DE4311896A1

DE4311896A1 - Verfahren zur Bestimmung der Einschaltzeiten der Schalter eines n-phasigen Pulsstromwechselrichters

Info

Publication number: DE4311896A1
Application number: DE19934311896
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl Ing Loesel
Original assignee: Individual
Current assignee: Loesel Thomas Dipl-Ing 01099 Dresden De
Priority date: 1993-04-10
Filing date: 1993-04-10
Publication date: 1994-10-20

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Einschaltzeiten der Schalter eines Pulsstromwechselrichters zwecks Erzeugung eines geforderten zeitlichen Verlaufes des Stromes auf dessen Wechselstromseite. Das Verfahren ist für Pulsstromwechselrichter geeignet, bei denen an der Wechselstromseite ein aus einer oder mehreren Filterinduktivitäten und einer oder mehreren Kapazitäten bestehendes Filter zweiter Ordnung angeordnet ist.

Zur Umformung eines Gleichstromes in einen Wechselstrom und umgekehrt ist beispielsweise aus der DE-OS 27 19 805 in ein phasiger Ausführung und EP 0081133 in dreiphasiger Ausführung eine Schaltung bekannt, bei der zur Erzielung eines geforderten Stromverlaufes auf der Wechselstromseite ein aus einer oder mehreren Kapazitäten und Induktivitäten bestehendes Filter angeordnet ist. Fig. 1 zeigt diese Schaltung in einphasiger Ausführung.

Nachteilig ist bei dieser Schaltung, daß im Fourierspektrum des Stromes auf der Wechselstromseite bei Anwendung bekannter Verfahren zur Pulsmustererzeugung die Filtereigenfrequenz

enthalten ist. Auch die dritte Harmonische der Grundschwingung kann im Wechselstrom stark enthalten sein.

Zur Unterdrückung der Filtereigenfrequenz sind in EP 0243840 und EP 0440852 Lösungen vorgeschlagen worden. In EP 0440852 wird vorgeschlagen, mittels off-line-bestimmter Schaltwinkelkennlinien in Abhängigkeit von der Betriebsfrequenz die Resonanzschwingungen zu dämpfen.

Nachteilig dabei ist, daß das Verfahren nicht zur völligen Unterdrückung der Resonanzschwingungen führt und an ein festes Verhältnis zwischen der Grundschwingung des Ausgangsstromes und der Schaltfrequenz des Stromrichters gebunden ist. In EP 0243840 wird vorgeschlagen, mit einem untergeordneten Regelkreis die Annäherung des Stromes auf der Wechselstromseite an den geforderten zeitlichen Verlauf zu verbessern. Der Referenzwert des Wechselstromes für den Regler wird dabei durch Summation von gemessenem Laststrom und einer von einem Spannungscontroller berechneten Korrekturstromkomponente bestimmt. Im Unteranspruch 4 wird vorgeschlagen, zum Referenzwert zusätzlich den über ein Filter erfaßten Kondensatorstrom zu addieren.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Strom auf der Wechselstromseite so nah an den geforderten zeitlichen Verlauf anzunähern, wie es unter Beachtung der physikalischen Gesetze innerhalb eines Zeitintervalles möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zum Zeitpunkt t₁ eines Zeitintervalles der Länge t_int = t₂-t₁ die Momentanwerte der Ströme i_Netz,n durch die Filterinduktivitäten L_Netz,n und der Spannungen u_C,n an den Kapazitäten C_n ohne Anwendung weiterer signalformender Hilfsmittel gemessen werden. Aus diesen gemessenen Werten werden die fiktiven Ströme i_x1,n durch die Filterinduktivitäten bei abgetrenntem Wechselrichter zum Zeitpunkt t₂ ermittelt. Aus der Differenz des Netzstromsollwertes i_NSoll,n und dem fiktiven Netzstrom i_x1,n jeder Zuleitung wird die Zuschaltzeit t_v,n der positiven oder negativen Stromzeitfläche mit der Amplitude des Gleichstromes i_ZK ermittelt, die zum Erreichen des vorgegebenen Netzstromsollwertes notwendig ist. Daraus werden die Einschaltzeiten der Schalter festgelegt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß mit einem verhältnismäßig leicht zu handhabenden Verfahren mit kurzen Rechenzeiten eine gute Dämpfung der Oberschwingungen auf der Wechselstromseite der beschriebenen Art von Pulsstromwechselrichtern erreicht wird.

Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Es zeigen

Fig. 1 einen einphasigen Pulsstromwechselrichter

Fig. 2 Darstellung der zeitlichen Verläufe

Fig. 3 einen ersten Zustand des Stromrichters mit Verbindung von Gleich- und Wechselstromseite

Fig. 4 einen zweiten Zustand des Stromrichters mit Verbindung von Gleich- und Wechselstromseite

Fig. 5 einen ersten Freilaufzustand des Stromrichters

Fig. 6 einen zweiten Freilaufzustand des Stromrichters

Fig. 7 einen zeitlichen Verlauf des Stromes auf der Wechselstromseite, wobei die Erfindung nicht zur Anwendung gelangt und statt dessen der Strom auf der Wechselstromseite des Stromrichters durch sinusförmige Modulation des Stromes auf der Gleichstromseite eingeprägt wird

Fig. 8 einen zeitlichen Verlauf des Stromes auf der Wechselstromseite, wobei die Erfindung zur Anwendung gelangt

Fig. 9 das Fourierspektrum des zeitlichen Verlaufes des Stromes aus Fig. 7

Fig. 10 das Fourierspektrum des zeitlichen Verlaufes des Stromes aus Fig. 8

Fig. 11 die Grundschaltung eines Pulsstromwechselrichters zur Speisung einer Asynchronmaschine.

