CH665514A5 - Motorregelanordnung. - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf eine Motorregelanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Wenn bei Wechselstromantrieben die Maschinendrehzahl und das Maschinendrehmoment einstellbar sein sollen, werden stromrichtergespeiste Antriebe verwendet. Üblicherweise enthält ein stromrichtergespeister Antrieb einen Wechselrichter mit veränderbarer Frequenz, der aus einer Gleichstromquelle gespeist wird und Strom veränderbarer Frequenz an eine Wechselstrommaschine abgibt, bei der es sich entweder um eine Synchronoder um eine Induktionsmaschine handelt. Solche Wechselrichter werden gewöhnlich aus mehreren Paaren von Schaltvorrichtungen aufgebaut, wobei die Schaltvorrichtungen jedes Paares gleichsinnig in Reihe geschaltet und die Paare von in Reihe geschalteten Schaltvorrichtungen jeweils an eine Gleichstromquelle angeschlossen werden. Mit dem Verbindungspunkt jeweils zwischen den in Reihe geschalteten Schaltvorrichtungen ist eine Maschinenphase verbunden. Wenn die Schaltvorrichtungen jedes Paares der Reihe nach abwechselnd leitend gemacht werden, wird durch den Wechselrichter an die Maschine Wechselstromleistung abgegeben.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine vereinfachte Regelanordnung für einen solchen Antrieb zu schaffen, die in Fällen benutzt werden kann, in denen eine Drehzahlregelung erforderlich ist und in denen eine genaue Drehmomenteinstellung nicht benötigt wird.

Weiter soll die Regelanordnung bei zyklisch wechselnder Belastung einen stabileren Betrieb des Motors ergeben als er für den rückführungslosen Steuerbetrieb mit einem spannungsgesteuerten Wechselrichter typisch ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäss durch die Merkmale im Kennzeichnungsteil des ersten Patentanspruches gelöst.

Eine Ausführungsform ist im Anspruch 2 umschrieben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein Schaltbild der Regelanordnung nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Zeigerdiagramm, das die Beziehung zwischen den Sternspannungen und dem Luftspaltfluss in dem Motor zeigt, und

Fig. 3 Kurvendiagramme der Eingangs- und Ausgangssignale eines Synchrongleichrichters in Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine Wechselstrommotorregelanordnung. Ein pulsbreitenmodulierter, stromgesteuerter Wechselrichter 8 enthält einen Wellengenerator 10, der drei Stromregler 12, 14 und 16 jeweils mit einem von drei sinusförmigen Bezugssignalen versorgt, die jeweils in einer Dreiphasenbeziehung zueinander stehen. Die Amplitude und die Frequenz von jedem der drei Sinussignale, die durch den Wellengenerator 10 erzeugt werden, verändern sich gemäss einem Frequenz- und einem Amplitudenbefehlssignal (Führungsgrössen), die an den Wellengenerator angelegt werden. Die Stromregler 12, 14 und 16 empfangen ausser den Eingangssignalen aus dem Wellengenerator 10 jeweils ein Eingangssignal aus Stromfühlern 18, 20 und 22, die mit dem Ausgang des Wechselrichters 24 verbunden sind. Die Stromregler geben pulsbreitenmodulierte Signale an den Wechselrichter 24 ab. Strom wird dem Wechselrichter durch eine Gleichstromquelle 26 geliefert. Der Ausgang des Wechselrichters, der aus drei Leitungen A, B und C besteht, ist mit den Ständerwicklungen des Motors 28 verbunden.

Ein erster Regelkreis 30 enthält einen Differenzverstärker 32, der einen mit der negativen Eingangsklemme eines Verstärkers 36 verbundenen Widerstand 34 und einen mit der positiven Eingangsklemme des Verstärkers 36 verbundenen Widerstand 38 aufweist. An dem Widerstand 34 liegt die Leitung-A-Span-nung und an dem Widerstand 38 die Leitung-B-Spannung an. Ein Widerstand 40 ist zwischen die positive Klemme des Verstärkers 36 und Masse geschaltet. Ein Rückkopplungswiderstand 41 ist zwischen den Ausgang des Verstärkers 36 und den negativen Eingang des Verstärkers 36 geschaltet.

Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers, das die Differenz zwischen den Leitungsspannungen A und B darstellt, wird an einen Integrator 42 angelegt. Der Integrator 42 enthält einen Widerstand 44, an den das Eingangssignal angelegt wird. Die andere Seite des Widerstands 44 ist mit einem Verstärker 46 verbunden. Ein Rückkopplungswiderstand 48 und ein Rückkopplungskondensator 50 liegen jeweils zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Verstärkers 46. Das Ausgangssignal des Integrators wird über einen Gleichrichter und Filter 52 an eine negative Eingangsklemme eines Summierpunktes 54 abgegeben. An der positiven Eingangsklemme des Summierpunktes 54 liegt ein Flussbefehlssignal (Flussführungsgrösse) \|/* an. Die Ausgangsklemme des Summierpunktes 54 ist mit einem Flussregler 56 verbunden. Der Ausgang des Flussreglers ist mit dem Ampli-tudensteuereingang des Wellengenerators 10 verbunden.

Ein zweiter Regelkreis 58 empfängt den Leitungsstrom C an einem Eingang eines einpoligen Umschalters 62. An dem anderen Eingang des Umschalters liegt der invertierte Leitungsstrom

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C aus einem Signalinverter 64 an. Das Ausgangssignal des Integrators 42 liegt an dem positiven Eingang eines Vergleichers 66 an, dessen negative Eingangsklemme an Masse liegt. Das Ausgangssignal des Vergleichers 66 steuert die Stellung des Schalters 62. Das synchron gleichgerichtete Ausgangssignal des Schalters 62 wird über ein Tiefpassglättungsfilter 68 geleitet, das seinerseits mit einer Schaltung 70 verbunden ist, die eine Übergangsfunktion von cos/(s -l- co) hat und bewirkt, dass der~ stationäre Wert des Glättungsfilterausgangssignals entfernt wird und nur die transienten Änderungen durchgelassen werden. Ein Verstärker 70 mit der Verstärkung 1 hat einen Widerstand 72, der einen Widerstandswert R aufweist und mit dem Eingang eines Verstärkers 73 verbunden ist. Zwischen den Eingang und den Ausgang des Verstärkers 73 ist ein Widerstand 74 geschaltet, der ebenfalls einen Widerstandswert R hat. In Reihe mit dem Eingang des Verstärkers 70 ist ein Kondensator 71 geschaltet. Das Ausgangssignal des Verstärkers 70 wird an den negativen Eingang eines Summierpunktes 76 angelegt. Eine weitere Implementierung der Übergangsfunktion könnte ein Reihenkondensator sein, der mit einem Widerstand verbunden ist, welcher zur Masse führt. Das Ausgangssignal wurde zwischen dem Widerstand und dem Kondensator abgenommen. Der positive Eingang des Summierpunktes 76 empfängt eine durch eine Bedienungsperson eingestellte Frequenz (Führungsgrösse) F*. Das Fehlersignal wird an den Frequenzbefehlseingang des Wellengenerators 10 angelegt.

