DE4208114A1 - Verfahren und einrichtung zum steuern eines pulsbreitenmodulations (pwm)-umrichters - Google Patents

Verfahren und einrichtung zum steuern eines pulsbreitenmodulations (pwm)-umrichters

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Description

Die Erfindung betrifft einen Umrichter oder Stromrichter mit einer Pulsbreitenmodulations (PWM)-Steuerung und insbesondere ein Verfahren und eine Einrichtung zum Steuern eines PWM-Umrichters, der die Ausführung einer Leistungs-Rückführungs-Operation von einer Gleichstrom (DC)-Seite zu einer Wechselstrom (AC)-Seite ermöglicht. Eine Umrichterart ist ein PWM-Umrichter, der mit Schalteinrichtungen mit Selbst-Abschalt-Charakter, wie GTO- Thyristoren und bipolaren Großtransistoren (GTR) und ähnlichem, aufgebaut ist, wobei diese Umrichter häufig als Gleichstromquelle für Spannungsumformer eingesetzt werden, wenn Wechselstrommotoren mit variabler Geschwindigkeit angetrieben werden sollen.
Fig. 1 zeigt die allgemeine Anordnung des Hauptschaltkreises dieser PWM-Umrichterart, und Fig. 2 zeigt den Aufbau des Gesamtschaltkreises, der einen herkömmlichen Steuerkreis beinhaltet. In Fig. 1 weist ein PWM-Umrichter 1 eine Brücken­ schaltung auf, bei der eine Diode 1B umgekehrt parallel mit einem Schaltelement 1A mit Selbst-Abschalt-Charakter verbunden ist. Der Umrichter 1 ist über eine AC-Drosselspule 2 mit einer Wechsel­ stromquelle 3 und mit einem Glättungskondensator 4 auf einer Gleichstrom (DC)-Seite verbunden. In Fig. 2 ist eine Last 5 eine Last des PWM-Umrichters und kann daher beispielsweise als ein Umformer, wie ein Leistungsrückwandler, betrachtet werden. Bei einem üblichen Einsatz sind beispielsweise Motoren von Klimaanla­ gen und Waschmaschinen als weitere Verbraucher bei der Last 5 vorgesehen. Ein Spannungsdetektorkreis 6 erfaßt die Gleich­ spannung des PWM-Umrichters 1. Ein Spannungssteuerkreis 7 vergleicht einen Spannungs-Bezugswert (Sollspannung) V* und die Gleichspannung V gibt einen Stromamplituden-Bezugswert (Soll­ strom) I* aus, so daß die Differenz zwischen den beiden Spannun­ gen vermindert wird. Ein Phasendetektorkreis 8 gibt mit der Wechselspannung synchrone Synchronisierungssignale (Phasensigna­ le) RPS aus. Ein Strom-Referenzkreis 9 gibt den dreiphasigen Sinuswellen-Wechselstrom-Bezugswert I*R, I*S und I*T aus, der abhängig von den Synchronisierungssignalen (Phasensignalen) RPS und dem Stromamplituden-Bezugswert I* auf die Amplitude des Bezugswerts I* bezogen und mit dem Wechselstrom synchron ist. Ein Stromsteuerkreis 10R vergleicht einen vom Stromdetektor 12R erfaßten R-Phasen-Rückführstrom (Iststrom) IR mit einem R-Phasen- Strom-Bezugswert I*R und gibt eine R-Phasen-Spannungs-Bezugswert e*R aus, so daß die beiden gleich werden. Stromsteuerkreise 10S und 10T für eine S-Phase und eine T-Phase arbeiten entsprechend. Synchron mit dem Phasensignal RPS gibt ein Sägezahngeneratorkreis 13 Sägezahnwellen-Trägersignale TRPS aus, deren Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Strom- und Spannungsfrequenz ist. Ein PWM-Steuerkreis 11 vergleicht die Sägezahnwellen-Trägersignale TRPS mit jedem der Spannungs-Bezugswerte e*R, e*S und e*T für die drei Phasen und gibt einen Schaltbefehl SW an die Selbst- Abschalt-Einrichtung des PWM-Umrichters 1 aus.
