DE3206268C2

DE3206268C2 -

Info

Publication number: DE3206268C2
Application number: DE19823206268
Authority: DE
Inventors: Armando Dr.-Ing. 6940 Weinheim De Moschetti
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1982-02-20
Filing date: 1982-02-20
Publication date: 1987-12-10
Also published as: DE3206268A1

Description

Die Erfindung geht aus von einer Anordnung zum Messen der Istwerte von oberschwingungsbehafteten periodischen Signalen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus den BBC-Nachrichten, Dez. 1964, Seite 699 bis 721 ist ein "Geregelter Drehstrom-Umkehrantrieb mit gesteuertem Umrichter nach dem Unterschwingungsverfahren" bekannt. Der Ausgangsstrom eines nach dem Unterschwingungsverfahren betriebenen Pulsbreitenmodulators ist stark oberschwingungsbehaftet. Für die Regelung der als Umkehrantrieb eingesetzten Asynchronmaschine muß der Stromistwert erfaßt werden. Üblicherweise wird dabei der Strombetrag durch Gleichrichtung des Stromistwertes bestimmt. Dabei ist nachteilig, daß sich die Oberschwingungen des Stromes stark verfälschend auf den gemessenen Istwert auswirken.

Die Amplitudenmessung von Wechselspannungen mittels einer Abtasthalteschaltung geht aus der deutschen Auslegeschrift Nr. 12 50 921 hervor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Messen der Istwerte von oberschwingungsbehafteten periodischen Signalen der eingangs genannten Art anzugeben, bei welcher der störende Einfluß der Oberschwingungen bei Signalistwert-Bildung weitgehend ausgeschaltet ist.

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

Die mit der Erfindung verbundenen Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die Abtastung lediglich in bestimmten Zeitpunkten, bei denen der Betrag des Stromistwertes im wesentlichen gleich dem Betrag der Stromgrundschwingung ist, der störende Einfluß der Oberschwingungsströme weitgehend vermieden wird. Es erfolgt also lediglich eine Abtastung von Augenblickswerten zu ganz bestimmten Zeitpunkten und keine kontinuierliche Abtastung, um nur die Stromgrundschwingung bei oberschwingungsbehafteten Strömen zu erfassen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Mittels der im Anspruch 2 gekennzeichneten Merkmale fallen die Abtastzeitpunkte der Dreiphasenströme vorteilhaft mit den positiven bzw. negativen Spitzen der die Taktungen erzeugenden Dreieckshilfsspannung zusammen.

Mittels der in den Ansprüchen 3 und 4 gekennzeichneten Merkmale werden die Abtastzeitpunkte der Dreiphasenströme vorteilhaft unter Berücksichtigung der Stromoberschwingung- Minimierung vorausberechnet und als Winkel bzw. als Zeitdauer zwischen den Abtastpunkten vorgegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 die prinzipiellen Verhältnisse bei einer synchronisierten Dreifachtaktung mit einem Pulsbreitenmodulator,

Fig. 2 die Bildung der Abtastsignale aus der Dreieckshilfsspannung,

Fig. 3 die Bildung der Abtastsignale durch Winkelvergleich,

Fig. 4 die Bildung der Abtastsignale durch Zeitmessung.

Oberschwingungsbehaftete Ströme treten z. B. bei Wechselrichtern mit Gleichspannungszwischenkreis auf, die zur Speisung von Drehfeld- oder Wanderfeldmaschinen verwendet werden. Die Grundschwingung der Wechselrichterausgangsspannung wird hierbei durch eine Pulsbreitenmodulation (Unterschwingungsverfahren, bekannt aus BBC, Silizium- Stromrichter-Handbuch, Seite 213 bis 216) in ihrer Frequenz und Amplitude verändert.

Die dabei angewendeten Taktverfahren unterscheiden sich in der Anzahl der positiven Spannungspulse je Periode der Grundfrequenz (Taktverhältnis) und darin, ob die Spannungspulse relativ zur Periode der erzeugten Grundschwingung bei veränderlicher Breite der Pulse (Pulsbreitenmodulation) immer die gleiche bzw. eine veränderliche Lage innerhalb der Periode haben.

