DE19805408C2 - Verfahren zur Steuerung eines Gleichstromumrichters mit Wechselspannungs-Zwischenkreis und Vorrichtung hierzu - Google Patents
Verfahren zur Steuerung eines Gleichstromumrichters mit Wechselspannungs-Zwischenkreis und Vorrichtung hierzuInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Gleichstrom
umrichters mit Wechselspannungs-Zwischenkreis nach dem Prinzip des
Durchflußwandlers bestehend aus einem Wechselrichter mit eingeprägter
Gleichspannung, einem Transformator und einem Gleichrichter, wobei der
Wechselrichter die drei Spannungszustände positive Spannung (Zustand
Plus), negative Spannung (Zustand Minus) und Spannung Null (Zustand
Null) liefern kann und eine Wechselspannung erzeugt, deren Perioden aus
je einem Zeitintervall mit positiver und negativer Spannung und jeweils
einem dazwischen liegenden Zeitintervall mit der Spannung Null bestehen,
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung hierzu
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
Gleichstromumrichter mit Wechselspannungs-Zwischenkreis bestehen aus
einem Wechselrichter zur Erzeugung einer Wechselspannung, einem
Transformator zur Potentialtrennung und Spannungsanpassung und
einem Gleichrichter zur Umwandlung der Wechselspannung in die
Ausgangsgleichspannung. Derartige Gleichstromumrichter werden in
vielfältiger Form in Gleichstromversorgungen verwendet. Meist ist der
Wechselrichter als Wechselrichter mit eingeprägter Gleichspannung so
ausgeführt, daß er die drei Spannungszustände positive Spannung
(Zustand Plus), negative Spannung (Zustand Minus) und Spannung Null
(Zustand Null) liefern kann und eine Wechselspannung erzeugt, deren
Perioden aus je einem Zeitintervall mit positiver und negativer Spannung
und jeweils einem dazwischen liegenden Zeitintervall mit der Spannung
Null besteht. Die Steuerung der Ausgangsgleichspannung (Aussteuerung)
des Gleichstromumrichters erfolgt meist "primärseitig" dadurch, daß bei
konstanter Periodendauer die Zeitdauer des Zustands Null geändert wird.
Hierfür gibt es sogar integrierte Schaltkreise, die mittels einer
Sägezahnspannung und einem Zweipunktglied die Schaltzeitpunkte
ermitteln. Bei geringen und langsamen Änderungen der Aussteuerungen
sind diese Verfahren ausreichend. Bei großer Dynamik und inbesondere bei
wiederholten impulsförmigen Änderungen der Aussteuerungen, was
insbesondere bei Gleichstromumrichtern für die Elektroschweißtechnik
auftritt, kommt es bei diesen bekannten Steuerverfahren zu Verlagerungen
des Flusses im Transformator, die zu Sättigungserscheinungen im
Transformator führen, welche wiederum unangenehme Schwingungen im
System zur Folge haben können. Diese Technik ist zum Beispiel in der
Literaturstelle /1/ Lutz Erhardtt: "Verfahren zur Steuerung von
wechselweise an eine Gleichspannung geschaltete Transformatoren"
beschrieben.
Durch die DE-A1-196 34 713 ist ein Verfahren zur Steuerung von
wechselweise an eine Gleichspannung geschalteten Transformatoren,
insbesondere von pulsweitenmodulierten Halb- oder Vollbrücken
konvertern oder von phasenverschiebungsgesteuerten Vollbrücken
konvertern bzw. Wechselrichtern, bekannt geworden, wobei entweder die
Primärspule des Transformators oder die versorgende Gleichspannung
wechselweise umgepolt wird. Eine Zeitdauer, über die die Primärspule
positiv oder negativ an den Gleichspannungskreis angeschlossen ist, ist
von einer benötigten Höhe einer Ausgangsgröße eines an einer
Sekundärwicklung des Transformators, bevorzugt über einen Gleichrichter
angeschlossenen Verbrauchers abhängig. Eine Zeitdauer eines
unmittelbar auf eine geforderte Änderung der Ausgangsgröße generierten
Impulses wird dabei nur entsprechend einem Teil der geforderten
Änderung der Ausgangsgröße festgelegt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, bei einem
Verfahren der eingangs genannten Gattung und einer Vorrichtung hierzu
die durch dynamische Vorgänge verursachte Flußverlagerung im
Transformator mit einfachen Mitteln sicher zu verhindern.
Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß zur
Steuerung des Wechselrichters die Schaltperiode desselben in zwei
Zeitabschnitte unterteilt wird, wobei in einem Zeitabschnitt (A) die
Umschaltungen vom Zustand Plus auf den Zustand Null und danach vom
Zustand Null auf den Zustand Minus erfolgen und dabei das Zeitintervall
vom Umschalten auf den Zustand Minus bis zum Ende des Zeitabschnitts
A gleich groß vorgegeben wird wie das Zeitintervall vom Beginn des
Zeitabschnitts A bis zum Umschalten auf den Zustand Null, und im
anderen Zeitabschnitt (B) die Umschaltungen vom Zustand Minus auf den
Zustand Null und danach vom Zustand Null auf den Zustand Plus erfolgen
und dabei das Zeitintervall vom Umschalten auf den Zustand Plus bis zum
Ende des Zeitabschnitts B gleich groß vorgegeben wird wie das
Zeitintervall vom Beginn des Zeitabschnitts B bis zum Umschalten auf den
Zustand Null.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
dargestellt. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist durch
die Merkmale des Anspruchs 11 gekennzeichnet.
Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens kann ein
beliebiger Verlauf der Aussteuerung vorgegeben werden, ohne daß eine
Verlagerung des Flusses im Transformator auftritt. Dabei ist der Aufwand
für das erfindungsgemäße Steuerungsverfahren vergleichsweise gering
und damit besonders wirtschaftlich.
Vorteilhaft können die von der Steuerspannung abhängigen Umschalt
zeitpunkte der Wechselrichterausgangsspannung mit einer digitalisierten
Steuerspannung, die sich nur in den Tiefstwerten der
Dreieckhilfsspannung ändert, einem Auf- und Abwärtszähler und einem
digitalen Komparator erzeugt werden. Dabei sollte die Steuerspannung
einen Mindestwert der Steuernennspannung nicht unterschreiten.
Kurzbeschreibung der Zeichnung, in der zeigen:
Fig. 1 das Prinzipschaltbild für ein System mit Gleichstromumrichter,
der einen Wechselrichter in Zweipuls-Brückenschaltung und
einen ungesteuerten Ausgangsgleichrichter enthält;
Fig. 2 das Prinzipschaltbild für ein System mit Gleichstromumrichter,
der einen Wechselrichter in Halbbrückenschaltung und einen
ungesteuerten Ausgangsgleichrichter enthält;
Fig. 3 den Funktionsschaltbild für eine bekanntes Steuerungsverfahren
mit sägezahnförmiger Hilfsspannung;
Fig. 4 den zeitlichen Verlauf charakteristischer Größen bei konstanter
Aussteuerung mit dem Steuerverfahren entsprechend Fig. 3;
Fig. 5 den zeitlichen Verlauf charakteristischer Größen bei
impulsförmiger Aussteuerung mit dem Steuerverfahren
entsprechend Fig. 3;
Fig. 6 den zeitlichen Verlauf charakteristischer Größen bei Anwendung
des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens mit konstanter Dauer
der Zeitabschnitte A und B entsprechend Anspruch 2;
Fig. 7 den zeitlichen Verlauf charakteristischer Größen bei Anwendung
des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens mit variabler Dauer der
Zeitabschnitte A und B entsprechend Anspruch 3;
Fig. 8 das Prinzipschaltbild für eine Realisierung des Verfahrens mit
analogen Hilfsmitteln entsprechend Anspruch 6;
Fig. 9 den zeitlichen Verlauf charakteristischer Größen bei
impulsförmiger Aussteuerung mit dem Steuerverfahren
entsprechend Fig. 8;
Fig. 10 das Prinzipschaltbild für eine Realisierung des Verfahrens mit
analogen Hilfsmitteln entsprechend Anspruch 7 und
Fig. 11 den zeitlichen Verlauf charakteristischer Größen bei
impulsförmiger Aussteuerung mit dem Steuerverfahren
entsprechend Fig. 10.