Bei einem PWM-Umrichter mit dem oben beschriebenen Aufbau kann zwischen der Gleichstromseite und der Wechselstromseite umge­ schaltet werden. Im Leistungsverbrauchsbetrieb, bei dem die Last 5 Gleichstrom verbraucht, fällt die Gleichspannung V und tritt eine positive Spannungsdifferenz auf und gibt der Spannungs­ steuerkreis 7 eine Stromamplituden-Bezugswert I* mit positiver Polarität aus, um die Gleichspannung anzuheben. Folglich fließen die Ströme IR, IS und IT jeder Phase phasengleich zur Wechsel­ spannung VAC und wird der Lastseite Strom bzw. Leistung zu­ geführt. Wenn andererseits im Rückführungsbetrieb die Last 5 Gleichstrom rückgewinnt, steigt die Gleichspannung V und tritt eine negative Spannungsdifferenz auf und gibt der Spannungs­ steuerkreis 7 eine Stromamplituden-Vorgabe I* mit negativer Polarität aus, so daß die Gleichspannung fällt. Folglich nehmen die Bezugsgrößen I*R, I*S und I*T jeder Phase zur Wechselspannung VAC entgegengesetzte Phasenlagen an und fließen die tatsächlichen Ströme IR, IS und IT ebenfalls mit entgegengesetzter Phase, und wird der Gleichstrom vom PWM-Umrichter 1 in den Wechselstromkreis zurückgeführt.
Fig. 3A und 3B zeigen Vektordiagramme des Leistungsverbrauchs­ betriebs bzw. des Rückführungsbetriebs. In den Diagrammen ist VAC ein Wechselspannungsvektor, IP ein Wechselstromvektor, VL ein Blindspannungsvektor einer Wechselstrom-Drosselspule 2 und VIN ein Eingangsspannungsvektor eines PWM-Umrichters. Wie in Fig. 3A gezeigt, sind beim Leistungsverbrauchsbetrieb die Wechselspannung VAC und der Strom IP phasengleich geregelt und wie in Fig. 3B gezeigt, sind sie beim Rückführungsbetrieb gegenphasig geregelt.
Bei einem PWM-Umrichter mit dem beschriebenen Aufbau ist es notwendig, die Wechselspannung des PWM-Umrichters im Vergleich zu den Wechselspannungen zu erhöhen, wodurch sich auch die Kosten erhöhen, weil dies den Einsatz von Halbleiterbausteinen und anderen hochspannungsfesten Bausteinen als Schaltelemente notwendig macht, um gegen eine Hochspannung geschützt zu sein. Insbesondere, wenn eine Rückführungsfunktion vorgesehen ist, bereitet das Zuführen von Leistung von der Lastseite große Schwierigkeiten, weil der IR-Abfall und der induktive Spannungs­ abfall im Inneren der Einrichtung erfordert, daß die Gleich­ spannung sogar höher als beim Leistungsverbrauchsbetrieb ist.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein PWM-Umrich­ ter-Steuerverfahren und eine PWM-Umrichter-Steuereinrichtung zu schaffen die einen Leistungsrückführungsbetrieb von einer Gleich­ stromseite ermöglichen, und zwar bei einer geringeren Gleich­ spannung als bei herkömmlichen Verfahren und Einrichtungen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Steuern eines PWM-Umrichters gelöst, der über eine Drosselspule mit einer Wechselstromquelle verbunden ist und das Senden und Empfangen von Leistung (Strom und Spannung) zwischen einer Wechselstromquelle und einer Gleichstromquelle durchführt, mit folgenden Verfahrensschritten: Trennen eines zugeführten Wechselstroms in einen Wirkstrom und einen Blindstrom, um eine PWM-Steuerung durchzuführen und Steuern des ansteigenden Blindstromes, so daß der Blindstrom bei einer Umsetzung von Gleichstrom in Wechselstrom größer ist als bei einer Umsetzung von Wechselstrom in Gleichstrom. Bei der Ausführung einer solchen Konfiguration ändert sich die Phase des Blindspannungsvektors und ist es demzufolge möglich, einen Rückführungsbetrieb bei niedriger Gleichspannung durchzuführen.
