DE3504623A1 - Vorrichtung zur erfassung von wirk- und/oder blindstrom und/oder deren leistung bei einem wechselrichter mit vorgegebener eingangsgleichspannung, insbesondere einem pulswechselrichter - Google Patents

Description

• Vorrichtung zur Erfassung von Wirk- und/oder Blind-
• strom und/oder deren Leistung bei einem Wechselrichter mit vorgegebener Eingangsgleichspannung, insbesondere einem Pulswechselrichter Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung der Momentanleistung an einer Phase eines Wechselrichters mit vorgegebener Eingangsgleichspannung, insbesondere eines Pulswechselrichters, sowie deren Weiterbildung zur Erfassung der Wirk- und/oder Blindleistung,des Wirk- und/oder Blindstromes an dieser Phase bzw. zur Erfassung dieser Größen für den ganzen Wechselrichter.
• Häufig wird der Meßwert des Wirk- oder Blindstroms benutzt, z.B. um Strom- und Drehzahlpendelungen von umrichtergespeisten Asynchronmaschinen zu dämpfen. Dabei ist häufig eine möglichst unverzögerte Erfassung des entsprechenden Meßwertes wünschenswert.
• Eine Möglichkeit besteht z.B. darin, die Ausgangsspannung in zweiphasige Komponenten umzurechnen und dann mit Hilfe eines Vektorfilters zu glätten und zu normieren.
• Die normierte Ausgangsspannung wird dann mit entsprechenden zweiphasigen Komponenten der Ausgangsströme multipliziert und liefert die Meßwerte von Wirk- bzw. Blindstrom oder bei Verwendung der nicht normierten Ausgangsspannung die Meßwerte von Wirk- bzw. Blindleistung. Dies erfordert nicht nur entsprechende Rechenglieder zur Umrechnung in zweiphasige Komponenten, sondern auch das Vektorfilter selbst. Sofern derartige Meßwerte für die Phasen des Wechselrichters einzeln benötigt werden, müssen sie aus den zweiphasigen Komponenten errechnet werden.
• Aufgabe der Erfindung ist eine möglichst aufwandsarme Ermittlung dieser Meßwerte eines derartigen Wechselrichters, insbesondere des lastseitigen Stromrichters eines Zwischenkreisumrichters mit e ingeprägter Zwischenkreisspannung.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, deren vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung in den Unteransprüche gekennzeichnet ist.
• Ausgangspunkt ist demgemäß eine Schaltung, bei der ein einem einzelnen Phasenstrom entsprechendes Meßsignal einem Schalter aufgeschaltet wird, der mit dem den Schaltzustand des auf diese Phase arbeitenden Wechselrichterschalters bestimmenden Schaltsignal betätigt wird.
• Das Schalterausgangssignal gibt den Momentanwert der Phasenleistung bzw. nach Mittelung über eine Halbperiode des Stromes die Wirkleistung der Phase an.
• Es kann auch ein dem Phasenstrom an einem Ausgang des Wechselrichters entsprechendes Meßsignal bei Erfassung der Wirkleistung direkt bzw. bei Erfassung der Blindleistung nach einer Phasen drehung um tor/2je einem Schalter aufgeschaltet werden. Die Schalter werden mit den den Schaltzustand der Wechselrichterschalter bestimmenden Signalen betätigt. Die Ausgangssignale der Schalter werden dann in einem Überlagerungsglied addiert, das den entsprechenden pulsbreitenmodulierten Meßwert von Wirk- bzw. Blindleistung liefert.
• Anhand von 6 Figuren und 4 Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert.
• Figur 1 zeigt dabei einen Gleichrichter, der als lastseitiger Stromrichter eines Zwischenkreisumrichters mit eingeprägter Zwischenkreisspannung verwendet ist. Figur 2 verdeutlicht die Erfindung für den Fall, daß für eine einzelne Phase die Momentanleistung, die Wirkleistung und der Wirkstrom erfaßt werden sollen. In Figur 3 ist eine Schaltung zur Erfassung von Wirkleistung und Wirkstrom des gesamten Umrichters nach Figur 1 dargestellt.
• Figur 4 zeigt eine Schaltung zur gleichzeitigen Erfassung von Blind-strom und Wirkstrom eines derartigen Stromrichters, wobei ein dabei verwendeter Koordinatendreher in Figur 5 dargestellt ist. Figur 6 stellt eine besonders aufwands-arme Schaltung zur Ermittlung der Meßwerte für Blind-strom und Wirkstrom dar.
• Mit R, S, T und U, V, W sind in Figur 1 die über eine ungesteuerte Gleichrichterschaltung 1 an ein praktisch konstantes Wechselstromnetz angeschlossenen Anschlüsse eines Zwischenkreisumrichters bzw. die lastseitigen Ausgänge dieses Zwischenkreisumrichters dargestellt. Über geeignete Meßglieder werden Meßwerte iU, iV' iW für die Phasenströme an den Ausgängen U, V und W gebildet.
