DE3230055A1 - Steuersatz fuer einen pulswechselrichter - Google Patents

Steuersatz fuer einen pulswechselrichter

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DE3230055A1
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voltage
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Karl Klausecker
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
    • H02M7/53871Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with automatic control of output voltage or current
    • H02M7/53873Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with automatic control of output voltage or current with digital control

Description

  • Steuersatz für einen Pulswechselrichter
  • (beansprucht wird die Priorität der deutschen Patentanmeldung P 32 08 289.4 vom 8.3.1982) Die Erfindung betrifft einen Steuersatz für einen Pulswech.clrichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Ein derartiger Steuersatz ist als Schaltungsanordnung zur Bildung von periodischen Impulsmustern aus der deutschen Patentschrift 28 31 589 bereits bekannt. Soll die Frequenz des periodischen Impulsmusters verändert werden, wie es z.B. bei Umrichtern zum Erzeugen einer Ausgangswechselspannung mit einer durch eine Frequenzsteuerspannung vorgegebenen Sollfrequenz und einer durch eine Amplitudensteuerspannung vorgegebenen Sollamplitude der Fall ist, so kann die Frequenzsteuerspannung einem frequenzgesteuerten binären Oszillator eingegeben werden, der eine Folge von Zählimpulsen mit einer der Frequenzsteuerspannung proportionalen Impulsfrequenz erzeugt. Die Zählimpulse werden von einem nachgeschalteten, jeweils nach einer vollen Periode der Sollfrequenz rücksetzbaren Zähler gezählt. Mit dem jeweiligen Zählerstand des Zählers wird ein Festwertspeicher adressiert, der als erster Funktionsgeber dient und eine abgespeicherte binäre Kurve enthält, die frequenzunabhängig ist.
  • Bei dieser bekannten Anordung enthält die binäre Kurve bestimmte Impulse, durch die jeweils solche Schaltvorgänge im Umrichter gesteuert werden, deren Phasenlage bezüglizh der gewünschten Ausgangswechselspannung bei allen Aussteuerungszuständen des Umrichters konstant bleibt.
  • 1)ie Amplitudensteuerspannung kann einem zweiten Funktionsgeber zum Erzeugen eines binären Signals zugeführt werden. In der bekannten Schaltung enthält dieser zweite Funktionsgeber mehrere Hilfsspeicher. In einem Hilfsspeicher kann z.B. ein Impulsmuster abgespeichert sein, bei dem jeder Impuls einem solchen Schaltvorgang entspricht, der innerhalb einer Periode der Ausgangs spannung zu einem umso späteren Zeitpunkt vorgenommen werden muß, je größer die angestrebte Ausgangsamplitude ist. Dieser Hilfsspeicher wird adressiert, indem vom Zählerstand eine aus der Ampl itudensteuerspannung abgeleitete Zahl subtrahiert wird, so daß der die entsprechenden Schaltimpulse enthaltende Speicherplatz tatsächlich erst später ausgelesen wird. Ein weiterer Hilfsspeicher kann ein Impulsmuster enthalten, mit dem die bei wachsender Aussteuerung zu einem früheren Zeitpunkt abzugebende Schaltbefehle erzeugt werden. Dieser weitere Hilfsspeicher wird dann durch Addition einer aus der Amplitudensteuerspannung abgeleiteten Zahl zum jeweiligen Zählerstand angesteuert.
  • Eine Logikschaltung liefert dann durch Verknüpfen des binären, vom ersten Funktionsgeber gelieferten Signals mit der Ausgangsgröße des Festwertspeichers die Steuerspannung für die Betätigung der Wechselrichterschalter.
  • Diese bekannte Schaltungsanordnung ist zwar als Steuersatz für praktisch alle Umrichteranwendungen geeignet, ist jedoch z.B. für Pulswechselrichter sehr aufwendig.
  • Pulswechselrichter dienen z.B. dazu, für Drehfeldmaschinen eine Speisespannung zu liefern, deren Frequenz proportional der gewünschten Drehzahl verändert werden soll.
