DE3219751C2

DE3219751C2 -

Info

Publication number: DE3219751C2
Application number: DE19823219751
Authority: DE
Inventors: Arne Soenderborg Dk Jensen
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1982-05-26
Filing date: 1982-05-26
Publication date: 1987-07-30
Also published as: DE3219751A1; FR2527860B1; JPS58215974A; DK220583D0; FI831824A0; GB8314403D0; FR2527860A1; FI831824L; GB2120868B; DK220583A; GB2120868A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuerschaltung für einen dreiphasigen Wechselrichter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Eine solche ist bekannt durch die US-PS 40 99 109. Bei dieser arbeitet der Wechselrichter mit einer konstanten Gleichspannung. Damit unterschiedliche Amplituden der Grundwelle erreicht werden, muß jede Rechteck-Viertelwelle mit einer oder mehreren Lücken versehen werden. Es sind ingesamt vierzig Muster vorgesehen, um Amplituden der Grundwelle von 1,000 bis 0,391 abzudecken. Die Umschaltzeitpunkte sind so gewählt, daß sich ein möglichst kleiner "ripple index" ergibt. Während man bei größeren Amplituden mit zwei Lücken pro Halbwelle auskommt, müssen bei kleineren Amplituden mehr Lücken vorgesehen werden. Die einzelnen Muster werden dadurch erzielt, daß ein 90°-Abschnitt in 192 Subintervalle unterteilt ist. Man benötigt daher eine recht aufwendige Schaltung, bei der einerseits das Weiterschalten von einem zum nächsten Subintervall mit hoher Taktfrequenz erfolgen und andererseits ein kompliziertes Umschaltprogramm vorgesehen sein muß.

Bei einer anderen bekannten, ebenfalls mit konstanter Gleichspannung arbeitenden Steuerschaltung dieser Art (IEEE-Transactions on industry applications, Vol. IA-9, No. 3, 1973, Seiten 310 bis 317) entfallen die 3. und 9. Oberwelle wegen der Verkettung der dreiphasigen Ausgangsspannung, während die 5. und 7. Oberwelle dadurch eliminiert werden, daß in der Rechteck-Halbwelle zwei Lücken vorgesehen sind, von denen die erste zwischen 16,24° und 22,06° und die zweite zwischen 180° minus 22,06° und 180° minus 16,24° vorhanden ist. Die genaue Einhaltung dieser Werte bereitet schaltungstechnisch erhebliche Schwierigkeiten, insbesondere wenn sie über den gesamten Frequenzbereich des Wechselrichters aufrechterhalten bleiben sollen. Darüber hinaus sind die 11. und 13. Oberwelle mit so großen Amplituden vorhanden, daß das oszillatorische Drehmoment eines mit dieser Ausgangsspannung betriebenen Wechselstrommotors, insbesondere Asynchronmotors, rund 50% des bei einer reinen Rechteck-Halbwelle ohne Lücken vorhandenen Moments beträgt. Es macht sich insbesondere bei langsamer Drehzahl durch einen unruhigen Lauf bemerkbar. Will man auch die 11. und 13. Oberwelle eliminieren, müssen insgesamt vier Lücken in der Rechteck-Halbwelle vorgesehen werden. Durch diese höhere Schalthäufigkeit wird der Aufbau der Steuerschaltung noch komplizierter und es steigen die Schaltverluste.

Es ist ferner ein Wechselrichter bekannt (US-PS 33 24 376), bei dem jede Halbwelle der Rechteck-Ausgangswelle zur Verminderung des Oberwellengehalts mit Lücken versehen ist. Zu diesem Zweck ist die Halbperiode in eine bestimmte Anzahl von Bits, beispielsweise 64 Bits, unterteilt. Die Lücken beginnen jeweils nach einer bestimmten Anzahl von Bits und haben die Dauer von 1 Bit, also etwa 3°.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuerschaltung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, bei der das aufgrund der Oberwellen entstehende oszillatorische Moment klein gehalten werden kann und ein einfach aufgebauter Speicher zur Beschreibung des Musters der Rechteck-Halbwelle ausreicht.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Dadurch, daß die Amplitude der Grundwelle der Ausgangswechselspannung mit Hilfe der regelbaren Gleichspannung veränderbar ist, benötigt man keine Vielzahl von Mustern, sondern kommt mit einem einzigen Muster für die Rechteckwelle aus. Da nur ein Muster benötigt wird, kann man dieses nicht nur im Hinblick auf den Oberwellengehalt auswählen, sondern auch im Hinblick auf den einfachen Aufbau des Speichers optimieren. Bei α₁ = 9° und α₂ = 15° braucht man einen 30°-Abschnitt lediglich in n = 10 Teile zu je 3° zu unterteilen; bei α₁ = 10° und α₂ = 15° kann man die Unterteilung in sechs Teile zu je 5° vornehmen. Die Unterteilung eines 90°-Abschnitts ergibt daher lediglich dreißig Teile bzw. achtzehn Teile. Wegen der Verwendung des relativ großen gemeinsamen Teilers (3° oder 5°) ist es möglich, einen Speicher mit einer beschränkten Anzahl von Speicherzellen zum Beschreiben der Zustände eines dreiphasigen Wechselrichters mit jeweils gleichlangen Zeitabschnitten zu verwenden. Der Speicheraufbau ist daher einfach. Die Taktfrequenz ist gering.

