DE3439576A1

DE3439576A1 - Verbesserter wechselstrommotorantrieb mit einstellbarer frequenz unter verwendung eines unbeschraenkten frequenzaenderungssystems

Info

Publication number: DE3439576A1
Application number: DE19843439576
Authority: DE
Inventors: Laszlo Pittsburgh Pa. Gyugyi
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: AEG Westinghouse Industrial Automation Corp
Priority date: 1983-11-03
Filing date: 1984-10-30
Publication date: 1985-05-15
Also published as: GB2149236A; GB8425645D0; US4538220A; GB2149236B; FR2554653A1; JPS60109788A

Description

PAT E N TAN WA LT D-4000 DÜSSELDORF I · SCHADOWPLATZ 9

VNR: 109126

Düsseldorf, 29. Oktober 1984

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

Verbesserter Wechselstrommotorantrieb

mit einstellbarer Frequenz unter Verwendung

eines unbeschränkten Frequenzänderungssystems

Die Erfindung betrifft allgemein statische Leistungs-Frequenzänderungseinrichtungen, insbesondere aber sogenannte unbeschränkte Frequenzänderungseinrichtungen (Unrestricted Frequency Changers, UFC) sowie deren Anwendung, beispielsweise für Wechselstrommotorantriebe mit änderbarer Geschwindigkeit.

Die unbeschränkte Frequenzänderungseinrichtung (UFC) und deren zugehörige statische Umschaltsteuerung für die Erzeugung einer Wechselstromwelle von gesteuerter Spannung und Frequenz sind bekannt, siehe die US-Patente Nr. 3 4 70 447 und 3 493 838. Diese Patente zeigen, wie die Schalter in jedem der statischen Umsetzer, die mit einer Ausgangsphase der Last verknüpft sind, selektiv und zyklisch während eines vorbestimmten Zeitintervalls derart gesteuert zum Leiten gebracht werden können, daß Leistung abgeleitet und an den Ausgang geliefert werden kann, die durch einen gesteuerten Erhöhungsschritt der Eingangsspannung definiert ist, dieser selbst abgegrenzt zwischen zwei Zeitintervallen zur Benutzung zum Kurzschließen des

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Ausganges, welcher Prozeß zu einer Ausgangswechselspannung führt, die eine Frequenz besitzt, die von der Wiederholungsrate der Leitfähigkeitszeitintervalle abhängt, sowie eine Größe besitzt, die von der Zeitperiode der effektiven Leitung eines jeden statischen Schalters festgelegt wird. Ein derartiger unbeschränkter Frequenzänderer wird mit Vorteil bei Wechselstromantrieben variabler Geschwindigkeit angewendet, wie beispielsweise auf den Seiten 5 bis 14 und 363 bis 383 des Buches "Static Power Frequency Changers" von L. Gyugyi und B. R. Pelly beschrieben wird, veröffentlicht von John Wiley & Sons, 19 76. In dieser Hinsicht haben beispielsweise Gyugyi und Pelly bemerkt, daß die UFC eine eingegebene bilaterale Charakteristik zwischen der Leistungsquelle an ihrem Eingang und der Last an ihrem Ausgang besitzen, was einen Vierquadrantenbetrieb des Motorantriebs ohne kostspielige zusätzliche Schalteinrichtungen ermöglicht.

Die .Technik des unbeschränkten Frequenzänderers wurde besonders attraktiv mit dem Aufkommen von modernen Halbleiterschaltern, beispielsweise Leistungstransistoren, sowie GTO-Einrichtungen.

Die Erfindung stützt sich auf eine weitere Verbesserung derartiger Einrichtungen.

Insbesondere umfaßt die Erfindung in ihrer allgemeinen Form ein unbeschränktes Frequenzänderungsgerät (UFC), das im Sinusbetrieb arbeiten kann, um eine mehrphasige, sinusförmige Eingangswechselstromleistungsversorgung von vorgegebener Eingangsfrequenz in eine sinusförmige mehrphasige Ausgangswechselstromleistungsquelle von steuerbarer Ausgangsfrequenz umzuwandeln, und zwar von der Bauart, die einen Impulsgenerator verwendet, der in der genannten sinusförmigen. Betriebsart zur Erzeugung .von Steuerimpulsen mit einer auswählbaren Rate arbeiten kann, um so die Ausgangsfrequenz festzulegen, wobei der Impuls-

generator erste Einrichtungen zur Erzeugung einer Vielzahl von Zeit-Rampen umfaßt, die repräsentativ sind für die elektrischen Winkel der einzelnen Phasenspannungen der sinusförmigen Wechselstromeingangsleistungsversorgung, sowie zweite Einrichtungen zur Erzeugung einer Frequenz-Bezugs-Rampe von auswählbarer Neigung, wobei die Bezugs-Rampe die Zeitrampen aufeinanderfolgend schneidet, um die Steuerimpulse mit einer Rate zu liefern, die von der auswählbaren Neigung abhängt. Dabei haben die Zeit-Rampen und die Bezugs-Rampe die gleiche vorbestimmte Spitzenspannung, wenn der UFC sich in der Sinusbetriebsart befindet. Die Bezugsrampe besitzt eine steuerbare Spitzenspannung, die die vorbestimmte Spitzenspannung überschreitet, wodurch der UFC in einer Betriebsart arbeiten kann, für die die mehrphasige Ausgangswechselstromleistungsversorgung trapezförmig ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines UFC-Motorantriebssystems gemäß den US-Patentschriften 3 470 447 und 3 838;

Fig. 2 eine grafische Darstellung, anhand der mittels Kurven der Effekt von drei unterschiedlichen Wiederholungsraten und Steuerimpulsabständen der Steuerimpulsfolgen Pl, P2 des Systems der Fig. auf die Ausgangsfrequenz sowie die Ausgangsspannung und auf den Ausgangsstrom dargestellt wird;

Fig. 3a die drei Phasen der Fig. 1 im Zusammenhang mit der Last;

Fig. 3 anhand von Kurvendarstellungen den Betrieb des Systems der Fig. 1 sowie der Fig. 3a ohne Ausübung irgendeiner Steuerung der Schalter des Umsetzers zum Zwecke der Einstellung der Größe der Ausgangsspannung, während, zu Vergleichszwecken,

Fig. 4 anhand von Kurven darstellt, wie die Steuerimpulsfolgen Pl und P2 des Systems der Fig.l gesteuerte Perioden der Leitung erzeugen, eingegrenzt zwischen den gesteuerten Kurzschlußperioden, zur Einstellung der Größe der Ausgangsspannung ;

Fig. 5 eine grafische Darstellung mit Kurven zum Vergleich der drei Phasen des UFC-Systems der , Fig. 1;

Fig. 6 eine typische lineare Kennlinie von Spannung über Frequenz eines Induktionsmotors unter konstantem Verhältnis zwischen Spannung (in Volt) und Frequenz (in Hertz);

Fig. 7 eihe grafische Darstellung mit Kurven zur Erläuterung der Erzeugung der Signale Pl, P2 der Fig. 1 und der Ableitung der Antriebssignale für die Umsetzer, wie beispielsweise in dem System der Fig. 1;

Fig. 8a und 8b

zwei grafische Darstellungen mit Kurven, die die Steuerung gemäß einer vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung erläutern, mit denen die Ausgangswellenform von einer sinusförmigen Umhüllenden (Fig. 8a) zu einer trapezförmigen Umhüllenden (Fig. 8b) geändert wird;

Fig. 9 und 10

Erläuterungen anhand von Kurven, wie bei Impulssteuerung die trapezförmige Umhüllende der Fig. 8b immer stärker abrupt gemacht wird, bis ein Punkt erreicht ist, wo sie ähnlich wie eine Rechteckwelle geformt ist, wobei Fig. 9 den Einfluß einer sich ändernden Neigung der Frequenzbezugswelle wiedergibt, während Fig. 10 den Einfluß bei sich ändernder Frequenz der Ausgangswelle zeigt;

Fig. 11 ein Blockdiagramm des Steuersystems gemäß der vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 12 eine Erläuterung des Rampen-Zeitwellen-Generators, wie er gemäß dem System der Fig. 11 verwendet werden kann;

Fig. 13 eine grafische Darstellung mit Kurven zur '

Erläuterung des Betriebs des Generators der Fig. 12;

Fig. 14 eine Erläuterung des Frequenzbezugs-Rampen-Generators, wie er bei dem Steuerungssystem der Fig. 11 verwendet werden kann; und

Fig. 15 eine grafische Darstellung mit Kurven zur Erläuterung des Betriebs des Generators der Fig. 14.