  • Ein derartiger Wechselrichter enthält für jeden Wechselspannungsausgang einen Wechselrichterschalter, der diesen Ausgang alternierend auf den positiven und negativen Gleichspannungseingang schaltet. Wird ein solcher Schalter jeweils nur zu Beginn einer Halbperiode der gewünschten Spannung am betreffenden Wechselrichterausgang betätigt, so entsteht dabei eine "Vollblock"-Spannung, aus jeweils sich über eine Halbperiode erstreckenden Spannungsblöcken alternierender Polarität. Betätigt man die Schalter jedoch in einem hochfrequenten Takt und verändert die Dauer jedes Schaltzustandes in Abhängigkeit von der Phasenlage der gewünschten Ausgangsspannung, so kann dadurch auch eine pulsbreitenmodulierte Ausgangsspannung mit einer anderen Kurvenform erzeugt werden.
  • Im Hinblick auf ein oberschwingungsarmes Drehmoment und eine optimale Ausnutzung des Umrichters und der angeschlossenen Maschine ist für die Ausgangswechselspannung bei diesen handelsüblichen Antrieben ein möglichst sinusförmiger Verlauf anzustreben. Dazu wird für jeden Wechselspannungsausgang eine entsprechende sinusförmige Steuerspannung erzeugt, deren Schnittpunkte mit einer hochfrequenten Dreieckspannung die Umschaltimpulse für den auf den jeweiligen Wechselrichterausgang arbeitenden Wechselrichterschalter liefert und somit die Länge der einzelnen, zu der modulierten Ausgangsspannung zusammenzusetzenden Spannungspul se bestimmt.
  • Dem Wechselrichter ist die Eingangsgleichspannung annähernd konstant eingeprägt, z.B. indem der Wechselrichtereingang über einen Spannungszwischenkreis mit dem Gleichspannungsausgang eines an eine Versorgungswechselspannung angeschlossenen Gleichrichters verbunden ist. Bei Verwendung einer Asynchronmaschine wird im allgemeinen eine mit abnehmender Drehzahl proportional abnehmende Amplitude der Speisespannung benötigt, wobei lediglich zu den niedrigsten Drehzahlen hin eine unterproportionale Abnahme der Spannungsamplitude vorgesehen ist. Die entsprechende Amplitudensteuerung der Ausgangswechselspannung kann dadurch erreicht werden, daß das Verhältnis von Sinusamplitude zur Amplitude der als Tastspannung verwendeten Preieckspannung verändert wird. Das Frequenzverhältnis zwischen Dreieckspannung und Ausgangsspannung bestimmt die Zahl der Umschaltvorgänge jedes Schalters innerhalb einer Spannungsperiode und damit die Annäherung an die Sinusform. Die Dreieckfrequenz aber kann nicht beliebig hoch gewählt werden, so sonst zu viele Schaltvorgänge mit hohen Schaltverlusten und einer thermischen Zerstörung der Umrichterschalter auftreten.
  • Als Umrichterschalter werden üblicherweise Thyristoren verwendet, bei denen zusätzlich eine gewisse Mindestdauer für jeden Umschaltvorgang eingehalten werden muß, so daß die Tastfrequenz praktisch 400 Hz nicht wesentlich überschreiten kann.
  • Bei den meisten Anwendungen wird eine dreiphasige Last über den Wechselrichter mit einem symmetrischen System aus drei gepulsten, bei hoher Modulationsfrequenz praktisch sinusförmigen Phasenspannungen gespeist. Die Erzeugung des Sinusspannungssystems mittels eines Pulswechsel richters ist jedoch verhältnismäßig aufwendig, da drei um 120° el. gegeneinander versetzte Steuerspannungen in der Wechselrichtersteuerung erzeugt werden müssen. Dabei ist zu berücksichtigen, daß der Wechselrichter auf Vollast (Nennbetrieb) des Antriebs auszulegen ist, aber die Grundschwingungsamplitude bei üblichen Steuerverfahren zur Erzeugung sinusförmiger Ausgangsspannungen nicht die Werte erreicht, die bei einer vollen Spannungsausnutzung des Umrichters möglich sind. Es wird daher häufig im oberen Spannungsbereich auf eine Steuerung übergegangen, bei der von der Sinusform für die Ausgangs spannung abgewichen wird und auf eine pulsbreitenmodulierte Vollblocksteuerung oder eine die Vollblocksteuerung annähernde Form, z.B.
