DE19528122C1

DE19528122C1 - Verfahren zur dynamischen Regelung der Spannungen am Ausgang eines Wechselrichters

Info

Publication number: DE19528122C1
Application number: DE1995128122
Authority: DE
Inventors: Norbert Dr Ing Blacha; Heribert Dipl Ing Schulte; Paul Dipl Ing Maiberg
Original assignee: AEG Stromversorgungs Systeme GmbH
Current assignee: AEG Stromversorgungs Systeme GmbH
Priority date: 1995-08-01
Filing date: 1995-08-01
Publication date: 1997-04-03
Anticipated expiration: 2015-08-02

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur dynamischen Regelung der Spannungen am Ausgang eines Wechselrichters nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und des Anspruchs 2.

Ein derartiges Verfahren ist aus der EP 0 208 088 A1 bekannt. Bei dem dort beschriebenen Wechselrichter ist jeweils ein Paar von Stromrichterventilen auf einen primärseitigen Anschluß eines Drehstromtransformators geschaltet. Jedes Paar ist an eine gemeinsame Gleichspannungsquelle geschaltet. Die Spannungen an den Ausgangsklemmen der Sekundärwicklung des Drehstromtransformators werden durch eine Pulsbreitenmodulation geregelt. Das Verhalten der Regelung im Falle eines Kurzschlusses ist nicht angesprochen.

In der EP 0 351 783 A2 ist ein pulsweitenmoduliert gesteuerter Wechselrichter beschrieben, an den ein Elektromotor angeschlossen ist. Der magnetische Fluß in dem Elektromotor wird mittels des Wechselrichters geregelt. Die Regelung arbeitet digital. Zeitdiskret wird der magnetische Fluß erfaßt und unter Einbeziehung des letzten berechneten Wertes der nächste Wert für den Fluß bestimmt. Dieser Wert bildet die Grundlage für eine gezielte Ansteuerung des Wechselrichters im folgenden Abtastintervall. Eine Anpassung der Regelung im Falle eines Kurzschlusses entweder im Wechselrichter oder an seinem Ausgang wird nicht erwähnt.

Die DE 43 30 944 A1 befaßt sich mit der Strombegrenzung in einer digital arbeitenden pulsweitengesteuerten Wechselrichterschaltung. Jeweils am Anfang eines Abtastintervalls wird der Wert des Stromes am Ende des Abtastintervalls vorausbestimmt. Anschließend wird er mit dem maximal zulässigen Wert verglichen; für den Fall, daß er größer ist als der maximal zulässige Wert, wird der Spannungssollwert für die Pulsweitenmodulationseinrichtung des Wechselrichters verkleinert, in allen anderen Fällen bleibt der Spannungssollwert unverändert. Auch diese Schrift behandelt nicht die Regelung im Falle eines auftretenden Kurzschlusses.

Dynamisch hochwertige, digitale Regelstrukturen sind rechnergestützt nur dann realisierbar, wenn die Zeit zwischen zwei Abtastungen von Meßwerten, die "Abtastzeit", gegenüber der kleinsten (durch das System vorgegebenen) auszuregelnden Zeitkonstanten klein ist oder aber die Abtastzeit in dem Reglerentwurf mit berücksichtigt wird. Eine in technischer und wirtschaftlicher Hinsicht sinnvolle Lösung für dynamisch hochwertige Wechselrichter bezieht die Abtastzeit in den Reglerentwurf ein.

In einem solchen Fall geht in die Berechnung der nächsten Stellgröße jeweils die in der aktuellen Abtastzeit realisierte, für den letzten Abtastzeitpunkt ermittelte Stellgröße ein. Im Normalbetrieb stellt dies meist kein Problem dar, da die vom digitalen Regler berechnete Stellgröße auch durch das Stellglied verwirklicht wird.

Im Falle eines Kurzschlusses im Wechselrichter würde die Einbeziehung der aktuellen Stellgröße in die Berechnung der nächsten Stellgröße zu unerwünschten Ergebnissen führen, insbesondere zu einer instabilen Regelung. Es würde im ungünstigsten Falle eine Begrenzung der Kurzschlußströme unmöglich sein.

Nach Beseitigung des Kurzschlusses könnte eine schnelle Wiederkehr der Spannungen am Ausgang des Wechselrichters, wie sie üblicherweise von einer hochwertigen Regelung verlangt wird, nicht verwirklicht werden. Ein einfaches Abschalten der Stromrichterventile des Wechselrichters im Kurzschlußfall kann ebenfalls zu unerwünschten Ergebnissen führen. Es ist nämlich möglich - je nach der Art der angeschlossenen Verbraucher -, daß dabei der Strom nicht sinkt, sondern noch weiter ansteigt. Die Belastung des Wechselrichters würde dadurch in starkem - möglicherweise unzulässigem - Maße erhöht. Auf der anderen Seite kann es unvorteilhaft sein, wenn der Kurzschlußstrom sofort stark gesenkt wird; die Sicherungen im Kurzschlußstromkreis benötigen nämlich eine gewisse Zeit, ehe sie zur Unterbrechung des Stromkreises ansprechen und dadurch für ein sicheres Abschalten sorgen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur digitalen dynamischen Regelung der Spannungen am Ausgang eines Wechselrichters zu schaffen, wobei im Kurzschlußfalle zum Schutze des Wechselrichters vor Überlastung der Kurzschlußstrom gezielt gesenkt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 2.

