DE4114968A1

DE4114968A1 - Verfahren zur stromfuehrung einer wechselrichtergesteuerten last

Info

Publication number: DE4114968A1
Application number: DE19914114968
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl Ing Eulitz; Frank Dipl Ing Kleindienst; Wilfried Dr Ing Hofmann; Matthias Dipl Ing Kohls; Olaf Dipl Ing Lerwe
Original assignee: Elpro AG
Current assignee: Elpro AG
Priority date: 1991-05-03
Filing date: 1991-05-03
Publication date: 1992-11-05

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stromführung einer über gepulste Stromrichter gesteuerten beliebigen, vorzugsweise ohmisch-induktiven Last mit oder ohne Gegenspannung und ist ins besondere geeignet zur Ansteuerung von Netzstromrichtern und Maschinenstromrichtern in der Drehstromtraktionstechnik. Weitere Anwendungsgebiete betreffen stationäre Pulswechselrichter-Antrie be höherer Leistung mit Pulsfrequenzen von kleiner als 1 kHz.

Aus der DE-OS 32 06 268 ist eine Anordnung zur Bildung der Strom istwerte von oberschwingungsbehafteten Strömen bekannt, bei der durch Auswertung der Amplitude und Phasenverschiebung des Stän derstromvektors der günstigste Zeitpunkt zur Messung der Ständer stromgrundschwingung für alle bekannten Ansteuerverfahren be stimmt werden kann und z. B. als Istwert in einer Regeleinrichtung verwertbar ist. Dabei wird als besonders günstig der Meßzeitpunkt ausgegeben, der sich in der Mitte einer Spannungs-Nullvektor-Schal tung befindet. Den Vorteil, daß dieses Prinzip für eine Vielzahl von Ansteuerverfahren funktioniert, stehen als Nachteile gegenüber, daß

- zusätzliche Zählbausteine zur Bestimmung des Meßzeitpunktes erforderlich sind,
- bei Auslösung von zählergesteuerten Interrupts stochastische Abweichungen vom geforderten Meßzeitpunkt auftreten können und damit Fehler bei der Erfassung der Stromgrundschwingung entste hen,
- das Meßprinzip nur für Ansteuerverfahren mit Nullspannungsim pulsen verwendbar ist und damit auf ca. 80% des möglichen Ansteu erbereiches beschränkt bleibt.

Aus der DE-OS 36 15 663 ist ein Verfahren zur Istwertglättung bekannt, bei dem der separierbare Oberschwingungsanteil der Stellglied-Ausgangsspannung auf ein Modell der Last geführt wird, dessen Modellstrom vom tatsächlichen Strom abgezogen wird, so daß der Grundschwingungsanteil entsteht. Das Verfahren erfordert einen hohen gerätemäßigen Aufwand zur richtigen Erfassung der Stellglied-Ausgangsspannung. Weiterhin ist es nur für analoge Signalverarbeitung sinnvoll geeignet. Dabei werden relativ hohe Anforderungen an die Präzision der Analogbauelemente gestellt, die angesichts von Drift- und Offseterscheinungen begrenzt wird.

In der DE-OS 33 16 761 wird ein prädikatives Regelverfahren vor geschlagen, bei dem die Zündzeitpunkte ständig aus dem Vergleich einer Modellgröße, z. B. für den Motorstrom, mit der realen Meß größe vorausschauend berechnet werden. Wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens ist, daß die relativ umfangreichen Berechnungen quasi on-line und ständig durchgeführt werden müssen und eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit des Prozessors erforderlich ist.

Mit der Erfindung wird die Aufgabe verfolgt, eine Aufwandsredu zierung hinsichtlich der erforderlichen Informationselektronik in Hard- und Software zu erreichen und die Qualitätsparameter der Gesamtanordnung bzgl. des Energieaufwands durch eine verbesserte Gestaltung der Verlustleistungsbilanz in der gesteuerten Last und bzgl. des Stellbereiches sowie der Dynamik zu erhöhen. Ermöglicht werden soll dies durch eine Maßnahme, mit der durch abtastende Messung des entstehenden oberschwingungsbehafteten Laststromes zum nächsten Abtastzeitpunkt genau die Grundschwingung desselben Laststromes jeder Phase erfaßt werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß von zu einem Abtastzeitpunkt erfaßten Phasenspannungs-Steuersignalen ausgegan gen wird und daraus die Schaltkombination und Einschaltzeiten der Stellgliedventile für das nachfolgende Abtastintervall so abgeleitet werden, daß zum nächsten Abtastzeitpunkt eine direkte Messung der Grundschwingung eines oberschwingungsbehafteten Last stromes jeder Phase erfolgen kann. Dabei wird die Schaltfolge der Ventilkombination bei positivem bzw. negativem Vorzeichen des Phasenspannungs-Steuersignals so gewählt, daß abwechselnd eine Null-, eine positive bzw. negative und wieder eine Null-Spannung als Ausgangsspannung für das Abtastintervall erzeugt wird.

