DE3320007C2

DE3320007C2 -

Info

Publication number: DE3320007C2
Application number: DE19833320007
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. 1000 Berlin De Grumbrecht
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1983-05-31
Filing date: 1983-05-31
Publication date: 1989-03-02
Also published as: DE3320007A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches. Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-OS 31 30 672 bekannt.

Zweck der Erfindung ist die Vermeidung von störenden niederfrequenten Drehmomentpulsationen im Anfahrbereich einer Drehfeldmaschine.

Bekannt ist ein drehwinkelabhängiges Pulsverfahren mit optimalen Mustern.

Bei diesem Verfahren wird die Ständerdurchflutung der Maschine in Abhängigkeit vom Winkel zwischen Ständer stromsollwertzeiger und Ständerwicklungsachse gesteuert. Da nur eine beschränkte Zahl diskreter Winkel für den Ständerstromistwertzeiger realisierbar ist, wird bei laufendem Sollwertwinkel zur Mittelung einer Pulsung zwischen benachbarten einstellbaren Durchflutungen vorgenommen. In der Dissertation RWTH Aachen, 1979 von W. Lienau "Untersuchung eines stromeinprägenden Wechsel richters, der zur Speisung einer frequenzgesteuerten Asynchronmaschine in einem Bahnantrieb geeignet ist" wird detailliert über verschiedene Taktarten (9-, 7-, 5-, 3-er Takt) berichtet, mit denen sich die niedrigen Har monischen in den gepulsten Strömen weitgehend unter drücken lassen.

Die Realisierung dieses Verfahrens ist erschwert für sehr niedrige Umlaufgeschwindigkeiten des Ständerstrom sollwertzeigers, da dies sehr hohe Taktzahlen erforderte. Insbesondere bei Stillstand des Stromistwertzeigers auf einem Zwischenwert der diskreten realisierbaren Winkel arbeitet dieses winkelabhängige Verfahren unzureichend, da kein Wechsel zwischen den einstellbaren Durchflutungs zuständen mehr stattfindet. Es muß auf zeitabhängige Pulsung übergegangen werden.

Bei diesem Verfahren mit zeitabhängiger Pulsung wird aus den winkelabhängig vorgegebenen Durchflutungsanteilen pro Pulszyklus in konstanten Zykluszeiten die gewünschte mittlere Durchflutung zusammengesetzt. Die konstanten Pulszykluszeiten ermöglichen auch die Stellung von Strom mittelwerten bei Stillstand des Sollwertzeigers.

Zu den Verfahren mit zeitabhängiger Pulsung gehört das bekannte Verfahren mit Winkelmodulation, um bei sehr niedrigen Ausgangsfrequenzen des Stromrichters eine Kurz zeitmittlung der Durchflutungszustände beim Stromweiterschalten durchzuführen.

Die Aufteilung der Durchflutungszustände wird durch Vergleich einer linearen, vom Drehwinkel des Sollwerts abhängigen Referenzfunktion mit einer dreiecksförmigen, zeitabhängigen Abtastfunktion durchgeführt; je nach gewonnenem Vorzeichen werden mit vom Drehwinkel des Strom sollwertzeigers abhängigem Tastverhältnis Steuersignale für die Thyristoren zweier sich im Stromfluß abwechselnder Zweige einer Brückenhälfte des Wechselrichters für den Zustrom bzw. Rückstrom alternierend freigegeben werden, während der Thyristor eines Zweiges der anderen Brückenhälfte des Wechselrichters für den Rückstrom bzw. Zustrom während eines Drehwinkelintervalls von 60° des Stromsollwertzeigers dauernd gezündet ist.

Bei diesem Verfahren kommt es jedoch zu Schwankungen des Amplitudenwertes des Stromistwertzeigers gegenüber dem Stromsollwertzeiger.

Folge dieser Schwankungen des Stromistwertzeigers gegenüber dem Soll wertzeiger und dem auch nahezu gleichförmig umlaufenden Fluß sind Drehmomentpulsationen mit den Vielfachen der 6-fachen Ständerdrehfrequenz bei einem 6-fachen Strangwechsel pro Periode.

Es ist durch die DE-OS 31 30 672 ein Verfahren zur Steuerung des Aus gangsstroms eines Umrichters mit Gleichstromzwischenkreis nach vor gegebenen Sollwerten für Betrag und Phasenwinkel bekanntgeworden, bei dem der Phasenwinkel des Ausgangsstroms dadurch eingestellt wird, daß zwischen zwei diskreten, durch jeweils eine Schaltkombination der Schalter des zugeordneten Wechselrichters vorgegebenen Vektoren umgetastet wird, wobei der Vektor mit dem kleineren zugeordneten Phasen winkel, der vom Sollwert um den Winkel ϕ entfernt ist, für den Teil

der Periodendauer T und der zweite Vektor für den Rest der Periodendauer eingeschaltet wird. Der Sollwert für den Betrag des Ausgangsstroms wird einem Stromregler für den Zwischenkreisstrom über ein Korrekturglied, das den Sollwert mit dem Korrekturfaktor

multipliziert, zugeführt. Damit ist es möglich, den Ausgangsstrom des Umrichters nach Betrag und Phasenlage beliebig einzustellen bzw. die Phasenlage mit konstanter Winkelgeschwindigkeit zu verändern und den Betrag konstant zu halten, so daß man eine sinusförmige Ausgangsspannung erhält.

