DE19945199A1 - Verfahren zur Ansteuerung eines Puls-Umrichters mit Spannungszwischenkreis - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Ansteuerung eines Puls-Umrichters mit Spannungszwischenkreis, bei dem die hohen Stromspitzen am Scheitelpunkt des Stromes vermieden werden, ohne daß dabei die Pulsfrequenz erhöht wird, dabei aber eine hohe Aussteuerung des Stromrichters erreicht wird, die ein Aussetzen der Pulsung während zweimal 60 DEG el zuläßt, ohne daß ein Motor überregt werden muß, und auch bei kleinen Drehzahlen des Motors bis hin zum Stillstand sowie bei einem Netzstromrichter angewendet werden kann. Das gesamte System soll regelbar bleiben und der Oberwellengehalt der Ströme bleibt unverändert gegenüber der durchgängig gepulsten üblichen bekannten Variante. Das Verfahren sieht vor, daß die jeweiligen Phasen zwischen 60 DEG el und 120 DEG el sowie 240 DEG el und 300 DEG el voll ausgesteuert werden, das heißt, nicht gepulst werden, wobei die beiden anderen Phasen voll regelbar bleiben und das Pulsen in den beiden Phasen, die momentan nicht voll angesteuert werden, invers zueinander erfolgt, das heißt, die Ein- und Ausschaltmomente werden versetzt. DOLLAR A Die Erfindung wird vorzugsweise bei Netzstrom-, Motorstromrichter und Stromrichter mit allgemein induktiven Lasten angewendet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Puls-Umrichters mit Spannungszwischenkreis gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es sind dreiphasige Stromrichter mit Spannungszwischenkreis allgemein bekannt, die aus einem Kondensator als Energiespeicher für den Spannungszwischenkreis und aus sechs steuerbaren Ventilen mit antiparallel geschalteten Dioden bestehen. Die verwendeten IGBT stehen stellvertretend für beliebige ausschaltbare Halbleiterschalter. Das Dreiphasensystem kann ein Dreiphasennetz oder auch ein Drehstromverbraucher, beispielsweise ein Motor sein. An die Klemmen R, S T wird ein induktiver Drehstromverbraucher oder ein Dreiphasennetz mit einer Mindesteigenimpedanz bzw. mit vorgeschalteter Drossel angeschlossen. Bekannterweise werden diese sechs Ventile so angesteuert, daß an den Anschlußklemmen R, S und T eine lattenzaunförmige Spannung durch Puls-Breiten-Modulation PWM derart entsteht, daß ein daraufhin fließender Strom in der Regel einen sinusförmigen Verlauf nimmt. Die Amplitude dieser Spannung an den Klemmen R, S und T wird durch die Höhe der Zwischenkreisspannung begrenzt. Dabei werden die Ventile mehr oder weniger regelmäßig geschaltet. In diesen Ventilen entstehen durch den einfachen Stromfluß und durch das Ein- und Ausschalten Verluste. Diese nachteiligen Verluste steigen bei höherem Strom (Durchlaßverluste) und höheren Schaltfrequenzen (Schaltverluste) an. Auf Grund der pulsenden Arbeitsweise des Stromrichters ist die Kurvenform des Stromes in den Phasen R, S und T nicht einfach sinusförmig, sondern mit der Pulsfrequenz überlagert. In Abhängigkeit von den Induktivitäten in den Phasen R, S und T kann die Amplitude dieser überlagerten Pulsfrequenz große Werte annehmen. Die Amplitude ist desto größer, je kleiner die Induktivität ist. Das ist besonders zu beachten, wenn sich die Induktivität, insbesondere bei hoher Strombelastung reduziert. Eine Verringerung der Induktivität ist auch bei erhöhter Betriebstemperatur der angeschlossenen Drossel zu berücksichtigen. Jetzt kann es passieren, daß während die Amplitude der Grundwelle des Stromes keine kritischen Werte annimmt, der Augenblickswert des Stromes wegen der überlagerten Pulsfrequenz zulässige Grenzen überschreitet und damit ein Überstrom auftritt.

