DE4208114C2 - Steuereinrichtung für einen bidirektionalen pulsbreitenmodulierten Stromrichter - Google Patents
Steuereinrichtung für einen bidirektionalen pulsbreitenmodulierten StromrichterInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung für einen bidirek
tionalen pulsbreitenmodulierten (PWM) Stromrichter nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Steuereinrichtung ist
aus der DE 30 27 724 C2 bekannt, welche Strom- bzw. Leistungs
regelungen mit unterlagerten Spannungs- und Phasenregelungen
vorsieht.
Die Steuereinrichtung nach der Erfindung ermöglicht eine
Leistungsrückgewinnung von einer Gleichstrom(DC)-Seite zu einer
Wechselstrom(AC)-Seite des Stromrichters. Eine Art eines
Stromrichters ist ein PWM-Stromrichter, der mit selbstabschalten
den Schalteinrichtungen, wie GTO-Thyristoren, bipolaren Groß
transistoren (GTR) und dergleichen, aufgebaut ist, wobei diese
Stromrichter 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-Stromrichterart, und Fig. 2 zeigt den Aufbau des
Gesamtschaltkreises, der einen herkömmlichen Steuerkreis
beinhaltet. In Fig. 1 weist ein PWM-Stromrichter 1 eine Brücken
schaltung auf, bei der eine Diode 1B umgekehrt parallel mit einem
selbstabschaltenden Schaltelement 1A verbunden ist. Der Strom
richter 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-Stromrichters, und sie kann beispielsweise als ein
Wechselrichter betrachtet werden.
Bei einem üblichen Einsatz sind bei
spielsweise Motoren von Klimaanlagen und Waschmaschinen als
weitere Verbraucher bei der Last 5 vorgesehen. Ein Spannungsgeber
6 erfaßt die Gleichspannung des PWN-Stromrichters 1. Ein
Spannungsregler 7 vergleicht einen Spannungs-Sollwert (Soll
spannung) V* und die Gleichspannung V und gibt einen Stromam
plituden-Sollwert (Sollstrom) I* aus, so daß die Differenz
zwischen den beiden vermindert wird. Ein Phasengeber 8 gibt mit
der Wechselspannung synchrone Synchronisierungssignale (Phasensi
gnale) RPS aus. Ein Stromsollwertgeber 9 gibt den dreiphasigen
Sinuswellen-Wechselstrom-Sollwert I*R, I*S und I*T aus, der
abhängig von den Synchronisierungssignalen (Phasensignalen) RPS
und dem Stromamplituden-Sollwert I* auf die Amplitude des
Sollwerts I* bezogen und mit dem Wechselstrom synchron ist. Ein
Stromregler 10R vergleicht einen vom Stromdetektor 12R erfaßten
R-Phasen-Rückführstrom (Iststrom) IR mit einem R-Phasen-Strom-
Sollwert I*R und gibt eine R-Phasen-Spannungs-Sollwert e*R aus,
so daß die beiden gleich werden. Stromregler 10S und 10T für eine
S-Phase und eine T-Phase arbeiten entsprechend. Synchron mit dem
Phasensignal RPS gibt ein Sägezahngenerator 13 Sägezahnwellen-
Trägersignale TRPS aus, deren Frequenz ein ganzzahliges Vielfa
ches der Strom- und Spannungsfrequenz ist. Ein PWM-Steuersatz 11
vergleicht die Sägezahnwellen-Trägersignale TRPS mit jedem der
Spannungs-Sollwerte eR*, eS* und eT* für die drei Phasen und gibt
einen Schaltbefehl SW an das selbstabschaltende Element des PWM-
Stromrichters 1 aus.
