DE69701762T2 - Frequenz-Umformer für Wechselstrommotor - Google Patents

Frequenz-Umformer für Wechselstrommotor

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Description

  • Diese Erfindung betrifft einen Frequenzwandler für Asynchronmotoren, mit einem Spannungswechselrichter, der mit über einen Schaltkreis gesteuerten Schaltern bestückt ist, um dem Motor eine Reihe von Impulsen mit fester Amplitude über einen gegebenen Zeitraum zu liefern, und der von einem Gleichstrombus versorgt wird, auf dem ein Shunt zur Messung des im Bus fliessenden Gleichstroms angeordnet ist.
  • Um die Steuerung eines mehrphasigen Wechselstrommotors, zum Beispiel eines Asynchronmotors, zu gewährleisten, verwendet man einen Frequenzwandler, der ermöglicht, den Motor ab dem Wechselstromnetz mit variabler Frequenz und Spannung zu steuern. Ein derartiger Frequenzwandler umfasst eine Gleichrichterstufe, die nach Filterung eine Gleichstromenergie an einen Spannungswechselrichter liefert. Der Wechselrichter umfasst Schalter Sa, Sb, Sc, die von einem Schaltkreis gesteuert werden, um dem Motor eine Reihe von weitenmodulierten Impulsen mit fester Amplitude (positiv oder negativ) zu liefern. Diese Technik wird Pulsweitenmodulation (PWM) genannt.
  • In einem ausgeglichenen Dreiphasensystem kann eine Variable von einem Vektor dargestellt werden, dessen Komponenten auf drei Achsen von 120º die Werte dieser Variablen auf jeder Phase sind. Das Ende des Ausgangsspannungsvektors Vs kann acht Stellungen einnehmen: auf den Gipfeln eines Sechsecks (Vektoren V1 bis V6) und in der Mitte des Sechsecks (Nullvektoren V0 und V7). Jeder Stellung des Spannungsvektors entspricht eine Steuerkombination der Schalter Sa, Sb, Sc.
  • Die vektorielle Modulationstechnik besteht darin, einen beliebigen Spannungsvektor Vs innerhalb eines Zeitintervalls Tp als die Kombination von zwei benachbarten Vektoren und des Nullvektors zu betrachten.
  • Unter Bezugnahme auf die Fig. 3 kann sich ein Ausgangsspannungsvektor Vs in einem der sechs Sektoren befinden, die im Raum von den Vektoren V1 bis V6 gebildet werden. Bei dem auf Fig. 2 dargestellten Beispiel befindet sich Vs im Sektor 0, zwischen den benachbarten Vektoren V1 und V2. Der Vektor Vs kann von seinen benachbarten Vektoren, d. h. bei vorgenannten Beispiel V1 und V2, gesteuert werden. Die Anwendungsdauer jedes benachbarten Vektors wird von der Projektierung des Vektors Vs auf die Achse dieses benachbarten Vektors bestimmt. Diese Dauern ti und tk werden entsprechend der PWM-Periode, der Busspannung und dem Winkel θ, den Vs mit dem ersten benachbarten Vektor bildet, errechnet.
  • Kennt man die Dauern ti und tk, ergänzt man die Periode Tp (Gegenteil der Pendelfrequenz) mit den Dauern der Nullvektoren V0 und V7, und zwar in gleicher Weise. Bei Annahme einer symmetrischen PWM erhält man das Schaltschema der Fig. 3.
  • Im Asynchronmotor dient der Ständerstrom gleichzeitig zur Erzeugung des Flusses und des Moments. Man kann den Ständerstrom unterteilen in Magnetisierungsstrom 1d, der den Fluss erzeugt, und in Wirkstrom lq, der das Moment erzeugt.
  • Man kann die Phasenströme la, lb, lc durch Messung mittels eines Shunts des Stroms idc innerhalb des Busses und Verwendung der Zustände der Schalter Sa, Sb, Sc (siehe Fig. 1) wiederherstellen. Der vom Shunt gemessene Strom ldc drückt sich entsprechend der Phasenströme la, lb, lc und der Schaltzustände der Schalter Sa, Sb, Sc (0 oder 1) in der Form ldc = Sa.la + Sb.lb + Sc.lc aus. Da man jetzt den Schaltzustand der Brücke kennt, kann man theoretisch die Ströme la, lb, lc in den Phasen ab dem Strom ldc im Bus wiederherstellen. Dazu braucht man mindestens zwei Zustände, die die Identifizierung von zwei verschiedenen Strömen pro PWM-Periode ermöglichen.
