NL9101204A

NL9101204A - Stuurketen voor gelijkstroom-draai-stroomomzetter.

Info

Publication number: NL9101204A
Application number: NL9101204A
Authority: NL
Original assignee: Ccm Beheer Bv
Priority date: 1991-07-09
Filing date: 1991-07-09
Publication date: 1993-02-01
Also published as: EP0522657A1; CA2073469A1; JPH05199789A; US5241254A

Description

Korte aanduiding: Stuurketen voor gelijkstroom-draai- stroomomzetter.

De uitvinding heeft betrekking op een stuurketen voor in- en uitschakelbare halfgeleiderelementen welke deel uitmaken van een omzetterketen voor het omzetten van gelijkstroom in driefasen draaistroom, welke omzetterketen is geschakeld tussen een gelijkstroombron en de stator van een synchrone machine met een cilindrische rotor, welke stuurketen rotorpositie-opnemers omvat voor het opnemen van de positie van de rotor ten opzichte van de stator van de synchrone machine, alsmede een gelijkstroommeetorgaan voor het meten van de hoogte van de gelijkstroom.

In een specifieke toepassing is de omzetterketen met in- en uitschakelbare halfgeleiderelementen geschakeld tussen een gelijkstroomtractiemachine van een voertuig en een driefasen synchrone machine die direkt met een vliegwiel is gekoppeld en zich evenals de electrische machines in het voertuig bevindt, waarbij met de halfgeleiderketen een omzetting van electrische energie afkomstig van één van beide machines in een voor de andere machine geschikte vorm tot stand gebracht kan worden. Aldus kan voor het acceleren van het voertuig energie aan het roterende vliegwiel onttrokken worden door de daarmee gekoppelde synchrone machine in generatorbedrijf electrisch af te remmen en de aldus opgewekte draaistroom met behulp van de halfgeleiderketen om te zetten in gelijkstroom en deze toe te voeren aan de gelijkstroomtractiemachine in motorbedrijf. Omgekeerd kan aan het bewegende voertuig, gekoppeld met de roterende gelijkstroomtractiemachine in generatorbedrijf, energie onttrokken worden ten behoeve van het vertragen van het voertuig door de gelijkstroomtractiemachine electrisch af te remmen en de aldus opgewekte gelijkstroom met behulp van de halfgeleiderketen om te zetten in draaistroom en deze toe te voeren aan de synchrone machine in motorbedrijf, die daardoor accelereert en de bij het remmen van het voertuig vrijkomende energie aldus grotendeels opslaat in het daarmee gekoppelde vliegwiel.

Alhoewel in deze opzet de energieverliezen, voornamelijk in de vorm van wrijvingsverliezen ten gevolge van de verplaatsing van het voertuig, wrijvingsverliezen bij de vliegwiellagering en electrische verliezen in de machines en de omzetterketen, regelmatig gecompenseerd moeten worden, b.v. door electrische energie van buiten het voertuig te voeren in een vorm die direkt geschikt is voor de aandrijving van de gelijkstroomtractiemachine of de synchrone machine of na een omzetting in de omzetterketen of een dergelijke omzetter daarvoor geschikt is, wordt met de geschetste combinatie van vliegwiel, synchrone machine, omzetter en gelijkstroomtractiemachine en het geschetste gebruik daarvan een bijzonder energie-efficiënt voertuig-aandrijfsysteem verkregen.

Het maximale toerental van het vliegwiel wordt zo hoog mogelijk gekozen om een grote hoeveelheid energie te kunnen opslaan. De direkt met de vliegwiel gekoppelde rotor van de synchrone machine, waarbij de aanduiding "direkt gekoppeld" in dit geval betrekking heeft op het feit dat de rotor van de synchrone machine en het vliegwiel één geheel vormen, dient derhalve ook, in het bijzonder in mechanisch opzicht, geschikt te zijn voor hoge toerentallen. Een dergelijke rotor is een met permanente magneten uitgeruste rotor, die verder de voordelige eigenschap bezit dat daaraan ten behoeve van de bekrachtiging geen elektrische energie behoeft te worden toegevoerd. Een motorbekrachtiging kan echter ook op een andere wijze tot stand worden gebracht.

