DE10161632A1

DE10161632A1 - Erzeugungsverfahren für eine Wechselspannung mit einer variablen Spannungshöhe und einem Vorzeichenverlauf sowie hiermit korrespondierender Zwischenkreisumrichter

Info

Publication number: DE10161632A1
Application number: DE2001161632
Authority: DE
Inventors: Paul Beckers; Michael Hoffmann; Frank Dybowski
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-12-14
Filing date: 2001-12-14
Publication date: 2003-07-10

Abstract

Um eine Wechselspannung (U) mit einer variablen Spannungshöhe (U') und einem Vorzeichenverlauf zu erzeugen, wird einem Zwischenkreis über ein eingangsseitiges Schaltelement (3) getaktet ein pulsartiger Spannungsverlauf eingeprägt. Der Spannungsverlauf im Zwischenkreis wird mittels mindestens eines Glättungselements (6-8) geglättet, so dass der geglättete Spannungsverlauf (U') der variablen Spannungshöhe (U') entspricht. Nur der Vorzeichenverlauf wird durch ein Umschalten eines ausgangsseitig angeordneten Polwenders (9) des Zwischenkreises erzeugt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Erzeugungsverfahren für eine Wechselspannung mit einer variablen Spannungshöhe und einem Vorzeichenverlauf, wobei einem Zwischenkreis über ein eingangsseitiges Schaltelement getaktet ein pulsartiger Spannungsverlauf eingeprägt wird, wobei der Spannungsverlauf im Zwischenkreis mittels mindestens eines Glättungselements geglättet wird, wobei der geglättete Spannungsverlauf vorzeichenrichtig über einen Polwender an eine Last ausgegeben wird.

Derartige Erzeugungsverfahren sind allgemein bekannt. Sie werden beispielsweise bei Elektrofiltern oder bei Speisevorrichtungen für Antriebe eingesetzt.

Für Antriebsspeisungen wird der Polwender getaktet betrieben, um aus einer Zwischenkreisspannung einen Motorstrom zu erzeugen, der in seiner Stromhöhe und seiner Flussrichtung variiert. Um die Leistungsbilanz des Polwenders dabei günstig zu gestalten, wird der Polwender hochfrequent getaktet. Das Einstellen des Stroms erfolgt über das Taktverhältnis. Die Mittelung des Motorstroms erfolgt über die Induktivität des Motors. Dabei entstehen durch die hohe Schaltfrequenz des Polwenders und die hierdurch hervorgerufenen steilflankigen Impulse auf der Zuleitung zum Motor kapazitive Verluste. Darüber hinaus müssen zur Vermeidung von elektromagnetischen Störaussendungen oftmals zwischen dem Polwender und dem Motor Ausgangsfilter angeordnet werden. Dies wirkt sich negativ auf die Baugröße, die Kosten und den Gesamtwirkungsgrad des Zwischenkreisumrichters aus.

Noch problematischer ist die Speisung von Motoren mit geringer Induktivität. In diesem Fall kann es vorkommen, dass die Induktivität des Motors nicht ausreicht, um in den Ansteuerpausen, während derer der Polwender gesperrt ist, einen kontinuierlichen Motorstrom aufrecht zu erhalten. In diesem Fall verschlechtern sich die mechanisch-elektrischen Kennwerte des Motors, insbesondere seine Nennleistungsabgabe und sein Wirkungsgrad.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, den Umrichter mit Blockbestromung zu beschreiben, also den Polwender mit relativ niedriger Frequenz zu takten. Dieses Verfahren kann auch für Motoren mit geringer Induktivität eingesetzt werden. Es ergibt sich aber aufgrund der unstetigen Bestromung des Motors ein unstetiger Drehmomentverlauf. Auch werden auch in diesem Fall Ausgangsfilter benötigt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Erzeugungsverfahren für eine Wechselspannung mit einer variablen Spannungshöhe und einem Vorzeichenverlauf zu schaffen, das auf einfache Weise eine Erzeugung des Wechselspannungsverlaufs möglich und insbesondere Ausgangsfilter überflüssig macht.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das eingangsseitige Schaltelement derart getaktet wird, dass der mittels des Glättungselements geglättete Spannungsverlauf bereits der variablen Spannungshöhe der Wechselspannung entspricht, und nur der Vorzeichenverlauf der Wechselspannung durch ein Umschalten des Polwenders erzeugt wird.

