DE2112186B2 - Verfahren zur Bildung der Steuersignale eines Pulswechselrichters für die Drehzahlsteuerung von Drehfeldmaschinen sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

5. Anordnung zur Durchführung des Verfah- stanten Gleichspannungsbeträgen gebildet sind, deren rens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 45 Größen nach einer gewünschten Gesetzmäßigkeit in daß die der gewünschten Amplitude der Grund- Abhängigkeit von einer Steuerspannung, deren Betrag schwingung entsprechende Steuerspannung (U,,) von der gewünschten Amplitude der Grundschwindem Eingang einer Verstärkerkette (Fl bis V5) gung der Ausgangswechselspannung abhängt, vervorgegeben ist, deren Ausgänge (A,, A, ₂) die ge- änderbar ist.

wünschten Hilfsgleichspannungen (a_p a₂) abgeben. 50 Als besonderer Vorteil dieseo Verfahrens wird es angesehen, daß die Lage der einzelnen Anstiegs- und

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Abfallflanken der Impulse in jeder Halbperiode der Bildung der Steuersignale eines Pulswechselrichters Ausgangswechselspannung durch Veränderung der für die Drehzahlsteuerung von Drehfeldmaschincn, Größe der Gleichspannungsbeträge frei nach Wunsch insbesondere Asynchronmaschinen, bei dem die 55 eingestellt werden kann. Bei vorgegebener Anzahl Schnittpunkte einer Referenzspannungskurve mit von Impulsen pro Halbperiode, also bei vorgegebener periodischem Verlauf, deren Frequenz der gewünsch- Anzahl von Hilfsgleichspannungskurven, läßt sich ten Grundschwingungsfrequenz der Ausgangswcchsel- jedes gewünschte Steuerimpulsbild erzeugen. Damit spannung des Pulswechselrichters entspricht, mit läßt sich eine optimale Ausnutzung der gegebenen mindestens einer Hilfsspannungskurve verwendet 60 Versorgungsspannung des Pulswechselrichters gewerden, sowie eine Anordnung zur Durchführung des währleisten.
Verfahrens. Die Referenzspannungskurve ist zweckmäßiger-

Ein solches Verfahren ist z. B. unter dem Namen weise eine Sinuskurve konstanter Amplitude; sie

»Unterschwingungsverfahren« aus den BBC-Nach- kann aber auch eine Sägezahn-, Dreiecks- oder

richten, 1966, Seite 44 bis 52 bekannt. Danach wird 65 Trapezkurve sein.

eine sinusförmige Referenzspannungskurve mit der Zwecks Einhaltung einer Mindestimpulszeit ist es

Frequenz der gewünschten Grundschwingung durch angebracht, daß die Gleichspannung der Hilfsgleich-

eine Hilfsspannungskurve, und zwar eine symmetri- spannungskurve mit dem kleinsten Gleichspannungs··

betrag so gefuhrt wird, daß ein bestimmter Mindest- nungskurve r verschieber,. Diese Verschiebung kann spannungswert nicht unterschritten wird. Entspre- mit Hilfe der Steuerspannung ü_st so lange durchgehend ist es zwecks tinnaltung einer Mindestdauer führt werden, bis ein vorgegebener zeitlicher Minder Impulslucken angebracht, daß die Gleichspan- destabstand i_mill von den Nulldurchgängen erreicht nungen benachbarter Hilfsgleichspannu.igskurven so 5 ist. Dieser zeitliche Mindestabstand r_rain entspricht geführt werden, daß ein bestimmter Mindest- dem in Fig. 2 eingezeichneten Mindestspannungsabstands-Spannungswert nicht unterschritten wird. wert b„ der unteren Hilfsgleichspannungskurve a_r

