DE2738645A1

DE2738645A1 - Wechselrichter

Info

Publication number: DE2738645A1
Application number: DE19772738645
Authority: DE
Inventors: Boleslaw Kaczmarek
Original assignee: ACEC; Ateliers de Constructions Electriques de Charleroi SA
Current assignee: ACEC; Umicore NV SA
Priority date: 1976-08-27
Filing date: 1977-08-26
Publication date: 1978-03-02
Also published as: NL7709439A; IT1079946B; FR2363222A1; BE845644A; FR2363222B1; GB1585666A

Description

Patentanwälte 2 7 386 A OtpL-mg Dpt-Cliem. Olpl-Ing. E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser Ernsbergerttrasse 19'

8 München 60

25. August 1977

ATELIERS DE CONSTRUCTIONS ELECTRIQUES DE CHARLEROI (ACEC)

Chaussee de Charleroi, 54
Saint Gilles Brüssel/ Belgien

Unser Zeichen: A 1790

Hechseirichter

Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter mit mehreren, mit Steuerelektroden versehenen Ventilen, der mit Zwangskonunutierung arbeitet, eine veränderliche Frequenz hat und durch eine Einstellschaltung gesteuert wird, die ein Sollwertsignal für die Frequenz des Wechselrichters liefert.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Wechselrichters und insbesondere seiner Steuerlogik, der für jede Frequenz in einem sehr breiten Betriebsfrequenzbereich in diesem gesamten Frequenzbereich eine Spannung liefert, deren Form in bezug auf die elektrischen Winkel festgelegt ist und die entweder ein Minimum an harmonischen Komponenten aufweist oder frei von bestimmten harmonischen Komponenten 1st, die besonders störend sind.

Der Wechselrichter nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellschaltung für die Frequenz des

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Wechselrichters, die den Frequenzsollwert liefert, mit einem Impulsgenerator verbunden ist, der mit einer Einrichtung zum Verändern der Taktfrequenz der Impulse versehen ist, die auf das Frequenzsollwertsignal anspricht und eine Taktfrequenz erzeugt, die η-mal größer ist als die gewünschte Frequenz des Wechselrichters, wobei η wenigstens gleich 12 ist, daß ein Umlaufschalter mit η Stellungen durch die von dem Impulsgenerator mit veränderlicher Taktfrequenz gelieferten Impulse betätigt wird, und daß η Gruppen von vorher festgesetzten Steuerungssollwerten für die Ventile des Wechselrichters in einem Festwertspeicher gespeichert sind und durch den Umlaufschalter an die Steuerelektroden der Ventile des Wechselrichters in einer zyklischen Reihenfolge angelegt werden, die während jeder Periode jeder Betriebsfrequenz vollständig durchlaufen wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Wechselrichters und seiner Steuerlogik nach der Erfindung, und

Fig. 2 den Verlauf einer Steuerspannung während einer Periode einer Betriebsfrequenz.

In Fig. 1 enthält ein dreiphasiger Wechselrichter sechs Hauptthyristoren 1 bis 6, denen jeweils eine Diode zugeordnet ist, und im vorliegenden Fall acht Thyristoren 7 bis 14, die eine Löschschaltung bilden. Die Anzahl der Thyristoren der Löschschaltung ist unkritisch und kann bei Bedarf auf drei reduziert werden. Dieser Wechselrichter speist aus einem Gleichspannungsnetz +U, -U drei Sammelschienen R, S und T eines Wechselspannungsnetzes, das beispielsweise zur Speisung eines Asynchronmotors M

