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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbesserung
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der Leerlaufeigenschaften eines Umrichters mit eingeprägtern Gleichstrom
im Zwischenkreis (I-Umrichter). Derartige Umrichter eignen sich unter anderem zur
Speisung von Drehstrommaschinen z.B.
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von Asynchronmaschinen mit Kurzschlußläufer. Aufbau und Wirkungsweise
des Umrichters sind z.B. aus Proc. IEE Vol. 120, Sept. 1973, S. 969 oder ETZ-A,
Bd 96 (1975), H.11, S. 520 und folgende bekannt.
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In einem netzgeführten Stromrichter wird durch Gleichrichtung des
Versorgungsnetzes zunächst eine Gleichspannung erzeugt.
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Durch einen induktiven Speicher (Drossel) Verhindert man, daß sich
der durch die Gleichspannung hervorgerufene Gleichstrom schnell ändern kann. an
spricht deshalb von Stromeinprägung.
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Ein nachgeschalteter Wechselrichter verteilt diesen eingeprägten Gleichstrom
nacheinander so auf die Klemmen einer angeschlossenen Last, daß ein Drehstromsystem
entsteht. Beim Wechselrichter handelt es sich um eine Dreiphasenbrückenschaltung
mit je einer Kommutierungseinrichtung pro Brückenhälfte.
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Die Kommutierungseinrichtung besteht aus 3 Kondensatoren und arbeitet
nach dem bekannten Prinzip der Phasenfolgelöschung.
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Vor den ausgangsseitigen Drebstromanschlüssen des Wechselrichters
ist in jedem Zweig einer Brückenhälfte eine Diode zur Entkoppelung der beiden Brückenhälften
angeordnet.
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Die Spannungsbeanspruchung der halbleiterbauelemente im Wechselrichter
hängt von der Spannung an den Kommutierungskondensatoren ab. Die Kondensatorspannung
setzt sich aus den Maschinenspennung und einem überladungsapteil zusammen.
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Die Höhe dieses Uberladunnsantels h~zgt vom gewählten Kapazitätswert,
der Streuinduktitrit2t der Maschine und der Amplitude des Laststromes ab. Der Kapazitatswert
ist so auszulegen, daß der minimale Laststrom bei der maximalen Arbeitsfrequenz
noch kommutiert wird. Bei hoher Maximalfrequenz und/oder hohem Stromstellberelch
l /I i ergeben max min sich mit dieser Auslegungsvorschrift bei Maximalstrom hohe
Spannungsbeanspruchungen der Halbleiter.
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Auf Grund dieser Spannungsbeanspruchung ist es notwendig, die Leistungsbauteile
des Wechselrichters an die jeweilige Maschine und den Stellbereich anzupassen, falls
eine Anpassung überhaupt möglich ist. Der I-Umrichter ist damit in den bisher bekannten
Ausführungsformen nur bedingt geeignet für - Mehrmotorenantriebe, bei denen einzelne
oder alle Ma-Schinen zu- oder abgeschaltet werden (Imax/Imin : groß bis #) - Antriebe
mit Feldschwächbereich (große Prequenz, Imax/Imn : groß) max min - Zusammenarbeit
mit beliebigen Maschinen kleiner Leistung.
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In der Literatur (Offenlegungsschrift 27 39 30w v. 1.9.1979, Offenlegungsschrift
27 57 293 v. 22.12.1977) sind einige Verfahren beschrieben, um diese Nachteile des
I-Umrichters zu beheben. Die genannten Verfahren führen aber nur zu einer bereichsweisen
Verbesserung und können die prinzipiellen Schwächen des I-Umrichters nur verringern.
