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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
IPC-Nebenklasse H02M 7/48   
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).

Beschreibung[de]

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.


Anspruch[de]
  1. 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. 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. 3. Regelanordnung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromregler (15) als P-Regler mit sehr hoher Verstärkung ausgebildet ist.
  4. 4. Regelanordnung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromregler (15) als Zweipunktregler mit kleiner Schalthysterese ausgebildet ist.
  5. 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. 6. Regelverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktfrequenz derart verzögert wird, daß sie der maximalen Taktfrequenz entspricht.






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