DE3637479A1 - Servoantrieb mit einer wechselstrommaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Servoantrieb nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Bei diesen Antrieben treten infolge der mit höherer Frequenz getakteten Wechselrichter neben der erwünschten Grundschwingung diese Schwingungen überlagernde Oberschwingungen auf, die zu unerwünschten Verlusten und - soweit diese unter 20 kHz liegen - auch zu störenden Geräuschen am Antrieb oder der Last führen können. Weiterhin können störende hochfrequente Störstrahlungen entstehen, die über die Leistungskreise auf den Stromversorgungsteil zurückwirken und z. B. über die Netzzuleitungen abgestrahlt werden.

Um dies zu vermeiden, ist es bekannt, Tiefpaßfilter vorzusehen, die einen kleinen Widerstand für die Grundschwingung und einen großen Widerstand für die höherfrequenten Oberschwingungen aufweisen. Bei größeren Leistungen (über 10 kW) wird der Aufwand und Platzbedarf für derartige Filter jedoch meist unvertretbar groß. Weiterhin kann es bei Servoantrieben, die über einen großen Drehzahlbereich gesteuert werden, schwierig werden, das Filter so auszulegen, daß bei Antrieben z. B. mit einem Grundschwingungsbereich von 0 bis 500 Hz (Speisefrequenz des Motors) die Oberschwingungen durch die Taktung der Wechselrichter ausreichend gedämpft werden, ohne daß hierbei zu große Verluste im höherfrequenten Grundschwingungsbereich entstehen. Andererseits können bei der üblichen Impulsbreitenmodulation die Oberschwingungen im niedrigen Drehzahlbereich von einigen Hz in einem Bereich liegen, den die Grundfrequenz bei hohen Drehzahlen aufweist. Ein Filter ist dann bei kleinen Drehzahlen wirkungslos oder es stört den Betrieb bei hohen Drehzahlen. Eine wesentliche Erhöhung der Taktfrequenz der Wechselrichter ist wegen der Grenzfrequenz der verwendeten Bauelemente (Transistoren, GTO′s) derzeit nicht möglich und/oder führt zu störenden Hochfrequenzstörstrahlungen und/oder erhöhten Umschaltverlusten.

Zur Verringerung der Drehmomentwelligkeit ist es bei selbstgeführten 6pulsigen Wechselrichtern bekannt (siehe DE-PS 23 48 157 und DE-AS 27 45 824), mit einer großen Drossel im Zwischenkreis, durch zwei in Reihe geschaltete Wechselrichter, die an zwei Phasenwicklungssystemen mit je einer zusätzlichen Teilwicklung je Phase liegen, die Wirkung eines 12pulsigen Wechselrichters zu erzielen (größere Wirkung der Drossel, oberwellenarmes Drehmoment usw.). Bei Impulswechselrichtern, die mit Frequenzen von mehreren kHz getaktet werden, treten derartige Drehmomentenwelligkeiten nicht auf, da die mechanischen Teile für derart hohe Frequenzen zu träge sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, störende Geräusche am Antrieb und/oder der Last zu vermeiden, Verluste zu verringern und/oder hochfrequente Störstrahlungen zu reduzieren bzw. leichter beseitigen zu können. Gleichzeitig soll durch die Parallelschaltung von Impulswechselrichtern die Leistung entsprechend der Anzahl der Wechselrichter vervielfacht werden können. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Die Aufteilung der Phasenwicklung in mehrere gegeneinander isolierte Teilleiter oder Teilwicklungen, z. B. zur Verringerung der Stromverdrängungsverluste, ist bei Drehfeldmaschinen mit größeren Phasenströmen an sich bekannt (siehe z. B. DE-OS 28 31 888). Eine andere bekannte Art der Aufteilung in Teilleiter erfolgt z. B. dadurch, daß die Phasenwicklungen jeweils in zwei gegenüberliegenden Nutungsbereichen untergebracht sind und bei einer Dreiphasenwicklung das jeweils nächste Wicklungspaar für die nächste Phasenwicklung in Nutungsbereichen untergebracht sind, die 60° verdreht hiervon liegen. Bei Drehfeldmaschinen von 10 bis 40 kW und 3 × 380 V Wechselspannung sind dies häufig nur zwei Teilleiter, bei größeren Phasenströmen oder fertigungsbedingt kann eine Aufteilung in eine größere Zahl Teilleiter sinnvoll sein. Diese Teilleiter sind bei den bekannten Drehfeldmaschinen üblicherweise mit ihren Enden am Wicklungskopf miteinander verbunden, wobei jeweils nur ein Verbindungsleiter zum Klemmbrett der Maschine herausgeführt ist. Diese Teilleiter lassen sich erfindungsgemäß ohne großen Mehraufwand einzeln oder durch Zusammenfassen mehrerer Teilleiter in Strängen herausführen, wobei die Anzahl der herausgeführten Stränge denen der parallel zu schaltenden Wechselrichter entspricht.

Die Wahl der Phasenverschiebung zwischen den einzelnen Wechselrichtern für eine Phasenwicklung hängt in erster Linie von der Anzahl der verwendeten Wechselrichter ab. Bei zwei Teilwicklungen und zwei Wechselrichtern je Phasenwicklung, ist eine Phasenverschiebung der Taktimpulse in der Nähe von 180° in den häufigsten Fällen besonders vorteilhaft.

Der erfindungsgemäße Servoantrieb kann mit einem gesteuerten oder ungesteuerten Gleichspannungszwischenkreis ausgebildet werden, der alle oder mehrere Wechselrichter speist. Die Ansteuerung der Impulswechselrichter kann aus einer Ansteuerstufe mit phasenverschobenen Ansteuersignalen erfolgen. Der Erfindungsgegenstand läßt sich auch für alle hochynamischen Antriebsregelungen wie z. B. mit feldorientierter Regelung unter Einsatz von Mikrorechnern verwenden. Beispiele solcher Anwendungen sind in dem Buch "Mikrocomputergeregelte Asynchronmaschinen" von D. Dietrich und W. Konhäuser, 1986 im Oldenburg Verlag München zusammengefaßt. Weiterhin ist der Erfindungsgegenstand auch bei bürstenlosen Gleichstrommotoren bzw. selbstgesteuerten Synchronmaschinen, die ihr Drehfeld über einen Polradlagegeber selbst erzeugen (siehe z. B. DE-OS 31 20 559), anwendbar. Der erfindungsgemäße Servoantrieb wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 das Prinzipschaltbild der Leistungskreise eines erfindungsgemäßen Servoantriebes mit getrennten Gleichspannungszwischenkreisen,

Fig. 2 die Leistungskreise mit gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis,

Fig. 3a und b theoretische Betrachtungen einer Phasenwicklung,

Fig. 4 ein Prinzipschaltbild mit Ansteuerstufen für die Wechselrichter und

Fig. 5a bis d die Erzeugung und den Verlauf der Ansteuersignale für Impulswechselrichter.

In Fig. 1 sind zwei getrennte z. B. direkt aus einem Netz 1 gespeiste Drehstromgleichrichterbrücken 2 und 3 vorgesehen, aus denen je eine Zwischenkreisgleichspannung über die Leitungen 4; 5 und 6; 7 an einen Kondensator 8; 9 sowie je einen Wechselrichter 10; 11 geführt ist. Jeder Wechselrichter erzeugt in bekannter Weise Phasenströme für eine Wechselstrommaschine 12. Die Wechselstrommaschine 12 weist drei Phasenwicklungen auf, die jeweils in zwei getrennte, parallele Stränge 13; 14 und 15; 16 sowie 17; 18 aufgeteilt sind. Jeweils ein Strang 13; 15; 17 und 14; 16; 18 jeder Phasenwicklung ist zu einem Strangsystem in Sternschaltung zusammengeschaltet, wobei die Sternpunktverbindungen 19; 20 untereinander nicht verbunden sind. Jeder Strang 13 bis 18 kann aus einem oder mehreren Teilleitern einer Phasenwicklung bestehen, die in der Wirkung parallel miteinander oder - in verschiedenen Nutungsbereichen - gegenseitig isoliert in bekannter Weise durch die Nuten geführt sind. Zur Steuerung oder Regelung der Drehfeldmaschine können gesteuerte oder ungesteuerte Gleichrichterbrücken 2; 3 verwendet werden. Die Steuerung der Wechselrichter 10; 11 erfolgt am sinnvollsten mit phasenverschobenen Ansteuersignalen aus einer gemeinsamen Ansteuerstufe.

In Fig. 2 werden die beiden Wechselrichter 21 und 22 von einer einzigen Drehstromgleichrichterbrücke 23 gespeist. Die beiden Wechselrichter 21 und 22 liefern die Phasenströme für die in gleicher Weise in Fig. 1 geschaltete Wechselstrommaschine 24. Jede Phasenwicklung besteht hier aus jeweils vier Teilleitern 25 bis 28, wobei die Teilleiter 25 und 26 sowie die Teilleiter 27 und 28 zu einem Strang zusammengefaßt, d. h. mit ihren Enden verbunden sind.

Wird durch die Ansteuerung und den Aufbau der Wechselrichter 21 und 22 sichergestellt, daß an den Sternpunkten 29, 30 stets eine ausreichend gleiche Nullpunktspannung anliegt, können die Sternpunktenden aller Teilwicklungen auch untereinander verbunden sein, d. h. alle an einem Sternpunkt z. B. 29 liegen.

In Fig. 3a ist das Lastersatzschaltbild für eine Phase mit zwei Teilwicklungen dargestellt. Dieses Lastersatzschaltbild entspricht dem Ersatzschaltbild Fig. 3b eines streuungsbehafteten Übertragers. Hierin sind L ₁ und L ₂ die Streuinduktivitäten der beiden Teilwicklungen, M die Kopplungsinduktivität zwischen diesen Wicklungen, die über ohmsche Lastanteile (LAST) zu einem gemeinsamen Bezugspotential, dem Sternpunkt 19 und 20 geführt sind.

Unter Vorraussetzung, daß die Spannungsoberschwingungen wegen der hohen Frequenz zum größten Teil an diesem Übertrager (Fig. 3b) abfallen, gelten für den Zusammenhang zwischen Strömen und Spannungen folgende Gleichungen:

Obwohl es sich möglicherweise um einen nichtlinearen Übertrager handelt, kann man für stationäre Zustände Spannungen und Ströme in einzelne Frequenzen zerlegen.

Für jede einzelne Frequenz gelten dann die Gleichungen (3) und (4), wobei die Induktivitäten L ₁; L ₂ und M bei unterschiedlichen Frequenzen und unterschiedlichen Lastzuständen auch unterschiedliche Werte annehmen können.

U ₁ = j ω L ₁ I ₁ + j ω MI ₂ (3)

U ₂ = j l L ₂ I ₂ + j ω MI ₁ (4)

Setzt man die Gleichung (4) in die Gleichung (3) ein, erhält man:

Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die parallelen Teilwicklungen der Phasenwicklung gleich aufgebaut sind (L ₁ = L ₂ = L), kommt man zur Gleichung (6)

Für die erfindungsgemäße gleichphasige Grundschwingung gilt hierbei

Setzt man diese beiden Gleichungen in die Gleichung (6) ein, so erhält man als wirksame Induktivität für die Grundschwingung:

Für die Umrichterschaltfrequenz und deren ungeradzahligen Harmonischen gilt bei einer Phasenverschiebung um ca. 180°:

U _1S = -U _2S = U _S

Setzt man diese Gleichung in die Gleichung (6) ein, erhält man folgenden Zusammenhang:

Unter der Annahme, daß für die beiden Teilströme aus Symmetrieüberlegungen und wegen der Gleichung (11) gelten muß:

I _1S = -I _2S (13)

wird der Nenner des Bruches in Gleichung (12) zu Null. Für die wirksame Induktivität bei der Umrichterfrequenz gilt daher, daß die Gesamtinduktivität gegen unendlich geht. Die Schaltfrequenz und deren ungeradzahlige Harmonische können daher zum Laststrom keinen Anteil beitragen.

In Fig. 4 ist ein Steuerungsprinzip für die Wechselstrommaschine 31 näher dargestellt, wobei wie in Fig. 2 die aus Treiberstufen 32; 33 und Leistungsstufen 34; 35 bestehenden Wechselrichter aus einem gemeinsamen Gleichrichter gespeist werden. Die in den Wechselrichtern 32; 34 und 33; 35 erzeugten Phasenströme sind über getrennte Leitungen 36 und 37 den einzelnen Strangsystemen (nicht dargestellt) der Wechselstrommaschine 31 zugeführt.

Die Steuerung der Wechselstrommaschine erfolgt - in an sich bekannter Weise - über eine Steuerlogik 38, die von außen über eine Leitung 39 einen Sollwert erhält und der z. B. über einen Tachogenerator, Drehzahlgeber, Drehimpulsgeber oder Polradlagegeber 40 Drehwertsignale 41 zugeführt sind. Der Steuerlogik können auch Stromwertsignale 42; 43 z. B. aus Meßwandlern 44; 45 zugeführt sein. Aus diesen Werten erzeugt die Steuerlogik 38 zwei Ansteuersignale 46 und 47 für jeweils eine der Treiberstufen 32 und 33, wobei es dem Fachmann überlassen bleibt, aus der Vielzahl bekannter Steuerungsarten die günstigste auszuwählen. Die Ansteuersignale 46; 47, die zum Teil in gemeinsamen Stufen erzeugt sein können, können z. B. noch einem oder zwei weiteren Wechselrichtern (nicht dargestellt) zugeführt werden, die in gleicher Weise einem oder zwei weiteren Strangsystemen der Wechselstrommaschine 31 Phasenströme zuführen, wenn die einzelnen Phasenwicklungen aus drei oder mehr Teilleitern bestehen, bzw. in drei oder vier gleich starke Stränge aufgeteilt sind.

Handelt es sich bei der Wechselstrommaschine um eine Asynchronmaschine, die entsprechend einer feldorientierten Regelung z. B. über eine Impulsbreitenmodulation hoher Frequenz angesteuert wird, so genügt es, in zwei der drei Phasenwicklungen in einem Strangsystem Strommeßwandler vorzusehen und die gemessenen Werte entsprechend der Zahl der Strangsysteme zu vervielfachen. Es kann jedoch von Vorteil sein, die Ströme der zwei Phasenwicklungen in allen Strangsystemen zu erfassen und in einer Stufe 48 den entsprechenden Mittelwert zu bilden.

Bei der Mittelwertbildung können weiterhin größere Abweichungen in den Strömen der einzelnen Strangsysteme erfaßt werden, die bei einem Fehler entstehen können oder zur Überlastung eines der Wechselrichter führen könnten. Hierbei kann in der Stufe 48 ein Fehlersignal erzeugt werden, das dann z. B. über eine Leitung 49 der Steuerlogik 38 zugeführt wird, die dann weitere Ansteuersignale für die Treiberstufen 32; 33 sperrt.

Der Mehraufwand für die Wechselstrommaschine läßt sich verhältnismäßig klein halten, wenn hierfür handelsübliche Maschinen mit mehreren Teilleitern je Phasenwicklung verwendet werden. Die einzelnen Teilleiter können bei der Maschinenfertigung einzeln oder zu Strängen zusammengefaßt auf weitere oder ein vergrößertes Klemmbrett im Anschlußkasten oder weiteren Anschlußkästen herausgeführt werden.

Die Ansteuersignale 46 und 47 für die Treiberstufen 32 und 33 der Impulswechselrichter sind üblicherweise Rechteckimpulse, die entsprechend eines über die Leitung 39 vorgegebenen Sollwertes und anderer der Steuerlogik zugeführten Signale, in bekannter Weise ein impulsbreitenmoduliertes Durchschalten der Zwischenkreisspannung an die einzelnen Phasenwicklungen der Wechselstrommaschine bewirken. Die Schaltfrequenz wird dabei so groß gewählt (mehrere kHz), daß sich an den Phasenwicklungen ein gewünschter Spannungsverlauf ergibt, dessen Phasenlage im wesentlichen unabhängig ist von der Phasenlage der Oberschwingungen durch die Impulstaktung. Die Steuerlogik 38 erzeugt hierzu bei einer Dreiphasen-Drehstrommaschine für einen Vierquadrantenantrieb für jedes Teilwicklungssystem - in an sich bekannter Weise - z. B. von einer positiven auf eine negative Spannung umschaltenden Schaltspannungen, welche über die Treiberstufen 32 und 33, die jeweils mit sechs Leistungstransistoren bestückten Leistungsstufen 34 und 35 schalten.

Gemäß der Erfindung erfolgt nun das Schalten der Leistungsstufen so, daß sich jeweils ein phasenverschobenes Schalten zwischen den Teilwicklungen einer Phasenwicklung ergibt. Hierzu die Steuerlogik 38 für jede Teilwicklung einer Phasenwicklung ein Ansteuersignal (in 46), das über den Impulswechselrichter 32; 34 eine Teilwicklung in Schaltfrequenz an die Zwischenkreisspannung legt und jeweils ein weiteres, hierzu phasenverschobenes Ansteuersignal (in 47), das über den Impulswechselrichter 33; 35 die jeweilige andere Teilwicklung der gleichen Phasenwicklung phasenverschoben in Schaltfrequenz an die Zwischenkreisspannung legt.

Werden die Ansteuersignale nach dem bekannten Unterschwingungsverfahren, durch Vergleich eines Spannungsreferenzsignales mit einem Dreiecksignal aus einem Komparator gebildet, kann wie in Fig. 5 dargestellt eine Phasenverschiebung um ca. 180° durch die Verwendung von zwei gleichen, jedoch jeweils um 180° phasenverschobenen Dreiecksignalen erfolgen. In Fig. 5a ist ein Dreiecksignal 50 und ein Spannungsreferenzsignal 51 dargestellt, durch die über einen Spannungsvergleich immer dann ein positives Ansteuersignal 53 gemäß Fig. 5b erzeugt wird, wenn der Momentanwert des Dreiecksignales 50 positiver ist als das Spannungsreferenzsignal 51. In einem weiteren Spannungsvergleich wird das gleiche Spannungsreferenzsignal 51 mit einem um 180° phasenverschobenen (negierten) Dreiecksignal 54 gemäß Fig. 5c verglichen und in gleicher Weise ein zweites Ansteuersignal 55 gemäß Fig. 5d erzeugt, das bei konstantem Spannungsreferenzsignal um 180° gegenüber dem Ansteuersignal 53 in der Phase verschoben ist. Wird für den Wechselstrommotor ein sinusförmiger Wechselstrom erforderlich, kann das Spannungsreferenzsignal einen entsprechenden sinusförmigen Verlauf aufweisen.

Zur Phasenverschiebung der Ansteuersignale kann auch eine Verzögerung des Ansteuersignales 53 herangezogen werden, wie dies in Fig. 5b gestrichelt dargestellt ist. Dort wird das zweite Ansteuersignal 59 durch eine Verzögerung des ersten Ansteuersignales 53 um eine halbe Schaltperiode T/2 erstellt. Diese Verzögerung kann wahlweise über analoge Schaltungen, digitale Zähler, Schieberegister usw. realisiert werden. Die Erstellung weiterer Ansteuersignale über Verzögerungsstufen kann vor allem dann sinnvoll sein, wenn mehr als zwei Impulswechselrichter erfindungsgemäß parallel geschaltet werden sollen. So kann zur Ansteuerung von drei Wechselrichtern, das zweite und dritte Ansteuersignal durch eine Verzögerung um ¹/₃ T und ²/₃ T erstellt werden.

Durch die Wirkung der Gegenkopplung wird auch die Rückwirkung auf das gemeinsame Netz bzw. einen gemeinsamen Gleichrichter stark reduziert. Aus der Addition der Ansteuersignale 53 und 55, wie sie in Fig. 5d gestrichelt dargestellt ist, läßt sich erkennen, daß die verbleibende Rückwirkung mit wesentlich höherer Frequenz erfolgt, die sich durch Kondensatoren im Gleichspannungszwischenkreis leichter ausgleichen läßt. In gleicher Weise läßt sich auch die Hochfrequenzstörstrahlung verringern. Diese macht sich besonders störend an den Netzzuleitungen bemerkbar, da die übrigen Teile üblicherweise in einem die Hochfrequenz gut abschirmenden Gehäuse liegen. Durch die erfindungsgemäße Schaltung verringert sich die Leistung der Störstrahlung und das Maximum verlagert sich zu höheren Frequenzen. Diese lassen sich durch die Verwendung induktionsarmer Kondensatoren und erforderlichenfalls weniger aufwendiger Hochfrequenzfilter in der Netzzuleitung soweit reduzieren, daß sie unter den geforderten Grenzwerten für Hochfrequenzstörstrahlung liegen.

Claims (8)

1. Servoantrieb mit einer Wechselstrommaschine, die aus einem oder mehreren Gleichspannungszwischenkreisen über mehrere Impulswechselrichter hoher Frequenz gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Phasenwicklungen der Wechselstrommaschine aus mehr als einer gleichstarken Teilwicklung (13 bis 18) bestehen,
• - die Teilwicklungen durch annähernd gleich große Gegeninduktivitäten miteinander gekoppelt sind,
• - den einzelnen Teilwicklungen jeweils eine Impulswechselrichter- Leistungsstufe (10; 11) zugeordnet ist und
• - die Impulswechselrichter-Leistungsstufen derart angesteuert sind, daß die Grundschwingungen der Wechselrichterausgangs-Spannungen in den Teilwicklungen (z. B. 13; 14) der jeweiligen Phasenwicklung (13 und 14) den gleichen Phasenwinkel, die Oberschwingungen durch die Impulstaktung der Impulswechselrichter (10; 11) dagegen einen stark unterschiedlichen Phasenwinkel aufweisen.

2.Servoantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei n-Teilwicklungen einer Phasenwicklung an den n-Impulswechselrichter- Leistungsstufen eine Ansteuerung mit Impulsen erfolgt, die jeweils annähernd um den n-ten Teil von 360° in der Phase verschoben sind.

3. Servoantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselstrommaschine eine drei- oder mehrphasige Drehfeldmaschine (24) größerer Leistung ist, deren Phasenwicklungen aus mehr als einem, gegeneinander isolierten Teilleiter (25 bis 28) bestehen und diese Teilleiter in einzelnen Strängen (25; 26 und 27; 28) zumindest mit einem Ende isoliert voneinander als Teilwicklungen aus der Wechselstrommaschine (24) herausgeführt sind.

4. Servoantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Impulswechselrichter (21; 22) aus einem gemeinsamen, gesteuerten oder ungesteuerten Gleichspannungszwischenkreis (23) gespeist sind.

5. Servoantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulswechselrichter mit einer Impulsbreitenmodulation nach dem Unterschwingungsverfahren gesteuert sind und eine Phasenverschiebung der Wechselrichterimpulse (53; 55) zwischen den Impulsen für die Teilwicklungen einer Phasenwicklung durch eine Invertierung des Komparatorreferenzsignales (50) erfolgt.

6. Servoantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Phasenverschiebung der Wechselrichterimpulse für die Teilwicklungen einer Phasenwicklung durch eine Verzögerung (T/2) der Ansteuersignale (53) über analoge Verzögerungsschaltungen, digitale Zähler oder Schieberegister erfolgt.

7. Servoantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebung der Wechselrichterimpulse derart gewählt ist, daß ein Maximum der auf den Leistungseingang zurückwirkenden hochfrequenten Störstrahlung reduziert wird und/oder in einen Frequenzbereich verlagert wird in dem es weniger stört oder leichter auszufiltern ist.

8. Servoantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um einen reaktionsschnellen über den vollen Drehzahlbereich steuerbaren Vierquadranten-Antrieb größerer Leistung, insbesondere den Spindelantrieb einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine handelt.