Es wird also gemäß der vorliegenden Erfindung die Zwischenkreisspannung durch entsprechendes Takten des Schaltelements gemäß der gewünschten variablen Spannungshöhe moduliert und dann mittels des Polwenders nur noch blockweise vorzeichenrichtig auf die Last durchgeschaltet. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich somit ein nahezu idealer Spannungs- und Stromverlauf an der Last und - bei einem Motor - somit ein sehr gleichmäßiger Motorlauf.

Die Art der Variation der Spannungshöhe und auch der Vorzeichenverlauf sind prinzipiell beliebiger Natur. Im Regelfall aber wird die Wechselspannung einen - vorzugsweise offsetfreien - sinusförmigen Verlauf aufweisen.

Das Einstellen der variablen Spannungshöhe kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass das eingangsseitige Schaltelement pulsweitenmoduliert getaktet wird.

Wenn die variable Spannungshöhe und/oder ein vom Zwischenkreis abgegebener Strom erfasst wird und das eingangsseitige Schaltelement geregelt getaktet wird und/oder das Umschalten des Polwenders geregelt erfolgt, ergibt sich eine noch bessere Erzeugung der gewünschten Wechselspannung.

Wenn der Zwischenkreisumrichter einen Stromfühler aufweist, der mit der Steuereinheit verbunden ist und mittels dessen ein vom Polwender abgegebener Strom erfassbar ist, ist insbesondere auch bei einer unsymmetrischen Last eine gleichmäßige Ansteuerung der Last möglich.

