DE3504623C2 - Vorrichtung zum Erfassen von Wirk- und/oder Blindstrom einer Phase eines Wechselrichters oder eines mehrphasigen Wechselrichters - Google Patents

Description

Häufig wird der Meßwert des Wirk- oder Blindstroms benutzt, um z. B. Strom- und Drehzahlpendelungen von umrichtergespei­ sten Asynchronmaschinen zu dämpfen. Dabei ist häufig eine möglichst unverzögerte Erfassung des entsprechenden Meßwertes wünschenswert.

Eine Möglichkeit, bekannt aus der Dissertation vom M. Braun, 1983, TH Darmstadt, insbesondere den Seiten 55, 60 und 151, besteht z. B. darin, die Ausgangsspannung in zweiphasige Komponenten umzurechnen und dann mit Hilfe eines Vektorfil­ ters zu glätten und zu normieren. Die normierte Ausgangsspan­ nung wird dann mit entsprechenden zweiphasigen Komponenten der Ausgangsströme multipliziert und liefert die Meßwerte von Wirk- bzw. Blindstrom oder bei Verwendung der nicht normier­ ten Ausgangsspannung die Meßwerte von Wirk- bzw. Blindlei­ stung. Dies erfordert nicht nur entsprechende Rechenglieder zur Umrechnung in zweiphasige Komponenten, sondern auch das Vektorfilter selbst. Sofern derartige Meßwerte für die Phasen des Wechselrichters einzeln benötigt werden, müssen sie aus den zweiphasigen Komponenten errechnet werden.

Aus der Entgegenhaltung CH 472 677 ist eine Schaltungsanord­ nung zur Messung elektrischer Energie bekannt, die eine Vorrichtung zur Erfassung der Momentanleistung aufweist. Diese Vorrichtung enthält einen Spannungswandler, einen Stromwandler, einen Impulsdauer-Pausendauer-Modulator, einen elektronischen Umschalter und einen Strom-Frequenz-Wandler. Der Impuls-Pausendauer-Modulator ist an der Sekundärwicklung des Spannungswandlers angeschlossen, wobei der Modulator eine Impulsfolge mit einem von der gemessenen Spannung abhängigen Verhältnis von Impulsdauer zu Pausendauer erzeugt. Dieses vom Modulator erzeugte Signal steuert den elektronischen Umschal­ ter, der eingangsseitig mit der Sekundärwicklung des Strom­ wandlers verbunden ist, derart, daß dieser während der Im­ pulsdauer die eine und während der Pausendauer die andere Schaltstellung einnimmt. Ausgangsseitig ist der elektronische Umschalter mit dem Strom-Frequenz-Wandler derart verknüpft, daß der zeitliche Mittelwert des diesem Strom-Frequenz-Wand­ ler zugeführten Eingangsstromes der verbrauchten Leistung proportional ist. Mit dieser aufwendigen Schaltungsanordnung kann man nur die Momentanleistung bestimmen, die, um den Wirkstrom einer Phase zu erfassen, noch weiter verarbeitet werden muß.

Aus der DE 23 51 950 AS ist eine Schaltungsanordnung zur Messung des Blind- und Wirkanteils eines durch ein Meßobjekt fließenden komplexen Wechselstromes bekannt. Bei dieser Schaltungsanordnung wird das Meßobjekt über einen Widerstand an eine einstellbare Wechselspannungsquelle gelegt. Ein von der Wechselspannung abgeleitetes Signal mit konstanter Ampli­ tude zur Wirkstrommessung wird dem einen Eingang eines Ana­ log-Multipliziers direkt und zur Blindstrommessung über ein 90°-Phasenglied zugeführt. Die am Widerstand abfallende, dem Strom durch das Meßobjekt proportionale Spannung wird ver­ stärkt und dem anderen Eingang des Analog-Multipliziers zugeführt, dessen Ausgang mit einem Tiefpaß mit nachgeschal­ tetem Strommesser verbunden ist.

