DE4042001A1

DE4042001A1 - Verfahren zur verbesserten fuehrung eines drei-level-pulswechselrichters

Info

Publication number: DE4042001A1
Application number: DE19904042001
Authority: DE
Inventors: Samir Dr Ing Salama; Yehia Dr Ing Tadros
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Alstom Transportation Germany GmbH
Priority date: 1990-12-22
Filing date: 1990-12-22
Publication date: 1992-07-02
Anticipated expiration: 2010-12-23
Also published as: DE4042001C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur verbesserten Führung eines Dreistufen-Pulswechselrichters, insbesondere für hochdynamische drehzahlgeregelte Antriebe, wie es im Oberbegriff des Anspruches 1 näher definiert ist.

Für die Regelung von hochdynamischen drehzahlgeregelten Antrieben finden z. Zt. Zwei-Level-Pulswechselrichter, auch solche mit Strom-Toleranzband regelverfahren in 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 Phasen 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. IEEE-IAS, Annual Meeting 1984, S. 418, Fig. 1).

Bei der vorliegenden Regelmethode versucht man einen angenähert sinus förmigen Strom zu erzeugen, wobei der Pulswechselrichter 1 entweder positives oder negatives Potential an die verschiedenen Phasen R, S, T in verschiedenen Kombinationen abzugeben vermag. Die dabei mög lichen Schaltzustände eines sechspulsigen Pulswechselrichters (vgl. hier zu auch z. B. etz, Band 110, 1989, H. 10, S. 479, Bild 1) sind der Fig. 2 der Patentzeichnung entnehmbar. In einer Raumzeigerdarstellung sind für eine Phasenfolge R, S, T diese Schaltzustände kodiert angegeben und zwar mit 100, 110, 010, 011, 001 und 101 sowie die Nullvektoren 000 und 111. Diese Schaltzustände werden kontinu ierlich ausgegeben (vgl. hierzu auch IEEE-IAS Annual Meeting 1984, S. 418 und 419; Fig. 2 und 3). Bei den genannten Schaltzuständen bedeutet z. B. der Spannungsvektor 100 eine Spannung an der Maschine, bei der Phase R Pluspotential führt und die Phasen S und T negativ sind. Spannungsvektor 010 bedeutet dagegen: Phase S führt positives Potential, die Phasen R und T sind negativ. Bei Spannungsvektor 001 führt nur Phase T positives Poten tial. Mit 011, 101 und 110 sind die negativen Spannungsvektoren von R, S und T angegeben.

Zieht man nun jeweils beiderseits des Mittelpunktes (Nullvektor) - hier mit 000 bzw. 111 bezeichnet - senkrecht zu den Dreiphasenvektoren R, S, T sowohl im positiven als auch negativen Bereich jeweils Toleranzgrenzen, dann ergeben sich - wie der Fig. 2 entnehmbar - Toleranzbänder, die sich schneiden und ein inneres symmetrisches Hexagon (dick ausgezogen) um schließen. Innerhalb dieses Hexagons dürfen die tolerierten Stromabweichungen ver laufen. 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 Phasenkomparatoren 4 (vgl. Fig. 1) phasenweise erfaßt und bei Toleranz überschreitung gilt es, die Schalter des Pulswechselrichters 1 so zu be einflussen, daß die Ströme im Sollbereich, d. h. innerhalb des Hexagons ver bleiben. Nachteilig bei dem bekannten Verfahren dieser Art ist es, daß ab hängig 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.

Sogenannte Drei-Level-Pulswechselrichter - auch als NPC-Inverter (Neutral Point Glamped) bezeichnet - sind für große Leistungen und hohe Spannungen gegenüber den geschilderten Zwei-Level-Pulswechselrichtern von Vorteil, weil sich damit die Probleme der Spannungsaufteilung in Reihe geschalteter Leistungshalbleiter vermeiden lassen. Fig. 3 zeigt einen solchen bekannten Drei-Level-Pulswechselrichter (vgl. hierzu z. B. auch IEEE Transactions on I.A. Vol. IA-17, Nr. 5 (1981), S. 518).

