DE2112186C3

DE2112186C3 - Verfahren zur Bildung der Steuersignale eines Pulswechselrichters für die Drehzahlsteuerung von Drehfeldmaschinen sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2112186C3
Application number: DE2112186A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Dipl.- Ing. Bayer; Hermann Dr.-Ing. 8520 Erlangen Tappeiner; Hermann Dipl.-Ing. 8521 Weiher Waldmann; Manfred Dipl.-Ing. Weibelzahl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-03-13
Filing date: 1971-03-13
Publication date: 1975-05-07
Also published as: CH541251A; SE384615B; CA945203A; ZA721708B; AU464268B2; JPS557069B1; DE2112186B2; FR2129562A5; GB1375488A; DE2112186A1; US3820003A; ES400705A1; AU3996072A

Description

5 Anordnung zur Durchführung des Verfah- stanten Gleichspannungsbeträgen gebildet sind, deren rens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 45 Größen nach einer gewünschien Gesetzmäßigkeit in daß die der gewünschten Amplitude der Grund- Abhängigkeit von einer Steuerspannung, deren Betrag schwingung entsprechende Steuerspannung(U ,) von der gewünschten Amplitude der Grundschwindem Eingang einer Verstärkerkette (V 1 bis V5) gung der Ausgangswechselspannung abhängt, vervorgegeben ist, deren Ausgänge (A₁, A₁) die ge- änderbar ist.
wünschtenHilfsgleichspannungen(a_ra.,)abgeben, so Als besonderer Vorteil die.es Verfahrens wird es

angesehen, daß die Lage der einzelnen Anstiegs- und

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Abfallflanken der Impulse in jeder Halbperiode der Bildung der Steuersignale eines Pulswechsclrichters Ausgangswechsdspannung durch Veränderung der tür die Drehzahlsteuerung von Drehfeldmaschine^ Größe der Gleichspannungsbeträge frei nach Wunsch insbesondere Asynchronmaschinen, bei dem die 55 eingestellt werden kann. Bei vorgegebener Anzahl Schnittpunkte einer Referenzspannungskurve mit von Impulsen pro Halbperiode, also bei vorgegebener periodischem Verlauf, deren Frequenz der gewünsch- Anzahl von Hilfsgleichspannungskurven, läßt sich ten Grundschwingungsfrequenz der Ausgangswechsel- jedes gewünschte Stcuerimpulsbild erzeugen. Damit spannung des Pulswechsclrichters entspricht, mit läßt sich eine optimale Ausnutzung der gegebenen mindestens einer Hilfsspannungskurve verwendet 60 Versorgungsspannung des Pulswechselrichters gewerden, sowie eine Anordnung zur Durchführung des wührleisten.

Verfahrens. Die Referenzspannungskurvc ist zweckmäßiger-

Ein solches Verfahren ist z. B. unter dem Namen weise eine Sinuskurve konstanter Amplitude; sie

»Unterschwingungsverfahren« aus den BBC-Nach- kann aber auch eine Sägezahn-, Dreiecks- oder

richten, 1966, Seite 44 bis 52 bekannt. Danach wird 65 Trapezkurve sein.

eine sinusförmige Referenzspannungskurve mit der Zwecks Einhaltung einer Mindestimpulszeit ist es

Frequenz der gewünschten Grundschwingung durch angebracht, daß die Gleichspannung der Hilfsgleich-

eine Hilfsspannungskurve, und zwar eine symmetri- spannungskurve mit dem kleinsten Gleichspannungs-

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betrag so geführt wird, daß ein bestimmter Mindest- nungskurve r verschieben. Diese Verschiebung kann spannungsweri nicht unterschritten wird, hntspre- mit Hilfe der Steuerspannung tv,_t so lange durchgcchend ist es zwecks Einhaltung einer N'sindestdauer führt werden, bis ein vorgegebener zeitlicher Minder Impulslücken angebracht, daß die Gleichspan- destabstand /„„„ von den Nulldurchgängen erreicht nungen benachbarter Hilfsgleichspannungskurvcn so 5 ist. Dieser zeitliche Mindestabstand /„,„, entspricht gelührt »erden, daß ein bestimmter Mindest- dem in Fig. 2 eingezeichneten Mindcstspannungsabstands-Spannungsvvert nicht unterschritten wird. wert b„ der unleren Hilfsgleichspanniurigskurve a_v

