DE3204266C2

DE3204266C2 -

Info

Publication number: DE3204266C2
Application number: DE19823204266
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl.-Ing. 8520 Erlagen De Klausecker
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1982-02-08
Filing date: 1982-02-08
Publication date: 1991-01-31
Also published as: DE3204266A1; JPS58144577A

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung zum Betrieb eines Pulswechselrichters entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1 (IEEE Transactions on Industry Applications", Vol. IA-8, No. 2 (1972), S. 145-154, Fig. 6).

Dort werden die Umschaltimpulse eines Pulswechselrichters aus einer Steuer-Gleichspannung gebildet, die von einem Steuerspannungsgenerator geliefert und mit einer Dreieck spannung verglichen wird. Die Dreieckspannung stammt von einem frequenzgesteuerten Dreiecksgenerator, wobei Steuer spannungsgenerator und Dreiecksgenerator vom gleichen Ana logsignal als Frequenzsollwert gesteuert werden. Die Charak teristik des Steuerspannungsgenerators legt dabei das Ver hältnis K des Steuerspannungspegels zur Amplitude der Drei eckspannung fest und bestimmt damit die Ausgangswechselspan nung des Pulswechselrichters. Die Wechselspannungsfrequenz beträgt dabei das 6fache der Dreiecksgenerator-Frequenz.

Um ein in Frequenz und Amplitude optimiertes Pulsmuster für die Wechselspannung zu erhalten, ist ferner vorgeschlagen, mittels des Steuerspannungsgenerators ein System von Steuer- Gleichspannungen zu erzeugen, die einzelnen Phasenabschnitten der Wechselrichter-Ausgangsspannung zugeordnet sind.

In "IEEE Transactions on Industrial Electronics and Control Instrumentation", Vol. JECI-28 (1981), S. 315-322, ist in Fig. 2 angegeben, wie beim Abtasten einer Sinuskurve durch Absenken der Dreiecks-Tastspannungsamplitude unter den Schei telwert der Sinuskurve sich Pulsmuster ergeben, deren Fourier spektrum diskutiert wird. Für K < 1 kann eine näherungsweise sinusförmige gepulste Wechselspannung erreicht werden, wäh rend K → ∞ den Übergang zu ungepulsten Spannungsblöcken ent spricht, deren Dauer eine Halbperiode der Sinuskurve beträgt.

In "Siemens-Zeitschrift" 45 (1971), Seite 154-161 ist ein entsprechender Pulswechselrichter beschrieben, dessen Wechsel richterausgänge jeweils über einen Umschalter mit einem der beiden Eingangsklemmen einer Gleichspannung verbunden werden, so daß jedem Ausgang die Eingangsgleichspannung mit alternie render Polarität im Takt der Umschaltimpulse der Wechselrich terschalter aufgeschaltet ist. Die Taktfolge der Umschaltim pulse wird so bestimmt, daß im Mittel eine ungefähr simusför mige Ausgangsspannung entsteht.

Zur Erzeugung der Umschaltimpulse wird - zumindest solang die gewünschte Amplitude der Ausgangswechselspannung hinreichend klein gegenüber der Eingangsgleichspannung ist - eine mit dem gewünschten Verlauf der Wechselrichterausgangsspannung syn chrone Steuerspannung vorgegeben. Beim Modulationsverfahren mittels einer Dreieckspannung werden die Umschaltimpulse für die Wechselrichterschalter aus den Schnittpunkten dieser Steuerspannung mit einer hochfrequenten Dreieckspannung ge bildet. Je höher die Frequenz der Dreieckspannung ist, d. h. je mehr Umschaltungen zur Erzeugung einer Sinusschwingung verwendet werden, umso genauer können die jeweiligen Ausgangs spannungen bzw. -ströme an die Sinusform angenähert werden und umso weniger Oberschwingungen, die den Wechselrichter und die daran angeschlossene Last (z. B. eine drehzahlge steuerte Drehfeldmaschine) belasten, treten auf.