Es wird nun die Arbeitsweise der Regelanordnung von Fig. 1 beschrieben. Der Wellengenerator 10 gibt ein Sinusbezugssignal an jeden Stromregler 12, 14, 16 ab. Die Sinussignale stehen miteinander in einer Dreiphasenbeziehung. Das Bezugssignal, das an jeden Stromregler angelegt wird, wird mit einem entsprechenden Motorleitungsstromsignal verglichen, um ein Fehlersignal zu erzeugen. Das Fehlersignal wird dann an einen Vergleicher (nicht dargestellt) angelegt, der in dem Stromregler vorgesehen ist, und, wenn das Fehlersignal in einer Richtung ausserhalb eines vorbestimmten Hysteresebereiches liegt, wird ein Impuls mit dem Signalwert «1» erzeugt, und, wenn das Fehlersignal den Hysteresebereich in der anderen Richtung überschreitet, wird ein Impuls mit dem Signalwert «-1» erzeugt. Die Reihe von «-1»- und «1 »-Impulsen aus jedem Stromregler bildet das pulsbreitenmodulierte Schaltsignal für eine Phase des Wechselrichters. Die Wechselrichterschaltsignale werden an eine Steuerschaltung angelegt, die die Schalterpaare in dem Wechselrichter, von denen jedes einer Phase des Motors zugeordnet ist, steuert. Beispielsweise bewirkt ein Signal mit dem Signalwert «1», das einem Schalterpaar in dem Wechselrichter zugeordnet ist, dass der obere Schalter einschaltet und der untere Schalter ausschaltet, und verbindet die Gleichstromquelle 26 mit einer entsprechenden Phase des Motors. Ein Signal mit dem Signalwert «-1» aus demselben Stromregler bewirkt, dass der untere Schalter des Paares einschaltet und der obere Schalter ausschaltet, wodurch die Gleichstromquelle mit entgegengesetzter Polarität an die Motorphase angeschlossen wird. Das wiederholte Schalten der drei Paare von Wechselrichterschaltern bewirkt, dass dem Motor Dreiphasenleistung zugeführt wird, wobei der in jeder Phase gelieferte Strom innerhalb des entsprechenden vorbestimmten Hysteresebereiches bleibt. Eine ausführlichere Erläuterung des Wechselrichterbetriebes findet sich in der US-PS Nr. 4 320 331 der Anmelderin.

Der erste Regelkreis 30 überwacht die Motorspannung der Leitungen A und B. Der Differenzverstärker 32 bildet die Differenz aus B und A, und der Integrator 42 integriert die Differenz, um den Fluss von A-B zu bilden. Darüber hinaus beseitigt der Integrator 42 die Zerhackungswelligkeit und den grössten Teil des in der Schaltung vorhandenen Rauschens. Das veränderliche Flusssignal A-B wird gleichgerichtet und gefiltert und dann mit einem Flussbefehlssignal \|/* verglichen. Das sich ergebende Fehlersignal wird an einen Flussregler angelegt, der einen

Minimal- und einen Maximalausgangsamplitudenwert mit Verstärkung zwischen den beiden Grenzwerten liefert. Der Minimalwert verhindert den Betrieb, wenn der Fluss null ist (falls ein Induktionsmotor benutzt wird), und der maximale Grenzwert ist erforderlich, um einen Überstrom in dem Wechselrichterausgangssignal zu vermeiden. Das Ausgangssignal des Flussreglers wird benutzt, um das Amplitudeneingangssignal des Wellengenerators zu steuern, das seinerseits den Wechselrichterstrom steuert. Wenn das Flussbefehlssignal V|/* konstant ist, dann kann ein Betrieb stattfinden, bei dem das Verhältnis von Spannung zu Frequenz eine Konstanz erster Ordnung hat.

Wenn die Last an dem Motor steigt und dem Motor ein konstanter Strom zugeführt wird, wird die Motorspannung sinken. Die gesunkene Motorspannung wird durch den ersten Regelkreis erkannt, der die Motorstromamplitude vergrössern wird, um die Spannungsabsenkung zu kompensieren und die Spannung wieder auf ihren vorherigen Wert zu bringen. Ausserdem, wenn sich die Frequenz ändert, kompensiert der Integrator in dem Regelkreis selbsttätig Frequenzänderungen, da die Spannung linear mit der Drehzahl ansteigen sollte. Der Betrieb des Wechselrichters mit dem ersten Regelkreis ergibt Kennlinien, die denen eines rückführungslosen Spannungswandlersystems gleichen, während trotzdem die besonderen Merkmale eines stromgesteuerten, pulsbreitenmodulierten Systems erhalten bleiben, nämlich das Verändern der Impulsbreite mit den Wechselrichterschaltimpulsen, um denWelligkeitsstrom niedrig und dadurch die Motorverluste gering zu halten. Mit der Regelanordnung kann jeder Dreiphasenmotor betrieben werden, indem einfach der Ausgang des Wechselrichters mit den Motorständerklemmen verbunden wird. Der pulsbreitenmodulierte Wechselrichter mit dem ersten Regelkreis kann ausserdem als eine dreiphasige Konstantspannungsquelle benutzt werden. Wenn er als Stromquelle benutzt wird, würde der Flussregler die Verstärkung 1 haben, und die Integratorzeitkonstante des Integrators 42 würde relativ grösser sein als die Zeitkonstante, die bei der Verwendung als Regelanordnung benutzt wird.