  • Wenn die Wert der Ausgangsspannung Vs fast null beträgt, werden die Dauern der Zustände wie V1 und V2 kleiner, und man kann den Strom ldc des Busses nicht mehr korrekt messen. Die Dauern der bezeichnenden Zustände müssen grösser sein als eine vorgegebene Zeit TMIN, die die Verzögerungszeit, die Anstiegs- und Aufbauzeit des Stroms im Shunt, die Erfassungszeit des Stroms und die Verarbeitungszeit umfasst.
  • Das Patent US 4 520 298 betrifft die Verwirklichung der Wiederherstellung von Phasenströmen ab der Strommessung im Gleichstrombus, behandelt jedoch nicht das Problem der Wiederherstellung von Phasenströmen bei niedriger Geschwindigkeit.
  • Im "A Stator Flux-Oriented Voltage Source Variable Speed Drive Based on dc Link Measurement", das 1991 im IEEE veröffentlicht wurde, hat man vorgeschlagen, die Zustände von zu geringer Dauer zu annulieren und anzusammeln, bis eine Mindestdauer entsteht. Bei niedriger Geschwindigkeit besteht die Gefahr, dass diese Lösung bedeutende Spannungsschwingungen verursacht.
  • Im " Indirect Phase Current Detection for Field Oriented Control of a Permanent Magnet Synchronous Motor Drive ", 1991, EPE, wurde vorgeschlagen, die Dauer eines Zustands, wenn sie unzureichend ist, durch eine TMIN-Dauer zu ersetzen. Dies kann bei niedriger Geschwindigkeit zu bedeutenden Spannungsfehlern führen. Ebenso im "Single Sensor Current Control of AC Servodrives using Digital Signal Processors" vom 13. September 1993, IEE, wenn die Dauer eines Zustands kürzer ist als eine Dauer TMIN, führt dies zu einer Annäherung in offener Schleife bezüglich der durchgeführten Messung.
  • Diese Erfindung soll die Wiederherstellung der Ströme bei niedriger Geschwindigkeit und damit die Leistungen des Frequenzwandlers verbessern.
  • Der erfindungsgemässe Frequenzwandler ist dadurch gekennzeichnet, dass er Mittel umfasst, um, wenn mindestens eine der beiden Komponenten des Ausgangsspannungsvektors kleiner ist als ein vorgegebener Wert, einerseits einen Vektor Vs' zu errechnen, dessen Komponenten jeweils mindestens dem vorgegebenen Wert TMIN entsprechen, einem Wert, der die minimale Zeit deckt, um den im Bus verlaufenden Strom Idc messen zu können, und andererseits einen Vektor Vs", so dass der vektorielle Mittelwert von Vs' und Vs" dem Ausgangsvektor Vs entspricht.
  • Nach einem Merkmal umfasst der Wandler Mittel, um, wenn eine der beiden Komponenten des Vektors Vs kleiner ist als TMIN, den Vektor Vs' zu errechnen, indem der besagten Komponenten ein vorgegebener Wert TMIN hinzugefügt wird.
  • Nach einem anderen Merkmal umfasst der Wandler Mittel, um, wenn die beiden Komponenten des Vektors Vs kleiner sind als TMIN, einen Vektor Vs' zu errechnen, indem der vorgegebene Wert TMIN den beiden Komponenten dieses Vektors Vs hinzugefügt wird.
  • Nach einem anderen Merkmal wird der Vektor Vs' während der ersten Hälfte der PWM-Periode angewendet und der Vektor Vs" während der zweiten Hälfte dieser gleichen Periode.
  • Nach einem anderen Merkmal werden die Vektoren Vs' und Vs" während zwei symmetrischen, aufeinanderfolgenden PWM-Perioden angewendet.
  • Nach einem anderen Merkmal umfasst der Wandler Mittel, um, wenn mindestens eine der beiden Komponenten des Vektors Vs kleiner ist als der vorgegebene Wert TMIN, den Vektor Vs' zu errechnen, indem eine Dauer hinzugefügt wird, die die Dauer ergänzt, um genau TMIN zu erreichen.
