DE4316365C2 - Steuerverfahren für einen Frequenzumrichter für den Anlauf, die Drehzahlverstellung, das Bremsen und Positionieren von Drehstrom-Asynchronmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuerverfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Frequenzumrichter können mit zwei einstellbaren Drehzahlen ausgestattet sein, wobei die untere Drehzahl für den Einricht- oder Positionierbetrieb vorgesehen ist und die obere Drehzahl für den normalen Betrieb dient. Die Drehzahl des Motors kann zwischen diesen beiden Dreh­ zahlwerten mit Hilfe eines externen Potentiometers oder mit einer externen Spannungs- bzw. Stromquelle vorgegeben werden.

Bei derartigen Schaltungsanordnungen zum Betrieb von Drehstrom-Asyn­ chronmotoren wird beim Bremsen die Ausgangsfrequenz abgesenkt. Der Mo­ tor fährt mit dynamischem Bremsen und speist Energie durch den Wechsel­ richter in den Zwischenkreis. Üblicherweise ist der dortige Gleichrichter nur für Energiefluß aus der Einspeisung konzipiert und dementsprechend nicht in der Lage, die Bremsenergie an die Einspeisung weiterzuleiten. Dies führt dazu, daß die Spannung im Zwischenkreis steigt und Werte er­ reichen kann, durch die die Grenzbelastbarkeit der Bauelemente über­ schritten werden.

Um solche Überspannungen im Zwischenkreis zu vermeiden, ist es zum einen bekannt, im Zwischenkreis einen sogenannten Bremschopper zu ver­ wenden, der so arbeitet, daß nach Überschreiten einer Grenzspannung ein getakteter Widerstand parallel zum Zwischenkreis geschaltet wird. Dadurch wird die beim Bremsen freigesetzte Energie in diesem Widerstand vernich­ tet und die Zwischenkreisspannung gleichzeitig begrenzt. Hierdurch kann der Motor ohne Betriebsunterbrechung bis zum Stillstand abgebremst wer­ den.

Eine andere Technologie zur Vermeidung von Überspannungen im Zwischen­ kreis besteht darin, daß der Wechselrichter nach Überschreiten der Grenz­ spannung durch eine Zündsperre abgeschaltet wird. Der Frequenzumrichter speichert diesen Zustand als Störung. Hieraus resultiert eine Betriebsun­ terbrechung und der Frequenzumrichter kann erst beim Stillstand des Mo­ tors wieder eingeschaltet werden. Dementsprechend hat dieses Verfahren den Nachteil, daß es nur zum Stillsetzen des Motors und nicht zu einer schnellen Drehzahlreduzierung unter Fortsetzung des Betriebs verwendet werden kann.

Eine weitere Problematik bei derartigen Frequenzumrichtern besteht in der Ansteuerung der Leistungstransistoren, wofür Optokoppler bzw. Übertrager eingesetzt werden. Bekannte Ansteuerschaltungen hierfür sind so ausge­ legt, daß für jeden Leistungstransistor eines Zweiges ein Übertrager und für jeden Transistor eine Hilfsversorgung vorgesehen ist. Die Schaltungen sind dabei so ausgelegt, daß zur Minimierung von Schaltverlusten steile Schaltflanken vorgesehen sind.

Aus der gattungsbildenden DE 31 50 396 A1, aus der DE 30 21 119 A1 und aus Lutgens: "Frequenzumrichter mit sinusbewerteter Pulsdauermodulation . . ." in: "Feinwerktechnik + Meßtechnik", 1980, H. 4, S. 183 bis 188 ist die Abbremsung von Umrichtermotoren mit nicht rückspeisefähigem Gleichrichter auch ohne Bremswiderstand im Zwischenkreis und ohne die vorstehend beschriebenen schädlichen Nebenwirkungen durch Abschalten bekannt. Dort wird durch geeignete Ansteuerung des Wechselrichters dafür gesorgt, daß die Verluste im Motor selbst entstehen. Bei der DE 31 50 396 A1 wird der Umstand ausgenutzt, daß bei großem Schlupf ein kleiner Wirkungsgrad gegeben ist. Zur Begrenzung der Zwischenkreisspannung erfolgt bei dem bekannten Verfahren eine starke Frequenzerhöhung. Bei letzterer ist ein Umsteuern zwischen motorischen und generatorischem Betrieb nötig, erstere haben eine relativ geringe Bremswirkung.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein zügiges Bremsen mit einer vergleichsweise einfachen Schaltungsanordnung zu erreichen.