• Im lastseitigen Stromrichter 2 ist jeder Ausgang U, V, W jeweils über einen Halbleiterschalter (z.B. Transistoren) Tu1, Tu2 bzw. TV1 TV2 bzw. Twl, Tw2 alternierend mit dem positiven bzw. negativen Pol des Zwischenkreises verbunden, dessen von der Gleichrichterbrücke 1 gelieferte Zwischenkreisspannung über einen Kondensator 3 konstant gehalten wird. Die Ansteuersignale für die drei Halbleiterschalter sind mit Su, SV, SW bezeichnet. In jedem Schalter sind den einzelnen Transistoren Rückarbeitdioden antiparallel geschaltet. Weitere selbstverständliche Einzelheiten (Treiberstufen, Mittel zur Potentialtrennung etc.) sind in Figur 1 weggelassen.
• Die Ausgangsspannungen des Gleichrichters 2 sind in ihrer Phasenlage durch die Schaltimpulse bestimmt. Die Verwendung von Transistorschaltern ermöglicht dabei insbesondere, durch ein hochfrequentes Umschalten zwischen den beiden Zwischenkreispolen eine pulsbreitenmodulierte, insbesondere sinusförmige Ausgangsspannung herzustellen.
• Die Ausgangsströme sind bei einer derartigen Einprägung der Ausgangsspannungen durch die Impedanzverhältnisse der jeweiligen Last bestimmt und stellen sich frei ein.
• Die Momentanleistung ergibt sich dann aus einer phasenrichtigen Multiplikation des jeweiligen Ausgangsstromes mit der eingeprägten Spannung, deren durch geeignete Glättung gebildeter Mittelwert in jeder Halbperiode der Spannung die jeweilige Wirkleistung der Phase angibt, während die jeweilige Blindleistung einer Phase aus dem Produkt des Phasenstromes mit der um 90O verschobenen Spanung gewinnbar ist.
• Dabei wird in Figur 2 das Schaltsignal Su, das die auf die Phase U arbeitenden Wechselrichterschalter TU1 und TU2 betätigt, auch zum Umlegen des als Polaritäts-Umschalters ausgebildeten Schalters NU verwendet und dem Schalter NU das dem Phasenstrom iu U entsprechende Meßsignal zugeführt. Unter Berücksichtigung dieser Polaritätswechsel stellt das Schaltsignal Su die pulsbreitenmodulierte und auf die Zwischenkreisspannung normierte Phasenspannung dar und der Schalter wirkt als Pulsbreitenmultiplikator für Spannung und Strom.
• Sind die Eingangsgleichspannung (Zwischenkreisspannung) und die Amplitude der Ausgangsgrundschwingung des Wechselrichters bekannt, so ist dieses gepulste Schalterausgangssignal ein direktes Maß für die Momentanleistung an dieser Phase und der in jeder Halbperiode gemessene Mittelwert gibt die Wirkleistung an. Dieser Mittelwertbildung dient der als Glättungsglied beschaltete Operationsverstärker 4.
• Zur Berücksichtigung der Spannungsamplitude ist das nachgeschaltete Kennlinienglied 5 vorgesehen, das das Schalterausgangssignal mit dem Reziprokwert der Wechselrichteraussteuerung (u.U. unter weiterer Berücksichtigung der Spannungsnormierung auf die Zwischenkreisspannung) bewertet. Dadurch entsteht dann ein Signal für den Wirkstrom dieser Phase.
• Wendet man diese Schaltung auf alle Phasen des Wechselrichters an, so kann durch Addition der Leistungen bzw.
• Ströme ein entsprechendes Meßsignal für die Momentan-bzw. Wirkleistung und den Wirkstrom des ganzen Wechselrichters gebildet werden.
• Eine entsprechende Schaltung ist in Figur 3 dargestellt, wobei eine Ausgestaltung der Schalter Nu, NV und NW für die Meßsignale der Ströme iU, iV und iw gewählt ist, bei denen die Schalter selbst als einfache Ein/Aus-Schalter ausgebildet sind und der Polaritätswechsel dadurch erreicht wird, daß die jeweiligen Meßsignale mit dem konstanten Faktor -1/2 dem Additionsglied für die Schalterausgangssignale zugeführt werden. Als Additionsglied ist dabei der bereits erwähnte, als Glättungsglied beschaltete Operationsverstärker 4 verwendet.
• Ist der lastseitige Sternpunkt des Umrichters nicht angeschlossen, so gilt i U + iV + iW = ° und die mit dem Faktor -1/2 bewerteten Meßsignale brauchen nicht berücksichtigt zu werden. Man gelangt so zu einer vereinfachten Schaltung, wie sie in Figur 4 dargestellt ist.
