DE3131361A1 - Verfahren und vorrichtung zur laststromregelung eines polsumrichters - Google Patents

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SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen:

Berlin und München VPA 81 P 8 5 3 O DE

Verfahren und Vorrichtung zur Laststromregelung eines Pulsumrichters

Die Erfindung "betrifft ein Verfahren zum Bilden der Ansteuersignale für einen von einer vorgegebenen Eingangsgleichspannung gespeisten Umrichter für die Stromregelung einer an die Phasenausgänge des Umrichters angeschlossenen Last. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Es ist bei theoretischen Betrachtungen üblich, bei einer über ihre Eingangsklemmen mit den Phasenausgängen eines Umrichters verbundenen Last die Phasenströme und Phasenspannungen einem aus den Phasengrößen zusammengesetzten Laststromraumzeiger bzw. Lastspannungsraumzeiger zuordnen. Wird der Umrichter mit einer vorgegebenen Eingangsgleichspannung gespeist und werden die jeweils zwischen einem Phasenausgang und den beiden Gleichspannungseingängen liegenden Umrichterschalter so angesteuert, daß die Eingangsgleichspannung entweder positiv oder negativ auf den Ausgang durchgeschaltet wird, so kann jeder Phasenausgang nur zwei diskrete, durch die Eingangsgleichspannung und den Zustand des Ansteuersignals gegebene diskrete Spannungen annehmen. Für die Ansteuerung aller Umrichterschalter ergibt sich eine endliche Anzahl von Schaltkombinationen, z.B„ bei einem dreiphasigen Umrichterausgang nur 2"* = 8 Schaltkombinationen und somit nur eine endliche Anzahl möglicher Zustände des resultierenden Spannungsraumzeigers. Die beiden Schaltkombinationen, bei denen alle Phasenausgänge über den positiven bzw. negativen Gleichspannungseingang kurzgeschlossen sind, liefern den Spannungsnullpunkt des resultierenden Spannungsraumzeigers, während die verbleibenden Kombinationen

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diskreten Spannungsraurazeigern entsprechen. Iin dreiphasigen Beispiel sind demnach für den Spannungsraumzeiger insgesamt 6 diskrete Zeiger ΊΔ. Ms Z6 sowie die beiden Nullzustände (Klenimenkurzschlüsse) Z und Z möglich. Zwischenlagen können dadurch vorgegeben werden, daß die beiden dem anzusteuernden Spannungsraumzeiger benachbarten diskreten Zeiger abwechselnd angesteuert werden, so daß eine gepulste Ausgangsspannung entsteht, deren Mittelwert dem anzusteuernden Spannungswert des entsprechenden Phasenausgangs entspricht. Bei einem derartigen Pulsbetrieb des Wechselrichters wird demnach die Lastspannung gesteuert, während sich der Laststrom entsprechend dem Belastungszustand der Last frei einstellt.

Für den Betrieb der Last, z.B. einer Drehfeldmaschine, ist es jedoch häufig erwünscht, den Laststrom auf vorgegebene Sollwerte einzuregeln. Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Verfahren, bei dem für jeden Phasenstrom die Regeldifferenz zwischen Stromistwert und einem vorgegebenen Stromsollwert bestimmt wird und der Spannungsraumzeiger der Last ("Spannungszeiger") in Abhängigkeit von den Kegeldifferenzen so gesteuert wird, daß jeweils von einem di'skreten Vektor auf einen anderen umgeschaltet wird. Zur Bestimmung der Regeldifferenz dienen bei diesen bereits bekannten Verfahren Hystereseregler, bei denen der Zustand des Ausgangssignals stets dann wechselt, wenn die Regeldifferenz eine positive Toleranzgrenze überschreitet und vorher eine Unterschreitung der negativen Toleranzgrenze und umgekehrt stattgefunden hat. Mit jedem Zustandswechsel wird die Polarität der Spannung am entsprechenden Phasenausgang umgekehrt, so daß jeweils ein anderer der für den Spannungszeiger möglichen diskreten Zeiger angesteuert wird. Da die Hystereseregler für jeden Phasenausgang unabhängig voneinander arbeiten, ist es mehr oder weniger zufallsbedingt, welcher Spannungszeiger jeweils angesteuert wird. So sind auch zufällig auftre-

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tende KlemmenkurzSchlüsse möglich. Insbesondere können dabei Zustände auftreten, bei denen trotz einer Umschaltung beim Überschreiten der Toleranzgrenze ein Phasenstrom bis zur doppelten Toleranzbreite vom vorgegebenen Sollwert abweicht.

Durch die Erfindung wird ein neues Verfahren zum Bilden der Ansteuersignale für einen derartigen Pulswechselrichter mit Laststromregelung geschaffen. Das neue Verfahren kann je nach den Anforderungen so weitergebildet werden, daß eine hochgenaue Führung des Laststromes möglich ist.

Dazu wird bei einem Verfahren, bei dem jeweils für jeden Phasenstrom die Regeldifferenz zwischen Stromistwert und einem vorgegebenen Stromsollwert bestimmt wird und der Spannungszeiger in Abhängigkeit von den P«.egeldifferenzen von einem diskreten Zeiger auf einen anderen umgeschaltet wird, erfindungsgemäß ein Triggerimpuls erzeugt. Bei jedem Triggerimpuls werden die Ansteuerimpulse, die zu dem bis zum nächsten Triggerimpuls der anzusteuernde Spannungszeiger gehören, iin voraus so bestimmt, daß dieser Spannungszeiger entgegengesetzt zu einem aus den Regeldifferenzen abgeleiteten Regeldilferenzzeiger ist. Dieser Regeldifferenzzeiger erfaßt die vektorielle Differenz zwischen dem Stromraumzeiger der Last ("Stromzeiger") und dem den Sollwerten der Phasenströme zugeordneten Soll-Stromraumzeiger.