Üblicherweise werden als Wechselrichterschalter Thyristor schalter verwendet, bei denen zeitliche Mindestlängen für jeden Schaltzustand der Thyristorschalter vorgeschrieben sind. Die Frequenz der Dreiecksspannung und damit die Zahl der Schaltvorgänge pro Sinusschwingung kann daher höchstens so hoch gewählt werden, daß zwischen zwei Schnittpunkten von Dreieckspannung und sinusförmiger Steuerspannung der entspre chende zeitliche Mindestabstand eingehalten wird. Wird der Mindestabstand unterschritten, so muß entweder auf eine nie drigere Frequenz der Dreieckspannung umgeschaltet werden oder es müssen Umschaltimpulse unterdrückt werden. Dieser Fall tritt insbesondere dann ein, wenn zur Steigerung der Ausgangsamplitude der Steuerspannung bis nahe an die Ampli tude der Dreieckspannung angehoben wird. Die maximale Grundschwingungsamplitude der Ausgangsspannung wird erhal ten, wenn pro Halbschwingung nur noch ein Umschaltvorgang durchgeführt wird, d. h. wenn zur Erzeugung einer Ausgangs halbschwingung jeweils für die Dauer der Halbschwingung die volle Eingangsspannung ungepulst mit entsprechender Po larität auf den Wechselrichterausgang aufgeschaltet wird ("Vollblock-Steuerung"). In diesem Fall treten in der Aus gangsspannung insbesondere Oberschwingungen niedrigerer Ordnung auf, die zugelassen werden müssen.

Gegenüber dieser maximalen Ausgangsamplitude können bei einer hinreichend hohen Frequenz der Dreieckspannung prak tisch sinusförmige Ausgangsschwingungen mit Spannungsampli tuden von maximal 78,5% der Vollblocksteuerung erzeugt werden. Wird eine bessere Spannungsausnutzung gewünscht, die mit einem größeren Oberwellengehalt erkauft wird, so kann man auf andere Modulationsverfahren zurückgreifen, bei denen z. B. in einem Übergangsbereich zwischen Sinus-Steue rung und Vollblock-Steuerung anstelle einer sinusförmigen Steuerspannung eine trapezförmige Steuerspannung verwendet wird. Die Umstellung von der Sinus-Steuerung auf die andere Steuerung, z. B. Trapezsteuerung, führt jedoch meist zu einer verminderten Dynamik des Stellgliedes. Dabei können Spannungs sprünge auftreten, die den Wechselrichter mit Einschwingströ men belasten.

Im Hinblick auf Oberschwingungen, Verluste, Momentpulsationen etc. wird im allgemeinen eine Abtastung der Steuerspannung mit mehreren Gleichspannungen vorgezogen, da durch Vorgabe der Gleichspannungsniveaus praktisch jedes Pulsmuster und da mit jedes Frequenzspektrum der Ausgangsspannung erzeugt werden kann. Anzahl und Niveau der Gleichspannungen müssen aber dabei mit dem jeweiligen Betriebszustand verändert werden ("Siemens- Zeitschrift" a. a. O.).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuervorrich tung für einen Pulswechselrichter zu schaffen, die einfach aufgebaut ist und gleichzeitig einen problemlosen Übergang vom teilausgesteuerten, pulsbreitenmodulierten Betrieb zur Vollaussteuerung (Blocksteuerung) ermöglicht. Insbesondere soll damit eine Drehfeldmaschine gesteuert werden, wobei dann als Pulswechselrichter ein Transistor-Wechselrichter vorgesehen ist. Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Bei niedrigen Ausgangsamplituden des Wechselrichters wird also mit einer Dreieckspannung moduliert, die Ausgangsspan nung kann aber kontinuierlich, d. h. ohne Umstellung auf ein anderes Modulationsverfahren, bis praktisch zur Amplitude der Vollblocksteuerung hochgefahren werden.

Vorteilhaft werden dabei als Wechselrichterschalter Transi storschalter verwendet. Diese bieten den Vorteil einer hohen Taktfrequenz, verbunden mit sehr geringen Mindestimpulslän gen. Bei der Wahl der Taktfrequenz braucht dabei praktisch keine Rücksicht mehr auf Mindestimpulslängen genommen zu werden, bzw. es kann auf eine Zeitüberwachung der Einschaltdauern verzichtet werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter ansprüchen angegeben.