Bei dem Verfahren nach Anspruch 1 wird im Falle eines Kurzschlusses die Ansteuerung der Stromrichterventile des Wechselrichters durch eine Kurzschlußbegrenzungslogik vorgenommen.

Gemäß dem Verfahren nach Anspruch 5 wird im Kurzschlußfall die Stellgröße lediglich unter Berücksichtigung des Sollwertes für die Spannung an den Leitungen, in die die Stromrichterventile die Gleichspannungsimpulse einspeisen, und des Stromes am Ausgang des Wechselrichters berechnet. Daraus ergibt sich eine besonders kurze Rechenzeit. Es handelt sich um einen P-Regler für den Strom am Ausgang des Wechselrichters. Eine derartige Regelung ist besonders gut geeignet im Falle von kurzen Abtastzeiten.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von acht Zeichnungen, aus denen sich weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben, näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild für einen geregelten Wechselrichter,

Fig. 2 eine symmetrische Anordnung der Impulse zur Ansteuerung der Stromrichterventile des Wechselrichters zwischen den Abtastzeitpunkten,

Fig. 3 die zeitliche Abfolge der relevanten Größen,

Fig. 4 eine Schaltung zur gezielten Regelung der Ströme im Kurzschlußfall unter Berücksichtigung eines vorgegebenen Referenzstroms,

Fig. 5 den Verlauf des Referenzstroms,

Fig. 6 eine Programmschleife für die Regelung im Kurzschlußfall,

Fig. 7 eine asymmetrische Anordnung der Impulse zur Ansteuerung der Stromrichterventile während der Abarbeitung der Programmschleife und

Fig. 8 einen Spannungsimpuls am Ausgang eines Paares von Stromrichterventilen.

Fig. 1 zeigt einen Wechselrichter 1 zur Speisung dreier Phasen u, v und w eines Drehstromsystems mit einem Mittelpunktleiter 2. Zwischen jeder Phase u, v und w des Drehstromsystems und dem Mittelpunktleiter 2 liegt jeweils ein nichtlinearer Verbraucher NL_u, NL_v und NL_w. Mittels einer digitalen Regeleinrichtung 3 und einer damit verbundenen Pulsweitenmodulationseinrichtung PWM werden die Leiterspannungen (zwischen den Phasen u, v und w), die auch "verkettete Spannungen" genannt werden, am Ausgang 4 des Wechselrichters 1 bezüglich ihrer Amplitude (Abweichung < 1%) und ihres Klirrfaktors (< 3%) geregelt. Die Regeleinrichtung 3 und die Pulsweitenmodulationseinrichtung PWM brauchen bei einer Realisierung der Schaltungsanordnung nicht räumlich getrennt als eigene Geräte gefertigt zu sein; vielmehr bilden sie zusammen einen digitalen Regler.

Der Wechselrichter 1 wird gespeist von einer (nicht dargestellten) Gleichspannungsquelle, bei der es sich beispielsweise um eine Reihenschaltung von Akkumulatorenbatterien handeln kann. Parallel zu der Gleichspannungsquelle liegt ein Kondensator C_z, an dem die Gleichspannung u_d liegt. In an sich bekannter Weise sind an den Pluspol und an den Minuspol der Gleichspannungsquelle jeweils drei Transistoren als Wechselrichterventile geschaltet.

Bei den Transistoren handelt es sich um npn-Transistoren, von denen drei mit ihrem Kollektoranschluß mit dem Pluspol und drei mit ihrem Emitteranschluß mit dem Minuspol verbunden sind. Die nicht mit einem Pol der Gleichspannungsquelle verbundenen Emitter- bzw. Kollektoranschlüsse sind an drei Zuleitungen u′, v′ und w′ für eine Primärwicklung 5 eines Drehstromtransformators TR gelegt und zwar in der Weise, daß jede Zuleitung u′, v′ und w′ mit dem Emitteranschluß eines Transistors und mit dem Kollektoranschluß eines ihm zugeordneten weiteren Transistors verbunden ist. Die auf diese Weise einer bestimmten Zuleitung u′, v′ oder w′ zugeordneten Transistoren bilden ein Paar von Transistoren. Damit kann jede Zuleitung u′, v′ und w′ einzeln über den einen Transistor (eines Paares) mit dem Pluspol verbunden werden und über den anderen Transistor des Paares mit dem Minuspol. Die Basisanschlüsse eines jeden Paares zugeordneter Transistoren sind jeweils an einen gemeinsamen Ausgang der Pulsweitenmodulationseinrichtung PWM geführt, wobei allerdings zwischen den Basisanschlüssen der mit dem Minuspol verbundenen Transistoren und den drei Ausgängen der Pulsweitenmodulationseinrichtung PWM jeweils ein Inverter 6 geschaltet ist. Auf diese Weise wird verhindert, daß beide Basisanschlüsse eines Paares von Transistoren gleichzeitig mit einem positiven Spannungsimpuls angesteuert werden.