Bei in der Regel vorgegebener Induktivität (z. B. Motor oder Drosseln bei Netzstromrichtern) kann der Überstrom nachteiligerweise nur durch Erhöhung der Pulsfrequenz vermieden werden. Damit entstehen jedoch erhöhte Schaltverluste in den Ventilen, die diese Möglichkeit oft aus thermischen Gründen (Überhitzen der Ventile) ausschließen.

Für einen dreiphasigen Stromrichter mit Spannungszwischenkreis und angeschlossenem Motor kann bei geeignet gewähltem Verhältnis der Zwischenkreisspannung zur benötigten Klemmspannung des Motors bekannterweise eine trapezförmige Spannung an den Motor angelegt werden. Dazu wird die Aussteuerung des Stromrichters derart erhöht, daß er über weite Bereiche voll ausgesteuert betrieben wird, d. h., er wird abschnittsweise im Vollblock-Betrieb gefahren. Die im Vollblock arbeitenden Phasen bleiben damit konstant angesteuert. Innerhalb eines Phasenmoduls ist ein Ventil 1.1 voll angesteuert, das andere Ventil 1.4 ist aus oder umgekehrt. Dieses Verhalten trifft auch für die anderen Paare (1.3 und 1.6 bzw. 1.5 und 1.2) zu. Da die Zwischenkreisspannung nicht beliebig klein gewählt werden kann, ist dieses bekannte Verfahren nachteiligerweise nur im Bereich der Nennspannung des Motors möglich. Das bedeutet, daß der Motor mit ungefähr Nenndrehzahl oder darüber oder aber überregt betrieben wird. Auf Grund der magnetischen Eigenschaften der Motoren ist ein Überregen des Motors jedoch nur bedingt möglich.

Wendet man diese Verfahren im Netzstromrichter an, so erhält man einen höheren Oberwellengehalt bzw. einen cos ϕ ≠ 1, den man gerade mit gepulsten Netzstromrichtern vermeiden will.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ansteuerung eines Puls- Umrichters mit Spannungszwischenkreis zu schaffen, das die aus dem Stand der Technik genannten Nachteile beseitigt, wobei die hohen Stromspitzen am Scheitelpunkt des Stromes vermieden werden, ohne daß die Pulsfrequenz erhöht werden muß, dabei aber eine hohe Aussteuerung des Stromrichters erreicht wird, die ein Aussetzen der Pulsung (Vollblockbetrieb) während zweimal 60° el gestattet, und bei Verwendung eines Motors dieser nicht übererregt werden muß, auch bei kleinen Drehzahlen bis hin zum Stillstand. Das erfindungsgemäße Verfahren soll auch bei Netzstromrichtern Anwendung finden. Das gesamte System soll dabei regelbar bleiben und der Oberwellengehalt der Ströme soll sich nicht vergrößern gegenüber der durchgängig gepulsten üblichen bekannten Variante. Das ist für Stromrichter von Vorteil.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst, wobei die jeweiligen Phasen zwischen 60° el und 120° el sowie 240° el und 300° el voll ausgesteuert werden, das heißt nicht gepulst werden und die beiden anderen Phasen voll regelbar bleiben und damit das dreiphasige Gesamtsystem regelbar, insbesondere die Regelbarkeit der Oberwellen erhalten bleibt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1: die Prinzipschaltung eines bekannten dreiphasigen Stromrichters mit Spannungs- Zwischenkreis,

Fig. 2: die Darstellung der Phasen bei möglichen Vollblockbetrieb für ausgewählte Ventile,

Fig. 3: die grafische Darstellung nicht versetzter und versetzter Pulsung.

Fig. 4: Darstellung des betragskonstanten Spannungsverlaufes der Spannung U,

Fig. 5: Darstellung des angepassten Spannungsverlaufes der Spannung U.

