DE3105792C2

DE3105792C2 - Wechselrichter-Steuerschaltung

Info

Publication number: DE3105792C2
Application number: DE3105792A
Authority: DE
Inventors: Chihiro Fuchu Okado; Isami Kokubunji Ugai
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1980-02-19
Filing date: 1981-02-17
Publication date: 1985-08-14
Also published as: AU6729581A; JPS56117577A; AU536103B2; JPS631834B2; US4364109A; DE3105792A1

Abstract

Wechselrichter-Steuerschaltung mit einer Schaltung zur Steuerung des Wechselrichters in einem Impulsbreiten-Modulations-Modus, bei welcher eine Schaltung zur Steuerung des Wechselrichters in einem Augenblicks-Modus, ein Detektor für die Messung der Arbeitsfrequenz des Wechselrichters und ein Modus-Übertragungsschalter vorgesehen sind, welcher wahlweise einen der Ausgänge der Impulsbreiten-Modulations-Steuerschaltung und der Augenblicks-Steuerschaltung verbindet, und zwar in Abhängigkeit von der vom Detektor gemessenen Arbeitsfrequenz des Wechselrichters.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wechselrichter-Steuerschaltung mit e'ner Schaltung zur Regelung des Wechselrichterausgangsstromes nach einem Impulsbreiten-Modulationsverfahren, bt.i welcii-T zur Stromregelung entweder ein Zweipunktregler oder ein mit einem Modulationshilfssignal beaufschlagter Pulsbreitenmodulator zum Einsatz kommt.

Es ist ein Pulswechselrichter mit veränderbaren Pulsbreiten bekannt (CH-Z »NT Automatik und industrielle Elektronik«, Nr. 4,1974, Seiten 121 -139), die mit Hilfe eines unterlagerten Stromregelkreises gesteuert werden. Dabei werden entweder Zweipunktregler oder Pulsregler (Pulsbreitenmodulation) eingesetzt. Auch hier treten die für die einzelnen Regelarten nachfolgend beschriebenen Nachteile auf.

So ist bei einem Wechselrichtergerät mit Pulsregler nach F i g. 1, das für die Steuerung der Arbeitsgeschwindigkeit eines Induktionsmotors über einen weiten Bereich bestimmt 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, weiche die vom Wechselrichter 2 gelieferten Dreiphasen-Wechselströme messen, wobei der Wechselrichter nach eimm Impulsbreitenmodulationsverfahren gesteuert wird, wie er später beschrieben wird.

Die Steuerschaltung des Wechselrichters enthält eine Geschwindigkeits-Einstellvorrichtung 8, die ein Bezugssignal Sr liefert, das mit der Ausgangsspannung Vs 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 erforderlich ist. Das Drehmoment-Bezugssignal T* wird einem Funktionsgenerator 10 zugeführt, um ein Strom-Bezugssignal id* zu erzeugen, das dann einem Dreiphasen-Wechselstrom-Bezugssignalgeber 13 zugeführt wird.

Das Drehmoment-Bezugssignal T* wird ferner einem Potentiometer 11 zugeführt, um ein Spannungssignal S_v zu erzeugen, welches der Ausgangsspannung V_s vom Tachometer 7 hinzugefügt wird. Das so erhaltene Resultat wird einem Spannungs-Frequenz-Wandler 12 zugeführt, um ein Frequenz-Bezugssignal fo* zu erzeugen. Das Frequenz-Bezugssignal fo* wird auch dem Dreiphasen-Wechselstrom-Bezugssignalgeber 13 zugeführt. Bei Erhalt des Strom-Bezugssignals id* und 4es Frequenz-Bezugssignals fo* liefert der Bezugssignalgeber 13 sinusförmige Dreiphasen-Strom-Bezugssignale iu*. i'v* und iw*, die für die Steuerung des Wechselrichters 2 zu verwenden sind. Das heißt, die Bezugssignale in*, /V* und iw* werden dann Ln Differentialverstärkern 21 u, 21 _v und 21 w mit den Ausgangssignalen iu, /V und iw von den Stromdetektoren 3,4 bzw. 5 verglichen, und es werden die Vergleichsergebnisse in ihnen verstärkt, um Dreiphasen-Wechselspannungssteuersignale Vu*, Vy* und Vw* zu erzeugen.