Vorteilhafterweise kann ferner so vorgegangen Ein solches Verfahren bietet zwei Vorteile: Das

werden, daß die Gleichspannungen zweier Hilfs- entstehende Steuerimpulsbild Z ist automatisch syn-

gleichspannungskurven in Abhängigkeit von der io chron zur Referenzspannungskurve r, und durch

gemeinsame.! Steuerspannung so geführt werden, daß geeignete Führung der Gleichspannungen der Kurven

nach Erreichen des Mindestabstands-Spannungswer- α, und a., im Steuerabschnitt II läßt sich eine gute

tes, der einer Mindestdauer für jede Inipulslücke Ausnutzung der gegebenen Versorgungsgleichspan-

entspricht, beide Gleichspannungen zwecks Verschie- nung für den Pulswechselrichter zur Erzeugung einer

bung der Impulslücken nach außen in Richtung auf 15 hohen Grundschwingungsspannung erreichen,

die Nullpunkte der Referenzspannungskurve abge- Fig. 3 zeigt eine Anordnung zur Bildung und

senkt werden. Führung der Gleichspannungen gemäß Fig. 2 mit

Eine Anordnung z_u.- Durchführung des Verfahrens Hilfe von Verstärkern V1 bis ^5.

zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß die Gemäß Fi^. 3 wird dem Verstärker V 5 eingangs-

der gewünschten Amplitude der Grundschwingung 20 seitig über den Eingang 1 die positive Steuerspannung

entsprechende Steuerspanr,~ng dem Eingang einer (Λ, und über den Eingang 2 eine neg.ative Voreinspei-

Verstärkerkette vorgegeben ist, deren Ausgänge die sespannung/V,, zugeführt. Der Ausgang des Verstär-

gewünschten Gleichspannungen abgeben. kersK5 liegt am Eingang 2 i*s Verstärkers V1, an

Die in ihrer Spannungshöhe veränderbaren Hilfs- dessen Eingang 1 der negative Mindestspannungsgleichspannungskurven sollen so geführt sein, daß 25 wert b„ und an dessen Eingang 3 die positive Steuersich ein maximaler Grundschwingungsgehalt und ein spannung (A₁ liegt. Der Ausgang des Verstärkers V1 minimaler Oberschwingungsgehalt der Ausgangs- belegt den Eingang 2 des Verstärkers Vl, dessen spannung des Pulswechselrichters ergibt. Eingang 1 ebenfalls den negativen Mindestspannungs-

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von fünf wert b„ erhält. Der Ausgang des Verstärkers Vl ist

Figuren näher erläutert. 30 an die Ausgangsklemme-4, und überdies an den Ein-

Nach Fig. 1 erfolgt die Bildung der Steuer- gang 3 des Verstärkers V4 angeschlossen, dessen

signale, die für die Impulsbreitenmodulation der Ausgang an die Ausgangsklemmen., angeschlossen

Ausgangswechselspannung eines Pulswechscliichteri ist und dessen Eingang 1 den negativen Mindestspan-

verwendet werden, durch Vergleich einer Referenz- nungswert ft„ führt, während der Eingang 2 des Ver-

spannungskurveτ mit z.B. η 2 Hilfsgleichspan- 35 stärkers V4 an den Ausgang des Verstärkers V3 an-

nungskurven α,, a₂, welche nach bestimmten Ge- geschlossen ist. Der Eingang 1 des Verstärkers V3

Sichtspunkten in Abhängigkeit von einer Steuerspan- führt ebenfalls den negativen Mindestabstands-

nungUt (vergl. Fig. 2) geführt werden. Wie die Spannungswert b„; der Eingang 2 des Verstärkers V3

F i g. 1 zeigt, geschieht die Steuersignalbildung durch ist durch die negative Steuerspannung t/._t belegt,

Schnitt der normierten sinusförmigen Referenzspan- 4° während der Eingang 3 des Verstärkers V 3 an einer

nungskurve τ mit den beiden Hilfsgleichspannungs- positiven Voreinspeisespannung P_n liegt. An den