Am Beginn des Pulsintervalles der Dauer t_int soll in der in Fig. 1 dargestellten Schaltung ein Schaltzustand eingeschaltet werden, der die Wechsel- und Gleichspannungsseite miteinander verbindet (Fig. 3, 4). Nach Ablauf der Zeitdauer t_v soll zum Zeitpunkt t_U (Fig. 2) ein Freilaufzustand (Fig. 5, 6) eingeschaltet werden. Zur Vereinfachung der Rechnung sei angenommen, daß der Gleichstrom i_ZK im gesamten Zeitintervall t_int völlig konstant ist. Die Spannung zwischen den wechselstromseitigen Anschlußpunkten u_Netz (Fig. 1) habe den zeitlichen Verlauf

U_Netz(t) = Û_Netz sin (ωt) (2)

Der zeitliche Verlauf des Stromes i_Netz(t) durch die Filterinduktivität L_Netz kann durch Superposition folgender vier Anteile berechnet werden:

- der von der Netzspannung angetriebene Anteil i_Netzu(t)
- der von der zum Zeitpunkt t₁ gespeicherten Energie der Filterinduktivität L_Netz angetriebene Anteil i_Netz1(t)
- der von der zum Zeitpunkt t₁ gespeicherten Energie des Kondensators C angetriebene Anteil i_Netzc(t)
- der von der Gleichstromseite über den Stromrichter angetriebene Strom i_x2(t).

Die Zeitdauer t_v ist erfindungsgemäß so zu berechnen, daß die Summe der vier Anteile des Netzstromes am Ende des betrachteten Zeitintervalles genau einem Vorgabewert i_NSoll entspricht.

Die zuerst genannten drei Anteile ergeben zusammen denjenigen Stromverlauf i_x1(t), der sich einstellen würde, wenn der Stromrichter im gesamten betrachteten Zeitintervall im Freilauf betrieben würde (Fig. 5, 6).

i_x1(t) = i_Netzu(t) + i_Netz1(t) + i_Netzc(t) (3)

Der zeitliche Verlauf der Netzspannung kann zur Vereinfachung durch eine Geradengleichung angenähert werden. Die Netzspannung am Beginn des Intervalles sei u₁, die Spannung am Ende des Intervalles sei u₂. Damit gilt näherungsweise für die Spannung u_Netz(t) im Intervall t_int:

mit

u₁ = Û_Netz sin(ωt₁) (5)

und

u₂ = Û_Netz sin(ωt₂) (6)

Der von der Netzspannung angetriebene Anteil des Netzstromes beträgt somit:

Die aus der Anfangsenergie der Filterinduktivität und des Kondensators resultierenden Stromanteile sind relativ einfach zu berechnen. Führt die Filterinduktivität zum Zeitpunkt t=t₁ den Strom i_x1(t₁), so gilt im betrachteten Intervall t_int:

i_Netz1(t) = i_x1(t₁) cos (ω_R(t-t₁)) (8)

Der Kondensator sei zum Zeitpunkt t=t₁ mit der Spannung U_C0 geladen. Dann gilt für den von ihm angetriebenen Stromanteil:

Die Summe der bisher betrachteten drei Anteile des Netzstromes sei der Strom i_x1. Er beträgt zum Zeitpunkt t₂:

i_x1(t₂) = i_Netz1(t₂) + i_Netzc(t₂) + i_Netzu(t₂) (10)

Nun soll der Anteil i_x2(t) des Netzstromes, der vom Zwischenkreisstrom angetrieben wird, analysiert werden. Der Gleichstrom teilt sich im Zeitintervall t_v in einen Anteil i_SRC(t) durch den Kondensator C und einen Anteil i_x2(t) durch die Filterinduktitität L_Netz auf (Fig. 1, 3, 4). Der Anteil durch den Kondensator führt in der Zeit t_v am Kondensator zur Spannungsänderung ΔU_izk. Es gilt im betrachteten Zeitintervall t_v:

i_x2(t) = i_ZK v (1 - cos (ω_R(t-t₁))) (12)

Die Variable v in Gleichung (12) steht für das Vorzeichen des Stromrichtereingangsstromes im Zeitintervall t_v, und beschreibt folglich, ob der in Fig. 3 oder der in Fig. 4 dargestellte Zustand eingeschaltet ist.

