DE2554223A1

DE2554223A1 - Einrichtung an einem wechselrichter

Info

Publication number: DE2554223A1
Application number: DE19752554223
Authority: DE
Inventors: Arne Jensen
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1975-12-03
Filing date: 1975-12-03
Publication date: 1977-06-08
Also published as: DK541176A; DE2554223B2; US4071900A; DE2554223C3

Description

Einrichtung an einem Wechselrichter

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung an einem Wechselrichter mit konstanter Gleichspannungsversorgung und durch ein erstes Steuersignal einstellbarer Frequenz und durch ein zweites Steuersignal einstellbarer Amplitude der Grundschwingung der Ausgangsspannung, bei der zur Bildung von breitenmodulierten Impulsen ein Wellenzug-Generator einen Wellenzug konstanter Amplitude mit von dem ersten Steuersignal bestimmter Frequenz und ein Impulsbreitensignalgeber in Abhängigkeit von den Schnittpunkten zwischen dem Wellenzug und dem zweiten Steuersignal Impulsbreitensignale abgibt.

Bei einem bekannten dreiphasigen Wechselrichter, der insbesondere einen Drehstrommotor speisen soll, wird ein erstes Steuersignal einerseits einem Taktgeber zugeführt, dessen Taktsignale nach Teilung einem die Phasen-Halbwellen kennzeichnenden Bereichs Signalgeber zugeführt werden. Das erste Steuersignal wird ferner zur Erzeugung eines Dreieck-Wellenzuges benutzt, der in einem Impulsbreitensignalgeber mit dem zweiten Steuersignal geschnitten wird, wobei in Abhängigkeit von den Schnittpunkten Impulsbreitensignale erzeugt werden. In einem Logikteil werden die Bereichssignale und die Impulsbreitensignale derart miteinander verknüpft, daß an jeder Ausgangsklemme des Wechselrichters während der ersten 60° einer jeden Halbwelle ein konstantes Potential, während der zweiten 60° breitenmodulierte Impulse und während der letzten 6o° wieder ein konstantes Potential vorhanden ist.

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Die verketteten Spannungen bestehen dabei aus Impulszügen, deren Zeitintegrale mehr oder weniger sinusförmig sind.

Bei diesen und anderen Wechselrichtern entsteht mit zunehmender Frequenz und Ausgangsspannung das Problem, daß die Impulsabstände so klein werden, daß eine ausreichende Kommutierungszeit nicht mehr gewährleistet ist. Dies trifft insbesondere für Wechselrichter zu, deren Schaltelemente Thyristoren sind. Es ist daher schon bekannt, den Impulsabstand dadurch zu überwachen, daß die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen mit einer festen Zeitspanne verglichen wird, und bei Erreichen dieser festen Zeitspanne die Impulsfrequenz auf einen kleineren Wert umzuschalten. Dies erfordert allerdings einen erheblichen Aufwand, weil zur Bestimmung der festen Zeitspanne ein Zeitgeber vorgesehen sein muß, der am Ende eines jeden Impulses in Lauf gesetzt wird, und weil ein Zeitvergleicher vorhanden sein muß. Derartige zeitabhängige Glieder sind aber empfindlich und störanfällig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung an einem Wechselrichter der eingangs beschriebenen Art anzugeben, die eine Überwachung der kritischen Impulsabstände ohne die Verwendung von zeitabhängigen Gliedern ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Überwachung der kritischen Impulsabstände ein Analogrechner vorgesehen ist, dem ein konstantes Signal und die beiden Steuersignale zugeführt werden, der hieraus einen eine Funktion des Abstandes darstellenden Rechenwert bildet und der bei Erreichen eines vorgegebenen Rechenwerts ein Schaltsignal auslöst.

Bei dieser Einrichtung wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß sich die die Impulsbreite und damit auch die Impulsabstände bestimmenden Schnittpunkte zwischen dem Wellenzug und dem zweiten Steuersignal als mathematische Funktion ausdrücken lassen, weil sich der Wellenzug durch das seine Frequenz definierende erste Steuersignal und durch das seine Amplitude kennzeichnende

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konstante Signal beschreiben läßt. Derartige Funktionszusammenhänge lassen sich ohne Schwierigkeiten in einem Analogrechner verarbeiten. Diesem Analogrechner brauchen auch lediglich die beiden Steuersignale und das konstante Signal zugeführt zu werden.