Bij relatief kort-cyclische toepassingen zoals b.v. het geval is wanneer het eerder beschreven voertuig een openbaar-vervoersfunctie heeft, bestaat de behoefte aan omzetting van een aanzienlijke hoeveelheid electrische energie in mechanische energie en omgekeerd binnen een kort tijdsbestek. Dit stelt hoge eisen aan de besturing van de omzetter, welke bij de heersende hoge stroom- en spanningsfrequenties binnen het gehele toerentalgebied van het vliegwiel, maar in het bijzonder binnen het normale werkgebied daarvan steeds in staat dient te zijn betrouwbaar een zo groot mogelijk elektrisch vermogen om te zetten, gegeven de maximale belastbaarheden van de daarmee gekoppelde elektrische machines.

Een andere toepassing van een omzetter als hiervoor beschreven wordt gezien in een ononderbroken elektrische voeding, die tijdelijke onderbrekingen van de netspanning kan opvangen.

Bij een omzetterketen die tenminste zes in- en uitschakelbare halfgeleiderelementen omvat ten behoeve van een dubbelzijdige driefasen omzetting dienen zowel het tijdstip van inschakeling als het tijdstip van uitschakeling van elk halfgeleiderelement te worden bepaald door de stuurketen. Bovendien dient een poort-houdstroom toegevoerd te worden tijdens het interval waarin een halfgeleiderelement in geleiding is.

Wanneer een gelijkstroom commuteert tussen een eerste en een tweede halfgeleiderelement, dient in het geval van een zuivere natuurlijke commutatie de uitschakelopdracht voor het eerste halfgeleiderelement pas gegeven te worden nadat de natuurlijke commutatie naar het tweede halfgeleiderelement voltooid is. Een minimale overlaphoek van de besturingssignalen tijdens tenminste de commutatiehoek Λ ' wanneer de beide halfgeleiderelementen in geleiding zijn, is noodzakelijk voor het waarborgen van een goede uitschakeling van het eerste halfgeleiderelement nadat de commutatie is voltooid.

Het bovenstaande noopt tot een ontwerp van een stuurketen waarin de uitschakeling van het eerste halfgeleiderelement tijdens de doofhoek β is gewaarborgd. Daartoe wordt in een gebruikelijke omzetterketen met behulp van fasestroommeetorganen een fasestroomnuldoorgang gedetecteerd welke optreedt na voltooiing van de commutatie in een fase, waarna een uitschakelopdracht in deze fase wordt opgewekt door de stuurketen.

Indien de uitschakelhoek van het eerste halfgeleiderelement groter is dan 180° zal commutatie van de tweede fase terug naar de eerste fase optreden. Om deze reden is geforceerde commutatie noodzakelijk, waarbij de overlaphoek van de besturingssignalen beperkt dient te worden tot een maximale waarde van 180° - , waarin (X de ontsteekhoek voorstelt.

De uitvinding beoogt voor een bepaald samenstel van synchrone machine, gelijkstroombron en omzetter ten behoeve van de regeling van de energie-omzetting de ontsteekhoek , de commutatiehoek Λ en de lasthoek & uitsluitend aan de hand van een meting van de rotorpositie en de hoogte van de gelijkstroom aan de gelijkstroomzijde van de omzetter te kunnen bepalen. Hierbij kan de term gelijkstroom ook betrekking hebben op een gelijkgerichte wissel- of draaistroom of een willekeurige andere, van een gelijkspanningsbron afkomstige stroom.

Te dien einde wordt de stuurketen volgens de uitvinding gekenmerkt door rekenmiddelen welke zijn ingericht voor het bepalen van de waarde van de commutatiehoek β van de fasestroom i in de omzetter bij elke waarde van de gelijkstroom op basis van een model van de synchrone machine waarin uitsluitend rekening wordt gehouden met de grondharmonische van de fasestroom, waarbij de ontsteekhoek oC. van de halfgeleidergLementen wordt ingesteld tussen (bij elke waarde van de gelijkstroom door de bijbehorende commutatiehoek β bepaalde) grenzen. Het regelgebied voor de ontsteekhoek oC wordt aldus, in het bijzonder voor lage gelijkstromen, aanzienlijk verruimd.