Außerdem stellen sie teilweise aufwendige Erweiterungen des Leistungsteils dar.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfabren werden zur Lösung der geschilderten
Probleme keine Veränderungen am Leistungsteil, sondern nur geringfügige Modifikationen
an der Umrichtersteuerung vorgenommen. Der Grundgedanke des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens
beruht darauf, daß man die Grundschwingungsamplitude des Umrichterausgangsstromes
nicht nur über die Amplitude, sondern auch über Phasenlage und Blockdauer der positiven
und negativen Stromblöcke verstellen kann. Bei den bisher bekannten Steuerverfahren
wird der Zv.ischenkreisgleichstrom durch den Wechselrichter in drei positive und
drei negative Stromblöcke mit je 1200 Dauer auf die drei Phasen der angeschlossenen
Last aufgeteilt. Positiver und negativer Stromblock jeder Phase sind zueinander
zentralsymmetrisch angeordnet und stellen einen Wechselstrom dar. Die Wechselströme
in den drei Phasen sind um je 1200 phasenversetzt.
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Der Beginn der Stromblöcke eilt gegenüber den Nulldurchgängen der
Grundschwingung um jeweils 300 nach. Mit dieser Anordnung erhält man für 1200 lange
Stromblöcke die maximal A mögliche Grundschwingungsamplitude 1(1) max zu:
mit Id = Amplitude des Zwischenkreisgleichstromes Nach dem erfindungsgemäßen Gedanken
werden nun beide Stromblöcke zur Mitte hin verschoben ; d.h. der Beginn des positiven
Stromblocks eilt um Winkel α > 30° und der Beginn des negati Stromblocks
um Winkel α = ##/@α gegenüber dem positiven Nulldurchgang der Grundschwingung
nach. Die Zentralsymmetrie bleibt hierbei erhalten. Dieses Verfahren ist in einem
Winkelbereich 30 # a1 f 60° möglich. Für die Grundschwingungsamplitude des Stroms
1(1) gilt nunmehr:
Ab einem Winkelbereich von o 1 >600 beginnen sich der positive und der negative
Stromblock zu überlappen. Dies bedeutet, daß während der Überlappungszeit ein Brückenpfad
des Wechselrichters
kuzgeschlossen ist und der Zwischenkreisstrom
nicht mehr über die Last, sondern nur noch einer diesen internen Strompfad im Wechselrichter
fließt. Der Ausgangsstrom des Umrichters ist während der Überlappung Null. Damit
kann man den Ausgangsstrom je nach Überlappung zwischen Null (volle Überlappung)
und dem Maximalwert (keine Überlappung) verändern.
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Auch für überlappende Ströme gilt der Zusammenhang nach Gl.(2) zwischen
Grundschwingungsamplitude und Winkelverschiebung α Man sieht, daß sich für
einet Winkel von α 1max/I(1)min $Imin $Idmin $zweckmäßig, die ergibt, unabhängig
von der Höhe des Zwischenkreisstromes 1d Der wesentliche Vorteil der Erfindung liegt
darin, daß man auch bei Antrieben mit Fcrderungen nach hohem Stromstellbereich I(1)max/I
(1)min für die Dimensionierung des Wechselrichters von einem unkritischen Stromstellbereich
des Zwischenkreisstroes 1dmax1 dmin z.B. 2-3 ausgehen kann. An die Bauelemente des
Wechselrichters werden für diese Auslegung keine besonderen Anforderungen gestellt.
Wird vom Umrichter eine kleinere Grundschwingungsamplitude des Ausgangs stromes
gefordert, als sich mit Idmin erreichen läßt, hält man den Zwischenkreisstrom Id
auf dem untersten Grenzwert Idmin konstant und verringert die Grundschwingungsamplitude
des Ausgangsstromes durch gegenseitiges Verschieben der beiden Stromblöcke. Auf
diese Weise wird im Wechselrichter der für die Kommutierung notwendige Mindeststrom
Idmin aufrechterhalten und der Ausgangsstrom weist den gewünschten kleinen Wert
auf.
