DE2903575C2

DE2903575C2 -

Info

Publication number: DE2903575C2
Application number: DE19792903575
Authority: DE
Inventors: Robert Dr. Winnipeg Manitoba Ca Menzies; Thomas Dipl.-El.-Ing. 7891 Hohentengen De Seger
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1979-01-03
Filing date: 1979-01-31
Publication date: 1988-09-15
Also published as: FR2446031A1; ATA778779A; FR2446031B1; SE451355B; CH653824A5; SE8000048L; DE2903575A1; AT371959B

Description

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer Steuerschaltung für einen selbstgeführten Wechselrichter mit veränderlicher Grundfrequenz nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine solche ist bekannt durch die CH-PS 5 06 206. Dort werden die Zündzeitpunkte der Thyristoren aus den Schnittpunkten einer frequenzvariablen Dreieck spannung mit einem einstellbaren Pegel ermittelt. Die Anzahl der Schaltvorgänge pro Periode der Ausgangswech selspannung wird bei steigender Ausgangsfrequenz vermindert durch schrittweises Unterdrücken der jeweils kleinsten stromlosen Pause. Der entstehende Spannungssprung wird in Kauf genommen. Eine Minimierung des Oberschwingungs gehaltes ist nur sehr begrenzt möglich.

Aus B.D.Bedford u. R.G.Hoft, "Principles of Inverter Circuits", New York, Wiley, 1964, S. 254-278 sind Wech selrichtersteuerungen bekannt, welche die Unterdrückung bestimmter Oberschwingungen in der Ausgangsspannung mit Hilfe entsprechender Zwischenkommutierungs-Phasenwinkel, die fest vorgegeben sind, erlauben.

Bei veränderlicher Aussteuerung der Grundfrequenz, z. B. von Bereichen nahe der maximalen Schaltfrequenz des Wech selrichters bis zu sehr niedrigen Bereichen, läßt sich mit einem fest vorgegebenen Zwischenkommutierungsmuster (Anzahl und Phasenwinkel der Zwischenkommutierungen) ein befriedigender Betrieb nicht erreichen, u. a. wegen des mit der Grundfrequenz f ₁ proportional wachsenden Minimalwinkels Δ α = 360° · T _t · f ₁ (T _t = minimaler Zeit abstand zwischen aufeinanderfolgenden Kommutierungen) der Zwischenkommutierungen gegeneinander.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuerschaltung der eingangs genannten Art anzugeben, die eine weite Grundfrequenzaus steuerung bei vergleichsweise guter Oberschwingungsunter drückung ermöglicht.

Damit wird der Aussteuerbereich in Teilbereiche mit unter schiedlichen Zwischenkommutierungszahlen (M, z. B. bezogen auf je eine Viertelperiode der Grundfrequenz) zerlegt, für die geeignete bzw. optimale Phasenwinkel (a ₁, α ₂ . . .) u. a. mit Hilfe an sich bekannter Berechnungs methoden (s. o.), die nicht zum Gegenstand der Erfindung gehören, festgelegt werden können.

Zum einschlägigen Stand der Technik wird zusätzlich auf ETZ-A, Bd. 97 (1976) H. 11, S. 663-667 verwiesen, aus der ein ausschließlich für Wechselrichter mit Zwischen stromkreis geeignetes Zwischentaktverfahren bekannt ist, das die in dem o. g. Buch von Bedford/Hoft beschriebene "harmonische Elimination" anwendet. Bei diesem Steuer verfahren bestehen folgende Restriktionen:

a) unveränderte 2π/3-Stromzeitfläche,
b) minimale Rechteckblockbreite von π/3 und
c) Symmetrie der Impulse zu π/6.

Aus Proc. IEE, Vol. 125, No. 4, April 1978, S. 328-334 ist es bekannt, die Anzahl der Zwischenkommutierungen bei einer vorgegebenen Frequenz der Ausgangswechselspan nung derart vorzunehmen, daß der Klirrfaktor möglichst klein wird.