  • eine Trapezform, übergegangen. Dabei ist unvermeidlich, daß das Drehmoment des Antriebes umso mehr Oberschwingungen aufweist und die Verluste wachsen, je stärker von der Sinusform der Speisespannungen abgewichen wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Steuersatz für einen Pulswechselrichter anzugeben, der es ohne großen Aufwand gestattet, eine pulsbreitenmodulierte Ausgangswechselspannung anzugeben, deren von einer Vollblocksteuerung abweichende Kurvenform in einem bestimmten größeren Frequenzbereich hinsichtlich verschiedener Forderungen (z.B. hohe Spannungsausnutzung, geringe Oberchwingungen) optimiert und frequenzunabhängig vorgegeben werden kann.
  • Das wird gemäß der Erfindung erreicht durch einen Steuersatz mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • Wird z.B. eine Asynchronmaschine über einen Pulswechselrichter aus einer Gleichspannung, z.B. dem Gleichspannungszwischenkreis eines Umrichters gespeist, so wird mittels entsprechender Steuerspannungen die Frequenz der Wechselrichter-Ausgangsspannung und auch deren Amplitude - zumindest im oberen Drehzahl bereich - proportional der gewünschten Drehzahl vorgegeben. Für jeden Wechselrichterausgang ist jeweils eine Sollspannung mit einer für alle Frequenzen und vorzugsweise auch für alle Wechselrichterausgänge gleichen Kurvenform vorgegeben. Für diese Sollspannung sind nur zwei Spannungswerte, z.B. tpositivl' und "negativ", zugelassen ("binäre Kurve") Gegenüber einer Vollblocksteuerung, bei der in der ersten Halbperiode (also zwischen den Phasen 00 und 1800 der Grundschwingung am entsprechenden Wechselrichterausgang) eine positive Spannung und während der zweiten Halbperiode (zwischen 1800 und 3600) eine negative Spannung erzeugt wird, sind zu bestimmte Phasenlagen, die unabhängig von der Drehzahl vorgegeben werden, Lücken vorgesehen, in denen die Spannung jeweils den entgegengesetzten binären Zustand aufweist. Die Lücken können z.B. jeweils in Nähe der Nulldurchgänge der Ausgangsspannungs-Grundschwingung liegen und mit einer Viertelperioden-Symmetrie angeordnet sein, d.h. sie liegen symmetrisch bezüglich der Nulldurchgänge und d Maxima der Grundschwingung. rst die Summe der Lückenbreiten innerhalb jeder Halbperiode wesentlich kleiner als die Breite des lückenfreien Bereiches in der Mitte jeder Halbperiode, so liegt praktisch eine bereits pulsbreitenraodulierte trapezförmige ReEerenz-Spannung vor, wobei allerdings Breite und Abstand der Lücken bzw. Pulse (also das Tastverhältnis dieser ersten Pubsbreitenmodulation) und damit auch die Ampli tude dieser trapezförmigen Referenzspannung unabhängig von der Sollfrequenz und der Sollamplitude vorgegeben ist. Die Kurvenform der Referenzspannung sowie die Anzahl und Anordnung der zur "ersten" Modulation dieser Referenzspannung vorgesehenen Lücken werden so gewählt und in einem Festwertspeicher niedergelegt, daß ein Optimum für den gewünschten großen Frequenzbereich hinsichtlich Oberschwingungsgehalt, Spannungsausnutzung und anderen, von der Last bestimmten Kriterien erreicht wird.
  • Die erwähnte, einer pulsbreitenmodulierten Trapezkurve entsprechende Sollspannung stellt z.B. wegen der Breite des lückenfreien Bereiches im wesentlichen eine Vollblocksteuerung dar, die lediglich an den Blockflanken Lücken aufweist. Dies ermöglicht fast die bei Vollblocksteuerung erreichbare maximale Spannungsausnutzung des Umrichters. Der Nachteil einer Vollblocksteuerung ist allerdings ein hoher Oberschwingungsgehalt der Ausgangsströme, der zu Energieverlusten in Umrichter und Maschine führen könnte. Daher sind die Lücken vorgesehen, die eine gewisse Annäherung der Vollblocksteuerung an die Sinusform darstellen. Zwar können durch die Lücken im Oberschwingungsspektrum bei Vollblocksteuerung vorhandene Oberschwingungen verstärkt werden und außerdem ändern sich die Oberschwingungsfrequenzen in dem Maße, indem die Grundfrequenz mit der gewünschten Drehzahl verschoben wird. Durch die Wahl der Lücken kann jedoch erreicht werden, daß die Oberschwingungen bei allen Lastzuständen in einem Bereich liegen, in dem sie für die Last nicht störend wirken.