Die Erfindung geht dabei von dem Grundgedanken aus, daß es nicht dem Zufall überlassen werden soll, welcher diskrete Zeiger jeweils anzusteuern ist« Vielmehr werden die Abweichungen des Stromistwertes vom Stromsollwert auf die Weise, die bei der Bildung des Stromzeigers (d.h. des Raumzeigers des Laststroms) üblich ist, als die Komponenten eines Raumzeigers aufgefaßt. So können

»Λ m- *

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insbesondere die jeweils bei einem Triggerimpuls vorliegenden Istwert/Sollwert-Abweichungen der Phasenströme unmittelbar zu dem erwähnten Regeldifferenzzeiger zusammengesetzt werden. Es können aber auch die Taktzeit (Abstand der verwendeten Triggerimpulse) und andere Betriebsgrößen, die den Betriebszustand der Last beschreiben, berücksichtigt werden; dabei kann sich als Regeldifferenzzeiger ein Raumzeiger ergeben, der zwar auch die vektorielle Differenz zwischen Stromzeiger und Soll-Stromraumzeiger erfaßt, jedoch von dieser vektoriellen Differenz etwas abweicht.

In jedem Fall wird für die Ansteuerung des Umrichters diejenige Kombination der Ansteuersignale ausgewählt, die zu einer möglichst raschen Verringerung der Regeldifferenzen führt. Dies ist dann der Fall, wenn der anzusteuernde Spannungszeiger praktisch entgegengesetzt gerichtet ist zum Regeldifferenzzeiger. Jeweils bei einem (geeignet gewählten) Triggerimpuls kann also bereits der anzusteuernde Spannungszeiger im voraus berechnet und der Umricht'erschalter bis zum Auftreten des nächsten Triggerimpulses entsprechend angesteuert werden.

Für die Durchführung dieses Verfahrens ist daher eine Vorrichtung geeignet, die eine erste Vergleicherstufe, einen Triggerimpulsgenerator und eine Auswahlstufe enthält. Die erste Vergleicherstufe bildet aus dem Vergleich der momentanen Istwerte der Phasenströme mit vorgegebenen Sollwerten die momentanen Regeldifferenzen. Die Auswahlstufe bestimmt bei jedem Triggerimpuls aus den momentanen Regeldifferenzen die Ansteuersignale für den bis zum nächsten Triggerimpuls anzusteuernden Spannungszeiger, wobei der anzusteuernde Spannungszeiger entgegengesetzt gerichtet ist zu dem aus den Regeldifferenzen gebildeten Regeldifferenzzeiger.

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Vorteilhafte ¥eiterbilaungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung sind in den Unteransprüclien gekennzeichnet.

Anhand von zwei Ausführungsbeispielen und 5 Figuren wird die Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. i einen Umrichter mit angeschlossener Last, Fig. 2 und Fig. 3 das System der möglichen diskreten Zustände der Lastspannung und die Darstellung der Regelabweichungen .des Laststroms als Raumzeiger,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel mit extern vorgegebener ±5 Triggerfrequenz,

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel ohne vorgegebene Triggerfrequenz.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für die Regelung einer Drehfeldmaschine oder einer anderen, symmetrischen Last mit freiem Sternpunkt geeignet. In Fig. i ist der Umrichter 1, der über seine Gleichspannungseingänge 2, 3 mit der Eingangsgleichspannung U_z gespeist ist, über seine Ausgänge a, b, c an die Ständerwicklung 4 einer Drehfeldmaschine angeschlossen, wobei der Sternpunkt 5j der als Bezugspunkt für die Phasenspannungen U , U^, U dient, nicht angeschlossen ist. Von der Steuereinrichtung 6 wird zur Steuerung des elektrischen Potentials an der Klemme a das.Ansteuersignal S_a erzeugt, mit dem der Ausgang a über die Schalter al, a2 alternativ mit dem Eingang 2 oder 3 verbindbar ist. Als Schalter können z.B. Thyristor- oder Transistorschalter verwendet werden, wobei dem Ansteuersignal S=I das Schließen des Schalters al bei geöffnetem Schalter a2 und dem Ansteuersignal S_Q = 0 das Schließen des Schalters a2 bei

Si

geöffnetem Schalter al zugeordnet ist_o Endverstärker und

^ U

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andere Elemente, die zur Betätigung der Schalter bei Wechselrichtern üblich sind, sind in dieser schematischen Darstellung weggelassen,, In entsprechender Weise sind mit dem Signal S, die Schalter bl, t>2 und mit S die Schalter el, c2 ansteuerbar.

Der Steuervorrüitung 6 sind die Stromsollwerte I , L·, * a ο

I und über Wandler 8 die Stromistwerte I , Ι_Ή, Ι züge-

(_/ et U O

führt. In dieser schematisehen Darstellung ist die ^_n 10 Steuervorrichtung 6 nicht in ihrem gesamten Aufbau, sondern lediglich durch die in einer ersten Vergleicherstufe enthaltenen Grenzwertmelder angedeutet.

Wird nun jedem Phasenausgang eine bestimmte Richtung zugeordnet, so können die Phasenspannungen L^T _a, U^, U_c als die Komponenten eines Raumzeigers der Lastspannung bezüglich dieser Richtungen aufgefaßt und zu dem Spannungszeiger zusammengesetzt werden. Fig. 2 zeigt für das gewählte Beispiel (symmetrische dreiphasige Last) die drei den Ausgängen a, b, c zugeordneten, jeweils um 120 gegeneinander versetzten Richtungen n., b_, c_. Bei einer Ansteuerung der Umrichterschalter mit der Ansteuersignal-Kombination S = S, = S = 1, die durch das digitale Ansteuersignal S = (111) bezeichnet sei, wird der Zustand U = U, = U =0 angesteuert ("positiver Klemmenkurzschluß"), dem der mit Z^ bezeichnete Nullzustand U = U, = U = 0 des resultierenden Spannungszeigers entspricht. Der gleiche Nullzustand 2^₀ wird auch durch das Ansteuersignal S = (000), entsprechend S = S, = S =0, erreicht. Mit der Schaltkombination

S_a = 1, S-J₃ = S =0, entsprechend dem digitalen Ansteuersignal (lOO) wird der Zeiger Z^ der Lastspannung angesteuert, wobei die Schalter al, b2, c2 geschlossen und die restlichen Schalter geöffnet sind. In Fig. 2 sind f~\, 35 auch die weiteren möglichen Schaltkombinationen durch ihre digitalen Ansteuersignale sowie die dadurch ange-

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steuerten diskreten Zeiger Z₂ "bis £g dargestellt. Jeder dieser Zeiger ist demnach in seiner Richtung durch das entsprechende Ansteuersignal bestimmt, wobei außerdem der Betrag gemäß J₁Z₁J = ... = ) Z_-61 = 2/3 · U₂, gegeben ist.

