NL1020601C2 - Werkwijze en inrichting voor het sturen van een elektrische belasting aangesloten op een meerfasen schakelbare DC/AC-frequentie-omzetter. - Google Patents

Description

Korte aanduiding: Werkwijze en inrichting voor het sturen van een elektrische belasting aangesloten op een meerfasen schakel bare DC/AC-frequentie-omzetter.

5 BESCHRIJVING

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het realiseren van een effectieve waarde van een te variëren grootheid in een elektrische belasting, aangesloten op een meerfasen schakel.bare DC/AC-frequentie-omzetter, omvattende een veelheid van stuurbare schakelaars.

10 Een elektrische belasting in de zin van de onderhavige uitvinding is bijvoorbeeld een regelbare elektrische aandrijving bestaande uit een meerfasen-elektromotor (veelal driefasig) waarvan de wikkelingen zijn aangesloten op de frequentie-omzetter. De frequentie-omzetter wordt met gelijkspanning gevoed en door het geschikt in- en 15 uitschakelen van de schakelaars van de frequentie-omzetter wordt deze gelijkspanning in een regelbare wisselspanning omgezet. De frequentie-omzetter maakt bijgevolg van een gelijkspanning (DC) een wisselspanning (AC) met instelbare amplitude en frequentie. In de Engelstalige vakliteratuur worden dergelijke frequentie-omzetters ook wel aangeduid 20 met de term "inverter".

In de praktijk kunnen drie hoofdgroepen van frequentie-omzetters worden onderscheiden, de zogeheten spanningsbronomzetters, in de Engelstalige vakliteratuur aangeduid met het acroniem VSI ("Voltage Source Inverter"), stroombronomzetters, in de Engelstalige vak-literatuur 25 aangeduid met het acroniem CSI ("Current Source Inverter") en de zogeheten matrixomzetters. In de praktijk wordt de VSI verreweg het meest toegepast.

Andere voorbeelden van elektrische belastingen in de zin van de onderhavige uitvinding zijn bijvoorbeeld transformatoren, 30 vermogensweerstanden en dergelijke, waarbij geldt dat deze belastingen voor wisselstroom een 'hoogfrequent-impedantie' voldoende groter dan nul 1 020601 1 2 hebben voor sturing door een VSI of een 1 hoogfrequent-impedantie' dicht genoeg bij nul voor sturing door een CSI.

In zijn meest eenvoudige vorm bestaat een driefasen-VSI uit zes uni-directionele stuurbare schakelaars, meestal halfgeleider-5 schakelaars van het type IBGT of GTO, en één of meer condensatoren als DC-tussenkringbuffer. Een driefasen-CSI bezit in zijn meest eenvoudige vorm eveneens zes uni-directionele stuurbare schakelaars, daarentegen een inductiespoel als DC-tussenkringbuffer. Een matrixomzetter bezit geen tussenkring maar omvat in zijn meest eenvoudige driefasenvorm negen bi-10 directionele stuurbare· schakelaars.

De VSI heeft het voordeel dat deze gevoed kan worden vanuit een passieve gelijkrichter, terwijl een CSI een wisselrichter als koppeling naar het voedende elektriciteitsnet nodig heeft.

*

Aan zijn uitgangsklemmen vertoont een CSI per definitie het 15 gedrag van een stroombron, vertoont de VSI het gedrag van een spanningsbron en laat de matrixomzetter de ingangsimpedantie zien.

Voor het bijvoorbeeld in een elektromotor realiseren van een gewenste motorstroom wordt, in verband met zijn praktische eenvoud, in de praktijk meestal een VSI toegepast, die zodanig wordt gestuurd dat 20 in de elektromotor de gewenste motorstroom loopt. Om de ontwikkelde kracht of het koppel van de elektromotor goed te kunnen instellen, zal de stroom door de motor snel en nauwkeurig moeten kunnen worden aangepast. Bij toepassing van een VSI zal de hierdoor afgegeven spanning moeten worden gevarieerd. De tussenkomst van een spanningswenswaarde gerelateerd 25 aan de te realiseren motorstroom heeft echter een vertragende invloed op de snelheid waarmee de motorstroom kan worden aangepast.

De dynamica van een stroomgeregelde VSI is in de praktijk sterk afhankelijk van de parameters en het werkpunt van de aangesloten elektromotor. Dat wil zeggen, in die gevallen waarin de motorparameters 30 aan verandering onderhevig zijn of bij sterk wisselende belastingen functioneert een stroomgeregelde VSI verre van optimaal. Een voorbeeld 10 2 0601 ' 3 hiervan is een grote lineaire elektromotor waarvan de stator in delen is geschakeld, zodat de inductiviteit stapvormig verandert.

Aan de uitvinding ligt daarom in zijn meest algemene vorm de opgave ten grondslag een nieuwe werkwijze aan te geven voor het 5 realiseren van een effectieve waarde van een te variëren grootheid in een elektrische belasting aangesloten op een meerfasen schakel bare DC/AC-frequentie-omzetter, waarmee de betreffende waarde van de te variëren grootheid meer optimaal en in een veel kortere tijd kan worden gerealiseerd in vergelijking tot de in de praktijk op zichzelf bekende 10 werkwijzen die zijn · gebaseerd op de veronderstelling van constante parameters.

Deze opgave wordt met de werkwijze volgens de uitvinding opgelost door het variëren van een door de DC/AC-frequentie-omzetter afgegeven stroom of spanning middels het geschikt in- en uitschakelen van 15 de schakelaars daarvan, waarbij de betreffende grootheid een lasthoek vertoont die gemiddeld in de tijd voor- of naijlt op de afgegeven spanning of stroom, welke werkwijze verder de stappen omvat van het: definiëren van een dode-zone met afmetingen representatief voor een toelaatbare amplitude- en fasehoekafwijking in de 20 te realiseren grootheid; - oriënteren van de dode-zone op de, door de DC/AC frequentie-omzetter afgeven spanning of stroom door het over de lasthoek in de richting van de afgegeven spanning of stroom draaien van de dode-zone, en 25 - schakelen van één of meer van de schakelaars aan de hand van de wijze waarop de afwijking in de te realiseren grootheid de dode-zone overschrijdt, voor het tijdens bedrijf met een binnen de dode-zone gelegen amplitude- en fasehoekafwijking realiseren van de betreffende grootheid.

