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Dokumentenidentifikation DE3504623C2 27.04.1995
Titel Vorrichtung zum Erfassen von Wirk- und/oder Blindstrom einer Phase eines Wechselrichters oder eines mehrphasigen Wechselrichters
Anmelder Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München, DE
Erfinder Braun, Michael, Dr.-Ing., 8520 Erlangen, DE
DE-Anmeldedatum 11.02.1985
DE-Aktenzeichen 3504623
Offenlegungstag 07.11.1985
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 27.04.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.04.1995
IPC-Hauptklasse G01R 19/06
IPC-Nebenklasse H02P 6/00   

Beschreibung[de]

Häufig wird der Meßwert des Wirk- oder Blindstroms benutzt, um z. B. Strom- und Drehzahlpendelungen von umrichtergespeisten Asynchronmaschinen zu dämpfen. Dabei ist häufig eine möglichst unverzögerte Erfassung des entsprechenden Meßwertes wünschenswert.

Eine Möglichkeit, bekannt aus der Dissertation vom M. Braun, 1983, TH Darmstadt, insbesondere den Seiten 55, 60 und 151, besteht z. B. darin, die Ausgangsspannung in zweiphasige Komponenten umzurechnen und dann mit Hilfe eines Vektorfilters zu glätten und zu normieren. Die normierte Ausgangsspannung wird dann mit entsprechenden zweiphasigen Komponenten der Ausgangsströme multipliziert und liefert die Meßwerte von Wirk- bzw. Blindstrom oder bei Verwendung der nicht normierten Ausgangsspannung die Meßwerte von Wirk- bzw. Blindleistung. Dies erfordert nicht nur entsprechende Rechenglieder zur Umrechnung in zweiphasige Komponenten, sondern auch das Vektorfilter selbst. Sofern derartige Meßwerte für die Phasen des Wechselrichters einzeln benötigt werden, müssen sie aus den zweiphasigen Komponenten errechnet werden.

Aus der Entgegenhaltung CH 472 677 ist eine Schaltungsanordnung zur Messung elektrischer Energie bekannt, die eine Vorrichtung zur Erfassung der Momentanleistung aufweist. Diese Vorrichtung enthält einen Spannungswandler, einen Stromwandler, einen Impulsdauer-Pausendauer-Modulator, einen elektronischen Umschalter und einen Strom-Frequenz-Wandler. Der Impuls-Pausendauer-Modulator ist an der Sekundärwicklung des Spannungswandlers angeschlossen, wobei der Modulator eine Impulsfolge mit einem von der gemessenen Spannung abhängigen Verhältnis von Impulsdauer zu Pausendauer erzeugt. Dieses vom Modulator erzeugte Signal steuert den elektronischen Umschalter, der eingangsseitig mit der Sekundärwicklung des Stromwandlers verbunden ist, derart, daß dieser während der Impulsdauer die eine und während der Pausendauer die andere Schaltstellung einnimmt. Ausgangsseitig ist der elektronische Umschalter mit dem Strom-Frequenz-Wandler derart verknüpft, daß der zeitliche Mittelwert des diesem Strom-Frequenz-Wandler zugeführten Eingangsstromes der verbrauchten Leistung proportional ist. Mit dieser aufwendigen Schaltungsanordnung kann man nur die Momentanleistung bestimmen, die, um den Wirkstrom einer Phase zu erfassen, noch weiter verarbeitet werden muß.

Aus der DE 23 51 950 AS ist eine Schaltungsanordnung zur Messung des Blind- und Wirkanteils eines durch ein Meßobjekt fließenden komplexen Wechselstromes bekannt. Bei dieser Schaltungsanordnung wird das Meßobjekt über einen Widerstand an eine einstellbare Wechselspannungsquelle gelegt. Ein von der Wechselspannung abgeleitetes Signal mit konstanter Amplitude zur Wirkstrommessung wird dem einen Eingang eines Analog-Multipliziers direkt und zur Blindstrommessung über ein 90°-Phasenglied zugeführt. Die am Widerstand abfallende, dem Strom durch das Meßobjekt proportionale Spannung wird verstärkt und dem anderen Eingang des Analog-Multipliziers zugeführt, dessen Ausgang mit einem Tiefpaß mit nachgeschaltetem Strommesser verbunden ist.

