DE3704431C2

DE3704431C2 -

Info

Publication number: DE3704431C2
Application number: DE3704431A
Authority: DE
Inventors: Takeshi Miyashita; Takao Kobe Hyogo Jp Kawabata
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1986-03-28
Filing date: 1987-02-12
Publication date: 1993-06-09
Also published as: DE3704431A1; US4780802A; KR900005424B1; JPH0638711B2; KR870009532A; JPS62230360A

Description

Die Erfindung betrifft einen Umrichter der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art. Ein solcher Umrichter ist aus der DE-OS 23 61 924 bekannt.

Umrichter mit einem Gleichrichter, der einen Netz-Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt, einem Gleichstromzwischenkreis und einem Wechselrichter, der einen Wechselstrom für eine Last wie einen Motor liefert, sind weit verbreitet. Es ist dabei üblich, die Gleichrichter- und/oder Wechselrichter-Ausgangsspannung zu stabilisieren.

So ist bei der bekannten Anordnung in den Gleichstromzwischen kreis ein als Bandpaß ausgebildeter Fühler geschaltet, der beim Auftreten einer Wechselspannungskomponente auf der Gleichstrom leitung durchlässig wird und dergestalt Einfluß auf die Ansteue rung des Gleichrichters nimmt, daß den Spannungsänderungen durch Gegenkopplung ausgleichend entgegengewirkt wird.

Diese Anordnung dient folgendem Zweck: Wird über den Wechsel richter ein Motor betrieben, so können insbesondere bei übersyn chronen Drehzahlen Pendelungen in der Motordrehzahl entstehen. Dabei flieht über den Wechselrichter Energie zwischen dem Gleichstromzwischenkreis und dem Motor hin und her, das heißt dem Gleichstrom wird eine Wechselspannungskomponente überlagert. Dieser von dem angetriebenen Motor ausgehenden Störung wirkt die Gegenkopplung entgegen, um die unerwünschten Oszillationen in der Motordrehzahl zu dämpfen.

Neben diesen von einem angetriebenen Motor ausgehenden zeit weiligen Störungen ist dem Gleichstrom für den Wechselrichter jedoch permanent auch ein Wechselstrom bzw. ein Welligkeits anteil aufgeprägt, der aus höheren Harmonischen der Wechsel richter-Ausgangsfrequenz f besteht und der durch die Rückwirkung des Wechselrichters auf die Gleichstromseite hervorgerufen wird. Insbesondere die Harmonische 2f ist dabei von Bedeutung.

Dieser Umstand wird anhand der Fig. 1 der Zeichnung erläutert, die ein Prinzipschaltbild des bekannten Umrichters zeigt.

Die in der Fig. 1 dargestellte Schaltung enthält einen Thyri storgleichrichter 1, eine Gleichstromdrossel 2, die den Gleichstrom am Ausgang des Thyristorgleichrichters 1 glättet, eine Akkumulatorbatterie 3, die parallel zwischen die Gleichstromdrossel 2 und einen Wechselrichter (nicht dargestellt) geschaltet ist, einen ersten Spannungsdetektor 4, der die Ausgangsspannung des Thyristorgleichrichters 1 wahrnimmt, einen ersten Stromdetektor 5, der den Ausgangsstrom des Thyristorgleichrichters 1 wahrnimmt, eine einen oberen Grenzwert für den Ausgangsstrom erzeugende Schaltung 6, die den oberen Grenzwert für den Ausgangsstrom des Thyristorgleichrichters 1 vorgibt, eine Stromsteuerschaltung 7, die auf das Signal vom ersten Stromdetektor 5 und das Sollsignal von der den oberen Grenzwert für den Ausgangsstrom erzeugenden Schaltung 6 ansprechend den Ausgangsstrom des Thyristorgleichrichters 1 so steuert, daß dieser den oberen Grenzwert nicht überschreitet, einen Bezugsspannungsgenerator 8, der einen Bezugswert für die Ausgangsspannung des Thyristorgleichrichters 1 erzeugt, eine Steuer- und Regeleinrichtung 9, die auf die Ausgangssignale des ersten Spannungsdetektors 4, der Stromsteuerschaltung 7 und des Bezugsspannungsgenerators 8 ansprechend die Ausgangsspannung des Thyristorgleichrichters 1 so regelt, daß sie konstant gehalten wird, und einen Steuerimpulsgenerator 10, der auf das Ausgangssignal der Steuer- und Regeleinrichtung 9 nur bestimmte Steuerimpulse ausgibt.

