DE2142905A1 - Verfahren zum steuern eines wechselrichters und vorrichtung zur durchfuehrung dieses verfahrens - Google Patents

Description

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Deutsche Automobilgesellechaft DAUG l6

mit beschränkter Haftung ————— ^

23. August 1971

Hannover

"Verfahren zum Steuern eines Wechselrichter» und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens"

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Wechselrichters, insbesondere zur Speisung von Asynchronmaschinen. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Es ist zweckmäßig, beim Betrieb von Asynchronmaschinen über einen weiten Drehzahlbereich mit konstantem Drehmoment den Maschinenfluß konstant zu halten. Dazu ist ein Drehstromnetz erforderlich, bei dem die Klemmenspannung proportional der Frequenz geführt werden kann. Darüber hinaus sollte das Verhältnis Spannung zu Frequenz in gewissen Grenzen verstellbar sein, um in jedem Betriebspunkt den Maschinenstrom auf einen gewünschten Wert regeln zu können.

Der Wechselrichter kann in bekannter Weise aus steuerbaren Ventilen, etwa zwangskommutierten Thyristoren, und Blindstromgleichrichterdioden in Drehstrombrückenschaltung aufgebaut sein.

Die bisher bekannt gewordenen SpannungaSteuerungen für Wechsel-

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richter lassen sich in drei Gruppen einteilen?

1. Steuerung durch Stellen der Gleichspannung. Da dieso jedoch für ein sicheres Funktionieren von Wechselrichtern mit Gleichspannungszwiifchenkreis gut geglättet sein sollte, sind Siebglieler erforderlich, die sich nachteilig auf eiuo Spannung /ι» b*w. Stromregelung auswirken*

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2. Anschnittsteuerung, d.h. Steuerung durch verzögertes
Zünden oder vorzeitige· Abschalten der steuerbaren Ventile. Für kleine Ausgangespannungen des Wechselrichters wird der Oberschwingungsgehalt der Motorströme einer
angeschlossenen Asynchronmaschine sehr groß, voraus eine erhebliche Verringerung ihres nutzbaren Drehmomentes
und damit ein schlechter Wirkungsgrad für den gesamten
Antrieb folgt.

3. PulBeteuerung, d.h. Steuerung durch mehrfaches Ein- und Ausschalten der steuerbaren Ventile des Wechselrichters während einer Halbperiode. Unter anderem ist bekannt,
die Ein- und Ausschaltzeitpunkte der steuerbaren Ventile wie bei Gleichetromstellern durch einen Zweipunkt-Stromregler zu bestimmen. Dies führt jedoch zwangsläufig zu
unerwünschten Unstetigkeiten im Stromregelkreis, da der Pulsbetrieb hier, im Gegensatz zum Gleichstromsteller nicht nur vom eingestellten Stromsollwert und der zugelassenen Hysterese abhängt, sondern zusätzlich noch von der Ausgangsfrequenz des Wechselrichters mitbestimmt wird· Andere Verfahren zur Steuerung von Pulswechselrichtern
sehen eine feste Pulszahl pro Periode der Grundschwingung des Wechselrichters vor. Diese haben den Nachteil, daß * die Frequenz der Grundschwingung durch die maximal zulässige Pulsfrequenz begrenzt wird, die durch Schaltverlusfce der steuerbaren Ventile und, wenn diese Ventile
Thyristoren sind, durch Umschwingungsvorgänge der Kommutierung!! einrichtung fastliegt.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Verfahren der Pulssteuerung
zu verbessern und die genannten Hnchteila zu vermeiden.

Dieae Auf&ubn wird erfindungjgemäß dadurch gelöst, daß di« V311-tiie de 3 V/^chialrichters nur während dinej ba jtlnmt jii Daralchos ihror Strortlaitilauer iia Pulsbetrieb arbeiten, daß dia Frequenz-. ilLaser PuIa-) abhängig von dar Frequoiiü d-»r Grundachwinsuwg dea

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Wechselrichters veränderbar ist und daß die Frequenz der Grundscliwingung der Wechselrichterspannung von der maximal zulässigen P\il»frequenz nicht begrenzt wird, daß die Breite der Pulse bei Änderung der Pulsfrequenz derart selbsttätig veränderbar ist, daß die Spannungszeitfläche dieser Pulse summiert über die Zeitspanne, während der ein Ventil des Wechselrichters jeweils im Pulsbetrieb arbeitet, konstant bleibt und nur von einer weiteren Einflußgröße verstellbar und die Spannung bzw. der Strom des Wechselrichters stetig regelbar ist.

