DE2318602A1 - Stromrichterantrieb - Google Patents

Description

Patentanwälte

Dipl.-Ing. Helmut M is sling 63 Giessen 9 «4«, 1973

Dipl.-Ing. Richard ScKlee Bismarcketrasse 43

Dr.-Ing. Joachim Boecker ^{Telefon: (0641) 71019}

Boe/K 11.543

Professor Harry Forsseil,

S-180 10 ENEBYBERG, Kvarnängsvägen 2o

Stromrichterantrieb

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stromrichterantrieb mit einem mehrphasigen Induktionsmotor, der von einem Stromrichter getrieben wird, der aus mehreren gesteuerten elektrischen Ventilen besteht, die über einen Stufenschalter an einen Steuerimpulsgeber angeschlossen sind, der an die verschiedenen Ventile Steuerimpulse in einer gegebenen Kommutierungsfolge gibt, und wobei der Stufenschalter von einem Signal von einer Anordnung zur Messung des magnetischen Flusses des Motors gesteuert wird»

Da die Entwicklung statischer Stromrichter in jüngster Zeit große Fortschritte gemacht hat, vor allem durch die Entwicklung gesteuerter Halbleiterventile und Thyristoren für hohe Leistungen, hat das Interesse für Stromrichter-gespeiste Motoren verschiedenster Art und Größe zugenommen, und zwar vor allem hinsichtlich Asynchronmotoren, die gegenüber Gleichstrommotoren und Synchronmotoren bedeutend einfacher sind«, Es sind verschiedene Systeme für den Betrieb

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von Asynchronmotoren "bei veränderlicher Drehzahl "bereits "bekannte Es "bestehen jedoch Probleme, stabile und zugleich optimale Betriebsverhältnisse bei variierenden Drehzahlen, wie sie bei Traktions— und Kranantrieben vorkommen, zu erreichen«

Es besteht hierbei der Wunsch, die Drehzahl unter Aufrechterhai tung des maximalen Drehmomentes, eventuell festgesetzt auf eine bestimmte gegebene Grenze, schnell steigern und vermindern zu können und damit sicherzustellen, daß die Änderung der Frequenz nie so groß wird, daß der Schlupf eine labile Momentenkurve ergibt₀ Das Problem besteht hierbei unter anderem darin, daß man ständig das Drehmoment und den Schlupf messen und kontrollieren muß, was steuerungs- und regeltechnisch schwierig ist, insbesondere, wenn die "Verhältnisse nicht stationär sind»

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Stromrichterantrieb der eingangs genannten Art die eben aufgezeigten Probleme zu bewältigen,,

Zur Lösung dieser Aufgabe wird nach der Erfindung ein Stromrichterani;rieb der eingangs erwähnten Art vorgeschlagen, der erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß die Fluß-

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messeranordnung einen Parameter ableitet, der dem in jedem Augenblick in irgendeiner Richtung höchsten Wert der magnetischen Hauptfilisse des Motors entspricht, welcher Parameter an einen Indikator angeschlossen wird, der an den Stufenschalter ein digitales Signal zum Umschalten des Steuerimpulsgebers gibt, wenn der genannte Parameter einen bestimmten einstellbaren Sollwert übersteigt«,

Gemäß der Erfindung wird also der Stufenschalter in Abhängigkeit von den magnetischen Flüssen des Motors gesteuert, so daß, wenn diese einen vorgegebenen Sollwert erreicht haben, der Stufenschalter aktiviert wird und der Steuerimpulsgeber zur nächsten Steuerimpulskombination übergeht» Die Verwendung der magnetischen Flüsse des Motors zum Steuern eines speisenden Stromrichters ist an sich bekannt, aber dabei läßt man den Flußwert in einer Form von Frequenzsteuerung den Stromrichter beeinflussen, während gemäß der Erfindung der Flußwert den genannten Stufenschalter direkt steuert.