30 Aan de werkwijze volgens de uitvinding ligt het inzicht ten grondslag dat, door het definiëren van een dode-zone welke maatgevend is ' . ‘ *i . λ: i 4 voor de toelaatbare amplitude- en fasehoekafwijkingen in de te realiseren grootheid en door het geschikt oriënteren van de dode-zone op de, door de frequentie-omzetter afgegeven spanning of stroom, uit de wijze waarop de afwijking in de gerealiseerde grootheid de dode-zone overschrijdt, 5 informatie kan worden verkregen voor het zodanig schakelen van één of meer van de schakelaars van de frequentie-omzetter, dat de afwijking in de betreffende grootheid weer binnen de toelaatbare amplitude-, en fasehoekafwijking wordt gebracht.

Dat wil zeggen, de wijze waarop de afwijking (d.i. de 10 momentane waarde minus de te realiseren waarde van de betreffende grootheid) de dode-zone verlaat, kan worden vertaald naar welke schakelaars van de frequentie-omzetter moeten worden geschakeld teneinde een fase- en/of amplitudecorrectie in de betreffende grootheid aan te brengen, opdat deze weer de gewenste te realiseren waarde bereikt. Door 15 het geschikt oriënteren van de dode-zone kunnen schakelfouten zoveel mogelijk worden vermeden.

In een voorkeursuitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding is de dode-zone vierhoekig van vorm, bij voorkeur een vierkant, met tegenoverliggende eerste en tweede begrenzingszijden en 20 tegenoverliggende derde en vierde begrenzingszijden. Het vanuit de dode-zone overschrijden van een betreffende begrenzingszijde verschaft dan de informatie nodig voor het geschikt sturen van de schakelaars.

Door geschikte schakelregels te kiezen kan het aantal schakel momenten van de frequentie-omzetter voor het tot stand brengen van 25 de gewenste waarde van de te variëren grootheid worden geminimaliseerd.

De afmetingen van de dode-zone worden gekozen in afhankelijkheid van de toelaatbare amplitude- en/of fasehoekafwijking waarmee de te variëren grootheid mag worden gerealiseerd. Dit kan uiteraard van applicatie tot applicatie verschillen. Een grotere dode- 30 zone leidt tot minder schakel handelingen dan een relatief kleiner schakelgebied c.q. dode-zone.

1 'wHnOI 1 5

Desgewenst kunnen de afmetingen van de dode-zone in verschillende richtingen afzonderlijk worden ingesteld. In het geval van een rechthoek de hoogte en de breedte daarvan. In de praktijk is echter gebleken dat een vierhoek, bij voorkeur een vierkant, een robuuste en 5 snelle sturing van de te variëren grootheid verschaft zonder de noodzaak voor ingewikkelde en omvangrijke stuurprogramma's voor het schakelen van de frequentie-omzetter.

Voor een efficiënte sturing is het belangrijk dat de oriëntatie van de dode-zone nauw gerelateerd is aan de door de 10 frequentie-omzetter gerealiseerde spanning of stroom, dat wil zeggen' de richting waarin de vectorrepresentatie daarvan beweegt. In het geval van bijvoorbeeld een elektromotor zal bij een actief remmende motor· die energie terug levert, de richting van de motorstroom omkeren. In een dergelijk geval zal de oriëntatie van de dode-zone over 180° moeten 15 worden geroteerd. Dat wil zeggen, een en ander zodanig dat de schakelregels ook van toepassing zijn op een dergelijke remmende elektromotor.

In een voorkeursuitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding waarin de dode-zone vierhoekig van vorm is, wordt deze zodanig 20 ten opzichte van de door de frequentie-omzetter afgegeven spanning of stroom georiënteerd, dat bij het door de afwijking in de te realiseren grootheid vanuit de dode-zone overschrijden van de tegenoverliggende eerste en tweede begrenzingszijden de schakelaars van de frequentie-omzetter zodanig worden geschakeld, dat de fasehoek van de afgegeven 25 spanning of stroom wordt vergroot respectievelijk verkleind en dat bij het door de afwijking in de te realiseren grootheid vanuit de dode-zone overschrijden van de tegenoverliggende derde en vierde begrenzingszijden de schakelaars van de frequentie-omzetter zodanig worden geschakeld, dat de amplitude van de afgegeven spanning of stroom wordt vergroot 30 respectievelijk verkleind.

Een probleem in de sturing van een te variëren grootheid 6 treedt op wanneer de betreffende grootheid relatief kleine amplitude-waarden heeft, zodat de effectieve amplitude van de door de frequentie-omzetter afgegeven spanning of stroom relatief kleine waarden heeft in de ordegrootte van de afmetingen van het schakelgebied. Meer in het 5 bijzonder, voor relatief kleine waarden van de afgegeven bij spanning bij sturing met een VSI en relatief kleine waarden van de afgegeven stroom bij een CSI.

Teneinde ook voor deze kleine waarden een adequate sturing van de te variëren grootheid te bewerkstelligen, voorziet de werkwijze 10 volgens de uitvinding in een verdere uitvoeringsvorm daarin, dat bij een dergelijke relatief kleine amplitude van de effectieve waarde van de door de frequentie-omzetter afgegeven spanning of stroom de dode-zone periodiek over 180“ heen en weer wordt geroteerd.

4

De werkwijze volgens de uitvinding biedt tevens de 15 mogelijkheid om toegepast te worden bij meerfasen-schakelbare DC/AC-frequentie-omzetters met verschillende stuurniveaus (in de Engelstalige vakliteratuur "multi-level inverters" genoemd).

