DE4021765C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur verbesserten Führung eines Drehstrom-Pulswechselrichters für hochdynamische drehzahlgeregelte Antriebe in Anwendung einer Strom-Zweipunktregelung, bei dem die Schalter des Wechselrichters in bestimmter Weise umgeschaltet werden, wie es im Oberbegriff des Anspruches 1 näher definiert ist.

Für die Regelung von hochdynamischen drehzahlgeregelten Antrieben finden Strom-Toleranzband-Regelverfahren (bekannt auch als Zweipunkt-Stromregelung) breite Anwendungen.

Fig. 1 zeigt den grundsätzlich bekannten Aufbau für eine solche Regelung bei einer pulswechselrichtergespeisten Drehstrom-Asynchronmaschine. Der über einen Gleichspannungszwischenkreis gespeiste Drehstrom-Pulswechsel­ richter ist darin mit 1, der Asynchronmotor mit 2 bezeichnet. Der Puls­ wechselrichter 1 wird von einem Steuersatz 3 beeinflußt, der über Komparatoren 4 von der Differenz der jeweiligen Phasenstrom-Sollwerte i_R*, i_S*, i_T* mit den Phasenstrom-Istwerten i_R, i_S, i_T angesteuert wird. (Vgl. dazu z. B. die dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrundeliegenden IEEE-IAS Annual Meeting 1984, S. 418, Fig. 1 oder IEEE Transactions on Industry Applications, Vo. IA-21, No. 4, May/June 1985, S. 562, Fig. 1).

Mit der vorliegenden Regelmethode versucht man einen angenähert sinusförmigen Strom aus Stromblöcken zu erzeugen, wobei der Pulswechselrichter 1 jeweils nur positives oder negatives Potential an die verschiedenen Phasen RST in verschiedenen Kombinationen abzugeben vermag. Die möglichen Schaltzustände eines sechspulsigen Pulswechselrichters (vgl. hierzu auch z. B. ETZ, Band 10 (1989), H. 10, S. 479, Bild 1) sind der Fig. 2 der Patentzeichnung entnehmbar. In einer Raumzeigerdarstellung sind für eine Phasenfolge R, S, T die Schaltzustände mit 100, 110, 010, 011, 001 und 101 bezeichnet. Diese werden kontinuierlich ausgegeben. (Vgl. hierzu auch IEEE-IAS Annual Meeting 1984, S. 418 und 419, Fig. 2 und 3). Bei den Schaltzuständen bedeutet z. B. der Spannungsvektor 100 eine Spannung an der Maschine, bei der die Phase R Pluspotential führt und die Phasen S und T negativ sind. Spannungsvektor 010 bedeutet: Phase S führt positives Potential, die Phasen R und T sind negativ. Bei Spannungsvektor 001 führt nur Phase T positives Potential. Mit 011, 101 und 110 sind die negativen Spannungsvektoren von R, S und T angegeben.

Zieht man jeweils beiderseits des Mittelpunktes (0 Vektor) - mit 000 bzw. 111 bezeichnet - senkrecht zu den drei Phasenvektoren R, S, T sowohl im positiven als auch negativen Bereich jeweils Toleranzgrenzen, dann er­ geben sich - wie der Fig. 2 entnehmbar - Toleranzbänder, die sich schnei­ den und ein inneres symmetrisches Hexagon (dick ausgezogen) umschließen. Innerhalb dieses Hexagons dürfen die tolerierten Ströme verlaufen. Die positiven oder negativen Stromregelabweichungen sind für dΔi_R/dt in Fig. 2 als Vektoren angegeben. Sie sind den zugehörigen Spannungen ent­ gegengesetzt gerichtet. Die Stromregelabweichungen werden von den einzelnen Komparatoren 4 phasenweise erfaßt und bei Toleranzüberschreitung gilt es, die Schalter des Pulswechselrichters 1 so zu beeinflussen, daß die Ströme im Sollbereich, d. h. innerhalb des Hexagons verbleiben. Nachteilig bei diesen Verfahren ist, daß abhängig vom Betriebspunkt die Stromregelabweichungen die Toleranzbandgrenzen oft überschreiten und maximale Werte erreichen können, die dem Zweifachen der Toleranzbandbreite entsprechen. Derartiges ist natürlich unerwünscht und bedeutet eine höhere Beanspruchung der Wechselrichterventile und der angeschlossenen Maschine.

