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Verfahren ntl Vorrichtung zum Betrieb eines Pulswechsel-
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richters Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb.eines Pulswechselrichter.s
entsprechend dom Oberbegri J'f des Anspruches i, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens.
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In "Siemens-Zeitschrift" 45 (1971), seite 154 - 160 ist ein entsprechender
Pulswechselrichter beschrieben, dessen Wechselrichterausgänge jeweils einer einen
Umschalter mit einem der beiden Eingangsklemmen einer Gleichspannung verbunden werden,
so daß jedem Ausgang die Eingangsgleichspannung mit alternierender Polarität im
Takt der Umschaltimpulse der Wechselrichterschalter aufgeschaltet ist. Die Taktfolge
der Umschaltimpulse wird so bestimmt, daß im A1ittel eine ungefahr sinusförinige
Ausgangsspannung entsteht.
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Zur Erzeugung der Umschalterimpulse wird - zumindest solang die gewünschte
Amplitude der Ausgangswechselspannung hinreichend klein gegeniiber der Eingangsgleichspannung
ist -eine mit dem gewünschten Verlauf der Wechselrichterausgangsspannung synchrone
Steuerspannung vorgegeben. Beim Modulationsverfahren mittels einer Dreieckspannung
werden die Umsohaltimpulse für die Wechselrichterschalter aus den Schnittpunkten
dieser Steuerspannung mit einer hochfrequenten Dreieckspannung gebildet. Je höher
die Frequenz der Dreieckspannung ist, d. h. je mehr Umschaltungen zur Erzeugung
einer Sinusschwingung verwendet werden, umsogenauer können die jeweiligen Ausgangsspannungen
bzw.
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-ströme an die Sinusform ungendhert werden und umso weniger Oberschwingungen,
die den Wechselrichter und die
daran angeschlossene Last (z.B. eine
drehzahlgesteuerte Drehfeldmaschine) belasten, treten auf.
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Üblicherweise werden als Wechselrichterschalter Thyristorschalter
verwendet, bei denen zeitliche Mindestlängen für jeden Schaltzustand der Thyristorschalter
vorgeschrieben sind. Die Frequenz der Dreiecksspannung und damit die Zahl der Schaltvorgänge
pro Sinusschwingung kann daher höchstens so hoch gewählt werden, daß zwischen zwei
Schnittpunkten von Dreieckspannung und sinusförmiger Steuerspannung der entsprechende
zeitliche Mindestabstand eingehalten wird Wird der Mindestabstand unterschritten,
so muß entweder auf eine niedrigere Frequenz der Dreieckspannung umgeschaltet werden
oder es müssen Umschaltimpulse unterdrückt werden. Dieser Fall tritt insbesondere
dann ein, wenn zur Steigerung der Ausgangsamplitude die Amplitude der Steuerspannung
bis nahe an die Amplitude der Dreieckspannung angehohen wird. Die maximale Grundschwingungsamplitude
der Ausgangs spannung wird erhalten, wenn pro Halbschwingung nur noch ein Umschaltvorgang
durchgeführt wird, d.h. wenn zur Erzeugung einer Ausgangshalbschwingung jeweils
für die Dauer der Halbschwingung die volle Eingangsspannung ungepulst mit entsprechender
Polarität auf den Wechselrichterausgang aufgeschaltet wird ("Vollblock-Steuerung").
In diesem Fall treten in der Ausgangs spannung insbesondere Oberschwingungen niedrigerer
Ordnung auf, die zugelassen werden müssen.