Ferner ist erfindungsgemäß eine Steuereinrichtung zum Steuern eines PWM-Umrichters, der über eine Reaktanz mit einer Wechsel­ stromquelle verbunden ist und das Senden und Empfangen von Leistung (Strom und Spannung) zwischen einer Wechselstromquelle und einer Gleichstromquelle durchführt, vorgesehen, mit einer Vorrichtung zum Erfassen von mindestens zwei Phasen eines Dreiphasen-Wechselstroms als einen Stromdetektorwert, einer Vor­ richtung zum Erfassen einer Spannungsphase des Dreiphasenstroms, einer Vorrichtung zum Trennen des erfaßten Stromdetektorwertes in einen Wirkstrom und einen Blindstrom unter Verwendung der Spannungsphase, einer Wirkstrom-Steuereinrichtung zum Durchführen einer Feedback-Regelung, so daß der abgesonderte Wirkstrom einen Sollwert annimmt, und einer Blindstrom-Bezugswert-Recheneinrich­ tung zum Berechnen eines Bezugswertes (Sollwertes), so daß ein Blindstrom-Bezugswert größer wird, wenn der Blindstrom und die Quellenspannung entgegengesetzte Polaritäten aufweisen, als wenn sie dieselbe Polarität haben. Bei einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung bestimmt die Blindstrom-Bezugswert-Rechen­ einrichtung den Blindstrom abhängig vom Wirkstrom und dem Wirkstrom-Bezugswert und erzeugt einen Blindstrom-Bezugswert, wenn der Wirkstrom oder der Wirkstrom-Bezugswert negativ sind, und führt eine Rückführung bei einer geringen Spannung durch.
Erfindungsgemäß ist es möglich die Gleichspannung zu vermindern, wenn beim Leistungsrückführungsbetrieb Gleichstrom in Wechsel­ strom umgesetzt wird, und ist es daher möglich, die Nennspannung des Hauptkreises herabzusetzen und dadurch ein PWM-Umrichter- Steuerverfahren und eine Steuereinrichtung mit verbesserter Wirtschaftlichkeit zu schaffen.
Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltdiagramm eines Hauptkreises eines allgemeinen PWM-Umrichters,
Fig. 2 ein Blockdiagramm einer Steuereinrichtung eines herkömmlichen PWM-Umrichters,
Fig. 3A und 3B Vektordiagramme für den Leistungsverbrauchsbe­ trieb bzw. für den Rückführungsbetrieb,
Fig. 4 ein Blockdiagramm eines Pulsbreitenmodulations- Umrichtverfahrens und einer Einrichtung gemäß einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung,
Fig. 5 eine Darstellung der Merkmale eines Blindstrom- Referenzkreises in dem Pulsbreitenmodulations- Umrichtverfahren und der Einrichtung von Fig. 4,
Fig. 6 ein Vektordiagramm, das den Spannungsvektor beim Rückführungsbetrieb eines von dem Pulsbreitenmo­ dulations-Umrichtverfahren und der -Vorrichtung von Fig. 4 gesteuerten PWM-Umrichters zeigt, und
Fig. 7 eine Darstellung der Merkmale eines Blindstrom- Referenzkreises des Pulsbreitenmodulations-Um­ richtverfahrens und der Einrichtung gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung.
