DE4216946C2 - Verfahren zum Betrieb eines Dreiphasenumrichters zur symmetrischen Speisung einer dreiphasigen Last - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Symmetrierung der Phasenströme einer dreiphasigen Last mit offenem Sternpunkt, die von einem Umrichter gespeist wird, bei dem die von einem netzgespeisten Gleichrichter gelieferte Zwischenkreisspannung mittels eines pulsweitenmodulierbaren transistorisierten Wechselrichters in drei hinsichtlich ihrer Amplitude und Phasenlage einstellbare Phasenspannungen U₁, U₂, U₃ gerichtet wird.

Ein in einem Verfahren der eingangs genannten Art eingesetzter Umrichter, wie er z. B. aus R. Lappe, H. Conrad, M. Kronberg, "Leistungselektronik", 1988, S. 299, bekannt ist, stellt ein Drehstromsystem zur Verfügung, bei dem im allgemeinen die drei gleichen Phasenspannungen um 120° zueinander versetzt sind. Die meisten, von solchen Stromrichtern gespeisten Lasten sind symmetrisch, z. B. alle Elektromotoren. Die vom Umrichter gespeiste dreiphasige Last kann aber im allgemeinen auch unterschiedliche Impedanzen in den einzelnen Phasen aufweisen. Dies führt dazu, daß die einzelnen Phasenströme der Last ungleich sind sowohl im Bezug auf ihre Amplitude als auch im Bezug auf ihre relative Phasenlage. Eine solche Unsymmetrie ist für bestimmte Anwendungen nicht wünschenswert, da sich hierdurch einerseits die maximal verfügbare Leistung des Stromrichters verringert und andererseits der geforderte maximale Speisestrom nur in einer der drei Phasen realisieren läßt. Ein Beispiel für einen solchen Anwendungsfall, bei dem die Unsymmetrie der Impedanzen der einzelnen Phasen der Last besonders extrem sein kann, ist ein sogenannter Linearrührer, dessen Spulen die dreiphasige Last eines Umrichters bilden.

Aus der EP 01 17 558 B1 ist ebenfalls ein Umrichter bekannt, der mittels Pulsweitenmodulation arbeitet. Durch diesen Umrichter wird ein eine symmetrische Last darstellender Wechselstrommotor, beispielsweise ein Induktionsmotor oder ein Synchronmotor gespeist. Bei dem Verfahren zur Regelung des PWM-Inverters wird ein Spannungsleitsollwertsignal als Modulationssignal verwendet und für jede Phase mit einem Trägerwellensignal verglichen, wobei Welligkeiten im Spannungsleitsollwertsignal unterdrückt werden. Dadurch werden ungewünschte magnetische Geräusche, die vom Wechselstrommotor herstammen, ohne Berücksichtigung der jeweiligen Lastbedingungen des Motors herabgesetzt.

Desweiteren ist aus der DE 25 10 302 A1 in Verfahren zur Mehrpunktregelung der Ausgangsströme eines mehrphasigen selbstgeführten Umrichters mit Gleichspannungszwischenkreis bekannt. Bei diesem Verfahren wird die Summe der Strangströme auf den Wert "0" geregelt, wobei bei einem Einsatz von Strombetragsreglern bei Vorgabe gleicher Stromsollwerte eine Phasendifferenz von 120° zwischen den Phasenspannungen resultiert.

Schließlich ist aus der DE 26 27 537 A1 ein Verfahren zur Regelung des Motorstromes eines umrichtergespeisten, ebenfalls eine symmetrische Last darstellenden Asynchronmotors bekannt, bei dem ein Strombetragsregler eingesetzt wird, der aufgrund der symmetrischen Last für jede Spannung identisch arbeitet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend weiterzuentwickeln, daß auch bei unsymmetrischen Impedanzen der Last stets eine symmetrische Stromverteilung der Phasenströme gegeben ist.