In Fig. 1 ist das Prinzipschaltbild für ein typisches System dargestellt, das
einen Gleichstromumrichter mit Wechselspannungs-Zwischenkreis
enthält. Der Gleichstromumrichter besteht aus dem Wechselrichter 21,
dem Transformator 22 und dem Gleichrichter 23. Der Wechselrichter wird
beispielsweise über einen ungesteuerten Gleichrichter 20 aus dem
Drehstromnetz mit der Eingangsgleichspannung UE versorgt und liefert
die Wechselspannung uW an die Primärseite des Transformators. Der
Ausgangsgleichrichter 23 wandelt die (im Bild nicht näher
gekennzeichnete) Wechselspannung auf der Sekundärseite des
Transformators in die Ausgangs-Gleichspannung uA um. Der
Ausgangskreis besteht aus einer Induktivität 24, zur Glättung des
Ausgangs-Gleichstroms, und der Last 25. Die Glättungsinduktivität 24
muß nicht als separierbarer Schaltungsteil vorhanden sein; oft genügen die
Leitungsinduktivitäten im Ausgangskreis oder vorhandene induktive
Anteile der Last selbst. Der Wechselrichter 21 arbeitet mit eingeprägter
Gleichspannung, die durch den Eingangskondensator 9 geglättet wird. Er
enthält ein erstes Zweigpaar mit den Transistoren 1 und 2 sowie den
antiparallelen Dioden 5 und 6 und ein zweites Zweigpaar mit den
Transistoren 3 und 4 sowie den antiparallelen Dioden 7 und 8. Statt der
eingezeichneten IGBT-Transistoren können beliebige andere abschaltbare
Bauelemente, z. B. bipolare Transistoren, MOSFET-Transistoren oder GTO-
Thyristoren verwendet werden. Die Ansteuerung der Transistoren erfolgt
aus der Steuereinrichtung 30 über die Steuerleitungen 11, 12, 13, 14 und
die Ansteuereinheiten 15, 16, 17, 18. Der gewünschte Verlauf der
Ausgangs-Gleichspannung uA wird der Steuereinrichtung 30 durch die
Steuerspannung uS vorgegeben.
Wenn die beiden Transistoren 1 und 4 eingeschaltet sind (Zustand Plus),
erzeugt der Wechselrichter einen positiven Anteil der Höhe +UE im
Spannungsverlauf der Wechselspannung uW. Während die beiden
Transistoren 2 und 3 eingeschaltet sind (Zustand Minus), erzeugt der
Wechselrichter einen negativen Anteil der Höhe -UE im Spannungsverlauf
der Wechselspannung uW. Wenn die beiden Transistoren 1 und 3 oder die
beiden Transistoren 2 und 4 eingeschaltet sind, entsteht ein Freilaufkreis
im Wechselrichter (Zustand Null) und der Wechselrichter erzeugt einen
Anteil mit Spannung Null im Spannungsverlauf der Wechselspannung uW.
Meistens werden die beiden Freilaufkreise abwechselnd eingeschaltet,
sodaß beispielsweise in einer Schaltperiode nacheinander die vier
Schaltzustände 1 und 4 ein, 2 und 4 ein, 2 und 3 ein, 1 und 3 ein auftreten.
Dieses Verfahren wird als Phasenverschiebungssteuerung bezeichnet. Der
Anteil der Spannung Null im Spannungsverlauf von ums, kann auch durch
Ausschalten aller Transistoren erzeugt werden. In diesem Fall spricht man
von Pulsbreitensteuerung des Wechselrichters. Das erfindungsgemäße
Steuerverfahren kann sowohl beim phasenverschiebungs- als auch beim
pulsbreitengesteuerten Wechselrichter angewandt werden.
Der Wechselrichter im Prinzipschaltbild Fig. 2 enthält nur ein Zweigpaar
mit den Transistoren 3 und 4, den antiparallelen Dioden 7 und 8, den
Ansteuereinheiten 17 und 18 mit den Steuerleitungen 13 und 14. Die
Eingangskapazität wird durch die beiden in Reihe geschalteten
Kondensatoren 28 und 29 gebildet so, daß ein Mittelpunkt entsteht der als
zweiter Pol für die Wechselspannung uW genutzt werden kann. Durch
Einschalten von 4 (Zustand Plus) entsteht ein positiver Anteil der Höhe
+UE/2 im Spannungsverlauf der Wechselspannung uW. Durch Einschalten
von 3 (Zustand Minus) entsteht ein negativer Anteil der Höhe -UE/2 im
Spannungsverlauf der Wechselspannung uW. Wenn kein Transistor
eingeschaltet ist und Laststrom fließt, entsteht ein Stromfluß über beide
Dioden im Ausgangsgleichrichter und der Zustand Null wird erzeugt. In
einer Schaltperiode werden nacheinander die vier Schaltzustände 4 ein, 3
und 4 aus, 3 ein, 3 und 4 aus eingestellt.
Das Prinzipschaltbild eines bekannten Steuerungsverfahrens in Fig. 3 gilt
für einen Gleichstromumrichter entsprechend Fig. 1. Der
Sägezahngenerator 34 liefert eine sägezahnförmige Hilfsspannung uhz, die
in einem Vergleichsglied 33 von der Steuerspannung uS subtrahiert wird.
Das Zweipunktglied 32 bildet aus der Differenz ein digitales Signal z0. Die
Ansteuerlogik 31 erzeugt daraus die Ansteuersignale in den
Ansteuerleitungen 11, 12, 13, 14.