Durch die DE-Zeitschrift "Elektronik", 1982, Heft 18, Seiten 103 bis 107 ist ein Pulswechselrichter bekannt, bei dem ein kontinuierlich umlaufender Spannungs-Raumzeiger durch Pulsen zwischen diskreten, als Spannungs-Vektoren dargestellten Schaltzuständen erreicht wird. Es sind dazu drei Schaltzustände nötig, deren relative Einschaltzeiten sich aus einfachen geometrischen Überlegungen (Strahlensatz) ergeben. Der dritte Schaltzustand ist dabei jeweils ein "Nullzeiger", der die Unterbrechung der Gleichspannungsversorgung charakterisiert. Durch richtige Kombination der Einschaltzeiten läßt sich erreichen, daß der Zeiger konstanter Länge eine Kreisform beschreibt.

Als technische Realisierung dieser mathematisch-geometrischen Überlegungen wird hierzu eine aufwendige Lösung mittels eines digitalen Steuerwerkes angegeben, das insbesondere bei einem Einsatz im rauhen Betrieb, wie zum Beispiel in Walzwerken oder Bahnen, ein erhöhtes Fehlerrisiko in sich birgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem durch eine geeignete Kurzzeitmittlung von möglichen Stromistwertzeigern eine möglichst gleichförmige Drehung dieses Zeigers bei gleicher Zeigerlänge des gemittelten Zeigers ohne Modulation des Zwischenkreisstroms erreicht wird.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs aufgeführten Verfahrensschritte gelöst. Als "hauptsächlich für den Stromfluß zuständiger Zweig" wurde im Anspruch 1 der Zweig bezeichnet, der bei ungepulstem Betrieb im gleichen Zeitintervall den Strom führen würde.

Das Verfahren gemäß der Erfindung wird im nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

die Fig. 1 die Grundschaltung eines Umrichters mit Gleichstrom-Zwischenkreis mit Steuerung und Regelung zur Speisung einer Dreh feldmaschine,

die Fig. 2a die Funktionsverläufe der zeitabhängigen Abtastfunktionen der drehwinkelabhängigen Referenzfunktionen gemäß der Erfindung,

die Fig. 2b die Stromflußbereiche der Strom richterzweige,

die Fig. 2c die Ein- und Ausgangsstromverläufe des Stromrichters und

die Fig. 2d eine Darstellung der Stromist wertzeiger.

Der Umrichter zur Ständerstromspeisung der Drehfeldmaschine A besteht entsprechend Fig. 1 aus einem konventionellen Netzstromrichter G in Drehstrombrückenschaltung und einem prinzipiell gleichartigen Maschinenstrom richter W, der wegen des induktiven Lastcharakters durch Löscheinrichtungen ergänzt ist. Die zusätzlichen Lösch einrichtungen bestehen aus zwischen den Stromrichterzweigen angeordneten Löschkondensatoren, die gegenüber den Maschinensträngen u, v, w durch Dioden entkoppelt sind.

Die Spannungsentkopplung beider Stromrichter erfolgt durch die Drossel D im Stromzwischenkreis.

Jeder Stromrichter hat einen Steuersatz (1 mit Steuerwinkel α und 2 mit Steuerwinkel d₁), der dafür sorgt, daß die richtige Zündfolge eingehalten wird und die richtige Phasenlage der erzeugten Wechselströme gegenüber dem jeweils angeschlossenen Wechselspannungssystem ge währleistet wird. Die Drehfeldmaschine wird drehmoment gesteuert bei variabler Drehzahl betrieben. Der Umrichter liefert hierfür als Stellglied Ströme mit variabler Frequenz und Amplitude. Dem Steuer- und Regelteil 3 des Antriebs werden neben den Vorgabewerten für das Drehmoment M und den Maschinenmagnetfluß ψ Information über den mechanischen Drehwinkel ϕ _n und den Zwischenkreis strom i _d geliefert.

Die Ständerwicklungen der Stränge u, v, w in der Drehfeld maschine sind im Stern geschaltet.

Die Thyristoren des Maschinenstromrichters W, die zwischen der stromzuführenden Leitung des Zwischenkreises zu den Strängen u, v, w liegen, sind mit T 1, T 3, T 5 und die Thyristoren, die zwischen den Strängen u, v, w und der stromabführenden Leitung des Zwischenkreises liegen, mit T 4, T 6, T 2 bezeichnet.

