DE4104843A1 - Regelanordnung fuer eine getaktete elektronische leistungsschalteinrichtung und regelverfahren hierzu - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelanordnung für eine getaktete elektronische Leistungsschalteinrichtung mit einem Stromregler, der eine Taktfrequenz zur Ein/Ausschaltung der elektronischen Halbleiterventile der Leistungsschalteinrichtung in Abhängigkeit der Re­ gelabweichung zwischen einem Stromsollwertsignal und einem Stromistwertsignal vorgibt, sowie auf ein Regel­ verfahren hierzu.

Eine Anwendung der Erfindung kann bei Gleichstromstel­ lern (Choppern) erfolgen. Die elektronischen Leistungs­ schalteinrichtungen können mit Leistungstransistoren, Thyristoren oder ähnlichen Halbleiterventilen bestückt sein.

Eine solche Regeleinrichtung ist aus dem Silizium Strom­ richter Handbuch der Aktiengesellschaft Brown Boveri & Cie, 1971, Seite 412 bekannt. Es handelt sich dabei um einen Gleichstromsteller, wobei ein Stromregler die Taktsignale (Zündimpulse, Löschimpulse) für den Zer­ hacker in Abhängigkeit der Regelabweichung zwischen Stromsollwert und Stromistwert vorgibt.

Allgemein ist die Schaltverlustleistung einer getakteten elektronischen Leistungsschalteinrichtung von der Takt­ frequenz und vom zu schaltenden Strom abhängig. Die Schaltverlustleistung steigt mit zunehmender Taktfre­ quenz und mit zunehmendem zu schaltendem Strom.

Wenn die elektronische Leistungsschalteinrichtung in Reihe mit einer unbekannten, variablen Induktivität ge­ schaltet ist, muß die Taktfrequenz üblicherweise auf einen festen, relativ kleinen Wert eingestellt oder die Verstärkung eines als Stromregler eingesetzten P-Reglers muß auf einen sicheren, relativ kleinen Wert eingestellt (um eine "Übersteuerung des Stromreglers und daraus re­ sultierende Taktfrequenzerhöhungen" zu vermeiden) oder die Schalthysterese eines als Stromregler eingesetzten Zweipunktreglers muß auf einen relativ großen Wert ein­ gestellt werden (zur Begrenzung der Taktfrequenz) um die Schaltverlustleistung auf im Hinblick auf die Kühlvor­ richtungen der elektronischen Halbleiterventile zulässi­ ge Werte zu begrenzen.

Wenn die elektronische Leistungsschalteinrichtung in Reihe mit einer bekannten, festen Induktivität geschal­ tet ist, wird die Taktfrequenz üblicherweise auf einen konstanten Wert eingestellt, wobei dieser konstante Wert so gewählt ist, daß die bei konstanter Taktfrequenz und Nennstrom entstehende Schaltverlustleistung der maximal über die Kühlvorrichtungen der elektronischen Halblei­ terventile abführbaren Wärmeleistung entspricht. Ist der zu schaltende Strom während bestimmter Betriebsbedingun­ gen kleiner als der Nennstrom, werden die Kühlvorrich­ tungen (Kühlkörper) der elektronischen Halbleiterventile nicht "ausgenutzt", d. h. es wird Bauvolumen "ver­ schenkt".

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regelan­ ordnung für eine getaktete elektronische Leistungs­ schalteinrichtung anzugeben, die unter verschiedenarti­ gen Betriebsbedingungen stets eine optimale Ausnutzung der Kühlvorrichtungen der elektronischen Halbleiterven­ tile der elektronischen Leistungsschalteinrichtung bei gleichzeitig optimaler Betriebsweise der elektronischen Leistungsschalteinrichtung gewährleistet. Desweiteren soll ein Regelverfahren hierzu angegeben werden.

Diese Aufgabe wird bezüglich der Regelanordnung in Ver­ bindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungs­ gemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebe­ nen Merkmale gelöst.

Die Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens durch die im Anspruch 5 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbe­ sondere darin, daß die Taktfrequenz stets auf den maxi­ mal möglichen schaltbaren Strom begrenzt wird, folglich kann eine Überlastung der Kühlvorrichtungen der elektro­ nischen Halbeiterventile der elektronischen Leistungs­ schalteinrichtung mit einer hieraus resultierenden Gefährdung der Halbleiterventile infolge Überhitzung nicht auftreten. Gleichzeitig wird die Taktfrequenz jedoch nicht in unnötiger Weise begrenzt, z. B. durch Einstellung der Taktfrequenz auf einen festen, relativ kleinen Wert oder durch Einstellung der Verstärkung eines als Stromregler eingesetzten P-Reglers auf einen eine Taktfrequenzerhöhung infolge Übersteuerung mit Sicherheit ausschließenden, relativ kleinen Wert oder durch Einstellung der Schalthysterese eines als Strom­ regler eingesetzten Zweipunktreglers auf einen relativ großen Wert.

