DE2705343C2 - Steuerverfahren für einen selbstgeführten, pulsgesteuerten Wechselrichter und Steueranordnung zur Bildung der Sollwerte für die Pulssteuerung - Google Patents

Description

— die Nullsystcmspannung wird den Grund- is Schwingungsanteilen der gegen den Mittelpunkt der steuernden Gleichspannung gemessenen Sternspannungen, die erforderlich sind, um einen sinusförmigen Verlauf der ausgangsseitigen Dreieckspannungen zu erhalten, hinzu- gefügt-

— die Nullsystemspannung ist während eines ersten Zeitintervalls (It) von der Dauer 776 gleich der Differenz aus der gemessenen halben Gleichspannung und dem Grundschwingungsanteil einer Sternspannung, wobei der Wechselrichter in diesem Zeitintervall nicht getaktet wird;

— eine halbe Periode nach Beginn des ersten Intervalls besteht die Nullsystemspannung wäh- rend eines zweiten Zeitintervalls (14) von der Dauer /76 aus der negativen Differenz zwischen gemessener halber Gleichspannung und dem Grundschw'ngungsanteil, wobei der Wechselrichter in dieserr Zeitintervall nicht getaktet wird;

— die beiden nicht gciakteien Intervalle (It, /4) beginnen jeweils mit einem Phasenwinkel a, der größenmäßig zwischen 0° und 60° liegt, vor dem Scheitelwert derjenigen Halbschwingung des Grundschwingungsanteils, deren Augenblickswerte im Vorzeichen mit der resultierenden Sternspannung in den ersten und zweiun Intervallen übereinstimmen;

— der Phasenwinkel α ist für alle drei Sternspannungen gleich.

2. Steueranordnung zur Erzeugung .der Sollwerte für Sternspannungen für das Steuerverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Funk- <« tionsgenerator (1) vorgesehen ist, der die zur Erzeugung des sinusförmigen Verlaufs der Dreieckspannungen erforderlichen drei sinusförmigen Steuerspannungen als erste Anteile der Soliwerte mit negativem Vorzeichen liefert, daß an den dreiphasigen Ausgang des Funktionsgenerators (1) zwei Gruppen von Dioden (2 und 4), die in Drehstrombrückenschaltung angeordnet sind, angeschlossen sind, daß der Ausgang der Diodengruppe (2), deren Kathoden einen positiven Gleichstrompol bilden, mit einem ersten Eingang eines ersten Summierverstärkers (3) verbunden ist, dessen zweiter Eingang den negativen Meßwert der halben Gleichspannung der Gleichspannungsquelle erhält, an der der Wechselrichter liegt, daß der Ausgang der Diodengruppe (4), deren Anoden einen negativen Gleichstrompol bilden, mit dem ersten Eingang eines zweiten Summierverstärkers (5) verbunden ist. dessen zweiter Eingang den positiven Meßwert der halben Gleichspannung erhält, und daß die Ausgangssignale der beiden Summierverstärker (3 und 5) mit dreifacher Frequenz abwechselnd durch einen steuerbaren Umschalter (8) auf erste Eingänge von drei Summierverstärkern (9) schaltbar sind, deren zweite Eingänge je eine der vom Funktionsgenerator (1) erzeugten Spannungen erhalten.

3. Steueranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß zur Steuerung des Umschalters (8) eine der vom Funktionsgenerator (1) gelieferten Spannungen einem Frequenzverdreifacher (6) zugeführt ist, dessen Ausgang mit einem ersten Eingang eines Analog-Digiwl-Schalters (7) verbunden ist, dessen zweiter Eingang (d) an einer Steuergleichspannung Hegt, mit der die Phasenlage der Umschaltzeitpunkte eingestellt wird, und daß der digitale Ausgang des Analog-Digital-Schalters (7) an den Steuereingang des Umschalters (8) gelegt ist

Die Erfindung bezieht sich auf ein Steuerverfahren für einen selbstgeführten, pulsgesteuerten Wechselrichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf eine Steueranordnung zur Bildung der Sollwerte für die Pulssteuerung und kann Anwendung finden bei stromrichtergespeisten Antrieben.

Ein solches Steuerverfahren ist aus der DE-AS 23 45 035 bekannt.

