DE2918083A1 - Drehzahlsteuereinrichtung fuer einen wechselstrommotor - Google Patents

Description

• Drehzahlsteuereinrichtung für einen
• Wechselstrommotor Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehzahlsteuereinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Insbesondere betrifft die Erfindung eine Drehzahlsteuereinrichtung für einen Wechselstrommotor, welche mit stromgesteuerten oder spannungsgespeisten Wechselrichtern oder Invertern arbeitet und eine spezielle Wechselrichterfrequenzsteuerung aufweist, welche einen reversiblen frequenzveränderlichen Oszillator enthält, welche von Natur aus in einem Mehrimpulsbetrieb für eine stetige Reversierung des Motorantriebs zu arbeiten vermag.
• Stromwechselrichter-Steuereinrichtungen, die mit einer Lastwinkelsteuerung arbeiten, stellen einen von verschiedenen Typen statischer, frequenzveränderlicher Wechselstrommotorsteuerungen dar. Bei diesen Systemen entspricht bei niedrigen Drehzahlen die Sollfrequenz einer kleinen Gleichstrom-oder Gleichspannungskomponente des Wechselrichterfrequenz-Steuersignals, das außerdem eine der sechsten Oberwelle (Harmonischen) entsprechende Wechselspannungskomponente großer Amplitude enthält. Es ist nicht möglich, dieses Signal zu glätten und gleichzeitig ein gutes dynamisches Verhalten des Systems zu gewährleisten. Sowohl die Sollfrequenz als auch die gewünschte Drehrichtung des Motors, vorwärts oder rückwärts, müssen aufgrund dieses Signals bestimmt werden und der Betrieb sowie eine Reversierung oder Drehrichtungsumkehr muß in einem großen Drehmomentbereich stetig bewirkt werden können. Beim Arbeiten mit Winkelsteuerung können der Betrieb bei niederen Drehzahlen und eine Drehzahlumkehr ohne besondere Maßnahmen sehr instabil sein und die Steuerung kann in einen Betrieb mit mehrfachem Reversieren fallen, was ein in keiner Weise zufriedenstellendes Verhalten des Systems darstellt und zu Beschädigungen der mechanischen Last führen kann. Eine Lastwinkelsteuerung eines stromgesteuerten Wechselrichterantriebs und eines impulsbreitenmodulierten Spannungswechselrichterantriebs ist aus der DE-OS 27 44 319 bekannt. Bei Antrieben für Transport- und Verkehrszwecke ist es bekannt, zur Lösung des obigen Problems einen Diodenbegrenzer zu verwenden, der den dynamischen Bereich des Winkelfehlersignals begrenzt, bevor es dem Eingang einer Proportional-Integral-Steuerung zugeführt wird. Das vorliegende Antriebssystem, das für eine andere Anwendung entwickelt wurde, arbeitet nicht mit der Integration des Winkelfehlersignals und es wurde festgestellt, daß die einfache Diodenbegrenzer-oder Klemmschaltung keine Lösung darstellt.
• Es ist bekannt, stromgesteuerte und Rechteckschwingungs-Spannungswechselrichter mit Impulsbreitenmodulation zu betreiben und die zeitliche Steuerung der Impulse mathematisch zu optimieren, um verschiedene Oberwellen zu beseitigen. Die übliche Methode, die zeitliche Lage dieser Impulse zu bestimmen, besteht jedoch darin, ein geeignetes Muster auf einem Signalniveau unter Verwendung digitaler Verknüpfungen und Zählvorgängen zu erzeugen. Durch einen Mehrimpulsbetrieb kann ein störendes Drehmomentrucken bei niedrigen Drehzahlen vermieden werden, die bisherigen Versuche, einen Mehrimpulsbetrieb mit einer Lastwinkelregelung zu kombinieren, waren jedoch nicht erfolgreich.
• Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine Steuereinrichtung für einen Wechselstrommotor anzugeben, die ein besseres Betriebsverhalten, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, aufweist und sich durch einen besonders zweckmäßigen Aufbau auszeichnet.
• Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.
• Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Steuereinrichtung gemäß der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Eine reversierbare statische Drehzahlsteuereinrichtung gemäß der Erfindung, die entweder mit einem stromgesteuerten Wechselrichter oder einem Rechteckspannungswechselrichter arbeitet, enthält einen verbesserten frequenzveränderlichen Oszillator in der Wechselrichter-Frequenzsteuerung, um ein stetiges und gleichmäßiges Arbeiten und Reversieren in einem großen Drehmomentbereich zu gewährleisten. Das dem Oszillator zugeführte Wechselrichterfrequenzkommando- oder Wechselrichterfrequenz-Steuersignal enthält einen beträchtlichen Wechselspannungs- oder Brummanteil und einen Gleichspannungsanteil, dessen Betrag und Polarität die Drehzahl und Drehrichtung des Motors angeben. Der Oszillator enthält einen Integrator und erzeugt Taktimpulse mit einer Frequenz, die nur vom Wert der Gleichspannungskomponente des Eingangssignals abhängt, und Vorwärts- oder Rückwärts-Drehrichtungssignale, die nur von der Polarität dieses Signals abhängen. Ein Ringzähler oder eine wirkungsgleiche Einrichtung erzeugt Zünd- oder Steuerimpulse für Hauptthyristoren des Wechselrichters in einer Vorwärts- und Rückwärts-Phasenfolge .
• Der Oszillator und die Wechselrichterfrequenzsteuerung eignen sich besonders gut für Strominverterantriebe, die mit Lastwinkelsteuerung arbeiten, sie haben jedoch die gleichen Vorteile auch für eine Drehmomentsteuerung oder -regelung.