Der zweite Regelkreis 58 sorgt für eine Stabilität gegen Läuferschwingungen oder -pendelung. Läuferschwingungen ergeben sich aus Harmonischen, die in dem Wechselrichteraus-gangssignal vorhanden sind und ein schwingendes Drehmoment erzeugen, was insbesondere bei niedrigen Drehzahlen ein Problem darstellt. Beispielsweise bei einem 60-Hz-Motor sind die Läuferdrehzahlpulsationen bei 10-20 Hz der Eingangsfrequenz am vorherrschendsten. Der zweite Regelkreis 58 bestimmt die Wirkkomponente des Motorständerstroms durch Zufuhr des Gesamtständerstroms der Leitung C zu einer der beiden Klemmen eines einpoligen Umschalters 62 und durch Zufuhr des invertierten Stroms von der Leitung C zu der anderen Eingangsklemme. Die Stellung des Schalters 62 wird durch den Vergleicher 66 festgelegt, der die Nulldurchgänge des Flusses von B-A überwacht, welcher mit dem Leitungsstrom in Phase ist.

Für das richtige Arbeiten des Synchroninverters 62 ist es notwendig, ein Signal zu haben, das mit der Leitungsspannung C des Motors in Phase ist. Gemäss Fig. 2, die die Phasenbeziehung zwischen den Spannungen und den Luftspaltflüssen in dem Motor zeigt, ergibt die Differenz zwischen der Sternspannung (Leiter- Sternpunktspannung) A und der Sternspannung B eine Leitungsspannung von A-B. Die Spannung von B-A eilt der Spannung C um 90° nach. Der Fluss aufgrund der Spannung von A-B ist in Phase mit der Spannung der Phase C und in Phase mit der Wirk- oder Leistungserzeugungskomponente des Leitungsstroms in der Phase C.

Der Fluss von A-B wird durch das Ausgangssignal des Integrators 42 in dem ersten Regelkreis bestimmt. Wenn der Fluss von A-B positiv ist, lässt der Schalter 62 den Leitungsstrom durch, wenn der Fluss negativ ist, lässt der Schalter 62 den negativen Leitungsstrom aus dem Signalinverter 64 durch. Fig. 3

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zeigt die Schwingungen, die an der Synchrongleichrichtung beteiligt sind. Fig. 3A zeigt das Flussdiagramm aus dem Vergleicher. Fig. 3B zeigt einen Strom, der mit der Spannung in Phase ist. (Bei einem Induktionsmotor würde der Strom gegenüber der Spannung bei voller Last um 30° phasenverschoben sein.) Ein Strom, der mit der Spannung in Phase ist, bedeutet, dass der gesamte Strom ein Wirkstrom ist und Leistung erzeugt. Fig. 3C zeigt das Ausgangssignal des Schalters, der als Synchrongleichrichter wirkt, wenn die Bedingungen von Fig. 3B vorherrschen. Fig. 3D zeigt die Stromkurve für einen Zustand mit der Belastung null, bei dem der Strom gegenüber der Spannung um 90° phasenverschoben ist. Der Strom in Fig. 3D hat keine Wirkkomponente. Fig. 3E zeigt das Ausgangssignal des Schalters, der als Synchrongleichrichter wirkt, wenn die Bedingungen von Fig. 3D vorherrschen.

Im tatsächlichen Betrieb ist der Strom keine reine Sinusschwingung, sondern enthält Harmonische, die die Genauigkeit der Wirkstrombestimmungen reduzieren. Die Wirkstromkomponente, die auf diese Weise gemessen wird, ist jedoch für Stabilisierungszwecke ausreichend genau. Das Ausgangssignal des Schalters 62 wird über das Glättungsfilter 68 geschickt. Die Schwingung in Fig. 3B ergibt ein viel grösseres Signal an dem Ausgang des Glättungsfilters als die Schwingung von Fig. 3E.