Dabei wird die Pulszahl pro Periode mit steigender Frequenz reduziert und umgekehrt mit sinkender Frequenz erhöht.

Bei niedriger Spannung ist die Pulsfrequenz groß, um auch in diesem Betriebsbereich den Anteil der Oberschwingungen in den Ausgangsströmen des Wechselrichters möglichst gering zu halten. Mit steigender Wechselrichter-Frequenz wird die Pulsfrequenz vex-kleinert. Dabei wird die Pulsbreite so vergrößert, daß die Spanuungszeitflache der Pulse, summiert über die Zeitspanne, während der ein Ventil des Wechselrichters jeweils im Pulebetrieb arbeitet, konstant bleibt, wodurch die Ausgangsspannung des Wechselrichters etwa proportional zur Frequenz ansteigt, was insbesondere dem Betrieb von Asynchronmaschinen mit konstantem Fluß entgegenkommt. Darüber hinaus läßt sich die Pulsbreite mit Hilfe einer externen Steuerspannung, etwa der Ausgangsspannung eines Stromregiere, zusätzlich verstellen.

Durch dieses Verfahren ist es möglich, einen Wechselrichter vom Betrieb «it relativ hoher Pulsfrequenz bei kleinen Spannungen über einen Bereich, in dem die Pulszahl pro Periode reduziert wird, bis in die Vollaussteuerung, während der jedes steuerbare Ventil über seine maximal zulässige Stromleitdauer gezündet bleibt, zu betreiben, und dabei den Cffektivwert der Grundschwinjrung der Wechselrichterströme ausreichend groß zu halten.

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Ferner wird die Frequenz der Grundschwingung der Wechselrichter-Spannung nicht durch die maximal zulässige Pulefrequenz begrenzt, und die stetige Regelung der Wechselrichter-Spannung bzw. des Wechselrichter-Stromes ist auch bei sich ändernder Pulefrequenz gewährleistet. Das Verfahren ermöglicht also, Wechselrichter im Pulsbetrieb so zu steuern, daß die Schaltverluste der steuerbaren Ventile über de» ganzen Frequenzbereich, in dem der Wechselrichter arbeiten soll, niedrig gehalten werden, wodurch ein hoher Wirkungsgrad der Schaltung erreicht wird.

Der zeitliche Ablauf der Steuersignale für die Ventile ist erfindungsgemäß so beschaffen, daß. bei einem dreiphasigen Wechselrichter jedes Ventil während seiner über maximal l80 gehenden Stromleitdauer während der ersten 60 ständig leitet, während der zweiten GO , in denen sich dieses Ventil in seiner Drückenhälfte allein im leitenden Zustand befindet, im Pulsbetrieb arbeitet und während der dritten 60 wieder ständig leitet.

Zur Durchführung dieses Verfahrene wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die so aufgebaut ist, daß die einlaufenden Impulse a auf einen Frequenzteiler gegeben werden, daß sämtliche Ausgänge und der Eingang dieses Frequenzteilers auf ein erstes Gatter führen, daß der letzte Teilerausgang mit einem Ringteiler verbunden ist, daß der Ausgang des ersten Gatters auf eine PuIsforraerstufe führt und deren Ausgang einerseits mit dem Eingang einer Vergleichsstufe, andererseits mit dem einen Eingang eines zweiten Gatters verbunden ist, dessen andere Eingänge mit den Ausgängen des Kingteil era verbunden sind, daß ein Ausgang der Vergleichsstuic mit dem ersten Gatter, der andere mit der PuIeiorraeretule, axii deren dritten Eingang die Leitung einer weiteren Einilußgröße führt, verbunden ist und daß die Ausgänge dee zweiten Gatters mit den entsprechenden Steueranschlüssen der Ventile des Wechselrichters verbunden sind, an dessen Ausgängen das gewünschte Drehstroraaystem zur Verfügung steht.

