DE2151589C2 - Anordnung zur Steuerung der Drehzahl eines dreiphasigen Drehstrommotors - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches. Eine derartige Anordnung ist in ETZ-A 1965, Seilen 268 bis 274 beschrieben.

Wechselrichterschaltungen wandeln Gleichstromleistung in eine mehrphasige Wechselstromleistung um. Dabei werden normalerweise verschiedenartige elektrische Schalteinrichtungen, wie z. B. steuerbare Halbleitergleichrichter (Thyristoren) oder ähnliche Festkörperschalter verwendet, um die Gleichstromieistung in eine Wechselstromleistung umzuwandeln und um die Größe der eingespeisten Leistung zu steuern. Die elektrischen Schalter sind in den Laststrom führenden Zweigen von der Gleichstromquelle zu jeder Phase des mehrphasigen Verbrauchers in Reihe geschaltet und zur Erzeugung der Wechselstromleistung aus der Gleichstromleistung durchgeschaltet und gesperrt. Neben dem Grunderfordernis der Steuerung dieser elektrischen Schalter für eine Erzeugung der Wechselstromleistung erfordern viele Anwendungen von Wechselrichterschaltungen ferner die Steuerung dieser elektrischen Schalter, um die Größe der Wechselstromleistung zu bestimmen, die von der Gleichstromquelle zum Verbraucher geleitet wird. Bei einem mehrphasigen Wechselstrommotor ist es beispielsweise bekannt, daß die angelegte Durchschnittsspannung vorteilhaherweise linear mit den Frequenzänderungen der eingespeisten Leistung verändert wird.

Die Durchschnittsgröße der angelegten Spannung aus den Wechselrichterschaltungen kann durch eine Zeitverhältnissteuerung gesteuert werden. Das bedeutet, daß die elektrischen Schalter von jeder Wechselstromphase in einer relativ schnellen Folge leitend oder »eingeschaltet« oder nicht-leitend oder »ausgeschaltet« werden, die Vergrößerung oder Verkleinerung des Verhältnisses der Einschaltzeit zur Ausschaltzeit der Schalter erzeugt eine Veränderung im Durchschnittswert der angelegten Spannung in der gleichen Richtung.

Die eingangs genannte Literaturstelle beschreibt insbesondere in Verbindung mit ihrem Bild 5 (Seite 271) verschiedene Verfahren der Spannungssteuerung, wobei durch das Pulsverfahren eine Annäherung an die Sinusform erhalten werden kann. Dort wird aber das Pulsverfahren über den gesamten 180° elektrisch einer Halbwelle durchgeführt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Anordnung der eingangs genannten Art dahingehend auszubilden, eine einfachere und sichere Ansteuerung der Halbleiterschalter zu erreichen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch gekennzeichneten Merkmale gelöst

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Anzahl der erforderlichen Schaltvorgänge wesentlich gesenkt werden kann. Dadurch wird nicht nur eine einfachere und sicherere

ίο Ansteuerung der Halbleiterschalter erreicht sondern auch die Anzahl der Kommutierung je Halbleiterschalter wird verringert, so daß sich weniger Kommutierungsverluste ergeben. Dies führt zu weniger Aufwand in der gesamten Ansteueranordnung und es ergibt sich

ein besserer Gesamtwirkungsgrad, was insbesondere für batteriebetriebeine Fahrzeuge von höchster Wichtigkeit ist.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung näher erl äutert

Fig. 1 ist eine vereinfachte schematische Darstellung einer Wechselrichterschaltung zur Beschreibung der Grundprinzipien der Steueranordnung.

F i g. 2 zeigt mehrere Kurven, in denen die Spannung auf der Ordinate und die Zeit auf der Abszisse aufgetragen ist und die die Synchronisierung-, Phasen- und verketteten Spannungen gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen.

F i g. 3 ist ein schematisches Schaltbild einer Wechselrichterschaltung.

Fig.4 ist ein Blockdiagramm der Schalt- und Steueranordnung in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In der vereinfachten schematischen Darstellung gemäß F i g. 1 werden die elektrischen Schalter einer Wechselrichterschaltung 12 so gesteuert, daß Strom von einer Gleichstromquelle 14 in einen Verbraucher oder eine Last 16 fließt. Es kann irgendeine übliche Gleichstromquelle verwendet werden, wie z. B. eine Speicherbatterie oder eine Gleichrichterschaltung.

Obwohl die Last 16 irgendeine Vorrichtung sein kann, wie z. B. ein Widerstand oder ein Induktionsofen, so könnte sie doch typischerweise eine dynamoelektrische Maschine sein, wie z. B. ein Mehrphaseninduktions- oder Synchronmotor.

Die Wechselrichterschaltung umfaßt hauptsächlich elektrische Schaltmittel zur Führung von Lf.ststrom für jede Phase der Wechselrichterschaltung, die als ein in Reihe geschaltetes Paar elektrischer Schalter dargestellt sind, die der Gleichstromquelle 14 parallel geschaltet sind. Obwohl viele Arten elektrischer Schalter verwendet werden können, so sind diese Schalter doch normalerweise über Steuerelektroden steuerbare Gleichrichter, wie z. B. Thyristoren oder ähnliche. Sie sind jedoch für eine einfache Beschreibung der Grundprinzipien schematisch als mechanisch betätigte Schalter dargestellt.

Jeder dieser über Steuerelektroden steuerbaren Gleichrichter weist normalerweise eine ungesteuerte Diode oder einen Gleichrichter auf, der diesem mit entgegengesetzter Polarität parallel geschaltet ist. Diese Gleichrichter werden üblicherweise als Rückführungs- und/oder Klemmdioden bezeichnet.