Aufgabe der Erfindung ist eine möglichst aufwandsarme Ermittlung von Wirk- und/oder Blindleistung einer Phase eines Wechselrichters oder eines mehrphasigen Wechselrichters.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1 bis 4 sowie des Anspruchs 7. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ausgangspunkt ist demgemäß eine Schaltung, bei der ein einem Phasenstrom entsprechendes Meßsignal und ein dem Phasenstrom entsprechendes inverses Meßsignal jeweils einem Eingang eines Umschalters aufgeschaltet wird, der mit dem den Schaltzustand des auf diese Phase arbeitenden Wechselrichterschalters bestimmenden Schaltsignal betätigt wird. Das Schalterausgangssignal gibt den Momentanwert der Phasenleitung an, der über einen Mittelwertbildner mit einem Mittel zur Bewertung des Schalterausgangssignals mit einem Reziprokwert der Wechselrichteraussteuerung verbunden ist. Am Ausgang dieses Mittels steht ein Signal an, das den Wirkstrom einer Phase des Wechselrichters angibt.

Zur Ermittlung des Blindstromes gemäß den Merkmalen des Anspruchs 2 wird ein einem Phasenstrom entsprechendes Meßsignal und ein dem Phasenstrom entsprechendes inverses Meßsignal jeweils um µ/2 gedreht. Die weitere Verarbeitung dieser Meßsignale entspricht der Verarbeitung bei der Erfassung des Wirkstromes.

Es kann auch ein dem Phasenstrom an einem Ausgang des Wechselrichters entsprechendes Meßsignal bei der Erfassung der Wirkleistung direkt bzw. bei der Erfassung der Blindleistung nach einer Phasendrehung um µ/2 je einem Schalter aufgeschaltet werden. Die Schalter werden mit den den Schaltzustand der Wechselrichterschalter bestimmenden Signale betätigt. Die Ausgangssignale der Schalter werden dann in einem Überlagerungsglied addiert, das den entsprechenden pulsbreitenmodulierten Meßwert von Wirk- bzw. Blindleistung liefert.

Anhand von sechs Figuren und vier Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt dabei einen Gleichrichter, der als lastseitiger Stromrichter eines Zwischenkreisumrichters mit eingeprägter Zwischenkreisspannung verwendet ist. Fig. 2 verdeutlicht die Erfindung für den Fall, daß für eine einzelne Phase die Momentanleistung, die Wirkleistung und der Wirkstrom erfaßt werden sollen. In Fig. 3 ist eine Schaltung zur Erfassung von Wirkleistung und Wirkstrom des gesamten Umrichters nach Fig. 1 dargestellt. Fig. 4 zeigt eine Schaltung zur gleichzeitigen Erfassung von Blindstrom und Wirkstrom eines derartigen Stromrichters, wobei ein dabei verwendeter Koordinatendreher in Fig. 5 dargestellt ist. Fig. 6 stellt eine besonders aufwandsarme Schaltung zur Ermittlung der Meßwerte für Blindstrom und Wirkstrom dar.

Mit R, S, T und U, V, W sind in Fig. 1 die über eine ungesteuerte Gleichrichterschaltung 1 an ein praktisch konstantes Wechselstromnetz angeschlossenen Anschlüsse eines Zwischenkreisumrichters bzw. die lastseitigen Ausgänge dieses Zwischenkreisumrichters dargestellt. Über geeignete Meßglieder werden Meßwerte iU, iV, iW für die Phasenströme an den Ausgängen U, V und W gebildet.