Mit Hilfe der bekannten Pulsbreitensteuerung (Buch von Heumann/Stumpe, »Thyristoren«, 3. Auflage (1974), Seite 167 ff„ insbesondere Seite 205 bis 219, und »Siemens-Zeitschrift« 46 (1971), Heft 3. Seite 154 bis 161) kann ein selbstgeführter Wechselrichter im üblichen Schaliuiigsaufbau aus einer Gleichspannung Wechselspannungen bilden. In F i g. 1 ist zum Verständnis ein selbstgeführter Wechselrichter in Dreiphasenbrückenschaltung mit steuerbaren, zwangvJOschbaren Halbleiterventilen 7*1 bis 7*6 und unmittelbar antiparallel geschalteten, nichtsteuerbaren Halbleiterventilen D1 bis D 6 dargestellt Mit Hilfe der an den Brückenverbindungspunkten angeschlossenen Widerstände R wird ein Sternpunkt O gebildet Eingangsseitig ist der Wechselrichter an Plus- bzw. Minuspole A bzw. B einer Spannungsquelle E mit den beiden Teilspannungen ± £72 und ausgangsseitig über drei Anschlüsse a, b, c an einer? dreiphasigen Verbraucher !/angeschlossen. Der Mittelpunkt C der Spannungsquelle E dient als Bezugspunkt für die Teilspannungen. — Es versteht sich, daß der starkstromtechnische Schaltungsaufbau nur in Form eines praktischen Beispiels angegeben ist es genügen theoretisch zwei unabhängige, kommutierungsfähige Teilstromrichter, einer pro Pol, und eine Gleichspannungsquelle. — Infolge der schaltenden Arbeitsweise, des Durchschaltens und des Löschens der steuerbaren, zwangslöschbaren Halbleiterventile in den einzelnen Brückenzweigen, kann eine von den Wechselstromanschlüssen a, b, c gegen den Mittelpunkt C der Gleichspannungsquelle £ gemessene Sternspannung Q nur die Augenblickswerte ±£72 annehmen. Die Differenzen von je zwei Sternspannungen bilden die Dreieckspannungen zwischen den Wechselstromanschlüssen a, b, c In der Regel wird ein vorhandener Sternpunkt O der Drehstromverbraucher nicht mit dem Mittelpunkt C der Gleichspannung verbunden, um eine Übertragung von Oberwellen zu vermeiden. Der Stromverlauf wird

dann allein durch die Dreieckspannungen des Wechselrichters bestimmt, und diese sollen deshalb in der Regel möglichst gut sinusförmig sein. Zur Annäherung an dieselbe ist eine hohe Schalthäufigkeit der zwangslösch baren Halbleiterventile erforderlich. Es sind natürlich in Sonderfällen auch andere zeitliche Verläufe der ausgangsseitigen Dreieckspannungen möglich.

Die eingangs erwähnte DE-AS 23 45 035 behandelt ein Verfahren und eine Anordnung zur Steuerung oder Regelung der Drehzahl einer umrichtergespeisten dreiphasigen Drehfeldmaschine mit Sternpunktrückleitung, deren Wicklungen über Umrichter mit Phasenströmen gespeist werden. Dabei ist vorgesehen, den sinusförmigen Grundschwingungen der Phasenströme eine Oberschwingung derart zu überlagern, daß jeweils ein Phasenstrom im mittleren Bereich einer Halbwelle auf einen vorgegebenen Maximalwert reduziert wird und das zugleich die beiden übrigen Phasenströme in den Randbereichen der Halbwelle um einen bestimmten Betrag verstärkt werden. Die Wicklungen einer dreiphasigen Drehfeldmaschine sollen also nicht mit sinusförmigen rhäScfiströiiicn gespeist werden, sondern mit Phasen· strömen, die im mittleren Bereich einer Halbzelle auf einen Wert reduziert sind, der unter dem Scheitelwert von sinusförmigen Phasenströmen liegt, während die verbleibenden Randbereiche der Halbwellen entsprechend verändert sind. Als Vorteil ergibt sich, daß die Stromrichterventile der Umrichter für kleinere Stromstärken dimensioniert werden können, als bei Speisung mit sinusförmigen Phasenströmen, d. h. die größtmögliche Verbesserung der Ausnutzung der Stromrichterventile bei gleichbleibender Maschinenleistung beträgt etwa 15%. Eine Reduzierung der Schalthäufigkeit für die zwangslöschbaren Halbleiterventile wird nicht erzielt.