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Es ist zweckmäßig, die Schaltungsanordnung zur Verschiebung der Stromblöcke
so zu wählen, daß bisher übliche Steuerungen nur durch einen Zusatz erweitert werden
müssen. Üblicherweise erzeugt men die Zündimpulse für den Wechselrichter in einem
Zündimpulsgenerator aus sechs 1205 langen Ausgangssignalen eines Ringzählers. Die
einzelnen Stromblöcke sind ein Abbild der Ringzählersignale. In der erfindungsgemäßen
Anordnung wird zwischen Ringzähler und Zündimpulsgenerator eine Schaltung eingefügt,
mit der sich die Ringzählersignale für die positiven Stromblöcke nacheilend urd
die Ringzählersignale für die negativen Stromblöcke voreilend verschieben lassen.
Das Maß der Verschiebung bestimmt eine Steuerspannung Ust. Diese Spannung
wird
von einem überqeordneten Regler zur Regelung der rsasctlnenspannung so vorgegeben,
daß die Stromgrundschwingung den passenden Wert für Sättigung und Lastzustand aufweist.
Es ist hierbei zwischen zwei verschiedenen Regelbereichen zu unterscheiden.
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Im Regelbereich a (Id=Idmax...Idmin) wird keine Verschiebung vorgenommen
und die Stromgrundschwingung nur über die Amplitude des Zwischenkreisstromes 1d
verstellt. Die Verstellung des Z\45 schenkreisstromes erfolgt über einer Stromregelkreis,
der dem Spannungsregelkreis unter'2aert ist. I Regelbereich b rd durch den Stromregler
der Zwischenkreisstrom zuf dem Wert konstant gehalten und eine weitere Verringerung
der Wert IdnI dmin schwingung durch Verschiebung erreicht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und seine schaltungstechnische Ausführung
werden anhand von Figuren naher erläutert. Es zeigen: Fig. 1: Prinzip-Schaltbild
eines I-Umrichters mit Zündeinrichtung für Wechselrichter mit Phasenfolgelöschung
Fig. 2: Steuersignale und Ausgangsstrom des Wechselrichters für verschiedene Verschiebungswinkel
Fig. 3 : Verlauf der Grundschwingungsamplitude # (1) in Abhängigkeit vom Verschiebungswinkel
Fig. 4: Blockschaltbild einer Umrichter-Steuer- und Regeleinrichtung für das erfindungsgemäße
Verfahren Fig. 5: Verlauf von Stromsollwert und Steuerspannung der Verschiebeeinrichtung
für Regelbereich a,b Das in Figur 1 dargestellte Prinzip-Schaltbild eines I-Umrichters
zeigt den netzgeführten Gleichrichter 1 in Blockschaltbilddarstellung, den Gleichstromzwischenkreis
2 mit Glättungsdrossel und Zwischenkreisstrom Id, den Wechselrichter 3 zur zyklischen
Verteilung des Zwischenkreisstroms auf die Klemmen U, V, W einer angeschlossenen
Maschinenlast 4. Der Wechselrichter besteht aus sechs Thyristoren T1-T6, sechs Dioden
D1-D6 und sechs Kommutierungskondensatoren C1-C6. In Figur 1 ist ein Stromfluß vom
netzgeführten Gleichrichter zur Glättungsdrossel über Thyristor Tl, Diode D1, Maschinenstrang
V, Maschinenstrang W, Diode D6, Thyristor T6 und zurück zum Gleichrichter angedeutet.
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Das Weiterschalten des Stromes, z.3. vom Strang U auf V erfolgt durch
Zündung von Thyristor Tl und gleichzeitiger Wegnahme des Zündimpulses am Thyristor
T1. Der Ablauf der Kommutierung selbst ist in der Literatur ausführlich beschrieben
(Proc. IEE Vol. 120 No. 9, Sept. 1973). Für die weiteren Betrachtungen wird vereinfachend
angenommen, daß die Kommutierung, d.h. das Weiterschalten des Stromes unendlich
schnell erfolgt.
