DE1613775C3

DE1613775C3 - Anordnung zur Steuerung der Drehzahl eines über einen Wechselrichter betriebenen Wechselstrommotors

Info

Publication number: DE1613775C3
Application number: DE1613775A
Authority: DE
Inventors: Arne Havnbjerg Jensen
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1968-03-16
Filing date: 1968-03-16
Publication date: 1986-08-21
Also published as: DE1613775B2; DE1613775A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Steuerung der Drehzahl eines über einen Wechselrichter betriebenen Wechselstrommotors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Anordnung ist aus den »AEG-Mitteilungen« 1966, S. 370 bis 374, Bild 6, bekannt. Dort ist eine konstante Zwischenkreisspannung vorgesehen; sowohl die Spannung für den Motor als auch die Frequenz werden vom Wechselrichter verstellt. Zu diesem Zweck wird ein Frequenz-Sollwert vorgegeben, der einerseits einem Frequenzgeber als Eingangswert und andererseits einem Spannungsregler unter Zwischenschaltungen einer IR-Aufschaltungs-Stufe zugeführt wird. Man kann auch die Frequenz-Spannungs-Variation so aufteilen, daß der Spannungsregler die Zwischenkreisspannung verstellt und der Wechselrichter die Frequenz. Hierzu wird gemäß Bild 4 wiederum der Frequenz-Sollwertgeber einerteils auf den Frequenzgeber und andererseits auf den Spannungsregler.

Bei einer anderen bekannten Anordnung mit Zwischenkreisumrichter (»AEG-Mitteilungen« 1966, Seiten 105 bis 109) ist die Abhängigkeit zwischen Spannungen und Frequenz dadurch gegeben, daß beide vom gleichen Sollwert abhängen. Hierbei wurde ein Zwischenkreis verwendet, dessen Spannungen in Abhängigkeit von seiner Istspannung geregelt wird. Außerdem ist eine auf den Spannungsregler wirkende Strombegrenzung vorgesehen.
Wenn bei einem Wechselstrommotor, insbesondere

ίο Drehstrommotor, die Drehzahl erhöht werden soll, muß man die Frequenz entsprechend ändern. Mit der Frequenz steigt aber auch der Blindwiderstand des Motors, so daß zur Aufrechterhaltung annähernd gleicher magnetischer Durchflutungsverhältnisse die Spannung mit der Frequenz angehoben wird. Bei den beiden erstgenannten Schaltungen ergibt sich ein lineares Verhältnis zwischen Frequenz und Spannung. Bei der letztgenannten Schaltung wird lediglich zusätzlich die Spannung zur Berücksichtigung des ohmschen Spannungsabfalls erhöht.

Hierbei ergeben sich jedoch einige Nachteile. Beim Normalbetrieb tritt, zumindest bei Asynchronmotoren, in Abhängigkeit von der Belastung ein bestimmter Schlupf auf. Insbesondere bei kleiner eingestellter Drehzahl ist die durch Belastungsänderungen hervorgerufene Änderung der tatsächlichen Drehzahl relativ groß. Außerdem treten bei kleiner Frequenz, wie sie zur Erzielung niedriger Drehzahlen und unter Umständen auch zum Zweck des Anlaufs benötigt wird, Betriebszustände auf, bei denen die von der Frequenz abhängige Spannung nicht mehr genügt, einen für die Magnetisierung ausreichenden Strom durch den Motor zu schikken, weil die konstanten ohmschen Widerstände im Verhältnis zu den mit der Frequenz variablen induktiven Widerständen zu groß sind; sinkt aber die Magnetisierung, so steigt der Schlupf und die belastungsabhängige Drehzahländerung. Bei alledem ist zu berücksichtigen, daß der verwendete Motor nur für einen bestimmten Betriebspunkt, z. B. 50 Hz, 220 V, ausgelegt sein kann, so daß diese Nachteile nicht durch Änderungen in der Motorkonstruktion behoben werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuerschaltung der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß der Motor unabhängig von der Last, insbesondere im Bereich kleinerer Drehzahlen, eine nahezu konstante Drehzahl hält und beim Anlauf ein ausreichendes Drehmoment erzeugt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 gelöst.

