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Pulssteuersatz für Pulswechselrichter
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mit optimierten Pulsmustern Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zur Optimierung der Spannungssteuerung von dreiphasigen Pulswechselrichtern gemäß
dem Oberbegriff des vorliegenden Patentanspruchs 1.
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Pulswechselrichter, die insbesondere zur Speisung von Drehfeldmaschinen
dienen, erlauben neben der Verstellung der Grundschwingung der Ausgangs spannung
nach Amplitude und Frequenz eine zusätzliche Beeinflussung der Oberschwingungen
durch mehrfaches Umschalten pro Periode.
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Es ist ein als Sinus-Dreieck-Verfahren bezeichnetes Verfahren bekannt,
bei dem ein dreiphasiges Spannungssollwertsystem mit einer höherfrequenten Dreiecks
schwingung verglichen wird und je nach dem Vorzeichen der Differenz der Stromrichterausgang
mit der Plus- oder Minusseite der Gleichspannung verbunden wird, vgl. z.B. den Aufsatz
von E. Müller, F. Ricke "Die Auswirkungen verschiedener Steuertechniken des Unterschwingungsverfahrens
auf die Wechselrichterausgangsspannung" in "BBC-Mitteilungen" Band 60 (1973), Seiten
35 bis 44. Nachteilig bei diesem Verfahren ist ein höherer Oberschwingungseffektivwert
bei hohen Aussteuerungen und niedrigen Taktzahlen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Schaltmuster zu erzeugen,
die eine kontinuierliche Verstellung der Grundschwingungsspannung bei möglichst
geringem Oberschwingungseffektivwert ermöglichen und/oder bestimmten Bedingungen,
die durch die Last (Maschine), der Spannungsquelle (Zwischenkreis) oder den Wechselrichter
gegeben sind, optimal angepaßt sind.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des
Patentanspruchs 1 aufgeführten Verfahrensschritte gelöst.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung besitzt gegenüber dem genannten
Sinus-Dreiecks-Verfahren den Vorteil, daß es auch für hohe Aus steuerungen spezielle
Vergleichskurven ergibt, die effektivwertoptimierten Pulsmustern sehr nahekommen;
außerdem werden die Vergleichskurven direkt von der Sollspannung hergeleitet und
bedürfen keiner besonderen Synchronisation.
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Durch die analoge Funktionsbildung ist die Pulserzeugung sehr übersichtlich.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung wird in dem nachstehend beschriebenen
Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigt die Fig. 1 ein Funktionsschema, mit dem das Verfahren gemäß
der Erfindung näher beschrieben wird, die Fig. 2 einen Normierer und Betragsbildner,
die Fig. 3 eine Prinzipschaltung des ersten Funktionsbildners, die Fig. 4 eine Prinzipschaltung
des zweiten Funktionsbildners, die Fig. 5 eine Prinzipschaltung des dritten Funktionsbildners,
die Fig. 5a eine Prinzipschaltung des vierten Funktionsbildners, die Fig. 6 die
Ausgangssignale der Funktionsbildner, die Fig. 7 Diskriminatoren für die Größe der
Frequenz und des Betrages der Steuer-
spannung und die Weiterleitung
des Ergebnisses an ein Schaltwerk, das die Fig. 8 zeigt, wobei dort auch die Weiterverarbeitung
der Ausgangs signale dieses Schaltwerks dargestellt sind.
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Die Fig. 9 zeigt Kombinationen der Ausgangssi gnale der Funktionsbildner
und die Fig. 10 ein Schema mit den Einsatzbereichen der erzeugten Impulsmuster.
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In der Figur 1 wird am Eingang E eine dreiphasige Steuerspannung uA,
UB, uC als Sollspannung eines dreiphasigen Wechselrichters angelegt. Diese Eingangsspannung
wird einem Normierer und Betraqsbildner 5 zugeführt, in dem der Betrag dieser Spannung
und die normierten Strangspannungen uA/iui, UB/lul, uC/lul gebildet werden.
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Den Aufbau dieses Normierers und Betragsbildners 5 zeigt die Fig.