Bei dem Verfahren der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß jeder der Phasenströme durch Stellen der Amplitude seiner zugehörigen Phasenspannung auf den identischen Strombetrag geregelt wird, wobei die Phasenlage der Phasenspannungen jeweils 120° zueinander beträgt.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß zum einen der Umrichter durch die Pulsweitenmodulation seiner Transistoren so angesteuert wird, daß die Phasenlage der Umrichterausgangsspannungen symmetrisch ist, so daß ein phasen-symmetrisches Drehstromsystem zur Verfügung gestellt bleibt. Andererseits wird die Amplitude jeder einzelnen Phasenspannung so geregelt, daß der Strombetrag in jeder Phase gleich ist, d. h. daß die Amplituden der Phasenspannungen über die einzelnen Regelkreise automatisch den unterschiedlichen Lastimpedanzen angepaßt werden. Durch die zwangsweise Angleichung der Beträge der drei Phasenströme wird erreicht, daß sie auch im Bezug auf ihren Phasenwinkel jeweils 120° zueinander versetzt sind. Dies wird dadurch erreicht, daß sich der Mittelpunkt der Last im Zeigerdiagramm im Bezug auf den Mittelpunkt des vom Umrichter zur Verfügung gestellten Dreiphasensystems soweit verschiebt, bis die durch die Regelkreise eingeprägten Bedingungen der Strombetragsgleichheit erfüllt sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auf sämtliche dreiphasige Lasten anwenden, sofern der Mittelpunkt der Last im Zeigerdiagramm variabel ist. Dies ist für alle Lasten in Dreieck-Schaltung und für Stern-Schaltungen mit variablem Mittelpunkt erfüllt. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren unabhängig von dem Drehsinn des Drehstromsystemes.

Bevorzugte Verwendung findet das erfindungsgemäße Verfahren bei Magnetrührern, die entweder als Strangrührer, Kokillenrührer oder Linearrührer ausgeführt sein können. Insbesondere bei letzterem ist in der Regel eine starke Unsymmetrie der Lastimpedanzen gegeben, so daß mit Hilfe der Erfindung eine erhebliche Verbesserung der maximal verfügbaren Leistung eines solchen Linearrührers erreicht wird, da der maximale Strom in allen drei Phasen zur Verfügung steht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert.

Dabei zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild des in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Umrichters und

Fig. 2 ein Zeigerdiagramm zur Erläuterung der Funktion der für das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzten Vorrichtung.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, besteht der Umrichter aus einem von einem Dreiphasennetz L₁, L₂, L₃ gespeisten Brückengleichrichter 1, der einen kapazitiven Zwischenkreis 2 versorgt. An den kapazitiven Zwischenkreis 2 angeschlossen ist ein Wechselrichter 3, welcher ausgangsseitig ein Dreiphasensystem durch die Phasenspannungen U₁, U₂, U₃ bildet. Hierzu sind in den Brückendiagonalen des Drehstromwechselrichters 3 steuerbare Halbleiterschalter, insbesondere Transistoren oder IGBT-Transistoren vorgesehen, deren Steueranschlüsse von einer Pulsweitenmodulationssteuereinheit 5 angesteuert werden.

Im nicht durchgesteuerten Zustand der einzelnen Schaltelemente des Wechselrichters 3 können Ausgleichströme durch die antiparallel zu den Schaltelementen liegenden Freilaufdioden fließen. Der Ausgang des Umrichters ist auf eine dreiphasige Last 4 geschaltet, an deren jeweiligen Impedanzen die Leiterspannungen U_L1, U_L2, U_L3 anliegen, und in die die Phasenströme i₁, i₂, i₃ fließen.

Mittels herkömmlicher bzw. Kompensations-Stromwandler werden den jeweiligen Phasenströmen i₁, i₂, i₃ entsprechende Signale vor den Lastimpedanzen abgegriffen und auf Strom-Istwert-Erfassungseinrichtungen 6.1, 6.2, 6.3 geführt. Diese bilden jeweils die Istwert-Eingangsgrößen dreier separater Regelkreise, deren jeweilige Regler durch die Elemente 7.1, 7.2, 7.3 gebildet sind. Jeder der Regler 7.1, 7.2, 7.3 arbeitet auf ein Stellglied 8.1, 8.2, 8.3. Mittels der Stellglieder 8.1, 8.2, 8.3 werden in der Pulsweitenmodulationssteuereinrichtung 5 Signale zur Ansteurung der Steueranschlüsse der Steuerelemente (Transistoren) des Dreiphasenwechselrichters 3 erzeugt. Den Sollwerteingang eines jeden der drei separaten Regelkreise 7.1, 7.2, 7.3 bildet ein Sollwert für den Phasenstrom I_Soll.

Die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nun insbesondere im Zusammenhang mit Fig. 2 näher erläutert.

