DE3015161A1

DE3015161A1 - Wechselrichtersystem und verfahren zum abgeben von elektrischer leistung an eine belastung

Info

Publication number: DE3015161A1
Application number: DE19803015161
Authority: DE
Inventors: John Hoffman Cutler; Loren Haines Walker
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1979-04-24
Filing date: 1980-04-19
Publication date: 1980-11-06
Also published as: JPS6210109B2; DE3015161C2; SE8003040L; GB2047022A; BR8002576A; JPS561781A; GB2047022B; US4270078A

Description

Beschreibung

Wechselrichtersystem und Verfahren zum Abgeben von elektrischer Leistung an eine Belastung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Wechselrichtersysteme und betrifft insbesondere ein Wechselrichtersystem zum Abgeben von elektrischer Leistung an einen Motor, wobei das System eine neue Schaltungsanordnung zum Erkennen und Korrigieren von Kommutierungsfehlern enthält, die oft und üblicher auch als "Durchschüsse" (shoot-throughs) bezeichnet werden.

Bei der gegenwärtig populärsten steuerbaren Energieumformeinheit, sei es zur Umformung von Gleichstrom in Wechselstrom oder zur Umformung von Wechselstrom in Gleichstrom, wird eine Brückenanordnung von gesteuerten Gleichrichtern benutzt. Der heute meistens verwendete gesteuerte Gleichrichter ist vom Halbleitertyp und wird gattungsmäßig als Thyristor bezeichnet, dessen üblichste Form der gesteuerte Siliciumgleichrichter ist. Im übrigen Teil der Beschre.1 bung wird der Ausdruck "Thyristor" in diesem gattungsmäßigen Sinn gebraucht und es ist klar, daß dieser Begriff benutzt wird,

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um allgemein gesteuerte Gleichrichter zu bezeichnen. Die dreiphasige Version der Energieumformeinheit enthält normalerweise sechs Thyristoren in der üblichen Brückenanordnung, so daß zwei in Reihe geschaltete Thyristoren in jedem der drei Zweige vorhanden sind. Diese Thyristoren werden normalerweise in einer vorgeschriebenen Reihenfolge leitend gemacht, um die Leistungsabgabe von der Quelle an die Belastung zu steuern. Es gibt jedoch Situationen, in denen ein oder mehrere Thyristoren beim Kommutieren versagen oder nicht zur richtigen Zeit abschalten, was zu einem unrichtigen leitenden Zustand führt. Von der Gleichstromseite der Brücke her betrachtet gibt es, wenn ein Thyristor das Kommutieren unterläßt, einen direkten Kurzschluß zwischen den Gleichstromsammelschienen, weil beide Thyristoren eines Zweiges in dem leitenden Zustand sind. Das wird als Kommutierungsfehler oder, üblicher, als Durchschuß bezeichnet.

Es gibt viele Ursachen für Durchschüsse, aber ungeachtet des Ursprungs ist die schließliche Ursache, daß es nicht gelingt, den Thyristorstrom auf einen Wert zu verringern, hei dem der Thyristor zu leiten aufhört. Die Auswirkung des Durchschusses auf die Systemleistungsfähigkeit ändert sich mit dem Typ des benutzten Wechselrichters. In dem Fall eines Spannungsquellenwechselrichters erfordert ein Durchschuß im allgemeinen, daß der Wechselrichter abgeschaltet wird. In einem Stromquellenwechselrichter gibt es, so lange der Durchschuß von kurzer Dauer ist, gewöhnlich keine nachteilige Auswirkung auf den Thyristor oder auf die Gesamtsteuerung der an die Belastung abgegebenen Leistung. Die meisten, wenn nicht alle Systeme, enthalten deshalb irgendeine Form von Durchschußschutz, um einen bevorstehenden oder bereits erfolgten Durchschuß zu erkennen und korrigierend einzugreifen. Dieser Schutzeingriff kann auf vielfältige Weise erfolgen und erfolgt auf vielfältige Weise, wo-

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— Q _

bei der Endzweck immer darin besteht, den Thyristorstrom auf einen Punkt zu verringern, wo der Thyristor zu leiten aufhört. Die Form des besonderen Systems wird oft bis zu einem großen Ausmaß durch die Art der Umformbrücke und ebenso durch deren Steuerung oder, zusätzlich dazu, durch die Art der Belastung selbst bestimmt. Viele derartige Schutzanordnungen sind sehr komplex und deshalb teuer. Das gilt insbesondere in sehr eng und genau gesteuerten Systemen, bei denen Vorgriffsanordnungen benutzt werden, um zu versuchen, einen beginnenden Durchschuß zu erkennen und Präventivmaßnahmen dagegen zu ergreifen, bevor der Durchschuß tatsächlich erfolgt. In anderen Fällen sind jedoch die Kosten einer solchen Anordnung nicht gerechtfertigt, da das Vorhandensein eines Durchschusses, solange diesem nicht anzudauern gestattet wird, die Gesamtsystemleistungsfähigkeit nicht ernstlich beeinträchtigt. Beispielsweise in extrem großen Motorantrieben, in denen die Trägheit des Systems die Ansprechzeit desselben relativ lang macht, beeinflussen vorübergehende Durchschüsse, die innerhalb eines Teils eines Zyklus korrigiert werden, die Gesamtsystemleistungsfähigkeit nicht ernstlich oder nachteilig.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Anordnung für ein in der Frequenz variables Wechselrichtersystem zu schaffen, die die Möglichkeit einer Kommutierungsfehlererkennung und -korrektur bieten.

Weiter sollen ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Anordnung zum Erkennen und Korrigieren von Durchschüssen in einem Wechselrichtersystem geschaffen werden.