Anhand eines Ausführungsbeispiels und dreier Figuren wird die Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt den Verlauf der Steuerspannung U_∼ und der Drei eckspannung U_Λ für die Steuerung der Ausgangsspannung an einem Ausgang des Wechselrichters sowie die Ausgangsspannung U_a und deren Grundschwingung _a am betreffenden Wechselrich terausgang.

Fig. 2 zeigt das Verhältnis der Effektivwerte der Ausgangs grundschwingung, wenn gemäß der Erfindung das Verhältnis zwischen der Steuerspannungsamplitude und der Dreiecksampli tude bis auf Werte weit über 1 gesteigert wird.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Für die Ausgangsspannung am Ausgang eines Wechselrichters wird ein ungefähr sinusförmiger Verlauf gewünscht, wie er sich in Fig. 1 als Grundschwingung _a einer pulsbreitenmo dulierten Ausgangsspannung U_a ausbildet. Anfang und Ende je des Pulses wird durch den Schnittpunkt einer Dreieckspannung U_Λ mit einer Steuerspannung U_∼ gemäß dem bekannten Modula tionsverfahren mit Dreieckspannung bestimmt. Mit k ist dabei das Verhältnis der Steuerspannungsamplitude zur Dreieckspan nungsamplitude bezeichnet.

Man erkennt in Fig. 1, daß für den gestrichelt dargestellten Verlauf U′_∼ der Steuerspannung (k < 1) die Schnittpunkte zwi schen U′_∼ und U_Λ hinreichend weit auseinander liegen, um bei Thyristor-Wechselrichtern eine ausreichende Mindestdauer je des Thyristor-Schaltzustandes sicherzustellen. Dadurch wird eine Ausgangsspannung erreicht, deren Grundschwingungsampli tude erheblich unter dem bei Vollblocksteuerung möglichen Maximalwert liegt.

Geht man zu den Werten k → 1 über, so erhöht sich zwar die Span nungsausnutzung des Wechselrichters und die Grundschwingungs amplitude, jedoch müssen z. B. die Impulslücken bei Durchgang der Ausgangsspannung durch ihren Maximalwert unterdrückt werden, wie in Fig. 1 für den Grenzwert k = 1 (Steuerspannung U_∼, Ausgangsgrundschwingung _a) dargestellt ist. Dies könnte dadurch geschehen, daß mit einer Echtzeit-Überwachung die entsprechenden Umschaltimpulse unterdrückt werden, oder daß auf eine trapezförmige Steuerspannung übergegangen wird. Da bei trifft jedoch jedesmal, wenn auf ein Impulsmuster mit einer anderen Zahl von Impulslücken übergegangen wird, ein Sprung in der Ausgangsspannung auf, der zwar durch weitere Eingriffe in die Steuerung ausgeglichen werden kann, jedoch lassen sich dabei Totzeiten und Trägheiten der Regelung nicht vermeiden.

Durch Verwendung eines Wechselrichters mit Schaltern aus Leistungstransistoren, wie er z. B. in der DE 30 30 485 A1 dargestellt ist, können jedoch extrem geringe Schaltzustands-Dauern erreicht und es kann auf eine aufwendige Überwachung von Mindestdauern verzichtet werden, so daß sich auch der in Fig. 1 gezeigte Grenzfall k = 1 ein fach erzeugen läßt. Natürlich läßt sich auch ein anderer Kurvenverlauf am Wechselrichterausgang erzeugen, indem für die Steuerspannung eine entsprechende Kurve gewählt wird.

Ausgehend von einem niedrigen Sollwert für die Grundschwin gungsamplitude und einem entsprechend niedrigen Verhältnis k wird beim erfindungsgemäßen Verfahren zunächst, ähnlich wie bei der bekannten Sinus-Dreieck-Modulation, die Amplitude der Steuerspannung linear mit der gewünschten Ausgangsampli tude verändert, bis der erwähnte Grenzwert von k (der beim Transistorwechselrichter gleich 1 ist) erreicht ist.