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Da in der Maschine ein Wechselstrom fließen soll, führen abwechselnd
die linke und die rechte BrückenhalfLe den aststrom einer Phase. Die Zündung der
einzelnen Thyristoren muß so erfolgen, daß der Zwischenkreisstrom nicht lückt und
immer einen Strompfad findet. Dies bedeutet, daß bei einer dreiphasigen Anordnung
jeder Brückenzweig während 1/3 der Periodendauer Strom führt.
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Die 6 Thyristoren T1-T6 werden durch die sechs Signale Z1-Z6 des Zündgenerators
5 gezündet. Da man üblicherweise Dauerimpulse z r Zündung verwendet, sind die Zündimpulse
ein Abbild der Stromleitdauer der Thyristoren. Bei den bisher bekannten Steuerverfahren
leitet man die Zündimpulse Z1-Z6 aus den Ausgangssignalen R1-R6 eines Ringzählers
7 ab. Zündimpuls- und Ringzählersignale unterscheiden sich nur durch das Signalniveau,
aber nicht in Pulsfolge und Pulsdauer. Die Signale des Ringzählers R1-R6 werden
aus einem Frequenzsignal mit åeI 6-fachen Grundschwingungsfrequenz 6.f (1) erzeugt.
In der erfindungsgemäßen Anordnung ist zwischen Ringzähler und Zündimpulsgenerator
eine Verschiebeeinrichtung 6 eingefügt. Diese Verschiebeeinrichtung setzt die Ringzählersignale
R1-R6 in verschobene Signale V1-V6 mit wiederum 1200 Dauer um. Die Größe des Verschiebungswinkels
(γ α -30°) gibt man über eine Steuerspannung Ust vor.
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Entsprechend dem erfindungsgemäßen Gedanken werden hierbei die Zündimpulse
für positiven Maschinenstrom Z1, Z3, Z5 nacheilend und die Zündimpulse für negativen
Maschinenstrom jeweils um den gleichen Winkel voreilend verschoben. Dies bedeutet,
daß mit zunehmender Verschiebung sich z.D. das Ende vom Zündimpuls Z1 und der Beginn
von Zündimpuls Z4, d.h. auch die Stromleitdauer von T1 und T4 immer mehr nähern.
Ab einem Verschiebungswinkel f= 300 wird T4 gezündet, obwohl T1 noch Strom führt.
Der Zwischenkreisstrom Id fließt dann direkt über den internen Brückenpfad 1, D1,
D4, T4. Solange dieser interne Brückenkurzschluß besteht, sind die Umrichteraus<Jangskiemmen
stromlos. Der Brückenkurzschluß wird z.B. durch Zündung des
Thyristors
T3 wieder aufgehoben. Der Strom durch T1 kommutiert auf T3 und die Stromauf teilung
entspricht wieder den üblichen Verhältnissen. Zur Veranschaulichung sind in Figur
2 die 6-fache Grundschwingungsfrequenz 6 f1), die Ringzählersignale R1, R4 und die
Zündimpulse Z1, Z4 der Thyristoren T1, T4 zusammen mit dem zugehörigen Umrichterstrom
1 beispielhaft für verschiedene Verschiebewinkel γ =α 1-30° aufgezeigt.
Im eizelnen gilt : Fiqur 2a : γ = 0° ; α-30° ; (Normalzustand) Figur
2b:9 = 30 ; α (Beginn der Überlappung) Figur 2c : γ = 600 ;oC 900; (Betrieb
mit Überlappung) Man sieht, daß die Ringzählersignale R1, R4 synchron zur 6-fachen
Grundschwingungsfrequenz sind und von der Verschiebung nicht beeinflußt werden.
Die Verschiebung der Signale V1, V4 bzw.
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Z1, Z4 hängt von der Höhe der Steuerspannung U st ab. Für Verschiebewinkel
γ γ < 30° sind die Stromblöcke des Stromes 1 ein Abbild der Zündsignale
Z1, Z4.