Ein häufiger Anwendungsfall besteht darin, dass mittels des Zwischenkreises eine induktive Last, insbesondere ein Einphasen-Wechselstrommotor, z. B. ein Linearantrieb, gespeist wird.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Dabei zeigen in Prinzipdarstellung
Fig. 1 einen Zwischenkreisumrichter,
Fig. 2 eine Wechselspannung,
Fig. 3 eine Ansteuerkurve für ein Schaltelement und
Fig. 4 einen Ansteuerverlauf für einen Polwender.
Gemäß Fig. 1 wird ein Zwischenkreisumrichter über einen Gleichrichter 1 mit einer konstanten Gleichspannung U0 versorgt. Diese Gleichspannung U0 stellt eine obere Grenze für eine Zwischenkreisspannung U' dar. Dem Gleichrichter 1 ist dabei ein Stützkondensator 2 zugeordnet. Der Gleichrichter 1 und der Stützkondensator 2 sind - zumindest im vorliegenden Fall - nicht Bestandteile des Zwischenkreisumrichters.
Der Zwischenkreisumrichter weist eingangsseitig ein Schaltelement 3 auf. Das Schaltelement 3 wird von einer Steuereinheit 4 über einen Pulsweitenmodulator 5 angesteuert. Das eingangsseitige Schaltelement 3 wird also pulsweitenmoduliert betrieben. Es wird dabei mit einer Frequenz F getaktet, die in der Regel erheblich größer als eine auszugebende Wechselspannungsfrequenz f ist. Die Taktfrequenz F des Schaltelements 3 ist erheblich größer als die Taktfrequenz einer Leistungs-Ausgangsbrücke des Standes der Technik. Sie bewegt sich typischerweise oberhalb 50 kHz. Z. B. liegt sie zwischen 80 und 500 kHz. Die - gegebenenfalls variable - Wechselspannungsfrequenz f hingegen liegt typischerweise unterhalb 1 kHz, z. B. bei 20 bis 200 Hz.
Durch das Takten des Schaltelements 3 wird dem Zwischenkreis ein pulsartiger Spannungsverlauf eingeprägt. Der eingeprägte pulsartige Spannungsverlauf wird dabei über eine Freilaufdiode 6 und eine Drossel 7 einerseits sowie einen Glättungskondensator 8 andererseits geglättet, so dass am Glättungskondensator die Zwischenkreisspannung U' ansteht. Die Freilaufdiode 6 weist vorzugsweise eine Verzögerungszeit unter 50 ns auf, typisch von 10 bis 30 ns. Sie ist also als schnelle Diode ausgebildet, insbesondere z. B. als Schottky-Diode.
Ausgangsseitig weist der Zwischenkreisumrichter einen Polwender 9 auf. Mittels des Polwenders 9 wird durch entsprechendes Umschalten mit der Wechselspannungsfrequenz f die Zwischenkreisspannung U' auf eine Last 10 durchgeschaltet. Das Umschalten des Polwenders 9 erfolgt dabei nur zum Richtigstellen des Vorzeichens einer ausgangsseitig gewünschten Wechselspannung U. Die Last 10 ist gemäß Fig. 1 ein Einphasen-Wechselstrommotor 10, also eine induktive Last. Der Motor 10 kann dabei z. B. ein Linearantrieb 10 sein. Auch das Umschalten des Polwender 9 wird von der Steuereinheit 4 gesteuert.
Die am Ausgang des Polwenders 9 abgreifbare Wechselspannung U weist somit eine variable Spannungshöhe U' und einen Vorzeichenverlauf auf. Die Spannungshöhe U' wird dabei durch entsprechendes Takten des Schaltelements 3 bewirkt. Nur das Vorzeichen der Wechselspannung U ist durch das Umschalten des Polwenders 9 bestimmt. Die Spannungshöhe U' ergibt sich hingegen durch die Glättung des pulsartigen Spannungsverlaufs. Im Idealfall weist daher das Spektrum an der Last 10 nur die Grundfrequenz f der Wechselspannung U auf. Daher sind Ausgangsfilter zwischen dem Polwender 9 und der Last 10 nicht mehr erforderlich.
Die durch ihre Spannungshöhe U' und ihren Vorzeichenverlauf über der Zeit t bestimmte Wechselspannung U ist gemäß Fig. 2 einen offsetfreie Wechselspannung U, die einen sinusförmigen Verlauf aufweist. Gestrichelt ist dabei in Fig. 2 die Spannungshöhe U' eingezeichnet, soweit die Wechselspannung U negative Werte annimmt.
Fig. 3 zeigt beispielhaft eine Ansteuerkurve (Testverhältnis) für das Schaltelement 3.
Fig. 4 zeigt die korrespondierende Ansteuerkurve für den Polwender 9. Ersichtlich ist der Polwender 9 während jeder Halbwelle der Wechselspannung U kontinuierlich gleichartig durchgeschaltet. Lediglich bei den Nulldurchgängen der Wechselspannung U erfolgt ein Umschalten des Polwenders 9. Dieser bestimmt also nicht die Spannungshöhe U', sondern nur das Vorzeichen der Wechselspannung U. Die Spannungshöhe U' entspricht vielmehr der Zwischenkreisspannung U'.
Der Steuereinheit 4 wird von einer übergeordneten, der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellten Steuerung ein Ansteuersignal vorgegeben. Das Ansteuersignal kann dabei je nach Ausgestaltung verschiedener Art sein. Beispielsweise ist es möglich, dass der Steuereinheit 4 ein konkretes Steuerverhalten fest vorgegeben ist. In diesem Fall ist es hinreichend, der Steuereinheit 4 ein einfaches Ein- bzw. Ausschaltsignal vorzugeben, das gegebenenfalls vorzeichenbehaftet sein kann, um eine Drehrichtung der Last 10 vorzugeben. Auch ist es möglich, der Steuereinheit 4 eine - vorzeichenbehaftete - Drehzahl vorzugeben. Weiterhin können der Steuereinheit 4 auch eine an die Last 10 abzugebende Leistung oder ein gewünschter Spannungs- oder Stromverlauf (einschließlich der Wechselspannungsfrequenz f) vorgegeben werden.
Es ist möglich, den Zwischenkreisumrichter rein gesteuert zu betreiben. Vorzugsweise aber weist der Zwischenkreisumrichter einen Spannungsfühler 11 auf, mittels dessen die Zwischenkreisspannung U' erfassbar ist. Der Spannungsfühler 11 ist mit der Steuereinheit 4 verbunden. Somit ist es insbesondere möglich, das eingangsseitige Schaltelement 3 geregelt zu takten und den Polwender 9 geregelt umzuschalten. Alternativ oder zusätzlich kann der Zwischenkreisumrichter auch einen Stromfühler 12 aufweisen, mittels dessen ein vom Polwender 9 abgegebener Strom I (zumindest betragsmäßig) erfassbar ist. Die Stromrichtung ergibt sich bei nur betragsmäßiger Erfassung des Stromes I aus dem Ansteuerzustand des Polwenders 9. Der Strom I kann einen Maximalwert 10 erreichen. Auch der Stromfühler 12 ist mit der Steuereinheit 4 verbunden. Auch der erfasste Strom I kann zur Regelung des Schaltelements 3 und/oder des Polwenders 9 herangezogen werden.
Der erfindungsgemäße Zwischenkreisumrichter benötigt keinerlei Ausgangsfilter zwischen dem Polwender 9 und der Last 10. Ferner ist es aufgrund der neuartigen Betriebsweise des Zwischenkreisumrichters möglich, die Glättungselemente, also die Drossel 7 und den Glättungskondensator 8, kleiner zu dimensionieren als im Stand der Technik, bei denen der Zwischenkreis mit konstanter Zwischenkreisspannung U' betrieben wird.
Wenn C die Kapazität des Glättungskondensators 8 und L die Induktivität der Drossel 7 ist, sollte F²LC aber größer als 1 sein, besser sogar größer als 5. Typische Werten für diese Kenngrößen liegen zwischen 10 und 30.
Aufgrund dieses Sachverhalts ist es bei der vorliegenden Erfindung - im Gegensatz zum Stand der Technik - für viele Anwendung insbesondere nicht erforderlich, den Glättungskondensator 8 als Elektrolytkondensator auszubilden. Vielmehr kann er z. B. als Folien- oder Keramikkondensator ausgebildet sein.

