DE3842985A1

DE3842985A1 - Verfahren zur steuerung eines dreipunktwechselrichters

Info

Publication number: DE3842985A1
Application number: DE19883842985
Authority: DE
Inventors: Juergen Dr Ing Steinke
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Germany; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1988-12-21
Filing date: 1988-12-21
Publication date: 1990-06-28
Also published as: DE3842985C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steue rung eines Dreipunktwechselrichters gemäß dem Oberbe griff des Anspruchs 1 und findet vorzugsweise Anwendung bei Traktionsantrieben (Drehfeldmaschinen) im Bereich niedriger Motordrehzahlen.

Allgemeine theoretische Betrachtungen zur Entwicklung von Steuerverfahren für Dreipunktwechselrichter sind aus Steinke, J., Grundlagen für die Entwicklung eines Steu erverfahrens für GTO-Dreipunktwechselrichter für Trakti onsantriebe, etz Archiv, Bd. 10, (1988), Heft 7, Seite 215 bis 220 bekannt.

Auf dem Gebiet der stromrichtergespeisten Antriebe mit Asynchronmotoren sind Pulsbreitenmodulations-(PWM)Ver fahren mit Referenzdreieckspannung bekannte Verfahren zur Steuerung eines Spannungszwischenkreisumrichters. Aus gemessenen oder aus aus Meßgrößen gebildeten Maschi nengrößen werden Sollwerte für die Spannungen der drei Stränge (Strangspannungssollwerte) bestimmt. Diese wer den mit einer Referenzdreieckspannung verglichen. Die Schnittpunkte von Referenzdreieckspannung und den Strangspannungssollwerten bestimmen die Schaltzeitpunkte der Thyristoren.

Voraussetzung für den sinnvollen Einsatz einer Pulsbrei tenmodulationssteuerung ist, daß die Pulsperiode sehr viel kleiner als die Ständerperiode ist. Bei Hochlei stungsstromrichtern muß wegen der niedrigen zulässigen Thyristorschaltfrequenzen (typisch 150Hz bis 300Hz) mit einer niedrigen Pulsfrequenz gearbeitet werden. Nutzt man die Möglichkeiten eines Dreipunktwechselrichters (DPWR) optimal aus, kann mit einer Pulsfrequenz vom Vierfachen der zulässigen mittleren Thyristorschaltfre quenz gearbeitet werden (600Hz bis 1200Hz). Läßt man für eine Pulsperiode einen maximalen Drehwinkel des Ständer flußraumzeigers von 10° zu, ergibt sich eine Ständerfre quenz-Obergrenze zwischen 16Hz und 33Hz. Bei höheren Ständerfrequenzen müssen zunehmend Drehmomentschwankun gen mit sechsfacher Ständerfrequenz in Kauf genommen werden.

Dieses kann man vermeiden, wenn man dort das Verfahren der direkten Selbstregelung (DSR) anwendet (siehe Depen brock, M.: Direkte Selbstregelung (DSR) für hochdynami sche Drehfeldantriebe mit Stromrichterspeisung, etz Ar chiv, Bd. 7, (1985), Heft 7, Seite 211 bis 218 oder DE- PS 34 38 504). Bei niedrigen Drehzahlen hingegen kommt das Verfahren der direkten Selbstregelung nicht mehr mit sechs Flußschaltungen je Ständerperiode aus. Der Einfluß des Ständerwiderstandes muß dort durch zusätzliche Fluß korrekturschaltungen kompensiert werden. Der Verfahrens aufwand der direkten Selbstregelung mit Flußkorrektur ist gegenüber der einfachen direkten Selbstregelung, wie sie bei Ständerfrequenzen oberhalb etwa 15Hz Anwendung findet, recht hoch.

Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrun de, eine an die Eigenschaften und Erfordernisse eines Dreipunktwechselrichters angepaßte Pulsbreitenmodulati onssteuerung anzugeben.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merknalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Der Erfindung liegt ein Verfahren zur Regelung einer Drehfeldmaschine zugrunde, das optimale Strangspannungs sollwerte vorgibt, die dann mit Hilfe einer Pulsbreiten modulationssteuerung in Ventilschaltbefehle umgesetzt werden. Ein solches Verfahren ist die Indirekte-Ständer größen-Regelung, wie sie nachstehend beschrieben wird.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen ins besondere darin, daß es das vorgeschlagene Pulsbreiten modulationsverfahren erlaubt, in einem Ständerfrequenz bereich bis zur halben Grundfrequenz mit einer Pulsfre quenz vom Vierfachen der zulässigen mittleren Thyristor schaltfrequenz zu arbeiten. Durch geeignete Verarbeitung der von einer Regeleinrichtung vorgegebenen Strangspan nungssollwerte (Maschinenspannungssollwerte) wird er reicht, daß alle Thyristoren eines Dreipunktwechselrich ters gleichmäßig belastet werden und daß der Mittelpunkt der eingeprägten Eingangs-Gleichspannung, d.h. des Zwi schenkreiskondensators, nicht mit Gleichstrom oder nie derfrequentem Wechselstrom belastet wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeich nung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Strang eines Zweipunktwechselrich ters und den zeitlichen Verlauf einer Re ferenzspannung und eines Strangspan nungssollwertes während einer Periode,

Fig. 2 die Spannungsbereiche eines Zwei punktwechselrichters,

Fig. 3 und 4 Prinzipschaltbilder eines Stranges eines Dreipunktwechselrichters, der (gedank lich) in zwei Teilstromrichter aufgeteilt ist,

Fig. 5 die Spannungsbereiche eines Dreipunkt wechselrichters,

Fig. 6 mögliche zeitliche Verläufe der Teil stromrichter-Referenzspannungen und eines Strangspannungssollwertes,

Fig. 7 mögliche zeitliche Verläufe der Teil- Stromrichter-Referenzspannungen und der Teilstromrichter-Strangspannungssollwerte für den Bereich niedriger Drehzahlen (schaltzeitpunktversetzter synchroner Betrieb durch Verschiebung der Strang spannungssollwerte für die Teilstromrich ter),

Fig. 8 den versetzten Betrieb durch Verschiebung der Teilstromrichter-Referenzspannungen,

Fig. 9 ein Beispiel für eine Umschaltung zwi schen versetztem und normalem Betrieb,

Fig. 10 den zeitlichen Verlauf von Drehmoment- Sollwert und -Istwert bei Betrieb mit Drehzahl Null und einem Drehmomenten- Sollwertsprung,

Fig. 11 Teilstromrichter-Referenzspannungen und Teilstromrichter-Strangspannungssollwerte zum Beispiel gemäß Fig. 10,

Fig. 12 den zeitlichen Verlauf des Mittelpunkt stromes zum Beispiel gemäß Fig. 10,

Fig. 13 den zeitlichen Verlauf des Mittelpunktpo tentials zum Beispiel gemäß Fig. 10,

Fig. 14 den zeitlichen Verlauf von Drehmoment- Sollwert und -Istwert bei Betrieb mit niedriger Drehzahl,

Fig. 15 den zeitlichen Verlauf der Maschinenströ me zum Beispiel gemäß Fig. 14,

Fig. 16 die Ständerflußraumzeiger-Bahnkurve zum Beispiel gemäß Fig. 14,

Fig. 17 den zeitlichen Verlauf des Mittelpunkt stromes zum Beispiel gemäß Fig. 14,

Fig. 18 den zeitlichen Verlauf des Mittelpunktpo tentials zum Beispiel gemäß Fig. 14.