Die Einschaltdauer derjenigen Schaltkombination, die zu einer positiven bzw. negativen Ausgangsspannung führt, und der Ein schaltzeiten der Null-Spannung am Anfang und Ende des Abtastin tervalls, deren Gesamtdauer sich aus der Differenz der Abtastzeit und der Einschaltzeit T₁ ergibt, wird aus dem Vergleich der Anre gungen der realen Anordnung und einer Modellanordnung für die Grundschwingung im voraus aus der Streckenzeitkonstante und -ver stärkung, der Abtastzeit und dem Momentanwert des Phasenspan nungs-Steuersignals gewonnen.

In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, die Auswahl der Schaltkombinationen und ihre Einschaltzeiten aus einem Steuersignalvektor der Ausgangsspannung direkt vorzunehmen. Weiterhin ist es möglich, die Schaltkombination und deren Ein schaltzeiten direkt aus dem Stromsollwertvektor oder den Sollwer ten der Phasenströme zu bestimmen.

In einer weiteren Ausgestaltung können die Einschaltzeiten der Schaltkombination, die zu einer Ausgangsspannung Null führt, aus einem Optimierungskriterium z. B. für minimierten Oberschwingungs gehalt, abgeleitet werden. Weiterhin kann in den Einschaltzeiten T₀₁ und T₀₂, die zu einer Null-Spannung führen, die Mindestein schaltzeit berücksichtigt werden, so daß die Meßbarkeit der Grundschwingung des Laststromes erhalten bleibt. Als einfachste Variante können die Einschaltzeiten gleich groß gewählt werden, so daß der von Null abweichende Spannungspuls in der Mitte des Abtastintervalls liegt.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels für eine einphasige Stellgliedanordnung näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 die einphasige Stellgliedanordnung,

Fig. 2a den Signalverlauf der einphasigen Anordnung (unten),

Fig. 2b den Stromverlauf der einphasigen Anordnung,

Fig. 3 eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Betrachtet wird eine einphasige Stellgliedanordnung nach Fig. 1, die die Wirkungsweise für einen Netzstromrichter mit Vierquadran tensteller für eine ohmisch-induktive Last R/L hinreichend be schreibt. Dessen Stellerspannung soll gemäß dem Phasenspannungs-Steu ersignal u_st bzgl. der Grundschwingung so gesteuert werden, daß für eine übergeordnete Laststromregelung die abgetasteten Meßwerte möglichst oberschwingungsarm die tatsächliche Grund schwingung des Laststromes i wiedergeben, vgl. Fig. 2b.

Vernachlässigt man die Wirkung einer Gegenspannung, z. B. Genera torspannung beim Netzstromrichter, so kann man das Abtastverhal ten der realen Anordnung durch

sowie der Modellanordnung für die Grundschwingung durch

beschreiben.

Hierin sind T die Abtastzeit und T_s die Streckenzeitkonstante. Da beabsichtigt ist, zu den Abtastzeitpunkten n und n+1 eine Gleichheit von Meßwert und Grundschwingungsstrom zu erzielen, müssen die Anregungen beider Systeme gleich groß sein.

Läßt man die Einschaltzeit T₁ zunächst wahlfrei, so kann man die Einschaltzeit T₀₁ bestimmen zu

Im einfachsten Fall kann der Spannungspuls nach Fig. 2 in Mittel lage gebracht werden, so daß gilt T₀₁ = T₀₂.

Man bestimmt dann

und

T₁ = T - 2 T₀₁ (8)

Die Prämisse von T₀₁ = T₀₂ erweist sich als günstig für die Berechnung, da hierbei die einfachsten Berechnungsgleichungen entstehen.

