AT509299A1 - Steuerverfahren für stromzwischenkreisumrichter - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Ansteuerung von Schaltelementen (1up, 2up, 3Up, 11ow, 21ow, 31ow) eines Stromzwischenkreisumrichters zum Antriebeines Dreiphasen-Drehstrommotors mithilfe eines periodischen Modulationssignals (M), das das jeweilige Tastverhältnis eines jeden Schaltelements (1up, 2up, 3up, 11ow, 21ow, 31ow) festlegt,bei dem erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass das Modulationssignal (M) in drei aufeinander folgenden 60°-Sektoren einer Grundschwingungsperiode von 360° des Modulationssignals (M) jeweils ein Minimum durchläuft, wobei das Modulationssignal (M) beim Übergang von einem 60°-Sektorzum nächsten 60°-Sektor stetig verläuft. Dadurch wird einverbessertes Modulationssignal (M) für Stromzwischenkreisumrichter bereitgestellt, das insbesondere eine Reduktion der Rippelspannungen, sowie eine verbesserte Aussteuerbarkeit sicherstellt.

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung von Schaltelementen eines Stromzwischenkreisumrichters zum Antrieb eines Dreiphasen-Drehstrommotors mithilfe eines periodischen Modulationssignals, das das jeweilige Tastverhältnis eines jeden Schaltelements festlegt, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Zwischenkreisumrichter werden heutzutage vermehrt speziell in der Antriebstechnik verwendet, um in der Regel ein im gleitenden Mittelwert sinusförmiges Drehstromsystem variabler Grundschwingungsfrequenz zu erzeugen. Dabei werden Gleichgroßen (Strom oder Spannung) durch Halbleiterschaltelemente, meistens IGBT, in gepulster Form an die entsprechende Last weitergegeben. Der Zwischenkreisumrichter speichert dabei in physikalischer Hinsicht die zu übertragende Energie in einem Energiespeicher und gibt sie anschließend gleichmäßig mit der gewünschten Spannung und Frequenz an die angeschlossenen Verbraucher (Motoren) ab. Es wird hierbei zwischen Stromzwischenkreis-Umrichter und Spannungszwischenkreisumrichter unterschieden. Der Stromzwischenkreisumrichter arbeitet mit einer Längsdrossel (Induktivität) als Energiespeicher, welche den Strom im Zwischenkreis konstant hält. Der Spannungs-zwischenkreisumrichter benötigt eine konstante Spannung über dem Zwischenkreis, wobei Kondensatoren als Energiespeicher dienen.

Der Stromzwischenkreisumrichter wird aus einem Gleichstromzwischenkreis mit einem über die Drossel L eingeprägten Zwischenkreisstrom IZK gespeist. Jeder Strang R,S,T des angeschlossenen Dreiphasen-Drehstrommotors ist mit der Mitte eines Astes des Wechselrichters verbunden, dessen obere und untere Hälfte je drei Schaltelemente aufweist, die etwa aus zwei 3-poligen Schaltern gebildet werden. Die Stromführungsdauer eines jeden Schaltelements, also dessen Tastverhältnis, ist in gewünschter Weise einstellbar, und über ein Modulationssignal festgelegt. • * · · f · 71 ♦ (

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Die Schaltelemente werden dabei abhängig von der gewählten Kommutierungsreihenfolge in der oberen und unteren Wechselrichterhälfte zur Führung des Zwischenkreisstromes IZK zyklisch abgelöst. Die Stromdifferenz zwischen oberer und unterer Wechselrichterhälfte steht als Ausgangsstrom zur Verfügung.

Auf diese Weise ist am Ausgang des Wechselrichters annähernd ein Drehstromsystem mit einstellbarer Frequenz erzeugbar. Die davon in den Strängen R, S, T des angeschlossenen Dreiphasen-Drehstrommotors erzeugten Ströme können mittels eines „komplexen Raumzeigers" dargestellt werden. Der Raumzeiger läuft je nach Kommutierungsrichtung in der komplexen Ebene um, und kann dabei eine von sechs äquidistanten, festen Lagen einnehmen, die auch als natürliche Raumzeiger bezeichnet werden, deren Spitzen ein gleichmäßiges Sechseck bilden.