Allgemein bekannt sind Pulsbreitenmodulationsverfahren mit Referenzdreieckspannung im Zusammenhang mit der Steuerung von Zweipunktwechselrichtern. Fig. 1 zeigt einen Strang eines Zweipunktwechselrichters und den zeitlichen Verlauf einer dreieckförmigen Referenzspan nung Uref und eines Strangspannungssollwertes easoll für einen Strang a während einer Periode (U = Spannung, t = Zeit). Der Strang des Zweipunktwechselrichters be steht aus zwei in Serie angeordneten GTO-Thyristoren T 1 a, T 2 a, denen jeweils eine Diode D 1 a, D 2 a antiparallel geschaltet ist. Die Anode von T 1 a liegt an positiven Anschluß L+ eines Zwischenkreises, während die Kathode von T 2 a mit dem negativen Anschluß L- des Zwischenkrei ses verbunden ist. Zwischen L+ und L- liegen zwei Zwi schenkreiskondensatoren 2 Cd in Reihe, ihr gemeinsamer Verbindungspunkt bildet den Zwischenkreiskondensatormit telpunkt M. Die jeweils an 2 Cd anliegende halbe Zwi schenkreisspannung beträgt E. Der Verbindungspunkt der Kathode von T 1 a mit der Anode von T 2 a (Wechselspannungs anschluß des Stranges) ist mit a für Strang bzw. Stän derwicklungsachse a bezeichnet (weitere Stränge bzw. Ständerwicklungsachsen b, c).

Die Schnittzeitpunkte von dreieckförmiger Referenzspan nung und den Strangspannungssollwerten (= Maschinenspan nungssollwerten) ergeben die Schaltzeitpunkte für die entsprechenden Thyristoren T 1 a, T 2 a. Der anodenseitig mit dem positiven Anschluß L+ des Zwischenkreises ver bundene Thyristor T 1 a ist durchgeschaltet, wenn die Re ferenzspannung Uref kleiner als der Strangspannungssoll wert easoll ist. Der kathodenseitig mit dem negativen Anschluß L- des Zwischenkreises verbundene Thyristor T 2 a ist während der übrigen Zeit durchgeschaltet, also so lange die Referenzspannung Uref größer als der Strang spannungssollwert easoll ist. Entspricht die Amplitude der Referenzspannung Uref der theoretisch maximal mögli chen Ausgangsstrangspannung (=E), so stimmt für die Dauer jeder Flanke der Referenzspannung, die als Pulspe riode TP bezeichnet wird, der Mittelwert der Ausgangs spannung mit dem Strangspannungssollwert überein. Die maximal mögliche Ausgangsstrangsspannung E ist die halbe Zwischenkreisspannung. Die Schaltfrequenz der Thyristo ren T 1 a, T 2 a wird durch die Pulsperiode TP festgelegt. Innerhalb von zwei Pulsperioden wird jeder Thyristor einmal aus- und einmal eingeschaltet. Die Schaltfrequenz der Thyristoren ist daher fT = 1/(2TP).

Im zugrundegelegten Berechnungsverfahren (Indirekte- Ständergrößen-Regelung) zur Bestimmung der Spannungs sollwerte nach den Prinzipien des Verfahrens der direk ten Selbstregelung wird vorausgesetzt, daß der Ständer flußraumzeiger auf einer Kreisbahn geführt werden soll. Zur Ermittlung der drei Strangspannungssollwerte wird zunächst ein Spannungssollraumzeiger berechnet. Dieser wird unter Zuhilfenahme der Größen Ständerflußbetrag, Drehzahl, Drehmoment und Spannungsfall an Ständerwider stand bestimmt.

Der Spannungsollraumzeiger setzt sich zusammen aus dem Ständerspannungsfall Rs × (Rs = Ständerwiderstand, = Ständerstromraumzeiger) und einem inneren Anteil, der von Fluß und Drehmoment bestimmt wird. Bei niedrigen Motordrehzahlen ist die Pulsperiode TP klein gegen die Grundschwingungsperiode Tg der Ständergrößen. Daher kann bei der Berechnung von Rs × davon ausgegangen werden, daß innerhalb der Pulsperiode TP nahezu unverändert bleibt. Aus dem Sollwert und der mechanischen Drehzahl kann die theoretisch erforderliche Ständerfrequenz ω sg bestimmt werden. Eine Änderung des aktuellen Drehmomen tes kann durch Vergrößerung oder Verkleinerung des in einer Pulsperiode zu durchlaufenden Drehwinkels des Flußraumzeigers erreicht werden. Die Soll-Istdifferenz des Drehmomentes wird daher über eine Proportionalver stärkung zu ω sg addiert. Aus der so berechneten Stän derfrequenz ω s erhält man einen in Bezug auf den Fluß kreis tangentialen Anteil des inneren Spannungssollraum zeigers. Die Betragsabweichung des Ständerflusses vom Sollwert ergibt über eine Proportionalverstärkung einen radialen Anteil. Radialer und tangentialer Anteil des inneren Spannungsollraumzeigers ergeben zusammen mit dem Ständerspannungsabfall den resultierenden Spannungsoll raumzeiger .

Projiziert man den Spannungssollraumzeiger auf die Ständerwicklungsachsen a, b und c, erhält man drei Strangspannungssollwerte e a ₀, eb ₀ und ec ₀. Diese sind, wie durch den Index 0 angedeutet, nullsystemfrei. Da im Normalfall jeder der drei Strangspannungssollwerte un gleich Null ist, sind maximaler Strangspannungsollwert emax und minimaler Strangspannungssollwert emin vom Be trag her nicht gleich groß. Es ergeben sich daher Null spannungszeiten zu Anfang und Ende einer Pulsperiode TP, die nicht gleich lang sind. Dies bewirkt eine Vergröße rung der Schwankungsbreite des Drehmomentes gegenüber einer symmetrischen Sollwertvorgabe, bei der gilt emax = -emin und bei der damit die Nullspannungszeiten gleich lang sind.

Ein nullsystemfreies Sollspannungstripel e a ₀, eb ₀, ec ₀ kann in ein Sollspannungstripel entsprechend der Randbe dingung emax =-emin überführt werden, indem man zu al len Strangspannungssollwerten die Hälfte des betragsmä ßig kleinsten Strangspannungssollwertes hinzuaddiert. Diese als "Symmetrierung" bezeichnete Transformation wird für alle Sollspannungstripel durchgeführt. Sie be wirkt neben einer Minimierung der Schwankungsbreite des Drehmomentes auch die Ausnutzung des gesamten verfügba ren Spannungsbereiches des Stromrichters.

In Fig. 2 sind die Spannungsbereiche eines Zweipunkt wechselrichters gezeigt. Dabei sind neben den idealen Spannungsbereichsgrenzen noch der mögliche und der ein geschränkte Spannungsbereich eingezeichnet, für den Fall, daß eine Mindestzustandszeit tmin der Thyristoren von 10% TP eingehalten werden muß. Im einzelnen sind die Grenze des theoretischen Spannungsbereiches ohne Soll wertsymmetrierung, die Grenze des theoretischen Span nungsbereiches mit Sollwertsynmetrierung, die Grenze des Spannungsbereiches ohne Sollwertsymmetrierung bei tmin =10% TP und die Grenze des Spannungsbereiches mit Sollwertsymmetrierung bei tmin =10% TP dargestellt.

Die Bezeichnungsweise für die die sechs Spannungsraum zeiger kennzeichnenden Schaltzustände (+--), (++-) usw. ist unter Fig. 5 erläutert.