Dei dem anfangs geschilderten bekannten Regelverfahren besteht die Steuervorrichtung 6 im wesentlichen aus je einem dem Phasenausgang zugeordneten Vergleicher, den eine der Toleranzbreite des Regelverfahrens entsprechende Ansprechgrenze vorgegeben ist und dessen Ausgangssignal als Steuersignal für die auf den entsprechenden Phasenausgang arbeitenden Schalter aus der Steuervorrichtung herausgeführt ist. ¥enn dann z.B. zu einem Zeitpunkt, bei dem mit dem Ausgangssignal S = (101) die Schalter al, b2, el geschlossen sind, der Strom im Pha-

■ssenausgang a den vorgegebenen Sollwert I₀ um die vorge-

3.

gebene Toleranzbreite überschreitet, etwa weil für eine dynamische Änderung des Lastzustandes (z.B. generatorischer/motorischer Betrieb einer Drehfeldmaschine) der Stromsollwert plötzlich geändert wird, so spricht der dem Ausgang a zugeordnete Regler an und es wird vom Schalter al auf den Schalter a2 umgeschaltet. Dadurch wird die Spannung am Ausgang a umgepolt und wirkt nunmehr der Toleranzüberschreitung des Phasenstromes I entgegen. Unabhängig davon werden auch die anderen Phasenströme überwacht, so daß eine weitere positive Toleranzüberschreitung des Phasenstroms I oder eine negative Toleranzüberschreitung des Phasenstromes I. zu einem Ansteuersignal (OOO) - d.h. negativer Klemmenkurzschluß - oder (Oll) führt. Wegen des Hystereseverhaltens der Regler führt eine positive Toleranzliberschreitung des Stromes I, oder eine negative Toleranzüberschreitung des Stromes I zu keiner Änderung des angesteuerten Zu-Standes (001), es kann also nicht verhindert werden, daß diese Phasenströme die vorgegebene Toleranzgrenze

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unter Umständen erheblich - bis zur doppelten Toleranzbreite - überschreiten.

In der der Erfindung zugrunde liegenden Betrachtungsweise wird den Istwerten und den Sollwerten der Phasenströne jeweils ein Ist-Stromzeiger I_- und Soll-Stroiazeiger I_- zugeordnet, wie in Fig. 2 für den soeben betrachteten Fall dargestellt ist. Der Regelabweichung Ι,-I.* wird der Regeldifferenzvektor A I zugeordnet,

Fig. 3 zeigt ebenfalls eine Darstellung, bei der die durch die vektorielle Differenz des Ist-Stromzeigers und Soll-Stromzeigers dargestellte Regeldifferenz in das durch die diskreten Zeiger 55., bis 55g (entsprechend den möglichen Zuständen des Spannungszeigers) gegebene Spannungssystem eingetragen ist. Einer positiven Regelabweichung des Phasenstromes I entspricht dabei die oberhalb der gestrichelt gezeichneten Linie W gezeigte Halbebene. Durch W₀ - AI wird somit die durch eine schraffierte

o. el

Fläche dargestellte Toleranzbreite des dem Phasenausgang a zugeordnete Hysteresereglers gegeben. Durch W, und W sowie die entsprechenden Toleranzbreiten <5l^, 6l„ sind die Toleranzbreiten der den beiden anderen Ausgängen zugeordneten Regler dargestellt. Liegt der Endpunkt der vektoriellen Ist/Soll-Stromdifferenz außerhalb der gestrichelten Flächen, wie für die vektorielle Differenz Al. dargestellt ist, so sprechen demnach alle drei Regler an. In diesem Fall kann durch das bekannte Regelverfahren als neuer Spannungszeiger der diskrete Zeiger angesteuert werden, der am schnellsten zu einer Verkleinerung der Regeldifferenz führt» Liegt jedoch die Regeldifferenz für einen der drei Regler innerhalb des entsprechenden Toleranzbandes, wie für die vektorielle Differenz Δ I und den dem Phasenausgang c zugeordneten Toleranzband ¥ i $1 in Fig. 3 dargestellt ist, so hängt

C C

das Ausgangssignal dieses Reglers wegen des Hysterese-

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Verhaltens von der Vorgeschichte der Regeldifferenz ab. Das Verfahren ist dann nicht in der Lage, auf eindeutige· Weise den Spannungszeiger zu bestimmen, der dem Raumzeiger A I _n in entgegengesetzter Richtung nächstliegend ist und daher in der Regel von allen Zeigern ZL, bis Zc am schnellsten zur Verringerung der Regeldifferenz führt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun aus dieser velctoriellen Darstellung der Regeldifferenz jeweils spätestens bei einer Toleranzgrenzüberschreitung derjenige Spannungszeiger bestimmt und angesteuert, der am wirkungsvollsten zur Verringerung der Strom-Regeldifferenz bzw. des Regeldifferenz-Zeigerbetrages, führt. Vor allem wird auf die Verwendung von Reglern oder Komparatoren mit Hystereseverhalten verzichtet, so daß die Bestimmung des anzusteuernden Spannungszeigers nicht mehr von der Vorgeschichte der Regelung abhängt.