Im ersten Fall spricht man von synchronisierten Taktungen, im zweiten Fall von nicht synchronisierten Taktungen.

Die Ermittlung der Amplitude und Phasenlage der Grundschwingung mit Hilfe der im Abtastzeitpunkt gemessenen Stromaugenblickswerte (i _R (t), i _S (t), (i _T (t) erfolgt in folgender Weise:

Die drei Phasenströme eines Dreiphasensystems können zu einer als Raumzeiger bekannten Größe zusammengefaßt werden. Dieser Raumzeiger (Stromraumzeiger) kann in der komplexen Zahlenebene durch die Gleichung

mit

und

beschrieben werden.

Mit Hilfe dieser Gleichungen können die orthogonalen Komponenten des Raumzeigers i berechnet werden. Man erhält:

und

Damit kann der Betrag und die Phasenlage des Augenblickwertes des Raumzeigers i bestimmt werden.

Betrag:

Phase:

Bei rein sinusförmigen, symmetrischen Dreiphasenströmen ist der Betrag |i(t) | des Raumzeigers proportional dem Scheitelwert der Grundschwingung der Dreiphasenströme. Bei oberschwingungsbehafteten Strömen weicht der Augenblickswert des Betrages |i(t) | des Raumzeigers vom Schweitelwert des Grundschwingungsraumzeigers ab. Das Abtastkriterium besteht nun darin, die drei Stromaugenblickswerte i _R (t), i _S (t), i _T (t) in den Augenblicken zu bestimmen, in denen der augenblickliche Betrag |i(t) | des Raumzeigers mit dem Betrag des Grundschwingungsraumzeigers übereinstimmt.

Die Lage der Abtastzeitpunkte innerhalb der Periode, die dieses Abtastkriterium erfüllen, ist eine Funktion des gewählten Taktverfahrens.

Diese Abtstzeitpunkte können einmal exakt unter Vorgabe eines zulässigen Fehlers bei bekannten Taktverfahren vorausberechnet werden (siehe Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 und 4), zum anderen können sie näherungsweise aus den die Taktung erzeugenden Signalen abgeleitet werden (siehe Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2).

Die Erzeugung der Taktungen kann einmal vom Vergleich einer Dreieckhilfsspannung mit einer Sinus-, Rechteck- oder Trapezsollwertspannung ausgehen, die Dreieckhilfsspannung und die Sollwertspannungen können synchronisiert oder nicht synchronisiert sein, zum anderen können auch andere zur Realisierung der Umschaltpunkte geeignete bekannte Verfahren verwendet werden.

Bei den mit einer Dreieckhilfsspannung realisierten Taktungen werden die Abtastzeitpunkte für die drei Phasengrößen i _R (t), i _S (t), i _T (t) aus den Spitzen der die Taktung erzeugenden Dreieckhilfsspannung abgeleitet (siehe Fig. 1 und 2). Die Abtastzeitpunkte können auch als Funktionen verschiedener das Abtastkriterium beeinflussender Parameter vorausberechnet und entsprechend realisiert werden (siehe Fig. 3 und 4).

Für die nachfolgenden Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 2, 3, 4 sind in Fig. 1 die prinzipiellen Verhältnisse bei einer synchronisierten Dreifachtaktung dargestellt. Mit u _ph ist der zeitliche Verlauf eines getakteten Phasenpotentials am Ausgang eines Pulsbreitenmodulators bezeichnet, u _Str ist die sich bei synchronisierter Taktung einstellende Strangspannung einer mit dem Pulsbreitenmodulator verbundenen Drehfeldmaschine (Asynchronmaschine) bei nicht angeschlossenem Sternpunkt. Mit u _D ist die dem Pulsbreitenmodulator zugeführte Dreieckhilfsspannung sowie mit u _Re die zur Taktung notwendige Rechtecksollwertspannung bezeichnet. Die Erzeugung der Taktungen mit Hilfe des Pulsbreitenmodulators geht vom Vergleich der Dreieckhilfsspannung u _D mit der Rechtecksollwertspannung u _Re aus (Schnittpunktbildung), wobei u _d und u _Re miteinander synchronisiert sind.