Außerdem sollen ein Verfahren und eine Anordnung zum Erkennen und Korrigieren von Kommutierungsfehlern oder Durchschüssen zur Verwendung bei einem gesteuerten Wechselrichter-

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- 10 speisesystem für einen Wechselstrommotor geschaffen werden.

Ferner sollen ein Verfahren und eine Anordnung zum Erkennen und Korrigieren von Durchschüssen zur Verwendung bei gesteuerten Wechselrichterspeisesystemen für einen Wechselstrommotor geschaffen werden, bei denen das Erkennen und Korrigieren über das Abfühlen der leicht erhältlichen Systembetriebsparameter erfolgen.

Die vorstehende Aufgabenstellung und das Erreichen weiterer Merkmale werden gemäß der Erfindung gelöst, indem ein Wechselrichtersystem geschaffen wird, das eine gesteuerte Gleichstromquelle enthält, die einen veränderlichen Gleichstrom an eine ein Ausgangssignal mit veränderlicher Frequenz liefernde Wechselrichterschaltung über einen geeigneten Gleichstromzwischenkreis abgibt. Das System enthält weiter eine Schaltungsanordnung zum Erkennen eines Kommutierungsfehlers oder Durchschusses innerhalb der Wechselrichterschaltung und zum Ergreifen von geeigneten Schutzmaßnahmen zur Korrektur eines solchen Zustandes. Die Schaltungsanordnung und das angewandte Verfahren bestimmen zuerst den Wert des Gleichstroms innerhalb des verbindenden Zwischenkreises und den Wert des Ausgangsstroms der Wechselrichterschaltung, um zwei Stromrückführungssignale zu erzeugen. In Abhängigkeit von dem Augenblickszustand der Belastung wird dann eines von zwei Referenzsignalen zur Verknüpfung mit den beiden StromrückführungsSignalen ausgewählt. Wenn diese drei Signale einer besonderen oder vorbestimmten Beziehung gehorchen, ist das sich ergebende Ausgangssignal so, daß es eine Verringerung des Ausgangssignals der Gleichstromquelle bewirkt, um auf diese Weise den dem Wechselrichter zugeführten Strom zu verringern.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden

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unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild, das grundlegende Teile

eines bekannten elektrischen Energieumformsystems veranschaulicht, in welchem gesteuerte Halbleitergleichrichter oder Thyristoren benutzt werden,

Fig. 2 ein Schaltbild, das die grundlegenden

Teile eines bekannten gesteuerten Wechselrichters zeigt, der bei der Implementierung der Erfindung benutzt werden
kann, und

Fig. 3 ein Schaltbild, teilweise in Form eines

Blockschaltbildes, der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Bevor mit der tatsächlichen Beschreibung der Erfindung begonnen wird, dürfte es angebracht sein, kurz die bekannten Anordnungen zu erläutern, die bei der Erfindung verwendet
werden können. Fig. 1 zeigt die grundsätzliche Form der
dreiphasigen Gleichstromenergieumformeinheit 10. Die Einheit 10 hat Gleichstromsammelschienen 11 und 12, an denen
die Gleichspannung entweder erscheint oder an die die Gleichspannung angelegt wird. Ebenso wird an Wechselstromsammeischienen 13 Wechselstromleistung abgegeben oder empfangen, je nach der Richtung der Umformung. Die Grundumformeinheit besteht aus sechs Thyristoren 14 bis 19, die in einer
Brückenschaltung angeordnet sind. Wenn den Sammelschienen
11 und 12 Gleichstrom zugeführt wird, bewirkt bekanntlich
das geeignete Zünden oder Leitendmachen der Thyristoren
der Brücke, daß eine Wechselspannung an den Samme1schienen 13 abgegeben wird. Umgekehrt, wenn den Sammelschienen 13

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Wechselstrom zugeführt wird, kann durch geeignete Steuerung der Thyristoren 14 bis 19 der Brücke 10 die Größe der auf den Sammelschienen 11 und 12 erscheinenden Gleichspannung gesteuert werden. Diese Steuerung wird normalerweise durch die sogenannte "Phasensteuerung" erzielt/ die zu dem Leitendmachen der Thyristoren der Brücke zu einem variablen Zeitpunkt innerhalb der angelegten Wechselstromsinuswelle führt, so daß sich die Ausgangsspannung ändert.

Fig. 2 zeigt die grundsätzliche Form eines typischen gesteuerten Wechselrichters, der eine Leistung mit variablem Strom und variabler Frequenz an eine Belastung abgibt. In Fig. 2 wird eine variable Gleichspannung (und somit ein variabler Gleichstrom) über Sammelschienen 21 (mit einer Drossel 23) und 22 an die insgesamt mit 20 bezeichnete Wechselrichterschaltung angelegt, die ihrerseits eine variable elektrische Leistung an eine Belastung 26 abgibt, bei der es sich in der vorliegenden Darstellung, wie häufig der Fall, um einen Wechselstrominduktionsmotor handeln kann. Die Wechselrichterschaltung 20 enthält in der dargestellten dreiphasigen Ausführungsform sechs Thyristoren 30 bis 35, die in einer grundsätzlichen Brückenschaltung angeordnet sind. Die Thyristoren 30, 31 und 32 bilden den grundsätzlichen Teil dessen, was üblicherweise als die positive Hälfte der Brücke angesehen wird, während die Thyristoren 33, 34 und 35 den grundsätzlichen Teil der negativen Seite der Wechselrichterbrücke bilden. Die in Fig. 2 gezeigte Brücke hat drei Zweige, von denen der erste Zweig die Thyriristoren 30/33 Urd weiter zwei in Reihe geschaltete Dioden

36 und 39 enthält. Ebenso enthält der zweite Zweig die Thyristoren 31 und 34 und zwei in Reihe geschaltete Dioden