2: es werden die normierten Größen dadurch gebildet, daß in den Dividierern 21,
22, 23 die Strangspannungen durch den Betrag dividiert werden, wobei der Betrag
sich aus dem Ausgangswert eines Reglers 24 ergibt, der die Einhaltung der Bedingung
überwacht (mit 25,26,27 sind Quadrierer bezeichnet), die bei sinusformigen Eingangsgrößen
gilt. u N ist dabei die gewünschte Amplitude der normierten Werte. Mit UAN, uBN,
UCN sind die normierten Werte der Strangspannungen bezeichnet.
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Diese normierten Strangspannungen werden einem ersten Funktionsbildner
1 und einem zweiten Funktionsbildner 2
zugeführt; dem zweiten Funktionsbildner
wird ferner das Ausgangs signal eines Kennliniengebers 6 mit nicht-linearer Kennlinie
gemäß der Beziehung
dem der Betrag lut zugeleitet wird, zugeführt.
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Im ersten Funktionsbildner 1 wird eine Dreiecks spannung dreifacher
Eingangs frequenz erzeugt. Eine Prinzipschaltung des ersten Funktionsbildners 1
ist in der Fig. 3 dargestellt: die drei normierten Strangspannungen werden je einem
Begrenzer 31, 32, 33 zugeführt; ihre Ausgangsspannungen werden summiert und einem
Verstärker 34 zugeführt, der eine Verstärkung um den Faktor 2 auf den Normpegel
durchführt. Die Ausgangsspannung uM3 ist in Fig. 6c dargestellt; Y bedeutet dabei
eine Periode der Eingangsspannung. Die Ausgangs spannung entspricht der Vergleichsspannung
des bekannten Sinus-Dreiecksverfahrens, jedoch mit Herleitung aus der Eingangsspannung
mit dadurch gegebener genauer Synchronisation.
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In der Fig. 4 ist eine Prinzipschaltung des zweiten Funktionsbildners
2 dargestellt. Wie bereits erwähnt, werden diesem Funktionsbildner ebenfalls die
drei normierten Strangspannungen uAN, uBN, UCN zugeführt; ferner wird ihm das Ausgangssignal
des Kennlinienbildners 6, dem der Betrag |u| lul zugeleitet wird, zugeführt. Das
Ausgangssignal des Kennlinienbildners sei mit cl bezeichnet. Dieses Signal c1 wird
drei Multiplizierern 41, 42, 43 zugeführt und dort jeweils mit UAN, UBN, ucN multipliziert
und das jeweilige Produkt in Begrenzern 44, 45, 46 auf den halben Normpegel begrenzt.
Sodann werden die Differenzen zwischen den Vorzeichen von UAN, UBN, UCN mit Normamplitude
(Vorzeichenbildner 47, 48, 49) mit den entsprechenden Aus-
gangssignalen
der Begrenzer gebildet. Diese Differenzen stellen die Ausgangssignale des Funktionsbildners
2 dar; sie sind mit uAS3, um53, Uc53 bezeichnet. Das Ausgangssignal uAS3 ist in
Fig. 6d dargestellt.
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Die Ausgangs spannung uM3 des ersten Funktionsbildners wird zwei weiteren
Funktionsbildnern 3 und 4 zugeführt.
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Die Prinzipschaltung des dritten Funktionsbildners 3 ist in der Fig.
5 dargestellt. Das Signal uM3 wird im Begrenzer 51 auf den halben Normpegel begrenzt;
es wird dann die Differenz zwischen dem 4-fach verstärkten Ausgangssignal des Begrenzers
(Verstärker 52) und dem 2-fach verstärkten Signal uM3 (Verstärker 53) gebildet.
Diese Differenz bildet das mit uMM5 bezeichnete Ausgangssignal des Funktionsbildners
3; es ist in der Fig. 6b dargestellte Die Prinzipschaltung des vierten Funktionsbildners
4 ist in Fig. 5a dargestellt. Mit 51a ist ein Dreiecksspannungsgenerator bezeichnet.
Diesem Generator wird ein Steuersignal einer weiter unten beschriebenen Steuerlogik
7 zugeführt, und zwar entweder auf der Steuerleitung 52a, 53a oder 54a.