Die Arbeitsweise dieser Schaltung wird im folgenden beschrieben. Die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom des Thyristorgleichrichters 1, der einen Eingangswechselstrom in einen Gleichstrom umwandelt, werden nach einer Glättung durch die Gleichstromdrossel 2 durch die jeweiligen Detektoren 4 und 5 wahrgenommen. Die Steuer- und Regeleinrichtung 9 vergleicht den wahrgenommenen Spannungswert vom ersten Spannungsdetektor 4 mit dem Bezugswert vom Bezugsspannungsgenerator 8 und gibt ein entsprechendes Signal an den Steuerimpulsgenerator 10, so daß die wahrgenommene Spannung gleich der Bezugsspannung wird.

Die Stromsteuerschaltung 7 gibt ein Signal an die Steuer- und Regeleinrichtung 9, so daß der Ausgangsstrom herabgesetzt werden kann, wenn der wahrgenommene Stromwert den Bezugswert von der den oberen Grenzwert für den Ausgangsstrom erzeugenden Schaltung 6 überschreitet.

Der Steuerimpulsgenerator 10 erzeugt Steuerimpulse, deren Phase auf das Signal von der Steuer- und Regeleinrichtung 9 ansprechend so gesteuert wird, daß die Ausgangsspannung des Thyristorgleichrichters 1 konstant und sein Ausgangsstrom unter dem oberen Grenzwert gehalten wird.

Bei einem Ausfall der Stromversorgung kommt die Gleichspannung von der Akkumulatorbatterie 3.

Diese Schaltungsanordnung hat jedoch den Nachteil, daß insbe sondere dann, wenn der Wechselrichter ein Einphasenwechsel richter oder ein Dreiphasenwechselrichter mit unsymmetrischer Last ist, die durch die Rückwirkung des Wechselrichters auf die Gleichstromseite hervorgerufene Welligkeit mit der Frequenz 2f bedeutend wird.

Diese Welligkeit hat zur Folge, daß ein groß dimensionierter Glättungskondensator vorgesehen werden muß. Aus Platz- und Ge wichtsgründen lassen sich dabei nur Elektrolytkondensatoren ver wenden, die jedoch im Vergleich zu Schichtkondensatoren teuer sind und nur eine geringe Lebensdauer haben. Auch muß die Gleichstromdrossel 2 entsprechend groß bemessen oder eine zu sätzliche Drossel eingebaut werden. Die gemäß Fig. 1 vorgesehene Pufferbatterie 3 hat auch nur eine verringerte Lebensdauer, wenn ein Wechselstrom daran anliegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den aufgrund einer unsymmetrischen Last am Wechselrichter am Eingang des Wechsel richters entstehenden, die doppelte Ausgangsfrequenz des Wech selrichters aufweisenden Wechselstromanteil zu verringern, um so den Materialaufwand für den Zwischenkreis zu minimieren.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von der eingangs genannten und im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Anordnung, er findungsgemäß mit den im Kennzeichen des neuen Anspruchs 1 ange gebenen Merkmalen gelöst.

