DE3738694A1 - Verfahren und anordnung zur steuerung eines pulswechselrichters mittels eines pulsmustergenerators - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung eines Puls­ wechselrichters mittels eines Pulsmustergenerators, wie es im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher definiert ist.

Wechsel- bzw. Drehstromantriebe können vorteilhaft mit pulsbreitenmodulierten Wechselrichtern mit variabler Frequenz und Spannung versorgt werden. Für die Ansteuerung der Wechselrichter dienen im allgemeinen sogenannte Pulsmustergeneratoren, in denen Pulsmuster erzeugt werden, die über eine Zündfolgelogik gegeben und in Impulsendstufen verstärkt als Zünd-Löschim­ pulse Verwendung finden. Diese Pulsmuster oder Stellbefehle können extrem oberschwingungsarm z. B. in sogenannten Unterschwingungsverfahren erzeugt werden, bei dem ein Vergleich einer sinusförmigen Spannung mit einer symmetrisch höherfrequenten dreieckförmigen Spannung erfolgt. Die Frequenz der sinusförmigen Spannung entspricht dabei bei einer Motorsteuerung der Ständerfrequenz f₁ und die dreieckförmige Spannung f _Dr - bis zur Amplituden­ gleichheit beider Spannungen - einer Pulsfrequenz. Über die Schnittpunkte der überlagerten sinusförmigen und dreieckförmigen Kurven ergibt sich ein der Steuerung zugrundeliegendes Pulsmuster. Informationen darüber sind z. B. IEEE Transactions of Industry and General Applications Nov./Dec. 1967, S. 501, 502 entnehmbar. Im übrigen wird auf Fig. 1 dieser Anmeldung ver­ wiesen. Dort ist eine mit einer Dreieckfrequenz f _Dr überlagerte Sinusfre­ quenz f₁ (Ständerfrequenz) in verschiedenen Modulationsgraden, d. h. mit verschiedenen Amplituden a bis e entnehmbar. Darunter sind die verschie­ denen daraus ableitbaren Pulsmuster einer Periode mit der Zahl der Pulse von 15 bis 1 (Vollaussteuerung) dargestellt. Erkennbar ist, daß mit größer­ werdender Amplitude  der Sinusfrequenz die Zahl der Schnittpunkte und damit die Zahl der Pulse pro Periode bei gleichbleibender Amplitude A der Dreieckspannung stark abnimmt, von z. B. 15 (Kurve a) auf 1 (Kurve e) bei einer Aussteuerung

von 1 auf <3,236 (Â=Scheitelwert). Trotz Vollaussteue­ rung steigt der erzielbare Effektivwert U _{eff 1} nur unwesentlich von 1 auf 1,27 (Grundfrequenztaktung). Mit höher werdender Dreieckfrequenz ergeben sich mehr Schnittpunkte, mit größerer Amplitude der Sinuskurve weniger. Bei höherer Amplitude der Sinusspannung gegenüber der Dreieckspannung (Übermodulation) ergeben sich ab einer gewissen Aussteuerung Schwierig­ keiten durch zu wenig Schnittpunkte bzw. Pulse, insbesondere wenn die beiden Spannungen frei und unsynchronisiert laufen, so daß schließlich Schwebungen im Ausgangsstrom des Wechselrichters auftreten, die nicht aus­ regelbar sind. Eine Antriebsregelung wird dann instabil. Ein Absinken der Pulse im unsynchronisierten Pulsbetrieb unter eine definierte Anzahl, z. B. 10, ist daher zu vermeiden.

Es ist dazu bekannt, die beiden Spannungen zunächst mit ihren verschiedenen Frequenzen unsynchronisiert frei laufen zu lassen. Erst vor dem Übergang in den Übermodulationsbereich A<1 wird dann synchroni­ siert. Bei größerer Sinusamplitude gegenüber der Dreieckamplitude (A<1; Übermodulation) würden sonst die erwähnten Schwierigkeiten durch Absinken der Pulsfrequenzen auftreten. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß die selbstgewählte Pulsfrequenz (z. B. 325 Hz, vgl. Fig. 2) nicht ge­ halten werden kann und unerwünscht hoch steigt. Aus Fig. 2 ist erkennbar, daß mit der steigenden Ständerfrequenz f₁ bis etwa 21 Hz zunächst die Puls­ frequenz von 325 Hz konstant gehalten werden kann, ab Punkt X würde dann die Kurve gemäß dem gewählten Synchronisationsfaktor, z. B. 15 (gestrichelte Linie, Fig. 2) nach einer Rampenfunktion ansteigen und dann bei höherer Aussteuerung (A)<1; f₁<28 Hz) mit der strichpunktierten Vertikallinie, die die Bereiche I und II trennt, wieder abfallen. Danach steigt sie mit geringerer Steigung wieder mit 13 Pulsen pro Periode f₁ an, punktierte Linie, fällt durch stärkere Übermodulation und den Wegfall von 2 weiteren Pulsen pro Halbperiode ab und geht auf die Vollinie für 9 Pulse pro Periode usw. über. Es ergibt sich damit ein gezackter, abfallender Verlauf der Puls­ frequenz bis zur Vollaussteuerung mit unerwünschten Frequenzspitzen bis 400 Hz im oberen Bereich. Erhöhte Pulsfrequenzen bedeuten erhöhte Schalt­ verluste im Wechselrichter.