In een voorkeursuitvoeringsvorm zijn de rekenmiddelen ingericht voor de bepaling van de ontsteekhoek PC, de commutatiehoek ^i, en de lasthoek uit een oplossing van de vergelijkingen:

en

waarin en Lc de synchrone- respectievelijk de commutatie-inductiviteit voorstellen, en £ een evenredigheidsfaktor tussen de hoekfrequentie ü) en de poolradspanning E van de synchrone machine weergeeft.

De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van de tekening, waarin:

Fig. 1 een schematische gedeeltelijke dwarsdoorsnede van synchrone machine met binnenliggende stator en buitenliggende permanent magnetische rotor toont;

Fig. 2 een eenfase elektrisch vervangingsschema van de machine volgens fig. 1 toont;

Fig. 3 het bij het vervangingsschema volgens fig. 2 behorende wijzerdiagram toont;

Fig. 4 het vervangingsschema volgens fig. 2 toont, uitgebreid met een keten voor de beschrijving van het gedrag van de synchrone machine tijdens commutatie van een daarin lopende stroom in een daarmee gekoppelde omzetterketen;

Fig. 5 een elektrisch schema van een met een synchrone machine gekoppelde omzetterketen toont;

Fig. 6 een gedeelte van de golfvorm van de fasestroom iy in de omzetterketen volgens fig. 5 toont;

Fig. 7 opnieuw een gedeelte van de golfvorm van een fasestroom i in de omzetterketen volgens fig. 5 toont;

Fig. 8 dient ter illustratie van de onderlinge betrekkingen tussen verschillende hoeken;

Fig. 9 het verband tussen de gelijkstroom 1^ aan de gelijkstroomzijde van de omzetterketen en de maximale waarde van de commutatiehoek voor een bepaalde ketenconfiguratie toont;

Fig. 10 het verband tussen de grenswaarden van de ontsteekhoek en de gelijkstroom 1^ toont voor de ketenconfiguratie die ten grondslag ligt aan fig. 9, en

Fig. 11 schematisch de besturing van de omzetterketen toont.

In het navolgende hebben door gelijke verwijzingssymbolen aangeduide grootheden in verschillende figuren dezelfde betekenis.

Fig. 1 toont een synchrone machine 2 met een vast opgestelde, in hoofdzaak cylindervormige stator 4 die aan de buitenomtrek is voorzien van statortanden 6 welke statorgroeven 8 met wikkelingen 9 begrenzen. Om de stator 4 kan een rotor 10 roteren, welke rotor aan de binnenomtrek is voorzien van een aantal polen in de vorm van permanente magneten 12. Aan de buitenomtrek van de rotor 10 is een vliegwielmassa 14 aangebracht.

Voor het beschrijven van het gedrag van de gelijkstroom-draaistroomomzetter samenwerkend met de permanente magneetmachine zal een vereenvoudigd vervangingsschema gebruikt worden zoals bekend is als een model voor de stationaire toestand van een synchrone machine met een cilindrische rotor, zonder de commutatie-inductiviteit van de machine.

Fig. 2 toont een eenfase vervangingsschema van de synchrone machine, waarin E de poolradspanning aanduidt, I de grondharmonische van de stroom en ü' de grondharmonische van de inwendige fictieve klemspanning. De weerstand van de wikkelingen is verwaarloosbaar klein verondersteld. De synchrone inductiviteit is weergegeven door en de commutatie-inductiviteit welke nagenoeg overeenkomt met de subtransiënte inductiviteit door L . Het bijbehorende wijzerdiagram is getoond in fig. 3. De stroom I loopt met een hoekfrequentie CO over een hoek φ achter op de spanning U'. De lasthoek wordt aangeduid met , terwijl de ontsteekhoek voor de halfgeleiderelementen welke de stroom schakelen wordt aangeduid met (?(. . In overeenstemming met het wijzerdiagram in fig. 3 zijn de relaties tussen de grondharmonische grootheden:

(I) (II)

In de synchrone machine 2 volgens fig. 1 wordt de spanning E door de permanente magneten 12 geïnduceerd, en deze spanning is evenredig met de gekoppelde flux en de hoekfrequentie .