Die Schaltungsanordnung zeigt eine Gleichspannungsquelle (Gleichspannungs zwischenkreis) der Gesamtspannung U_d mit den Anschlußpotentialen +U_d/2 und -U_d/2 gegen einen 0-Mittelpunkt zwischen zwei Querkondensatoren C1, C2. Über die Schalter T11 bis T14 für Phase R, T21 bis T24 für Phase S und T31 bis T34 für Phase T kann sowohl +U_d/2, -U_d/2 als auch 0-Potential an die Drehstromausgänge R, S, T gelegt werden. Der Wechselrichter steuert ent sprechend Fig. 1 wieder einen Drehstrom-Asynchronmotor 2. Diese Schaltungs anordnung bietet außer dem bereits genannten Vorteil die Möglichkeit zur Ver besserung des Oberschwingungsgehaltes bei niedriger Ventilschaltfrequenz.

Die für den Zwei-Level-Wechselrichter eingangs geschilderte vorteilhafte Strom-Toleranzbandregelung ist jedoch nicht ohne weiteres anwendbar. Beim Dreistufen-Pulswechselrichter sind bekanntlich 3³ = 27 unterschiedliche Schaltzustände möglich. Fig. 4 zeigt die zugehörige Raumzeigerdarstellung dieser Schaltzustände. Für den Nullzeiger sind dabei, wie ersichtlich, drei gleichwertige Schaltzustände möglich: a) 000; b) 111; c) -1-1-1. In dieser Kodierung bedeutet:

1 = Ausgangsklemme am Plus-Pol
0 = Ausgangsklemme am Null-Pol
-1 = Ausgangsklemme am Minus-Pol

An der Drehstromasynchronmaschine 2 liegt keine Spannung, wenn entsprechend

a) alle drei Phasen am Null-Pol oder entsprechend
b) alle drei Phasen am Plus-Pol oder entsprechend
c) am Minus-Pol liegen.

Der Fig. 4 sind in der Phasenfolge R, S, T weitere Schaltzustände (mit 2 · U_d/2 gegen 0) entnehmbar: 1-1-1; 10-1; 11-1; 01-1; -11-1; -110; -111; -101; -1-11; 0-11; 1-11; 1-10.

Außerdem gibt es mehrere gleichwertige Schaltzustände (mit U_d/2 gegen 0). Es sind:

100 bzw. 0-1-1
110 bzw. 00-1
010 bzw. -10-1
011 bzw. -100
001 bzw. -1-10
101 bzw. 0-10.

Die Tabelle nach Fig. 5 zeigt alle 27 möglichen Schaltzustände sowie die zugehörigen Ausgangszeiger in Betrag und Winkel. Erkennbar ist, daß eine Reihe von Schaltzuständen gleiche Spannungszeiger bilden, so daß es nur 19 reale Spannungszeiger gibt. Für das innere Hexagon und den Nullzeiger sind jeweils 6 und 3 redundante Schaltzustände möglich.

Es zeigten bisher

Fig. 1 den grundsätzlichen Regelaufbau für ein Strom- Toleranzbandregelverfahren

Fig. 2 Schaltzustände eines Zwei-Level-Pulswechselrichters in Raumzeigerdarstellung

Fig. 3 Schaltbild eines Drei-Level-Pulswechselrichters

Fig. 4 Schaltzustände eines Drei-Level-Pulswechselrichters in Raumzeigerdarstellung

Fig. 5 Tabelle der möglichen Schaltzustände.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches Verfahren der Strom-Toleranz bandregelung auch für Drei-Level-Pulswechselrichter zu schaffen, das gute Betriebseigenschaften und Vorteile aufweist.

Ein erst vor kurzem vorgestelltes Stromregelverfahren für Drei-Level-Puls wechselrichter, das bereits nach dem Prinzip der Strom-Toleranzbandregelung arbeitet, weist einige Nachteile auf (Proc. of the Int. Conf. on Electrical Machines, Pisa (Italy), Sept. 12/14, 1988, S. 349 bis 354).