Nach Fig. 1 stellt das an die Phasen R, S und T angelegte Spannungssystem ein Dreiphasensystem dar, dessen virtueller Sternpunkt bei Null liegt. Dieser Sternpunkt ist frei beweglich. Die Summe aller Ströme in diesem Sternpunkt ist somit Null. Die Ansteuerung der Ventile 1.1 bis 1.6 erfolgt derart, daß die drei Anschlußspannungen RST mit einer für alle gleichen geeigneten und gegebenenfalls zeitlich veränderten Spannung U beaufschlagt wird, das heißt, dieser Sternpunkt wird derart in positiver Richtung verschoben, daß die zu erzeugende Spannung in der Phase R eine Vollaussteuerung zwischen 60° el und 120° el der Spannung ermöglicht. Zwischen 120° el und 180° el der Phase R wird der Sternpunkt wie beschrieben durch Addieren einer negativen Spannung U auf alle Phasen RST in negative Richtung verschoben, um hier für diese Zeit eine Vollaussteuerung der entsprechenden Ventile zu ermöglichen. Dieser Abschnitt entspricht 240° el bis 300° el der Phase T. In diesem Rhythmus, das heißt alternierend alle 60° el, wird der Sternpunkt für die Dauer von jeweils 60° el zwischen einem geeignet gewählten positiven und negativen Bereich verschoben. Während der Zeit der jeweiligen Vollaussteuerung wird das Pulsen für beide Phasenventile (1.1 und 1.4 für Phase R; 1.3 und 1.6 für Phase S; 1.5 und 1.2 für Phase T) ausgesetzt (Vollblockbetrieb). Somit treten für die Dauer von bis zu 1/3 der Grundfrequenz je Phase keine Schaltverluste auf. In Fig. 2 sind die Zeitabschnitte dargestellt, in denen die Ventile 1.1 bis 1.6 nicht gepulst werden. Der maximale Effekt für die Vermeidung von Schaltverlusten wird dann erzielt, wenn die Strom- und Spannungs-Betragsmaxima gleichzeitig auftreten.

Wird dieses Verfahren der Vollaussteuerung angewendet, so wird in den beiden noch pulsenden Phasen gemäß Fig. 3 die Pulsung um 180° der Pulsfrequenz gegeneinander verschoben. Damit entsteht in der nicht pulsenden Phase ein Strom mit einer Welligkeit, die der doppelten Pulsfrequenz entspricht. Diese scheinbar doppelte Pulsfrequenz in der nicht pulsenden Phase führt dazu, daß die Welligkeit auf Grund der Pulsung halbiert wird. Damit liegen die Augenblickswerte des Stromes bei gleicher Grundwelle dichter an dieser Grundwelle, als ohne die versetzte Pulsung. Überströme, wegen zu geringer Induktivität, können so vermieden werden. Je mehr der Strom in Phase zu seiner Spannung fließt (Wirkstrom), desto besser wird der Bereich um 90° el des Stromes erfaßt und es kann somit ein eventuell auftretender Überstrom vermieden werden. Gemäß Fig. 4 und 5 wird die Verschiebung des virtuellen Sternpunktes gezeigt.

Claims (4)

1. Verfahren zur Ansteuerung eines Puls-Umrichters mit Spannungszwischenkreis mit sinus- als auch nicht sinusförmigen Spannungen, unter Verwendung einer aus sechs Halbleiterventilen bestehenden Brücke mit antiparallelen Dioden, dadurch gekennzeichnet, daß sechs Ventile (1.1 bis 1.6) so angesteuert werden, daß ein gegenüber einem fiktiven Sternpunkt um eine Spannung (U) verschobenes Dreiphasensystem an RST entsteht, das zeitweise die jeweilige Phase in Vollblock zu jedem beliebigen Arbeitspunkt bei voll regelbaren Dreiphasenstrom betrieben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung (U) eine alle 60° el alternierende Konstante ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung (U) zu beliebigen Zeitpunkt aus der Differenz vom Betrag der höchsten Spannung aus dem Dreiphasensystem RST und der maximal erzeugbaren Spannung gebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulsen in den jeweils nicht im Vollblock arbeitenden Phasen um 180° der Pulsfrequenz versetzt wird.