Aufgabe der Erfindung ist eine möglichst aufwandsarme Ermitt­ lung von Wirk- und/oder Blindleistung einer Phase eines Wechselrichters oder eines mehrphasigen Wechselrichters.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1 bis 4 sowie des Anspruchs 7. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ausgangspunkt ist demgemäß eine Schaltung, bei der ein einem Phasenstrom entsprechendes Meßsignal und ein dem Phasenstrom entsprechendes inverses Meßsignal jeweils einem Eingang eines Umschalters aufgeschaltet wird, der mit dem den Schaltzustand des auf diese Phase arbeitenden Wechselrichterschalters bestimmenden Schaltsignal betätigt wird. Das Schalteraus­ gangssignal gibt den Momentanwert der Phasenleitung an, der über einen Mittelwertbildner mit einem Mittel zur Bewertung des Schalterausgangssignals mit einem Reziprokwert der Wech­ selrichteraussteuerung verbunden ist. Am Ausgang dieses Mittels steht ein Signal an, das den Wirkstrom einer Phase des Wechselrichters angibt.

Zur Ermittlung des Blindstromes gemäß den Merkmalen des Anspruchs 2 wird ein einem Phasenstrom entsprechendes Meßsi­ gnal und ein dem Phasenstrom entsprechendes inverses Meßsi­ gnal jeweils um µ/2 gedreht. Die weitere Verarbeitung dieser Meßsignale entspricht der Verarbeitung bei der Erfassung des Wirkstromes.

Es kann auch ein dem Phasenstrom an einem Ausgang des Wech­ selrichters entsprechendes Meßsignal bei der Erfassung der Wirkleistung direkt bzw. bei der Erfassung der Blindleistung nach einer Phasendrehung um µ/2 je einem Schalter aufgeschal­ tet werden. Die Schalter werden mit den den Schaltzustand der Wechselrichterschalter bestimmenden Signale betätigt. Die Ausgangssignale der Schalter werden dann in einem Überlage­ rungsglied addiert, das den entsprechenden pulsbreitenmodu­ lierten Meßwert von Wirk- bzw. Blindleistung liefert.

Anhand von sechs Figuren und vier Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt dabei einen Gleichrichter, der als last­ seitiger Stromrichter eines Zwischenkreisumrichters mit eingeprägter Zwischenkreisspannung verwendet ist. Fig. 2 verdeutlicht die Erfindung für den Fall, daß für eine einzelne Phase die Momentanleistung, die Wirkleistung und der Wirkstrom erfaßt werden sollen. In Fig. 3 ist eine Schaltung zur Erfassung von Wirkleistung und Wirk­ strom des gesamten Umrichters nach Fig. 1 dargestellt. Fig. 4 zeigt eine Schaltung zur gleichzeitigen Erfas­ sung von Blindstrom und Wirkstrom eines derartigen Stromrichters, wobei ein dabei verwendeter Koordinaten­ dreher in Fig. 5 dargestellt ist. Fig. 6 stellt eine besonders aufwandsarme Schaltung zur Ermittlung der Meßwerte für Blindstrom und Wirkstrom dar.

Mit R, S, T und U, V, W sind in Fig. 1 die über eine ungesteuerte Gleichrichterschaltung 1 an ein praktisch konstantes Wechselstromnetz angeschlossenen Anschlüsse eines Zwischenkreisumrichters bzw. die lastseitigen Aus­ gänge dieses Zwischenkreisumrichters dargestellt. Über geeignete Meßglieder werden Meßwerte i_U, i_V, i_W für die Phasenströme an den Ausgängen U, V und W gebildet.

Im lastseitigen Stromrichter 2 ist jeder Ausgang U, V, W jeweils über einen Halbleiterschalter (z. B. Transistoren) T_U1, T_U2 bzw. T_V1, T_V2 bzw. T_W1, T_W2 alternierend mit dem positiven bzw. negativen Pol des Zwischenkreises verbun­ den, dessen von der Gleichrichterbrücke 1 gelieferte Zwi­ schenkreisspannung über einen Kondensator 3 konstant ge­ halten wird. Die Ansteuersignale für die drei Halbleiter­ schalter sind mit S_U, S_V, S_W bezeichnet. In jedem Schal­ ter sind den einzelnen Transistoren Ruckarbeitsdioden antiparallel geschaltet. Weitere selbstverständliche Einzelheiten (Treiberstufen, Mittel zur Potentialtrennung etc.) sind in Fig. 1 weggelassen.