kurven α,, α₂. Ausgängen A_x und A₂ entstehen die gewünschten

Die Referenzspannungskurve r wird mit den Hilfs- Gleichspannungskurven α, und a.,.
gleichspannungskurven a_v «„ verglichen; jeweils bei Ein Prinzipschaltbild eines dreiphasigen Puls-Spannungsgleichheit schalten (nicht gezeigte) Grenz- 45 Wechselrichters, bei dem die Veränderung der Frewertmelder. Diese bilden eine Folge von Zünd- und quenz und der Ausgangswechselspannung durch Steuerimpulsen, die als Steuerimpulsbild Z im unteren Impulsbreitenmodulation bei konstanter Versor-Teill von Fig.! dargestellt sind. Dem Steuerimpuls- gungsgleichspannung erfolgt, ist in der F i g. 4 verbildZ entspricht der Potentialverlauf an einer Aus- anschaulicht. Der Pulswechselrichter läßt sich als gangsklemme des Pulswechselrichters. 5° Kombination periodisch arbeitender Schalter Sch,

Die Fig. 2 veranschaulicht ein Beispiel für die Sc/?', Sch" auffassen. Bei dem dargestellten Puls-Führung der beiden Gleichspannungen der Hilfs- wechselrichter mit Drehstromausgang legen die gleichspannungskurven α, und α* in Abhängigkeit von Schalter Sch, Sch', Sch" abwechselnd den positiven der Steuerspannung U_fi. In einem ersten Steuer- Pol P oder den negativen Pol N einer Gleichspanabschnitt I wird der Abstand b' der beiden Gleich- 55 nungsquelle, welche die Versorgungrgleichspannung Spannungskurven a_v a_t mit steigende·. Steuerspan- IAi führt, an die Klemmen R, S und T der angeschlosnurig t/_st gleichförmig verringert. Dadurch werden senen Drehfeldmaschine M. Dem elektronischen die beiden Impulslücken Z_L der Breite /' in F i g. 1 Steuerteil obliegt es, die Stellungen dieser Schalter verkleinert, bis sie eine zulässige Mindestdauer »'„,,„ Sch, Sch', Sch" periodisch so zu wechseln, daß zwierreicht haben. Der Mindestdauer t'_mUl entspricht der 60 sehen den Klemmen R, S, T ein dreiphasiges symme-Mindestabstands-Spannungswert b'„ der beiden Hilfs- trisches Wechselspannungssystem entsteht, dessen gleichspannungskurven a_v a_ä in F i g. 2. Nach Errci- Grundschwingung eine vorgegebene Frequenz und chen dieser Mindestdauer /'_min lassen sich die beiden Amplitude besitzt.

ImpulslückenZ_L in einem zweiten SteuerabschnittII Die Fig. 5 veranschaulicht ein Beispiel für den

unter Beibehaltung ihrer Mindestbreite /'_Inill durch 65 Spannungs- und Stromverlauf bei einer erfindungsglekhzeitiges und paralleles Absenken der Gleich- gemäßen Impulsbreitenmodulation, bei der im Ge-

spainnungen der Kurven α,, α. jeweils nach außen in gensatz zu Fig. 1 und 2 η = A- Hilfsgleichsspan-

Richtung auf die Nulldurchgänge der Referenzspan- nungskurven α, ... a_a verwendet werden. Die Kur-

5 ^J 6

venzüge/11 und Al zeigen den Spannungsverlauf der Gleichspannungskurven α, ... a„ läßt sich also

{/»Μ bzw. U.sM an zwei Klemmen R bzw. S gegen ein geeignetes Steuerimpulsbild und damit ein ge-

den GleichspannungsmittelpunktM (Fig. 4). Der wünschter Verlauf der Ausgangswechselspannung

Kurvenzug A 3 gibt die zugehörige Leiterspannung erreichen.