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Ein Steuersignal "D9" auf der Leitung 54a veranlaßt den Generator
51a1 eine Dreiecks spannung mit der 9-fachen Frequenz der Steuerspannung abzugeben;
ein Steuersignal "D15" auf der Leitung 53a bewirkt, daß der Generator eine Dreiecksspannung
mit der 15-fachen Frequenz der Steuerspannung erzeugt. Ein Signal "F" ("Freipuls")
auf der Steuerleitung 52a hat die Bedeutung, daß die Frequenz des Generators frei
gewählt werden kann. Dem Generator wird noch das Ausgangssignal UM3 des ersten Funktionsbildners
1 zur Synchronisierung zugeführt. Das Ausgangs signal des Generators ist mit up
bezeichnet. Es ist für den Fall des Anliegens des Steuersignals "D9" in Fig. 6a
dargestellt.
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Die Ausgangssignale der vier Funktionsbildner 1,2,3,4 werden einem
Schaltwerk 10 zugeleitet, das weiter unten näher beschrieben wird.
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Die gemessene Frequenz f der Steuerspannung wird nun -ggf. nach Frequenz/Spannungswandlung
(Wandler 11) - als Spannung Uf einem Diskriminator 8 zugeführt. Dieser Diskriminator
ist näher in der Fig. 7 dargestellt; er besitzt 5 Komparatoren 71, 72, ... 75, die
den augenblicklichen Wert von u mit in der Größe gleichmäßig steigenden Spannungen
ui, i = 1, ... 5, die Frequenzen f1 < f2 < ... f5 entsprechen, verglichen.
Diejenigen Ausgänge des Diskriminators, für die Uf> ui, i = 1, ... 5, gilt, führen
ein Ausgangssignal. Die Ausgänge sind vereinfachend.mit f1, ... f5 bezeichnet. Ferner
wird der Betrag |u| der der Steuerspannung einem zweiten Diskriminator 9 zugeführt.
Er besitzt Komparatoren 76,77,78,79, die lul mit gleichmäßig steigenden Spannungswerten
u0 < u1 < ... < U3 vergleichen. Diejenigen Ausgänge des Diskriminators,
für die iui s u j = 0, ... 3, gilt, führen ein Ausgangssignal.
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Die Ausgangssignale der beiden Diskriminatoren werden der bereits
erwähnten Steuerlogik 7 zugeführt.
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Die Steuerlogik 7 besitzt sieben Ausgänge. Davon führen die ersten
drei mit "F", "D15", "D9" bezeichneten Ausgänge auf die bereits beschriebenen Steuerleitungen
52a, 53a und 54a für den Dreiecksspannungsgenerator 51a im Funktionsbildner 4. Der
mit al, bl, cl bezeichnete Ausgang führt auf drei Schalter al, bl, cl in dem bereits
erwähnten Schaltwerk 10, das anschließend (Fig. 8) näher beschrieben wird.
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Das mit a2, b2, c2 bezeichnete Ausgang führt auf weitere Schalter
a2, b2, c2 in diesem Schaltwerk; entsprechendes
gilt für die mit
a3, b3, c3 und a4, b4, c4 bezeichneten Ausgänge.
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Die Steuerlogik 7 selbst besteht aus einer Reihe von UND-und ODER-Gliedern,
die die Ausgänge der Diskriminatoren 8 und 9 mit den Ausgängen der Steuerlogik noch
folgendermaßen verknüpfen ( . bedeutet UND, + bedeutet ODER): "F" = f1 + uo "D15"=
f1 4 u0 2 "D9" = f2 . uo . f3 al = T3 + (uo f3) a2 = (f4 . U1 . U2 . f5) +(f2 .
u2) a3 = (f3 . f4 . u2) +(f4 . f5 . u1) a4 = (f3 . f4 . u2) + (f4 . f5 . u1 . u2)
+ (f3 . u2 . u3) Den Aufbau des Schaltwerks 10 zeigt die Fig. 8. Er besteht aus
drei Schaltergruppen 81, 82, 83, wobei die erste Schaltergruppe 81 die bereits erwähnten
Schalter al, a2, a3, a4, die zweite Schaltergruppe 82 die Schalter bl, ... b4 und
die dritte Schaltergruppe 83 die Schalter cl, ... c4 besitzt. Den Schaltern al,
b1, cl wird die Ausgangsspannung uD des vierten Funktionsbildners 4, den Schaltern
a2, b2, c2, die Ausgangs spannung uM3 des ersten Funktionsbildners 1 und den Schaltern
a3, b3, c3 die Ausgangsspannung uMM5 des dritten Funktionsbildners 3 zugeführt.