Der Wirkstrom wird dann über den Verstärker 70 geschickt, der die Verstärkung 1 und eine Übergangsfunktion von cos/(s + co) hat, worin s eine komplexe Variable der Laplace-Transformation und a eine Funktion der Frequenz der an den 5 Verstärker angelegten Schwingung ist. Die Kennlinien der Übergangsfunktion sind so, dass die Gleichstromkomponente beseitigt wird und dass Zunahmen in der Wirkstromkomponente, die in die Übergangsfunktion eingehen, zu vorübergehenden abrupten Änderungen in dem Ausgangssignal der Schaltung 70 io führen. Das Ausgangssignal der Schaltung 70 wird so angelegt, dass es als eine Gegenkopplung für das Frequenzbefehlssignal wirkt. Wenn aufgrund der Wirkung des ersten Regelkreises der Strom zunimmt, weil die Last zunimmt, wird der zweite Regelkreis den Anstieg der Wirkkomponente des Stroms erkennen 15 und einen kurzen Impuls abgeben, der vorübergehend das Frequenzbefehlssignal an dem Wellengenerator unterdrückt. Das Unterdrücken des Frequenzeingangssignals an dem Funktionsgenerator bewirkt, dass der Läufer kurz ein wenig langsamer wird, wenn die Last zunimmt, was den Motor daran hindert, 20 das Drehmoment sofort aufzunehmen. Kurzes Unterdrücken der Frequenz während Zuständen zunehmender Last bewirkt eine Gegenkopplung und stabilisiert den Läufer gegen Pendelschwingungen.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

665 514 2 PATENTANSPRÜCHE

1. Motorregelanordnung zwischen einer elektrischen Energiequelle (26) und dem Ständer eines mehrphasigen Wechselstrommotors (28) zur Abgabe einer variablen Frequenz sowie Ströme und Spannungen an den Motor zur Steuerung der Drehzahl, dadurch gekennzeichnet, dass sie aufweist:

a) einen stromgesteuerten Wechselrichter (24) mit einem Wellengenerator (10) zur Abgabe von mehrphasigen Strombezugssignalen, deren Frequenz und Amplitude in Abhängigkeit von einem dem Wellengenerator (10) zugeführten Frequenzoder Amplitudenbefehlssignal änderbar sind,

b) einen ersten Regelkreis (30), einschliesslich eines Integrators (42) der auf die Motorleitungsspannung anspricht und ein Signal abgibt, das zum Motorfluss proportional ist, wobei eine Vorrichtung (52) mit dem Integrator (42) zur Gleichrichtung des Signals proportional zum Motorfluss verbunden ist,

c) eine erste Summiervorrichtung, die auf ein vorbestimmtes Flussbefehlssignal anspricht und mit dem Ausgang des Gleichrichters (52) zur Herstellung des Wertes des vorbestimmten Flussbefehlssignals um den Ausgangswert des Gleichrichters (52) verbunden ist, und der Ausgang der Summiervorrichtung mit dem Wellengenerator (10) zur Abgabe des Wellengenerator-Amplitudenbefehlssignals verbunden ist,

d) einen zweiten Regelkreis (58) zur Stabilisierung der Motordrehzahl, einschliesslich eines Steuerkreises (62, 66), der auf den Motorleitungsstrom anspricht und mit dem Ausgang des Integrators (42) zur Bestimmung der Wirkkomponente des Motorstromes gekoppelt ist, wobei ein Pulserzeuger (70) mit dem Steuerkreis (62, 66) zur Abgabe eines kurzen Pulsausgangssignals in Abhängigkeit von einer Zunahme der Wirkkomponente des Motorstromes gekoppelt ist, und e) eine zweite Summiervorrichtung (76), die auf eine Betriebsbefehlfrequenz (F*) anspricht und mit dem Pulserzeuger (62) zur Herabsetzung des Wertes des Betriebsbefehlfrequenz-signals um den Wert des kurzen Pulsausgangssignals in Abhängigkeit von einer Zunahme der dem Motor zugeführten Last gekoppelt ist, wobei der zweite Summiervorrichtungsausgang mit dem Wellengenerator (10) zur Abgabe des Frequenzbefehlssignals an diesen Generator (10) gekoppelt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulserzeuger (62) einen Einheits-Operationsverstärker (73) mit einem Kondensator (71) in Serie mit einer Eingangsklemme des Verstärkers einschliesst.