Der Drehstromtransformator TR weist primärseitig eine Dreieckswicklung 5 und sekundärseitig eine Zickzackwicklung 7 auf. Die Zuleitungen u′, v′ und w′ für die Primärwicklung sind jeweils zwischen zwei Teilwicklungen der Dreieckswicklung 5 geführt.

Die Zickzackwicklung 7 umfaßt insgesamt fünf Teilwicklungen, von denen drei - bzgl. der magnetischen Kopplung - jeweils einer Teilwicklung der Primärwicklung 5 zugeordnet und dabei an ihrer der Primärwicklung abgewandten Seite unmittelbar miteinander und zusätzlich mit dem Mittelpunktleiter 2 verbunden sind. Für die Phasen v und w am Ausgang des Wechselrichters 1 ist jeweils eine weitere Teilwicklung (als zweite Teilwicklung der zugehörigen Phase) vorhanden. Von diesen beiden Tellwicklungen ist die der Phase v zugeordnete Teilwicklung einerseits mit dem der Primärwicklung zugewandten Ende der ersten Teilwicklung der Phase w verbunden und mit ihrem anderen Ende unmittelbar mit der Phase v am Ausgang 4 des Wechselrichters 1.

In ähnlicher Weise ist die zweite Teilwicklung der Phase w mit ihrem einen Ende an dem der Primärwicklung zugewandten Ende der Teilwicklung der Phase u angeschlossen und mit ihrem anderen Ende am die Phase w bildenden Ausgang 4 des Wechselrichters 1.

Die erste Teilwicklung der Phase v ist mit ihrem der Primärwicklung zugewandten Ende mit dem entsprechenden Ende der ersten Teilwicklung der Phase w verbunden und bildet zusätzlich die Phase u am Ausgang des Wechselrichters 1.

Zwischen den drei Leitungen der Phasen u, v und w am Ausgang 4 ist im Wechselrichter 1 jeweils ein Kondensator C geschaltet. Aus der Zickzackwicklung 7 des Drehstromtransformators TR ist der Mittelpunktleiter 2 herausgeführt. Die nichtlinearen Verbraucher NL_u, NL_v und NL_w sind jeweils zwischen den Ausgang 4 und den Mittelpunktleiter 2 geschaltet.

Die durch die drei Teilwicklungen in die Primärwicklung des Drehstromtransformators TR fließenden Ströme i_uv, i_vw und i_wu werden mittels dreier Stromwandler von der Regeleinrichtung 1 zu festen Abtastzeitpunkten erfaßt. Zusätzlich nimmt die Regeleinrichtung 1 - ebenfalls zu den Abtastzeltpunkten - die drei Leiterspannungen u_u, u_v und u_w (jeweils zwischen den Phasen u, v und w und dem Mittelpunktleiter 2) am Ausgang des Drehstromtransformators TR auf. Schließlich erfaßt die Regeleinrichtung 1 - mittels Stromwandlern - die durch die Phasen u, v und w in die Verbraucher NL_u, NL_v und NL_w fließenden Ströme iz_u, iz_v, iz_w.

Zur Gewährleistung einer hohen Spannungsqualität (mit geringem Klirrfaktor) und einer guten Ausnutzung der Leistungskomponenten (Zwischenkreisspannung am Ausgang der Wechselrichterventile; Wechselrichtertrafo) wird im Normalbetrieb (ohne Kurzschluß) eine "symmetrische Raumzeigermodulation" vorgenommen, wie sie in der Fig. 2 dargestellt ist.

Die als Wechselrichterventile dienenden Transistoren nach Fig. 1 werden durch Spannungsimpulse PWOUT0, PWOUT1 und PWOUT2 angesteuert, die zeitlich in der Mitte zwischen benachbarten Abtastzeitpunkten (k-1) und k bzw. k und (k+1) abgegeben werden. Die Spannungsimpulse PWOUT0, PWOUT1 und PWOUT2 stammen von der Pulsweitenmodulationseinrichtung PWM als Bestandteil des digitalen Reglers. Die Dauer der Spannungsimpulse PWOUT0, PWOUT1 und PWOUT2 und der Zeitpunkt ihrer Ausgabe wird von der Regeleinrichtung 3 vorgegeben.

Die Regelung arbeitet als Zustandsregelung in der Gestalt eines digitalen Filters. Dabei wird die als nächstes auszugebende Stellgröße y_k+1, die zwischen den Zeitpunkten (k+1) und (k+2) im Regelkreis realisiert wird, auf folgende Weise aus den Werten für den vorangehenden Zeltpunkt k gebildet:

y_k+1 = u_soll_k + k1 _* i_k + k2 _* u_k + k3 _* y_k.

Die digitale Regelung kann unter Berücksichtigung unterschiedlicher Koordinatensysteme vorgenommen werden, beispielsweise über x, y-Koordinaten, Polarkoordinaten oder über Drehstromkoordinaten.