  • aus der jeweiligen binären Sollspannung für den betreffenden Wechselrichterausgang wird mittels einer von einem zweiten Funktionsgenerator bereitgestellten, aus pulsbreitenmodulierten Impulsen bestehenden weiteren binären Spannung ein pulsbreitenmoduliertes Steuersignal zum Umschalten des auf den betreffenden Wechselrichterausgang arbeitenden Wechselrichterschalters gebildet, wobei das Pulsbreitenverhältnis dieser weiteren binären Spannung entsprechend der gewünschten Amplitude vorgegeben ist.
  • So kann z.B. die binäre Sollspannung mit einer hochfrequenten Dreieckspannung, deren Amplitude durch die Amplitudensteuerspannung vorgegeben ist, verglichen werden, um aus den Schnittpunkten die Umschaltbefehle des Wechselrichterschalters zu bilden. Man kann aber auch vorteilhaft eine periodische Spannung konstanter Amplitude mit rampenförmigem Verlauf (z.B. eine Dreieckspannung) mit einer Amplitudenspannung vergleichen und das Vergleichsergebnis, das ein entsprechend der gewünschten Amplitude pulsbreitenmoduliertes binäres Gleichspannungssignal darstellt, zusammen mit der binären Sollspannung einem EXKLUSIV-ODER-Gatter zuführen, an dessen Ausgang dann die pulsbreitenmodulierte Sollspannung als Steuerspannung zum Ansteuern der Wechselrichterschalter ansteht.
  • Die Steuerung des Pulswechselrichters wird besonders einfach, wenn die Tastspannung drehzahlunabhängig vorgegeben wird, wobei die Tastfrequenz wesentlich höher als die maximale Sollfrequenz liegt, z.B. über etwa 1 kHz. Der Pulswechselrichter kann ohne Schwierigkeiten mit derart hohen Tastfrequenzen betrieben werden, wenn als Wechselrichter ein Wechselrichter mit Schaltern aus Leistunas- transistoren verwendet wird. Ein derlrti.ger Transistol-Wechselrichter ist z.B. in der deutschen Patentanmeldung 30 30 485.9 beschrieben.
  • Anhand eines Ausführungsbeispiels und 5 Figuren ist die Erfindung näher erläutert.
  • Fig. 1 zeigt einen Pulswechselrichter im Zusammenhang mit einer umrichtergespeisten Asynchronmaschine, Fig. 2 zeigt verschiedene Impulsmuster für die pulsbreitenmodulierte Steuerspannung eines Wechselrichterschalters, Fig. 3 veranschaulicht die Tastung der entsprechend dem Pulsmuster vorgegebenen Steuerspannung zur Erzeugung der pulsbreitenmodulierten Ausgangs spannung und Fig. 4 zeigt die entsprechende Steuerung des Pulswechsel richters.
  • Der in Fig. 1 dargestellte Antrieb enthält eine Asynchronmaschine 10, einen aus dem Wechselspannungsnetz 13 gespeisten Umrichter mit einem Pulswechselrichter 20, der über den Spannungszwischenkreis 21 mit dem Gleichrichter 22 verbunden ist, einen Drehzahlgeber 23 und die Umrichtersteuerung 24.