Man kann dieses Ansteigen der Pulsfrequenz über eine selbstgesetzte Marke dadurch vermeiden, daß man die Ständerfrequenz und Dreieckfrequenz schon ab einer niedrigeren Ständerfrequenz, z. B. 2 Hz, voll synchronisiert. Die sich mit steigender Ständerfrequenz bei gleichbleibender Pulsfrequenz ändernden Synchronisatiosfaktoren bedingen jedoch ein vielfaches Um­ schalten - was sich in einem Vielfachsägezahnmuster bis zur Vollaussteue­ rung äußert - was das Verfahren aufwendig und teuer macht.

Aufgabe der Erfindung ist es, die geschilderten Nachteile der bekannten Verfahren auszuschalten und ein Verfahren zu schaffen, das weniger auf­ wendig ist und mit dem sich die Pulsfrequenzen sicher beherrschen lassen.

Diese Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie Anordnungen zur Durch­ führung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Anhand von schematischen Ausführungsbeispielen und Darstellungen zum Ver­ ständnis der Zusammenhänge wird die Erfindung im nachstehenden näher er­ läutert.

Es zeigt

Fig. 1 den Zusammenhang von Aussteuerung A und Grundschwingungseffektivwert U _{eff 1}

Fig. 2 das erfindungsgemäße Verfahren mit Puls­ frequenzbegrenzung und Dreieckfrequenzan­ hebung

Fig. 3 Schaltungsanordnung für einen Pulsmuster­ generator.

Auf die Fig. 1 wurde bereits Bezug genommen und diese ausführlich er­ läutert.

In Fig. 2 ist die erzielbare Pulsfrequenzbegrenzung nach dem erfindungs­ gemäßen Verfahren in Vollstrich dargestellt. Es sind die durch strich­ punktierte Vertikallinien getrennten Bereiche I bis IV erkennbar. Der Be­ reich I reicht bis zur Aussteuerung A=1, dem schließen sich die Über­ modulationsbereiche II bis IV mit A<1 an. Erkennbar ist, daß die Puls­ frequenz, hier 325 Hz, unsynchronisiert konstant gehalten wird, während die Ständerfrequenz f₁ (bis auf hier 28 Hz) bzw. die Aussteuerung A bis auf A=1 wächst. Nach der Erfindung wird jetzt noch für den Übergangs­ bereich II der unsynchronisierte Betrieb aufrecht erhalten, dabei jedoch die Dreieckfrequenz soweit angehoben, daß der durch die Übermodulation auftretende Pulsverlust (vgl. Fig. 1 und Beschreibung) im Pulsmuster durch zusätzliche Seitenimpulse im Mittel ausgeglichen wird. Die sich ein­ stellende Pulsfrequenz ist durch den unsynchronisierten Betrieb nur als Band gestrichelt darstellbar. Ab 29 Hz Ständerfrequenz (Bereich III) wird dann auf synchronisierten Betrieb, bei dem wie herkömmlich, die Pulsfre­ quenz auf verschiedenen, jedoch nur noch wenigen Kennlinien verläuft, über­ gegangen. So steigt sie nach Abfall zunächst auf der Kennlinie für 9 Pulse pro Periode wieder an, um bei ca. 33 Hz dann auf 5 Pulse pro Periode und bei 35 Hz auf Grundfrequenztaktung überzugehen. Deutlich erkennbar ist, daß die vorgewählte Pulsfrequenz von hier 325 Hz nun nicht mehr über­ schritten wird, obwohl der Betrieb weitgehend unsynchronisiert erfolgt. Kriterium für die Umschaltung vom unsynchronen auf synchronen Betrieb ist, daß eine Pulskennlinie erreicht ist, bei der das selbstgewählte Pulsfrequenz­ maximum nicht mehr überschritten wird.

