| Dokumentenidentifikation |
DE4104843A1 20.08.1992 |
| Titel |
Regelanordnung für eine getaktete elektronische Leistungsschalteinrichtung und Regelverfahren hierzu |
| Anmelder |
ABB Patent GmbH, 6800 Mannheim, DE |
| Erfinder |
Wallisch, Ulrich, Dipl.-Ing., 6840 Lampertheim, DE |
| DE-Anmeldedatum |
16.02.1991 |
| DE-Aktenzeichen |
4104843 |
| Offenlegungstag |
20.08.1992 |
| Veröffentlichungstag im Patentblatt |
20.08.1992 |
| IPC-Hauptklasse |
H02M 3/00
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| IPC-Nebenklasse |
H02M 7/48
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| Zusammenfassung |
Es werden eine Regelanordnung und ein Regelverfahren für eine getaktete elektronische Leistungsschalteinrichtung mit einem Stromregler (15) vorgeschlagen, der eine Taktfrequenz (fist) zur Ein/Ausschaltung der elektronischen Halbleiterventile der Leistungsschalteinrichtung (1) in Abhängigkeit der Regelabweichung zwischen einem Stromsollwertsignal (Isoll) und einem Stromistwertsignal (Iist) vorgibt. Zur Begrenzung der Taktfrequenz ist ein Transformationsglied (18) vorgesehen, das eine maximale Taktfrequenz (ftmax) in Abhängigkeit des Stromsollwertsignals (Isoll) vorgibt. Ein Frequenzvergleichsglied (16) vergleicht die Taktfrequenz (fist) des Stromreglers (15) mit der maximalen Taktfrequenz (ftmax). Ein Totzeitglied (17) begrenzt die Taktfrequenz (fist) auf die maximale Taktfrequenz (ftmax).
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| Beschreibung[de] |
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelanordnung für
eine getaktete elektronische Leistungsschalteinrichtung
mit einem Stromregler, der eine Taktfrequenz zur
Ein/Ausschaltung der elektronischen Halbleiterventile
der Leistungsschalteinrichtung in Abhängigkeit der
Regelabweichung zwischen einem Stromsollwertsignal und
einem Stromistwertsignal vorgibt, sowie auf ein
Regelverfahren hierzu.
Eine Anwendung der Erfindung kann bei
Gleichstromstellern (Choppern) erfolgen. Die elektronischen
Leistungsschalteinrichtungen können mit Leistungstransistoren,
Thyristoren oder ähnlichen Halbleiterventilen bestückt
sein.
Eine solche Regeleinrichtung ist aus dem Silizium
Stromrichter Handbuch der Aktiengesellschaft Brown Boveri &
Cie, 1971, Seite 412 bekannt. Es handelt sich dabei um
einen Gleichstromsteller, wobei ein Stromregler die
Taktsignale (Zündimpulse, Löschimpulse) für den
Zerhacker in Abhängigkeit der Regelabweichung zwischen
Stromsollwert und Stromistwert vorgibt.
Allgemein ist die Schaltverlustleistung einer getakteten
elektronischen Leistungsschalteinrichtung von der
Taktfrequenz und vom zu schaltenden Strom abhängig. Die
Schaltverlustleistung steigt mit zunehmender
Taktfrequenz und mit zunehmendem zu schaltendem Strom.
Wenn die elektronische Leistungsschalteinrichtung in
Reihe mit einer unbekannten, variablen Induktivität
geschaltet ist, muß die Taktfrequenz üblicherweise auf
einen festen, relativ kleinen Wert eingestellt oder die
Verstärkung eines als Stromregler eingesetzten P-Reglers
muß auf einen sicheren, relativ kleinen Wert eingestellt
(um eine "Übersteuerung des Stromreglers und daraus
resultierende Taktfrequenzerhöhungen" zu vermeiden) oder
die Schalthysterese eines als Stromregler eingesetzten
Zweipunktreglers muß auf einen relativ großen Wert
eingestellt werden (zur Begrenzung der Taktfrequenz) um die
Schaltverlustleistung auf im Hinblick auf die
Kühlvorrichtungen der elektronischen Halbleiterventile
zulässige Werte zu begrenzen.