37 und 40, während der dritte Zweig die Thyristoren 32 und 35 und in Reihe geschaltete Dioden 38 und 41 enthält. Kommutierungskondensatoren sind zwischen jedes Diodenpaar geschaltet. Das heißt ein erster Kommutierungskondensator 44 ist zwischen die Katoden der Thyristoren 30 und 31 geschal-

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tet, während ein Kondensator 4 5 zwischen die Katoden der Thyristoren 31 und 32 geschaltet ist. Der dritte Kommutierungskondensator 46 in dem positiven Teil der Wechselrichterschaltung ist zwischen die Katoden der Thyristoren 30 und 32 geschaltet. Ebenso sind Kommutierungskondensatoren 47, 48 und 49 zwischen Paare der Anoden der Thyristoren 33, 34 und 35 geschaltet. Das Durchschalten (Leitendmachen) der Thyristoren 30 bis 3 5 der grundlegenden Wechselrichterschaltung 20 ist von Steuersignalen abhängig, die an die Steuerelektroden derselben über geeignete Leitungen angelegt werden, welche von einer in Fig. 2 nicht gezeigten Steuersignaleinrichtung gelieferte Signale führen.

Fig. 3 zeigt die Erfindung in ihrer bevorzugten Ausführungsform. Gemäß Fig. 3 ist eine eine einstellbare Spannung liefernde Gleichstromquelle 50 vorgesehen, die von dem mit Bezug auf Fig, 1 beschriebenen grundsätzlichen Typ sein kann. Als solche wird der veränderlichen Gleichstromquelle 50 Strom aus einer Wechselstromquelle zugeführt, die durch Leitungen L₁, L„ und L dargestellt ist. Die Steuerung der Quelle 50 erfolgt über geeignete Eingangsleitungen 52 aus einer Gleichstrcnnquellensteuerschaltung 54.Die Art der Gleichstrcmquellensteuerschaltung 54 wird selbstverständlich von dem Typ der veränderlichen Gleichstromquelle 50 abhängig sein. Wenn es sich beispielsweise bei der Quelle 50 um den in Fig. 1 gezeigten Typ handelt, stellen die Leitungen 52 zu den Steuerelektroden führende Leitungen dar und die Gleichstramquellensteuerschaltung 54 könnte vom Rampen- und Sockel(ramp and pedestal)-Typ sein, so daß die Quelle 50 gemäß dem Wert eines Eingangs signals auf der Leitung 56, die zu der Steuerschaltung 54 führt, ein veränderliches Ausgangssignal abgibt. (Es ist selbstverständlich klar, daß andere Formen von Gleichspannungsquellen benutzt werden könnten, solange sie auf ein Eingangssteuersignal ansprechen und auf dieses hin veränderlich sind.) Die veränderliche Gleichstromquelle 50

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ist mit einer dreiphasigen Wechselrichterschaltung 58 über einen Gleichstromzwischenkreis verbunden, der Leiter 60 und 62 hat und weiter eine Drossel 64 und einen Shunt 66 niedrigen Widerstandes enthält. Die^ Wechselrichterschaltung 58 ist vorzugsweise eine gesteuerte Wechselrichterschaltung, wie sie mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben wurde, und wird durch geeignete Steuersignale gesteuert, welche über Leitungen 68 zugeführt werden und aus einer Wechselrichtersteuerschaltung 7O stammen. Die Wechselrichtersteuerschaltung 10 empfängt einen Steuerbefehl oder ein Steuersignal über eine Eingangsleitung 72. Unter der Annahme, daß die Wechselrichterschaltung 58 von dem weiter oben beschriebenen Typ ist, dienen die Signale auf der Leitung 68 zum Leitendmachen der Thyristoren der Wechselrichterbrücke, damit diese eine Ausgangsleistung über Leitungen 74 an eine geeignete Belastung abgibt, die als ein Motor 76 dargestellt ist. Die genaue Art der Steuerschaltung 70 ist nicht von ausschlaggebender Bedeutung für die Erfindung, in einem typischen System könnte sie aber einen Ringzähler enthalten, der Impulse aus einer geeigneten Quelle, wie einem spannungsgeregelten Oszillator, empfängt, die als ein Eingangssignal ein Spannungssignal auf einer Leitung 72 empfängt, welches die Sollbetriebsfrequenz der Wechselrichterschaltung 58 angibt oder zu dieser proportional ist. Shunts 80 mit niedrigem Widerstand sind jeweils in den Leitungen 74, die der Belastung 76 elektrischen Strom zuführen, für im folgenden erläuterte Zwecke angeordnet.

Gemäß der Erfindung wird ein erstes Stromrückführungssignal, das in Fig. 3 mit I_nr, bezeichnet ist, erzeugt, welches seinen Ursprung in dem Shunt 66 hat, der in dem Gleichstromzwischenkreis angeordnet ist. Der Shünt 66 hat, wie weiter oben erwähnt, einen geringen Widerstandswert und es wird deshalb an ihm eine Spannung abfallen, die zu dem Wert des in diesem Gleichstromzwischenkreis fließenden Stroms propor-

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tional ist. Diese Spannung wird über irgendeine geeignete Gleichstromtrennschaltung 82 gebildet, so daß an dem Ausgang der Trennschaltung (Leitung 86) das Rückführungssignal I erscheint, dessen Wert zu dem Strom in dem Gleichstromzwischenkreis proportional is^J-.

Das zweite Rückführungssignal, das in dem System nach der Erfindung benutzt wird, ist ebenfalls ein Stromrückführungssignal, das mit I bezeichnet ist und dessen Wert proportional zu dem Motorstrom ist. Zu diesem Zweck sind die drei Shunts 80 in den Leitungen 74 so angeordnet, daß an den drei Shunts Spannungssignale erscheinen, die zu den Augenblicksströmen proportional sind, welche in diesen Leitungen fließen. Diese Signale werden an eine geeignete dreiphasige Gleichrichtertrennbrückenschaltung 84 angelegt, deren Ausgangssignal das Signal I (Leitung 88) ist.