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

Die Spannungssteuersignale Vu*. Vv* und Vw* werden in Komparatoren 22u, 22y und 22iv mit der Dreiecks-Ausgangsspannung Vj von einer Dreieckswellen-Erzeugerschaltung 14 verglichen, um Impulsbreiten-Modulationssignale zu erhalten, die, wie in F i g. 2 gezeigt, auf einem hohen Pegel gehalten werden, wenn die Steuersignale VJ*. V_v* und Vw* die Dreieckswelle V, überschreiten. Die Impulsbreiten-Modulationssignale werden über Treiberschaltungen 23t/, 23y und 23w den Basiselektroden άα in dem Wechselrichter 2 enthaltenen Transistoren zugeführt. Da die den Basiselektroden der Transistoren zugeführten Impulsbreiten-Moduiutionssignale Wellenformen haben, die den Ausgangsspannungen Vu, Vv und Vw. die vom Wechselrichter 2 geliefert werden, wie es in F i g. 3 gezeigt ist, sehr ähnlich sind, sind in F i g. 2 die Ausgangsspannungen V,., V₁ und Vw 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 Vu- ν eine Frequenz hat. die zweimal so hoch ist wie diejenige der Impulsbreiten-Modulationssignale.

Da aber bei der oben beschriebenen Steuerung des Wechselrichtergeiätes die drei Phasenströme des Induktionsmotors 6 eher in bezug auf ihre Mittelwerte als auf ihre Augenblichswerte gesteuert werden, ist es wesentlich, daß das Ansprechverhalten der Steuerbchaltung auf einen ausreichend klein. η Wert reduziert wird, um das Auftreten von Strom-Oberwellen zu reduzieren. Wenn die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters mit 100 H? angenommen wird, und wenn die Wechselstrome ohne merkbare Fehler gesteuert werden sollen, sollte der offene Verstärkungsgrad der Strom-Regelschlei· fe höher als 10 sein, und es sollte euc im Bode-Ansprechverhalten der gleichen Schleife größer sein als 2,t ■ 100 ■ 10 = 6000rad7s. Da aber ein übermäßiger Wert von oh den Gehalt an Oberwellen erhöht, sollte das Ansprechverhalten auf den niedrigsten Wert be= grenzt werden, soweit die erforderlichen Ströme vom ■ Wechselrichter erhalten werden können. Dieses verringert unvermeidbar das Ansprechverhalten der lmpulsbreiten-ModuIations-Steuerung, was eine unstabile Arbeitsweise in einem Hochfrequenzbereich des Wechsclrichterbetriebes nach sich zieht.

Es ist ferner bekannt, daß die Arbeitsfrequenz eines Wechselrichters erhöht werden kann durch Anwendung

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einer Zweipunkt-Regelschaltung, wie sie in F i g. 4 gezeigt ist In dieser Schaltung sind die Verstärker 21t/, 21 _v und 2Iw die Komparatoren 22jy, 22ν und 22w und die f, Dreieckswellen-Erzeugerschaltung 14, wie sie in F i g. 1 "° gezeigt sind, durch Komparatoren 24t/, 24v und 24iv ersetzt, die je eine Hysterese-Charakteristik haben. Die Komparatoren 24t/, 24y und 24h.· die je eine Einzelkonstruktion haben, wie sie im folgenden beschrieben ist, vergleichen die Ausgangssignale iu, iv und iw, die von den Stromdetektoren 3, 4 und 5 erhalten werden, mit den Strom-Bezugssignalen hf, iv* bzw. /V* und liefern die Ausgangssignale entsprechend den Hysterese-Charakteristiken. Es ist bekannt, daß die Zweipunktregelung, wie sie oben beschrieben ist, in ihrem Frequenzbereich theoretisch keine obere Grenze hat