Gegenüber der mit k = 1 erreichbaren Amplitude der Ausgangs grundschwingung kann bei Vollblocksteuerung eine Grund schwingungsamplitude erreicht werden, die um den Faktor 4/π höher liegt. Die Spannungsausnutzung des Wechselrich ters ist damit für Werte k 1 auf 78,5% beschränkt. Um nun für die Ausgangsamplitude Werte bis nahe an die durch die Vollblocksteuerung erreichbare maximale Ausgangsspannung kontinuierlich zu steigern, wird das Verhältnis k überpro portional zur gewünschten Ausgangsamplitude vergrößert. Fig. 2 zeigt das Anwachsen der Grundschwingungsamplitude, normiert auf die bei Vollblocksteuerung erreichbare Grund schwingungsamplitude, im Bereich k = 0 bis k = 4. Man kann also auf diese Weise eine Spannungsausnutzung von etwa 99% erreichen, ohne daß diskontinuierlich auf ein anderes Modu lationsverfahren umgeschaltet werden muß. Dies ermöglicht eine hochdynamische Steuerung ohne Totzeiten und Sprünge. Ferner ist auch die Geräuschentwicklung der Maschine gering, da die Anteile niederfrequenter Oberschwingungen klein sind. Dabei wird es als Vorteil empfunden, daß sich das Oberschwin gungsspektrum der Maschine kontinuierlich ändert.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Steuervorrich tung ist in Fig. 3 gezeigt.

Fig. 3 bezieht sich dabei auf die Steuerung einer Drehfeldma schine. Die Frequenz der Maschinen-Speisespannung wird bei sinusförmigem Verlauf proportional zur Maschinenspannung vor gegeben. Die entsprechende Speisespannung wird von einem (nicht dargestellten) dreiphasigen Transistorwechselrichter geliefert. Die Transistorschalter dieses Wechselrichters wer den von den an den Steuerleitungen A1, A2, A3 abgegriffenen Umschaltimpulsen gesteuert.

Der Sollwert E für die Amplitude der Ausgangsspannung wird einem ersten Funktionsgenerator (Funktionsgeber 1) an einem entsprechenden Eingang 2 eingegeben. Dieser Funktions geber erzeugt ein Amplitudensteuersignal k, das zunächst li near mit dem Amplitudensollwert E, für k < 1 jedoch überpro portional wächst.

Ferner ist ein zweiter Funktionsgenerator (Steuerspannungsge nerator) zur Erzeugung einer sinusförmigen Steuerspannung vorgesehen, dessen Frequenz gleich einem eingegebenen Fre quenzsollwert ist. In diesem Fall wird am Eingang 3 dieses Generators ebenfalls der Amplitudensollwert E eingegeben. Der Steuerspannungsgenerator besteht aus einem mit dem Frequenzsollwert spannungsgesteuerten Frequenzgeber 4, einem Zähler 5, dem die Impulse (Impulsfrequenz f) des Frequenzgebers 4 eingegeben sind, einem dem Zähler 5 nachgeschalteten Festwertspeicher (PROM 6) und einem diesem nachgeschalteten Digital-Analog-Umsetzer 8. Der Zählerstand liefert einen Digitalwert für die Phase ϕ = ω · t am Wechselrichterausgang. Der spannungsgesteuerte Frequenzgeber 4 kann z. B. entsprechend dem gewünschten Auf lösungsvermögen der Steuerung ein Spannungs-Frequenzumsetzer sein, der die 256fache Frequenz der gewünschten Ausgangs frequenz erzeugt. Entsprechend kann als Zähler 5 ein 8-bit- Zähler verwendet werden, so daß jedem Impuls des Frequenzgebers 4, d. h. jedem Zählschritt, eine Phasenänderung von 360°/256 der Ausgangsspannung entspricht. Mit den Ausgängen des Zählers 5 wird ein Festwertspeicher (PROM 6) angesteuert, der zu jedem einem Phasenwinkel entsprechenden Eingangswert den entspre chenden Sinus als Steuerspannung für die Ansteuerung eines Wechselrichterschalters bildet. Zähler 5 und PROM 6 bilden einen Sinusgenerator.