Vielmehr wird auf andere Weise ein Triggerimpuls erzeugt und bereits beim Auftreten jedes Triggerimpulses der bis zum nächsten Triggerimpuls anzusteuernde Spannungszeiger bestimmt. Dieser wird so bestimmt, daß er entgegengesetzt gerichtet ist zu dem aus den Regeldifferenzen zwischen Stromistwert und vorgegebenen Stromsollwert der Phasenströme abgeleiteten Regeldifferenzzeiger, wobei der Regeldifferenzzeiger die vektorielle Differenz zwisehen dem Stromvektor und dem aus den Sollwerten der Phasenströme resultierenden Stromsollvektor erfaßt. Der Begriff "entgegengesetzt gerichtet zum Regeldifferenzzeiger" ist dabei so aufzufassen, daß der entsprechend angesteuerte Spannungszeiger zu einer Verkleinerung des Betrages des Regeldifferenzzeigers führt. Wird die Regeldifferenz als ά I =1,-1,* definiert, so bedeutet das, daß bei einem den Stromsollwert übersteigenden Stromistwert die Regeldifferenz positiv ist und der Spannungszeiger entgegengesetzt gerichtet zu der derart definierten vek-

Al·

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toriellen Differenz I - Γ* ist. Würde dagegen der Regeldifferenzzeiger entsprechend der Differenz I₁* - I₁ definiert, so ist der anzusteuernde Spannungszeiger in der Richtung des derart definierten Regeldifferenzzeigers zu bestimmen. In jedem Falle wird die Regeldifferenz so auf die Steuerung des Spannungsvektors geschaltet, daß sie als Gegenkopplung zur betragsraäßigen Verringerung der Regeldifferenz führt.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einer Vergleicherstufe, einem Triggerimpulsgenerator und einer Auswahlstufe. In Fig. k ist der innere Aufbau der Vergleicherstufe 20, des Triggergenerators 21, der Auswahlstufe 22 und einer vorteilhaft zusätzlich vorzusehenden zweiten Vergleicherstufe 23 nur schematisch dargestellt für den Fall, daß die Triggerimpulse mit einer extern vorgegebenen Frequenz erzeugt werden.

Die Vergleicherstufe bildet durch Vergleich der momentanen Istwerte der Phasenströme mit den momentan vorgegebenen Sollwerten momentane Regeldifferenzen. Die der ersten Vergleicherstufe 20 nachgeschaltete Auswahlstufe 22 wird von den Impulsen des Generators 21 getriggert und stellt an ihren Ausgängen 24 die den Umrichteraiisgängen a, b, c zugeordneten Signale S_a, S, , S in derjenigen Kombination zur Verfugung, die als Ansteuersignal S für die Ansteuerung eines bestimmten Spannungszeigers erforderlich ist. Bei jedem Triggerimpuls wird der jeweils bis zum Auftreten des nächsten Triggerimpulses anzusteuernde Spannungszeiger in der Auswahlstufe 22 entsprechend den vorangegangenen Erläuterungen so bestimmt, daß er entgegengesetzt gerichtet ist zu einem Regeldifferenzzeiger, der aus den von der ersten Vergleicherstufe gelieferten Hegeldifferenzen zusammengesetzt ist»

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Zur Eingabe des Ist-Stromzeigers sind in dem dargestellten Fall die beiden Phasenströme I und I, verwendet, da bei freiem Laststernpunkt der dritte Phasenstrom aus den beiden anderen Phasenströmen berechenbar ist. Ebenso genügt es, die Sollwerte für zwei Phasenströme vorzugeben. Die auf diese (in Fig. 4 nicht näher dargestellte) Weise ermittelten Ist- und Sollwerte werden an entsprechenden Subtraktionsstellen 25a bis 25c voneinander subtrahiert und Ausgangsgliedern 26a bis 26c zugeführt, die an den Ausgängen 27a bis 27c z.B. entsprechende Digitalwerte für die Regelabweichung jedes einzelnen Phasenstronies bereitstellen.

Die Auswahlstufe 22 enthält an ihrem Eingang vorteilhaft einen Speicher, der jeweils bei einem am Impulsgenerator 21 bzw· der nachgeschalteten zweiten Vergleicherstufe 23 auftretenden Triggerimpuls die an den Leitungen 27 anstehenden Regeldifferenzsignale einliest und für die Bestimmung des Ausgangssignals S_ bis zum Auftreten eines * neuen Triggerimpulses zur Verfugung stellt.

Zunächst sei ein Ausführungsbeispiel betrachtet, bei dem als Ausgangsglieder 26a bis 26c lediglich Verstärker oder Analog-Digital-Umsetzer verwendet werden. Als Regeldifferenzsignale liegen dann jeweils die Regeldifferenzen ΛI a j &.!>,> ^¹« äer Phasenströme vor. Diese Regeldifferenzen . können in der Auswahlstufe 22 auf die übliche Weise zu einem im Betrag und Rüitung die vektorielle Differenz zwischen dem Ist-Stromzeiger und dem Soll-Stromzeiger genau erfassenden Regeldifferenzzeiger zusammengesetzt werden. Diese vektorielle Differenz kann dann als Führungsgröße für ein Spannungsführungsglied verwendet werden, das zusammen mit den angesteuerten Umrichterschaltern ein Spannungsstellglied bildet und den Spannungsvektor an den Umrichterausgängen so einstellt, daß er entgegengesetzt gerichtet ist zu der vektoriellen Diffe-

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renz der Ströme. Da im allgemeinen die vektorielle Differenz und damit der anzusteuernde Spannungszeiger in Betrag und Richtung nicht mit einem der möglichen diskreten Zustände des Spannungszeigers zusammenfällt, muß in diesem Fall ein Spannungssteuerverfahren verwendet werden, das auch die Ansteuerung eines zwischen zwei diskreten Zeigern liegenden Spannungszeigers erlaubt. Ein derartiges Steuerverfahren zur quasikontinuierlichen Ansteuerung eines vorgegebenen Spannungszeigers kann z.B. darin bestehen, daß zwischen zwei Triggerimpulsen jeweils die beiden dem anzusteuernden Spannungszeiger benachbarten diskreten Zeiger ein- oder mehrfach alternierend angesteuert werden, lirobei die Einschaltdauern für die beiden benachbarten diskreten Zeiger aus den eingegebenen Werten des anzusteuernden Spannungszeigers jeweils bereits beim Auftreten eines Triggerimpulses so bestimmt werden, daß im zeitlichen Mittel der gewünschte Spannungszeiger an den Phasenausgängen auftritt. Ein derartiges Steuerverfahren ist z.B. in der gleichzeitig eingereichten deutschen Patentanmeldung "Steuerverfahren und Steuereinrichtung für einen Pulswechselrichter" beschrieben.