Ein vom Wechselrichter 2 unter der oben beschriebenen Zweipunktregelung gelieferter Ausgangsstrom iu und eine so erhaltene Phase-Zu-Phase-Spannung Vu-v sind in F i g. 5{a) bzv/. 5{b) gezeigt In dieser Steuerung wird der vom Wechselrichter gelieferte Aüsgangsstrom iu in dem Komparator 24t/ mit dem Strom-Bezugsrignal iu* verglichen, und es wird die Differenz innerhalb eines Änderungsbereichs entsprechend der Hysterese-Charakteristik des Komparators 24t/ kontrolliert Die Phase-Zu-Phase-Spannung Vu-v besteht somit aus einem Zweirichtungs-Impuls, der über und unter den NuIlspannungspegel schwingt

Andererseits sind der Ausgangsstrom iu und die Phase-Zu-Phase-Spannung Vy vim Falle der Impulsbreiten-Modulationssteuerung in den F i g. 6{a) und 6{b) gezeigt Da die Ausgangsspannungen des Wechselrichters durch die Dreieckswelle miteinander synchronisiert sind, besteht die Phase-Zu-Phase-Spannung Vu-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, insbi ;ondere in einem Bereich des Wechselrichters mit niedriger Ausgangsspannung.

Im Gegensatz dazu ist die Stromänderungsrate in den Ausgangsströmen, die durch die Zweipunktregelung erhalten worden ist, groß, und zwar mit Rücksicht auf den Zwei-Richtungs-Impuls, welcher, wie oben beschrieben, die Phase-Zu-Phase-Spannung Vu ν bile?et. Es ergeben sich deshalb erhöhte Wellen im Ausgangsstrom und verstärkte magnetische Geräusche im Induktionsmotor, und zwar insbesondere in einem Niederfrequenz-Betrieb des Wechselrichters.

Rs ist auch ein Verfahren zur Regelung des Motorstromes bei .vmrichtergespeijten Asynchronmotoren bekannt (DE-OS 26 27 537). bei welchem in einem unteren Frequenzbereich ein Zweipunktregelverfahren und in einem oberen Frequenzbereich ein Pulsbreitenmodulationsverfahren angewendet wird. Dabei sind aber bei der Zweipunktregelung die Amplitude und der Phasenwinkel des Motors nur dadurch in zufriedenstellender Weise regelbar, daß ein Bezugsstrom mit einem tatsächlichen Strom verglichen wird, wobei die Differenz zu einem Augenblickswert entsprechend einer Dreieekswelle der Impulsbreitenmodulationssteuerung addiert wird, so daß die resultierende Summe durch eine Schmittschaltung mit einer Hysterese-Charakteristik verstärkt wird. So wird nach dem bekannten Verfahren eine sich der Mctorspannung nähernde Amplitude der vorgenannten Summe hinzynddiert, um eine übermäßige Abweichung zu verhindern. Eine solche Maßnahme ist aber teuer, weil eine zusätzliche komplexe Schaltung

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wechselrichter-Steuerschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei vergleichsweise geringem Aufwand ein in allen Frequenzbereichen zufriedenstellende Regelung ermöglicht. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß eine Urnschalteinrichtung den Ausgang des Pulsbreitenmodulators mit der Treiberschaltung für die Wechselrichterschaltelemente verbindet, wenn die mit einer Detektorschaltung gemessene Arbeitsfrequenz des Wechselrichters niedriger ist als ein vorbestimmter Wert, und den Ausgang des Zweipunktreglers mit den Treiberschaltungen für die Wechselrichterschaltelemente verbindet, wenn die Arbeitsfrequenz des Wechselrichters höher ist als der vorbestimmte Wert

Vorzugsweise ist der Zweipunktregler ein Komparator mit einer Hysteresecharakteristik.

Die erfindungsgemäße Wechselrichter-Steuerschaltung ermöglicht es auch, im Ausgangsstr,;.n des Wechselrichters enthaltene Wellen, insbesondere i η Bereich niedriger Frequenz, zu verringern. Auch werden Unstabilitäten im Bereich hoher Frequenzen weitgehend ausgeschaltet

Die ErfiniUng ist im folgenden anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert In der Zeichnung zeigt

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

F i g. 2(a) bis 2(d) Wellenformen zur Erläuterung der Arbeitsweise der Steuerschaltung nach F i g. 1,

F i g. 3 ein Diagramm, welches die Spannungen in der Steuerschaltung zeigt,

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

F i g. 5{a) bis 5(b) Wellenformen zur Erläuterung der Arbeitsweise der in F i g. 4 gezeigten Komparatoren,

F i g. 6(a) and 6(b) Wellenformen zur Erläuterung der Arbeitsweise der Steuerschaltung nach F i g. 1,

F i g. 7 ein Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

F i g. 8 ein Blockschaltbild einer Einzelheit einar bekannten Dreiphasen-Wechselstrom-Bezugss^haltung 13 nachFig. l.und

F i g. 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 jind, 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 wo_:. den.