Claims

1. Erzeugungsverfahren für eine Wechselspannung (U) mit einer variablen Spannungshöhe (U') und einem Vorzeichenverlauf,
wobei einem Zwischenkreis über ein eingangsseitiges Schaltelement (3) getaktet ein pulsartiger Spannungsverlauf eingeprägt wird,
wobei der Spannungsverlauf im Zwischenkreis mittels mindestens eines Glättungselements (6-8) geglättet wird, so dass der geglättete Spannungsverlauf (U') der variablen Spannungshöhe (U') entspricht,
wobei nur der Vorzeichenverlauf durch ein Umschalten eines ausgangsseitig angeordneten Polwenders (9) des Zwischenkreises erzeugt wird.

2. Erzeugungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannung (U) einen sinusförmigen Verlauf aufweist.

3. Erzeugungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannung (U) offsetfrei ist.

4. Erzeugungsverfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das eingangsseitige Schaltelement (3) pulsweitenmoduliert getaktet wird.

5. Erzeugungsverfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die variable Spannungshöhe (U') erfasst wird und dass das eingangsseitige Schaltelement (3)) geregelt getaktet wird.

6. Erzeugungsverfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die variable Spannungshöhe (U') und/oder ein vom Zwischenkreis abgegebener Strom (I) erfasst wird und dass das Umschalten des Polwenders (9) geregelt erfolgt.

7. Erzeugungsverfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Speisung einer induktiven Last (10), insbesondere eines Einphasen-Wechselstrommotors (10), z. B. eines Linearantriebs (10) angewendet wird.

8. Zwischenkreisumrichter mit einem eingangsseitigen Schaltelement (3), mindestens einem im Zwischenkreis angeordneten Glättungselement (6-8), einem ausgangsseitigen Polwender (9) und einer Steuereinheit (4) für das Schaltelement (3) und den Polwender (9),
wobei das Schaltelement (3) von der Steuereinheit (4) ansteuerbar ist, so dass dem Zwischenkreis getaktet ein pulsartiger Spannungsverlauf einprägbar ist, und der Polwender (9) von der Steuereinheit (4) umschaltbar ist,
so dass am Ausgang des Polwenders (9) eine Wechselspannung (U) mit einer variablen Spannungshöhe (U') und einem Vorzeichenverlauf abgreifbar ist,
wobei das Ansteuern des Schaltelements (3) und das Umschalten des Polwenders (9) derart aufeinander abstimmbar ist, dass die variable Spannungshöhe (U') dem mittels des Glättungselements (6-8) geglätteten Spannungsverlauf (U') entspricht und nur das Vorzeichen der Wechselspannung (U) durch das Umschalten des Polwenders (9) bestimmt ist.

9. Zwischenkreisumrichter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, das Ansteuern des Schaltelements (3) und das Umschalten des Polwenders (9) derart aufeinander abstimmbar ist, dass die Wechselspannung (U) einen sinusförmigen Verlauf aufweist.

10. Zwischenkreisumrichter nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, das Ansteuern des Schaltelements (3) und das Umschalten des Polwenders (9) derart aufeinander abstimmbar ist, dass die Wechselspannung (U) offsetfrei ist.

11. Zwischenkreisumrichter nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Steuereinheit (4) und dem eingangsseitigen Schaltelement (3) ein Pulsweitenmodulator (5) angeordnet ist.

12. Zwischenkreisumrichter nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Spannungsfühler (11) aufweist, der mit der Steuereinheit (4) verbunden ist und mittels dessen der mittels des Glättungselements (6-8) geglättete Spannungsverlauf (U') erfassbar ist.

13. Zwischenkreisumrichter nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Stromfühler (12) aufweist, der mit der Steuereinheit (4) verbunden ist und mittels dessen ein vom Polwender (9) abgegebener Strom (I) erfassbar ist.

14. Zwischenkreisumrichter nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass an den Polwender (9) eine induktive Last (10), insbesondere ein Einphasen-Wechselstrommotor (10), z. B. ein Linearantrieb (10), angeschlossen ist.