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-S-

dient. Die Drehzahl dieses Motors M wird durch eine nicht dargestellte Einstellschaltung gesteuert, die ein analoges Drehzahlsollwertsignal den beiden Klemmen 15, 15 zuführt. Die beiden Klemmen 15, 15 sind die Eingangsklemmen eines Analog-Digital-Wandlers 16. Der Wandler 16 hat eine gewisse Anzahl von Ausgängen, an denen die Binärzustände einer Zahl erscheinen, die dem Digitalwert des an den Eingang 15 angelegten Analogsignals entspricht. Die Ausgangssignale des Handlers 16 werden an den Eingang eines Adreßselektors eines Festwertspeichers 17 angelegt. In dem Festwertspeicher 17 ist eine ganze Reihe von Näherungswerten von Zeitspannen gespeichert, die den verschiedenen Zeiten zwischen zwei Flanken von aufeinanderfolgenden Impulsen entsprechen, welche durch einen Impulsgenerator 18 geliefert werden, mittels welchem Impulse mit einer ganzen Reihe von unterschiedlichen Taktfreguenzen von Näherungswerten erzeugt werden können. Diese Zeitspannen sind beispielsweise eine Reihe von 3800 Werten zwischen 200 und 4000 ps, wobei die Differenz zwischen zwei benachbarten Zeitspannen der Reihe 10 με beträgt. In diesem Fall ändern sich die Taktfrequenzen des Impulsgenerators zwischen 5000 Hz und 250 Hz und sie entsprechen einer Reihe von 3800 Frequenzwerten zwischen 13,8 Hz und 0,694 Hz, multipliziert mit einer Zahl η (=360), unter denen der Wandler 16 den geeigneten Wert für einen gegebenen Frequenzsollwert mit Hilfe des Adreßselektors des Speichers 17 auswählen kann. Die Differenz zwischen zwei benachbarten Zeitspannen der oben genannten Reihe von Zeitspannen kann durch die Zeitspanne zwischen den Flanken von zwei oder mehr aufeinanderfolgenden Impulsen eines Hauptoszillators bestimmt werden, welches beispielsweise ein Quarzoszillator ist. Die Impulse, die von diesem Hauptoszillator 19 abgegeben werden, werden an den Eingang eines Zählers 20 angelegt. Die Zählerstände der verschiedenen Stufen des Zählers 20 werden einer der beiden Reihen von Eingängen eines Vergleichers 21 zugeführt, dessen andere Reihe von Eingängen über eine Verriegelungsschaltung 22 mit den Ausgängen dee Festwertspeichers

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verbunden 1st, der die Taktfrequenz des Impulsgenerators 18 festlegt. Die Verriegelungsschaltung 22 gestattet, den Zustand der Eingänge des Vergleichers 21 in einem bestimmten Zeitpunkt festzuhalten, damit der Vergleich zwischen den beiden Reihen von Eingängen des Vergleichers 21 vorgenommen werden kann. Wenn der Zähler 20 die Zahl erreicht, die durch die Eingänge festgelegt ist, welche durch die Verriegelungsschaltung 22 verriegelt sind, gibt der Vergleicher einen Impuls an einen monostabilen Multivibrator 23 ab, der ebenfalls Teil des Generators 18 ist. An dem Ausgang des monostabilen Mutivibrators 23 erscheint dann ein Impuls, dessen Dauer ausreichend lang ist, damit die Verriegelungsschaltung 22 entriegelt und der, gegebenenfalls modifizierte, Zustand der Ausgangsstufen des Speichers dem Eingang des Vergleichers 21 zugeführt werden kann. Derselbe Ausgangsimpuls des monostabilen Multivibrators 23 stellt den Zähler 20 auf Null zurück und stellt den Ausgangsimpuls des Generators 18 mit veränderlicher Taktfrequenz dar. Diese Taktfrequenz ist, wie bereits erwähnt, gleich dem n-fachen der Frequenz f des Wechselrichters. Die Zahl η ist bei dem gewählten Beispiel beispielsweise gleich 360, sie kann offenbar aber viel größer sein, wenn die Genauigkeit erhöht werden soll, beispielsweise η = 3600. Dagegen kann unterhalb von η = 12 die gewünschte Wirkung nicht erzielt werden.