Der Stromrichter wird also nicht mit einer vorgeschriebenen Frequenz und damit gegebener Dauer des jeweiligen Schaltschrittes der Kommutierungsfolge gesteuert, sondern jeder Schaltschritt bleibt bestehen, bis die entsprechenden magnetischen Flüsse in der Maschine einen vorgeschriebenen

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Wert erreicht haben,, Danach schaltet der Stufenschalter den nächsten Schaltschritt ein.

Die Regelung der Motordrehzahl geschieht nicht durch direkte Änderung der Stromrichterfrequenz, sondern indem man andere Betriebsgrößen ändert, die eine Änderung des mechanischen Moments des Motors bedingen. Die darauf folgende Drehzahländerung führt gemäß dem Erfindungsprinzip automatisch zu einer entsprechenden Änderung der Stromrichterfrequenz β

Dadurch, daß die Kommutierung durch die Größe des magnetischen Flusses im Motor gesteuert wird, erreicht man, daß sich die Frequenz des Stromrichters nach einem gewissen Schlupf einstellt, was dieselben stabilen Verhältnisse ergibt, wie in dem stationären Fall, in welchem der Motor mit konstanter Drehzahl von einem Uetz mit konstanter Spannung und Frequenz gespeist wirdo

Die Art der bei der Erfindung verwendbaren Stromrichter hängt in einem gewissen Grade von der verfügbaren Energiequelle ab. Für stationären Betrieb, Kranbetrieb und schienengebundenen Betrieb ist die Energiequelle gewöhnlich ein Wechselstromnetz, wobei der Stromrichter ein Direktum-

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richter oder ein Umrichter mit G-leichstromzwischenglied sein kann, d_eh. der Stromrichter umfaßt einen gesteuerten oder ungesteuerten Gleichrichter und einen Wechselrichter,, Für Fahrzeugbetrieb kann die Energiequelle evtlo eine Batterie sein, wobei der Stromrichter ein reiner Wechselrichter wird. In diesem Fall, sowie auch bei einem Umrichter mit Grleichstromzwischenglied, muß der Wechselrichter selbstgeführt sein und mit Kreisen für eine Zwangskommutierung versehen sein. Das Prinzip gemäß der Erfindung kann jedoch für jeden beliebigen Typ von Stromrichter verwandt werden, wie aus dem folgenden hervorgeht«

Der Aufbau des Stromrichtermotors gemäß der Erfindung bietet gute Möglichkeiten zur Einstellung des Moments und der Drehzahl des Motors, sowohl bei wechselnder Drehzahl und bei stationärem Betrieb, so daß das Prinzip in vielen verschiedenen Yerwendungsbereichen angewandt werden kann,, Die Erfindung ist dabei auch nicht an normale dreiphasige Synchronmotoren gebunden, sondern kann bei anderen Induktionsmotoren verwendet werden, z.B. linearmotoren; nur müssen die Motoren mehrphasig sein.

Anhand der in den Figuren dargestellten AusfUhrungsbeispiele und Erläuterungen soll die Erfindung näher beschrieben werden. Es zeigen

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3?igo 1 rein schematise]! einen Stromrichterantrieb gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für ein Steuersystem für einen Motor gemäß Figo 1,

Fig. 3 den Verlauf des Flußvektors im Motor, sowohl beim Anlauf als auch beim stationären Betrieb,

Fig. 4· einen Direktumrichter zum Regeln gemäß der Erfindungο

Figo 1 zeigt einen statischen Stromrichter 1, der durch ein allgemeines Symbol für einen Stromrichter angedeutet ist, dessen Eingangsseite an eine Gleichstrom- oder Wechselstromquelle angeschlossen sein kann_o Der Stromrichter ist an einen Asynchronmotor M angeschlossen und wird von einem Steuerimpulsgeber 2 gesteuert, der an die Arbeitsventile des Stromrichters über einen Stufenschalter 3 angeschlossen ist, welcher beispielsweise als Ringzähler aufgebaut sein kann_e In der gezeigten Ausführungsform hat der Steuerimpulsgeber sechs Ausgänge, entsprechend den sechs Arbeitsventilen des Stromrichters, die z.B· in Graetzbrückenschaltung angeordnet sind» Der Stufenschalter 3 verteilt die Steuerimpulse

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entsprechend der richtigen Kommutierungsfolge an die verschiedenen Arbeitsventile des Stromrichters.