Uks und der Kurvenzug c den Lastslrom wieder, wie 5 Ein wichtiges Kriterium für die Qualität der er beispielsweise als Strom /us im Wicklungsstrang Impulsbreitenmodulation ist die maximal erreichbare einer im Dreieck geschalteten Drehfeldmaschine M Grundschwingungsamplitude in der Ausgangswechfließt. Aus der F i g. 5 ist ersichtlich, daß die Leiter- selspannung des Pulswechselrichters. Sie steht in spannung Uns (Kurvenzug A 3) neben dem strich- engem Zusammenhang mit den Wechselrichtereigenpunktiert angedeuteten Grundschwingungsanteil 10 schäften. In Fig. 5 ist gestrichelt der Spannungszwangläufig Oberschwingungen verschiedener Fre- verlauf im nicht-modulierten Betrieb eingezeichnet, quenzen enthält. Solche Spannungsoberschwingungen Die Leiterspannung l/_KS besteht dort aus Spannungshaben in der Drehfeldmaschine M Stromoberschwin- abschnitten von 120° Breite. Mit diesem nicht-modugungen zur Folge, welche diese zusätzlich belasten. lierten Spannungsverlauf wird bei einer gegebenen Die Impulsbreitenmodulation, d.h. die Einstellung 15 VersorgungsgleichspannungIZ₁₁ der größte Effcklivder einzelnen Impulse in der Leiterspannung l/us wert der Grundschwingung erreicht. Man erhält den nach Breite und Lage durch Führung der in ihren gestrichelten Spannungsverlauf aus den impulsbreiten-Beträgen veränderbaren Gleichspannungskurvene, modulierten Spannungsverläufen A1, Al dadurch, bis a„, ist daher so durchzuführen, daß sich ein maxi- daß die einzelnen negativen Impulse in der jeweiligen maler Grundschwingungsgehalt und ein minimaler ao positiven Halbschwingung und die positiven Impulse Oberschwingungsgehalt in der Ausgangswechselspan- in der jeweiligen negativen Halbschwingung vernung des Pulswechselrichters ergibt. Noch verblei- schwinden. Praktisch ist ein solcher Übergang vom bende Oberschwingungen sollen eine so hohe Fre- modulierten in den nicht-modulierten Betrieb nicht quenz besitzen, daß damit die Oberschwingungs- kontinuierlich möglich, da zwischen zwei Umschaltströme durch die in der Drehfeldmaschine M vor- as vorgängen einer Wechselrichterphase eine Mindesthandenen Streureaktionen klein gehalten werden. Ein einschaltdauer eingehalten werden muß, welche die hoher Grundschwingungsgehalt in der Leiterspan- Zeitdauer des Kommutierungsvorganges bcrücknung Uns läßt sich erreichen, wenn die einzelnen sichtigt.

Impulsbreiten proportional zu den entsprechenden Ein sprunghafter Übergang auf den nicht-modu-

Augenblickswerten der Grundschwingung variiert 3° lierten Zustand ist — insbesondere im geregelter

werden. Die gewünschte Grundschwingung wird als Betrieb eines Thyristor-Pulswechselrichters — meisi

Referenzspannungskurve r vorgegeben. nicht zulässig. Im modulierten Betrieb läßt sich nichi

Das beschriebene Verfahren zur Bildung der im- ganz die Grundschwingungsamplitude erreichen, die

pulsbreitenmodulierten Steuersignale besitzt eine dem Spannungsverlauf mit Spannungsabschnitten vor

große Freizügigkeit bezüglich der Wahl des Impuls- 35 120° Breite entspricht. Die Annäherung ist um se

bildes Z und damit der Schaltzeitpunkte für den besser, je geringer die Zahl der Schaltvorgänge ir

Pulswechselrichter, wenn die Referenzspannungs- jeder Halbschwingung ist. Die Spannungsausnutzunj

kurve r durch ein System von Hilfsgleichspannungs- nimmt also mit abnehmender Pulsfrequenz (Anzah

kurven α, ... α_η mit konstanten Gleichspannungs- der Impulse pro Halbschwingung) zu. Weiter folg

betragen abgetastet wird. Zu diesem Zweck besitzt 40 aus den Gesetzen der harmonischen Analyse eii

die Referenzspannungskurve r mit der geforderten Anwachsen der Grundschwingungsamplitude mit zu

Grundfrequenz eine konstante Amplitude. Durch nehmender Entfernung der Schaltzeitpunkte aus de:

entsprechende Wahl der Anzahl und der Führung Mitte der Grundschwingungshalbperiode.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

sehe Dreieckspannung höherer Frequenz und kon- Patentanspriiche: stanter Amplitude, abgetastet. In den Schnittpunkten