Im lastseitigen Stromrichter 2 ist jeder Ausgang U, V, W jeweils über einen Halbleiterschalter (z. B. Transistoren) TU1, TU2 bzw. TV1, TV2 bzw. TW1, TW2 alternierend mit dem positiven bzw. negativen Pol des Zwischenkreises verbunden, dessen von der Gleichrichterbrücke 1 gelieferte Zwischenkreisspannung über einen Kondensator 3 konstant gehalten wird. Die Ansteuersignale für die drei Halbleiterschalter sind mit SU, SV, SW bezeichnet. In jedem Schalter sind den einzelnen Transistoren Ruckarbeitsdioden antiparallel geschaltet. Weitere selbstverständliche Einzelheiten (Treiberstufen, Mittel zur Potentialtrennung etc.) sind in Fig. 1 weggelassen.

Die Ausgangsspannungen des Gleichrichters 2 sind in ihrer Phasenlage durch die Schaltimpulse bestimmt. Die Verwendung von Transistorschaltern ermöglicht dabei insbesondere, durch ein hochfrequentes Umschalten zwischen den beiden Zwischenkreispolen eine pulsbreitenmodulierte, insbesondere sinusförmige Ausgangsspannung herzustellen. Die Ausgangsströme sind bei einer derartigen Einprägung der Ausgangsspannungen durch die Impedanzverhältnisse der jeweiligen Last bestimmt und stellen sich frei ein. Die Momentanleistung ergibt sich dann aus einer phasenrichtigen Multiplikation des jeweiligen Ausgangsstromes mit der eingeprägten Spannung, deren durch geeignete Glättung gebildeter Mittelwert in jeder Halbperiode der Spannung die jeweilige Wirkleistung der Phase angibt, während die jeweilige Blindleistung einer Phase aus dem Produkt des Phasenstromes mit der um 90° verschobenen Spannung gewinnbar ist.

Dabei wird in Fig. 2 das Schaltsignal SU, das die auf die Phase U arbeitenden Wechselrichterschalter TU1 und TU2 betätigt, auch zum Umlegen des als Polaritäts-Umschalters ausgebildeten Schalters NU verwendet und dem Schalter NU das dem Phasenstrom iU entsprechende Meßsignal zugeführt. Unter Berücksichtigung dieser Polaritätswechsel stellt das Schaltsignal SU die pulsbreitenmodulierte und auf die Zwischenkreisspannung normierte Phasenspannung dar und der Schalter wirkt als Pulsbreitenmultiplikator für Spannung und Strom.

Sind die Eingangsgleichspannung (Zwischenkreisspannung) und die Amplitude der Ausgangsgrundschwingung des Wechselrichters bekannt, so ist dieses gepulste Schalterausgangssignal ein direktes Maß für die Momentanleistung an dieser Phase und der in jeder Halbperiode gemessene Mittelwert gibt die Wirkleistung an. Dieser Mittelwertbildung dient der als Glättungsglied beschaltete Operationsverstärker 4.

Zur Berücksichtigung der Spannungsamplitude ist das nachgeschaltete Kennlinienglied 5 vorgesehen, das das Schalterausgangssignal mit dem Reziprokwert der Wechselrichteraussteuerung (u. U. unter weiterer Berücksichtigung der Spannungsnormierung auf die Zwischenkreisspannung) bewertet. Dadurch entsteht dann ein Signal für den Wirkstrom dieser Phase.

Wendet man diese Schaltung auf alle Phasen des Wechselrichters an, so kann durch Addition der Leistungen bzw. Ströme ein entsprechendes Meßsignal für die Momentan- bzw. Wirkleistung und den Wirkstrom des ganzen Wechselrichters gebildet werden.

Eine entsprechende Schaltung ist in Fig. 3 dargestellt, wobei eine Ausgestaltung der Schalter NU, NV und NW für die Meßsignale der Ströme iU, iV und iW gewählt ist, bei denen die Schalter selbst als einfache Ein/Aus-Schalter ausgebildet sind und der Polaritätswechsel dadurch erreicht wird, daß die jeweiligen Meßsignale mit dem konstanten Faktor -1/2 dem Additionsglied für die Schalterausgangssignale zugeführt werden. Als Additionsglied ist dabei der bereits erwähnte, als Glättungsglied beschaltete Operationsverstärker 4 verwendet.