Der Stufenschalter wird gemäß der Erfindung in Abhängigkeit des im Motor anwachsenden magnetischen Flusses gesteuert, dessen Messung in Fig. 1 symbolisch durch einen Flußmesser

4 angedeutet ist, von dem ein Ausgangssignal als ein Maß für den augenblicklichen Motorfluß einem summierenden G-lied

5 zugeführt wird_o An dieses Summierungsglied ist auch ein Sollwertgeber für den Motorfluß angeschlossen, der z.B« aus einem Potentiometer 6 besteht. Der Ausgang des Summie— rungsgliedes 5 ist an einen Indikator 7 angeschlossen, der an den Stufenschalter 3 ein Signal gibt, wenn die Ausgangsgröße des Summierungsgiiedes 5 UuIl wird, d«h_e wenn der Motorfluß in einer Richtung den im Sollwertgeber 6 eingestellten Wert erreicht hat. Das Eingangssignal an den Stufenschalter 3 bewirkt eine neue Steuerinipulskombination für die Arbeitsventile des Stromrichters und somit eine Kommutierung unter den Arbeitsventilen, was also bedeutet, daß die Mehrphasenspannung, die von dem Stromrichter an den Motor M geliefert wird, um einen Winkel 360°: η vorwärtsgedreht wird, wobei η die Impulszahl des Stromrichters ist« Aufgrund dessen wächst der Motorfluß in einer neuen Richtung an, bis der am Sollwertgeber 6 eingestellte

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Wert erreicht ist, wonach ein neues Signal von dem Indikator 7 an den Stufenschalter 3 gegeben wird, mit nachfolgender neuer Kommutierung im Stromrichter und Drehung der Mehrphasenspannung 360° : η und damit neuer Flußrichtung im Motor»

Das Messen des magnetischen Flusses im Inneren des Motors kann mit Hilfe von "besonderen Meßspulen oder Halbleiterelementen, Z₆B₀ Hall-Elementen, erfolgen,, Dies ist jedoch oft sehr unbequem, "besonders wenn die Anordnung nach der Erfindung für einfache Asynchronmotoren des Standardtyps verwendet wird, die solche Eingriffe in ihren Aufbau kaum zulassen«,

Bedeutend einfacher und praktischer ist es, von dem Magnetisierungsstrom des Motors auszugehen, der gemessen oder "besser gesagt abgebildet werden kann, indem man die Speisespannung des Motors mißt und beispielsweise integriert, oder indem man das Anwachsen des Magnetisierungsstromes in dem Motor entsprechenden Kreisen abbildete

Dies kann in der beispielsweise in Figo 2 gezeigten Weise erfolgen, in der gleichzeitig eine Anordnung zur Stromregelung des Motors gezeigt ist.

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Die Speisespannung des Motors kann von den Phasenleitern R, S, Q! zwischen dem Stromrichter 1 und dem Motor M nach Korrektur bezüglich des ohmschen Spannungsfalles in den Motorwicklungen entnommen werden,. In Hg, 2 wird die Spannung an dem Anschluß 8 entnommen, und die Korrektur hinsichtlich des Spannungsfalles geschieht mit Hilfe von Stromtransformatoren 9, die in die Phasenleiter eingefügt sind und über Impedanzen 10 kurzgeschlossen sinde Die Spannungen werden an Drosselspulen 11 angeschlossen und der in diesen anwachsende Strom entspricht bei entsprechender Dimensionierung der Drosselspule dem im Motor anwachsenden Magnetisierungsstrom und damit dem magnetischen I¹IuB des Motors. Der Strom in den Drösseispulen 11 wird mittels Stromtransformatoren 12 gemessen, deren Sekundärwicklungen an einen Diodenbrückengleichrichter 13 angeschlossen sindo Der Gleichrichter 13 liefert also ein Signal, welches ein Maß für den im Motor anwachsenden magnetischen Fluß ist« Dieses Signal kann an das Summierungsglied 5 angeschlossen werden. Die Schaltelemente 8-13 entsprechen also dem Flußmesser 4 in Fig« 1.