Dadurch, daß die Frequenz kleiner gehalten wird als es der Istspannung entspricht, wird der induktive Widerstand im Vergleich zum ohmschen Widerstand verkleinert, so daß der Magnetisierungsstrom-Bedarf sinkt und ein ausreichendes Drehmoment zum Antrieb der Last bzw. zur Beschleunigung erzeugt werden kann. Je größer die Last, um so stärker die Frequenzherabsetzung und damit die Möglichkeit, ein ausreichendes Drehmoment zu erzielen. Da die Korrekturwert der Führungsgröße nur stromabhängig, nicht aber frequenzabhängig ist, ergibt sich in erstrebenswerter Weise im unteren Drehzahlbereich eine größere prozentuale Änderung der Frequenz als im oberen Drehzahlbereich.

Die gleichzeitige Anwendung der stromabhängigen Spannungskorrektur mit der stromabhängigen Frequenzkorrektur führt zu optimalen Verhältnissen, weil in Abhängigkeit von dem Betriebszustand selbsttätig eine Heraufsetzung des Magnetisierungsstromes, eine IR-Kompensation und eine Schlupf-Kompensation er-

folgt.

Gemäß Anspruch 2 kann ein einziger Widerstand mit zwei Abgriffen zur Abnahme des Istspannungswertes und der Führungsgröße für den Frequenzgeber verwendet werden.

Um Verluste im Wechselrichterkreis zu vermeiden empfehlen sich die Maßnahmen des Anspruchs 3.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein schemtisches Schaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung,

F i g. 2 ein Strom-Spannungs-Diagramm des Spannungsreglers, und

F i g. 3 ein Spannungs-Frequenz-Diagramm des Frequenzreglers.

An Klemmen 1 und 2, die den Versorgungsleitungen 3 und 4 zugeordnet sind, ist eine konstante Gleichspannung U= gelegt. In der Versorgungsleitung 3 befindet sich ein Spannungsregler 5, der einen Spannungs-Istwert Ui in Abhängigkeit von einem Sollwert erzeugt, der durch die Stellung eines Abgriffs 6 an einem Steuerwiderstand R 1 vorgegeben ist, der durch eine Batterie 7 gespeist wird. Außerdem wird mit Hilfe einer Leitung 8 der Spannungsabfall an einem Meßwiderstand R2 in der Versorgungsleitung 3 abgegriffen. Sobald ein vorgegebener Spannungsabfall, d. h. ein vorgegebener Grenzwert des Wechselrichterstromes, überschritten ist, wird die normale Spannungsregelung unwirksam gemacht und die Spannung U\ so weit reduziert, daß kein schädlicher Überstrom durch den Wechselrichter fließt.

Der Spannungsregler 5 kann beispielsweise einen Aufbau haben, wie er in der DE-OS 16 38 009 beschrieben ist und der im wesentlichen aus einem elektronischen Schalter, einem nachgeschalteten Filterkreis und einem Impulssteuerkreis besteht. Zur Regelung der Spannung wird der Schalter mit konstanter Repititionsfrequenz geöffnet, aber nach unterschiedlicher Zeit wieder geschlossen. Sobald der Stromgrenzwert überschritten ist, wird die Repititionsfrequenz herabgesetzt, so daß die Ausgangsspannung einen entsprechend kleinen Wert hat.

Die Spannung wird über eine Kurzschlußimpedanz 9 einem üblichen Wechselrichter zugeführt, der sechs Gleichrichter £1 — £"6 und einen gemeinsamen Löschkreis 10 aufweist und an dem die drei Phasen R, S, T abgegriffen werden. Die Darstellung ist nur schematisch zu verstehen. Zahlreiches übliches Zubehör, wie Freilaufdioden, sind nicht eingezeichnet. Der Löschkreis und die gesteuerten Dioden werden von einem Steuergerät 11 gesteuert, das seinerseits an einen Frequenzgeber 12 angeschlossen ist. Das Steuergerät 11 gibt an den Löschkreis Impulse von der sechsfachen Frequenz der vom Frequenzgeber 12 vorgegebenen Frequenz ab, die gesteuerten Dioden El — R6 erhalten Steuerimpulse für diejenige Zeit, in der sie gezündet sein sollen. Frequenzgeber 12 und Steuergerät 11 können beispielsweise einen Aufbau haben, wie er in der DE-OS 16 13 769 beschrieben ist.

