DE3241828C2

DE3241828C2 -

Info

Publication number: DE3241828C2
Application number: DE19823241828
Authority: DE
Inventors: Norbert Ing.(Grad.) Niesel; Klaus Ing.(Grad.) 1000 Berlin De Wegener
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1982-11-09
Filing date: 1982-11-09
Publication date: 1989-06-29
Also published as: DE3241828A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Unterdrückung von Ober schwingungen in der Ausgangsspannung eines Umrichters entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges Verfahren ist aus dem Buch von Hans Kleinrath "Stromrichtergespeiste Drehfeldmaschinen" Springer- Verlag Wien, New York 1980, Seiten 34 bis 37 bekannt.

In der Praxis hat sich gezeigt, daß die Unterdrückung der 5. und der 7. Oberschwingung, die mit der Fünfach-Pulsung erreicht wird, nicht ausreicht, wenn der Umrichter Drehfeldmaschinen speist. Bei niedrigen Frequenzen treten trotz der unterdrückten 5. und 7. Oberschwingung infolge der 11. und 13. Oberschwingung Drehmomentpendelungen auf, die einen einwand freien Rundlauf der Drehstrommaschinen verhindern. Statt mit einer Fünf fach-Pulsung die 5. und 7. Oberschwingungen zu unterdrücken, ist an sich eine Neunfach-Pulsung, die die 11. und 13. Oberschwingung in der Aus gangsspannung beseitigt, empfehlenswert, jedoch stößt die Neunfach-Pulsung sehr schnell bei steigenden Frequenzen an ihre Grenzen, da die Erholzeit der Ventile des selbstgeführten Wechselrichters eingehalten werden muß.

Durch die DE-OS 25 54 222, die DE-AS 21 42 905, die US-PS 37 66 497, die US-PS 39 16 285 und die US-Zeitschrift "Control Engineering", Nov. 1971, Seiten 57 bis 66 ist es jeweils für Pulswechselrichter bekannt, durch unter schiedliche Pulszahlen den Oberschwingungensgehalt günstig zu beeinflussen. Bei diesen Pulswechselrichtern müssen bei konstanter Eingangsspannung die Ausgangsfrequenz und die Ausgangsspannung durch den Pulsbetrieb gleichzeitig eingestellt werden. Damit kann jedoch die Pulsung nicht aus schließlich zur Vermeidung von Oberschwingungen gezielt eingesetzt werden. Vielmehr ist es nur möglich, durch Auswahl einer bestimmten Pulszahl in einem bestimmten Betriebspunkt den Einfluß der Harmonischen herabzusetzen, ohne ihn ausschalten zu können. So stellen die Pulszahlen innerhalb der ein zelnen Frequenzbereiche nach Fig. 10 der zuletzt zitierten US-Zeitschrift "Control Engineering" nur empirisch gefundene bestmögliche Näherungs werte dar.

Ohnehin verbietet sich der Einsatz von Pulswechselrichtern, durch die die hier beschriebenen Probleme teilweise gelöst werden, durch den hohen Aufwand, der mit der Kommutierung und in der Informationselektronik getrieben werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs angegebene Ver fahren derart zu verbessern, daß alle störenden Oberschwingungen unter drückt werden und damit ein einwandfreier Rundlauf der an den Um richter angeschlossenen Drehstrommaschinen kontinuierlich bei allen Fre quenzen möglich ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekenn zeichneten Merkmale gelöst.

Den üblichen Taktsignalen für die Ventile des selbstgeführten Wechsel richters müssen also nur zusätzliche Pulsmustersignale so unterlagert werden, daß für die jeweils störenden Oberschwingungen eine entsprechend vielfache Umschaltung von treibender Spannung auf Gegenspannung erfolgt. Die Neunfach-Pulsung im untersten Frequenzbereich unterdrückt neben den 5. und 7. auch die 11. und 13. Oberschwingungen, ohne daß in diesem Be reich die Freiwerdezeit der Ventile des Wechselrichters beeinträchtigt wird. Sobald die Neunfach-Pulsung bei höheren Frequenzen nicht mehr durchführ bar ist, wird der Wechselrichter mit einer Fünffach-Pulsung betrieben. Das aber ist in diesem Frequenzbereich ausreichend, da die 11. und 13. Ober schwingung dann nicht mehr von Bedeutung ist, während die 5. und 7. Ober schwingung durch das Pulsen weiterhin unterdrückt werden. Schließlich er folgt dann im obersten Frequenzbereich der pulsfreie Betrieb. Vorteilhaft wird dadurch, daß der Wechsel zwischen den einzelnen drei Betriebsarten jeweils zu Beginn einer Halbperiode vorgenommen wird, sichergestellt, daß keine Phasensprünge in den Ausgangsspannungen auftreten.

