DE1538455A1

DE1538455A1 - Wechselrichter-Steuerschaltung

Info

Publication number: DE1538455A1
Application number: DE19661538455
Authority: DE
Inventors: Moscardi Michael Henry
Original assignee: English Electric Co Ltd
Current assignee: English Electric Co Ltd
Priority date: 1965-07-09
Filing date: 1966-07-05
Publication date: 1970-01-22
Also published as: CH470818A; SE335882B; US3445742A; GB1120843A

Description

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DIPL-ING. CURTWALLACH __q ,rr

DIPL.-ING. GÜNTHER KOCH 15-OöHÖO

DR. TINO HAIBACH

8 MÜNCHEN 2, 5.JuIi 1966

10394 - K/vM

The English Electric Company Limited, London, England. Wechselrichter-Steuerschaltung

Die Erfindung bezieht sich auf Wechselrichter-Steuerschaltungen und insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf Steuerschaltungen für Thyristor-Wechselrichter, die z.B. zum Antrieb von mit variabler Frequenz gespeisten Induktionsmotoren benutzt werden, wobei es erforderlich ist, die Spannung gemäß entsprechenden Änderungen in der Frequenz ansteigen und abfallen zu lassen, damit die erforderliche Flußdichte im Motor aufrechterhalten wird.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung, ist eine Steuerschaltung für einen Wechselrichter vorgesehen, wobei ein Wechselausgang erzeugt wird, der durch eine Impulsfolge gebildet wird,, wdaei eine Einrichtung an den Ausgang des Wechselrichters geschaltet ist, um aus diesen Impulsen ein Ausgangssignal zu erzeugen, das hierzu eine vorbestimmte Beziehung hat. Vielter ist eine Vergleichsstufe vorgesehen, die dieses Signal mit einem Bezugssignal vergleicht, das dem gewünschten Ausgang des Wechselrichters entspricht und es ist ferner eine Steuereinrichtung vorgesehen, die auf die Größe der Differenz zwischen dem Ausgangssignal und dem Bezugssignal anspricht, um die Impulsfrequenz und/oder die Breite der Im-

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pulse,· die durch den Wechselrichter erzeugt werden, in der Weise zu beeinflussen, daß die Größe der Differenz vermindert wird, so daß die Impulse den erwünschten Ausgang bilden.

Vorzugsweise besitzt die Steuereinrichtung eine Triggerstufe mit unterem und oberem Triggerpegel, wodurch die Grenzen bestimmt werden, innerhalb derer die Größe der Differenz zwischen dem Ausgangssignal und dem Bezugssignal von einem vorbestimmten Mittelwert abweichen kann.

Die Einrichtung zur Erzeugung des Ausgangssignals kann zweckmäßigerweise aus einem Integrator bestehen oder die Integration kann durch einen von dem Wechselrichter angetriebenen Motor durchgeführt werden. Der Wechselrichter selbst kann eine Vielzahl von Thyristoren aufweisen, die durch die Steuereinrichtung gezündet werden und mit einer konstanten Gleichspannungsquelle verbunden sind. Wenn der Wechselrichter von einer konstanten Gleichspannungsquelle gespeist wird, hat die Impulsfolge eine feste Größe, aber die resultierende Wechselspannung, die hierdurch erzeugt wird, hat eine Mittelgröße, die mit Verminderung der Frequenz abnimmt und die Impulse in der Folge werden in der Breite bei niedrigen Frequenzen moduliert und haben eine konstante Breite, z.B. eine Rechteckwellenform bei den höchsten Frequenzen.

Eine Schaltung gemäß der Erfindung erfordert demgemäß die Erzeugung einer Wechselspannung auf üblichem Wege von einer festen Gleichspannungsquelle, wobei die erzeugte Wechselspannung über einen weiten Frequenzbereich eine gute Stromwellenform und eine Amplitude

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haben muß, die sich mit ansteigender Frequenz vergrößert.