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Dabei ist nach eine« weiteren Merkmal der Erfindung der Frequenzteiler mit mehreren Stufen derart ausgebildet, daß die einlaufenden Impulse jeder Stufe jeweils im Verhältnis 1:2 teilbar sind.

Durch entsprechende Änderung des Frequenzteilers und anderer Schaltglieder ist es leicht möglich, die Zahl der zur Verfugung stehenden Pulsfrequenzen zu vergrößern bzw. andere Teilverhältnisse, die auch ungeradzahlig sein können, zu bilden.

Die Vergleichsstufe ist erfindungsgemäß derart ausgebildet, daß in ihr der zeitliche Abstand /\ t zwischen Ende und Beginn der aus der Puleformerstufe kommenden Pulse g mit einer Zeitspanne iS. t verglichen werden kann und danach ein Signal i zur Auswahl der Pulsfrequenz an das erste Gatter sowie ein zweites Signal k zur Einstellung der Pulsbreite an die Pulsfornerstufe gesendet werden kann.

Die Zeitspanne A t hängt von den Umschwingungsvorgangen der Kommutierungseinrichtungen ab.

Die Pulsformerstufe ist nach der Erfindung derart ausgebildet, daß die Spannungszeitfläche der Pulse g nur von externen Signalen I₁ die über einen dritten Eingang in die Pulsformerstufe gelangen, kontinuierlich veränderbar ist. Dieses Signal 1 kann z.B. vom Ausgang eines angeschlossenen Stromregiere kommen.

Für das zweite Gatter schlägt die Erfindung eine derartige Ausbildung vor, daß die Pulse g und die Signale d in diesem zu Steuerpulsen h geformt und in zeitlich richtiger Reihenfolge den Steueranschlüssen der Ventile zugeführt werden.

In der Zeichnung ist die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anhand eines Ausführungsbeispieles für einen dreiphasigen Wechselrichter scheu it L ich dargestellt.

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Es zeigen:

Fig. 1 das bekannte Schältbild eines Dreiphasen-Wechselrichters,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und

Fig. 3 und k den zeitlichen Verlauf der Signale in der Vorrichtung nach Fig. 2 für zwei Betriebspunkte des Wechselrichters während einer Periode der Wechselrichter-Ausgangsspannung·

^ Figur 1 zeigt das bekannte Schaltbild eines Wechselrichters,

^w bestehend aus einer Drehstrombrücke von sechs zwangskommutierten Thyristoron, denen in Antiparallel-Schaltung sechs Dlindstroadioden zugeordnet sind. Die Kommutierungseinrichtungen werden dabei durch einen zweiten Steueranschluß der Thyristoren symbolisiert.

Die Thyristoren werden im Takt der gewünschten Ausgangsfrequanz gezündet, wobei der Beginn aufeinanderfolgender Phasen um 120° phasenverschoben ist. Die Stromleitdauer jedes einzelnen Thyristors beträgt bei Vollaussteuerung l80 , d.h. es sind jeweils drei Thyristoren gleichzeitig leitend. Die Ausgangsfrequenz"f des Wechselrichters läßt sich durch Ändern der Taktfrequenz, mit der die Thyristoren gezündet werden, steuern. Figur 2 zeigt das Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Der Eingang ist mit einem Frequenzteiler 1 verbunden, dessen Eingang und samt Liehe Ausgänge auf sin aratas Gattor ) führon, Der letzt) TnLl usuigtng Lst mit einem Ringtallsr '2 vjrbumlm. Dar Au?ξmi des »rstin Gattars 3 führt auf eins Pu1sformeritufe ^lk und döi η AuιιςίΗί iat einerseits mit dem Eingang einer Vergleichastufe 5, mil «· ir j al ta nit «lim »inen Eingang ein·« zweiten Gatters 6 verbunlim, Uxsen andere ELu;äug.) »nit ilen Ausgängen des Ringt niers ί vjrbumUn sLiul. Ein Ausgang lsr Vergleicht·

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etui"r. 5 ist mit dem ersten Gatter 3, der andere mit der PuIsiormerstufe 4, auf deren dritten Eingang die Leitung einer Kelteren EinflußgrÜße führt, verbunden. Die Ausgänge des zweiten Gatters 6 sind mit den entsprechenden Steueranschlüssen der Ventile des Wechselrichters 7 verbunden.