• Das Problem des Ruckens oder Schlagens, das beim Stand der Technik insbesondere beim Betrieb mit hohem Drehmoment und niedriger Drehzahl und bei Reversierungen mit niedriger Drehzahl und hohem oder niedrigem Drehmoment auftrat, wird vermieden; unter diesen Bedingungen besteht das Frequenzsteuersignal fast ausschließlich aus Wechsel spannung oder enthält einen großen Wechselspannungsanteil. Ein Mehrimpulsbetrieb ergibt sich außerdem von selbst bei niedrigen Drehzahlen und die Schwingungsformen der resultierenden Wechselrichtersignale nehmen eine impulsbreitenmodulierte Charakteristik an, welche Drehmomentmodulationen verringert und das Arbeiten der Kommutierschaltungen des Wechselrichters verbessert.
• Die bevorzugte Ausführungsform des reversiblen frequenzveränderlichen Oszillators enthält einen Integrator mit einem parallelgeschalteten Rückstellschalter in Kombination mit positiven und negativen Vergleichern und einem Verknüpfungsglied oder einer Torschaltung, die Taktimpulse erzeugen, die als Takt für einen Schieberegister-Ringzähler verwendet werden können. Die Taktimpulse werden einem Richtungs-Flipflop zugeführt, um Rechtsverschiebungs- sowie Linksverschiebungs-Eingangssignale entsprechend einem Vorwärts- oder Rückwärts-Kommando zu erzeugen. Das Oszillator-Ausgangssignal kann durch ein Überstromsignal zum Verschwinden gebracht werden und der Oszillator kann einen Minimalfrequenz-Begrenzungsmechanismus enthalten.
• Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
• Es zeigen: Figur 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer statischen Wechselstrommotor-Steuereinrichtung mit einem stromgesteuerten Wechselrichter und mit Winkelsteuerung; Figur 2 ein teilweise in Blockform ausgeführtes Schaltbild der Wechselstrommotor-Steuereinrichtung mit stromgesteuertem Wechselrichter, in dem die Lastwinkelregelschleife genauer dargestellt ist, während andere Einzelheiten der Einrichtung weggelassen sind; Figur 3a bis 3d graphische Darstellungen der Verlaufes eines Winkelreferenz- oder Winkelsollwertsignals und eines Winkelrückführungssignals beim Betrieb mit geringer und starker Belastung, und eines Winkelfehlersignals mit einer kleinen Gleichspannungskomponente und einer großen Wechselspannungskomponente bei starker Belastung; Figur 4 ein Blockschaltbild eines reversierbaren frequenzveränderlichen Oszillators und Schieberegister-Ringzählers; Figur 5a und 5b graphische Darstellungen des zeitlichen Verlaufes eines Einphasen-Ausgangsstromes für einen normalen Betrieb und einen Mehrphasenbetrieb; und Figur 6 ein mehr ins einzelne gehendes Blockschaltbild des reversierbaren frequenzveränderlichen Oszillators, der durch eine überstromabschaltung und eine Mindestfrequenzbegrenzung modifiziert ist.
• Ein reversibler frequenzveränderlicher Oszillator ist in vielen Wechselstrommotor--Drehzahlsteuereinrichtungen verwendbar, bei denen ein außergewöhnlich gleichmäßiges und stetiges Arbeiten und reversieren in einem großen Drehmomentbereich benötigt wird.
• Der Oszillator und die Wechselrichter-Frequenzsteuerschaltung, deren Hauptbestandteil erbildet, eignen sich besonders für Strominverterantriebe oder - steuerung, die mit Lastwinkelsteuerungarbeiten, sie eignen sich jedoch auch für andere Regler und Wechselrichtertypen. Bei diesen Systemen wird die Sollfrequenz beim Betrieb mit niedriger Drehzahl durch eine kleine Gleichstromkomponente in einem großen Wechselstromsignal dargestellt und es ist nicht möglich, dieses Signal ohne Beeinträchtigung des geforderten dynamischen Verhaltens des Systems zu filtern. Der hier beschriebene Oszillator stellt eine Lösung mehrerer der subtilen Probleme dar, denen bei Hochleistungsantrieben Rechnung getragen werden muß, und kann von Natur aus im Mehrimpulsbetrieb arbeiten, so daß bei Verringerung der Drehzahl eine komplexere Wechselrichterschwingung erzeugt wird, um Pulsationen bei Frequenzen beseitigt oder zumindest weitgehend verringert werden, die so niedrig sind, daß die Drehung ungleichmäßig werden kann oder mechanische Resonanzen im Motor und der Last angeregt werden können.
• Ein stromgesteuerter Wechselstrommotorantrieb mit Vorkehrungen für eine Lastwinkelsteuerung oder Drehmomentsteuerung ist in Figur 1 als vereinfachtes Blockschaltbild dargestellt.
• Bei dieser Einrichtung wird Wechsel- oder Gleichspannungsleistung durch einen Spannungsumsetzer 10, wie einen phasengesteuerten Thyristorgleichrichter oder einen Zerhacker-Gleichspannungswandler in Gleichspannungsleistung veränderlicher Amplitude umgesetzt. Die Leistung wird dann durch einen stromgesteuerten Wechselrichter 11 in Wechselspannungsleistung umgesetzt und eine Gleichstromdrossel 12 ist in die Gleichspannungsverbindung eingeschaltet, um die Welligkeit zu verringern, die dem Ausgangssignal eines Wechselrichters oder Zerhackers naturgemäß anhaftet.Der mehrphasige, nichtsinusförmige Ausgangsstrom des Wechselrichters, der eine variable Frequenz und eine Amplitude entsprechend der des Stromes in der Gleichstromverbindung hat, wird einem Drehzahl steuerbaren Wechselstrommotor, z.B. einem Induktionsmotor 13 zugeführt. Die Größe der Spannung VR, die der Spannungsumsetzer 10 an dieGleichstromverbindung liefert, bestimmt den Wert des Stromes Idc in der Gleichstromverbindung und damit den Statorstrom während die Arbeitsfrequenz des stromgesteuerten Wechselrichters 11 die Erregungsfrequenz des Stators bestimmt. In der Praxis muß für einen ordnungsgemäßen Betrieb des Motors und der ganzen Steuereinrichtung oft eine stabilisierende Rückführung verwendet werden, um den Fluß und den Strom des Motors auf normalen Werten zu halten. Bei konventionellen Motorsteuerungen wird diese Stabilisierung durch dynamische Steuerung des Motorstroms und der Amplitude bewirkt. Bei der Lastwinkelsteuerung wird die Wechselrichterfrequenz zur Stabiliserung des Systems verwendet, indem der Phasenwinkel zwischen dem Motorstrom und dem Motorfluß geregelt wird. Dieses Verfahren bewirkt eine Synchronisation der Zündimpulse des Wechselrichters mit der Gegen-EMK des Wechselrichters und ist dual zum spannungsgespeisten Induktionsmotor, bei dem von Natur aus ein zusätzlicher Strom zum Angleich der Gegen-EMK des Motors an den Wechselrichter fließt.
