CH653824A5

CH653824A5 - Method and control device for controlling a self-commutated invertor having a variable fundamental frequency

Info

Publication number: CH653824A5
Application number: CH1179A
Authority: CH
Inventors: Robert Prof Dr Menzies; Thomas Seger
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1979-01-03
Filing date: 1979-01-03
Publication date: 1986-01-15
Also published as: AT371959B; FR2446031A1; ATA778779A; DE2903575A1; DE2903575C2; SE8000048L; FR2446031B1; SE451355B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung eines selbstgeführten Wechselrichters mit veränderlicher Grundfrequenz nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Steuerungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Derartige Wechselrichtersteuerungen sind bekannt aus B.D. Bedford u. R.G. Hoft, «Princi-ples of Inverter Circuits», New York, Wiley, 1964, und erlauben z.B. die Unterdrückung bestimmter Oberschwingungen in der Ausgangsspannung mit Hilfe entsprechender Zwischenkom-mutierungs-Phasenwinkel, die fest vorgegeben sind.

Bei veränderlicher Aussteuerung der Grundfrequenz, z.B. von Bereichen nahe der maximale Schaltfrequenz des Wechselrichters bis zu sehr niedrigen Bereichen, lässt sich mit einem fest vorgegebenen Zwischenkommutierungsmuster (Anzahl und Phasenwinkel der Zwischenkommutierungen) ein befriedigender Betrieb nicht erreichen, u.a. wegen des mit der Grundfrequenz fi proportional wachsenden Minimalwinkel Aa = 360°-Tt-fi (Tt = minimaler Zeitabstand zwischen aufeinanderfolgenden Kommutierungen) der Zwischenkommutierungen gegeneinander.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Steuerverfahrens und einer Steuereinrichtung der eingangs genannten Art, die eine weite Grundfrequenzaussteuerung bei vergleichsweise guter Oberschwingungsunterdrückung ermöglichen.

Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich durch die in den Ansprüchen 1 und 5 angegebenen Merkmale. Damit kann der Aussteuerbereich in Teilbereiche mit unterschiedlichen Zwischenkommutierungszahlen (M, z.B. bezogen auf je eine Viertelperiode der Grundfrequenz) zerlegt werden, für die geeignete bzw. optimale Phasenwinkel (ai, 02 )

u.a. mit Hilfe an sich bekannter Berechnungsmethoden (s.o.), die nicht zum Gegenstand der Erfindung gehören, festgelegt werden können.

Es wird also ein selbstgeführter Wechselrichter mit der Grundfrequenz angesteuert, wobei diese Frequenz veränderlich ist, und z.B. zur Drehzahlsteuerung eines Motors dienen kann. Dabei kann der Oberschwingungsgehalt mittels zusätzlichen Kommutierungen zu bestimmten Phasenwinkeln ai, a.2, a3, CI4 vermindert werden, jedoch muss dabei ein Mindest-Zeitabstand Tt entsprechend einem zur Grundfrequenz fi proportionalen Abstandswinkel Aa zwischen aufeinanderfolgenden Kommutierungen eingehalten werden. Zur Oberschwingungsunterdrük-kung über weite Grundschwingungsbereiche ist erfindungsge-mäss eine selbsttätige Umschaltung der Anzahl von zusätzlichen Kommutierungen M = 1, 2, 3, in Abhängigkeit von mindestens einem Grenzwert der eingesteuerten Grundfrequenz fi gegensinnig zur Änderung der Grundfrequenz vorgesehen.

Die Erfindung wird weiter anhand des in den Zeichnungen veranschaulichten Ausführungsbeispiels erläutert. Hierin zeigt:

Fig. 1 ein Mehrfachdiagramm verschiedener Grössen über dem zu fi proportionalen Minimal-Abstandswinkel Aa, und zwar der verschiedenen Zwischenkommutierungs-Phasenwinkel ai, a2 verschiedener Oberschwingungs-Messzahlen bzw.

Messfunktionen Fi, F2 die den Aussteuerbereichen mit unterschiedlichen Zwischenkommutierungszahlen Mi, M2 (bezogen auf eine Viertelperiode der Grundfrequenz fi) zugeordnet sind und der Optimierung der Zwischenkommutierungs-Pha-senwinkel in diesen Bereichen dienen, und einer normierten Grundfrequenz-Ausgangsspannungsamplitude Ui, sowie

Fig. 2 eine Prinzipschaltung für die Durchführung einer Zwischenkommutierungs-Umschaltung nach Fig. 1.

s

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

653 824

In Fig. 1 sind vier Aussteuerbereiche von Aa = 360°-Tt-fi, also auch von fi selbst mit einem entsprechenden Proportionalitätsfaktor, zwischen 0° und 15° mit den Zwischenkommutierungszahlen M = 4, 3, 2, 1 angedeutet. In einem praktischen Beispiel entspricht dies etwa einer Aussteuerung von fi zwischen 0 und 190 Hz, also einem grossen relativen Gesamtaussteuerbe-reich, wie er bisher nicht ohne weiteres mit annehmbarer Oberschwingungsunterdrückung verwirklicht werden konnte. Die oberen Grenzwerte von Aa für die Umschaltung zwischen den verschiedenen Werten von M sind mit 74, Y3, y2. Yi bezeichnet. Grundsätzlich können diese Umschalt-Grenzwerte auch durch entsprechende Werte von fi vorgegeben werden.

