DE2443120A1

DE2443120A1 - Elektromotorische antriebseinrichtung mit einem synchronmotor und einem wechselrichter

Info

Publication number: DE2443120A1
Application number: DE2443120A
Authority: DE
Inventors: Joseph Edward Macko; Brian Raymond Pelly; John Rosa
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1973-09-11
Filing date: 1974-09-09
Publication date: 1975-03-20
Also published as: FR2243548A1; IT1024019B; JPS5063427A; GB1481729A; PH10696A; BE819755A; JPS6028496U; AU7313274A; US3840799A; ES429977A1; JPS6116797Y2

Description

DiPL-ING- KLAUS NEUBECKER

Patentanwalt -Ö / / O "1 O f\

4 Düsseldorf 1 ■ Schadowplatz 9

. Düsseldorf, 04.09.1974 74119

Westinghouse Electric Corporation,
Pittsburgh, Pennsylvania, V.St.A.

Elektromotorische Antriebseinrichtung mit einem Synchronmotor und einem Wechselrichter

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektromotorische Antriebseinrichtung für den Betrieb an einer Gleichspannung mit einem Wechselspannungs-Synchronmotor, einem mit einer Gleichspannungsseite an die Gleichspannung und mit einer Wechselspannungsseite an die Ankerwicklung des Synchronmotores angeschlossenen ruhenden Wechselrichter, der eine Anzahl selektiv betätigbarer Schaltvorrichtungen aufweist und abhängig von der Betätigung der Schaltvorrichtungen elektrische Energie an den Synchronmotor liefert, mit einer Zündimpulse für die Betätigung der Schaltvorrichtungen erzeugenden Zündimpulsvorrichtung und mit einer Taktimpulse für die Steuerung der Erzeugung der Zündimpulse an die Zündimpulsvorrichtung liefernden Steuervorrichtung.

Eine derartige Antriebseinrichtung ist aus dem Buch von B.R. Pelly "Thyristor Phase-Controlled Converters and Cycloconverters", John Wiley a.Sons, Inc., 1971, bekannt. Dort wird ein Wechselstrommotor hoher Drehzahl durch eine statische Hochfrequenzquelle erregt, um ein Gebläserad unmittelbar anzutreiben ο Eine solche Anordnung verwendet als Hauptbauelemente einen Festkörper-Wechselrichter - einen sogenannten "statischen Kommutator" - , einen üblichen Dreiphasen-Synchronmotor und

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Telefon (0211) 32 08 58 Telegramme Custopat

einen Stellungsanzeiger für die Motorwelle, der dem statischen Kommutator Steuersignale zuführt.

Der Wechselrichter besteht im wesentlichen aus einer dreiphasigen Thyristorbrücke mit einem Eingangs-Drosselfilter. Um die an den Klemmen des Motors auftretende Gegen-EMK ausnützen zu können, arbeitet der Wechselrichter normalerweise mit einem voreilenden Leistungsfaktor, um eine Selbst- oder Netzkommutierung der Wechselrichter-Thyristoren zu ermöglichen. Solch ein voreilender Leistungsfaktor wird durch eine derartige Einstellung der Abfühleinrichtungen für den Stellungsanzeiger erreicht, daß die Wechselrichter-Thyristoren zu geeigneten Zeitpunkten gezündet werden, um einen voreilenden Leistungsfaktor zu erzeugen. Wenn die Drehmoment-Anforderungen bei niedriger Drehzahl relativ gering sind, wie es beispielsweise bei der "Ventilator-Kennlinie" etwa eines Zentrifugalkompressors in einer Klimaanlage der Fall ist, dann ist der zu kommutierende Strom bei niedriger Drehzahl ebenfalls relativ gering, und es kann über den gesamten Drehzahlbereich Selbstkonunutierung angewendet werden. Wenn jedoch andererseits in dem gesamten Drehzahlbereich ein Vollast-Drehmoment benötigt wird ("Kran-Kennlinie"), dann kann eine Selbstkommutierung nur oberhalb einer Minimaldrehzahl angewendet werden. Unterhalb dieser Minimaldrehzahl reicht die in dem Motor induzierte Spannung nicht aus, um den Vollast-Strom zu kommutieren, und es muß Fremd-Kommutierung angewendet werden.

Der Stellungsanzeiger wird häufig als mechanische Vorrichtung ausgebildet und besitzt Bürsten für niedrige Ströme und ein einziges Kupfersegment auf einer rotierenden Scheibe. Um mechanische Kontakte zu vermeiden, kann die Abfühlung auch mit auf der Motorwelle befestigten rotierenden Magneten und mit Hall-Detektoren oder Reluktanz-Schaltern als Stator durchgeführt werden oder aber auch mit Hilfe lichtempfindlicher Detektoren auf dem Stator und einer optischen Lichtquelle auf dem Rotor. Es können natürlich auch andere Arten von Stellungsanzeigern eingesetzt werden.