Das dort vorgestellte Verfahren ist relativ kompliziert und es treten dort die gleichen Probleme auf, wie bislang bei der Zweipunkt-Stromregelung für Zweistufen-Wechselrichter:

1. Abhängig vom Betriebspunkt überschreitet die Stromregelab weichung die Toleranzbandgrenze und erreicht einen maximalen Wert, der oft dem Zweifachen der Toleranzbandbreite entspricht.
2. Durch die Kopplung der drei Stränge infolge des nichtange schlossenen Maschinensternpunktes kommt es im kleinen Dreh zahlbereich zu unkoordinierten Umschaltungen und damit zu extrem hohen Schaltfrequenzen (Grenzzyklen).

Hinzu kommt, daß bei diesem vorgeschlagenen Verfahren die Frei heitsgrade, die durch die redundanten Schaltzustände der Drei stufen-Pulswechselrichter entstehen, nicht optimal ausgenutzt werden.

Diese Probleme sollen mit der Erfindung beseitigt werden. Die bereits dar gelegte Aufgabe wird nach der Erfindung gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen des Verfahrens sind den weiteren Ansprüchen entnehmbar.

Die Erfindung wird im nachstehenden unter Verweis auf insbesondere Fig. 4 noch näher erläutert.

Wenn z. B. der zyklische Schaltzustand -111 eingeschaltet war und die Ab frage der Stromregelabweichung ergibt, daß die positive Toleranzgrenze des Stranges R erreicht ist, dann wird nach der Erfindung zur Einhaltung der Toleranzgrenze der Schaltzustand 011 eingestellt, d. h. die Spannung der Phase R gegen 0(U_R0 um eine Spannungsstufe (U_d/2) erhöht. Die Aus gangsklemme des Stranges R wird von -1 auf 0 umgeschaltet.

Nach Ablauf einer Mindestzeit erfolgt wieder eine Abfrage nach der Stromregelabweichung mit evtl. Korrektur.

War dagegen bereits der Schaltzustand 100 eingestellt und es wird die posi tive Toleranzgrenze dieses Stranges erreicht, dann wird der Schaltzustand 1-1-1 eingestellt, d. h. die Ausgangsspannungen der anderen zwei Stränge (S und T) werden um eine Spannungsstufe (U_d/2) reduziert. Die Ausgangs klemmen der Stränge S und T werden von 0 auf -1 umgeschaltet.

Nach Ablauf einer Mindestzeit erfolgt wieder eine Abfrage nach der Strom regelabweichung mit evtl. Korrektur. Stets muß eine Mindestdauer zwischen zwei nacheinander folgenden Schaltzustandsänderungen gewährleistet sein. Das kann - wie beschrieben - über die Mindestzeit bis zur Abfrage nach der Stromregelabweichung gesteuert werden oder aber durch einen getrennten Teil der Steuerung über die Impulsbildung. In letzterem Fall kann die Abfrage der Stromregelabweichung nach einer Schaltzustandsänderung ohne Pause (Min destdauer) weiter durchgeführt werden.

Zur Symmetrierung der Schaltfrequenz der Halbleiter in den drei Strängen (R, S, T) ergeben sich, wenn beispielsweise der Schaltzustand -111 einge stellt war und und die positive Toleranzgrenze des Stranges R erreicht wurde, zwei mögliche Schaltzustände, nämlich:

011 (Ausgangsklemme des Stranges R wird von -1 auf 0 umgeschaltet) oder
-100 (Ausgangsklemme der Stränge S und T werden von 1 auf 0 umgeschaltet).

Welcher dieser beiden Schaltzustände (011 oder -100) ausgewählt wird, hängt von der Schaltfrequenz der Halbleiter in den drei Strängen (R, S und T) ab. Weist der Strang R beispielsweise eine höhere Schaltfrequenz als die anderen zwei Stränge auf, dann wird der Schaltzustand -100 ausgewählt. Hierbei braucht die Ausgangsklemme des Stranges R nicht umgeschaltet zu werden. Weist da gegen einer der anderen Stränge (S, T) eine höhere Schaltfrequenz als der Strang R auf, dann wird der Schaltzustand 011 ausgewählt. Dadurch brauchen die Ausgangsklemmen der Stränge S und T nicht ausgeschaltet zu werden.

