DE2940747C2 - Verfahren zur Steuerung eines Zwischenkreisumrichters - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Zwischenkreisumrichters'nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zwischenkreisumrichter dieser Art eignen sich insbesondere zur Steuerung von Drchstromniasehincn. beispielsweise Asynchronmaschinen mit Kurzschlußläufer.

Bei einem Zwischenkreisumrichter ist die Bemessung der Kapazität der Komimitierungskondensatoren problematisch, wenn stark unterschiedliche Zwischenkreisströme bei großen Arbeitsfrequenzen komnuiiieri werden müssen, weil der bei Leerlauf auftretende Magnetisierungsstrom so klein werden kann, daß er die Koinmutierungskondensatoren innerhalb der zur Verfügung stehenden Zeit, die bei einem dreiphasigen Stromrichter ^r>o einem Drittel der Pcriodciidaucr entspricht, nicht umladen kann. Aus diesem Grunde muß dafür gesorgt werden, daß der Zwischenkreissirom einen zulässigen Mindestwert nicht unterschreitet. Die Kapazität der Kommutierungskondensatoren muß also derart ausgelegt v> werden, daß der minimale Laststrom bei der maximalen Arbeitsfrequenz noch kommutiert wird. Liegt dieser minimale Laststrom beispielsweise bei stark unterschiedlichen Zwischcnkreissirömen unter dem Mindcstzwischenkreissirom, bei dem noch eine Kommutierung w) möglich ist, müssen besondere Sehaluingsmaßnahmcn getroffen werden, um den Zwischenkreisumrichter überhaupt cinscl/cn /u können.

Hei einem aus der Dl. VS ^8 18 S87 bckamiien Valahrcn nach dem Oherbegnlf des l'.iienianspnu-hs I tr> steuert der Zwischenki eisumi ichtcr eine Asynchronmaschine. I Im nach diesem bekannten Vet I.ihren bei einem Reduzieren des Drehmoments der Asynchronmaschine eine sichere Kommutierung des selbstgeführten Stromrichters zu gewährleisten, wird der Mindestzwischenkreisstrom beibehalten und gleichzeitig die Schlupffrequenz vergrößert, wobei die Vergrößerung der Schlupffrequenz linear zum abnehmenden Drehmoment vorgenomir.cn wird. Nach dem bekannten Verfahren läßt sich also ein Zwischenkreisumrichter zur Steuerung einer Asynchronmaschine nur einsetzen, wenn der Mindestzwischenkreisslrom aufrechterhalten wird und bei absinkendem Drehmoment die Schlupffrequenz vergrößert wird, was einen beträchtlichen zusätzlichen Schaltungsaufwand bedeutet.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart zu verbessern, daß der Stromstellbereich ohne wesentliche zusätzliche Schaltungsmaßnahmen erweitert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in dem kennzeichnender. Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren 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 Zwischenkreisglcichstrom durch den Wechselrichter in drei positive und drei negative Stromblöcke mit je 120° 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 120° phasenversetzt.

Der Beginn der Stromblöcke eilt gegenüber den Nulldurchgängen der Grundschwingung um jeweils 30° nach. Mit dieser Anordnung erhält man für 120° lange Stromblöekc die maximal mögliche Grundsehwingungsampliiudc /ji),„.,< zu:

iVT

'(1) max

mit /,/ = Amplitude des Zwischcnkrcisgleich stromes.

Nach dem erfindungsgemäßen Gedanken werden nun beide Stromblöckc zur Mitte hin verschoben; d. h. der Beginn des positiven Stromblocks eilt um Winkel Λ\ > 50" und der Beginn des negativen Stromblocks um Winkel

■β,

gegenüber dem positiven Nulldurchgang der Grundschwingung nach. Die Zentralsymmetrie bleibt hierbei erhalten. Dieses Verfahren ist in einem Winkelbereich 30 < ,ti < 60° möglich. Für die Grundschwingungsamplitudc des Stroms An gilt nunmehr:

VTi_d

(VT cos a\ +sina,);

Ab einem Wmkclbcreich von \\ > b0 beginnen sich tier positive und der negative Stromblock /11 überlappen. Dies bedeulel, dall wahrend tier 1 Jberlappiinys/eii ein Brückcnnfad des Wechselrichters kur/ncsehlosscn

ist und der Zwischenkrcisslroni nicht mehr über die Last, sondern nur noch über diesen internen .Strompfad im Wechselrichter fließt. Der Ausgangsstroin des Umrichters ist während der Überlappung Null. Damit kann man den Ausgangsstrom je nach Überlappung /wischen Null (volle Überlappung) und dem Maximalwert (keine Überlappung) verändern.