Um die Arbeitsweise von Zwischenkreisumrichtern zu steuern, werden des Weiteren in der Regel Pulsweitenmodulationsverfahren {PWM-Verfahren) verwendet. Ein PWM-Steuerungsmodul erzeugt ein oder mehrere Schaltsteuerungssignale, die das Schaltverhalten der Schaltelemente steuern. Das PWM-Steuerungsmodul implementiert dabei ein bekanntes PWM-Steuerungsverfahren, das die Schaltelemente betätigt, um gewünschte Leistungsmerkmale des Drehstrommotors zu erreichen. Wie bereits erwähnt wurde, bestimmt dabei ein Modulationssignal die Dauer, für die das Schaltelement ein- oder ausgeschaltet ist, und somit dessen Tastverhältnis, das wiederum in direkter Beziehung mit dem Ausgangsstrom steht. Das Tastverhältnis entspricht gesteuerten Pulsweiten des PWM-Steuerungssignals, die EIN- und AUS-Zeiten der Schaltelemente bestimmen. Ein größeres Tastverhältnis entspricht einer größeren Pulsweite und einer größeren EIN-und/oder AUS-Zeit, und ein kleineres Tastverhältnis entspricht einer kleineren Pulsweite und einer kleineren EIN- und/oder AUS-Zeit. Da die Schaltelemente des Stromzwischenkreis-umrichters komplementär zueinander arbeiten, beeinflusst ein Tastverhältnis eines ersten Schaltelements das Tastverhältnis der beiden anderen Schaltelemente. Wenn auf diese Weise eine

Pulsweite für das erste Schaltelement groß ist, ist die Pulsweite der beiden anderen Schaltelemente klein.

Bei der Ansteuerung der Schaltelemente eines Zwischenkreisumrichters ist prinzipiell darauf zu achten, dass Schaltverluste und Rippeispannungen minimiert werden. Bei jedem Ein- und Ausschalten der Schaltelemente werden nämlich Schaltverluste produziert, da bei jedem Schaltvorgang Kommutierungsvorgänge auftreten. Das heißt, dass Spannung und Strom gleichzeitig mit begrenzten Steilheiten ihre Werte ändern. Dabei treten momentan sehr hohe Verlustleistungsspitzen auf, wobei sich die Verlustenergie zunächst wegen der kurzen Zeitdauer in Grenzen hält. Bei regelmäßigem Ein- und Ausschalten summieren sich jedoch diese Verlustenergien so stark, dass sie nicht mehr vernachlässigt werden können. Die Schaltverluste sind dabei applikationsspezifisch. Je größer die Schaltfrequenz ist, desto höher sind die Schaltverluste, die neben einem verringerten Wirkungsgrad auch zu einem steigenden Aufwand in der Kühlung der Halbleiter führt. Das lässt das Volumen und die Kosten der Anordnung wiederum steigen. Die bei Stromzwischenkreisumrichtern in der Regel notwendigen, höheren Schaltfrequenzen der Halbleiterschaltelemente führten bislang dazu, dass Spannungszwischenkreisumrichtern der Vorzug gegeben wurde, zumal geeignete Schaltelemente für Stromzwischenkreisumrichter auch nicht verfügbar waren, und der Einsatz von Stromzwischenkreisumrichtern daher nicht sinnvoll erschien.

In der Folge lag der Fokus der Entwicklung auf Spannungszwischenkreisumrichter, sodass für Spannungszwischenkreisumrichter umfangreiche technische Dokumentation existiert. Insbesondere wurden PWM-Verfahren und entsprechende Modulationssignale für den Spannungszwischenkreisumrichter entwickelt und optimiert. Modulationssignale dieser Art basieren etwa auf bekannten Methoden der Dreiecks-PWM, die für eine vorgegebene Grundschwingungsamplitude und Grundschwingungsfreqüenz geeignete Steuerungsimpulse für die Schaltelemente liefern. Hinsichtlich des Stromzwischenkreisumrichters wurde bislang

der bekannte Sachverhalt genutzt, dass die beiden Umrichtertopologien von Spannungs- und Stromzwischenkreisumrichter ineinander überführbar sind (so genannte „Dualität" von Spannungs- und Stromzwischenkreisumrichter), sodass bekannte Verfahren für den Spannungszwischenkreisumrichter, insbesondere bekannte Modulationssignale, auch für den Stromzwischenkreisumrichter angewandt wurden. Die so erhaltenen Modulationssignale bewirkten jedoch unzureichende Betriebsmerkmale von Stromzwischenkreisumrichtern, insbesondere hinsichtlich der RippelSpannungen und der Aussteuerbarkeit.