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Gegenüber dieser maximalen Ausgangsamplitude können bei einer hinreichend
hohen Frequenz der Dreieckspannung praktisch sinusförmige Ausgangsschwingungen mit
Spannungsamplituden von maximal 78,5% der Vollblockstewerung erzeugt werden. Wird
eine bessere Spannungsausnutzung gewünscht, die mit einem größeren Oberwellengehalt
erkauft wird, so kann man auf andere Modulations-
verfahren zurückgreifen,
bei denen z.ß. in einem übergangsbereich zwischen Sinus-Steuerung und Vollblock-Steuerung
anstelle einer sinusförmigen Steuerspannung eine trapezförmige Steuerspannung verwendet
wird. Die Umstelung von der Sinus-Steuerung auf die andere Steuerung, z.B. Trapezsteuerung,
führt jedoch meist zu einer verminderten Dynamik des Stellgliedes. dabei können
Spannungssprünge auftreten, die den Wechselrichter mit Einschwingströmen belasten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb
eines Pulswechselrichters anzugeben, das bei niedrigen Ausgangsamplituden des Wechselrichters
eine Modulation mit Dreieckspannung vrnimmt un<i es gleichzeitig gestattet, die
Ausgangsspannung kontinuierlich, d.h. ohne Umstellung auf ein anderes Moduiationsverfahren,
bis praktisch zur Amplitude cter Vollblocksteuerung hochzufahren.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zur weiteren
Steigerung der Ausgangsspannungsamplitude das Verhältnis k von Steuerspannungsamplitude
und Dreiecksspannungsamplitude überproportional auf Werte über i angehoben wird.
Vorteilhaft werden dabei als Wechselrichterschalter Transistorschalter verwendet.
Diese bieten den Vorteil einer hohen Taktfrequenz, verbunden mit sehr geringen Mindestimpulslängen.
ei der Wahl der Taktfrequenz braucht dabei praktisch keine Rücksicht mehr auf Mindestimpulslängen
genommen werden, bzw. es kann auf eine Zeitüberwachung der Einschaltdauern verzichtet
werden.
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Eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist
in den Unteransprüchen angegeben.
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Anhand eines Ausführungsbeispieles und dreier Figuren wird die Erfindung
näher erläutert.
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Figur 1 zeigt den Verlauf der Steuerspannung U# und der Dreieckspannung
UA für die Steuerung der Ausgangsspannung an einem Ausgang des Wechselrichters sowie
die Ausgangsspannung Ua und deren Grundschwingung Ua am betreffenden Wechselrichterausgang.
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Figur 2 zeigt das Verhältnis der Effektivwerte der Ausgangsgrundschwingung,
wenn gemäß der Erfindung das Verhältnis zwischen der Steuerspannungsamplitude und
der Dreiecksamplitude bis auf Werte weite über 1 gesteigert wir tl.
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Figur 3 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
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Fiir die Ausgangsspannung am Ausgang eines Wechselrichters wird ein
ungefähr sinusförmiger Verlauf gewünscht, wie er sich in Fig. 1 als Grundschwingung
#a einer pulsbreitenmodulierten Ausgangsspannung Ua ausbildet. Anfang und Ende jedes
Pulses wird durch den Schnittpunkt einer Dreieckspannung U# mit einer Steuerspannung
U# gemäß dem bekannten Modulationsverfahren mit Dreieckspannung bestimmt Mit k ist
dabei das Verhältnis der Steuerspannungsamplitude zur Dreieckspannungsamplitude
bezeichnet.
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Man erkennt in Fig. 1, daß für den gestrichelt dargestellten Verlauf
U' der Steuerspannung (k # i) die Schnittpunkte zwischen U'# und U# hinreichend
weit auseinander liegen, um bei Thyristor-Wechselrichtern eine ausreichende Mindestdauer
jedes Thyristor-Schaltzustandes sicherzustallen. Dadurch wird eine Ausgangsspannung
erreicht, deren Grundschwingungsamplitude erheblich unter dem bei Vollblocksteuerung
möglichen Maximalwert liegt.
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Geht man zu Werten k-1 über, so erhöht sich zwar die Spannungsausnutzung
des Wechselrichters und die Grund-
schwingungsamplitude, jedoch
müssen z.B. die Impuls lücken bei Durchgang der Ausgangsspannung durch ihren Maximalwert
unterdrückt werden, wie in Fig. t für den Grenzwert k - 1 (Steuerspannung U# , Ausgangsrundschwingung
Ua) dargestellt ist. Dies könnte dadurch gescheen, daß mit einer Echtzeit-Überwachung
die entsprechenden Umschaltimpulse unterdrückt werden, oder daß auf eine trapezförmige
Steuerspannung übergegangen wird.