Nach dieser Lösung wird der im Gleichstromzwischenkreis auftre tende Welligkeitsanteil erfaßt und über eine Mitkopplung derge stalt an die Ansteuerung für den Gleichrichter geführt, daß dieser Welligkeitsanteil phasenrichtig vom Gleichrichter in den Zwischenkreis eingespeist wird. Es wird mit anderen Worten ver anlaßt, daß der aus diesem Welligkeitsanteil resultierende Wech selstrom vom Gleichrichter geliefert wird, so daß der Glättungs kondensator und/oder eine Batterie nicht mehr mit den entspre chenden Ausgleichsströmen belastet ist. Es kann damit nicht nur dieser Glättungskondensator in seiner Kapazität beträchtlich verkleinert werden, was es ermöglicht, anstelle von Elektrolyt kondensatoren andere Kondensatoren einfacher Bauart und mit langer Lebensdauer zu verwenden, sondern es werden auch negative Rückwirkungen auf Pufferbatterien und ähnliches vermieden.

Mit dem erfindungsgemäßen Umrichter wird schließlich ein Anstieg der Impedanz der Gleichstromquelle selbst dann vermieden, wenn ein Kondensator kleiner Kapazität und einfacher Bauart, bei spielsweise ein sogenannter Schichtkondensator, als Glättungs kondensator verwendet wird.

Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Gegen standes nach Anspruch 1 sind in den Unteransprüchen 2 bis 4 beschrieben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung naher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in einem Blockschaltbild das Prinzip eines bekannten Umrichters,

Fig. 2 in einem Blockschaltbild ein erstes Ausführungsbei spiel für den erfindungsgemäßen Umrichter,

Fig. 3 in einem Blockschaltbild das Steuerschema des in der Fig. 2 dargestellten Umrichters,

Fig. 4 in einem Vektordiagramm die Phasenbeziehung zwischen dem Eingangsstrom des Wechselrichters und dem Ausgangs gleichstrom des Gleichrichters bei dem Ausführungsbei spiel der Fig. 2,

Fig. 5 ein Kennliniendiagramm für den Übertragungsfaktor der Phasenverzögerungsschaltung des ersten Ausführungsbei spiels,

Fig. 6 in einem Blockschaltbild ein zweites Ausfüh rungsbeispiel des Umrichters,

Fig. 7 in einem Blockschaltbild ein drittes Ausführungsbeispiel des Umrichters und

Fig. 8 in einem Blockschaltbild ein viertes Ausführungsbeispiel des Umrichters.

Im folgenden wird anhand der Fig. 2 bis 5 ein erstes Ausführungsbeispiel für den Umrichter beschrieben. Bauteile in Fig. 2 und 3, die den Bauteilen der bekannten Vorrichtung in Fig. 1 entsprechen und mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, werden nicht nochmals erläutert.

Wie es in Fig. 2 dargestellt ist, ist ein Wechselrichter 11 am Ausgang eines Umrichters angeordnet, der des weiteren aus einem Thyristorgleichrichter 1, einer Gleichstromdrossel 2 usw. aufgebaut ist, wobei ein Glättungskondensator 12 parallel zum Eingang des Wechselrichters 11 geschaltet ist. Zwischen den Punkten, mit denen der Kondensator 12 und die Batterie 3 verbunden sind, ist parallel ein zweiter Spannungsdetektor 14 angeordnet, der die Spannung am Eingang des Wechselrichters 11 aufnimmt und das aufgenommene Signal an eine zweite Steuer- und Regeleinrichtung 13 abgibt, die auf ein Ausgangssignal des Bezugsspannungsgenerators 8 anspricht, um die Eingangsspannung für den Wechselrichter 11 zu regeln. Zwischen dem Kondensator 12 und dem Wechselrichter 11 ist ein zweiter Stromdetektor 15 vorgesehen, mit dem eine Phasenverzögerungsschaltung 16 als Filterschaltung zum Verzögern der Phasen verbunden ist, wobei mit dieser Phasenverzögerungsschaltung 16 eine Einstellschaltung 17 für einen Übertragungsfaktor K verbunden ist, die ein Ausgangssignal an die erste Steuer- und Regeleinrichtung 9 liefert. Der zweite Stromdetektor 15, die Phasenverzögerungsschaltung 16 und die Einstellschaltung 17 bilden einen Regelkreis, mit dem auf der Grundlage des Eingangsstromes des Wechselrichters 11 über die erste Steuer- und Regeleinrichtung 9 auf den Steuerimpulsgenerator 10 eingewirkt wird.