Neuere Entwicklungen auf dem Gebiet der Halbleiterschaltelemente, etwa die Entwicklung von leistungsfähigen Halbleiterschaltelementen, die auf Siliziumkarbid basieren, scheinen jedoch zukünftig einen breiteren Einsatz von Stromzwischenkreisumrichtern zu ermöglichen. Daher besteht ein Bedarf nach verbesserten Verfahren für den Betrieb von Stromzwischenkreisumrichtern, insbesondere nach besseren Modulationssignalen für dessen Schaltelemente, die insbesondere auf die spezifische Topologie von Stromzwischenkreisumrichter Rücksicht nehmen.

Es ist daher das Ziel der Erfindung, verbesserte Modulationssignale für Stromzwischenkreisumrichter bereit zu stellen, die insbesondere eine Reduktion der Rippeispannungen, sowie eine verbesserte Aussteuerbarkeit bewirken. Dadurch soll die Einsetzbarkeit von Stromzwischenkreisumrichter verbessert werden.

Dieses Ziel wird durch die Merkmale von Anspruch 1 erreicht. Anspruch 1 bezieht sich dabei auf ein Verfahren zur Ansteuerung von Schaltelementen eines Stromzwischenkreisumrichters zum Antrieb eines Dreiphasen-Drehstrommotors mithilfe eines periodischen Modulationssignals, das das jeweilige Tastverhältnis eines jeden Schaltelements festlegt. Erfindungsgemäß ist hierbei vorgesehen, dass das Modulationssignal in drei aufeinander folgenden 60°-Sektoren einer Grundschwingungsperiode von 360° * · ♦ * * « »· · · · · · ♦ · £· · + · ·

• · J# »»·« I des Modulationssignals jeweils ein Minimum durchläuft, wobei das Modulationssignal beim Übergang von einem 60°-Sektor zum nächsten 60°-Sektor stetig verläuft. Simulationen haben ergeben, dass ein solches Modulationssignal ausgezeichnete Betriebseigenschaften des Stromzwischenkreisumrichters ergibt, insbesondere stellen sich deutlich verringerte

Rippeispannungen ein. Vorzugsweise durchläuft dabei das Modulationssignal zwischen zwei Folgen von aufeinander folgenden, drei Minima ein Maximum.

Hierbei ist anzumerken, dass prinzipiell eine Vielzahl möglicher Funktionsverläufe des Modulationssignals denkbar wäre. Das erfindungsgemäße Modulationssignal wurde durch Rücksicht auf die spezielle Topologie von

Stromzwischenkreisumrichter, sowie Einführung von speziellen Betriebsbedingungen entwickelt, wie in weiterer Folge noch näher ausgeführt werden wird. Eine Betriebsbedingung erwies sich dabei als besonders vorteilhaft, sodass gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen wird, dass bei einem Nullwert des Ausgangsstroms des Stromzwischenkreisumrichters jedes der Schaltelemente über eine Grundschwingungsperiode dieselbe Einschaltzeit aufweist.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen hierbei die

Fig. 1 einen schematischen Aufbau eines Ausführungsbeispiels eines Stromzwischenkreisumrichters,

Fig. 2 typische Modulationssignale für einen

Spannungszwischenkreisumrichter,

Fig. 3 ein erfindungsgemäßes Modulationssignal für ein Schaltelement eines Stromzwischenkreisumrichters über zwei Grundschwingungsperioden, wobei die stufenförmige Funktion die unterschiedlichen 60°-Sektoren veranschaulicht,

Fig. 4 das erfindungsgemäße Modulationssignal für alle sechs Schaltelemente eines Stromzwischenkreisumrichters über eine

Grundschwingungsperiode von 360°, wobei die stufenförmige Funktion wiederum die unterschiedlichen 60“-Sektoren veranschaulicht, und die

Fig. 5 das Schaltmuster für die sechs Schaltelemente eines Stromzwischenkreisumrichters, wie es sich aus dem erfindungsgemäßen Modulationssignal ergibt.

