DE2112186A1

DE2112186A1 - Verfahren zur Steuerung eines Pulswechselrichters

Info

Publication number: DE2112186A1
Application number: DE19712112186
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Dipl-Ing Bayer; Hermann Dr-Ing Tappeiner; Hermann Dipl-Ing Waldmann; Manfred Dipl-Ing Weibelzahl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-03-13
Filing date: 1971-03-13
Publication date: 1972-09-14
Also published as: ES400705A1; CA945203A; DE2112186C3; AU3996072A; AU464268B2; CH541251A; ZA721708B; US3820003A; SE384615B; DE2112186B2; JPS557069B1; FR2129562A5; GB1375488A

Description

Verfahren zur Steuerung eines Pulswechselrichters

Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zur Steuerung eines Pulswechselrichters für die Drehzahlsteuerung von Drehfeldmaschinen, insbesondere Asynchronmaschinen.

Für die Wechselrichtersteuerung von Drehfeldmaschinen ist es bekannt, eine Impulsbreitenmodulation einer konstanten Gleichspannung mit Hilfe von Pulswechselrichtern so durchzuführen, daß Spannung und Frequenz veränderbar sind.

Ein Nachteil bekannter Steuerverfahren ist darin gelegen, daß eine Synchronisation zwischen einer Referenzspannung und dem Impulsbild, z.B. bei schnellen Änderungen der Frequenz, nicht oder nur mit erheblichem Aufwand möglich ist, besonders dann, wenn die Referenzkurve extern von der Regelung vorgegeben wird.

Demgegenüber ist es ein Ziel der Erfindung, bei geringem Aufwand die erforderliche Synchronisation sicher zu stellen.

Eine weitere Aufgabe wird darin gesehen, eine größere Freizügigkeit im Impulsbild zu erreichen, um eine optimale Ausnutzung der gegebenen Gleichspannung des Wechselrichters zu gewährleisten.

Demgemäß besteht die Erfindung bei dem Verfahren zur Steuerung eines Pulswechoelriohters für die Drehzahlsteuerung von Drehfeldmaschinen, inabesondere Asynchronmaschinen, darin, daß

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zur Bildung der Steuersignale für den Yfechselrichter der Schnittpunkt einer Referenzkurve mit periodischem Verlauf,, deren Frequenz der gewünschten Grundschwingungsfrequenz der Wechselrichterausgangsspannung entspricht, mit einer "bestimmbaren Anzahl von innerhalb der Periodendauer mindestens annähernd konstanten Gleichspannungsniveaus gebildet wird, deren Lage nach einer gewünschten Gesetzmäßigkeit in Abhängigkeit von einer Steuerspännung, deren Höhe von der gewünschten Amplitude der Grundschwingung abhängt, veränderbar ist.

Die Referenzkurve ist zweckmäßig eine Sinuskurve konstanter Amplitude; sie kann aber auch eine Sägezahn-, Dreiecks- oder Trapezkurve sein.

Die der gewünschten Amplitude der Grundschwingung entsprechende Steuerspannung wird nach einem weiteren Merkmal der Erfindung dem Eingang einer Verstärkerkette eingegeben, deren Ausgänge zwei gewünschte Gleichspannungsniveaus bilden.

Die Anzahl der Niveaus kann gleich eins oder - durch ent-, sprechende Vervielfachung der Verstärkerkette - vergrößerbar sein.

Die in ihrer Spannungshöhe veränderbaren G-leichspannungsniveaus sollen so geführt sein, daß sich ein maximaler Grundschwingungsgehalt und ein minimaler Oberschwingungsgehalt der Wechselrichte raus gangs spannung ergibt.

Die Erfindung sei nachstehend anhand von 5 Figuren näher erläutert.

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Nach Fig. 1 erfolgt die Bildung der Steuersignale für den Pulswechselrichter durch Vergleich einer Referenzkurve r mit. z.B. zwei Spannungsniveaus a. , 'a_r>, welche nach bestimmten Gesichtspunkten in·Abhängigkeit von einer Steuerspannung TJ₀. geführt werden. Y/ie die Fig. 1 zeigt, geschieht die Steuersignalbildung durch Schnitt einer normierten Sinusreferenzspannung r mit den beiden Spannungsniveaus a.. , ap. Ein solches Verfahren bietet zwei Vorteile: Das entstehende Impulsbild Z ist automatisch synchron zur Referenzkurve, r, und durch geeignete Führung der Niveaus a. und a^ lassen sich nach dem Erreichen der Mindestimpulszeit ΐ_..:_η die Impulslücken Z^ durch Absenken der Niveaus a. und a_? nach außen schieben, wodurch eine gute Ausnutzung der gegebenen Gleichspannung für den Wechselrichter zur Erzeugung einer hohen Grundschwingungsspannung erreicht wird.