In den Fig. 3 und 4 sind jeweils Prinzipschaltbilder eines Stranges eines Dreipunktwechselrichters darge stellt, der - gedanklich - in zwei Teilstromrichter (= jeweils Zweipunktwechselrichter) aufgeteilt ist (siehe etz archiv Bd. 10, (1988), H. 7, Seite 215 bis 220). Nach der Variante gemäß Fig. 3 besteht der Dreipunkt wechselrichter eines Stranges aus zwei in Serie zwischen L+ und L- geschalteten Thyristoren T 1 a′, T 4 a′ mit je weils antiparallelen Dioden D 1 a′, D 4 a′. Der gemeinsame Verbindungspunkt der Bauelemente T 1 a′, T 4 a′, D 1 a′, D 4 a′ bildet den Wechselspannungsanschluß für den Strang a und ist über eine Parallelschaltung, bestehend aus einem ersten Zweig mit Thyristor T 2 a′ und in Serie liegender Diode D 5 a′ sowie einem zweiten, parallelen Zweig mit Thyristor T 3 a′ und in Serie liegender Diode D 6 a′, an den Zwischenkreiskondensatormittelpunkt M der beiden zwi schen L+ und L- in Serie geschalteten Kondensatoren C 1′, C 2′ angeschlossen. Den Thyristoren T 2 a′ bzw. T 3 a′ liegt jeweils eine Diode D 2 a′ bzw. D 3 a′ antiparallel.

Nach der Variante gemäß Fig. 4 besteht der Dreipunkt wechselrichter eines Stranges aus vier in Serie zwischen L+ und L- geschalteten Thyristoren T 1 a′′, T 2 a′′, T 3 a′′, T 4 a′′ mit jeweils antiparallelen Dioden D 1 a′′, D 2 a′′, D 3 a′′, D 4 a′′. Der Verbindungspunkt der Bauelemente T 2 a′′, D 2 a′′, T 3 a′′, D 3 a′′ bildet den Wechselspannungsan schluß für den Strang a. Der Verbindungspunkt der Bau elemente T 1 a′′, D 1 a′′, T 2 a′′, D 2 a′′ ist über eine Diode D 5 a′′und der Verbindungspunkt der Bauelemente T 4 a′′, D 4 a′′, T 3 a′′, D 3 a′′ ist über eine Diode D 6 a′′ mit dem Zwischenkreiskondensatormittelpunkt M der beiden zwi schen L+ und L- in Serie geschalteten Kondensatoren C 1′′, C 2′′ verbunden.

Die Thyristoren der Dreipunktwechselrichter lassen sich gedanklich zwei Teilstromrichtern TSR 1′, TSR 2′ (Fig. 3) bzw. TSR 1′′, TSR 2′′ (Fig. 4) zuordnen, die jeweils als Zweipunktwechselrichter betrieben werden. Gemäß Fig. 3 werden die Bauelemente T 1 a′, D 1 a′, T 3 a′, D 3 a′, D 6 a′, C 1′ dem Teilstromrichter TSR 1′ und die Bauelemente T 2 a′, D 2 a′, T 4 a′, D 4 a′, D 5 a′, C 2′ dem Teilstromrichter TSR 2′ zugeordnet. Gemäß Fig. 4 werden die Bauelemente T 1 a′′, D 1 a′′, T 3 a′′, D 3 a′′, D 6 a′′, C 1′′ dem Teilstromrichter TSR 1′′ und die Bauelemente T 2 a′′, D 2 a′′, T 4 a′′, D 4 a′′, D 5 a′′, C 2′′ dem Teilstromrichter TSR 2′′ zugeordnet. Am Ausgangsanschluß eines Stranges eines Dreipunktwechsel richters kann, bezogen auf den Zwischenkreiskondensator mittelpunkt M, die Spannung +2E, 0 oder -2E anliegen.

Für die Stromrichtervariante gemäß Fig. 4 ist jeder Spannungszustand eines Stranges nur durch genau eine Kombination seiner Thyristorschaltzustände erreichbar. Von der prinzipiellen Funktionsweise her wären die Schaltzustände von T 4 a′′ für uaM = +2E und T 1 a′′ für uaM= -2E beliebig (uaM = Spannung zwischen a und M), aber nur durch die Wahl des Zustandes "gesperrt" kann für T 3 a′′ bzw. T 2 a′′ die Sperrspannung auf 2E plus Span nungsüberhöhung begrenzt werden.

Bei der Stromrichtervariante gemäß Fig. 3 ist für uaM =+2E der Schaltzustand von T 2 a′ beliebig, für uaM =-2E ist der Schaltzustand von T 3 a′ beliebig. Be rücksichtigt man jedoch, daß in der Regel nicht unmit telbar zwischen uaM =+2E und uaM =-2E hin- und herge schaltet wird, sondern zwischen uaM =+2E und uaM =0 sowie zwischen uaM =0 und uaM =-2E, ist es zur Mini mierung der Schalthäufigkeit sinnvoll, für uaM =+2E den Thyristor T 2 a′ und für uaM =-2E den Thyristor T 3 a′ lei tend zu schalten. Damit ergeben sich für beide Strom richtervarianten gleiche Schaltzustände bei gleicher Ausgangsspannung.

Beim Schalten zwischen +2E und 0 bleibt der Schaltzu stand von T 2 a′ und T 4 a′ bzw. T 2 a′′ und T 4 a′′ unverändert (T 2 a′, T 2 a′′ leitet, T 4a′, T 4 a′′ sperrt), während T 1 a′ bzw. T 1 a′′ und T 3 a′ bzw. T 3 a′, jeweils zwischen T 1 a′ bzw. T 1 a′′ leitend/T 3 a′ bzw. T 3 a′′ sperrend und T 1 a′ bzw. T 1 a′′ sperrend/T 3 a′ bzw. T 3 a′′ leitend wechseln. Beim Schalten zwischen 0 und -2E bleibt der Schaltzu stand von T 1 a′ bzw. T 1 a′′ und T 3 a′ bzw. T 3 a′′ unverän dert auf T 1 a′ bzw. T 1 a′′ sperrend/T 3 a′ bzw. T 3 a′′ lei tend, während T 2 a′ bzw. T 2 a′′ und T 4 a′ bzw. T 4 a′′ je weils zwischen T 2 a′ bzw. T 2 a′′ leitend/T 4 a′ bzw. T 4 a′′ sperrend und T 2 a′ bzw. T 2 a′′ sperrend/T 4 a′ bzw. T 4 a′′ leitend wechseln. Durch die Zuordnung von T 1 a′/T 3 a′ bzw. T 1 a′′/T 3 a′′ und T 2 a′/T 4 a′ bzw. T 2 a′′/T 4 a′′ zu je einem Teilstromrichter ergibt sich für diese Teilstromrichter das typische Schaltverhalten eines Zweipunktwechselrich ters. Es ist imner ein Thyristor eines Stranges ge sperrt, der andere ist leitend. Durch die Kopplung zwei er als Zweipunktwechselrichter arbeitender Teilstrom richter kann somit die Arbeit des Dreipunktwechselrich ters beschrieben werden.

Geht man von diesem Gedankenmodell der Zerlegung des Dreipunktwechselrichters in zwei gekoppelte Zweipunkt wechselrichter, die als Teilstromrichter (TSR) bezeich net werden, aus, kann jeder Teilstromrichter unter Be achtung der Kopplungsbedingungen einen noch festzulegen den Anteil an der geforderten Ausgangsspannung liefern. Jeder Teilstromrichter schaltet dabei für einen Teil der Pulsperiode TP die Nullspannung durch, während der übri gen Zeit werden ein oder zwei Außenspannungen durchge schaltet (Außenspannung = Spannung mit dem größten Be trag, siehe Fig. 5).

