DE3326536A1

DE3326536A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zur begrenzung der zwischenkreisspannung eines einen wechselstrommotor speisenden pulswechselrichters

Info

Publication number: DE3326536A1
Application number: DE19833326536
Authority: DE
Inventors: Heinz-Dietmar Ing.(grad.) 4924 Barntrup Karl; Bernd Dipl.-Ing. 3250 Hameln Sievert; Manfred Dipl.-Ing. Tinebor
Original assignee: Maschinenfabrik Stahlkontor Weser Lenze & Co KG GmbH; Maschinenfabrik Stahlkontor Weser Lenze & Co Kg 3251 Aerzen GmbH; WESER LENZE STAHLKONTOR
Current assignee: Lenze GmbH and Co Kg
Priority date: 1983-07-22
Filing date: 1983-07-22
Publication date: 1985-02-07
Also published as: DE3326536C2

Description

Bezeichnung: Verfahren und Schaltungsanordnung zur
Begrenzung der Zwischenkreisspannung eines einen Wechselstrommotor speisenden Pulswechselrichters.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Schaltungsanordnung der in den Gattungsbegriffen der Patentansprüche 1 und 3 bezeichneten Art.
Bei solchen Pulswechselrichterschaltungen tritt bei Frequenz-Sollwert-Absenkung eine Energierückspeisung des nunmehr als Generator arbeitenden Motors über die Freilaufdioden in den Zwischenkreis ein. Geschieht diese Rückspeisung unkontrolliert, so kann durch den Rückspeisestrom und die sich ergebene unzulässige Zwischenkreisspannungserhöhung ein erheblicher Schaden entstehen.
Es gibt dazu Überwachungsschaltungen, die bei Erreichen eines überhöhten Wertes der Zwischenkreisspannung die Ansteuerimpulse für den Wechselrichter ausblenden. Während der Zeitabschnitte der Pulsausblendungen ist hierbei jedoch die Drehzahl des Motors führungslos, womit sich für den Antrieb unstabile Arbeitspunkte ergeben können. Man hat deshalb auch schonsim Zwischenkreis im generatorischen Betrieb des Wechselstrommotors auftretende Energieerhöhung durch Zuschalten eines Ohmschen Verbrauchers in Wärme umgesetzt.
Dies erfordert einen großen Aufwand und Bauelemente mit großer Leistungskapazität.
Ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung der gattungsgemäßen Art sind aus der DE-AS 16 13 776 bekannt. Hierbei wird sowohl im motorischen als auch im generatorischen Betrieb der Frequenzsollwert der Pulsfrequenz in Abhängigkeit vom Ist-Wert der Zwischenkreisspannung geführt. Infolge dessen läuft im generatorischen Betrieb der Wechselstrommotor mit einer nur geringfügig von der Synchrondrehzahl abweichenden Drehzahl, weshalb die Rückspeiseströme in den Gleichspannungszwischenkreis gering sind. Die bekannte Schaltungsanordnung hat allerdings den Nachteil, daß Drehzahländerungen nur über eine Änderung der Zwischenkreisspannung erfolgen können, somit die Frequenzänderung von der Spannunqsänderunq im Zwischenkreis bei Drehzahlvariation abhängig ist und deshalb eine Drehzahlstellung *rur bzw. Drehzahlregelung1 bis zum Frequenznennwert durchgeführt werden kann.
Aus der DE-OS 30 21 119 ist weiter ein Verfahren bekannt, bei dem der Frequenz sollwert in Abhängigkeit vom Ist-Wert der Zwischenkreisspannung im motorischen wie auch im generatorischen Betrieb bis zur Nennfrequenz bestimmt wird und darüber hinaus im Bereich über der Nennfrequenz im generatorischen Betrieb bei unzulässiaer Erhöhung der Zwischenkreisspannung ein Diskrlminator ein Signal zur Erhöhung der Frequenz abgibt.
Von besonderem Aufwand und nachteilig für dieses Verfahren ist die Begrenzung der Zwischenkreisspannung im gesamten Arbeitsfrequenzbereich durch zwei Einzelverfahren, nämlich die Führung der Frequenz durch den Ist-Wert der Zwischenkreisspannung bis zur Nennfrequenz und Bestimmung der Frequenz durch ein Fehlersignal, in dem über die Nennfrequenz hinausgehenden Bereich. Weiterhin kann sich die Frequenzanhebung in Form einer vorgegebenen Kennlinie vom Diskriminator bei dynamischen Vorgängen nachteilig auswirken.