• Nähere Einzelheiten und eine spezielle Ausführungsform einer statischen Wechselstromsteuerung mit Lastwinkelrückführung sind in der DE-OS 27 44 319 erläutert, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird. Einrichtungen dieser Art enthalten einen Rechner 14 für die Istwerte des Flusses, des Drehmoments und des Lastwikels, dem Information von Motorstromfühlern 15 und Luftspaltflußspulen 16 zugeführt wird und der Rückführungssignale an eine Steuerschaltung 17 liefert, außerdem kann ein Tachometergenerator 18 zum Erzeugen eines Drehzahlrückführungs-oder Drehzahl-Istwertsignals vorgesehen sein. Der in der Einheit Volt dargestellte LuftspaltfluB t und der Istwert des elektromagnetischen Drehmoments Te, der durch das Produkt des q-Achsen-Statorstroms und des d-Achsen-Luftspaltflusses abzüglich des Produktes des d-Achsen-Stators troms und des q-Achsen-Luftspaltflusses definiert ist, können durch eine Anordnung erzeugt werden, wie sie aus der oben erwähnten Offenlegungsschrift bekannt ist. In der Praxis wird bei der Berechnung des Lastwinkel-Istwertes oder Drehmomente-Istwertes vorgezogen, nicht den Istwert des Phasenwinkels 6 zwischen dem Motorstrom und dem Motorfluß zu errechnen, sondern stattdessen das angenäherte Rückführungssignal (sinus @)eq zu zu erzeugen, eq da diese Größe im ganzen Betriebbereich monoton wächst und daher für Winkel regler eine besser geeignete Veränderliche darstellt. Die erwähnte äquivalente Größe ist durch die folgende Gleichung gegeben: in der Idc den Strom in der Gleichstromverbindung und k eine Konstante bedeuten Andere Schaltungen zum Erzeugen eines Meßwertes oder Istwertes des Lastwinkels sind aus der oben genannten Offenlegungsschrift und der Veröffentlichung Synchronous Control of a Static AC Inductor Motor Drive, Conference Record of the IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, 2. bis 6. Oktober 1977, Seiten 609 bis 615 bekannt.
• In Figur 2 ist die Lastwinkelregelschleife einer Indukstionsmotorsteuereinrichtung mit stromgesteuertem Wechselrichter im einzelnen dargestellt, während andere Teile der Steuereinrichtung aus übersichtlichkeitsgründen weggelassen sind.
• Der anfängliche Spannungsumsetzer ist ein phasengesteuerter Thyristorgleichrichter 10', der aus einer dreiphasigen 60 Hz-Spannungsquelle gespeist wird und der stromgesteuerte Wechselrichter 11' ist ein Mehrphasenthyristor-Brücken-Wechselrichter, wie der aus der US-PS 39 80 941 bekannte selbstkommutierende Wechselrichter. Stromgesteuerte Wechselrichter werden gelegentlich auch als Stromquellen-Wechselrichter oder stromgespeiste Wechselrichter bezeichnet und bei der Realisierung der vorliegenden Erfindung können auch andere Typen verwendet werden, einschließlich Wechselrichter mit Hilfskommutierung durch die dritte Oberwelle und einem Kommutierkondensator und hilfsimpulskommutierte Wechselrichter mit drei Kommutierkondensatoren.
• Ein Winkelrückführungssignal oder Winkel-Istwertsignal sin e eq und ein Kommando- oder Sollwert-Signal, das mit sinus #eq * bezeichnet ist und schematisch als von Hand einstellbarer Spannungswert am Schleifer eines Potentiometers 20 dargestellt ist, werden einem Summierer 21 zugeführt, der ein Winkelfehlersignal erzeugt.Nach Durchlaufen einer Verstärkungsgrad-Schaltung 22 wird das Winkelfehlersignal mit einer beträchtlichen Wechselspannungskomponente, und eine positives oder negatives Rotordrehzahl-Rückführungs-Gleichspannungssignal oder Rotor-Drehzahl-Istwertsignal #r einem weiteren Summierer 23 zugeführt, an dessen Ausgang ein Inverterfrequenzkommando- oder Inverterfrequenz-Steuersignal auftritt. Ein reversibler, frequenzsteuerbarer Oszillator 24 in einer verbesserten Inverterfrequenzsteuerschaltung 25 hat die Aufgabe, die Gleichspannungskomponente des Steuereingangssignales, das in Abhängigkeit von der Drehrichtung des Motors entweder positiv oder negativ ist, in Taktimpulse mit einer Frequenz, die gleich dem Sechsfachen der gewünschten Motorfrequenz ist, und in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtungssignale umzusetzen. Die Taktimpulse der Richtungssignale werden einem Ringzähler 26 zum Erzeugen von Thyristor-Zündimpulsen mit einer Vorwärts- oder Rückwärtsphasenfolge zugeführt.
• Üblicherweise sind den Steuerelektroden der Thyristoren noch Ansteuerstufen vorgeschaltet, die jedoch nicht dargestellt sind.
• Der Wechselrichter 11' enthält Hauptthyristoren T1 bis T6, deren Numerierung der Zündfolge für den Vorwärtslauf entsprechen.
