DE3241828A1

DE3241828A1 - Verfahren zur unterdrueckung von oberschwingungen in der ausgangsspannung eines umrichters

Info

Publication number: DE3241828A1
Application number: DE19823241828
Authority: DE
Inventors: Norbert Ing.(Grad.) Niesel; Klaus Ing.(grad.) 1000 Berlin Wegener
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1982-11-09
Filing date: 1982-11-09
Publication date: 1984-05-10
Also published as: DE3241828C2

Description

Verfahren zur Unterdrückung von Oberschwingungen
in der Ausgangsspannung eines Umrichters Beschreibung Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Unterdrückung von Ober schwingungen entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiges Verfahren ist aus dem Buch von Hans Kleinrath "Stromrichtergespeiste Drehfeldmaschinen Springer-Verlag Wien New York 1980, Seiten 34 bis 37 bekannt.
In der Praxis hat sich gezeigt, daß die Unterdrückung der 5. und 7. Oberschwingung, die mit dem fünffachen Pulsen erreicht wird, nicht ausreicht, wenn der Umrichter Drehfeldmaschinen speist. Bei niedrigen Frequenzen treten trotz der unterdrückten 5. und 7. Oberschwingung infolge der 11. und 13.
Oberschwingung Leistungspendelungen auf, die einen einwandfreien Rundlauf der Drehstrommaschinen verhindern. Statt mit einer Fünffachpulsung die 5. und 7. Oberschwingungen zu unterdrücken, ist an sich eine Neunfachpulsung, die die 1. und 13.
Oberschwingung in der Ausgangsspannung beseitigt,empfehlenswert, jedoch stößt die Neunfachpulsung sehr schnell bei steigenden Frequenzen an ihre Grenzen, da die Erholzeit der Ventile des selbstgeführten Wechselrichters eingehalten werden muß.
Der Einsatz von Pulswechselrichtern, durch die die hier beschriebenen Probleme gelöst werden, verbietet sich durch den hohen Aufwand, der mit der Kommutierung und in der Informations elektronik getrieben werden muß.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs angegebene Verfahren zur Unterdrückung von Oberschwingungen derart zu verbessern, daß alle störenden Oberschwingungen unterdrückt werden und damit ein einwandfreier Rundlauf der an den Umrichter angeschlossenen Drehstrommaschinen kontinuierlich bei allen Frequenzen möglich ist.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Den üblichen Taktsignalen für die Ventile des selbstgeführten Wechselrichters müssen also nur zusätzliche Pulsmustersignale so unterlagert werden, daß für die jeweils störenden Oberschwingungen eine entsprechend vielfache Umschaltung von treibender Spannung auf Gegenspannung erfolgt. Die Neunfachpulsung im untersten Frequenzbereich unterdrückt neben den 5. und 7.
auch die 11. und 13. Oberschwingungen, ohne daß in diesem Bereich die Freiwerdezeit der Ventile des Wechsdrichters beeinträchtigt wird. Sobald die Neunfachpulsung dann bei höheren Frequenzen nicht mehr durchführbar ist, wird der Wechselrichter mit einer fünffachen Umschaltung betrieben. Das aber ist in diesem Frequenzbereich ausreichend, da die 11. und 13.
Oberschwingung dann nicht mehr von Bedeutung istß während die 5. und 7. Oberschwingung durch das Umschalten weiterhin unterdrückt werden. Schließlich erfolgt dann im obersten Frequenzbereich der pulsfreie Betrieb. Vorteilhafterweise wird dadurch, daß der Wechsel zwischen den einzelnen drei Betriebsarten jeweils zu Beginn einer Halbperiode vorgenommen wird, sichergestellt, daß der Wechselrichter nicht außer Tritt gerät.
Beim Pulsbetrieb wird durch die Umschaltung von treibender auf Gegenspannung grundsätzlich gegenüber dem pulsfreien Betrieb die Spannungsamplitude reduziert, was sich aufwandsmäßig als nachteilig für den Pulsbetrieb erwiesen hat.
Beim Betrieb des Wechselrichters mit Fünffach- bzw. mit Neunfachpulsung ergibt sich zusätzlich der Nachteil einer unterschiedlichen Reduzierung der Spannungsamplitude. In besonders vorteilhafter Weiterbildung des Verfahrens nach der Erfindung wird dieser Nachteil dadurch vermieden, daß für den Betrieb bei der Neunfachpulsung und bei fünfmaligem Umschalten eine zusätzliche Spannungsführungsgröße für die Zwischenkreisspannung bereitgestellt wird, durch die die beim Umschaltbetrieb niedrigere Spannungsamplitude jeweils gegenüber dem pulsfreien Betrieb ausgeglichen wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens nach der -Erfindung sind darüber hinaus in den Ansprüchen 2 und 4 gekennzeichnet.