Es ist nicht notwendig, daß der Analogrechner dauernd den augenblüclichen Impulsabstand berechnet. Es kann vielmehr eine beliebige Funktion vorgegeben werden unter der Voraussetzung, daß bei Erreichen des kritischen Abstandes ein definierter Rechenwert vorhanden ist, mit dem das Umschaltsignal ausgelöst werden kann.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform bildet der Analogrechner eine Funktion, die bei Erreichen des kritischen Abstands zu Null wird, und/der das Schaltsignal von einem nachgeschalteten Nullpunktdetektor erzeugt wird. Auf diese Weise ist eine sehr genaue Kennzeichnung für das Erreichen des kritischen Abstands möglich. Hierbei können die Eingangswerte und der Ausgangswert des Analogrechners in Form einer Ungleichung verknüpft sein, die beim Erreichen des Gleichheitszustandes das Umschaltsignal auslöst.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist dafür gesorgt, daß die Signale Spannungen sind, daß der Wellenzug ein Dreieck-Wellenzug ist und daß der Analogrechner einen Verstärker aufweist, dessen erster Eingang mit dem Abgriff eines von der konstanten Spannung gespeisten Spannungsteilers und dessen zweiter Eingang mit Anschlüssen für beide Steuersignale über je einen Widerstand und mit dem Verstärkerausgang über einen Rückführwiderstand verbunden ist. Da das erste Steuersignal für die Frequenz des Wellenzuges und die zweite Signalspannung für die Impulsbreite maßgebend ist, läßt sich aus den genannten Werten durch einen einfachen Vergleich der kritische Abstand zwischen aufeinanderfolgenden breiteren Impulsen ermitteln, Durch entsprechende Bemessung der genannten Widerstände erreicht man es, daß die Ausgangsspannung des Analogrechners beim kriti-

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Ό.

sehen Abstand zu Null wird.

Des weiteren kann man durch Änderung der Eingangswiderstände auch den kritischen Abstand, bei dem das Umschalten erfolgen soll, einstellen. Insbesondere ist es günstig, daß der zwischen dem Anschluß für die konstante Spannung und dem einen Eingang des Verstärkers liegende Widerstand und der zwischen dem Anschluß für die die Amplitude bestimmende Steuerspannung und dem anderen Eingang des Verstärkers liegende Widerstand gleichlaufend verstellbar sind, z. B. ein Tandem-Potentiometer bilden.

Mit Hilfe des Analogrechners läßt sich jeder beliebige Impulsabstand überwachen. Ein "kritischer" Impulsabstand ist daher jeder Abstand, den der Benutzer als kritisch ansieht; dazu gehört nicht nur der Mindestabstand, der zur Einhaltung der Kommutierungszeit notwendig ist, sondern beispielsweise auch ein etwas größerer Sicherheitsabstand.

Als Wellenzug kommen außer Dreieckspannungen auch Trapezspannungen, Sägezahnspannungen u. dgl. in Betracht, also alle Wellenformen, die sich in einer Funktion ausdrücken lassen. Der Wellenzug hat in der Regel eine Frequenz, die einem Vielfachen der Ausgangsfrequenz des Wechselrichters entspricht.

Die Einrichtung eignet sich nicht nur für Wechselrichter, bei denen Impulse einer einzigen änderbaren Breite vorhanden sind, sondern auch für Wechselrichter, bei denen Impulse verschiedener Breiten verwendet werden. In der Regel sind dann die kritischen Impulsabstände zunächst zwischen den breiteren Impulsen zu erwarten und dem Analogrechner sollte das für die breiteren Impulse verantwortliche zweite Steuersignal zugeführt werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher veranschaulicht.

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Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild eines Wechselrichters mit der erfindungsgemäßen Einrichtung,

Fig. 2 das Schaltbild eines Analogrechners zur Überwachung des Impulsabständes und

Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise des Analogrechners .

In Fig. 1 ist zunächst ein üblicher Wechselrichter 1 veranschaulicht, der von einer konstanten Gleichspannungsversorgung 2 mit einer Spannung U versorgt wird, so daß an den Eingangsklemmen ein positives Potential und an der Eingangsklemme 4 ein negatives Potential von je U/2 anliegt. Die Gleichspannungsversorgung 2 kann beispielsweise aus einer Batterie oder einer wechselstromgespeisten Gleichrichteranordnung bestehen. Die Ausgangsklemmen 5, 6 und 7 sind je zwischen zwei in Reihe geschalteten steuerbaren Gleichrichtern 8 und 9, 10 und 11 bzw. 12 und 13 angeschlossen. Von den Gleichrichtern eines jeden Paares ist jeweils nur einer leitend. An die Ausgangsklemmen ist ein Drehstromverbraucher, hier ein im Dreieck geschalteter Asynchronmotor 14, angeschlossen. Die Frequenz der Grundschwingung der Ausgangsspannung an den Klemmen 5 bis 7 und damit die Drehzahl des Asynchronmotors 14 ist mit Hilfe eines ersten Steuersignals u1, die Amplitude der Grundschwingung der Ausgangsspannung mit Hilfe eines zweiten Steuersignals u2 änderbar. Beide Steuersignale können gleichlaufend geführt werden oder sogar durch ein gemeinsames Signal gebildet sein.