Um das oszillatorische Moment kleiner oder sogar sehr viel kleiner als bisher zu halten, wird nicht versucht, einzelne Oberwellen vollständig zu eliminieren. Vielmehr geht die Zielrichtung dahin, die Amplituden der einzelnen Oberwellen so klein zu halten, daß die Summe der oszillatorischen Momente der 5., 7., 11. und 13. Oberwelle klein ist. Die Berücksichtigung dieser vier Oberwellen genügt, weil die geradzahligen und die durch 3 teilbaren Oberwellen ohnehin entfallen und die Oberwellen der 17. Ordnung und höher für das oszillatorische Moment deshalb keine Rolle spielen, weil sie jeweils nur mit dem Kehrwert des Quadrats ihrer Ordnungszahl in die Rechnung eingehen. Die beanspruchten Lücken haben eine Breite von 5° oder 6°. Sie liegen in einem Bereich, wo die 5. und 7. Oberwelle eine vergleichsweise große Amplitude haben und daher entsprechend stark gedämpft werden. Die Lücken sind aber so weit gegen die Enden der Rechteck-Halbwelle hin verschoben, daß zumindest Teile der ersten Halbwelle der 11. und 13. Oberwelle im Lückenbereich liegen. Demzufolge ergibt sich auch eine Dämpfung der 11. und 13. Oberwelle.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in zwei Tabellen und drei Figuren erläutert. Es zeigt:

Tabelle 1 die Amplitude der 1., 5., 7., 11., und 13. Oberwelle in Abhängigkeit vom Winkelabstand α₁ und α₂ bei verschiedenen Teilerverhältnissen 30 : m,

Tabelle 2 das oszillatorische Moment in Abhängigkeit von der 5., 7., 11. und 13. Oberwelle bei verschiedenem Teilerverhältnis 30 : m und die jeweilige Summe,

Fig. 1 ein schematisches Schaubild einer erfindungsgemäßen Steuerschaltung,

Fig. 2 einen Wellenzug der Ausgangswelle und

Fig. 3 den ersten Teil einer Halbwelle, wobei die 1., 5., 7., 11. und 13. Oberwelle für ein durchgehendes Rechteck eingezeichnet sind.

In Fig. 1 ist ein dreiphasiger Wechselrichter 10 veranschaulicht, der von einer Gleichspannung U aus einer regelbaren Gleichspannungsquelle 11 gespeist wird und einen Dreiphasen-Asynchron-Motor 12 mit dreiphasiger Wechselspannung betreibt. Die drei Ausgangsleitungen 13, 14 und 15 zweigen jeweils zwischen paarweise in Reihe geschalteten Schaltelementen 16, 17 bzw. 18, 19, bzw. 20, 21 ab. Die Schaltelemente werden beispielsweise durch gesteuerte Thyristoren, Transistoren o. dgl. gebildet. Ein Steuersignalgeber 22 dient dazu, die Schaltelemente jedes Paares entsprechend der Form der Ausgangsspannungs-Halbwelle gegensinnig in den leitenden Zustand und den Sperrzustand zu bringen. Bei Thyristoren können die Steuersignale aus Zünd- und Löschimpulsen bestehen, bei Transistoren aus während des leitenden Zustandes anzulegenden Dauersignalen.

Zur Steuerschaltung gehört ferner ein Taktgeber 23, der über eine Leitung 24 Taktimpulse p₁ an einen Zähler 25 abgibt. Der Taktgeber 23 ist ein spannungsgesteuerter Oszillator, der mit einer Spannung u₁ gespeist wird, welche zur Gleichspannung U etwa proportional ist. Der Zähler 25 gibt dann über eine Leitung 26 einen Übertragsimpuls p₂ an einen zweiten Zähler 27 ab. An den Ausgängen 28 bzw. 29 dieser Zähler werden nacheinander Ausgangsspannungen als Zeitsignale an einen Logikteil 30 abgegeben, in welchem die Signale durch Speicherelemente und logische Glieder miteinander verknüpft werden. An den Ausgängen 31 des Logikteils 30 werden Ausgangssignale durch Betätigung des Steuersignalgebers 22 abgegeben.

