DE19648696A1

DE19648696A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ausregelung des DC-Offsets eines Umrichters

Info

Publication number: DE19648696A1
Application number: DE19648696A
Authority: DE
Inventors: Peter Daehler; Osvin Gaupp
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 1996-11-25
Filing date: 1996-11-25
Publication date: 1998-05-28
Also published as: EP0844729B1; CA2216133C; DE59709385D1; EP0844729A2; CA2216133A1; ATE233447T1; US5870297A; EP0844729A3; ZA978695B; JPH10164849A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungselektronik. Sie geht aus von einem Verfahren bzw. einer Vorrichtung zur Ausregelung des DC-Offsets eines Umrichters gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.

Stand der Technik

Bei U-Umrichtern, d. h., Umrichtern mit einem Gleichspannungszwischenkreis, die wechselspannungsseitig einen Leistungstransformator speisen ergeben sich Probleme mit einer der Wechselspannung anhaftenden Gleichspannungskompo nente (DC-Offset). Dieser DC-Offset, obwohl er verglichen mit der Amplitude der Wechselspannung (z. B. 7.5 kV) sehr gering ist (z. B. einige Volts oder Bruchteile davon), kann den Transformator zur Sättigung bringen. Dies vermindert die zu übertragende Leistung erheblich oder kann den Betrieb sogar verunmöglichen.

Zur Verminderung dieser Einflüsse wurden bis jetzt folgende Lösungen vorge schlagen:
Einerseits werden konstruktive Maßnahmen am Transformator vorgenommen. Insbesondere wird ein Luftspalt vorgesehen, oder es werden Induktions-Meß sonden (z. B. Hall-Sonden) in den Transformator eingeführt und der DC-Offset möglichst gut ausgeregelt. Diese Maßnahmen sind jedoch vergleichsweise aufwendig und teuer und vermögen den DC-Offset auch nur auf ein gewisses Minimum zu regeln. Die konstruktiven Eingriffe am Transformator haben grö ßere Verluste und Geräuschemissionen zur Folge. Insbesondere bei Transfor matoren hoher Leistung sind diese Nachteile nicht mehr hinnehmbar.

Andererseits wurde versucht, den DC-Offset mittels hochpräzisen, und somit auch teuren DC-Stromwandlern zu erfassen und auszuregeln. Durch diese Maßnahme erreichte man aber ebenfalls nur eine unbefriedigende Ausregelung und die Regelung war entsprechend kompliziert und aufwendig.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur Ausregelung des DC-Offsets eines Umrichters anzugeben, die oder das möglichst einfach aufzubauen, robust im Betrieb ist und gegenüber dem Stand der Technik eine verbesserte Ausregelung des DC-Offsets ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung bzw. bei einem Verfahren der ein gangs genannten Art durch die Merkmale des ersten Anspruchs gelöst.

Kern der Erfindung ist es also, daß die wechselspannungseitige Ausgangsspan nung des Umrichters einem im wesentlichen passiven (d. h. offsetfreien) Tief passfilter zugeführt wird, das der Wechselanteil der Ausgangsspannung auf ein auf elektronischem Weg verarbeitbares Niveau reduziert. Dem Tiefpass ist ein Regler nachgeschaltet, der durch geringfügige Verzögerung oder Verschiebung der entsprechenden Schaltbefehle den DC-Offset im wesentlichen gegen Null re gelt. Das Tiefpassfilter wird vorzugsweise als kombiniertes passives und aktives Filter ausgeführt. Die Verwendung eines passiven Filters hat insbesondere den Vorteil, daß kein zusätzlicher DC-Offset durch die Operationsverstärker hinzu gefügt wird. Da sich die elektronische Meß- und Regelschaltung auf Stark strompotential des Umrichters befindet, wird das Ausgangssignal des Reglers der Ansteuerschaltung der Schalter des Umrichter vorzugsweise auf in digitali sierter Form auf optischem Weg zugeführt. Der A/D-Wandler ist mit Vorteil dem Regler nachgeschaltet, so daß ein durch den A/D-Wandler hinzugefügter DC-Offset automatisch auch ausgeregelt wird. Die Reglerverstärkung beläuft sich z. B. im Bereich von 25-75 µs/V. Die Erfindung nutzt die Tatsache, daß heute sehr günstige Standard-Operationsverstärker mit hervorragenden Offseteigen schalten am Markt erhältlich sind.

Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den entsprechenden abhängigen Ansprüchen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrich tung erreicht man eine Umrichterausgangsspannung, die im Idealfall keinen für den Transformator störenden DC-Offset aufweist. Die erfindungsgemäße Lö sung ist wesentlich billiger und genauer als die Lösungsansätze nach dem Stand der Technik.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusam menhang mit den Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 Eine mögliche Schaltungsanordnung für das Tiefpassfilter und den Regler;

Fig. 3 Eine Variante der Erfindung für 3-phasige Umrichter.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefaßt aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild, anhand dessen das erfindungsgemäße Ver fahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung erläutert werden soll. Mit 1 ist ein Umrichter bezeichnet, der an einen Gleichspannungszwischenkreis 2, darge stellt durch eine Gleichspannungsquelle, angeschlossen ist. Wechselspannungs seitig ist ein Transformator 3 vorgesehen. Der Transformator 3 ist seinerseits mit einer nicht dargestellten Last, z. B. einem Antriebsmotor oder einem Span nungsversorgungsnetz o. ä. verbunden. Die durch den Umrichter 1 erzeugte Wechselspannung weist einen unvermeidlichen Gleichspannungsanteil (DC-Offset) auf. Dieser Gleichspannungsanteil kann, wenn er zu groß wird, den Transformator 3 in die Sättigung bringen. Auch wenn der DC-Offset ungeregelt im Vergleich mit der vom Umrichter 1 erzeugten Wechselspannung sehr gering ist (z. B. 10 mV DC/7.5 kV AC), hat er auf den Transformator einen derart schädigenden Einfluß, daß die Funktionstüchtigkeit der gesamten Schaltungs anordnung in Frage gestellt wird. Eine möglichst wirksame Unterdrückung des DC-Offsets ist demzufolge unbedingt notwendig.

Nach der Erfindung wird diese Unterdrückung dadurch erreicht, daß die wech selspannungseitige Ausgangsspannung des Umrichters 1 zunächst einmal auf ein auf elektronischem Weg verarbeitbares Niveau gebracht wird. Dazu ist ein Tiefpass 5 vorgesehen, der die gemessene Ausgangsspannung oberhalb einer be stimmten Grenzfrequenz stark dämpft. Dem Tiefpass 5 ist ein Regler 6 nachge schaltet, der die Ausgangsspannung des Tiefpasses 5 gegen Null regelt. Dies ge schieht dadurch, daß der Regler 6 mit der Ansteuerschaltung 4 der Leistungs halbleiterschalter des Umrichters 1 verbunden ist. Durch Verzögerung der Ein- und Ausschaltbefehle nach Maßgabe der am Regler 6 anliegenden Spannung wird der DC-Offset ausgeregelt. Wird z. B. ein positiver DC-Offset gemessen, so werden die Schalter zum Einschalten der positiven Halbwelle verzögert, bis über eine Periode gemessen schlußendlich kein DC-Offset mehr festzustellen ist. Bei negativem DC-Offset werden natürlich die Einschaltbefehle für die negative Halbwelle verzögert. Selbstverständlich können anstatt einer Verzögerung auch die jeweils anderen Schalter verfrüht eingeschaltet werden, während die bereits leitenden eher ausgeschaltet werden. Dasselbe gilt natürlich auch für eine puls dauermodulierte Ansteuerung der Schalter. Die Regelverstärkung beläuft sich z. B. im Bereich von 25-75 µs/V, insbesondere ungefähr 50 µs/V. D.h. pro 1 Volt, die am Reglerausgang anliegen, wird eine Verzögerung von ca. 50 µs erzeugt.

Das Tiefpassfilter 5 umfaßt gemäß Fig. 2 vorzugsweise einen passiven Teil 10 und einen aktiven Teil 11. Das passive Teilfilter 10 kann beispielsweise in Form einer dreistufigen Kaskade von RC-Gliedern aufgebaut sein. Es handelt sich dann um einen Tiefpass 3. Ordnung. Passive Filter haben den Vorteil, daß sich keinen eigenen DC-Offset hinzufügen. Für das aktive Teilfilter 11 wird des halb mit Vorteil ein offsetarmer Operationsverstärker verwendet, der auch eine geringe Temperaturdrift aufweist. Solche Bausteine sind heute in low cost Aus führung in Standardausführung am Markt erhältlich.