Auch für überlappende Ströme gilt der Zusammenhang nach Gl. (2) zwischen Grundschwingungsamplitude und Winkelverschiebung <x\. Man sieht, daß sich für einen Winkel von «i,„.„ = 120° die Grundschwingungsamplitudc ^ij = Null ergibt, unabhängig von der I lohe des Zwischenkreisstromes /,/.

Der wesentliche Vorteil der Rrfindung liegi darin, daß man auch bei Antrieben mit Forderungen nach hohem Stromstellbereich /(ijmj./Ai)»"" f^ur ^ie Dimensionierung des Wechselrichters von einem unkritischen Siromstellbereich des Zwischenkreisstromes /,;,„.„/Ij,,,,,, /.. B. 2 —3 ausgehen kann. An die Bauelemente des Wechselrichters werden für diese Auslegung keine besondren Anforderungen gestellt. Wird vom Umrichter eine kleinere Grundschwingiingsamplitude des Ausgangsstromes gefordert, als sich mil Ij_1111n erreichen läßt, hält man den Zwischenkreisstrom Ij auf dem untersten Grenzwert Ijmin konstant und verringert die Grundschwingungsaniplitude des Ausgangsstromes durch gegenseitiges Verschieben der beiden Stromblöcke. Auf diese Weise wird im Wechselrichter der für die Kommutierung notwendige Mindeststrom /,*„„,, aufrechterhalten und der Ausgangsstrom weist den gewünschten kleinen Wert auf.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auch bei Vorgabe eines für die Kommutierung des Wechselrichters notwendigen Mindestwertes der Sironiampliiude der Umrichterausgangsstrom auf beliebig kleine Werte gesteuert werden, so daß der Umrichter ohne besondere Anpassungen oder Unischullungen im Leistungsteil auch für Maschinen kleinerer Leistungen, für Mehrmotorenantriebe mit wechselnder Maschinenzahl und für Antriebe mi: hohen Feldschwächebcrciehen geeignet ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist Gegenstand des Anspruchs 2.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert:

Fig. 1 Prinzip-Schaltbild eines /-Umrichters mil Zündeinrichtung für Wechselrichter mit Phascnfolgclöschung.

Fig. 2 Steuersignale und Ausgangsstrom des Wechselrichters für verschiedene Verschiebungswinkcl.

F i g. 3 Verlauf der Grundschwingungsamplitiide /^₁ in Abhängigkeit vom Verschiebungswinkel,

Fig. 4 Blockschaltbild einer Umrichter-Steuer- und Regeleinrichtung für das erfindungsgemäße Verfahren,

Fig. 5 Verlauf von Stromsollwerl und Stcuc.-.pannungdcr Verschiebeeinrichtung für Regelbereich .·/, b.

Das in Fig. 1 dargestellte Prinzip-Schallbild eines /-Umrichters zeigt den nct/.geführtcn Gleichrichter 1 in Blockschaltbilddarstellung, den Gleichslromzwisclienkreis 2 mit Glättungsdrossel und Zwischenkreisstrom /,,, den Wechselrichter 3 zur zyklischen Verteilung des Zwisehenkreisstroms auf die Klemmen U. V. IVeiner angeschlossenen Maschinenlast 4. Der Wechselrichter besteht aus sechs Thyristoren Ti-TG. sechs Dioden DX- Db und sechs Kommutierungskondensatoren CX-Cb. In Fig. 1 isl ein Stromfiuß vom nei/.geführien Gleichrichter zur Glättungsdrossel über Thyristor 71. Diode D 1, Maschinenstrang V, Maschinenstrang IV. Diode Db. Thyristor 76 und zurjck zum Gleichrichter angedeuliM.

Das Weilerschalten des Stromes, z. B. vom Strang U auf V erfolgt durch Zündung von Thyristor Γ3 und gleichzeitiger Wegnahme des Zündimpuises am Thyri-

■3 stör Ti. 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 unenulich schnell

to erfolgt.

Da in der Maschine ein Wechselstrom fließen soll, führen abwechselnd die linke und die reihte Brückenhüllte den l.astsiroii) einer Phase. Die Zündung der einzelnen Thyristoren muß so erfolgen, daß der Zwischen-

r> kreissirom nicht lückt und immer einen Strompfud findet. Dies bedeutet, daß bei einer dreiphasigen Anordnung jeder Briickenzweig während ¹A der Perdiodenduuer Strom führt.