Die Wirkungsweise dieses bekannten Steuerungsverfahrens soll mit Hilfe
der Kurvenverläufe in Fig. 4 erläutert werden. Dort und in allen folgenden
Zeitdiagrammen sind Zeitpunkte durch den Kleinbuchstaben t mit Index
gekennzeichnet und Zeitintervalle durch den Großbuchstaben T ohne oder
mit Index. Das Diagramm 71 zeigt den Verlauf der sägezahnförmigen Hilfs
spannung uhz und den Verlauf der Steuerspannung uS bei konstanter
Aussteuerung. Das Ausgangssignal z0 des Zweipunktglieds im Diagramm
72 nimmt immer dann den logischen Wert 1 an, wenn die Steuerspannung
größer ist als die Sägezahnspannung. Die Dauer der logischen Zustände 1
verändert sich dadurch proportional zur Steuerspannung. Die Diagramme
73 bis 76 zeigen den zeitlichen Verlauf der logischen Zustände z11 bis z14
für Phasenverschiebungssteuerung in den Ansteuerleitungen 11 bis 14.
Vom Zeitpunkt t61 bis zum Zeitpunkt t62 werden dadurch die Transistoren
1 und 4 eingeschaltet, vom Zeitpunkt t62 bis zum Zeitpunkt t63 die
Transistoren 2 und 4, vom Zeitpunkt t63 bis zum Zeitpunkt t64 die
Transistoren 2 und 3 und vom Zeitpunkt t64 bis zum Zeitpunkt t65 die
Transistoren 1 und 3. Dies ist genau die oben beschriebene Schaltfolge,
welche zum zeitlichen Verlauf 77 der Wechselspannung uW führt, wobei
durch Änderung der Steuerspannung uS die Dauer der Nullspannung im
Verlauf 77 variiert wird. Die Periodendauer T der Ausgangs
wechselspannung umfaßt genau 2 Perioden der sägezahnförmigen
Hilfsspannung, die Dauer eines Sägezahns entspricht also T/2. Der Verlauf
der Ausgangsgleichspannung uA entspricht dem Verlauf 72 und ist in Fig.
4 nicht gesondert dargestellt. Der symmetrische Verlauf 77 führt wegen
der Beziehung ø ~ ∫uWdt zum trapezförmigen Verlauf 78 des Flusses ø im
Transformator.
Dieser um die Nullinie symmetrische Verlauf wird bei diesem
Steuerverfahren jedoch durch dynamische Änderungen der
Steuerspannung gestört, wie aus Fig. 5 hervorgeht, wo im Diagramm 67 ein
impulsförmiger Verlauf der Steuerspannung uS angenommen wurde. Die
durch das Steuerverfahren eingeprägte Art, mit der die Nullzustände
vorgegeben werden, führt zum Verlauf 68 der Wechselspannung ums, und
damit zum Verlauf 69 des Transformatorflusses ø. Nach Ende des Impulses
der Aussteuerung hat sich der Fluß ø verlagert. Weitere Impulse der
Aussteuerung führen zu weiterer Verlagerung. In der Literaturstelle /1/
werden Maßnahmen erläutert, wie das Verfahren abgewandelt werden
kann, um diese Verlagerungen zu vermeiden; die dort beschriebenen
Zusatzmaßnahmen sind jedoch relativ kompliziert und können nicht
überall eingesetzt werden.
