DE3232589C2

DE3232589C2 - Verfahren zur Steuerung eines selbstgeführten Drehstrom-Wechselrichters

Info

Publication number: DE3232589C2
Application number: DE19823232589
Authority: DE
Inventors: Manfred Prof.Dr.-Ing. 4630 Bochum Depenbrock
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1982-09-02
Filing date: 1982-09-02
Publication date: 1986-09-11
Also published as: FR2532796B1; DE3232589A1; FR2532796A1

Abstract

Dieses Verfahren eignet sich zur Steuerung eines selbstgeführten Drehstrom-Wechselrichters, der aus einer konstanten Eingangsgleichspannung eine dreiphasige Spannung variabler Frequenz und Spannung zur Speisung eines Drehstrommotors bildet. Die Umformung erfolgt nach dem Unterschwingungsverfahren durch pulsbreitenmoduliertes, abwechselndes Durchschalten von "Plus" und "Minus" der Gleichspannung. Um bei einem Wechsel von Dreifachtaktung auf Einfachtaktung einen Sprung in der Grundschwingungsamplitude der Wechselrichterausgangsspannung zu vermeiden, werden die Zwischentakte bei der Dreifachtaktung maximal an die Nulldurchgänge der Spannungsgrundschwingung verschoben. Die Umschaltung erfolgt von der Dreifachtaktung entweder direkt auf eine unsymmetrische Einfachtaktung oder auf eine gemischte Dreifach-/Einfachtaktung und anschließend auf eine unsymmetrische Einfachtaktung. Bei der unsymmetrischen Einfachtaktung sind die Schaltflanken um einen vorgebbaren Winkel gegenüber den Nulldurchgängen der Spannungsgrundschwingung verschoben. Bei der gemischten Dreifach-/Einfachtaktung sind lediglich bei jedem zweiten Nulldurchgang der Spannungsgrundschwingung Zwischentakte vorgesehen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf z^:s\ Verfahren zur Steuerung eines selbstgeführtfn Drehstrom-Wechselrichters gemäß dem Oberbegriff des /-ospruchs 1.

Ein solches Verfahren zur Steuerung eines selbstgeführien Drehsirüm-Weehseiriehiers ist aus der US-PS 36 62 247 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 (siehe hierzu z. B. BBC-SiIizium-Stromrichter-Handbuch, 1971, Seite 213 bis 216) 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 sinusförmige Grundschwingung am Wechselrichterausgang erzielt. Diese Grundschwingung ist eine Unterschwingung der Rechteckspannung, deren Amplitude durch den Grad der Impulsbreitenmodulation verändert werden kann.

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 Halbperiode 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 Wechsel- as richters, beispielsweise der Freiwerdezeit nach einem Ausschaltvorgang.

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. Bei der eingangs genannten US-PS 36 62 247 ist beim Übergang von der symmetrisch modulierten, mehrfachgetakteten Wellenform zur unmodulierten Wellenform ein Zwischenschritt in Form einer unsymmetrisch ausgebildeten Kurvenform vorgesehen, um so einen Zwischenwert der Grundschwingungsamplitude zu erzeugen. Durch diese Maßnahme wird der Sprung in der Grundschwingungsamplitude der Ausgangsspannung zwar herabgesetzt, er ist jedoch nach wie vor vorhanden.

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

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 Grundsehwingungsamplitude der Wechselrichterausgangsspannung sehr minimal sind und nicht mehr stören.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Unteranspruch gekennzeichnet. In diesem Zusammenhang ist aus der DE-AS 25 54 259 ein Verfahren zum Steuern eines Wechselrichters bekannt, bei dem der Übergang vom modulierten in den unmodulierten Betrieb so vollzogen wird, daß schließlich nur noch in einem Teil der Phasen der mehrphasigen Ausgangsspannung modulierte Abschnitte vorhanden sind, während der Rest der Phasen bereits auf nicht modulierten Betrieb umgeschaltet ist.

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

Fig. 1 die prinzipielle Schaltung eines selbstgefuhrten Wechselrichters,

Fig. 2 die Wechselrichterausgangsspannung bei Dreifachtaktung mit maximaler Zwischentaktverschiebung,

Fig. 3 die Lastspannung und den Kurzschlußstrom bei Dreifachtaktung mit maximaler Zwischentaktverschieoung,

Fig. 4 die Wechselrichterausgangsspannung bei unsymmetrischer Einfachtaktung,

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

Fig. 6 die Wechselrichterausgangsspannung bei gemischter Dreifach-/Einfachtaktung,

Fig. 7 die Lastspannung und den Kurzschlußstrom bei gemischter DreifachVEinfachtaktung,

Fig. 8 Verzerrungsstrom-Maximalwerte bei verschiedenen Taktverfahren.

In Fig. 1 ist die prinzipielle Schaltung eines sclbstgcführten Wechselrichters dargestellt. Derselbstgcfiihrtc Wechselrichter 10 ist eingangsseitig mit einem positiven Pol 11 und einem negativen Pol 12 einer konstanten Gle.ichspannungsquelle verbunden. Das Mittclpotcntial der Gleichspannungsquelle ist mit 13 bezeichnet, /.wischendem positiven Pol 11 und dem Mittclpotcnlial 13 sowie zwischen dem Mittelootential 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 Maschiiicnwicklungen, die jeweils einen induktiven Innenwiderstand ω L aufweisen.

Die an einer Maschinenwicklung liegende Lastspannung ist mit h_a, die zwischen Laststernpunkt 15 und Mittelpotential 13 liegende Sternpunktspannung ist mit w„ 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 Umschallungen desselben Stranges bis zu mehreren hundert Mikro-Sckunden. Bei den am Anfang des Bereichs mit Einfachtaktung (Grundfrequenztaktung) auftretenden Arbeitsfrequenzen entspricht das einem Zeitwmkelabstand 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 Drcifachtaktung möglichst nahe an den Nulldurchgang der Spannungsgrundschwingung verschoben.

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

Grundschwingung i_Kx. Die den KurzschluBstrom /_A treibende Lastspannung u_h erhält man aus der in F i g. 2 dargestellten Wechseirichterausgangsspannung u nach Abzug des Nullsystems.

Fig. 3 zeigt den Zeitverlauf der Lastspannung i/_A und den durch Integration ermittelten Verlauf des Kurzschlußstromes <_A. Für kleine Winkel β tritt der Maximalwert Δ i„ des Verzerrungsslromes bei _v = y -ß auf.

!0 Der Kurzschlußstrom-Maximalwert beträgt in diesem Punkt χ = I - ß:

30 und für die
ergibt sich;

Kurzschlußstromgrundschwingung /_A„

Bei linearem Zusammenhang zwischen Frequenz

und Amplitude der Spannungsgrundschwingung am

-⁵ Ausgang des Wechselrichters ist der Scheitelwert der Grundschwingung des Kurzschlußstromes ?_A,. konstant:

- a .4

'^Ακ <yZ. '- '

Für den auf den Scheitelwert der Kurzschlußstromgrundschwingung ?_A„ bezogenen Maximalwert des Verzerrungsstromes ergibt sich dann in Abhängigkeit des Winkels β und der Aussteuerung a:

usw. auf, wobei abwechselnd der positive und der negative Pol der speisenden konstanten Gleichspannung durchgeschaltet werden.

Die Grundschwingungsamplitude n„ der Wechselrichterausgangsspannung u erhält man zu:

ι?.. = E

Zr

IJ.

= E-- (2 · cos./?- 1),

wobei β = Winkel zwischen zwei Umschaltungen (Schaltflanken) desselben Stranges. Definiert man als Aussteuerung

so ergibt sich mit dem bei Einfachtaktung auftretenden Maximalwert der Grundschwingungsamplitude

-ε-i

die Aussteuerung zu:
a = 2 · cos./i - 1 .

40

50

55 Αχ α

Dieser bezogene Maximalwert des Verzerrungsstromes Δ ißn_Kt! und der Winkel/i sind in Fig. 8 als Funktion der Aussteuerung α dargestellt.

Fig. 4 zeigt den Zeitverlauf der Wechseirichterausgangsspannung u bei unsymmetrischer Einfachtaktung. Bei der unsymmetrischen Einfachtaktung sind die Schaltflanken um einen vorgegebenen Winkel gegenüber den Nulldurchgängen der Spannungsgrundschwingung verschoben. Der Winkel, um den die Schaltflanken gegenüber einer symmetrischen Einfachtaktung versetzt sind, ist mit ö bezeichnet. Es treten Schaltflanken bei

δ, -j-

δ- -Z-

60 usw. auf, wobei ebenfalls abwechselnd der positive und der negative Pol der speisenden Gleichspannung durchgeschaltet werden. Für die Grundschwingungsamplitude der Wechseirichterausgangsspannung erhält man:

«„ = £· — · cos ö,
und damit für die Ansteuerung

Bei Lasten mit induktivem Innenwiderstand ω L, wie die eingesetzten Maschinenwicklungen, erhält man den in der Maschinenwicklung fließenden Verzerrungsstrom als Differenz von K !tzschlußstrom /_A und seiner a = cos δ.

F i g. 5 zeigt die Zeitverläufe der Lastspannung h_a und des Kurzschiußstromcs i_K für dieses Taktverfahren. Für

kleine Winkel δ tritt der Maximalwert A /„■ des Verzer- zerrungsstromes A iy ergibt sich damit: rungsstromes bei χ = ^ + δ auf. Der Maximalwert des

Kurzschlußstromes beträgt in diesem Punkt χ = ·| + δ:

«Ζ.

2 3

«Ζ.

3'

und für die Grundschwingung des Kurzschlußstromes ergibt sich:

Für den auf Scheitel wert der Kurzschlußstromgrundrungsstromes Ai_n ergibt sich damit:

■ = - · —-cos<5.

25

30

Dieser bezogene Maximalwert des Verzerrungsstromes Δ /„//V, und der Winkel <5 sind in Fig. 8 ebenfalls als Funktion der Aussteuerung α dargestellt.

Fig. 6 zeigt den Zeitverlauf der Wechselrichterausgangsspannung // bei gemischter Dreifaclv/Einfachtaktung. Bei der gemischten Dreifach/Einfachtaktungsind lediglich bei jedem zweiten Nulldurchgang der Spannungsgrundschwingung Zwischentakte vorgesehen. Der Winkel zwischen zwei Schaltflankcn derselben Halbschwingung ist mit y bezeichnet. Es treten Schaltflanken bei

usw. auf, wobei ebenfalls abwechselnd der positive und der negative Pol der speisenden Gleichspannung durchgeschaltet werden. Für die Grundschwingungsamplitude der Wechselrichterausgangsspannung erhält man:

Ii, = E ■ — ■ cos }·,

und für die Aussteuerung:

a = cos y.

F i g. 7 zeigt die Zeitverläufe der Lastspannung u_A und des Kurzschlußstromes /_A für dieses Taktverfahren. Für kleine Winkel γ tritt der Maximalwert Δ /,. des Verzerrungsstromes bei χ = - auf. Der Maximalwert des Kurzschlußstromes beträgt in diesem Punkt χ = y.

45

50

55

(oL 3 \6 2 3

■ 3'

und für die Grundschwingung des Kurzschlußstromes ergibt sich:

60 Ai₀ _1 ..τ² )
h, ^a S

Dieser bezogene Maximalwert des Verzerrungsstromes Ai yl~i_Kg und der Winkel y sind in F ig. 8 ebenfalls als Funktion der Aussteuerung α dargestellt.

In Fi g. 8 sind auf der Abszisse die Aussteuerung α im Bereich von 0,97 bis 1 sowie auf der Ordinate die Winkel ß, y, δ in Grad und die bezogenen Maximalwerte der Verzerrungsströme A ίβΓι_Κιι,ΑϊγΙΊ_Κι.,ΔίδΙΊ_Κκ\η Prozent der Kurzschlußstromgrundschwingungs-Schcitclwerte 1_Kx dargestellt.

Beträgt z. B. der minimale, zulässige Winkel (Zeitwinkelabstand) zwischen zwei Schaltfianken eines Wechselrichterstranges ß_m„, - >·,„,„ = 9°, so ergibt sich aus Fig. 8 bei./? = 9° (Punkt 1) die höchste mögliche Aussteuerung bei Dreifachtaktung zu a_m,„ = 0,975. Bei unsymmetrischer Einfachtaktung mit δ = 12,7° (Punkt 2) ergibt sich bei gleicher Aussteuerung a = 0,975 nach Betrag und Phase dieselbe Grundschwingung der Lastspannung. Der Maximalwert des Verzerrungsstromes A iö beträgt fast 15% (Punkt 3) des Scheitelwertes der Grundschwingung des Kurzschluß-Stromes h_K. und sinkt beim Verkleinern des Winkels δ bis zum Wert δ = 0 (Punkt 4) bei einer Aussteuerung a = 1 auf9,7%(Punkt5)ab.

Für den Fall, daß es notwendig sc:n sollte, den bezogenen Maximalwert des Verzerrungsstromes d/<5//"_Aj, 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 y = 12,7° (Punkt 2) übergegangen. Nun ergibt sich ein Maximalwert des Verzerrungsstromes A iy von 12,4% (Punkt 6) des Scheitelwertes der Kurzschlußstromgrundschwingung i_Kg. Durch Verkleinern des Winkels y bis zum Wert y_min = 9° (Punkt 7) erreicht man die Aussteuerung a =* 0,987. Der bezogene Maximalwert des Verzerrungsstromes Aiy/'i_KK 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 12,4% (Punkt 9) vergrößerter bezogener Maximalwert des Verzerrungsstromes Aiöl'i_Kr In der Regel dürfte es jedoch nicht notwendig sein, zwischen Dreifachtaktung und unsymmetrischer Einfachtaktung noch die gemischte Taktung anzuwenden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

65

Für den auf den Scheitelwert der Kurzschlußstromgrundschwingung /_A„ bezogenen Maximalwert des Ver-

Claims

Patentansprüche:

1. 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 und bei dem zum Wechsel der Taktart von einer Dreifachtaktung auf eine Einfachtaktung zwischenzeitlich eine unsymmetrische Taktung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese eine unsymmetrische Einfachtaktung ist, bei dei die Schaitflanken um einen vorgebbaren Winkel gegenüber den Nulldurchgängen der Spannungsgrundschwing|ing 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.