Es ist hierbei wesentlich, daß der Diodenbrückengleichrichter 13 der Ventilbrücke des Stromrichters 1 genau entspricht, und zwar sowohl hinsichtlich des Aufbaues als auch der Phasenfolge, so daß das Ausgangssignal des Gleichrichters- 13 ständig

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der höchsten Flußkomponente des Motors entspricht, und zwar aufgrund der Dominanzschaltung durch den Diodenbrückengleichrichter 13» Dies beruht darauf, daß es gerade der Istwert des Flusses ist, der entscheiden soll, ob der Stufenschalter 3 vorwärtsgeschaltet werden soll oder nicht. Bei bekannten Schaltungen wird die Frequenz eines dem Stufenschalter 3 entsprechenden Stufenschalters in Abhängigkeit von der Größe der Abweichung zwischen Istwert und Sollwert des Flusses geregelt, während gemäß der Erfindung das Signal von dem Indikator 7 ein reines digitales Signal ist, das nur den Wert L oder 0 kennt.

Die Wirkungsweise wird am besten ersichtlich, wenn man die Variation des Flußvektors 0 betrachtet, die in Fig. 3 angedeutet ist.

Hier gibt der Kreis I den am Potentiometer 5 eingestellten Sollwert des Flußvektors 0 an, während das regelmäßige Sechseck II angibt, wie dieser Flußvektor während einer Periode des Magnetisierungsstroms bei stationärem Betrieb variiert, also gemäß einem regelmäßigen Sechseck im Kreise I,

Die Flußverhältnisse werden noch deutlicher, wenn man das Anwachsen des Flußvektors gemäß Kurve II beim Start von

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Motor und Stromrichter betrachtet. Der Plußvektor 0¹ wächst dabei zunächst mit dem Radius a, bis sein Wert gleich dem Radius des Kreises I wird., Dabei gibt der Indikator 7 ein Signal an den Stufenschalter 3, durch welches der Stromrichter einen Schritt vorwärts kommutiert wird₀ Der Pluß wächst weiter an, aber jetzt entlang der Linie b. Das Signal vom Indikator 7 bleibt daher am Stufenschalter 3, der fortfährt, den Stromrichter in dem Takt weiterzuschalten, der von den in den Gliedern 1, 2 und 3 enthaltenen· Zeitkonstanten bestimmt wird, die den höchsten Kommutierungstakt des Stromrichters 1 angeben., Dabei folgt der Flußvektor 0* der Linie c und kommt dabei schnell in den Kreis I, und die nächste Kommutierung erfolgt erst, wenn die Linie c den Kreis I wieder schneidet und in die Linie d übergeht, und nächstes Mal in die Linie e. Bei noch niedrigerem Kommutierungstakt im Verhältnis zum Anwachsen des Flusses würde der Flußvektor der Kurve IV folgen.,

Man sieht, daß die beiden Kurven III und IV stark von der regelmäßigen Sechseckform abweichen, was zu sehr unregelmäßigen Pluß- und damit Momentvariationen führt. Dies kann ausgeglichen werden, indem man den Sollwert am Potentiometer 6 von dem Steigerungstakt abhängig machte Wenn der steigende Steigerungstakt an dem Übergang b, c der Kurve III eine Zu-

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nähme des Sollwertes bewirkt, so bedeutet dies, daß der Radius des Kreises I zunimmt. Dabei verschiebt sich der Übergang zwischen c und d, so daß diese beiden Linien sich der 60 -Sehne nähern.

Der Steigerungstakt des Stufenschalters 3 wird also, wie genannt, ganz von dem digitalen Signal des Indikators 7 diktiert, das wiederum von dem Wert der jeweils höchsten Flußkomponente im Verhältnis zu dem Sollwertgeber 6 eingestellten Wert abhängig ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß das Moment des Motors wirklich Gelegenheit hat, während jeden Schrittes genau auf den gewünschten Wert anzuwachsen, ehe man die nächste Stufe einschaltete

Das Anwachsen der Flußkomponente ist wiederum abhängig von der Speisespannung des Stromrichters 1, welche Spannung auf verschiedene Weise variieren kann, z.B. durch den unten beschriebenen Stromregler 17.