Die beiden Zähler 25 und 27 seien modulo-6-Zähler. Die Frequenz f _r der Taktimpulse p₁ sei gleich dem 72fachen der gewünschten Wechselrichterfrequenz f _w . Dann entspricht der Abstand zwischen 2 Taktimpulsen einem Winkel von 5°. Am Ausgang 2 des Zählers 25 tritt daher eine Ausgangsspannung auf, wenn der Winkelabstand 10° beträgt, am Ausgang 3, wenn der Winkelabstand 15° beträgt. Der Durchlauf des Zählers 25 bis zur Abgabe des Übertragungsimpulses p₂ entspricht daher einem 30°-Abschnitt. Nach jedem 30°-Abschnitt wechselt die Ausgangsspannung von einem zum nächsten Ausgang des Zählers 27. Diese Ausgangsspannungen kennzeichnen daher zum einen den Anfang jedes 30°-Abschnitts einer Halbwelle und zum anderen den Anfang jeweils einer der Halbwellen der drei Phasen.

Durch entsprechende Kombination dieser Signale ergeben sich um 120° versetzte Ausgangsspannungen, die jeweils die Form der Fig. 2 haben. Die Spannung jeder Halbwelle hat im wesentlichen die Form eines sich von 0° bis 180° erstreckenden Rechtecks. Dieses ist jedoch mit 2 Lücken 33 und 34 versehen, die sich symmetrisch mit gleichem Winkelabstand von den Enden der Rechteck-Halbwelle 32 befinden. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 verläuft die Lücke 33 vom Winkelabstand α₁ zum Winkelabstand α₂ und die Lücke 34 vom Winkelabstand (180 - α₂) bis zum Winkelabstand (180 - α₁). Für die Ausführungsform der Fig. 1 bedeutet dies, daß die Lücke 33 von 10° bis 15° und die Lücke 34 von 165° bis 170° verläuft. Die Lücke wird jeweils mit Hilfe der Ausgangsspannungen an den Ausgängen 2 und 3 des Zählers 25, die Lücke 34 mit Hilfe der Ausgangsspannungen an den Ausgängen 3 und 4 des Zählers 25 gewonnen. Die Verhältnisse bleiben erhalten, wenn sich durch Änderung der Steuerspannung u₁ die Frequenz der Taktimpulse p₁ ändert.

In Fig. 3 ist der erste 30°-Abschnitt einer solchen Halbwelle veranschaulicht, wobei die Lücke 33 von 9° bis 15° verläuft. Dies läßt sich erreichen, wenn man als Zähler 25 einen modulo-10-Zähler benutzt und hierbei die Ausgänge 3 und 5 zur Festlegung der Grenzen der Lücke 33 verwendet. Ferner sind in Fig. 3 die Grundwelle W₁, die 5. Oberwelle W₅, die 7. Oberwelle W₇, die 11. Oberwelle W₁₁ und die 13. Oberwelle W₁₃ eingetragen, wie sie bei einer reinen Rechteck- Halbwelle auftreten würden. Man erkennt, daß die Lücke 33 bereits vor dem ersten Nulldurchgang 35 der 13. Oberwelle beginnt und zwischen dem ersten Maximum 36 der 7. Oberwelle und dem ersten Maximum 37 der 5. Oberwelle endet. Die Breite beträgt hier 6°. Da bei allen vier genannten Oberwellen W₅, W₇, W₁₁ und W₁₃ wesentliche Teile der ersten Halbwelle von der Lücke 34 geschnitten werden, werden diese Oberwellen stark gedämpft.

Wie gut die Dämpfung ist, erkennt man aus der Aufstellung der Tabelle 1, wo die Amplituden der Grundwelle und der vier Oberwellen für eine reine Rechteck-Halbwelle (Spalte 1) und für mit 2 Lücken versehene Rechteck-Halbwellen (Spalten 2 bis 8) angegeben sind.

In Tabelle 2 ist für die gleichen Verhältnisse das oszillatorische Moment für die einzelnen Oberwellen und die Summe dieser oszillatorischen Momente ersichtlich. Hieraus ergibt sich, daß im Vergleich zu der in der ersten Spalte angegebenen Summe alle Ausführungsformen eine Verbesserung von erheblich mehr als 50% bringen, daß bis auf die Ausführung gemäß Spalte 7 alle Anordnungen eine Verbesserung von mehr als ²/₃ ergeben und daß besonders gute Ergebnisse mit Winkelabständen 10° und 15° sowie 9° und 15° erzielbar sind.

Tabelle 1 Tabelle 1 Tabelle 2 Tabelle 2

Claims

Steuerschaltung für einen dreiphasigen Wechselrichter zum Betrieb eines drehzahlgeregelten Wechselstrommotors, wobei zur Oberwellendämpfung jede Rechteck- Halbwelle der Wechselrichterausgangsspannung durch zwei symmetrisch im ersten und letzten Abschnitt 30°- Abschnitt angeordnete Lücke unterbrochen ist, von denen sich die erste Lücke von α₁ bis α₂ und die zweite Lücke von 180° minus α₂ bis 180° minus α₁ erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter mit einer regelbaren Gleichspannung (U) gespeist ist und daß α₁ = 9° oder 10° und α₂ = 15° ist.