Vorteilhafterweise kann ferner so vorgegangen Ein solches Verfahren bietet zwei Vorteile: Das

werden, daii die Gleichspannungen zweier Hilfs- entstehende Steuerimpulsbild Z ist automatisch syn-

gleichspannungskurven in Abhängigkeit von der »o chron zur Referenzspannungskurvc r, und durch

gemeinsamen Steuerspannung so geführt werden, daß geeignete Führung der Gleichspannungen der Kurven

nach Erreichen des Mindestabstands-Spaniuingswcr- «, und a., im Steuerabschnitt Π läßt sich eine gute

tes, der einer Mindestdauer für jede lmpulslücke Ausnutzung der gegebenen Vcrsorgungsglcichspan-

entspricht. beide Gleichspannungen zwecks Va schic- nung für den Pulswechsel richtcr zur Erzeugung einer

bung der Impulslücken nach außen in Richtung auf »5 hohen Grundschwingungsspannung erreichen,

die Nullpunkte der Referenzspannungskurve abge- Fig. 3 zeigt eine Anordnung zur Bildung und

senkt werden. Führung der Gleichspannungen gemäß Fig. 2 mit

Fine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens Hilfe von Verstärkern V\ bis VS.

zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß die Gemäß Fig. 3 wird dem Verstärker V5 eingangs-

dcr gewünschten Amplitude der Grundschwingung »° seitig über den Eingang 1 die positive Steuerspannung

entsprechende Steuerspannung dem Hingang einer U , und über den Eingang 2 eine negative Vorcinspei-

Verstärkerkette vorgegeben ist, deren Ausgange die sespannung N„ zugeführt. Der Ausgang des Verstär-

gewünschten Gleichspannungen abgeben. kersK5 liegt am Eingang 2 des Verstärkers V1, an

Die in ihrer Spannungshöhe vcränderbaien Hilfs- dessen Eingang 1 der negative Mindcstspannungsglcichspannungskurven sollen so geführt sein, duß »5 wert b„ und an dessen Eingang 3 die positive Steuersich ein maximaler Grundschwingungsgehalt und ein spannung U , liegt. Der Ausgang des Verstärkers V1 minimaler Oberschwingungsgehalt der Au-.gangs- belegt den Eingang 2 des Verstärkern V 2, dessen spannung des Pulswechselrichters ergibt. Eiingang 1 ebenfalls den negativen Mindestspannungs-

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von lünf wert b„ erhält. Der Ausgang des Verstärkers Vl ist

Figuren näher erläutert. 3° an die Ausgangsklemme A, und überdies an den Ein-

Nach Fig. 1 erfolgt die Bildung der Steuer- gang 3 des Verstärkers V4 angeschlossen, dessen

signale, die für die Impulsbreitenmodulation der Ausgang an die Ausgangsklemme A₁ angeschlossen

Ausgangswcchselspannung eines Pulswechseliichter. ist und dessen Eingang 1 den negativen Mindcstspan-

vcrwendet werden, durch Vergleich einer Referenz- nungswert b„ führt, während der Eingang 2 des Ver-

spannungskurve r mit z. B. π 2 Hilfsglcichspan- 35 stärkers VX an den Ausgang des Verstärkers ^3 an-

nungskurven α,, <ϊ₂, welche nach bestimm'cn Ge- geschlossen ist. Der Eingang 1 des Verstärkers V 3

Sichtspunkten in Abhängigkeit von einer Steuer pan- führt ebenfalls den negativen Mindcstabstands-

nungf, (vergl. Fig. 2) geführt werden. Wie die Spannungswert b„; der Eingang 2 des Verstärkers V3

Fi g. 1 zeigt, geschieht die Steuersignalbildung durch ist durch die negative Steuerspannung U , belegt,