Ist der lastseitige Sternpunkt des Umrichters nicht angeschlossen, so gilt iU + iV + iW = 0 und die mit dem Faktor -1/2 bewerteten Meßsignale brauchen nicht berücksichtigt zu werden. Man gelangt so zu einer vereinfachten Schaltung, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist.

Dort ist der jeweilige Meßwert iU, iV und iW zur Erfassung der Wirkleistung jeweils einem Schalter MU, MV, MW zugeführt, wobei jeder Schalter mit dem Schaltsignal SU, SV, SW des der entsprechenden Phase U, V, W zugeordneten Wechselrichterschalters betätigt wird. An den Ausgängen dieser Schalter stehen nunmehr Ausgangssignale an, die pulsbreitenmodulierte Werte für die Wirk- bzw. Blindleistung dieses Ausgangs darstellen. Die entsprechende Meßwerte für den gesamten Wechselrichter werden gebildet, indem die von der Schalterausgangssignalen gebildeten Phasen-Wirkströme direkt im Additionsglied 4 zum resultierenden Wirkstrom-Meßwert addiert werden.

Der dadurch gebildete Meßwert weist infolge der Pulsbreitenmultiplikation Oberschwingungen auf, die jedoch durch Glättung umso leichter beseitigt werden können, je höher die Arbeitsfrequenz der Pulsbreitenmodulation ist. Insbesondere bei einem Pulswechselrichter genügt daher eine geringe, mittels der RC-Beschaltung des Operationsverstärkers 4 (Additionsgliedes) bewirkte Glättung.

Allerdings legt das Pulsbreitenverhältnis der Schaltsignale des Pulswechselrichters auch die Amplitude der Ausgangsspannungs-Grundschwingungen fest, so daß das Ausgangssignal des Additionsgliedes über den Aussteuerungsgrad des Wechselrichters der Wirkleistung proportional ist. Daher ist zur Ermittlung des Wirkstromes dem Additionsglied das Kennlinienglied 5 nachzuschalten, wodurch der vom Additionsglied gelieferte Meßwert mit dem Reziprokwert der Wechselrichteraussteuerung bewertet wird. Das entsprechende, nunmehr vom Aussteuerungsgrad des Wechselrichters unabhängige Ausgangssignal des Kennliniengliedes 5 kann natürlich auch auf andere Weise erzeugt werden; insbesondere ist es möglich, diese Bewertung mit dem Reziprokwert des Aussteuerungsgrades auf digitale Weise in der diesen Meßwert verarbeitenden Steuerung der Maschine, z. B. einem Mikroprozessor, auszuführen. Auch anstelle der Analogschalter MU, MV, MW und anstelle des Additionsgliedes 4 können entsprechende Digitalbausteine verwendet werden.

Zur Erfassung des Blindstromes kann auf gleiche Weise vorgegangen werden, wobei es lediglich erforderlich ist, die Meßsignale iU, iV und iW zunächst mittels eines Phasendrehers 6 in ihrer Phasenlage um 90° zu drehen. Die auf diese Weise phasenverschobenen Meßwerte werden entsprechenden Schaltern BU, BV und BW zugeführt, die ebenfalls mit den den Schaltzustand der Wechselrichterschalter bestimmenden Schaltsignalen SU, SV und SW betätigt werden. Ein anschließendes Additionsglied, das ggf. zur Erreichung einer Glättung durch einen Operationsverstärker 7 mit RC-Beschaltung ausgeführt sein kann, liefert dann den Meßwert für den Blindstrom, der z. B. im Falle eines Pulswechselrichters ebenfalls über ein Kennlinienglied 8 am Additionsglied 7 abgegriffen ist.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel eines Phasendrehers, bei dem die ursprünglichen Meßwerte iU, iV und iW jeweils über entsprechende Multiplikations- und Additionsglieder zu einem neuen System von Meßwerten zusammengesetzt werden können, das nunmehr um µ/2 gedreht ist. Diese Schaltung verursacht praktisch keinen Phasen- und Amplitudenfehler.

