DE4021766C2

DE4021766C2 -

Info

Publication number: DE4021766C2
Application number: DE19904021766
Authority: DE
Inventors: Samir Dr. Salama; Yehia Dr. 1000 Berlin De Tadros
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1990-07-06
Filing date: 1990-07-06
Publication date: 1993-01-28
Also published as: DE4021766A1

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 Wechsel richters 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. Ein Verfahren, wie es vorausgesetzt wird, ist z. B. aus IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. IA-21, Nr. 4, Mai/Juni 1985, S. 562-570, bekannt.

Fig. 1 zeigt den grundsätzlich bekannten Aufbau für eine Regelung bei einer pulswechselrichtergespeisten Drehstrom-Asynchronmaschine. Der über einen Gleich spannungszwischenkreis gespeiste Drehstrom-Pulswechselrichter ist darin mit 1, der Asynchronmotor mit 2 bezeichnet. Der Pulswechselrichter 1 wird von einem Steuersatz 3 beeinflußt, der über Komparatoren 4 von der Differenz der je weiligen Phasenstrom-Sollwerte i_R*, i_S*, i_T* mit den Phasenstrom-Istwerten i_R, i_S, i_T angesteuert wird (vgl. dazu z. B. IEEE-IAS Annual Meeting 1984, S. 418, Fig. 1).

Mit der letztgenannten 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 R, S, T in verschiedenen Kombinationen abzugeben vermag. Die möglichen Schaltzustände eines sechspulsigen Wechselrichters sind der Fig. 2 der Patentzeichnung entnehmbar. In einer Raumzeigerdarstellung sind für eine Phasenfolge R, S, T die Schaltzu stände mit 100, 110, 010, 011, 001 und 101 bezeichnet. Diese werden kontinuier lich ausgegeben. 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 Toleranzgrenzen, einstellbar durch die Komparatoren 4, dann ergeben sich - wie der Fig. 2 entnehmbar - Toleranzbänder, die sich schneiden und ein inneres, bei gleichen Toleranzbändern symmetrisches Hexagon (dick ausgezogen) umschließen. Innerhalb dieses Hexagons dürfen die tolerierten Ströme verlaufen. Die positiven oder negativen Stromregelabweichungen sind hier für dΔi_R/dt in Fig. 2 als Vektoren angegeben. Sie sind den zugehörigen Spannungen entgegengesetzt gerichtet. Die Stromregelabweichungen werden von den einzelnen Komparatoren 4 phasenweise erfaßt und je nach den eingestellten Toleranzbandgrenzen werden bei Überschreitung die Schalter des Pulswechsel richters 1 so beeinflußt, daß die Ströme im Sollbereich, d. h. innerhalb des Hexagons verbleiben.

Nachteilig bei diesem letztgenannten Verfahren ist, daß es durch die Kopplung der drei Stränge infolge des nicht angeschlossenen Maschinensternpunktes im kleinen Drehzahlbereich, d. h. kleiner Aussteuerung, zu unkoordinierten Um schaltungen und damit zu extrem hohen Schaltfrequenzen (Grenzzyklen) kommt.

Fig. 3 zeigt dies in Zeitverläufen der drei Strangströme. Die hohen Puls frequenzen sind deutlich an den Stellen X oder Y erkennbar. Die hohen Puls frequenzen bedeuten eine enorme Schalterbeanspruchung und unnötige Erwärmungs probleme im Pulswechselrichter und in der angeschlossenen Maschine. Sie haben ihre Ursache darin, daß bei langsamer Drehzahl der Maschine die innere Gegen spannung sehr klein ist und sich der Strom praktisch nur unter dem Einfluß des sich drehenden Vektors der von außen angelegten Spannung bewegt, und das sehr schnell. Infolge der fehlenden Gegenspannung ergibt sich somit eine sehr hohe Stromsteilheit mit einer Richtung entgegengesetzt dem gerade angelegten Spannungsvektor.

Fig. 4 zeigt die möglichen Verläufe des Raumzeigers der Stromregelabweichungen (dick ausgezogen) im kleinen Drehzahlbereich (Grenzzyklen) innerhalb der in Fig. 2 aufgezeigten symmetrisch hexagonalen Toleranzfläche. Die Richtungs änderungen der Stromregelabweichungen ergeben sich folgendermaßen: Liegt z. B. mit einem zunächst angenommenen Schaltzustand 101 (R und T an "+"; S an "-") eine bestimmte Spannung an der Maschine, dann bewegt sich die Stromregel abweichung von Punkt A aus - entgegengesetzt parallel zum Spannungsvektor 101 - gemäß Pfeil a. Beim Erreichen der negativen Toleranzgrenze der Phase T (Punkt B) - festgestellt durch (T-Phasen-)Komparator 4 - wird auf Schaltzustand 100 um geschaltet. Die Stromregelabweichung verläuft nun entsprechend Pfeil b. Beim Erreichen der positiven Toleranzgrenze von Phase S wird sodann auf Schalt zustand 110 geschaltet. Der Stromvektor verläuft dann nach Pfeil c usw., bis sich die Stromabweichungen im Hexagon nach Umlauf schließen und neu beginnen. Die erwähnten hohen Stromsteilheiten bewirken die kritisierten hohen Umschalt- und Pulsfrequenzen nach Fig. 3.