Das Verfahren nach der Erfindung soll im folgenden anhand der Zeichnung für ein Ausführungsbeispiel erläutert werden.
Es zeigen Fig. 1 ein Prinzipschaltbild für die Steuerung eines Umrichters zur Unterdrückung der störenden Oberschwingungen und Fig. 2 ein Impulsdiagramm, mit dem die Oberschwingungen in der Ausgangs spannung des in Fig. 1 gezeigten Umrichters unterdrückt werden.
In Fig. 1 ist schematisch ein Umrichter gezeigt, der aus einem dreiphasigen Netz U, V, W eine oder mehrere Drehfeldmaschinen M speist. Der Umrichter besteht aus einem netzgeführten Stromrichter 1, der über einen Gleichspannungszwischenkreis bestehend aus einer Drossel 2 und einem Kondensator 3 einen selbstgeführten Wechselrichter 4 mit einer variablen Gleichspannung versorgt. Der selbstgeführte Wechselrichter 4 kann z.B. aus einer sechspulsigen Brückenschaltung mit einer Kommutierungseinheit bestehen.
Die Frequenz- und Spannungsvorgabe für den Umrichter erfolgt mit einem Signal UF durch Einstellen eines Potentiometers 6 mit einem naChgeschalteten Steilheitsbegrenzer 7 zur Be grenzung der Verstellgeschwindigkeit des Vorgabesignals.
Das Signal UF ist über einen Summierungspunkt 13 A die Führungsgröße für einen Spannungsregler 13, der über ein Steuergerät 14 die Zündimpulse für den netzgeführten Stromrichter 1 bestimmt. Die Spannungsregelung erfolgt dabei, indem die Zwischenkreisspannung UD über einen Trennverstärker 15 auf den Summierungspunkt 13 A zurückgeführt wird. Das Signal UF wird außerdem einem Spannungs-Frequenzumsetzer 8 zugeführt, der an seinem Ausgang eine zu seiner Eingangsspannung proportionale Frequenz liefert, die als Signal C die eigentliche Taktfrequenz für den selbstgeführten Wechselrichter 4 darstellt.
Zur Unterdrückung störender Oberschwingungen in der Ausgangsspannung des selbstgeführten Wechselrichters 4, die zu Leistungspendelungen zwischen dem Umrichter und den gespeisten Maschinen M führen und die bei den Maschinen M insbesondere im Bereich kleiner Frequenzen den Rundlauf beeinflussen, ist in Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung die nachfolgende Schaltung vorgesehen: Vom Spannungs-Frequenzumsetzer 8 wird zusätzlich zum Signal C ein Signal C 5 als Pulsmuster für eine Fünffach-Umschaltung und ein Signal C 9 als Pulsmuster eine Neunfachpulsung des Wechselrichters 4 geliefert. Eine Taktverknüpfung 9 schaltet die Pulsmuster in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen frequenzgesteuerter Komparatoren 10 und 1:1: zusätzlich zum Signal C als Signal Cp zu einem Ringzähler 16 durch. Am Ausgang des Ringzählers 16 stehen Steuersignale A 1 bis A 6 zur Weiterverarbeitung zur Verfügung. Sie werden über ein nachgeschaltetes Steuergerät 17 den sechs Ventilen des selbstgeführten Wechselrichters als Zündimpulse zugeführt.
Mit Hilfe eines ebenfalls von der Taktverknüpfung 9 gelieferten Signals V ist eine Drehrichtungsumkehr möglich.
Bei sehr niedrigen Frequenzen des Wechselrichters erfolgt über die Taktverknüpfung 9 eine Neunfachpulsung,während im anschließenden Bereich höherer Frequenz eine fünfmalige Schaltung vorgenommen wird. In einem oberen Frequenzbereich schließlich erfolgt dann pulsfreier Betrieb. Die maximale Frequenz für den Einsatz der jeweiligen Pulsmuster wird über einen Summierungspunkt 10 A für die Fünffach- und über einen Summierungspunkt 1:1: A für die Neunfachpulsung mittels-einer Grenzfrequenzvorgabe PU 5 bzw. PU- 9 eingestellt. Vorteilhaft ist es, bei einer Frequenz zwischen 0,5 und 10 Hz die Neunfachpulsung anzuwenden während zwischen 10 Hz bis 20 Hz die Fünffachumschaltung vorgesehen sein soll. Ab 20 Hz erfolgt dann der pulsfreie Betrieb.