Die normale Schaltungstheorie würde besagen, daß, wenn das System, das den Motor speist, richtig arbeitet, die beiden Signale I _, und I bei geeigneter Kompensation der verschiedenen Schaltungsverluste gleich sind. Dieselbe Theorie würde besagen, daß, wenn ein Kommutierungsfehler oder Durchschuß in dem Wechselrichter auftritt, der Strom I „ durch den Wechselrichter nebengeschlossen und den Motor umgehen würde. Das Signal I würde bestrebt sein, auf null hin mit einer Geschwindigkeit abzufallen, die weitgehend von der induktiven Reaktanz des Belastungskreises abhängig ist. Der Durchschuß kann daher erkannt werden, indem die Differenz zwischen I und I abgefühlt wird. Es sei jedoch angemerkt, daß es in vielen Systemen erwünscht ist, in dem Motor zu allen Zeiten einen kleinen Strom am Fließen zu halten, selbst wenn der Motor sich nicht dreht (Leerlaufzustand oder idle condition),so daß der Fluß in dem Motor aufrechterhalten wird, um eine kürzere Ansprechzeit zu gewährleisten. Wenn ein Durchschuß im Leerlauf auftreten würde, würde deshalb, weil der Strom I_DC ei-

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nen sehr kleinen Wert haben kann, eine relativ kleine Differenz zwischen den StromrückführungsSignalen I und

I.. vorhanden sein.
M

Eine kleine Differenz zwischen I_DC und I braucht keinen Durchschuß anzuzeigen, da es sich herausgestellt hat, daß, wenn die Wechselrichterschaltung mit höheren Frequenzen betrieben wird, die Differenz zwischen den beiden Rückführungssignalen I_Dr, und I zunimmt. Das hat seinen Grund darin, daß die Kommutierungskondensatoren innerhalb der gesteuerten Wechselrichterschaltung beginnen, einen Teil des Stroms I _c zu absorbieren, der dann nicht in die Motorbelastung geschaltet wird. Das ist eine Erscheinung, die mit steigender Betriebsfrequenz zunehmend größer wird.

Ein Durchschuß kann daher erkannt werden, indem eine Differenz zwischen I _ und I abgefühlt wird, wobei dieses Erkennen aber für kleine Differenzen unempfindlich sein muß, die beim Hochfrequenzbetrieb des Wechselrichters auftreten. Wenn jedoch der gewünschte Betriebsstrom des Motors sehr klein ist, was Im Stillstand ("Leerlauf-Betrieb) des Motors auftreten kann, dann wird ein Durchschuß, der auftritt, bewirken, daß der Strom I„ auf null abfällt, wobei aber die Differenz zwischen Γ _c und I_M sehr klein sein kann. Um= in diesem Fall einen Durchschuß zu erkennen, muß der Detektor- für sehr kleine Differenzen in JL- _ und X. empfindlich sein. Zur Berücksichtigung sowohl des Zusfcandes mit hoher-Drehzahl als auch des Leerlauf zustandes- mit niedrigem Strom muß der Durchschußdetektor unterschiedliche Werte der Stromdifferenz in den beiden Zuständen abfühlen.

Gemäß Fig. 3 bildet das Signal I_nr, das auf der Leitung 86 erscheint, über einen Eingangswiderstand 90 ein Eingangssignal an dem invertierenden Eingang eines geeigneten Vergleichsoperationsverstärkers 92, dessen nichtinvertierender Eingang über einen Widerstand 94 mit Masse verbunden ist.

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Zu Darstellungszwecken wird angenommen, daß das Signal I , wenn es aus der Gleichstromtrennschaltung 82 kommt, ein negatives Signal ist, dessen absolute Größe sich direkt proportional zu der Größe des Gleichstroms ändert, der durch den Shunt 66 abgefühlt wird, wie weiter oben erläutert. Eine gleichermaßen zuverlässige Methode zum Abfühlen des Gleichstroms besteht bekanntlich darin, das Stromsignal mittels Stromwandlern zu gewinnen, die in den Leitungen L₁, L„ und L angeordnet sind. Das zweite Stromrückführungssignal, das zu dem Motorstrom I proportional ist, erscheint auf der Leitung 88 als ein positives Signal und bildet ein zweites Eingangssignal an dem invertierenden Eingang des Vergleichers 92 über einen geeigneten Eingangswiderstand 96. Der Absolutwert des Signals I wird, wie weiter oben erwähnt, unter normalen Betriebsbedingungen etwas kleiner als der des Signals I sein, und das Ausmaß der Differenz ist von dem Betriebszustand der Belastung oder des Motors 76 abhängig. Wenn ein Durchschuß oder Kommutierungsfehler vorhanden ist, wird diese Differenz beträchtlich größer sein. Das weiter oben erwähnte Referenzsignal wird einem geeigneten Schaltkreis 98 entnommen, der ein positives Signal abgibt, das über einen Eingangswiderstand 100 ein drittes Eingangssignal an dem Vergleicher 92 bildet. Der Schalter 98 kann von irgendeinem geeigneten Typ ·. ^: - ': sein, um an seinem Ausgang eines von zwei über Leitungen · ^: 102 und 104 angelegten Eingangssignalen gemäß dem· Zustand eines dritten Eingangs- oder-Auswahlsignals, das· über eine ' Leitung 106 angelegt wird, abzugeben. '

Das Gewinnen des Wertes des Signals auf der Leitung 106 wird im folgenden noch ausführlich erläutert, für den Augenblick sei aber angenommen, daß dieses Signal eine binäres Signal ist, das einen binären Wert 1 hat, wenn der Motor in dem Leerlaufzustand ist, und einen binären Wert 0, wenn der Motor in allen anderen Betriebszuständen ist.