• Dort ist der jeweilige Meßwert iU, iv und iw zur Erfassung der Wirkleistung jeweils einem Schalter Mu, MV, MW zugeführt, wobei jeder Schalter mit dem Schaltsignal Su,, SV,SW des der entsprechenden Phase U, V, W zugeordneten Wechselrichterschalters betätigt wird. An den Ausgängen dieser Schalter stehen nunmehr Ausgangssignale an, die pulsbreitenmodulierte Werte für die Wirk- bzw. Blindleistung dieses Ausgangs darstellen. Die entsprechende Meßwerte für den gesamten Wechselrichter werden gebildet, indem die von der Schalterausgangssignalen gebildeten Phasen-Wirkströme direkt im Additionsglied 4 zum resultierenden Wirkstrom-Meßwert addiert werden.
• Der dadurch gebildete Meßwert weist infolge der Pulsbreitenmultiplikation Oberschwingungen auf, die jedoch durch Glättung umso leichter beseitigt werden können, je höher die Arbeitsfrequenz der Pulsbreitenmodulation ist. Insbesondere bei einem Pulswechselrichter genügt daher eine geringe, mittels der RC-Beschaltung des Operationsverstärkers 4 (Additionsgliedes) bewirkte Glättung.
• Allerdings legt das Pulsbreitenverhältnis der Schaltsignale des Pulswechselrichters auch die Amplitude der Ausgangsspannungs-Grundschwingungen fest, so daß das Ausgangssignal des Additionsgliedes über den Aussteuerungsgrad des Wechselrichters der Wirkleistung proportional ist. Daher ist zur Ermittlung des Wirkstromes dem Additionsglied das Kennlinienglied 5 nachzuschalten, wodurch der vom Additionsglied gelieferte Meßwert mit dem Reziprokwert der Wechselrichteraussteuerung bewertet wird. Das entsprechende, nunmehr vom Aussteuerungsgrad des Wechselrichters unabhängige Ausgangssignal des Kennliniengliedes 5 kann natürlich auch auf andere Weise erzeugt werden; insbesondere ist es möglich, diese Bewertung mit dem Reziprokwert des Aussteuerungsgrades auf digitale Weise in der diesen Meßwert verarbeitenden Steuerung der Maschine, z.B.
• einem Mikroprozessor, auszuführen. Auch anstelle der Analogschalter Mu, Mv, MW und anstelle des Additionsgliedes 4 können entsprechende Digitalbausteine verwendet werden.
• Zur Erfassung des Blindstromes kann auf gleiche Weise vorgegangen werden, wobei es lediglich erforderlich ist, die Meßsignale iu, iv und ; zunächst mittels eines Phasendrehers 6 in ihrer Phasenlage um 90° zu drehen.
• Die auf diese Weise phasenverschobenen Meßwerte werden entsprechenden Schaltern Bu> BV und BW zugeführt, die ebenfalls mit den den Schaltzustand der Wechselrichterschalter bestimmenden Schaltsignalen SU, SV und Sw betätigt werden. Ein anschließendes Additionsglied, das ggf. zur Erreichung einer Glättung durch einen Operationsverstärker 7 mit RC-Beschaltung ausgeführt sein kann, liefert dann den Meßwert für den Blindstrom, der z.B. im Falle eines Pulswechselrichters ebenfals über ein Kennlinienglied 8 am Additionsglied 7 abgegriffen ist.
• Figur 5 zeigt ein Beispiel eines Phasendrehers, bei dem die ursprünglichen Meßwerte iu, iV und ; jeweils über entsprechende Multiplikations- und Additionsglieder zu einem neuen System von Meßwerten zusammengesetzt werden können, das nunmehr um Xr/2 gedreht ist. Diese Schaltung verursacht praktisch keinen Phasen- und Amplitudenfehler.
• Selbstverständlich ist diese Erfassung von Wirk- und/oder Blindstrom nicht nur auf den dargestellten dreiphasigen Fall beschränkt, sondern kann auch für Wechselrichter mit anderer Phasenzahl verwendet werden. Ist der Sternpunkt der Last nicht angeschlossen, sondern frei, so kann, da dann die Summe aller Ausgangsströme Null ist, zumindest ein Phasenstrom aus den anderen Störmen berechnet werden, wodurch sich die Anzahl der benötigten Bauelemente verringert. Eine derartige Verringerung ist u.U. auch in anderen Fällen möglich, z.B. wenn aufgrund einer streng symmetrischen Last rechnerisch erfaßbare Beziehungen zwischen einzelnen Phasenströmen bestehen, die es gestatten, bestimmte Phasenströme durch die restlichen Phasenströme rechnerisch zu ermitteln.