Diese Aufgabe wird gelöst gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs.

Beim Zuschalten der niedrigeren Frequenz geht die Zwischenkreisspannung nicht mehr hoch, so daß die Abschalt-Grenzspannung nicht mehr erreicht wird und im Ergebnis die Motordrehzahl kontinuierlich gesenkt werden kann, ohne daß es zu einer Betriebsunterbrechung des Frequenzumrich­ ters aufgrund einer vermeintlichen Betriebsstörung kommt, d. h. der Wech­ selrichter kann weiter arbeiten, ohne daß erst der Stillstand des Motors abgewartet werden müßte. Dementsprechend kann das erfindungsgemäße Verfahren also nicht nur zum Stillsetzen, sondern auch zur Drehzahlre­ duzierung erfolgreich eingesetzt werden. Die überraschende Funktionsfä­ higkeit dieses Verfahrens resultiert also daraus, daß die Ausgangsfre­ quenz nach dem Wiedereinschalten der Ausgangstransistoren des Wechsel­ richters einen einstellbaren, niedrigen Wert besitzt, wobei bei derartigen Frequenzen der Motor einen geringeren Wirkungsgrad hat und dementspre­ chend die Bremsenergie alleine im Motor vernichtet werden kann, ohne daß es zu einem Anstieg der Zwischenkreisspannung kommen würde.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auch dann anwenden, wenn an sich ein Bremschopper vorgesehen ist und wird dann in solchen Fällen wirksam, wo die Funktion des Bremschoppers nicht ausreicht und es trotz des Bremschoppers zu einem Anstieg der Zwischenkreisspannung kommt. Auch in diesem Fall wird ein sicheres Abbremsen ohne Betriebsunterbrechung realisierbar.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbei­ spieles in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Dabei zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Frequenzumrichters zur Reali­ sierung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Steuerschaltung und

Fig. 2a bis f Diagramme zur Veranschaulichung des zeitabhängigen Ver­ haltens der relevanten Größen bei der Drehzahlverminderung.

In Fig. 1 ist eine Grundkonfiguration eines Frequenzumrichters für die Drehzahlverstellung von Drehstrom-Asynchronmotoren dargestellt. Diese Schaltungsanordnung umfaßt Drehstrom-Klemmen L1, L2, L3. Diesen nach­ geordnet ist eine Gleichrichterschaltung GL, die die Wechsel- bzw. Dreh­ spannung in eine Gleichspannung umwandelt. Die so erzeugte Gleichspan­ nung wird durch den Kondensator C geglättet. Die Gesamtheit von Gleich­ richterschaltung GL und Kondensator C bildet den sogenannten Zwischen­ kreis ZK.

Eine Anordnung von sechs Leistungshalbleitern T1 bis T6 wandelt die Gleichspannung des Zwischenkreises ZK in eine Ausgangsspannung mit verändererbarer Amplitude und Frequenz um. Der Betrag und die Frequenz der Ausgangsspannung kann durch Pulsbreitenmodulation mit Hilfe der Pulsweitenmodulations-Schaltungsanordnung PW beliebig verstellt werden. Der Pulsweitensteuerungs-Schaltungsanordnung PW ist eine Steuerschal­ tungs-Anordnung SA nachgeordnet, die zum Ansteuern der Leistungstran­ sistoren T1 bis T6 dient.

Die Ausgänge der Leistungs-Transistoren L1 bis L6 sind mit den Motorwin­ dungen W1, W2, W3 des Drehstrom-Asynchronmotors M verbunden.

Darüber hinaus ist in Fig. 1 eine Ablaufsteuerung AS und eine Schlupf­ kompensations-Schaltungsanordnung SC dargestellt, die im Zusammenhang mit der vorliegenden Entwicklung aber in ihren Einzelheiten nicht von Bedeutung sind.