Beim Pulsbetrieb wird durch die Umschaltungen von treibender auf Gegenspannung grundsätzlich gegenüber dem pulsfreien etrieb die Spannungsamplitude reduziert. Durch Vorgabe einer zusätzlichen Spannungsführungsgröße für den Spannungsregelverstärker 13 des netzgeführten Stromrichters 1 wird diese Reduzierung korrigiert. Dazu dient eine mit den Ausgangssignalen der frequenzgesteuerten Komparatoren 10 bzw. 11 beaufschlagte Oder-Stufe 12, die ein zusätzliches Ansteuersignal Up während des Pulsbetriebes liefert. Das Signal Up gibt dann über einen Schalter 13 B eine zur eigentlichen Führungsgröße proportionale Spannung auf den Summierungspunkt 1:3 A. Die Korrektur der Führungsgröße über den Schalteer 13 B kann über einen Widerstand 13 C entsprechend angepaßt werden.
Damit auch während des Pulsbetriebes eine Auagangsstromscheitelwertbegrenzung den Umrichter am Ausgang gegen unzulässigen Überstrom schützt, wird beim Erreichen dieses Stromscheitelwertes der je nach der Nennlast des Umrichters verschieden groß ist, das Pulsmust r gezielt so abgeschaltet, daß der Umrichter im pulsfreien Betrieb arbeitet. Dazu wird am Ausgang des Umrichters über drei Wandler 1:8 A der.Ausgangsstrom abgebildet und über einen Gleichrichter 18 einem Komparator 19 zugeführt. Der Komparator schaltet durch, wenn an einem Summierungspunkt 19 A vor dem Komparator das vom Gleichrichter 18 gelieferte Signal eine an einem Potentiometer 20 eingestellte maximale Spannung entsprechend dem maximal zulässigen Stromscheitelwert #Amax überschreitet.
Der Komparator 19 liefert dann das Signal Uberstrom bA. Beim Ansprechen des Überstromkomparators 19 innerhalb des Pulsbetriebes schaltet das Signal dA beide Pulsmusterkomparatoren 10 und 11 über die Summierungspunkte 10 A und 11 A so ab, daß kein Pulsmuster mehr durchgeschaltet wird, also lediglich pulsfreier Betrieb erfolgt.
Über die Taktverknüpfung 9 ist auch sichergestellt, daß der Wechsel von der Neunfachpulsung zur fünfmaligen Umschaltung und von dieser zum pulsfreien Betrieb bei steigender Frequenz bzw. in umgekehrter Reihenfolge bei fallender Frequenz jeweils zu Beginn einer Halbperiode stattfindet.
Fig. 2 zeigt als Impulsdiagramm die Taktsignale C', die Pulsmustersignale C 5 und C 9 und die Ringzählersignale A 1 bis A 6 bei den-jewells angegebenen Frequenzen von, 10, 20 und 40 Hz.
In Fig. 2A ist als oberer Kanal das Taktsignal C gezeigt, das alle 600 den Ringzähler bei einer angenommenen Frequenz von 10 Hz weiterschaltet. In Fig. 2B ist der daraus sich ergebende Verlauf der Ringzählersignale A 1 bis A 6 dargestellt, wobei zusätzlich die Pulmustersignale C 910 Fiz der Fig. 2Å zum Tragen kommen. Der Wechselrichter soll also bei 1:0Hz mit einer Neunfachpulsung zur Unterdrückung der 5., 7.,11. und 13.
Oberschwingung in der Ausgangsspannung betrieben werden. Das Pulsmustersignal C 9 schaltet dabei zusätzlich zu dem Taktsignal C zum Zeitpunkt α 1 das Ringzählersignal A 1 aus und das Ringzählersignal A 4 ein. Zum-Zeitpunkt i 2 wird das Signal A 1 wieder ein und das Signal A 4 ausgeschaltet. Zum Zeitpunkt α3 wird das Signal A 1 erneut aus und das Signal A 4 wieder eingeschaltet und bei y 4 wird das Signal A 1 schließlich wieder ein- und das Signal A 4 ausgeschaltet. Diese Aus-und Einschaltreihenfolge wiederholt sich für alle Ringzählersignale j.eweils 300 vor und 300 nach dem eigentlichen Taktsignal.
Der mittlere Kanal in der Fig. 2A zeigt das Taktsignal C für die Ringzählersignale, wie sie in Fig. 2C wiedergegeben sind. Der Betrieb des Wechselrichters soll hier mit 20 Hz erfolgen, wobei zur Unterdrückung der 5. und 7. Oberschwingung in seiner Ausgangsspannung eine fünfmalige Umschaltung seiner Ausgangs spannung erfolgt. Deshalb schaltet zusätzlich zum Taktsignal C20 Hz das Pulsmustersignal C 520 Hz die Ringzählersignale wiederum 300 vor und 30 nach dem Taktsignal zum Zeitpunkt 6 1 zusätzlich aus und ein und zum Zeitpunkt D;2 ein und aus.
Der dritte Kanal in Fig. 2A zeigt schließlich die Taktsignale C40 Hz für die Ringzählersignale A 1 bis A 6, wie sie in Fig. 2D dargestellt sind. Bei der angenommenen Frequenz von 40 Hz soll der Betrieb des Wechselrichters ungepulst erfolgen, da hier die Oberschwingungen bereits so gering sind, daß sie den Rundlauf eines vom Wechselrichter gespeisten Motors nicht mehr beeinflussen.
Damit eine einwandfreie Oberschwingungsunterdrückung bei den niedrigen Frequenzen erfolgt, müssen die Winkel 1 bis & 4 bzw. OL 1 und oil α2, wie eingangs als bekannt angegeben, genau definiert werden.