Die Phase A der Wechselrichterschaltung 12 weist elektrische Schalter 18 und 20 auf, die in Reihe zwischen einen positiven Leiter oder eine Sammelschiene 22 und einen negativen Leiter oder eine Sammelschiene 24 geschaltet sind. Dabei sind positive und negative Pole relative Begriffe, die der Zweckmäßigkeit halber hier

zur Bezeichnung von Polen unterschiedlichen elektrischen Potentials verwendet werden, wobei der positive Pol üblicherweise das höhere der zwei Potentiale aufweist Die Rückführungsgleichrichter für die elektrischen Schalter 18 und 20 werden von Dioden 26 bzw. 28 gebildet, die einen Pfad für den Blindlaststrom bilden und die Rückwärtsspannung begrenzen, wenn die entsprechenden Schalter geöffnet sind. Diese Rückführungsgleichrichter sind zwar in dem vorliegenden Ausführungsüeispiel der Erfindung als Dioden dargestellt, sie können aber auch genauso gut von durch Steuerelektroden gesteuerte Gleichrichtern gebildet werden, wo dies für die gesamte Wechselrichterschaltung vorteilhaft ist. Der elektrische Schalter 18 ist von einem Punkt 25, der zur Last der Phase A führt, zu der positiven Sammelschiene 22 gelegt Der elektrische Schalter 20 führt von dem Punkt 25 zu der negativen Sammelschiene 24.

In ähnlicher Weise enthält die Phase B ein Paar in Reihe geschalteter elektrischer Schalter 30 und 32, die zwischen die positive Sammelschiene 22 und die negative Sammelschiene 24 geschaltet sind, wobei der Punkt 34 mit der gemeinsamen Klemme dieser Schalter verbunden ist. Die Dioden 36 und 38 sind den elektrischen Schaltern 30 bzw. 32 parallel geschaltet.

In gleicher Weise wie die Phasen A und B umfaßt die Phase C elektrische Schalter 40 und 42, die zwischen die positiven und negativen Sammelschienen 22 und 24 geschaltet sind. Dem Schalter 40 ist eine Diode 44 parallel geschaltet. Die Anode der Diode 44 ist mit dtr gemeinsamen Klemme 46 der Schalter verbunden und ihre Kathode steht mit der positiven Sammelschiene 22 in Verbindung. Dem Schalter 42 ist eine Diode 48 von dem Punkt 46 zur negativen Sammelschiene 24 parallel geschaltet. Die Phasen A, Bund Cder Last 16 sind mit den Mittelpunkten 25,34 bzw. 46 des Wechselrichters in irgendeiner zweckmäßigen Weise verbunden, beispielsweise indem sie in dargestellter Weise direkt an diese angeschlossen sind.

Die Schaltung hält die Anzahl von erforderlichen Schaltoperationen möglichst gering, um die Ausgangsspannung der dreiphasigen Wechselrichterschaltung 12 durch Zeitverhältnissteuerung umzuschalten, indem für irgendeine Betriebsperiode bestimmt wird, welche der drei Ausgangsphasen des Wechselrichters normalerweise eine Polarität besitzt, die der Polarität der zwei anderen Phasen entgegengesetzt ist. Die elektrischen Schalter für diese Phase werden dann gesteuert, um für die für die Spannungsregelung erforderliche Schaltoperation zu sorgen. F i g. 1 wird zur Darstellung der Art und Weise verwendet, in der die Spannungsschaltung für die üblicherweise verwendete dreiphasige Spannungsbeziehung erfolgt. Die elektrischen Schalter verbinden normalerweise jede Phase der Last mit der positiven Sammelschiene 22 für eine Halbwelle oder 180" elektrisch und verbinden die Last mit der negativen Sammelschiene 24 normalerweise für die andere Halbwelle oder die übrigen 180° elektrisch. Diese Verbindungen der drei Phasen A, Sund Cwerden zeitlich um 120° elektrisch verschoben, wie es allgemein üblich ist.

Die elektrischen Schalter in Fig. 1 befinden sich in Stellungen, die sie während eines ersten Zeitintervalles in den Spannungsdiagrammen gemäß F i g. 2 einnehmen wurden, in der die Wellenformen 49 und 51 später zu beschreibende Steuerfunktior. übernehmen. Der Abschnitt des Spannungszyklus, der bei einem Punkt 50 in der Spannungswelle 53 der Phase A beginnt, wird in Verbindung mit F i g. 1 beschrieben. Die ,Zeitskalen in F i g. 2 sind identisch und entsprechende Zeitaugenblikke liegen für jede Spannungswelle vertikal übereinander. Die Phasenspannungsdiagranime in Verbindung mit F i g. 1 zeigen, daß an diesem Punkt 50 in dem Ausgangsspannungszyklus die Phasen A und B normalerweise über die elektrischen Schalter 20 bzw. 32 mit der negativen Sammelschiene 24 verbunden sind. Die Phase B ist in Fig.2 der Einfachheit halber weggelassen. Die Welle 55 für die Phase C gibt an, daß die Phase Cüber den Schalter 40 zu dieser Zeit normalerweise mit der positiven Sammelschiene 22 in Verbindung steht Da die Phase C während dieses Intervalles gegenüber den Phasen A und ßdie entgegengesetzte Polarität aufweist, wird erfindungsgemäß die Spannung der Phase Cdurch öffnen und Schließen des Schalters 40 intermittierend unterbrochen, um eine Durchschnittsspannungssteuerung für den Wechselrichter zu liefern. Die I mschaltung des Schalters 40 in die geöffnete Stellun^ ist in F i g. 1 durch Darstellung des Schaltarmes in .liner gestrichelten Stellung angedeutet.

