DE4431397C1

DE4431397C1 - Verfahren zur Erfassung von Ausgangsstrom und -spannung eines zeitdiskret in Steuerungsintervallen gesteuerten Pulswechselrichters

Info

Publication number: DE4431397C1
Application number: DE19944431397
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr Ing Boecker; Joerg Dipl Ing Janning
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1994-08-25
Filing date: 1994-08-25
Publication date: 1996-02-08
Anticipated expiration: 2014-08-26

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches Verfahren ist im Forschungsbericht T 84-231 des Bundesministeriums für Forschung und Technologie "Anpassung elektrischer Antriebe an Versorgungs- und Prozeßsysteme" (Grumbrecht et al.) vom November 1984, insbesondere in Bild 3.23/1 auf Seite 148 aufgezeigt.

Zur Bereitstellung eines Pulsmusters für die Ansteuerung des Pulswechselrichters sind auf den Seiten 147 bis 155 des zuvor genannten Forschungsberichts Verfahren einer Modulation unter Zuhilfenahme eines dreiecksförmigen Modulationsträgers angegeben.

Zur Steuerung eines Pulswechselrichters ist es aber auch bekannt, anstelle der Dreiecksmodulation eine Vektormodulation durchzuführen (DE 42 41 647 C1).

Unabhängig von der Art der Ansteuerung des Pulswechselrichters ist es für eine (insbesondere hochdynamische, zeitdiskrete) Regelung des Asynchronmotors in der Regel notwendig, den Klemmenstrom und die Klemmenspannung der Maschine, d. h. den Ausgangsstrom und die Ausgangsspannung des Pulswechselrichters, zur Verfügung zu haben.

Bei der Messung des Klemmenstromes und der Klemmenspannung der Maschine tritt grundsätzlich das Problem auf, daß die Grundschwingung mit vom Pulswechselrichter generierten Oberschwingungen überlagert ist, was sich insbesondere bei niedrigen Pulsfrequenzen unangenehm bemerkbar macht. Bei einer zeitkontinuierlichen analogen Realisierung der Regelung kann der oberschwingungsbehaftete Strom ohne Schwierigkeit verarbeitet werden, da die damit gespeisten Strukturen in der Regel von selbst Tiefpaßcharakter besitzen und somit glättend wirken. Bei einer zeitdiskreten Realisierung ist dies prinzipiell durch sehr hohe Abtastraten ähnlich zu erreichen (quasi kontinuierliches Vorgehen), doch wird hierzu eine erhebliche Leistung der eingesetzten Prozessoren benötigt.

Mit einem analogen Vorfilter kann zwar bei der Erfassung der Meßgrößen eine Glättung erreicht werden, so daß mit geringeren Abtastraten gearbeitet werden könnte, doch treten hierdurch unerwünschte Phasenfehler auf.

Aus der US-Patentschrift 3 040 273 ist ein Spannungs- Frequenz-Wandler bekannt, bei welchem eine analoge Eingangsspannung an einen aus einem Verstärker und einem Parallelkondensator bestehenden Integrator angelegt wird.

Mit dem Integratorausgang ist ein Impulsgenerator verbunden, welcher jedesmal, wenn die Spannung an dem von der Analogspannung aufgeladenen Kondensator einen bestimmten Wert überschreitet, einen Impuls an den Integratoreingang liefert und die Kondensatorladung um einen bestimmten Betrag herabsetzt. Die Folgefrequenz dieser Impulse ist ein Maß für den jeweiligen Momentanwert des Analogsignals. Durch die (allerdings mit Aufwand verbundene) Integration können dem Analogsignal überlagerte periodische Störsignale ausgeschaltet werden.

Ferner ist in der DE-AS 12 76 695 angegeben, daß bei einem Analog-Digital-Umsetzer zur Ausschaltung von Störungen, die vom Netz herrühren, beispielweise die Periodendauer der Netzfrequenz als Integrationsdauer eines Integrators gewählt werden kann.

Durch die zuvor erwähnte DE-AS 12 76 695 ist es auch bekannt, einen spannungsgesteuerten Oszillator zu Analog-Digitalwandlung und zur Mittelwertbildung einzusetzen. Nach jeder Meßperiode muß dabei der die spannungsproportionalen Impulse erfassende Zähler rückgesetzt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das insbesondere auch bei niedriger Pulsfrequenz des Pulswechselrichters auf einfache Weise eine möglichst oberschwingungsfreie Erfassung der beiden Meßgrößen ohne die Verwendung von Filtern gewährleistet.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Vorteilhafterweise wird damit die Erkenntnis genutzt, daß ein Motor aufgrund seiner Induktivitäten den in Frage kommenden Zeitmaßstäben im wesentlichen ein integrierendes Verhalten zeigt, so daß der Einsatz des Verfahrens nach der Erfindung Meßwerte erzeugt, die den Zustand des Motors bei gleichzeitiger Unterdrückung der Oberschwingungen bestmöglich abbilden. Die Synchronisierung mit der Pulsmustergenerierung für den Pulswechselrichter hat darüber hinaus den Vorteil, einer digitalen Regelung für den pulswechselrichtergespeisten Motor zu Beginn jedes Regelungszyklus genau einen Meßwert des letzten Steuerungsintervalls zur Verfügung stellen zu können.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung ist im Anspruch 2 gekennzeichnet.