Voor de berekeningen wordt aangenomen dat het verband tussen de spanning E en de hoekfrequentie U> uitgedrukt kan worden met behulp van een constante ^ :

(III)

Een constante gelijkstroom wordt over de fasen van de machine verdeeld door de schakelende werking van de omzetter.

Een commutatie van de stroom in de ankerwikkelingen tijdens de schakelintervallen wordt in het model in rekening gebracht door toevoeging van een extra vervangingsschemagedeelte ten opzichte van dat van fig. 2, waarmee het vervangingsschema ontstaat dat wordt getoond in fig. 4. In fig. 4 geldt:

(IV) en (V) waarbij i^^ aanduidt dat de grondharmonische van de ankerstroom wordt bedoeld. Tijdens de intervallen waarin geen commutatie plaatsvindt is de spanning V aan de machineklemmen:

Fig. 5 toont schematisch een gedeelte van een dubbelzijdige driefasendraaistroom-gelijkstroomomzetterketen welke zes halfgeleiderelementen 21-26 omvat. De drie inwendige fasespanningen aan de draaistroomzijde worden gerepresenteerd door wisselspanningsbronnen 27-29 voor de respectieve fasen ü, V en W. Vanwege de symmetrie in de werking van de omzetter behoeft slechts één commutatie-interval te worden beschouwd (bijvoorbeeld dat waarin commutatie van halfgeleiderelement 21 naar t halfgeleiderelement 22 plaatsvindt). Er wordt aangenomen dat de stroom 1^ aan de gelijkstroomzijde constant is tijdens de commutatie. Er geldt: (VI) waarbij (VII) (VIII)

en (IX) met (x)

Zoals fig. 6 toont, begint de commutatie van de stroom van halfgeleiderelement 21 naar halfgeleiderelement 22 op het moment waarop Lok = o£ en eindigt de commutatie op het moment waarop Lok -

Uit vergelijkingen (VIII) en (IX) volgt:

(XI) hetgeen overeenkomt met:

(XII)

Een helft van de stroomgolfvorm van i in fase V wordt getoond in fig. 6. Deze helft omvat een toenemend deel (a), een deel met een constante waarde I, (b) en een afnemend deel α (c).

Met vergelijkingen (VIII) en (IX) is de stroom in deel (a):

(XIII)

De stroom in het afnemende deel (c) kan op eenvoudige wijze afgeleid worden uit vergelijking (XIII) met een vertragingshoek 2 TC/3 (op het moment van commutatie van fase V naar fase W) en aftrekking van de waarde 1^:

(XIV)

Substitutie van de uit vergelijking (XII) afgeleide waarde van Ij levert: d

(XV)

Fig. 7 toont het verloop van een fasestroom i. Voorts is met behulp van een streeplijn het verloop van de virtuele fasespanning u'(^t) volgens vergelijking (IV) van de synchrone machine volgens fig. 1 weergegeven. De faseverschuiving (f> en de amplitude van de met behulp van een streep-stiplijn aangegeven grondharmonische van de fasestroom i zullen vervolgens berekend worden.