Beim Betrieb des Wechselrichters mit Fünffach- bzw. mit Neunfach-Pulsung würde sich eine Reduzierung der Spannungsgrundschwingungsamplitude ergeben. Dieser Nachteil wird dadurch vermieden, daß für den Betrieb bei der Neunfach- Pulsung und bei der Fünffach-Pulsung eine zusätzliche Spannungsführungsgröße für die Zwischenkreisspannung bereitgestellt wird, durch die die beim Puls betrieb zwangsläufig niedrigere Spannungsamplituden jeweils gegenüber dem pulsfreien Betrieb ausgeglichen wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens nach der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 und 3 gekennzeichnet.

Das Verfahren nach der Erfindung soll im folgenden anhand der Zeichnung für ein Ausführungsbeispiel erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild für die Steuerung eines Umrichters zur Unter drückung der störenden Oberschwingungen und

Fig. 2 ein Impulsdiagramm, welches die Unterdrückung der Oberschwingungen in der Ausgangsspannung des Umrichters entsprechend Fig. 1 zeigt.

In Fig. 1 ist schematisch ein Umrichter gezeigt, der aus einem dreiphasigen Netz U, V, W eine oder mehrere Drehfeldmaschinen M speist. Der Umrichter besteht aus einem netzgeführten Stromrichter, der über einen Gleichspannungs zwischenkreis bestehend aus einer Drossel 2 und einem Kondensator 3 einen selbstgeführten Wechselrichter 4 mit einer variablen Gleichspannung versorgt. Der selbstgeführte Wechselrichter 4 kann z. B aus einer sechspulsigen Brücken schaltung mit einer Kommutierungseinheit bestehen.

Die Frequenz- und Spannungsvorgabe für den Umrichter erfolgt mit einem Signal U _F durch Einstellen eines Potentiometers 6 mit einem nachgeschalteten Steilheitsbegrenzer 7 zur Be grenzung der Verstellgeschwindigkeit des Vorgabesignals. Das Signal U _F ist über einen Summierungspunkt 13 A die Führungsgröße für einen Spannungsregler 13, der über ein Steuergerät 14 die Zündimpulse für den netzgeführten Strom richter 1 bestimmt. Die Spannungsregelung erfolgt dabei, indem die Zwischenkreisspannung U _D über einen Trennverstärker 15 auf den Summierungspunkt 13 A zurückgeführt wird. Das Signal U _F wird außerdem einem Spannungs-Frequenzumsetzer 8 zugeführt, der an seinem Ausgang eine zu seiner Eingangsspannung propor tionale Frequenz liefert, die als Signal C die eigentliche Taktfrequenz für den selbstgeführten Wechselrichter 4 dar stellt.

Zur Unterdrückung störender Oberschwingungen in der Ausgangs spannung des selbstgeführten Wechselrichters 4, die zu Drehmoment pendelungen zwischen dem Umrichter und den gespeisten Maschinen M führen und die bei den Maschinen M insbesondere im Bereich kleiner Frequenzen den Rundlauf beeinflussen, ist in Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung die nachfolgende Schaltung vorgesehen:

Vom Spannungs-Frequenzumsetzer 8 wird zusätzlich zum Signal C ein Signal C 5 als Pulsmuster für eine Fünffach-Pulsung und ein Signal C 9 als Pulsmuster eine Neunfach-Pulsung des Wechselrichters geliefert. Eine Taktverknüpfung 9 schaltet die Pulsmuster in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen fre quenzgesteuerter Komparatoren 10 und 11 zusätzlich zum Si gnal C als Signal C _p zu einem Ringzähler 16 durch. Am Aus gang des Ringzählers 16 stehen Steuersignale A 1 bis A 6 zur Weiterverarbeitung zur Verfügung. Sie werden über ein nachgeschaltetes Steuergerät 17 den sechs Ventilen des selbstgeführten Wechselrichters als Zündimpulse zugeführt.

Mit Hilfe eines ebenfalls von der Taktverknüpfung 9 ge lieferten Signals V ist eine Drehrichtungsumkehr möglich.