Bei einem PWM-Stromrichter 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, es
tritt eine positive Spannungsdifferenz auf und der Spannungs
regler 7 gibt einen Stromamplituden-Sollwert 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 der Lastseite wird Strom bzw. Leistung zu
geführt. Wenn andererseits im Rückführungs- oder Rückgewinnungs
betrieb die Last 5 Gleichstrom rückgewinnt oder regeneriert,
steigt die Gleichspannung V, eine negative Spannungsdifferenz
tritt auf, und der Spannungsregler 7 gibt einen Stromamplituden-
Sollwert I* mit negativer Polarität aus, so daß die Gleich
spannung fällt. Folglich nehmen die Sollwerte IR*, IS* und IT*
jeder Phase zur Wechselspannung VAC entgegengesetzte Phasen an,
und die Ist-Ströme IR, IS und IT fließen ebenfalls mit entgegen
gesetzter Phase, und der Gleichstrom vom PWM-Stromrichter 1 wird
in den Wechselstromkreis zurückgeführt.
Fig. 3A und 3B zeigen Vektordiagramme des Leistungsverbrauchs
betriebs bzw. des Rückgewinnungsbetriebs. In den Diagrammen ist
VAC ein Wechselspannungsvektor, IP ein Wechselstromvektor, VL ein
Blindspannungsvektor einer Wechselstrom-Drosselspule 2 und VIN
ein Eingangsspannungsvektor eines PWM-Stromrichters. Wie in Fig.
3A gezeigt, sind beim Leistungsverbrauchsbetrieb die Wechsel
spannung VAC und der Strom IP phasengleich geregelt und wie in
Fig. 3B gezeigt, sind sie beim Rückgewinnungsbetrieb gegenphasig
geregelt.
Bei einem PWM-Stromrichter mit dem beschriebenen Aufbau muß man
die Gleichspannung des PWM-Stromrichters 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 Rückgewinnungsfunktion 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.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Steuereinrichtung
für einen bidirektionalen Stromrichter zu schaffen, der einen
Leistungsrückgewinnungsbetrieb von einer Gleichstromseite
ermöglicht, und zwar bei einer geringeren Gleichspannung als bei
herkömmlichen Einrichtungen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Steuereinrichtung
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bei einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung bestimmt der
Blindstrom-Sollwertgeber den Blindstrom abhängig vom Wirkstrom
und vom Wirkstrom-Sollwert und erzeugt einen Blindstrom-Sollwert,
wenn der Wirkstrom oder der Wirkstrom-Sollwert negativ sind, und
er führt eine Rückgewinnung bei einer geringen Spannung durch.
Erfindungsgemäß ist es möglich die Gleichspannung zu vermindern,
wenn beim Leistungsrückführungsbetrieb oder -rückgewinnungs
betrieb Gleichstrom in Wechselstrom umgesetzt wird, und ist es
daher möglich, die Nennspannung des Hauptkreises herabzusetzen
und eine Steuereinrichtung mit verbesserter Wirtschaftlichkeit
zu schaffen.
Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigt
Fig. 1 einen Schaltplan eines Hauptkreises eines all
gemeinen PWM-Stromrichters,
Fig. 2 ein Blockdiagramm einer Steuereinrichtung eines
herkömmlichen PWM-Stromrichters,
Fig. 3A und 3B Vektordiagramme für den Leistungsverbrauchsbe
trieb bzw. für den Rückgewinnungsbetrieb,
Fig. 4 ein Blockdiagramm einer Einrichtung gemäß einer
erfindungsgemäßen Ausgestaltung,
Fig. 5 eine Kennlinie eines Blindstrom-Sollwertgebers
der Einrichtung von Fig. 4,
Fig. 6 ein Vektordiagramm, das den Spannungsvektor beim
Rückgewinnungsbetrieb eines von der Pulsbreiten
modulations-Einrichtung von Fig. 4 gesteuerten
PWM-Stromrichters zeigt, und
Fig. 7 eine Kennlinie eines Blindstrom-Sollwertgebers
der Pulsbreitenmodulations-Einrichtung gemäß
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Steuereinrichtung für einen bidirektionalen
pulsbreitenmodulierten (PWM) Stromrichter ist im folgenden
anhand bevorzugter Ausgestaltungen mit Bezug auf die Zeichnungen
mit weiteren Einzelheiten erläutert. Fig. 4, 5 und 6 dienen
der Beschreibung einer ersten Ausgestaltung der Erfindung.