Dasselbe gilt für den Regler 6, der als P-Regler, PI-Regler oder I-Regler ausge führt sein kann. In Fig. 2 ist ein I-Regler dargestellt. Der Regler 6 und das Tiefpassfilter 5 sowie der A/D-Wandler 7 sind zusammen mit der übrigen Meß elektronik auf Hochspannungspotential angeordnet. Dadurch haben nachfolgend verursachte Offsetfehler keinen Einfluß mehr auf den Gleichspannungsanteil der wechselspannungsseitigen Ausgangsspannung des Umrichters 1. Insbeson dere die Anordnung des A/D-Wandlers 7 nach dem Regler 6 ermöglicht, daß die Einflüsse des A/D-Wandlers automatisch mitausgeregelt werden. Der dem Reg ler 6 zugeordnete Schalter dient der Rücksetzung des Integrators, wenn der Umrichter nicht in Betrieb ist. Seine Ansteuerung erfolgt nach Maßgabe der Ansteuerschaltung 4 über den zum Regler 6 hinführenden Lichtwellenleiter 9.

Die Signalverbindung zwischen der Ansteuerschaltung 4 und der Regelung bzw. dem A/D-Wandler 7 erfolgt vorzugsweise mittels Lichtwellenleitern 9. Die Meß elektronik, d. h. das aktive Filter 11, der Regler 6, der A/D-Wandler 7 und die Optokoppler 8, kann entweder über einen Trenntransformator oder durch Aus kopplung aus der Umrichterausgangsspannung mit der erforderlichen Leistung versorgt werden.

Fig. 3 zeigt eine Variante der Erfindung für dreiphasige Umrichterschal tungsanordnungen. In diesem Fall sind zwei Sätze von Filtern 5, Reglern 6 und A/D-Wandlern 7 vorgesehen, die je zwischen zwei Phasen des wechselspan nungsseitigen Ausgangs des Umrichters 1 geschaltet sind.

Mit der Erfindung kann der DC-Anteil auf einfache Weise so weit reduziert wer den, daß der Transformator 3 keine störenden Sättigungserscheinungen mehr zeigt.

Bezugszeichenliste

1

Umrichter

2

Gleichspannungszwischenkreis

3

Transformator

4

Ansteuerschaltung

5

Tiefpass

6

Regler

7

A/D-Wandler

8

Optokoppler

9

Lichtwellenleiter

10

passives Teilfilter

11

aktives Teilfilter.

Claims

1. Vorrichtung zur Ausregelung des DC-Offsets eines Umrichters (1) mit einem Gleichspannungszwischenkreis (2) und einem wechselspan nungsseitigen Transformator (3), wobei die Leistungshalbleiterschal ter des Umrichters (1) nach Maßgabe von Schaltbefehlen einer An steuerschaltung (4) ein- und ausgeschaltet werden, dadurch gekenn zeichnet, daß ein im wesentliche passiv aufgebauter Tiefpass (5) vor gesehen ist, der eine wechselspannungsseitige Ausgangsspannung des Umrichters (1) auf ein auf elektronischem Weg verarbeitbares Ni veaus reduziert, und daß dem Tiefpass (5) ein Regler (6), insbesonde re ein P-Regler, ein I-Regler oder ein PI-Regler, nachgeschaltet ist, der mit der Ansteuerschaltung (4) verbunden ist und durch Verzögerung oder Verschiebung der entsprechenden Schaltbefehle den DC-Offset im wesentlichen zu Null regelt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Regler (6) ein A/D-Wandler (7) nachgeschaltet ist und der A/D-Wandler (7) über Optokoppler (8) und Lichtwellenleiter (9) mit der Ansteuerschaltung (4) verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiefpass (5) einen ersten, passiven (10) und einen zweiten, aktiven Teil (11) umfaßt, wobei die Grenzfrequenz des Tiefpasses deutlich kleiner als die Frequenz der wechselspannungsseitigen Ausgangs spannung des Umrichters (1) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Regelungsfaktor des Reglers (6) im Bereich von 25-75 µs/V liegt, und insbesondere 50 µs/V beträgt.

5. Verfahren zum Ausregeln des DC-Offsets eines Umrichters (1) mit ei nem Gleichspannungszwischenkreis (2) und einem wechselspan nungsseitigen Transformator (3), wobei die Leistungshalbleiterschal ter nach Maßgabe von Schaltbefehlen einer Ansteuerschaltung (4) ein- und ausgeschaltet werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine wechselspannungsseitige Ausgangsspannung des Umrichters (1) tief passgefiltert und auf ein elektronisch verarbeitbares Niveau reduziert wird und daß der DC-Offset durch Verzögerung der Schaltbefehle nach Maßgabe der tiefpassgefilterten und integrierten Ausgangs spannung im wesentlichen auf Null geregelt wird.