DE3105792A1

DE3105792A1 - Steuervorrichtung fuer wechselrichter

Info

Publication number: DE3105792A1
Application number: DE19813105792
Authority: DE
Inventors: Chihiro Okado; Isami Ugai
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1980-02-19
Filing date: 1981-02-17
Publication date: 1981-12-17
Also published as: JPS631834B2; AU536103B2; JPS56117577A; DE3105792C2; US4364109A; AU6729581A

Description

Steuervorrichtung für Wechselrichter

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung der Ausgangsfrequenz eines Wechselrichters in einem weiten Bereich.

Es ist ein Wechselrichtergerät bekannt, das für die Steuerung der Arbeitsgeschwindigkeit eines Induktionsmotors über einen weiten Bereich bestimmt ist. Ein Beispiel eines solchen Gerätes ist in Fig. 1 gezeigt. In dem Beispiel ist ein Dreiphasen-Transistor-Wechselrichter 2 mit einer Gleichspannungsquelle 1 verbunden. Der Ausgang des Wechselrichters 2 ist an einer Dreiphasen-Induktionsmotor 6 angeschlossen, dessen Rotor unmittelbar mit einem Tachometer 7 gekoppelt ist. Es sind ferner Stromdetektoren 3, 4 und 5 vorgesehen, welche die vom Wechselrichter 2 gelieferten Dreiphasen-Wechselströme messen, wobei der Wechselrichter in einem Impulsbreitenmodulations-Modus, wie er später beschrieben wird, gesteuert wird.

Die Steuerschaltung des Wechselrichters enthält eine Geschwindigkeits-Einstellvorrichtung 8, die ein Bezugssignal S_n liefert, das mit der Ausgangsspannung V_g vom Tachometer 7 verglichen wird. Die Differenz wird durch einen Verstärker 9 verstärkt, so daß

ein Bezugssignal T erzeugt wird, welches ein Drehmoment darstellt, das für die Reduzierung der Differenz auf Null erforder-

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lieh ist. Das Drehmoment-Bezugssignal T wird einem Funktions-

generator 10 zugeführt, um ein Bezugssignal id zu erzeugen, das dann einer Dreiphasen-Wechselstrom-Bezugsschaltung 13 zugeführt wird.

Das Drehmoment-Bezugssignal T wird ferner einem Potentiometer 11 zugeführt, um ein Spannungssignal S_v zu erzeugen, welches der Ausgangsspannung V_ vom Tachometer 7 hinzugefügt wird . Das so erhaltene Resultat wird einem Spannungs-Frequenz-Wandler

zugeführt, um ein Frequenz-Bezugssignal fo zu erzeugen. Das

Frequenz-Bezugssignal fo wird auch der Dreiphasen-Wechselstrom-Bezugsschaltung 13 zugeführt.

Bei Erhalt des Strom-Bezugssignals id und des Frequenz-Bezugs-

*
signals fo liefert die Strom-Bezugsschaltung 13 sinusförmige

Dreiphasen-Strom-Bezugssignale i„ , i„ und i„ , die für die Steuerung des Wechselrichters 2 zu verwenden sind. Das heißt,

die Bezugssignale i_n , i„ und i_w werden dann in Differentialverstärkern 21„, 21 und 21 mit den Ausgangssignalen i„, i_v und i„ von den Stromdetektoren 3, 4 bzw. 5 verglichen, und es werden die Vergleichsergebnisse in ihnen verstärkt, um Dreiphasen-Wech-

* * * selspannungs-Bezugssignale V_n , V und V„ zu erzeugen.

Die Impulsbreitenmodulations-Steuerung des Wechselrichters 2 wird in folgender Weise ausgeführt:

Die Spannungs-Bezugssignale V , V_v und V werden in Komparatoren 22„, 22„ und 22_TT mit der Dreiecks-Ausgangsspannung Va von

UVW *"*

einer Dreieckswellen-Erzeugerschaltung 14 verglichen, um Impulsbreiten-Modulationssignale zu erhalten, die, wie in Fig. 2 gezeigt, auf einem hohen Pegel gehalten werden, wenn die Bezugs-