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Die beiden Referenzsignale werden durch die Verwendung von zwei Referenzpotentiometern 108 und 110 erzeugt, die die Signale auf den Leitungen 102 bzw. 104 liefern. Die Potentiometer 108 und 110 sind jeweils zwischen eine Quelle positiven Potentials +V und Masse geschaltet und ihr Schleiferarm bildet den Eingang für das eine bzw. für das andere Referenzsignal. Das Signal auf der Leitung 102 bildet das Leerlaufreferenzsignal, und, wenn das Signal auf der Leitung 106 den Binärwert 1 hat, dient der Schalter 98 dazu, dieses Signal über den Widerstand 100 als das dritte Eingangssignal an den invertierenden Eingang des Vergleichers 92 anzulegen. Ebenso, wenn das Signal auf der Leitung 106 den Binärwert 0 hat, was anzeigt, daß der Motor nicht im Leerlaufzustand ist, wird das Signal aus dem Potentiometer 110 (Leitung 104) über den Schalter 98 und den Widerstand 100 an den invertierenden Eingang des Vergleichers angelegt.

Fig. 3 zeigt weiter, daß das Ausgangssignal des Vergleichers 9 2 als ein Eingangssignal an einen Funktionsgenerator 112 angelegt wird, der in der bevorzugten Ausführungsform ein negatives Sägezahnwellenausgangssignal liefert. Das heißt, auf ein positives Eingangssignal aus dem Vergleicher- 92 hin ., wird, das Ausgangs signal, des Generators .1.1 2. .(Leitung .1.1.3). plötzlich yon. .seinem.-Ruhewert-abf allen, und dann ^wieder langsam zurück auf seinen Ruhewert ansteigen. ..Das Ausgangssignal des .Funktionsgeneratprs .112 wird als ein. Eingangssignal _:an_ ein ,Mindestwertgatter ,11 4 angelegt, an das. außerdem das normale Steuersignal (Leitung 115) für die eine veränderliche Spannung lieferende Gleichstromquelle angelegt wird. Das Mindestwertgatter 114 kann von irgendeiner geeigneten Form sein und beispielsweise aus zwei parallel geschalteten. Dioden bestehen, von denen jede eines der Signale auf den Leitungen 115 und 113 empfangt und deren Anoden über einen

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Widerstand mit einem positiven Potential verbunden sind, so daß das Ausgangssignal· des Mindestwertgatters 114, das auf der Leitung 56 erscheint, das negativere oder kieinere von dessen beiden Eingangssignalen ist. Da die Gleichstromquellensteuerschaltung 54 auf den Wert ihres Eingangssignals auf der Leitung 56 anspricht und da die Steuerschaltung 54 bewirkt,daß von der veränderlichen Gleichstromquelle 50 auf ein negativeres Signal hin eine kleinere Ausgangsspannung abgegeben wird, ist zu erkennen, daß durch richtiges Bemessen der Werte der Signale auf den Leitungen 113 und 115, wenn das Ausgangssignal des Vergleichers 92 einen Fehler- oder Durchschußzustand anzeigt, das Mindestwertgatter 114 die Steuerung auf das Signal aus dem Funktionsgenerator 112 (Leitung 113) übertragen wird, um somit die Ausgangsspannung der Gleichstromquelle 50 zu verringern und so den Strom in dem Gleichstromzwischenkreis auf null zu verringern. Die Verringerung des Gleichvtromzwischenkreisstroms, der zu der Wechselrichterschaltung 58 fließt, wird eine entsprechende Verringerung des Wechseirichterstroms auf null verursachen und gestatten, daß der unrichtig leitende Thyristor der Wechselrichterschaltung zu leiten aufhört.

Das normale Steuersignal auf der Leitung 115 ist das Ausgangssignal eines Summierpunktes 116, der als ein Eingangssignal das: negative Signal I (Leitung 86-') empfängt, um eine Stromrückführungsschleife zu bilden, und als ein zweites Eingangssignal ein positives Signal aus einer geeigneten Steuereinrichtung 117, die durch eine Bedienungsperson betätigt wird. Die Steuereinrichtung 117 wird so eingestellt, daß die gewünschte Systemleistungsfähigkeit erzielt und von ihr ein Signal T abgegeben wird, das zu dem Sollausgangsdrehmoment des Motors proportional ist.

