DE3231945C2 - - Google Patents

Description

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer Wechselrichteranordnung mit zweipulsigem Wechselrichter mit einer Vorrichtung zur Toleranzbandsteuerung mit 2 Teilwechselrichtern, zwischen denen eine Last angeschlossen ist, und mit Vergleich eines Sollwertstromes und eines Istwertstromes zum Erreichen eines vorbestimmten Stromverlaufs nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Mit dem Oberbegriff nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik Bezug, wie er aus der DE-AS 14 63 404 bekannt ist. Bei der dortigen Anordnung zur Regelung des Ausgangsstromes bei einem selbstgeführten Pulswechselrichter, der aus Gruppen gleichartig betriebener löschbarer Ventile und Dioden aufgebaut ist, sind die löschbaren Ventile nach Art einer Zeitpunktregelung gesteuert. Eine Einrichtung zur Zwei-Niveau-Regelung des Stromes mit Hilfe von 2 Kippstufen verschiedener Ansprechwerte weist einen Univibrator auf, der die Ansprechbarkeit der Kippstufe für eine Zeitdauer, die größer als die Dauer eines beim Löschen eines Ventils auftretenden Kreisstromes ist, verhindert.

Bei dieser Anordnung kann es vorkommen, daß über eine längere Zeit nur einer von 2 separat angesteuerten Teilwechselrichtern an den Schaltvorgängen teilnimmt. Dabei kann infolge einer Entladung der Löschkondensatoren die Kommutierungsfähigkeit des Wechselrichters verlorengehen.

Zum einschlägigen Stand der Technik wird ferner auf das Buch von Dr. Karl Sachs, "Elektrische Triebfahrzeuge", Band 2, 2. Auflage, Springer-Verlag Wien New York, 1973, S. 876- 885, insbesondere s. 883, verwiesen. Bei dem dort angegebenen Zweipunktregler kann der Wechselstrom innerhalb eines zugelassenen Intervalls um einen vorgegebenen Sollwert schwanken. Die Schaltfrequenz kann dabei unzulässig hoch oder tief werden. Über längere Zeit kann an den Schaltvorgängen nur einer der beiden Wechselrichter teilnehmen.

Die Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist, löst die Aufgabe, eine Wechselrichteranordnung mit zweipulsigem Wechselrichter mit einer Vorrichtung zur Toleranzbandsteuerung der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, daß die Kommutierungsfähigkeit des Wechselrichters verbessert wird.

Ein Vorteil der Erfindung besteht in der gleichmäßigeren Belastung der zwei Teilwechselrichter und in der Gewährleistung ihrer Kommutierungsfähigkeit.