In een nog weer verdere uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding worden de schakelaars van de frequentie-omzetter in 20 het geval van een meerfasen schakel bare DC/AC-frequentie-omzetter met verschillende stuurniveaus, dan trapsgewijze per niveau geschakeld voor het met een binnen de dode-zone gelegen amplitude- en fasehoek afwijking realiseren van de betreffende grootheid.

Een belangrijk voordeel van de werkwijze volgens de 25 uitvinding is voorts de mogelijkheid tot optimalisatie van de te variëren grootheid, wanneer de uitgangsgrootheid van de frequentie-omzetter tegen zijn uitstuurgrenzen vastloopt.

Door, overeenkomstig een verdere uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding, de fasehoek van de te realiseren 30 grootheid afzonderlijk te sturen, kan bij krappe of ondergedimensioneerde systemen de werkwijze volgens de uitvinding tot aan circa 20% meer 1 η ν' η B o1 7 vermogen sturen dan de in de stand van de techniek bekende werkwijzen.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een meerfasen-schakelbare DC/AC-frequentie-omzetter voor het sturen van een te variëren grootheid in een elektrische belasting, overeenkomstig één of meer van de 5 uitvoeringsvormen van de werkwijze volgens de uitvinding zoals boven uiteengezet.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een besturingsprogramma, zoals een computerprogramma opgeslagen .op een door digitale processormiddelen of andere programmeerbare verwerkingsmiddelen 10 leesbare gegevensdrager, zoals een CD-ROM, een floppy disk, een harde schijf of dergelijke en ingericht voor het uitvoeren van de werkwijze zoals boven beschreven indien geladen in het werkgeheugen van de processormiddelen of verwerkingsmiddelen.

Ook een gegevensdrager omvattende e.en dergelijk 15 besturingsprogramma wordt door de onderhavige uitvinding omvat.

De inrichting volgens de uitvinding kan ook geheel of gedeeltelijk met analoge componenten worden gerealiseerd, in het bijzonder kan gedacht worden aan zogeheten 1 Field-Programmable Analog

Arrays' (FPGAs).

20 Begrepen dient te worden dat de werkwijze en frequentie- omzetter volgens de uitvinding geschikt zijn voor het sturen van elke te variëren grootheid van een elektrische belasting, zoals bijvoorbeeld de flux, stroom, spanning, etcetera van een elektromotor.

De frequentie-omzetter volgens de uitvinding werkt 25 eenvoudig en robuust en heeft een aantal bijzonder gunstige eigenschappen, in het bijzonder de snelle wijze waarop een gewenste waarde van een te realiseren grootheid wordt bereikt met minder schakel momenten van de frequentie-omzetter in vergelijking tot gebruikelijke omzetters. Omdat de frequentie-omzetter volgens de 30 uitvinding a-synchroon werkt en slechts schakelt als dat nodig is, ligt de gemiddelde schakel frequentie aanzienlijk lager dan bij gebruikelijke . , I ! 8 frequentie-omzetters, hetgeen in de praktijk leidt tot afwezigheid van een hinderlijk akoestisch geluid zoals het hinderlijke gepiep en gefluit van gebruikelijke omzetters. De frequentie-omzetter volgens de uitvinding produceert daarentegen een niet-hinderl.ijk "geruis".

5 Mei; de frequentie-omzetter volgens de uitvinding kan onder andere bij het sturen van elektromotoren de hoogst mogelijke aandrijfkracht worden gerealiseerd, zonder dat de parameters van de elektromotor bekend hoeven te zijn. Met name bij lineaire motoren, waar de dominante inductiviteit zeer snel en vaak verandert, levert dit een 10 enorm voordeel en winst op.

De uitvinding zal in het navolgende meer gedetailleerd worden uiteengezet aan de hand van het sturen van de stroom van een lineaire elektromotor met een zogeheten VSI-frequentie-omzetter. De uitvinding is evenwel niet beperkt tot het gebruik van een VSI maar kan 15 ook worden toegepast bij een CSI of matrix-omzetter en met andere elektrische belastingen dan een lineaire elektromotor, zoals in het voorgaande uiteen gezet.

Hierin toont:

Fig. 1 een beknopt principeschema van een VSI, met een 20 daarop aangesloten elektromotor.

Fig. 2 schematisch, grafisch, schakel vectoren van de VSI volgens fig. 1.

Fig. 3 een vectorrepresentatie van de, door de VSI volgens fig. 1 af te geven spanning voor het realiseren van een gewenste 25 motorstroom.

Fig. 4 schematisch een representatie van de statorflux van de elektromotor aangesloten op de VSI volgens fig. 1.

Fig. 5 schematisch een zogeheten dode-zone welke een toelaatbare amplitude- en fasehoekafwijking representeert in de 30 statorflux overeenkomstig fig. 4.

Fig. 6 schematisch de dode-zone en schakelregels volgens rit 4 l \ . 'Λ * * ï 9 fig. 3, getransformeerd naar de te realiseren motorstroom in de schakeling volgens fig. 1. en georiënteerd overeenkomstig de uitvinding.

Fig. 7 een vectorrepresentatie van een extra fase-verschuiving volgens de uitvinding van, de motorstroom voor het verlagen 5 van de vereiste spanning van de VSI in de schakeling volgens fig. 1.

Fig. 8 een vereenvoudigd blokschema van een uitvoeringsvorm van een inrichting volgens de uitvinding.

Zoals in figuur 1 schematisch is aangeduid, bestaat een VSI 10 globaal uit een gelijkspanningsbron (DC-bron), waarop per fase RST van 10 de te realiseren uitgangsspanning, twee schakelaars S+ en S' in serie zijn geschakeld, respectievelijk aangeduid met de verwijzingscijfers 3, 5, 7 voor de S+-schakelaars en 4, 6, 8 voor de S’-schakelaars.