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Dabei tritt jedoch jedesmal wenn auf ein Impulsmuster mit einer anderen
Zahl von Implllslücken übergegangen wird, ein Sprung in der Ausgangsspannung auf,
der zwar durch weitere Eingriffe in die Steuerung ausgeglichen werden kann, jedoch
lassen sich dabei Totzeiten und Trägheiten der Regelung nicht vermeiden.
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Durch Verwendung eines Wechselrichters mit Schaltern ns Leistungstransistoren,
wie er z.B. in der deutschen Patentanmeldung P 30 30 485.9 dargestellt ist, können
jedoch extrem geringe Schaltzustandes-Dauern erreicht und es kann auf eine aufwendige
Überwachung von Mindestdauern verzichtet werden, so daß sich auch der in FagO 1
gezeigte Grenzfall k = 1 einfach erzeugen läßt. Natürlich läßt sich auch ein anderer
Kurvenverlauf am Wechselrichterausgang erzeugen, indem für die Steuerspannung eine
entsprechende Kurve gewahlt wird.
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Ausgehend von einem niedrigen Sollwert für die Grundschwingamplitude
und einem entsprechend niedrigen Verhältnis k wird beim erfindungsgemäßen Verfahren
zunächst, ähnlich wie bei der bekannten Sinus-Dreieck-Modulation, die Amplitude
der Steuerspannung, linear mit der gewünscllten Ausgangsamplitude verändert, bis
der erwähnten Granzwert voii k (der beim Transistorwechselrichter gleich 1 ist)
erreicht ist.
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Gegenüber der mit k = 1 erreichbaren Amplitude der Ausgangsgrundschwingung
kann bei Vollblocksteuerung eine Grundschwingungsamplitude erreicht werden, die
um den Faktor 4/# höher liegt. Die S Spannungsausnutzung des Wechselrichters ist
damit für Werte k # 1 auf 78,5 % beschränkt iJm nun für die Ausgrangsamplitude Werte
bis nahe an die durch die Vollblocksteuerung erreichbare maximale Ausgangs spannung
kontinuierlich zu steigern, wird das Verhältnis k überproortional zur gewünschten
Ausgangsamplitude vergrößert. Fig. 2 zeigt das Anwachsen der Grundschwingungsamplitude,
normiert auf die bei Vollblocksteuerung erreichbare Grundschwingungsamplitude, im
Bereich k = O bis k = Z Man kann also auf diese Weise eine Spannungsausnutzung von
etwa 99 G; erreichten, ohne daß diskontinuierlich auf ein anderes Alodulationsverfahren
umgeschaltet werden muß. Dies ermöglicht eine hochdynamische Steuerung ohne Totzeiten
und Sprünge.
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Ferner ist auch die Geräuschentwicklung der Maschine gering, d die
Anteile niederfrequenter Oberschwingungen klein sind. Dabei wird es als Vorteil
empfunden, daß sich das Oberschwingungsspektrum der Maschine kontinuierlich ändert.
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Das Verfahren kann ferner mit einer sehr einfachen Vorrichtung ausgeführt
werden, wie in ipigo 3 gezeigt ist, Fig. 3 bezieht sic dabei auf die Steuerung einer
Drehfeldmaschine. Die Frequenz der Maschinen-Speisespannung wird bei sinusförmigem
Verlauf proportional zur Maschinenspannung vorgegeben. Die entsprechende Speisespannung
wird von einem (nicht dargestellten) dreiphasigen Transistorwechselrichter geliefert.