Die 6 Thyristoren Ti — Tb werden durch die sechs Signale Z 1 — Zb des Zündgenerators 5 gezündet. Da man üblicherweise Daucrimpul.sc zur Zündung verwendet, sind die Zündimpulse ein Abbild der Stromlcitdauer der Thyristoren. Bei den bisher bekannten Steuerverfahren leitet man die Zündimpulse Zl-Zb aus den Ausgangssignalen Ri-Rb eines Ringzählers 7 ab. Zündimpuls- und Ringzählersignale unterscheiden sich nur durch das Signalnivcau, aber nicht in Pulsfolge und Pulsdauer. Die Signale des Ringzählers RX-Rb werden aus einem Frcquenzsignal mit der öfachen Grund-

jo Schwingungsfrequenz 6 · /[η erzeugt. In der erfindungsgemäßen Anordnung ist zwischen Ringzähler und Zündimpulsgcnerator eine Verschiebeeinrichtung 6 eingefügt. Diese Verschiebeeinrichtung setzt die Ringzählersignale R I — R6 in verschobene Signale V I — Kbinil

Ci wiederum 120 Dauer um. Die GrüÜc des Verseliicbungswinkcls (</ = ii — 30 ) gibt man über eine Steiierspannung ίΛ, vor.

Entsprechend dem erlindungsgcmäßen Gedanken werden hierbei die Zündimpulse für positiven Maschinenslroin Z 1, Z3. Z5 nacheilend und die Zündimpulse für negativen Maschinenstrom jeweils um den gleichen Winkel voreilend verschoben. Dies bedeutet, daß mit zunehmender Verschiebung sich z. B. das Ende von Zündimpiils Zl und der Beginn von Zündimpuls Z4.

4") d.h. auch die Stromleitdaucr von 'I und 7~4 immer mehr nähern. Ab einem Verschiebungswinkel g· = 30° wird Γ4 gezündet, obwohl 7"! noch Strom führt. Der Zwischenkreisstrom /,/ fließt dann direkt über den internen Brückenpfad TX DX.D4. T4. Solange dieser internc Briickenkurzschluß besteht, sind die Umrichterausgangsklcmmen stromlos. Der Brückenkurzschluß wird z. B. durch Zündung des Thyristors Ti wieder aufgehoben. Der Strom durch TX kommutiert auf T3 und die Stromaufteilung entspricht wieder den üblichen Verhältnissen. Zur Veranschaulichung sind in F i g. 2 die 6fache Grundschwingungsfrequenz b · /|i). die Ringzählersignale R 1, R 4 und die Zündimpulse Z I, Z4 der Thyristoren TI. 7*4zusammen mit dem zugehörigen Unirichtcrstrom /„ beispielhaft für verschiedene Verschiebe-

w) winkel </■ - ii — 30' aufgezeigt. Im einzelnen gilt:

Figur 2a: ι/ = 0"; _t\, = 30';

(Normalzustand)
Figur 2b: ι/ = 30' : x, = H) ;

h5 (Beginn der I Iberlappung)

Figur 2c: (j = bO ; \, = 90 ;

(Betrieb mit Überlappung)

Vl j n sieht, daß die Ringzählersignalc /?1. Λ4 synchron /urot'achen Grundschwingiingsfrequen/. sind und von Jer Verschiebung nicht beeinflußt werden. Die Verschiebung der Signale V 1, V4 bzw. Z I, Z 4 hängt von der Höhe der Steuerspannung U_u ab. Für Verschiebewinkel φ < 30° sind die Stromblöcke des Stromes /„ein Abbild der Zündsignale Z1. Z 4.

Ab Verschiebewinkel ψ > 30" beginnt die Überlappung. Während der Übcrlappungsdauer ü ist der Ausgangssirom /„ = 0. Weiterhin bestätigt die Y i g. 2, daß ι« die Grunclschwingungsampliludc /Jn trot/ konsiantem Zwischcnkreissirom /,/mit wachsendem Verschiebungswinkel abnimmt. Der Zusammenhang /wischen Verschiebungswinkel φ und normierter Griindschwingungsamplitude /(i)//(i)„,.,, ist in F i g. 3 wiedergegeben. r> Der Kurveiiverlauf zeigt, daß unabhängig vom Zwischenkreisstrom /,/ein Herabsteuern der Grundschwingungsamplitude I^ bis zum Wert Null möglich ist.