Die Ausgangsspannungen des Gleichrichters 2 sind in ihrer Phasenlage durch die Schaltimpulse bestimmt. Die Verwendung von Transistorschaltern ermöglicht dabei ins­ besondere, durch ein hochfrequentes Umschalten zwischen den beiden Zwischenkreispolen eine pulsbreitenmodulierte, insbesondere sinusförmige Ausgangsspannung herzustellen. Die Ausgangsströme sind bei einer derartigen Einprägung der Ausgangsspannungen durch die Impedanzverhältnisse der jeweiligen Last bestimmt und stellen sich frei ein. Die Momentanleistung ergibt sich dann aus einer phasen­ richtigen Multiplikation des jeweiligen Ausgangsstromes mit der eingeprägten Spannung, deren durch geeignete Glättung gebildeter Mittelwert in jeder Halbperiode der Spannung die jeweilige Wirkleistung der Phase angibt, während die jeweilige Blindleistung einer Phase aus dem Produkt des Phasenstromes mit der um 90° verschobenen Spannung gewinnbar ist.

Dabei wird in Fig. 2 das Schaltsignal S_U, das die auf die Phase U arbeitenden Wechselrichterschalter T_U1 und T_U2 betätigt, auch zum Umlegen des als Polaritäts-Um­ schalters ausgebildeten Schalters N_U verwendet und dem Schalter N_U das dem Phasenstrom i_U entsprechende Meß­ signal zugeführt. Unter Berücksichtigung dieser Polari­ tätswechsel stellt das Schaltsignal S_U die pulsbreiten­ modulierte und auf die Zwischenkreisspannung normierte Phasenspannung dar und der Schalter wirkt als Pulsbrei­ tenmultiplikator für Spannung und Strom.

Sind die Eingangsgleichspannung (Zwischenkreisspannung) und die Amplitude der Ausgangsgrundschwingung des Wechsel­ richters bekannt, so ist dieses gepulste Schalteraus­ gangssignal ein direktes Maß für die Momentanleistung an dieser Phase und der in jeder Halbperiode gemessene Mittelwert gibt die Wirkleistung an. Dieser Mittelwert­ bildung dient der als Glättungsglied beschaltete Opera­ tionsverstärker 4.

Zur Berücksichtigung der Spannungsamplitude ist das nachgeschaltete Kennlinienglied 5 vorgesehen, das das Schalterausgangssignal mit dem Reziprokwert der Wechsel­ richteraussteuerung (u. U. unter weiterer Berücksichti­ gung der Spannungsnormierung auf die Zwischenkreisspan­ nung) bewertet. Dadurch entsteht dann ein Signal für den Wirkstrom dieser Phase.

Wendet man diese Schaltung auf alle Phasen des Wechsel­ richters an, so kann durch Addition der Leistungen bzw. Ströme ein entsprechendes Meßsignal für die Momentan- bzw. Wirkleistung und den Wirkstrom des ganzen Wechsel­ richters gebildet werden.

Eine entsprechende Schaltung ist in Fig. 3 dargestellt, wobei eine Ausgestaltung der Schalter N_U, N_V und N_W für die Meßsignale der Ströme i_U, i_V und i_W gewählt ist, bei denen die Schalter selbst als einfache Ein/Aus-Schalter ausgebildet sind und der Polaritätswechsel dadurch er­ reicht wird, daß die jeweiligen Meßsignale mit dem kon­ stanten Faktor -1/2 dem Additionsglied für die Schalter­ ausgangssignale zugeführt werden. Als Additionsglied ist dabei der bereits erwähnte, als Glättungsglied be­ schaltete Operationsverstärker 4 verwendet.