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u Ab Verschebewinkel γ <30° beginnt die Überlappung. Während
der Überlappungsdauer ü ist der Ausgangsstrom I = 0. Weiterhin u bestätigt die Figur
2, daß die Grundschwingungsamplitude I trotz konstantem Zwischenkreisstrom 1d mit
wachsendem Verschiebungswinkel abnimmt. Der Zusammenhang zwischen Verschiebungswinkel
γ und normierter Grundschwingungsamplitude #(1)/#(1) ist in Figur 3 wiedergegeben.
Der Kurvenverlauf zeigt, daß unabhängig vom Zwischenkreisstrom Id ein Herabsteuern
der Grundschwingugsamplitude #(1) bis zum wert Null möglich ist.
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Abschließend wird in Figur 4 beispielhaft verdeutlicht, wie man das
erfindungsgemäße Verfahren in eine Regelanordnung integrieren kann. Die AmplItude
des Stromes I wird über den netzgeführten Stromrichter 1 und eine Stromregeleinrichtung
mit Zündimpulsgenerator 8 und Stromregler 9 entsprechend dem Stromsollwert Isoll2
geregelt. Für Stromsollwerte 1soll2' die größer sind als ein umnichtertypischer
Stromgrenzwert I grenz unterscheidet sich ISoll2 nicht vom Ausgangssignal Isoll@
des Spannungsreglers 11. Der Spannungsregler 11 gibt den Stromsollwert Isolll so
vor, daß die Maschinenspannung ist einem vorgegebenen Spannungssollwert Usoll entspricht.
Die Maschinenspannung Usoll wird
in einem Kennliniengeber 12 von
einer Sollspannung UF für die Frequenz abgeleitet. Die Sollspannung UF setzt ein
Spannungsfrequenzwandler 13 in eine Pulsfrequenz mit der 6-fachen Grundschwingungsfrequenz
6.f (1) um.
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Für Ströme I soll 1, Igrenz erzeugen Ringzähler 7, Verschiebeeinrichtung
6 und Steuersatz 5, Zündimpulse Z1-Z6 für den einrichtung 6 und Steuersatz 5, Zündimpulse
Z1-Z6 für den Wechselrichter 2 so, daß die Maschine 4 mit dem bereits bekannten
Blockströmen laut Figur 2a gespeist wird. Die Steuerspannung U st zur Verschiebung
der Stromblöcke ist Null. Für Ströme I soll 1 < I grenz hält eine Ablöseeinrichtung
10 den Sollwert für den Stromregler auf dem Wert Isoll2 = Igrenz=konstant. Damit
bleibt auch die Amplitude des Zwischenkreisstromes bzw. des Maschinenstromes unabhängig
von irgendwelchen Lastschwankungen konstant. Für weitere Verminderungen der Stromgrundschwingungsamplitude
kann der Spannungsregler über die Steuerspannung U Ust die Stromblöcke so gegeneinander
verschiehen, bis der Maschinenstrom I einen Wert erreicht, der in der Maschine die
gewünschte Gegenspannung Uist zur Sollspannung U5011 induziert.
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Zur weiteren Veranschaulichung sind in Figur 5 Eingangs-und Ausgangssignale
der Ablöseeinrichtung 10 aufgezeigt.
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Man sieht, daß für Ströme Isolll>Igrenz (Regelbereich a) kein Unterschied
zwischen den beiden Sollwerten Isoll1 und Isoll2 besteht; die Steuerspannung Ust
ist Null.
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Ab dem Grenzwert Igrenz bleibt Isoll2 konstant und die Steuerspannung
und damit der Verschiebewinkel nimmt für kleinere Isoll1 zu (Regelbereich b).
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Zweckmäßigerweise wird man den Grenzstrom 1 so eingrenz stellen, daß
der für die Auslegung des Wechselrichters maßgebliche Wert Idmax/Idmin klein bleibt,
um die spannungsmäßige Beanspruchung der Wechselrichterbauelemente gering zu halten.
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L e e r s e i t e