DE3320006C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-OS 31 30 672 bekannt.

Zweck der Erfindung ist die Vermeidung von störenden niederfrequenten Drehmomentpulsationen im Anfahrbereich einer Drehfeldmaschine.

Bekannt ist ein drehwinkelabhängiges Pulsverfahren mit optimalen Mustern.

Bei diesem Verfahren wird die Ständerdurchflutung der Maschine in Abhängigkeit vom Winkel zwischen Ständerstromsollwertzeiger und Ständerwicklungsachse gesteuert. Da nur eine beschränkte Zahl diskreter Winkel für den Ständerstromistwertzeiger realisierbar ist, wird bei laufendem Sollwertwinkel zur Mitteilung eine Pulsung zwischen benachbarten einstellbaren Durchflutungen vorgenommen. In der Dissertation RWTH Aachen, 1979 von W. Lienau "Untersuchung eines stromeinprägenden Wechselrichters, der zur Speisung einer frequenzgesteuerten Asynchronmaschine in einem Bahnantrieb geeignet ist", wird detailliert über verschiedene Taktarten (9-, 7-, 5-, 3erTakt) berichtet, mit denen sich die niedrigen Harmonischen in den gepulsten Strömen weitgehend unterdrücken lassen.

Die Realisierung dieses Verfahrens ist erschwert für sehr niedrige Umlaufgeschwindigkeiten des Ständerstromsollwertzeigers, da dies sehr hohe Taktzahlen erforderte. Insbesondere bei Stillstand des Stromistwertzeigers auf einem Zwischenwert der diskreten realisierbaren Winkel arbeitet dieses winkelabhängige Verfahren unzureichend, da kein Wechsel zwischen den einstellbaren Durchflutungszuständen mehr stattfindet. Es muß auf zeitabhängige Pulsung übergegangen werden.

Bei diesem Verfahren mit zeitabhängiger Pulsung wird aus winkelabhängig vorgegebenen Durchflutungsanteilen pro Pulszyklus in konstanten Zykluszeiten die gewünschte mittlere Durchflutung zusammengesetzt. Die konstanten Pulszykluszeiten ermöglichen auch die Stellung von Strommittelwerten bei Stillstand des Sollwertzeigers.

Zu den Verfahren mit zeitabhängiger Pulsung gehört das bekannte Verfahren mit Winkelmodulation, um bei sehr niedrigen Ausgangsfrequenzen des Stromrichters eine Kurzzeitmittlung der Durchflutungszustände beim Stromweiterschalten durchzuführen.

Die Aufteilung der Durchflutungszustände wird durch Vergleich einer linearen Referenzfunktion mit einer dreiecksförmigen Abtastfunktion durchgeführt; je nach gewonnenem Vorzeichen werden mit vom Drehwinkel des Stromsollwertzeigers abhängigem Tastverhältnis Steuersignale für die Thyristoren zweier sich im Stromfluß abwechselnder Zweige einer Brückenhälfte des Wechselrichters für den Zustrom bzw. Rückstrom alternierend freigegeben, während der Thyristor eines Zweiges der anderen Brückenhälfte des Wechselrichters für den Rückstrom bzw. Zustrom während eines Drehwinkelintervalls von 60° des Stromsollwertzeigers dauernd gezündet ist.

Bei diesem Verfahren kommt es jedoch zu Schwankungen des Amplitudenwertes des Stromistwertzeigers gegenüber dem Stromsollwert­ zeiger.

Folge dieser Schwankungen des Stromistwertzeigers gegenüber dem Sollwertzeiger und dem auch nahezu gleichförmig umlaufenden Fluß sind Drehmomentpulsationen mit den Vielfachen der 6fachen Ständerdrehfrequenz bei einem 6fachen Strangwechsel pro Periode.

Es ist durch die DE-OS 31 30 672 ein Verfahren zur Steuerung des Ausgangsstroms eines Umrichters mit Gleichstromzwischenkreis nach vorgegebenen Sollwerten für Betrag und Phasenwinkel bekanntgeworden, bei dem der Phasenwinkel des Ausgangsstroms dadurch eingestellt wird, daß zwischen zwei diskreten, durch jeweils eine Schaltkombination der Schalter des zugeordneten Wechselrichters vorgegebenen Vektoren umgetastet wird, wobei der Vektor mit dem kleineren zugeordneten Phasenwinkel, der vom Sollwert um den Winkel ϕ entfernt ist, für den Teil

der Periodendauer T und der zweite Vektor für den Rest der Periodendauer eingeschaltet wird. Der Sollwert für den Betrag des Ausgangsstroms wird einem Stromregler für den Zwischenkreisstrom über ein Korrektorglied, das den Sollwert mit dem Korrekturfaktor

multipliziert, zugeführt. Damit ist es möglich, den Ausgangsstrom des Umrichters nach Betrag und Phasenlage beliebig einzustellen bzw. die Phasenlage mit konstanter Winkelgeschwindigkeit zu verändern und den Betrag konstant zu halten, so daß man eine sinusförmige Ausgangsspannung erhält.