Das Ausgangssignal des Generators 18 wird an einen Umlaufschalter mit η Stellungen angelegt, wobei η im vorliegenden Fall gleich ist. Dieser Umlaufschalter besteht aus einem 9-stufigen Binärzähler 24, dem ein Detektor 25 der Zahl 360 zugeordnet ist, welcher das Signal zum Zurückstellen des Zählers 24 auf Null liefert. Der Zähler 24 zählt die η gleichen Winkelunterteilungen jeder Periode jeder Betriebsfrequenz des Wechselrichters. Die Stufen des Zählers 24 dienen als Adresse für einen Festwertspeicher und wählen nacheinander in einer zyklischen Reihenfolge, die während jeder Periode jeder Betriebsfrequenz vollständig durch-

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laufen wird, die η Gruppen von vorher festgesetzten Steuerungssollwerten für die verschiedenen Thyristoren 1 bis 14 des Wechselrichters, die In dem Festwertspeicher 26 gespeichert sind, aus und geben sie, gegebenenfalls über geeignete Verstärker (nicht dargestellt) an die Steuerelektroden der Thyristoren 1 bis 14 ab.

Die Wahl der vorher festgesetzten Steuerungssollwerte für die verschiedenen Thyristoren ist, bis auf eine konstante Phasenverschiebung, für alle Hauptthyristoren 1 bis 6 gleich und erfolgt nicht in Abhängigkeit von der Zeit, sondern in Abhängigkeit von den elektrischen Graden einer Periode von nichtspezifizierter Länge, die einer Frequenz in dem Betriebsfrequenzbereich entsprechen. Diese Wahl erfolgt nach einer an sich bekannten Methode (Fourrier-Analyse), um eine oder mehrere harmonische Komponenten zu eliminieren oder zu minimieren. Aufgrund der Tatsache, daß diese Steuerungssollwerte in Abhängigkeit von den elektrischen Graden festgesetzt werden, falls eine gewisse Form der Steuerungswelle, wie die Steuerungewelle von Fig. 2, gewisse harmonische Komponenten für eine Frequenz des Betriebsfrequenzbereiches minimiert, minimiert sie diese harmonischen Komponenten auch für alle anderen Betriebsfrequenzen.

Wenn für die verschiedenen Frequenzen in dem Betriebsfrequenzbereich die störendsten harmonischen Komponenten nicht immer die gleichen sind, ist es möglich, zwei oder mehr Speicher 26 und zyklische Selektoren 24, 25 vorzusehen, welche jeweils eine andere Gruppe von harmonischen Komponenten eliminieren. Die anschaltung des Ausgangsimpulses des Generators 18 auf eine erste Gruppe 24, 25, 26 oder auf eine zweite, dritte, usw. Gruppe 24, 25, 26 kann dann mit Hilfe eines Umschalters 27 am Ausgang des monostabilen Multivibrators 23 erfolgen, der durch einen oder durch mehrere Frequenzsollwertdetektoren 28 betätigt wird, die mit den Ausgängen des Speichers 17 verbunden sind.

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Wenn der Wechselrichter nach der Erfindung mit einem Motor benutzt wird, dessen Nuten nicht zu der Rotorachse parallel, sondern um einen gewissen Winkel gegen die Richtung der Achse versetzt sind, ist es möglich, für diesen Versetzungswinkel einen derartigen Wert zu wählen, daß ein Paar Harmonische eliminiert werden kann, die durch die Wahl der Steuerungswelle nicht eliminiert werden. Umgekehrt, wenn die Wahl des Versetzungswinkels der Nuten gestattet, ein bestimmtes Paar Harmonische zu eliminieren, ist es möglich, eine Steuerungswelle zu wählen, die gestattet, darüberhinaus weitere Harmonische zu eliminieren.

