

Infolge von Spannungseinbrüchen und ähnlichem kann es zur unerwünschten Bildung von Nulldurchgangssignalen bzw. Synchronpulsen auch zwischen den ungestörten Nulldurchgängen der verketteten Spannungen kommen. Die notwendige Unterdrückung dieser Störsignale übernimmt gemäß Fig. 1 eine nachfolgende Anordnung zur Zuordnung und Ausgabe der Synchronisiersignale zuverlässig dadurch, indem die Torsignale den Signal weg für die Nulldurchgangssignale bzw. daraus abgeleitete Synchronpulse nur kurzzeitig in einem notwendigen Zeitintervall um den ungestörten Nulldurchgang der verketteten Spannungen öffnen. Auf diese Weise wird erreicht, daß auch bei verzerrten Eingangsspannungen und damit einer gewissen Verschiebung des Nulldurchgangs der verketteten Spannungen gegenüber der Grundwelle das Nulldurchgangssignal bzw. der Synchronpuls immer zeitlich exakt dem Nulldurchgang zugeordnet ist, und daß evtl. auftretende Störimpulse zwischen zwei ungestörten Nulldurchgängen zuverlässig unterdrückt werden. In welchem Maße dies auch für Störsignale zutrifft, die kurz vor oder nach dem Nulldurchgangssignal bzw. Synchronpuls auftreten, hängt von der Dauer des Torsignals ab. Den konkreten Erfordernissen kann durch eine geeignete Schaltungsbemessung Rechnung getragen werden.As a result of voltage dips and the like, undesired formation of zero-crossing signals or synchronous pulses can also occur between the undisturbed zero-crossings of the chained voltages. The required suppression of this noise takes over as shown in FIG. 1, a subsequent arrangement for mapping and outputting the synchronizing signals reliably characterized by in a necessary interval of time to open the gate signals to the signal path for the zero-crossing signals or derived therefrom sync pulses only briefly to the undisturbed zero crossing of the line voltages . In this way it is achieved that even with distorted input voltages and thus a certain shift in the zero crossing of the linked voltages with respect to the fundamental wave, the zero crossing signal or the synchronizing pulse is always assigned to the zero crossing exactly in time, and that any interference pulses that occur between two undisturbed zero crossings are reliably suppressed will. The extent to which this also applies to interference signals that occur shortly before or after the zero crossing signal or synchronous pulse depends on the duration of the gate signal. Appropriate circuit design can take account of the specific requirements.

Für die einkanalige Bildung von Torsignalen aus den verknüpften Rechteckimpulsfolgen (SY1, SY2, SY3), für die einkanalige Bildung von Synchronpulsen aus den verknüpften Nulldurchgangssignalen (SY12, SY23, SY31) sowie für die Zuordnung und Ausgabe der Synchronisiersignale sind vielfältige schaltungstechnische Lösungen denkbar. Mit den Signalverläufen nach Fig. 4 wird eine beispielhafte Möglichkeit in ihrem Betriebsverhalten verdeutlicht. Offensichtlich ist, daß ein Nulldurchgangssignal bzw. Synchronpuls das Tor problemlos passieren kann. Werden, wie beispielhaft in Fig. 4 dargestellt, mit der Vorder- bzw. Rückflanke eines Nulldurchgangssignals bzw. Synchronpulses Rücksetz- bzw. Setzimpulse für am Schaltungsausgang angeordnete Flip-Flop-Stufen gebildet, so ist zu beachten, daß auch das Setzsignal die Torschaltung noch passieren kann.For the single-channel formation of gate signals from the linked rectangular pulse trains (SY1, SY2, SY3), for the single-channel formation of synchronous pulses from the linked zero-crossing signals (SY12, SY23, SY31) and for the assignment and output of the synchronization signals, a variety of circuitry solutions are conceivable. The waveforms of FIG. 4, an exemplary way is made clear in their performance. It is obvious that a zero crossing signal or synchronous pulse can easily pass through the gate. If, as shown by way of example in FIG. 4, reset or set pulses for flip-flop stages arranged at the circuit output are formed with the leading or trailing edge of a zero crossing signal or synchronous pulse, it should be noted that the set signal also still forms the gate circuit can happen.

In Fig. 5 ist für das Ausführungsbeispiel die phasenrichtige zeitliche Zuordnung für Ausgangs-Synchronisiersignale (+L1, -L1, +L2, -L2, +L3, -L3) zu den Eingangsspannungen dargestellt.In FIG. 5, the in-phase time assignment for output synchronization signals (+ L1, -L1, + L2, -L2, + L3, -L3) to the input voltages is shown for the exemplary embodiment.

Claims (4)

1. Verfahren zur Synchronisation und/oder Steuerung von Stromrichtern, insbesondere zur Bildung von Synchronisationssignalen für Matrixumrichter, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehrphasigen auch verzerrten sinusförmigen Eingangsspannungen eine unmittelbare Nulldurchgangsdetektion der Augenblickswerte der verketteten Spannungen mittels Spannungsdiskriminatoren zu Nulldurchgangssignalen erfolgt, des weiteren nach Filterung derselben Eingangsspannungen äquivalente Rechteckimpulsfolgen und daraus mittels logischer Verknüpfung Torsignale im Bereich der Nulldurchgänge der verketteten Spannungen gebildet werden und daß die Nulldurchgangssignale bzw. daraus abgeleitete Synchronpulse und die Torsignale zu Synchronisiersignalen mit präziser Phasenzuordnung verknüpft werden.1. A method for the synchronization and / or control of converters, in particular for the formation of synchronization signals for matrix converters, characterized in that in the case of multi-phase, also distorted, sinusoidal input voltages, instantaneous zero-crossing detection of the instantaneous values of the linked voltages takes place by means of voltage discriminators to zero-crossing signals, furthermore after filtering the same input voltages equivalent rectangular pulse sequences and gate signals are formed therefrom in the region of the zero crossings of the chained voltages and that the zero crossing signals or synchronous pulses derived therefrom and the gate signals are linked to synchronizing signals with precise phase assignment. 2. Verfahren zur Synchronisation und/oder Steuerung von Stromrichtern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der unmittelbaren Nulldurchgangsdetektion eine einkanalige Synchronpuls-Bildung nachgeschaltet ist.2. Method for synchronization and / or control of converters according to claim 1, characterized, that the immediate zero crossing detection is a single-channel sync pulse formation is connected downstream. 3. Verfahren zur Synchronisation und/oder Steuerung von Stromrichtern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildung der Torsignale einkanalig erfolgt.3. A method for the synchronization and / or control of converters according to claim 1, characterized, that the formation of the gate signals is single-channel. 4. Verfahren zur Synchronisation und/oder Steuerung von Stromrichtern nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Torsignale zeitlich den Nulldurchgängen der Grundwellen des Mehrphasensystems im Mittelwert entsprechen.4. A method for synchronization and / or control of converters according to claim 1 and 3, characterized, that the gate signals time the zero crossings of the fundamental waves of the multi-phase system correspond in the mean.
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