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Dem Schalter a4 wird die Ausgangs spannung UAS3 des zweiten Funktionsbildners
2 zugeführt, dem Schalter b4 die Ausgangsspannung uBS3, dem Schalter c4 die Ausgangsspan-
nung
ucs3 dieses Funktionsbildners.
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Die'Schalter der ersten Schaltergruppe 81 führen auf eine erste Summationsstelle
84, die Schalter der zweiten Schaltergruppe 82 auf eine zweite Summationsstelle
85 und die Schalter der dritten Schaltergruppe 83 auf eine dritte Summationsstelle
86.
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Durch entsprechende logische Verknüpfung in der Steuerlogik 7 können
nun - neben der Auswahl nur einer oder keiner Ausgangs spannung der Funktionsbildner
- eine ganze Reihe von Ausgangsspannungen an den Summationsstellen 84, 85, 86 erzeugt
werden.
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Es hat sich nun gezeigt, daß man für die gestellte Aufgabe der Optimierung
mit nur zwei zusätzlichen Kombinationen auskommt und zwar mit der Kombination a3,
b3, c3 und a4, b4, c4 geschlossen, wobei die Ausgangsspannungen an den Summationsstellen
mit UMMS7As uMMs7B UMMS7C bezeichnet seien, und mit der Kombination a2, b2, c2 und
a4, b4, c4 geschlossen, wobei die Ausgangsspannungen an den Summationsstellen mit
UMS5A, uMS SB, uMs5c bezeichnet seien. Der Verlauf der Spannung UMMS7A ist in Fig.
9b, der Verlauf der Spannung uMS5A in Fig. 9a dargestellt.
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Das oben dargestellte Verknüpfungsschema in der Steuerlogik 7 entspricht
der Bildung dieser beiden zusätzlichen Kombinationen zusätzlich zur Einzeldurchschaltung
der Ausgangs spannungen der Funktionsbildner und dem Sonderfall, daß kein Schalter
geschlossen ist. Dieser Zustand sei mit "R" bezeichnet.
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In der Fig. 10 sind die Einsatzbereiche der Ausgangsspannungen des
Schaltwerks 10 in Abhängigkeit der Frequenz-und Betragsmessung der Steuerspannung
dargestellt.
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Die Ausgangs spannung der Summationsstelle 84 wird einer Vergleichsstelle
87 zugeführt (vgl. Fig. 8 und entsprechend Fig. 1), an der die Differenz zwischen
der Strangspannung uA und der Ausgangsspannung der Summationsstelle 84 gebildet
wird. Die Differenz wird einem Vorzeichendiskriminator 87a zugeführt, dessen Ausgangs
signal mit YA bezeichnet ist.
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Entsprechend wird in einer Vergleichsstelle 88 die Differenz zwischen
der Strangspannung uB und der Ausgangsspannung der Summationsstelle 85 gebildet
und einem Vorzeichendiskriminator 88a zugeführt, dessen Ausgangs signal mit bezeichnet
ist.
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Schließlich wird in einer Vergleichsstelle 89 die Differenz zwischen
der Strangspannung uC und der Ausgangsspannung der Summationsstelle 86 gebildet
und einem Vorzeichendiskriminator 89a zugeführt, dessen Ausgangssignal mit fC bezeichnet
ist.
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In den Figuren 6a bis 6d und 9a, 9b ist für die entsprechenden Ausgangsspannungen
an den Klemmen 84, 85, die jeweils in der oberen Kurve, zusammen mit der zugehörigen
Strangspannung uA, dargestellt sind, in den darunterliegenden Kurven die Ausgangssignale
YA wiedergegeben. Es ist dort zusätzlich zwecks Vergleich noch der Verlauf von zB
dargestellt.
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Im Fall, daß keiner der Schalter im Schaltwerk 10 geschlossen wird,
entstehen an den Ausgängen der Vorzeichendiskriminatoren Rechteck signale.
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Die Ausgangssignale fAf CPB> tBw YC steuern je nach Vorzeichen
die Thyristoren je eines Zwei ges des Wechselrichters, bezogen jeweils auf einen
Strang, an. Dadurch wird die zu diesem Strang gehörende Ausgangsklemme des Wechselrichters
entweder mit der +Seite oder der -Seite der Gleichspannung verbunden.