In Fig. 4 sind die Elemente, den Elementen von Fig. 2 ent
sprechen, mit entsprechenden Bezugszeichen gekennzeichnet, und
sie sollen nicht noch einmal beschrieben werden. Bei der darge
stellten Ausgestaltung sind weitere Elemente ein Wirkstromregler
14, ein Blindstromregler 15, ein PWM-Steuersatz 16, ein Strom
geber 17 und ein Blindstrom-Sollwertgeber 18. Bei dieser
Ausgestaltung vergleicht der Spannungsregler 7 den Spannungs-
Sollwert V* mit der Spannung V, die vom Spannungsgeber 6 erfaßt
wird, und berechnet den Wirkstrom-Sollwert IP*. Der Stromgeber 17
nutz die Wechselströme IR und IT, die jeweils von den Stromde
tektoren 12R und 12T erfaßt werden, und die Phasensignale RPS der
Wechselspannung VAC, welche vom Phasengeber 8 erfaßt wird,
berechnet den Wirkstromanteil IP und den Blindstromanteil IQ und
gibt diese getrennt aus. Der Wirkstromregler 14 vergleicht den
Wirkstrom-Sollwert IP* mit dem Wirkstromanteil IP und berechnet
den Wirkspannungs-Sollwert eP* des PWM-Stromrichters 1. Anderer
seits vergleicht der Blindstromregler 15 den Blindstromanteil IQ
mit dem Blindstrom-Sollwert IQ* und berechnet den Blindspannungs-
Sollwert eQ* des PWM-Stromrichters 1. Der PWM-Steuersatz 16 gibt
mittels der PWM-Regelung für den Wirkspannungs-Sollwert eP* und
den Blindspannungs-Sollwert eQ* auf der Basis des Phasensignals
RPS der Wechselleistung ein Schaltsignal SW an den PWM-Stromrich
ter 1 mit dem selbstabschaltenden Schaltelement aus, wobei das
Schaltsignal durch die Vektorzusammensetzung jeder Phase der drei
Komponenten gebildet ist. Bei einem PWM-Stromrichter mit einem
derartigen Aufbau wird der Blindstrom-Sollwert IQ* durch den
Blindstrom-Sollwertgeber 18 auf die in Fig. 5 gezeigte Art
geregelt. Insbesondere, wenn der Wirkstrom IP oder der Sollwert
IP* positive Polarität aufweisen, d. h., wenn der PWM-Stromrichter
1 im Leistungsverbrauchsbetrieb arbeitet, bei dem der Wechsel
strom nach und nach in Gleichstrom umgesetzt wird, wird der
Blindstrom-Sollwert IQ* auf "0" geregelt. Zusätzlich wird, wenn
der Wirkstrom IP oder der Sollwert IP* negative Polarität auf
weisen, d. h., wenn der PWM-Stromrichter 1 im Rückgewinnungs
betrieb arbeitet, bei dem der Gleichstrom nach und nach in
Wechselstrom rückumgesetzt wird, der Blindstrom-Sollwert IQ* auf
"K" geregelt.
Bei einem PWM-Stromrichter mit dem beschriebenen Aufbau ist es
im Vergleich zu einer herkömmlichen Anordnung möglich, die
Eingangsspannung VIN des PWM-Stromrichters 1 und die Gleich
spannung V beim Rückgewinnungsbetrieb zu vermindern. Dies ist im
folgenden mit Bezug auf Fig. 6 beschrieben. Insbesondere beim
Rückgewinnungsbetrieb 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 Wechselspannung VAC und verändert eine Phase eines
Spannungsvektors VL einer Wechselstrom-Reaktanz. Demzufolge kann
die Eingangsspannung VIN des PWM-Stromrichters kleiner sein als
dies herkömmlich möglich war. Das heißt, daß durch die Zunahme
der Phase des Wechselstroms eine Rückgewinnung bei einer
niedrigen Gleichspannung ermöglicht wird und daß ein PWM-
Stromrichter geschaffen wird, der einen stabilen Rückgewinnungs
betrieb ohne eine wesentliche Erhöhung der Kosten erlaubt. Bei
dem erfindungsgemäßen PWM-Stromrichter müssen also keine
Bauelemente eingesetzt werden, deren Hochspannungsfestigkeit
größer als normal ist.