Die Erfindung wird weiter anhand des in den Zeichnungen ver anschaulichten Ausführungsbeispiels erläutert. Hierin zeigt:

Fig. 1 ein Mehrfachdiagramm verschiedener Größen über den zu f ₁ proportionalen minimal zulässigen Abstandswinkel Δ α, und zwar der verschiedenen Phasenlagen bzw. Zwischenkommutierungs-Phasenwinkel α ₁, α ₂ . . ., verschiedener Oberschwingungs-Meßzahlen bzw. Meßfunk tionen F ₁, F ₂ . . ., die den Aussteuerbereichen mit unter schiedlichen Zwischenkommutierungszahlen bzw. Kommutierungs-Signalen M ₁, M ₂ . . . (bezogen auf eine Viertelperiode der Grundfrequenz f ₁) zugeordnet sind und der Optimierung der Zwischenkommu tierungs-Phasenwinkel in diesen Bereichen dienen, und einer normierten Grundfrequenz-Ausgangsspannungsamplitude U ₁, sowie

Fig. 2 eine Prinzipschaltung für die Durchführung einer Zwi schenkommutierungs-Umschaltung nach Fig. 1.

In Fig. 1 sind vier Aussteuerbereiche von Δ α = 360° · T _t · f ₁, also auch von f ₁ selbst mit einem entsprechenden Proportionalitäts faktor, zwischen 0° und 15° mit den Zwischenkommutierungszahlen M = 4, 3, 2, 1 angedeutet. In einem praktichen Beispiel ent spricht dies etwa einer Aussteuerung von f ₁ zwischen 0 und 190 Hz, also einem großen relativen Gesamtaussteuerungsbereich, wie er bisher nicht ohne weiteres mit annehmbarer Oberschwingungsun terdrückung verwirklicht werden konnte. Die oberen Grenzwerte von Δ α für die Umschaltung zwischen den verschiedenen Werten von M sind mit γ₄, γ ₃, q ₂, γ₁ bezeichnet. Grundsätzlich können diese Umschalt-Grenzwerte auch durch entsprechende Werte von f ₁ vorgegeben werden.

In den einzelnen Aussteuerbereichen sind entsprechend einer optimalen Oberschwingungsunterdrückung bestimmte Werte bzw. funktionale Abhängigkeiten der Zwischenkommutierungs-Phasen winkel von Δ α festgelegt. Diese Optimierung findet ihren Ausdruck in entsprechenden Abschnitten von Oberschwingungs- Meßfunktionen F ₄ . . . F ₁, im Beispielsfall ein quadratischer Mittelwert (proportional zur Wurzel aus der Summe der Ampli tudenquadrate) der Oberschwingungsamplituden. Gegebenenfalls kommt auch der in bekannter Weise definierte Klirrfaktor für diese Meß funktionen in Betracht. In besonders vorteilhafter Weise sind im Beispielsfall die Grenzwerte γ ₄ . . .γ ₂ als Schnittpunkt abszissen der Meßfunktionen F ₄ und F ₃ bzw. F ₃ und F ₂ bzw. F ₂ und F ₁ bestimmt, so daß sich ein optimierter Gesamtverlauf über den Aussteuerbereich ergibt, weil die Meßfunktionswerte jeweils benachbarter Bereiche in den Umschaltpunkten übereinstimmen.

Der oberste Umschaltpunkt bei γ₁ entspricht einem Übergang zur zwischenkommutierungsfreien Grundfrequenztaktung mit M = 0.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, gehen die Werte der Zwischen kommutierungs-Phasenwinkel von Δα = 0 mit konstanten Ab schnitten entsprechend der Meßfunktion F ₄ bis zum Grenzwert γ ₄ in leicht gekrümmte Bereiche über, wobei die Abstandswinkel der Kommutierungen untereinander den minimal zulässigen Abstandswinkel Δ α nicht unterschreiten, wie es sein muß. Abgesehen von der abnehmenden Neigung der gekrümmten Kurvenabschnitte von α ₄ . . . α ₁ sorgt der Umschaltpunkt bzw. Grenzwert γ ₄ selbst für die Einhal tung dieser Bedingung. Dies bedeutet, daß die Meßfunktionen F ₄ . . . F ₁ mit ihren Schnittstellen auch insoweit optimiert sind. In den anschließenden Aussteuerbereichen gehen die Kurven der Zwischenkommutierungs-Phasenwinkel mit Annäherung an die Grenzwerte gemäß Δ α in ansteigende Abschnitte über, wobei α ₁ im letzten Abschnitt bis γ ₁ auf der Grenzgeraden von Δ α geführt ist, also ebenfalls ansteigt. Auf diese Weise ergibt sich der optimierte Gesamtverlauf der Aussteuerung. Die eingetragenen Kurvenabschnitte von U ₁ zeigen, daß im ge samten Bereich eine hohe Grundschwingungsausbeute erreicht wird.

