DE69309168T2

DE69309168T2 - Schaltungsanordnung zur Verhinderung der Transformatorsättigung in einem Gleichstrom-/Wechselstromwandler mit einem rückkopplungsgeregelten Wechselrichter

Info

Publication number: DE69309168T2
Application number: DE69309168T
Authority: DE
Inventors: Mauro Carpita
Original assignee: Finmeccanica SpA
Current assignee: Ansaldo Ricerche SpA
Priority date: 1992-07-22
Filing date: 1993-05-19
Publication date: 1997-07-10
Anticipated expiration: 2013-05-20
Also published as: EP0580192A2; ITMI921776A0; IT1255581B; ITMI921776A1; US5355299A; EP0580192B1; EP0580192A3; DE69309168D1; JPH0799785A

Description

Diese Erfindung betrifft eine Schaltung zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine sinusförmige Wechselspannung, bei der ein rückkopplungsgeregelter Schaltwechselrichter über einen Transformator mit einer Last verbunden ist, und im besonderen eine Schaltungsanordnung zum Verhindern der Sättigung des Transformators.
In allgemeinen sind DC/AC-Wandlerschaltungen, d.h. DC/AC-Spannungswandler, Einrichtungen, die eine sinusförmige Spannung mit vorbestimmter, aber veränderlicher Amplitude und Frequenz nach Maßgabe der Erfordernis ausgeben. Ihre Funktion beruht auf dem gesteuerten Schalten eines DC-Spannungseingangs in einen Wechselrichter, der gesteuerte elektronische Schalter enthält.
Es sind Wandler bekannt, die Systeme versorgen, bei denen die Last die Ausgangsgrößen des Wandlers bedeutend beeinflussen kann, und die rückkopplungsgeregelt sind, um eine Veränderung der Sinusausgangswellenform zu vermeiden. Eine Ausführung eines in dem sogenannten gleitenden Modus betriebenen rückkopplungsgeregelten Wandlers wird in der Patentanmeldung Nr. MI92A001290 offenbart, eingereicht von diesem Anmelder am 25. Mai 1992, die EP-A-513088, veröffentlicht am 12.8.93, entspricht. Bei diesem Stand der Technik werden die Ausgangspannung und der Ausgangsstrom des Wechselrichters mit einer sinusförmigen Bezugsspannung bzw. einem sinusförmigen Bezugsstrom verglichen, und das Ergebnis des Vergleichs, d.h. das Fehlersignal, wird verwendet, um die Folge und die Schaltzeiten der Wechselrichterschalter, die am wirkungsvollsten sind, um die Ausgangsgrößen auf den gewünschten Werten zu halten, automatisch einzustellen.
Bei vielen praktischen Anwendungen der Wandler muß ein Transformator verwendet werden, um sowohl eine Spannung mit einer Amplitude anders als die der eigenen Ausgangsspannung des Wechselrichters, gewöhnlich eine größere, auszugeben, als auch eine galvanische Trennung der DC- Spannungsquelle von der Last sicherzustellen.
Bei Wandlern des Transformatorentyps, die durch Messen der Ausgangsgrößen der Transformator-Sekundärwicklung rückkopplungsgeregelt werden, können Probleme aus der Sättigung des Transformatorkerns entstehen. In der Tat kann infolge von unsymmetrischem oder ungleichem Betrieb des Wechselrichters, wie er z.B. durch geringfügige Unterschiede in den elektronischen Schaltern verursacht werden kann, oder infolge von beabsichtigten oder unbeabsichtigten Zeitverschiebungen in den Schließen- und Öffnenbefehlen an die verschiedenen Schalter eine DC-Spannungskomponente in der Transformator-Primärwicklung erscheinen. Da das Rückkopplungssystem diese Komponente nicht erfassen kann, weil die Messungen im Sekundärkreis vorgenommen werden, wird die DC-Komponente einen erhöhten Magnetisierungsstrom und die begleitende Wahrscheinlichkeit zur Folge haben, daß der Kern gesättigt wird.
Um diesen Effekt abzuschwächen, sind schaltungsmäßige Auswege vorgeschlagen worden, um die DC-Eingangsspannung in den Wechselrichter in einer allmählichen Weise heraufzusetzen. Während diese Lösung des Standes der Technik die Kernsättigung durch Einschalterscheinungen kraft der darin mit einer langsamen Geschwindigkeit auftretenden Kernmagnetisierung vermeidet, mangelt es ihr jedoch an der Lösung des Problems, das, wie erwähnt, hauptsächlich mit strukturellen Unsymmetrien veibunden ist.
Es ist die Aufgabe dieser Erfindung, die Sättigung des Transformators in einem Wandler des oben dargelegten Typs mit erhöhter Wirksamkeit zu verhindern.
Eine Anti-Sättigungsschaltung, die die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 umfaßt, ist aus US-A-4 939 633 bekannt.