Bei der bis nierher erläuterten Betriebsweise' der Erfindung

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sei angenommen, daß der Motor in dem normalen Betriebszustand ist, so daß auf der Leitung 86 ein negatives Signal I_ vorhanden ist. Ein positives Signal I ist auf der Leitung 88 vorhanden, und, weil das ein normaler Betriebszustand ist, wird das hohe Referenzsignal über das Potentiometer 110 und die Leitung 104 durch den Schalter weitergeleitet und bildet an dem Vergleicher 92 über den Widerstand 100 und die Leitung 9 9 das dritte Eingangssignal. Unter diesen Bedingungen übersteigt die Summe der beiden über die Leitungen 98 und 99 angelegten Signale, d.h. des Signals I plus dem hohen Referenzsignal, den negativen Wert des Signals I _c auf der Leitung 86 und das Ausgangssignal des Vergleichers 92 hat einen negativen Wert, so daß der Funktionsgenerator 112 sein den hohen Wert aufweisendes Ruhesignal über die Leitung 113 an das Mindestwertgatter 114 abgibt. Demgemäß ist die Steuerung der veränderlichen Gleichstromquelle 50 von dem über die Leitung 115 .ngelegten Signal, d.h. von dem normalen Steuersignal abhängig. Wenn nun ein Durchschuß erfolgt, wird das Motorstromsignal I auf null abfallen, während der Gleichstromzwischenkreisstrom I__ konstant bleiben wird oder in der Größe zunehmen wird. Diese Signale werden dazu führen, daß das Ausgangssignal des Vergleichers 9 2 von einem Wert 0 auf einen Wert 1 umgeschaltet wird, was zur Folge hat, daß der Funktionsgenerator 112 die negative Sägezahnwelle abgibt, wie weiter oben erläutert. Dieses einen niedrigeren Wert aufweisende Signal (das nun niedriger als das Signal auf der Leitung 115 ist) wird durch das Mindestwertgatter 114 durchgelassen und auf der Leitung 56 erscheinen. Der-Wert des Gleichstromzwischenkreisstroms I_nr, wird deshalb abnehmen, was dem Wechselrichter gestattet, seinen Fehler zu beseitigen, und das System wird zu dem normalen Betrieb zurückkehren. Der einzige Unterschied zwischen dem normalen Betriebszustand, der gerade beschrieben wurde, und dem Leerlaufzustand besteht darin, daß aufgrund des Signals mit dem Binärwert

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auf der Leitung 106 der Wert des von dem Schalter 98 gelieferten Referenzsignals der aus dem Potentiometer 108 ist, bei dem es sich um einen niedrigeren Wert handelt, weshalb eine kleinere Differenz zwischen den beiden Stromrückführungssignalen I und I erforderlich ist, um die Ausgangssignaländerung des Vergleichers 92 zu bewirken.

Das einzige, was von Fig. 3 noch zu erläutern ist, ist die Erzeugung des Auswahlsignals auf der Leitung 106, um anzuzeigen, cbder Motor im Leerlauf(idle)- oder im normalen Eetrieb-Zustand ist,d.h. läuft. Die Schaltung, die tatsädilich verwendet wird, um ein Signal zu liefern,welches den Motorzustand anzeigt, ist ausführlich in einer weiteren Patentanmeldung der Anmelderin beschrieben, für die die Priorität der US-Patentanmeldung Serial No. 32 855 vom 24. April 1979 in Anspruch genommen worden ist und auf die hier Bezug genommen wird. Das wesentliche dieser Schaltung jedoch, soweit es für die vorliegende Erfindung verwendbar ist, ist in Fig. 3 dargestellt, die ein Tachometer 120 zeigt, das, wie durch die gestrichelte Linie 119 gezeigt, mit der Motorbelastung 76 verbunden ist. Das Tachometer 120 liefert ein positives Ausgangssignal, welches zu der Motordrehzahl proportional ist. Dieses positive Ausgangssignal wird an den invertierenden Eingang eines Vergleichers 122 angelegt, der als ein Drehzahlausgangssignal auf der Leitung 124 ein Signal mit dem Binärwert 0 liefert, wenn sich der Motor dreht,und ein Signal mit dem Binärwert 1 , wenn der Motor in seinem Leerlaufzustand ist. Zum Festlegen eines geeigneten Referenz" punktes, der sehr niedrige Winkelgeschwindigkeiten des Motors gestatten kann, wird dem nichtinvertierenden Eingang des Vergleichers 122 ein Signal zugeführt, das von dem Schleiferarm eines Potentiometers 128 stammt, welches zwischen eine Quelle positiven Potentials +V und Masse geschaltet ist. Daher wird, wie weiter oben erläutert, das Ausgangssignal des Vergleichers 122 den Drehzustand des Mo-

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tors anzeigen. Es könnte zwar zuerst so scheinen, daß das den Motorzustand angebende Signal direkt als Anzeiger für den Schalter 98 benutzt werden könnte, es sei jedoch daran erinnert, daß es sich rein um eine physikalische Abfühlung handelt und daß der Motor infolge Überlastung im Stillstand sein kann, wobei es sich ebenfalls um einen Zustand mit der Drehzahl null handelt. Ein Unterschied zwischen den beiden Motorzuständen mit der Drehzahl null kann gemacht werden, indem beachtet wird, daß im Leerlauf zustand praktisch kein Drehmoment verlangt wird, während bei Stillstand infolge Überlastung ein relativ höheres Drehmoment verlangt wird. Es ist deshalb ein weiterer Vergleicher 130 vorgesehen, der an seinem invertierenden Eingang über die Leitung 118 das Drehmomentsignal T aus der Steuereinrichtung 117 und an seinem nichtinvertierenden Eingang ein Referenzsignal aus einer geeigneten Referenzquelle 131 empfängt. Die Quelle 131 ist als Potentiometer dargestellt, das zwischen ein positives Potential +V und Masse geschaltet ist. Da in den früheren Ausführungsformen vorausgesetzt wurde, daß das Signal T positiv ist, wenn der Motor im Leerlauf zustand ist und ein Signal T vorhanden ist, das null oder sehr klein ist, wird das Ausgangssignal' des Vergleichers 130, bei dem es sich um ein Drehmomentwertsignal handelt, einen Binärwert 1 haben, da das Signal aus dem Potentiometer 131 größer als das Signal T ist. Das Signal mit dem Binärwert 1 aus dem Vergleicher 130 und das Ausgangssignal des Vergleichers 122 (Leitung 124) bilden Eingangssignale an einem UND-Gatter 126, dessen Ausgangssignal das Signal auf der Leitung 106 ist. Da das Ausgangssignal des Vergleichers 122 ein Signal mit dem Binärwert 1 im Leerlauf zustand ist, und da dasselbe für das binäre Ausgangssignal des Vergleicher 130 gilt, ist zu erkennen, daß das Signal auf der Leitung 106 einen Binärwert 1 haben wird, wenn der Motor im Leerlaufzustand ist, und gemäß der weiter oben angegebenen

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Beschreibung das Auswählen des niedrigen Referenzsignals aus dem Potentiometer 108 über den Schalter 98 bewirkt. Umgekehrt, wenn der Motor läuft (Betrieb-Zustand), was entweder durch ein positives Ausgangssignal aus dem Tachometer 120, das zu einem Signal mit dem Binärwert 0 auf der Leitung 124 führt, oder durch ein Signal mit dem Binärwert 0 aus dem Vergleicher 130 angezeigt wird, wird auf der Leitung 106 ein Signal mit dem Binärwert 0 erscheinen. Dieses führt seinerseits zum Auswählen des höheren Referenzwertes durch den Schaltkreis 98.