Das erfindungsgemäße Pulsbreitenmodulations (PWM)-Umrichtver­ fahren und die Einrichtung sind im folgenden anhand bevorzugter Ausgestaltungen mit Bezug auf die Zeichnungen mit weiteren Einzelheiten erläutert. Fig. 4, 5 und 6 dienen zur Beschrei­ bung einer ersten Ausgestaltung der Erfindung.
In Fig. 4 sind die Elemente, die Elementen von Fig. 2 ent­ sprechen, mit entsprechenden Bezugszeichen gekennzeichnet, und sollen nicht noch einmal beschrieben werden. Bei der dargestell­ ten Ausgestaltung sind weitere Elemente ein Wirkstrom-Steuerkreis 14, ein Blindstrom-Steuerkreis 15, ein PWM-Steuerkreis 16, ein Stromdetektorkreis 17 und ein Blindstrom-Referenzkreis 18. Bei dieser Ausgestaltung vergleicht der Spannungssteuerkreis 7 den Spannungs-Bezugswert V* mit der Spannung V, die vom Spannungs­ detektorkreis 6 erfaßt wird, und berechnet den Wirkstrom- Bezugswert IP*. Der Spannungsdetektorkreis 17 nutzt die Wechsel­ ströme IR und IT, die jeweils von den Stromdetektoren 12R und 12T erfaßt werden, und die Phasensignale RPS der Wechselspannung VAC, die vom Phasendetektorkreis 8 erfaßt wird, berechnet den Wirkanteil IP und den Blindanteil IQ und gibt diese getrennt aus. Der Wirkstrom-Steuerkreis 14 vergleicht den Wirkstrom-Bezugswert I*P mit dem Wirkanteil IP und berechnet den Wirkspannungs- Bezugswert e*P des PWM-Umrichters 1. Andererseits vergleicht der Blindstrom-Steuerkreis 15 den Blindanteil IQ mit dem Blindstrom- Bezugswert I*Q und berechnet den Blindspannungs-Bezugswert e*Q des PWM-Umrichters 1. Der PWM-Steuerkreis 16 gibt durch die PWM- Steuerung für den Wirkspannungs-Bezugswert e*P und den Blind­ spannungs-Bezugswert e*Q auf der Basis des Phasensignals RPS der Wechselleistung ein Schaltsignal SW an den PWM-Umrichter 1 mit dem Schaltelement mit Selbst-Abschalt-Charakter aus, wobei das Schaltsignal durch die Vektorzusammensetzung von jeder Phase der drei Komponenten gebildet ist. Bei einem PWM-Umrichter mit einem derartigen Aufbau, wird der Blindstrom-Bezugswert I*Q durch den Blindstrom-Referenzkreis 18 auf die in Fig. 5 gezeigte Art gesteuert. Insbesondere, wenn der Wirkstrom IP oder der Bezugs­ wert I*P positive Polarität aufweisen, d. h., wenn der PWM- Umrichter 1 im Leistungsverbrauchsbetrieb arbeitet, bei dem der Wechselstrom nach und nach in Gleichstrom umgesetzt wird, wird der Blindstrom-Bezugswert I*Q auf "0" geregelt. Zusätzlich wird, wenn der Wirkstrom IP oder der Bezugswert I*P negative Polarität aufweisen, d. h., wenn der PWM-Umrichter 1 im Rückführungsbetrieb arbeitet, bei dem der Gleichstrom nach und nach in Wechselstrom rückumgesetzt wird, der Blindstrom-Bezugswert I*Q auf "K" geregelt.