In Fig. 5 sind hierzu die Spannungsbereiche eines Drei punktwechselrichters dargestellt. Im einzelnen sind die theoretische Grenze des äußeren Spannungsbereiches, die Grenze des äußeren Spannungsbereiches für tmin =0,1 TP bei Zweipunktwechselrichterbetrieb, die Grenze des äuße ren Spannungsbereiches bei tmin = 0,1 TP im versetzten Betrieb, die theoretische Grenze des inneren Spannungs bereiches und die Grenze des inneren Spannungsbereiches bei tmin =0,1 TP dargestellt.

Liegt der geforderte Spannungssollraumzeiger im inneren Sechseck, das durch die sechs Halbspannungsraumzeiger aufgespannt wird, kann die Aufteilung auch so erfolgen, daß ein Teilstromrichter über die gesamte Pulsperiode einen Nullzustand durchschaltet, während der andere Teilstromrichter den geforderten mittleren Spannungs sollraumzeiger erzeugt (Außenspannungsraumzeiger = Span nungsraumzeiger mit dem größten Betrag, Halbspannungs raumzeiger = Spannungsraumzeiger mit dem halben Betrag des Außenspannungsraunzeigers). Wechselt man die Rollen der beiden Teilstromrichter in gleich langen Zeitabstän den ab, ergibt sich im Mittel eine Halbierung der Schaltfrequenz der Thyristoren gegenüber einem Betrieb, in dem beide Teilstromrichter innerhalb einer Pulsperio de TP takten. Wählt man die Zeitabstände zwischen den Rollenwechseln hinreichend klein, ist es zulässig, die Pulsperiode TP zu halbieren und dadurch z.B. die Schwan kungsbreite des Drehmomentes in etwa zu halbieren. Ist z.B. eine Thyristorschaltfrequenz fT von 150 Hz zuläs sig, kann mit einer Pulsfrequenz von 600 Hz gearbeitet werden.

Um den vollen in Fig. 5 gekennzeichneten inneren Bereich nutzen zu können, ist eine Symmetrierung der Strangspan nungssollwerte erforderlich, danit sie im Bereich -E<(easoll 1, ebsoll 1, ecsoll 1, easoll 2, ebsoll 2, ec soll 2)<+E liegen, wobei die Spannung E beim Drei punktwechselrichter einem Viertel der Zwischenkreisspan nung entspricht. Fig. 5 zeigt ebenfalls die Begrenzung der zulässigen Spannungssollraumzeigerbereiche, wenn eine Mindestzustandzeit tmin =0,1 TP zu berücksichtigen ist. Spannungssollraumzeiger außerhalb des inneren Be reiches können nur dadurch erzeugt werden, daß beide Teilstromrichter innerhalb der Pulsperioden TP aktiv sind, d.h. daß in jedem Teilstromrichter wenigstens in einem Strang geschaltet wird.

Schaltet ein Teilstromrichter, bezogen auf einen fikti ven Mittelpunkt des zugehörigen Teilkondensators, in ei nem Strang die Spannung +E durch, wird der entsprechende Strangschaltzustand nachfolgend mit "+" gekennzeichnet, ist die Spannung -E durchgeschaltet, wird der Strang schaltzustand des Teilstromrichters mit "-" gekennzeich net. Im Text erwähnte Schaltzustände der Teilstromrich ter werden durch runde Klammern gekennzeichnet. Die Be zeichnung (+++) bedeutet, daß in allen Strängen a, b, c eines Teilstromrichters die Spannung +E durchgeschaltet ist. Die Bezeichnung (---) bedeutet, daß in allen Strän gen a, b, c eines Teilstromrichters die Spannung -E durchgeschaltet ist. In der Bezeichnung (+++/+++) oder (---/---) bezieht sich die erste Dreiergruppe auf den ersten Teilstromrichter und die zweite Dreiergruppe auf den zweiten Teilstromrichter.

Die mit eckigen Klamnern versehenen Bezeichnungen kenn zeichnen die Schaltzustände des Dreipunktwechselrichters bei den unterschiedlichen Spannungsraumzeigern. Liegt an der Ausgangsklemne eines Stranges des Dreipunktwechsel richters die Spannung +2E gegenüber M an, wird der Strangzustand mit "+" gekennzeichnet. Entsprechend wird bei der Spannung Null der Zustand durch "0" und bei Spannung -2 E der Zustand durch "-" gekennzeichnet. Der Gesamtzustand wird durch eine Kombination von drei Sym bolen charakterisiert, die von eckigen Klammern um schlossen ist, z.B. (0-+). Es sind sechs Außenspannungs raumzeiger, sechs Zwischenspannungsraumzeiger, sechs Halbspannungsraumzeiger und der Nullspannungsraumzeiger dargestellt. Die Halbspannungsraumzeiger sind wahlweise mit jedem Teilstromrichter allein erzeugbar. Die aus gangsspannungsmäßig äquivalenten, komplementären Halb spannungszustände des Dreipunktwechselrichters sind an gegeben.

Sind nach der Symmetrierung alle drei Strangspannungs sollwerte vom Betrag her kleiner als E (1-tmin/TP), kann ein Teilstromrichter über die gesamte Pulsperiode TP einen Nullzustand durchschalten (Nullspannung ist durch geschaltet), während der andere Teilstromrichter die im Mittel geforderte Spannung liefert. Aufgrund der Kopp lungsbedingung erlaubt nur die Zuordnung des Nullzustan des (---) zum ersten Teilstromrichter ein beliebiges Takten des zweiten Teilstromrichters, während ein belie biges Takten des ersten Teilstromrichters nur möglich ist, wenn sich der zweite Teilstromrichter im Nullzu stand (+++) befindet. Die Amplitude der Referenzspannung der Teilstromrichter muß E entsprechen, da dies die ma ximale Spannung ist, die ein Teilstromrichter theore tisch im Mittel durchschalten kann.

Durch geeignete Wahl der Teilstromrichter-Referenzspan nung ist es möglich, die Strangspannungsollwerte unver ändert kontinuierlich beiden Teilstromrichtern zuzufüh ren. Der Teilstromrichter, der sich während der gesamten Pulsperiode in einem Nullzustand befinden soll, muß in nerhalb der entsprechenden Zeit statt der dreieckförmi gen Referenzspannung ein Gleichsignal als Referenzspan nung erhalten. Da die Strangspannungsollwerte betragsmä ßig kleiner oder gleich dem Wert E (1-tmin/TP) sein müs sen, kann man zur Erzeugung des geeigneten Nullzustandes für den ersten Teilstromrichter die Referenzspannung auf +E, für den zweiten Teilstromrichter die Referenzspan nung auf -E legen.

Betrachtet man eine typische Pulsperiode TP, so schaltet der aktive Teilstromrichter am Anfang und Ende der Pul speriode immer einen Nullzustand durch. Innerhalb einer Pulsperiode, der eine negativ geneigte Flanke der Refe renzspannung zugeordnet ist, ist der Anfangsnullzustand (---), der Endnullzustand (+++). Umgekehrt ist innerhalb einer Pulsperiode, der eine positiv geneigte Flanke der Referenzspannung zugeordnet ist, der Anfangsnullzustand (+++), der Endnullzustand (---). Will man einen Nullzu standswechsel innerhalb eines Teilstromrichters beim Übergang von einer aktiven Pulsperiode in eine Pulspe riode mit Nullzustand vermeiden, darf für den ersten Teilstromrichter der Übergang nur nach einer positiv geneigten Flanke der dreieckförmigen Referenzspannung erfolgen, während eine nach einer Pulsperiode mit Null zustand folgende aktive Pulsperiode mit einer negativ geneigten Flanke der dreieckförmigen Referenzspannung beginnen muß. Umgekehrt darf für den zweiten Teilstrom richter eine Nullperiode nur nach einer Aktivperiode mit negativer Referenzflanke beginnen, eine auf eine Nullpe riode folgende Aktivperiode muß mit einer positiv ge neigten Referenzflanke beginnen. Ein Teilstromrichter ist dann immer eine gerade Zahl von Pulsperioden aktiv. Die Verteilung der aktiven Pulsperioden auf die Teil stromrichter sollte neben einer gleichmäßigen Bela stungsaufteilung für die Teilstromrichter auch unter dem Gesichtspunkt der Mittelpunktspotentialregelung des Zwi schenkreiskondensators vorgenommen werden.