Selbstverständlich ist diese Erfassung von Wirk- und/oder Blindstrom nicht nur auf den dargestellten dreiphasigen Fall beschränkt, sondern kann auch für Wechselrichter mit anderer Phasenzahl verwendet werden. Ist der Sternpunkt der Last nicht angeschlossen, sondern frei, so kann, da dann die Summe aller Ausgangsströme Null ist, zumindest ein Phasenstrom aus den anderen Strömen berechnet werden, wodurch sich die Anzahl der benötigten Bauelemente verringert. Eine derartige Verringerung ist u. U. auch in anderen Fällen möglich, z. B. wenn aufgrund einer streng symmetrischen Last rechnerisch erfaßbare Beziehungen zwischen einzelnen Phasenströmen bestehen, die es gestatten, bestimmte Phasenströme durch die restlichen Phasenströme rechnerisch zu ermitteln.

So ergibt sich z. B. im dreiphasigen Fall mit freiem Sternpunkt eine besonders einfache Schaltung, wenn handelsübliche integrierte Schaltungen als Analogschalter verwendet werden, bei denen 4 einzelne Analogschalter zu einem einzigen Bauelement vereinigt sind. Eine derartige Konfiguration ist in Fig. 6 dargestellt.

Die Verstärkerschaltungen 10 und 11 bewirken dabei zunächst die für die Blindstromerfassung nötige Phasendrehung um 90°, wobei lediglich von den invertierten Meßwerten iU, iW ausgegangen wird. Der dadurch phasenverschobene Meßwert iU bzw. iW wird einerseits jeweils über den Schalter Bu und BW mit dem Schaltsignal SU und SW pulsbreitenmoduliert und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 7 (Additionsglied) zugeführt. Andererseits werden diese Meßwerte über Schalter BV1 und BV2 auch mit dem Schaltsignal SV pulsbreitenmoduliert und dem nichtinvertierenden Eingang des Additionsglieds 7 zugeführt, das somit entsprechend der Bedingung des freien Sternpunktes (iV = -iU-iW) den entsprechenden Blindstrom am Ausgang V errechnet. Die Schalter BU, BW, BV1 und BV2 sind hierbei zu einer einzigen integrierten Schaltung zusammengefaßt.

Die entsprechende Anordnung mit den Schaltern MU, MW und MV1, MV2, jedoch ohne den Phasendreher 10, 11 ist auch für die Erfassung des Wirkstromes IW vorgesehen.

Insgesamt ergibt sich somit eine Schaltung, die die Erfassung von Blindstrom und Wirkstrom mit einem minimalen Aufwand ermöglicht.