In het voorgaande is de oorsprong van de tijdhoek gekozen bij = 0°. Voor de berekening van de faseverschuiving dient rekening gehouden te worden met de hoek 7ΖΓ/6 zoals getoond in fig. 7, zodat tijdens het toenemende deel (a) van de stroom geldt:

(XVI)

In het constante deel (b) geldt:

(XVII) en in het afnemende deel (c) geldt:

(XVIII)

De grondharmonische van de fasestroom i zal worden beschreven als:

(XIX)

Een berekening van ax en bl leidt tot de volgende resultaten: waarbij (χχ) en (XXI)

(XXII) (XXIII)

Hieruit volgt:

(XXIV)

Uit de vergelijkingen (XX), (χχιΐ), (xxm) en (X) kan voor de effectieve waarde I van de grondharmonische fasestroom afgeleid worden:

(XXV)

Uit vergelijkingen (I) en (II) volgt:

(XXVI) en (XXVII)

Hierbij wordt opgemerkt dat de hoek in het wijzerdiagram volgens fig. 3 gelijk is aan de ontsteekhoek b( die wordt gebruikt in vergelijkingen (XXIV) en (XXV).

Uit een combinatie van vergelijkingen (XXV), (XXVI) en (XXVII) volgt:

(XXVIII)

Uit de vergelijkingen (III), (X), (XII) en (XXVI) kan een derde betrekking tussen de hoeken worden afgeleid:

(XXIX)

De vergelijkingen (XXIV), (XXVIII) en (XXIX) geven een betrekking tussen de hoeken OC , JA, en ΐ1· en de gelijkstroom 1^ voor gegeven machineparameters.

Met

(XXX) is een berekening van IX , Ja, en & voor een gegeven 1^ en V- f mogelijk.

Fig. 8 toont de relatie tussen de hoeken ¢(/, OC , & , [Λ en /3 , waarbij de golfvorm van de virtuele klemspanning u'vu bij nullast (streeplijn) en bij belasting (ononderbroken lijn) is weergegeven.

Het dooftijdstip van een halfgeleiderelement van een omzetter dient te vallen binnen het interval dat wordt bepaald door de doofhoek /3 (zie fig. 8). Hiermee wordt gewaarborgd dat het dooftijdstip de commutatie niet verstoort of na het moment van klemspanningsomkering valt. De maximale commutatiehoek JA, bij een bepaalde gelijkstroom 1^ treedt op wanneer de omzetter wordt bedreven met = 0° of /3=0°. De maximale commutatiehoeken fa voor 0C = o° en /3=0, welke gelijk zijn voor een bepaalde gelijkstroom 1^, worden voor een bepaalde synchrone machine in fig. 9 getoond als een funktie van gelijkstroom 1^.

De berekende funkties kunnen gebruikt worden voor de bepaling van het uitschakelt!jdstip van de halfgeleiderelementen in de omzetter. Een commutatiehoek in de halfgeleiderelement-besturingssignalen van Ad - Amax zoals gegeven in fig. 9 is voldoende ter voorkoming van een verstoring van de commutatie onder alle omstandigheden wanneer de omzetter in een stationaire toestand werkt.

Het uitschakelen van de halfgeleiderelementen voorafgaand aan de tekenomkering van de klemspanning kan bereikt worden door ervoor te zorgen dat de ontsteekhoek (K j ligt in het interval:

(XXXI)

De resultaten van een berekening van de waarden IX. voor ^ 1, grens zowel (X> = 0° (¢(-. n) als β = 0° ( (X. Ί Λ Qn. , , , 1,0 / 1,180) voor een bepaalde synchrone machine worden getoond in fig. 10. Hieruit blijkt, dat het regelgebied van de omzetter, van welk regelgebied de onder- en bovengrens worden bepaald door de lijnen die zijn aangeduid met ¢(=0° resp. β = 0°, voor alle waarden van de gelijkstroom 1^ lager dan de maximale waarde daarvan, aanzienlijk is verruimd ten opzichte van het bij de stand van de techniek gehanteerde regelgebied, waarvan de onder- en bovengrens worden gevormd door de met 30 resp. 31 aangeduide onderbroken lijnen.

