DE3738694C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung eines Pulswechselrich­ ters 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 An­ steuerung der Wechselrichter dienen im allgemeinen sogenannte Pulsmustergenera­ toren, in denen Pulsmuster erzeugt werden, die über eine Zündfolgelogik gegeben und in Impulsendstufen verstärkt als Zünd-Löschimpulse Verwendung finden. Diese Pulsmuster oder Stellbefehle können extrem oberschwingungsarm, z. B. in sogenannten Unterschwingungsverfahren, erzeugt werden, bei dem ein Vergleich einer sinusför­ migen Spannung mit einer symmetrisch höherfrequenten dreieckförmigen Spannung er­ folgt. Die Frequenz der sinusförmigen Spannung entspricht dabei bei einer Motor­ steuerung der Ständerfrequenz f₁ und die dreieckförmige Spannung f _Dr - bis zur Amplitudengleichheit beider Spannungen - der Pulsfrequenz. Über die Schnittpunkte der überlagerten sinusförmigen und dreieckförmigen Kurven ergibt sich das der Steuerung zugrunde liegende Pulsmuster.

Ein Verfahren - wie es im Oberbegriff des Anspruches 1 vorausgesetzt wird - ist z. B. der Siemens-Zeitschrift 45 (1971), H. 3, S. 154 bis 156, im Aufsatz von Konrad Heintze "Pulswechselrichter zur Drehzahlsteuerung von Asynchronmaschinen" entnehmbar. Dort erzeugt der Pulsmustergenerator das Pulsmuster für die Potential­ stellbefehle für den Wechselrichter zunächst mit einer unsynchronisierten Abtast- Dreieckwechselspannung. Es ergibt sich eine Phasenspannung, deren Mittelwert an­ nähernd proportional dem Augenblickswert der Referenzspannung in diesem Abschnitt ist. Aus Gründen des Oberschwingungsspektrums wird die Pulsfrequenz so hoch wie möglich gewählt, jedoch ist die maximale Pulsfrequenz durch die Schaltverluste im Wechselrichter gegeben, da diese mit der Schaltfrequenz zunehmen. Bei höherer Aussteuerung erfolgt dann eine Synchronisation der zunächst frei laufenden Drei­ eck-Wechselspannung mit der Sinus-Wechselspannung, um Schwebungen innerhalb der Oberschwingungsspektren der Leiterspannungen zu vermeiden. In diesem synchroni­ sierten Bereich müssen dann Pulsumschaltungen durch Umschaltung des Frequenz­ vielfachen von Dreieckfrequenz und Sinus-Frequenz vorgenommen werden, um die Puls­ frequenz nicht unerwünscht hochsteigen zu lassen, was die Verluste erhöht.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das weniger aufwendig ist und mit dem sich dei Pulsfrequenz sicher beherrschen läßt.

Diese Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 dadurch gelöst, daß bei höherer Aussteuerung in den Übermodulationsbereich übergegangen wird, wobei die Dreieck-Wechselspannung als Dreieckfrequenz f _Dr unsynchronisiert bis in einen Übergangsbereich II nach Beginn der Übermodulation A<1 vorgegeben wird, daß ab Beginn der Übermodulation zusätzlich eine Frequenzanhebung der Drei­ eckfrequenz f _Dr erfolgt und daß erst danach eine Synchronisation mit der Sinus- Wechselspannung durchgeführt wird.

Zwar ist bereits ein Pulsbildungsverfahren zum Betrieb eines Pulswechselrichters bekannt, bei dem bei höherer Aussteuerung Übermodulation mit überproportionaler Anhebung der Steuerspannung (Sinus-Amplitude) erfolgt, doch geschieht das grund­ legend anders nur im synchronisierten Bereich und nicht bereits im unsynchroni­ sierten Übergangsbereich (DE-OS 32 04 266).

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

Anhand von schematischen Ausführungsbeispielen und Darstellungen zum Verständnis der Zusammenhänge wird die Erfindung im nachstehenden näher erläutert. 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 Pulsmustergenerator.