Während der Schalter 40 geschlossen ist, ist die positive Sammelschiene 22 über den Schalter 40 mit der Schleife der Phase C verbunden. Diese Schleife wird über die Phasen A und B und über die geschlossenen Schalter 20 bzw. 32 zur negativen Sammelschiene 24 geschlossen. Nach einem Zeitraum, der durch ein Zeitverhältnis-Steuerabschnitt der Steuerschaltungen der Wechselrichtereinspeisung bestimmt wird, wird der Schalter 40 geöffnet, wie es durch die gestrichelt dargestellte Schalterstellung in F i g. 1 angegeben ist. Für eine induktive Last, wie sie hier beschrieben wird, fließt der Strom weiterhin bzw. »läuft frei« über die Rückführungsdiode 48, so daß der Mittelpunkt 46 und die Phase C effektiv mit der negativen Sammelschiene 24 verbunden bzw. an diese »geklemmt« sind. Ein Punkt 52 auf dem Spannungsdiagramm der Phase C gemäß F i g. 2 gibt den Beginn eines solchen Zeitintervalles an, in dem die Phase C durch die Diode 48 an die negative Sammelschiene geklemmt ist. Der Schalter 40 wird nach einer Zeitperiode wieder geschlossen, die durch das erforderliche Verhältnis der Einschaltzeit zur Ausschaltzeit für die Wechselrichterschaltung bestimmt ist, d. h. bestimmt durch die gewünschte Durchschnittsspannung, die an die Last 16 gelegt werden soll. Dieses Schließen des Schalters 40 ist durch einen Punkt 54 auf dem Spannungsdiagramm für die Phase Cangegeben.

Dieses öffnen und Schließen des Schalters 40 oder das Zerhacken, wie es dem Fachmann bekannt ist, in der Phase C setzt sich fort, bis die Steueranordnung bestimmt, daß es Zeit ist, die Polarität der Spannung in einer der Phasen zu verändern. In dem vorliegenden Beispiel soll dies die Phase B sein. Der Schalter 40 wird an einem Punkt 56 wieder eingeschaltet, danach wird der Schalter 32 in Fig. 1 geöffnet und der Schalter 30 geschlossen, um die Phase B mit der positiven Sammelschiene 22 zu verbinden. Eine Betrachtung der Phasenspannungsdiagramme gemäß F i g. 2 unmittelbar hinter dem Punkt 56 in der Phase Czeigt, daß die Phasen B und C nunmehr eine positive Polarität aufweisen, während die Phase A normalerweise eine negative Polarität besitzt. Gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun die Spannung der Phase A im Zeitverhältnis zerhackt, beispielsweise durch Betätigung des Schalters 20, um die Spannungssteuerung zu erhalten.

In einer dreiphasigen Wechselrichtereinspeisung wie z.B. der anhand der Fig. 1 und 2 beschriebenen,

befinden sich die einzelnen Phasenspannungen während einer Halbwelle oder 180 elektrischen Grad auf einem Potential und während der anderen Halbwelle auf einem anderen Potential. Die Phasenspannungen sind zeitlich um 120 elektrische Grad gegeneinander verschoben. Somit weist die Ausgangsspannung jeder Phase während des mittleren 60°-Abschnitts jeder Halbwelle der Phasenspannung die entgegengesetzte Polarität auf gegenüber derjenigen der zwei anderen Phasen. Aus diesem Grunde wird die Ausgangsspannung jeder Phase während dieses mittleren 60° Abschnittes ihrer Halbwelle gepulst. Wie bereits angegeben wurde, wird der Schalter 18 betätigt, um den mittleren 60°-Abschnitt der positiven Ausgangswelle der Phase A zu pulsen, während der Schalter 30 dazu verwendet wird, den mittleren 60°-Abschnitt der positiven Ausgangswelle der Phase B zu pulsen. Aus einer Betrachtung der Kurve 57 der verketteten Spannung zwischen der Phase A und der Phase C wird deutlich, daß die Pulssteuerung der Spannung während 120 von jeweils 180 elektrischen Grad oder einer Halbwelle jeder verketteten Spannung erfolgt, selbst wenn die Pulssteuerung zu irgendeiner Zeit nur in einer einzigen Phase und in dieser während Intervallen von 60 elektrischen Grad auftritt.

F i g. 3 zeigt ein Beispiel von einem vieler Typen von Kommutierungsschaltungen, die zur Steuerung der laststromführenden elektrischen Schalter verwendet werden können, wo diese Schalter über Steuerelektroden steuerbare Halbleiter-Gleichrichtervorrichtungen sind, wie z. B.Thyristoren.

In der Kommutierungsschaltung für die steuerbaren Gleichrichter 18 und 20, die den Laststrom für die Phase A führen, wird jeder dieser steuerbaren Gleichrichter durch Zündung eines über eine Hilfselektrode gesteuerten Gleichrichters kommutiert, so daß dadurch ein Kommuiierungsstromimpuls erzeugt wird, der den Strom in einem laststromführenden steuerbaren Gleichrichter bis unter den Haltewert absenkt. Die Kommutierungsschaltung selbst umfaßt eine Reihenschaltung mit einem Paar komrnutierender, über eine Steuerelektrode steuerbarer Gleichrichter 18Λ und 2OA, die von der positiven Sammelschiene 22 zur negativen Sammelschiene 24 in Reihe geschaltet sind. Ein Pol eines Kommutierungskondensators 58 ist mit einer Verbindungsstelle 60 zwischen den steuerbaren Gleichrichtern 18Λ und 2OA verbunden, und der andere Pol des Kommutierungskondensators 58 ist über eine Kommutierungsinduktivität 62 mit dem Verbindungspunkt 25 verbunden.

Die Wirkungsweise der Kommutierungsschaltung für die Phase A ist kurz gesagt die folgende: Es sei angenommen, daß der steuerbare Hauptgleichrichter 18 einen Strom zu einer Last wie z. B. einem Motor 64 führt. Infolge der vorangegangenen Halbwelle ist der Kommutierungskondensator 58 derart geladen, daß ein Punkt 66 zwischen dem Kondensator 58 und der Induktivität 62 ein positives Potential bezüglich des Punktes 60 aufweist. Um nun den steuerbaren Gleichrichter 18 zu sperren, wird der steuerbare Kommutierungsgleichrichter 184 eingeschaltet, indem er beispielsweise Zündsignale von Zündschaitungen zur Kommutierung der Phase A erhält, die im folgenden anhand von Fig.4 beschrieben werden. Ein Reihenschwingkreis, der den Kommutierungskondensator 58 und die Kommutierungsinduktivität 62 umfaßt, wird nun dem laststromführenden steuerbaren Gleichrichter 18 parallel geschaltet Ein Stromimpuls, der durch Entladung des Reihenschwingkreises erzeugt wird, übernimmt die Funktion der Zuführung von Laststrom zum Motor 64 und bewirkt, daß die Diode 26 in Durchlaßrichtung vorgespannt wird. Infolgedessen wird der Strom durch den steuerbaren Gleichrichter 18 auf null herabgesetzt. Die Rückkopplungsdiode 26 leitet überschüssigen Kommutierungsstrom um den steuerbaren Gleichrichter 18 herum und liefert eine begrenzte Sperrspannung über dem steuerbaren Gleichrichter 18. Diese Sperrspannung dauert für einen Zeitraum an, der größer als die Ausschaltzeit des steuerbaren Gleichrichters 18 ist, so daß dieser steuerbare Gleichrichter ausgeschaltet wird, d. h. daß er seinen Sperrzustand wiedererreicht.