Wenn die elektronische Leistungsschalteinrichtung in
Reihe mit einer bekannten, festen Induktivität
geschaltet ist, wird die Taktfrequenz üblicherweise auf einen
konstanten Wert eingestellt, wobei dieser konstante Wert
so gewählt ist, daß die bei konstanter Taktfrequenz und
Nennstrom entstehende Schaltverlustleistung der maximal
über die Kühlvorrichtungen der elektronischen
Halbleiterventile abführbaren Wärmeleistung entspricht. Ist der
zu schaltende Strom während bestimmter
Betriebsbedingungen kleiner als der Nennstrom, werden die
Kühlvorrichtungen (Kühlkörper) der elektronischen Halbleiterventile
nicht "ausgenutzt", d. h. es wird Bauvolumen
"verschenkt".
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Regelanordnung für eine getaktete elektronische
Leistungsschalteinrichtung anzugeben, die unter
verschiedenartigen Betriebsbedingungen stets eine optimale Ausnutzung
der Kühlvorrichtungen der elektronischen
Halbleiterventile der elektronischen Leistungsschalteinrichtung bei
gleichzeitig optimaler Betriebsweise der elektronischen
Leistungsschalteinrichtung gewährleistet. Desweiteren
soll ein Regelverfahren hierzu angegeben werden.
Diese Aufgabe wird bezüglich der Regelanordnung in
Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes
erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1
angegebenen Merkmale gelöst.
Die Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens durch die im
Anspruch 5 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen
insbesondere darin, daß die Taktfrequenz stets auf den
maximal möglichen schaltbaren Strom begrenzt wird, folglich
kann eine Überlastung der Kühlvorrichtungen der
elektronischen Halbeiterventile der elektronischen
Leistungsschalteinrichtung mit einer hieraus resultierenden
Gefährdung der Halbleiterventile infolge Überhitzung
nicht auftreten. Gleichzeitig wird die Taktfrequenz
jedoch nicht in unnötiger Weise begrenzt, z. B. durch
Einstellung der Taktfrequenz auf einen festen, relativ
kleinen Wert oder durch Einstellung der Verstärkung
eines als Stromregler eingesetzten P-Reglers auf einen
eine Taktfrequenzerhöhung infolge Übersteuerung mit
Sicherheit ausschließenden, relativ kleinen Wert oder
durch Einstellung der Schalthysterese eines als
Stromregler eingesetzten Zweipunktreglers auf einen relativ
großen Wert.
Die Verstärker kann bei einem P-Regler als Stromregler
vielmehr auf einen sehr hohen, eine genaue und
dynamische Regelung gewährleistetenden Wert eingestellt
werden. Ferner kann die Schalthysterese bei einem
Zweipunktregler als Stromregler auf einen kleinen, eine genaue
und dynamische Regelung gewährleistenden Wert
eingestellt werden. Hierdurch wird stets eine optimale
Betriebsweise der elektronischen
Leistungsschalteinrichtung mit relativ hoher Taktfrequenz gewährleistet.
Das Übersetzungsverhältnis der an der elektronischen
Leistungsschalteinrichtung anstehenden Gleichspannungen
und die in Serie zur elektronischen
Leistungsschalteinrichtung liegende Induktivität können sich in weiten
Bereichen ändern, ohne daß dies eine Begrenzung der
Taktfrequenz auf unnötig kleine Werte oder eine
mangelnde Ausnutzung der Kühlvorrichtungen der elektronischen
Halbleiterventile zur Folge hat. Allgemein ausgedrückt,
wird man bei der Auslegung und Optimierung der
elektronischen Leistungsschalteinrichtung unabhängig vom
Übersetzungsverhältnis der Gleichspannungen und von der
Induktivität.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand des in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. In
der einzigen Figur ist eine Anordnung zur
"Gleichspannungstransformation" dargestellt. Es ist eine
elektronische Leistungsschalteinrichtung 1 zu erkennen, die über
ihre erste Klemme 2 und eine Induktivität 3 mit dem
positivem Pol 4 einer ersten Gleichspannungsquelle 5
verbunden ist. Der negative Pol 6 der Gleichspannungsquelle
5 ist über eine Stromerfassungseinrichtung 7 an die
zweite Klemme 8 der Leistungsschalteinrichtung 1
angeschlossen. Eine zweite Gleichspannungsquelle 9 ist über
ihren positiven Pol 10 mit der dritten Klemme 11
respektive über ihren negativen Pol 12 mit der vierten
Klemme 13 der Leistungsschalteinrichtung 1 verbunden.