  • Nachstehend wird die Erfindung ausführlicher beschrieben, unter Bezugnahme auf eine als Beispiel dienende Ausgestaltung, die von den beiliegenden Zeichnungen erläutert wird, wobei:
  • - die Fig. 1 ein bekanntes Wechselrichterschema ist, in dem die Ströme in den Phasen und im Bus dargestellt wurden;
  • - die Fig. 2 die vektorielle Darstellung eines Spannungsvektors Vs ist;
  • - die Fig. 3 ein Diagramm des Schaltschemas der Schalter Sa, Sb, Sc über eine Periode ist, im Fall der Fig. 2;
  • - die Fig. 4 ein Schema eines erfindungsgemässen Frequenzwandlers ist;
  • - die Fig. 5 die vektorielle Darstellung eines Spannungsvektors Vs ist, der die erfindungsgemässe Kompensation anwendet, wobei eine der Komponenten dieses Vektors kleiner ist als TMIN;
  • - die Fig. 6 ein Schaltschema der Schalter Sa, Sb, Sc über eine Periode ist, im Fall der Fig. 5;
  • - die Fig. 7 die vektorielle Darstellung eines Spannungsvektors Vs ist, der die erfindungsgemässe Kompensation anwendet, wobei die beiden Komponenten dieses Vektors kleiner sind als TMIN;
  • - die Fig. 8 ein Schaltschema der Schalter Sa, Sb, Sc über eine Periode ist, im Fall der Fig. 7;
  • - die Fig. 9 den tatsächlichen Phasenstrom (oben) und den wiederhergestellten Phasenstrom (unten) bei 7 Hz darstellt, wenn die Erfindung nicht angewendet wird;
  • - die Fig. 10 den tatsächlichen Phasenstrom (oben) und den wiederhergestellten Phasenstrom (unten) bei 1 Hz darstellt, wenn die Erfindung angewendet wird;
  • - die Fig. 11 die Bezugsspannung Phase-Nulleiter und den mit der PWM synchron gemessenen Strom in der Phase darstellt, wenn die Erfindung angewendet wird.
  • Der auf der Fig. 4 dargestellte Frequenzwandler umfasst eine Gleichrichterstufe R, die nach Filterung durch einen Kondensator C über einen Gleichstrombus B eine Gleichstromenergie an einen Spannungswechselrichter O liefert. Der Spannungswechselrichter O umfasst Schalter S, die von einem Schaltkreis CC gesteuert werden, so dass sie dem Motor M eine Reihe von weitenmodulierten Impulsen mit fester Amplitude (positiv oder negativ) liefern. Diese Technik wird Pulsweitenmodulation (PWM) genannt. Der Schaltkreis CC erhält drei Spannungsbezugswerte von einem Verarbeitungskreis CE und beaufschlagt den Motor M mit diesen Spannungen nach der PWM-Technik. Die Spannungserzeugung, die Erfassung und die Wiederherstellung der Ströme erfolgen im Verarbeitungskreis CE.
  • Der Strom ldc im Bus B wird von einem Shunt Sh gemessen. Die Zustände der Transistoren Sa, Sb, Sc werden am Ausgang des Schaltkreises CC abgegriffen und an den Kreis CE gesandt. Dieser auf der Fig. 4 schematisierte Verarbeitungskreis CE weist Mittel auf, um die Geschwindigkeitsreferenz zu lesen, die Transistorzustände Sa, Sb, Sc und den Busstrom ldc zu erfassen und zu dekodieren, um die Phasenströme la, lb, lc wiederherzustellen, um nach der vektoriellen Modulationsmethode die Schaltbefehle der Transistoren Sa, Sb, Sc zu errechnen.
  • Der Kreis CE errechnet die Schaltbefehle der Transistoren anhand einer spezifischen, erfindungsgemässen Methode, wenn mindestens eine der Komponenten des Ausgangsspannungsvektors Vs kleiner ist als ein vorgegebener Wert TMIN.
  • Im auf der Fig. 5 dargestellten Fall ist eine der beiden Komponenten des Vektors Vs kleiner als TMIN. Dieser Komponente von kurzer Dauer wird ein TMIN-Wert hinzugefügt, um einen Vektor Vs' zu bilden. Dieser Vektor Vs' ist mit einem Vektor Vs" verbunden, so dass der vektorielle Durchschnitt von Vs' und Vs" gleich Vs beträgt. Die Vektoren Vs' und Vs" befinden sich in zwei benachbarten Sektoren.