Diese Charakteristiken werden ohne übermäßige Schaltgeschwindigkeiten erreicht, da die Schaltung nur dann bewerkstelligt wird, wenn die Differenz oder das "Fehler"-Signal bestimmte Werte erreicht, die durch die Triggersehaltung bestimmt sind.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungfceisplelen beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Schaltung einer ersten Ausführungsform eines Steuerkreises nach der Erfindung, . Fig. 2A bis 2E Wellenformen, die an verschiedenen Stellen der Schaltung nach Fig.l auftreten,

Fig. JA bis 30 Ausgangswellenformen, die bei der Schaltung nach Fig.l unter verschiedenen Betriebsbedingungen erhalten werden,

Fig. 4 und 5 Schaltungen abgewandelter Steuerkreise nach der Erfindung.

In Fig«1 ist ein Einphasenwechselrichter 4 dargestellt, der an die Klemmen 5 und 6 einer Gleichspannungsquelle angeschlossen ist und dessen Wechselausgang an der Klemme 7 abgenommen wird.

Dieser Wechselrichter ist von der gleichen Bauart wie jener, der in der älteren Patentanmeldung E 25 064 VIIIb/21dl der Annelderin beschrieben ist. Er besteht aua einer symmetrischen Schaltungs-

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anordnung zweier Thyristoren, zweier Dioden und eines Kondensator-Drosselkreises, der die Energie zur Abschaltung des jeweiligen . Thyristors liefert. Insbesondere sind bei einem Auiührungsbeispiel die beiden Thyristoren an die positive und negative Klemme der Gleichspannungsquelle in Reihe mit einer mit Mittelanzapfung versehenen Drossel zwischen die Anode und die Kathode zweier Thyristoren geschaltet. Die Ausgangsklemme 7 ist mit der Mittelanzapfung verbunden und eine Diode und ein Kondensator sind jeweils zwischen die Mittelanzapfung und die positive bzw. negative Klemme der Gleichspannungsquelle geschaltet. Diese Einrichtung kann als einpoliger Zweiwegeschalter betrachtet werden, der die Ausgangsklemme 7 entweder mit der positiven Klemme 5 oder der negativen Klemme 6 der Gleichsstromquelle verbindet.

Der Ausgang dieses Wechselrichters ist an einen in der Zeichnung nlcht-dargestellten Induktionsmotor angeschlossen und wirdaußerdem einem Integrator 8 zugeführt, der aus einem herkömmlichen Punktionsverstärker besteht, der durch einen: Kondensator Cl überbrückt ist und einen Eingangswiderstand Rl aufweist. Der integrierte Ausgang wird über einen Widerstand R2 dem Eingang einer Triggerstufe 9 z.B. einem bistabilen Multivibrator zusammen mit einem Bezugssignal von der Klemme 10 zugeführt, die mit der Triggerschaltung über einen Widerstand RJ verbunden ist.

Das resultierende Eingangssignal der Triggerschaltung wird demgemäß von der Differenz zwischen dem integrierten Signal und dem Bezugssignal gebildet und diese Schaltung triggert von einem Zu-

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stand zu dem anderen, wenn dieses Differenzsignal eine vorbestimmte Größe überschreitet. Insbesondere ist die Triggerschaltung 9 so ausgebildet, daß sie einen vorbestimmten Betrag eines elektrischen "Totganges" hat, d.h. die Schaltung triggert von einem Zustand in den anderen, wenn ein Eingangssignal empfangen wird, das einen vorbestimmten.Wert in dem einen Sinne aufweist, z.B. in der positiven Richtung, wobei eine Umschaltung von dem anderen Zustand in den ersten Zustand bei Empfang eines Signales bewirkt wird, das einen vorbestimmten Wert im Gegensinne hat und z.B. negativ ist.

Der Ausgang der Triggerschaltung stellt demgemäß eine Reihe von Rechteckimpulsen dar, deren Breite durch die Perioden bestimmt wird, die zwischen dem Eingangs-(Differenz-)Signal vergehen, das sukzessive den oberen bzw. den unteren Auslösewert annimmt, bei welchem die Triggerschaltung eine Umschaltung bewirkt.

Diese Ausgangsimpulse werden einer Ausgangsstufe 11 zugeführt, die eine Differenzierungsstufe enthält und so geschaltet ist, daß positiv laufende Impulse auf einer Ausgangsleitung 12 erzeugt werden, die mit der Gatterelektrode eines der Thyristoren der Stufe 4 verbunden ist, wenn ein positiver Übergang der Ausgangsimpulse von der Triggerschaltung 9 erfolgt, wobei ein positiver Impuls auf einer Ausgangsleitung IJ entsteht, die mit der Gatterelektrode des anderen ThyristoB verbunden ist, wenn ein negativer Übergang dieser Ausgangsimpulse auftritt.