Nachdem der Kommutierungskondensator 58 auf die entgegengesetzte Polarität aufgeladen ist, so daß die Verbindungsstelle 60 ein positiveres Potential als die positive Sammelschiene 22 aufweist, schaltet der steuerbare Kommutierungsgleichrichter USA ab. Da der steuerbare Gleichrichter 18 nun sperrt, fließt ein Blindstrom durch die entgegengesetzte Rückkopplungsdiode 28. Der steuerbare Hauptgleichrichter 20 kann auf Wunsch zu dieser Zeit auch gezündet werden, indem an seine Steuerelektrode Zündsignale angelegt werden. Der Kommutierungskondensator 58 besitzt danach die geeignete Polarität, um diesen steuerbaren Gleichrichter zu sperren, wenn der steuerbare Kommutierungsgleichrichter 2OA eingeschaltet ist. Nachdem die steuerbaren Gleichrichter 20 und 2OA sperren, wird der steuerbare Gleichrichter 18 eingeschaltet und der Kondensator 58 auf die gleiche Polarität aufgeladen, die er am Beginn des Kommutierungsintervalles aufwies. Somit ist die Kommutierungsschaltung bereit, eine weitere Kommutierung des steuerbaren Gleichrichters 18 zu beginnen.

Die Phasen B und C des in Fig.3 gezeigten Wechselrichters bilden Kommutierungsschaltungen, die mit der für die Phase A gezeigten identisch sind. Die Phase B enthält steuerbare Kommutierungshilfsgleichrichter 30/4 und 32/4, die zur Kommutierung der steuerbaren Gleichrichter 30 bzw. 32 gezündet werden können. Der Reihenschwingkreis für die Phase B enthält einen Kommutierungskondensator 68 und eine Kommutierungsinduktivität 70. Für die Phase C werden steuerbare Kommutierungshilfsgleichrichter 4OA und 42/4 zur Steuerung der Kommutierung der steuerbaren Lastgleichrichter 40 bzw. 42 verwendet. Der Reihenschwingkreis für die Phase C umfaßt einen Kommutierungskondensator 72 und eine Kommutierungsinduktivität 74.

Die Gleichstromleistung kann zwar über die Sammelschienen 22 und 24 in irgendeiner geeigneten Weise eingespeist werden, typischerweise wird sie jedoch unter Verwendung von Gleichrichterschaltungen zugeführt, wie z. B. einer Vollweg-Gleichrichterbrücke, die an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen ist. In einem derartigen Fall wird vorteilhafterweise eine Filterschaltung verwendet. Eine derartige Filterschaltung umfaßt eine Induktivität 76, die von der positiven Klemme der Leistungseinspeisung mit der positiven Sammelschiene 22 in Reihe geschaltet ist, um den Wechselrichter von der Gleichstromeinspeisung während transienter Vorgänge im Wechselrichter zu trennen. Weiterhin weist das Filter einen Kondensator auf, der zwischen die Sammelschiene 22 und die Sammelschiene 24 geschaltet ist

Die Wechselrichterschaltungen werden in Abhängigkeit von Spannungs- und Stromwerten gesteuert, die

während des Betriebes auftreten. Der Ausgangsstrom der dreiphasigen Wechselrichterschaltung wird durch eine Stromdetektorschaltung 80 abgetastet, die schematisch in der Weise dargestellt ist, daß sie über die Leiter 82, 84 bzw. 86 mit den Ausgangsleitern der Phasen A, B und C verbunden ist. Die Detektorschaltung 80 kann irgendwelche bekannte Schaltungen zur Messung des ausgangsseitigen Wechselstromes umfassen und kann Shunts oder Induktoren (Stromtransformatoren) zur Strommessung aufweisen, die mit den Ausgangsleitern jeder Phase verbunden sind. Signale, die den Ausgangsstrom der Wechselrichterschaltung darstellen, werden von einem Leiter 90 der Detektorschaltung 80 ausgekoppelt.

Die Ausgangsspannung des Wechselrichters kann auf irgendeine Weise abgetastet werden, beispielsweise durch eine Spannungsdetektorschaltung, die mit den Ausgangsleitern jeder der drei Phasen der Wechselrichterschaltung verbunden ist. Die Leiter 82,84 und 86 stellen zusätzlich einen Teil der Spannungsabtasteinrichtung in dem schematischen Bild gemäß F i g. 3 dar, und der Ausgang aus der Spannungsdetektoreinrichtung ist durch den Leiter 88 dargestellt.

Der durch die Kommutierungsschaltungen jeder der Phasen fließende Strom wird durch eine Kommutierungsstromschaltung 92 abgetastet. Der Strom wird von den Stromsensoren 94,96 und 98 aufgenommen, die mit dem Reihenschwingkreis für die Phasen A, B bzw. C gekoppelt sind. Die den Kommutierungsstrom der dreiphasigen Wechselrichterschaltung darstellenden Signale werden von einem Ausgangsleiter 100 der Kommutierungsstromschaltung 92 ausgekoppelt. Die Größe des durch den Filterkondensator 78 fließenden Stromes wird durch eine Stromwandlerschaltung 102 festgestellt, die einen Stromsensor 104, der mit dem Kondensator 78 in Reihe geschaltet ist, und einen Ausgangsleiter 106 aufweist, der die den Strom des Filterkondensators darstellenden Signale führt.