In der Schaltung nach Fig. 2 werden die Umschaltpunkte bei q ₁ bis γ ₄ mittels Grenzwertschalter G ₁ bis G ₄ verwirklicht, die als Differenzbildner gegenüber einem Eingang für Δ α geschaltet sind und entsprechende, binäre Ausgangssignale an nachfolgende UND-Gatter A ₁ bis A ₄ liefern. Letztere sind über entsprechende Eingänge an vorgeordnete (Differenz)-Grenzwert schalter G ₅ bis G ₈ angeschlossen, die einerseits unmittelbar mit einem f ₁ zugeordneten Signal und andererseits mit vorge gebenen Grenzwerten f _T/3, f _T/5, f _T/7, f _T/9 beaufschlagt sind. Letztere entsprechen den angegebenen Bruchteilen der maximalen Schaltfrequenz f _T und entsprechen einer von der Einhaltung der Abstandsbedingung der Zwischenkommutierungen gemäß Δ α unab hängigen Optimierung der Oberschwingungsunterdrückung. Wenn also die letztere Bedingung unkritisch ist, bleiben die Grenz werte f _T/3 . . . f _T/9 allein wirksam und ermöglichen eine noch weitergehende Optimierung. Bei der Umschaltung nach Fig. 1 ist der umgekehrte Fall angenommen.

Den UND-Gattern A ₁ bis A ₄ nachgeordnete Sperr-UND-Gatter A ₅ bis A ₇ besorgen eine gegenseitige Verriegelung der Grenz wertschalter entsprechend der vorgesehenen Umschaltfolge. Schließlich werden von den Ausgängen der so gebildeten Logik schaltung Kommutierungs-Signalgeber KS ₀ bis KS ₄ angesteuert, die in nicht näher ausgeführter, an sich naheliegender Weise Kommutierungssignale bei den Winkeln 0° und 180° (für die Grundfrequenztaktung) bzw. α ₁, bis α ₄ liefern, jeweils in den passenden Kombinationen für die Aussteuerbereiche mit M = 1 bis M = 4.

Claims

1. Steuerschaltung für einen selbstgeführten Wechselrichter mit veränderlicher Grundfrequenz

- mit einem ersten Kommutie rungs-Signalgeber (KS ₀), welcher eine erste vorgegebene Anzahl (M) von Kommutierungs-Signalen erster vorgegebener Phasenlage (α ₁) erzeugt und
- mit einer binären Logikschaltung, welche einen Grenzwertschalter (G ₁) aufweist, dem eingangs seitig eine zur Grundfrequenz proportionale erste Steuer größe zugeführt ist,

dadurch gekennzeichnet,

- daß der Steuereingang des ersten Kommutierungs-Signalgebers (KS ₀) über ein Invertierglied mit dem Ausgang des einen Grenzwert schalters (G ₁) verbunden ist und
- daß mindestens ein zweiter Kommutierungs-Signalgeber (KS ₁), welcher eine zweite vorge gebene Anzahl (M) von Kommutierungs-Signalen zweiter vorge gebener Phasenlage (α ₂) festlegt, steuerseitig über ein Sperr-UND-Gatter (A ₅) mit dem Ausgang des einen Grenzwert schalters (G ₁) verbunden ist.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem einen Grenzwertschalter (G ₁) die erste zur Grundfrequenz proportionale Steuergröße mit einem Grenzwert (γ ₁) vergleichbar ist und die von der Überschreitung dieses Grenzwertes (γ ₁) abhängige Umschaltung vom ersten (KS ₀) auf einen zweiten Kommutierungs-Signalgeber (KS ₁) durch die Oberschwingungs-Meßzeahlen, insbesondere durch den quadratischen Mittelwert der Oberschwingungsamplituden (F ₁. . . F ₄) festlegbar ist.

3. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß zwischen dem einen Differenzgrenzwertschalter (G ₁) und dem Invertierglied bzw. dem zweiten Kommutierungs-Signal geber (KS ₁) ein UND-Gatter (A ₁) geschaltet ist, welches eingangsseitig neben dem Ausgang des einem Grenzwertschalters (G ₁) noch mit dem Ausgang eines anderen Grenzwertschalters (G ₅) verbunden ist, dem eine der Grundfrequenz entsprechende zweite Steuergröße (f ₁) zugeführt ist.

4. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Grundfrequenz proportionale erste Steuergröße der minimal zulässige Abstandswinkel (Δ a) ist.

5. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Kommutierungs-Signalgeber (KS ₀, KS ₁) Signale mit einem Phasenwinkelabstand festlegbar sind, welcher größer ist als der minimal zulässige Abstands winkel (Δ α).