  • Der Gleichrichter 22 ist als ungesteuerte Gleichrichterbrücke ausgeführt, die über Sicherungen 25 und Umrichterschalter 26 an die Phasen R S T des Netzes 13 angeschlossen ist. Ein Stromversorgungsteil 27 liefert die Versorgungsspannung für die Steuerung. Der Zwischenkreis 21 enthält den Zwischenkreiskondensator 28, der über einen nach einer Verzögerungszeit kurzschließbaren Vorwiderstand 29 aufgeladen wird. Ferner sind zwei Meß-Shunts vorgesehen, um mittels des Schütz 31 das Kurzschließen des Vorwiderstandes 29 und das Ein- und Ausschalten des Wechselrichters 20 vorzunehmen. Dadurch ist auch ein Abschalten des Wechselrichters bei einer Störung möglich.
  • Die Wechselspannnysausgänge U, V, W des Wechselrichters 20 sind jeweils über einen Wechselrichterschalter alternierend an die Gleichspannungsausgänge des Zwischenkreises 21 angeschlossen. Jeder Wechselrichterschalter wird über ein binäres Ansteuersignal (Leitungen 15u, 15V' 15W) angesteuert und enthält jeweils zwei Leistungs-Feldeffekttransistoren, wie sie z.B. unter dem eingetragenen Warenzeichen SIPMOS der Firma Siemens handelsüblich sind.
  • So ist der Wechselrichterausgang U z.B. über den FET 31, der bei dem 'tl"-Zustand der zugehörigen Signalleitung 15U leitend und bei einem "0"-Zustand sperrend angesteuert ist, mit dem positiven Gleichspannungspol und über den FET 32, der bei einem "0"-Zustand leitend ist, mit dem negativen Gleichspannungspol verbunden. Ein derartiger Leistungs-FET besitzt entgegen seiner Stromführungsrichtung eine Diodenkennlinie, wie durch den entsprechenden Pfeil im Schaltsymbol dargestellt ist. Mit einem derartigen Transistorschalter kann ein eingeschalteter Strom im Gegensatz zu Thyristoren auch abgeschaltet werden. Antiparallele Dioden sowie Entlastungsnetzwerke sind nicht erforderlich. Die Ansteuerung ist einfach und verlustarm.
  • In Verbindung mit einem ungesteuerten Eingangsgleichrichter ergibt sich dabei eine kostengünstige Lösung mit geringem Aufwand an Leistungsbauteilen und Montage sowie einem hohen Leistungsfaktor für den Netz strom.
  • Als Drehzahlgeber zur Erzeugung eines Drehzahlsollwertes kann z.B. ein Regler 23 verwendet werden, dem die Regelabweichung zwischen dem Lastzustands-Istwert t p und einem entsprechenden Sollwert ap* zugeführt wird.
  • Der Pulswechselrichter erzeugt bei dem erfindungsgemäßen 'Jerfahren eine Speisespannung für die Asynchronmaschine, für die in Fig. 2 verschiedene Möglichkeiten des Kurvenverlaufs angegeben sind.
  • Mit U0 ist in der obersten Zeile der Fig. 2 die Grundschwingung der Ausgangsspannung dargestellt, auf deren Nullpunkt sich alle folgenden Phasenangaben beziehen.
  • Während bei der anfangs erwähnten, üblichen Pulswechselsteuerung diese Kurve U0 bereits die Sollkurve darstellt, die mittels einer höherfrequenten Tastfrequenz abgetastet wird, um eine annähernd sinusförmige Ausgangsspannung zu erhalten, stellen die in Fig. 2 angeführten Kurvenformen U1 bis U5 im Grund bereits eine gepulste Spannung dar und werden bei der erfindungsgemäßen Steuerung als Sollkurve für die Ausgangsspannung ihrerseits noch durch die hochfrequente Tastfrequenz pulsbreitenmoduliert. Für den Verlauf der Spannung, z.B. am Ausgang U des Pulswechselrichters, wird eine der Sollkurven U1 bis U5 vorgegeben, die für T = 0 ... 1800 im wesentlichen 0 0 positiv und für t = 180 ... 360 im wesentlichen negativ ist. Symmetrisch um t= 00, 900, 1800 und 2700 sind jeweils Pulslücken vorgesehen, deren Pulsbreiten 30 oder 0 6 betragen. Bei den Kurven U1 und U3 beginnt jede Halbperiode mit einer Lücke, die Summe der Lückenbreiten in jeder Viertelperiode (d.h. zwischen 0° und 900) beträgt 60. Kurvenformen mit mehr als 3 Lücken und einer Gesamt-Lückenbreite über 120 pro Viertelperiode sind zwar möglich, werden aber weniger vorteilhaft angesehen im Hinblick auf eine gute Spannungsausnutzung einerseits und geringe Stromoberschwingungen andererseits. Auch eine einzige Lücke in Nähe des Amplitudendurchganges (y= 900, 2700) bringt bereits eine wesentliche Reduzierung der Stromoberschwingungen. In der Regel haben sich die Kurven Ul, U2 und Ug bewährt, Die Lückenbreiten von 30 oder 60 ergeben sich daraus, daß durch den binären Oszillator jede Sollfrequenz-Periode in 12() Zählschritte zerlegt wird, wie noch erläutert wird.