Durch die DE-AS 15 13 317 ist ein Verfahren zur Steuerung der Drehzahl einer Drehstromkurzschlußläufermaschine bekannt, bei dem eine Frequenzkorrektur im generatorischen Bereich durch eine Umschaltrichtung vorzeichenrichtig durchgeführt wird.
Hier ist es erforderlich, die Klemmenspannung des angeschlossen Motors bzw. die Ausgangsspannung des Wechslrichters zu erfassen und rückzuführen. Das erfordert kompliziertere bauliche Maßnahmen.
Schließlich ist durch die DE-AS 28 26 332 eine Anordnung zur Drehzahlsteuerung einer über einen Gleichspannungs-Zwischenkreisstromrichter gespeisten Wechselstrommaschine bekannt, bei der die Frequenzkorrektur im motorischen als auch im generatorischen Betrieb durch eine Beeinflussung des Frequenz sollwertes in einem Sollwertintegrator durchgeführt wird.
Hierbei wird zur Begrenzung der Zwischenkreisspannung im generatorischen Betrieb über eine Spannungsgegenkopplungsschleife, abgeleitet aus dem Ist-Wert der Zwischenkreisspannuns und einem vorgegebenen Maximalwert, in eine Stromgegenkopplungs schleife eingegriffen, wobei sich korrigierend auf den Freqzenzsollwert die zulässige Zwischenkreisspannungserhöhung einstellt, wobei die Korrektur in den Sollwertintegrator einwirkt und die Integrationskonstante des Sollwertintegrators in die Regelstrecke als Zeitkonstante mit eingeht.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren und einer Schaltungsanordnung der gattungsgemäßen Art eine Regelung des Sollwertes der Pulsfrequenz im generatorischen Betrieb des Wechsclstrommotors in Abhängigkeit vom Ist-Wert der Zwischenkreisspannung anzugeben, bei der eine vorgegebene Erhöhung der Zwischenkreisspannung durch die Energierückspeisung in den Zwischenkreis nicht überschritten werden kann.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 und 3 gelöst.
Der besondere Vorteil der Erfindung liegt darin, daß für den Vergleich mit dem Ist-Wert der Spannung im Ziwschenkreis mit dem Netzspannungsspitzenwert eine betriebsunabhängige Bezugsgröße zur Verfügung steht. Dieser Vergleich kann durch einfache schaltungstechnische Maßnahmen bewerkstelligt werden. Vor allem aber wird durch die erfindungsgemäße Regelung eine konstante oder weitgehend konstante Zwischenkreisspannung eingeralten, was insbesondere auch für den generatorischen Betrieb gilt, so daß allein über die Varation der vom Pulswechselrichter gelieferten Pulse die Drehzahl des Wechselstrommotors gesteuert werden kann.
Vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel noch näher erläutert. Dabei zeigen: Fig. 1 das Schema einer Schaltungsanordnung zur Begrenzung der Spannung des Gleichspannungszwischenkreises eines Pulswechselrichters, Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der mit der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 geregelten Frequenzsollwertabsenkung, Fig. 3 analog zu Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Zwischenkreisspannung bei Frequenzsollwert und Fig. 4 analog zu Fig. 2 den zeitlichen Verlauf des Zwischenkreisstromes bei Frequenzsollwertabsenkung.
Man erkennt in Fig. 1 einen ungesteuerten Gleichrichter 1, der eingangsseitig an einem Wechselstromnetz der Spannung UNetz liegt und ausgangsseitig mit einer konstanten oder nahezu konstanten Zwischenkreisspannung Uz in einen Gleichspannungszwischenkreis eines Pulswechselrichters 3 einspeist.
Dem Pulswechselrichter 3 ist ein Zwischenkreiskondensator 2 vorgeschaltet. Der Pulswechselrichter 3 wird von einer Ansteuerungsvorrichtung 15 gesteuert, um die Gleichspannung UZ des Zwischenkreises in eine dreiphasige Wechselspannung mit einem entsprechenden U/f-lnerhältnis umzuwandeln, damit ein vom Pulswechselrichter 3 gespeister, dreiphasiger Wechselstrommotor 19 in seiner Drehzahl verstellt werden kann.