In den einzelnen Aussteuerbereichen sind entsprechend einer optimalen Oberschwingungsunterdrückung bestimmte Werte bzw. funktionale Abhängigkeiten der Zwischenkommutierungs-Phasenwinkel von Aa festgelegt. Diese Optimierung findet ihren Ausdruck in entsprechenden Abschnitten von Ober-

schwingungs-Messfunktionen F4 Fi, im Beispielsfall ein quadratischer Mittelwert (proportional zur Wurzel aus der Summe der Amplitudenquadrate) der Oberschwingungen. Gegebenenfalls kommt auch der in bekannter Weise definierte Klirrfaktor für diese Messfunktionen in Betracht. In besonders vorteilhafter Weise sind im Beispielsfall die Grenzwerte Y4

Y2 als Schnittpunktabszissen der Funktionen F4 und F3 bzw. F3 und F2 bzw. F2 und Fi bestimmt, so dass sich ein optimierter Gesamtverlauf über den Aussteuerbereich ergibt, weil die Mess-funktionswerte jeweils benachbarter Bereiche in den Umschaltpunkten übereinstimmen.

Der oberste Umschaltpunkt bei yi entspricht einem Übergang zur zwischenkommutierungsfreien Grundfrequenztaktung mit M = 0.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, gehen die Werte der Zwischen-kommutierungs-Phasenwinkel von Aa = 0 mit konstanten Abschnitten entsprechend der Funktion F4 bis zum Punkt y a in leicht gekrümmte Bereiche über, wobei die Abstandswinkel der Kommutierungen untereinander den Minimal-Abstandswinkel Aa nicht unterschreiten, wie es sein muss. Abgesehen von der abnehmenden Neigung der gekrümmten Kurvenabschnitte von

04 ai sorgt der Umschaltpunkt Y4 selbst für die Einhaltung dieser Bedingung. Dies bedeutet, dass die Funktionen F4 Fi mit ihren Schnittstellen auch insoweit optimiert sind. In den anschliessenden Aussteuerbereichen gehen die Kurven der Zwi-5 schenkommutierungs-Phasenwinkel mit Annäherung an die Grenzwerte gemäss Aa in ansteigende Abschnitte über, wobei ai im letzten Abschnitt bis Yi auf der Grenzgeraden von Aa geführt ist, also ebenfalls ansteigt. Auf diese Weise ergibt sich der optimierte Gesamtverlauf der Aussteuerung. Die eingetragenen 10 Kurvenabschnitte von Ui zeigen, dass im gesamten Bereich eine hohe Grundschwingungsausbeute erreicht wird.

In der Schaltung nach Fig. 2 werden die Umschaltpunkte bei Yi bis Y4 mittels Grenzwertschaltern Gì bis G4 verwirklicht, die als Differenzbildner gegenüber einem Eingang für Aa ge-15 schaltet sind und entsprechende, binäre Ausgangssignale an nachfolgende UND-Gatter Ai bis A4 liefern. Letztere sind über entsprechende Eingänge an vorgeordnete Differenz-Grenzwert-schalter G5 bis Gs angeschlossen, die einerseits unmittelbar mit einem fi zugeordneten Signal und andererseits mit vorgegebe-20 nen Grenzwerten fj/3, fr/5, fp/7, fj/9 beaufschlagt sind. Letztere entsprechen den angegebenen Bruchteilen der maximalen Schaltfrequenz fr und entsprechen einer von der Einhaltung der Abstandsbedingung der Zwischenkommutierungen gemäss Aa unabhängigen Optimierung der Oberschwingungsunterdrük-25 kung. Wenn also die letztere Bedingung unkritisch ist, bleiben die Grenzwerte fr/3 fr/9 allein wirksam und ermöglichen eine noch weitergehende Optimierung. Bei der Umschaltung nach Fig. 1 ist der umgekehrte Fall angenommen.