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Signale V_n , V„ und V„ die Dreieckswelle V^ überschreiten. Die Impulsbreiten-Modulationssignale werden über Treiberschaltungen 2 3_n, 23„ und 23_W den Basiselektroden der in dem Wechselrichter 2 enthaltenen Transistoren zugeführt. Da die den Basiselektroden der Transistoren zugeführten Impulsbreiten-Modulationssignale Wellenformen haben, die den Ausgangsspannungen V„, V und V--, die vom Wechselrichter 2 gelMert werden, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, sehr ähnlich sind, sind in Fig. 2 die Ausgangsspannungen V , V_v und V_w anstelle der Impulsbreiten-Modulationssignale gezeigt, obgleich die Maximalamplituden der letzteren Spannungen viel größer sind als diejenigen der Impulsbreiten-Modulationssignale. Ferner sollte darauf hingewiesen werden, daß eine vom Wechselrichter gelieferte Phase-Zu-Phase-Spannung V„__v eine Frequenz hat, die zweimal so hoch ist wie diejenige der Impulsbreiten-Modulationssignale.

Da aber bei der oben beschriebenen Steuerung des Wechselrichtergerätes die drei Phasenströme des Induktionsmotors 6 eher in bezug -auf ihre Mittelwerte (oder Gesamtwerte) als auf ihre Augenblickswerte gesteuert werden, ist es wesentlich, daß der Frequenzbereich der Steuerschaltung auf einen Wert reduziert wird, der ausreichend ist, den Einschluß von Wellen zu reduzieren.

Wenn die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters mit 100 Hz angenommen wird, und wenn die Wechselströme ohne merkbare Fehler gesteuert werden sollen, sollte der offene Verstärkungsgrad der Strom-Nebenschleife höher als 10 sein, und es sollte Q im Bode-Ansprechverhalten der gleichen Schleife größer sein als χ 100 χ 10 = 6000 rad./s. Da aber ein übermäßiger Wert von

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-f

<0_C den Gehalt an Wellen erhöht, sollte der Frequenzbereich auf den niedrigsten Wert begrenzt werden, soweit die erforderlichen Ströme vom Wechselrichter erhalten werden können. Dieses verringert unvermeidbar die Frequenz der Impulsbreiten-Modulations-Steuerung, was eine unstabile Arbeitsweise in einem Hochfrequenzbereich des Wechselrichterbetriebes nach sich zieht.

Es ist ferner bekannt, daß die Arbeitsfrequenz eines Wechselrichters erhöht werden kann durch Anwendung einer Augenblicks-Steuerschaltung, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist. In dieser Schaltung sind die Verstärker 21„, 21 und 21.-, die Komparatoren 22^ 22 und 22_W und die Dreieckswellen-Erzeugerschaltung 14, wie sie in Fig. 1 gezeigt sind, durch Komparatoren 24„, 24_V und 24„ ersetzt, die je eine Hysterese-Charakteristik haben. Die Komparatoren 24„, 24 'und 24„, die je eine Einzelkonstruktion haben, wie sie im folgenden beschrieben ist, vergleichen die Ausgangssignale i_n, ±y und i_w, die von den Stromdetektoren 3, 4 und 5

erhalten werden, mit den Strom-Bezugssignalen iy , i„ bzw. i_w und liefern die Ausgangssignale entsprechend den Hysterese-Charakteristiken. Es ist bekannt, daß die Augenblicks-Steuerung, wie sie oben beschrieben ist, in ihrem Frequenzbereich theoretisch keine obere Grenze hat.

Ein vom Wechselrichter 2 unter der oben beschriebenen Augenblicks-Steuerung gelieferter Ausgangsstrom x^ und eine so'erhaltene Phase-zu-Phase-Spannung V-V sind in Fig. 5 (a) bzw. 5 (b) gezeigt. In dieser Steuerung wird der vom Wechselrichter gelieferte Ausgangsstrom i„ in dem Komparator 24„ mit dem Strom-Bezugssignal i * verglichen, und es wird die Differenz innerhalb eines Änderungsbereichs entsprechend der Hysterese-Charakteri-

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stik des Komparators 24 kontrolliert. Die Phase-zu-Phase-Spannung V„ besteht somit aus einem Zweirichtungs-Impuls, der über und unter den Nullspannungspegel schwingt.

Andererseits sind der Ausgangsstrom i„ und die Phase-zu-Phase-Spannung V_n im Falle der Impulsbreiten-Modulationssteuerung in den Fig. 6(a) und 6(b) gezeigt. Da die Ausgangsspannungen des Wechselrichters durch die Dreieckswelle miteinander synchronisiert sind, besteht die Phase-zu-Phase-Spannung V„_v in einem Halbzyklus aus einem Einrichtungs-Impuls, der von dem Nullspannungspegel aus in eine Richtung schwingt.