Ist der lastseitige Sternpunkt des Umrichters nicht an­ geschlossen, so gilt i_U + i_V + i_W = 0 und die mit dem Faktor -1/2 bewerteten Meßsignale brauchen nicht berück­ sichtigt zu werden. Man gelangt so zu einer vereinfach­ ten Schaltung, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist.

Dort ist der jeweilige Meßwert i_U, i_V und i_W zur Erfassung der Wirkleistung jeweils einem Schalter M_U, M_V, M_W zuge­ führt, wobei jeder Schalter mit dem Schaltsignal S_U, S_V, S_W des der entsprechenden Phase U, V, W zugeordneten Wechsel­ richterschalters betätigt wird. An den Ausgängen dieser Schalter stehen nunmehr Ausgangssignale an, die puls­ breitenmodulierte Werte für die Wirk- bzw. Blindlei­ stung dieses Ausgangs darstellen. Die entsprechende Meß­ werte für den gesamten Wechselrichter werden gebildet, indem die von der Schalterausgangssignalen gebildeten Phasen-Wirkströme direkt im Additionsglied 4 zum resul­ tierenden Wirkstrom-Meßwert addiert werden.

Der dadurch gebildete Meßwert weist infolge der Pulsbrei­ tenmultiplikation Oberschwingungen auf, die jedoch durch Glättung umso leichter beseitigt werden können, je höher die Arbeitsfrequenz der Pulsbreitenmodulation ist. Insbe­ sondere bei einem Pulswechselrichter genügt daher eine geringe, mittels der RC-Beschaltung des Operationsverstär­ kers 4 (Additionsgliedes) bewirkte Glättung.

Allerdings legt das Pulsbreitenverhältnis der Schaltsi­ gnale des Pulswechselrichters auch die Amplitude der Aus­ gangsspannungs-Grundschwingungen fest, so daß das Aus­ gangssignal des Additionsgliedes über den Aussteuerungs­ grad des Wechselrichters der Wirkleistung proportional ist. Daher ist zur Ermittlung des Wirkstromes dem Addi­ tionsglied das Kennlinienglied 5 nachzuschalten, wodurch der vom Additionsglied gelieferte Meßwert mit dem Rezi­ prokwert der Wechselrichteraussteuerung bewertet wird. Das entsprechende, nunmehr vom Aussteuerungsgrad des Wechsel­ richters unabhängige Ausgangssignal des Kennliniengliedes 5 kann natürlich auch auf andere Weise erzeugt werden; ins­ besondere ist es möglich, diese Bewertung mit dem Rezi­ prokwert des Aussteuerungsgrades auf digitale Weise in der diesen Meßwert verarbeitenden Steuerung der Maschine, z. B. einem Mikroprozessor, auszuführen. Auch anstelle der Analogschalter M_U, M_V, M_W und anstelle des Additionsgliedes 4 können entsprechende Digitalbausteine verwendet werden.

Zur Erfassung des Blindstromes kann auf gleiche Weise vorgegangen werden, wobei es lediglich erforderlich ist, die Meßsignale i_U, i_V und i_W zunächst mittels eines Phasendrehers 6 in ihrer Phasenlage um 90° zu drehen. Die auf diese Weise phasenverschobenen Meßwerte werden entsprechenden Schaltern B_U, B_V und B_W zugeführt, die ebenfalls mit den den Schaltzustand der Wechselrichter­ schalter bestimmenden Schaltsignalen S_U, S_V und S_W be­ tätigt werden. Ein anschließendes Additionsglied, das ggf. zur Erreichung einer Glättung durch einen Opera­ tionsverstärker 7 mit RC-Beschaltung ausgeführt sein kann, liefert dann den Meßwert für den Blindstrom, der z. B. im Falle eines Pulswechselrichters ebenfalls über ein Kenn­ linienglied 8 am Additionsglied 7 abgegriffen ist.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel eines Phasendrehers, bei dem die ursprünglichen Meßwerte i_U, i_V und i_W jeweils über entsprechende Multiplikations- und Additionsglieder zu einem neuen System von Meßwerten zusammengesetzt werden können, das nunmehr um µ/2 gedreht ist. Diese Schaltung verursacht praktisch keinen Phasen- und Amplitudenfehler.