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Die Arbeitsweise der Schaltung wird nunmehr unter Bezugnahme auf die Wellenformen gemäß Fig.2A bis 2E beschrieben.

Es soll angenommen werden, daß der^n-der Klemme 7 erforderliche Wechselausgang sinusförmig sein soll und daß demgemäß das Bezugssignal (Fig.2A), das der Klemme 10 zugeführt wird, eine Sinuswelle mit einer Frequenz ist, die der Frequenz des gewünschten Wechselausgangssignales entspricht, wobei die Amplitude proportional zu der Amplitude des gewünschten Signales ist.

Es soll zunächst der Anstieg der Bezugsspannung von dem Nullwert (Zeitpunkt Tl) betrachtet werden. Die Stufe 4 liefert einen positiven Ausgang und der Integrator 8 erzeugt ein stetig ansteigendes positiv laufendes Ausgangssignal ( Fig.2B). Dieser Ausgang steigt schneller an als die Bezugsspannung und die Differena-(Fehler) Spannung (Fig.2C), die der Triggerstufe 9 zugeführt wird, steigt demgemäß an, bis sie den oberen Auslösepegel einsieht-, der im Punkt T2 liegt. Die Triggerstufe schaltet demgemäß und erzeugt eine ansteigende Spannungsfront (Fig.2D), die in der Ausgangsstufe 11 differenziert und als scharfer Zündimpuls (Fig.2E) der Gatterelektrode jenes Thyristor in der Stufe 4 zugeführt wird, der den negativen Ausgang liefert.

Der Ausgang des Integrators 8 fällt dann stetig ab und bewirkt, daß die Differenzspannung, die der Triggerstufe zugeführt wird, anfänglich auf Null absinkt und dann im Negativen ansteigt, bis der untere Auslösepegel der Triggerstufe im Zeitpunkt T3 erreicht ist.

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In diesem Augenblick schaltet wiederum die Triggerstufe und erzeugt eine abfallende Spannung, die differenziert und in der Ausgangsstufe 11 invertiert und als scharfer ZUndimpuls der GatteieLektrode jenes Thyristors in der Stufe 4 zugeführt wird, die einen positiven Ausgang liefert.

Der Ausgang des Integrators steigt dann wiederum stetig an und die Folge dieser Vorgänge setzt sich fort. Der Ausgang des Wechselrichters wird aufeinanderfolgend positiv und negativ, wenn die Differenz spannung, die der Triggerstufe zugeführt wird, aufeinanderfolgend den niedrigen bzw. hohen Auslösepegel annimmt. ■

Der an der Klemme 7 während dieser Arbeitsfolge auftretende Ausgang hat eine Wellenform, die invers zu dem Triggerausgang (Fig.2D) verläuft, wodurch ein Wechselsignal der gleichen Frequenz wie das Bezugssignal erzeugt wird.

Je höher die Frequenz ist, desto dichter nähert sich der Ausgang an der Klemme 7 der Rechteckwellenform an und desto geringer ist die Zahl von Schaltungen pro Periode. Dies geht aus den Fig.JA bis 5C hervor. Die Figur ^A zeigt den Ausgang,der mit der Schaltung erhalten wird, die in der Impulsbreitenmodulation arbeitet. Das niederfrequente Sinussignal wird-den. Impulsen überlagert und Fig.j5C zeigt den Ausgang, der mit der Schaltung erlangt wird, die im Rechteekwellenmoiadus arbeitet. Hierdurch wird ein sinusförmiges Signal mit höherer Frequenz erzeugt und Fig.JB zeigt den Ausgang, der mit der Schaltung erlangt wird, wenn diese in einem Übergangs-

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zustand zwischen Impulsbreitenmodulation und Rechteckwellenform wirksam ist.Bs ist leicht aus diesen Fig. 3A bis 3C erkennbar, daß,je höher die Frequenz ist, desto größer die erzeugte Wechsel-

spannung ist, wodurch die Erfordernisse zum Aufrechterhalten einer richtigen Flußdichte befriedigt werden, die in einem Induktionsmotor auftrügt, der durch diese Schaltung gespeist wird.