Zum Zwecke der Erläuterung der Erfindung sei die Erfindung ι als ein Teil eines Wechselstroman-triebssystems beschrieben. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß das "unbeschränkte Frequenzänderungsgerät" (Unrestricted Frequency ; Changer, UFC) gemäß der vorliegenden Erfindung auch in einer großen Vielzahl anderer industrieller Anwendungen benutzbar ist.

Bei dem Wechselstromantriebssystem gemäß der vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung wird ein unbeschränkter Frequenzänderer (UFC) benutzt, um eine Ausgangsleistung mit veränderlicher Frequenz und veränderlicher Spannung zu liefern, um auf diese Weise die Geschwindigkeit eines Wechselstrominduktionsmotors zu steuern. In Übereinstimmung mit der Spannung pro Frequenz (Volt/Hertz)-Kennlinie eines Induktionsmotors wird die fundamentale Ausgangsspannung im wesentlichen in Proportion zu der Ausgangsfrequenz geändert. Eine derartige Änderung der Ausgangsspannung wurde bisher dadurch erreicht, daß einfach das Impulsbreitenänderungsverfahren angewendet wurde. Dieser Lösungsversuch des Standes der Technik führte für die höheren Frequenzbereiche zu einer fundamentalen Ausgangsspannung, die niemals die Größe der Eingangsleistungsversorgung überschritt, allenfalls diese erreichte und häufig unterhalb verblieb. Ein neuartiges Spannungssteuerverfahren wird vorliegend vorgeschlagen, das die fundamentale Ausgangsspannung des Motorantriebs bei hohen Geschwindigkeiten maximiert. Dies führt zu einer bedeutsamen Verbesserung bei der erreichbaren Ausgangsleistung des Motors bei hohen Geschwindigkeiten.

Der UFC, wie er in den US-Patenten 3 470 447 und 3 493 als ein statischer, "künstlich" kommutierter Frequenzumsetzer mit variabler Ausgangsspannung beschrieben wird, ist in der Literatur gut bekannt, und diese Art von Umsetzer wird im folgenden mit der Bezeichnung "UFC" bezeichnet.

Verglichen mit anderen statischen Leistungsumsetzern besitzt der UFC erhebliche Vorteile, die ihn besonders geeignet machen, um zur Steuerung der Geschwindigkeit von Wechselstrommotoren elektrische Leistung veränderlicher Frequenz zu liefern. Diese Vorteile können wie folgt aufgelistet werden:

1. Einstufige Leistungsumsetzung mit Zwei-Richtungsleistungsfluß (d. h. , Leistung kann entweder zu der Last hin oder von dieser wegfließen). Dies ermöglicht ein stromerzeugendes Bremsen mit dem Motor.

2. Ein weiter Ausgangsfrequenzbereich, der nicht durch die Eingangs- (Versorgungs-) Frequenz begrenzt wird. Das bedeutet, daß die erzeugte Ausgangsfrequenz niedriger, höher oder auch gleich zu der Eingangsfrequenz sein kann.

3. Das Frequenzspektrum der Ausgangswellenform ist unabhängig von der Amplitude der gewünschten fundamentalen Komponente. Außerdem sind die Frequenzen der "ungewünschten" (harmonischen) Komponenten in der Ausgangswellenform in weitem Abstand von der Fundamentalfrequenz über dem gesamten Ausgangsfrequenzbereich. Diese Trennung der harmonischen Frequenzen von der fundamentalen Frequenz erhöht sich "natürlicherweise" (d. h. ohne Änderung des Verfahrens der Ausgangsspannungswellenformerzeugung), während die fundamentale Ausgangsfrequenz abnimmt. Daher verbleiben die Frequenzen der harmonischen Ströme im Motor für alle Ausgangsfrequenzen niedrig, und der Motor läuft ohne Zahnumsetzung auch mit niedriger Geschwindigkeit.

4. Die Ausgangsspannungen der dreiphasigen Umsetzer sind eingegebenermaßen ausgeglichen. Nichts desto weniger ist eine individuelle Steuerung der drei Ausgangsphasenspannungen möglich.

5. Die angegebenen nacheilenden (induktiven) Motorverschiebeleistungsfaktoren führen zu voreilenden (kapazitiven) Leistungsfaktorverschiebungen (mit gleichem Phasenwinkel) an der Wechselstromversorgung. Daher wird eine Ausgangs-(Last-)-Leistungsfaktorverschiebung von ohne Änderung auf die Wechselstromversorgung zurückreflektiert.

6. Die Steuerung ist einfach, d. h., die Ausgangsfrequenz und die Ausgangsspannung können, wie in den beiden Patenten gezeigt, durch zwei entsprechend versetzte Impulsfolgen gesteuert werden, wobei beide die gleiche gerade Rate besitzen.

Jedoch besitzt im Gegensatz zu einigen anderen statischen gesteuerten Motorantrieben der UPC den Nachteil, daß bei dem Verfahren der Spannungssteuerung gemäß dem Stand der Technik, wie in den oben erwähnten beiden US-Patenten beschrieben, die Amplitude der fundamentalen Ausgangsspannung stets etwas niedriger ist, als die der Wechselstromeingangsversorgungsspannung. Es ist jedoch wünschenswert, für Wechselstromantriebsanwendungen in der Lage zu sein, die erreichbare Ausgangsleistung bei höheren Betriebsgeschwindigkeiten anzuheben, ohne daß dabei die Arbeitsweise des Antriebs bei niedrigeren Geschwindigkeiten beeinflußt wird.

Das UFC-Motorantriebssystem, das in den vorgenannten beiden US-Patenten beschrieben wird, ist schematisch in Fig. 1 dargestellt. Es besteht aus drei identischen, in zwei Richtungen wirkenden Umsetzerleistungsschaltkreisen, CV^, CV2, CV3, die die drei Statorwicklungen Wj, W2; W3 eines Induktionsmotors M versorgen, einer Gatterlogik GL die die elektrischen Signale erzeugt, welche notwendig sind, um die bilateralen Schaltereinheiten (A^, A2, B^, B2, C^, C₂) in jedem der Umsetzer CV]_, CV₂, CV3 ein- und auszuschalten. Ein Taktgeberwellengenerator TWG ist vorgesehen, der zwei Impulsfolgen P^, P₂ aufgrund von externen Analogsignalen ausgibt, welche, über einen Einstellpunkt SP, die Ausgangsfrequenz fg und die Spannung Vq festlegen, die an den Motor angelegt wird. Die Beziehung zwischen den zwei Steuerimpulsfolgen P^, P2 und der Ausgangsspannung V₀ des UFC wird durch die Wellenformen (a), (b), (c) erläutert, die in Fig. 2 dargestellt sind. Wie durch (a) zu erkennen ist, bestimmt die Im-

pulsfolge P₁ die Ausgangsfrequenz und gemäß (b) die Impulsfolge P₂ die Amplitude Vq der fundamentalen Ausgangsspannung. Die zwei Impulsfolgen sind so koordiniert, daß die Ausgangsspannung Vq mit ansteigender Ausgangs- . frequenz fQ auch ansteigt, um so einen im wesentlichen konstanten Luftspaltmagnetfluß in dem Motor aufrecht zu erhalten. Fig. 1 erläutert die Zeitsteuerung durch den Gatterlogikschaltkreis GL des Gatterantriebsschaltkreises der Schaltereinheit A₁ innerhalb des Umsetzers CV₁, wobei die Schaltereinheit A₁ eine GTO-Einrichtung besitzt, die bilateralen Betrieb ermöglicht. Die Schaltereinheit A₁ erläutert auch die anderen Schaltereinheiten A2, B₁, B2, C₁ und C₂.