Die Netzspannung UNetz wird über einen zweiten Gleichrichter 6, über einen Spannungsteiler 7 und eine Glättvorrichtung 8 einer Einrichtung 9 zugeführt, in welcher der Netzspannungsspitzenwert ONetz gebildet und einem Summationspunkt 10 zugeführt wird.
Uber einen weiteren Spannungsteiler 4 und eine Glättvorrichtunc 5 wird dem Summationspunkt 10 weiter der momentane Wert der Zwischenkreisspannung UZ Ist zugeführt.
Erfolgt im generatorischen Betrieb über die im Schaltbild nicht näher dargestellten Freilaufdioden des Pulswechselrichters 3 eine Rückspeisung in den Gleichspannungszwischenkreis, steigt die momentane Zwischenkreisspannung Uz Ist über den Spitzenwert der Netzspannung ONetz an, und am Summationspunkt 10 tritt eine sogenannte ZwischenkreisspannungsdifferenzL)U Ist auf, welche der Differenz Uz Ist minus ONetz entspricht.
Die Zwischenkreisspannungsdifferenz Uz Ist wird einem P-Glied 11 zugeführt, dort proportional verstärkt und mit negativem Vorzeichen auf einen Summationspunkt 12 geführt.
Am Summationspunkt 12 liegt ferner eine Referenzspannung4 Uz Soll an, bei der es sich um eine einstellbare Sollwertvorgabe für die Spannungsdifferenz zwischen der Gleichspannung im Zwischenkreis und dem Spitzenwert der Netzspannung handelt.
Dem Summationspunkt 12 ist ein PID-Regler 14 nachgeschaltet, der dann aktiv wird, wenn die momentane Zwischenkreisspannungs differenz AU Ist vom vorgegebenen Sollwerts Uz soll der Z Ist SollwertU Soll' von von der Spannungsteilerschaltung 13 geliefert wird, abweicht.
Am Eingang 18 der Ansteuervorrichtung 15 für den Pulswechselrichter 3 liefert der PID-Regler 14 ein Signal, das einer Sollwertvorgabe fSoll mot. für die Pulsfreqzenz im motorischen Betrieb, welche in einem Integrator 16 und einer Sollwert-Vorgabe 17 erzeugt wird, derart überlagert wird, daß durch den an der Ansteuervorrichtung 5 liegenden Vorgabewert Soll gen. für den generatorischen Betrieb infolge entsprechender Frequenzanhebung sich die Rückspeisung des Pulswechselrichters 3 in den Gleichspannungszwischenkreis derart vermindert, daß am Summationspunkt 12 die Spannungsdifferenz Uz Soll minus fl Uz Ist zu Null wird.
Die Fig. 2 bis 5 zeigen dazu die zeitlichen Verhältnisse der Zwischenkreisspannung des Zwischenkreisstromes bei der Frequenzsollwertabsenkung von f 1 nach f 2. Im Zeitaugenblick t 1 tritt eine vorgegebene Frequenzsollwertänderung ausgehend von f 1 ein, welche bis zum Zeitpunkt t 2 der vorgegebenen Frequenzsollwertanderung folgt. Im Zeitpunkt t 2 hat die Zwischenkreisspannung die ihr vorgegebene Spannungserhöhung UZ Soll erreicht. Denn die jetzt vom Motor abgegebene Energie führt durch eine Änderung der Stromrichtung im Zwischenkreis zu einem Anstieg der Zwischenkreisspannung Z über den Nennwert UZ N hinaus. Ablösend wird jetzt dr Frequenzsollwert von dem PID-Regler geführt, damit die Zwischenkreisspannung U auf den Wert U N plus au Z Z N plus Z Soll ausgeregelt wird.
r Entsprechend der zugelassenen Zwischenkreisspannungserhöhung zur Ist stellt sich der generatorisch vom Motor in den Zwischenkreis fließende Strom IZ ein. Im Zeitpunkt t 3 hat der Frequenzsollwert F 2 erreicht, der Antrieb arbeitet jetzt wieder motorisch.
Die Pequenzregelung verursacht zwar eine Vergrößerung der vorgegebenen zeitlichen Frequenzsollwertänderung, erlaubt aber, daß der Motor bzw. gesamte Antrieb mit der größtzulässigei Frequenzänderung zu seinem neuen Arbeitspunkt f 2 gelangt.
Dabei wird der Zeitabschnitt von t 2 nach t 3 von den Eigenverlusten des gesamten Antriebs in Abhängigkeit von dessen Trägheitsmasse bestimmt.