Op de middens tussen de respectieve schakelaars 3, 4; 5, 6 en 7, 8, is een elektrische belasting in, de vorm van een driefasen 15 wisselstroommotor 9 is aangesloten. De schakelaars 3-8 zijn op een gelijkspanningsvoedingsbron 1 aangesloten, aan de uitgangsklemmen waarvan één of meer condensatoren 2 als tussenkring zijn aangesloten. In de figuur is bij wijze van voorbeeld slechts één condensator 2 getoond.

De schakelaars 3-8 zijn uitgevoerd als halfgeleider-20 schakelaars van bijvoorbeeld het IGBT- of GTO-type en over het gel ei di ngspad van elk van de halfgeleiderschakelaars is een diode D anti-parallel geschakeld.

Per fase RST kunnen nu drie toestanden worden onder scheiden: 25 -toestand 1: schakelaar S+ is aan (geleidend) en schakelaar S' is uit (niet-geleidend): de uitgangsspanning op de aangesloten wissel-stroommotor 9 is gelijk aan de positieve gelijkspanning, ongeacht de stroomrichting.

- toestand 0: schakelaar S+ is uit en schakelaar S’ is aan: 30 de uitgangsspanning op de gelijkstroommotor is gelijk aan de negatieve gelijkspanning, ongeacht de stroomrichting.

i n ,/ n r n 1 1° - toestand H: beide schakelaars S+ en S' zijn uit: de fase is passief, d.w.z. de anti-parallelle diodes D kunnen stroom voeren indien de belasting die levert, in andere situaties is de uitgang van de frequentie-omzetter 10 hoogimpedant.

5 Een vierde toestand, waarin de beide schakelaars S+ en S' van een fase aan zijn is verboden, omdat er dan een kortsluiting in de DC-verbinding optreedt. Belangrijk bij de overgang van 1 - H - Ó of van 0 - Η - 1 is dat dit steeds via de toestand H gebeurt., De hiermee gemoeide tijdsduur noemt men "dode tijd" en deze duurt in de praktijk 10 enkele ps.

Bij een driefasen-VSI zijn er in principe 33 = 27 schakelmogelijkheden, maar doorgaans wordt de toestand H buiten beschouwing gelaten, zodat er in de praktijk slechts 23 = 8 mogelijkheden overblijven. Dat wil zeggen de zes actieve vectoren RST * 100, 110, 010, 15 011, 001, 101 en de twee nul vectoren 000 en 111. Hierin is de aan- toestand van een schakelaar met het cijfer 1 aangeduid en is de uit-toestand met het cijfer 0 aangeduid.

De schakel vectoren zijn schematisch weergegeven in figuur 2 en in tabel 1. De gehanteerde aanduidingen refereren aan de vectoriële 20 optelling van de spanning op de drie fasen R, S en T welke, zoals gebruikelijk, onderling 120° in fase zijn verschoven.

Zoals in figuur 2 is te zien, liggen de zes actieve vectoren precies 60° uit elkaar en liggen de nul vectoren in de oorsprong.

In het stilstaande of vaste domein (α, β) kan de 25 resulterende spanningsvector winv aan de uitgang van de frequentie- omzetter 10, c.q. op de aansluitklemmen van de motor 9, worden geschreven als μinv = (ua> υβ)τ· Ook kan de stroom in de drie fasen als vector worden geschreven.

Voor het beschrijven van de werkwijze volgens de 30 uitvinding, wordt in het navolgende overgegaan op een roterend coördinatenstelsel (d, q) synchroon met de motorflux.

* . ; 2 3 6 01 11 actieve RST nul vector UR Us UT Ua ίΙβ hoek toestand 000 ... 000 0,0 1 100 000 Udc 0 0 1 0 0° 5 2 110 111 Udc Udc 0 V hJï 60* 3 010 000 0 Udc 0 -k hfi 120" 4 011 111 0 Udc Udc -1 0 180” 5 001 000 0 0 Udc -h 240‘ 6 101 111 Udc 0 Udc % -kS 300° 10 - 111 ... Udc Udc Udc 0 0

Tabel 1: Schakel toestanden

Zoals schematisch in figuur 3 is geïllustreerd, kan uitgaande van een gewenste belastingsstroom van de motor i*dq vectorieel 15 worden bepaald welke daar bijbehorende gewenste klemspanning u*Tdq op de aansluitklemmen van de motor 9 nodig is om deze stroom te realiseren.

Zoals bekend, kan in zijn meest eenvoudige vorm een motor worden gerepresenteerd door een weerstand Rs en inductiviteit L in serie geschakeld met de interne door de motor opgewekte emk t/m, en aangesloten 20 op de klemspanning i/*Tdq.

De gewenste klemspanning u*Tdq is samengesteld uit de spanning over de weerstand Rs, de spanning over de inductiviteit L, respectievelijk Rsi en jO)Li, alsmede de intern door de motor opgewekte emk um vectorieel gerepresenteerd in figuur 3 door jüJd),,, waarin ω de 25 hoekfrequentie van de motorflux <t>m is. Gezien kan worden dat de klemspanning t/*Tdq over de lasthoek p in fase voorloopt op de gerealiseerde motorstroom idq.

De vectorrepresentatie van de gewenste klemspanning u*Tdq kan door de frequentie-omzetter 10 gerealiseerd worden door te schakelen 12 naar één van de actieve vectoren zoals getoond in figuur 2. Dat wil zeggen, de klemspanning u*Tdq voor het realiseren van de gewenste belastingsstroom i*dq kan in stappen van ± 60° worden gerealiseerd.

De theorie van het schakelen wordt echter gemakkelijker 5 indien in plaats van spanning de integraal van de spanning de klemflux Ψ*γ wordt beschouwd. De door de frequentie-omzetter 10 afgegeven spanning kan nu worden geïnterpreteerd als de "richting van de flux". Een fluxbaan zoals geschetst in figuur 4 is derhalve opgebouwd uit kortere of langere stukjes van de vectoren zoals genoemd in tabel 1. Het blijkt dat 10 een, op een cirkel lijkende polygoonbaan kan worden gerealiseerd door rechte facetten Ψ0ρ die passen tussen twee concentrische cirkels.