Selbstverständlich ist diese Erfassung von Wirk- und/oder Blindstrom nicht nur auf den dargestellten dreiphasigen Fall beschränkt, sondern kann auch für Wechselrichter mit anderer Phasenzahl verwendet werden. Ist der Stern­ punkt der Last nicht angeschlossen, sondern frei, so kann, da dann die Summe aller Ausgangsströme Null ist, zumindest ein Phasenstrom aus den anderen Strömen be­ rechnet werden, wodurch sich die Anzahl der benötigten Bauelemente verringert. Eine derartige Verringerung ist u. U. auch in anderen Fällen möglich, z. B. wenn aufgrund einer streng symmetrischen Last rechnerisch erfaßbare Beziehungen zwischen einzelnen Phasenströmen bestehen, die es gestatten, bestimmte Phasenströme durch die rest­ lichen Phasenströme rechnerisch zu ermitteln.

So ergibt sich z. B. im dreiphasigen Fall mit freiem Stern­ punkt eine besonders einfache Schaltung, wenn handels­ übliche integrierte Schaltungen als Analogschalter ver­ wendet werden, bei denen 4 einzelne Analogschalter zu einem einzigen Bauelement vereinigt sind. Eine derartige Konfiguration ist in Fig. 6 dargestellt.

Die Verstärkerschaltungen 10 und 11 bewirken dabei zu­ nächst die für die Blindstromerfassung nötige Phasen­ drehung um 90°, wobei lediglich von den invertierten Meßwerten i_U, i_W ausgegangen wird. Der dadurch phasen­ verschobene Meßwert i_U bzw. i_W wird einerseits jeweils über den Schalter Bu und BW mit dem Schaltsignal S_U und S_W pulsbreitenmoduliert und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 7 (Additionsglied) zugeführt. Andererseits werden diese Meßwerte über Schalter B_V1 und B_V2 auch mit dem Schaltsignal S_V pulsbreitenmoduliert und dem nichtinvertierenden Eingang des Additionsglieds 7 zugeführt, das somit entsprechend der Bedingung des freien Sternpunktes (i_V = -i_U-i_W) den entsprechenden Blindstrom am Ausgang V errechnet. Die Schalter B_U, B_W, B_V1 und B_V2 sind hierbei zu einer einzigen integrierten Schaltung zusammengefaßt.

Die entsprechende Anordnung mit den Schaltern M_U, M_W und M_V1, M_V2, jedoch ohne den Phasendreher 10, 11 ist auch für die Erfassung des Wirkstromes I_W vorgesehen.

Insgesamt ergibt sich somit eine Schaltung, die die Erfas­ sung von Blindstrom und Wirkstrom mit einem minimalen Auf­ wand ermöglicht.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Erfassen des Wirkstromes einer Phase eines Wechselrichters (2), wobei ein einem Phasenstrom entsprechen­ des Meßsignal (i_U) und ein dem Phasenstrom entsprechendes inverses Meßsignal jeweils einem Eingang eines beiden Meßsi­ gnalen gemeinsamen Umschalters (N_U) aufgeschaltet wird, der mit dem den Schaltzustand des auf diese Phase (U) arbeitenden Wechselrichterschalters (T_U1, T_U2) bestimmenden Schaltsignal (S_U) betätigt wird und dessen Ausgang über einen Mittelwert­ bildner (4) mit einem Mittel (5) zur Bewertung des Ausgangssignals des Umschalters (N_U) mit einem Reziprokwert der Wechselrichteraussteuerung (r) verbunden ist.