Aus der »ETZ-B«, 1975. Heft 7, Seite 151 bis 152, sind Bezugsspannungsformen für die Steuerung dreiphasiger DirekEumrichter und Pulsumrichter unter Berücksichtigung der Spannungsausnutzung des Umrichters und des Oberschwingungsgehaltes des Laststromes bekannt. Dabei #erden von der Sinusform abweichende trapezförmige Bezugsspannungen vorgeschlagen. Es ergibt sich eine Lehre, wie man bei gegebene konstanter Spannung auf der Gleichstromseite eines Umrichters die größte sinusförmige Lastspannung gegenüber bekannten Verfahren um 15% erhöhen kann. Bei Betrieb mit dieser größten sinusförmigen Lastspannung wird gegenüber Verfahren mit sinusförmiger Bezugsspannung auch außerdem die Schaltfrequenz der Umrichterventile im Mittel um 33% gegenüber bekannten gleichwertigen Verfahren gesenkt. Soll die Lastspannung dagegen abgesenkt werden, geht dieser Vorteil sofort verloren, außerdem bietet bei herabgesetzter Lastspannung die beschriebene Kurvenform der Bezugsspannung keinerlei Vorteile gegenüber sinusförmigen Bezugsspannungen.

Der Erfindung liegt, ausgehend von dem bekannten Pulsbreitensteuerverfahren, die Aufgabe zugrunde, vornehmlich bei Bildung gut sinusförmiger Ausgangsspannungen die Schalthäufigkeit für die zwangslöschbaren Halbleiterventile auch bei abgesenkter Lastspannung herabzusetzen.

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

Die Erfindung geht davon aus, daß die für die Dreieckspannungen gestellte Forderung eines sinusförmigen Verlaufs nicht für die Sternspannungen des Wechselrichters gilt; denn beliebige Nullsysteme dieser drei Spannungen haben keinen Einfluß auf den Zeitverlauf der Dreieckspannungen. Diese an sich bekannte Tatsache wird zusammen mit den erfindungsgsmäßen, oben angeführten Maßnahmen dazu benutzt, den Zeitverlaut der Sternspannungen so zu gestalten, daß während eines Drittels einer jeden Grundschwingungshalbperiode die Halbleiterventile nicht umgeschaltet zu werden brauchen und somit die Schalthäufigkeit der Stromrichterventile minimal wird. Der Vorteil einer auf 67% reduzierten mittleren Schaltfrequenz der zwangslöschbaren Halbleiterventile bleibt über dem gesamten Aussteuerungsbereich erhalten und ergibt sich auch bei welliger Gleichspannung.

In vorteilhafter Weise besitzen die Ausgangsspannungen auch einen geringeren Oberschwingungsanteil gegenüber solchen, die bei rein sinusförmigen Sternspannungen entstehen.

Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine Steueranordnung zur Erzeugung der von üblichen Sollwertverläufen (Heumann/Stumpe, s. o.) abweichenden Sollwerte für die Sternspannun^-°n für das vorbeschriebene Steiierverfahren anzugebev:-

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 2 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung iit im Unteranspruch 3 gekennzeichnet.

Durch die Einschaltung eines Frequenzverdreifachers, eines A/D-Schalters und des Umschalters werden vorteilhaft die beiden Summierverstärker zur Bildung aller drei Sollwertspannungen herangezogen. Damit wird einmal der schaltungstechnische Aufwand reduziert, und zum anderen wirken sich eventuelle kleinere Störeinflüsse (z. B. Drift der Verstärker) auf alle Sollwertspannungen gleich aus.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Beispiele erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein schematisches Schaltungsbeispiel für einen üblichen selbstgeführten Wechselrichter mit zusätzlichem Sternpunkt,

F i g. 2 ein Zeitdiagramm für den Sollwert einer nicht sinusförmigen Sternspannung und

F' g. 3 ein schematisches Geräte-Blockschaltbild für eine Schaltungsanordnung zur Bildung der Sollwerte für die nicht sinusförmige Sternspannungen.

Die F i g. 1 ist eingangs erläutert.

In Fig.2 ist der Zeitverlauf einer nach dem erstehend erläuterten Steuerverfahren bestimmten, nicht sinusförmigen Sternspannung, z. B. e₃c als ausgezogene Kurve dargestellt. Gestrichelt ist der sinusförmige Anteil e,o eingezeichnet, der allein zur Bildung der Dreieckspannungen beiträgt und im Regelfall die Grundschwingung (erste Harmonische) darstellt.