Aus der Kurve (c) der Fig. 2 ergibt sich, daß zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen P₁, P₂ ein Segment von _: einem der Eingangsspannungswellen, der von der Eingangswechselleistungsquelle geliefert wird, mit dem Ausgang des Umsetzers durch die zeitgesteuerten bilateralen Schalter (A₁, A₂, B₁, B2,...oder C2) verbunden wird. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen P₂ und P₁ wird der Ausgang ; des Umsetzers durch die bilateralen Schalter kurzgeschlossen. Derartige aufeinanderfolgende "Spannungssegmente" werden von dem Eingang abgeleitet und dem Ausgang entsprechend einem definierten Leitungsmuster zugeführt, das sechs aufeinanderfolgende unterschiedliche bilaterale Schalter einbezieht, wie beispielsweise A₁, wie im Beispiel der Fig. 1 dargestellt. Derartige aufeinanderfol- , gende "Spannungssegmente¹¹ bauen eine alternierende Ausgangsspannung Vq auf, die eine im wesentlichen sinusförmige Umhüllende besitzt, wie dargestellt, und zwar für unterschiedliche Ausgangsfrequenzen fg = l/3fj, fg = fj und fg = 5/3fj, durch die Kurve (c) der Fig. 2. Der Durchschnitt der "Spannungssegmente", der durch die Leitung eines bilateralen Schalters (A₁, A2, B₁...C2) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen P₁, P₂ (dargestellt in Fig. 2 unter (a) bzw. (b)) verändert sich im

wesentlichen sinusförmig über den Ausgangszyklus, wie es durch die gestrichelte Linie unter (c) in Fig. 2 erläutert wird.

Das Schaltungsmuster hängt von dem Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen P^, P₂ wie auch von der Wiederholungsrate der zwei Impulsfolgen ab. Um einen konstanten Luftspaltmagnetfluß in dem Motor aufrecht zu erhalten, wenn die Frequenz fg ansteigt (erhöhte Widerholungsrate von P^, P2)/ wird die Spannung Vg automatisch durch größere Abstände zwischen P■]_ und P2 automatisch angehoben, wodurch die Breite eines jeden "Spannungssegments" ansteigt. Dies wird in Fig. 2 unter (a), (b) und (c) für drei Beispiele von Ausgangsfrequenzen dargestellt: £₀ = l/3f_x; f₀ = fj und f₀ = 5/3fj, wobei fj die Frequenz der Eingangswechselstromleistungsquelle ist, die die drei Umsetzer CV^, CV 2, CV3 versorgt.

Fig. 3a zeigt den mit den drei Phasen der Last verbundenen UFC.

Die grundlegenden Betriebsprinzipien des UFC lassen sich besser anhand der Wellenformen verstehen, die in den Fig. 3 und 4 für einen der drei Ausgänge des UFC dargestellt sind. Die grundlegende Ausgangsspannungswellenform Vq des UFC, wobei für den Augenblick die Steuerung der Größe der fundamentalen Komponente ignoriert wird, kann dadurch erzeugt werden, daß in Schaltereinheitspaaren A^B2, A-^C₂, ^B1^C2' ^B1^A2» ^C1^A2' ^C1^B2 ermöglicht wird, in dieser Aufeinanderfolge für eine feste Zeitperiode T zu leiten, so daß jeder der Eingangsleitungsspannungen aufeinanderfolgend während der Pausenperiode der Zeit über die Last angelegt wird. Die Aufeinanderfolge wird mit vorbestimmter Wiederholungsrate wiederholt. Wie in Fig. 3 erläutert wird, erstreckt sich ein derartiges sich wiederholendes Schaltmuster über eine Zeitperiode TP, die durch die aufeinanderfolgenden gleichen Zeitrahmen T definiert

werden, die individuell bei T₁, T₂, T₃, T₄, T₅ und T₆ angezeigt sind. Dieses Schaltungsmuster liefert eine Ausgangsspannungswelle Vg mit einer "gewünschten" fundamentalen Komponente Vqp mit einer Frequenz ±q, die gleich der Differenz zwischen der Frequenz fjjyj der Wechselstromversorgungsfrequenz und der Wiederholungsfrequenz "^SW ^^es Schaltungsmusters ist, wie in den oben erwähnten Patenten näher erläutert wird.

Während die Fig. 3 den Betrieb eines Systems, bei dem jede bilaterale Schaltereinheit das leitende Intervall (T) voll zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schaltungspunkten NC erstreckt, d. h. zwischen zwei EIN-schaltenden statischen Schaltern in der Aufeinanderfolge (A₁B₂, A₁C₂, BiC₂, ...C₁B₂), darstellt, erläutert Fig. 4 ein System, in dem die Dauer der Leitung (T) gesteuert wird, d. h. von einer derartigen maximalen Dauer T auf eine Dauer t^ reduziert wird. Wie in Fig. 4 dargestellt ist, wird dies durch Kurzschließen der Ausgangsanschlüsse erreicht, d. h., durch kurzschließende Last während eines komplementären Zeitintervalls t₂ = (T-t₁). Dies wird erreicht durch das Schalterpaar, das an der gleichen Eingangsleitung anliegt (A₁A₂, C₁C₂,...B₁B₂). Eine derartige Breitensteuerung von Jt₁ innerhalb von T_ ermöglicht die Steuerung der fundamentalen Ausgangsspannung, wie in beiden vorgenannten Patenten jeweils erläutert wird. Diese Steuerungsart ist gekennzeichnet durch ein sich wiederholendes Schaltungsmuster, das sich über die Zeitperiode TP erstreckt, die durch sechs gleichförmig im Abstand liegende Zeitrahmen T definiert wird, welche mit T₁ bis Tg bezeichnet sind. Im Zeitrahmen T₁ werden die Leistungsschalter A₁ und B₂ für das Zeitintervall t₁ eingeschaltet. Am Ende des Intervalls t-]_ werden die Schalter A₁ und A₂ für die Dauer des Intervalls t₂ eingeschaltet, um die Last kurzzuschließen und dadurch einen Weg für den Laststrom zu liefern. Im nächsten Zeitrahmen T₂ werden die Schalter A₁ und C₂ für die Zeitdauer des Intervalls tj_ eingeschaltet, um ein

Inkrement der Eingangsspannung V^_c an die Last zu liefern. Am Ende des Intervalls t^ des Zeitrahmens T 2 werden die Schalter A^ und C2 abgeschaltet und die Schalter C^ und C2 für die Zeitdauer des Intervalls t2 des gleichen Zeitrahmens eingeschaltet, um die Last kurzzuschließen. Der Rest der Abfolge bei dem Schaltungsmuster sollte aus der näheren Untersuchung der Fig. 4 deutlich werden. Aus der Fig. wird auch deutlich, daß die Impulsfolge P^ den Zeitrahmen T definiert, und dadurch die Ausgangsfrequenz der fundamentalen oder gewünschten Ausgangsspannung Vp der Ausgangsspannungswelle Vq, während die Impulsfolge P2 die relative Länge der Intervalle t± und t2 definiert, wie in dem gegebenen Zeitrahmen T, und somit die Amplitude der fundamentalen Komponente Vp festlegt.

Das Schaltungsmuster für die drei Phasen eines vollständigen dreiphasigen UFC ist in Fig. 5 wiedergegeben.

Bezüglich der Fig. 6 erläutert die Kurve AB die lineare Charakteristik des Motorantriebs mit veränderlicher Frequenz, wobei die an den Induktionsmotor angelegte Spannung in einem konstanten Verhältnis zu der Frequenz gehalten wird.

Es ist bekannt, daß Motorantriebe mit veränderlicher Frequenz im allgemeinen unter einem konstanten Verhältnis zwischen Spannung und Frequenz (Volt zu Hertz) arbeiten. Dieser Zustand optimiert den Betrieb des Wechselstrommotors, der mit dem Wechselstrom versorgt wird. Andererseits sollte der Induktionsmotor vorzugsweise unter einem optimalen Magnetflußpegel arbeiten, d. h., daß die Magnetisierungskraft konstant gehalten wird, wenn die Frequenz sich ändert. Da der Magnetisierungsfluß proportional zur Spannung und umgekehrt proportional zur Frequenz ist, wird der Zustand dadurch erreicht, daß die Spannung im gleichen Verhältnis verändert wird, wie die Frequenz.

Typischerweise besitzen bei einem Inverter-versorgten Wechselstrommotor, wie er in der US-PS 4 080 554 dargestellt wird, die Inverter eine gesteuerte Leitzeit bezüglich der Gleichstromenergie, die dem Wechselstrommotor in beiden Richtungen zugeführt wird, wobei diese Leitzeit für ein gegebenes Zeitintervall größer wird, wenn die Frequenz ansteigt, so daß dies auch für den Spannungsausgang der Fall ist. Umgekehrt sinkt die Spannung ab, wenn die Frequenz absinkt.Dadurch, daß die gesteuerte Zeit des Leitens konstant gehalten wird, wird das Erfordernis, daß die Spannungsänderung der Frequenzänderung folgen soll, automatisch erfüllt, wenn die Frequenz sich ändert. Dies gilt jedoch nicht bei einem unbeschränkten Frequenzander er (UFC) .

Wie auf den Seiten 202 und 203 des Buches "Static Power Frequency Changers" von L. Gyugyi und B. R. Pelly (John Wiley & Sons, 19 76) näher erläutert wird, beträgt die maximale Amplitude des von dem UFC ausgegebenen gewünschten Komponente

V₁

2ΤΓ

wobei Vj die Amplitude der Eingangsleitung bezüglich der neutralen Spannung von jeder der drei Impulsgruppen und S die Anzahl der drei Impulsgruppen ist, die in jeder Ausgangsphase in Serie miteinander verbunden sind.

Mit einem sechs-impulsigen UFC ähnlich der Fig. 1 beträgt die maximale Spannung Vq _raax = 3Vj/<n"* . Es wird nun beobachtet, daß eine derartige Begrenzung bei der Maximierung der Ausgangsspannung des UFC, d. h. der an den Induktionsmotor in einem Motorantrieb gelegten Spannung, aufgrund der Tatsache sich ergibt, daß die Umhüllende V_of der Ausgangsspannung Vq im wesentlichen sinusförmig ist, wie in Fig. 3 oder durch die Kurven (a) in Fig. 4 dar-

— Ib —

gestellt wird. Um diese Begrenzung zu umgehen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, eine Ausgangswellenform zu erzeugen, die eine Umhüllende besitzt, die von einer Sinuswelle zu einer trapezförmigen Welle bei entsprechend hohen Ausgangsfrequenzen wechselt, wobei diese sich immer mehr einer Rechteckwelle annähert, während die Ausgangsfrequenz weiter ansteigt. Auf diese Weise kann ermöglicht werden, die fundamentale Ausgangsspannung V_of an oder nahe der maximalen Betriebsgeschwindigkeit des Motors um etwa 15 bis 20 % zu erhöhen, wodurch die Ausgangsleistung um annähernd 30 bis 40 % erhöht werden kann, ohne daß größere Probleme hinsichtlich der zusätzlich erzeugten Harmonischen auftreten.

Um die fundamentale Ausgangsspannung über die zu erhöhen, die mit dem Steuerungsverfahren gemäß dem Stand der Technik erhältlich ist, ist es notwendig, den grundlegenden Zeitrahmen T über der Zykluszeit der Ausgangsspannungswelle zu ändern. Das Steuerungsverfahren, das hier vorgeschlagen wird, kann eine Ausgangswellenform mit entweder sinusförmiger oder mit trapezförmiger Umhüllenden in einer solchen Weise erzeugen, daß der Übergang von einer Art zu der anderen glatt, allmählich und steuerbar erfolgt.

Bevor das neue Steuerungsverfahren, das die Signale P₁ und Po der Fig. 1 bis 4 umfaßt, sei zunächst das herkömmliche Verfahren erläutert, das in den US-Patenten Nr. 3 470 447 und 3 493 938 angewendet wird.

Es sei angemerkt, daß zur Verbindung irgendeines Paares von Leitungen in Fig. 1 mit der Last eine Schaltungseinheit erfordert, die zumindest zwei bilaterale Schalter BS besitzt. Es ist daher zu erkennen, daß die entsprechenden schaltenden Einheiten A₁B₂, B₁A₂, A₁C₂, C₁A₂, B₁C₂ und C₁B₂, wenn individuell betätigt, sechs unterschiedliche Schaltkreiskonfigurationen bewirken können, die die

Eingangsleitungen und die Last betreffen, wobei jede der Schaltkreiskonfigurationen ein Paar der Eingangsleitungen und die Last in einer speziellen Betriebsschaltung der zwei möglichen, umgekehrt zueinander bezogenen Betriebsschaltungsarten betrifft. Somit liefert jede der schaltenden Einheiten, wenn eingeschaltet, eine andere Konfiguration der sechs unterschiedlichen Schaltkreiskonfigurationen zwischen den Eingangsleitungen und dem Ausgangsschaltkreis, wobei jede der genannten Schaltkreiskonfigurationen die Last und ein Paar von Eingangsleitungen miteinander verbindet. Zum Zwecke der vorliegenden Diskussion sei angenommen, daß die einzelnen bilateralen Schalter BS perfekt sind, d. h., daß sie zu jedem gegebenen Zeitaugenblick geschlossen und geöffnet werden können, und daß im geschlossenen Zustand der Strom zu jeder Zeit in beiden Richtungen frei fließen kann.

Es sei zunächst angenommen, daß der Steuerschaltkreis CT der Fig. 3a so angeordnet ist, daß den schaltenden Einheiten A^B₂, A^C₂, BiC₂, ^B1^A2' ^C1^A2' ^C1^B2 erlaubt wird, in der Aufeinanderfolge für eine feste Zeitperiode zu leiten, so daß jede der Eingangsleitungsspannungen nacheinander über der Last für das gleiche Zeitintervall angeschlossen wird, wobei die Aufeinanderfolge mit einer vorbestimmten Wiederholungsrate R wiederholt wird. Wie in Fig. 4 illustriert ist, erstreckt sich dieses zyklische oder wiederholende Schaltungsmuster über eine Zeitperiode TP, die durch sechs aufeinanderfolgende gleiche Zeitrahmen T definiert wird, individuell angedeutet bei T^, T₂, T3, T4, T5 und Tg. Jede schaltende Einheit ist für einen vollen Zeitrahmen T eingeschaltet, wie durch die Schaltungskurve SW in Fig. 4 angedeutet. Dieses Schaltungsmuster liefert eine Ausgangsspannungswelle Vq, die eine "gewünschte" Fundamentalkomponente Vqp mit einer Frequenz £q gleich der Differenz zwischen der Frequenz fj des Eingangswechselstromes und der Wiederholungsfraquenz fsw des Schaltungsmusters. Das System und die obige Art der Steuerung, die

diese Ausgangsspannungswellenform erzeugt, ist potentiell gut geeignet, um eine Wechselstrommaschine bezüglich der Geschwindigkeit zu steuern, und zwar aus den folgenden Gründen: Es ist ein weiter Ausgangsfrequenzbereich möglich; Frequenzen auf beiden Seiten der Netzfrequenz können erhalten werden; der Übergang von der Netzfrequenz folgt ohne Sprung; die Frequenz der niedrigsten Harmonischen Komponente besitzt einen weiten Abstand von der "fundamentalen" Frequenz und es gibt keine Gleichstrom- oder unterharmonischen Komponenten.

Zwar hat diese Art von Steuerung ihre Vorteile, jedoch ist ihr Anwendungsbereich erheblich eingeschränkt, weil trotz möglicher Frequenzsteuerung die Steuerung der Ausgangsspannung nicht erreichbar ist, mit der Ausnahme, daß die Eingangsspannung gesteuert wird. Diese Art von Steuerung kann für die Geschwindigkeitssteuerung einer Wechselstrommaschine nicht wirtschaftlich angewendet werden.

Der Leitwinkel oder die Verweilzeit einer jeden schaltenden Einheit besteht für das volle Ausmaß des zugehörigen Zeitrahmens T (wenn man perfekte Schalter annimmt). Beispielsweise ist leicht anhand der Fig. 3 zu erkennen, daß für die Dauer des Zeitrahmens T₁ die schaltende Einheit A₁B₂ die Eingangsspannung A-B für die volle Zeitdauer des Rahmens an die Last anlegt. Beim nächsten Rahmen (T2) wird die schaltende Einheit A₁C₂ eingeschaltet, um die Spannung A-C für die volle Dauer des Rahmens T2 anzulegen, usw..

Die Schalter eines jeden der Konverter CV₁, CV₂, CV₃ werden unter Steuerung gemäß dem Stand der Technik mit sechs Antriebswellenformen DW angetrieben, die am Boden der Seite 7 dargestellt und an ihren linken Enden mit X₁, Y₁, Z₁, Y₂, Z₂ und X₂ bezeichnet, mit der Ausnahme, daß der Satz von Antriebswellenformen für jeden der Konverter um 120° zu den Antriebswellenformen für den nächsten

Konverter versetzt sind. Wenn beispielsweise diese Antriebswellenformen willkürlich den Schaltern des Umsetzers CV₁ zugeordnet werden, siehe die am rechten Ende der Wellenformen angedeutete Verteilung, dann wird die Antriebswellenform für den Umsetzer CV2 die gleiche sein, mit der Ausnahme der Versetzung um 120° bezüglich des CVj-Satzes von Antriebswellenformen, und die Antriebswellenformen für den Umsetzer CV3 werden die gleichen sein, mit der Ausnahme einer Versetzung um 120° bezüglich der Antriebswellenformen des Umsetzers CV2· Ein gemeinsamer SteuerSchaltkreis erzeugt den Satz DW von Antriebswellenformen und verteilt diese zwischen den drei Umsetzern CVi, ^CV2 ^{und CV}3·

Die Wiederholungsrate der Impulse P₁, P₂ der Fig. 1, 2 und 4 wird durch einen Taktwellenformgenerator geliefert, der einen Taktgeber besitzt, dessen Ausgangsfrequenz aufgrund der Einstellung der Größe einer Bezugsspannung einstellbar ist, die über einen Einstellpunkt SP gemäß Fig. 1 angelegt wird. Somit laufen alle Kurven der Fig.. 7 entlang der gleichen relativen Zeitbasis. Der Ausgang des Generators besteht aus einer Folge von kurzdauernden Impulsen Pq, die gleichförmigen Abstand besitzen und in regelmäßigen Zeitintervallen auftreten. Die Impulse P₀ werden einem Schaltkreis zugeführt, der eine feste Zeitverzögerung D₁ einführt. Dies führt zu Ausgangsimpulsen P']_. Die Impulse P*! werden einer anderen Zeitverzögerung D₂ zugeführt, wodurch Ausgangsimpulse P₁ erzeugt werden, die bezüglich der Impulse Pq noch weiter verzögert sind.

Die Impulse P₁ werden einem Schaltkreis mit veränderlicher Verzögerung zugeführt, wodurch Ausgangsimpulse P₂ geliefert werden, die um eine Zeitdauer t± bezüglich der Impulse P₁ verzögert sind. Diese Zeitverzögerung ist als eine zeitlich einstellbare Rampenfunktion D₃ dargestellt, dessen nacheilende Ausgangskante differenziert wird, um die Impulse P₂ zu erzeugen. Die Einstellbarkeit der

Zeittaktwellenform wird durch zwei zufällige Einstellungen symbolisiert, die in gestrichelter Form auf D3 dargestellt sind. Der Impuls I der Fig. 10 wird definiert durch einen Flip-Flop aufgrund des verzögerten Impulses P₂, oder, falls die Zeitverzögerungseinstellung der Verzögerung D3 größer ist als das Intervall zwischen den Impulsen P₁ und den Rucksteilimpulsen Pq, durch den letztgenannten Impuls Pq. Somit dienen die Impulse Pq als "Endhalt"-Impulse und markieren die Grenzen der Perioden t^. Da die Verzögerung zwischen den Impulsen Pq und P₁ relativ kurz ist, wird die maximal mögliche Zeit, t_lf nahezu gleich der Zeit T. Unter diesen Bedingungen wird die maximal mögliche praktische Ausgangsspannung von dem UFC erhalten, wie im Falle der Fig. 3. Der Impuls I wird von den Impulsen P₁ (dessen Werte sind I und I) auf Null zurückgesetzt.

Die Impulse P₁ werden benutzt, um die Leitung der Leistungsübertragungsschaltereinheiten (A₁, A₂,... C₁, C₂) auszulösen. Die Impulse P₂ erfolgen mit der gleichen Rate, sind jedoch einstellbar um ein gewähltes Zeitintervall t^ versetzt. Diese Impulse werden benutzt, um die leitende Verweildauer der schaltenden Einheit zu beenden. Somit bestimmt die Impulsfolge P₁ die Ausgangsfrequenz und die Impulsfolge P₂ die Ausgangsspannung. Durch Veränderung der Positionen der Impulse P₂ bezüglich der Impulse P₁ wird das Verhältnis von Leitintervallen oder Verweilzeiten tj_ zu den Leitverweilzeiten t₂ verändert, wodurch die Größe der durchschnittlichen Ausgangsspannung verändert wird, wie in den vorgenannten US-Patenten erläutert wird.

Die Impulse P₂ werden auch durch eine Verzögerung D₄ hindurchgeleitet, um die Impulsfolge P^ zu liefern. Die Impulsfolge P'₂ wird bezüglich der Impulsfolge P₂ um eine kurze Zeit verzögert, die notwendig ist, um die Leistungsübertragungsschalteinheiten abzuschalten. Impulse P"₂ werden benutzt, um die Leitung der Schaltungseinheiten auszulösen, deren Zweck darin besteht, einen "Kurzschluß"-

Weg zu erzeugen, der das Hindurchfließen von Energie zu der Last unterbricht. Eine Impulsfolge P'-j_ aus dem Ausgang der Verzögerung D₁ eilt den Impulsen P₁ leicht voraus, um dadurch Zeit für die Auslösung der nachfolgenden Leistungsübertragungsschaltungseinheiten zu haben. Somit werden die Impulse P ¹J^ benutzt, um das vorausgehende "kurzschließende" LeitungsIntervall zu beenden, wie durch das Signal F dargestellt ist.

Somit wird eine einzige Impulsfolge mit einer geraden Rate von Impulsen pro Sekunde angewendet, um das Intervall t± auszulösen, und eine zweite Impulsfolge mit den gleichen geraden Raten, aber mit entsprechenden Übersetzungen bezüglich der ersten Impulsfolge, um die Zeitperiode t₁ zu beenden und das Zeitintervall t2 auszulösen.

Das I-Signal repräsentiert die Leitperiode für das Ausgeben einer "Scheibe" der Wechselstromspannung von der Eingangsleistungsquelle. Das F-Signal wird benutzt, um "kurzzuschließen". Die Verteilung und die Anwendung der "Scheiben"- und "Kurzschluß"-Steuersignale wird unter Zuhilfenahme einer Ringzählerfunktion bewirkt. Um dies in einer herkömmlichen Weise zu bewerkstelligen, werden die Taktimpulse Pq benutzt, um einen gewöhnlichen triggerartigen Flip-Flop auszulösen, um zwei Rechteckimpulsfolgen, G und G zu erzeugen. Die Impulse G überlappen stets gerade P₁-ImPUlSe, während die G-Impulse die ungeraden P₁-ImPuISe überlappen. Die Impulse K₁ und K2 werden erhalten, indem die Impulse G und P₁ beziehungsweise G und P₁ zwei UND-Verknüpfungsgliedern zugeführt werden. Die Impulse K₁ und K2 werden den Eingängen von zwei dreistufigen Ringzählern jeweils zugeführt. Die Ausgänge des einen Ringzählers sind IX, IY und Iz. Die Ausgänge des anderen Ringzählers sind als 2X, 2Y und 2Z dargestellt. Die entsprechenden Ausgänge der Wellenformen IX¹, IY¹, IZ·, 2Z', 2Y· und 2X■ werden erhalten. Diese sind die grundlegenden Antriebswellenformen, um die

Leistungsübertragungsschaltungseinheiten während der "Scheiben"-Zeitintervalle t± leitend zu machen. Wie bereits vorstehend beschrieben wurde, definieren die Impulse die Intervalle t2, während der die "kurzschließenden" Schaltereinheiten leiten. Diese Impulse werden in sechs getrennte Impulsfolgen 81 bis 86 in zyklischer Weise verteilt. Die Wellenformen DW repräsentieren die Antriebssignale, wie von IX¹, IY¹, IZ¹, 2X■, 2Y¹, 2Z' und 81 bis 83 aufgebracht, einmal kombiniert nach der Verteilung auf die einzelnen bilateralen statischen Schalter, in dem Beispiel von einer Ausgangsphase, nämlich des Umsetzers CVi. ^Di^e Beziehung zwischen den Antriebssignalen und den Schaltereinheiten ist wie folgt: X-^ für A^; Yj für B]_; Z^ für C]_; Y2 für B₂; t₂ für C₂ und X₂ für A₂. ;

Die vorgenannte Betriebsweise und Steuerung der UFC-Induktionsmotorantriebssysteme gemäß dem Stand der Technik wurde deshalb beschrieben, um die Verbesserungen, die erfindungsgemäß erreicht werden, noch deutlicher heraustreten zu lassen.

Herkömmliche Steuerung von einem UFC wurde dadurch bewirkt, daß die dreiphasigen brückenartigen Umsetzer benutzt wurden, wobei die bilateralen statischen Schalter und die isolierten Verteilungsschaltkreise des UFC-Gerätes gemäß dem Stand der Technik in den Fig. 7, 15 bzw. 17 der oben genannten US-Patente dargestellt sind. Die grundlegenden Funktionserfordernisse der Steuerschaltkreise gemäß dem hier vorgeschlagenen UFC-Gerät wie auch für die UFC-Geräte gemäß dem Stand der Technik sind hinsichtlich der Steuerung der Ausgangsfrequenz, wie durch einen externen Spannungsbezug definiert, identisch, die Steuerung der Ausgangsspannung als eine Funktion der Ausgangsfrequenz (ein Erfordernis der Anwendung bei einem Wechselstrommotorantrieb), der Steuerung der Gesamtperiode ti eines jeden grundlegenden Zeitrahmens T, um die erforderliche Amplitude der fundamentalen Komponente Aus-

gangsspannungswellenform zu erzeugen, und die Erzeugung der sich wiederholenden UFC-Schaltmusterabfolge, wie in Fig. 4 der vorliegenden Anmeldung definiert.

Ein neuartiges Steuerungsverfahren wird nunmehr dargelegt, bei dem, wenn die Frequenz über eine vorbestimmte Grenze hinaus erhöht wird, der Umsetzungsmodus der Steuerung beseitigt und ein zweiter Modus verwendet wird, um eine trapezförmige Umhüllende zu erzeugen, wobei diese trapezförmig Umhüllende je nach Bedarf ansteigend so gewählt wird, daß sie sich einer rechteckwellenförmigen Umhüllung annähert.

Das Grundprinzip des neuartigen Steuerungsverfahrens wird in den Fig. 8 und 8b erläutert. Bei diesem Verfahren wird die Impulsfolge P^, die die Frequenz fg der Ausgangsspannung Vg festlegt, von dem Schnitt einer eine lineare Rampenform besitzenden "Frequenzbezugswelle" R₀ mit einem Satz von ebenfalls linearer Rampenform besitzenden "Zeittaktwellen" , R^b, ^RAC' ^RBC' ^RBA' ^RCA ^{und R}CB abgeleitet. Die Rampenzeitwellen haben eine Wiederholungsfrequenz von 2fj (fj ist die Eingangsversorgungsfrequenz) und sie werden voneinander um 60 elektrische Grade versetzt, gemessen bei der Winkelfrequenz von j = 2 fj. Die Frequenzbezugsrampe R₀ besitzt eine Wiederholungsfrequenz von 2fg (fQ ist die gewünschte Ausgangsfrequenz).

Um mit derartigen Rampen eine Impulsfolge Pj_ zu erhalten, die gemäß den Lehren des Standes der Technik eine gerade Wiederholungsrate besitzt, um dadurch eine sinusförmige UFC-Ausgangs-Wellenform zu erzeugen, ist es nur notwendig, die Spitze der Frequenzbezugsrampe und der Zeittaktrampe ungefähr auf den gleichen Pegel zu bringen, wie es durch Fig. 8a erläutert wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Rampen benutzt, um eine Impulsfolge mit einer Rate zu erzeugen, die

während des Zyklus der Ausgangswelle unterschiedlich ist. Für die hier vorgeschlagene Steuerungsmethode wird eine geeignete Phasenbeziehung zwischen den Rampenzeittaktwellen und den entsprechenden Wechselstromeingangsversorgungsspannungswellen erzeugt. Zusätzlich wird die Frequenzbezugsrampe Rq variabel gemacht, so daß deren Größe größer werden kann als die Spitze der Rampenzeittaktwellen, wie durch die gestrichelten Linien in Fig. 8b, 9 und 10 dargestellt ist. Gemäß der vorzugsweisen Ausführungsform werden die Rampenzeittaktwellen (R_AB, R_AC. . . ) von den Nulldurchgängen der entsprechenden Eingangsversorgungsspannungswellen (V_AB, V_AC. . .) um 60 elektrische Grade versetzt (gemessen bei der Winkelfrequenz der Eingangsspannungswellen), d. h., R_AB eilt V_AB, R_AC eilt ^AC' ^usw· ^um jeweils 60 elektrische Grade nach, wie in Fig. 8a angedeutet. Anders ausgedrückt, die Spitzen der Rampenzeittaktwellen fallen zeitlich mit dem Auftreten eines natürlichen Kommutationspunktes zwischen aufeinanderfolgenden Wellen V_AB, V_AC... zusammen.

Wie durch Fig. 8b erläutert wird, kann eine Ausgangswellenform, die eine trapezförmige Umhüllende besitzt, dadurch erzeugt werden, daß einfach die Spitze der Frequenzbezugsrampe Rq über die Spitzenhöhe der Zeittaktrampen erhöht wird. Je größer die Spitze der Bezugsrampe bezüglich der Spitzen der Zeittaktrampen wird, desto mehr wird die Rate der Impulse P₁ während einer derartigen Periode erhöht, da die Frequenzrampe R₀ wirksam ist, um eine Aufeinanderfolge von Zeittaktrampen (Teile aa', bb¹, cd,...) zu schneiden. Zwischen derartigen Perioden, nämlich während die Frequenzbezugsrampe eine Größe erreicht, die größer ist als die Spitzenpegel der Zeittaktrampenwellen, werden die Impulse P₁ zu den gleichen Startzeitaugenblicken der Zeittaktrampen erzeugt, als wenn die Frequenzrampe an eine Größe "angeklemmt" würde, die leicht unterhalb eines derartigen Spitzenpegels liegt. Daher werden die Impulse P₁ mit einer Rate erzeugt, die

den regelrechten 60-Grad-Intervallen der natürlichen Kombirationspunkte der Eingangsspannungswellen (V^_B, Vß£.♦·) entsprechen. Mit dieser Anordnung verändert sich die Rate der P^-Impulsfolge von einem maximalen Wert, bestimmt durch die Neigung der Bezugsrampe, zu einem minimalen Wert, der gleich ist dem Sechsfachen der Eingangsversorgungsfrequenz .

Fig. 9 erläutert die Tatsache, daß für eine gegebene Ausgangsfrequenz (fg = fj) die Umhüllende der trapezförmigen Ausgangsspannungswellenform eine Rechteckwelle annähert, und daß infolgedessen die Amplitude der fundamentalen Komponente ansteigt, während die Neigung der Frequenzbezugsrampe ansteigt, während die Wiederholungsrate (Auftreten von Spitze zu Spitze) die gleiche bleibt.

Es ergibt sich, daß das erfindungsgemäße Steuerungssystem für einen UFC-artigen Motorantrieb an die Steuerung die Ausgangsspannung und die Frequenz liefert, die ähnlich ist zu der, die mit der Steuerung gemäß dem Stand der Technik ist, solange wie die Ausgangsfrequenz unterhalb eines ausgewählten Wertes liegt. Dann steigt die fundamentale Ausgangsspannung ungefähr proportional zu der Ausgangsfrequenz an, bis ein Maximalwert erreicht ist, der auch mit dem UFC gemäß dem Stand der Technik erreichbar ist, bei dem eine Ausgangsspannungswellenform mit sinusförmiger Umhüllenden erzeugt wird. Oberhalb einer derartigen gewählten Frequenz kann die Fundamentalkomponente der Ausgangsspannung weiter erhöht werden, indem eine Ausgangsspannungswellenform mit trapezförmiger Umhüllenden erzeugt wird. Letztere nähert zunnehmend eine Rechteckwellenform an, während die Ausgangsfrequenz ihren maximalen Betriebswert erreicht.

Wie diese Art der Steuerung erreicht wird, wird durch die in Fig. 10 dargestellten Wellenformen erläutert. Die Kurven der Fig. 10 zeigen, daß bis zur Zeit ti die Aus-

gangsspannung gesteuert wird in Übereinstimmung mit der Ausgangsfrequenz gemäß dem Impuisbreitenveränderungsverfahren, das in den vorgenannten US-Patenten offenbart wird, nämlich solange, bis die Ausgangsfrequenz einen ausgewählten Wert erreicht, beispielsweise fQ = fy. Oberhalb dieser Frequenz, d. h. nach dem Augenblick ti, wird die fundamentale Komponente der Ausgangsspannungswelle gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erhöht, d. h. durch Änderung der Neigung der Frequenzbezugsrampe Rq, um auf diese Weise eine Ausgangswellenform zu erzeugen, die eine trapezförmige Umhüllende besitzt.

Eine mögliche Verwirklichung des vorgeschlagenen Steuerungssystems ist in dem schematischen Blockdiagramm erläutert, das in Fig. 11 dargestellt ist. Wie zu erkennen ist, wird ein Satz von Rampenzeittaktwellen, R^, R^c R_BC, RßA, Rqä' ^rCB ^auf Leitung 108 vom Generator 110 hergeleitet, der mit drei Eingangsversorgungsspannungen ^VAB' ^VAC' ^VCA (Leitungen 101, 102, 103) versorgt wird. Die Rampen werden mit der Frequenzbezugsrampe R₀ verglichen, die auf Leitung 109 von einem Frequenzbezugsrampengenerator 111 abgeleitet wird. Rampe Rq besitzt eine veränderliche Frequenz und eine veränderliche Größe. Die Frequenzbezugsrampe Rq auf Leitung 109 wird mit den Zeittaktrampen durch den Vergleicher 120 verglichen, um so ein Ausgangssignal auf Leitung 112 im Falle des kritischen Ereignisses abzugeben, daß zwei augenblickliche Rampen, die auf Leitungen 108 und 109 ausgegeben werden, einander schneiden. Dieses Ereignis wird auf Leitung 112 erkannt, das Signal wird über einen differenzierenden Schaltkreis 121 hindurchgeleitet. Von der Stützung auf Leitung 114 über eine gleichrichtende Diode D₁ wird das Signal als eine Impulsfolge P₁ übertragen, die, wie aus den vorgenannten US-Patenten bekannt, die Ausgangsfrequenz des UFC steuert. Eine zweite Impulsfolge P2 steuert die Ausgangsspannung des UFC, die auf Leitung 117 von einem einstellbaren Verzögerungsschaltkreis 125 abgeleitet wird,

der auf die Impulsfolge P₁ von Leitung 115 reagiert. Dies ist ebenfalls in den vorgenannten US-Patentschriften offenbart.

Fig. 12 zeigt eine mögliche Realisierung des Rampenzeittaktwellengenerators 110. Seine Betriebsweise wird durch die Kurven (a) bis (g) der Fig. 13 erläutert.

Fig. 12 zeigt den Schaltkreis für die Erzeugung der Rampenzeittaktwellen (R^b, Rg^ für engegengesetzte Polaritäten) auf den Leitungen 139 bzw. 140. Abgeleitet auf Leitung 103 wird die Phasenspannung Vq^ (Kurve (a) von Fig. 13) durch den Begrenzer 131 in eine Rechteckwelle geändert, erläutert durch Kurve (b) der Fig. 13. Von Leitung 132 liefert ein Verstärker AMP2 mit einem Verstärkungsfaktor von 1 auf Leitung 136 eine Spannung von umgekehrter Polarität. Der Integrator INTl erzeugt von Leitung 132 auf Leitung 135 das Sägezahnsignal der Kurve (c), das auch auf Leitung 137 erscheint, während ein Verstärker AMPl mit einem Verstärkungsfaktor von 1 an seinem Ausgang auf Leitung 138 die Spannung von entgegengesetzter Polarität ausgibt, erläutert durch Kurve (d) der Fig. 13. Analogschalter SW₁, SW2 wählen eine Polarität der auf den Leitungen 138 bzw. 137 ankommenden Signale aus, wie nach dem Steuersignal von Leitung 132 über Leitung auf SW₁ für die eine Polarität, und das Steuersignal von Leitung 136 und AMP2 auf SW2 für die andere Polarität. Entsprechend wird Kurve (c) auf Leitung 140 von SW2 ausgegeben, während die Kurve (d) auf Leitung 139 von SW₁ ausgegeben wird, die angestrebten Rampen -Rg^ bzw. -R^ß·

Dasselbe kann für die Erzeugung der Rampen -Rßc und -Rq3 bezüglich V^_B gesagt werden, und für die Erzeugung von ~]*CA und -R^c bezüglich der Spannung Vg_C. Alle diese Rampen werden in einen Summierverstärker SA eingegeben, um auf Leitung 108 die Aufeinanderfolge von Rampen R_Bq, R^a » ^RCA ^{zu erzeu}g^en, wie durch die Kurve (g) in Fig. 13

erläutert wird.

Von Leitung 132 und von Leitung 136 werden über Leitungen 106 bzw. 10 7 Spannung +A und -A zu dem Rampenbezugswellengenerator (Fig. 11 und 14) abgeleitet.

Fig. 14 zeigt im Detail eine mögliche Realisierung des Frequenzbezugswellengenerators 111. Der Generator kann entweder in dem sinusförmigen Betrieb (ähnlich der Fig. 8a) oder in dem trapezförmigen Betrieb (wie in Fig. 8b) arbeiten.

Die Leitungen 106 und 107 sind mit dem Eingang eines Gleichrichters RCT verbunden, um auf diese Weise beide Polaritäten einer Spannung +E^ auf der Leitung 151 zu liefern. Das Spannungssignal wird in einen Verstärker AMP5 mit einem Verstärkungsfaktor von 1 eingegeben, der an seinem Ausgang (Leitung 152, und Verbindungspunkt J2) das Signal -E_A liefert. Zu der Spannung -E_A wird die Spannung -E von der Leitung 166 mit einem Rheostat RH₁ zugeführt, welcher Rheostat zwischen Leitung 153 vom Verbindungspunkt J2 angeordnet ist, so daß Leitung 166 auf Leitung 105 eine auswählbare Spannung -(E_A+kE) liefert, wobei k zwischen Null (sinusförmiger Betrieb) und irgendeinem Wert bis hinauf zu k=l (trapezförmiger Betrieb) verändert werden kann. Von Leitung 105 wird das Signal -(E_A+kE) über einen invertierenden Verstärker AMP3 hindurchgeführt, der auf Leitung 161 die entgegengesetzte Polarität erzeugt.