Fig. 6 zeigt beispielhaft einen möglichen zeitlichen Verlauf der Teilstromrichter-Referenzspannungen Uref 1, Uref 2 und eines Strangspannungssollwertes easoll (= easoll 1 = easoll 2) für den Strang a, bei dem sich die Teilstromrichter nach jeweils zwei Pulsperioden TP in der Aktivität abwechseln (Uref 1 = Referenzspannung für den ersten Teilstromrichter, Uref 2 = Referenzspan nung für den zweiten Teilstromrichter).

Im Bereich niedriger Drehzahlen liegen im stationären Betrieb die Spannungssollraumzeiger immer im inneren Spannungsbereich gemäß Fig. 5. Nur dynamisch, also im Fall von schnellen Drehmomentensollwertänderungen, kann es zur Vorgabe eines Spannungssollraumzeigers aus dem äußeren Spannungsbereich kommen. Für diesen äußeren Spannungsbereich wird daher ein möglichst aufwandsarmes Modulationsverfahren beschrieben, das jedoch im Hinblick auf minimale Schalthäufigkeit und minimale Drehmomenten schwankungen im stationären Betrieb bei höheren Drehzah len nicht optimal ist.

Ist nach der Symmetrierung einer der Strangspannungs sollwerte größer als E (1-tmin/TP), so müssen innerhalb der nächsten Pulsperiode TP beide Teilstromrichter aktiv sein. Ein Zweipunktwechselrichterbetrieb des Dreipunkt wechselrichters kann erreicht werden, indem man den bei den Teilstromrichtern identische dreieckförmige Refe renzspannungen der Amplitude E zuführt und als Teil stromrichter-Strangspannungssollwerte easoll 1, ebsoll 1, ecsoll 1, easoll 2, ebsoll 2, ecsoll 2 die halben Strang spannungssollwerte easol 1, ebsol 1, ecsol 1 verwendet. Diese Betriebsart soll im folgenden als synchroner Be trieb bezeichnet werden.

Zum sicheren Betrieb des Dreipunktwechselrichters muß die Forderung erhoben werden, daß innerhalb eines Zeit raumes der Ausdehnung der Mindestzustandszeit tmin in nerhalb eines Stranges des Dreipunktwechselrichters nur ein Teilstromrichter schalten darf. Dadurch wird verhin dert, daß sich in einem Strang alle Thyristoren in einem leitenden Zustand befinden und es wird gewährleistet, daß die durch die Schutzbeschaltung der Thyristoren be dingten Ausgleichsvorgänge nach einer Schalthandlung im wesentlichen abgeschlossen sind, bevor innerhalb des entsprechenden Stranges die nächste Schaltung erfolgt.

Wie dies mit Hilfe von Teilstromrichter-Strangspannungs sollwert-Verschiebungen erreicht werden kann, wird im folgenden beschrieben.

Zur Gewährleistung der Einhaltung der Kopplungsbedingun gen muß der zu einem Strang gehörende Teilstromrichter- Strangspannungssollwert des ersten Teilstromrichters (z.B. easoll 1) immer kleiner als der entsprechende Soll wert des zweiten Teilstromrichters (z.B. easoll 2) sein. Die Schaltzeitpunkte sollen einen zeitlichen Mindestab stand (= Mindestzustandszeit) von tmin haben, so daß sich die Strangspannungssollwerte der Teilstromrichter jeweils mindestens um 2E×tmin/TP unterscheiden müssen. Soll in jedem Strang die Summe der Teilstromrichter- Strangspannungssollwerte gleich dem Gesant-Strangspan nungsollwert sein, müssen die jeweils zu einem Strang gehörigen Strangspannungssollwerte der beiden Teilstrom richter um den gleichen Betrag gegensinnig verschoben werden:
easoll 1 = easoll/2-E×tmin/TP
ebsoll 1 = ebsoll/2-E×tmin/TP
ecsoll 1 = ecsoll/2-E×tmin/TP
easoll 2 = easoll/2+E×tmin/TP
ebsoll 2 = ebsoll/2+E×tmin/TP
ecsoll 2 = ecsoll/2+E×tmin/TP

In Fig. 5 sind die entsprechenden äußeren Spannungsbe reiche dargestellt, wobei angenommen wurde, daß tmin = 0,1TP ist.

Fig. 7 zeigt mögliche zeitliche Verläufe der Teilstrom richter-Referenzspannungen Uref 1, 2 (für Fig. 7 gilt Uref 1 = Uref 2 = Uref 1, 2) und der Teilstromrichter- Strangspannungssollwerte easoll 1, easoll 2, ebsoll 1, eb soll 2, ecsoll 1, ecsoll 2 für die Stränge a, b, c und den ersten bzw. zweiten Teilstromrichter für den Bereich niedriger Drehzahlen. Diese Betriebsart kann streng ge nommen nicht mehr als synchron bezeichnet werden. Für tmin «TP unterscheidet sie sich jedoch nur geringfügig vom synchronen Betrieb und soll als schaltzeitpunktver setzter synchroner Betrieb durch Verschiebung der Strangspannungssollwerte für die Teilstromrichter, kurz versetzter Betrieb, bezeichnet werden.

Der versetzte Betrieb, wie er vorstehend erläutert ist, kann auch realisiert werden, indem man anstatt der sechs Teilstromrichter-Strangspannungssollwerte easoll 1, ea soll 2, ebsoll 1, ebsoll 2, ecsoll 1, ecsoll 2 die zwei Teilstromrichter-Referenzspannungen Uref 1, 2 gegeneinan der verschiebt. Hierzu ist die Referenzspannung Uref 1 des ersten Teilstromrichters um den Betrag E×tmin/TP anzuheben, während die Referenzspannungen Uref 2 des zweiten Teilstromrichters um den gleichen Betrag abge senkt werden muß. Diese Realisierung paßt sich gut in die vom Betrieb im inneren Bereich her vorgegebene Struktur ein, da nun hier wie dort die Strangspannungs sollwerte easoll 1, 2, ebsoll 1, 2, ecsoll 1, 2 der beiden Teilstromrichter identisch sind
(easoll 1 = easoll 2 = easoll 1, 2 = edsoll/2,
ebsoll 1 = ebsoll 2 = ebsoll 1, 2 = ebsoll/2,
ecsoll 1 = ecsoll 2 = ecsoll 1, 2 = ecsoll/2),
während durch die Verwendung geeigneter Referenzspannun gen Uref 1, Uref 2 das gewünschte Betriebsverhalten her beigeführt wird.

Einen möglichen Verlauf der Teilstromrichter-Referenz spannungen und der Strangspannungssollwerte für diesen versetzten Betrieb durch Verschiebung der Teilstromrich ter-Referenzspannungen zeigt Fig. 8.

Am Ende einer Pulsperiode TP befinden sich, ausgehend vom Betrieb im inneren Spannungsbereich, entweder beide Teilstromrichter im gleichen Nullzustand oder in inver sen Nullzuständen. Die Kombination wechselt mit jeder Pulsperiode TP. Beim Betrieb im äußeren Spannungsbereich sind zu Anfang und Ende jeder Pulsperiode beide Teil stromrichter im gleichen Nullzustand. Will man einen Nullzustandswechsel in einem der beiden Teilstromrichter beim Übergang vom inneren in den äußeren Spannungsbe reich vermeiden, darf dieser Übergang nur erfolgen, wenn sich beide Teilstromrichter im gleichen Nullzustand be finden.