Schnitt der normierten sinusförmigen Rcfcrcn/span- 4° während der Eingang 3 des Verstärkers V3 an einer

nungskurver mit den beiden Hilfsgleichspannungs- positiven Vorcinspeiscspannung/'„ liegt. An den

kurven α,, ο,. Ausgangen A_x und A_z entstehen die gewünschten

Die Referenzspannungskurve r wird mit den HiITs- Gleichspannungskurven a_x und a_r
gleichspannungskurven α,, α., verglichen; jeweils bei Ein Prinzipschaltbild eines dreiphasigen Puls-Spannungsgleichheit schalten (nicht gezeigte) Grenz- 45 Wechselrichters, bei dem die Veränderung der Frcwertmelder. Diese bilden eine Folge von Zünd- und quenz und der Ausgangswechsclspannung durch Steuerimpulsen, die als Steuerimpulsbild Z im unteren Impulsbreitenmodulation bei konstanter Versor-Teil von Fig. 1 dargestellt sind. Dem Steuerimpuls- gungsgleichspannung erfolgt, ist in der Fig. 4 verbildZ entspricht der Potentialverlauf an einer Aus- anschaulicht. Der Pulswechselrichtcr läßt sich als gangsklemme des Pulswechselrichtcrs. 5° Kombination periodisch arbeitender Schalter Sch,

Die Fig. 2 veranschaulicht ein Beispiel für die Sch', Sch" auffassen. Bei dem dargestellten Puls-Führung der beiden Gleichspannungen der Hilfs- wechselrichter mit Drehstromausgang legen die gleichspannungskurven α, und a+ in Abhängigkeit von Schalter Sch, Sch', Sch" abwechselnd den positiven der Steuerspannung U.,. In einem ersten Steuer- Pol /' oder den negativen Pol N einer Gleichspanabschnitt I wird der Abstand b' der beiden Gleich- 55 nungsquelle, welche die Versorgungsglcichspannung Spannungskurven a_v a₂ mit steigender Steuerspan- (Ai führt, an die Klemmen R, S und T der angeschlosnung L/., gleichförmig verringert. Dadurch werden senen Drehfeldmaschine M. Dem elektronischen die beiden Impulslücken Zi. der Breite /' in F i g. 1 Steuerteil obliegt es, die Stellungen dieser Schalter verkleinert, bis sie eine zulässige Mindcstdauer /',„■„, Sch, Sch', Sch" periodisch so zu wechseln, daß zwierreicht haben. Der Mindcstdauer t'_mm entspricht der 6o sehen den Klemmen R, S, T ein dreiphasiges symme-Mindestabstands-Spannungswert b'„ der beiden Hilfs- trischcs Wcchselspannungssystem entsteht, dessen gleichspannungskurven α,, α., in Fig. 2. Nach Errci- Grundschwingung eine vorgegebene Frequenz und chen dieser Mindestdauer ί',,,ί,ι lassen sich die beiden Amplitude besitzt.

ImpulslückenZ₁. in einem zweiten Steucrabschnitt II Die Fig. 5 veranschaulicht ein Beispiel für den unter Beibehaltung ihrer Mindestbreite (',„;„ durch 65 Spannungs*· und Stromverlauf bei einer erfindungsgleichzeitiges und paralleles Absenken der Gleich- gemäßen Impulsbreitenmodulation, bei der im Gespannungen der Kurven a_v a„ jeweils nach außen in gensatz zu F i g. 1 und 2 η — 4 Hilfsgleichsspan-Richtung auf die Nulldurchgänge der Referenzspan- nungskurven α, ... a_n verwendet werden. Die Kur-

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venzügc A 1 und A 2 zeigen den Spannungsverlauf der Glcichspannungskurven a, .. . a„ läßt sieh also

l/_ilM bzw. Usμ an zwei Klemmen R bzw. .S' gegen ein geeignetes Stcuerimpulsbild und damit ein ge-

den GlcichspannungsmitlcipunktM (F"ig, 4). Der wünschter Verlauf der Ausgangxweehselspunnung

Kurvenzug A 3 gibt die zugehörige Leiterspannung erreiehen.