Die soeben beschriebene Variante der Erfindung, bei der als Regeldifferenzzeiger direkt die Differenz des Iststromzeigers und des Sollstromzeigers verwendet und in Betrag und Richtung bestimmt wird, bedingt jedoch einigen Aufwand. Daher ist bei dem in Fig. k gezeigten Ausführungsbeispiel als Ausgangsglied 26a bis 26c der ersten Vergleicherstufe 20 für jeden Phasenausgang je ein Grenzwertmelder vorgesehen, dem als Grenzwert (Ansprechgrenze) praktisch der Wert Null vorgegeben ist. Die Vergleicherstufe 20 bestimmt also nur das Vorzeichen der Regeldifferenzen. Am Ausgang 27a wird dann die Größe sign ΔΙ

bereitgestellt und die Auswahlstufe 22 kann entsprechend diesem Signal nur noch entscheiden, ob die vektorielle

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Differenz Al in Fig* 3 in der Halbebene oberhalb der

Geraden W liegt oder nicht. Durch sign AL und sign Δΐ_ a υ . c

an den Ausgängen 27b, 27c wird die gleiche Ja/Nein-Entscheidung auch für die durch die Geraden W^ und W begrenzten Halbebenen in Fig. 3 getroffen, so daß durch die Eingangssignale der Auswahlstufe 22 festgelegt ist, in welchem der durch gestrichelten Geraden in Fig. 3 dargestellten Winkelbereichen die vektorielle Differenz liegt. Die Winkelhalbierende des auf diese Weise der vektoriellen Differenz Al zugeordneten Winkelbereichs fällt jeweils mit einem der diskreten Spannungszeiger zusammen. Wird nun zum Ansteuern des Spannungszeigers dasjenige Ansteuersignal S verwendet, das dem dieser Winkelhalbierende entgegengesetzten diskreten Zeiger entspricht, so ist jedenfalls sichergestellt, daß bei dieser Ansteuerung die Regeldifferenz rascher abnimmt als bei der Ansteuerung mit einem anderen diskreten Zöiger. Da ferner diese Bestimmung des anzusteuernden Vektors jeweils bei einem Triggerimpuls vorgenommen wird, wird bei ausreichend hoher Frequenz der Triggerimpulse eine Regeldifferenz des Phasenstromes auch dann rasch ausgeregelt, wenn jeweils bis zum Auftreten des nächsten Triggerimpulses nur der auf diese Weise bestimmte diskrete Spannungszeiger angesteuert wird.

Bei dieser vorteilhaften Variante werden also zur Bestimmung des Ansteuersignals, mit dem die Schalter des Umrichters umgeschaltet werden sollen, lediglich die Vorzeichen der Regeldifferenz und aus den Vorzeichen nur ein der vektoriellen Differenz benachbarter diskreter Zeiger bestimmt. Der diesem benachbarten Zeiger entgegengesetzte Spannungsvektor wird dann jeweils bis zum nächsten Triggerimpuls angesteuert. Im Gegensatz zu dem eingangs geschilderten Hystereseregelverfahren werden dabei Komparatoren mit einer Ansprechgrenze praktisch Null (also ohne Kystereseverhalten) verwendet, so daß

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die Bestimmung des anzusteuernden Spannungszeigers unabhängig von der Vorgeschichte wird und auch für die in Fig. 3 dargestellte vektorielle Differenz ^I _n zu einer raschen Verkleinerung der" Kegeidifferenz führt.

■■-■ ■-/■ ■ ·.-... . - ■■■-■■

Die Auswahlstufe 22 kann für diese Variante besonders einfach ausgebildet sein, da durch die drei Signale sign Al_a> sign 41-u, sign\Al_c bereits der anzusteuernde Spannungszeiger am Eingang der Auswahlstufe festliegt. Es genügt daher, als Auswahlstufe einen Speicher zu verwenden, der jeweils bei einem Triggerimpuls das momentane Aus gangs signal sign Δΐ_ο» sign Δΐ^., sign ΔI ein-

el Q C

liest und bis zum nächsten Triggerimpuls an seinen Ausgängen als Ahsteuersignal S_ = (S„, Sv, S) für die auf

S SL D C den entsprechenden Phasenausgang arbeitenden Umrichterschalter abgibt. Ein derartiger Speicher kann also z.B. jeweils aus einem D-Flip-Flop für jeden Phasenausgang bestehen, wobei der Vorhereitungseingang dieser D-Flip-Flops mit dem Triggerimpulsgenerator 21 verbunden ist.

Die Verwendung der hysteresefreien Koinparatoren 26 bedingt, daß - sofern für wenigstens einen Phasenstroia die Regeldifferenz ihr Vorzeichen umkehrt (auch wenn dabei alle Regeldifferenzen innerhalb vorgegebener Toleranzbreiten bleiben) - stets eine Umsteuerung der Umrichterschalter stattfindet. Andererseits kann im Interesse einer genauen Stromregelung die Triggerimpulsfrequenz nicht zu niedrig gewählt werden, da eine Korrektur der Regelabweichung jeweils nur beim Auftreten eines Triggerimpulses stattfindet. Die SchaltbeTastung des Umrichters kann dadurch, verglichen mit dem eingangs geschilderten bekannten Verfahren, wesentlich höher werden.

