Entwicklung der Steuereinheit eines einphasigen Frequenzumrichters

Diplomarbeit von Roland Zavaczki

Problemstellung:

Im Rahmen dieser Diplomarbeit soll eine Steuereinheit, basierend auf einem Mikrocontroller und einem programmierbaren Logikbaustein, zur Ansteuerung und Überwachung der Leistungsschalter eines einphasigen Frequenzumrichters entwickelt werden.

Ein Frequenzumrichter dient zur Frequenzumformung von Wechselspannungen. Er enthält Ventile, die in genau definierter Abfolge geschaltet werden müssen. Die Signale für diese Ventile sind in ihrer Form vordefiniert und enthalten variable Parameter.

Ziel dieser Arbeit war es, eine Steuereinheit zur Ansteuerung und Überwachung der Leistungsschalter eines einphasigen Frequenzumrichters zu entwickeln.

Erst wurde die synchrone serielle Kommunikation zwischen CPU und CPLD verifiziert. Es hat sich herausgestellt, daß eine schnelle Synchronisation nur über die Verwendung des CLK-Pins am CPLD möglich ist. Dann können Informationen mit akzeptabler Geschwindigkeit zwischen CPU und CPLD ausgetauscht werden.

Im CPLD wurden zwei Vollbrückenansteuerungen untergebracht, wobei die eine nur als Halbbrückenansteuerung verwendet wird. Somit kann ein B6 Ventilbrückenmodul komplett angesteuert werden.

Die Form des Steuersignals kann in einer Stufung von einem Grad variiert werden. Zwischen Halb- und Vollbrücke kann eine Phasenverschiebung von 0 bis 180 Grad, ebenfalls in einer Stufung von einem Grad, eingestellt werden. Außerdem ist ein Parameter vorhanden, über welchen Gleichspannungsanteile der Last kompensiert werden können.

Die Einstellung der Frequenz übernimmt ein DDS-IC mit theoretisch 2 hoch 27 Frequenzstufen. Die CPU kann ihm diese Genauigkeit nicht übermitteln. Daher kann die Frequenz bei manueller Eingabe nur in 0.625Hz Stufen im Bereich von 0.625Hz bis 10.24kHz eingegeben werden. Die Frequenz kann auch über einen externen Frequenzgenerator mit derselben Genauigkeit von 112.5Hz bis 10.24kHz eingespeist werden.

Alle Parameter sowie die Frequenz können auf einem LCD-Display angezeigt werden.

In einer Fortführung des Projektes muß untersucht werden, welche Auswirkung Parameteränderungen auf die Wirkleistung in der Last haben. Dann kann man ein Regelsystem aufbauen, das die maximal mögliche Wirkleistung in der Last hervorruft. Die Wirkleistung ist also die Regelgröße. Nun muß man noch diese Regelgröße erfassen und einem Regler zuführen, der die optimalen Stellgrößen (a,b,c) berechnet und diese der CPU übermittelt. Die CPU wurde bereits so ausgelegt, daß die Stellgrößen über eine zweite Schnittstelle empfangen werden können. Das Stellglied ist also bereits vorhanden.

Weiterhin könnte man den CPLD durch einen FPGA ersetzen und die Funktion der CPU und des DDS-ICs auch in ihm implementieren. Eine Implementation des DDS ist bereits in dieser Arbeit beschrieben worden.

Inhaltsverzeichnis:

Textprobe:

Kapitel 4, Der Frequenzumrichter:

Ein Frequenzumrichter dient zur Frequenz- und Spannungsumformung von Wechselspannungen. Er kann ansatzweise in vier Hauptbestandteile unterteilt werden:

Umrichter I: Gleichrichter, Zwischenkreis, Steuerung, Umrichter II: Wechselrichter (Voll- oder Halbbrücke).

Kapitel 4.1, Prinzip des Frequenzumrichters: Die genaue Beschreibung der verschiedenen Umrichter sowie weitere Möglichkeiten des Aufbaus von Umrichtern sind der Literatur zu entnehmen.