2. Vorrichtung zum Erfassen des Blindstromes einer Phase eines Wechselrichters (2), wobei ein einem Phasenstrom ent­ sprechenden Meßsignal (i_U) nach Phasendrehung um µ2 mittels eines Phasendrehers (6) und ein dem Phasenstrom entspre­ chendes nach Phasendrehung um µ/2 mittels eines Phasendrehers (6) inverses Meßsignal einem Eingang eines beiden Meßsignalen gemeinsamen Umschalters (N_U) aufgeschaltet wird, der mit dem den Schaltzustand des auf diese Phase (U) arbeitenden Wech­ selrichterschalters (T_U1, T_U2) bestimmenden Schaltsignal S_U betätigt wird und dessen Ausgang über einen Mittelwertbildner (4) mit einem Mittel (5) zur Bewertung des Ausgangssignals des Umschalters (N_U) mit einem Reziprokwert der Wechselrichteraussteuerung (r) verbunden ist.

3. Vorrichtung zum Erfassen des Wirkstromes (I_W) eines mehrphasigen Wechselrichters (2), wobei für jede Phase ein einem Phasenstrom entsprechendes Meßsignal (i_U, i_V, i_W) und ein dem Phasenstrom entsprechendes inverses Meßsignal jeweils einem Eingang eines beiden Meßsignalen gemeinsamen Umschal­ ters (N_U, N_V, N_W) aufgeschaltet wird, die Umschalter (N_U, N_V, N_W) jeder Phase mit dem den Schaltzustand des auf diese Phasen (U, V, W) arbeitenden Wechselrichterschalters (T_U1, T_U2; T_U1, T_V2; T_W1, T_W2) bestimmenden Schaltsignalen (S_U, S_V, S_W) betä­ tigt werben und die Ausgänge der Umschalter (N_U, N_V, N_W) über einen Mittelwertbildner (4) mit einem Mittel (5) zur Bewer­ tung des Ausgangssignals des Mittelwertbildners (4) mit einem Reziprokwert der Wechselrichteraussteuerung (r) verbunden sind.

4. Vorrichtung zum Erfassen des Blindstromes (I_B) eines mehrphasigen Wechselrichters (2), wobei für jede Phase ein einem Phasenstrom entsprechendes Meßsignal (i_U, i_V, i_W) nach Phasendrehung um π/2 mittels eines Phasendrehers (6) und ein dem Phasenstrom entsprechendes nach Phasendrehung um π/2 mittels eines Phasendrehers (6) inverses Meßsignal jeweils einem Umschalter (N_U, N_V, N_W) aufgeschaltet wird, die Umschalter (N_U, N_V, N_W) in jeder Phase jeweils mit dem den Schaltzustand des auf diese Phasen (U, V, W) arbeitenden Wechselrichterschalters (T_U1, T_U2; T_V1, T_V2; T_W1, T_W2) bestimmenden Schaltsignalen (S_U, S_V, S_W) betätigt werden und die Ausgänge der Umschalter (N_U, N_V, N_W) über einen Mittelwertbildner (4) mit einem Mittel (5) zur Bewertung des Ausgangssignals des Mittelwertbildners (4) mit einem Reziprokwert der Wechsel­ richteraussteuerung (r) verbunden sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4 für einen mehrphasigen Wechselrichter (2) mit lastseitigem freien Sternpunkt, wobei als Umschalter (N_U, N_V, N_W) Ein-/Ausschalter (M_U, M_V, M_W oder B_U, B_V, B_W) vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Mittel (5) ein Kennlinienglied vorgesehen ist, dessen einer Eingang mit dem Ausgang des Mittelwertbildners (4) verbunden ist und an dessen anderen Eingang der Reziprokwert der Wechselrichteraussteuerung (r) ansteht.

7. Vorrichtung zum Erfassen des Wirk- und Blindstromes (I_W, I_B) eines mehrphasigen Wechselrichters (2), bestehend aus einer Vorrichtung zum Erfassen des Wirkstromes (I_w) gemäß Anspruch 3 und einer Vorrichtung zum Erfassen des Blindstromes (I_B) gemäß Anspruch 4, wobei ein mehrphasiger Wechselrichter (2) mit lastseitigem freien Sternpunkt und als Umschalter (N_u, N_v, N_w) Ein-/Ausschalter (M_u, M_v, M_w oder B_u, B_v, B_w) vorgesehen sind.