Dies kann sowohl bei der zuerst geschilderten Variante ö.er Erfindung, bei der als Regeldifferenzzeiger die vektorielle Differenz Δΐ selbst verwendet wird, wie auch

ao

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der nur die Vorzeichen der Regeldifferenzen verwendenden Variante dadurch vermieden werden, daß - gegebenenfalls zusätzlich zu den Vorzeichen - die Beträge der Regeldifferenzen bestimmt werden und jeweils bei einem der (in einem extern vorgegebenen Takt erzeugten) Triggerimpulse nur dann ein anderer Spannungszeiger angesteuert wird, wenn der Regeldifferenzbetrag wenigstens an einem Phasen ausgang eine vorgegebene Toleranzgrenze überschreitet. Hierzu dient in Fig. k die zweite Vergleicherstufe 23, die ebenfalls für jeden Phasenausgang den Stromistwert mit dem Stromsollwert vergleicht und eine Umschaltung der Ansteuersignale immer dann unterdrückt, wenn keine der Istwert/Sollwert-Differenzen die vorgegebene Toleranzgrenze überschreitet. Dabei werden die an den Subtraktionsstellen 25 ermittelten Regeldifferenzen an Gleichrichtern 30a, 30b, 30c gleichgerichtet und Komparatoren 3ia, 31b, 31c, denen die jeweilige Toleranzgrenze <$I = (51. = <$I„ vorgegeben ist, zugeführt. Die Koinpa-

el D C

ratorausgänge sind an einem ODER-Glied 32 vereinigt und werden zusammen mit dem Triggerimpuls des Triggerimpulsgenerators 21 einem UND-Gatter 33 aufgeschaltet. Dieses UND-Gatter liefert jetzt nur'dann einen Triggerinipuls für die Vergleicherstufe 22, wenn in dem durch die Triggerfrequenz gegebenen Abfragezyklus eine Toleranzüber— 2p schreitung des Phasenstromes vorliegt.

Man kommt aber zu einer Verringerung der Schaltbelastung auch dann, wenn zwar die Ermittlung des Ansteuersignals S. wie bereits erläutert, z.B. auf die beiden bereits beschriebenen Varianten, erzeugt wird, aber im Gegensatz zu Fig. 4 der Triggerimpuls selbst nicht in einem extern vorgegebenen Takt erzeugt und lediglich von der zweiten Vergleicherstufe 23 unterdrückt wird, sondern vielmehr durch Eliminieren der Elemente 21 und 33 ^v°n ä-QY Verteilerstufe 23 selbst geliefert wird, die dann als interner Triggerimpulsgenerator dient. In Figo 5 ist ein bevor-

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zugtes Ausführungsbeispiel fürdiese Veriahrensvariante dargestellt.

Der Aufbau der ersten Vergleicherstufe 20 und der Auswahlstufe'22 in Fig. 5 entspricht der Ausführung nach Pig. 4, wobei jedoch auch hier die bereits zu Fig. h angegebenen Abweichungen möglich sind.

Ferner werden ebenfalls die Beträge der Regeldifferenzen (ggf· zusätzlich zu den Vorzeichen) bestimmt. Jedoch wird jetzt ein Triggerimpuls immer dann erzeugt, wenn ein Regeldifferenzbetrag eine vorgegebene Toleranzgrenze überschreitet. ■-■".-".-.■ :

±5 Soll die zweite Vergleicherstufe 23 als Triggerimpulsgenerator entsprechend Fig. 5 verwendet werden, so enthält sie in jedem Fall Grenzwertmelder, die einen Triggerimpuls abgeben, wenn die der Vergleicherstufe eingegebene ""'■-' Istwert/Sollwert-Mfferenz eine vorgegebene Toleranzgren-

2Ö^: ze'übersehrBitetv Dabei ist'in-Fig. 5-d-en mit der_: Toleranzgrenze- behafteten Kompäratoren.31 eine (nicht darge-""'" stellte) Impuls stufe nachgeordnet, die jeweils beim Ansprechen eines der Kompara.toren einen Impuls über das ÖDER- Gatter^ 32 an- den·Vorbereitixngseingang-der als Avts-Wählstufe 22^dienenden Flip-Flop-Schaltung abgibt.

' Da die der Vergleiciierstüfe 22 eingegebenen Signale stets der vektoriellen Differenz Δΐ einen der diskreten Zeiger Τ^λ bis Zs zuordnen, wird bei den bisher beschriebenen Varianten im Gegensatz zu dem eingangs beschriebenen bekannten Verfahren niemals der Nullzustand Zq angesteuert, bei dem die Last über einen der beiden -Gleichspannungselngänge des Umrichters kurzgeschlossen ist und der Laststrom sich daher allein entsprechend dem Betriebszustand der^ Last einstellt; Man kommt jedoch zu einer .verlustärmeren Regelung des Umrichters und zu einer weiteren

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Verringerung der Schaltbelastung, wen» mäü auch diesen Klemmenkurzschluß in die Regelung einbezieht_e

Dies kann dadurch geschehen, daß aus Betriebsdaten der Last der die momentane innere Spannung der Last kennzeichnende Spannungsraumzeiger ermittelt und mit dem im voraus bestimmten, anzusteuernden Spannungszeiger verglichen wird und daß bei übereinstimmender Richtung beider Zeiger anstelle eines Ansteuersignals für den im voraus bestimmten Spannungszeiger ein derartiges Ansteuersignal gebildet wird, durch das alle Phasenausgänge alternativ über den einen oder den anderen Gleichspannungseingang kurzgeschlossen werden. Vorteilhaft erfolgt die Ansteuerung des KlemnenkurζSchlusses nur, wenn keine Regeldifferenz eine vorgegebene Toleranzgrenze überschreitet. Bevorzugt wird der Klemmenkurzschluß abwechselnd über den einen und den anderen Gleichspannungseingang vorgenommen.

Vorteilhaft kann hierzu mittels eines Winkelgebers aus eingegebenen Betriebsgrößen der Last die räumliche Lage der inneren Spannung ermittelt werden. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 dient als Winkelgeber 40 ein Pestwertspeicher (PROM), dem beispielsweise für die Steuerung einer Synchronmaschine der Polradlagewinkel oC sowie zur Bestimmung der Drehrichtung und der Betriebsart (generatorisch/motorisch) die Vorzeichen sign n, sign I* der Drehzahl und des Ständerstromes eingegeben sind.

Der Winkelgeber bestimmt einen Winkelbereich (mit vorgegebenen Grenzen), der die räumliehe Lage der inneren Spannung umschließt. Eine dritte Vergleicherstufe mit Komparatoren 41 a bis hl c überprüft, ob das einer diskreten Winkellage des Sollspannungszeigers entsprechende Ausgangssignal der ersten Vergleicherstufe - gegebenenfalls

unter Zwischenschaltung der Flip-Flop-Schaltung 22 (Ausgänge 28a, 28b, 28c) - mit einem der Ausgangssignale des Winkelgebers übereinstimmt. Beim Ansprechen einer der Komparatoren entsteht am Ausgang der nachgeschalteten logischen Stufe (45) ein Signal A, mit dem in einer Umschaltstufe 42 von den in der ersten Vergleicherstufe gebildeten Ansteuersignalen auf eine Ansteuerung des Klemmenkurzschlusses umgeschaltet wird.