Bezugnehmend auf Fig. 2 wird nachfolgend das erfindungsgemäße Verfah­ ren beschrieben, wonach man in Verbindung mit der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 einen Drehstrom-Asynchronmotor nicht nur stillsetzen, sondern auch abbremsen kann, ohne daß es zu Betriebsunterbrechungen kommt und ohne daß notwendigerweise ein Bremschopper verwendet werden muß, wobei allerdings für anspruchsvolle Regelanforderungen ein Bremschopper gleichwohl vorgesehen sein kann.

In Fig. 2a ist die Solldrehzahl n in Abhängigkeit von der Zeit aufgetra­ gen, wobei ein Abbremsen aus einer höheren Solldrehzahl n₁ in eine nie­ drigere Solldrehzahl n₂ vorgenommen werden soll. Die für diesen Abbrems­ vorgang relevanten Zeitintervalle I bis IV sind ganz unten aufgetragen.

In Fig. 2b ist die Energie im Zwischenkreis in Abhängigkeit vom Zeitver­ lauf des Abbremsvorganges aufgetragen, wobei deutlich wird, daß nach Be­ ginn des Abbremsvorganges Bremsenergie in den Zwischenkreis zurückge­ speist wird, welche dementsprechend als negative Energie in Fig. 2b in Erscheinung tritt.

Das Zurückspeisen dieser Bremsenergie führt zu einer Erhöhung der Span­ nung im Zwischenkreis, die in Fig. 2c aufgezeichnet ist, und zwar nach Einleitung des Bremsvorganges nach Ende des Zeitintervalls I während des Zeitintervalls II.

Erfindungsgemäß wird in dieser Phase nach Erreichen einer Grenzspan­ nung U_g im Zwischenkreis ZK durch eine Schützschaltung (die als Teil der Steuerschaltungsanordnung SA ausgebildet werden kann) eine Sperrung der Transistoren T1 bis T6 bewerkstelligt. Durch diese Sperrung wird verhindert, daß weiter Energie von dem abbremsenden Motor in den Zwi­ schenkreis ZK eingespeist werden kann. Es wird also verhindert, daß durch eine Spannungserhöhung dort Bauelemente beschädigt werden (vgl. Fig. 2d).

In der Phase II wird durch die Steuerung die Ansteuer-Frequenz über die Pulsweitenmodulations-Schaltungsanordnung PW reduziert.

Das Zeitintervall zwischen Erreichen der Grenzspannung U_g und dem damit einhergehenden Ausschalten der Leistungstransistoren T1 bis T6 bis zum Abfallen der Zwischenkreisspannung unterhalb eine Abfallspannung ist in Fig. 2 mit III bezeichnet.

Mit Beginn des anschließenden Zeitintervalls IV werden die Leistungstran­ sistoren wieder freigegeben (vgl. Fig. 2d). Bei der nun verminderten Ausgangsfrequenz, (Fig. 2e) hat der Motor einen geringen Wirkungsgrad, so daß die Bremsenergie allein im Motor M vernichtet wird. Die Zwischen­ kreisspannung steigt nicht weiter an.

Im anschließenden Zeitintervall V läuft der Motor M weiter mit der neuen, nun reduzierten Solldrehzahl n₂.

Claims (1)

1. Steuerverfahren für einen Frequenzumrichter für das Bremsen von Drehstrom-Asynchron­ motoren, wobei der Frequenzumrichter einen nicht rückspeisefähigen Dreh- oder Wechselstrom­ gleichrichter und wenigstens einen Glättungskondensator als Zwischen­ stromkreis und eine nachgeschaltete Drehstrom-Brückenschaltung mit einer zugeordneten Pulsbreitenmodulations-Schal­ tungsanordnung zur Umwandlung in Wechselspannungen mit einstellbarer Frequenz und Amplitude umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß nach Über­ schreiten einer Grenzspannung im Zwischenkreis der Wech­ selrichter durch eine Schützschaltung gesperrt wird und nach dem Abfall der Zwischenkreisspan­ nung unter eine Abschalt-Grenzspannung der Wechselrichter mit niedriger Ansteuerfrequenz wieder freigegeben wird.