Abschließend wird in F i g. 4 beispielhaft verdeutlicht, wie man das erfindungsgemäße Verfahren in cine Rc- 2n gelanordnung integrieren kann. Die Amplitude des Stromes / wird über den ncizgeführten Stromrichter 1 und eine Stroniregeleinrichtung mit Zündimpulsgenerator 8 und Stromreglcr 9 entsprechend dem Sironisollwert /",„//2 geregelt. Für Stromsoiiwcrtc L,,m, die größer sind als ein umrichtertypischer Stromgrenzwert /.·„„/, unterscheidet sich I_sou₂ nicht vom Ausgangssignal h„iii des Spannungsreglers 11. Der Spannungsregler 11 gibt den Stromsollwert Λ,,//ι so vor, daß die Maschinenspannung Um einem vorgegebenen Spannungssollweri li_K,,n jo entspricht. Die Maschinenspannung U_v,n wird in einem Kennliniengeber 12 von einer Sollspannung Ui für die Frequenz abgeleitet. Die Sollspannung Ur setzt ein Spannungsfrequenzwandler 13 in eine Pulsfrequenz mit der6fachenGrundschwingungsfrequenzb · /Ji)um. j^r>

Für Ströme/„,//, > 1^_n-,,/ erzeugen Ringzähler 7, Verschiebeeinrichtung 6 und Steuersatz 5, Zündimpulsc Z1 — Ζβ für den Wechselrichter 2 so. daß die Maschine 4 mit dem bereits bekannten Blockströmen laut F i g. 2a gespeist wird. Die Stcuerspannung i/„ zur Verschicbung der .Stromblöcke ist Null. Für Ströme Λ,,/π < /_f-„_w hält eine Ablösceinrichtung 10 den Sollwert für den Stromregler auf dem Wert h,,m = /_Λ·._ν^ = konstant. Damit bleibt auch die Amplitude des Zwischenkreisstromes bzw. des Maschinenstromes unabhängig von irgendwelchen Lastschwankungen konstant. Für weitere Verminderungen der Siromgrundschwingungsamplitude kann der Spannungsregler über die Steuerspannung Un die Stromblöcke so gegeneinander verschieben, bis der Maschinenstrom /(D einen Wert erreicht, der in der Maschine die gewünschte Gejicnspannung (/,-„ /.Uf SuilS[>arii'iui"ig tA₍>//ii~iuu/icfi.

Zur weiteren Veranschaulichung sind in Fig. 5 F.ingangs- und Ausgangssignalc der Ablösceinrichtung 10 aufgezeigt. Man sieht, daß für Ströme Λ,,//ι > I pa* (Regelbereich a) kein Unterschied zwischen den beiden Sollwerten l„n\ und l_s„in besteht: die Stcuerspannung U₅I ist Null. Ab dem Grenzwert l_erCn, bleibt l_s„\n konstant und die Steuerspannung und damit der Vcrschiebewinkel nimmt für kleinere Λ,,// τ zu (Regelbereich b). t>o

Zweckmäßigerweise wird man den Grenzstrom I_prcn, so einstellen, daß der für die Auslegung des Wechselrichters maßgebliche Wert /,/,„.,>/7,/„„„ klein bleibt, um die spannungsmäßige Beanspruchung der Wechsclrichlcrbauelemente gering zu halten. ei

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

IO Patentansprüche:

1. Verfahren zur Steuerung eines Zwischcnkreisumrichters, der einen im Zwischenkreis eingeprägten Gleichstrom regelbarer Größe und einen verbraucherseitigen Stromrichter mit zur Phasenfolgclöschung dienenden Kommutierungskondensatoren aufweist, die laststromabhängig umgeladen werden, wobei der Ausgangsstrom oberhalb eines umrichtcrlypischen Stromgrenzwerics nur über die Amplitude positiver und negativer Stromblöcke des Ausgangsstroms verändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsstrom unterhalb des Stromgrenzwertes bei konstanter Amplitude über die Phasenlage und über die Dauer der Stromblöcke verändert wird, indem der positive und negative Stromblock mit zunächst jeweils 120" Dauer gegeneinander verschoben werden, bis sich die Stromblökke überlappen, wobei während der Überlappung der Ausgangssfrom Null ist, so daÜ je nach Überlappungsgrad die Stromblockdauer des Ausgangsstroms 0° bis 120" beträgt, und daß das Maß der Verschiebung derart bestimmt wird, daß die Gegeniipannung einer angeschlossenen Last einem vorgegebenen Spannungssollwert entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß das Maß der Verschiebung durch eine Sieuerspannung IK, bestimmt wird, die von einer Ablösceinrichtung (10) abhangig von dem Strom-Sollwert Λ,,,π und dem umrichtertypischen .Stromgrenzwert /,.„■„/ bei lirreichen des Sollwertes I₁.,,.,,, abgegeben wird.

JO