Die Ausgangssignale der Komparatoren 41 werden durch ein ODER-Gatter 45 so zusammengefaßt, daß nur dann ein Signal A an die Umschaltstufe 44 zum Umschalten auf Klemmenkurzschluß abgegeben wird, wenn einer der Komparatoren eine Übereinstimmung anzeigt. Die Umschaltstufe enthält einen dreiphasigen Umschalter 43, der das 3-Bit-Ansteuer~ signal S = (S , S, , S ) von den durch die Vorzeichen der Regeldifferenzen gegebenen, an den Ausgängen der Flip-Flop-Schaltung 22 bereitgestellten Signalen auf den Eingang eines Speichers 44 umschaltet, aus dem abwechselnd S_a = S₁₃ = S = 1 (entsprechend S₊ für positiven Klemmenkurzschluß) oder S = S, = S = 0 (entsprechend S für den negativen Klemmenkurzschluß) ausgelesen wird.

Dadurch wird gewährleistet, daß immer dann auf den Klemmenkurzschluß umgeschaltet werden kann, wenn der momentane Betriebszustand der Last selbst bereits geeignet ist, der auftretenden Regeldifferenz in der richtigen Richtung entgegenzuwirken.

Hierbei kann aber der Fall auftreten, daß die EMK der Maschine nicht ausreicht, um insbesondere bei dynamischen Änderungen des Sollwertes den Strom schnell genug nachzuführen. Dies tritt insbesondere dann auf, wenn eine Regeldifferenz zu groß ist, Z₀B. die vorgegebene Toleranzgrenze überschreitet. Für diese Fälle ist es vorteilhaft, der dritten Vergleicherstufo eine von dem Ausgang der

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zweiten Vergleiclierstufe beaufschlagtes Gatter nachzuschalten., das das Umschalten der Ansteuersignale auf Klemmenkurzschluß unterdrückt, wenn die Sollwert/lstwert-Differenz eines Phasenstromes die vorgegebene Toleranzgrenze überschreitet. Nach Fig. 5 kann hierzu das UND-Gatter 46 verwendet werden, dem das am ODER-Gatter 45 vereinigte Signal der Komparatoren 41 sowie das über ein Negationsglied 47 abgegriffene Signal des ODER-Gatters 32 zugeführt ist.

Der Klemmenkurzschluß wird demnach nur angesteuert, wenn der Laststrom aufgrund der inneren Spannung der Last innerhalb der Toleranzgrenzen bleibt, ohne daß über den Umrichter eine Spannung eingeprägt werden muß. Sonst wird nach der Erfindung jeweils beim Auftreten eines Triggerimpulses unabhängig vom Betriebszustand des Mo-tors· stets der Spannungszustand angesteuert, der den größten Beitrag zur Stromänderungsgeschwindigkeit in Richtung der tatsächlichen Regelabweichung bewirkt.

Claims (1)

1. ~^: -:. 3131351

   p - νΡΛ 81 P 8 5 3 O DE

   Patentansprüche

   ( IJ Verfahren zum Bilden der Ansteuersignale (S , S,, S )

   V J el D C

   ifur einen von einer vorgegebenen Eingangsgleichspannung (U_) gespeisten Umrichter (l) für die Stromregelung einer ζ

   an die Phasenausgänge (a, b, c) des Umrichters angeschlossenen Last (A), wobei - von einer Betrachtung ausgehend, die den Strömen (i , I₁) und Spannungen (U_, U₁ , U) an

   SL υ el D C

   den Phasenausgängen einen Stromraumzeiger (I_-) und einen resultierenden Spannungsraurazeiger zuordnet - der anzusteuernde Spannungsraumzeiger durch Mittelung aus durch die Ansteuerung (Ansteuersignal S , S-. , S) der Umrichtersehalter (a^, a₂, b^, b₂, c^, C₂) bestimmten diskreten Zeigern {Z* - Z^g) gegeben ist und

   *" ' * ■

   a) Regeldifferenzen ( A^I _a = ^I _a - ^τ _Ά > A¹^j Δ¹,,) zwischen Stromistwerten (l_, 1^, I₀) und vorgegebenen

   . * *^a *° ^c
   Stromsollwerten (I_a) I-uj I ) bestimmt werden und

   b) der Spannungsraumzeiger in Abhängigkeit von den Regeldifferenzen von einem diskreten Zeiger auf einen anderen umgeschaltet wird,

   dadurch gekenn ζ eich n' et, daß
   25

   c) ein Triggerimpuls erzeugt wird (impulsgenerator 21) und

   d) bei jedem Triggerimpuls die zu dem bis zum nächsten Triggerimpuls anzusteuernden Spannungsraumzeiger gehörenden Ansteuersignale so bestimmt werden, daß der anzusteuernde Spannungsraumzeiger entgegengesetzt zu einem aus den Regeldifferenzen ( Al_o> &I>,»Al_ri) abgeleiteten Regeldifferenzzeiger ist, der die vektoriel-

   "K*

   Ie Differenz ( I^ = _I - _I ) zwischen dem Stromr.-iumzeiger und dem den Sollwerten zugeordneten Soll-Strom-

   - 2I - VPA 81 P 8 5 3 O DE

   rauiuzeiger erfaßt (Fig. 4).

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß bei der Erfassung der Regeldifferenzen die Vorzeichen (sign I , sign I^, sign I ) bestimmt werden, als Regeldifferenzzeiger der der vektoriellen Differenz (I₁ - I₁ ) benachbarte diskrete Zeiger lediglich aus den Vorzeichen der Regeldifferenz bestimmt wird und als Spannungsraumzeiger der dazu entgegengesetzte diskrete Zeiger bis zum nächsten Triggerimpuls angesteuert wird (Fig. 4).