Mit |i | ist der zeitliche Verlauf des Stromraumzeigerbetrages bezeichnet sowie mit TR das die Abtastung bestimmende, im Fall des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 2 aus der Dreieckhilfsspannung u _D abgeleitete Triggersignal für den Abtastvorgang (Abtastsignal). Für das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist der Abtastwinkel Δϕ zwischen zwei Abtastsignalen TR und für das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist die Abtastzeit Δ t zwischen zwei Abtastsignalen TR dargestellt.

In Fig. 2 ist als erstes Ausführungsbeispiel eine Schaltung zur Bildung der Abtastsignale (Triggersignale) TR mit Hilfe der Dreieckhilfsspannung u _D dargestellt. Die Dreieckhilfsspannung u _D wird einem ersten Differenzierer 1 zugeführt, dem ein zweiter Differenzierer 2 nachgeschaltet ist. Das Ausgangssignal des Differenzierers 2 gelangt über einen Inverter 3 mit nachgeschalteter Diode 4 als Abtastsignal TR zu einer Abtasthalteschaltung mit A/D-Wandler 6. Der Reihenschaltung von Inverter 3 und Diode 4 liegt dabei eine weitere Diode 5 parallel. Die Abtasthalteschaltung mit A/D-Wandler 6 liefert ausgangsseitig Stromaugenblickswerte i _R, i _S, i _T an eine Auswerteschaltung 7. Die Auswerteschaltung 7 bildet den Betrag des Raumzeigers |i | sowie die Phasenlage ϕ _i des Stromraumzeigers. Der Betrag des Raumzeigers |i | ist dabei gleich dem Scheitelwert der Grundschwingung .

Die Dreieckhilfsspannung u _D wird desweiteren einem Pulsbreitenmodulator 8 zugeführt, der ausgangsseitig dreiphasig mit einer Asynchronmaschine 12 verbunden ist. Die in den Drehstromleitungen fließenden Ströme i _R, i _S, i _T werden über Stromwandler 9, 10, 11 erfaßt und der Abtasthalteschaltung mit A/D-Wandler 6 zugeleitet.

Der Pulsbreitenmodulator 8 ist beispielsweise ein dreiphasiger, selbstgeführter Wechselrichter mit entsprechender Steuerelektronik, der eingangsseitig an einem Gleichspannungszwischenkreis liegt und ausgangsseitig eine in Frequenz und Amplitude einstellbare dreiphasige, getaktete Wechselspannung abgibt. Neben der Dreieckhilfsspannung u _D werden dem Pulsbreitenmodulator 8 das Taktverhältnis f _T/f₁, das gleich dem Quotienten aus Taktfrequenz und Grundfrequenz der Ausgangsspannung ist, die Grundfrequenz f₁ selbst sowie die Aussteuerung α zur Amplitudenverstellung zugeführt.

Die Dreieckhilfsspannung u _D wird also zweimal differenziert, um die durch die Dreieckspitzen festgelegten Abtastzeitpunkte zu erhalten. Die zunächst mit positiver bzw. negativer Polarität gebildeten Impulse werden mittels der Dioden 4, 5 gleichgerichtet und mittels des Inverters 3 invertiert, falls nötig. Mit den so gebildeten Abtastsignalen TR wird die Abtasthalteschaltung 6 angesteuert. Der Abtasthalteschaltung 6 liegen kontinuierlich die von den Stromwandlern 9, 10, 11 erfaßten Strom-Istwerte vor. Die Stromaugenblickswerte i _R (t), i _S (t), i _T (t) werden jedoch lediglich genau zu dem Zeitpunkt erfaßt, in dem ein Triggersignal TR vorliegt. Da die Abtastung zu einem Zeitpunkt erfolgt, in dem der Einfluß des Oberschwingungsstromes klein ist, ergibt sich ein infolge der Stromoberschwingungen nur sehr gering verfälschter Stromaugenblickswert. Die analog vorliegenden Stromaugenblickswerte i _R, i _S, i _T werden durch A/D-Wandler digitalisiert und der Auswerteschaltung 7 zugeführt. Die Auswerteschaltung 7 enthält ein Rechenwerk (Mikroprozessor), das gemäß den eingangs erläuterten Beziehungen den Betrag |i(t) | und den Phasenwinkel ϕ₁ aus den Stromaugenblickswerten bildet.