Auf den Frequenzteiler 1 werden Impulse a «it der Frequenz (n.p.i) gegeben. Dabei ist f die gewünschte Ausgangsfrequenz des Wechselrichters, ρ die Anzahl der steuerbaren Ventile im Wechselrichter und η die bei niedriger Frequenz f gewählte Pulszahl pro 6o . Dei diesem Aueführungsbeispiel ist ρ = 6 und η = 4«

Der Frequenzteiler 1 besitzt zwei Ausgänge, an denen Impulse b mit der Frequenz * (n.p.f) und c mit der Frequenz ς (n.p.f) abgenommen werden können.

Die Impulse c werden auf einen sechsstufigen Ringteiler 2 gegeben, dessen Ausgangssignale d. bis dg über das zweite Gatter die Phasenfolge der Thyristoren im Wechselrichter 7 festlegen.

Die Signale a, b und c werden weiter auf das erete Gatter 3 gegeben, das in Abhängigkeit von einen Steuersignal i jeweils nur eine dieser Größen als Ausgangssignal e auf eine PuIsfonncrstufe 4 weitergibt.

In dieser Pulsformerstufe 4 werden Pulse g mit der Frequenz der Impulse e erzeugt. Ihre Breite wird von der Steuergröße k so festgelegt, daß die Spannungszeit fläche ihrex Ausgaiigssignale g, sunvaitrt über 60°, bezogen aui die Grundschwingung des Wechselrichters bei allen Frequenzen des Signals e konstant bleibt. Diese läßt sich nur über einen weiteren Cinganf ändern, über den Signale 1 z.U. von einem angeschlossenen Strom«glei können können.

Im zweiten (iutter 6 werden die Pulse g so mit den Sigmlen

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d Ilia Af den Iliugtciles 2 verknüpft, daß die Tlyristoitn des

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Wechselrichter« 7 innerhalb der zweiten 60° von insgesamt l80° ihrer leitenden Phase ±m Takt der Signale g gesundet und gelöscht werden. Dabei entspricht die Zünddauer der Thyristoren während dieses Pulsbetriebes der Breite der Pulse g.

Die Steuersignale i und k, welche die Pulszahl pro Periode bzw. die Breite der Pulse g festlegen, werden in der Vergleichsstufe 5 erzeugt. In diese« Glied wird der seitliche Abstand

Δ t zwischen Ende und Beginn zweier aufeinanderfolgender Pulse g erfaßt und mit einer festen Zeitspanne Δ * verglichen, die von den Unechwingungsvorgängen der Koseutierungseinrichtungen abhängt.

Wird At* Δ*_ο· »° steuert die Vergleichestufe 5 über das Signal i das erste Gatter 3 so, daß e die nächstniedere Frequenz vom Frequenzteiler 1 erhält und verbreitert über das Signal k die Pulse g so, daß ihre Spannungszeitfläche sumniert über 6o°, bezogen auf die Grundschwingung des Wechselrichters konstant bleibt.

Für Δ t m 2 £ t wird die Frequenz von e auf die nächsthöhere Frequenz erhöht und die Pulsbreite entsprechend verkürzt.

Die Anzahl der Pulse g pro 6o° ist nach unten auf eins begrenzt, was der Anschnitt- bzw. Vollaussteuerung entspricht. Nach oben ist sie im AusfUhrungsbeispiel auf vier begrenzt.