Will man vom Betrieb im äußeren Spannungsbereich in den Betrieb im inneren Spannungsbereich übergehen, kann dies nach jeder Pulsperiode TP erfolgen. Liegt an Ende der vorhergehenden Pulsperiode der Nullzustand (---/---) vor, muß in der folgenden Pulsperiode der zweite Teil stromrichter aktiv sein und der erste Teilstromrichter muß den Nullzustand (---) beibehalten. Liegt am Ende der vorhergehenden Pulsperiode der Nullzustand (+++/+++) vor, muß entsprechend in der nächsten Pulsperiode der erste Teilstromrichter aktiv sein, während der zweite Teilstromrichter den Nullzustand (+++) beibehält.

Fig. 9 zeigt ein Beispiel für eine Umschaltung vom inne ren in den äußeren Spannungsbereich und wieder zurück, d.h. ein Beispiel für eine Umschaltung zwischen versetz tem und normalem Betrieb. Die möglichen Schaltzeitpunkte vom normalen in den versetzten Betrieb bzw. vom versetz ten in den normalen Betrieb sind dargestellt.

Wie im vorangehenden Abschnitt erläutert, ist ein Über gang vom inneren in den äußeren Spannungsbereich nur nach jeder zweiten Pulsperiode ohne zusätzlichen Schal tungen möglich. Liegt der theoretisch erforderliche Spannungssollraumzeiger für die nächste Pulsperiode TP im äußeren Spannungsbereich und ist die nächste Pulspe riode eine "Warteperiode", kann für diese statt des theoretisch erforderlichen Spannungssollraumzeigers nur ein Spannungssollraumzeiger aus dem inneren Spannungsbe reich realisiert werden. Ein ähnliches Problem ergibt sich, wenn beim Betrieb im äußeren Spannungsbereich ein Strangspannungssollwert außerhalb der zulässigen Grenzen liegt. Diesem unzulässigen Spannungssollraumzeiger muß dann ein zulässiger Spannungssollraumzeiger zugeordnet werden. Eine mögliche Vorgehensweise zur Erzeugung eines geeigneten zulässigen Spannungssollraunzeigers wird im folgenden beschrieben.

Legt man gedanklich an die Maschine ein über die gesamte Pulsperiode TP konstantes Spannungssystem an, dessen Raumzeiger genau einem unzulässigen Spannungssollraum zeiger für eine Pulsperiode entspricht, und geht man davon aus, daß sich die Spitze des Flußraumzeigers zu Beginn der Pulsperiode auf dem Sollkreis befindet, so verläuft die Spitze des Ständerflußraunzeigers während der Pulsperiode auf einer Sekanten des Sollkreises und befindet sich am Ende der Pulsperiode wieder auf dem Sollkreis. Verkürzt man den Spannungssollraumzeiger und läßt seine Richtung unverändert, läuft die Spitze des Ständerflußraumzeigers auf der gleichen Bahn, ist an Ende der Pulsperiode jedoch noch nicht auf dem Sollkreis angekommen. Es ergeben sich dadurch ein Betrags- und ein Winkelfehler.

Will man den Betragsfehler klein halten, muß vor der Berechnung des Spannungsollraumzeigers bereits eine Begrenzung des Drehwinkels in Form einer ω s-Be grenzung erfolgen. Dadurch wird bei großen Drehmomenten sollwertsprüngen die geforderte Drehmomentenänderungsge schwindigkeit auf einen physikalisch möglichen Wert re duziert. Ein unzulässig großer Spannungssollraumzeiger kann dann nur noch durch die in der Regel kleinen Antei le zur Rs× -Kompensation und zur Flußbetrags-Korrek tur verursacht werden. Der Spannungssollraumzeiger muß dann nur geringfügig verkürzt werden, so daß der Flußbetragsfehler stets sehr klein bleibt. Der Winkel fehler setzt sich zusanmen aus einem von der ω s-Be grenzung hervorgerufenen Anteil und einem von der Soll raumzeigerbegrenzung hervorgerufenen Anteil. Die propor tionale Begrenzung des Spannungssollraunzeigers wird durchgeführt, indem man die symmetrierten Strang spannungssollwerte mit dem Faktor emax, zul./emax, gef. multipliziert (emax, zul. = zulässiger, maximaler Strang spannungssollwert; emax, gef. = geforderter maximaler Strangspannungssollwert).

Der Zwischenkreiskondensatormittelpunkt M wird beim Dreipunktwechselrichter immer dann belastet, wenn ein Halbspannungszustand oder ein Zwischenzustand durchge schaltet ist. Ist ein Halbspannungszustand durchgeschal tet, kann durch Umschalten auf den ausgangsspannungsmä ßig äquivalenten zweiten Halbspannungszustand (siehe Schaltzustandsbezeichnungen gemäß Fig. 5) der Mittel punktstrom invertiert werden. Dadurch kann das Mittel punktspotential in eine gewünschte Richtung verändert werden, ohne die Ausgangsspannung zu beeinflussen. Jedem Zwischenzustand ist ein eindeutiger Schaltzustand zuge ordnet. Im äußeren Spannungsbereich tritt ein Zwischen zustand innerhalb einer Pulsperiode imner im Wechsel mit den benachbarten Halbspannungszuständen auf, so daß auch dort eine Potentialregelung möglich ist.

Im inneren Spannungsbereich werden nur Nullspannungszu stände oder Halbspannungszustände geschaltet. Durch die Gegebenheit, daß es zu jedem Halbspannungszustand einen komplementären Halbspannungszustand gibt, der eine ent gegengesetzte Mittelpunktsbelastung bewirkt, der jedoch die gleiche Maschinenspannung darstellt, kann das Mit telpunktspotential gezielt beeinflußt werden. Sind im stationären Betrieb beide Teilstromrichter im Mittel gleich lang aktiv, erfolgt keine resultierende Änderung des (Zwischenkreiskondensator) Mittelpunktpotentials. Um die Augenblickswerte der Potentialabweichung vom Ideal wert möglichst klein zu halten, sollten sich die Teil stromricher in ihrer Aktivität möglichst häufig abwech seln. Ohne zusätzliche Schaltungen zu verursachen, kann der Wechsel nach jeweils zwei Pulsperioden erfolgen, wie vorstehend bereits erläutert.

Dynamische Vorgänge und die nichtideale Arbeitsweise von Stromrichter und Steuergerät führen zu mittleren Poten tialänderungen an M. Diese müssen erkannt und durch eine Regelung ausgeglichen werden. Will man eine Mittelwert bildung über jede Pulsperiode vermeiden, kann man zur Erkennung einer unzulässigen Potentialänderung überwa chen, ob innerhalb einer Aktivitätsphase eines Teil stromrichters ein Nulldurchgang der Potentialabweichung erfolgt. Findet ein Nulldurchgang statt, wird beim näch sten Übergangspunkt der andere Teilstromrichter akti viert. Erfolgt kein Nulldurchgang, ergeben sich zwei mögliche Konsequenzen. Fand innerhalb der letzten Puls periode TP eine Annäherung der Potentialabweichung an Null statt, muß der bisher aktive Teilstromrichter wei terhin aktiv bleiben. Fand innerhalb der letzten Pulspe riode keine Annäherung der Potentialabweichung an Null statt, wird sobald wie möglich der andere Teilstromrich ter aktiviert. Durch diese Vorgehensweise kann ohne Be einflussung der Maschinenspannung und ohne zusätzliche Schaltungen garantiert werden, daß die Potentialabwei chung an M immer um Null herum schwankt.