In Fig. 3 ist die Schaltung eines Pulsmustergenerators nach der Erfindung dargestellt. Danach werden die Sollwerte der Ständerfrequenz f₁ und der Aussteuerung A einem 3-Phasen-Sinusbildner 2 zugeführt, der die Sinus­ spannung liefert. Die erforderliche Dreieckfrequenz wird von zwei Dreieck­ generatoren 5 und 6 geliefert, die von verschiedenen Kennliniengebern 7 und 8 gesteuert werden. Dabei dient der Kennliniengeber 7 einer aus­ steuerungsabhängigen Dreieckfrequenzanhebung im unsynchronisierten Betrieb II und der Kennliniengeber 8 der Dreieckfrequenzbildung bei synchronisiertem Betrieb III und IV. Die Dreieckgeneratoren werden von einem Umschalter 9 wahlweise über ein Multiplikationsglied 3 auf einen Pulsbildungkomparator 1 ge­ schaltet, in dem daraus die Pulsmuster generiert werden. Mit 4 ist noch ein Übermodulationskennliniengeber bezeichnet, der die Amplitude der Dreieckfrequenz abhängig von der Aussteuerung überproportional absenkt. Dies ist äquivalent einer aussteuerungsabhängigen Anhebung der Amplitude der Sinusspannung, jedoch hier einfacher zu realisieren. Mit 10 ist noch ein Schwellenwertgeber bezeichnet, der den Umschalter abhängig von der Aus­ steuerung A steuert. Die Funktionsgruppen 1 bis 10 (strichpunktiert um­ rahmt) machen den eigentlichen Pulsmustergenerator aus. Mit 11 sind der Vollständigkeit halber noch eine Zündfolgelogik und mit 12 Impulsendstufen angedeutet, aus denen die Zünd-Löschimpulse für die GTO-Thyristoren der Pulswechselrichter abnehmbar sind. Der Kern der Erfindung manifestiert sich in den zusätzlichen Funktionsgruppen 5, 7, 9, 10.

Durch den Übergangsbereich II mit der Dreieckfrequenzanhebung werden Schwingungen im Strom vermieden und diese können sich im anschließenden Bereich III trotz niedriger Pulszahl pro Periode wegen der Synchronisation zwischen Sinus- und Dreieckfunktion ebenfalls nicht auswirken. Auch da­ durch, daß im synchronisierten Bereich III durch Übermodulation die Puls­ musterwechsel automatisch vonstatten gehen, ist ein einfacher Aufbau des Pulsmustergenerators möglich. Durch weitere Übermodulation gelangt man dann in den Bereich IV, der sogenannten Grundfrequenztaktung, wo nicht mehr gepulst wird.

Obwohl der Pulsmustergenerator vorwiegend für hohe Pulsfrequenzen ge­ eignet ist, erlaubt die erfindungsgemäße Einfügung des Übergangsbereiches II auch die Anwendung bei Anlagen mit niedrigen Pulsfrequenzen.

Claims (8)

1. Verfahren zur Steuerung eines Pulswechselrichters mittels eines Puls­ mustergenerators, der durch Überlagerung und Schnittpunktbildung zweier Spannungen, einer Sinus-Wechselspannung mit einer zunächst un­ synchronisierten Dreieck-Wechselspannung ein Pulsmuster erzeugt, aus dem die Potentialstellbefehle für den Wechselrichter abgeleitet werden, wobei bei höherer Aussteuerung eine Synchronisation der Dreieck- Wechselspannung mit der Sinuswechselspannung erfolgt und in den Über­ modulationsbereich übergegangen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Dreieck-Wechselspannung als Dreieckfrequenz (f _Dr) un­ synchronisiert bis in einen Übergangsbereich (II) nach Beginn der Über­ modulation (A<1) vorgegeben wird, daß ab Beginn der Übermodulation zusätzlich eine Frequenzanhebung der Dreieckfrequenz (f _Dr) erfolgt und daß erst danach eine Synchronisation mit der Sinus-Wechselspannung durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unsynchronisierte Frequenzanhebung der Dreieckfrequenz (f _Dr) nach einer Kennlinie erfolgt, die abhängig vom Grad der Aussteuerung A ist, wobei Kriterium für die Frequenzanhebung das Unterschreiten einer Mindestpulszahl pro Periode der Sinus-Wechselspannung im Pulsmuster des Pulsmustergenerators ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mindestpulszahl pro Periode der Sinus-Wechselspannung den Wert 10 nicht unterschreitet.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die unsynchronisierte Frequenzanhebung vorzugsweise linear erfolgt.

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pulsbildungskomparator (1) an den Ausgang eines von Sollwerten der Ständerfrequenz (f₁) und der Aussteuerung (A) gesteuerten 3-Phasen-Sinusbildners (2) und eines Multiplikationsgliedes (3) angeschlossen ist und letzteres die Ausgabe­ werte eines von der Aussteuerung (A) beeinflußten Übermodulations- Kennliniengebers (4) mit der Frequenz von jeweils einem von zwei umschaltbaren Dreieck- Frequenzgeneratoren (5, 6) multipliziert.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß von einem Dreieck-Frequenzgenerator (5), der einen Kennliniengeber (7) mit einer Kennlinie für unsynchronisierte Dreiecksfrequenzbildung und aussteuerungsabhängiger Anhebung der Dreieckfrequenz aufweist, auf einen Dreieckfrequenzgenerator (6) umgeschaltet wird, der an einen Kennliniengeber (8) für synchronisierte, frequenzabhängige Dreiecks­ frequenzbildung angeschlossen ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Dreieck-Frequenzgeneratoren (5, 6) mit dem Multiplika­ tionsglied (3) über einen Umschalter (9) verbunden sind, der über ein Schwellwertglied (10) von der Aussteuerung (A) beeinflußt wird.

8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kennliniengeber (8) für synchronisierte frequenzabhängige Dreieck- Frequenzbildung an die Ständerfrequenz (f₁) angeschlossen ist.