Mit einem nach Anspruch 1 aufgebauten Verfahren, wird die Verlagerung
des Flusses im Ansatz vermieden. Dies soll zunächst an Hand von Fig. 6 für
eine konstante Periodendauer erläutert werden. Die Pulsperiode T von t41
bis t49 wird gemäß Anspruch 1 in den Zeitabschnitt A von t41 bis t45 und
den Zeitabschnitt B von t45 bis t49 unterteilt, wobei die Dauern TA und TB
der beiden Zeitabschnitte zunächst gleich groß angenommen werden. Im
Zeitabschnitt A wird die Umschaltung vom Zustand Plus auf den Zustand
Null und danach vom Zustand Null auf den Zustand Minus vorgenommen,
im Zeitabschnitt B die Umschaltung vom Zustand Minus auf den Zustand
Null und danach vom Zustand Null auf den Zustand Plus. Diese Definition
der Teilabschnitte ist unüblich. In bekannten Verfahren werden die
Spannungspulse, also die Umschaltungen von Zustand Null auf den
Zustand Plus und zurück auf den Zustand Null bzw. die Umschaltungen
von Zustand Null auf den Zustand Minus und zurück auf den Zustand
Null, zu einem Zeitabschnitt zusammengefaßt. Gemäß Anspruch 1 wird
nun außerdem das Zeitintervall vom Umschalten auf den Zustand Minus
(Zeitpunkt t44) bis zum Ende des Zeitabschnitts A (Zeitpunkt t45) gleich
groß vorgegeben wie das Zeitintervall vom Beginn des Zeitabschnitts A
(Zeitpunkt t41) bis zum Umschalten auf den Zustand Null (Zeitpunkt t42);
und außerdem wird das Zeitintervall vom Umschalten auf den Zustand
Plus (Zeitpunkt t48) bis zum Ende des Zeitabschnitts B (Zeitpunkt t49)
gleich groß vorgegeben wird wie das Zeitintervall vom Beginn des
Zeitabschnitts B (Zeitpunkt t45) bis zum Umschalten auf den Zustand Null
(Zeitpunkt t46). Das Verfahren führt dazu, daß die erste Umschaltung stets
in der ersten Hälfte und die zweite Umschaltung stets in der zweiten Hälfte
des jeweiligen Zeitabschnitts A oder B stattfindet. Es entsteht der zeitliche
Verlauf 52 der Wechselspannung uW und der Verlauf 53 des
Transformatorflusses ø. Die Steuervorschrift bewirkt, daß die beiden gleich
schraffierten Spannungszeitflächen vom Zeitpunkt t41 bis zum Zeitpunkt
t42 und vom Zeitpunkt t44 bis zum Zeitpunkt t45 vom Betrag her gleich
groß sind und sich nur im Vorzeichen unterscheiden. Dasselbe gilt für die
beiden in anderer Richtung schraffierten Spannungszeitflächen vom
Zeitpunkt t45 bis zum Zeitpunkt t46 und vom Zeitpunkt t48 bis zum
Zeitpunkt t49. Dies führt im Zeitabschnitt A von t41 bis t45 zu einem
trapezförmigen Verlauf des Flusses ø in positiver Richtung und im
Zeitabschnitt B von t45 bis t49 zu einem trapezförmigen Verlauf des Flusses
ø in negativer Richtung. Nach jedem Zeitabschnitt A oder B ist der
Transformatorfluß wieder auf seinen Anfangswert zurückgekehrt.
Diese Rückkehr wird durch das erfindungsgemäße Verfahren in jedem
Zeitabschnitt erzwungen. Dabei können in weiterer Ausgestaltung der
Erfindung die Dauer der Zeitabschnitte (z. B. Zeitabschnitt A von t41 bis t45
und Zeitabschnitt B von t45 bis t49) zusätzlich zur Dauer bis zur ersten
Umschaltung (t41 bis t42 bzw. t45 bis t46) frei gewählt und an die jeweiligen
Betriebsbedingungen angepaßt werden. Die Dauer der Zeitintervalle t44 bis
t45 bzw. t48 bis t49 müssen dabei entsprechend Anspruch 1 eingestellt
werden. Ein Beispiel für diese Variation der Dauer der Zeitabschnitte A
und B ist in Fig. 7 dargestellt. Ein stark verkürzter Zeitabschnitt A von t41
bis t45 und ein verlängerter Zeitabschnitt B von t45 bis t49 sind dort in
einer Schaltperiode vereinigt. Der Verlauf 57 der Wechselspannung uW
führt zum Verlauf 58 des Transformatorflusses ø, wobei auch hier die
Rückkehr des Flusses nach jedem Zeitabschnitt A bzw. B stattfindet.
Die Änderung der Dauer eines Zeitabschnitts A oder B kann in weiterer
Ausgestaltung der Erfindung auch noch nach der ersten Umschaltung
innerhalb dieses Zeitabschnitts erfolgen. Tritt dort eine sprunghafte
Vergrößerung der Steuerspannung ein, so kann man beispielsweise sofort
den aktiven Schaltzustand (Zustand Plus bzw. Zustand Minus) einschalten
und die Dauer des Zeitabschnitts entsprechend anpassen.
Derartige Änderungen der Zeitintervalle lassen sich am besten mit
digitalen Steuerungen und Regelungen verwirklichen wie sie insbesondere
in den Merkmalen der Ansprüche 7 und 11 beschrieben sind.