Claims

Patentansprüche: 9 Verfahren zur Begrenzung der Spannung eines über einen Gleichrichter aus einem Wechselstromnetz gespeisten Gleichspannungszwischenkreises eines einen Wechselstrommotor mit variabler Pulsfrequenz speisenden Pulswechselrichters mit Freilaufdioden zur Rückspeisung in den Zwischenkreis, wobei der Sollwert der Pulsfrequenz im generatorischen Betrieb in Abhängigkeit vom Ist-Wert der Zwischenkreisspannung geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzenwert der Netzspannung erfaßt und vom momentanen Wert der Zwischenkreisspannung subtrahiert wird, wobei bei positiver Subtraktionsdifferenz ein analoger stetiger Regler die Führung der Pulsfreqzenz übernimmt, um die Zwischenkreisspannung im generatorischen Betrieb auf einen vorgegebenen Sollwert auszuregeln.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenkreisspannung im motorischen Betrieb konstant oder nahezu konstant gehalten wird 3. Schaltungsanordnung zur Begrenzung der Spannung eines über einen Gleichrichter aus einem Wechselstromnetz gespeisten Gleichspannungszwischenkreises eines einen Wechselstrommotor mit variabler Pulsfrequenz speisenden Pulswechselrichters mit Freilaufdioden zur Rückspeisung in den Zwischenkreis, wobei der Sollwert der Pulsfrequenz im generatorischen Betrieb in Abhängigkeit vom Ist-Wert der Zwischenkreisspannung geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Netzspannungsspitzen wert (netz? und der Momentanwert der Zwischenkreisspannung (Uz ist) einem Summationspunkt (10) zugeführt werden, die daran auftretende Differenzspannung XUz ist) einem weiteren Summationspunkt (12) zugeführt wird, an dem die Zwichenkreisspannungsdifferenz gUz ist) mit einer vorgegebenen Soll-Zwischenkreisspannungsdifferenz Z soll) verglichen wird, wobei dem zweiten Summationspunkt (12) ein analoger, stetiger Regler (14) nachgeschaltet ist, der einen Korrekturwert für den Frequenzsollwert im generatorischen Betrieb (f soll gen.
erzeugt, welcher am Eingang der Ansteuerung (15) des Pulswechselrichters (3) die Vorgabe des Frequenzsollwertes für den motorischen Betrieb (fsoll mot.> derart ablösend beeinflußt, daß die Zwischenkreisspannungsdifferenz WUz ist) auf den vorgegebenen Wert gUz soll) aus geregelt wird.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichspannungszwischenkreis über einen ungesteuerten Gleichrichter (1) mit konstanter oder nahezu konstanter Spannung gespeist ist.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Summationspunkt (10) über einen zweiten Gleichrichter (6), eine Glättungsvorrichtung (8) und ein Zwischenglied (9) mit dem Wechselstromnetz verbunden ist.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten Summationspunkt (10) und dem zweiten Summationspunkt (12) ein Verstärker (11) für die Zwischenkreisspannungsdifferenz (Uz ist) angeordnet ist.