Durch die DE-Zeitschrift "Elektronik", 1982, Heft 18, Seiten 103 bis 107 ist ein Pulswechselrichter bekannt, bei dem ein kontinuierlich umlaufender Spannungs-Raumzeiger durch Pulsen zwischen diskreten, als Spannungsvektoren dargestellten Schaltzuständen erreicht wird. Es sind dazu drei Schaltzustände nötig, deren relative Einschaltzeiten sich aus einfachen geometrischen Überlegungen (Strahlensatz) ergeben. Der dritte Schaltzustand ist dabei jeweils ein "Nullzeiger", der die Unterbrechung der Gleichspannungsversorgung charakterisiert. Durch richtige Kombination der Einschaltzeiten läßt sich erreichen, daß der Zeiger konstanter Länge eine Kreisform beschreibt.

Als technische Realisierung dieser mathematisch-geometrischen Überlegungen wird hierzu eine aufwendige Lösung mittels eines digitalen Steuerwerkes angegeben, das insbesondere bei einem Einsatz im rauhen Betrieb, wie zum Beispiel in Walzwerken oder Bahnen, ein erhöhtes Fehlerrisiko in sich birgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem durch eine geeignete Kurzzeitmitteilung von möglichen Stromistwertzeigern eine möglichst gleichförmige Drehung dieses Zeigers bei gleicher Zeigerlänge des gemittelten Zeigers ohne Modulation des Zwischenkreisstroms erreicht wird.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 aufgeführten Verfahrensschritte gelöst.

Das Verfahren gemäß der Erfindung wird im nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

die Fig. 1 die Grundschaltung eines Umrichters mit Gleichstrom- Zwischenkreis mit Steuerung und Regelung zur Speisung einer Drehfeldmaschine,

die Fig. 2a die Funktionsverläufe der zeitabhängigen Abtastfunktion S ( ϕ _t ) und der beiden drehwinkelabhängigen Referenzfunktionen gemäß der Erfindung,

die Fig. 2b die Stromflußbereiche der Stromrichterzweige,

die Fig. 2c die Ein- und Ausgangsstromverläufe des Stromrichters und

die Fig. 2d eine Darstellung der Stromistwert­ zeiger.

Der Umrichter zur Ständerstromspeisung der Drehfeldmaschine A besteht entsprechend Fig. 1 aus einem konventionellen Netzstromrichter G in Drehstrombrückenschaltung und einem prinzipiell gleichartigen Maschinenstromrichter W, der wegen des induktiven Lastcharakters durch Löscheinrichtungen ergänzt ist. Die zusätzlichen Löscheinrichtungen bestehen aus zwischen den Stromrichterzweigen angeordneten Löschkondensatoren, die gegenüber den Maschinensträngen u, v, w durch Dioden entkoppelt sind.

Die Spannungsentkopplung beider Stromrichter erfolgt durch die Drossel D im Stromzwischenkreis.

Jeder Stromrichter hat einen Steuersatz (1 mit Steuerwinkel α und 2 mit Steuerwinkel ϕ₁), der dafür sorgt, daß die richtige Zündfolge eingehalten wird und die richtige Phasenlage der erzeugten Wechselströme gegenüber dem jeweils angeschlossenen Wechselspannungssystem gewährleistet wird.

Die Drehfeldmaschine wird drehmomentgesteuert bei variabler Drehzahl betrieben. Der Umrichter liefert hierfür als Stellglied Ströme mit variabler Frequenz und Amplitude. Dem Steuer- und Regelteil 3 des Antriebs werden neben den Vorgabewerten für das Drehmoment M und den Maschinenmagnetfluß Ψ Information über den mechanischen Drehwinkel ϕ _n und den Zwischenkreisstrom i _d geliefert.

Die Ständerwicklungen der Stränge u, v, w in der Drehfeldmaschine sind im Stern geschaltet.

Die Thyristoren des Maschinenstromrichters W, die zwischen der stromzuführenden Leitung des Zwischenkreises zu den Strängen u, v, w liegen, sind mit T 1, T 3, T 5 und die Thyristoren, die zwischen den Strängen u, v, w und der stromabführenden Leitung des Zwischenkreises liegen, mit T 4, T 6, T 2 bezeichnet.

Der maschinenseitige Stromrichter=Wechselrichter W wird im gepulsten Betrieb in folgender Weise gesteuert, vgl. Fig. 2a und Fig. 2b: Während einer Periode von 0-60° des Stromsollwertwinkels ϕ _w respektive eines über die Drehkreisfrequenz proportionalen Winkels ϕ _t wird der Thyristor T 1 leitend geschaltet, und es wird die erste Referenzfunktion

C ( ϕ _w ) = 1 - sin (60° - ϕ _w )

und die zweite Referenzfunktion

f ( ϕ _w ) = sin ϕ _w

mit einer sägezahnförmigen Abtastfunktion S ( d _t ), die sich zwischen den Werten 1 und 0 ändert, verglichen. Ist S ( ϕ _t ) größer als C ( ϕ _w ) - angedeutet durch die Bezeichnung -, so wird der Thyristor T 6 für den Rückstrom gezündet; ist S ( ϕ _t ) kleiner als f ( ϕ _w ) - angedeutet durch die Bezeichnung ^-, so wird der Thyristor T 2 für den Rückstrom gezündet.