In der eingangs genannten Literaturstelle IEEE Transactions on Industry Appli cations, 1985, Nr. 4, S. 562-570, ist dargelegt, daß im Bereich kleiner Gegen- EMK durch Einführung spannungsloser Schaltzustände ("Nullspannungsvektoren") die Pulsfrequenz deutlich gesenkt werden kann. Wie dies konkret vewirklicht werden kann, ist jedoch nicht angegeben.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches Verfahren zur Zwischenfügung von Freilaufzuständen mit Spannung Null ("Nullspannungsvektoren") anzugeben.

Diese Aufgabe wird für ein Verfahren der eingangs genannten Art gemäß den kenn zeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Anhand von Zeichnungsfiguren soll die Erfindung näher erläutert werden.

Die Fig. 1 bis 4 wurden schon angesprochen, sie zeigten:

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

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

Fig. 3 Zeitverläufe der drei Strangströme im kleinen Drehzahlbereich nach den be kannten Lösungen,

Fig. 4 mögliche Verläufe des Raumzeigers der Stromregelabweichung im kleinen Dreh zahlbereich (Grenzzyklen).

Die weiteren Figuren zeigen:

Fig. 5 eine modifizierte Toleranzfläche nach der Erfindung (Variante I),

Fig. 6 eine weiter veränderte Toleranzfläche nach der Erfindung (Variante II),

Fig. 7 Zeitverläufe der drei Strangströme im kleinen Drehzahlbereich.

Nach der Erfindung soll die symmetrisch hexagonale Toleranzfläche von Zwei punktreglern - wie sie in Fig. 2 dargestellt wurde - nun so modifiziert werden, daß sich nach jedem der sechs aktiven Schaltzustände 100, 110, 010, 011, 001, 101 ein Freilaufzustand 000 oder 111 ergibt.

Dazu wird auf die Fig. 5a bis 5f verwiesen.

Fig. 5a zeigt eine nach der Erfindung modifizierte Toleranzfläche, wenn der Schaltzustand 100 eingeschaltet war. Hierbei wurde die negative Tole ranzbandbreite des Stranges R auf Null eingestellt und damit der Freilauf zustand 000 erzwungen. Dadurch ergibt sich die Fläche a, b, c, a. Der Raumzeiger der Stromabweichung dΔi/dt ändert sich wieder in entgegen gesetzter Richtung zu dem eingeschalteten Spannungszeiger 100 und bewegt sich in Richtung der negativen Toleranzgrenze des Stranges R. Bei Er reichen oder Überschreiten dieser Toleranzgrenze wird auch der aktive Strang R von 1 auf 0 umgeschaltet und es stellt sich insgesamt der Schalt zustand 000 ein. Wenn der Schaltzustand 110 eingeschaltet war, wird die positive Toleranzbandbreite des Stranges T auf 0 verringert. (Fig. 5b) Die Fläche ist durch c, a, b, c dargestellt. Der Raumzeiger der Stromabweichung dΔi/dt bewegt sich nun in Richtung der positiven Toleranzgrenze des Stranges T und bei Grenzverletzung wird dieser aktive Strang auch von 0 auf 1 umge schaltet und es stellt sich insgesamt der Schaltzustand 111 ein. Für die übrigen Fig. 5c bis 5f ergeben sich gleichartige Vorgänge.

In der Praxis braucht in dem hier geschilderten Fall für die Fig. 5a die negative Toleranzgrenze des Stranges R nur soweit nach rechts - d.h. nicht unbedingt bis auf die negative Toleranzbreite 0 - geschoben zu werden, bis sich keine Grenzzyklen im kleinen Drehzahlbereich mehr bilden. In diesem Fall kommt man z. B. mit der Fläche a′, a, b, c, a, a′ aus. Für die übrigen Fig. 5b bis 5f gilt dies analog.

Ersichtlich wird, daß, wenn der jeweilige Schaltzustand durch überwiegend negativen Anschluß an den Phasensträngen erzielt wird, sich Freilaufzu stände 000 anschließen und bei überwiegend positiven Anschlüssen Freilauf zustand 111 folgt.