Es ist somit zu erkennen, d?ß ein System zum Korrigieren eines Kommutierungsfehlers oder Durchschusses geschaffen worden ist, das durch Erkennen des Betriebszustandes der Belastung den Referenzwert für den normalen Vergleich der beiden Stromrückführungssignale ändert und somit zu einer wirksameren und schneller ansprechenden Fehlererkennung führt, ohne daß irrtümliche Fehlerbeseitigungszustände bei niedrigeren Belastungsbedingungen hervorgerufen werden.

Wenn andere Arten von Belastungen benutzt werden, kann es nötig sein, andere Formen der Zustandsabfühlung zu benutzen. Als ein weiteres Beispiel einer möglichen Modifizierung könnte das bei der Auswahl der Referenzsignale benutzte Drehmomentsignal (T ) bei richtiger Bemessung und mit entsprechenden Schutzmaßnahmen durch das Gleichstromsignal (I _r) ersetzt werden. Daß dieser Ersatz möglich ist, zeigt sich aufgrund der Tatsache, daß bei Leerlaufzuständen I _r sehr klein sein wird, während zu allen anderen Zeiten, wenn der Motor läuft und bei einem Durchschuß, dieser Strom eine beträchtliche Größe haben wird.

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Claims

entansprüche :

1.J Wechselrichtersystem zum Abgeben von gesteuerter elektrischer Leistung mit veränderlicher Spannung, veränderlichem Strom und veränderlicher Frequenz an eine Belastung, mit einer Quelle veränderlichen Gleichstroms, die einen Ausgangsgleichstrom liefert;

mit einer Steuereinrichtung zum Steuern des Ausgangsgleichstroms der Quelle;

mit einer Wechselrichterschaltung zum Empfangen des Ausgangsgleichstroms und zum Abgeben eines Ausgangswechselstroms mit veränderlicher Frequenz, veränderlicher Spannung und veränderlichem Strom an die Belastung; und mit einem Gleichstromzwischenkreis, der den Ausgangsgleichstrom von der Quelle zu der Wechselrichterschaltung leitet; gekennzeichnet durch eine Schaltungsanordnung zum Erkennen eines Kommutierungsfehlerzustandes in der Wechselrichterschaltung (58), mit

einer Einrichtung (66, 86) zum Erzeugen eines ersten Rückführungssignals (I_n,-,) ι das zu der Größe des Gleichstroms

JJL

in dem Gleichstromzwischenkreis proportional ist, einer Einrichtung (80, 84) zum Erzeugen eines zweiten Rückführungssignals (I..) , das zu der Größe des Ausgangswechsel-

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Stroms der Wechselrichterschaltung proportional ist, einer Einrichtung (108, 110) zum Erzeugen eines ersten und eines zweiten Referenzsignals unterschiedlicher Größe, einer Auswähleinrichtung (98, 117, 120, 122, 126), die auf einen Betriebszustand der Belastung (76) anspricht, um für den Gebrauch von den beiden Referenzsignalen eines auszuwählen,

einer Einrichtung (92, 112), die auf eine vorgeschriebene Beziehung des ersten und des zweiten Rückfuhrungssignals und auf das ausgewählte Referenzsignal anspricht, um ein Korrektursignal zu bilden, und

einer Einrichtung (112) zum Anlegen des Korrektursignals an die Steuereinrichtung (54), um eine Verringerung der Größe des Ausgangsgleichstroms der Quelle (50) zu bewirken.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (108, 110) zum Erzeugen der Referenzsignale eine erste Referenzquelle (108) zum Erzeugen des ersten Referenzsignals mit einer ersten Größe, die einem ersten Betriebszustand der Belastung (7 6) entspricht, und eine zweite Referenzquelle (110) zum Erzeugen des zweiten Referenzsignals mit einer höheren Größe als das erste Referenzsignal und entsprechend einem zweiten Betriebszustand der Belastung enthält.

3. System nach Anspruch 1, dadurch ge^vennzeichnet, daß die Belastung (76) ein Wechselstrommotor ist und daß die Einrichtung (108, 110) zum Erzeugen der Referenzsignale eine erste Referenzquelle (108) zum Liefern des ersten Referenzsignals, dessen Größe etwas kleiner als der Wert des Ausgangsgleichstroms ist, wenn der Motor Leerlaufdrehzahl aufweist, und eine zweite Referenzquelle (110) enthält, die das zweite Referenzsignal liefert, dessen Größe wesentlich über der des ersten Referenzsignals liegt.

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4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die letztgenannte Einrichtung eine Generatorschaltung (112) zum Liefern e'nes Steuerimpulses mit vorgeschriebener Dauer und Form sowie eine Gatterschaltung (114) zum selektiven Anlegen des Steuerimpulses an die Steuereinrichtung (54) enthält, um dadurch eine Verringerung der Größe des Ausgangsgleichstroms der Gleichstromquelle (50) zu bewirken.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Generatorschaltung (112) einen Funktionsgenerator enthält, der einen im wesentlichen sägezahnförmigen Steuerimpuls erzeugt.

6. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselrichterschaltung (58) eine mehrphasige, gesteuerte Wechselrichterschaltung ist, die gesteuerte Gleichrichter und Kommutierungskondensatoren enthält, welche zwischen ausgewählte Paare der Gleichrichter geschaltet sind.

7. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswähleinrichtung enthält:

eine Einrichtung (120, 122) zum Erzeugen eines Drehzahlsignals, das einen ersten Zustand hat, der eine Mindestwinkelgeschwindigkeit des Motors (76) darstellt, und einen zweiten Zustand, der eine Motorwinkelgeschwindigkeit darstellt, die kleiner als der Mindestwert ist; eine Einrichtung (117) zum Erzeugen eines Drehmomentsignals, das einen ersten Zustand hat, der ein Motordrehmoment mit sehr kleinem Wert verlangt, und einen zweiten Zustand, der ein .Motordrehmoment mit höherem Wert verlangt; und eine Einrichtung (126) mit einer Schalteinrichtung (98), die für den Gebrauch eines der beiden Referenzsignale gemäß den Augenblicks zuständen der Drehzahl- und Drehmomentsignale auswählt.

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8. System nach einem der Ansprüche 1 bis -7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kommutierungsfehlererkennungs- und -korrektursystem zur Verwendung bei einem mehrphasigen Wechselstrommotorantriebssystem bestimmt ist, in welchem ein Wechselstrommotor(76) mit Wechselstrom variabler Frequenz aus der Wechselrichterschaltung (58) gespeist wird, wobei die Auswähleinrichtung (98, 117, 120, 122, 126) ein Auswählsignal in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Motors bildet, das einen ersten Zustand hat, wenn der Motor in einem Leerlauf zustand is-t, und einen zweiten Zustand, wenn der Motor in einem Betrieb-Zustand ist.

9. Verfahren zum Abgeben von in der Spannung, im Strom und in der Frequenz veränderlicher elektrischer Leistung an eine Belastung, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Bilden eines veränderlichen Gleichstroms in Abhängigkeit von einem steuerbaren Eingangssignal; Abgeben des Gleichstroms über einen Gleichstromzwischenkreis an eine Wechselrichterschalt^ng;

Betreiben der Wechselrichterschaltung in einer Betriebsart mit veränderlichem Ausgangssignal auf ein Eingangssteuersignal hin, um elektrische Leistung mit veränderlicher Frequenz, veränderlicher Spannung und veränderlichem Strom zur Abgabe an die Belastung zu erzeugen; gekennzeichnet durch: Erkennen und Korrigieren von Kommutierungsfehlern, die in dem Wechselrichter auftreten, mittels folgender Schritte: Erzeugen eines ersten Rückführungssignals proportional zu der Größe des der Wechselrichterschaltung zugeführten Gleichstroms,

Erzeugen eines zweiten Rückführungssignals proportional zu der Größe des AusgangsStroms der Wechselrichterschaltung,

Erzeugen eines ersten und ^:nes zweiten Referenzsignals unterschiedlicher Größe,
Abfühlen des Betriebszustandes der Belastung, um ein ^:

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Auswählsignal zu erzeugen,

Auswählen eines der beiden Referenzsignale gemäß dem Augenblickszustand des Auswählsignals, Verknüpfen des ersten Rückführungssignals, des zweiten Rückführungssignals und des ausgewählten Referenzsignals, um ein Ausgangssignal· auf eine zwischen diesen herrschende vorgeschriebene Beziehung hin zu erzeugen, und Verkleinern des Gleichstromsignals i>~ Abhängigkeit von dem Vorhandensein des Korrektursignals.

10. Verfahren nach Anspruch 9,gekennzeichnet durch die Verwendung in einem mehrphasigen Wechselstrommotorantriebssystem, in welchem ein Wechselstrommotor mit Wechselstrom veränderlicher Frequenz aus einem gesteuerten Wechselrichter gespeist wird, der Gleichstrom aus einer veränderlichen Gleichstromquelle über einen Glexchstromzwischenkreis empfängt.

11. Verfahren nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Bildens des Auswählsignals folgende .chritte umfaßt:

Abfühlen der Winkelgeschwindigkeit des Motors und Erzeugen eines Drehzahlsignals, das einen ersten Zustand hat, wenn die Winkelgeschwindigkeit kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, und einen zweiten Zustand, wenn die Winkelgeschwindigkeit den vorbestimmten Wert übersteigt; Erzeugen eines Drehmomentsignals proportional zu einem Sollwert des Motorausgangsdrehmoments;

Vergleichen des Drehmomentsignals mit einem Referenzwert, um ein Drehmcmentsollwertsignal abzugeben, das einen ersten Zustand hat, der einen sehr kleinen Wert verlangt, und einen zweiten Zustand, der ein Motordrehmoment mit höherem Wert verlangt; und

Verknüpfen des Drehzahlsignais und des Drehmomentsollwertsignals, um das Auswählsignal zu bilden, das einen ersten Zu-

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stand hat, wenn das Drehzahlsignal und das Drehitiamentsollwertsignal in ihrem ersten Zustand sind, während es zu Ilen anderen Zeitpunkten einen zweiten Zustand hat.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Bildens des ersten und des zweiten Referenzsignals folgende Schritte umfaßt:

Bilden des ersten Referenzsignals, das einen Wert hat, der etwas kleiner als der Wert des Stroms in dem Gleichstromzwischenkreis ist, wenn der Zwischenkreisstrom auf seinem Minimalwert ist; und

Bilden des zweiten Referenzsignals, das einen Wert hat, der höher als der des ersten Referenzsignals ist.

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