Der Algorithmus für die Stellgrößen y der Regeleinrichtung 1 (für den Normalbetrieb und für den Kurzschlußfall) nach Fig. 1 nimmt in Drehstromkoordinaten die folgende Struktur an:

y_uv_k+1 = u_soll_uv_k + k1_*i_uv_k + k2_*iz_uv_k + k3_*u_uv_k + k4_*y_uv_k
y_vw_k+1 = u_soll_vw_k + k5_*i_vw_k + k6_*iz_vw_k + k7_*u_vw_k + k8_*y_uv_k
y_wu_k+1 = u_soll_wu_k + k9_*i_wu_k + k10_*iz_wu_k + k11_*u_wu_k + k12_*y_wu_k

mit

iz_uv = iz_u - iz_v
iz_vw = iz_v - iz_w
iz_wu = iz_w - iz_u

und

u_uv = u_u - u_v
u_vw = u_v - u_w
u_wu = u_w - u_u.

Die Ströme iz-xy (mit xy ε {uv, vw, wu}) sind die durch die Kondensatoren C am Ausgang des Drehstromtransformators TR fließenden Ströme; sie lassen sich mit den aufgeführten Formeln aus den von der Regeleinrichtung 1 erfaßten Strömen iz_u, iz_v und iz_w berechnen.

Entsprechendes gilt für die Leiterspannungen u_xy (mit xy ε {uv, vw, wu}) am Ausgang des Drehstromtransformators TR, die sich aus den abgetasteten Spannungen u_u, u_v und u_w einfach berechnen lassen.

Die Spannung u_soll ist der vorgegebene Sollwert für die (Leiter-)Spannung zwischen den Zuleitungen u′, v′ oder w′, denen jeweils eine Phase u, v, w am Ausgang des Drehstromtransformators TR zugeordnet ist. Die Spannung u_soll stellt einen Mittelwert der Spannung in einem Abtastintervall dar. Die Indices geben an, zwischen welchen Zuleitungen die Spannung u_soll auftritt.

Fig. 3 veranschaulicht für die Zeitpunkte (k-1), k, (k+1) die zeitliche Abfolge, in der zeitdiskret Meßwerte für den Strom und die Spannung als Abtastwerte erfaßt werden und zu denen die als nächstes (zwischen zwei benachbarten Abtastzeitpunkten) zu realisierende Stellgröße y berechnet sein muß.

Die Stellgrößen für den nächstfolgenden Zeitabschnitt, beispielsweise zwischen den Zeitpunkten k und (k+1), werden also aus den Meßwerten und Stellgrößen zum Zeitpunkt (k-1) gebildet. Der für die Regeleinrichtung 1 bestimmte Mikrorechner muß also innerhalb des Abtastintervalls zwischen den Zeitpunkten k und (k+1) die neue Stellgröße y_k+1 berechnen.

Die Fig. 4 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Bewältigung eines Kurzschlusses. Links ist die Verknüpfung der (bereits weiter oben erwähnten) von der Regeleinrichtung (3) - auf der Primärseite des Drehstromtransformators TR - erfaßten Ströme i_uv, i_vw und i_wu dargestellt.

Unter Anwendung der Knotengleichungen (Σi=0) an der Verbindungsstelle der drei Zuleitungen u′, v′ und w′ mit der Dreieckswicklung 5 ergeben sich die Beziehungen:

i_u = i_uv - i_wu
i_v = i_vw - i_uv und
i_w = i_wu - i_vw

wobei i_u, i_v und i_w die Ströme in den Zuleitungen u′, v′ und w′ sind. Die schaltungstechnische Verwirklichung der vorstehenden drei Gleichungen ist in der Fig. 4 links veranschaulicht. Wenn mindestens einer dieser Ströme i_u, i_v und i_w einen bestimmten festgelegten Grenzwert überschreitet, wird ein Kurzschluß angenommen.

Dadurch daß die Ströme auf der Primärseite des Drehstromtransformators TR auf das Vorliegen eines Kurzschlusses überwacht werden, finden sowohl Kurzschlüsse in den Verbrauchern NL_u, NL_v und NL_w als auch solche innerhalb des Drehstromtransformators TR Berücksichtigung.

Durch einen auf diese Weise festgestellten Kurzschluß wird in der digital arbeitenden Regeleinrichtung 3 ein Interrupt ausgelöst, dem eine sehr hohe Priorität zugewiesen ist, und es wird in der Folge ein Controller veranlaßt, Stromimpulse 8 abzugeben, deren Breite mittels einer Pulsweitenmodulation gezielt nach und nach verkleinert wird. Die Stromimpulse 8 werden auf ein Übertragungsglied 9 (beispielsweise ein RC-Filter) geleitet, welches einen Referenzstrom Iref abgibt.

Die Ströme i_u, i_v und I_w werden nun mit diesem Referenzstrom Iref verglichen. Dazu werden die Ströme i_u, i_v und i_w jeweils einzeln zum einen von dem Referenzstrom Iref abgezogen und zum andern wird der Referenzstrom jeweils einzeln von den Strömen i_u, i_v, i_w subtrahiert. Die Ergebnisse der insgesamt sechs Subtraktionen werden jeweils einem zugeordneten Schmitt-Trigger 10 (auch "Fensterkomparator" genannt) zugeführt. Wenn der Strom i_u, i_v oder i_w größer ist als der Referenzstrom Iref, ruft der zugeordnete Schmitt-Trigger 10 eine aufsteigende Flanke eines Stromimpulses ix_plus (mit x = u, v, w) hervor, der an den Controller geleitet wird, andernfalls wird an den jeweils dafür vorgesehenen Schmitt-Triggern ein Stromimpuls ix_minus (mit x = u, v, w) abgegeben. Auch diese Stromimpulse werden an eigene Eingänge des Controllers geleitet. Die Signalzustände an allen sechs (mit den sechs Schmitt-Triggern 10 verbundenen) Eingängen, die stets von aufsteigenden Flanken der Stromimpulse erzeugt werden, werden nach einem Kurzschluß durch eine Programmschleife eine bestimmte Zeit lang fortlaufend abgefragt.