Das erste Steuersignal u1 ist eine Spannung, welche einen spannungsgesteuerten Oszillator 15 beeinflußt, der einen Dreieck-Wellenzug w erzeugt. Die Frequenz dieses Wellenzuges mit konstanter Amplitude ist proportional dem ersten Steuersignal u1. Ein Taktgeber 16 erzeugt beim Feststellen der Spitzen Taktimpulse p1. Diese werden in einem Teiler 18 durch η

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dividiert. Die sich ergebenden Taktimpulse p2 werden einem sechsstufigen Ringzähler 19 zugeführt, der an seinen Ausgängen nacheinander je 30° der Wechselrichterfrequenz entsprechende Intervallsignale q1 bis q6 erzeugt. Diese werden einem Logikteil 20 zugeführt.

Außerdem wird der Wellenzug w zwei Komparatoren 21 und 22 zugeleitet. Dem Komparator 21 wird eine erste Steuerspannung, die gleich dem ersten Steuersignal u2 ist, zugeführt. Am Ausgang tritt ein erstes Breitensignal b1 für breitere Impulse auf, wenn die erste S teuer spannung u2 größer ist als die Spannung des Wellenzuges w. Dem zweiten Komparator wird eine zweite Steuerspannung u3 zugeführt, die von dem Abgriff eines Spannungsteilers 23 abgegriffen wird, der mit dem zweiten Steuersignal u2 versorgt ist. An seinem Ausgang treten zweite Breitensignale b2 auf, wenn die zweite Steuerspannung u3 größer ist als die Spannung des Wellenzuges w. Auch die Breitensignale b1 und b2 werden dem Logikteil 20 zugeführt.

Des weiteren ist ein Analogrechner 24 vorhanden, dem außer den beiden Steuersignalen u1 und u2 eine feste Spannung u4 zugeführt wird. Dieser Analogrechner gibt ein Umschaltsignal s ab, wenn der Abstand zwischen benachbarten breiteren Impulsen einen kritischen Wert unterschreitet. Hierdurch wird eine Umschaltvorrichtung 25 gesteuert, die beispielsweise aus einem Flipflop bestehen kann und beim Auftreten eines Taktimpulses, z. B. p2, an seinem Ausgang ein Dauersignal 1 an den Logikteil 20 abgibt. Das Dauersignal kann beispielsweise den gesamten Wechselrichter vom breitenmodulierten Betrieb auf unmodulierten Betrieb umschalten.

Die Ausgänge des Logikteils führen Schaltsteuersignale ν zum Zünden und Löschen der gesteuerten Gleichrichter 8 bis 13. Diese Signale können, falls erforderlich, durch einen nicht dargestellen Umsetzer den Steuerelektroden angepaßt werden. Der Logikteil kann beispielsweise einen Aufbau haben, wie er in der gleichlaufenden Anmeldung "Verfahren zum Steuern

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eines dreiphasigen Wechselrichters und Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens" der Anmelderin beschrieben ist.

In Fig. 2 ist der Analogrechner 24 der Fig. 1 veranschaulicht. Der nicht-invertierende Eingang eines Verstärkers 26 ist an den Abgriff eines aus den Widerständen R1 und R2 bestehenden Spannungsteilers angeschlossen, der von der konstanten Spannung u4 gespeist wird. Dem invertierenden Eingang wird das erste Steuersignal u1 über einen Widerstand R3 und das zweite Steuersignal u2 über einen Widerstand R4 sowie das Ausgangspotential über einen Rückführwiderstand R5 zugeführt. Ein Vergleicher in der Form eines Nullpunktdetektors 27 stellt fest, wann der Ausgangswert Null ist und gibt dann das Schaltsignal si ab.