Der Zustand bedeutet also, daß der Strom im Strang u hin- und im Strang v zurückfließt; der Zustand hingegen, daß er im Strang u hin- und im Strang w zurück­ fließt.

Die Fig. 2 zeigt die dementsprechenden Öffnungszeiten von T 2 und T 6, dargestellt über ϕ _t .

Der Wechselrichter wird nun weiterhin so gesteuert, daß er einen Leerlaufzustand (Kurzschluß durch Zündung von T 4) während eines bestimmten Drehwinkels des Stromsollwertzeigers (respektive eines bestimmten zeitabhängigen Winkels) besitzt, dessen Beginn durch die Bedingung C ( ϕ _w )<S ( ϕ _t ) und dessen Ende durch die Bedingung f ( ϕ _w )<S ( ϕ _t ) bestimmt ist.

Die in der Fig. 2c dargestellten Funktionsverläufe stellen den Verlauf der Strangströme in Abhängigkeit von ϕ _t dar.

Die Folge der geschilderten Abtastung besteht darin, daß die Strangströme keine Vielfachen ihrer Grundfrequenz mehr enthalten.

Die Sägezahnform der Abtastfunktion wurde gewählt, da sie mit gleicher Winkelauflösung wie eine Dreiecksfunktion, die hier auch einsetzbar wäre, neben der verdoppelten Umschalthäufigkeit auch eine Verdopplung der Pulsfrequenz und damit eine weitere Entfernung von störenden Resonanzfrequenzen ermöglicht. Sie kann auch als ansteigender Sägezahn ausgeführt sein. Die mit diesem Verfahren verbundene zyklische Umschaltung innerhalb eines Sterns aus Stromrichterzweigen ist jedoch auch nur bei niedrigen Ausgangsspannungen möglich.

In der Fig. 2d ist die Lage des Stromistwertzeigers = ( d _x ) dargestellt.

Der Stromzeiger ( ϕ _x ) setzt sich aus zwei benachbarten Stromzeigern, hier _T und einem Kurzschluß als Leerlaufzustand zusammen. Die jeweiligen Anteile dieser Zustände, nämlich e, f und 1-e-f, ergänzen sich zu 1.

In der nächsten 60°-Periode wird der Thyristor T 2 für den Rückstrom dauernd leitend, während die Thyristoren T 1 und T 3 in Abhängigkeit des Vergleichs der Referenzfunktio­ nen 1-e und f abwechselnd den Zustrom führen und über T 5 der Leerlauf eingeschaltet wird. Die Referenzfunktionen werden also in jeder 60°-Periode wieder neu zum Vergleich herangezogen.

In der folgenden 60°-Periode ist der Thyristor T 3 dauernd leitend, es ist je nach Ergebnis des in dieser Periode erfolgten Vergleichs der Thyristor T 4 oder der Thyristor T 2 zur Rückstromführung und T 6 für den Leerlauf durchge­ schaltet.

Während der nächsten 60°-Periode ist dann T 4 dauernd leitend usf.

Die genannten Referenzfunktionen können auch in approximativer Form vorgegeben werden.

Claims (2)

1. Verfahren zur Strompulsung des in Drehstrombrückenschaltung betriebenen Wechselrichters eines Umrichters mit Gleichstrom-Zwischenkreis zur Speisung einer Drehfeldmaschine im Anfahrbereich, die drehmomentgesteuert bei variabler Drehzahl betrieben wird, wobei mindestens eine Referenzfunktion mit einer dreiecksförmigen Abtastfunktion verglichen wird, und abhängig vom Vergleichsergebnis die Zweige einer ersten Brückenhälfte während eines Drehwinkelintervalls von 60° abwechselnd leitend gesteuert werden, während ein Zweig der zweiten Brückenhälfte dauernd leitend ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Referenzfunktion C (ϕ _w ) = 1 - sin (60° - ϕ _w )und eine zweite Referenzfunktionf (ϕ _w ) = sin ϕ _w wobeiϕ _w = d _w (t) = die Winkellage eines Stromsoll­ wertzeigers ist,für diesen Vergleich benutzt werden,
daß die Abtastfunktion S ( ϕ _t ) einen linearen, sich zwischen 1 und 0 ändernden Verlauf hat und daß bei der BedingungC < S < fder im gleichen Zweigpaar mit dem dauernd leitenden Zweig (T 1) befindliche Zweig (T 4) der ersten Brückenhälfte leitend ist;
bei der BedingungS < Ceiner der weiteren Zweige (T 6) dieser Brückenhälfte leitend ist
und bei der Bedingungf <Sder andere der weiteren Zweige (T 2) dieser Brückenhälfte leitend ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzfunktionen in approximativer Form vorgegeben werden.