Nach Ablauf der Zeit t_v wird der Umrichter in den Freilauf geschaltet (Fig. 5, 6). Der während der Zeitdauer des Freilaufzustandes vom Umrichter hervorgerufene Anteil des Netzstromes ergibt sich aus der Energie, die vom Zwischenkreisstrom während der Zeit t_v in der Filterinduktivität und im Kondensator gespeichert wurde. Für den durch die Energie in der Filterinduktivität angetriebenen Stromanteil i_NetzSRL im Zeitintervall t_frei gilt:

i_NetzSRL(t) = i_x2(t_U) cos (ω_R(t-t_U)) (14)

Für den durch die Energie des Kondensators angetriebenen Netzstromanteil i_NetzSRC im Zeitintervall t_frei gilt:

Es gilt für den vom Zwischenkreisstrom über den Stromrichter hervorgerufenen Netzstromanteil i_x2 während der Freilaufzeit

i_x2(t) = i_NetzSRL(t) + i_NetzSRC(t) (16)

Somit gilt für den vom Zwischenkreisstrom i_ZK angetriebenen Netzstromanteil i_x2 zum Zeitpunkt t=t₂:

i_x2(t₂) = vi_ZK[(1 - cos (ω_Rt_v)) cos (ω_R(t_int-t_v)) + sin (ω_Rt_v) sin (ω_R(t_int-t_v))] (17)

Wenn der Netzstrom am Ende des Zeitintervalles, zum Zeitpunkt t=t₂, seinem Sollwert i_NSoll entsprechen soll, so muß zu diesem Zeitpunkt gelten:

i_Netz(t₂) = i_NSoll(t₂) (18)

i_x1(t₂) + i_x2(t₂) = i_NSoll(t₂) (19)

Dividiert man diese Gleichung durch i_ZK, so erhält man:

Zur Lösung der Gleichung soll eine Variable y definiert werden.

Setzt man für i_x2(t₂) den aus (15) bekannten Zusammenhang ein, so erhält man:

y = v[(1 - cos (ω_Rt_v)) cos (ω_R(t_int-t_v)) + sin (ω_Rt_v) sin (ω_R(t_int-t_v))] (22)

bzw. anders ausgedrückt:

y = v[cos (ω_Rt_int) (cos (ω_Rt_v)-1) + sin (ω_Rt_v) sin (ω_Rt_int)] (23)

Damit ist ein formelmäßiger Zusammenhang zwischen y und t_v gegeben. Zur Lösung der Gleichung sollen folgende Variablen eingeführt werden:

a = -cos (ω_Rt_int) (25)

b = cos (ω_Rt_int) (26)

c = sin(ω_Rt_int) (27)

Es gilt:

Dieser Zusammenhang ist eine quadratische Gleichung mit der Variablen cos(ωt_v). Die Lösung lautet:

mit

und

q = y² + a² - 2ya - c² (31)

Gleichung (28) stellt einen funktionalen Zusammenhang cos(ωt_v)=f(y) dar. Daraus kann t_v leicht bestimmt werden. In einem Steuerrechner kann der Zusammenhang t_v=f(y) als Tabelle abgelegt werden. Damit kann t_v ohne groben Rechenzeitaufwand bestimmt werden.

Um den Erfolg des Verfahrens zu verdeutlichen, zeigen die Fig. 7 und 8 den zeitlichen Verlauf des Netzstromes mit und ohne Einsatz des beschriebenen Verfahrens. Die Fig. 9 und 10 zeigen die zugehörigen Fourierspektren. Die verbesserte Annäherung an die Sinusform ist deutlich zu erkennen.

Das Verfahren ist auch dann anwendbar, wenn die einzelnen Zustände des Stromrichters in einer anderen als der beschriebenen Art und Weise im Pulsintervall angeordnet werden sollen. Dabei ändern sich allerdings die Gleichungen zur Bestimmung des vom Zwischenkreisstrom angetriebenen Stromanteiles i_x2.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Einschaltzeiten der Schalter eines n-phasigen Pulsstromwechselrichters in einem Intervall t_int = t₂-t₁, wobei zwischen den wechselstromseitigen Anschlußpunkten der Schalter jeweils Kapazitäten C_n geschaltet sind und zwischen den wechselstromseitigen Anschlußpunkten der Schalter und den zugehörigen Anschlußpunkten des Stromrichters Filterinduktivitäten L_Netz,n geschaltet sind, gekennzeichnet dadurch, daß zum Zeitpunkt t₁ die Momentanwerte der Ströme durch die Filterinduktivitäten und der Spannungen an den Kapazitäten gemessen werden, aus den gemessenen Werten die fiktiven Ströme durch die Filterinduktivitäten i_x1,n zum Zeitpunkt t₂, die sich ohne Einwirkung des Stromrichters in der Filterschaltung einstellen würden, berechnet werden und aus der Differenz aus dem Netzstromsollwert zum Zeitpunkt t₂ und dem fiktiven Strom durch die Filterinduktivitäten die Zuschaltzeit t_v des positiven oder negativen Gleichstroms für jede Wechselstromleitung aus der Kenntnis der Höhe des Stromes auf der Gleichstromseite ermittelt und danach die Einschaltzeiten der Ventile festgelegt werden.