Die Fig. 2 veranschaulicht ein Beispiel für die Führung von zwei Niveaus a.. und a_?, während Fig. 3 aufzeigt, wie diese Niveauführung mit Hilfe von Verstärkern V1 bis V5 realisierbar ist. Die Niveaus a..und a_? werden mit der Referenzkurve r verglichen, \vobei bei Spannungsgleichheit nicht näher veranschaulichte Grenzwertmelder schalten und somit die Impulsfolge für die Zündsignale Z (Fig. 1) bilden. Die Spannungen b und b ' bestimmen die Mindestimpulszeit t· . .

O IuXZl

Gemäß Fig. 3 wird dem Verstärker V5 eingangsseitig über den Eingang 1 die positive Steuerspannung TJ . und über den Eingang

2 die negative Voreinspeis-ung N zugeführt. Der Ausgang des Verstärkers V5 liegt am Eingang 2 des Verstärkers V1, an dessen Eingang 1 die negative Spannung b und an dessen Eingang

3 die positive Steuerspannung TJ₅, liegt. Der Ausgang des Verstärkers V1 belegt den Eingang 2 des Verstärkers V2, dessen Eingang 1 ebenfalls die negative Spannung b_Q erhält. Der Aus-

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gang des Verstärkers V2 ist an die Ausgangsklemme A₁ und überdies an den Eingang 3 des Verstärkers V4 angeschlossen, dessen Ausgang an die Ausgangsklemme A₂ angeschlossen ist und dessen Eingang 1 die negative Spannung b ' führt, während der Eingang 2 des Verstärkers V4 an den Ausgang des Verstärkers V3 angeschlossen ist. Der Eingang 1 des Verstärkers V3 führt die negative Spannung b ', der Eingang 2 des Verstärkers V3 ist durch die negative Steuerspannung IT . belegt, während der Eingang 3 des Verstärkers V3 an der positiven Voreinspeisung P liegt.. An den Ausgängen A^ und A₂ entstehen die gewünschten Gleichspannungsniveaus a.. und a,-,.

Ein Prinzipschaltbild eines dreiphasigen Pulswechselrichters, bei dem die Veränderung der Frequenz und Klemmenspannung durch Impulsbreitenmodulation bei konstanter Gleichspannung erfolgt, ist in der Fig. 4 veranschaulicht. Der Wechselrichter läßt sich als Kombination periodisch arbeitender Schalter auffassen. Bei dem dargestellten Wechselrichter mit Drehstromausgang legen die Schalter Sch abwechselnd den positiven Pol P oder den negativen Pol N einer Gleichspannungsquelle, welche die Versorgungsgleichspannung U, führt, an die Maschinenklemmen R, S und T. Dem elektronischen Steuerteil obliegt es, die Stellungen dieser Schalter Sch periodisch so zu wechseln, daß zwischen den Maschinenklemmen R, S, T ein dreiphasiges symmetrisches Wechselspannungssystem entsteht, dessen Grundschwingung eine vorgegebene Frequenz und Amplitude besitzt.

Die Fig. 5 veranschaulicht ein Beispiel für den Spannungs- und Stromverlauf bei dieser Impulsbreitenmodulation. Die Kurvenzüge a sind die Sj)annungen zweier Maschinenklemmen gegen den Gleichspannungsmittelpunkt M (Fig. 4). Der Kurvenzug b gibt dann die zugehörige Leiterspannung und der Kurvenzug c den Laststrom wieder, wie er beispielsweise im Wicklungsstrang

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einer im Dreieck geschalteten Maschine fließt. Aus der Fig. 5 ist desweiteren ersichtlich, daß die leiterspannung neben dem angedeuteten Grundschwingungsanteil zwangsläufig Oberschwingungen verschiedener Frequenzen enthält» Solche Spannungsoberschwingungen haben in der Maschine Stromoberschwingungen zur Folge, welche diese'zusätzlich belasten. Die Modulation ist daher so durchzuführen, daß die in ihrer Spannungshöhe veränderbaren Gleichspannungsniveaus a.. bis a so geführt sind, daß sich ein maximaler Grundschwingungsgehalt und ein minimaler Oberschwingungsgehalt der Wechselriehterausgangsspannung ergibt. Verbleibende Oberachwingungen sollen eine so hohe Frequenz besitzen, daß damit die Oberschwingungsströme durch die in der Maschine vorhandenen Streureaktanzen kleingehalten werden. Ein hoher Grundschwingungsgehalt der Leiterspannung läßt sich erreichen, wenn die Impulsbreiten proportional zu den Augenblickswerten der Grundschwingung variiert werden. Die gewünschte Grundschwingung wird als Referenzspannung vorgegeben.