Diese Aufgabe wird durch die Bereitstellung einer Schaltungsanordnung wie in dem dieser Beschreibung beigefügten Anspruch angegeben und gekennzeichnet erfüllt.
Die Erfindung kann aus der folgenden ausführlichen Beschreibung einer Ausführung, die als Beispiel und nicht als Einschränkung zu sehen ist, in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung klarer verstanden werden. Fig 1 zeigt einen Wandler, der mit einer Schaltung zum Verhindern der Erzeugung einer Gleichstromkomponente und einer Ungleichgewichtskomponente in einem Wandler versehen ist, wie aus JP-A-58015492 bekannt, und Fig. 2 der Zeichnung zeigt im wesentlichen in Blockschaltbildform einen ähnlichen Wandler, der mit einer Version einer erfindungsgemäßen Anti-Sättigungseinrichtung ausgestattet ist.
Der in den Figuren der Zeichnung gezeigte Wandler umfaßt einen Wechselrichter, der zum Schalten durch Pulsbreitenmodulation gesteuert wird und unter Verwendung eines Gleitmodusverfahrens ähnlich dem, das in der vorerwähnten Patentanmeldung im Detail beschrieben wird, ruckkopplungsgeregelt ist.
Insbesondere ist mit Verweis auf Fig. 1 ein Einphasen-Wechselrichter in einer Brückenschaltung, allgemein bei 10 gezeigt, mit seinem Eingang mit einer DC-Spannungsquelle U, nicht gezeigt, und mit seinem Ausgang mit der Primärseite eines Transformators 11 über eine Spule 12 mit einei Induktion L verbunden. Die Sekundärseite des Transformators 11 ist mit einer Last 13 parallel zu einem Kondensator 14 mit einer Kapazität C verbunden. Die Spannung vc über dem Kondensator 14 und der Kondensatorladestrom ic, die den Ausgangszustand x der Schaltung darstellen, werden durch besonders bereitgestellte Sensoren 15, 16 abgetastet und in einem Spannungskomparator 17 und einem Schaltungsknoten 18 mit einer Bezugsspannung vr bzw. einem Bezugsstrom Ir verglichen, die durch absichtlich eingerichtete sinusförmige Spannungs- und Stromquellen erzeugt werden.
Die Ausgänge des Komparators 17 und des Knotens 18, wo die Vergleichsergebnisslgnale, d.h. die Zustandsfehlersignale ve und ie, kurz xe, erscheinen würden, sind mit einem Verstärker 21 mit einer Verstärkung K&sub1; bzw. einem Verstärker 22 mit einer Verstärkung K&sub2; verbunden. Die Ausgänge der Verstärker 21, 22 sind mit einer Summierungsschaltung 23 verbunden, die die Verstärkerausgangssignale miteinander vereinigt, um ein Signal auszugeben, das ein gewichtetes Mittel der Zustandsfehler s(xe) darstellt. Der Ausgang der Summierungsschaltung 23 ist mit dem Eingang eines Hysteresekomparators 24 verbunden, dessen Ausgang mit einer Logiksteuerschaltung 25 verbunden, die wiederum mit einem Steuereingang des Wechselrichters 10 verbunden ist, um sein Umschalten zu steuern, das heißt, seine Schalter zu treiben, um zu trennen und zu schließen. Ein Eingang der Logikschaltung 25 ist auch mit dem Ausgang der Bezugsspannungsquelle 19 verbunden.
In Betrieb steuert das Ausgangssignal s(xe) der Summierungsschaltung 23 den Hysteresekomparator 24, um die Logikschaltung 25 mit einem Logiksignal mit einem ersten Pegel zu speisen, wenn s(xe) größer als null, und mit einem zweiten Pegel, wenn s(xe) kleiner als null. Die Logikschaltung wird nach bekannten herkömmlichen Techniken durch ein sequentielles Netzwerk implementiert, wodurch die Wechselrichterschalter in Kombination und nacheinander gesteuert werden, um den Ausgang u des Wechselrichters die folgenden Bedingungen erfüllen zu lassen:
u = Umax wenn s(xe) > 0 und vr > 0
u = 0 wenn s(xe) < 0 und vr > 0
u = 0 wenn s(xe) > 0 und vr < 0
u = Umim wenn s(x.) < 0 und vr < 0
worin Umax und Umin Spannungen sind, die im Absolutwert im wesentlichen gleich der DC-Spannung am Eingang des Wechselrichters 10 sind und positive bzw. negative Vorzeichen tragen. Außerdem ist die Logikschaltung 25 so, daß sie die Schaltfolge optimiert, indem sie auch die zwei verschiedenen Zustände verwendet, die es ermöglichen, eine Nullspannung auszugeben.