Darf eine Mindesteinschaltdauer T_min z. B. für T₀₁ nicht unter schritten werden, so kann dies in den Gleichungen durch Verschie ben des Spannungspulses mit der Einschaltzeit T₁ berücksichtigt werden.

In einer weiteren Ausgestaltung kann das Phasenspannungs-Steuer signal direkt durch den Sollwert des Laststromes ersetzt werden, so daß eine direkte Stromsteuerung der Grundschwingung zu den Abtastzeitpunkten möglich ist. Dazu werden in Gl. (1) lediglich die Istwerte durch die Sollwerte ersetzt.

Zur Durchführung des Verfahrens ist eine Vorrichtung nach Fig. 3 geeignet, nach der ausgehend von einem Phasenspannungs-Signal generator 1 (SG), der Teil einer übergeordneten Regeleinrichtung zur Spannungs- und Stromregelung sein kann, sowie einem Parame terspeicher 2 (ROM) für die Streckenverstärkung und Streckenzeit konstante über separate Tabellen 3 (TAB) für die Größen γ₁ und k₁ in einer Recheneinheit 4 (RE) die Einschaltzeiten T₀₁, T₁, T₀₂ berechnet und an einen Zählerbaustein 5 (Z1, Z2, Z3) zur Realisie rung der Zeitverzögerungen übergeben werden und parallel dazu über einen Signalkomparator 6 (SK) das Vorzeichen des Steuersig nals bestimmt und zur Auswahl der Schaltkombination im Schaltzu standswähler 7 (SZW) benutzt wird.

Die Vorteile der Erfindung liegen einmal in der Einsparung einer aufwendigen Filteranordnung und zum anderen in einem verbesserten Regelverhalten der Stromregelkreise.

Insbesondere im Pulsfrequenzbereich wird das Oberschwingungsspek trum wesentlich verbessert.

Claims

1. Verfahren zur Stromführung einer wechselrichtergesteuerten Last für einphasige oder unabhängig voneinander steuerbare Stellglied anordnungen, dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend von einem oder mehreren zum Abtastzeitpunkt erfaßten Phasenspannungs-Steuersig nalen u_st

- bei positiven bzw. negativen Vorzeichen des Phasenspannungs-Steu ersignals u_st genau die Ventilkombinationen-Reihenfolge ge wählt wird, die abwechselnd eine Null-Spannung, eine positive bzw. negative und wieder eine Null-Spannung als Ausgangsspannung für das Abtastintervall erzeugt und
- die Einschaltzeiten (T₀₁, T₀₂, T₁) der Stellgliedventile für das nächste Abtastintervall bestimmt werden, indem die Einschaltdauer T₀₁ derjenigen Ventilkombination, die zu einer positiven bzw. negativen Ausgangsspannung führt, deren Gesamtdauer sich aus der Differenz der Abtastzeit T und der Einschaltdauer T₁ ergibt, aus dem Vergleich der Anregungen der realen Anordnung und einer Mo dellanordnung für die Grundschwingungsgrößen im voraus aus dem Momentanwert des Phasenspannungs-Steuersignals, der Streckenzeit konstante, der Streckenverstärkung und der Abtastzeit bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Aus wahl der Ventilschaltkombination und ihre Einschaltzeiten direkt aus den Bestimmungsstücken eines Steuersignalvektors im festste henden Koordinatensystem für die reale und die Modellanordnung der Grundschwingungsgrößen bestimmt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Aus wahl der Ventilschaltkombination und ihre Einschaltzeiten direkt aus den Sollwerten der Phasenströme bzw. aus den Bestimmungs stücken eines Stromsollvektors im feststehenden Koordinatensystem vorgenommen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Ein schaltdauer T₀₁ und T₀₂ der Ventilkombination die zu einer Aus gangsspannung Null führt, aus einem Optimierungskriterium abge leitet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Ein schaltzeiten T₀₁ und T₀₂ aus einem Kriterium für minimalen Ober schwingungsgehalt abgeleitet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß zur Be stimmung der Einschaltzeiten T₀₁ und T₀₂ die Mindesteinschaltzeit T_min Berücksichtigung findet.

7. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Ein schaltdauer T₀₁ und T₀₂ gleich groß gewählt wird.