Eine genauere Potentialregelung ohne Beeinflussung der Maschinenspannung ist nur möglich durch zusätzliche Schaltungen, z.B. durch Aktivitätswechsel zu einem un günstigen Zeitpunkt.

Vorgesehen ist das Verfahren der Indirekten- Ständergrö ßen-Regelung für den Betrieb der Asynchrommaschine im Bereich niedriger Drehzahlen. Spannungsraunzeiger im äußeren Spannungsbereich kommen daher nur bei schnellen Drehmomentensollwertänderungen vor. Während bei einem synchronen Betrieb der Teilstromrichter keine Mittel punktsbelastung auftritt, wird im versetzten Betrieb, wie er vorstehend beschrieben ist, innerhalb einer Puls periode TP jeder der drei Stränge a, b, c für die Dauer der Mindestzustandszeit tmin mit dem Mittelpunkt M ver bunden. Im stationären Betrieb wäre dadurch die über eine Pulsperiode gemittelte Belastung des Mittelpunktes Null. Bei dynamischen Vorgängen ergibt sich jedoch nach jeder Pulsperiode eine resultierende Potentialänderung. Aufgrund der sehr kurzen Mittelpunktsbelastungszeiten und der Tatsache, daß die dynamischen Übergänge nur we nige Pulsperioden andauern, sind die resultierenden Po tentialänderungen klein und können innerhalb der folgen den Pulsperioden, in denen wieder Spannungen des inneren Bereiches gefordert sind, ausgeregelt werden.

Soll das Verfahren der indirekten Ständergrößen-Regelung auch für länger andauernden Betrieb mit Ausgangsspannun gen des äußeren Spannungsbereiches genutzt werden, gibt es auch hier eine Möglichkeit der Potentialregelung. Dazu kann man die Tatsache ausnutzen, daß der Schaltab stand (Strangspannungssollwertabstand) der Teilstrom richter nicht notwendig für alle drei Stränge gleich groß sein muß. Wichtig ist nur, daß die Summe der jewei ligen Strangspannungssollwerte der zwei Teilstromrichter unverändert gleich dem geforderten Gesant-Strangspan nungssollwert ist. Vorstehend war der Abstand zwischen den Strangspannungssollwerten der Teilstromrichter Δ e = easoll 2 - easoll 1 = ebsoll 2 - ebsoll 1 = ecsoll 2 - ecsoll 1 = 2E tmin/TP. Betrachtet man diesen Abstand als Mindestabstand Δ emin, so kann durch Ver größern einzelner Strangspannungssollwertabstände gegen über Δ emin die Zeit, die der entsprechende Strang mit dem Zwischenkreiskondensatormittelpunkt M verbunden ist, vergrößert werden. Dadurch kann innerhalb einer Pulspe riode TP eine resultierende Änderung von Δ UM erzielt werden.

Die vorstehend beschriebenen Verfahren wurden mit Hilfe eines digitalen Simulationsprogrammes untersucht. Nach stehend werden typische Ergebnisse anhand von errechne ten Verläufen aufgezeigt.

Dem Maschinenmodell wurden folgende Daten zugrundege legt. Die synchrone Drehzahl (elektrisch) ist 60 Hz, das Kippmoment 16 400 Nm und der Kurzschlußstrom 1850 A. Für die Untersuchung der Potentialänderung des Zwischen kreiskondensatormittelpunktes M wurde ein Zwischenkreis mit Cd = 5,6 mF und Ud = 2800 V (Ud = Zwischenkreisspan nung) zugrundegelegt. Die Schaltfrequenz fT der Thyri storen wurde zu 150 Hz gewählt, was eine Pulsfrequenz von 600Hz ergibt. Die Mindestzustandszeit tmin wurde zu 200 µs angenommen.

Bei den in den nachfolgenden Fig. 10 bis 13 darge stellten zeitlichen Verläufen interessierender Größen wird ein Betrieb bei einer Drehzahl n = 0 vorausgesetzt. Der Drehmomentsollwert Msoll springt bei t = 5 ms von 0,866 Mkipp auf -0,866 Mkipp (Mkipp = Kippmoment).

In Fig. 10 sind die zeitlichen Verläufe des Drehmoment sollwertes Msoll und des Drehmomentistwertes Mist darge stellt, in Fig. 11 sind die Teilstromrichter-Referenz spannungen Uref 1, Uref 2 und die Strangspannungssollwer te easoll 1, 2; ebsoll 1, 2; ecsoll 1, 2 gezeigt, in Fig. 12 ist der zeitliche Verlauf des Mittelpunktstromes iM dar gestellt und in Fig. 13 ist der zeitliche Verlauf der Mittelpunktpotentialabweichung Δ UM gezeigt.

In den zeitlichen Verläufen von Msoll und Mist gemäß Fig. 10 kommt das dynanische Verhalten der Steuerung zum Ausdruck. Der Sprung des Drehmomentsollwertes Msoll er folgt innerhalb der vierten Pulsperiode. Für diese kann er nicht mehr berücksichtigt werden, da die Sollwerte zu Anfang einer Periode berechnet werden. Innerhalb der folgenden drei Pulsperioden wird dann das Istmoment von 0,866 Mkipp auf -0,866 Mkipp gebracht. Während dieses dynanischen Vorganges befinden sich die Teilstromrichter im versetzten Betrieb, wie Fig. 11 zeigt.

Fig. 12 läßt erkennen, daß der Zwischenkreiskondensator mittelpunkt M im versetzten Betrieb durch Stromimpulse der Dauer tmin belastet wird. Der Zwischenkreiskondensa tormittelpunkt M ändert beim dynamischen Übergang sein Potential nur geringfügig, wie Fig. 13 zeigt. Die Abwei chungen Δ UM des Mittelpunktspotentials vom Idealwert sind gering. Während des dynamischen Übergangs tritt im Stromrichter die doppelte Summenschalthäufigkeit gegen über dem Normalbetrieb auf. Die schnelle Sprungantwort des Dehmomentes beschränkt dies jedoch auf wenige Puls perioden, so daß dieses Verhalten in Bezug auf die Bela stung der einzelnen Stromrichterelemente vertretbar ist.

Bei den in den nachfolgenden Fig. 14 bis 18 darge stellten zeitlichen Verläufen interessierender Größen wird ein Betrieb bei einer Drehzahl n = 0,2n0 (n 0= Nennleerlaufdrehzahl) und einem Drehmomentsollwert Msoll =0,866Mkipp vorausgesetzt.

In Fig. 14 sind die zeitlichen Verläufe des Drehmoment sollwertes Msoll und des Drehmomentistwertes Mist darge stellt, in Fig. 15 sind die zeitlichen Verläufe der Ma schinenströme ia, ib, ic gezeigt, in Fig. 16 ist die Ständerflußraumzeiger-Bahnkurve gezeigt (α, β = orthogonale Ständerachsen), in Fig. 17 ist der zeitliche Verlauf des Mittelpunktstromes iM darge stellt und in Fig. 18 ist der zeitliche Verlauf der Mit telpunktspotentialabweichung Δ UM gezeigt.