Wesentlich ist, daß - um bei Fig. 5a zu bleiben - der Vektor der Strom regelabweichung auch definitiv auf die Kante a′a stößt und damit die Um schaltung von dort 100 auf 000 einleitet. Der Vektor darf nicht auf eine andere Toleranzgrenze z. B. die positive Toleranzgrenze von Phase S oder T treffen, was dann eine Umschaltung auf eine andere aktive Phase bedeuten würde, verbunden mit der nicht gewünschten hohen Änderung der Stromrich tung.

Noch sicherer ist eine Variante nach den Fig. 6; in Fig. 6a ist die Tole ranzfläche jetzt vergrößert, sie umfaßt die Eckpunkte A, b, c, A. Hierbei fällt auf, daß dem bisherigen - gestrichelt ergänzten - Toleranz-Hexagon oben und unten schraffierte Dreieckflächen angesetzt sind. Diese Zusatz flächen sollen dazu dienen, zu verhindern, daß Stromregelabweichungen, die über die positiven Toleranzgrenzen der Stränge S oder T schießen würden, ungewünschte Umschaltungen veranlassen. Die negative Toleranzbandbreite ist nach Fig. 6a nicht zu 0 gebracht, sondern nur verringert worden und die positiven Toleranzgrenzen der Stränge S und T werden in diesem Schalt zustand (100) größer gemacht bzw. nicht mehr abgefragt. In Fig. 6b ist die positive Toleranzbandbreite der Phase T verringert und die negativen Toleranzgrenzen der beiden übrigen Phasen werden nicht mehr abgefragt. Für die übrigen Figuren gilt Analoges. Dadurch stellt sich noch sicherer nach jedem aktiven Schaltzustand (100 bis 101) immer der Freilaufzustand (000 oder 111) ein. Die Fig. 6b bis 6f zeigen die veränderten Toleranzflächen bei den unterschiedlichen Schaltzuständen.

Mit beiden Varianten können die beanstandeten hohen Pulsfrequenzen ver mieden werden. Fig. 7 zeigt dies gegenüber Fig. 3 deutlich. Die hohen Pulsfrequenzen fehlen völlig.

Claims

1. Verfahren zur verbesserten Führung eines Drehstrom-Pulswechselrichters für hochdynamische drehzahlgeregelte Antriebe in Anwendung einer Strom-Zwei punktregelung, bei dem bei einem Überschreiten vorgegebener Toleranzgrenzen durch Regelabweichungen der Phasenströme die Schalter des Wechselrichters umgeschaltet werden, wobei beim Überschreiten einer positiven Toleranz grenze durch eine Stromregelabweichung die jeweilige Phase an das Pluspotential einer Zwischenkreisspannung und beim Überschreiten einer negativen Toleranz grenze an das Minuspotential der Zwischenkreisspannung gelegt wird und wobei für einen Betrieb im Bereich kleiner Drehzahlen zwischen den aktiven Schalt zuständen möglichst ein Freilaufzustand mit Spannung Null (alle Phasen an Plus- oder Minuspotential) an die Maschine gelegt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß bei einem aktiven Schaltzustand (z. B. 100) mit überwiegend negativen An schlüssen der Phasenstränge (z. B. S und T an "-") die negative Toleranzgrenze der Phase mit positivem Anschluß (R) verringert oder gegen Null gebracht wird, und
daß bei einem aktiven Schaltzustand (z. B. 110) mit überwiegend positiven An schlüssen der Phasenstränge (z. B. R und S an "+") die positive Toleranzgrenze der Phase mit negativem Anschluß (T) verringert oder gegen Null gebracht wird (Fig. 5).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für einen aktiven Schaltzustand (z. B. 100) mit überwiegend negativem An schlüssen der Phasen (z. B. S und T an "-") und Verringerung der negativen Toleranzgrenze der Phase mit positivem Anschluß (R) zusätzlich die positiven Toleranzgrenzen der negativ angeschlossenen Phasen (S und T) vergrößert bzw. nicht mehr abgefragt werden (Fig. 6).

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für einen aktiven Schaltzustand (z. B. 110) mit überwiegend positiven Anschlüssen der Phasen (z. B. R und S an "+") und Verringerung der positiven Toleranzgrenze der Phase mit negativem Anschluß (T) zusätzlich die nega tiven Toleranzgrenzen der positiv angeschlossenen Phasen (R und S) ver größert bzw. nicht mehr abgefragt werden (Fig. 6).

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergrößerung oder Verringerung der Toleranzgrenzen über einstell bare Komparatoren (4) erfolgt.