Der Umschalttakt des Stufenschalters 3 kann, wie genannt, frequenzabhängig gemacht werden_o Dies kann dadurch erreicht werden, daß zu den Drosselspulen 11 Widerstände 14 parallelgeschaltet werden, wie in Figo 2 gezeigt wird, die zweckmäßigerweise variabel sind, um den Grad der Frequenzabhängigkeit einstellen zu können, d_oh_e die Geschwindigkeit

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mit der der Strom im Stromtransformator 12 im Verhältnis zu der Spannung am Anschluß 8 anwächst₀ Weiter können die Stromtransformatoren 12 mit variablen Widerständen 15 parallelgeschaltet werden, um die Empfindlichkeit dieser Transformatoren einstellen zu können.

Eine andere Form frequenzabhängiger Steuerung des Stufenschalters 3 ist in Figo 2 angedeutet, nämlich mit Hilfe des Tachometergenerators T, getrieben von dem Motor M und angeschlossen an das Summierungsglied 5 über einen Signalgeber 40, wobei ein frequenzabhängiges Signal zu den an das Summierungsglied gegebenen Ist- und Sollwerten des Motorflusses addiert wird» Besonders bei einfacheren Ausrüstungen mit Asynchronmotoren des Standardtyps ist.jedoch der [Tachometergenerator ein unangemessen kompliziertes Bauteil, verglichen mit dem, was mit den Widerständen 14 erreicht werden kann. Außerdem ist dieses Signal ziemlich unsicher bei niedrigen Drehzahlen, z.B. beim Starten.

In PIg. 2 ist weiter gezeigt, wie die Stromtransformatoren 9 mit einer zusätzlichen Sekundärwicklung versehen sein können, die an einen Diodenbrückengleichrichter 16 angeschlossen ist. Das Signal hier ist ein Maß für den Gesamtstrom des Motors und kann zur Stromregelung des Motors ver-

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wendet werden, "beispielsweise über einen an sich bekannten Regelverstärker 17, der an den Stromrichter 1 angeschlossen ist. Eine solche Regelung kann in einer abwechselnden Blockierung und Freigabe des Stromrichters bestehen, so daß der Motorstrom sich ständig innerhalb bestimmter gegebener Grenzen hält. Besonders bei niedriger Steigerungsfrequenz ist eine solche Stromregelung notwendig, um zu vermeiden, daß der Motorstrom auf die Größe eines KurzSchlußstromes anwächst, ehe der Stufenschalter auf die nächste Stufe der Kommutierungsfolge umschalten kann. Der Regelverstärker kann auf solche Weise an den Stromrichter 1 angeschlossen werden, die für einen gegebenen Stromrichter am bequemsten ist, z.B. in Abhängigkeit davon, ob dieser ein Direktumrichter oder ein Umrichter mit Gleichstromzwischenglied oder evtl. ein reiner Wechselrichter ist.

Der Regelverstärker 17 kann auch frequenzabhängig gemacht werden, indem er mit einem Sollwertgeber in Form einer Dreh-.zahlregelverstärkers 41 versehen wird, an dessen Eingangsseite der Istwert der Drehzahl in Form von Signalen von dem Tachometergenerator T und der Sollwert der Drehzahl, z.B. von einem Potentiometer 42, angeschlossen werden. Durch Verstellung des Potentiometers 42 wird das Ausgangssignal des Regelverstärkers 41 geändert, wobei der Regler 17 den Motor-

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strom und das Motormoment ändert, bis die Drehzahl der eingestellten entspricht„

Die Steigerung der Drehzahl und des Moments kann auf diese Weise bis zum höchstzulässigen Strom der Anordnung erfolgen_o Eine weitere Steigerung der Drehzahl ist möglich, indem man den am Potentiometer 6 eingestellten Sollwert vermindert, wobei das Flußniveau zum Umschalten des Stufenschalters 3 abnimmt, was bedeutet, daß der Steigerungstakt zunimmt,,

Eine Veränderung der Drehzahlregelung erreicht man durch Wahl der Charakteristik des Signalgebers 40 oder durch Einstellung der Widerstände 14 und 15.