Die Ausgangsspannung u des Wechselrichters 10, wie in der gerade beschriebenen Weise moduliert, wird durch die Induktion der Spule 12 und der Primärwicklung des Transformators sowie durch den Kondensator C auf der Sekundärseite gefiltert, und der Wandler gibt folglich eine Spannung vc aus, die eine im wesentlichen sinusförmige Wellenform und eine Amplitude aufweist, die von dem Übersetzungsverhältnis des Transformators abhängen wird. Das Muster der Ausgangsspannung vc wird ungeachtet irgendwelcher Veränderungen in der Last 13 durch die Rückkopplungsschaltung stabil gehalten. Irgendwelche Symmetriefehler des Wechselrichters 10 können jedoch ein Ungleichgewicht in seiner Ausgangsspannung erzeugen, das das Erscheinen einer DC-Spannungskomponente auf der Primärseite des Transformators 11 zur Folge hat. Da der Zustand der Schaltung im Sekundärkreis abgetastet wird, kann die oben beschriebene Rückkopplungsaktion dieses Ungleichgewicht nicht ausgleichen, und der Transformatorkern kann folglich gesättigt werden.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführung wird dieser Nachteil durch die Verwendung einer Schaltungseinrichtung entfernt, die eine zweite regelnde Rückkopplungsschleife für den Wandler bildet. Das heißt, die Antisättigungs-Schaltungseinrichtung umfaßt einen mit dem Primärkreis des Transformators verbundenen Stromsensor 30, einen Integrator 31, der ein Signal ausgibt, das proportional zu einer durch den Sensor 30 abgetasteten DC-Komponente ist, und einen Regler 32, dem dieses Signal eingegeben wird und der an die Summierungsschaltung 23 ein Fehlersignal anlegt, um das Signal, das das durch den Addierer erzeugte gewichtete Mittel der Zustandsfehler darstellt, zu korrigieren, um dadurch die Schaltsignale des Wechselrichters 10 mittels der Logikschaltung 25 zu modifizieren. Verständlicherweise sind die Amplitude und das Vorzeichen des Fehlersignals so, daß der letzendliche Effekt dazu neigen wird, den Fehler aufzuheben, das heißt, die DC-Komponente im Primärstrom des Transformators aufzuheben.
In Fig 2 wird eine Ausführung der Erfindung gezeigt, die auf einen Wandler angewandt wird, der dem Wandler von Fig. 1 sehr ähnlich ist. Die Anti-Sättigungsschaltungseinrichtung basiert hier auf einer Verarbeitungsschaltung 33, die den Aufbau und die Funktion des Wechselrichters 10 simuliert. Ihr werden die von der Logiksteuerschaltung 25 erzeugten Steuersignale des Wechselrichters 10 eingegeben, und sie berechnet eine Größe us, die der Ausgangsspannung u des Wechselrichters entspricht. Diese Größe us wird an einen Integrator 34 angelegt, der ein Signal ausgeben wird, das mit der DC-Komponente auf der Primärseite des Transformators korreliert ist; in der Praxis ein hierzu proportionales Signal, das durch Berechnen des Mittelwerts der Größe us zu erlangen ist. Dieses Signal wird dann über einen Regler 35 an die Summierungsschaltung 23 mit einer Amplitude und einem Vorzeichen angelegt, die so sind, daß das Ungleichgewicht, das die DC-Komponente hervorbrachte, kompensiert wird.
Man beachte, daß diese Rückkopplungsregelwirkung in diesem Fall indirekt ist. In der Tat kann die Simulation in der Verarbeitungsschaltung 33 die strukturellen und funktionellen Unsymmetrien des Wechselrichters 10 nicht direkt in Betracht ziehen. Infolge der Hauptrückkopplungsschleife spiegeln sich diese jedoch auf der Form der modulierten Spannung, die am Wechselrichterausgang erscheint, und folglich auf dem durch die Logikschaltung 25 erzeugten Steuersignalen zum Schalten des Wechselrichters wider. Die Information über das Ungleichgewicht des Wechselrichters wird daher die Verarbeitungsschaltung über diese Steuersignale erreichen. Dies erklärt, warum die Anti-Sättigungseinrichtung den Symmetriefehler mit einiger Näherung ausgleicht, aber kein Problem darstellt, weil die Regelschleife sehr langsam ( 3- 4 Perioden) ist und nur darauf gerichtet ist, zu verhindern, daß der Magnetisierungsstrom mit der Zeit "driftet" und der Transformator zur Sättigung gebracht wird.
Während nur eine Ausführung der Erfindung beschrieben und erklärt worden ist, versteht sich, daß viele Änderungen und Modifikationen innerhalb des Umfangs desselben erfinderischen Gedankens, wie beansprucht, daran vorgenommen werden können. Zum Beispiel kann die Antisättigungseinrichtung der Erfindung daher ohne weiteres zum Betrieb mit Wandlern mit mehrphasigen Wechselrichtern anstelle des Einphasigen, wie der beschriebene, angepaßt werden, vorausgesetzt, daß solche Wandler ein Rückkopplungs-Regelsystem enthalten.