  • Fig. 3 erläutert, wie durch Abtasten einer Sollspannung, z.B. U1, mit der hochfrequenten Tastspannung UT jeweils bei Gleichheit beider Spannungen die Umschaltimpulse für den Wechselrichterschalter gebildet werden können. ATa Ausgang eines entsprechenden Vergleichers entsteht dadurch eine modulierte, binäre Sollspannung UmOd, die im gezeigten Fall als Ansteuerspannung für den auf den Wechselrichterausgang U arbeitenden Wechselrichterschalter die Transistoren 31, 32, Fig. 1) diesen Ausgang U während der Zeiten tT1 auf den positiven Gleichspannungseingang und während der Zeiten 6 T2 an den negativen Gleichspannungseingang legt.
  • Die modulierte Sollspannung Umod stellt also sozusagen eine "doppelt modulierte" Spannung mit einer ersten, 2-t T0 entsprechenden Modulationsfrequenz und einer zweiten, höheren Modulationsfrequenz UT (entsprechend tT1 + A T2) Diese "zweite" Modulation ist erforderlich, um die Amplitude der Ausgangsspannung proportional zu dem Modulationsverhältnis ( T - AT )/( T1 + #T2) einzunstel- 2 1 2 A T1+ AT ) einzustellen, das durch das Amplitudenverhältnis von Tastspannung und Sollspannung gegeben ist. Die Form der Sollkurve U1 ist unabhängig von der Drehzahl vorgegeben, während ihre Periodendauer durch die geforderte Grundschwingungsperiode der Ausgangs spannung bestimmt und somit mit der geforderten Drehzahl veränderlich ist. Bei einer Maschine, die ihre Vollaussteuerung (Nenndrehzahl 2850 U/Min.) bei einer Speisefrequenz von 50 Hz erreicht, entspricht die Lückendauer von 60 einer "ersten" Modulationsfrequenz von etwa 1,5 kHz. Im Teillastbereich ergeben sich wegen der drehzahlabhängigen Veränderung der Grundschwingungsperiode entsprechend längere Lückendauern mit niedrigeren Fre- quenzen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß durch die geschilderte Form der Sollspannung im Zusammenwirken mit der für die Amplitudensteuerung vorgesehenen Pulsbreitenmodulation bei genügend hoher Tastfrequenz (z.B. 5 kHz) insgesamt im Oberschwingungsspektrum des Maschinendrehmomentes praktisch keine störenden Frequenzen angeregt werden. So werden z.B. bei den Kurvenformen U2 und U3 die Strom-Oberschwingungen 5., 7. und 11. Ordnung gegenüber der erwähnten Vollblocksteuerung weniger stark angeregt, während höhere Frequenzen (z.B. 17. und 19. Ordnung) wesentlich stärker hervortreten, aber weder zu nennenswerten Energieverlusten noch zu Drehmomentschwankungen führen.
  • Um sicherzustellen, daß die Tastfrequenz ihrerseits im gesamten Lastbetreich keine störenden Oberschwingungen anregt, wird vorteilhaft eine Tastfrequenz über einem Minimalwert (z.B. 1 kHz, vorzugsweise 5 kHz) verwendet.
  • Das kann dadurch leicht erreicht werden, daß die Tastfrequenz drehzahiunabhängig, z.B. zu etwa 6 kHz, vorgegeben wird.