Een vrij eenvoudige schakelregel kan worden toegepast door over +60“ te schakelen wanneer door ΨαΡ de buitenste cirkel wordt geraakt en door over -60", te schakelen wanneer Ψαρ binnen de binnenste 15 cirkel komt. Zie ook Tabel 1. Als de snelheid van de klemflux Ψ*τ te groot wordt, zal na verloop van enige tijd de hoek van Ψ*γ te ver voorlopen en moet de fluxprogressie worden gestopt. Een spanning nul aanbieden ofwel naar de bijbehorende nulvector schakelen zoals aangegeven in tabel 1, is dan de beste keuze. Indien de hoek van Ψ*γ te ver achter 20 loopt, dient weer terug te worden geschakeld naar de laatst actieve vector. Zolang geen cirkel wordt geraakt, hoeft er niet te worden geschakeld.

Belangrijk is dat het verloop van de motorstroom i aP zeer nauw gerelateerd is aan het verloop van de flux Ψ*τ. Immers in het 25 roterende assenstelsel, d.w.z. de dq-coördinaten, is de rotorflux van de motor nagenoeg constant, zodat de schakelregels ook op i dq kunnen worden toegepast. Er is echter een verschil in richting tussen de effectieve stroom en de effectieve flux, hetgeen de lasthoek p is, zoals 13 geïllustreerd in figuur 3,

De lasthoek p is tijdens motoraandrijving in voorwaartse richting doorgaans positief en tijdens bijvoorbeeld remmen van de motor met het terugleveren van energie negatief. Afhankelijk van de weerstand 5 Rs en verschillende dynamische situaties van de motor, kan de lasthoek p verschillende waarden aannemen.

De bovengenoemde schakelregels zijn geïllustreerd in figuur 5. Het schakelen van de schakelaars afhankelijk van het raken van de flux Ψαρ aan de concentrische begrenzingscirkels is hierin vertaald als een 10 schakelgebied of dode-zone rond de klemflux Ψ*γ, zoals aangegeven met het verwijzingscijfer 20.

De bovengenoemde eenvoudige schakelregels corresponderen in feite met vier verschillende acties, schakelen over +60*, schakelen over -60°, schakelen naar de voorgaande actieve vector dan wel schakelen naar 15 de meest nabije nul vector, zodat de dode-zone 20 effectief als een vierhoekig gebied kan worden gerepresenteerd, waarbij het vanuit het gebied 20 door de klemflux Ψ *T overschrijden van één van de begrenzingszijden 21, 22, 23, 24 van de dode-zone 20 een bepaalde schakel actie initieert. Door deskundigen zal worden begrepen dat de 20 afmetingen van de dode-zone 20 direct samenhangen met de toelaatbare afmetingen in de klemflux Ψ *T en gelijks is aan de afstand tussen de concentrische cirkels in figuur 4.

Beschouw nu fig. 6. In het geval van een VSI wordt de hierdoor afgegeven spanning i/*T door het schakelen van de schakelaars 25 beïnvloed. Dat wil zeggen, in het geval van een vierhoekige dode-zone 25 zal bij een overschrijding van de afwijking in amplitude deze aan de zijde 26 of 27 de dode-zone 25 verlaten, zoals geïllustreerd in figuur 6. Bij een fasegebeurtenis welke leidt tot het overschrijden van de toelaatbare faseafwijking, zal deze de dode-zone 25 aan de zijde 28 of 29 30 verlaten. Wanneer de afwijking binnen de dode-zone 25 blijft hoeft er •i 0 2 06 01 ' 14 niet te worden geschakeld.

Door nu, overeenkomstig de uitvinding, de dode-zone 25 welke correspondeert met de dode-zone 20 in figuur 5, echter getransformeerd naar de te realiseren grootheid, c.q. de motorstroom, 5 over de lasthoek p in de richting van de spanning u*T te oriënteren, zal door het toepassen van de bovenbeschreven schakelregels het schakelen naar een nul vector tot gevolg hebben dat de hierdoor veroorzaakte verandering in de afgegeven spanning een "loodrechte oversteek" van de ene begrenzingszijde 26 van de dode-zone 25 naar de tegenoverliggende 10 andere begrenzingszijde 27 tot gevolg heeft, waardoor het aantal schakel acties effectief wordt beperkt en zogeheten "limit cycles" worden vermeden. Hierdoor is de schakel frequentie van de werkwijze volgens de uitvinding lager dan bij de in de praktijk bekende sturing van frequentie-omzetters.

15 Zoals door deskundigen zal worden begrepen, heeft de door de frequentie-omzetter afgegeven spanning, door het schakelen van de schakelaars, een pulsvormig verloop. Derhalve refereert de beschrijving aan effectieve waarden van de spanning, stroom en flux.

Bij een CSI als frequentie-omzetter zal uiteraard de dode-20 zone op de, door de CSI afgegeven stroom worden georiënteerd.

Voorts zal worden begrepen dat de dode-zone 20 of 25 niet noodzakelijkerwijs in de vorm van een vierhoekig gebied hoeft te worden gedefinieerd. De vorm van de dode-zone hangt namelijk samen met de gehanteerde schakelregels, welke voor bepaalde belastingen en bepaalde 25 toepassingen anders kunnen luiden dan de bovenbeschreven relatief eenvoudige regels.

De omvang van de dode-zone, d.w.z. de afmetingen daarvan bepalen eveneens de schakel frequentie. Bij een grotere dode-zone zal in het algemeen relatief minder vaak hoeven te worden geschakeld dan bij een 30 relatief kleinere dode-zone, omdat in het laatste geval de begrenzingszijden van de dode-zone sneller zullen worden overschreden, 1020601 15 hetgeen tot een schakelactie noopt.