Die Drehzahl n = 0,2 n 0 liegt an der oberen Grenze des Drehzahlbereiches, für den das Verfahren der indirekten Ständergrößenregelung vorgesehen ist. Die Fig. 14 bis 18 zeigen das stationäre Verhalten. Die Schwankungsbreite des Drehmomentes beträgt etwa +6% Mkipp symmetrisch um den Drehmomentsollwert Msoll. Die in Fig. 15 gezeigten Maschinenströme sind nur geringfügig verzerrt, der Stän derflußraumzeiger gemäß Fig. 16 wird mit guter Nä herung auf einem Kreis geführt. Die Schwankungsbreite der Mittelpunktspotentialabweichung gemäß Fig. 18 be trägt 2,7% (4E), d.h. die Abweichungen vom Idealwert sind gering.

Die Verwendung der beschriebenen Pulsbreitenmodulations steuerung bewirkt, daß die Anwendung des Verfahrens der Indirekten-Ständergrößen-Regelung auf Grundlage der Si gnalverarbeitung des Verfahrens der direkten Selbstrege lung im vorgesehenen unteren Drehzahlbereich eine gute Regelung von Drehmoment und Fluß ergibt. Durch den re gelmäßigen Aktivitätswechsel der Teilstromrichter des Dreipunktwechselrichters ergibt sich im stationären Be trieb eine gleichmäßige Aufteilung der Belastung auf alle Thyristoren und ein im zeitlichen Mittel konstantes Zwischenkreiskondensatormittelpunktpotential. Die Anwen dung des versetzten Betriebs bei Übergängen mit hohen dynanischen Anforderungen ergibt zum einen gegenüber einer Beschränkung der zulässigen Spannungsollraumzeiger auf den inneren Spannungsbereich verbesserte Dynamik und verhindert zum anderen eine zu große Abweichung des Mit telpunktpotentials vom Idealwert. Im Betrieb mit Span nungssollraumzeigern aus dem inneren Spannungsbereich sorgt eine Potentialregelung dafür, daß die mittlere Abweichung des Mittelpunktspotentials vom Idealwert nicht größer als ihre halbe Schwankungsbreite werden kann.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung eines Dreipunktwechsel richters mit eingeprägter Eingangs-Gleichspannung, da durch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Schaltzeit punkte der anodenseitig mit dem positiven Anschluß bzw. mit dem Mittelpunkt des Spannungszwischenkreises verbun denen Wechselrichterventile drei erste Teilstromrich ter-Strangspannungssollwerte (easoll 1, ebsoll 1, ecsoll 1) mit einer zumindest teilweise dreickförmigen ersten Re ferenzspannung (Uref 1) und zur Bildung der Schaltzeit punkte der kathodenseitig mit dem negativen Anschluß bzw. mit dem Mittelpunkt des Spannungszwischenkreises verbundenen Wechselrichterventile drei zweite Teilstrom richter-Strangspannungssollwerte (easoll 2, ebsoll 2, ec soll 2) mit einer zumindest teilweisen dreieckförmigen zweiten Referenzspannung (Uref 2) geschnitten werden, wobei die Schnittzeitpunkte die Schaltzeitpunkte dar stellen, die Amplitude der Referenzspannungen der halben theoretisch maximal möglichen Ausgangsstrangspannung entspricht und die Teilstromrichter-Strangspannungssoll werte (easoll 1, ebsoll 1, ecsoll 1, easoll2, ebsoll 2, ecsoll 2) aus den Strangspannungssollwerten (easoll, ebsoll, ecsoll) gebildet werden, welche für jede Pulspe riode (TP) durch Projektion des Spannungssollraumzeigers (esoll) auf die drei Ständerwicklungsachsen (a, b, c) gebildet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß zum Zwecke der Symmetrierung allen Strangspan nungsollwerten (easoll, ebsoll, ecsoll) die Hälfte des betragsmäßig kleinsten Strangspannungssollwertes hinzu addiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilstromrichter eines Drei punktwechselrichters über eine gesamte Pulsperiode (TP) einen Nullzustand durchschaltet, während der andere Teilstromrichter die im Mittel geforderte Spannung er zeugt, indem für den einen Teilstromrichter ein Gleich signal und für den anderen Teilstromrichter ein Dreieck signal als Referenzspannungen (Uref) herangezogen wer den, wobei sich beide Teilstromrichter in der Aktivität gleichmäßig abwechseln und als Teilstromrichter-Strang spannungssollwerte (easoll 1, ebsoll 1, ecsoll 1, easoll 2, ebsoll 2, ecsoll 2) jeweils die Strangspannungssollwerte (easoll, ebsoll, ecsoll) verwendet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Teilstromrichter eines Drei punktwechselrichters aktiv sind, indem für beide Teil stromrichter identische dreieckförmige Referenzspannun gen (Uref 1=Uref 2) herangezogen und als Teilstromrich ter-Strangspannungssollwerte (easoll 1, ebsoll 1, ecsoll 1, easoll 2, ebsoll 2, ecsoll 2) jeweils die halben Strang spannungssollwerte (easoll, ebsoll, ecsoll) verwendet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, daß die beiden Teilstromrichter-Strangspannungs sollwerte (easoll 1, ebsoll 1, ecsoll 1, easoll 2, ebsoll 2, ecsoll 2) jeweils um den gleichen Betrag E×tmin/TP ge gensinnig verschoben werden, wobei E die halbe theore tisch maximal mögliche Ausgangsstrangspannung, tmin die Mindestzustandszeit eines Wechselrichterventils und TP die Pulsperiode darstellen.

6. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Teilstromrichter eines Drei punktwechselrichters aktiv sind, indem für den einen Teilstromrichter eine um den Betrag E ×tmin/TP angeho bene und für den anderen Teilstromrichter eine um diesen Betrag abgesenkte dreieckförmige Referenzspannung (Uref 1, Uref 2) herangezogen und als Teilstromrichter Strangspannungssollwerte (easoll 1, ebsoll 1, ecsoll 1, easoll 2, ebsoll 2, ecsoll 2) jeweils die halben Strang spannungssollwerte (easoll, ebsoll, ecsoll) verwendet werden, wobei E die halbe theoretisch maximal möglich Ausgangsstrangsspannung, tmin die Mindestzustandszeit eines Wechselrichterventils und TP die Pulsperiode dar stellen.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß eine Begrenzung des Spannungssollraum zeigers (essoll) erfolgt, indem die symmetrierten Strang spannungssollwerte (easoll, ebsoll, ecsoll) mit einem Faktor emax, zul./emax, gef. multipliziert werden, wobei emax, zul. den zulässigen, maximalen Strangspannungssoll wert und emax, gef. den geforderten maximalen Strangspan nungssollwert darstellen.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Drei punktwechselrichter nach Durchschaltung eines Halbspan nungszustandes innerhalb einer Pulsperiode (TP) in einer der folgenden Pulsperioden der ausgangsspannungsmäßig äquivalente, komplementäre Halbspannungszustand verwen det wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich net, daß ein Wechsel zur Verwendung des komplementären Halbspannungszustands nach jeweils zwei Pulsperioden (TP) erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 8 und/oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelpunktpotentialabweichung (Δ UM) der eingeprägten Eingangs-Gleichspannung erfaßt wird und daß eine Umschaltung auf den komplementären Halbspannungszustand lediglich erfolgt, wenn die Mittel punktpotentialabweichung (Δ UM) in der vergangenen Pul speriode einen Nulldurchgang aufweist oder sie sich be tragsmäßig vergrößert hat.

11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Drei punktwechselrichter das Mittelpunktpotential (Δ UM) der eingeprägten Eingangs-Gleichspannung gezielt verändert wird, indem der Strangspannungssollwertabstand (Δ e) zwischen den Teilstromrichter-Strangspannungssollwerten (easoll 1, easoll 2, ebsoll 1, ebsoll 2, ecsoll 1, ecsoll 2) in Abhängigkeit der erfaßten Mittelpunktpotentialabwei chung (Δ UM) verändert wird.