Dem Pulsbreitenmodulator 8 werden zur Regelung des Stromaugenblickswertes der Betrag des Raumzeigers |i(t) |= und eventuell die Phasenlage des Raumzeigers ϕ₁ zugeleitet.

In Fig. 3 ist als zweites Ausführungsbeispiel eine Schaltung zur Bildung der Abtastsignale TR mit Hilfe der vorausberechneten Winkel Δϕ zwischen den Abtastzeitpunkten dargestellt.

Aus einer der Grundfrequenz f₁ der Ausgangsspannung des Pulsbreitenmodulators 8 proportionalen Frequenz f _cl=K · f₁ wird durch Integration mittels eines Integrators 13 der Phasenwinkel ϕ berechnet, der als Bezugswinkel für die Pulsbreitenmodulation und die Abtastzeitpunkt- Realisierung verwendet wird. Dieser Phasenwinkel ϕ wird mit dem als Funktion des Taktverhältnisses f _t/f₁ und eventuell anderer Parameter gegebenen Abtastwinkeln Δϕ verglichen und aus der Gleichheit beider Winkel wird das Triggersignal TR für die Abtastung abgeleitet.

Im einzelnen wird das Signal f _cl einem Integrator 13 zugeführt, der ausgangsseitig den Phasenwinkel ϕ an den Pulsbreitenmodulator 8 und an einen Komparator 15 abgibt. Der Integrator 13 kann dabei als Zähler ausgebildet sein. Dem Komparator 15 liegt eingangsseitig ferner das Ausgangssignal Δϕ eines Rechenwerkes 14 zur Bildung der Abtastsignale TR an. Dem Rechenwerk 14 werden die Aussteuerung a des Pulsbreitenmodulators 8 und das Taktverhältnis f _T/f₁ des Pulsbreitenmodulators 8 eingegeben. Dem Komparator 15 ist ausgangsseitig das Abtastsignal TR entnehmbar und der Abtasthalteschaltung mit A/D-Wandler 6 zuführbar. Die übrige Beschaltung mit Pulsbreitenmodulator 8, Stromwandlern 9, 10, 11, Asynchronmaschine 12 und Auswerteschaltung 7 ist wie unter Fig. 2 beschrieben.

In Fig. 4 ist als drittes Ausführungsbeispiel eine Schaltung zur Bildung der Abtastsignale TR dargestellt, wenn die Taktungen im Pulsbreitenmodulator 8 durch die Bildung von Zeitabschnitten realisiert werden. Eine konstante Frequenz f _cl wird verwendet, um einen kleinsten Zeitabschitt realisieren zu können, der als Basis für die Pulsbreitenmodulation dient. Aus dieser Frequenz f _cl wird durch Integration (Integrator 13) die Zeit als Vielfaches des kleinsten Zeitabschnittes gebildet, mit den vom Taktverfahren f _T/f₁, Grundfrequenz f₁ der Spannung und der Aussteuerung a abgeleiteten Vergleichswerten Δ t verglichen (Komparator 15) und aus der Gleichheit dieser beiden Signale wird das Triggersignal TR für die Abtastung abgeleitet.

Im einzelnen gelangt die Frequenz f _cl zum Pulsbreitenmodulator 8 und zum Integrator 13. Der Ausgang des Integrators 13 ist mit dem Komparator 15 verbunden. Einem Rechenwerk 16 zur Bildung der Abtastzeiten Δ t werden eingangsseitig das Taktverhältnis f _T/f₁, die Grundfrequenz f₁ der Pulsbreitenmodulatorausgangsspannung sowie die Aussteuerung a des Pulsbreitenmodulators 8 eingegeben, ausgangsseitig führt das Rechenwerk 16 die Abtastzeiten Δ t dem Komparator 15 zu. Der Komparator 15 gibt ausgangsseitig das Triggersignal für die Abtastung TR an die Abtasthalteschaltung 6 ab. Die übrige Beschaltung mit Pulsbreitenmodulator 8, Stromwandlern 9, 10, 11, Asynchronmaschine 12 und Auswerteschaltung 7 ist wie unter Fig. 2 beschrieben.