• Einzelheiten der Kommutierung sind nicht dargestellt. Bevor mit der Erläuterung fortgefahren wird, soll darauf hingewiesen werden, daß eine Drehmoment-Rückführungssteuerung, die die Wechselrichterfrequenz im Sinne einer weitgehenden Reduzierung des Fehlers zwischen einem Drehmoment-Sollwertsignal Te * einem Drehmoment-Istwertsignal T verändert, unter Verwendung der gleichen e Steuer- oder Regelschaltung ebenfalls möglich ist, da die Rückführungs- oder Istwertsignale für das Drehmoment und den Lastwinkel eine ähnliche Form haben.
• Die Winkel-Sollwert-, Winkel-Istwert- und Winkel-Fehlersignale (die die Eingangs- und Ausgangssignale des Summierers 21 darstellen) sind in den Figuren 3a bis 3c für verschiedene Belastungsverhältnisse dargestellt, um das Verständnis des Problems zu erleichtern, das insbesondere bei einem Betrieb mit hohem Drehmoment und niedriger Drehzahl und bei einer Umsteuerung mit niedriger Drehzahl und hohem oder niedrigem Drehmoment auftritt. Das Winkel-Sollwertsignal (Fig. 3a) ist ein Gleichspannungssignal veränderbaren Wertes. Das Winkel-Istwertsignal setzt sich typischerweise aus einer Gleichspannungskomponente und aus einer der sechsten Oberwelle entsprechenden Wechselspannungskomponente großer Amplitude zusammen; bei schwacher Belastung (Fig. 3b) besteht das Winkel-Istwertsignal im wesentlichen nur noch aus der Wechselspannungskomponente während bei starker Belastung (Fig. 3c) eine große Gleichspannungskomponente vorhanden ist und das Signal zu etwa 50% aus der Wechselspannungskomponente besteht. An den Eingängen des Summierers ist das Winkel-Istwertsignal negativ, während das Sollwertsignal eine positive Polarität hat. Das Winkel-Fehlersignal bei starker Belastung (Fig. 3d), das durch Summierung des Gleichspannungs-Sollwertsignals 28 und des Winkel-Istwertsignales 29 erzeugt wird, ist durch die dick gezeichnete Kurve 30 dargestellt und hat eine sehr kleine Gleichspannungskomponente 31. Bei niedrigen Motor-Drehzahlen ist das Drehzahl-Wertsignal ov vom Tachometer 18 ebenfalls ein verhältnismäßig r kleines Gleichspannungssignal, so daß das Inverter-Frequenzsteuersignal, das die Summe des Winkel-Fehlersignals und des Tachometer-Rückführungssignals oder Drehzahl-Istwertsignals darstellt, eine Wechselspannungskomponente großer Amplitude und eine Gleichspannungskomponente kleiner Amplitude enthält, aus der die gewünschte Motorfrequenz und die gewünschte Motordrehrichtung bestimmt werden müssen. Die Motorgrundfrequenz ist das elektrische Äquivalent der Drehzahl (U/min),mit der die Motorwelle rotiert. Bei langsamer Umsteuerung unter entweder oder niedrigem Drehmoment ist das vom Tachometer 18 rückgeführte Drehzahl-Istwertsignal klein und geht durch Null mit dem Ergebnis, daß das Inverter-Frequenzsteuersignal einen großen Wechselspannungsanteil und einen kleinen Gleichspannungsanteil hat.
• Der große Wechselspannungsanteil stört den Betrieb des reversiblen frequenzveränderlichen Oszillators 24 nicht und wird in der Praxis sogar für einen Mehrimpulsbetrieb ausgenutzt, wenn der Motor bei niedrigen Drehzahlen oder mit kleiner Geschwindikgeit gesteuert wird.
• Außer den bereits erwähnten Anforderungen muß ein frequenzveränderlicher Oszillator in einer Motorsteuerung mit stromgesteuertem Wechselrichter und Lastwinkelrückführungssteuerung noch weiteren Bedingungen genügen. Die Winkelsteuerung oder-regelung ist für die Stabilität bei hohen und niedrigen Drehzahlen beim Fehlen einer Belastung notwendig.
• Der frequenzgesteuerte Oszillator darf das dynamische Verhalten des Systems als Ganzes nicht beeinträchtigen und soll vorteilhafterweise einen Mechanismus zur Begrenzung der Frequenz nach unten Maßnahmen zur Unterdrückung des Ausgangssignals bei Feststellung von Überströmen enthalten. Der frequenzgesteuerte Oszillator muß das ungleichmäßige, ruckartige Laufen vermeiden, das bei früheren Steuereinrichtungen insbesondere bei einem Betrieb mit hohem Drehmoment und niedriger Drehzahl und bei langsamer Umsteuerung unter hohem oder niedrigem Drehmoment auftrat. Die Lösung muß einfach und wirtschaftlich sein.
• Wenn im Oszillator in irgendeinem Betriebsbereich eine Verstärkungsgradänderung auftritt, muß eine entsprechende Änderung in einem anderen Teil des Reglers erfolgen, wenn das Programmierte Fluß-Drehmoment-Profil des Motors zur Kleinhaltung von Drehmomentschwankungen beibehalten bleiben soll.
• Figur 4 ist ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform des reversiblen frequenzgesteuerten Oszillators 24 und Ringzählers 26. Die Hauptbestandteile des Oszillators sind ein Integrator 33, dem ein Rückstellschalter 34 parallelgeschaltet ist, positive und ngative Vergleicher 35 und 36, die parallel zueinander mit dem Ausgang des Integrators 33 verbunden sind, ein Verknüpfungsglied 37, das zwischen beide Vergleicher und den Rückstellschalter 34 geschaltet ist, ein Flipflop 38 mit einem Setzeingang S und einem Rücksetzeingang R, die mit den Ausgängen der Vergleicher verbunden sind und ein Verzögerungsglied 39, das zwischen den Ausgang des Verknüpfungsgliedes 37 und einen Taktimpulseingang des Ringzählers 26 geschaltet ist.