In dem obigen Beispiel wird die Taktfrequenz des Impulsgenerators 18 durch einen digitalen Sollwert gesteuert. Es gibt offenbar weitere Impulsgeneratoren, die einfacher sind, aber nicht die Stabilität eines Quarzoszillators aufweisen, und deren Taktfrequenz direkt durch eine analoge Eingangsspannung gesteuert wird. Diese Generatoren werden als Spannungsregeloszillatoren bezeichnet. Sie erfordern keinen Wandler 16 und der Eingang 15, 15 bildet dann direkt den Eingang des Impulsgenerators. Das Ausgangssignal eines solchen Spannungsregeloszillator-Impulsgenerators wird in der gleichen Weise wie das Ausgangssignal des Generators 18 verarbeitet und an einen zyklischen Selektor 24 eines Festwertspeichers 26 angelegt.

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Claims

Patenter iwälie 2 7 3 8 6 A 5

Dipl-mg Dtpl.-Chem. Dipl.-mg

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

25. August 1977

ATELIERS DE CONSTRUCTIONS ELECTRIQUES DE CHARLEROI (ACEC)

Chaussee de Charleroi, 54 Saint Gilles Brüssel/ Belgien

Unser Zeichen; A 1790

Patentansprüche :

( 1.)Wechselrichter mit mehreren, mit Steuerelektroden versehenen Ventilen, der mit Zwangskommutierung arbeitet, eine veränderliche Frequenz hat und durch eine Einstellschaltung gesteuert wird, die ein Sollwertsignal für die Frequenz des Wechselrichters liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellschaltung für die Frequenz des Wechselrichters, die den Frequenzsollwert liefert, mit einem Impulsgenerator verbunden ist, welcher eine Einrichtung zum Verändern der Taktfrequenz der Impulse aufweist, die auf das Frequenzsollwertsignal anspricht und eine Taktfrequenz erzeugt, welche η-mal größer ist als die gewünschte Frequenz des Wechselrichters, wobei η wenigstens gleich 12 ist, daß ein Umlaufschalter mit n-Stellungen durch die von dem Impulsgenerator mit veränderlicher Frequenz gelieferten Impulse betätigt wird und daß η Gruppen von vorher festgesetzten Steuerungssollwerten für die Ventile des Wechselrichters in einem ersten Festwertspeicher gespeichert sind und durch den Umlaufschalter an die Steuerelektroden der Ventile des Wechselrichters in einer zyklischen Reihenfolge angelegt werden, die während jeder Periode jeder Betriebsfrequenz vollständig durchlaufen wird.

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ORIGINAL INSPECTEO
2. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Impulsgenerator mit veränderlicher Frequenz ein Analog-Digital-Wandler vorgeschaltet ist und daß er enthält:

a) einen zweiten Festwertspeicher, der durch die digitalen Frequenzsollwerte adressierbar ist und eine diskrete Reihe von Näherungswerten der Zeitspannen zwischen zwei Flanken von aufeinanderfolgenden Impulsen enthält, die durch den Generator geliefert werden und den durch die Sollwerte bezeichneten Frequenzen, multipliziert mit n, entsprechen,

b) einen Hauptoszillator, dessen Periode gleich der Zeitspannendifferenz zwischen zwei benachbarten Periodenwerten oder kürzer als diese Zeitspannendifferenz ist,

c) einen Zähler, der die Impulse des Hauptoszillators zählt, und

d) einen Vergleicher für die Zustände des Zählers und der Ausgänge des zweiten Festwertspeichers, der die Ausgangsimpulse des Impulsgenerators mit veränderlicher Frequenz liefert.
3. Wechselrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlaufschalter ein Zähler für die η Unterteilungen von gleichem Winkelwert jeder Periode jeder Frequenz des Wechselrichters ist, wobei die Zustände der Stufen dieses Zählers als Adresse für den ersten Festwertspeicher dienen.
4. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator ein Spannungsregeloszillator-Generator ist.
5. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vorher festgesetzten Werte in dem ersten Festwertspeicher nach einer an sich bekannten Methode gewählt werden, um die harmonischen Komponenten zu eliminieren, die durch eine Winkelversetzung der Nuten eines durch den Wechselrichter gespeisten Asynchronmotors gegen die Richtung der Achse des Rotors nicht eliminiert worden sind.

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