  • Die bei der Vorrichtung nach Fig. 1 verwendete Wechselrichtersteuerung 24 ist im wesentlichen in Fig. 4 dargestellt. Der Drehzahlsollwert n* wird als Drehzahl steuerspannung einem ersten Funktionsgeber 50 eingegeben, der die zwischen zwei binären Spannungswerten alternierende Sollspannung mit einer dem Drehzahlsollwert entsprechenden Frequenz und einer frequenzunabhängigen Kurvenform erzeugt.
  • Ein zweiter Frequenzgeber 51 erzeugt die hochfrequente Tastspannung UT. Die Drehzahl-Steuerspannung ist ferner einem Kennliniengeber 52 eingegeben, der entsprechend dem bei Asynchronmaschinen einzuhaltenden Zusammenhang zwischen Spannun«Ercquenz und Amplitude eine Amplitudensteuerspannung erzeugt, die bei höheren Drehzahlen proportional der Drehzahl ist und zu niedrigeren Drehzahlen unterproportional abnimmt.
  • Tastspannung und Reierenzspannung sind einem Schwellwertgeber mit einem binären Ausgangssignal zugeführt, das anzeigt, ob der Mornentanwert der Dreieckspannung größer oder kleiner ist als die Referenzspannung. Kennliniengeber und Schwellwertdetektor stellen eine Modulationsstufe dar, die durch Vergleich der Tastspannung mit der vom Drehzahlsollwert abhängigen Amplitudensteuerspannung pulsbreitenmodulierte Impulse erzeugt, mit denen eine Logikschaltung 54 aus der im ersten Funktionsgeber 50 erzeugten Steuerspannung für einen Wechselrichterschalter (Ansteuerleitung 15u) eine pulsbreitenmodulierte Steuerspannung bildet, mit der der betreffende Wechselrichterschalter umgeschaltet wird. Die anderen Ansteuerleitungen (15v, 15W) erhalten Steuerspannungen, die jeweils um 1200 gegenüber der Steuerspannung an der Ansteuerleitung 15U phasenverschoben sind.
  • Vorteilhaft besteht der Funktionsgeber 50 aus einem Spannungsfrequenzumsetzer 55, der mit dem Zähleingang C eines Zählers 56, z.B. eines rücksetzbaren 7bit-Zählers 56, verbunden ist. Mit dem Zählerstand wird ein Festwertspeicher 57 adressiert, in dem die Kurvenform abgespeichert ist. Im vorliegenden Fall ist jede Periode in 120 Zählschritte unterteilt, so daß die zeitlichen Abstände der vom Frequenzumsetzer 55 erzeugten Zählimpulse jeweils einer um 3 el. fortschreitenden Phase in der Steuerspannung entsprechen und im Speicher 57 jeweils nach 30 ein neuer Speicherplatz angesteuert wird, in dem der jeweils zur betreffenden Phase gehörende Wert der binären Steuerspannung gespeichert ist. Die Auflösung der Steuerspannung beträgt also 30. Mit dem 120. Zählschritt des Zäh- lers 56 ist jeweils eine Periode beendet und in dem entsprechenden Speicherplatz ist ein Rücksetzimpuls abgelegt, der über die Leitung 58 an den Rücksetzeingang des Zählers 56 gegeben wird und somit einen neuen Zyklus für die nächste Periode einleitet. Vorteilhaft ist im Festwertspeicher 57 für jeden der Wechselrichterschalter eine eigene, entsprechend phasenverschobene Sollspannung dogelegt und der Festwertspeicher liefert bei jeder Ansteuerung durch den Zähler 56 über getrennte Ausgänge diese Sollspannungen an die Logikschaltuny 54. Die Logikschaltung 54 kann dann vorteilhaft für jeden der Wechselrichterschalter ein Exklusiv-Oder-Gatter enthalten, dem lediglich die entsprechende Steuerspannung aus dem Festwertspeicher 57 und die pulsbreitenmodulierten Impulse des Schwellwertdetektors 53 zugeführt zu werden brauchen.
  • Der Aufbau dieser Steuerung ist besonders einfach, da er mit nur einem einzigen Festwertspeicher und einem einzigen, einfachen Analog/Digital-Wandler (Spannungsfrequenzumsetzer 55) auskommt.