Figo 4 zeigt einen Direktumrichter zum Speisen des Motors M aus einem Wechselstromnetz UVX. Der Umrichter besteht aus sechs Ventilgruppen 31-36 mit je einem Steuerimpulsgeber 37, von denen nur einer gezeigt ist. Diese Ventilgruppen werden in der gegebenen Kommutierungsfolge von einem Stufenschalter nach Art des Stufenschalters 3 in Figo 1 gesperrt und freigegeben, der wie ZoB₀ in Figo 2 beschrieben gesteuert wird« Während der Leitintervalle arbeitet ;jede Ventilgruppe als Gleichrichter, wobei ihr Strom von Stromreglern nach Art des Regelverstärkers 17 in Figo 2 gesteuert wird»

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Auch hier kann also das Prinzip gemäß' der Erfindung ohne weiteres angewandt werden_o

Es ist deutlich, daß die Erfindung gute Regelungsmöglichkeiten ergibt, da die Yersehiedenen Steuerparameter im Verhältnis zueinander eingestellt werden können« Datei sollte der vom Stromregler des Stromrichters eingestellte Strom zweckmäßigerweise das Umschaltniveau für den Magnetisierungsstrom des Motors übersteigen, um sicherzustellen, daß dieser in angemessener Zeit anwachsen kann_o Weiter führt das Einstellen der Frequenzabhängigkeit, Z₀B₀ über den Widerständen 14 oder den Tachometergenerator T, zu guten Tariationsmöglichkeiten_e

Außerdem läßt die Anordnung gemäß der Erfindung ein regeneratives Bremsen zu, wobei der Stromrichter heruntergesteuert wird, so daß er dazu neigt, den Steigerungstakt zu vermindern, was bedeutet, daß der Motor übersynchron, d.ho mit negativem Schlupf läuft und dabei gebremst wird» Auch dieser negative Schlupf wird unter Kontrolle gehalten, so daß man ein wohldefiniertes, gesteuertes Bremsen des Motors erhält.

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Claims (2)

1. Patentansprüche:

   Stromriehterantrieb mit einem mehrphasigen Induktionsmotor,der von einem Stromrichter getrieben wird, der aus mehreren gesteuerten elektrischen Ventilen besteht, die über einen Stufenschalter an einen Steuerimpulsgeber angeschlossen sind, der an die verschiedenen Ventile Steuerimpulse in einer gegebenen Kommutierungsfolge gibt, und wobei der Stufenschalter von einem Signal von einer Anordnung zur Messung des magnetischen Flusses des Motors gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußmesseranordnung (4) einen Parameter ableitet, der dem in jedem Augenblick in irgendeiner Richtung höchsten Wert der magnetischen Hauptflüsse des Motors entspricht, welcher Parameter an einen Indikator (7) angeschlossen wird, der an den Stufenschalter (3) ein digitales Signal zum Umschalten des Steuerimpulsgebers (2) gibt, wenn der genannte Parameter einen bestimmten einstellbaren Sollwert übersteigt.
2. 2. Stromriehteran trieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Plußmesseranordnung (4) oder der Indikator (7) im Verhältnis zu dem aktuellen Steigungstakt des Stufenschalters (3) einstellbar ist.

   3· Stromrichterantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ilußmess er anordnung (4) oder der Indikator (7) im Verhältnis zu dem gewünschten Moment oder der Drehzahl des Motors einstellbar

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   4β Stromrichterantrieb nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch, gekennzeichnet, daß der Stromrichter einen Stromregler (17 oder 20) umfaßt«,

   5ο Stromrichter nach Anspruch. 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromregler (17 oder 20) in Abhängigkeit von dem gewünschten Moment oder der Drehzahl des Motors arbeitet«

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