Legt man den Nullpunkt der Zeitwinkelachse cot in den Nulldurchgang der sinusförmigen ,Grundschwingung e_ao. so beginnt das erste Intervall /1, in dem die Sternspannung e„_c mt der halben Gleichspannung E/7 übereinstimmt, bei <y/=90° — ä. Während der nächsten 60 el. ist die Sternspannung gleich £72, wobei im Beispiel eine konstante Gleichspannung Ezugrunde gelegt wurde. An dem beschriebenen Verfahren ändert sich nichts, wenn die Gleichspannung E noch Oberschwingungen enthält; in diesem Fall stimmt der Zeitverlauf der Sternspannung e_ac im Intervall /1 mit der sic-τ ändernden halben Gleichspannung überein. Das zweite Intervall /4. in dem die Sternspannung e*c mit der negativen halben Gleichspannung £72 übereinstimmt, beginn: bei tot = 270° - λ. Die schraffiert dargestellte Differenz zwischen der ausgezogenen Sternspannung e^-und der ge-

strichelt gezeichneten Grundschwingung e_ao stellt das erfindungsgemäß der Grundschwingung hinzugefügte Nullsystem bzw. eine der Nullsystemspannungen der drei Sternspannungen dar. Im Intervall /1 zwischen <yf=90° -λ und &i/ = 150° -λ liegt gerade eine Halbschwingung dieser Nullsystemspannung, die mit dreifacher Frequenz 3/7"schwingen muß, damit auch für die beiden anderen, nicht dargestellten Sternspannungen e*c und e_t<- die erfindungsgemäßen Regeln erfüllt sind. Damit ergibt sich in eindeutiger Weise der Verlauf der dargestellten Sternspannung e^-auch in den Bereichen, in denen ihr Betrag nicht mit der halben Gleichspannung ± E/2 übereinstimmt. Durch Pulsbreitenstcuerung wird der dargestellte gewünschte Zeitverlauf der Stcrnspanung e„c in den Intervallen 12, /3, /5 und /6 in bekannter Weise angenähert. In den Bereichen, in denen der gewünschte Verlauf der Sternspannung e₃c mit der positiven bzw. negativen halben Gleichspannung E/2 übereinstimmt, gelingt die Annäherung ohne jeden Fehler und ohne jede I aktung der steuerbaren und Zwangslöschbaren Ventile 7"! bzw. 7"4 des Wechselrichters.

Während des Intervalls /1, d.h. für die Dauer von 60° el, bleibt das Ventil T\ dauernd durchgeschaltet, das Ventil TA dauernd gesperrt. Während des Intervalls IA bleibt das Ventil TA durchgeschaltet und 7"1 gesperrt. Die Puisbreitensteuerung ist nur während der Intervalle 12,13,15, /6 erforderlich. In jedem der drei Stränge des Wechselrichters werden also während eines Drittels einer jeden Halbschwingung die Halbleiterventile nicht getaktet. Bezogen auf bekannte Anordnungen beträgt damit die mittlere Schalthäufigkeit nur noch 67%. Während der Intervalle 12,13,15,16, in denen der Betrag der gewünschten Sternspannung nicht mit der halben Gleichspannung übereinstimmt, arbeitet die Pulsbreitensteuerung in bekannter Weise, die beiden Ventile eines jeden Stranges werden wechselweise durchgeschaltet, die wirkliche Sternspannung stimmt, ucZOgcii äüi eine r uiSpcfiOuc, ΐϊΐϊ πΜΪίί£ιτπτΧΓί, iiiCiii !Π bezug auf die Augenblickswerte mit dem gewünschten Sternspannungsverlauf überein. «o

Mit der Bedingung für den Winkel λ wird sichergestellt, daß der erfindungsgemäße Zeitverlauf der Sternspannungssollwerte e*,c, e*bc, e'cc keine Augenblickswerte aufweist, deren Betrag größer als der halbe Wert der speisenden Gleichspannung Eist, da die Spannungs- « quelle Eja keine höheren Istwerte liefern kann.