Die Fig. 1 zeigt zunächst einen beispielhaften Stromzwischenkreisumrichter, der etwa einen Dreiphasen-

Drehstrommotor antreibt. Der Stromzwischenkreisumrichter umfasst eine oder mehrere Gleichstromquellen (in Bezug auf die Fig. 1 auf der linken Seite) und zwei 3-polige Schalter mit Schaltelementen lup, 2up, 3up, ll0„, 2iow, 3iow. Jeder Strang R,S,T des angeschlossenen Dreiphasen-Drehstrommotors ist mit der Mitte eines Astes des Wechselrichters verbunden, dessen obere Hälfte die drei Schaltelemente lup* 2up, 3up, und dessen untere Hälfte die drei Schaltelemente liow, 2iow, 3iow aufweist. So ist etwa der Strang R in der Mitte der beiden Reihenschaltungen aus dem Schaltelement lup und dem Schaltelement liow angeschlossen. Die Schaltelemente 1 up, 2up, 3up, liow, 2xow, 3iow müssen für hohe Schaltgeschwindigkeiten geeignet sein, und sind etwa Halbleiterschaltelemente, die auf Siliziumkarbid basieren. Der Dreiphasen-Drehstrommotor arbeitet gemäß einem Stromfluss durch Induktionsspulen. Der Strom durch die

Induktionsspulen ist dabei durch die Gleichstromquellen und den Schaltzuständen der Schaltelemente 1 Up/ 2Up, 3up, liow/ 2lo„, 3iow festgelegt.

Zur Entwicklung des erfindungsgemäßen Modulationssignals M für die Schaltelemente 1UP/ 2up/ 3up, liow/ 2iow, 3iow soll von der spezifischen Topologie von Stromzwischenkreisumrichter ausgegangen werden. Zunächst wird die Bedingung formuliert, dass zur unterbrechungsfreien Aufrechterhaltung des Zwischenkreisstromes IZK ständig ein Schaltelement lup, 2up, 3up, liow/ 2iow, 3i0„ in der oberen und unteren Wechselrichterhälfte eingeschaltet sein muss. Des Weiteren ergibt sich aus der Topologie des Stromzwischenkreisumrichters, dass die Differenz zwischen der Einschaltdauer t eines Schaltelementes lup, 2up, * * ·* · ** 3up der oberen Hälfte des Stromzwischenkreisumrichters, und der Einschaltdauer t des entsprechenden Schaltelements liow, 2i ow, 3 iow der unteren Hälfte des Stromzwischenkreisumrichters den gewünschten Ausgangsstrom iv, iw im. entsprechenden Ast R, S, T des Wechselrichters festlegt.

Als zusätzliche Bedingung wird des Weiteren formuliert/, dass bei einem Nullwert des Ausgangsstromes i des Stromzwischenkreisumrichters jedes der Schaltelemente lup/ 2up, 3up der oberen Hälfte des Stromzwischenkreisumrichters, und jedes der Schaltelemente liow, 2iow, 3iow der unteren Hälfte des Stromzwischenkreisumrichters über eine Grundschwingungsperiode dieselbe Einschalt zeit t aufweist. Dadurch sollen alle

Schaltelemente lup, 2up/ 3up, liow, 2iow, 3iow gleichmäßig belastet werden. Wird als tiup die Einschalt zeit des Schaltelements lup bezeichnet, und die Einschaltzeiten der anderen Schaltelemente in entsprechender Weise, so können aus diesen Bedingungen die folgenden Gleichungen in dimensionsloser Formulierung für die Einschaltzeiten der Schaltelemente lup, 2up, 3up, liow, 2iow# 3iow entwickelt werden: tiup = 1/3 + 2/3 iu t2up = 1/3 + 1/3 * iv + 1/3 * iw Ü3up = 1/3 + 1/3 * iv + 1/3 · i» tiiow - 1/3 - 1/3 * ia 12iow = 1/3 - 2/3 · iv + 1/3 · iw 13iow = 1/3 + 1/3 · iv - 2/3 · iw

Eine Überprüfung dieser Gleichungen zeigt etwa, dass bei einem

Nullwert des Ausgangsstroms i des Stromzwischenkreisumrichters, also wenn iu, iv und iw Null sind, alle

Schalt elemente lup/ 2uP, 3uP, liow/ 2iow, 3iow dieselbe Einschaltzeit aufweisen, nämlich 1/3. Des Weiteren ergibt die Differenz zwischen der Einschaltdauer eines Schaltelementes lUp/ 2up, 3up der oberen Hälfte des