• Letzterer ist ein konventionelles Schieberegister mit sechs Stufen, das als reversibler Ringzähler geschaltet ist. Der Integrator 33 kann eine integrierte Operationsverstärkerschaltung mit einem Rückführungskondensator zwischen der Augangsklemme und der summierenden Klemme sein und der Rückstellschalter 34 ist zweckmäßigerweise ein Halbleiterschaltelement zur Überbrükkung des Integrierkondensators.
• Das Inverterfrequenz-Steuersignal 41 bildet das Eingangs signal für den Integrator 30 und dieser erzeugt, wenn der Rückstellschalter 34 offen ist, ein Rampen- oder sägezahnförmiges Ausgangssignal 42, das mit einer Geschwindigkeit ansteigt, die ausschließlich von der Gleichspannungskomponente des Eingangssignals abhängt. Je nach der Polarität dieser Gleichspannungskomponente wird das Eingangs signal bis zu einem positiven Referenzwert +Vref oder einem negativen Referenzwert Vref des Vergleichers 35 bzw. 36 auf integriert. Bei einer Auf integrierung bis zum positiven Referenzwert ändert sich das Ausgangssignal des Vergleichers 35 von einem niedrigen auf einen hohen Wert und das Signal wird das ODER-Glied 37 dem Rückstellschalter 34 zugeführt, der schließt und den Rückkopplungs-oder Integrier-Kondensator entlädt. Das Ausgangssignal des Integrators fällt dadurch ab mit dem Ergebnis, daß das Ausgangssignal des Vergleichers 35 vom hohen auf den niedrigen Wert zurückschaltet, da der positive Referenzwert nicht länger überschritten wird; auf diese Weise entsteht also ein Taktimpuls 43. Ein Zug solcher Taktimpulse wird entweder am Ausgang des Vergleichers 35 oder dem des Vergleichers 36 mit einer Frequenz erzeugt, die von der Amplitude der Gleichspannungskomponente des Steuersignals abhängt,und alle Taktimpulse werden durch das ODER-Glied 37 weitergeleitet und gelangen durch das Verzögerungsglied 39 zum Takteingang des Schieberegisters 40.
• Die Taktimpulse vom positiven Vergleicher 35 werden ferner dem Setzeingang S des Drehrichtungs-Flipflops 38 zugeführt, während die Taktimpulse vom negativen Vergleicher 36 dem Rücksetzeingang R zugeführt werden. Das Q-Ausgangssignal und das komplementäre Q-Ausgangssignal des Flipflops bilden Vorwärts-bzw. Rückwärts-Richtungssignale 44 und 45, oder umgekehrt, wobei ein Signal ansteigt, wenn das andere abfällt, und diese Richtungssignale werden dem Linksverschiebungs- bzw. Rechtsverschiebungs-Eingang des Schieberegister-Ringzähers 40 zugeführt. Wenn der seinen Zustand ändernde Vergleicher der gleiche bleibt wie vorher, bleibt auch das Flipflop im gleichen Zustand. Wenn jedoch der andere Vergleicher seinen Zustand ändert, ändert sich auch der Zustand des Flipflops und dadurch wird die Verschiebe- oder Umlaufrichtung des Ringzählers sowie auch die Motorphasensequenz umgekehrt. Der Zweck des Verzögerungsgliedes 39 bestehtdarin, die Taktimpulse um einen kleinen Betrag zu verzögern, so daß die Rechtsverschiebungs-und Linksverschiebungs-Steuersignale vom Schieberegister vor dem Eintreffen der Taktimpulse empfangen werden.
• Die Inverterfrequenzsteuerschaltung 25 mit dem reversierbaren, frequenzveränderlichen Oszillator 24 ist beim Betrieb in der geschlossenen Rückführungs- oder Regelschleife gemäß Fig. 2 von Natur aus in der Lage, in einer Mehrimpulsbetriebsart zu arbeiten, was beträchtlich zu ihrer Brauchbarkeit und Nützlichkeit in einem Motorsteuersystem beiträgt. Die resultierenden Wechselrichters diwingungen nehmen eine impulsbreitenmodulierte Charakteristik an, welche die Drehmomentmodulation verringert und das Arbeiten der Kommutierschaltungen des Wechselrichters verbessert. Bei einem stromgesteuerten Wechselrichter oder einem Rechteckspannungs-Wechselrichter, der als Motorsteuerein-.ichtung verwendet wird, treten Drehmomentschwankungen mit dem Sechsfachen der Grundfrequenz auf. Wenn die Betriebsdrehzahl oder -geschwindigkeit niedrig ist, kann die Frequenz der Drehmomentschwankungen oder -pulsationen klein genug sein, um ein ruckartiges Arbeiten zu verursachen oder mechanische Resonanzen im Motor und der angetriebenen Last anzuregen. Durch den Mehrimpulsbetrieb wird die Amplitude der Drehmomentschwankungen verringert und ihre minimale Frequenz erhöht, ohne den Wechselrichterleistungskreis zu verändern. Wenn es sich um einen Wechselrichter vom Spannungsquellentyp handelt, können die Spannungsoberwellen niedriger Ordnung hohe Oberwellenströme verursachen und hier werden dann durch den Mehrimpulsbetrieb die Amplitude dieser Oberwellenströme verringert und ihre minimale Frequenz erhöht. Ein anderes Problem, das bei jedem Thyristor-Wechselrichter auftreten kann, der mit sehr niedriger Frequenz arbeitet,besteht darin, daß sich der Kommutierkondensator während der relativ langen Zeitspannen zwischen den Kommutierungen entladen kann. Es kann dann also nicht mehr genügend Ladung vorhanden sein, um die nächste Kommutierung durchzuführen; der Mehrimpulsbetrieb erlaubt hier ein Arbeiten des Wechselrichters bei einer beliebig niedrigen Grundfrequenz während gleichzeitig die maximale Zeitspanne zwischen den Kommutierungen viel kleiner als ein Drittel der Periode der Grundfrequenz gehalten wird. Durch die vorliegende Erfindung wird der Mehrimpulsbetrieb ohne speziellen Geräteaufwand im Steuer- oder Leistungsteil erreicht. Wenn die Betriebsfrequenz ziemlich klein ist, ist das Tachometerrückführungs- oder Drehzahl-Istwertsignal #r (fig. 2) eine Gleichspannung, deren Betrag kleiner oder viel kleiner als das Winkel-Sollwertsignal oder das errechnete Lastwinkelrückführungs- oder Lastwlnkel-Istwertsignal ist.