Die Gleichspannungen der ersten Gleichspannungsquelle 5
respektive der zweiten Gleichspannungsquelle 9 sind mit
U1 respektive U2 bezeichnet. Die Spannung U1 ist kleiner
als die Spannung U2, das Übersetzungsverhältnis ü ist
definiert als U1/U2. Es ist ein Leistungsfluß sowohl von
den Klemmen 2/8 zu den Klemmen 11/13 als auch umgekehrt
möglich. Induktivität 3 und Gleichspannungsquelle 5
können zusammen beispielsweise einen Gleichstrommotor
repräsentieren. Der über die Stromerfassungseinrichtung 7
vom negativen Pol 6 zur zweiten Klemme 8 der
elektronischen Leistungsschalteinrichtung fließende Gleichstrom
ist mit I bezeichnet. Die Stromerfassungseinrichtung 7
liefert ein entsprechendes Stromistwertsignal Iist als
Regelgröße der nachstehend beschriebenen
Regeleinrichtung.
Dieses Stromistwertsignal Iist wird in einer
Vergleichsstelle 14 mit einem Stromsollwertsignal Isoll
verglichen. Die beim Vergleich zwischen Führungsgröße Isoll
und Regelgröße Iist auftretende Regeldifferenz wird
einem Stromregler 15 zugeleitet. Als Stromregler 15 kann
ein analoger Zweipunktregler mit kleiner Schalthysterese
oder ein Proportionalregler mit sehr großer Verstärkung
verwendet werden. Dies minimiert den Einfluß der sich
zeitlich ändernden Spannung U1, die auf den Regelkreis
als Störgröße wirkt. Die vom Stromregler 15
ausgangsseitig abgegebene Taktfrequenz fist wird einem
Frequenzvergleichsglied 16 sowie einem Totzeitglied 17 zugeführt.
Dem Frequenzvergleichsglied 16 liegt am weiteren Eingang
die maximale Taktfrequenz ftmax an. Diese maximale
Taktfrequenz ftmax wird von einem Transformationsglied 18 in
Abhängigkeit des Stromsollwertsignals Isoll erzeugt, und
zwar steigt die maximale Taktfrequenz ftmax mit
sinkendem Stromsollwertsignal Isoll und sinkt umgekehrt bei
steigendem Stromsollwertsignal (Begrenzung von fist).
Das mit fdif bezeichnete Abweichungssignal entspricht
der Differenz fist-ftmax und wird vom
Frequenzvergleichsglied 16 an das Totzeitglied 17 abgegeben. Ist
dieses Abweichungssignal fdif kleiner oder gleich Null,
so passiert die Taktfrequenz fist das Totzeitglied 17
unverändert, d. h. die auf die maximale Taktfrequenz
ftmax begrenzte Taktfrequenz fb am Ausgang des
Totzeitgliedes 17 entspricht der Taktfrequenz fist, da eine
Begrenzung nicht erforderlich ist. Ist dieses
Abweichungssignal fdif größer als Null, so entspricht die
Taktfrequenz fb am Ausgang des Totzeitgliedes 17 der
maximalen Taktfrequenz ftmax. Dies wird dadurch
erreicht, indem die dem Totzeitglied 17 eingangsseitig
zugeführte Taktfrequenz fist um eine vom
Abweichungssignal fdif abhängige Totzeit verzögert wird. Diese
Totzeit steigt mit zunehmenden Abweichungssignal fdif
kontinuierlich an.