Eine Toleranzbandregelung, die auch Zweipunktregelung genannt wird, erlaubt für einen Wechselrichter mit Spannungszwischenkreis mit relativ wenig Steuerelektronik auszukommen. Der Momentan-Sollwert wird an einem Komparator mit dem Momentanstrom- Istwert verglichen. Der Ausgang dieses Komparators schaltet die Last auf eine positive oder negative Spannung, je nach dem, ob der Strom-Istwert zu klein oder zu groß ist. Durch die Größe der Hysterese des Komparators und das Zeitverhalten der Last stellt sich eine freie Schaltfrequenz ein. Die Hysteresisbreite am Komparator stellt das Toleranzband dar, in welchem der Strom-Istwert schwankt, wenn das Zeitverhalten der Last durch eine einfache Zeitkonstante gegeben ist. Bei einer 2pulsigen Schaltung mit zwei Teilwechselrichtern pro Lastkreis (eine Phase einer mehrphasigen Last) zweckmäßigerweise in Einphasenbrückenschaltung (gemeinsamer Spannungszwischenkreis), können beide Teilwechselrichter gleichzeitig geschaltet werden (natürlich im Gegentakt, d. h. wenn der eine auf Plus schaltet, schaltet der andere auf Minus und umgekehrt). In diesem Fall arbeitet die Einrichtung wie oben erwähnt mit nur einem Wechselrichter pro Lastkreis. Eine 2pulsige Schaltung beinhaltet jedoch weitere Möglichkeiten, die durch die in diesem Absatz beschriebene Zweipunktregelung nicht ausgenützt werden. Außer positiver und negativer Spannung an der Last, ermöglicht diese Schaltung auch Spannung Null an der Last, und zwar auf zwei Arten, entweder beide Teilwechselrichter auf Plus oder auf Minus.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die zweipulsige Schaltung auf einfache Weise ausgenutzt werden, indem dieselben Momentanstrom-Soll- und Istwerte mit zwei getrennten Komparatoren verglichen werden, wovon jeder einen Teilwechselrichter steuert. Die Toleranzbänder beider Komparatoren werden leicht gegeneinander verschoben, d. h., der eine erhält eine kleine zusätzliche positive Spannung, der andere eine negative, in der Größenordnung der Toleranzbandbreite. Wenn nun z. B. bei positiver Spannung an der Last (ein Teilwechselrichter an Plus, der andere an Minus) der Strom positiver wird, erreicht er zuerst die Schaltschwelle des einen Komparators, z. B. für den einen Teilwechselrichter und schaltet diesen auf Minus. Die Spannung an der Last wird Null (Freilauf, beide Pole auf Minus). Wenn nun als Folge davon der Strom weider abnimmt, wird nun dieser Komparator die Stromregelung allein dauernd übernehmen; der zweite Komparator schaltet dauernd auf Minus. Nimmt jedoch der Strom trotzdem noch zu, wird die Schaltschwelle des zweiten Komparators erreicht, und dieser schaltet den andern Teilwechselrichter auf Plus, so daß an der Last umgekehrte Polarität, d. h. negative Spannung, erscheint. Nimmt nun der Strom wieder ab, schaltet der andere Teilwechselrichter wieder auf Minus (Freilauf, beide Polde auf Minus), was zur Folge haben kann, daß der Strom wieder steigt. In diesem Fall übernimmt der Komparator für den anderen Teilwechselrichter die Stromregelung, und der eine Teilwechselrichter bleibt dauernd auf Minus geschaltet. Der Freilauf (Spannung = 0) war in beiden Fällen auf der Seite der Minus- Schiene. Je nach Aussteuerungs- und Lastverhältnissen kann es jedoch auch vorkommen, daß der Freilauf auf der Seite der Plus-Schiene ist. Da außer positiver und negativer Spannung auch Null an die Last gelegt werden kann, haben wir es mit einem Dreipunktregler zu tun. Bei gleichen Lastverhältnissen wird entweder bei gleicher Schaltfrequenz die Stromwelligkeit kleiner, oder bei gleicher Stromwelligkeit (Toleranzbandbreite) die Schaltfrequenz tiefer, was ein Vorteil ist.

Speziell bei tiefen Grundfrequenzen, inkl. Gleichstrombetrieb, kann es mit der beschriebenen Schaltung vorkommen, daß während längerer Zeit nur noch ein Wechselrichter taktet und der andere in einer Schaltstellung beharrt. Dies führt einerseits zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Schaltverluste auf beide Teilwechselrichter, andererseits kann je nach Ausführung der Wechselrichter die Kommutierungsfähigkeit verloren gehen, wenn ein Wechselrichter längere Zeit (z. B. mehr als 1 s) nicht mehr taktet (Entladung der Löschkondensatoren). Um diesen Mangel zu beheben, wird gemäß der Erfindung nach z. B. jeder zweiten Schaltung die Verschiebung der beiden Toleranzbänder ausgetauscht. Durch diesen Rollentauch der beiden Teilwechselrichter wird erreicht, daß beide abwechselnd zum Schalten kommen. Dadurch schaltet jeder nur noch mit halber Schaltfrequenz, auch wenn längere Zeit die Spannung an der Last nur zwischen 0 und Plus oder 0 und Minus wechselt. Bei Gleichstrombetrieb (Grundfrequenz = 0) kann es vorkommen, daß dauernd Spannung Null verlangt wird. In diesem Fall findet trotz dem Toleranzbandaustausch kein Schalten mehr statt, was zum Verlust der Kommutierungsfähigkeit führen kann. Als Abhilfe kann eine Einrichtung dienen, die immer dann, wenn ein Teilwechselrichter eine gewisse Zeit lang keinen Umschaltbefehl mehr erhalten hat, eine Zwangsumschaltung einleitet. Als Folge davon wird die Regelung reagieren und eine weitere Korrekturschaltung ausführen. Da die Bedingung für diese Zeit von den Wechselrichtereigenschaften abhängt, sollte diese Zwangsschalteinrichtung zweckmäßigerweise im dem Wechselrichter vorgeschalteten Steuersatz (Impulserzuegung) realisiert werden, wo auch die Einhaltung der anderen Grenze (zu schnelles Zurückschalten) sichergestellt werden muß.