Aber auch mit analogen Mitteln ist das Verfahren realisierbar, was in
weiterer Ausgestaltung der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs
6 beschrieben wird. Fig. 8 zeigt ein Prinzipschaltbild, das diesen
Merkmalen entspricht. Das Vergleichsglied 33, das Zweipunktglied 32 und
die Ansteuerlogik 31 können genau so aufgebaut sein wie im bekannten
Verfahren entsprechend Fig. 3. Als Hilfsspannung wird jedoch eine
dreieckförmige Spannung uhd verwendet, die von einem Dreieckgenerator
34 geliefert wird. Die Steuerspannung uS wird mit dem Halteglied 36 in
eine abgewandelte Steuerspannung uS1 umgewandelt, und letztere dem
Vergleichsglied 33 zugeführt. Bei jedem Umschalten des Zeipunktglieds 32
vom logischen Zustand 0 auf den logischen Zustand 1 wird über ein
Haltesignal in der Leitung 38, der im Zeitpunkt der Umschaltung
vorhandene Wert der Steuerspannung uS im Halteglied 36 festgehalten
und als abgewandelte Steuerspannung uS1 weitergegeben. Erst wenn das
Minimum der Dreieckhilfsspannung erreicht ist wird über die Leitung 39
ein Freigabesignal an das Halteglied gegeben, wodurch die
Steuerspannung uS in ihrem aktuellen Verlauf wieder auf die abgewandelte
Steuerspannung uS1 durchgeschaltet wird.
Für einen impulsförmigen Verlauf der Steuerspannung entsprechend Fig. 5
sind in Fig. 9 die Verläufe bei Anwendung der Steuereinrichtung nach Fig.
8 eingezeichnet. Das Diagramm 81 zeigt die Dreieckhilfsspannung uhd, die
Steuerspannung uS und gestrichelt die abgewandelte Steuerspannung uS1.
Die Zeitpunkte, in denen der ansteigende Ast der Dreieckhilfsspannung die
Steuerspannung schneidet, sind im Diagramm durch die senkrechten
Pfeile z0h gekennzeichnet. Ab dort (z. B. im Zeitpunkt t86) wird die
abgewandelte Steuerspannung konstant gehalten. Damit wird erreicht,
daß der Schnittpunkt mit dem abfallenden Ast der Dreieckspannung (z. B.
im Zeitpunkt t87) auf gleicher Höhe liegt so, daß die Merkmale des
Anspruchs 1 eingehalten werden. In den Minimalwerten der
Dreieckspannung (z. B. im Zeitpunkt t88) wird die abgewandelte
Steuerspannung uS1 wieder auf den laufenden Wert der Steuerspannung
gesetzt. Der Verlauf 82 der Wechselspannung uW zeigt in jedem
Zeitabschnitt A oder B je zwei Spannungszeitflächen (im Beispiel
schraffiert), die umgekehrt gleich groß sind. Damit ergibt sich im
Diagramm 83 beim Verlauf des Flusses ø die Rückkehr zum Ausgangswert
(z. B. im Zeitpunkt t88). Eine Verschiebung des Flusses kann nicht
stattfinden. Das Verfahren zeigt sehr gute dynamische Eigenschaften, da
in jedem Zeitabschnitt die abgewandelte Steuerspannung bis zur ersten
Umschaltung der vorgegebenen Steuerspannung folgt und erst danach die
für die Rückkehr des Flusses notwendigen Abweichungen auftreten.
Wenn man etwas geringere dynamische Eigenschaften zuläßt, kann man
die Merkmale des Anspruchs 1 auch mit einem üblichen Abstasthalteglied
erreichen, in dem man die Steuereinrichtung nach den Merkmalen des
Anspruchs 7 aufbaut, wie es im Prinzipschaltbild Fig. 10 als Beispiel
gezeigt ist. Das Vergleichsglied 33, das Zweipunktglied 32, die
Ansteuerlogik 31, der Dreieckgenerator 34 und die Leitung 39 können
aufgebaut sein wie in Fig. 8. Aus der Steuerspannung uS wird mittels des
Abtast-Halte-Glieds 37 eine Stufenspannung uS2 gebildet, die dem
Vergleichsglied 33 zugeführt wird. Das Steuersignal in der Leitung 39
bewirkt, daß der Wert der Steuerspannung uS stets zum Zeitpunkt des
Minimums der Dreieckspannung abgetastet, festgehalten und als
Stufenspannung uS2 weitergegeben wird.