De lasthoek p kan op verschillende manieren worden bepaald, onder andere uit het verloop van de belastingstroom c.q. de motorstroom gedurende nul vectoren. De lasthoek kan ook worden bepaald op 5 basis van de gerealiseerde klemspanning tv*T. Deze hoek volgt uit de laagdoorlaatgefilterde waarden van de naar het dq-domein getransformeerde spanningscomponenten.

Voor kleine waarden van de spanning of stroom van de frequentie-omzetter, dat wil zeggen effectieve waarden in de ordegrootte 10 van de afmetingen van de dode-zone 25, is het berekenen van de lasthoek onvoldoende nauwkeurig. Door bij dergelijk kleine waarden de dode-zone met een frequentie van bijvoorbeeld enkelen honderden Hz te draaien (+180") worden tegengestelde spanningsvectoren afgewisseld met nul- f vectoren, zodat de benodigde kleine spanning effectief kan worden 15 gerealiseerd. Voor het draaien van de dode-zone kan een relatief klein dithersignaal bijvoorbeeld een driehoekvormig dithersignaal in de ordegrootte van 1 a 2% van de spanning worden aangelegd. Zodra de effectieve waarde van de spanning voldoende hoog wordt kan het dithersignaal eventueel weer worden uitgeschakeld, maar het mag ook 20 blijven bestaan.

De afmetingen van de dode-zone mogen voorts in de tijd variëren.

Een belangrijk gegeven van de VSI is de beperkte beschikbare spanning, onder andere bepaald door de gelijkspanning 1 aan 25 de ingang van de frequentie-omzetter 10, zoals getoond in figuur 1. ,

Gegeven een bepaalde belastingsimpedantie Z is het theoretisch onmogelijk om een hogere stroom te genereren dan imax= u/Z, waarin u de maximale uitgangsspanning van de frequentie-omzetter is. Aangezien in de praktijk installaties economisch worden uitgelegd, is het vaak nodig om dicht 30 tegen de systeemgrenzen te werken. Zonder speciale maatregelen, zal de frequentie-omzetter ten gevolge van spanningsgebrek geen nul vectoren j ' rw’ ‘i 1 · ) O i 16 realiseren. Hierdoor wordt de amplitude van de gerealiseerde stroom kleiner maar zal de hoek van de gerealiseerde stroom ongeveer blijven kloppen met de hoek van i*dq. Dit vastlopen veroorzaakt een afname in de stroom en daardoor een forse reductie van het koppel of de aandrijfkracht 5 van de motor.

Een betere strategie, overeenkomstig de uitvinding, is om de fasehoek van de stroom te veranderen, zodat minder spanning nodig is om de gewenste stroom te maken. Dit is schematisch geïllustreerd in figuur 7.

10 Door de stroom i*dq over de hoek ξ te verdraaien, is een kleinere spanning t/*T nodig om de betreffende stroom te realiseren, waardoor de te realiseren grootheid weer met een afwijking binnen de betreffende dode-zone kan worden gerealiseerd. De ontwikkelde kracht is evenredig met cos ξ.

15 De hoekverdraaiing kan in de praktijk bijvoorbeeld worden gerealiseerd middels integratie van een signaal dat evenredig is met de duty-cycle minus een maximale gewenste waarde voor de duty-cycle, bijvoorbeeld 97%. Hiermee wordt bereikt dat de hoek ξ voor duty-cycle waarden boven 97% toeneemt en dat de hoek ξ weer afneemt tot minimaal 0* 20 indien de duty-cycle kleiner is dan deze gewenste waarde. Uiteraard kunnen andere technieken en andere percentages voor dit doel worden gekozen en ingesteld.

Zoals uit het voorgaande duidelijk zal zijn, biedt de werkwijze volgens de uitvinding, door het geschikt oriënteren van de 25 dode-zone 20 de mogelijkheid om nul vectoren te maken, met als gevolg een verlaagde schakel frequentie van de omzetter, hetgeen met een bijvoorbeeld conventionele hystereseregelaar niet of slechts met meer complexe maatregelen te realiseren is.

De voorgestelde oriëntatie van de dode-zone op de spanning 30 of stroom van de frequentie-omzetter door het over de lasthoek in de richting van de afgegeven spanning of stroom draaien van de dode-zone is 1020601 17 niet beperkt tot het exact over de lasthoek p roteren van de dode-zone. Andere oriëntaties zijn mogelijk, mede afhankelijk van de gekozen vorm van de dode-zone en de daarbij behorende schakelregels, waarbij echter wordt opgemerkt dat een vierhoekige^ in het bijzonder een vierkante vorm 5 van de dode-zone en rotatie over de volledige lasthoek p een bijzonder eenvoudig schakel algoritme en uitstekende resultaten oplevert.

De werkwijze volgens de uitvinding kan ook worden toegepast in zogeheten multi-level frequentie-omzetters, waarbij de. schakelaars trapsgewijs per niveau worden geschakeld voor het met een binnen de dode-10 zone gelegen amplitude- en fasehoekafwijking realiseren van de betreffende grootheid, zoals de motorstroom in de bovenstaand besproken voorbeelden. Door te bepalen in welk niveau de omzetter werkzaam is, wordt dan weer de daar bijbehorende schakelvector bepaald, zoals in het voorgaande uiteengezet.

15 Figuur 8 toont een blokschema van een uitvoeringsvorm van een inrichting 30 voor het uitvoeren van de werkwijze volgens de uitvinding.

Op de frequentie-omzetter 31, welke van het zogeheten VSI type is, is een driefasenmotor 32 aangesloten. De frequentie-omzetter 31 20 wordt gevoed vanuit een gelijkspanningsbron 33. De frequentie-omzetter 31 omvat een veelheid van stuurbare schakelaars, zoals besproken aan de hand van de frequentie-omzetter zoals schematisch getoond in figuur 1, en stuurmiddelen 34 voor het sturen van de schakelaars voor het realiseren van een gewenste grootheid in de motor 32, bijvoorbeeld de motorstroom.