Aus diesem»Grunde neigt die durch die Impulsbreiten-Modulationssteuerung erhaltene Stromänderungsgeschwindigkeit in den Ausgangsströmen dazu, kleiner zu werden, insbesondere in einem Bereich des Wechselrichters mit niedriger Ausgangsspannung.

Im Gegensatz dazu ist die Stromänderungsrate in den Ausgangsströmen, die durch die Augenblicks-Steuerung erhalten worden ist, groß, und zwar mit Rücksicht auf den Zwei-Richtungs-Impuls, welcher, wie oben beschrieben, die Phase-zu-Phase-Spannung V„_v bildet. Es ergeben sich deshalb erhöhte Wellen im Ausgangsstrom und verstärkte magnetische Geräusche im Induktionsmotor, und zwar insbesondere in einem Niederfrequenz-Betrieb des Wechselrichters.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Steuervorrichtung für einen Wechselrichter, bei welchem die oben beschriebenen Nachteile der bekannten Steuervorrichtungen im wesentlichen ausgeschaltet sind.

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Ferner wird mit der Erfindung eine Steuervorrichtung für einen Wechselrichter geschaffen, die Wellen reduzieren kann, die im Ausgangsstrom des Wechselrichters enthalten sind, insbesondere in einem Niederfrequenzbereich der Wechselrichter-Steuerung.

Mit der Erfindung wird auch eine Steuervorrichtung eines Wechselrichters geschaffen, bei welcher eine unstabile Steuerung in einem Hochfrequenzbereich des Wechselrichterbetriebes im wesentlichen ausgeschaltet werden kann.

Gemäß der Erfindung ist eine Wechselrichter-Steuervorrichtung mit wenigstens einer Strom-Nebenschleife und einer Schaltung zur Steuerung des Wechselrichters in einem Impulsbreiten-Modulations-Modus vorgesehen. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch eine weitere Schaltung zur Steuerung des Wechselrichters in einem Augenblicks-Modus, durch einen Detektor zum Messen der Arbeitsfrequenz des Wechselrichters und durch eine Modus-Übertragungsschaltung, welche den Ausgang der Impulsbreiten-Modulations-Steuerschaltung mit dem Wechselrichter verbindet, wenn die durch die Detektorschaltung gemessene Arbeitsfrequenz des Wechselrichters niedriger ist als ein vorbestimmter Wert, und welche den Ausgang der Augenblicks-Steuerschaltung mit dem Wechselrichter verbindet, wenn die Arbeitsfrequenz des Wechselrichters höher ist als der vorbestimmte Wert.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer bekannten Steuervorrichtung für einen Wechselrichter,

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Fig.2(a) Wellenformen zur Erläuterung der Arbeitsweise der bis 2(d)

Steuerschaltung nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Diagramm, welches die Spannungen in der Steuerschaltung zeigt,

Fig. 4 ein Blockschaltbild, welches eine andere bekannte Konstruktion des in Fig. 1 gezeigten Komparators zeigt,

Fig.5(a) Wellenformen zur Erläuterung der Arbeitsweise der in und 5(b)

Fig. 4 gezeigten Komparatoren,

Fig.6(a) Wellenformen zur Erläuterung der Arbeitsweise der und 6(b)

Steuerschaltung nach Fig. 1,

Fig. 7 ein Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 8 ein Blockschaltbild einer Einzelheit einer bekannnten Dreiphasen-Wechselstrom-Bezugsschaltung 13 nach Fig.1, und

Fig. 9 ein Schaltbild eines bekannten Ausführungsbeispiels eines Komparators mit einer Hysterese-Charakteristik.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 7 beschrieben, in welcher Schaltelemente, die den in Fig. 1 gezeigten Komponenten ähnlich sind, mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, so daß eine ins einzelne gehende Beschreibung dieser Komponenten weggelassen wird. Zur Vereinfachung der Zeichnung sind auch Haupt-Schaltungskomponenten, wie die Spannungsquelle 1, der Wechselrichter 2, Stromdetektoren 3, 4, 5, der Induktionsmotor 6 und der Tachometer 7 weggelassen worden.