• Unter diesen Verhältnissen ist das Winkel-Fehlersignal, das dem Summierer 23 zugeführt wird, die Differenz zwischen einem konstanten Bezugswert und dem Sinus eines gemessenen Winkel-Istwertes. Vernachlässigt man das kleine Eingangssignal vom Tachometer 18, so integriert der Integrator dieses Fehlersignals und veranlaßt den Ringzähler 26 zu einer Verschiebung nach links oder nach rechts, wenn das integrierte Fehlersignal den durch die Vergleicher-Referenzsignale bestimmten Werte erreicht. Jede Verschiebung des Schieberegisters oder Ringzählers 40 nach links oder nach rechts entspricht einem Zünden von Thyristoren im Wechselrichter in einem Phasenumlaufsinn, der dem Verschiebungssine des Schieberegisters entspricht. Abwechselnde Verschiebungen nach links und rechts werden dann den Motorstrom veranlassen, die Mehrimpulscharakteristik anzunehmen, die zur Reproduzierung der gewünschten Schwingungsformen erforderlich ist. Die Schwingungsform des normalen einphasigen Wechselrichter-Ausgangsstromes Ia, die in Fig. 5a dargestellt ist, enthält, Stromimpulse mit abwechselnder Polarität und einer Dauer von 120°. Beim Mehrimpulsbetrieb, der in Fig. 5b dargestellt ist, treten im Stromverlauf Einkerbungen oder Lücken auf, so daß während des Intervalles von 120° mehrere Impulse auftreten, wobei die Einkerbungen oder Lücken sich an einer für die Kompensation des Drehmomentfehlers nahezu optimalen Stelle befinden. Die Taktimpulse werden mit einer Frequenz erzeugt, welche die übliche Steuerfrequenz, die das Sechsfache der Anregungsgrundfrequenz entspricht, überschreiten.
• Im Betrieb bewirkt der frequenzveränderliche Oszillator 24 eine Verschiebung nach vorwärts oder rückwärts, wie es der integrierte Fehler zwischen dem Kommando oder Sollwert und dem Istwert des Lastwinkels fordert. Der Oszillator arbeitet also in etwa wie ein Zweipunktregler oder ein Regler mit Verzögerung, Totzeit und Hysterese, zur Kompensation des integrierten Fehlers zwischen dem Winkel-Istwert und dem Winkel-Sollwert, und die Wirkung des pulsierenden Betriebs besteht darin, daß der Winkel-Istwert so nahe am Sollwert gehalten wird, wie es bei einem Schaltregler möglich ist. Man kann die Schaltung so ansehen, als ob sie Drehmomentoberwellen minimal hält, wenn man sich klar macht, daß bei jedem Gleichgewichtswert des Drehmoments und der Drehzahl sowohl der Strom Idc als auch der Fluß t nahezu konstant sind, das Drehmoment Te sicher jedoch wegen der momentanen Änderungen des äquivalenten Lastwinkels e eq zyklisch ändert. In der Praxis ist diese Bedingung für einen stromgesteuerten Wechselrichter normal. Wenn sich der Strom und der Fluß nur wenig ändern, ist der Nenner Idc ( t-kIdC) des Ausdruckes für den Winkel (Gleichung (1) bei vorgegebener Last nahezu konstant. Die Wechselkomponente des Winkels besteht dann praktisch ganz aus Drehmomentschwankungen und der Oszillator verschiebt zurück und vor, um den Drehmomentfehler möglichst klein zu halten. Es kann gezeigt werden, daß ein impulsbreitenmoduliertes Muster, das den integrierten Fehler so klein wie möglich hält, das theoretisch ideale Muster für die Verringerung von Oberwellen-ist. Versuche haben gezeigt, daß das System die ersten drei Klassen von Impulsbreitenmodulations-Schwingungen zu erzeugen vermag, die in der Veröffentlichung "Power Converters for Feeding Asynchronous Traction Motors of Single Phase AC Vehicles" von W. Lienau u.a., Conference Record of the 1977 IEEE Industry Applications Society International Semiconductor Power Converter Conference, Seiten 295 bis 304 beschrieben sind.
• Die Wirkung des Drehzahlistwert-Gleichspannungssignales #r besteht darin, den Integrator 33 so vorzusapnnen, daß die Rotation in einer einzigen Richtung erfolgt. Wenn also das Tachometersignal groß ist, spricht der Wechselrichter normal an und die Phasendrehung verläuft kontinuierlich in einer Richtung.
• Wenn das Tachometersignal nach Null verringert wird, ermöglicht es zuerst einen einzigen zusätzlichen Impuls bei jedem Schalten und dann, wenn das Tachometersignal sich dem Wert Null weiter nähert, zusätzliche Impulse. Hierdurch ergibt sich automatisch eine Änderung der Mehrimpulsbetriebsarten,und es entstehen immer komplexere Kurvenverläufe, je mehr die Drehzahl verringert wird.
• Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, eine Winkelsteuerung und einen Mehrimpulsbetrieb verträglich miteinander und mit den gleichen Steuereinrichtungen, die beide Funktionen ausüben,zu verwenden Die reversible frequenzveränderliche Oszillator- und Ringzählerschaltung gemäß Fig. 6 ist durch den Zusatz einer Minimalfrequenz begrenzung und überstromabschaltung, die das Oszillatorausgangssignal unterdrückt, ergänzt. Das Eingangssignal des Integrators 33 wird, wie beschrieben, bis zu einem positiven oder negativen Referenzwert, der am Vergleicher 35 bzw. 36 eingestellt ist, aufintegriert. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das Ausgangssignal der Vergleicher wie bisher dem Richtungs-Flipflop 38 zugeführt und außerdem über ein ODER-Glied 37 einem Monovibrator 47. Wenn der seinen Zustand ändernde Vergleicher nicht der gleiche ist wie vorher, ändert sich der Zustand des Richtungs-Flipflops 38. Das Vergleicher-Ausgangssignal wird ferner durch den Monovibrator 47 wahrgenommen, der als Verzögerung dient und eine eventuelle Rückstellung des Flipflops ermöglicht, bevor der nächste Oszillatorimpuls auftritt. Dieser Oszillatorimpuls wird von einem zweiten Monovibrator 48 erzeugt, den das verzögerte Ausgangssignal des Monovibrators 47 tastet.