Mittels dieses Programms werden dann - in Abhängigkeit von den Signalzuständen - für eine Reaktion auf den Kurzschluß geeignete Stellgrößen erzeugt, wie noch im einzelnen weiter unten erläutert wird.

Wenn ein Kurzschluß den bereits erwähnten Interrupt im digitalen Rechner ausgelöst hat, wird ein Referenzstrom Iref mit dem in Fig. 5 dargestellten Verlauf erzeugt. Unmittelbar nach dem Auftreten des Kurzschlusses ist der Referenzstrom Iref eine feste Zeit lang ein verhältnismäßig großer Gleichstrom. Nach Ablauf dieser Zeit fällt der Referenzstrom Iref exponentiell ab.

Wie im Zusammenhang mit der Fig. 6 noch näher ausgeführt wird, fließt bei hohem Referenzstrom Iref auch ein hoher Strom durch den Wechselrichter 1. Durch den Verlauf des Referenzstromes Iref soll sichergestellt werden, daß die Sicherung für den Wechselrichter 1 anspricht, ohne daß die Bauteile überlastet werden. Ein Referenzstrom Iref mit dem gestrichelt dargestellten Verlauf, also einem recht großen Gleichstrom, der nach einer gewissen Zeit steil abfällt, könnte vielleicht ebenfalls von den Bauteilen ohne Schaden aufgenommen werden. Allerdings würden in dieser kurzen Zeit vermutlich die Sicherungen nicht ansprechen.

Fig. 6 zeigt mittels eines Programmablaufplans die Programmschleife, die - im Kurzschlußfalle ausgelöst durch den erwähnten Interrupt - mit dem nächsten Abtastzeitpunkt k beginnend, so lange durchlaufen wird, bis entweder die vom Regler vorgegebene Zeit für die von der Pulsweitenmodulationseinrichtung PWM abgegebenen Spannungsimpulse oder die "maximale Pollingzeit" abgelaufen ist. In einem Abtastintervall werden stets zwei mit dem Pluspol der Gleichspannungsquelle verbundene Transistoren des Wechselrichters 1 über üblicherweise unterschiedlich breite Spannungsimpulse leitend geschaltet.

Die maximale Pollingzeit ist stets kürzer als die Dauer eines Abtastintervalls.

Während eines Schleifendurchlaufs werden alle Signalzustände an den sechs Eingängen des Controllers über jeweils eine if-Anweisung abgefragt. Wenn an einen Eingang seit der letzten Abfrage ein Stromimpuls von dem vorgeschalteten Schmitt-Trigger 10 gelangt ist, ist durch das Programm festgelegt, daß entweder ein Spannungsimpuls über die Pulsweitenmodulationseinrichtung PWM an die zur Reduzierung des Kurzschlußstroms geeigneten Transistoren des Wechselrichters 1 übermittelt wird oder nicht. Auf diese Weise werden die Transistoren derart angesteuert, daß der Kurzschlußstrom gezielt innerhalb vorbestimmter, durch den Referenzstrom Iref gebildeter Grenzen gesenkt wird.

Wenn der Strom i_u größer ist als der augenblicklich fließende Referenzstrom Ireff, dann wird an dem entsprechenden Schmitt-Trigger 10 ein Stromimpuls iu_plus erzeugt. Bei der Abfrage in der Schleife des Programms führt dies zu der Belegung einer Variablen PWOUT0 mit dem Wert "0", andernfalls erhält diese Variable PWOUT0 einen Vorgabewert für die Pulsweitenmodulation aus der Variablen PWOUT0_vorgabe. Der Vorgabewert ist der derjenige Wert, der zur Realisierung der für das augenblickliche Abtastintervall errechneten Stellgröße y erforderlich wäre.

Ist der Strom i_u kleiner als der Referenzstrom Iref, erhält der Controller von dem entsprechenden Schmitt-Trigger 10 einen Stromimpuls iu_minus. Gemäß der Programmschleife nach Fig. 6 würde die Variable PWOUT0 den Wert "1" erhalten.

In analoger Weise werden auch die übrigen Abfragen am Controller durchgeführt.

Wenn in der Programmschleife eine Bedingung erfüllt ist, werden jeweils zwei Programmanweisungen ausgeführt, nämlich zum einen eine Zuweisung und zum andern die Erhöhung des Wertes in einem der Zuweisung zugeordneten Zähler u_0_zaeler++ u_1_zaeler++, v_0_zaeler++ . . . und w_1_zaeler++. Diese Zähler erfassen, wie oft innerhalb des augenblicklichen Abtastintervalls eine Abweichung des von der Pulsweitenmodulationseinrichtung PWM abgegebenen Wertes von dem - für das Abtastintervall - bestimmten Wert auftritt.