Bei sehr niedrigen Frequenzen des Wechselrichters erfolgt über die Taktverknüpfung 9 eine Neunfach-Pulsung, während im anschließenden Bereich höherer Frequenzen eine Fünffach- Pulsung vorgenommen wird. In einem oberen Frequenzbereich schließlich erfolgt dann pulsfreier Betrieb. Die maximale Frequenz für den Einsatz der jeweiligen Pulsmuster wird über einen Summierungspunkt 10 A für die Fünffach- und über einen Summierungspunkt 11 A für die Neunfach-Pulsung mittels einer Grenzfrequenzvorgabe PU 5 bzw. PU 9 eingestellt. Vorteilhaft ist es, bei einer Frequenz zwischen 0,5 und 10 Hz die Neun fach-Pulsung anzuwenden während zwischen 10 Hz bis 20 Hz die Fünffach-Pulsung vorgesehen sein soll. Ab 20 Hz erfolgt dann der pulsfreie Betrieb.

Beim Pulsbetrieb wird durch die Umschaltungen von treibender auf Gegenspannung grundsätzlich gegenüber dem pulsfreien Be trieb die Spannungsgrundschwingungsamplitude reduziert. Durch Vorgabe einer zusätzlichen Spannungsführungsgröße für den Spannungsregel verstärker 13 des netzgeführten Stromrichters 1 wird diese Reduzierung korrigiert. Dazu dient eine mit den Ausgangssi gnalen der frequenzgesteuerten Komparatoren 10 bzw. 11 be aufschlagte Oder-Stufe 12, die ein zusätzliches Ansteuer signal U _p während des Pulsbetriebes liefert. Das Signal U _p gibt dann über einen Schalter 13 B eine zur eigentlichen Führungsgröße proportionale Spannung auf den Summierungs punkt 13 A. Die Korrektur der Führungsgröße über den Schal ter 13 B kann über einen Widerstand 13 C entsprechend an gepaßt werden.

Damit auch während des Pulsbetriebes eine Ausgangsstrom scheitelwertbegrenzung den Umrichter am Ausgang gegen un zulässigen Überstrom schützt, wird beim Erreichen dieses Stromscheitelwertes der je nach der Nennlast des Umrichters verschieden groß ist, das Pulsmuster gezielt so abgeschaltet, daß der Umrichter im pulsfreien Betrieb arbeitet. Dazu wird am Ausgang des Umrichters über drei Wandler 18 A der Aus gangsstrom abgebildet und über einen Gleichrichter 18 einem Komparator 19 zugeführt. Der Komparator schaltet durch, wenn an einem Summierungspunkt 19 A vor dem Komparator das vom Gleichrichter 18 gelieferte Signal eine an einem Potentio meter 20 eingestellte maximale Spannung entsprechend dem maximal zulässigen Stromscheitelwert i _Amax überschreitet. Der Komparator 19 liefert dann das Signal Überstrom i _A. Beim Ansprechen des Überstromkomparators 19 innerhalb des Puls betriebes schaltet das Signal i _A beide Pulsmusterkompara toren 10 und 11 über die Summierungspunkte 10 A und 11 A so ab, daß kein Pulsmuster mehr durchgeschaltet wird, also lediglich pulsfreier Betrieb erfolgt.

Über die Taktverknüpfung 9 ist auch sichergestellt, daß der Wechsel von der Neunfach-Pulsung zur Fünffach-Pulsung und von dieser zum pulsfreien Betrieb bei steigender Frequenz bzw. in umgekehrter Reihenfolge bei fallender Frequenz jeweils zu Beginn einer Halbperiode stattfindet.

Fig. 2 zeigt als Impulsdiagramm die Taktsignale C, die Puls mustersignale C 5 und C 9 und die Rinzählersignal A 1 bis A 6 bei den jeweils angegebenen Frequenzen von 10, 20 und 40 Hz.

In Fig. 2A ist als oberer Kanal das Taktsignal C gezeigt, das alle 60° den Ringzähler bei einer angenommenen Frequenz von 10 Hz weiterschaltet. In Fig. 2B ist der daraus sich ergebende Verlauf der Ringzählersignale A 1 bis A 6 dargestellt, wobei zusätzlich die Pulsmustersignale C 9 ₁₀ _Hz der Fig. 2A zum Tragen kommen. Der Wechselrichter soll also bei 10 Hz mit einer Neunfach-Pulsung zur Unterdrückung der 5., 7., 11. und 13. Oberschwingung in der Ausgangsspannung betrieben werden. Das Pulsmustersignal C 9 schaltet dabei zusätzlich zu dem Takt signal C zum Zeitpunkt α ₁ das Ringzählersignal A 1 aus und das Ringzählersignal A 4 ein. Zum Zeitpunkt α ₂ wird das Signal A 1 wieder ein und das Signal A 4 ausgeschaltet. Zum Zeitpunkt α ₃ wird das Signal A 1 erneut aus und das Signal A 4 wieder eingeschaltet und bei α ₄ wird das Signal A 1 schließ lich wieder ein- und das Signal A 4 ausgeschaltet. Diese Aus- und Einschaltreihenfolge wiederholt sich für alle Ringzähler signale jeweils 30° vor und 30° nach dem eigentlichen Takt signal.

Der mittlere Kanal in der Fig. 2A zeigt das Taktsignal C für die Ringzählersignale, wie sie in Fig. 2C wiedergegeben sind. Der Betrieb des Wechselrichters soll hier mit 20 Hz erfolgen, wobei zur Unterdrückung der 5. und 7. Oberschwingung in seiner Ausgangsspannung eine Fünffach-Pulsung seiner Ausgangsspannung erfolgt. Deshalb schaltet zusätzlich zum Taktsignal C ₂₀ _Hz das Pulsmustersignal C 5 ₂₀ _Hz die Ring zählersignale wiederum 30° vor und 30° nach dem Taktsignal zum Zeitpunkt α ₁ zusätzlich aus und ein und zum Zeitpunkt α ₂ ein und aus.

Der dritte Kanal in Fig. 2A zeigt schließlich die Takt signale C ₄₀ _Hz für die Ringzählersignale A 1 bis A 6, wie sie in Fig. 2D dargestellt sind. Bei der angenommenen Fre quenz von 40 Hz soll der Betrieb des Wechselrichters un gepulst erfolgen, da hier die Oberschwingungen bereits so gering sind, daß sie den Rundlauf eines vom Wechselrichter gespeisten Motors nicht mehr beeinflussen.

Damit eine einwandfreie Oberschwingungenunterdrückung bei den niedrigen Frequenzen erfolgt, müssen die Winkel α ₁ bis α ₄ bzw. α ₁ und a ₂, wie eingangs als bekannt angegeben, genau definiert werden.

Claims

1. Verfahren zur Unterdrückung von Oberschwingungen in der Ausgangs spannung eines Umrichters, bestehend aus einem netzgeführten Strom richter, einem Zwischenkreis mit einer über eine Spannungsführungsgröße vorgegebenen, über den netzgeführten Stromrichter einstellbaren Zwischen kreisspannung und einem selbstgeführten Wechselrichter, bei dem in einem unteren Frequenzbereich des Wechselrichters pro Halbperiode ein fünf maliges Umschalten der Ausgangsspannung (Fünffach-Pulsung) vorgenommen wird und in einem oberen Frequenzbereich ein pulsfreier Betrieb erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß

- bei sehr niedrigen Frequenzen des Wechselrichters statt der Fünffach- Pulsung eine Neunfach-Pulsung erfolgt, während die Fünffach-Pulsung erst in einem anschließenden Bereich höherer Frequenz vorgenommen wird,
- der Wechsel von der Neunfach-Pulsung zur Fünffach-Pulsung und von dieser zum pulsfreien Betrieb bei steigender Frequenz bzw. in umge kehrter Reihenfolge bei fallender Frequenz jeweils zu Beginn einer Halbperiode stattfindet und
- für den Pulsbetrieb eine zusätzliche Spannungsführungsgröße für die Zwischenkreisspannung bereitgestellt wird, wodurch die beim Pulsbe trieb niedrigere Spannungsamplitude jeweils gegenüber dem puls freien Betrieb ausgeglichen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechsel zwischen der Neunfach-Pulsung und der Fünffach-Pulsung bei einer Wechselrichterfrequenz von 10 Hz sowie der Wechsel zwischen der Fünffach-Pulsung und dem pulsfreien Betrieb bei 20 Hz erfolgt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem unzulässigen Überstrom der Wechselrichter über eine Strom-Scheitelwertbegrenzung aus dem Pulsbetrieb in den pulsfreien Betrieb umgeschaltet wird.