Fig. 7 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Steuereinrichtung
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-Sollwertgeber 18 den Blind
strom-Sollwert zu "0", wenn der Wirkstrom IP oder der Wirkstrom-
Sollwert IP* positive Polarität aufweisen (Leistungsverbrauchbe
trieb), und er gibt den Blindstrom-Sollwert IQ* bezogen auf den
Wirkstrom IP oder den Wirkstrom-Sollwert IP* aus, wenn diese
negative Polarität aufweisen. Dabei nimmt der Wechselstrom IAC
beim Rückgewinnungsbetrieb ein konstantes Leistungsverhältnis
unabhängig von der Größe des Wirkstroms IP an, und es ist
möglich, einen PWM-Stromrichter vorzusehen, der den Rückgewin
nungsbetrieb bei einer niedrigen Gleichspannung auf dieselbe
Weise wie bei der ersten Ausgestaltung durchführt.
Claims (3)
1. Steuereinrichtung für einen bidirektionalen pulsbreitenmo
dulierten (PMW) Stromrichter, dessen Wechselstromseite über
eine Reaktanz mit einer Wechselstromquelle verbunden ist
und dessen Gleichstromseite mit einer Gleichstrom verbrau
chenden Last verbunden ist, gekennzeichnet
durch
- - einen Phasengeber (8), der mit der Wechselspannung synchrone Synchronisierungssignale RPS ausgibt,
- - einen Stromgeber (17) dessen Eingang die Strom-Istwer te von wenigstens zwei Phasen des dreiphasigen Wech selstroms sowie die Synchronisierungssignale RPS zu geführt werden und der abhängig von den Eingangs signalen einen Wirkstromanteil IP und einen Blindstrom anteil IQ getrennt ausgibt,
- - einen Spannungsgeber (6), der die Gleichspannung mißt und einen Spannungs-Istwert V ausgibt,
- - einen Spannungsregler (7), dem die Differenz zwischen dem Spannungs-Istwert V und einem Spannungs-Sollwert V* zugeführt werden und der einen Wirkstrom-Sollwert IP* ausgibt,
- - einen Blindstrom-Sollwertgeber (18), an dessen Eingang der Wirkstromanteil IP sowie der Wirkstrom-Sollwert IP* anliegen und der einen Blindstrom-Sollwert IQ* ausgibt, welcher eine Konstante ist, wenn der Wirkstromanteil IP und der Wirkstrom-Sollwert IP* negative Polarität haben, und Null ist, wenn der Wirkstromanteil IP und der Wirkstrom-Sollwert IP* positive Polarität haben,
- - einen dem Spannungsregler (7) unterlagerten Wirk stromregler (14), an dessen Eingang die Differenz zwischen dem Wirkstrom-Sollwert IP* und dem Wirk stromanteil IP anliegen und der einen Wirkspannungs- Sollwert eP* ausgibt,
- - einen Blindstromregler (15), an dessen Eingang die Differenz zwischen dem Blindstromm-Sollwert IQ* und dem Blindstromanteil IQ anliegt und der einen Blindspan nungs-Sollwert eQ* ausgibt,
- - einen Pulsbreitenmodulations-Steuersatz (16) an dessen Eingang der Wirkspannungs-Sollwert eP* der Blindspan nungssollwert eQ* sowie das Synchronisierungssignal RPS anliegen und der abhängig von den Eingangssignalen Schaltsignale SW an den PWM-Stromrichter (1) abgibt.
2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß der Blindstrom-Sollwertgeber (18) so aufgebaut
ist, daß der Blindstromanteil IQ bei einer Umsetzung von
Wechselstrom zu Gleichstrom auf Null regelbar ist, und
daß der Blindstromanteil IQ bei einer Umsetzung von
Gleichstrom zu Wechselstrom auf einen Wert größer als
Null regelbar ist.
3. Steuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Blindstrom-Sollwertgeber (18) so aufge
baut ist, daß der Blindstromanteil IQ bei einer Umsetzung
von Gleichstrom zu Wechselstrom auf einen zum Wirkstrom
anteil IP proportionalen Wert regelbar ist.
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