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung zum Erfassen des Wirkstromes einer Phase eines Wechselrichters (2), wobei ein einem Phasenstrom entsprechendes Meßsignal (iU) und ein dem Phasenstrom entsprechendes inverses Meßsignal jeweils einem Eingang eines beiden Meßsignalen gemeinsamen Umschalters (NU) aufgeschaltet wird, der mit dem den Schaltzustand des auf diese Phase (U) arbeitenden Wechselrichterschalters (TU1, TU2) bestimmenden Schaltsignal (SU) betätigt wird und dessen Ausgang über einen Mittelwertbildner (4) mit einem Mittel (5) zur Bewertung des Ausgangssignals des Umschalters (NU) mit einem Reziprokwert der Wechselrichteraussteuerung (r) verbunden ist.
  2. 2. Vorrichtung zum Erfassen des Blindstromes einer Phase eines Wechselrichters (2), wobei ein einem Phasenstrom entsprechenden Meßsignal (iU) nach Phasendrehung um µ2 mittels eines Phasendrehers (6) und ein dem Phasenstrom entsprechendes nach Phasendrehung um µ/2 mittels eines Phasendrehers (6) inverses Meßsignal einem Eingang eines beiden Meßsignalen gemeinsamen Umschalters (NU) aufgeschaltet wird, der mit dem den Schaltzustand des auf diese Phase (U) arbeitenden Wechselrichterschalters (TU1, TU2) bestimmenden Schaltsignal SU betätigt wird und dessen Ausgang über einen Mittelwertbildner (4) mit einem Mittel (5) zur Bewertung des Ausgangssignals des Umschalters (NU) mit einem Reziprokwert der Wechselrichteraussteuerung (r) verbunden ist.
  3. 3. Vorrichtung zum Erfassen des Wirkstromes (IW) eines mehrphasigen Wechselrichters (2), wobei für jede Phase ein einem Phasenstrom entsprechendes Meßsignal (iU, iV, iW) und ein dem Phasenstrom entsprechendes inverses Meßsignal jeweils einem Eingang eines beiden Meßsignalen gemeinsamen Umschalters (NU, NV, NW) aufgeschaltet wird, die Umschalter (NU, NV, NW) jeder Phase mit dem den Schaltzustand des auf diese Phasen (U, V, W) arbeitenden Wechselrichterschalters (TU1, TU2; TU1, TV2; TW1, TW2) bestimmenden Schaltsignalen (SU, SV, SW) betätigt werben und die Ausgänge der Umschalter (NU, NV, NW) über einen Mittelwertbildner (4) mit einem Mittel (5) zur Bewertung des Ausgangssignals des Mittelwertbildners (4) mit einem Reziprokwert der Wechselrichteraussteuerung (r) verbunden sind.
  4. 4. Vorrichtung zum Erfassen des Blindstromes (IB) eines mehrphasigen Wechselrichters (2), wobei für jede Phase ein einem Phasenstrom entsprechendes Meßsignal (iU, iV, iW) nach Phasendrehung um π/2 mittels eines Phasendrehers (6) und ein dem Phasenstrom entsprechendes nach Phasendrehung um π/2 mittels eines Phasendrehers (6) inverses Meßsignal jeweils einem Umschalter (NU, NV, NW) aufgeschaltet wird, die Umschalter (NU, NV, NW) in jeder Phase jeweils mit dem den Schaltzustand des auf diese Phasen (U, V, W) arbeitenden Wechselrichterschalters (TU1, TU2; TV1, TV2; TW1, TW2) bestimmenden Schaltsignalen (SU, SV, SW) betätigt werden und die Ausgänge der Umschalter (NU, NV, NW) über einen Mittelwertbildner (4) mit einem Mittel (5) zur Bewertung des Ausgangssignals des Mittelwertbildners (4) mit einem Reziprokwert der Wechselrichteraussteuerung (r) verbunden sind.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4 für einen mehrphasigen Wechselrichter (2) mit lastseitigem freien Sternpunkt, wobei als Umschalter (NU, NV, NW) Ein-/Ausschalter (MU, MV, MW oder BU, BV, BW) vorgesehen sind.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Mittel (5) ein Kennlinienglied vorgesehen ist, dessen einer Eingang mit dem Ausgang des Mittelwertbildners (4) verbunden ist und an dessen anderen Eingang der Reziprokwert der Wechselrichteraussteuerung (r) ansteht.
  7. 7. Vorrichtung zum Erfassen des Wirk- und Blindstromes (IW, IB) eines mehrphasigen Wechselrichters (2), bestehend aus einer Vorrichtung zum Erfassen des Wirkstromes (Iw) gemäß Anspruch 3 und einer Vorrichtung zum Erfassen des Blindstromes (IB) gemäß Anspruch 4, wobei ein mehrphasiger Wechselrichter (2) mit lastseitigem freien Sternpunkt und als Umschalter (Nu, Nv, Nw) Ein-/Ausschalter (Mu, Mv, Mw oder Bu, Bv, Bw) vorgesehen sind.






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