Dadurch daß bei der fortlaufenden Messung der Meßwert jeweils aus der Differenz der Zählerstände gebildet wird, ist ein Rücksetzen des Zählers nicht erforderlich. Dadurch schließt die Messung im nächsten Steuerungsintervall ohne jede Verzögerung an, was zur Nachbildung des integrierenden Verhaltens unbedingt notwendig ist.

Die Erfindung soll anhand von in der Zeichnung dargestellten Beispielen im folgenden erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 Spannungs- und Stromverläufe bei einer Dreiecksmodulation an einer einsträngigen induktiven Last,

Fig. 2a den tatsächlichen (oberwellenbehafteten) Verlauf des Klemmenstromes,

Fig. 2b (Interrupt-)Pulse zum jeweiligen Abtastzeitpunkt entsprechend der Erfindung und

Fig. 2c die zugehörigen Meßergebnisse der Stromabtastung entsprechend der Erfindung,

Fig. 3 eine Struktur einer integrierenden Spannungserfassungseinrichtung entsprechend der Erfindung und

Fig. 4a den tatsächlichen Verlauf der Spannung an den Klemmen eines mit dem Umrichter verbundenen Asynchronmotors und

Fig. 4b die zugehörigen Meßergebnisse bei Anwendung der integrierenden Spannungsmeßeinrichtung entsprechend Fig. 3.

In Fig. 1 ist über die Zeit t der Verlauf eines stufenförmig vorgegebenen Spannungssollwerts u_w für eine über einen Pulswechselrichter gespeiste einsträngige induktive Last (die hier als vereinfachtes Beispiel eines Asynchronmotors oder einer anderen Last mit induktivem Verhalten dient) gezeigt. Aufgrund dieser Vorgabe mit der treppenförmigen Spannung sollte sich ein Strom i_w einstellen. Infolge der Anwendung einer Dreiecksmodulation mit einem Dreiecks-Modulationsträger u_m für die Ansteuerung der Stromrichterventile des Pulswechselrichters in zeitdiskreten Steuerungsintervallen ergibt sich in der Praxis aber der dargestellte pulsende Verlauf der Klemmenspannung u_p. Der entsprechende, tatsächlich auftretende (oberwellenbehaftete) Klemmenstrom ist mit i_p bezeichnet.

Es ist jedoch möglich, durch die Wahl definierter Abtastzeitpunkte den Strommeßwert von den im Klemmenstrom i_p vorhandenen Oberschwingungen zu befreien.

Diese Zeitpunkte sind abhängig vom Pulsmuster. Die Dreiecksmodulation (und auch die Vektormodulation) arbeitet derart, daß die gewünschte Sollspannung u_w durch die Wahl verschiedener diskreter Schaltzustände des Pulswechselrichters als Mittelwert über einem definierten Zeitintervall geschaltet wird. Bei der Dreiecksmodulation erstreckt sich dieses Steuerungsintervall (wie in Fig. 1 durch senkrechte, punktierte Linien markiert) jeweils von Spitze zu Spitze des Dreiecks-Modulationsträgers u_m.

Das Verhalten des Stromes bezüglich der Klemmenspannung kann aufgrund der Streuinduktivitäten des Asynchronmotors in kleinen Zeitmaßstäben als integrierend angesehen werden. Wenn der Wert des Stromes zu einem bestimmten Zeitpunkt aber nur vom Spannungsintegral abhängt, macht es keinen Unterschied, ob diese Spannung durch einen konstanten Wert oder durch Pulsung im zurückliegenden Intervall realisiert wurde; der Strom stimmt zu diesen Zeitpunkten jeweils überein. Diese Zeitpunkte sind in Fig. 1 jeweils kreisförmig markiert.

Zur oberschwingungsfreien Abtastung der Ständerströme müssen daher die Motorströme i_p genau an den Intervallenden abgetastet werden, d. h. synchron mit den Maxima und Minima der Dreiecksfunktion u_m.

Bei einer Vektormodulation werden diese Zeitpunkte zwanglos durch den Takt der sogenannten Vektor- oder Zeigerfrequenz bestimmt.

Fig. 2a zeigt einen in der Praxis gemessenen Verlauf eines oberschwingungsbehafteten Klemmenstromes i_p; in Fig. 2b sind die zuvor zu Fig. 1 erläuterten Abtastzeitpunkte durch (Interrupt-)Signale u_i, die zum Aktivieren einer Strommeßeinrichtung zu diesen Zeitpunkten dienen, und in Fig. 2c die Meßergebnisse der jeweils zu den Abtastzeitpunkten erfaßten (und bis zum nächsten Abtastzeitpunkt als Istwert des Stromes geltenden, oberschwingungsfreien) Stromwerte i_x über der Zeit t aufgetragen.