Fig.4 ist ein Blockdiagramm und zeigt eine Steueranordnung, die die Zündung sowohl der steuerbaren Last- als auch der Kommutierungsgleichrichter steuert.

Die Steueranordnung selbst spricht auf ein Befehlssignal an, das die gewünschte Leistung des Lastmotors darstellt, d. h. des Motors 64 gemäß F i g. 3 in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel. Dieses Befehlssignal, das der Steueranordnung über einen Leiter 150 zugeführt wird, wird bei der Bestimmung der Wechselrichterausgangsfrequenz, die dem Motor 64 zugeführt wird, der Pulsfrequenz der Ausgangsspannung und des Verhältnisses der »Ein«- und »Ausschait«-Zeiten für die Zeitverhältnissteuerung des Ausgangsspannungswertes verwendet

Die Ausgangsfrequenz und die Pulsfrequenz des Wechselrichters werden von einem Frequenzgenerator 152 bestimmt Dieser enthält einen spannungsgesteuerten Oszillator 154, einen Frequenzteiler 156 und einen Dreiphasengenerator 158, der beispielsweise ein Schieberegister sein kann. Eine Zeitverhältnissteuerung 160 spricht auf das Befehlssignal an, um die Ausgangsleistung der Wechselrichterschaltung durch Feststellung der relativen »Ein«- und »Aus«-Schaltzeiten der laststromführenden steuerbaren Gleichrichter zu bestimmen. Eine Gleichrichterzündschaltung 162 spricht sowohl auf den dreiphasigen Signalgenerator 158 des Frequenzgenerators 152 als auch auf die Zeitverhältnissteuerung 160 an, um sicherzustellen, daß die zugehörigen Last- und Kommutierungsgleichrichter richtig

gesteuert werden.

Das Befehlssignal, das über den Leiter 150 eingekoppell: wird, kann von irgendeiner Quelle erhalten werden, die zur Angabe der gewünschten Ausgangsgröße der Wechselrichterschaltung geeignet ist. Beispielsweise kann es von dem Schleiferdraht eines Potentiometers erhalten werden, das durch eine geregelte Leistungsversorgung vorgespannt ist, wobei die Stellung dieses Schleiferdrahtes gemäß der gewünschten Drehzahl eines Motorantriebes verändert werden kann. Das Befehlssignal könnte auch vom Ausgang eines Computers oder von einem Tachometer erhalten werden, das durch einen Hauptantrieb eines Vielfachantriebssystems angetrieben ist, oder von anderen Quellen. Das

Befehlssigna! ist über einen Befehls- und Eingangssignale zusammenfassenden Puffer- oder Trennverstärker 1641 mit Leitern 166 und 168 gekoppelt, die zu dem Frequenzgenerator 152 beziehungsweise der Zeitverhältnissteuerung 160 führen.

Die Ausgangsgröße des Befehlsverstärkers 164 kann nicht nur durch das Befehlssignal, sondern auch -ch ein Strombegrenzungssignal, wie z. B. das von dem Leiter 90 in F i g. 3, oder durch ein Rückgewinnungsbegrenzungssignal auf dem Leiter 170 beeinflußt werden. Das Strombegrenzungssignal auf dem Leiter 9u wird von einem Signal gebildet, das angibt, daß der Wert des in dem Motor 64 gemäß F i g. 3 fließenden tatsächlichen Stromes oberhalb eines vorbestimmten Wertes liegt, wie z. B. bei 150% des Nennstromwertes. Dieses Signal tritt nur während des Motorbetriebes und zu einer Zeit auf, zu der der Motorstrom über dem vorbestimmten Wert liegt. Die Polarität des Signales ist so, daß sie die Neigung hat, die Drehzahl zu verkleinern, mit der der Motor arbeitet. Das bedeutet, daß die Strombegrenzungsschaltung die Neigung hat, die durch das Befehlssignal auf dem Leiter 150 geforderte Drehzahl in Richtung auf kleinere Drehzahlen zu verändern.

Das Rückgewinnungs-Begrenzungssignal auf dem Leiter 170 kann nur während eines Generatorbetriebes des Motors 64 gemäß F i g. 3 vorhanden sein, d. h. zu einer Zeit, in der der Motor 64 Leistung an die Gleichstromquelle zurückgibt Während dieses Zeitraumes hat die zurückfließende Leistung die Neigung, den Filterkondensator 78 zu laden. Falls aus irgendeinem Grunde die Spannung nicht so schnell durch die Gleichstromquelle aufgenommen werden kann, wie sie durch den Motor und die steuerbaren Leistungsgleichrichter zugeführt wird, erhöht sich diese Spannung auf dem Filterkondensator bis zu einem unerwünschten Wert, der eine Zerstörung gewisser steuerbarer Gleichrichter und/öder anderer Komponenten, wie z. B. des Kondensators 78, hervorrufen kann.

Die Schaltung zur Begrenzung der Rückgewinnungsüberspannung tastet deshalb die Spannung ab, die über

dem Filterkondensator entwickelt wird, und vergleicht diese Spannung mit einer Spannung, die die Größe der Quellengleichspannung der Gleichrichterschaltung darstellt Wenn die an dem Filterkondensator aufgebaute Spannung um einen vorbestimmten Wert größer ist als

die an der Gleichspannungsquelle entwickelte Spannung, wird auf dem Leiter 170 ein Rückgewinnungs-Begrenzungssignal entwickelt

Dieser Überspannungszustand durch Rückgewinnung entsteht, weil die Wechselrichtersteueranordnung ver-

sucht, den Antriebsmotor zu schnell zu verlangsamen. Somit hat das Rückgewinnungs-Begrenzungssignal die Neigung, die Frequenz des Wechselrichters derart zu erhöhen, daß der Motor veranlaßt wird, die Drehzahl

langsamer zu senken, da er Leistung an die Gleichstromquelle zurückgibt.