Der Bezugswert vom Bezugsspannungsgenerator 8 und die Eingangsspannung am Wechselrichter 11, die vom zweiten Spannungsdetektor 14 aufgenommen wird, liegen an der zweiten Steuer- und Regeleinrichtung 13, so daß die Eingangsspannung am Wechselrichter 11 so geregelt wird, daß sie konstant bleibt. Das Ausgangssignal der zweiten Steuer- und Regeleinrichtung 13 liegt als Strombefehlswert zusammen mit dem wahrgenommenen Wert des Gleichstromes vom Stromdetektor 5 an der Stromsteuerschaltung 7, um den Gleichstrom zu steuern.

Das Ausgangssignal der Stromsteuerschaltung 7 liegt zusammen mit dem wahrgenommenen Wert des Eingangsstromes des Wechselrichters 11, der durch die Phasenverzögerungsschaltung 16 und die Einstellschaltung 17 hindurchgegangen ist, an der ersten Steuer- und Regeleinrichtung 9, um die Phasen des Steuerimpulsgenerators 10 so einzustellen, daß die Ausgangsspannung des Thyristorgleichrichters 1 geregelt wird.

Wie es in Fig. 4 dargestellt ist, wird in diesem Fall der Eingangsstrom i₁ (wahrgenommener Wert) des Wechselrichters 11, der durch den zweiten Stromdetektor 15 wahrgenommen wird, in ein Signal V₁ durch die Phasenverzögerungsschaltung 16 umgewandelt, die die in Fig. 3 dargestellte Übertragungsfunktion hat. Das Signal V₁ wird durch die Einstellschaltung 7 der Einstellung eines Übertragungsfaktors K unterworfen und liegt dann als ein Signal V_cref an der ersten Steuer- und Regeleinrichtung 9, um die Ausgangsspannung des Thyristorgleichrichters 1 zu regeln. Dadurch wird das Signal V_c erzeugt (Fig. 4), das um 90° in seiner Phase dem Eingangsstrom i₁ voreilt. Wenn als Beispiel der Fall betrachtet wird, daß der Wechselrichter 11 ein Einphasenwechselrichter mit einer Ausgangsfrequenz von 60 Hz ist, so hat der unterste harmonische Anteil des Ausgangsstromes im Eingangs-Gleichstrom 120 Hz.

Die Übertragungscharakteristik der Phasenverzögerungsschaltung 16 hat dann den in Fig. 5 dargestellten Verlauf, wobei T₃=10 Hz ist und ω_c=120 Hz ist.

Der Zähler T₁s der Übertragungsfunktion der Phasenverzögerungsschaltung 16 bewirkt, daß der Gleichstromanteil des Eingangsstromes i₁ entfernt wird, während der Nenner (1+T₂s)×(1+T₃s) eine Phasenverzögerung bei 120 Hz bewirkt.

Die Ansprechgeschwindigkeit der Ausgangsspannungssteuerung für den Thyristorgleichrichter 1 ist im allgemeinen recht hoch, wohingegen die Ansprechgeschwindigkeit der Ausgangsstromsteuerung für den Thyristorgleichrichter 1 wesentlich geringer ist.