  • Im auf der Fig. 7 dargestellten Fall sind die beiden Komponenten des Vektors Vs kleiner als TMIN. Den beiden Komponenten wird ein TMIN-Wert hinzugefügt, um einen Vektor Vs' zu bilden. Der Vektor Vs" wird immer ermittelt, um den Mittelwert Vs zu behalten. Die Vektoren Vs' und Vs" befinden sich in zwei gegenüberliegenden Sektoren.
  • Vs' wird während der ersten Hälfte der Periode PWM und Vs" während der zweiten Hälfte dieser Periode PWM angewendet. Demzufolge ist das Schaltschema über eine PWM-Periode asymmetrisch. Die Stromerfassungen können während der Anwendung von Vs' erfolgen, dessen beiden Komponenten grösser oder gleich TMIN sind.
  • Als Variante werden die Vektoren Vs' und Vs" über zwei symmetrische Perioden PWM angewendet anstatt einer einzigen asymmetrischen Periode. Dies ermöglicht die Verwendung einer herkömmlichen symmetrischen PWM, die einfacher durchzuführen ist, selbst wenn man eine geringe Erhöhung der Schwingungen auf die Spannung und den Strom in Kauf nehmen muss.
  • Als Variante, anstatt der unzureichenden Dauer TMIN hinzuzufügen, kann man die Dauer so ergänzen, dass sie genau TMIN entspricht. Dadurch werden die Spannungs- und Stromschwingungen reduziert, trotz einer grösseren Komplexität der Rechnung.
  • Die Fig. 9 zeigt, dass die Wiederherstellung bereits unter 7 Hz schlecht ist, wenn die Erfindung nicht angewendet wird. Wird die Erfindung angewendet, so bleibt die Wiederherstellung sogar bis 1 Hz gut, wie auf der Fig. 10 gezeigt.
  • Die Wirkungen der Aufteilung des Vektors Vs in zwei Vektoren Vs' und Vs" über zwei
  • aufeinanderfolgende Perioden der symmetrischen PWM ist an der Bezugsspannung und am Phasenstrom auf der Fig. 10 sichtbar. Die Schwingungen auf den Strom werden um die Hälfte reduziert, wenn man die Kompensation über eine einzige PWM anstatt über zwei vornimmt.

Claims (6)

1. Frequenzwandler für Asynchronmotoren, mit einem Spannungswechselrichter (O), der mit über einen Schaltkreis (CC) gesteuerten Schaltern (Sa, Sb, Sc) bestückt ist, um dem Motor eine Reihe von Impulsen mit fester Amplitude über einen gegebenen Zeitraum (PWM) zu liefern, und der von einem Gleichstrombus (B) versorgt wird, auf dem ein Shunt (Sh) zur Messung des im Bus fliessenden Gleichstroms angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass er Mittel umfasst, um, wenn mindestens eine der beiden Komponenten des Ausgangsspannungsvektors Vs kleiner ist als ein vorgegebener Wert TMIN, ein Wert, der die minimale Zeit deckt, um den im Bus verlaufenden Strom Idc messen zu können, einerseits einen Vektor Vs' zu errechnen, dessen Komponenten jeweils mindestens dem vorgegebenen Wert TMIN entsprechen, und andererseits einen Vektor Vs", so dass der vektorielle Mittelwert von Vs' und Vs" dem Ausgangsvektor Vs entspricht.
2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er Mittel umfasst, um, wenn eine der beiden Komponenten des Vektors Vs kleiner ist als TMIN, den Vektor Vs' zu errechnen, indem der besagten Komponenten ein vorgegebener Wert TMIN hinzugefügt wird.
3. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er Mittel umfasst, um, wenn die beiden Komponenten des Vektors Vs kleiner sind als TMIN, einen Vektor Vs' zu errechnen, indem der vorgegebene Wert TMIN den beiden Komponenten dieses Vektors Vs hinzugefügt wird.
4. Wandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vektor Vs' während der ersten Hälfte der PWM-Periode angewendet und der Vektor Vs" während der zweiten Hälfte dieser gleichen Periode.
5. Wandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vektoren Vs' und Vs" während zwei symmetrischen, aufeinanderfolgenden PWM- Perioden angewendet werden.
6. Wandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er Mittel umfasst, um, wenn mindestens eine der beiden Komponenten des Vektors Vs kleiner ist als der vorgegebene Wert TMIN, den Vektor Vs' zu errechnen, indem eine Dauer hinzugefügt wird, die die Dauer ergänzt, um genau den vorgegebenen Wert TMIN zu erreichen.
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