Man gewinnt ein Modulationsverfahren mit großer Freizügigkeit in der Wahl der Schaltzeitpunkte, wenn die Referenzspannung durch ein -System von Gleichspannungen abgetastet wird. Zu diesem Zweck besitzt die Referenzspannung mit der geforderten Grundfrequenz eine konstante Amplitude. Wird die Spannung gegen den Gleichspannungsjnittelpunkt im Schnittpunkt der Referenzkurve mit einem Gleichspannungsniveaus a., b.^ ... a umgeschaltet, so kann ihr Mittelwert über einen definierten Zeitabschnitt zwischen dem positiven und dem negativen Gleichspannungspotential verändert werden. Durch entsprechende Anzahl und Führung der Niveaus a läßt sieh ein geeigneter Spannungsverlauf erreichen.

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Ein wichtiges Kriterium für die Beurteilung des Modulationsverfahrens ist die maximal erreichbare Grundschwingungsamplitude der Wechselrichterausgangsspannung. Sie steht in engem Zusammenhang mit den Wechselrichtereigenschaften. In der Fig. 5-wurde der Spannungsverlauf im nicht modulierten Betrieb angedeutet. Die Leiterspannung besteht dort aus Spannungsabschnitten von 120° Breite. Mit dieser Spannungsform läßt sich bei einer gegebenen Versorgungsgleichspannung der größte Grundschwingungseffektivwert -erreichen. Aus der modulierten Spannungsform entsteht sie dadurch, daß die Zeitabschnitte entgegengesetzten Potentiales in den Kurvenzügen a verschwinden. Praktisch ist ein solcher Übergang nicht kontinuierlich möglich, da zwischen zwei Umschaltvorgängen einer Wechselrichterphase eine Mindesteinschaltdauer eingehalten werden muß, welche die Zeitdauer des Kommutierungsvorganges berücksichtigt.

Bin sprunghafter Übergang auf den nicht modulierten Zustand ist - insbesondere im geregelten Betrieb eines solchen Thyristor-Wechselrichters - meist nicht zulässig. Im modulierten Betrieb läßt sich daher nicht ganz die Grundschwingungsamplitude erreichen, die dem Spannungsabschnitt von 120 Breite entspricht. Die Annäherung ist umso besser, je geringer die Zahl der Schaltvorgänge in jeder Halbschwingung ist. Die Spannungsausnutzung nimmt also mit abnehmender Pulsfrequenz zu. Weiter folgt aus den Gesetzen der harmonischen Analyse ein Anwachsen der Grundschwingungsamplitude mit zunehmender Entfernung der Schaltzeitpunkte - und damit der verbleibenden Spannungsausschnitte - aus der Mitte der Grundschwingungshalbperiode.

6 Patentansprüche
5 Figuren

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Claims

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Pa t e η t a η s p r ü ο h e

/iΛ Verfahren zur Steuerung eines Pulswechselrichters für die Drehsahlsteuerung von Drehfeldmaschinen, insbesondere Asynchronmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Steuersignale für den Wechselrichter der Schnittpunkt einer Referenzkurve (r) mit periodischem Verlauf, deren Frequenz der gewünschten Grundschwingungsfrequenz der Wechselrichterausgangsspannung entspricht, mit einer bestimmbaren Anzahl (1 "bis n) von innerhalb der Periodendauer mindestens annähernd konstanten Gleichspannungsniveaus (a^ - a ) gebildet wird, deren Lage nach einer gewünschten Gesetzmäßigkeit in Abhängigkeit von einer Steuerspannung (U ,), deren Höhe von der gewünschten Amplitude der Grundschwingung abhängt, veränderbar ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzkurve (r) eine Sinuskurve konstanter Amplitude ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzkurve (r) eine Sägezahn-, Dreiecks- oder Trapezkurve ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der gewünschten Amplitude der Grundschwingung entsprechende Steuerspannung .(U .) dem Eingang einer Verstärksrkette (V1 bis V5) eingegeben wird, deren Ausgänge (A^, A₂) zwei gewünschte Gleichspannungsniveaus (al, a2) bilden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Niveaus (al bis a ) gleich eins ist oder durch entsprechende Vervielfachung der Verstärkerketten (V) ver-'größerbar ist.

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BAD ORIGINAL

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6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in ihrer Spannungshöhe veränderbaren G-leichspannungsniveaus (al bis a ) so geführt sind, daß sich ein maximaler G-rundschwingungsgehalt und ein minimaler Oberschwingungsgehalt der Wechselrichterausgangsspannung ergibt.
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