Die tatsächliche Ausgangsfrequenz des Wechselrichters wird durch den spannungsgesteuerten Oszillator 154 des Frequenzgenerators 152 in Abhängigkeit von der Größe des Ausgangssignales des Befehlsverstärkers 164 bestimmt. Wie oben bereits erläutert wurde, wird die Ausgangsgröße dieses Befehlsverstärkers 1164 durch die Größe des Befehlssignals bestimmt, das möglicherweise durch das Strombegrenzungssignal oder das Rückgewinnungs-Begrenzungssignal auf den Leitern 90 bzw. 170 modifiziert ist. Der spannungsgesteuerte Oszillator 154 kann von irgendeinem zahlreicher bekannter hochstabiler Oszillatoren der spannungsgesteuerten Art gebildet werden, der eine Ausgangsfrequenz erzeugt, die ein gewisses Vielfaches der tatsächlichen Ausgangsfrequenz der Wechselrichterschaltung ist. In einem dreiphasigen Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung ist die Oszillatorausgangsgröße zweckmäßigerweise so gewählt, daß sie eine Rechteckwelle mit einer 96fachen Frequenz der gewünschten Ausgangsfrequenz ist.

Die Ausgangsgröße aus dem Oszillator 154 wird über einen Leiter 172 mit dem Frequenzteiler 156 gekoppelt, der einzelne Flipflop-Stufen 174, 176, 178 und 180 zur Teilung der Ausgangsfrequenz des Oszillators 154 durch zwei, vier, acht bzw. sechzehn umfaßt. Mit Flipflop ist ein übliches elektronisches Logikelement gemeint, das zwei stabile Zustände besitzt, die abwechselnd bei Aufnahme zahlreicher aufeinanderfolgender Eingangssignale aus dem Oszillator 154 hin auftreten. Die Verbindungen derartiger Elemente, um die angegebenen einfachen Teilungen durch zwei zu erzielen, sind dem Fachmann allgemein bekannt.

Die Ausgänge aus dem Frequenzteiler 156 sind schematisch in der Weise dargestellt, daß sie mit einem Leiter 190 verbunden sind, der zu der Zeitverhältnissteuerung 160 führt. Diese Zeitverhältnissteuerung 160 wählt aus, welches Ausgangssignal aus dem Frequenzteiler 156 es erforderlich macht, für die richtige Pulssteuerung des Wechselrichters zu sorgen. In dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Befehlsfrequenzsignal über einen Leiter 168 zum Synchronisierungsgenerator 201 geleitet, und die Auswahl des Pulsfrequenzvielfachen hängt von der Größe der Wechselrichterfrequenz ab. Das größte Vielfache, d. h. acht, wird von der Leitung 182 bei der kleinsten Betriebsfrequenz des Wechselrichters verwendet, und das kleinste Vielfache, d. h. eins, wird von der Leitung 188 bei der höchsten Betriebsfrequenz benutzt Die ausgewählten Vielfachen bestimmen die Zahl der Zeiiverhalinissieuerungen während einer gegebenen Betriebsperiode des Wechselrichters von 60 Grad elektrisch. Es sei bemerkt, daß die maximale zuverlässige Schaltgeschwindigkeit der Schaltvorrichtungen eine obere Begrenzung für die Anzahl der Zeitverhältnissteuerungen setzt, die durchgeführt werden können. Ferner ist die Wellenform ein Faktor, der größere Vielfache begünstigt, und umgekehrt begünstigt die Speicherung von Kommutierungsenergie kleinere Vielfache.

Der dreiphasige Generator 158 kann von irgendeiner zweckmäßigen Vorrichtung gebildet sein, wie z.B. einem Schieberegister, um jeweils zu der Zeit ein Ausgangssignal zu liefern, zu der die Spannung von einer der Ausgangsphasen A, Bund Cihre Polarität am Ende einer Halbwelle der Ausgangsspannung für diese Phase und am Beginn der zweiten Halbwelle dieser Spannung ändert. Da in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung drei Ausgangsphasen vorhanden sind, die um 120 Grad elektrisch verschoben sind, und da die Spannung jeder dieser Phasen eine Polarität für 180 Grad elektrisch beibehält und dann für 180 Grad elektrisch in die entgegengesetzte Polarität umschaltet, folgt daraus, daß der dreiphasige Generator 158 während jedes Intervalles von 360 Grad elektrisch sechs Impulse mit gleichem Abstand erzeugt. Diese Impulse

ίο müssen der Reihe nach auf jede der Phasen verteilt sein.

Der in Fig.4 gezeigte dreiphasige Generator 158

umfaßt drei Flipflops 192,194 und 196, die jeweils jedes Eingangssignal von dem Leiter 198 aufnehmen, der mit dem Ausgangsleiter 188 des Flipflops 180 verbunden ist.

Die Flipflops sind in der Weise miteinander verbunden, daß zu jeder Zeit, zu der ein Impuls von dem Füpflop 180 des Frequenzteilers 156 aufgenommen wird, nur eins der Flipflops des dreiphasigen Generators 158 arbeitet. Das Ergebnis ist eine Rechteckwelle für jede Phase, die die Polarität wechselt und in einer Weise zu den anderen Phasenwellenformen in Bezug steht, die den üblichen Mehrphasen-Leistungseinspeisungen mit Sinusformen analog ist. Die Schaltung von Flipflops dieser Art, um den gewünschten Folgebetrieb zu erhalten, ist dem Fachmann bekannt und wird deshalb nicht näher beschrieben.

Aus schematischen Gründen sind die Signale von dem Generator 158 in der Weise dargestellt, daß sie über einen Leiter 199 zu der Gleichrichterzündschaltung 162 geleitet werden, wo die dreiphasigen Signale auf die drei Ausgangsphasen verteilt werden. Es genügt zu sagen, daß der Flipflop 196 Ausgangssignale entsprechend der Phase A erzeugt, während das Flipflop 194 Ausgangssignale entsprechend der Phase B und das Füpflop 192 Ausgangssignale entsprechend der Phase C erzeugt. Wo ein Wechselstrommotor die Last für eine Wechselrichterschaltung ist, können die Verbindungen der drei Flipflops in dem dreiphasigen Generator umgeschaltet werden, um für eine Motorreversierung zu sorgen.