Die Problematik ist bekannt (z. B. die zitierte IEEE Transactions, S. 567, Abs. 2). Auch dort wird darauf verwiesen, daß bei Auftauchen eines "Freilaufs" ("zero voltage vector") der Fehler den Toleranzbereich überschreiten kann. Eine Lösung dieses Problems wird jedoch nicht geboten. Ein ähnlicher Stand der Technik geht aus "Regelungstechnische Praxis" 24. Jahrgang 1983, H. 11, S. 472-477 hervor. Dort wird zur Abhilfe und Überwindung des Problems nur eine Verkleinerung des Hysteresebereichs auf Null empfohlen.

Fig. 3 zeigt typische Verläufe der Stromregelabweichungen in den drei Strängen eines Pulswechselrichters nach dem bekannten Verfahren. Die Stromregelabweichung im Strang R (Δi_R) steigt zum Zeitpunkt t₀, d. h. hier im Betriebszustand "Freilauf" bei Schaltzustand 111 (Nullspannung an der Maschine) danach in positiver Richtung ungehindert an und erreicht bzw. überschreitet die positive Toleranzbandgrenze am Punkt X. Normalerweise schaltet der Regler bzw. Steuersatz 3 (Fig. 1) dann die Ausgangsklemme dieses Stranges R zur Kompensierung der positiven Stromregelabweichung auf den positiven Pol der Zwischenkreisspannung. Da dieser Pol im Schaltzustand 111 jedoch bereits positiv und wirkungslos ist, muß in diesem Fall abgewartet werden, bis in einer anderen Phase etwas entsprechendes passiert. Es wird erst umgeschaltet, wenn noch eine der anderen Stromregelabweichungen Δi_S oder Δi_T die jeweilige Toleranzgrenze erreicht. Im vorliegenden Fall erreicht die Stromregelabweichung Δi_S am Punkt Y die negative Toleranzgrenze und erst daraufhin schaltet der Stromregler den Strang S um (Schaltzustand 101). Erst dann kehrt auch die Stromregelabweichung Δi_R ihre Richtung um und geht in Richtung der Toleranzfläche zurück.

Ein zweiter konkreter Fall ereignet sich - vgl. Fig. 3 - z. B. im Zeitpunkt t₁, wenn der Betriebszustand "Freilauf" bei Schaltzustand 000 eingestellt ist. Die Stromregelabweichung Δi_S bewegt sich nun unter Einfluß der Schaltzustände der anderen Stränge in Richtung negativer Toleranzgrenze sehr schnell, erreicht und überschreitet diese (Punkt Z). Normalerweise müßte Strang S mit Minuspotential verbunden werden. Der Strang S kann jedoch nicht von seinem Stromregler beeinflußt werden, da er bereits mit dem negativen Pol der Zwischenkreisspannung verbunden ist. Auch hier muß somit abgewartet werden, bis in einer anderen Phase die Stromregelabweichung die Toleranzgrenze erreicht bzw. überschreitet (z. B. Punkt W).

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verbesserung des Betriebsverhaltens von Drehstrom-Pulswechselrichters mit Toleranzband-Stromregelung hinsichtlich des Überschießens von Stromspitzen während der Freilaufphasen zu erreichen. Es soll durch schnellere Reaktion erreicht werden, daß die Stromregelabweichungen geringer bleiben.