Gemäß der Erfindung sind Differentialverstärker 21 u, 21 γ und 21wsowie Komparatoren 24t/, 24^ und 2f wVorgesehen, die jeweils eine Hysterese-Charakteristik haben. Alle diese Komponenten sind so geschaltet, daß Ausgangssignale iu*, iv* und iw* von der Dreiphasen-Wechselstrom-Bezugsschaltung 13 erhalten werden, worauf diese mit den Strömen iu, iv und /V verglichen werden, die von den Stromdetektoren 3,5 bzw. 5 erhalten worden sind. Die Ausgangssignale der Differential-

verstärker 21t/, 21 /und 21 tvwerden ferner in Komparatoren 22t/, 22v und 22tv mit einer Dreieckswelle verglichen, die von einer Dreieckswellen-Erzeugerschaltung 14 erhalten worden ist. Eine Umschalteinrichtung 26 ist außerdem vorgesehen, um die Ausgangssignale der s Komparatoren mit Hysterese-Charakteristiken 24u, 24/ und 24n> und der Komparatoren 22t/, 22/ und 22w zu erhalten. Ein Pegeldetektor 25 bzw. Spannungsdetektor ist vorgesehen, um das Ausgangssignal Vsdes Tachometers 7 (Fig. 1) aufzunehmen und die Umschalteinrichtung 26 in solcher Weise zu betätigen, daß entweder eines der Ausgangssignale von den Komparatoren 22t,

22 ν und 22w oder von den Komparatoren 24u 24 ν und 24w an die Treiberschaltungen 23<y, 23ν bzw. 73_W geliefert werden, und zwar in Abhängigkeit vom Pegel des Ausgangssignals Vs, das vom Tachometer 7 geliefert wird. Die Ausgangssignale der Treiberschaltungen 23₍...

23 ν und 23 w werden zur Steuerung des Wechselrichters verwendet, wie es in Verbindung mit der Schaltung nach F i g. 1 beschrieben worden ist.

Die in Fi g. 7 gezeigte Steuerschaltung arbeitet in folgender Weise:

Die Komparatoren 22t/, 22 ν und 22w, welche die Ausgangssignale von den Differentialverstärkern 21t/, 21 ν und 21h/ mit der von der Dreieckswellen-Erzeugerschaltung 14 erzeugten Dreieckswelle vergleichen, liefern Impulsbreiten-Modulationssignale, wie oben beschrieben, an die Umschalteinrichtung 26. Andererseits liefern die Komparator:, mit Hysterese-Charakteristiken 24t/,

24 ν und 24 w, welche die Ausgangssignale ij*. iv* und /·.·/· von der Dreiphasen-Wechselstrom-Bezugssignalgeber 13 mit den Ausgangssignalen /t/, iv und iw von den Stromdetektoren 3, 4 und 5 (F i g. 1) vergleichen, Zwei-■ punkt-Steuersignale, wie es vorher beschrieben worden ist, an die Umschalteinrichtung 26.

Wenn somit der Pegeldetekier 25 festste!!'., daß das Ausgangssignal Vs vom Tachometer 7 sich auf einem niedrigen Pegel befindet, betätigt der Detektor 25 die Umschalteinrichtung 26 derart, daß die Impulsbreiten-Modulationssignale von den Komparatoren 22[/, 22 ν und 22iv durch diese zu den Treiberschaltungen 23₍/, 23 _v und 23 «/geliefert werden.

Wenn umgekehrt der Pegeldetektor 25 feststellt, daß sich das Ausgangssignal V_s vom Tachometer 7 auf einem hohen Pegel befindet, betätigt der Detektor 25 die Umschalteinrichtung 26 in solcher Weise, daß die Zweipunkt-Steuersignale von den Komparatoren 24t/, 24v und 24w durch diese hindurch den Treiberschaltungen 23 t/, 23 _v bzw. 23 u-zugeführt werden.