25 Voor het bepalen van de actuele hoek ξ van het roterende dq-coördinatenstelsel ten opzichte van het stationaire αβ- coördinatenstelsel, kan gebruik worden gemaakt van verschillende sensoren of schatters, zoals gerepresenteerd door blok 35 en bekend bij deskundigen in de stand van de techniek. Uit de hoek ξ en de 30 gerealiseerde spanning uap in het vaste coördinatenstelsel van de frequentie-omzetter 31, hetgeen bepaald kan worden uit de door de 1020501 18 stuurmiddelen 34 opgelegde schakel vectoren, kan door rotatie over de negatieve hoek ξ en, vervolgens laagdoorlaatfiltering van de aldus geroteerde spanning de lasthoek p worden bepaald, zoals geïllustreerd met blokken 36, 37 en 38, respectievelijk. De gerealiseerde motorstroom 5 wordt bepaald door stroommeting, bijvoorbeeld door middel van stroomtransformatoren 39, 40, 41 en verwerkingsmiddelen 42, en wordt via rotatie over -ξ naar het roterende dq-coördinatenstelsel getransformeerd, middels rotatiemiddelen 43. De aldus geréaliseerde motorstroom idq wordt vergeleken met de gewenste waarde van de motorstroom z*dq, via 10 bijvoorbeeld sommatormiddelen 44, en de afwijking tussen de gerealiseerde waarde en de gewenste waarde in het dq-coördinatiestelsel Aidq wordt toegevoerd aan een verdere vectorrotator 46 voor het over de lasthoek p roteren van de afwijking c.q. de dode-zone in overeenstemming met de uitvinding. De afmetingen van de dode-zone kunnen worden ingesteld 15 middels blok 47 aan de ingang van de stuurmiddelen 34.

Hoewel in de uitvoeringsvorm van de inrichting de verschillende bewerkingen zoals laagdoorlaatfiltering, rotatie en dergelijke als afzonderlijke functionele blokken zijn weergegeven, kunnen deze functies door geschikt geprogrammeerde digitale processor-middelen, 20 zoals een microprocessor μΡ worden uitgevoerd of geheel of gedeeltelijk door middel van analoge componenten worden gerealiseerd, waaronder bijvoorbeeld analoge inrichtingen zoals een FPGA, evenals de sturing van de schakelaars van de frequentie-omzetter 31, zoals gerepresenteerd door de stuurmiddelen 34.

25 Een besturingsprogramma en een gegevensdrager zoals een CD

ROM, floppy disk en dergelijke voorzien van een besturingsprogramma maken deel uit van de onderhavige uitvinding.

Begrepen zal worden dat de uitvinding uiteraard niet beperkt is tot het gebruik met elektrische belastingen in de vorm van 30 elektromotoren, zoals synchrone motoren of inductiemotoren maar dat deze ook kan worden toegepast voor het realiseren van een gewenste grootheid 1020801 19 in andere soorten elektrische belastingen, zoals transformatoren en belastingsweerstanden welke een hoog frequent impedantie groter dan nul hebben.

In het bijzonder is de inrichting en werkwijze volgens de 5 uitvinding geschikt voor het sturen van lineaire elektromotoren, zoals lineaire synchrone motoren of lineaire inductiemotoren, waarbij de motorparameters niet constant zijn. De werkwijze kan worden geïmplementeerd en ontworpen zonder de noodzaak de momentane motorparameters zoals de inductantie te kennen.

10 t 1020601

Claims (20)

1. Werkwijze voor het realiseren van een effectieve waarde van een te variëren grootheid in een elektrische belasting aangesloten op een 5 meerfasen schakel bare DC/AC-frequentie-omzetter, voorzien van een veelheid van stuurbare schakelaars, waarbij de betreffende waarde wordt gerealiseerd door het variëren van een door de DC/AC-frequentie-omzetter afgeven spanning of stroom middels het geschikt in- en uitschakelen van de schakelaars, en waarbij de betreffende grootheid een lasthoek vertoont 10 die gemiddeld in de tijd voor- of naijlt op de afgegeven spanning'of stroom, welke werkwijze de stappen omvat van het: definiëren van een dode-zone met afmetingen representatief voor een toelaatbare amplitude- en fasehoekafwijking in de te realiseren grootheid; 15. oriënteren van de dode-zone op de, door de DC/AC frequentie-omzetter afgeven spanning of stroom door het over de lasthoek in de richting van de afgegeven spanning of stroom draaien van de dode-zone, en - schakelen van één of meer van de schakelaars aan de hand 20 van de wijze waarop de afwijking in de te realiseren grootheid de dode-zone overschrijdt, voor het tijdens bedrijf met een binnen de dode-zone gelegen amplitude- en fasehoekafwijking realiseren van de betreffende grootheid.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarin de dode-zone 25 vierhoekig van vorm is, bij voorkeur een vierkant, met tegenoverliggende eerste en tweede begrenzingszijden en tegenoverliggende derde en vierde begrenzingszijden.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, waarin de dode-zone zodanig wordt georiënteerd, dat bij het door de afwijking in de te realiseren 30 grootheid vanuit de dode-zone overschrijden van de tegenoverliggende eerste en tweede begrenzingszijden de schakelaars van de frequentie- (n?nsm 9 omzetter zodanig worden geschakeld dat de fasehoek van de afgegeven spanning of stroom wordt vergroot respectievelijk verkleind en dat bij het door de afwijking in de te realiseren grootheid vanuit de dode-zone overschrijden van de tegenoverliggende derde en vierde begrenzingszijden 5 de schakelaars van de frequentie-omzetter zodanig worden geschakèld dat de amplitude van de afgegeven spanning of stroom wordt vergroot respectievelijk verkleind.

4. Werkwijze volgens één of meer van de voorgaande, conclusies, waarin bij een relatief kleine amplitude van de effectieve waarde van de 10 door de frequentie-omzetter afgegeven spanning of stroom in de ordegrootte van de afmetingen van de dode-zone, de dode-zone periodiek over 180° heen en weer wordt geroteerd.