Wie aus Fig. 2c ersichtlich, werden die Oberschwingungen weitgehend unterdrückt und die Grundschwingung wird korrekt erfaßt. Ein Rest verbleibender Oberschwingungen zeigt keineswegs einen Mangel dieses Verfahrens. Die Ursache liegt vielmehr in Ungleichmäßigkeiten des Wechselrichters, die hier deutlich werden (der Wechselrichter besitzt je nach Stromrichtung und Schaltrichtung der Ventile unterschiedliche Verzugszeiten).

Bei der Messung der Ständerspannung besteht ein ähnliches Problem hinsichtlich der Oberschwingungen wie bei der Strommessung. Anders als bei der Strommessung wird hier jedoch bei der Spannungserfassung der Mittelwert nicht durch Wahl eines geeigneten Abtastzeitpunkts ermittelt. Es wird ein Verfahren eingesetzt, welches es gestattet, die Spannung als Mittelwert des jeweils letzten Abtastintervalls zu erfassen. Im Idealfall müßte der so gemessene Wert gleich dem Sollwert u_w (Fig. 1) des Pulsmustergenerators sein.

Die Realisierung einer derartigen Spannungsmeßeinrichtung ist zum Beispiel in Fig. 3 gezeigt. Sie weist einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 2 als Spannungs-/Frequenz-Wandler auf, dem die tatsächliche, an den Klemmen gemessene Spannung u_p über einen Meßwandler (Spannungswandler) 1 als Spannungswert u_M zugeführt ist. Die Ausgangssignale u₀ des Oszillators 2 beaufschlagen einen nachfolgenden digitalen Zähler 3, der als Integrator arbeitet, und der im Takt T entsprechend den zuvor erwähnten Steuerungsintervallen des Pulswechselrichters ausgelesen wird. Der Spannungsmittelwert u(k) eines Steuerungsintervalls k ist als Differenz der Zählerstände zu Beginn und zum Ende des Steuerungsintervalls zu erhalten. Dazu wird der Zählerstand u_I über ein ebenfalls im Takt T gesteuertes Halteglied 4 geführt und dort jeweils um ein Steuerungsintervall verzögert. An einem Vergleichspunkt 5 wird dann der aktuelle Zählerstand u_I von dem am Ende des vorherigen Intervalls ermittelten (vom Halteglied 4 gelieferten) Zählerstand u′_I abgezogen. Hierbei ist allerdings noch ein durch die Ruhefrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 2 verursachter (bekannter) Offset O zu kompensieren, der dementsprechend ebenfalls am Vergleichspunkt 5 abgezogen wird.

Da der obenwellenfreie Meßwert u(k) als Zählerstand digital zur Verfügung steht, werden weitere A/D-Wandler hier nicht benötigt.

Praktische Ergebnisse mit dieser Art der Spannungsmessung sind in Fig. 4b dargestellt. Aus der tatsächlich auftretenden pulsenden Klemmenspannung u_p des Pulswechselrichters gemäß Fig. 4a wird durch das Verfahren nach der Erfindung die Grundschwingung u_x entsprechend Fig. 4b rekonstruiert, die über der Zeit t treppenstufenförmig erscheint. Auch hier sind - wie schon bei der Stromabtastung - die Unregelmäßigkeiten im Spannungsmeßwert aufgrund der bauteilmäßigen Gegebenheiten im Pulswechselrichter zu erkennen.

Das Verfahren ist nicht nur zur Messung einer pulsenden Spannung geeignet, sondern empfiehlt sich auch zur Messung des Stromes, wenn dieser mit hoher Genauigkeit nach seinem Mittel- oder Grundschwingungs-Wert erfaßt werden soll.

Ebenso läßt sich das Verfahren nicht nur bei durch Pulswechselrichter gespeiste Motoren, sondern auch bei anderen Umrichter-Last-Konfigurationen einsetzen.

Claims

1. Verfahren zur Erfassung von Ausgangsstrom und -spannung eines zeitdiskret in veränderlichen Steuerungsintervallen gesteuerten, ausgangsseitig an einen Motor angeschlossenen Pulswechselrichters, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsstrom i_p bzw. die Ausgangsspannung u_p als Mittelwert ihres zeitlichen Verlaufs jeweils über ein Steuerungsintervall erfaßt werden, das

- bei einer Ansteuerung des Pulswechselrichters mittels einer Dreiecksmodulation durch die jeweilige Zeitspanne zwischen dem Maximum und dem Minimum des Dreiecksmodulationsträgers gegeben ist und
- bei einer Ansteuerung des Pulswechselrichters mittels einer Vektor- oder Raumzeigermodulation dem jeweiligen Intervall der Vektor- oder Raumzeiger modulation entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zu erfassende Ausgangsstrom i_p bzw. die zu erfassende Ausgangsspannung u_p - nach Umsetzung über Meßwandler (1) - einem spannungsgesteuerten Oszillator (2) zugeführt werden, dessen Ausgangsimpulse auf den Eingang eines digitalen Zählers (3) gegeben werden, wobei die Zählerstandsdifferenz zwischen Ende und Beginn des Steuerungsintervalls ein Maß für den Mittelwert des Ausgangsstromes i_p bzw. der Ausgangsspannung u_p in dem betreffenden Steuerungsintervall ist.