   3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß (ggf. zusätzlich zu den Vorzeichen) die Beträge der Regeldifferenzen bestimmt werden (Gleichrichter 30a, 30b, 30c), daß die Triggerimpulse in einem extern vorgegebenen Takt (Generator 21) bestimmt werden und daß bei einem Triggerimpuls nur dann ein anderer Spannungsraumzeiger angesteuert wird, wenn der Regeldifferenzbetrag wenigstens an einem Phasenausgang eine vorgegebene Toleranzgrenze überschreitet (Ansprechen der Grenzwertmelder JIa, 31b, 31c) (Fig„ 4).

   4. Verfahren nach Anspruch i oder 2, dadurch

   gekennzeichnet, daß (ggf. zusätzlich zu den Vorzeichen) die Beträge der Regeldifferenzen bestimmt werden (Gleichrichter 30a, 30b, 30c) und daß ein Triggerimpuls immer dann erzeugt wird, wenn ein Regeldifferenzbetrag eine vorgegebene Toleranzgrenze überschreitet (Ansprechen der Grenzwertmelder 31a, 31b, 31c)(Fig. 5).

   5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß aus Betriebsdaten der Last die räumliche Lage der inneren Spannung der Last ermittelt wird, daß diese mit dem anzusteuernden Spannungsraumzeiger verglichen wird und daß

   ^ 3

   - ps - ■ VPA 81 P 8 5 3 O DE

   bei übereinstimmender Richtung beider Zeiger anstelle eines Ansteuersignals für den anzusteuernden Spannungsraumzeiger Ansteuersignale.(S = S, = S =1 oder 0)

   d> U O

   gebildet werden, durch die alle Phasenausgänge über einen der Gleichspannungseingänge kurzgeschlossen ("Klemmenkurzschluß" !Z_Q) sind (Fig. 5).

   6. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet , daß die Ansteuerung des KlemmenkurzSchlusses nur erfolgt, wenn keine Regeldifferenz eine vorgegebene Toleranzgrenze überschreitet (Fig. 5).

   7. Verfahren nach -^-nspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Klemmenkurzschluß abwechselnd über den einen (Ansteuersignal S =S,=3 =0)

   el D C

   und den anderen Gleichspannungseingang (Ansteuersignale S =S,=8 =1) vorgenommen wird.

   8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach

   einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch

   a) eine erste Vergleieherstiife (20), die aus dem Vergleich (Subtraktionsstellen 25a, 25b, 25c) der momentanen Istwerte (I , 1^, I„) mit vorgegebenen Sollwerten (I*, -^b*' ¹C*) ^für ^^{e p}h^asens"^trome momentane Regeldifferenzen bildet,

   b) einen Triggerimpulsgenerator (21) und

   c) eine Auswahlstufe (22), die bei jedem Triggerimpuls aus den momentanen Regeldifferenzen die Ansteuersignale (S , S, , S ) für einen bis zum nächsten Trigger-

   et U C

   impuls anzusteuernden Spannungsraumzeiger bestimmt, der entgegengesetzt zu einem aus den Regeldifferenzen gebildeten resultierenden Regeldifferenzzeiger ist (Fig. 4).

   L = "-„'Ό ^:..^: .i. 313136

   - & - VPA 81 P 8 5 3 O OE

   9 ο Vorrichtung nach Ansprtich 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Vergleicherstufe (22) für jede Regeldifferenz eines Phasenstroiaes einen Grenzwertmelder (26a., 26b, 2bc) mit einer Ansprechgrenze praktisch Null enthält und daß die Auswahlstufe 22 einen Speicher enthält, der "bei einem Triggerimpuls das momentane Ausgangssignal (sign AI_Qj sign ΔI- , sign Δΐ_) jedes Grenzwertmelders einliest und "bis zum nächsten Triggerimpuls als Ansteuersignal für das auf den entsprechenden Phasenausgang arbeitenden Unirichterschalter abgibt. (Fig. 4)

   10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9» gekennzeichnet durch eine extern vorgegebene Frequenz des Triggerimpulsgenerators (21) und eine zweite Vergleicherstufe (23) zum Vergleichen der Stromistwerte mit den Stromsollwerten, die eine Umschaltung der Ansteuersignale unterdrückt, wenn eine Regeldifferenz eine vorgegebene Toleranzgrenze nicht überschreitet (Fig. 4).

   11. Vorrichtung nach Anspruch S oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Triggerimpulsgenerator eine zweite Vergleicherstufc mit Grenzwertmeldern (31a, 51b, 31c) enthält, die einen Triggerimpuls abgeben, wenn eine Regeldifferenz eine vorgegebene Toleranzgrenze überschreitet (Fig. 5).

   12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, gekennzeichnet durch einen Winkelgeber (40), der aus eingegebenen Betriebsgrößen (Polradlage ot, sign η, sign I*) der Last einen Raunizeiger für die räumliche Lage der inneren Spannung der Last ermittelt, eine dritte Vergleicherstufe mit von den Ausgängen der ersten Vergleicherstufe oder der Auswahlstufe (22) und den Ausgangen des Vinkelgebers beaufschlagten Komparatoren (41a, 41b, 41c), ein den Komparatoren nachgeschaltetes Ver-

   -^: -:. 3131351

   - ά - VPA 8| P 8 5 3 O DE

   knüpfungsglied (4t5)» das bei Gleichheit von dem Winkelgeber und von der Auswahlstufe gebildeten Signalen ein Steuersignal (A) abgibt und eine Umschaltstufe, die mit dem Steuersignal (a) von den von der Auswahlstufe (22) gebildeten Ansteuersignalen auf eine Ansteuerung (S = S, = S = 0 oder 1) umschaltet, bei der alle Phasenausgänge über einen der Gleichspannungsexngänge des Umrichters kurzgeschlossen sind (Fig. 5)·

   '*"*\ IO 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß der dritten Vergleicherstufe eine von dem Ausgang der zweiten Vergleicherstufe (Komparatoren 31a, 31b, 31c) beaufschlagte Gatterschaltung (46) nachgeschaltet ist, die die Umschaltung der Ansteuersignale auf KlemmenkurζSchluß unterdrückt, wenn eine Regeldifferenz die vorgegebene Toleranzgrenze überschreitet (Flg. 5).