• Das Ausgangs signal des Monovibrators 48 durchläuft ein ODER-Glied 49 zu einem Eingang eines UND-Gliedes 50 und von dessen Ausgang, falls das UND-Glied durchgeschaltet ist, was normalerweise der Fall ist, über einen Verstärker 51 zum Rückstellschalter 34, der schließt und einen Integrierkondensator im Integrator 33 kurzschließt, wodurch der Integrator für den nächsten Zyklus auf Null zurückgestellt wird. Die Verzögerung durch den Monovibrator 47 hat ferner eine bestimmte endliche Impulsbreite der Vergleicherausgangssignale zur Folge.
• Der durch das UND-Glied durchgelassene Taktimpuls wird ferner einem Eingang eines erneut auslösbaren oder nachtastbaren Monovibrators 52 zugeführt und wenn die Oszillatorperiode vom Monovibrator 48 die Periode des Monovibrators 52 überschreitet, tastet dieser einen vierten Monovibrator 53, welcher dann die untere Frequenzgrenze des Oszillators bestimmt.
• Die normalen Taktimpulse 43 vom Monovibrator 48 oder die von der Mindestfrequenzschaltung 52,53 erzeugten Taktimpulse 43 werden über das ODER-Glied 49 und das UND-Glied 50 einem Takteingang eines Schieberegister-Ringzählers 40 zugeführt, solange das UND-Glied 50 nicht durch die überstromwahrnehmungs- und Abschaltschaltung gesperrt wird. Entweder der Strom in der Gleichstromverbindung oder der Ausgangsstrom des Wechselrichters werden durch einen Gleichstromfühler 54 gemessen, der ein dem Stromwert entsprechendes Signal an einen überstromgrenze-Vergleicher 55 liefert. Wenn das Strom-Istsignal vom Stromfühler 54 einen Referenzwert überschreitet, schaltet der Ausgang des Vergleichers von einem niedrigen auf einen hohen Wert und erzeugt ein Überstromsignal, welches ein Überstrom-Abschalt-Flipflop 56 in den Sperrzustand setzt, in dem das Durchschaltsignal vom UND-Glied 50 abgeschaltet ist. Die Taktimpulse 43 können dann nicht mehr zum Takteingang des Schieberegisters 40 gelangen und das Oszillator-Ausgangssignal verschwindet.
• Nach einem überstrom oder zum Betriebsbeginn wird der Oszillator von Hand wieder eingeschaltet. Hierfür wird dem Rücksetzeingang S des Überstrom-Flipflops 56 ein Start/Rücksetz-Impuls zugeführt, der den Zustand des Ausgangssignals des Flipflops 56 umschaltet, so daß das UND-Glied 50 wieder ein Durchschaltsignal erhält. Die am Ausgang Q und Komplementärausgang Q des Richtungs-Flipflops 38 erzeugten Richtungssignale 44 bzw.
• 45 werden über jeweils ein ODER-Glied 57 bzw. 58 einem Rechtsverschiebungs- bzw. Linksverschiebungs-Eingang des Schieberegisters 40 zugeführt. Den ODER-Gliedern 57 und 58 wird jeweils außerdem der Start/Rücksetz-Impuls zugeführt, um das Schieberegister wieder in Betrieb zu setzen.
• Durch die vorliegende Erfindung wird also eine statische Hochleistungs-Wechselstrommotorsteuerung mit einem Stromquellen-oder Spannungsquellen-Wechselrichter geschaffen, die sich durch ein stetiges und gleichmäßiges Arbeiten bei niedrigen Drehzahlen und ein stetiges Reversieren in einem großen Drehmomentbereich ermöglicht. Die Wechselrichterfrequenzsteuerung und der frequenzgesteuerte Oszillator sprechen auf ein Signal mit einer großen Wechselspannungskomponente an und verwenden es mit Vorteil, wenn die Gleichspannungskomponente, welche den Drehzahl-Sollwert und die Solldrehrichtung darstellt, klein ist. Verschiedene Steuer- und Regelschemata, einschließlich Lastwinkelregelung und Drehmomentregelung, sind möglich. Ein vorteilhaftes Anwendungsgebiet einer strom- und winkelgesteuerten Hochleistungs-Steuereinrichtung gemäß der Erfindung sind große Antriebe für industrielle Zwecke.
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Claims (10)

1. Drehzahlsteuereinrichtung für einen Wechselstrommotor Patentansprüche Reversierbare statische Drehzahlsteuereinrichtung für nen Wechselstrommotor mit einem Hauptthyristoren enthaltenden Wechselrichter zur Speisung des Wechselstrommoi:ors mit Wechseistromleistung einstellbarer Amplitude und einstellbarer Frequenz, und mit einer Wechselrichter-Frequenzsteuerschaltung, die durch ein Wechselrichterfrequenz-Steuersignal steuerbar ist und Zündimpulse für die Hauptthyristoren des Wechselrichters liefert, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß die Wechselrichter-Frequenzsteuerschaltung einen reversiblen, frequenzveränderlichen Oszillator, welcher einen Integrator enthält, als Eingangssignal ein Wechselrichter-Frequenzsteuersignal, welches eine beträchtliche Wechselspannungskomponente und eine Gleichspannungskomponente, deren Größe und Betrag die Drehzahl bzw. Drehrichtung des Wechselstrommotors angeben, erhält und Taktimpulse sowie Richtungssignale einer Frequenz liefert, welche nur von der Gleichspannungskomponente des Eingangssignals abhängen, und eine durch die Taktimpulse und Richtungssignale gesteuerte Anordnung zum Erzeugen von Steuer- oder Zündimpulsen für die Hauptthyristoren des Wechselrichters in einer Vorwärts-und Rückwärts-Phasenfolgeliefert, enthält.
2. 2. Drehzahlsteuereinrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t, daß der Integrator (33) ein rampenartig ansteigendes Ausgangs signal (42) erzeugt, dessen Anstiegsgeschwindigkeit von der Gleichspannungskomponente des Eingangssignals (41) abhängt und daß der Oszillator (24) eine Anordnung 135,36,37,38) enthält, der die Taktimpulse (43) und die Richtungssignale (44,45) erzeugt, wenn das Integrator-Ausgangssignal wiederholt auf vorgegebene Werte ansteigt und anschließend zurückgestellt wird.
3. 3. Drehzahlsteuereinrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Anordnung zum Erzeugen der Taktimpulse (43) und Drehrichtunssignale (44,45) einen positiven und einen negativen Vergleicher (35,36) die parallel zueinander an den Ausgang des Integrators (33) angeschlossen sind, ein Verknüpfungsglied (37), das zwischen die beiden Vergleicher (35,36) und einen Schalter (34) zum Rückstellen des Integrators (33) geschaltet ist, so daß die Taktimpulse an den Ausgängen der Vergleicher auftreten, und ein Richtungs-Flipflop (38), das mit den beiden Vergleichern (35,36) verbunden und ein Vorwärts- oder Rückwärts-Signal liefert, enthält.
4. 4. Drehzahlsteuereinrichtung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Anordnung zum Erzeugen der Thyristorzündimpulse einen reversierbaren Ringzähler (40) enthält, der mit dem Richtungs-Flipflop (38) verbunden und über ein Verzögerungsglied (39,47) mit dem Ausgang des Verknüpfungsgliedes (37) gekoppelt ist und dessen Verschiebung durch die Taktimpulse erfolgt.
5. 5. Drehzahlsteuereinrichtung nach Anspruch 4, g e k e n n z e i c h n t d u r c h eine Anordnung (54,55), die ein überstromsignal erzeugt, wenn ein abgefühlter Strom des Inverters einen Referenzwert (Vref) überschreitet, und daß in den Takteingang des Ringzählers (40) ein weiteres Verknüpfungsglied (50) geschaltet ist, das die Taktimpulse beim Auftreten des überstromsignals sperrt.
6. 6. Drehzahlsteuereinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine Schaltungsanordnung zur Begrenzung der minimalen Wechselrichterfrequenz, welche eine durch die Taktimpulse gesteuerte Verzögerungsschaltung (52) enthält, welche Taktimpulse für den Ringzähler (40) nach einem vorgegebenen Intervall erzeugt.
7. 7. Drehzahlsteuereinrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daB der in ihr enthaltene Wechselrichter (11) eine Lastwinkelrückführung zum Erzeugen eines Winkelfehlersignals enthält, daß die Differenz zwischen einem Winkel-Sollwertsignal und einem Winkel-Istwertsignal, welches den Istwert des Winkels zwischen dem Motorstrom und dem Motorfluß darstellt, erzeugt, welches Winkelfehlersignal eine Komponente des Wechselrichter-Frequenzsteuersignals darstellt, und daß die Wechselrichterfrequenzsteuerung bei niedrigen Drehzahlen von selbst im Mehrimpulsbetrieb arbeitet.
8. 8.Drehzahlsteuereinrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Integrator (33) mit einem Rückstellschalter (34) versehen ist; daß die Anordnung zum Erzeugen der Taktimpulse und Drehrichtungssignale positive und negative Vergleicher (35,36), die parallel zueinander mit dem Ausgang des Integrators (33) gekoppelt sind, ein Verknüpfungsglied (37),daß derart zwischen die beiden Vergleicher (35,36) und den Rückstellschalter (34) geschaltet ist, daß jedes Vergleicherausgangssignal den Rückstellschalter (34) schließt und an den Ausgängen der Vergleicher Taktimpulse (43) erzeugt werden, und ein Drehrichtungs-Flipflop (38), welches mit den beiden Vergleichern (35,36) verbunden ist und ein Vorwärts- oder ein Rückwärtssignal (44,45) erzeugt, enthält, und daß die Anordnung zum Erzeugen der Thyristor-Zündimpulse einen Schieberegister-Ringzähler (40) enthält, der einen Rechtsverschiebungseingang und einen Linksverschiebungseingang aufweist, die mit dem Richtungs-Flipflop (38) gekoppelt sind und einen Taktimpulseingang hat, welcher über ein Verzögerungsglied (39 ,47) mit dem Ausgang des Verknüpfungsgliedes (37) gekoppelt ist und dessen Verschiebung durch die Taktimpulse gesteuert ist.
9. 9. Drehzahlsteuereinrichtung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Winkelfehlersignal in der Lastwinkelrückführung mit einem positiven oder negativen Motordrehzahl-Istwert-Gleichspannungssignal summiert wird um das Inverter-Frequenzsteuersignal zu erzeugen, und daß der frequenzgesteuerte Oszillator (24) bei niedrigen Motordrehzahlen von Natur aus Taktimpulse und Drehrichtungssignale mit einer Frequenz erzeugt, die das Sechsfache der Kommando- oder Steuergrunderregungsfrequenz beträgt, so daß Stromimpulse in einem impulsbreitenmodulierten Muster zur Verringerung von Drehmomentschwankungen erzeugt werden.
10. 10. Drehzahlsteuereinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß eine Drehmomentrückführung vorgesehen ist, die ein Fehlersignal erzeugt, welches die Differenz zwischen dem gemessenen Drehmoment-Istwert und einem Referenzwert darstellt und eine Komponente des Wechselrichter-Frequenzsteuersignals darstellt.