Claims

1. Antisättigungs-Schaltungseinrichtung für einen Transformator (11), der mit seiner Primärwicklung mit dem Ausgang eines Wechselrichters (10) einer Schaltung zur Umwandlung einer DC-Spannung (U) in eine sinusförmige AC-Spannung (Vc) verbunden ist, wobei die Umwandlungsschaltung eine Steuersignal-Erzeugungseinrichtung (23-25), die mit dem Wechselrichter (10) verbunden ist und Schaltsignale zum Steuern des Wechselrichters (10) erzeugt, um nach Maßgabe einer vorbestimmten Schaltprozedur zu schalten, und eine Rückkopplungseinrichtung (15- 25) umfaßt, die auf wenigstens eine Zustandsgröße (vc, ic) der Schaltung reagiert, indem sie so auf die Steuersignal-Erzeugungseinrichtung (23-25) einwirkt, daß die wenigstens eine Zustandsgröße (vc, ic) modifiziert und ein vorbestimmtes stabiles Muster der sinusförmigen AC- Ausgangsspannung (vc) sichergestellt wird, wobei die Antisättigungseinrichtung eine Korrektureinrichtung (33-35) umfaßt, die eine ein Ungleichgewicht in der von dem Wechselrichter (10) ausgegebenen Spannung (u) anzeigende Größe abtastet, die das Erscheinen einer DC-Spannungskomponente in der Primärwicklung des Transformators (11) verursacht, und ein Korrektursignal zum Modifizieren der Schaltsignale an die Steuersignal-Erzeugungseinrichtung (23-25) so anlegt, daß die DC-Spannungskomponente aufgehoben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektureinrichtung (33-35) eine Verarbeitungseinrichtung (33), die mit der Schaltersteuersignal-Erzeugungseinrichtung (25) verbunden ist und auf die Schaltsignale anspricht, um die Funktion des Wechselrichters (10) durch Berechnen einer der Ausgangsspannung (u) des Wechselrichters (10) entsprechenden Größe (us) zu simulieren, einen Integrator (34) zum Erzeugen einer mit der DC-Komponente der berechneten Größe (us) korrelierten Ausgangsgröße sowie eine Einrichtung (35) zum Erlangen des Korrektursignals von der Ausgangsgröße des Integrators (34) umfaßt.