In den Figuren 3 und k ist der Verlauf der Größen a bis h aus Figur 2 für zwei verschiedene Betriebspunkte des Wechselrichters während einer Periode der Wechselrichter-Ausgangsspannung dargestellt. ^

Für die Größen », b, c des Frequenzteiler» 1 und die Größen, d bis dg des Ringteilers 2 ist dar VerlAuf iss. beiden Fällen gleich, a, b und c sind Iapulee, daran Frequenz®» eich wie 4:2:1 verhalten. Die Größen d„ bis «L· bestehen &us 6O°-Blöck®n,

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deren Frequenz der gewünschten Ausgangsfrequenz des Wechselrichter» entspricht und die jeweils 6O° gegeneinander verschoben sind.

Figur 3 zeigt das Diagramm für niedrige Wechselrichter-Frequenz. Der Verlauf der Impulse e des Gatters J ist identisch mit dem der Größe a. Als Ausgangssignal der Pulsformerstufe k ergeben sich Pulse g, deren vordere Flanke mit den Impulsen e zusammenfällt und deren Breite kontinuierlich verstellt werden kann.

Ira zweiten Gatter 6 werden die Pulse g mit den 60°-Blocken ₍ d bis dg des Ringteilers 2 zu den Größen h. bis hg kombiniert, welche bereits die Steuerpulse für die Thyristoren T bis Tg des Wechselrichters 7 darstellen.

Innerhalb der l80 , die ein Thyristor höchstens leitend sein

kann, sind drei Abschnitte zu erkennen. Zunächst ein voller 60°-Block, anschließend k Pulse über 60° verteilt, mit der Breite der Pulse g, wobei die ansteigende Flanke des ersten Pulses mit der abfallenden Flanke des vorderen 60 -Blockes zusammenfällt und schließlich ein weiterer 60°-Block. Jeder Thyristor wird also nur im zweiten 6o°-Block seiner l80°-Leitdauer, während dem er in seiner Brückenhälfte der einzige leitende Thyristor ist, mehrmals gezündet und gelöscht.

Bs befindet sich damit stets nur ein Thyristor des Wechselrichters 7 innerhalb 60° einer Periode im Pulsbetrieb, während die anderen gemäß den Signalen h. bis hg dauernd gelöscht oder dauernd leitfähig bleiben. Hierdurch werden die Schaltverluate in den Thyristoren und Kommutierung»einrichtungen so niedrig wie möglich gehalten.

Das letzte Diagramm in Figur 3 zeigt den Verlauf der verketteten Spannung Up«, des Wechselrichters 7, wie er sich bei der beschriebenen Ansteuerung der Thyristoren ergibt.

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Figur k zeigt den Betrieb bei höherer Frequenz. Die Vergleichestufe 5 setzt das erste Gatter 3 auf e = c. Damit bleibt nur noch ein Puls pro 6O° für die Größe g. Wieder fallen die ansteigenden Flanken von g mit den Impulsen e zusansen, während die abfallenden Flanken über die Eingangsgröße 1 der Pulsformerstufe k kontinuierlich verschoben werden können. Dieser Betriebsbereich entspricht der Anschnittsteuerung. Im letzten Diagramm der Fig. k ist wieder die verkettete Spannung U_RS aufgetragen, wie sie bei zuletzt beschriebener Ansteuerung entsteht.

Wird die Frequenz weiter erhöht, so gehen die Pulse g schließ- L· lieh ineinander über und die Thyristoren T bis Tg werden jeweils l80° leitend gehalten.

Auch die beiden Spannungsblöcke einer Halbperiode der verketteten Spannung U_RS in Fig. k verschmelzen miteinander und bilden, in bekannter Weise, einen 120 -Block.

Wird die Frequenz, ausgehend vom Betriebszustand in Figur 4, verringert, so findet die Vergleichsstufe 5 schließlich den Abstand t zwischen Ende und Beginn zweier Pulse g größer als 2 t und setzt e * b. Gleichzeitig vermindert die Vergleichsstufe 5 über das Steuersignal k in der Pulsformerstufe k die Breite der Pulse g so, daß ihre Spannungszeitfläche summiert über 60 , bezogen auf die Grundschwingung des Wechselrichters, konstant bleibt.