Gemäß der Erfindung sind Differentialverstärker 21_n, 21_v und

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21 sowie Komparatoren 24 , 24 und 24_W vorgesehen, die jeweils eine Hysterese-Charakteristik haben. Alle diese Komponenten sind so geschaltet, daß Ausgangssignale i„ , i_v und i_. von der Dreiphasen-Wechselstrom-Bezugsschaltung 13 erhalten werden, worauf diese mit den Strömen i„, i_v und i„ verglichen werden, die von den Stromdetektoren 3, 4 bzw. 5 erhalten worden sind. Die Ausgangssignale der Differentialverstärker 21_U# 21 und 21_W werden ferner in Komparatoren 22 , 22_V und 22„ mit einer Dreieckswelle verglichen, die von einer Dreieckswellen-Erzeugerschaltung 14 erhalten worden ist. Eine Steuermodus-Übertragungsschaltung 26 ist außerdem vorgesehen, um die Ausgangssignale der Komparatoren mit Hysterese-Charakteristiken 24^., 24_V und 24_W und der Komparatoren 22 , 22 und 22 zu erhalten. Ein Pegeldetektor 25 bzw. Spannungsdetektor ist vorgesehen, um das Ausgangssignal V_ des Tachometers 7 (Fig. 1) aufzunehmen und die Steuermodus-übertragungsschaltung 26 in solcher Weise zu betätigen, daß entweder eines der Ausgangssignale von den Komparatoren 22.., 22_V und 22_W oder von den Komparatoren 24 , 24 und 24_W an die Treiberschaltungen 23^., 23_V bzw. 23.. geliefert werden, und zwar in Abhängigkeit vom Pegel des Ausgangssignals Vg, das vom Tachometer 7 geliefert wird. Die Ausgangssignale der Treiberschaltungen 23_n, 23_V und 23_W werden zur Steuerung des Wechselrichters verwendet, wie es in Verbindung mit der Schaltung nach Fig. 1 beschrieben worden ist.

Die in Fig. 7 gezeigte Steuerschaltung arbeitet in folgender Weise:

Die Komparatoren 22^, 22 und 22.., welche die Ausgangssignale von den Differentialverstärkern 21', 21„ und 21_T,_T mit der von

UV W

der Dreieckswellen-Erzeugerschaltung 14 erzeugten Dreieckswelle

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vergleichen, liefern Impulsbreiten-Modulationssignale, wie oben beschrieben, an die Steuermodus-Übertragungsschaltung 26. Andererseits liefern die Komparatoren mit Hysterese-Charakte-

* ristiken 24_n, 24_V und 24_W, welche die Aus gangs Signa Ie i.. ,

* *
i_v und i_w von der Dreiphasen-Wechselstrom-Bezugsschaltung 13 mit den Ausgangssignalen i , i_v und i_w von den Stromdetektoren 3, 4 und 5 (Fig. 1) vergleichen, Augenblicks-Steuersignale, wie es vorher beschrieben worden ist, an die Steuermodus-Übertragungsschaltung 26.

Wenn somit der Pegeldetektor 25 feststellt, daß das Ausgangssignal V₀ vom Tachometer 7 sich auf einem niedrigen Pegel befindet, betätigt der Detektor 25 die Steuermodus-Übertragungsschaltung 26 derart, daß die Impulsbreiten-Modulationssignale von den Komparatoren 22 , 22 und 22_W durch diese zu den Treiberschaltungen 23_TJ, 23„ und 23_W geliefert werden.

Wenn umgekehrt der Pegeldetektor 25 feststellt, daß sich das Ausgangssignal ν_ς vom Tachometer 7 auf einem hohen Pegel befindet, betätigt der Detektor 25 die Steuermodus-übertragungsschaltung 26 in solcher Weise, daß die Augenblicks-Steuersignale von den Komparatoren 24.., 24 und 24„ durch diese hindurch den Treiberschaltungen 23_n, 23_V bzw. 23_W zugeführt werden.

Infolgedessen wird der Steuermodus der Steuervorrichtung gemäß der Erfindung zwischen dem Impulsbreiten-Modulationsmodus, in welchem die Wellen reduziert sind, und dem Augenblicks-Modus, der der Hochgeschwindigkeits-Operation angepaßt ist, übertragen, und zwar in Abhängigkeit von dem Pegel des Ausgangssignals V_g vom Tachometer 7.

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Die Steuerschaltung nach der Erfindung kann vorteilhafterweise mit einer Vektor-Steuerschaltung oder einer Feldschwächungs-Steuerschaltung eines Induktionsmotors kombiniert werden. Im letzteren Falle, in welchem eine Komponente entsprechend dem Felderregerstrom von 10% des Nennstromes des Induktionsmotors angenommen ist, muß der Fehler in der Felderregerkomponente beschränkt werden auf weniger als 10% der gleichen Komponente, d.h., auf weniger als 1% des Nennstromes. Eine solche Beschränkung kann nicht durch den Impulsbreiten-Modulationsmodus der Operation oder dergleichen realisiert werden. Wenn es erwünscht ist, den Fehler auf weniger als 1 % des Nennstromes bei einer Impulsbreiten-Modulationssteuerung zu reduzieren, muß die Verstärkung der Strom-Nebenschleife in der Steuerschaltung 100 sein, wenn die Antriebsfrequenz des Wechselrichters mit 100 Hz angenommen wird.