Vorstehend wurde das System unter Bezugnahme auf einphasigen Betrieb beschrieben. Es kann natürlich leicht für Mehrphasenbetrieb dadurch abgewandelt werden, daß mehrere Schaltungen der oben beschriebenen Art verwendet werden, wobei die Zahl der Schaltungen der Zahl der Phasen entspricht und wobei sämtliche Schaltungen an die Gleichspannungsquelle angeschaltet werden und die Bezugsspajinung um den entsprechenden Betrag phasenverschoben wird.

Eine alternative Schaltung für Mehrphasenbetrieb ist in Fig.4 dargestellt, in der die Integration nicht, wie bei dem vorerwähnten Beispiel, durch einen Integrator 8 durchgeführt wird, sondern durch die Induktivität des Dreiphasenmotors 14, der vom Ausgang der Klemme 7 gespeist wird. Der von diesem Motor aufgenommene Strom wird durch Nebenschlußwiderstände in eine Spannung umgeformt und in einem Verstärker 15 verstärkt, der einen Rückkopplungswiderstand R4 aufweist. Die übrige Steuerschaltung arbeitet in der gleichen Weise wie die unter Bezugnahme auf Fig.l beschriebene Anordnung, jedoch wird zur Kompensation von Laständerungen des Motors ein zusätzlicher Regelkreis benutzt, um die Amplitude des Bezugssignals zu ändern.

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■ — Q —

Die Klemmenspannung des Motors wird über eine aus einem Widerstand R5 und einem Kondensator C2 bestehende Schaltung geschickt, deren Spannungs-Frequenzcharakteristik invers zur Spannungs-Frequenzcharakteristik des Motors ist. D.h. wenn die Klemmenspannung des Motors im wesentlichen linear mit steigender Frequenz unter konstanten Lastbedingungen ansteigt, dann fällt die an dem Kondensator C2 auftretende Spannung in gleicher Weise mit diesem Ansteigen der Frequenz ab. Wenn die Klemmenspannung des Motors richtig ist, dann wird unabhängig von der Frequenz des Motors die Spannung am Kondensator C2 konstant sein.

Diese Spannung an dem Kondensator wird durch eine Dreiphasen-brückengleichrichterschaltung ΐβ gleichgerichtet und über einen Widerstand Ro dem Eingang eines Verstärkers 17 zugeführt. Eine negative Bezugsgleichspannung wird ebenfalls dem Verstärker über einen Widerstand R7 zugeführt, so daß die verstärkte Gesamtspannung die Differenzspannung, die am Eingang empfangen wird, ist und dieses "Fehler"-Signal wird benutzt, um die Amplitude des Bezugsfrequenzsignals zu steuern, die einem Bezugswellenformgenerator l8 in der Weise zugeführt wird, daß der richtige Spannungseingang der Triggerstufe 9 aufrechterhalten bleibt, unabhängig von Änderungen der Belastung des Motors 14.

Ein -Vorteil dieser Schaltung besteht darin, daß eine Begrenzung auf einen Augenblicksstromwert,der erlangt werden soll, leicht dadurch eingestellt werden kann, daß eine Begrenzung der Ampli-

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tude der Bezugswellenform durchgeführt wird, die an der Klemme 10 auftritt und demgemäß kann der Ausgangsstrom des Wechselrichters 4· daran gehindert werden, einen vorbestimmten Wert zu überschreiten. Dieses Merkmal ist praktisch insofern von Bedeutung, als jede Kommutierungsschaltung eine obere Stromgrenze für den Strom hat, d.h. eine Grenze, über welcher die Thyristoren nicht abgeschaltet werden können.

Ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel ist in Fig.5 dargestellt, wobei ein kleiner Induktionsmotor 19» der leicht läuft, eingefügt wurde, um die Integration an Stelle des Hauptmotors durchzuführen. Dieser kleine Motor hat die gleichen Charakteristiken wie der Antriebsmotor. Auch dieser Motor arbeitet in genau der gleichen Weise wie der Integrator 8 bei dem Ausführungsbeispiel nach Pig.l mit der Ausnahme, daß die Integration hierbei durch die geringe Motorinduktivität durchgeführt wird, wobei der von dem Motor aufgenommene Strom durch Nebenschlußwiderstände in eine Spannung umgeformt und in einem Verstärker 15 verstärkt wird, v/ie dies bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.4 der Fall war.