Für einen impulsförmigen Verlauf der Steuerspannung wie in Fig. 5 sind in
Fig. 11 die durch die Steuereinrichtung nach Fig. 10 erzeugten Verläufe
dargestellt. Diagramm 91 zeigt die Dreieckhilfsspannung uhd, die
Steuerspannung uS und die Stufenspannung uS2. Jeweils im Minimum der
Dreickspannung wird die Stufenspannung auf den aktuellen Wert der
Steuerspannung gesetzt und dann bis zum nächsten Minimum der
Dreieckspannung konstant gehalten. Die Abtastungen sind durch die Pfeile
zah gekennzeichnet. Auch hier treten im Verlauf 92 der Wechselspannung
uW stets umgekehrt gleiche Spannungszeitflächen auf, z. B. die beiden
schraffierten Flächen von t95 bis t96 und von t97 bis t98. Dadurch findet im
Verlauf 93 des Flusses ø auch hier die Rückkehr zum Ausgangswert statt,
z. B. im Zeitpunkt t98, und eine Verlagerung des Flusses ist verhindert. Die
Dynamik der Steuereinrichtung von Fig. 8 wird durch die
Steuereinrichtung nach Fig. 10 nicht ganz erreicht, da der Stufenwert
früher festgelegt wird. Dafür ist der Aufwand etwas geringer.
Auch mit den Steuereinrichtungen nach Anspruch 6 und 7 läßt sich in
weiterer Ausgestaltung der Erfindung eine Anpassung der Zeitabschnitte
an die Betriebsbedingungen verwirklichen. Hierzu kann man entsprechend
Anspruch 8, den Dreieckgenerator 34 so ausführen, daß die Steigung der
Dreieckspannung variabel ist. Die Änderung der Steigung muß dann stets
in den Abtastzeitpunkten, d. h. im Minimum der Dreickspannung erfolgen,
wobei die Anstiegsflanke und die Abfallflanke des darauf folgenden
Dreiecks den gleichen Betrag aufweisen müssen.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung sind insbesondere
zum Aufbau von Gleichstromumrichtern für die Elektroschweißtechnik
gewerblich anwendbar. Die Nützlichkeit besteht darin, daß aufgrund des
erfindungsgemäßen Verfahrens die durch dynamische Vorgänge
verursachte Flußverlagerung im Transformator sicher verhindert wird.
Claims (11)
1. Verfahren zum Steuern eines Gleichstromumrichters mit Wechsel
spannungs-Zwischenkreis nach dem Prinzip des Durchflußwandlers
bestehend aus einem Wechselrichter mit eingeprägter Gleichspannung,
einem Transformator und einem Gleichrichter, wobei der Wechselrichter
die drei Spannungszustände positive Spannung (Zustand Plus), negative
Spannung (Zustand Minus) und Spannung Null (Zustand Null) liefern
kann und eine Wechselspannung erzeugt, deren Perioden aus je einem
Zeitintervall mit positiver und negativer Spannung und jeweils einem
dazwischen liegenden Zeitintervall mit der Spannung Null bestehen,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Steuerung des Wechselrichters die Schaltperiode desselben in zwei
Zeitabschnitte unterteilt wird, wobei in einem Zeitabschnitt (A) die
Umschaltungen vom Zustand Plus auf den Zustand Null und danach vom
Zustand Null auf den Zustand Minus erfolgen und dabei das Zeitintervall
vom Umschalten auf den Zustand Minus bis zum Ende des Zeitabschnitts
A gleich groß vorgegeben wird wie das Zeitintervall vom Beginn des
Zeitabschnitts A bis zum Umschalten auf den Zustand Null, und im
anderen Zeitabschnitt (B) die Umschaltungen vom Zustand Minus auf den
Zustand Null und danach vom Zustand Null auf den Zustand Plus erfolgen
und dabei das Zeitintervall vom Umschalten auf den Zustand Plus bis zum
Ende des Zeitabschnitts B gleich groß vorgegeben wird wie das
Zeitintervall vom Beginn des Zeitabschnitts B bis zum Umschalten auf den
Zustand Null.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Dauer der Zeitabschnitte A und B konstant gehalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Dauer der Zeitabschnitte A und B an die Betriebserfordernisse
angepaßt werden und insbesondere bei dynamischen Vorgängen die Dauer
verkürzt wird, wobei auch unterschiedliche Dauern der Zeitabschnitte A
und B eingestellt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Dauer eines Zeitabschnitts auch nach der ersten Umschaltung in
diesem Zeitabschnitt verändert wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 mit digitalen
Steuerungsmitteln, dadurch gekennzeichnet,
daß die Dauer jedes Zeitabschnitts und die beiden Umschaltzeitpunkte
innerhalb dieses Zeitabschnitts laufend auf Grund eines Steuerspannungs
verlaufs berechnet und mittels eines Zeitwerks eingestellt werden, wobei
der Zeitabstand zwischen der zweiten Umschaltung bis zum Ende des
Zeitabschnitts gleich groß gesetzt wird wie der Zeitabstand vom Beginn
dieses Zeitabschnitt bis zur ersten Umschaltung.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3 mit analogen