Bei fester Vorgabe der Hysterese der Komparatoren (Toleranzbandbreite) stellt sich eine Momentanschaltfrequenz ein, die von Null bei voller negativer Spannung parabelförmig verläuft mit einem Minimum bei halber negativer Spannung. Sie erreicht wieder Null bei Spannung Null und verläuft dann nach einer weiteren Parabel mit Maximum bei halber positiver Spannung und erreicht wieder Null bei maximaler positiver Spannung. Wird die Spannung sinusförmig über der Zeit gesteuert (was für sinusförmigen Strom bei linearer Last notwendig ist), stellt sich eine modulierte Taktfrequenz ein, deren Mittelwert von der Aussteuerung abhängt. Auch dieser Mittelwert hat ungefähr in der Mitte des Steuerbereichs ein Maximum, wobei hier als maximale Aussteuerung jene zu verstehen ist, wo in den Sinuskuppen gerade noch keine Übersteuerung (Abschneiden der Kuppen) erfolgt. Versuche haben dies gezeigt. Um die für den Wechselrichter zulässige Schaltfrequenz im ganzen Betriebsbereich nicht zu überschreiten, muß die Hysterese so groß gemacht werden, daß bei halber Aussteuerung diese zulässige Frequenz nicht überschritten wird. Dann wird sie aber an den Stellgrenzen relativ klein. Speziell, wenn man von der Übersteuerung Gebrauch machen will, führt dies zu Nachteilen. Durch Übersteuerung (d. h. Abschneiden der Sinuskuppen in der mittleren Spannung) kann die Unterschwingungstaktung der normalen Toleranzbandsteuerung allmählich in eine Grundwellentaktung überführt werden (Spannung proportional der Grundfrequenz, wie für Drehfeldmaschinen erforderlich). Bei zunehmender Übersteuerung schrumpft das Takten immer mehr um die Nulldurchgänge der sinusförmigen Aussteuerung zusammen, bis pro Nulldurchgang nur noch eine Schaltung übrig bleibt. Ab hier ist die Ausgangsspannung natürlich konstant (nicht mehr frequenzproportional) und rechteckförmig. Um das Übergangsgebiet möglichst stetig zu haben (keine großen Sprünge) sollte hier die Schaltfrequenz möglichst hoch sein. Um im ganzen Steuerbereich die vom Wechselrichter erlaubte mittlere Schaltfrequenz möglichst auszunützen, kann der Momentanstrom-Toleranzband- Regelung eine Taktfrequenzregelung unterlagert werden. Über einen Regler wird ein einstellbarer Sollwert mit der gemessenen, mittleren Taktfrequenz verglichen. Als Stellgröße dient die Hysterese der Komparatoren. Der Istwert der Taktfrequenz wird über Frequenz-Spannungswandler gewonnen. Bei dreiphasigen Schaltungen kann durch Verwendung des Mittelwertes oder Größtwertes der 3 Phasen die notwendige Filterzeitkonstante für die Mittelwertbildung verkleinert werden. In diesem Fall ist nur eine Taktfrequenzregelung für alle drei Phasen notwendig mit gemeinsamer Hysterese-Vorgabe als Stellgröße.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Toleranzbandsteuerung für einen zweipulsigen Wechselrichter,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung nach Fig. 1, erweitert für Dreiphasen-Betrieb,