Bei der oben beschriebenen Anordnung wird der 120-Hz-Anteil i₁ des Eingangsstromes des Wechselrichters 11 um 90° verzögert und in V₁ umgewandelt, indem er durch die Phasenverzögerungsschaltung 16 geleitet wird, wie es im Vektordiagramm von Fig. 4 dargestellt ist, sowie in seiner Phase in V_cref umgekehrt und an die erste Steuer- und Regeleinrichtung 9 gelegt. Da die erste Steuer- und Regeleinrichtung 9 ein Ansprechvermögen mit sehr hoher Geschwindigkeit hat, gibt der Thyristorgleichrichter 1 die Spannung V_c des 120-Hz-Anteils nur um einen sehr kleinen Winkel α° gegenüber V_cref verzögert aus. Wenn angenommen wird, daß der Widerstand der Gleichstromdrossel 2 ausreichend niedrig ist, fließt ein Strom i₂ durch die Gleichstromdrossel 2, der um 90° gegenüber der Ausgangsspannung V_c verzögert ist. Da dieser Strom i₂ gleichphasig mit dem Eingangsstrom i₁ ist, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, wird es möglich, den gesamten 120-Hz-Anteil des Eingangsstromes i₁ dem Wechselrichter 11 vom Thyristorgleichrichter 1 zu liefern, indem der Übertragungsfaktor K in der Einstellschaltung 17 passend eingestellt wird. Der mit 120 Hz pulsierende Anteil belastet daher den Kondensator 12 oder die Akkumulatorbatterie 3 nicht. Das hat zur Folge, daß durch den Kondensator 12 nur der Eingangsstromanteil für den Wechselrichter 11 für die Harmonische mit 240 Hz oder mehr und der Ausgangswelligkeitsanteil des Thyristorgleichrichters 1 fließen, so daß auch dann keine Schwierigkeiten auftreten, wenn die Kapazität des Kondensators klein ist und ein Schichtkondensator verwendet wird.

Bei dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel wird der Welligkeitsanteil des Eingangsstromes zum Wechselrichter 11 nicht zur Stromsteuerschaltung 7 rückgekoppelt, sondern an die erste Steuer- und Regeleinrichtung 9 gelegt, da die Stromsteuerschaltung 7 nur eine geringe Ansprechgeschwindigkeit hat und auf 120 Hz nicht ansprechen kann. Wie es bei dem zweiten Ausführungsbeispiel von Fig. 6 dargestellt ist, kann die pulsierende Komponente des Eingangsstromes i₁ zum Wechselrichter 11, die durch den zweiten Stromdetektor 15 wahrgenommen wird, ebenso über eine Phasenverzögerungsschaltung 16 mit einer geeigneten Phasencharakteristik und eine Einstellschaltung 17 der Stromsteuerschaltung 7 als Eingangssignal geliefert werden, wodurch es möglich wird, daß der Strom i₂ mit der pulsierenden Komponente im Eingangsstrom i₁ vom Thyristorgleichrichter 1 gleichphasig ist. Wenn in diesem Fall die Phasenverzögerung bei 120 Hz in der Stromschleife mit Φ₁ bezeichnet wird, ist es unter Verwendung der Übertragungsfunktion G(S), d. h. entweder a) einer Übertragungsfunktion mit Voreilungscharakteristik um Φ₁ bei 120 Hz oder b) einer Übertragungsfunktion mit Verzögerungscharakteristik um (180° -Φ₁) bei 120 Hz und einer anschließenden Phasenumkehr von 180° möglich, daß der Strom i₂ mit dem pulsierenden Anteil im Eingangsstrom i₁ vom Thyristorgleichrichter 1 gleichphasig ist.

Wenn das, was oben beschrieben wurde, etwas verallgemeinert wird, so läßt sich sagen, daß ein ähnlicher Effekt erhalten werden kann, wenn das Signal vom zweiten Stromdetektor 15 einer geeigneten Übertragungsfunktion unterworfen wird, bevor es an der ersten Steuer- und Regeleinrichtung 9 von Fig. 2 anliegt.