Für die vorstehend beschriebene Regelanordnung kann
zugelassen werden, daß sich die Induktivität 3 und die
Gleichspannung U1 in weiten Bereichen verändern. Das
sich infolge der Veränderung der Induktivität oder der
Gleichspannung U1 ändernde Stromistwertsignal Iist kann
eine Änderung der Taktfrequenz fist bewirken und somit
auch eine Änderung der Schaltverlustleistung. Durch die
Begrenzung der Taktfrequenz fist auf die maximale
Taktfrequenz ftmax - die im Abhängigkeit des Stromsollwertes
Isoll und damit letztlich des zu schaltenden Stromes I
vorgegeben wird - wird die Tatsache berücksichtigt, daß
Kühlkörpervolumen zur Kühlung der Halbleiterventile
nicht beliebig zur Verfügung steht, sondern daß die
Schaltverlustleistung der elektronischen
Halbleiterventile der elektronischen Leistungsschalteinrichtung die
maximal von den Kühlvorrichtungen der elektronischen
Halbleiterventile abgebbare Wärmeleistung nicht
überschreiten darf.
Die Regelung kann ständig an der digitalen Begrenzung
mit ftmax betrieben werden. Dann nimmt die
Stromwelligkeit des Stromes I mit abnehmender Induktivität 3 zu.
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| Anspruch[de] |
- 1. Regelanordnung für eine getaktete elektronische
Leistungsschalteinrichtung mit einem Stromregler (15),
der eine Taktfrequenz (fist) zur Ein/Ausschaltung der
elektronischen Halbleiterventile der
Leistungsschalteinrichtung (1) in Abhängigkeit der Regelabweichung
zwischen einem Stromsollwertsignal (Isoll) und einem
Stromistwertsignal (Iist) vorgibt, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Transformationsglied (18) vorgesehen ist,
das eine maximale Taktfrequenz (ftmax) in Abhängigkeit
des Stromsollwertsignals (Isoll) vorgibt, daß ein
Frequenzvergleichsglied (16) vorgesehen ist, das die
Taktfrequenz (fist) des Stromreglers (15) mit der maximalen
Taktfrequenz (ftmax) vergleicht und daß Mittel (17)
vorgesehen sind, die die Taktfrequenz (fist) auf die
maximale Taktfrequenz (ftmax) begrenzen.
- 2. Regelanordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Totzeitglied (17) vorgesehen ist, das
die ihn eingangsseitig zugeführte Taktfrequenz (fist) in
Abhängigkeit des vom Frequenzvergleichsglied (16)
erzeugten Abweichungssignals (fdif) zwischen der
Taktfrequenz (fist) und der maximalen Taktfrequenz (ftmax) auf
die maximale Taktfrequenz (fist) begrenzt.
- 3. Regelanordnung nach Anspruch 1 und/oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Stromregler (15) als
P-Regler mit sehr hoher Verstärkung ausgebildet ist.
- 4. Regelanordnung nach Anspruch 1 und/oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Stromregler (15) als
Zweipunktregler mit kleiner Schalthysterese ausgebildet ist.
- 5. Regelverfahren für eine getaktete elektronische
Leistungsschalteinrichtung mit einem Stromregler, der
eine Taktfrequenz zur Ein/Ausschaltung der
elektronischen Halbleiterventile der Leistungsschalteinrichtung
in Abhängigkeit der Regelabweichung zwischen einem
Stromsollwertsignal und einem Stromistwertsignal
vorgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktfrequenz auf
eine in Abhängigkeit des Stromsollwertsignals
vorgegebene maximale Taktfrequenz begrenzt wird.
- 6. Regelverfahren nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Taktfrequenz derart verzögert wird,
daß sie der maximalen Taktfrequenz entspricht.
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