Fig. 3 ein Spannungs-Zeit-Diagramm zur Verdeutlichung der Wirkungsweise der Erfindung.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung gliedert sich grob in folgende, jeweils durch strichlierte Linien eingefaßte Baugruppen:

Einen Wechselrichter-Leistungsteil WL, umfassend einen zweipulsigen Wechselrichter 1, eine Toleranzband-Steuereinrichtung TB, eine Einrichtung zur Toleranzbandumkehr TU, wobei die an sich hierzu gehörige Einrichtung zur Einstellung des Schaltniveaus NI wegen der später zu beschreibenden Erweiterung auf Mehrphasenbetrieb als separate Baugruppe dargestellt ist, und einen Proportional/Integralregler PI.

Der zweipulsige Wechselrichter 1 enthält zwei Teilwechselrichter 2, 3, zwischen welchen eine Last 4 angeschlossen ist. Der durch die Last fließende Ist-Strom i_I wird durch einen Stromwandler 4′ erfaßt. Ein Kondensator 5 dient als Glättungskondensator. Zwei Komparatoren 6, 7 sind mit Widerständen 8 bis 15 zur Einstellung des Arbeitspunktes versehen. Ein Potentiomneter 16 dient in Verbindung mit einem Analog-Inverter 16′ als Gleichspannungsquelle für die Verschiebung des Schaltniveaus. Ein Umschalter 17 ist an eine bistabile Kippstufe, Flipflop 18, angeschlossen, welche mit zwei Invertern 19, 20 und einer Exklusiv-Oder-Schaltung 22 über einen Takteingang 21 verbunden ist. Über den Umschalter 17 werden im Takt des Ausgangssignals des Flipflops 18 abwechselnd positive oder negative, mittels des Potentiometers 16 einstellbare Spannungen beiden Komparatoren 6 und 7 zugeführt.

Ein Regler 23 dient zur Hystereseeinstellung und enthält Widerstände 24 bis 28, einen Kondensator 29 und eine Diode 30, welche die Begrenzungsfunktion für minimale Hysterese hat. Der Ausgang des Reglers 23 führt direkt an erste gleichsinnige Umschaltkontakte zweier Umschalter 34, 35. Die zweiten Umschaltkontakte sind über einen Analog-Inverter 31′ mit dem Ausgang des Reglers 23 verbunden. Für die zweite Variante der Einstellung der Hysterese (angedeutet durch die strichlierte Verbindung) ist ein Potentiometer 31 vorgesehen. Ein Einstellwiderstand 32 ist für die Einstellung der minimalen Hysterese bestimmt. Ein weiteres Potentiometer 33 dient als eine Gleichspannungsquelle. Zwei Umschalter 34, 35 sind an die Ausgänge der Komparatoren 6 und 7 angeschlossen. Mit der Bezugsziffer 36 ist ein f/U- Wandler bezeichnet. i_S bedeutet einen Sollwert-Strom und i_I den Istwert-Strom.

Die Toleranzbandregelung der beschriebenen und gezeichneten Schaltanordnung erfolgt auf folgende Weise:

In den beiden Komparatoren 6 und 7 werden Momentanstrom- Soll- und Istwert miteinander verglichen. Die Ausgänge schalten über nicht gezeichnete Steuersätze den Wechselrichter 1. "1"-Signal an den Komparatorausgängen bedeutet für beide Teilwechselrichter 2 und 3 Schalten auf Plus, "0"-Signal dagegen Schalten auf Minus. Damit der Regelsinn stimmt (Gegenkopplung), müssen daher Soll- und Istwert an den Eingängen der Komparatoren 6 und 7 gegeneinander vertauscht angeschlossen sein. Die Ausgänge der Komparatoren 6 und 7 schalten über die Umschalter 34 und 35 die am Potentiometer 31 gemeinsam einstellbare Hysterese auf die Eingänge zurück (Mitkopplung). Die am Potentiometer 16 einstellbare Verschiebung der Toleranzbänder (B₁, B₂ in Fig. 3) wird über den Umschalter 17 entweder positiv oder negativ auf die Minus-Eingänge der Komparatoren 6 und 7 gegeben. Dadurch, daß Soll- und Istwert an beiden Komparatoren 6 und 7 gekreuzt angeschlossen sind, bewirkt die gleiche Polarität an den Minus-Eingängen gegenläufige Verschiebung der Toleranzbänder B₁, B₂. Ein Umkehren dieser Polarität bewirkt den Funktionstausch beider Teilwechselrichter 2 und 3. Das Flipflop 18 steuert diesen Polaritätswechsel. Wenn beide Komparatorausgänge gleiches Signal haben, werden jeweils die Vorbereitungseingänge des Flipflops 18 gesetzt. Über die Exklusiv-Oder-Schaltung 22 wird dann jeweils die nächste Umschaltung erfaßt und über den Takteingang 21 des Flipflops 18 die Durchschaltung auf den Ausgang bewirkt. Bei Betrieb mit Taktfrequenzregelung wird der Taktfrequenz-Sollwert vom Potentiometer 33 mit dem Istwert vom f/U-Wandler 36 verglichen. Die Differenz beeinflußt über den Regler 23, der als Proportional- Integralregler ausgebildet ist, den Hysterese-Eingang der übrigen Schaltung, wobei die Hysterese nach unten begrenzt wird.

Den stark schematisierten Zusammenhang zwischen der Regelabweichung und dem Takten der Teilwechselrichter 2 und 3 verdeutlicht das in Fig. 3 dargestellte Diagramm. Der obere Polygonzug (Fig. 3a) stellt den zeitlichen Verlauf der Regelabweichung Δi (Differenz zwischen i_I und i_S) mit zugehörigen Toleranzbändern B₁ und B₂ dar. Die beiden mittleren Impuls-Zeitdiagramme b und c geben den zugehörigen zeitlichen Verlauf des an jeder Klemme der Last 4 anliegenden Potentials U₂ bzw. U₃ gegenüber der Minus-Sammelschiene des Wechselrichters 1 wieder. Fig. 3d veranschaulicht den zeitlichen Verlauf der an der Last wirksamen Spannung. Man erkennt deutlich, wie durch Austausch der Toleranzbänder die Verteilung der Schaltarbeit auf beide Teilwechselrichter erreicht wird.

Auf welche Weise eine im vorstehenden beschriebene Vorrichtung für Mehrphasen-Wechselrichter erweitert werden kann, ist in der Fig. 2 beispielsweise für einen Dreiphasen-Wechselrichter veranschaulicht. Gleiche Teile sind dabei mit denselben Bezugsscheinen wie in Fig. 1 versehen. Zur Vereinheitlichung sind ferner alle Teile, welche jeweils einer der drei Phasen R, S, T zugeordnet sind, mit dem Index R, S oder T versehen.

Man erkennt, daß die Baugruppen Wechselrichter-Leistungsteil, Toleranzbandsteuereinrichtung und Toleranzband-Tausch für jede Phase vorhanden sind; sie sind mit WL_R, WL_S, WL_T, TB_R, TB_S, TB_T bzw. TU_R, TU_S bzw. TU_T bezeichnet. Die Schaltungsanordnung zur Einstellung des Schaltniveaus NI wirkt parallel auf alle drei Toleranzband-Tausch-Einrichtungen TU_R, TU_S, TU_T. Gleiches gilt für den gleichfalls nur einmal vorhandenen Proportional/Integral-Regler PI, welcher parallel auf alle drei Toleranzbandsteuereinrichtungen TB_R, TB_S, TB_T wirkt, für den Fall der Hysterese-Regelung. Analoges gilt für die Hysterese-Einstellung über die Gleichstromquelle 31.

Als zusätzliches Baugruppe kommt ein Mittelwert- oder auch ein Größtwert-Bildner MG hinzu, welcher zur Bildung des Mittel- oder Größtwertes der Ausgangsspannungen der drei Frequenz-Spannungs-Wandler in den drei Toleranzband-Steuereinrichtungen TB_R, TB_S und TB_T dient, welcher Mittel- oder Größtwert dem Proportional/Integral-Regler PI zugeführt wird.

Aufgrund der speziellen Ausgestaltung der Toleranzbandsteuerung ist es erforderlich, daß die mehrphasige Last, z. B. eine elektrische Maschine, galvanisch getrennte Lastkreise - im Fall einer Asynchronmaschine also galvanisch getrennte Statorwicklungen - aufweist.

Claims (6)

1. Wechselrichteranordnung mit zweipulsigem Wechselrichter mit einer Vorrichtung zur Toleranzbandsteuerung mit zwei Teilwechselrichtern (2, 3), zwischen welchen eine Last (4) angeschlossen, ist, und mit einem Vergleich eines Sollwertstromes (i_S) und eines Istwertstromes (i_T) zum Erreichen eines vorbestimmten Stromverlaufes durch die Last (4), wobei jeder der zwei Teilwechselrichter (2, 3) an einen eigenen Komparator (6, 7) angeschlossen ist und die Schaltniveaus der einzelnen Komparatoren (6, 7) mit den zugeordneten Schaltanordnungen zur Hystereseeinstellung und Hysteresebildung (31, 34, 35) für beide Teilwechselrichter (2, 3) gegenseitig verschoben sind, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (18-22) zum gegenseitigen Austausch der beiden, den Teilwechselrichtern (2, 3) zugeordneten Toleranzbänder nach einer vorbestimmten Anzahl Schaltungen der Teilwechselrichter (2, 3) vorgesehen sind.

2. Wechselrichteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die gemeinsame Verschiebung der Schaltniveaus der Komparatoren (6, 7) eine gemeinsame Gleichspannungsquelle (16) vorgesehen ist und daß die Gleichspannungsquelle mit einem Umschalter (17) in Wirkverbindung steht.

3. Wechselrichteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschalter (17) an eine bistabile Kippstufe (18) angeschlossen ist, deren Vorbereitungseingänge teils direkt, teils über Inverter (19, 20) und deren Takteingang (21) über eine Exklusiv- Oder-Schaltung (22) mit den Ausgängen der Komparatoren (6, 7) verbunden sind.

4. Wechselrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Hystereseeinstellung ein Potentiometer (31) vorgesehen ist.

5. Wechselrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Hystereseeinstellung ein Regler (23) vorgesehen ist, dessen Eingänge einerseits mit einer Gleichspannungsquelle (33) als Sollwertgeber für die Schaltfrequenz und andererseits mit einem Frequenz- Spannungswandler (36) als Istwertgeber der Schaltfrequenz verbunden sind.

6. Wechselrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Mehrphasenbetrieb mit galvanisch getrennten Lastkreisen jeder einzelnen Last ein zweipulsiger Wechselrichter (WL_R, WL_S, WL_T) mit je zwei Teilwechselrichtern zugeordnet ist, daß jeder Wechselrichter Mittel (TU_R, TU_S, TU_T) zum Toleranzbandaustausch und mit diesen zusammenwirkende Komparatoren (TB_R, TB_S, TB_T) aufweist, daß die Gleichspannungsquelle zur Verschiebung des Schaltniveaus (16) und zur Hystereseeinstellung (31) bzw. der Regler (23) gemeinsam für alle Phasen (R, S, T) sind und daß zur Bildung des Frequenz-Istwertes ein Mittel- oder Größtwertbildner (MG) für die Ausgangsspannungen aller Frequenz-Spannungswandler der einzelnen Phasen-Wechselrichter (WL_R, WL_S, WL_T) vorgesehen ist.