Ferner ist ein Dreiecksgenerator 7 vorgesehen, dessen Fre quenz vorgebbar ist, wobei die erzeugte Dreieckspannung mit der Steuerspannung in einem Komparator eines Steuersatzes 9 verglichen wird, um bei Gleichheit beider Spannungen einen entsprechenden Umschaltimpuls auf den Steuerausgang eines Wechselrichterschalters zu geben. Dabei ist im vorliegenden Fall mittels eines multiplizierenden Digital-Analog-Umsetzers 8 (d. h. mittels eines Umsetzers, dessen Analogsignal mit einem eingebbaren Proportionalitätsfaktor proportional dem digitalen Eingangssignal ist) dafür gesorgt, daß das Verhält nis zwischen der vom PROM 6 gebildeten Spannung E · sin ωt und der Amplitude der Dreieckspannung U_Λ gleich dem vom Funktionsgeber 1 vorgegebenen Amplitudensteuersignal k ist. Selbstverständlich kann man diese Proportionalität auch dadurch erhalten, daß das Amplitudensteuersignal k zur Veränderung der Amplitude der Dreieckspannung verwendet wird.

Um die Umschaltimpulse für alle drei Transistorschalter des Wechselrichters zu erhalten, ist im vorliegenden Fall vor gesehen, daß mit dem digitalen Signal ϕ = ω · t des Zählers 5 parallel zum PROM 6 auch der PROM 10 angesteuert wird, dem ebenfalls ein multiplizierender Digital-Analog-Umsetzer 11 nachgeschaltet ist, um eine Steuerspannung k = E · cosω · t zu erhalten. Den beiden Umsetzern 8, 11 ist ein Koordinaten wandler 12 nachgeschaltet, der daraus drei jeweils um 120° versetzte Steuerspannungen bildet, aus deren Schnittpunkten mit der Dreieckspannung des Dreiecksgenerators 7 der Kompa rator 9 die Umschaltimpulse für die Wechselrichterschalter an den Steuerausgängen A1, A2, A3 bereitstellt.

Claims

1. Steuervorrichtung zum Betrieb eines Pulswechselrichters, insbesondere eines Transistor-Wechselrichters zur Speisung einer Drehfeldmaschine, mit

a) einem Steuerspannungsgenerator (4, 5, 6, 8) zur Erzeugung einer Steuerspannung,
b) einem Dreiecksgenerator (7) mit vorgegebener Frequenz, wo bei das Verhältnis K des Steuerspannungspegels zur Ampli tude der Dreieckspannung durch einen Sollwert (E) für die Amplitude der Wechselrichter-Wechselspannung bestimmt wird, und
c) einem Steuersatz (9), der durch Vergleich der Dreieckspan nung mit der Steuerspannung die Umschaltimpulse für die Wechselrichterschalter bildet,

gekennzeichnet durch

d) einen von einem Amplitudensollwert (E) spannungsgesteuerten Frequenzgeber (4) und einem nachgeschalteten Sinusgenera tor (5, 6) im Steuerspannungsgenerator (4, 5, 6, 8) zur Erzeu gung eines sinusförmigen Verlaufs der Steuerspannung, und
e) einem vom Amplitudensollwert (E) angesteuerten Funktions geber (1), der das Verhältnis der Amplitude der Steuerspan nung zur Dreiecksamplitude nach einer Kennlinie mit stei gendem Amplitudensollwert linear und für K < 1 überpropor tional steigend vorgibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der Sinusgenerator (5, 6) aus einem dem Frequenzgeber (4) nachgeschalteten Zähler (5) und einem vom Zähler (5) adressierten Festwertspeicher (PROM 6) be steht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß dem Frequenzgeber (4) als Fre quenzsollwert der dem Funktionsgeber (1) eingegebene Amplitu densollwert (E) aufgeschaltet ist.