Wenn eine Bedingung nicht erfüllt wird, arbeitet das Programm einen der jeweiligen if-Anweisung zugeordneten "else-Zweig" ab. Jeder dieser Zweige besteht ebenfalls aus einer Zuweisung für die zugehörige Variable PWOUT0 bis PWOUT2 und einem Befehl zur Erhöhung einer Zählervariablen dummy_zaeler++, die in allen "else-Zweigen" gleich lautet. Dieser Befehl dient lediglich der Symmetrierung der Rechenzeit in beiden Zweigen der if-Anweisung, für den weiteren Ablauf des Programms wird der Inhalt dieser Zählervariablen dummy_zaeler nicht verwendet.

Der Ablauf der Programmschleife wird stets einige Zeit vor dem Ende des jeweiligen Abtastintervalls abgeschlossen.

Sofern der Kurzschluß fortbesteht, wird nach dem nächsten Abtastzeitpunkt (k-1) k, (k+1) die Programmschleife von neuem durchlaufen.

Das vorstehend beschriebene, durch die Programmschleife gesteuerte Verfahren wird nachfolgend "Pollingverfahren" genannt.

Fig. 7 zeigt den Verlauf der Spannungsimpulse an den drei Ausgängen der Pulsweitenmodulationseinrichtung PWM, die die Ansteuerimpulse für die Transistoren darstellen, im Falle eines Kurzschlusses, bei dem das im Zusammenhang mit der Fig. 6 erläuterte "Pollingverfahren" durchgeführt wurde.

Die Programmschleife nach Fig. 6 wird mehrmals durchlaufen, daher kann die Höhe der Spannung an den Ausgängen mehrmals zwischen einem vorgegebenen Maximalwert und einem Vorgabewert (der Variablen PWOUT0_vorgabe, PWOUT1_vorgabe und PWOUT2_vorgabe) wechseln, je nachdem ob die Bedingungen für die if-Anweisungen des Programms erfüllt sind oder nicht. Die gerade eingestellte Höhe der Spannung an dem jeweiligen Ausgang bleibt mindestens so lange unverändert, bis die Programmschleife wieder den Befehl erreicht hat, mit dem die Höhe der Spannung geändert wird. Es ist also die Zeit für einen Schleifendurchlauf.

Das Pollingverfahren wird - bei Vorliegen eines Kurzschlusses - mit jedem Beginn eines Abtastintervalls begonnen und endet auf jeden Fall in deutlichem Abstand vor dem Beginn des nächsten Abtastintervalls.

Es handelt sich - im Unterschied zu dem Verfahren nach Fig. 5 - um ein asymmetrisches PWM-Verfahren.

Durch diese unsymmetrische Anordnung der Spannungsimpulse innerhalb der Abtastintervalle verbleibt nach der Ausgabe der Spannungsimpulse eine recht große zusammenhängende Bearbeitungszeit für den Rechner, die zur Korrektur der vorab berechneten neuen Stellgröße, wie nachfolgend noch erläutert wird, und zur Erledigung besonders wichtiger Steuerungsfunktionen genutzt werden kann.

Im Falle eines Kurzschlusses wird - anders als im Normalbetrieb - nicht die zum letzten Abtastzeitpunkt (k-1), k oder (k+1) berechnete Stellgröße y verwirklicht, sondern normalerweise ein Wert, der kleiner ist. Wie in Fig. 7 dargestellt, werden nämlich nicht in den Abtastintervallen zwei verhältnismäßig breite Spannungsimpulse abgegeben, sondern - innerhalb der gleichen Zeit - mehrere kleine.

Bei der Berechnung der nächsten Stellgröße (für das Abtastintervall nach dem Zeitpunkt (k+1) soll deshalb der Wert der tatsächlich (im augenblicklichen Abtastintervall) realisierten Stellgröße y berücksichtigt werden (und nicht der Wert der für dieses Abtastintervall berechneten Stellgröße y_k). Es ist also im Kurzschlußfall stets in jedem Abtastintervall nach Beendigung des Pollingverfahrens eine Korrektur der Stellgröße y erforderlich.

Wie im Zusammenhang mit der Fig. 8 noch erläutert wird, werden für die Stellgröße y stets in einem Abtastintervall gemittelte Werte zugrunde gelegt. Die Korrektur, z. B. der Stellgröße y_uv, ist im Kurzschlußfall nach folgender Formel vorzunehmen:

mit

t1_korr = t1 - u_x_zaeler _* t_polling.

Die Variablen haben die folgende Bedeutung:
t1: von der Regeleinrichtung 1 berechnete Zeit für die Dauer des jeweiligen Ansteuerimpulses am Ausgang der Pulsweitenmodulationseinrichtung PWM zur Erzielung der Stellgröße y,
u_d: Betrag der Zwischenkreisspannung, also der Spannung, die an der jeweiligen Zuleitung u′, v′ oder w′ zur Primärwicklung des Drehstromtransformators TR bei für die Erzeugung einer Wechselspannungshalbwelle durchgeschalteten Transistoren anliegt,
t_p: Dauer eines Abtastintervalls,
t_polling: Dauer eines Durchlaufs der Programmschleife für das Pollingverfahren,
u_x_zaeler: Ganzzahlvariable, deren Wert zu Beginn eines jeden Abtastintervalls null ist und deren Wert bei jedem Durchlauf der Programmschleife für das Pollingverfahren innerhalb eines Abtastintervalls um Eins erhöht wird, wenn der Wert des zugehörigen Spannungsimpuls es am Ausgang der Pulsweitenmodulationseinrichtung vom errechneten Vorgabewert (zur Erzielung der errechneten Stellgröße) abweicht.