Hilfs- bzw. Steuerungsmitteln, dadurch gekennzeichnet,
daß in der Steuerung des Wechselrichters eine symmetrische,
dreieckförmige Hilfsspannung mit gleich großen Anstiegs- und Abfallzeiten
und doppelter Frequenz der Wechselrichter-Ausgangsspannung erzeugt
wird und daß das Einschalten des Zustands Null jeweils im Schnittpunkt
einer Steuerspannung mit der ansteigenden Flanke der
Dreieckhilfsspannung erfolgt und die Größe der Steuerspannung im
Schnittpunkt festgehalten wird und daß die darauf folgende Umschaltung
auf den Zustand Plus bzw. den Zustand Minus im Schnittpunkt der
festgehaltenen Spannung und der nachfolgenden abfallenden Flanke der
Dreieckhilfsspannung erfolgt.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 mit analogen
Hilfsmitteln, dadurch gekennzeichnet,
daß eine stufenförmige Steuerspannung verwendet wird, die nur in den
Zeitpunkten des Tiefstwertes der Dreieckhilfsspannung sprunghaft
geändert und dann bis zum nächsten Sprungzeitpunkt konstant gehalten
wird, und daß in den Schnittpunkten der stufenförmigen Steuerspannung
mit der ansteigenden Flanke der Dreieckhilfsspannungen die
Umschaltungen auf den Zustand Null und in den Schnittpunkten mit der
abfallenden Flanke die Umschaltung auf den Zustand Plus bzw. Minus
erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Steigung der Dreieckhilfsspannung in den Zeitpunkten, in denen
der Minimalwert der Dreieckhilfsspannung auftritt, geändert wird.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die von der Steuerspannung abhängigen Umschaltzeitpunkte der
Wechselrichterausgangsspannung mit einer digitalisierten Steuer
spannung, die sich nur in den Tiefstwerten der Dreieckhilfsspannung
ändert, einem Auf- und Abwärtszähler und einem digitalen Komparator
erzeugt werden.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuerspannung einen Mindestwert der Steuernennspannung
nicht unterschreitet.
11. Vorrichtung zum Steuern eines Gleichstromumrichters mit Wechsel
spannungs-Zwischenkreis nach dem Prinzip des Durchflußwandlers
bestehend aus einem Wechselrichter mit eingeprägter Gleichspannung,
einem Transformator und einem Gleichrichter, wobei der Wechselrichter
die drei Spannungszustände positive Spannung (Zustand Plus), negative
Spannung (Zustand Minus) und Spannung Null (Zustand Null) zu liefern
imstande ist und eine Wechselspannung erzeugt, deren Perioden aus je
einem Zeitintervall mit positiver und negativer Spannung und jeweils
einem dazwischen liegenden Zeitintervall mit der Spannung Null bestehen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuerung des Wechselrichters in der Weise erfolgt, daß die
Schaltperiode des Wechselrichters in zwei Zeitabschnitte unterteilt ist,
wobei in einem Zeitabschnitt (A) die Umschaltungen vom Zustand Plus auf
den Zustand Null und danach vom Zustand Null auf den Zustand Minus
erfolgen und dabei das Zeitintervall vom Umschalten auf den Zustand
Minus bis zum Ende des Zeitabschnitts A gleich groß vorgegeben ist wie
das Zeitintervall vom Beginn des Zeitabschnitts A bis zum Umschalten auf
den Zustand Null, und im anderen Zeitabschnitt (B) die Umschaltungen
vom Zustand Minus auf den Zustand Null und danach vom Zustand Null
auf den Zustand Plus erfolgen und dabei das Zeitintervall vom Umschalten
auf den Zustand Plus bis zum Ende des Zeitabschnitts B gleich groß
vorgegeben ist wie das Zeitintervall vom Beginn des Zeitabschnitts B bis
zum Umschalten auf den Zustand Null.
Priority Applications (4)
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|---|---|---|---|
| DE19805408A DE19805408C2 (de) | 1997-08-20 | 1998-02-11 | Verfahren zur Steuerung eines Gleichstromumrichters mit Wechselspannungs-Zwischenkreis und Vorrichtung hierzu |
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Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
| DE19634713A1 (de) * | 1995-08-28 | 1997-03-06 | Fronius Schweismaschinen Kg Au | Verfahren zur Steuerung von wechselweise an eine Gleichspannung geschalteten Transformatoren |
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1998
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- 1998-08-12 DE DE59805293T patent/DE59805293D1/de not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
| DE19634713A1 (de) * | 1995-08-28 | 1997-03-06 | Fronius Schweismaschinen Kg Au | Verfahren zur Steuerung von wechselweise an eine Gleichspannung geschalteten Transformatoren |
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