Den UND-Gatter Ai bis A4 nachgeordnete Sperr-UND-30 Gatter A5 bis A7 besorgen eine gegenseitige Verriegelung der Grenzwertschalter entsprechend der vorgesehenen Umschaltfolge. Schliesslich werden von den Ausgängen der so gebildeten Logikschaltung Kommutierungs-Signalgeber KSo bis ks4 angesteuert, die in nicht näher ausgeführter, an sich naheliegender 35 Weise Kommutierungssignale bei den Winkeln 0° und 180° (für die Grundfrequenztaktung) bzw. ai bis 04 liefern, jeweils in den passenden Kombinationen für die Aussteuerbereiche mit M = 1 bis M = 4.

v

2 Blätter Zeichnungen

Claims

653 824

1. Verfahren zur Steuerung eines selbstgeführten Wechselrichters mit veränderlicher Grundfrequenz, bei dem zur Verminderung des Oberschwingungsgehaltes der resultierenden Ausgangsspannung bzw. des Ausgangsstromes innerhalb von grundfrequenten Impulsen Zusatzkommutierungen vorgegebener Phasenlage eingesteuert werden, wobei in Abhängigkeit von einer Änderung der eingesteuerten Grundfrequenz (fi) oder einer dieser eindeutig zugeordneten Grösse (Aa) eine selbsttätige Umschaltung der Anzahl von Zusatzkommutierungen (M) gegensinnig zur Änderung der Grundfrequenz (fi) durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung in Abhängigkeit von einem Überschreiten mindestens eines Grundfrequenz-Grenzwertes erfolgt, wobei dieser Grundfrequenz-Grenzwert dadurch bestimmt ist, dass vor und nach dieser Umschaltung die den Zusatzkommutierungszahlen und den zugehörigen

Kommutierungs-Phasenwinkeln (ai, a.2 ) zugeordneten

Oberschwingungsmesszahlen annähernd gleich sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Oberschwingungsmesszahlen die quadratischen Mittelwerte der Oberschwingungsamplituden (Fi, F2 ) verwendet werden.

2

patentansprüche

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im oberen Aussteuerbereich der Grundfrequenz (fi) eine Umschaltung zwischen reiner Grundfrequenztaktung (M = 0) und einem Minimalwert der Zusatzkommutierungszahl (M = 1) durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzkommutierungs-Pha-senwinkel innerhalb jeweils eines Grundfrequenz-Aussteue-rungsintervalls, das einer bestimmten Zusatzkommutierungszahl (M) zugeordnet ist, bei Annäherung des Abstandwinkels (ai, 012 - ai, a3 - <X2, ) aufeinanderfolgender Kommutierungen an einen zur Grundfrequenz (fi) proportionalen, minimal zulässigen Abstandswinkel (Aa) gleichsinnig zu einer ansteigenden Aussteuerung der Grundfrequenz (fi) verändert werden.

5. Steuerungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, mit einem ersten Kommutierungs-Signalgeber (KSo), welcher eine erste vorgegebene Anzahl (M) von Kommutierungs-Signalen erster vorgegebener Phasenlage erzeugt und mit einer binären Logikschaltung, welche einen Grenzwertschalter (Gi) aufweist, dem eingangsseitig eine zur Grundfrequenz proportionale erste Steuergrösse (Aa) zugeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuereingang des ersten Kommutierungs-Signalgebers (KSo) über ein Invertierglied mit dem Ausgang des einen ersten Differenz-Grenzwertschalters (Gi) verbunden ist, dass mindestens ein zweiter Kommutierungs-Signalgeber (KSi), welcher eine zweite vorgegebene Anzahl (M) von Kommutierungs-Signalen zweiter vorgegebener Phasenlage (ai) festlegt, steuerseitig über ein Sperrglied (A5) mit dem Ausgang des ersten Differenz-Grenzwertschalters (Gi) verbunden ist, dass zwischen dem ersten Differenz-Grenzwertschalter (Gi) und dem Invertierglied bzw. dem zweiten Kommutierungs-Signalgeber (KSi) ein UND-Gatter (Ai) geschaltet ist, welches eingangsseitig neben dem Ausgang des ersten Differenz-Grenzwertschalters (Gi) noch mit dem Ausgang eines anderen Differenz-Grenzwertschalters (G5) verbunden ist, dem eine der Grundfrequenz entsprechende zweite Steuergrösse (fi) zugeführt ist.

6. Steuerungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Differenz-Grenzwertschalter (Gi) einen Differenz-Grenzwert (yi) aufweist, der in Abhängigkeit von Oberschwingungs-Messzahlen (Fi... F4), insbesondere in Abhängigkeit vom quadratischen Mittelwert der Oberschwingungsamplituden festgelegt ist.

7. Steuerungseinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Kommutierungs-Signalgeber (KSo, KSi) Kommutierungs-Signale mit einem gegenseitigen

Phasenwinkelabstand festlegbar sind, welcher grösser ist als ein zur Grundfrequenz proportionaler, minimal zulässiger Abstandswinkel, insbesondere der Minimal-Abstandswinkel (Aa).