• So ergibt sich z.B. im dreiphasigen Fall mit freiem Sternpunkt eine besonders einfache Schaltung, wenn handelsübliche integrierte Schaltungen als Analogschalter verwendet werden, bei denen 4 einzelne Analogschalter zu einem einzigen Bauelement vereinigt sind. Eine derartige Konfiguration ist in Figur 6 dargestellt.
• Die Verstärkerschaltungen 10 und 11 bewirken dabei zunächst die für die Blindstromerfassung nötige Phasendrehung um 90", wobei lediglich von den invertierten Meßwerten ; iw ausgegangen wird. Der dadurch phasenverschobene Meßwert iu bzw. ; wird einerseits jeweils über den Schalter BU und BW mit dem Schaltsignal Su und SW pulsbreitenmoduliert und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 7 (Additionsglied) zugeführt.
• Andererseits weden diese Meßwerte über Schalter BVl und BV2 auch mit dem Schaltsignal SV pulsbreitenmoduliert und dem nichtinvertierenden Eingang des Additionsglieds 7 zugeführt, das somit entsprechend der Bedingung des freien Sternpunktes (iv = -iu - iw) den entsprechenden Blindstrom am Ausgang V errechnet. Die Schalter Bu, Bw, BVl und BV2 sind hierbei zu einer einzigen integrierten Schaltung zusammengefaßt.
• Die entsprechende Anordnung mit den Schaltern Mu, MW und MVl, MV2, jedoch ohne den Phasendreher 10, 11 ist auch für die Erfassung des Wirkstromes IW vorgesehen.
• Insgesamt ergibt sich somit eine Schaltung, die die Erfassung von Blindstrom und Wirkstrom mit einem minimalen Aufwand ermöglicht.
• 9 Patentansprüche 6 Figuren

Claims (9)

1. Patentansprüche 1. Vorrichtung zur Erfassung der Momentanleistung an einer Phase (U) eines Wechselrichters (2), insbesondere eines Pulswechselrichters, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß ein dem Phasenstrom entsprechendes Meßsignal (iu) einem Schalter (Nu) aufgeschaltet wird, daß der Schalter (Nu) mit dem den Schaltzustand des auf diese Phase (U) arbeitenden Wechselrichterschalter (TUl, TU2) bestimmenden Schaltsignal (SU) betätigt wird, und daß am Ausgang dieses Schalters ein der Momentanleistung entsprechendes Signal (Pu) abgegriffen wird (Fig.2).
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Erfassung der Wirk-und/oder Blindleistung an einer Phase des Wechselrichters, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß das Meßsignal (iu) zur Erfassung der Wirkleistung direkt bzw. zur Erfassung der Blindleistung nach Phasendrehung um /2 dem Schalter (Mu, Bu) aufgeschaltet wird, wobei die Wirkleistung bzw. Blindleistung dem geglätteten Schalterausgangssignal entspricht (Fig.5).
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2 zur Erfassung des Wirk-und/oder Blindstromes an einer Phase des Wechselrichters, g e k e n n z e i c h n e t durch Mittel (5) zur Bewertung des Schalterausgangssignals mit dem Reziprokwert der Wechselrichteraussteuerung (r) (Fig.2).
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Erfassung der Momentanleistung des Wechselrichters, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß für mehrere oder alle Phasen des Wechselrichters die Momentanleistungen erfaßt und in einem Uberlagerungsglied (4) addiert werden (Fig.3).
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4 für einen Wechselrichter mit lastseitigem freiem Sternpunkt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Schalter als Ein/Ausschalter (Mu) ausgebildet sind (Fig.4).
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß wenigstens ein Phasenstrom nicht erfaßt, sondern aus den Meßsignalen der anderen Phasenströme errechnet wird (Fig.6).
7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6 zur Erfassung der Wirk- und/oder Blindleistung des Wechselrichters, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß das jeweils einen Phasenstrom entsprechende Meßsignal zur Erfassung der Wirkleistung direkt bzw.

   zur Erfassung der Blindleistung nach Drehung um 1r /2 dem entsprechenden Schalter (Mu, MV, Mw, bzw. Bu, BV, Bw) aufgeschaltet ist, wobei die im Überlagerungsglied addierten Schalterausgangssignale der Wirkleistung bzw.

   Blindleistung entsprechen (Fig.4).
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7 zur Erfassung des Wirk-und/oder Blindstromes des Wechselrichters, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß am Überlagerungsglied Mittel (5, 8) vorgesehen sind, die den durch Addition der Schalterausgnagssignale entstehenden Meßwert mit dem Reziprokwert der Wechselrichteraussteuerung (r) bewerten (Fig.4).
9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Schalterausgangssignale gelättet werden.