  • Somit steht,insbesondere für einen Transistor-Wechselrichter zur Speisung von Drehfeldmaschinen, ein einfacher, weitgehend digital arbeitender Steuersatz zur Verfügung.
  • L e e r s e i t e

Claims (6)

  1. Patentansprüche Steuersatz für einen Pulswechselrichter zum Erzeugen einer Ausgangswechselspannung mit einer durch eine Frequenzsteuerspannung vorgegebenen Sollfrequenz und einer durch eine Amplitudensteuerspannung vorgegebenen Sollamplitude, mit folgenden Merkmalen: a) Die Frequenzsteuerspannung ist einem frequenzgesteuerten binären Oszillator (55) eingegeben, der eine Folge von Zählimpulsen mit einer der Frequenzsteuerspannung proportionalen Impulsfrequenz erzeugt, b) die Zählimpulse werden von einem nachgeschalteten, jeweils nach einer Periode der Sollfrequenz rückgesetzten Zähler gewählt, c) mit dem jeweiligen Zählerstand des Zählers wird ein als erster Funktionsgeber dienender Festwertspeicher adressiert, in dem eine frequenzunabhängige binäre Kurve gespeichert ist, d) die Amplitudensteuerspannung ist einem zweiten Funktionsgeber zum Erzeugen eines binären Signals zugeführt, und e) eine Logikschaltung liefert durch Verknüpfung des binären Signals mit der Ausgangsgröße des Festwertspeichers die Umschaltimpulse für die Wechselrichterschalter, g e k e n n z e i c h n e t durch folgende weitere Merkmale: f) im Festwertspeicher ist als Kurve eine binäre Sollspannung gespeichert, die innerhalb jeder Halbperiode mehrmals ihren binären Wert ändert, y) der zweite Funktionsgenerator liefert als binäres Signal eine Folge pulsbreitenmodulierter Impulse mit hoher Tastfrequenz und einem durch die Amplitudensteuerspannung vorgegebenen Tastverhältnis, und h) die Logikschaltung bildet eine mit den pulsbreitenmodulierten Impulsen modulierte Sollspannung als Steuerspannung zum Ansteuern der Wechselrichterschalter.
  2. 2. Steuersatz nach Anspruch 1 für einen Wechselrichter mit mehreren Wechselrichterschaltern, die jeweils auf einen anderen Wechselrichterausgang arbeiten, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß im Festwertspeicher für jeden Wechselrichterausgang eine Sollspannung mit frequenzunabhängiger Kurvenform gespeichert ist und bei jeder Ansteuerung durch den Zähler der entsprechende Wert aller Sollspannungen ausgelesen und jeweils aus dem Wert der dem jeweiligen Ausgang zugeordneten Sollspannung die mit den pulsbreitenmodulierten Impulsen pulsbreitenmodulierte Steuerspannung zum Umschalten des zugeordneten Wechselrichterschalters gebildet wird.
  3. 3. Steuersatz nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der zweite Funktionsgeber einen Generator zum Erzeugen einer hochfrequenten periodischen Rampenfunktion, einen von der Amplitudensteuerspannung beaufschlagten Kennliniengeber und einen dem Generator und dem Kennliniengeber nachgeschalteten Vergleicher enthält, dessen Ausgangsgröße zusammen mit der Sollspannung einem Exclusiv-Oder-Gatter zugeführt ist, an dem die pulsbreitenmodulierte Steuerspannung zum Ansteuern des Wechselrichterschalters abgegriffen ist.
  4. 4. Steuersatz nach Anspruch 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Generator eine konstante, wesentlich über der maximalen Sollfrequenz liegende Frequenz besitzt.
  5. 5. Anwendung des Steuersatzes nach einem der Ansprüche 1 bis 4, für einen eine Drehfeldmaschine speisenden Wechselrichter, wobei eine von einem Drehzahlgeber vorgegebene Führungsgröße dem Steuersatz gleichzeitig als Frequenzsteuerspannung und Amplitudensteuerspannung vorgegeben ist.
  6. 6. Anwendung des Steuersatzes nach einem der Ansprüche 1 bis 4 für einen Wechselrichter mit Transistorschaltern, wobei die Frequenz des Generators über 1 kHz beträgt.
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