1. Verfahren zur Bildung der Steuersignale der Dreieckspannung mit der Referenzspannungseiries Pulswechselrichters für die Drehzahlsteue- kurve wird jeweils der zugehörige Schalter des rung von Drehfeldmaschinen, insbesondere von 5 Wechselrichters betätigt. Man erhält eine Ausgangs-Asynchronmaschinen, bei dem die Schnittpunkte wechselspannung, die pro Periode aus einzelnen einer Referenzspannungskurve mit periodischem positiven und negativen Spannungsimpulsen zusam-Verlauf, deren Frequenz der gewünschten Grund- mengesetzt ist. Ändert man die positiven und negaschwingungsfrequenz der Ausgangswechselspan- tiven Spannungszeitflächen, indem man die Dauer der nung des Pulswechselrichters entspricht, mit min- 10 positiven und negativen Spannungsimpulse konstanter destens einer Hilfsspannungskurve verwendet Amplitude verändert (Impulsbreitenmodulation), so werden, dadurch gekennzeichnet, daß vergrößert oder verkleinert sich der Mittelwert der die Schnittpunkte durch eine vorgegebei.e Anzahl Ausgangswechselspannung. Die Oberschwingungen in von Hilfsgleichspannungskurven mit innerhalb der Ausgangswechselspannung und im Ausgangsder Periodendauer mindestens annähernd kon- 15 wechselstrom des Wechselrichters können berechnet stanten Gleichspannungsbeträgen gebildet sind, und ihr Minimum festgelegt werden. So läßt sich deren Größen nach einer gewünschten Gesetz- durch Wahl der geeigneten Kurvenform der Hilfsmäßigkeit in Abhängigkeit von einer Steuerspan- Spannungskurve die Oberwelligkeit auf ein Minimum nung, deren Betrag von der gewünschten Ampli- bringen.

tude der Grundschwingung der Ausgangswechsel- 30 Ein Nachteil dieses bekannten Verfahrens ist darin spannung abhängt, veränderbar ist. gelegen, daß eine Synchronisation zwischen der Re-

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ferenzspannungskurve und der Dreieckspannung und gekennzeichnet, daß die Gleichspannung der damit zwischen Reterenzspannungskurve und Steuer-Hilfsgleichspannungskurve mit dem kleinsten imnulsbild, z. B. bei schnellen Änderungen der Fre-Gleichspannungsbetrag so geführt wird, daß ein 25 quenz, nicht oder nur mit erheblichem Aufwand bestimmter Mindestspannungswert nicht unter- möglich ist, besonders dann, wenn die Referenzschritten wird. spannungskurve extern von einem Regler in einem

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch Regclungskreis vorgegeben wird. Weiterhin ist es bei gekennzeichnet, daß die Gleichspannungen be- diesem Verfahren zwar möglich, die Breite der einnachbarter Hilfsgleichspannungskurven so geführt 30 zetnen Impulslücken zu verändern; doch ist der Abwerden, daß ein bestimmter Mindestabstands- stand zweier Impulslücken aus prinzipiellen Gründen Spannungswert nicht unterschritten wird. praktisch nicht veränderbar.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, einerbis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleich- seits bei geringem Aufwand die erforderliche Synspannungen zweier Hilfsgleichspannungskurven 35 chronisation sicherzustellen und andererseits eine in Abhängigkeit von i'rr gemeinsamen Steuer- größere Freizügigkeit des Steuerimpulsbildes, also in spannung so geführt werden, daß nach Erreichen der Wahl der Lage der Schaltzeitpunkte in bezug auf des Mindestabstands-Spannungswertes, der einer die Grundschwingung, zu erreichen.
Mindestdauer für jede Impulslücke entspricht, Diese Aufgabe wird ausgehend vom eingangs beide Gleichspannungen zwecks Verschiebung 40 genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch geder Impulslücken nach außen in Richtung auf die löst, daß die Schnittpunkte durch eine vorgegebene Nullpunkte der Referenzspannungskurve abge- Anzahl von Hilfsgleichspannungskurven mit innersenkt werden. halb der Periodendauer mindestens annähernd kon-