Fig. 3 zeigt den Wellenzug w mit einer Amplitude der konstanten Spannung u4 und einer durch das erste Steuersignal u1 festgelegten Frequenz. Darunter ist das Breitensignal b1 veranschaulicht. Die Breite 2B ergibt sich aus den Schnittpunkten des Wellenzuges w mit dem zweiten Steuersignal u2. Die Abstände A zwischen benachbarten Breitensignalen b1 verhalten sich zu der Periodendauer T wie (u4 - u2) : u4. Da die Periodendauer T proportional 1/u1 ist, läßt sich erkennen, daß

A = K (u4 - u2) / (u1 . u4) (1)

Zwischen den Eingängen des Verstärkers 26 ist praktisch keine Spannungsdifferenz vorhanden. Daher ist bei einer Ausgangsspannung Null:

In dieser Gleichung kann man u4 und u2 denselben Koeffizienten geben, wenn

1 ₌ Rg /1 ₊ 1 ₊ 1 %
oder

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< 40·

R4 _ R1R5

R3" " R2(R5+R3) (4)

Setzt man die rechte Seite von (3) auf der rechten Seite von (2) ein, so kann man schreiben

K » R4 _ K(u4-u2)

u4. R3 ~ u1 · u4 (5)

Wenn R3 und R4 so dimensioniert werden, daß die kritische Zeit

^Ak - u4. R3 ⁽⁶⁾

ist, wird der Verstärkerausgang in dem Augenblick durch Null gehen, wo A die zuvor eingestellte Zeit A^ erreicht. Dieser Zustand wird mit Hilfe der Vergleichers 27 festgestellt, der an seinem Ausgang das Schaltsignal s abgibt.

Durch eine Änderung von R4 kann man den kritischen Abstand justieren. Es ist aber erforderlich, proportional hierzu auch R1 zu ändern, weil auf diese Weise die gewählte Beziehung der Gleichungen (3) bzw. (4) nicht gestört wird. Diese gleichzeitige Änderung kann mit einem Tandem-Potentiometer 28 vorgenommen werden.

Das Schaltsignal 1 kann auch eine andere Umschaltung vornehmen, beispielsweise unter Aufrechterhaltung des Spannungszeitintegrals die Impulsfrequenz ändern. In anderen Fällen genügt es auch, wenn das Schaltsignal lediglich ein Warnsignal einschaltet. Wenn in einer Anlage mehrere kritische Abstände überwacht und in Abhängigkeit davon Umschaltungen vorgenommen werden sollen, können auch mehrere Analogrechner dieser Art vorgesehen werden.

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Claims

Patentansprüche

1.)Einrichtung an einem Wechselrichter mit konstanter Gleich-— spannungsversorgung und durch ein erstes Steuersignal einstellbarer Frequenz und durch ein zweites Steuersignal einstellbarer Amplitude der Grundschwingung der Ausgangsspannung, bei der zur Bildung von breitenmodulierten Impulsen ein Wellenzug-Generator einen Wellenzug konstanter Amplitude mit von dem ersten Steuersignal bestimmter Frequenz und ein Impulsbreitensignalgeber in Abhängigkeit von den Schnittpunkten zwischen dem Wellenzug und dem zweiten Steuersignal Impulsbreitensignale abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Überwachung der kritischen Impulsabstände ein Analogrechner (24) vorgesehen ist, dem ein konstantes Signal (u4) und die beiden Steuersignale (u1, u2) zugeführt werden, der hieraus einen eine Funktion des Abstandes darstellenden Rechenwert bildet und der bei Erreichen eines vorgegebenen Rechenwerts ein Schaltsignal (l) auslöst.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Analogrechner (24) eine Funktion bildet, die bei Erreichen des kritischen Abstands zu Null wird, und daß das Schaltsignal (1) von einem nachgeschalteten Nullpunktdetektor (27) erzeugt wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale (u1, u2, u4) Spannungen sind, daß der Wellenzug (w) ein Dreieck-Wellenzug ist und daß der Analogrechner (24) einen Verstärker (44) aufweist, dessen erster Eingang mit dem Abgriff eines von der konstanten Spannung (u4) gespeisten Spannungsteilers (R1, R2) und dessen zweiter Eingang mit Anschlüssen für beide Steuerspannungen (u1, u2) über je einen Widerstand (R3, R4) und mit dem Verstärkerausgang über einen Rückführwiderstand (R5) verbunden ist.

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Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen dem Anschluß für die konstante Spannung (u4) und dem einen Eingang des Veniärkers liegende Widerstand (R1) und der zwischen dem Anschluß für die die Amplitude bestimmende Steuerspannung (u2) und dem anderen Eingang des Verstärkers liegenden Widerstand (R4) gleichlaufend verstellbar sind.

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