Die Verstärker kann bei einem P-Regler als Stromregler vielmehr auf einen sehr hohen, eine genaue und dynami­ sche Regelung gewährleistetenden Wert eingestellt wer­ den. Ferner kann die Schalthysterese bei einem Zweipunkt­ regler als Stromregler auf einen kleinen, eine genaue und dynamische Regelung gewährleistenden Wert einge­ stellt werden. Hierdurch wird stets eine optimale Be­ triebsweise der elektronischen Leistungsschalteinrich­ tung mit relativ hoher Taktfrequenz gewährleistet.

Das Übersetzungsverhältnis der an der elektronischen Leistungsschalteinrichtung anstehenden Gleichspannungen und die in Serie zur elektronischen Leistungsschaltein­ richtung liegende Induktivität können sich in weiten Bereichen ändern, ohne daß dies eine Begrenzung der Taktfrequenz auf unnötig kleine Werte oder eine mangeln­ de Ausnutzung der Kühlvorrichtungen der elektronischen Halbleiterventile zur Folge hat. Allgemein ausgedrückt, wird man bei der Auslegung und Optimierung der elektro­ nischen Leistungsschalteinrichtung unabhängig vom Über­ setzungsverhältnis der Gleichspannungen und von der In­ duktivität.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand des in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. In der einzigen Figur ist eine Anordnung zur "Gleichspan­ nungstransformation" dargestellt. Es ist eine elektroni­ sche Leistungsschalteinrichtung 1 zu erkennen, die über ihre erste Klemme 2 und eine Induktivität 3 mit dem po­ sitivem Pol 4 einer ersten Gleichspannungsquelle 5 ver­ bunden ist. Der negative Pol 6 der Gleichspannungsquelle 5 ist über eine Stromerfassungseinrichtung 7 an die zweite Klemme 8 der Leistungsschalteinrichtung 1 ange­ schlossen. Eine zweite Gleichspannungsquelle 9 ist über ihren positiven Pol 10 mit der dritten Klemme 11 re­ spektive über ihren negativen Pol 12 mit der vierten Klemme 13 der Leistungsschalteinrichtung 1 verbunden.

Die Gleichspannungen der ersten Gleichspannungsquelle 5 respektive der zweiten Gleichspannungsquelle 9 sind mit U1 respektive U2 bezeichnet. Die Spannung U1 ist kleiner als die Spannung U2, das Übersetzungsverhältnis ü ist definiert als U1/U2. Es ist ein Leistungsfluß sowohl von den Klemmen 2/8 zu den Klemmen 11/13 als auch umgekehrt möglich. Induktivität 3 und Gleichspannungsquelle 5 kön­ nen zusammen beispielsweise einen Gleichstrommotor re­ präsentieren. Der über die Stromerfassungseinrichtung 7 vom negativen Pol 6 zur zweiten Klemme 8 der elektroni­ schen Leistungsschalteinrichtung fließende Gleichstrom ist mit I bezeichnet. Die Stromerfassungseinrichtung 7 liefert ein entsprechendes Stromistwertsignal Iist als Regelgröße der nachstehend beschriebenen Regeleinrich­ tung.

Dieses Stromistwertsignal Iist wird in einer Vergleichs­ stelle 14 mit einem Stromsollwertsignal Isoll vergli­ chen. Die beim Vergleich zwischen Führungsgröße Isoll und Regelgröße Iist auftretende Regeldifferenz wird ei­ nem Stromregler 15 zugeleitet. Als Stromregler 15 kann ein analoger Zweipunktregler mit kleiner Schalthysterese oder ein Proportionalregler mit sehr großer Verstärkung verwendet werden. Dies minimiert den Einfluß der sich zeitlich ändernden Spannung U1, die auf den Regelkreis als Störgröße wirkt. Die vom Stromregler 15 ausgangssei­ tig abgegebene Taktfrequenz fist wird einem Frequenzver­ gleichsglied 16 sowie einem Totzeitglied 17 zugeführt. Dem Frequenzvergleichsglied 16 liegt am weiteren Eingang die maximale Taktfrequenz ftmax an. Diese maximale Takt­ frequenz ftmax wird von einem Transformationsglied 18 in Abhängigkeit des Stromsollwertsignals Isoll erzeugt, und zwar steigt die maximale Taktfrequenz ftmax mit sinken­ dem Stromsollwertsignal Isoll und sinkt umgekehrt bei steigendem Stromsollwertsignal (Begrenzung von fist).