Stattdessen könnte der Motor 19 durch eine statische Schaltung ersetzt werden, die dem Motor äquivalent ist, d.h. eine Schaltung, die die gleiche wirksame Reaktanz und den gleichen ohmschen Widerstand wie der Motor aufweist.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche:

1.) Steuerschaltung für einen Wechselrichter, der zur Erzeugung eines Wechselausgangs dient, welcher durch eine Impulsfolge gebildet wird,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (8 oder 15) an den Ausgang des Wechselrichters angeschaltet ist, um aus.den Ausgangsimpulsen des Wechselrichters ein Ausgangssignal zu erzeugen, das eine vorbestimmte Beziehung zu diesem aufweist, daß eine Vergleichsstufe (R2,R3) dieses Signal mit einem Bezugssignal vergleicht, das dem gewünschten Ausgang des Wechselrichters entspricht,und daß eine Steuervorrichtung (9,11) auf die Größe der Differenz zwischen dem Ausgangssignal und dem Bezugssignai anspricht, um die Impulsfolgefrequenz und/oder die Impulsbreite zu bestimmen, die durch den Wechselrichter erzeugt wird, und zwar in der Weise, daß die Größe der Differenz vermindert wird und dadurch die Impulse den gewünschten Ausgangswert annehmen.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Steuerschaltung eine Triggerstufe (9) aufweist, die mit ihrem oberen und unteren Triggerpegel die Grenzen bestimmt, innerhalb derer die Größe der Differenz zwischen dem Ausgangssignal und dem Bezugssignal von einem bestimmten Mittelwert abweichen kann.

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3. Steuerschaltung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung weiter eine Stufe (11) zur Differenzierung des Ausgangs der Triggerstufe aufweist, wodurch erste Ausgangsimpulse von der Triggerstufe erzeugt werden, die ihren oberen Pegel annehmen,und wodurch weiter zweite Ausgangsimpulse von der Triggerstufe erzeugt werden, die den unteren Pegel annehmen.

4. Steuerschaltung nach Anspruch 5, '
dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Ausgangsimpulse den Wechselrichter in der Weise steuern, daß ein Spannungsübergang in einem Sinne bewirkt wird, und die zweiten Ausgangsimpulse den Wechselrichter in der Weise steuern, daß ein Spannungsübergang in dem entgegengesetzten Sinne bewirkt wird.

5. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

daß die Einrichtung, die das Ausgangssignal erzeugt, einen Integrationsverstärker (8*C1) aufweist, um die Ausgangsimpulse zu integrieren.

6. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

daß der Ausgang des Wechselrichters einen Motor speist und daß die Einrichtung zur Erzeugung des Ausgangssignals eine Einrich-

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tung (19) aufweist, die ähnliche elektrische Charakteristiken wie der Motor hat,und die die Ausgangsimpulse integriert.

7, Steuerschaltung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung von einem Motor (19) gebildet wird, der von der gleichen Bauart ist wie der Antriebsmotor.

8. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Wechselrichters einen Motor(l4). speist, dessen Wicklungen eine solche Induktivität haben, daß die Ausgangsimpulse integriert werden, und daß die Einrichtung zur Erzeugung des Ausgangssignals einen Verstärker (15) zur Verstärkung der integrierten Impulse aufweist.

9· Steuerschaltung nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung (R5,C2) eine Spannung proportional der Differenz zwischen der tatsächlichen und gewünschten Spannung an dem Motor unter den Betriebsbedingungen liefert, daß eine weitere Vergleichsstufe (r6,R?) die Spannung mit einer Bezugsspannungsquelle vergleicht und daß eine Einrichtung (l8) die Größe des Bezugssignales in Abhängigkeit von dem Ausgang der weiteren Vergleichsstufe in der V/eise modifiziert, daß die Differenz zwischen der tatsächlichen und gewünschten Spannung an dem Motor auf Null vermindert wird.

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