Bei einem PWM-Umrichter mit der beschriebenen Anordnung ist es im Vergleich zu einer herkömmlichen Anordnung möglich, die Eingangsspannung VIN des PWM-Umrichters 1 und die Gleichspannung V beim Rückführungsbetrieb zu vermindern. Dies ist im folgenden mit Bezug auf Fig. 6 beschrieben. Insbesondere beim Rückführungs­ betrieb, ändert der Fluß des Blindstroms IQ zu dem Zeitpunkt, zu dem der Wirkstrom IP zur Wechselspannung VAC gegenphasig fließt, das Leistungsverhältnis in Richtung einer Zunahme der Wechsel­ spannung VAC und verändert eine Phase eines Spannungsvektors VL einer Wechselstrom-Reaktanz. Demzufolge kann die Eingangsspannung VIN des PWM-Umrichters kleiner sein als dies herkömmlich möglich war. Das heißt, daß durch die Zunahme der Phase des Wechselstroms eine Rückführung bei einer niedrigen Gleichspannung ermöglicht wird und ein PWM-Umrichter geschaffen wird, der einen stabilen Rückführungsbetrieb ohne eine wesentliche Erhöhung der Kosten erlaubt. Bei dem erfindungsgemäßen PWM-Umrichter müssen also keine Bauelemente eingesetzt werden, deren Hochspannungsfestig­ keit größer als normal ist.
Fig. 7 zeigt eine weitere Ausgestaltung des Pulsbreitenmodula­ tions-Umrichtverfahrens und der -Einrichtung nach der Erfindung. Der Grundaufbau dieser Ausgestaltung ist im wesentlichen gleich dem der beschriebenen Ausgestaltung und soll daher nicht noch einmal beschrieben werden. Bei dieser weiteren Ausgestaltung macht der Blindstrom-Referenzkreis 18 den Blindstrom-Bezugswert zu "0", wenn der Wirkstrom IP oder der Wirkstrom-Bezugswert I*P positive Polarität aufweisen (Leistungsverbrauchbetrieb), und gibt den Blindstrom-Bezugswert I*Q im Vergleich zum Wirkstrom IP oder zum Wirkstrom-Bezugswert I*P aus, wenn diese negative Polarität aufweisen. Dabei nimmt der Wechselstrom IAC beim Rückführungsbetrieb ein konstantes Leistungsverhältnis unabhängig von der Größe des Wirkstroms IP an und es ist möglich, ein PWM- Umrichter vorzusehen, der den Rückführungsbetrieb bei einer niedrigen Gleichspannung auf dieselbe Weise wie bei der ersten Ausgestaltung durchführt.
Übersetzung der Beschriftung in den Figuren
FIGUR 1
PWM-CONVERTER (1) PWM-UMRICHTER
FIGUR 2 @ PWM-CONVERTER (1) PWM-UMRICHTER
LOAD (5) LAST
VOLTAGE DETECTION CIRCUIT (6) SPANNUNGSDETEKTORKREIS
VOLTAGE CONTROL CIRCUIT (7) SPANNUNGSSTEUERKREIS
PHASE DETECTION CIRCUIT (8) PHASENDETEKTORKREIS
CURRENT REFERENCE CIRCUIT (9) STROMREFERENZKREIS
CURRENT CONTROL CIRCUIT (10R, 10S, 10T) STROMSTEUERKREIS
PWM CONTROL CIRCUIT (11) PWM-STEUERKREIS
SAWTOOTH WAVE GENERATION CIRCUIT (13) SÄGEZAHN-GENERATOR
FIGUR 4 @ PWM CONVERTER (1) PWM-UMRICHTER
LOAD (5) LAST
VOLTAGE DETECTION CIRCUIT (6) SPANNUNGSDETEKTORKREIS
VOLTAGE CONTROL CIRCUIT (7) SPANNUNGSSTEUERKREIS
PHASE DETECTION CIRCUIT (8) PHASENDETEKTORKREIS
EFFECTIVE CURRENT CONTROL CIRCUIT (14) WIRKSTROM-STEUERKREIS
REACTIVE CURRENT CONTROL CIRCUIT (15) BLINDSTROM-STEUERKREIS
PWM CONTROL CIRCUIT (16) PWM-STEUERKREIS
CURRENT DETECTION CIRCUIT (17) STROMDETEKTORKREIS
REACTIVE CURRENT REFERENCE CIRCUIT (18) BLINDSTROM-REFERENZKREIS

Claims (6)

1. PWM-Umrichter-Steuerverfahren für einen Pulsbreitenmodu­ lations(PWM)-Umrichter, der über eine Reaktanz mit einer Wechselstrom(AC)-Quelle verbunden ist und das Senden und Empfangen von Leistung (Strom und Spannung) zwischen der Wechselstromquelle und einer Gleichstromquelle durchführt, mit folgenden Verfahrensschritten:
Trennen eines zugeführten Wechselstroms in einen Wirk­ strom und einen Blindstrom und Durchführen einer PWM-Steuerung und
Steuern des PWM-Umrichters, so daß der Blindstrom bei einer Umsetzung von Gleichstrom in Wechselstrom größer ist als bei einer Umsetzung von Wechselstrom in Gleichstrom.