Anstelle der Rechenwerke 14 bzw. 16 können auch Speicher eingesetzt werden, in denen die Abhängigkeiten zwischen Abtastwinkeln Δϕ bzw. Abtastzeiten A t und dem Taktverhältnis f _T/f₁, der Grundfrequenz f₁ sowie der Aussteuerung a fest eingespeichert sind.

Claims

1. Anordnung zum Messen der Istwerte von oberschwingungsbehafteten periodischen Signalen, wobei die gemessenen Signalistwerte kontinuierlich einer Abtasthalteschaltung zuführbar sind und der Abtasthalteschaltung eingangsseitig ein Triggersignal für die Abtastung des augenblicklichen Signalistwertes zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastzeitpunkte zum Massen der Stromistwerte (i _R(t), i _S(t), i _T(t)) bei einem mittels eines Pulsbreitenmodulators (8) erzeugten, dreiphasigen Wechselspannungssystem einstellbarer Grundfrequenz (f₁) und Amplitude aus den die Ausgangsspannung des Pulsbreitenmodulators (8) bestimmenden Größen, wie Grundfrequenz (f₁), der Taktung, Taktverhältnis (f _T/f₁), und Aussteuerung (a) abgeleitet werden, daß das Triggersignal (TR) nur zu den Zeitpunkten innerhalb der Periode auftritt, bei denen der Betrag des Stromistwertes gleich oder im wesentlichen gleich dem Betrag der Stromgrundschwingung ist, und daß die Abtasthalteschaltung (6) ausgangsseitig mit einer Auswerteschaltung (7) zum Messen des Strombetrages ( ) sowie der Strom-Phasenlage (ϕ _i) verbunden ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine dem Pulsbreitenmodulator (8) zugeleitete, in Abhängigkeit der Grundfrequenz (f₁) veränderbare Dreieckhilfsspannung (u _D) zwei in Reihe liegenden Differenzierern (1, 2) zuführbar ist, daß an den zweiten Differenzierer (2) ein Inverter (3) mit nachgeschalteter Diode (4) angeschlossen ist, daß der Inverter-Dioden- Reihenschaltung (3, 4) eine weitere Diode (5) parallelgeschaltet ist und daß dem Ausgang dieser Parallelschaltung das aus den Spitzen der Dreieckhilfsspannung (U _D) abgeleitete Triggersignal (TR) für die Abtastung der augenblicklichen Stromistwerte entnehmbar ist (Fig. 2).

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Grundfrequenz (f₁) proportionale Frequenz (f _cl) einem Integrator (13) zuführbar ist, daß das Ausgangssignal (ϕ) des Integrators (13) zum Pulsbreitenmodulator (8) sowie zu einem Komparator (15) gelangt, daß der Komparator (15) eingangsseitig mit einem Rechenwerk (14) zur Bildung der Abtastwinkel (Δϕ) verbunden ist, daß dem Rechenwerk das Taktverhältnis (f _T/f₁) sowie die Aussteuerung (a) des Pulsbreitenmodulators (8) anliegen und daß dem Komparator (15) das Triggersignal (TR) für die Abtastung der augenblicklichen Stromistwerte entnehmbar ist (Fig. 3).

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine dem Pulsbreitenmodulator (8) zugeführte konstante Frequenz (f _cl) einem Integrator (13) zuleitbar ist, daß der Integrator (13) ausgangsseitig mit einem Komparator (15) verbunden ist, daß an den Komparator (15) eingangsseitig ein Rechenwerk (16) zum Ermitteln der Abtastzeiten (Δ t) angeschlossen ist, daß dem Rechenwerk (16) das Taktverhältnis (f _T/f₁), die Grundfrequenz (f₁) sowie die Aussteuerung (a) des Pulsbreitenmodulators (8) anliegen und daß dem Komparator (15) das Triggersignal (TR) für die Abtastung der augenblicklichen Stromistwerte entnehmbar ist (Fig. 4).

5. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastzeitpunkte für die drei Phasenströme gleich sind.

6. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastzeitpunkte für die drei Phasenströme gegeneinander zeitlich versetzt sind.