Der maschinenseitige Stromrichter = Wechselrichter W wird im gepulsten Betrieb in folgender Weise gesteuert, vgl. Fig. 2a und Fig. 2b: Während einer Periode von -30° bis +30° des Stromsollwertwinkels d _w respektive eines über die Drehkreisfrequenz proportionalen Winkels ϕ _t des Drehstromsystems wird zunächst einmal eine Referenzfunktion der Form d( ϕ _w) = 1-sin (60°-ϕ _w) mit einer dreiecksförmigen Abtastfunktion D( ϕ _t), die sich zwischen den Werten 0 und 1 ändert, verglichen. Ist D( ϕ _t) größer als d( ϕ _w) - angedeutet durch die Bezeichnung und , - so wird der Thyristor T 6 für den Rückstrom von der Asynchronmaschine A geöffnet (auf die Steuerung des Zustroms zu dieser Maschine wird anschließend ausführlich eingegangen); liegt der umgekehrte Fall vor - angedeutet durch die Bezeichnung , so wird der Thyristor T 2 für den Rückstrom geöffnet.

Die Zustände und bedeuten also, daß der Strom im Strang v zurückfließt; der Zustand hingegen, daß er im Strang w zurückfließt.

Die Fig. 2 zeigt die dementsprechenden Öffnungszeiten von T 2 und T 6 dargestellt über ϕ _t.

Die Steuerung des Zustroms zur Asynchronmaschine A über die Thyristoren T 1, T 5 wird in folgender Weise durchge führt:

Es wird die Funktion

c( ϕ _w) = cos (30°-ϕ _w) + sin (60°-ϕ _w) - 1

vorgegeben. Die Summe dieser Funktion mit d( ϕ _w), also c( ϕ _w) + d( ϕ _w), wird mit der Abtastfunktion D( ϕ _w) ver glichen.

Ist c( d _w) + d( ϕ _w) < D( ϕ _t), so wird der Thyristor T 1 gezündet.

Ist c( ϕ _w) + d( ϕ _w) < D( d _t), so wird der Thyristor T 5 geöffnet.

In der Fig. 2b sind die Öffnungszeiten dieser Thyristoren über ϕ _t dargestellt.

Die Fig. 2c zeigt den Stromverlauf der Ströme i _u, i _v, i_w in den drei Ausgangssträngen u, v, w des Wechselrichters.

Die Fig. 2d zeigt die Lage des Stromistwertzeigers ( ϕ _x). Dieser Stromzeiger ist aus drei möglichen Durchflutungen, zusammengesetzt.

Ihre Anteile innerhalb einer Pulsperiode wie 1-c-d, c und d zu 1 ergänzen, da dies alle Zustände innerhalb des be trachteten Winkelbereichs sind, aus denen die Wechselstrom zeitverläufe zusammengesetzt werden.

Durch das beschriebene Verfahren werden die Vielfachen der Grundfrequenz und damit störende Drehmomentpulsationen vermieden.

Im nächsten Intervall +30°<ϕ _w<90° haben die Refe renzfunktionen den gleichen Verlauf. Bei d < D führt T 1 und im umgekehrten Fall T 3 den Hinstrom während der Rückstrom bei c + d < D durch T 6 und im umgekehrten Fall durch T 2 fließt.

Die genannten Referenzfunktionen können auch in approximativer Form vergegeben werden.

Claims

1. Verfahren zur Strompulsung des in Drehstrombrückenschaltung betriebenen Wechselrichters eines Umrichters mit Gleichstrom-Zwischenkreis zur Speisung einer Drehfeldmaschine im Anfahrbereich, die drehmoment gesteuert bei variabler Drehzahl betrieben wird, wobei eine Referenz funktion mit einer dreiecksförmigen Abtastfunktion verglichen wird und abhängig vom Vergleichsergebnis in einem Zeitintervall von jeweils 60° die Zweige mindestens einer Brückenhälfte abwechselnd leitend gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Referenzfunktion d( ϕ _w) = 1-sin (60°-ϕ _w)und eine zweite Referenzfunktionc( ϕ _w) = cos (30°-d _w) + sin (60°-ϕ _w)1,wobeiϕ _w = d _w(t) = die Winkellage eines Stromsollwertzeigers istfür diesen Vergleich benutzt werden, wobei die zeitabhängige Abtast funktion D( d _t) einen linearen, sich zwischen 1 und 0 ändernden Verlauf hat, und daß mit der Bedingungd < Dder in diesem Intervall für die eine Brückenhälfte hauptsächlich für den Stromfluß zuständige Zweig (T 6) und mit der Bedingungd < Dder zyklisch hierauf folgende Zweig (T 2) dieser Brückenhälfte leitend ist und daß im gleichen Zeitintervall in der anderen Brückenhälfte mit der Bedingungc + d < Dder in diesem Intervall hauptsächlich für den Stromfluß zuständige Zweig (T 1) und mit der Bedingungc + d < Dder zyklisch vorangegangene Zweig (T 5) dieser Brückenhälfte leitend ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzfunktionen in approximativer Form vorgegeben werden.