In der Versorgungsleitung 4 ist die Steuerwicklung 13 eines Transduktors 14 gelegt, dessen beide Sekundärwicklungen 15 und 16 miteinander und mit einem Brükkengleichrichter 17 in Reihe an einer konstanten wechselspannung U_w liegen. In die Brücke der Gleichrichterschaltung ist ein Steuerwiderstand R 3 gelegt. Dieser besitzt einen ersten Abgriff 18, der mit zwei Spannungsteilerwiderständen R 4 und R 5 in Reihe liegt, an deren Verbindungspunkt 20 die zum Vergleich mit der Sollwertspannung herangezogene Spannung abgegriffen wird. Ein zweiter Abgriff 19 liegt mit einem Widerstand R 6 und dem Frequenzgeber 12 in Reihe. Durch den Widerstand R 3 fließt ein Strom, der dem Wirkstrom in der Versorgungsleitung 4 proportional ist. Infolgedessen wird zwischen der Versorgungsleitung 4 und dem jeweiligen Abgriff 18, 19 ein Spannungsabfall AU\ und AUi erzeugt. Das bedeutet, daß der Spannungsregler 5 und der Frequenzgeber 12 nicht durch eine zum Spannungs-Istwert U-, proportionale Spannung beeinflußt werden, sondern durch eine korrigierte Spannung. Diejenige für den Spannungsregler 5 hat den Wert

die korrigierte Spannung Uk₂ für den Frequenzgeber 12 hat den Wert

U_k2 = Ui-AU₂.

Die Wirkungsweise dieser Schaltung ergibt sich bei Betrachtung der Kennlinie des Spannungsreglers 5 und des Frequenzgebers 12 nach den F i g. 2 und 3. Die gewünschte Drehzahl wird mit Hilfe des Abgriffs 6 am Widerstand R 1 eingestellt. Die Frequenz folgt dieser Einstellung, weil sie im wesentlichen vom Spannungs-Istwert Ui, abhängt. Für einen gegebenen Spannungs-Sollwert würde der Spannungsregler 5 ohne Kompensation die Ausgangsspannung auf einem konstanten Wert U\ halten (Kurvenast K1), bis der Stromgrenzwert /ι erreicht ist. Dann wird die Spannung so weit abgesenkt (Kurvenlast K 2), daß der Stromwert I\ erhalten bleibt. Der Frequenzgeber 12 sorgt dafür, daß die Ausgangsfrequenz /proportional der an ihm liegenden Spannung ist (Kurve K 3). Dann kann man die nachstehenden Betriebspunkte unterscheiden:

a) Es sei angenommen, daß ein bestimmter Spannungs-Sollwert mit Hilfe des Abgriffs 6 Widerstand Al eingestellt ist. Diesem Sollwert entsprechen die Koordinaten (L/i, /i). Beim Anlauf nimmt der Motor einen sehr großen Strom auf. Dieser wächst bis zum Wert h. Ohne Kompensation wäre der Arbeitspunkt durch (/i, U₂, f₂) gegeben. Durch den Widerstand R 3 erfolgt aber eine Kompensation. Diese hat keinen direkten Einfluß auf den Spannungsregler, da dieser im Augenblick nur vom Strom gesteuert ist. Dagegen wird die Frequenz auf den Wert /3 erniedrigt. Hierdurch fällt der induktive

5σ Widerstand des Motors ab, während der ohmsche Widerstand konstant bleibt. Da außerdem der Strom konstant gehalten wird, sinkt auch die zur Aufrechterhaltung des Stromes notwendige Spannung auf den Wert U₃. Dieser Wert ist aber gegenüber der Kennlinie K₃ angehoben. Dies ist gleichbedeutend mit einer Kompensation des ohmschen Spannungsabfalls oder anders ausgedrückt mit einer Aufrechterhaltung der Magnetisierung des Motors. Dieser hat also ein hohes Anlaufdrehmoment. Der neue Arbeitspunkt ist dann (I\, L/3, /3). Die Kompensation kann durch den Pfeil Vi ausgedrückt werden.