Der Fig. 1 ist der für das Verständnis der Erfindung wesentliche grundlegende Zusammenhang von Aussteuerung A und Grundschwingungs-Effektivwert U _{ee 1} ent­ nehmbar. Dort ist eine mit einer Dreiecksfrequenz f _Dr überlagerte Sinusfrequenz f₁ (Ständerfrequenz) in verschiedenen Modulationsgraden, d. h. mit verschiedenen Amplituden a bis e dargestellt. Darunter sind die verschiedenen daraus ableit­ baren Pulsmuster einer Periode mit der Zahl der Pulse von 15 bis 1 (bei Voll­ aussteuerung) ausgewiesen. 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 Dreiecksspannung stark abnimmt, von z. B. 15 Pulsen (Kurve a) auf nur 1 Puls (Kurve e) bei einer Vergrößerung der Aus­ steuerung A = von 1 auf <3,236 ( bedeutet Scheitelwert). Trotz Vollaussteuerung steigt der erzielbare Effektivwert U _{eff 1} jedoch nur unwesentlich von 1 auf 1,27 (Grundfrequenztaktung). Erkennbar ist auch, daß mit höher werdender Dreiecksfrequenz sich mehr Schnittpunkte ergeben, mit größerer Amplitude der Sinus­ kurve dagegen weniger. Bei höherer Amplitude der Sinusspannung gegenüber der Drei­ eckspannung (sogenannte Übermodulation) ergeben sich somit ab einer gewissen Aus­ steuerung Schwierigkeiten durch zu wenig Schnittpunkte bzw. Pulse, insbesondere wenn beide Spannungen frei und unsysnchronisiert laufen, so daß schließlich Schwe­ bungen im Ausgangsstrom des Wechselrichters auftreten, die nicht ausregelbar sind. Eine Antriebsregelung wird dann instabil. Ein Absinken der Pulse unter eine defi­ nierte Anzahl, z. B. 10, ist im unsynchronisierten Pulsbetrieb daher zu vermeiden. Eine Synchronisation ist daher irgendwann vorzunehmen. Wird die Synchronisation vor dem Übergang in den Übermodulationsbereich A<1 vorgenommen, ergibt sich der Nachteil, daß eine selbstgewählte Pulsfrequenz (z. B. 325 Hz, vgl. Fig. 2) nicht gehalten werden kann und unerwünscht hoch steigt. Aus Fig. 2 ist erkennbar, daß bei einer Synchronisation bei etwa 21 Hz mit der steigenden Ständerfrequenz f₁ die Pulsfrequenz von 325 Hz nur bis etwa f₁ = 21 Hz konstant gehalten werden kann. Ab Punkt X würde dann die Kurve gemäß einem gewählten Synchronisations­ faktor, z. B. hier 15 (gestrichelte Linie, Fig. 2) nach einer steilen Rampenfunk­ tion ansteigen. Bei höherer Aussteuerung (ab A<1; f₁<28 Hz) würde die Puls­ frequenz wieder abfallen, und zwar entlang der strichpunktierten Vertikallinie, die die Bereiche I und II trennt. Danach würde die Kurve wieder mit geringerer Steigung entsprechend einem gewählten Synchronisationsfaktor mit 13 Pulsen pro Periode f₁ ansteigen entlang der punktierten Linie 13. Dann würde durch stärkere Übermodulation und Wegfall von zwei weiteren Pulsen pro Halbperiode die Kurve wieder vertikal abfallen und auf die Vollinie 9 für 9 Pulse pro Periode usw. übergehen. Es übergibt sich damit ein gezackter, abfallender Verlauf der Puls­ frequenz bis zur Vollaussteuerung mit unerwünschten Frequenzspitzen bis 400 Hz im oberen Bereich. Erhöhte Pulsfrequenzen bedeuten - wie bereits erwähnt - er­ höhte Schaltverluste im Wechselrichter.

Man kann dieses Ansteigen der Pulsfrequenz über eine selbst gesetzte Marke da­ durch vermeiden, daß man die Ständerfrequenz und Dreiecksfrequenz schon ab einer niedrigeren Ständerfrequenz, z. B. 2 Hz, vollsynchronisiert. Die sich mit stei­ gender Ständerfrequenz bei gleichbleibender Pulsfrequenz ändernden Synchronisationsfaktoren bedingen jedoch ein vielfaches Umschalten - was sich in einem Vielzahlsägezahnmuster bis zur Vollaussteuerung äußert, was ein solches Ver­ fahren aufwendig und teuer macht.

In Fig. 2 ist die nunmehr nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbare Puls­ frequenzbegrenzung 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 aufrechterhalten, dabei jedoch die Dreieckfrequenz so weit 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 von unsynchronem 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 Pulsmuster­ generators, der durch Überlagerung und Schnittpunktbildung zweier Spannungen, einer Sinus-Wechselspannung mit einer zunächst unsynchronisierten 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, dadurch gekennzeichnet, daß bei höherer Aussteuerung in den Übermodulationsbereich übergegangen wird, wobei die Dreieck-Wechselspannung als Dreieckfrequenz (f _Dr ) unsyn­ chronisiert bis in einen Übergangsbereich (II) nach Beginn der Übermodulation (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.