Falls nach einer gewissen Zeit, z. B. nach einer Netzperiode, keine Kurzschlüsse durch die Spannungsimpulse iu_plus bis iw_minus angezeigt werden, geht die Steuerung wieder in den Normalzustand zurück.

Es ist auch möglich, im Falle eines Kurzschlusses den Kurzschlußstrom mittels der Regeleinrichtung 3 sicher zu begrenzen, so daß erforderlichenfalls Sicherungen zuverlässig ansprechen können. In diesem Fall findet bei einem Kurzschluß mittels eines Interrupts im gerade laufenden Abtastintervall lediglich an zwei Paaren von Transistoren des Wechselrichters 1 ein Wechsel des Ansteuerimpulses statt, und zwar nur einmal innerhalb eines Abtastintervalls. Eine mehrfache Abfrage des aktuellen Kurzschlußstroms innerhalb einer Abtastperiode, wie sie beim Pollingverfahren vorgenommen wird, ist nunmehr nicht erforderlich.

Diesem Vorteil steht der Nachteil einer geringeren Dynamik des im Kurzschlußfall wirksamen Reglers entgegen. Für eine Beherrschung des Kurzschlußfalls ist die Dynamik üblicherweise vollkommen ausreichend.

Bei einem derartigen Verfahren muß für den Kurzschlußfall ein eigener digitaler Regler vorgesehen sein, der sich von dem im Normalbetrieb benutzten unterscheidet. Derartige digitale Regler werden durch in einem elektronischen Rechner laufende Programme realisiert.

Besonders geeignet ist eine Regeleinrichtung 3, die im Kurzschlußfall als P-Regler lediglich den Strom durch die Kondensatoren C am Ausgang des Wechselrichters 1 regelt. In dem zugehörigen Algorithmus (nur für den Kurzschlußfall!) erscheint der Wert der zum letzten Abtastzeitpunkt berechneten Stellgröße y_k nicht mehr:

y_k+1 = u_soll_k + k1 _* i_k,

wobei u_soll_k der Sollwert für die Spannung an der entsprechenden Zuleitung u′, v′ oder w′ für den Zeitpunkt k ist und i_k der Strom durch den zugehörigen Kondensator C am Ausgang des Wechselrichters 1.

Da die berechnete Stellgröße y_k wegen des Kurzschlusses normalerweise nicht tatsächlich verwirklicht wird, ist es günstig, diese Stellgröße im Regelalgorithmus unberücksichtigt zu lassen.

In diesem Fall sollte die Zeitspanne zwischen zwei Abtastzeitpunkten möglichst klein gehalten werden, damit der Einfluß der Stellgröße y_k tatsächlich bei der Regelung außer Betracht gelassen werden kann, ohne daß die Qualität der Regelung verschlechtert wird.

Fig. 8 zeigt den Verlauf der Spannung u_d an einer beliebigen Zuleitung u′, v′ oder w′, wobei das mit der Zuleitung u′, v′ oder w′ verbundene Paar von Transistoren für eine Zeitdauer t₁ angesteuert wurde. Diese Zeitdauer t₁ ist kleiner als die Breite T_s des Abtastintervalls. Es ergibt sich ein Spannungsimpuls mit einer Höhe u_d und einer Breite t₁. Innerhalb des Abtastintervalls hat die Spannung an der Zuleitung u′, v′ oder w′, die "Zwischenkreisspannung", einen zeitlichen Mittelwert von

Über die Zeitdauer t₁ läßt sich folglich die Zwischenkreisspannung (als Stellgröße) innerhalb eines weiten Bereiches einstellen.

Claims

1. Verfahren zur dynamischen Regelung der Spannungen am Ausgang eines Wechselrichters mittels einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung der Stromrichterventile des Wechselrichters, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Regelung digital arbeitet,
- daß die Stellgröße y_k+1 für das Abtastintervall nach dem Zeitpunkt (k+1), für jede Phase (u, v, w) des Wechselrichters (1) getrennt, aus dem Sollwert u_soll_k der Spannung am Ausgang der der Phase (u, v, w) zugeordneten Wechselrichterventile, aus einem der Phase (u, v, w) zugeordneten Strom i_k am Ausgang des Wechselrichters zum Zeitpunkt k, aus der Spannung u_k am Ausgang der der jeweiligen Phase (u, v, w) zugeordneten Stromrichterventile zum Zeitpunkt k und aus der Stellgröße y_k für das Abtastintervall nach dem Zeitpunkt k berechnet wird,
- daß im Kurzschlußfalle ein Referenzstrom (Ireff) mit einem vorbestimmten Verlauf erzeugt wird,
- daß danach in ständiger Wiederholung innerhalb eines begrenzten Zeitraums in jedem Abtastintervall für jede Phase (u, v, w) ein Strom, der dem in der Phase (u, v, w) am Ausgang des Wechselrichters fließenden proportional ist, mit dem Referenzstrom Ireff verglichen wird,
- daß nach jeder dieser Vergleichsabfragen im Falle des Überschreitens des Referenzstroms (Ireff) ein Stromrichterventil zur Begrenzung des Kurzschlußstromes gesperrt wird,
- daß im Falle des Unterschreitens ein Stromrichterventil zur Erhöhung des Kurzschlußstromes geöffnet wird und
- daß nach dem Ende des Kurzschlusses zum Verfahren für den kurzschlußfreien Fall gewechselt wird.