Infolgedessen wird die Regelart der Steuervorrichtung gemäß der Erfindung zwischen der Impulsbreiten-Regelung, in welcher die Oberwellen reduziert sind, und der Zweipunktregelung, die der Hochgeschwindigkeits-Operation angepaßt ist, umgeschaltet, und zwar in Abhängigkeit von dem Pegel des Ausgangssignals Vs vom Tachometer 7.

Die Steuerschaltung nach der Erfindung kann vorteilhafterweise mit einer Vektor-Steuerscha'tung 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 Felderregerkornponente beschränkt werden auf weniger als 10% dergleichen Komponente, d. h, auf weniger als 1% des Nennstromes. Eine solche Beschränkung kann nicht durch die Impulsbreitenregelung der Operation oder dergleichen realisiert werden. Wenn es erwünscht ist, den Fehler auf weniger als 1% des Nennstromes bei einer Impulsbreitenregelung zu reduzieren, muß die Verstärkung der Strom-Regelschleife 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-Regelschleife versehen ist und der unter Verwendung des Spannungs-Frequenz-Verhältnisses gesteuert wird. In einer solchen Anwendung wird eine Frequenz-Bezugsspannung als Eingangssignal einer Geschwindigkeits-Meßschaliung verwendet, so daß die 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 Trans: stören verwendenden Wechselrichters anwendbar ist.

Ferner kann der Dreiphasen-Wechselstrom-Bezugs-Signalgeber 13, der in den Fig. 1 und 7 verwendet ist. allgemein bekannte Konstruktionen haben. Ein Beispiel der Schaltung 13 ist in F i g. 8 in Form eines Blockschaltbildes gezeigt. In dieser Schaltung ist ein Zähler 101 vorgesehen, welcher eine Eingangsfrequenz gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Wechseirichterfrequenz vfhält. Ein Speicher 102, welcher Sinuswellen speichert, ist so geschaltet, daß er das Ausgangssignal des Zählers 101 erhält, so daß entsprechend vorbestimmten Zählwertan des Zählers 101 zwei Ausgangssignale in einer digitalen Form fen 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 Strombezugsweri id* (analoges Gleichstromsignal) multipliziert, und es werden di? sich ergebenden Signale in analoge Signale in* und /Y* umgewandelt. Die analogen Signale io* und iv* werden addiert, und es wird ein Signal entsprechend der Umkehrung der Summe in einem Operationsverstärker 105 verstärkt, wodurch iw* erhalten wird.

Wie oben beschrieben, ist auch ein Komparator mit einer Hysterese-Charakteristik nach den Fig.4 und 7 bekannt. Ein Beispiel des Komparator ist in F i g. 9 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Strom in, der vom Stromdetektor geliefert wird, mit dem Strom-Bezugssignal iu* 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 A4 zurück zum anderen Eingang des Verstärkers OA geführt. Es ist allgemein bekannt, daß die Breite der Hysterese-Charakteristik durch die Widerstände R3 und Rt bestimmt ist.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wechselrichter-Steuerschahung mit einer Schaltung zur Regelung des Wechselrichterausgangsstromes nach einem Impulsbreitenmodulationsverfahren, bei welcher zur Stromregelung entweder ein Zweipunktregler oder ein mit einem Modulationshilfssignal beaufschlagter Pulsbreitenmodulator zum Einsatz kommt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umschalteinrichtung (26) den Ausgang des Pulsbreitenmodulators mit der Treiberschaltung für die Wechselrichterschaltelemente verbindet, wenn die mit einer Detektorschaltung gemessene Arbeitsfrequenz des Wechselrichters niedriger ist als ein vorbestimmter Wert, und den Ausgang des Zweipunktreglers mit den Treiberschaltungen für die Wechselrichterschaltelemente verbindet, wenn die A rbeitsfrequenz des Wechselrichters höher ist als da- vorbestimmte Wert

2. Wechselrichter-Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweipunktregler ein Komparator (24) mit einer Hysteresecharakteristik !SL