5. Werkwijze volgens één of meer van de voorgaande conclusies, waarin wanneer door het schakelen van de schakelaars van de frequentie- 15 omzetter de afwijking in de te realiseren grootheid niet meer binnen de dode-zone kan worden gebracht, de fasehoek van de te realiseren grootheid afzonderlijk wordt gestuurd zodanig, dat de afwijking weer binnen de dode-zone wordt gebracht.

6. Werkwijze volgens één of meer van de voorgaande conclusies, 20 waarin bij een meerfasen schakelbare DC/AC-frequentie-omzetter met verschillende stuurniveaus, de schakelaars van de frequentie-omzetter trapsgewijze per niveau worden geschakeld voor het met een binnen de dode-zone gelegen amplitude- en fasehoekafwijking realiseren van de betreffende grootheid.

7. Werkwijze volgens één of meer van de voorgaande conclusies, waarin de belasting een AC-elektromotor is en de te realiseren grootheid de door de motor opgenomen stroom is.

8. Werkwijze volgens één of meer van de conclusies 1 t/m 6, waarin de belasting een AC-elektromotor is en de te realiseren grootheid 30 de in de motor op te wekken magnetische flux is.

9. Werkwijze volgens conclusie 7 of 8, waarin de elektromotor 1 0206 01 ' een lineaire motor is.

10. Inrichting voor het realiseren van een effectieve waarde van een te variëren grootheid in een elektrische belasting aangesloten op een meerfasen schakel bare DC/AC-frequentie-omzetter, voorzien van een 5 veelheid van stuurbare schakelaars, stuurmiddelen ingericht voor het realiseren van de betreffende waarde doof het variëren van een door de DC/AC-frequentie-omzetter afgeven' spanning of stroom middels het geschikt in- en uitschakelen van de schakelaars, en middelen voor het bepalen van een lasthoek waarover de betreffende grootheid gemiddeld in de tijd voor-10 of naijlt op de afgegeven spanning of stroom, waarbij de stuurmiddelen zijn ingericht voor het: definiëren van een dode-zone met afmetingen representatief voor een toelaatbare amplitude- en fasehoekafwijking in de ♦ te realiseren grootheid; 15. oriënteren van de dode-zone op de, door de DC/AC frequentie-omzetter afgeven spanning of stroom door het over de lasthoek in de richting van de afgegeven spanning of stroom draaien van de dode-zone, en - schakelen van één of meer van de schakelaars aan de hand 20 van de wijze waarop de afwijking in de realiseren grootheid de dode-zone overschrijdt, voor het tijdens bedrijf met een binnen de dode-zone gelegen amplitude- en fasehoekafwijking realiseren van de betreffende grootheid.

11. Inrichting volgens conclusie 10, waarin de stuurmiddelen 25 zijn ingericht voor het definiëren van een dode-zone met een vierhoekige vorm, bij voorkeur een vierkant, met tegenoverliggende eerste en tweede begrenzingszijden en tegenoverliggende derde en vierde begrenzingszijden.

12. Inrichting volgens conclusie 11, waarin de stuurmiddelen zijn ingericht om de dode-zone zodanig ten opzichte van de, door de 30 frequentie-omzetter afgegeven spanning of stroom te oriënteren, dat bij het door de afwijking in de te realiseren grootheid vanuit de dode-zone 1020601 Λ overschrijden van de tegenoverliggende eerste en tweede begrenzingszijden de schakelaars van de frequentie-omzetter zodanig worden geschakeld dat de fasehoek van de afgegeven spanning of stroom wordt vergroot respectievelijk verkleind en dat bij het door de afwijking in de te 5 realiseren grootheid vanuit de dode-zone overschrijden van de tegenoverliggende derde en vierde begrenzingszijden de schakelaars van de frequentie-omzetter zodanig worden geschakeld dat de amplitude van de afgegeven spanning of stroom wordt vergroot respectievelijk verkleind.

13. Inrichting volgens één of meer van de conclusies 10 t/m 12, 10 waarin de stuurmiddelen zijn ingericht om bij een relatief kleine amplitude van de effectieve waarde van de door de frequentie-omzetter afgegeven spanning of stroom in de ordegrootte van de afmetingen van de dode-zone, de dode-zone periodiek over 180° heen en weer wordt geroteerd.

14. Inrichting volgens één of meer van de conclusies 10 t/m 13, 15 waarin de stuurmiddelen zijn ingericht om wanneer door het schakelen van de schakelaars van de frequentie-omzetter de afwijking in de te realiseren grootheid niet meer binnen de dode-zone kan worden gebracht, de fasehoek van de te realiseren grootheid zodanig afzonderlijk te sturen, dat de afwijking binnen de dode-zone wordt gebracht.

15. Inrichting volgens één of meer van de conclusies 10 t/m 14, waarin de veelheid van stuurbare schakelaars van de frequentie-omzetter is ingericht om te schakelen met verschillende stuurniveaus, waarbij de stuurmiddelen zijn ingericht om de schakelaars van de frequentie-omzetter trapsgewijze per niveau te schakelen voor het met een binnen de dode-zone 25 gelegen amplitude- en fasehoekafwijking realiseren van de betreffende grootheid.

16. Inrichting volgens één of meer van de conclusies 10 t/m 15, waarin de belasting een AC-elektromotor is.

17. Inrichting volgens conclusie 16, waarin de elektromotor een 30 lineaire motor is.

18. Inrichting volgens één of meer van de conclusies 10 t/m 17, * waarin de stuurmiddelen processormiddelen omvatten.

19. Besturingsprogramma opgeslagen op een door digitale of analoge verwerkingsmiddelen leesbare gegevensdrager en ingericht voor het uitvoeren van de werkwijze volgens een of meer van de conclusies 1 t/m 9. 5

20. Gegevensdrager omvattende een besturingsprogramma volgens conclusie 19. 4 η o n r o 1