Stromzwischenkreisumrichters, und der Einschaltdauer des entsprechenden Schaltelements liow, 2iow, 3iow der unteren Hälfte des Stromzwischenkreisumrichters den gewünschten Ausgangsstrom • •Μ · * ·

iu, iv/ iw im entsprechenden Ast R, S, T des Wechselrichters, so ist etwa tiup - tnow = io·

Diese Gleichungen können in weiterer Folge für alle sechs 60“-Sektoren des komplexen Raumzeigers formuliert werden, sodass die Einschaltzeiten eines jeden Schaltelements lup/ 2up, 3Up, liow/ 2i0w/ 3iow hei vorgegebenem Ausgangsstrom über eine gesamte Grundschwingungsperiode von 360° errechnet werden können. Die graphische Darstellung der Einschaltzeiten etwa für das Schaltelement lup ergibt das Modulationssignal M für dieses Schaltelement lup gemäß der Fig. 3, die zwei Grundschwingungsperioden zeigt. Der Modulationswert „0" der Fig. 3 würde bedeuten, dass das Schaltelement lup permanent offen ist, und der Modulationswert „1", dass das Schaltelement lup permanent geschlossen ist. In der Fig. 3 ist deutlich zu sehen, dass das Modulationssignal M in drei aufeinander folgenden 60“-Sektoren einer Grundschwingungsperiode von 360° jeweils ein Minimum durchläuft, wobei das Modulationssignal M beim Übergang von einem 60“-Sektor zum nächsten 60“-Sektor stetig verläuft. Der stetige Verlauf an den Sektorgrenzen verhindert unerwünschte zusätzliche Schalthandlungen, wenn der Ausgangsstromvektor die Sektorgrenze durchläuft. Zwischen zwei Folgen von aufeinander folgenden, drei Minima durchläuft das Modulationssignal (M) ein Maximum.

In der Fig. 4 ist das erfindungsgemäße Modulationssignal M für alle sechs Schaltelemente lup, 2up, 3up, liow, 2low, 3iow eines Stromzwischenkreisumrichters über eine Grundschwingungsperiode von 360“ gezeigt, wobei die stufenförmige Funktion wiederum die unterschiedlichen 60°-Sektoren veranschaulicht.

Aus dem erfindungsgemäßen Modulationssignal M und einem gewünschten Ausgangsstrom kann ein PWM-Steuerungsmodul in weiterer Folge das Schaltmuster für jedes der Schaltelemente lup, 2up, 3up, liow, 2 iqw, 3 low bestimmen. Das Ergebnis ist ein PWM-SteuerungsSignal, wie es zur Illustration in der Fig. 5 veranschaulicht ist, in der mit einem „13 ''-aktiven Zustand begonnen wird, gefolgt von einem „12"-aktiven Zustand. \ • * • ♦ ψ · * * · ·

Mithilfe der Erfindung wird somit ein verbessertes Modulationssignal M für Stromzwischenkreisumrichter bereitgestellt, mit dem insbesondere eine Reduktion der Rippeispannungen, sowie eine verbesserte Aussteuerbarkeit erreicht werden kann. Simulationen konnten für das erfindungsgemäße Modulationssignal M bereits ausgezeichnete Betriebseigenschaften des Stromzwischenkreisumrichters bestätigen.

Claims (3)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zur Ansteuerung von Schaltelementen {lup, 2up, 3up, 1 iowr 2iow, 3iow) eines Stromzwischenkreisumrichters zum Antrieb eines Dreiphasen-Drehstrommotors mithilfe eines periodischen Modulationssignals (M), das das jeweilige Tastverhältnis eines jeden Schaltelements (lup, 2up, 3up, liow/ 2iow/ 3iow) festlegt, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationssignal (M) in drei aufeinander folgenden 60°-Sektoren einer Grundschwingungsperiode von 360° des Modulationssignals (M) jeweils ein Minimum durchläuft, wobei das Modulationssignal (M) beim Übergang von einem 60°-Sektor zum nächsten 60°-Sektor stetig verläuft.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationssignal (M) zwischen zwei Folgen von aufeinander folgenden, drei Minima ein Maximum durchläuft.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Nullwert des Ausgangsstroms (i) des Stromzwischenkreisumrichters jedes ' der Schaltelemente (lup/ 2up, 3np, liow/ 2iow, 3 low) über eine

   Grundschwingungsperiode dieselbe Einschaltzeit (t) aufweist. Wien, am 2 a Dez. 2609