Nach der Erfindung sollen auch die redundanten Schaltzustände zur Symme trierung der Spannungsaufteilung im Zwischenkreis bei Spannungsteilung mit Stützkondensatoren C1 und C2 voll ausgenutzt werden. Wenn z. B. der Schaltzustand -111 eingestellt war und die positive Toleranzgrenze des Stranges R erreicht wurde, ergibt sich normalerweise der Schaltzustand 011 (Ausgangsklemme des Stranges R wird von -1 auf 0 umgeschaltet). Ist allerdings die Zwischenkreisspannung unsymmetrisch, d. h. z. B. U_C2< als U_C1, dann wird bei motorischem Betrieb anstatt Schaltzustand 011 der redun dante Schaltzustand -100 eingestellt. Dadurch wird der untere Stützkonden sator C2 mehr belastet als der obere Kondensator C1 und es findet eine Spannungssymmetrierung statt. Im generatorischen Betrieb dagegen wird der Schaltzustand 011 ausgewählt. In der gleichen Art und Weise können die anderen redundanten Schaltzustände genutzt werden.

Claims

1. Verfahren zur verbesserten Führung eines Drei-Level-Pulswechselrichters insbesondere für hochdynamische drehzahlgeregelte Antriebe, der an einer Zwischenkreis-Gleichspannung mit 0-Mittelpunkt liegt, deren Potentiale über die Schalter des Pulswechselrichters zyklisch an die verschiedenen Stränge eines Mehrphasenausganges gelegt werden, wobei ein Strom-Tole ranzbandregelverfahren Verwendung findet, bei dem die Regelabweichungen der Phasenströme von Phasenkomparatoren erfaßt und bei Erreichen oder überschreiten der vorgegebenen Toleranzbänder für die Phasenströme ein Steuersatz veranlaßt wird, die Schalter zusätzlich so umzuschalten, daß jeweils bei Überschreiten einer positiven oder negativen Toleranzgrenze durch eine Stromregelabweichung einer Phase diese über die anlegbaren Potentiale der Zwischenkreisgleichspannung wieder in das Toleranzband zurückgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen oder Überschreiten der positiven (negativen) Toleranz bandgrenze durch eine Stromregelabweichung eines Stranges (z. B. R) die zugehörige Spannung dieses Stranges gegen Null (z. B. U_R0) um eine Spannungsstufe (U_d/2) erhöht (erniedrigt) wird oder daß - sofern dies nicht mehr möglich ist - die Spannungen der beiden anderen Stränge (z. B. S und T) um eine Spannungsstufe (U_d/2) erniedrigt (erhöht) werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach jeder zyklischen Schaltzustandsänderung der neue Schaltzustand für eine Mindestzeit beibehalten und jeweils anschließend eine Abfrage nach der Stromregelabweichung durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die redundanten Schaltzustände zur Symmetrierung der Schaltfrequenz der Schalter in den drei Strängen (R, S, T) ausgenutzt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kriterium für die Auswahl bei redundanten Schaltzuständen und unterschiedlicher Schaltfrequenz ist, daß der Strang mit der höheren Schaltfrequenz nicht umgeschaltet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Zwischenkreisspannungen, bei dem der Null-Punkt über Stützkon densatoren (C1, C2) erzeugt wird, die Spannungsaufteilung im Zwischen kreis überwacht und über die redundanten Schaltzustände symmetriert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahl der redundanten Schaltzustände bei unsymmetrischer Spannungsaufteilung jeweils so erfolgt, daß der Schaltzustand gewählt wird, der bei motorischem Betrieb die Spannung des Kondensators mit dem höheren Spannungsanteil stärker belastet und bei generatorischem Betrieb den Kondensator mit dem niedrigeren Spannungsanteil stärker auflädt.