U|_IS und der Kurvenzuge den Laststrom wieder, wie 5 Hin wiehtiges Kriterium für die Qualität der er beispielsweise als Strom /».< im Wicklungsstrang Impulsbreitenmodulation ist die maximal erreichbare einer im Dreieck geschalteten Drehfeldmaschine M Grundschwingungsamplitude in der Ausgangswcchfließt. Aus der F i g. 5 ist ersichtlich, daß die Leiter- sclspannung des Pulswcchselrichters. Sie steht in spannung Uns (Kurvenzug/! 3) neben dem strich- engem Zusammenhang mit den Wechselrichtercigenpunkliert angedeuteten Grundschwingungsanteil 10 schäften. In Fig. 5 ist gestrichelt der Spannungszwangläufig Oberschwingungen verschiedener Frc- verlauf im nicht-modulierten Betrieb eingezeichnet, quenzen enthält. Solche Spannungsoberschwingungen Die Leiterspannung U_tt< besteht dort aus Spannungshaben in der Drehfeldmaschine M Stromoberschwin- abschnitten von 120" Breite. Mit diesem nicht-modugungen zur Folge, welche diese zusätzlich belasten. lierten Spannungsverlauf wird bei einer gegebenen Die Impulsbreitenmodulation, d.h. die Einstellung 15 VersorgungsgleichspannungU,i der grollte ElTcktivder einzelnen Impulse in der Leiterspannung Ui^ wert der Grundschwingung erreicht. Man erhalt den nach Breite und Lage durch Führung der in ihren gestrichelten Spannungsvcrlauf aus den impulsbreilen-Beträgen veränderbaren Gleichspannungskurven u, modulierten Spannungsverläufen A 1, A 2 dadurch, bis a„, ist daher so durchzuführen, daß sich ein maxi- daß die einzelnen negativen Impulse in der jeweiligen maler Grundschwingungsgehalt und ein minimaler ao positiven Halbschwingung und die positiven Impulse Oberschwingungsgehalt in der Ausgangswechschnan- in der jeweiligen negativen Halbschwingung vernung des Pulswechsclrichters ergibt. Noch verblei- schwinden. Praktisch ist ein solcher Übergang vom bende Oberschwingungen sollen eine so hohe Frc- modulierten in den nicht-modulierten Betrieb nicht quenz besitzen, daß damit die Obcrschwingungs- kontinuierlich möglich, da zwischen zwei Umschaltströme durch die in der Drehfeldmaschine M vor- as vorgängen einer Wechselrichterphase cine Mindesthandencn Streureaktioncn klein gehalten werden. Ein cinschaltdauer eingehalten werden muß, welche die hoher Grundschwingungsgehalt in der Leiterspan- Zeitdauer des Kommuticnmgsvorgangcs berücknung Uns läßt sich erreichen, wenn die einzelnen sichtigt.

Impulsbreiten proportional zu den entsprechenden Fin sprunghafter Übergang auf den nicht-modu-

Augenblickswerten der Grundschwingung variiert 3° lierten Zustand ist — insbesondere im geregellen

werden. Die gewünschte Grundschwingung wird als Betrieb eines Thyristor-Pulswechselrichters — meist

Referenzspannungskurve r vorgegeben. nicht zulässig. Im modulierten Betrieb läßt sich nicht

Das beschriebene Verfahren zur Bildung der im- ganz die Grundschwingungsamplitude erreiehen, die

pulsbrcitenmodulierten Steuersignale besitzt eine dem Spannungsverlauf mit Spannungsabschnitten von

große Freizügigkeit bezüglich der Wahl des Impuls- 35 120 Breite entspricht. Die Annäherung ist um so

bildes Z und damit der Schaltzeitpunkte für den besser, je geringer die Zahl der Schaltvorgänge ir

Pulswechselrichter, wenn die Referenzspannungs- jeder Halbschwingung ist. Die Spannungsausnutzung

kurver durch ein System von Hilfsgleichspannungs- nimmt also mit abnehmender Pulsfrequenz iAnzah

kurven α, ... a„ mit konstanten Gleichspannungs- der Impulse pro Halbschwingung) zu. Weiter folg

betragen abgetastet wird. Zu diesem Zweck besitzt 40 aus den Gesetzen der harmonischen Analyse eir

die Referenzspannungskurve r mit der geforderten Anwachsen der Grundschwingungsamplitude mit zu

Grundfrequenz eine konstante Amplitude. Durch nehmender Entfernung der Schaltzeitpunkle aus de

entsprechende Wahl der Anzahl und der Führung Mitte der Grundschwingungshalbperiode.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

ι 2 sehe Dreieckspannung höherer Frequenz und kon- Patentansprüche: slanler Amplitude, abgetastet. Ip den Schnittpunkten