Die Zeitverhältnissteuerung 160 spricht auf die Ausgangsgröße des Befehlsverstärkers 164 an, um die Größe der Ausgangsleistung der Wechselrichterschaltung zu bestimmen, indem die Pulsfrequenz des Wechselrichters ausgewählt und die »Einschalt«- und »Ausschalt«-Zeiten der laststromführenden steuerbaren Gleichrichter bestimmt werden. Die Ausgangsgröße des Befehlsverstärkers 164 wird über den Leiter i68 mit zwei Kanälen der Zeitverhältnissteuerung 160 gekoppelt; der eine ist der Kanal 200, der ein Bezugsspannungssignal entwickelt, und der andere ist der Kanal 202, der ein dreieckförmiges Spannungssignal entwikkeli, indem ein synchroner Rechteckwcücn-Wähler 201 mit einem Dreieck-Generator kombiniert wird, der beispielsweise ein Integrierverstärker sein kann. Die

Bezugsspannung und die Dreiecksspannung werden in Widerstands-Spannungsteiler Mischstufe 204 verglichen und an dem Schnittpunkt dieser zwei Spannungen werden Signale entwickelt, um die »Einschalt«- und »Ausschalt«-Zeiten der Pulsierung zu steuern, die in der Ausgangsgröße der Wechselrichterschaltung auftritt

Der Leiter 168 verbindet den Ausgang des Befehlsverstärkers 164 mit dem Bezugsspannungskanal über einen Leiter 206. Der Bezugsspannungskanal enthält hauptsächlich eine die Spannung pro Schwingung

kompensierende Schaltung 208, die beispielsweise ein Widerstands-Spannungsteiler sein kann, der üblicherweise ein einstellbares Potentiometer zur Veränderung des Spannungsteiles der am Eingang 206 liegenden

Spannung aufweist, der am Ausgang der Schaltung 208 auftritt. Der Verstärker 216 vergleicht die Ausgangsgröße aus der Schaltung 208 mit einem Gleichstrom-Rückkopplungssignal vom Leiter 88, das der mittleren Motorspannung proportional ist. Die Ausgangsgröße aus dem Verstärker 216 bildet das Bezugsspannungssignal, das über einen Leiter 218 mit der Mischstufe 204 gekoppelt ist.

Es wird nun die Arbeitsweise des bevorzugten

Intervalle, in denen die Phasen A und Cpositiv sind. Der logische Verteiler für die Phase C ergänzt die Zeitverhältnissteuerung des Schalters der positiven Phase Cin den Intervallen, in denen die Phasen A und B beide negativ sind, und befiehlt eine Zeitverhältnissteuerung des Schalters der negativen Phase C während des Intervalles, in dem die Phasen A und Bbeide positiv sind. Gemäß der vorstehenden Steuerung werden die sechs Hauptschalter während des mittleren Abschnittes

Ausführungsbeispieles der Erfindung beschrieben, wo- io von 60° elektrisch ihrer entsprechenden Mehrphasen-

bei mit dem Empfang eines Befehlssignales auf der Leitung 150 in F i g. 4 begonnen wird. Ein derartiges Befehlssignal zeigt durch seine Größe die gewünschte Drehzahl des Motors an. Die Hauptsteuerung der

Motordrehzahl auf das Befehlssignal hin erfolgt durch 15 richterbetriebs in gleicher
die Betriebsfrequenz des Wechselrichters. Demgemäß Hauptschalter aufgeteilt,
tritt das Befehlssignal zuzüglich irgendeiner Modifikation, die durch die Sekundäreingangsgrößen auf den
Leitungen 90 und 170 bestimmt wird, am Ausgang des

wellen der Reihe nach im Zeitverhältnis gesteuert, und zwar jeweils einer zur Zeit. Somit wird die im Zeitverhältnis gesteuerte Umschaltung während jeder gegebenen Periode von 360° elektrisch des Wechsel-Weise auf die sechs

Die in Blockform dargestellten Kommutierungslogikschaltungen haben eine Verriegelung als Haup ^funktion. Genauer gesagt, enthält die Kommutierungslofe'kschal-

Puffer- oder Trennverstärkers 164 auf und wird über 20 tung einen Kommutierungsstromdetektor, der von dem den Leiter 166 von dem Oszillator 154 als Eingangsgrö- Leiter 100 gespeist ist, und einen Zeitverzöge. ^ gsße aufgenommen. Der Oszillator 154 ist zweckmäßiger- schalter, um einen Abschluß einer signalisierten weise als ein Triggerimpulsgenerator ausgewählt, in Kommutierung sicherzustellen, bevor die Steuerschaldem sich die Frequenz der an seinem Ausgang 172 tung den Hauptschalter des Wechselrichters weitere auftretenden Impulse im wesentlichen linear mit der 25 Zündsignale zuführen kann. Der Zündimpulsgenerator Größe der empfangenen Eingangsspannung ändert. Der 220 liefert die Triggerimpulse, die tatsächlich zur nächste Schritt in dem Hauptsteuerkreis ist die Teilung Steuerung der kommutierenden und laststromführender Ausgangsgröße aus dem Oszillator 154 in dem den Halbleiterschalter gepulst werden.
Frequenzteiler 156. Die endgültige Teilung in dem Während die primäre Drehzahlsteuerung die Funk-Frequenzteiler 156 (die als eine Teilung durch 16 30 tion hat, eine Betriebsgrundfrequenz des Wechselrichdargestellt ist), liefert Triggerimpulse mit dieser ters zu liefern, die sich gemäß einer gewünschten kleineren Frequenz an den Phasengenerator 158. Dieser Motordrehzahl ändert, wie sie durch die Größe des Phasengenerator 158 übt eine Schaltfunktion für jeden Befehlssignales angegeben ist, regelt eine sekundäre aufgenommenen Triggereingang aus und wirkt als ein Zeitverhältnissteuerung die der Last zugeführten Schieberegister, um drei Signale zu liefern, die 35 tatsächlichen Leistung. Beispielsweise ist es bekannt, rechteckige Wellenformen aufweisen und den einzelnen daß im Falle eines mehrphasigen Wechselstrommotors Phasenspannungen einer üblichen mehrphasigen Lei- die Grundregeln des Magnetismus angeben, daß sich die stungsversorgung entsprechen. Somit wird deutlich, daß angelegte Spannung im wesentlichen linear mi: der sechs Triggereingänge von dem Spannungsteiler 156 angelegten Grundfrequenz ändert. Dies wird dadurch eine vollständige Betriebsfolge oder eine Periode des 40 herbeigeführt, daß ein Teil des Befehlssignals vom