Fig.3 zeigt beispielhaft eine Steueranordnung, mit deren Hilfe die nach den erfindungsgemäßen Regeln verlaufenden Sollwerte e*,c. e*bc, e'cc für die Sternspannungen e,c, ebc, ecc erzeugt werden können. Diese Steueranordnung stellt also nur einen Teil der gesamten Steueranordnung für die steuerbaren Ventile Tl bis T6 dar. Der weitere Schaltungsaufbau derartiger Steueranordnungen ist allgemein bekannt Die Steueranordnung gemäß F i g. 3 enthält im einzelnen: einen Funktionsgenerator 1, eine daran angeschlossene dreiphasige, aus Dioden aufgebaute Drehstrombrückenschaltung 2, 4, jeweils an die gemeinsamen Verbindungspunkte aller Dioden einer Brückenhälfte 2 bzw. 4 angeschlossene Summierverstärker 3 bzw. 5, an deren weiteren Eingängen Gleichspannungen +E/2 bzw. —E/2 liegen, einen an einen der drei Ausgänge des Funktionsgenerators 1 angeschlossenen Frequenzverdreifacher 6, im Signalzug dieses Zweiges folgend einen steuerbaren Analog-Digital-Schalter 7 (A-D-Schalter) mit Steuereingang d, einen es steuerbaren Schalter 8 and drei Sunnnierverstärker § (erste Eingänge), an deren zweiten Eingängen die Brükkenverbindungspunkte jeweils zweier Dioden der Drehstrombrückenschaltung liegen. Die Summierverstärker 3, 5 sind an zwei alternative Eingänge des elektronischen Schalters 8 angeschlossen.

Nachfolgend wird die Wirkungsweise der Steueranordnung erläutert:

Im Funktionsgenerator I wird in bekannter Weise ein System von drei rein sinusförmig verlaufenden Steuerspannungen Co(V= a, b. cj gebildet, die zusammen ein symmetrisches Drehstromsystem bilden. Kreisfrequenz ω und Amplitude k ■ έ können in bekannter Weise über die Eingänge verstellt werden. Die so in bekannter Weise erzeugten Steuerspannungen stellen die negativen Werte der sinusförmig verlaufenden ersten Anteile der drei gewünschten Sternspannungen e*₃c, e'bc, e\<-dar. Durch die sechs in Drehstrombrückenschaltung angeordneten Dioden werden die jeweils positivsten bzw. negativsten Spannungen evo auf den Summierverstärker 3 bzw. 5 gegeben. Zu der gerade größten positiven Spannung (e>o)max wird im Summierverstärker 3 die gemessene Spannung — Eil addiert, im Verstärkers zur gerade negativsten Spannung (- e,o) max des Systems symmetrischer Steuerspannungen die Spannung +E/2. Die Verstärker 3, 5 invertieren die Summensignale. Durch einen mit digitalen Signalen umsteuerbaren Schalter 8 werden die beiden invertierten Summensignale abwechselnd auf die ersten Eingänge der drei ausgangsseitigen Summierverstärker 9 gegeben, deren zweite Eingänge je eine der drei sinusförmigen Sternspannungen evo erhalten.

Die mit dreifacher Frequenz erfolgende Umschaltung des Schalters 8 geschieht in folgender Weise: Eine der drei im Funktionsgenerator 1 erzeugten sinusförmigen Spannungen e»o wird dem in bekannter Weise arbeitenden Frequenzverdreifacher 6 zugeführt In dem ebenfalls in bekannter Weise arbeitenden Analog-Digital-Schalter 7 werden die analogen Signale dreifacher Frequenz in eine gleichfrequente Folge von Digitalsignaien umgeformt. Die Phasenlage der SchaliP.ar.ken der digitalen Signale kann in bekannter Weise über den Eingang dso eingestellt werden, daß die bereits erläuterten Bedingungen erfüllt sind. Wegen der Vorzeichenumkehr in den Summierverstärkern 3,5 und 9 können von den Ausgängen der drei Summierverstärker 9 die Sollwerte der Steuerspannungen e*_lC. e'bc, eVrfür die drei gewünschten Zeitabläufe der Sternspannungen des Wechselrichters vorzeichenrichtig abgenommen werden. Diese Spannungen dienen in bekannter Weise als Sollwerte für die Pulsbreitensteuerung (Heumann/ Stumpe, »Thyristoren«, 3. Auflage, 1974, S. 167—172), während der Intervalle /2, /3, /5 und /6.

Neben den eingangs genannten Vorteilen i··. noch festzustellen, daß mit diesen nicht sinusförmigen Sternspannungen um 15% größere Ausgangsspannungen erhalten werden als mit rein sinusförmigen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Steuerverfahren für einen an eine Gleichspannungsquelle angeschlossenen, nach einem Pulsver- fahren gesteuerten, selbstgeführten Drehstromwechselrichter in Dreiphasenbrückenschaltung mit Sternpunkt, wobei den ausgangsseitigen sinusförmigen Grundschwingungen eine Oberschwingung mit Hilfe eines Nullsystems mit einer Frequenz VT überlagert wird, wobei 7" die Gnindschwingungsperiode der Sternspannung ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: