DE3232589A1

DE3232589A1 - Verfahren zur steuerung eines selbstgefuehrten drehstrom-wechselrichters

Info

Publication number: DE3232589A1
Application number: DE19823232589
Authority: DE
Inventors: Manfred Prof.Dr.-Ing. 4630 Bochum Depenbrock
Original assignee: Brown Boveri und Cie AG Germany; BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1982-09-02
Filing date: 1982-09-02
Publication date: 1984-03-08
Also published as: DE3232589C2; FR2532796B1; FR2532796A1

Description

BROWN,BOVERI & CIE AKTIENGESELLSCHAFT

Mannheim 31. Aug. 1982

Mp.-Nr. 622/82 ZPT/P3-Pn/Bt 10

Verfahren zur Steuerung eines selbstgeführten Drehstrom-Wechselrichters

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung eines selbstgeführten Drehstrom-Wechselrichters gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solches Verfahren zur Steuerung eines selbstgeführten Drehstrom-Wechselrichters ist aus dem BBC-Silizium-Stromrichter-Handbuch, 1971, Seite 213 bis 216 bekannt.

Selbstgeführte Drehstrom-Wechselrichter dienen beispielsweise zur Speisung von Drehstrommotoren, insbesondere Asynchronmotoren, mit variabler Frequenz und Spannung. Bei Drehstrom-Wechselrichtern mit konstanter Eingangsspannung eignet sich das Unterschwingungsverfahren zur Spannungsregelung. Beim Unterschwingungsverfahren wird der Wechselrichterausgang in rascher Folge zwischen "Plus" und "Minus" der speisenden Gleichspannung hin- und hergeschaltet. Durch sinusförmige Impulsbreitenmodulation der so erzeugbaren Rechteckspannung wird eine

»ft **

«a M * * i

622/82 J #

sinusförmige Grundschwingung am Wechselrichterausgang erzielt. Diese Grundschwingung ist eine Unterschwingung der Rechteckspannung, deren Amplitude durch den Grad der

Impulsbreitenmodulation verändert werden kann. 5

Je nach Anzahl der Umschaltungen des Wechselrichters pro Grundschwingung werden verschiedene Taktarten unterschieden. Bei lediglich einer Umschaltung des Wechselrichters pro Halbperiode der Spannungsgrundschwingung liegt eine Einfachtaktung (Grundfrequenztaktung) vor. Bei drei, fünf, sieben ...usw. Umschaltungen des Wechselrichters pro HalbDeriode der Spannungsgrundschwingung handelt es sich um eine Dreifach-, Fünffach-, Siebenfachtaktung ...usw. Die Auswahl der Taktart erfolgt in Abhängigkeit von der Frequenz der vom Drehstrom-Wechselrichter abgegebenen Spannung unter Beachtung der dynamischen Parameter der Stromrichterventile des Wechselrichters, beispielsweise der Freiwerdezeit nach einem

Ausschaltvorgang.
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; Arbeitet beispielsweise der Wechselrichter bei einer bestimmten Frequenz seiner Ausgangsspannung mit Dreifachtaktung und soll diese Frequenz erhöht werden, so ist es gegebenenfalls notwendig, von der Dreifachtaktung : auf die Einfachtaktung überzugehen. Bei dieser Umschaltung tritt nachteiligerweise ein Sprung in der Grundschwingungsamplitude der Wechselrichterausgangsspannung auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung eines selbstgeführten Drehstrom-Wechselrichters der eingangs genannten Art anzugeben, das einen Wechsel der Taktart von Dreifach- auf Einfachtaktung ermöglicht, ohne daß sich dabei die Grundschwingungsspannung wesentlich ändert.

622/82 ^ %

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die bei der Umschaltung von Dreifachtaktung auf Einfachtaktung auftretenden Sprünge in der Grundschwingungsamplitude der Wechselrichterausgangsspannung sehr minimal sind und nicht mehr stören.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. 15

Es zeigen:

Fig. 1 die prinzipielle Schaltung eines selbstgeführten Wechselrichters,

Fig. 2 die Wechselrichterausgangsspannung bei Dreifachtaktung mit maximaler Zwischentaktver-

schiebung,
Fig. 3 die Lastspannung und den Kurzschlußstrom bei

Dreifachtaktung mit maximaler Zwischentaktverschiebung,

Fig. 4 die Wechselrichterausgangsspannung bei unsymmetrischer Einfachtaktung, Fig. 5 die Lastspannung und den Kurzschlußstrom bei

unsymmetrischer Einfachtaktung,

Fig. 6 die Wechselrichterausgangsspannung bei gemischter Dreifach-ZEinfachtaktung, Fig. 7 die Lastspannung und den Kurzschlußstrom bei

gemischter Dreifach-/Einfachtaktung,

Fig. 8 Verzerrungsstrom-Maximalwerte bei verschiedenen Taktverfahren.
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In Fig. 1 ist die prinzipielle Schaltung eines selbst-

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geführten Wechselrichters dargestellt. Der selbstgeführte Wechselrichter 10 ist eingangsseitig mit einem positiven Pol 11 und einem negativen Pol 12 einer konstanten Gleichspannungsquelle verbunden. Das Mittelpotential der Gleichspannungsquelle ist mit 13 bezeichnet. Zwischen dem positiven Pol 11 und dem Mittelpotential 13 sowie zwischen dem Mittelpotential 13 und dem negativen Pol 12 liegt jeweils die konstante Gleichspannung E an.

Der Wechselrichter 10 besitzt einen Drehstrom-Ausgang mit den Phasen R, S, T. Mit diesen drei Phasen ist eine in Stern geschaltete Last 14 verbunden. Der Laststernpunkt ist mit 15 bezeichnet. Die Last 14 ist im Ausführungsbeispiel eine Drehstrom-Asynchronmaschine mit drei Maschinenwicklungen, die jeweils einen induktiven Innenwiderstand υ L aufweisen.

Die an einer Maschinenwicklung liegende Lastspannung ist mit Ufj, die zwischen Laststernpunkt 15 und Mittelpotential 13 liegende Sternpunktspannung ist mit u_st und die zwischen einem Anschlußpunkt einer Maschinenwicklung und dem Mittelpotential 13 liegende Wechselrichterausgangsspannung ist mit u bezeichnet.

Bei selbstgeführten Wechselrichtern beträgt der kleinstmögliche Zeitabstand zwischen zwei Umschaltungen desselben Stranges bis zu mehreren hundert Mikro-Sekunden. Bei den am Anfang des Bereichs mit Einfachtaktung (Grundfrequenztaktung) auftretenden Arbeitsfrequenzen entspricht das einem Zeitwinkelabtand von bis zu 10°. Um den beim Wechsel von Dreifachtaktung auf Einfachtaktung auftretenden Sprung in der Grundschwingungsamplitude der Lastspannung minimal zu halten, wird der sogenannte "Zwischentakt" der Dreifachtaktung möglichst nahe an den Nulldurchgang der Spannungsgrundschwingung verschoben.

622/82 JS

Fig. 2 zeigt den dann auftretenden Zeitverlauf der Wechselrichterausgangsspannung u, d.h. des Potentials eines Lastanschlußpunktes bezogen auf das Mittelpotential 13 der speisenden Gleichspannung. Die Abszisse ist mit χ = OJ t bezeichnet. Es treten Schaltflanken bei

U/ ι« - 2. ' ' ι ' 2 ' T 'ÜT ' — -+■ f> usw. auf, wobei abwechselnd der positive und

der negative Pol der speisenden konstanten Gleichspannung durchgeschaltet werden.
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Die Grundschwingungsamplitude u- der Wechselrichterausgangsspannung u erhält man zu:

2-ΤΓ

wobei p - i-JCviAce£ zwischen zwei Umschaltungen (Schaltflanken) desselben Stranges. Definiert man als Aussteuerung

= U

I ^Λ j U

so ergibt sich mit dem bei Einfachtaktung auftretenden Maximalwert der Grundschwingungsamplitude

die Aussteuerung zu

Bei Lasten mit induktivem Innenwiderstand io L, wie die eingesetzten Maschinenwicklungen, erhält man den in der Maschinenwicklung fließenden Verzerrungsstrom als Differenz von Kurzschlußstrom Ir und seiner Grundschwingung ij(_K. Die den Kurzschlußstrom ij( treibende Lastspannung UK erhält man aus der in Fig. 2 dargestellten Wechselrichterausgangsspannung u nach Abzug des Nullsysteras.

Fig. 3 zeigt den Zeitverlauf der Lastspannung ur und den durch Integration ermittelten Verlauf des Kurzschluß-

622/82 ' fs

stromes ig. Für kleine Winkel β tritt der Maximalwert J± L ß. des Verzerrungsstromes bei X" ΐ "" ^ auf. Der Kurzschlußstrom-Maximalwert beträgt in diesem Punkt

und für die Kurzschlußstromgrundschwingung i^g ergibt

sich:
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Bei linearem Zusammenhang zwischen Frequenz und Amplitude der Spannungsgrundschwingung am Ausgang des Wechselrichters ist der Scheitelwert der Grundschwingung des Kurzschlußstromes i^g konstant:

f m±.4-

* IT

Für den auf den Scheitelwert der Kurzschlußstromgrundschwingung i]£g bezogenen Maximalwert des Verzerrungsstromes ergibt sich dann in Abhängigkeit des Winkels β und der Aussteuerung a:

Dieser bezogene Maximalwert des Verzerrungsstromes

und der Winkel p> sind in Fig. 8 als Funktion der Aussteuerung a dargestellt.

Fig. 4 zeigt den Zeitverlauf der Wechselrichterausgangsspannung u bei unsymmetrischer Einfachtaktung. Bei der unsymmetrischen Einfachtaktung sind die Schaltflanken um

622/82 /r

einen vorgegebenen Winkel gegenüber den Nulldurchgängen der Spannungsgrundschwingung verschoben. Der Winkel, um den die Schaltflanken gegenüber einer symmetrischen Einfachtaktung versetzt sind, ist mit S bezeichnet. Es treten Schaltflanken bei ot - ^" ■+ S , — \ - £ , ^ -+■ S usw. auf, wobei ebenfalls abwechselnd der positive und der negative Pol der speisenden Gleichspannung durchgeschaltet werden. Für die Grundschwingungsamplitude der Wechselrichterausgangsspannung erhä'lt man:

und damit für die Aussteuerung
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Ct as COS cf .

Fig. 5 zeigt die Zeitverläufe der Lastspannung ur und des Kurzschlußstromes i^ für dieses Taktverfahren. Für kleine Winkel S tritt der Maximalwert Ä^^ des Verzerrungsstromes b<?t >c~ -g; + S auf. Der Maximalwert des Kurzschlußstromes beträgt in diesem Punkt X-Ϊ +S :

und für die Grundschwingung des Kurzschlußstromes ergibt sich:

Für den auf den Scheitelwert der Kurzschlußstromgrundschwingung ifcfr bezogenen Maximalwert des Verzerrungs -

622/82 Sf

Stromes Δ ί r ergibt sich damit:

T'.J

Dieser bezogene Maximalwert des Verzerrungsstromes Δ t^ /iRg ^{und der} Winkel h sind in Fig. 8 ebenfalls als Funktion der Aussteuerung a dargestellt.

Fig. 6 zeigt den Zeitverlauf der Wechselrichterausgangsspannung u bei gemischter Dreifach-/Einfachtaktung. Bei der gemischten Dreifach/Einfachtaktung sind lediglich bei jedem zweiten Nulldurchgang der Spannungsgrundschwingung Zwischentakte vorgesehen. Der Winkel zwischen zwei Schaltflanken derselben Halbschwingung ist mit V

bezeichnet. Es treten Schaltflanken bei *jr= £ ,

- \ - H , ~z. + X , ^- usw. auf, wobei ebenfalls abwechselnd der positive und der negative Pol der speisenden Gleichspannung durchgeschaltet werden. Für die Grundschwingungsamplitude der Wechselrichterausgangsspannung erhält man:

a_$ = ε--ψ · "χν ,

und für die Aussteuerung:

α-

Fig. 7 zeigt die Zeitverläufe der Lastspannung u_K und des Kurzschlußstromes ig für dieses Taktverfahren. Für kleine Winkel V tritt der Maximalwert C* ^i/ des Verzerrungsstromes bei X= X auf. Der Maximalwert des

622/82 ff

Kurzschlußstromes beträgt in diesem Punkt VC = 2. '

und für die Grundschwingung des Kurzschlußstromes ergibt sich:

Für' den auf den Scheitelwert der Kurzschlußstromgrundschwingung ij(g bezogenen Maximalwert des Verzerrungs stromes Δ^ ergibt sich damit:
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Δ ty _ 2. . Jl -«

Dieser bezogene Maximalwert des Verzerrungsstromes Δ ty /i_K(5 und der Winkel ^ sind in Fig. 8 ebenfalls als Funktion der Aussteuerung a dargestellt.

In Fig. 8 sind auf der Abszisse die Aussteuerung a im Bereich von 0,97 bis 1 sowie auf der Ordinate die Winkel β , V , ^ in Grad und die bezogenen Maximalwerte der Verzerrungsströme A^ß/i^g, Δ <· ^ /iRg» ^{Δ c} 4 ^¹Kg Prozent der Kurzschlußstromgrundsehwingungs-Scheitelwerte igg dargestellt.

Beträgt z.B. der minimale, zulässige Winkel (Zeitwinkelabstand) zwischen zwei Schaltflanken eines Wechselrichterstranges rrnin = ^min ⁼ 9°, so ergibt sich aus Fig. 8 bei P = 9° (Punkt 1) die höchste mögliche Aussteuerung bei Dreifachtaktung zu a_max = 0,975. Bei unsymmetrischer Rinfachtaktung mit ,£ = 12,7° (Punkt 2) ergibt sich bei gleicher Aussteuerung a = 0,975 nach

622/82 VÖ

Betrag und Phase dieselbe Grundschwingung der Lastspannung. Der Maximalwert des Verzerrungsstromes Λ <- & beträgt fast 15% (Punkt 3) des Scheitelwertes der Grundschwingung des Kurzschlußstromes if[e und sinkt beim

Verkleinern des Winkels ο bis zum Wert & = 0 (Punkt H) bei einer Aussteuerung a = 1 auf 9,7% (Punkt ^) ab.

Für den Fall, daß es notwendig sein sollte, den bezöge-

As

nen Maximalwert des Verzerrungsstromes ·£> <- ς /i{(g kleiner als dem Punkt 3 (fast 15%) entsprechend zu halten, wird bei der Aussteuerung a = 0,975 von der Dreifach- zunächst auf die gemischte Dreifach-ZEinfachtaktung mit einem Winkel ^ = 12,7° (Punkt 2) übergegangen. Nun ergibt sich ein Maximalwert des Verzerrungsstromes Δ. L ^ von 12,H% (Punkt 6) des Scheitelwertes der Kurzschlußstromgrundschwingung ifcg. Durch Verkleinern des Winkels # bis zum Wert y _rai_n = 9° (Punkt 7) erreicht man die Aussteuerung a % 0,987. Der bezogene Maximalwert des Verzerrungsstromes ^ ^L % ^Kg beträgt dann etwa 11? (Punkt 8). Wechselt man jetzt von der gemischten Dreifach-/Einfachtaktung zur unsymmetrischen Einfachtaktung bei gleicher Aussteuerung a = 0,987, so ergibt sich ein auf nur 12,H% (Punkt 9) vergrößerter bezogener Maximalwert des Verzerrungsstromes δ L £ /i-Kg· ^ⁿ d^er Regel dürfte es jedoch nicht notwendig sein, zwischen Dreifachtaktung und unsymmetrischer Einfachtaktung noch die gemischte Taktung anzuwenden.

Claims

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Ansprüche

1 J Verfahren zur Steuerung eines selbstgeführten Drehstrom-Wechselrichters, der aus einer konstanten Eingangsgleichspannung nach dem Unterschwingungsverfahren durch pulsbreitenmoduliertes, abwechselndes Durchschalten von "Plus" und "Minus" der Gleichspannung ein dreiphasiges Spannungssystem variabler Frequenz und Spannung bildet, dadurch gekennzeichnet, daß zum Wechsel der Taktart von einer Dreifachtaktung auf eine unsymmetrische Einfachtaktung umgeschaltet wird, bei der die Schaltflanken um einen vorgebbaren Winkel gegenüber den Nulldurchgängen der Spannungsgrundschwingung verschoben sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Umschaltung auf unsymmetrische Einfachtaktung auf eine gemischte Dreifach-/Einfachtaktung übergegangen wird, bei der lediglich bei jedem zweiten Nulldurchgang der Spannungsgrundschwingung Zwischentakte vorgesehen sind.
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