Fig. 11 toont een schema voor de regeling van een omzetterketen zoals getoond in fig. 5. De hier schematisch weergegeven omzetterketen 40 is enerzijds via drie leidingen 41a - 41c gekoppeld met de synchrone machine 2 en anderzijds via twee leidingen 42a en 42b met een gelijkstroomtractiemachine (niet getoond), waaraan door de omzetterketen 40 een stroom 1^ geleverd wordt. Een gelijkstroommeetorgaan 43 meet de waarde van de stroom 1^ en voert deze waarde via een leiding 44 toe aan een vergelijkingsorgaan 45, waar de werkelijk optredende waarde 1^ wordt vergeleken met een stroominstelwaarde welke wordt toegevoerd via een leiding 46. Het uit de vergelijking resulterende uitgangssignaal van het vergelijkingsorgaan 45 wordt via een leiding 47 toegevoerd aan rekenmiddelen 48, waarin met behulp van het voornoemde uitgangssignaal aan de hand van vergelijkingen (XXIV), (XXVIII) en (XXIX) de hoeken DC , JA en -θ' worden bepaald.

Enerzijds is het mogelijk vooraf de mogelijke combinaties van de hoeken OC r JX en -Θ- aan de hand van de bekende machine-eigenschappen te berekenen en deze gegevens in tabelvorm of op soortgelijke wijze in de rekenmiddelen op te slaan, zodat zij tijdens bedrijf van de omzetter direkt of na interpolatie beschikbaar zijn. Anderzijds kunnen de hoeken <*, μ en tijdens bedrijf van de omzetter ook real-time berekend worden indien een of meer voldoende snelle processors in de rekenmiddelen zijn opgenomen.

De ontsteekhoek ^ wordt via een leiding 49 toegevoerd aan een pulsvolgordestuurketen 50, waaraan eveneens via een leiding 51 een rotorpositiemeetsignaal wordt toegevoerd, afkomstig van een rotorpositie-opnemer 52 welke de positie van de rotor van de synchrone machine 2 ten opzichte van de stator daarvan opneemt. In de pulsvolgordestuurketen 50 worden vervolgens voor elk te besturen halfgeleiderelement poortstuurpulsen gevormd en overgedragen aan de omzetterketen 40 via leidingen 53a - 53f.

Uit het rotorpositiemeetsignaal kan zowel de rotoromwentelingssnelheid, en dus de tijd per graad (elektrisch) van de synchrone machine als een referentietijdstip voor de bepaling van het ontsteekmoment van elk halfgeleiderelement worden bepaald.

De pulsvolgordestuurketen 50 omvat op op zich bekende wijze tellers waarin het begintijdstip en de duur van elke poortstuurpuls kunnen worden geladen.

Claims

1. Stuurketen voor in- en uitschakelbare halfgeleiderelementen welke deel uitmaken van een omzetterketen voor het omzetten van gelijkstroom in drie-fasen draaistroom, welke omzetterketen is geschakeld tussen een gelijkstroombron en de stator van een synchrone machine met een cilindrische rotor, welke stuurketen rotorpositie-opnemers omvat voor het opnemen van de positie van de rotor ten opzichte van de stator van de synchrone machine, alsmede een gelijkstroommeetorgaan voor het meten van de hoogte van de gelijkstroom, gekenmerkt door rekenmiddelen welke zijn ingericht voor het bepalen van de waarde van de commutatiehoek ( Λ ) van de fasestroom (i) in de omzetter bij elke waarde van de gelijkstroom (1^) op basis van een model van de synchrone machine (2) waarin uitsluitend rekening wordt gehouden met de grondharmonische van de fasestroom (i), waarbij de ontsteekhoek ((K) van de halfgeleiderelementen wordt ingesteld tussen bij elke waarde van de gelijkstroom(1^) door de bijbehorende commutatiehoek ( yU.) bepaalde grenzen.

2. Stuurketen volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de rekenmiddelen (48) zijn ingericht voor de bepaling van de ontsteekhoek («·), de commutatiehoek^yU^en de lasthoek ^é^Juit een oplossing van de vergelijkingen:

en

waarin en Lc de synchrone- respectievelijk de commutatie-inductiviteit voorstellen, en φ een evenredigheidsfaktor tussen de hoekfrequentie (62) en de poolradspanning (E) van de synchrone machine (2) weergeeft.