Claims

Verfahren zur Unterdrückung von Oberschwingungen in der Ausgangs spannung eines Umrichters Patentansprüche i.)Verfahren zur Unterdrückung von Oberschwingungen eines aus- einem netzgeführten Stromrichter, einem Zwischenkreis mit einer über eine Spannungsführungsgröße vorgegebener, über den netzgeführten Stromrichter einstellbarer variabler Zwischenkreisspannung und einem selbstgeführten Wechselrichter bestehenden Umrichters, bei dem in einem unteren Frequenzbereich des Wechselrichters pro Halbperiode ein fünfmaliges Umschalten der Ausgangsspannung (Pulsen) vorgenommen wird und in einem oberen Frequenzbereich ein pulsfreier Betrieh erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß - bei sehr niedrigen Frequenzen des Wechselrichters statt der fünfmaligen Umschaltung eine Neunfach-Pulsung erfolgt, während die fünfmalige Umschaltung erst in einem anschließenden Bereich höherer Frequenz vorgenommen wird und - der Wechsel von der Neunfach-Pulsung zur fünfmaligen Umschaltung und von dieser zum pulsfreien Betrieb bei steigender Frequenz bzw. in umgekehrter Reihenfolge bei fallender Frequenz jeweils zu Beginn einer Halbperiode stattfindet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechsel zwischen der Neunfach-Pulsung und dem fünfmaligen Umschalten bei einer Wechselrichterfrequenz von O Hz sowie der Wechsel zwischen dem fünfmaligen Umschalten und dem pulsfreien Betrieb bei 20 Hz erfolgt.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für den Betrieb bei Neunfach-Pulsung und bei fünfmaligem Umschalten eine zusätzliche Spannungsführungsgröße für die Zwischenkreisspannung bereitgestellt wird, durch die die beim Umschaltbetrieb niedrigere Spannungsamplitude jeweils gegenüber dem pulsfreien Betrieb ausgeglichen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem unzulässigen Überstrom der Wechselrichter über eine Strom-Scheitelwertbegrenzung aus dem Umschaltbetrieb in den pulsfreien Betrieb umgeschaltet wird.