Die Transistorschalter dieses Weehselrichters werden von den an den Steuerleitungen
Al, 2, A3 abgegriffenen Umschaltimpulsen gesteuert
Der Sollwert
E für die Amplitude der Ausgangs spannung wird einem ersten Funktionsgenerator 1
an cinem entsprechenden Eingang 2 eingegeben. Dieser erste Funktionsgenerator erzeugt
ein Amplitudensteuersignal k, das zunächst linear mit dem Amplitudensollwert EXfür
k > 1 jedoch überproportional wächst.
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Ferner ist ein zweiter Generator (sinusgenerator) zur Erzeugung einer
sinusförmigen Steuerspannung vorgesehen, dessen Frequenz gleich einem eingegebenen
Frequenzsollwert ist. In diesem Fall wird am Eingang 3 des Sinusgenerators ebenfalls
der Amplitudensollwert E eingegeben.
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Der Sinus generator besteht vorteilhaft aus einem mit dem Frequenzsollwert
spannungsgesteuerten Frequenzgeber 4, dessen Impulse (Impulsfrequenz f) einem Zähler
5 eingegeben sind. Der Zählerstand liefert einen Digitalwert für die Phase # = Q
t am Wechselrichterausgang. Der spannungsgesteuerte Frequenzgeber 4 kann z.B. entsprechend
dem gewünschten Auflösungsvermögen der Steuerung ein Spannungs-Frequenzumsetzer
sein, der die 256-fache Frequenz der gewünschten Ausgangsfrequenz erzeugt. Entsprechend
kann als Zähler ein 8-bit-Zähler verwendet werden, so daß jedem Impuls des Spannungsumsetzers,
d.h. jedem Zählsohritt, eine Phasenänderung von 3600/256 der Ausgangsspannung entspricht.
Mit den Ausgängen des Zählers wird ein Funktionsgeber, in diesem Fall ein festprograms
mierter Speicher (PROM 6) angesteuert, der zu jedem einem Phasenwinkel entsprechenden
Fingangswert den entsprechenden Sinus als Steuerspannung flir die Ansteuerung eines
Wechselrichterschalters bildet.
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Ferner ist ein Dreiecksgenerator 7 vorgesehen, dessen Frequenz vorgebbar
istt wobei die erzeugte Dreieckspannung mit der Steuerspannung in einem Komperator
eines Steuersatzes 9 verglichen wird, um hei Gleichheit beider Spannungen einen
entsprechenden Umschaltimpuls auf tlcn
Steuerausgang eines Wechselrichterschalters
zu geben. Dabei ist im vorliegenden Fall mittels eines multiplizierenden Digital-Analog-tYmsetzers
8 (d.h. mittels eines Umsetzers, dessen Analogsignal mit einem eingebbaren Proportionalitätsfaktor
proportional dem digitalen Eingangssignal ist) dafiir gesorgt, daß das Verhältnis
zwischen der vom Speicher 6 gebildeten Spannung E . sin t t und der Amplitude der
Dreieckspannung UA gleich dem vom Funktionsgenerator 1 vorgegebenen Amplitudensteuersignal
k ist. Selbstverständlich kann man diese Proportionalität auch dadurch erhalten,
daß das Amplitudensteuersignal k zur Veränderung er Amplitude der Dreieckspannung
verwendet wird.
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m die Umschaltimpulse ür alle drei Transistorschalter des Wechselrichters
zu erhalten, ist im vorliegenden Fall vorgesehen, daß mit dem digitalen Signal #
= #t des Zählers 5 parallel zum PROM 6 auch der PROM 10 angesteuert wird, dem ebenfalls
ein multiplizierender Digital-Analog-Umsetzer 11 nachgeschaltet ist, um eine Steuerspannung
k = E . cos (t zu erhalten. Den beiden Umsetzern 8, 11 ist ein Koordinatenwandler
12 nachgeschaltet, der daraus drei jeweils um 1200 versetzte Steuerspannungen bildet,
aus deren Schnittpunkten mit der Dreieckspannung des Dreiecksgenerators 7 der Komperator
9 die Umschaltimpulse für die Wechselrichterschalter an den Steuerausgängen Al,
A2, A3 bereitstellt.
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L e e r s e i t e