2. PWM-Umrichter-Steuerverfahren nach Anspruch 1, bei dem der Blindstrom bei einer Umsetzung von Wechselstrom in Gleichstrom auf "0" geregelt wird und der Blindstrom bei einer Umsetzung von Gleichstrom in Wechselstrom auf einen Wert größer als "0" geregelt wird.
3. PWM-Umrichter-Steuerverfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Blindstrom bei einer Umsetzung von Wechselstrom in Gleichstrom auf "0" geregelt wird und der Blindstrom bei einer Umsetzung von Gleichstrom in Wechselstrom auf einen zum Wirkstrom proportionalen Wert geregelt wird.
4. PWM-Umrichtung-Steuereinrichtung für einen PWM-Umrichter, der über eine Reaktanz mit einer Wechselstromquelle verbunden ist und das Senden und Empfangen von Leistung (Strom und Spannung) zwischen der Wechselstromquelle und einer Gleichstromquelle durchführt, mit
einer Vorrichtung (17) zum Erfassen eines Stromdetektor­ wertes von wenigstens zwei Phasen des dreiphasigen Wechsel­ stroms,
einer Vorrichtung (6) zum Erfassen einer Spannungsphase des dreiphasigen Wechselstroms,
einer Vorrichtung (7) zum Trennen der Stromdetektorwerte in einen Wirkstrom und in einen Blindstrom unter Einsatz der Wechselspannungsphase,
eine Wirkstrom-Steuervorrichtung (14) zum Durchführen einer Feedback-Regelung, so daß der abgetrennte Wirkstrom einen Sollwert annimmt,
eine Blindstrom-Steuervorrichtung (15) zum Durchführen einer Feedback-Regelung, so daß der abgetrennte Blindstrom einen Sollwert annimmt, und
eine Bezugswert-Rechenvorrichtung (18) zum Berechnen eines Blindstrom-Bezugswerts, so daß ein Bezugswert für den Blindstrom größer wird, wenn der Wirkstrom und die Quellen­ spannung entgegengesetzte Polaritäten haben, als wenn sie dieselbe Polarität aufweisen.
5. PWM-Umrichter-Steuereinrichtung nach Anspruch 4, bei der die Bezugswert-Rechenvorrichtung so aufgebaut ist, daß der Blindstrom bei einer Umsetzung von Wechselstrom in Gleich­ strom auf "0" regelbar ist, und daß der Blindstrom bei einer Umsetzung von Gleichstrom in Wechselstrom auf einen Wert größer als "0" regelbar ist.
6. PWM-Umrichter-Steuereinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, bei der die Bezugswerts-Rechenvorrichtung (18) so aufge­ baut ist, daß der Blindstrom bei einer Umsetzung von Wechsel­ strom in Gleichstrom auf "0" regelbar ist, und daß der Blind­ strom bei einer Umsetzung von Gleichstrom in Wechselstrom auf einen zum Wirkstrom proportionalen Wert regelbar ist.
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