b) Beim Hochlaufen des Motors vergrößert sich die Motorimpedanz. Spannung und Frequenz wachsen bei konstantem Strom und der Pfeil verschiebt sich längs der strichpunktierten Linie K 4.

c) Wenn Frequenz und Spannung einen Wert erreichen, bei dem der Strom unter den Grenzwert fällt,

tritt die Spannungsregelung in Funktion. Da der Spannungsregler 5 versucht, die Ist-Spannung U\ einzustellen, daß die korrigierte Spannung Uk ι dem Sollwert entspricht, steigt U\ von U\ auf Ua- Da diese höhere Spannung aber auch auf den Frequenzregler 12 wirkt, erzeugt dieser eine höhere Frequenz, allerdings nicht proportional höher, sondern wegen der Gegenkompensation mittels des Abgriffes 19 in vermindertem Maße, so daß sich der neue Arbeitspunkt (Ua, /4) ergibt. Diese Kompensation kann durch den Pfeil Vi dargestellt werden. Hierbei stellt die Differenz /4 —/1 eine wirkstromabhängige Schlupfkompensation dar. Die Differenz Ua- U\ dient teils zur Schlupfkompensation (durch den Anteil i/5— Ui) teils zur Spannungsabfallkompensation (durch den Anteil Ua- U%).

Die Abgriffe 18 und 19 müssen der Motorcharakteristik angepaßt werden. Der Abgriff 19 für den Frequenzregler 12 wird durch einen Anlaßversuch so justiert, daß der Motor unter einer gegebenen Last hochläuft. Der Abgriff 18 für den Spannungsregler wird durch einen Belastungsversuch so justiert, daß die Drehzahl unter Vollast der gewünschten Nenndrehzahl entspricht.

Mit einem handelsüblichen Asynchronmotor konnte auf diese Weise jede eingestellte Drehzahl bis herab zu 10% der maximalen Drehzahl innerhalb des gesamten Belastungsbereiches von Null bis zum Vollast-Drehmoment mit einer Toleranz von ±2% konstant gehalten werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Steuerung der Drehzahl eines über einen Wechselrichter mit einer Spannung und einer dieser etwa proportional über einen Frequenzgeber vorgegebenen Frequenz betriebenen Wechselstrommotors, insbesondere Drehstrommotors, mit einem Spannungsregler, dessen Ausgangsgröße durch eine vom Wechselrichterstrom abhängige Größe im Sinne einer IR-Kompensation erhöht wird und mit einer Strombegrenzung, die beim Überschreiten eines Stromgrenzwertes die Spannungsregelung ablöst, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter von einer Gleichspannung über den Spannungsregler (5) gespeist und der Frequenzgeber (12) von der geregelten Gleichspannung (U₁) beaufschlagt wird und daß die dem Spannungsregler als Istwert zugeführte geregelte Gleichspannung (Ui) und die dem Frequenzgeber (12) zugeführte geregelte Gleichspannung (Ui) jeweils durch einen vom Wechselrichterstrom erzeugten Spannungsabfall (ΔΌ\, dUi) herabgesetzt werden, wobei der dem Frequenzgeber (12) zugeordnete Spannungsabfall (AUt) so bemessen ist, daß sich gegenüber einer Spannungsregelung ohne IR-Kompensation beim Anlauf, wenn die Spannungsregelung auch die Strombegrenzung abgelöst wird, eine Frequenzerniedrigung im Sinne einer IR-Kompensation ergibt und im stationären Zustand eine Frequenzerhöhung im Sinne einer Schlupfkompensation.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Spannungsabfälle ein von einem zum Wechselrichterstrom proportionalen Strom durchflossener Widerstand (R₃) mit zwei Abgriffen (18, 19) vorgesehen ist, dessen eines Ende an dem einen Pol (Versorgungsleitung 4) des Zwischenkreises liegt.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R₃) mit einem zweiphasigen Transduktor (14), dessen Steuerwicklung (13) von dem Wechselrichterstrom durchflossen ist, mit nachgeschaltetem Gleichrichter (17) in Reihe liegt.