Diese Aufgabe wird für ein Verfahren der eingangs genannten Art gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Erfindung geht damit einen neuen Weg. Es liegt die Erkenntnis zugrunde, daß Stromänderungen in einem Strang nicht allein durch den Schaltzustand in diesem Strang, sondern auch durch die Schaltzustände in den anderen Strängen beeinflußt werden können.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Anhand der Figuren der Zeichnungen 1 bis 3 wurde bereits zur Problematik, die zur Erfindung führte, Stellung genommen. Es stellen dar:

Fig. 1 den grundsätzlichen Regelaufbau für ein Strom-Toleranzband-Regelverfahren

Fig. 2 Schaltzustände eines verwendeten sechs­ pulsigen Pulswechselrichters in Raum­ zeigerdarstellung

Fig. 3 Verläufe der Stromregelabweichungen in den Strängen eines Pulswechselrichters nach dem bekannten Verfahren.

Es ist erkennbar, daß zur Realisierung der Erfindung der Stromregler bzw. Steuersatz 3 eine zusätzliche übergreifende Funktion ausführen muß. Wenn die Stromregelabweichung in einem Strang die positive Toleranzgrenze er­ reicht hat, und der Freilaufzustand 000 eingeschaltet war, dann muß dieser Strang auf 1 umgeschaltet, d. h. mit dem positiven Pol der Zwischenkreis­ spannung verbunden werden. Wenn er dagegen schon auf 1 eingeschaltet war (bei Freilaufzustand 111), werden die anderen Stränge nach der Erfindung nun auf 0 umgeschaltet. Wird diese Vorschrift z. B. für den Strang R ein­ gesetzt, wird - wenn Freilauf-Schaltzustand 000 herrschte und die positive Toleranzgrenze dieses Stranges erreicht wurde, der Schaltzustand 100 ein­ gestellt. Bei Freilauf-Schaltzustand 111 werden die anderen Stränge (S und T) auf 0 umgeschaltet, d. h. der Schaltzustand 100 eingestellt, wenn die positive Toleranzgrenze erreicht wird.

Wie in Fig. 2 angedeutet, ergibt sich bei dem eingestellten Schaltzustand 100 stets eine Änderungsrate der Stromregelabweichung dΔi_R/dt in der erforderlichen Richtung.

Durch die Erfindung können die Stromregelabweichungen wesentlich ver­ ringert werden.

Claims (3)

1. Verfahren zur verbesserten Führung eines Drehstrom-Pulswechselrichters für hochdynamische drehzahlgeregelte Antriebe in Anwendung einer Strom-Zweipunktregelung, bei dem bei einem Überschreiten vorgegebener Toleranzgrenzen durch Regelabweichungen der Phasenströme die Schalter des Wechselrichters umgeschaltet werden, wobei beim Überschreiten einer positiven Toleranzgrenze durch eine Stromregelabweichung die jeweilige Phase an das Pluspotential einer Zwischenkreisspannung und beim Überschreiten der negativen Toleranzgrenze an das Minuspotential der Zwischenkreisspannung gelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Betriebszustände "Freilauf" mit den Schaltzuständen 000 (alle Phasen an Minuspotential) und 111 (alle Phasen an Pluspotential) beim Überschreiten einer Toleranzgrenze des Toleranzbandes einer bestimmten Phase, die beiden anderen Phasen dann umgeschaltet werden, wenn die eine Phase bereits an dem für eine Korrektur an sich richtigen Potential der Zwischenkreisspannung anliegt, d. h. ein korrigierendes Umschalten dort somit nicht möglich ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen der positiven Toleranzgrenze des Toleranzbandes einer Phase (z. B. R) im Freilauf-Schaltzustand 000 dieser Strang (R) auf 1 umzuschalten ist, dagegen im Freilauf-Schaltzustand 111 die beiden anderen Stränge (z. B. S und T) auf 0 umgeschaltet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen der negativen Toleranzgrenze einer Phase (z. B. R) im Freilauf-Schaltzustand 000 die beiden anderen Stränge (z. B. S und T) auf 1, dagegen im Freilauf-Schaltzustand 111 die bewußte Phase (R) auf 0 umgeschaltet wird.