Ferner ist es selbstverständlich, daß die Erfindung auch auf die Steuerung eines Spannungs-Wechselrichters anwendbar ist, der mit einer Strom-Nebenschleife versehen ist und der unter Verwendung des Spannungs-Frequenz-Verhältnisses gesteuert wird. In einer solchen Anwendung wird eine Frequenz-Bezugsspannung als Eingangssignal einer Geschwindigkeits-Meßschaltung verwendet, so

die
daß/Schaltung als Frequenzdetektor arbeitet.

Obwohl in der obigen Beschreibung der Wechselrichter als Transistor-Wechselrichter beschrieben worden ist, ist es selbstverständlich, daß die Erfindung auch auf die Steuerung eines andere Schaltelemente als Transistoren verwendenden Wechselrichters anwendbar ist.

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Ferner kann die Dreiphasen-Wechselstrom-Bezugsschaltung 13, die in den Fig. 1 und 7 verwendet ist, allgemein bekannte Konstruktionen haben. Ein Beispiel der Schaltung 13 ist in Fig. 8 in Form eines Blockschaltbildes gezeigt. In dieser Schaltung ist ein Zähler 101 vorgesehen, welcher eine Eingangsfrequenz gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Wechselrichterfrequenz erhält. Ein Speicher 102, welcher Sinuswellen speichert, ist so geschaltet, daß er das Ausgangssignal des Zählers 101 erhält, so daß entsprechend vorbestimmten Zählwerten des Zählers 101 zwei Ausgangssignale in einer digitalen Form an die Digital-Analog-Wandler 103 bzw. 104 geliefert werden. An den Eingängen der Wandler 103 und 104 werden die Ausgangssignale des Speichers 102 mit

*
einem Strombezugswert id multipliziert (in einem Mittelwert),

* und es werden die sich ergebenden Signale in analoge Signale i

und i umgewandelt. Die analogen Signale L^. und i_v werden miteinander addiert, und es wird ein Signal entsprechend der Umkehrung der Summe in einem Operationsverstärker 105 verstärkt, wodurch i_w erhalten wird.

Wie oben beschrieben, ist auch ein Komparator mit einer Hysterese-Charakteristik nach den Fig. 4 und 7 bekannt. Ein Beispiel des Komparators ist in Fig. 9 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Strom i^., der vom Stromdetektor geliefert wird, mit dem Strom-Bezugssignal i.. verglichen, und es wird die Differenz umgekehrt und dann dem einen Eingang eines Operationsverstärkers OA zugeführt. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers OA wird durch einen Widerstand R₄ zurück zum anderen Eingang des Verstärkers OA geführt. Es ist allgemein bekannt, daß die Breite der Hysterese-Charakteristik durch die Widerstände R₃ und R₄ bestimmt ist.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. J Wechselrichter-Steuerschaltung mit wenigstens einer Strom-Nebenschleife und mit einer Schaltung zur Steuerung des Wechselrichters in einem Impulsbreiten-Modulations-Modus, gekennzeichnet durch eine weitere Schaltung zur Steuerung des Wechselrichters in einem Augenblicks-Modus, durch einen Detektor zum Messen der Arbeitsfrequenz des Wechselrichters und durch eine Modus-Übertragungsschaltung (26), welche den Ausgang der Impulsbreiten-Modulations-Steuerschaltung mit dem Wechselrichter verbindet, wenn die durch die Detektorschaltung gemessene Arbeitsfrequenz des Wechselrichters niedriger ist als ein vorbestimmter Wert, und welche den Ausgang der Augenblicks-Steuer schaltung mit dem Wechselrichter verbindet, wenn die Arbeitsfrequenz des Wechselrichters höher ist als der vorbestimmte Wert.

2. Wechselrichter-Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zur Steuerung des Wechselrichters in einem Augenblicks-Modus ein Komparator mit einer Hysterese-Charakteristik ist.

3. Wechselrichter-Steuerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator den Ausgangsstrom des Wechselrichters mit dem Strom-Bezugswert vergleicht und das Ausgangssignal entsprechend der Hysterese liefert.

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