In dieser Arbeit wird ein Puls-Weiten-modulierter Umrichter verwendet. Er besteht aus einem ungesteuerten Gleichrichter, einem Spannungszwischenkreis und einem gesteuerten Wechselrichter.

Kapitel 4.2, Beschreibung des verwendeten Umrichtertyps: Der ungesteuerte Gleichrichter wandelt die Wechselspannung in Gleichspannung um und speist damit den Zwischenkreis. Der Zwischenkreis bewirkt die Entkopplung vom Netz. Die Information der Frequenz geht durch ihn (im Idealfall) verloren. Der nachfolgende Wechselrichter verwendet die Gleichspannung des Zwischenkreises als Energiequelle. Aus der Gleichspannung wird über Schalter eine Wechselspannung erzeugt. Die Steuerung schaltet die Halbleiter des Wechselrichters ein und aus. Dadurch entsteht ein Ausgangssignal mit einer variierbaren Frequenz und Spannung. Der Wirkungsgrad bei dieser Signalumformung ist sehr hoch, da die umgeformte Energie kaum durch die Schaltverluste im Umrichter verringert wird. Im Folgenden wird näher auf die Funktion der Baugruppen des verwendeten Umrichtertyps eingegangen.

Kapitel 4.2.1, Der Gleichrichter:

Die Spannungsversorgung ist eine Dreiphasen-Wechselspannung mit fester Frequenz.

Der Gleichrichter ist netzgeführt. Der Stromfluß durch die Dioden kann also nicht gesteuert werden. Die Ausgangsspannung des Gleichrichters ist eine pulsierende Gleichspannung.

Kapitel 4.2.2, Der Zwischenkreis: Er besteht aus zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren und stellt einen Zwischenspeicher dar, der seine Energie dem Wechselrichter zur Verfügung stellt. Es handelt sich um einen Spannungszwischenkreis. Er sorgt bei induktiver Last dafür, daß infolge des Rückspeisestroms die Zwischenkreisspannung nicht zu stark ansteigt.

Kapitel 4.2.3, Der Wechselrichter: Der Wechselrichter besteht aus Halbbrückenzweigen mit je zwei Dioden und zwei Leistungstransistoren (siehe Abb. 3.2). Die Vollbrücke entspricht zwei Halbbrücken. Der Wechselrichter generiert das Pulsmuster (siehe Abb.3.1) der Ausgangsspannung des Frequenzumrichters. Das Pulsmuster der Ausgangsspannung wird variiert, indem die Leistungstransistoren über längere oder kürzere Zeit eingeschaltet werden. Die Periodendauer der einzelnen Pulse kann also variiert werden. Diese Änderung der Pulsweiten wird als Puls-Weiten-Modulation bezeichnet. Die maximale Frequenz liegt bei diesem Aufbau bei 10kHz. Bei der Halbbrücke wird die halbe Zwischenkreisspannung über die Leistungstransistoren ein- und ausgeschaltet, bei der Vollbrücke die volle Zwischenkreisspannung.

Kapitel 4.2.4, Die Steuerung: Die Steuerung schaltet die einzelnen Leistungstransistoren. Sie kann die Ausgangsspannung des Wechselrichters an die Belastungsbedingungen anpassen, indem die Parameter des Steuersignals (siehe Abb.3.1) geändert werden. Auch Gleichstromanteile in der Last können durch Variation des Parameters y kompensiert werden.

Für die Ansteuerung der Leistungstransistoren ist zu beachten, daß Leistungstransistoren eines Halbbrückenzweigs nicht zeitgleich eingeschaltet werden dürfen, da sonst die Kondensatoren kurzgeschlossen werden. Zur Sicherung werden Stromsensoren als Überlastschutz eingesetzt, die der Steuerung einen Überstrom melden und dadurch eine schnelle Abschaltung der Leistungstransistoren bewirken.