DE3807305A1 - Binary current and voltage monitor for self-commutated converter systems - Google Patents
Binary current and voltage monitor for self-commutated converter systemsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Binären Strom- und Spannungsbeobachter für selbstgeführte Stromrichteranlagen, insbesondere eine Schaltungsanordnung zur potentialfreien und computergerechten Erfassung der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms eines Gleichstromstellers ohne analoge Meßglieder.The invention relates to a binary current and voltage observer for self-commutated converter systems, especially one Circuit arrangement for potential-free and computer-compatible detection the output voltage and the output current of a DC chopper without analog measuring elements.
Gleichstromsteller arbeiten als Umrichter, indem sie aus einer festen Gleichspannung eine variable Gleichspannung durch Pulsbreitenmodulation erzeugen. Haupteinsatzgebiete für Gleichstromsteller sind hochdynamische Gleichstromantriebe sowie Frequenzumrichter für geregelte Drehstromantriebe.DC choppers work as inverters by moving from a fixed DC voltage a variable DC voltage through pulse width modulation produce. The main areas of application for DC controllers are highly dynamic DC drives and frequency converters for regulated Three-phase drives.
Die Regelung der Ausgangsgrößen eines Gleichstromstellers erfolgt über das Tastverhältnis; d. h. der Einschaltdauer bezogen auf die Periodendauer der Taktfrequenz. Die potentialfreie Erfassung der Strom- und Spannungsistwerte ist mit erheblichem Aufwand verbunden. Im Falle einer digitalen Strom- und Spannungsregelung muß in die Meßkette eine analoge Schnittstelle, bestehend aus Analog/Digital Wandler, Abtast-Halte Glied und Multiplexer, eingeschleift werden. Durch die stark verzerrte Kurvenform der Ausgangsgrößen, können bei der Abtastung und Digitalisierung erhebliche Fehler auftreten. Dies führt unter ungünstigen Umständen zur Instabilität der Regelkreise, dem sogenannten Schwingungen.The output variables of a DC chopper are regulated about the duty cycle; d. H. the duty cycle related to the Period of the clock frequency. The potential-free detection of the Current and voltage actual values are associated with considerable effort. In the case of digital current and voltage control, the Electrode an analog interface, consisting of analog / digital Converters, sample-and-hold devices and multiplexers can be looped in. Due to the strongly distorted curve shape of the output variables, Significant errors occur during scanning and digitization. Under unfavorable circumstances, this leads to instability of the control loops, the so-called vibrations.
Eine Erhöhung der Abtastrate und damit eine Verringerung des Meßfehlers ist bei der rechnerorientierten Ansteuerung von Gleichstromstellern gar nicht oder nur mit hohem Aufwand, wie z. B. Multiprozessorbetrieb, möglich. Dem steht jedoch die Forderung nach kostengünstigen Geräteeinheiten entgegen. Es ist außerdem bekannt, zur Istwertbildung einen Zustandsbeobachter der modernen Regelungstheorien (Föllinger, O.: Regelungstechnik, 2. Aufl., Berlin, Elitera-Verlag, 1978) einzusetzen, der über ein lineares Modell des Stellgliedes und der Regelstrecke die entsprechenden Zustandsgrößen schätzt. An increase in the sampling rate and thus a reduction in the measurement error is the computer-oriented control of DC power controllers not at all or only with great effort, such as. B. Multiprocessor operation possible. However, this is the requirement towards inexpensive device units. It is also known, a status observer of the modern Control theories (Föllinger, O .: control technology, 2nd ed., Berlin, Elitera-Verlag, 1978), which uses a linear Model of the actuator and the controlled system the corresponding State variables estimates.
Dabei ist es allerdings nötig, bestimmte Systemgrößen dem Zustandsbeobachter zuzuführen, was wiederum das Vorhandensein von Sensoren erforderlich macht. Außerdem berücksichtigen Zustandsbeobachter nicht die starken Nichtlinearitäten der Regelstrecke, so daß bei den bekannten Anordnungen dieser Art die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom eines Gleichstromstellers nur ungenau geschätzt werden kann. Darüber hinaus sind solche Anordnungen für die Realisierung mit analogen Schaltkreisen konzipiert, weshalb eine Realisierung auf digitaler Basis zu aufwendig wird und somit für moderne Antriebsregelungen mit Mikroprozessoren ausscheidet.However, it is necessary to inform the condition observer of certain system sizes feed, which in turn is the presence sensors. Also take into account State observers do not consider the strong nonlinearities of the Controlled system, so that in the known arrangements of this type the output voltage and the output current of a DC chopper can only be estimated imprecisely. Beyond that such arrangements for the realization with analog circuits conceived, which is why a realization on digital The basis becomes too complex and therefore for modern drive controls with microprocessors.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend genannten Nachteile bei der Strom- und Spannungsistwerterfassung in Gleichstromstellern der eingangs genannten Art zu beseitigen und eine potentialfreie Strom- und Spannungsistwertbildung zu schaffen, die einfach in der Anwendung und zuverlässig und genau in der Wirkungsweise ist und sich leicht in digitale Strom- und Spannungsregelkreise implementieren läßt.The invention has for its object the above Disadvantages with current and voltage actual value acquisition to eliminate in DC choppers of the type mentioned and a potential-free current and voltage actual value formation create easy to use and reliable and accurate is in operation and easy in digital electricity and Can implement voltage control loops.
Erreicht ist dieses Ziel dadurch, daß der Binäre Strom- und Spannungsbeobachter eine digitale Simulierschaltung enthält, die aus binären Eingangsinformationen über eine Rechenvorschrift den tatsächlichen Wert der Ausgangsgrößen des Gleichstromstellers on-line berechnet und als digiale Istwerte bereitstellt.This goal is achieved in that the binary current and Voltage observer contains a digital simulation circuit that from binary input information via a calculation rule actual value of the output variables of the DC chopper calculated online and provided as digital actual values.
Eine bevorzugte Ausführungsform ist in den Ansprüchen 1 bis 5 gekennzeichnet.A preferred embodiment is in claims 1 to 5 featured.
Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert:The invention is explained in more detail below with reference to the drawing:
Es zeigtIt shows
Fig. 1 Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung, Fig. 1 Block diagram of a preferred embodiment of the invention,
Fig. 2 Strom- und Spannungsdiagramm mit binären Stromrichtergrößen, Fig. 2 current and voltage diagram showing binary converter sizes,
Fig. 3 Graphsiche Darstellung der Beobachterfunktionen. Fig. 3 graphical representation of the observer functions.
Wie oben beschrieben, liegt das schwerwiegendste Problem der analogen Schnittstellen digitaler Regelkreise mit Gleichstromstellern in der exakten, potentialfreien und computergerechten Erfassung von stark oberwellenbehafteten Strömen und Spannungen bei vertretbarem Aufwand, und deshalb befaßt sich die vorliegende Erfindung mit der Lösung dieses Problems.As described above, the most serious problem is the analog interfaces of digital control loops with DC choppers in the exact, potential-free and computer-friendly Acquisition of high harmonic currents and voltages with reasonable effort, and that is why this is concerned Invention with the solution to this problem.
Der in Fig. 1 gezeigt Binäre Strom- und Spannungsbeobachter (A) für Gleichstromsteller (B) mit Freilaufzweig enthält pro Ventil einen Komparator 1, eine galvanische Trennung 2, logische Verknüpfungsglieder 3, 4, Digitalisierungsstufen 5 und ein Rechenwerk 6, indem über eine Rechenvorschrift der arithmetische Mittelwert der Ausgangsgröße U z und I z in Abhängigkeit von Schaltinformationen des Stromrichters λ, u berechnet wird.The inFig. 1 shown binary current and voltage monitors(A) for DC controllers(B) with free-wheeling branch contains per valve a comparator1, a galvanic isolation2nd, logical links 3, 4, Digitization levels 5 and an arithmetic unit 6by using an arithmetic mean the initial sizeU e.g. andI. e.g. depending on switching information of the converterλ,u is calculated.
Nach der vorliegenden Erfindung wird somit ein softwareorientiertes Verfahren zur Ermittlung der Zustandsgrößen U z , I z geschaffen, das ohne analoge Messungen auskommt und den ermittelten Strom- und Spannungsistwert als digitale Größen zur Verfügung stellt. Die binären Eingangsinformationen λ B , u B werden aus den Sperrspannungen der Stromrichterventile gewonnen, da diese im Schaltbetrieb arbeiten. Zu diesem Zwecke werden die Sperrspannungen einem Schwellschalter 1 zugeführt, der die Sperrspannung auf Werte nahe Null abfragt und an seinem Ausgang ein periodisches, pulsbreiten-moduliertes Signal abgibt, das der Leitdauer des betrachteten Ventils entspricht. Die galvanische Trennung 2 der binären Signale läßt sich am einfachsten optoelektronisch erreichen. Ein nachgeschalteter Schmitt-Trigger 3 garantiert die nötige Flankensteilheit der Leitdauer des Gleichstromstellers. Die UND-Verknüpfung der Leitdauern sämtlicher Ventile ergibt die Überlappung vorhandener Kommutierungsvorgänge vom Gleichstromsteller auf den Freilaufzweig. Die Auszählung und Digitalisierung der periodisch wiederkehrenden Längen der Leitdauer λ und der Überlappung u erfolgt mit Zählerbausteinen 5, so daß es möglich ist, λ und u mit hoher Genauigkeit festzustellen. According to the present invention, a software-oriented method for determining the state variables U z , I z is thus created, which does not require any analog measurements and makes the current and voltage actual value as digital variables available. The binary input information λ B , u B are obtained from the blocking voltages of the converter valves, since they operate in switching mode. For this purpose, the blocking voltages are fed to a threshold switch 1 , which queries the blocking voltage to values close to zero and outputs a periodic, pulse-width-modulated signal at its output, which corresponds to the duration of the valve under consideration. The easiest way to achieve electrical isolation 2 of the binary signals is optoelectronic. A downstream Schmitt trigger 3 guarantees the necessary slope of the lead time of the DC chopper. The AND operation of the lead times of all valves results in the overlap of existing commutation processes from the DC chopper to the freewheeling branch. The counting and digitization of the periodically recurring lengths of the lead time λ and the overlap u is carried out with counter modules 5 , so that it is possible to determine λ and u with high accuracy.
Die Digitalisierung der Leitdauer λ kann für den Fall entfallen, daß das Rechenwerk 6 nicht nur die Rechenvorschrift des Binären Strom- und Spannungsbeobachters aufnimmt, sondern auch die Regelung und Steuerung des Stromrichters durchführt.The digitization of the lead time λ can be omitted in the event that the arithmetic unit 6 not only records the arithmetic rule of the binary current and voltage observer, but also carries out the regulation and control of the converter.
Die Rechenvorschrift, in die λ und u einzusetzen sind, lautet für den arithmetischen Mittelwert der Ausgangsspannung des Gleichstromstellers:The calculation rule in which λ and u are to be used is for the arithmetic mean of the output voltage of the DC chopper:
Die Rechenvorschrift für den arithmetischen Mittelwert des Ausgangsstroms lautet:The calculation rule for the arithmetic mean of the output current reads:
Die Konstante c₁ enthält im wesentlichen die Kommutierungskapazität des Gleichstromstellers und c₂ die Glättungsinduktivität der Ausgangsseite.The constant c ₁ essentially contains the commutation capacity of the DC chopper and c ₂ the smoothing inductance of the output side.
Der one-line berechnete Strom- und Spannungsistwert gemäß der Beobachtergleichungen (1) und (2) kann einem Strom- und Spannungsregler zugeführt werden, da das Rechenwerk diese Gleichungen in Zeitabständen berechnet, die kleiner als die Totzeit des Stromrichters sind. Die dargestellte und beschriebene Ausführung ist nur ein Beispiel zur Verwirklichung der Erfindung.The one-line calculated current and voltage actual value according to the observer equations (1) and (2) can be a current and voltage regulator are fed because the arithmetic equations at intervals calculated that is less than the dead time of the converter are. The version shown and described is only an example for realizing the invention.
Fig. 2 zeigt die im Binären Strom- und Spannungsbeobachter für Gleichstromsteller mit Leistungstransistoren erzeugten periodischen Stromrichtersignale λ B und u B bzw. λ und u über dem zeitlichen Verlauf der Ausgangsgrößen U z und I z , deren arithmetische Mittelwerte der beschriebene Binäre Strom- und Spannungsbeobachter durch Rechnung bestimmt. Bei Bedarf lassen sich die Effektivwerte sämtlicher Harmonischer der Ausgangsgrößen als Funktion von λ und u ebenfalls schätzen. Fig. 2, the periodic power converter signals generated in the binary current and voltage observer for DC-DC converter with power transistors shows λ B and u B or λ and u z U over the time course of the output variables and I z, the arithmetic mean values of the binary current and voltage observer described determined by invoice. If necessary, the RMS values of all harmonics of the output variables can also be estimated as a function of λ and u .
Im Falle von Gleichstromstellern mit Haupt- und Löschthyristoren ergeben sich geringfügige Abweichungen von diesen Verläufen, so daß eine Anpassung der Beobachtergleichungen (1) und (2) vorzunehmen ist. U G ist die konstante Gleichspannung am Eingang des Gleichstromstellers. Die Kommutierungsvorgänge des Ausgangsstroms vom Transistor auf den Kommutierungskondensator und von der Freilaufdiode auf den Transistor laufen vergleichsweise schnell ab, so daß ihr Einfluß in guter Näherung unberücksichtigt bleiben kann. Die Überlappung (u) in Fig. 2 wurde aus Darstellungsgründen breiter als in Wirklichkeit gezeichnet.In the case of direct current controllers with main and quenching thyristors, there are slight deviations from these profiles, so that the observer equations (1) and (2) must be adapted. U G is the constant DC voltage at the input of the DC chopper. The commutation processes of the output current from the transistor to the commutation capacitor and from the free-wheeling diode to the transistor take place comparatively quickly, so that their influence can be ignored to a good approximation. The overlap (u) in FIG. 2 has been drawn wider than in reality for reasons of illustration.
Fig. 3 zeigt die graphische Darstellung der Beobachterfunktionen für die Ausgangsspannung (U z ) gemäß Gleichung (1) und für den Ausgangsstrom (I z ) gemäß Gleichung (2) als Funktion der beiden charakteristischen Stromrichtergrößen λ und u, die sich leicht aus binären Signalen gewinnen lassen. Im Gegensatz zur Spannung zeigt der Strom starke Nichtlinearitäten in Richtung von λ und u. Der angegebene Wertbereich für λ und u entspricht dem eines Gleichstromstellers im Bereich einiger KW Ausgangsleistung. Fig. 3 shows the graphical representation of the observer functions for the output voltage (U z ) according to equation (1) and for the output current (I z ) according to equation (2) as a function of the two characteristic converter variables λ and u , which are easily derived from binary signals to let win. In contrast to the voltage, the current shows strong non-linearities in the direction of λ and u . The specified value range for λ and u corresponds to that of a DC chopper in the range of a few KW output power.
Ein erfindungsgemäßer Binärer Strom- und Spannungsbeobachter für Gleichstromsteller, der durch Auswertung binärer Stromrichterinformationen analoge Messungen (Sensoren) überflüssig macht, bereitet in der Realisierung und beim Einsatz in Stromrichteranlagen keine Schwierigkeiten. Der Kostenaufwand ist äußerst gering. Die Genauigkeit des berechneten Strom- und Spannungsistwertes durch den beschriebenen Binären Strom- und Spannungsbeobachter liegt insbesondere im Bereich kleiner Aussteuerungen höher als bei analogen Schnittstellen digitaler Regler. Dies bedeutet ferner, daß beim Einsatz von Binären Strom- und Spannungsbeobachtern auf zusätzliche Einrichtungen zur Potentialtrennung verzichtet werden kann. Abhängigkeiten des Binären Strom- und Spannungsbeobachters von Parameterschwankungen des Verbrauchers sind nicht vorhanden. A binary current and voltage observer according to the invention for DC chopper, which is evaluated by evaluating binary converter information makes analog measurements (sensors) superfluous, prepares in the implementation and when used in converter systems none Difficulties. The cost is extremely low. The precision the calculated current and voltage actual value by the described Binary current and voltage observers in particular in the area of small modulations higher than with analog interfaces digital controller. This also means that when using Binary current and voltage monitors on additional facilities can be dispensed with for electrical isolation. Dependencies of Binary current and voltage monitor of parameter fluctuations of the Consumers are not available.
Es versteht sich von selbst, daß Binäre Strom- und Spannungsbeobachter in bestehende, digital geregelte Gleichstromsteller auch nachträglich noch implementiert werden können. Eine Erweiterung des Binären Strom- und Spannungsbeobachters für Thyristorsteller ist ohne weiteres möglich. Im Falle von Frequenzumrichtern mit Gleichstromstellern im Zwischenkreis gestattet der beschriebene Binäre Strom- und Spannungsbeobachter die sensorlose Regelung der Asynchronmaschine.It goes without saying that binary current and voltage observers in existing, digitally controlled DC controllers can still be implemented later. An extension of the binary current and voltage monitor for thyristor controllers is easily possible. In the case of frequency converters with The described allows DC controllers in the intermediate circuit Binary current and voltage monitors the sensorless control of the Asynchronous machine.
Claims (5)
Einem ventilseitigen Komparator (1), dessen Ausgangsinformation den Schaltzustand der Stromrichterventile (B) wiedergibt, einer nachgeschalteten Einrichtung zur galvanischen Trennung (2) der mit hohem Potential behafteten binären Eingangsgrößen, einem Logiknetzwerk (3) und (4) für die Bestimmung der pulsbreitenmodulierten Stromrichterinformationen, einer Einrichtung (5) für die Digitalisierung der Ausgangsinformationen von (3) und (4) und einem Rechenwerk (6) zur Abarbeitung einer Rechenvorschrift, deren Ergebnis dem Wert des Stroms und der Spannung am Verbraucher (C) entspricht.1. Binary current and voltage observer for self-commutated converter systems, in particular direct or three-phase drives with direct current controllers, in which the actual value formation of the current and the voltage at the consumer takes place without analog sensors and signal processing, characterized in that this circuit arrangement is an observer (A) , which consists of the following components:
A valve-side comparator ( 1 ), the output information of which reflects the switching status of the converter valves (B) , a downstream device for electrical isolation ( 2 ) of the binary input variables with high potential, a logic network ( 3 ) and ( 4 ) for determining the pulse-width-modulated converter information , A device ( 5 ) for digitizing the output information from ( 3 ) and ( 4 ) and an arithmetic unit ( 6 ) for processing a calculation rule, the result of which corresponds to the value of the current and the voltage at the consumer (C) .
Ein logisches UND-Glied zur Verknüpfung der Schaltinformationen aller Stromrichterventile, einen Schmitt-Trigger zur Erlangung ausreichender Flankensteilheit des Schaltzustandes der Stromrichterventile.2. Binary current and voltage observer according to claim 1, characterized in that the logic network contains the following elements:
A logical AND gate to link the switching information of all converter valves, a Schmitt trigger to achieve sufficient edge steepness of the switching state of the converter valves.
Einen Festwertspeicher zur Aufnahme einer Rechenvorschrift, einen flüchtigen Speicher für Zwischenergebnisse, eine Zentraleinheit zur Ausführung einer Rechenvorschrift, einen parallelen Eingang zur Abfrage von Zählerbausteinen und einen parallelen Ausgang zur Ausgabe der durch Rechnung ermittelten Strom- und Spannungsistwerte.4. Binary current and voltage observer according to claim 1, characterized in that the arithmetic unit contains the following elements:
A read-only memory for recording a calculation rule, a volatile memory for intermediate results, a central processing unit for executing a calculation rule, a parallel input for querying counter modules and a parallel output for outputting the current and voltage actual values determined by calculation.
Eine Berücksichtigung des Tastverhältnisses ist über die Leitdauer (g) gegeben und eine Berücksichtigung vorhandener Kommutierungsvorgänge ist über die Überlappung (u) gegeben.5. Binary current and voltage observer according to claim 4, characterized in that the calculation rule has the following features:
The duty cycle is taken into account via the lead time ( g ) and existing commutation processes are taken into account via the overlap (u) .
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19883807305 DE3807305A1 (en) | 1988-03-05 | 1988-03-05 | Binary current and voltage monitor for self-commutated converter systems |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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| DE3807305A1 true DE3807305A1 (en) | 1988-07-28 |
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ID=6348991
Family Applications (1)
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| DE19883807305 Withdrawn DE3807305A1 (en) | 1988-03-05 | 1988-03-05 | Binary current and voltage monitor for self-commutated converter systems |
Country Status (1)
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|---|---|
| DE (1) | DE3807305A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3931921A1 (en) * | 1989-09-25 | 1991-04-04 | Bodenseewerk Geraetetech | POWER CONTROL UNIT |
-
1988
- 1988-03-05 DE DE19883807305 patent/DE3807305A1/en not_active Withdrawn
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3931921A1 (en) * | 1989-09-25 | 1991-04-04 | Bodenseewerk Geraetetech | POWER CONTROL UNIT |
| US5189589A (en) * | 1989-09-25 | 1993-02-23 | Bodenseewerk Geratetechnik Gmbh | Power controller |
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