Wird die Frequenz weiter verringert, so wird schließlich esa gesetzt, womit der in Figur 3 dargestellte Betriebszustand mit e«a wieder erreicht ist·

Durch entsprechende Änderung der Logik ist zu erreichen, daß die abfallende Flanke der Pulse g feststeht und die Breite durch Verschieben der ansteigenden Flanke gestellt werden kann, oder daß die Mitte der Pulse g feststeht und die Breite über die ansteigende und abfallende Flanke gestellt werden kann.

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Claims (1)

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   Anspruch·

   .)Verfahren zum Steuern eine« Wechselrichter·, insbesondere zur Speisung von Asynchronmaschinen aus einer Gleichspannungsquelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventil« d«s Wechselrichtera nur während eines bestimmten Bereichea ihrer Stromleitdauer im Pulebetrieb arbeiten, daß die Frequenz dieser Pulse abhängig von der Frequenz der Grundschwingung des Wechselrichters veränderbar ist und daß die Frequenz der Grundschwlngung der Vechaelrichterapannung von der maximal zuläaaigen Pulefrequenz nicht begrenzt wird, daß die Breite der Pulse derart aelbattätig veränderbar ist, daß die Span· nungsxeitfläche dieaer Pulββ aummiert über die Zeitepanne, während der ein Ventil dea Vechaelrichtera jewella im Pul•betrieb arbeitet, konstant bleibt und nur von einer weiteren Einflußgröße verstellbar und die Spannung bzw. der Strom des Wechselrichters stetig regelbar ist.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem dreiphasigen Wechselrichter jedes Ventil während seiner über maximal l8O° gehenden Stromleitdauer während der ersten 6O° ständig leitet, während der zweiten 6O°, in denen sich dieses Ventil in seiner BrUckenhälfte allein im leitenden Zustand befindet, im Pulsbetrieb arbeitet und während der dritten 60° wieder ständig leitet.

   3· Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einlaufenden Impulse a auf einen Frequenzteiler (1) gegeben werden, daß sämtliche Ausgänge und der Eingang dieses Frequenzteilers auf ein erstes Gatter (3) führen, daß der letzte Teilerausgang mit einem Ringteiler (2) verbunden ist, daß der Ausgang des ersten Gatters (3) auf eine Pulsformerstufe (4) führt und deren Ausgang einerseits mit dem Eingang einer Vergleichsstufe (3),

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   andererseits ait den einen Eingang eines zweiten Gatters (6) verbunden ist, dessen andere Eingänge mit den Ausgängen des Ringteilers (2) verbunden sind, daß ein Ausgang der Vergleichsstufe (5) Bit dem ersten Gatter (3), der andere mit der Pulsformerstufe (4), auf deren dritten Eingang die Leitung einer weiteren Einflußgröße führt« verbunden ist und daß die Ausgänge des zweiten Gatters (6) mit den entsprechenden Steueranschlüssen der Ventile des Wechselrichters (7) verbunden sind, an dessen Ausgängen das gewünschte Drehstromsystem zur Verfügung steht·

   k» Vorrichtung nach Anspruch 3» gekennzeichnet durch die Ausbildung des Frequenzteilers (l) mit mehreren Stufen in der Art, daß die einlaufenden Impuls« jeder Stufe jeweils im Verhältnis 1:2 teilbar sind.

   Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsstufe (5) derart ausgebildet ist, daß in ihr der zeitliche Abstand /± t zwischen Ende und Beginn der aus der Pulsformerstufe (k) kommenden Pulse g mit einer Zeitspanne

   j\ t verglichen werden kann und danach ein Signal i zur Auswahl der Pulsfrequenz an das Gatter (3) sowie ein zweites Signal k zur Einstellung der Pulsbreite an die Pulsformerstufe (%) gesendet werden kann.

   6. Verrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsformerstufe {k) derart ausgebildet ist, daß die Spannungszeitfläche der Pulse g nur von externen Signalenl._t die über den dritten Eingang in die Pulaformeretufe gelangen, kontinuierlich veränderbar ist*

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   7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Gatter (6) derart auegebildet ist, daß die Pulse g und die Signale d in diesem zu Steuerpulsen h geformt und in zeitlich richtiger Reihenfolge den Steueranechlüssen der Ventile zugeführt werden.

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