Obwohl bei dem obigen Ausführungsbeispiel der Eingangsstrom des Wechselrichters 11 aufgenommen wird und ein entsprechendes Signal an die Steuerung für den Gleichrichter 1 gelegt wird, kann die Ausführung auch derart sein, wie es in Fig. 7 beim dritten Ausführungsbeispiel dargestellt ist, bei dem der Ausgangsstrom des Wechselrichters 11 statt des Eingangsstromes aufgenommen wird und gleichzeitig eine Gleichrichtung auf der Grundlage des Schaltsignals für den Wechselrichter erfolgt, um ein Signal zu erhalten, das dem Eingangsstrom für den Wechselrichter 11 äquivalent ist, und dieses an die Steuerung für den Gleichrichter 1 gelegt wird. Die Ausführung kann weiterhin so sein, wie es beim vierten Ausführungsbeispiel von Fig. 8 dargestellt ist, bei dem der Strom oder die Spannung durch den Kondensator 12 im Gleichstromkreis über einen dritten Stromdetektor 25 aufgenommen wird und ein dem Eingangsstrom des Wechselrichters 11 äquivalentes Signal auf der Grundlage des obigen aufgenommenen Signals und des Ausgangsstromes des Gleichrichters ermittelt wird. Gleiche Bezugszeichen bei dem zweiten bis vierten Ausführungsbeispiel in Fig. 6 bis 8 bezeichnen gleiche oder entsprechende Bauteile wie beim ersten Ausführungsbeispiel von Fig. 2.

Obwohl bei dem obigen ersten bis vierten Ausführungsbei spiel die Gleichstromquelle als Thyristorgleichrichter 1 beschrieben wurde, ist die Ausbildung natürlich auf jede Art einer Gleichstromquelle, beispiels weise eine Zerhackerschaltung, einen Gleichstrom/Gleich stromwandler und dergleichen anwend bar.

Claims

1. Umrichter mit einem Gleichrichter (1), einem Gleichstrom zwischenkreis und einem Wechselrichter (11), der einen Wech selstrom mit einer Ausgangsfrequenz f abgibt, sowie mit

- einer Drossel (2) und einem Kondensator (12), die dem Gleich richter (1) zur Glättung des Gleichstromes nachgeschaltet sind, und mit
- einem ersten Spannungsdetektor (4) und einem ersten Stromdetektor (5) zur Steuerung und Regelung des Gleichrichters (1) über eine erste Steuer- und Regeleinrichtung (9) so, daß die Gleichrichter- Ausgangsspannung geregelt und der Gleichrichter-Ausgangsstrom begrenzt ist, gekennzeichnet durch
- einen zweiten Stromdetektor (15) und eine diesem nachgeordnete Phasenverzögerungsschaltung (16), die bezüglich eines auf die Ausgangsfrequenz f des Wechselrichters (11) zurückzufüh renden 2f-Wechselstromanteils im Eingangs-Gleichstrom (i₁) des Wechselrichters (11) eine derartige Rückkopplung zu der Steuer- und Regeleinrichtung (9) bewirkt, daß dieser 2f-Anteil vom Gleichrichter (1) erzeugt und in den Gleichstromzwischen kreis abgegeben wird;
- - wozu die Phase des 2f-Anteils im Eingangs-Gleichstrom (i₁) des Wechselrichters (11) in der Phasenverzögerungsschaltung (16) um 90° verzögert (Signal V₁) und um 180° invertiert wird (Signal V_cref).

2. Umrichter nach Anspruch 1, mit einer Stromsteuerschaltung (7), die der Steuer- und Regeleinrichtung (9) vorgeschaltet ist und der Begrenzung der Stromstärke des Gleichstromes dient, da durch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der Phasenverzöge rungsschaltung (26) an die Stromsteuerschaltung (7) gelegt ist (Fig. 6).

3. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Eingangsstromes (i₁) durch den zweiten Strom detektor (15) der Ausgangsstrom des Wechselrichters (11) erfaßt und auf der Grundlage der Schaltsignale für den Wechselrichter gleichgerichtet wird, um ein dem Eingangsstrom äquivalentes Signal zu erhalten (Fig. 7).

4. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Eingangssignal der Phasenverzögerungsschaltung (16) der Strom oder die Spannung am Glättungskondensator (12) für den Gleichstrom aufgenommen wird (Fig. 8).