2. Verfahren zur dynamischen Regelung der Spannungen am Ausgang eines Wechselrichters mittels einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung der Stromrichterventile des Wechselrichters, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Regelung digital arbeitet,
- daß im kurzschlußfreien Falle die Stellgröße y_k+1 für das Abtastintervall nach dem Zeitpunkt (k+1), für jede Phase (u, v, w) des Wechselrichters (1) getrennt, aus dem Sollwert u_soll_k der Spannung am Ausgang der Stromrichterventile, aus einem der jeweiligen Phase zugeordneten Strom i_k am Ausgang des Wechselrichters (I) zum Zeitpunkt k, aus der Spannung u_k am Ausgang der Stromrichterventile zum Zeitpunkt k und aus der Stellgröße y_k für das Abtastintervall nach dem Zeitpunkt k berechnet wird,
- daß im Kurzschlußfalle mindestens ein eigener Regelalgorithmus genutzt wird, der in jedem Abtastintervall nach Verstreichen einer Vorlaufzeit in Abhängigkeit von den augenblicklichen Zuständen der Ansteuerimpulse für die Stromrichterventile veranlaßt,
- daß zur Begrenzung des Kurzschlußstroms in jedem Abtastintervall der Zustand mindestens eines Ansteuerimpulses geändert wird, und zwar nur einmal innerhalb eines Abtastintervalls, und
- daß nach dem Ende des Kurzschlusses auf das Verfahren für den kurzschlußfreien Fall umgeschaltet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß stets gemäß folgender Beziehung, für jede Phase des Wechselrichters (1) getrennt, aus Werten zum Zeitpunkt k die nächste Stellgröße y_k+1 für die zugehörige Phase des Wechselrichters berechnet wird: y_k+1 = u_soll_k + k1_*i_k + k2_*u_k + k3_*y_k,wobei k1, k2 und k3 systemabhängige Konstanten sind und daß im Kurzschlußfalle nach Ausgabe der Stellgröße y_k und vor der Berechnung der Stellgröße y_k+1 der Wert der tatsächlich verwirklichten Stellgröße y_k ermittelt und als Stellgröße y_k bei der Berechnung der nächsten Stellgröße y_k+1 berücksichtigt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der tatsächlich verwirklichten Stellgröße y_k im Kurzschlußfalle gezählt wird, wie oft innerhalb des aktuellen Abtastzeitraums, als Ergebnis der Vergleiche mit dem Referenzstrom Ireff, der Betrag der Stellgröße y_k von dem berechneten Wert abweicht, und daß dann aus dem Zählwert und der Dauer jeder Abweichung die tatsächlich verwirklichte Stellgröße y_k als zeitlicher Mittelwert in dem Abtastintervall berechnet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im kurzschlußfreien Falle gemäß folgender Beziehung, für jede Phase des Wechselrichters (1) getrennt, aus Werten zum Zeitpunkt k die nächste Stellgröße y_k+1 für die zugehörige Phase des Wechselrichters berechnet wird: y_k+1 = u_soll_k + k1_*i_k + k2_*u_k + k3_*y_k,wobei k1, k2 und k3 systemabhängige Konstanten sind, und daß lediglich im Kurzschlußfall die Stellgröße y_k+1 für das Abtastintervall nach dem Zeitpunkt (k+1) gemäß folgender Beziehung berechnet wird:y_k+1 = u_soll_k + k4_*i_k,wobei k4 eine systemabhängige Konstante ist.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellgrößen y_k und y_k+1 Spannungen zwischen den Zuleitungen (u′, v′, w′) am Ausgang der Stromrichterventile sind, wobei jeder Zuleitung (u′, v′, w′) jeweils eine Phase (u, v, w) am Ausgang des Wechselrichters (1) zugeordnet ist, daß zwischen diesen Phasen (u, v, w) jeweils mindestens ein elektronisches Bauelement geschaltet ist, daß i_k der gesamte durch diese(s) Bauelement(e) zwischen den jeweils zugeordneten Phasen (u, v, w) fließende Strom Ist und daß u_k die Spannung an diesem/diesen Bauelement(en) ist.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung der Stromrichterventile der Wechselrichter (1) zumindest im Kurzschlußfalle, stets möglichst rasch nach dem Beginn eines jeden Abtastintervalls vorgenommen wird.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellgröße y_k ein über den Abtastzeitraum zeitlich gemittelter Wert ist und daß sie eingestellt wird über eine Pulsweitenmodulation der Ansteuerimpulse der zugehörigen Stromrichterventile, die die Verbindung zu einer Gleichspannungsquelle durchschalten.