Die Pulsweitenmodulationssteuereinheit 5 beeinflußt die Steueranschlüsse der Steuerelemente im Wechselrichter 3 einerseits so, daß die Phasenlage der Ausgangsspannungen U₁,U₂, U₃ des Wechselrichters konstant ist, d. h. daß die drei Spannungen jeweils 120° zueinander versetzt sind. Der Mittelpunkt der Phasenspannungen U₁, U₂, U₃ wird durch den Punkt M_P in Fig. 2 gebildet.

Die im allgemeinen aufgrund der unterschiedlichen Lastimpedanzen der Last 4 auch unterschiedlichen Phasenströme i₁, i₂, i₃ werden mittels der Istwerterfassungen 6.1, 6.2, 6.3 gemessen und als Istwerteingangsgrößen auf die jeweiligen den einzelnen Phasen zugeordneten Regelkreise gegeben. Da den Regelkreisen als Sollwert jeweils derselbe gewünschte Betrag des Phasenstromes vorgegeben wird, arbeitet jeder Regler 7.1, 7.2, 7.3 über das ihm zugeordnete Stellglied 8.1, 8.2, 8.3 auf die Pulsweitenmodulationssteuereinheit 5 so, daß die dem Phasenstrom i₁, i₂, i₃ zugehörige Phasenspannung U₁, U₂, U₃ in ihrer Amplitude so verändert wird, daß trotz der in jeder Phase unterschiedlichen Lastimpedanz die jeweiligen Beträge der Phasenströme i₁, i₂, i₃ konstant sind.

Durch die Kopplung der drei Phasen beeinflußt zwar die Änderung einer der Phasenspannungen sämtliche drei Phasenströme. Allerdings ist die Beeinflussung der übrigen, nicht der jeweiligen Phasenspannung zugeordneten Ströme weitaus geringer als die Änderung des zugeordneten Phasenstromes, so daß sich die drei Regelkreise stabilisieren lassen.

Da die Summe der vektoriellen Addition der drei Phasenströme i₁, i₂, i₃ Null ist, kann die Bedingung der betragsmäßig gleichen Phasenströme nur dann erfüllt sein, wenn die Phasenströme i₁, i₂, i₃, wie in Fig. 2 dargestellt, ein gleichseitiges Dreieck aufspannen, wobei notwendigerweise die Phasenverschiebung der einzelnen Phasenströme zueinander 120° beträgt.

Die Erfüllung dieser Bedingung ist im allgemeinen nur möglich, wenn sich der Mittelpunkt M′_P des Phasenstromzeigersystems im Bezug auf den Mittelpunkt M_P des Phasenspannungssystems verschiebt.

Die in Fig. 2 dargestellten Phasenverschiebungswinkel ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃ zwischen den jeweiligen Phasenströmen i₁, i₂, i₃ und den an der Lastimpedanz abfallenden Leiterspannungen U_L1, U_L2, U_L3 sind dabei unterschiedlich, nämlich entsprechend dem komplexen Widerstand der Last.

Durch die Symmetrierung der Phasenströme i₁, i₂, i₃ wird es erfindungsgemäß ermöglicht, daß in allen drei Phasen der Last derselbe gewünschte Betrag für den Phasenstrom erreicht werden kann, so daß der Umrichter optimal ausgenutzt wird.

Claims (3)

1. Verfahren zur Symmetrierung der Phasenströme einer dreiphasigen Last (4) mit offenem Sternpunkt, die von einem Umrichter gespeist wird, bei dem die von einem netzgespeisten Gleichrichter (1) gelieferte Zwischenkreisspannung mittels eines pulsweitenmodulierbaren transistorisierten Wechselrichters (3) in drei hinsichtlich ihrer Amplitude und Phasenlage einstellbare Phasenspannungen (U₁, U₂, U₃) gerichtet wird, wobei

• - jeder der drei Phasenströme (i₁, i₂, i₃) durch Stellen der Amplitude seiner zugehörigen Phasenspannung (U_1, U₂, U₃) auf den identischen Strombetrag geregelt wird, und
• - die Phasenlage der Phasenspannungen (U₁, U₂, U₃) jeweils 120° zueinander beträgt.

2. Verwendung eines Verfahrens nach Anspruch 1 zur Symmetrierung der Ströme in einem dreiphasigen Magnetrührer, insbesondere einem Strangrührer oder Kokillenrührer.

3. Verwendung eines Verfahrens nach Anspruch 1 zur Symmetrierung der Ströme in einem Linearrührer.