Verstärker 164 gewählt und dieses Signal verwendet

Phasengenerators 158 zur Folge haben. Demzufolge ist in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel die Grundfrequenz des Mehrphaseninverlers auf V96 (6-16) der Betriebsfrequenz des Oszillators 154 festgelegt.

Für eine Steuerung der Hauptschaltelemente des Pulswechselrichters wird vorteilhafterweise eine logische Verteilerschaltung verwendet, um die Grundschaltbefehle von dem Phasengenerator 158 zu ergänzen und um zusätzlich den entsprechenden Schalter auszuwäh-

wird, um gemäß seiner Größe die »Einschalt«- und »Ausschalt«-Zeiten für die Hauptleistungsschalter zu steuern.

In F i g. 2 stellt der relative Spannungspegel 47 diesen Teil des Befehlssignales dar. Die in dieser Figur enthaltene Dreieckwelle 51 hat den Zweck der Synchronisierung des im Zeitverhältnis gesteuerten Schalters mit der Betriebsgrundfrequenz des Wechsel

len, der während der entsprechenden Intervalle im 50 richters. Eine nach oben gerichtete oder positive Zeitverhältnis gesteuert werden soll. Die logische Durchkreuzung der Welle 51 und der Welle 47, wie z. B. Verteilerschaltung verwendet zweckmäßigerweise übliche integrierte Module in einer dem Fachmann

bekannten Weise. Vorzugsweise übernimmt der Vertei-

bei 45, signalisiert eine »Ausschalt«-Periode für die Schaltvorrichtung. Umgekehrt signalisiert eine negative Durchquerung 43 ein »Einschalt«-Intervall. Wenn sich

ler der Phase A die Überwachung, wenn Phase B und 55 somit die relative Größe des Signales 47 vergrößert Phase C negativ sind, und verbindet während der (nach oben), verlängert sich die »Einschalt«-Periode der Koinzidenz in diesem Falle die Zeitverhältnis-Trigger- Schaltvorrichtung relativ zu ihrer »Ausschalt«-Periode, impulse von der Mischstufe 204, um die Wechselrichter- so daß der Wechselricher eine größere Ausgangsleischaltung der positiven Phase A (Schalter 18 in F i g. 1) stung abgibt, und umgekehrt. Da die Dreieckwelle mit zu steuern. Wenn umgekehrt die Phase B und Phase C 60 der primären Frequenzsteuerung des Wechselrichters positiv sind, wird die Zeitverhältnissteuerung an den synchronisiert ist, ist die entsprechende Zeitverhältnis-Schalter der negativen Phase A (Schalter 20 in Fig. 1) Steuerungsbetrieb auf ähnliche Weise synchronisiert gelegt In gleicher Weise verbindet der logische und führt zu einer symmetrischen Halb wellen-AusVerteiler der Phase B die Zeitverhältnissteuerung mit gangsgröße des Wechselrichters, wie es durch die Kurve dem Schalter der positiven Phase B während des 65 57 angegeben ist. Genauer gesagt, ist für die Welle 57 in Intervalles, in dem die Phasen A und C beide negativ F i g. 2 das von dem Frequenzteiler 156 (F i g. 4) sind, und verbindet die Zeitverhältnissteuerung mit dem gewählte Vielfache f/8 oder das 24fache der Grundfre-Schalter der negativen Phase B während derjenigen quenz des Wechselrichters, wie sie von dem Leiter 186

abgegeben wird, und, da die Zeitverhältnissteuerung »Ausschalt«-Perioden signalisiert gibt es fünf Leitungsperioden, die als symmetrisch innerhalb der Einhüllenden irgendeiner gegebenen Leiterspannungshalbwelle ersichtlich ist Die Anfangs- und Endimpulse einer derartigen Halbwelle haben die halbe Breite der mittleren Impulse, in diesem Fall von drei Impulsen. In Abhängigkeit davon, ob die Auswahl aus dem Frequenzteiler 156 f/16, f/8, f/4 oder f'2 beträgt ist die entsprechende Zahl der Impulse während irgendeiner Halbwelle 3,5,9 bzw. 17.

Die Zeitverhältnissteuerung kann auch für jede der drei Ausgangsphasen dupliziert werden, anstatt daß sie eine einzelne Steuerung ist die mit einem Verteiler wie beschrieben kombiniert wird, obwohl die Wirtschaft-Iichkeh der Bauteile und desgleichen die Symmetrie der Ausgangswellenformen von Phase zu Phase das beschriebene Ausführungsbeispiel des Verteilers zur Zeit vorteilhaft machen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Anordnung zur Steuerung der Drehzahl eines dreiphasigen Drehstrommotors, der aus einer konstanten Gleichspannungsquelle über einen steuerbare Halbleiterschalter enthaltenden zwangskommutierten Pulswechselrichter mit Spannungen einstellbarer Amplitude und Frequenz gespeist ist, wobei die Einstellung der Amplitude durch eine Zeitverhältnissteuerung bewirkt ist, die die Halbleiterschalter innerhalb jeder Halbwelle der Phasenspannungen pulst, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitverhältnissteuerung die einzelnen Phasenspannungen jeweils nur während des Mittelabschnittes von 60° elektrisch jeder Halbwelle pulst, während der die Polarität der gepulsten Phasenspannung entgegengesetzt zu den zwei anderen Phasenspannungen ist