1. Verfahren zur Bildung der Steuersignale der Dreieckspannung mit der Referen/spannung,-eines Pulswechselrichters für die Drehzahlsteue- kurve wird jeweils der zugehörige behälter »les «mg von Drehfeldmaschinen, insbesondere von 5 Wechselrichters betätigt. Man erhalt eine Ausgangs-Asynchronmaschinen, bei dem die Schnittpunkte wechselspannung, die pro Periode aus einzelnen einer Referenzspannungskurve mit periodischem positiven und negativen Spannungsimpulsen zusam-Verlauf, deren Frequenz der gewünschten Grund- mengesetzt ist. Ändert man die positiven und ncgaschwingungsfrequcnz der Ausgangswechselspan- liven Spannungszeitilächen, indem man die Dauer der •ung des Pulswechsclrichters entspricht, mit min- _lo positiven und negativen Spannungsimpuls^ konstanter bestens einer Hilfsspannungskurve verwendet Amplitude verändert (Impulsbreitenmodulation), so werden, dadurch gekennzeichnet, dall vergrößert oder verkleinert sich der Mittelwert der «lic Schnittpunkte durch eine vorgegebene Anzahl Ausgangswechselspannung. Die Oberschwingungen in von Hilfsgleichspannungskurven mit innerhalb der Ausgangswechselspannung und im Ausgangsder Periodendauer mindestens annähernd kon- i_S wechselstrom des Wechselrichters können berechnet stanten Gleichspannungsbetragen gebildet sind, und ihr Minimum festgelegt werden. So läßt sich deren Größen nach einer gewünschten Gesetz- durch Wahl der geeigneten Kurvenform der Hilfsmäßigkeit in Abhängigkeit von einer Steuerspan- spannungskurve die Oberwelligkeit auf ein Minimum nung, deren Betrag von der gewünschten Ampli- bringen.

tude der Grundschwingung der Ausgangswechsel- ao I in Nachteil dieses bekannten Verfahrens Ut darin

spannung abhängt, veränderbar ist. gelegen, daß eine Synchronisation zwischen der Re-

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch feren/spannungskurve und der Dreieckspannung und gekennzeichnet, daß die Gleichspannung der damit zwischen Relcrenzspannungskurve und Steuer-Hilfsgleichspannungskurvc mit dem kleinsten impulsbild. z. B. bei schnellen Änderungen der Fre-Gleichspannungsbctrag so geführt wird, daß ein t$ quen/, nkht oder nur mit erheblichem Aufwand bestimmter Mindcstspannung>wcrt nicht unter möglich im. besonders dann, wenn die Referenzschritten wird. spannungskurve extern von einem Regler in einem

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch Regelungskreis vorgegeben wird. Weiterhin ist es bei gekennzeichnet, daß die Gleichspannungen be- diesem Verfahren zwar möglich, die Breite der cinnachbartcr Hilfsglcichspannungskurven so geführt 30 zelnen Impulslücken zu verändern; doch ist der Abwerden, daß ein bestimmter Mindestabstands- stand zweier Impulslücken aus prinzipiellen Giündcn Spannungswert nicht unterschritten wird. praktisch nicht veränderbar.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche I Demgegenüber ist es Aufgabe der F.rfindung, eincrbis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleich- seits bei geringem Aufwand die erforderliche Synspannungen zweier Hilfsglckhspannungskurvcn 35 chronisation sicherzustellen und andererseits eine in Abhängigkeit von der gemeinsamen Steuer- größere Freizügigkeit des Steucrimpulsbildes, also in spannung so geführt werden, daß nach Erreichen der Wahl der Lage der Schaltzcitpunkte in bezug auf des Mindestabstands-Spannungswertes, der einer die Grundschwingung, zu erreichen.
Mindestdauer für jede Impulslücke entspricht, Diese Aufgabe wird ausgehend vom eingangs beide Gleichspannungen zwecks Verschiebung 40 genannten Verfahren crfindungsgemäß dadurch gcder lmpulsl'ickcn nach außen in Richtung auf die löst, daß die Schnittpunkte durch eine vorgegebene Nullpunkte der Referenzspannungskurve abge- Anzahl von Hilfsgleichspannungskurven mit innersenkt werden. halb der Periodendauer mindestens annähernd kon-