Das mit fdif bezeichnete Abweichungssignal entspricht der Differenz fist-ftmax und wird vom Frequenzver­ gleichsglied 16 an das Totzeitglied 17 abgegeben. Ist dieses Abweichungssignal fdif kleiner oder gleich Null, so passiert die Taktfrequenz fist das Totzeitglied 17 unverändert, d. h. die auf die maximale Taktfrequenz ftmax begrenzte Taktfrequenz fb am Ausgang des Totzeit­ gliedes 17 entspricht der Taktfrequenz fist, da eine Begrenzung nicht erforderlich ist. Ist dieses Abwei­ chungssignal fdif größer als Null, so entspricht die Taktfrequenz fb am Ausgang des Totzeitgliedes 17 der maximalen Taktfrequenz ftmax. Dies wird dadurch er­ reicht, indem die dem Totzeitglied 17 eingangsseitig zugeführte Taktfrequenz fist um eine vom Abweichungssi­ gnal fdif abhängige Totzeit verzögert wird. Diese Tot­ zeit steigt mit zunehmenden Abweichungssignal fdif kon­ tinuierlich an.

Für die vorstehend beschriebene Regelanordnung kann zu­ gelassen werden, daß sich die Induktivität 3 und die Gleichspannung U1 in weiten Bereichen verändern. Das sich infolge der Veränderung der Induktivität oder der Gleichspannung U1 ändernde Stromistwertsignal Iist kann eine Änderung der Taktfrequenz fist bewirken und somit auch eine Änderung der Schaltverlustleistung. Durch die Begrenzung der Taktfrequenz fist auf die maximale Takt­ frequenz ftmax - die im Abhängigkeit des Stromsollwertes Isoll und damit letztlich des zu schaltenden Stromes I vorgegeben wird - wird die Tatsache berücksichtigt, daß Kühlkörpervolumen zur Kühlung der Halbleiterventile nicht beliebig zur Verfügung steht, sondern daß die Schaltverlustleistung der elektronischen Halbleiterven­ tile der elektronischen Leistungsschalteinrichtung die maximal von den Kühlvorrichtungen der elektronischen Halbleiterventile abgebbare Wärmeleistung nicht über­ schreiten darf.

Die Regelung kann ständig an der digitalen Begrenzung mit ftmax betrieben werden. Dann nimmt die Stromwellig­ keit des Stromes I mit abnehmender Induktivität 3 zu.

Claims (6)

1. Regelanordnung für eine getaktete elektronische Leistungsschalteinrichtung mit einem Stromregler (15), der eine Taktfrequenz (fist) zur Ein/Ausschaltung der elektronischen Halbleiterventile der Leistungsschaltein­ richtung (1) in Abhängigkeit der Regelabweichung zwi­ schen einem Stromsollwertsignal (Isoll) und einem Stromistwertsignal (Iist) vorgibt, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Transformationsglied (18) vorgesehen ist, das eine maximale Taktfrequenz (ftmax) in Abhängigkeit des Stromsollwertsignals (Isoll) vorgibt, daß ein Fre­ quenzvergleichsglied (16) vorgesehen ist, das die Takt­ frequenz (fist) des Stromreglers (15) mit der maximalen Taktfrequenz (ftmax) vergleicht und daß Mittel (17) vor­ gesehen sind, die die Taktfrequenz (fist) auf die maxi­ male Taktfrequenz (ftmax) begrenzen.

2. Regelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Totzeitglied (17) vorgesehen ist, das die ihn eingangsseitig zugeführte Taktfrequenz (fist) in Abhängigkeit des vom Frequenzvergleichsglied (16) er­ zeugten Abweichungssignals (fdif) zwischen der Taktfre­ quenz (fist) und der maximalen Taktfrequenz (ftmax) auf die maximale Taktfrequenz (fist) begrenzt.

3. Regelanordnung nach Anspruch 1 und/oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Stromregler (15) als P-Regler mit sehr hoher Verstärkung ausgebildet ist.

4. Regelanordnung nach Anspruch 1 und/oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Stromregler (15) als Zwei­ punktregler mit kleiner Schalthysterese ausgebildet ist.

5. Regelverfahren für eine getaktete elektronische Leistungsschalteinrichtung mit einem Stromregler, der eine Taktfrequenz zur Ein/Ausschaltung der elektroni­ schen Halbleiterventile der Leistungsschalteinrichtung in Abhängigkeit der Regelabweichung zwischen einem Stromsollwertsignal und einem Stromistwertsignal vor­ gibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktfrequenz auf eine in Abhängigkeit des Stromsollwertsignals vorgegebe­ ne maximale Taktfrequenz begrenzt wird.

6. Regelverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Taktfrequenz derart verzögert wird, daß sie der maximalen Taktfrequenz entspricht.