Die Leitung 161 führt zu einem anderen invertierenden Verstärker, AMP4, zu Leitung 162, während von Leitung 161 über den Rheostat RH2 das Signal zu Leitung 16 7 gelangt. Ein Integrator INT2, der entweder auf die Leitung 162 oder die Leitung 167 (abhängig von der augenblicklichen Polarität) reagiert, liefert an den Ausgang (Verbindungspunkt J7) ein Rampensignal ähnlich der Kurve (a), wenn k=0 (sinusförmiger Betrieb) oder gleich Kurve (d) wenn 0<k<l

(trapezförmiger Betrieb). Der Rückstelleingang des Integrators reagiert auf Leitung 164 auf die Änderung der Polarität vom Vergleicher CMP, der das Signal des Verbindungspunktes Jg und des Verbindungspunktes J 4 vergleicht, wodurch der erforderliche Spitzenwert _+ E^ der Kurve (a), oder ± (E_A+kE) der Kurven Cd) aufrecht erhalten wird. Die Rechteckformigkext wird mit dem Rheostat RH]_ und die Frequenz der Rampe mit dem Rheostat RH2 eingestellt.

Vom Verbindungspunkt J₂ wird für die eine Polarität die Klemmspannung -E_A über Leitung 154 zur Klemmdiode D₂ gebracht, während für die andere Polarität (über einen Verstärker AMPg mit einem Verstärkungsfaktor von 1) mittels Leitungen 155 und 156 die Klemmspannung +E_A der Klemmdiode D3 zugeführt wird. Infolgedessen wird immer dann, wenn die Spannung am Verbindungspunkt J^, die über Leitung 158 zum Verbindungspunkt J3 geliefert wird, an der entgegengesetzten Seite der Klemmdioden D₂, D3 dazu neigt, E_A zu überschreiten, wie mit den Kurven (d) der Fig. 15 dargestellt, die Rampe zu dem Pegel E^ geklemmt, wie durch die Kurven (f) wiedergegeben wird. Dies ist die Spannung, die zum Schneiden der Zeittaktwellen benutzt wird. Somit werden vom Verbindungspunkt J3 die abgeschnittenen Rampen in den Verstärker AMP7 mit einem Verstärkungsfaktor von 1 eingeführt und auf Leitung 109 (Fig. 11) zur Erzeugung der Impulsfolge P^ der Fig. 8a, 8b ausgegeben. Eine Veränderung des Wertes von k und eine Veränderung der Frequenz wird eine Steuerung der trapezartigen Betriebsarten möglichen, wie durch die Fig. 9 und 10 wiedergegeben wird.

Es ergibt sich, daß für eine Ausgangsspannungswellenform mit sinusförmiger Umhüllenden die Größe der Bezugsrampe und die der Zeittaktrampen ungefähr gleich gehalten werden. Dies wird dadurch erreicht, daß die Bezugsrampe von einer Gleichspannung E^ abgeleitet wird, die gleich dem Spitzenwert der Rampenzeittaktwellen ist ("Rechteckwelligkeit" ist auf Null gestellt). Für die Ausgangs-

spannungswellenformen mit trapezförmiger Umhüllenden wird die steuerbare Gleichspannung kE (O^-kiLl), zur Spannung' E_A hinzugefügt, wodurch die Größe der Generatorrampe über die der Zeittaktrampe vergrößert wird. Um den Schnittpunkt mit den Zeittaktrampen zu erhalten, wird die Größe der tatsächlichen Bezugsrampe durch die zwei Dioden D£, D3 auf die Spannungshöhen E_A und -E_A geklemmt.

Es sollte bemerkt werden, daß zur Erzeugung eines Satzes von drei identischen Ausgangsspannungswellenformen mit trapezförmiger Umhüllenden durch einen dreiphasigen UFC drei Frequenzbezugsrampen Rq, phasenverschoben um 120 elektrische Grade, notwendig sind. Diese Bezugsrampen werden dann mit einem gemeinsamen Satz von Rampenzeittaktwellen verglichen, wenn die erforderlichen P-^-Impulsfolgen für jede der drei UFC-Leistungsschaltkreise erzeugt werden, wobei jeder eine der drei Phasen des Motors versorgt. Die drei Frequenzbezugsrampen können durch drei identische Schaltkreis abgeleitet werden, und zwar von der Bauart, wie sie in Fig. 14 dargestellt ist. Jedoch müssen die drei Schaltkreise zueinander so synchronisiert sein, daß die gewünschte relative Phasenverschiebung von 120° erreicht wird. Dies wird ermöglicht dadurch, daß entsprechend taktgesteuerte Signale über Leitungen, wie beispielsweise 163, zu den Synchronisierungseingangen der rückstellbaren Integratoren (INT2) geführt werden, um die drei Rampengeneratorschaltkreise mit der gewünschten Aufeinanderfolge und den gewünschten Phasenverzögerungen zu starten.

ES/wt/wo 4

Liste der Bezugszahlen bezüglich der in
den Zeichnungen verwendeten Bauteile

Legende Bezugszahl-Nr. Figur

Rampenzeitwellengenerator 110 11

Rampenbezugswellengenerator 111 Il

Vergleicher 120 11

Differenzierender Schaltkreis 121 11

Einstellbarer Verzögerungsschaltkreis 125 11

Begrenzer 131 12

Claims

PATENTANWALT D-4000 DÜSSELDORF 1 ■ SCHADOWPLATZ 9

VNR: 109126

Düsseldorf, 29. Oktober 1984

51,068
8443

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

Patentansprüche;

Unbegrenzter-Frequenz-Änderungsapparat (UFC), der in einem sinusförmigen Betrieb arbeiten kann, um eine sinusförmige mehrphasige Eingangswechselstromleistungsversorgung von vorbestimmter Eingangsfrequenz in eine sinusförmige mehrphasige Ausgangswechselstromlexstungsversorgung von steuerbarer Ausgangsfrequenz umzuwandeln, von der Bauart, die einen Impulsgenerator benutzt, der in dem sinusförmigen Betrieb arbeitet, um Steuerimpulse mit einer auswählbaren Rate zu erzeugen, um die Ausgangsfrequenz festzulegen, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator erste Einrichtungen zur Erzeugung einer Vielzahl von Zeittaktrampen aufweist, die repräsentativ sind für die elektrischen Winkel an den einzelnen Phasenspannungen der sinusförmigen Wechselstromeingangsleistungsversorgung, und zweite Einrichtungen zur Erzeugung einer Frequenzbezugsrampe von auswählbarer Neigung, wobei die Bezugsrampe die Zeittaktrampe aufeinanderfolgend schneidet, um die Steuerimpulse mit einer Rate zu erzeugen, die ab-

POSTSCHECK: berlin west (BLZ 100 1OO 1O) 132736- 1Ο9 ■ DEUTSCHEBANK(BLZSOOyOOlO) 6 160

hängig ist von der auswählbaren Neigung; wobei die Zeittaktrampen und die Bezugsrampen die gleiche vorbestimmte Spitzenspannung besitzen, wenn sich der UFC in dem genannten sinusförmigen Betrieb befindet; und dadurch, daß die Bezugsrampe eine steuerbare Spitzenspannung besitzt, die die vorbestimmte Spitzenspannung überschreitet, wobei der UFC in einem Betrieb arbeitet, für den die mehrphasige Ausgangswechselleistungsversorgung trapezförmig ist.
2. Apparat (UFC) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Erhöhung der Spitzenspannung der Bezugsrampe über die vorbestimmte Spitzenspannung hinaus, wenn die Ausgangswechselleistungsversorgung einen vorbestimmten Frequenzwert erreicht.
3. Apparat (UFC) nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Einrichtungen, um die Neigung der Bezugsrampe zu verändern, die in dem sinusförmigen Betrieb geändert wird, und die in dem trapezförmigen Betrieb geändert wird.
4. Apparat (UFC) nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Anordnung von Klemmeinrichtungen, die wirksam werden können, wenn die Bezugsrampe den vorbestimmten Spitzenspannungswert überschreitet, wobei die Steuerimpulse mit einer Rate erzeugt werden, die durch das Auftreten der aufeinanderfolgenden natürlichen Kommutationspunkte der Eingangsphasenspannungen festgelegt sind, wenn die Bezugswelle die vorbestimmte Spitzenspannung überschreitet, um auf diese Weise maximale Spannung für die Ausgangswechsel-Stromleistungsversorgung zu erhalten.
5. Apparat (UFC) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsrampe bezüglich Frequenz und Spannungspitze einstellbar ist.