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Bei anderen bekannten Arten von derartigen Einrichtungen wird eine Hybrid-Anordnung verwendet, Bei dieser Hybrid-Anordnung wird der Stellungsanzeiger auf der Motorwelle dazu benutzt, den Motor zum Laufen zu bringen, aber nachdem der Motor eine bestimmte Drehzahl erreicht hat, wird die Taktgabe für die Zündimpulse des Wechselrichters dadurch synchron mit der Stellung der Motorwelle gehalten, daß aus den an den Motorwicklungen auftretenden Spannungen entsprechende Informationen gewonnen werden. Dieses letztere Vorgehen kann jedoch nicht bei allen Drehzahlen angewendet werden, da es sich herausgestellt hat/ daß aus den folgenden Gründen für den Betrieb unterhalb einer gewissen Minimaldrehzahl ein Wellenstellungsanzeiger erforderlich ist: (1) Beim Stillstand muß die Stellung des Rotors bekannt sein, damit bestimmt werden kann, welches Paar der sechs Thyristoren gezündet werden muß. Wenn das falsche Paar eingeschaltet wird, kann das auftretende Drehmoment zu gering sein oder gar in der falschen Richtung liegen. Dieser Zustand ist natürlich nur vorübergehend, da die Drehrichtung schließlich nur durch die Phasenfolge der an die Thyristoren angelegten Zündimpulse bestimmt wird.

(2) Auch wenn zu Beginn das richtige Thyristor-Paar gezündet wird, so daß der Motor sofort in der richtigen Richtung startet, ist die Amplitude der in den Motorwicklungen induzierten Spannungen anfänglich so klein, daß aus ihnen die gewünschte Wellenstellungsinformation nicht gewonnen werden kann.

Obwohl die bekannten derartigen Einrichtungen gegenüber den bekannten Zentrifugalkompressorantrieben mit den gewöhnlichen Induktionsmotoren gewisse Vorteile mitsichbringen, sind sie . relativ groß, verwickelt und kostspielig. Weiterhin treten bei einem System, das einen Wellenstellungsanzeiger zur Steuerung der Viechsei rieh terthyristoren verwendet, und bei dem auf die Ausnützung der an den Motorwicklungen auftretenden Spannungen basierenden System (welches bei niedrigen Drehzählen natürlich ebenfalls einen Wellenstellungsanzeiger benötigt) bei Belastungsänderungen Veränderungen der Motordrehzahl auf. Im Falle des

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Systems mit dem Wellenstellungsanzeiger fällt die Motordrehzahl deutlich mit der Belastung ab, was auf den Einfluß der Phasenverschiebung der Motorklemmenspannung gegenüber der Rotorstellung zurückzuführen ist. Im Falle des Systems mit der Ausnutzung der in den- Motorwicklungen induzierten Spannungen fällt die Motordrehzahl meist anfänglich mit ansteigender Belastung ab und nimmt dann infolge des Einflusses der Ankerrückwirkung wieder zu.

Der Erfindung liegt nun demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine elektromotorische Antriebseinrichtung mit einem Synchronmotor und einem Wechselrichter der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß die gesamte elektrische Drehzahlsteuerung ohne einen Wellenstellungsanzeiger erfolgt.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Steuervorrichtung abhängig von der Gleichspannung die Frequenz der Taktimpulse derart zu bestimmen vermag, daß das Zeitintegral der Gleichspannung zwischen aufeinanderfolgenden Taktimpulsen stets einen vorgegebenen konstanten Wert besitzt.

Bei dieser Anordnung wird ein Wechselrichter mit selektiv betätigbaren Schaltvorrichtungen, beispielsweise mit sechs Thyristoren, die drei in Serie geschaltete Paare bilden, dazu verwendet, den Ankerwicklungen eines Dreiphasen-Synchronmotores elektrische Energie zuzuführen. Es kann natürlich auch ein Einphasen-Motor oder ein anderer Mehrphasen-Motor verwendet werden. Im Falle eines Dreiphasen-Motors wird jede Ankerwick lung an den Verbindungspunkt zwischen den Thyristoren des zugehörigen Thyristor-Paares angeschlossen.

Die Gleichspannung für den Wechselrichter wird von einer steuer baren Gleichspannungsquelle geliefert, beispielsweise von einem sogenannten Halbumrichter, der die Netz-Wechselspannung in die erforderliche Gleichspannung umwandelt. In mindestens einer der Gleichspannungsleitungen zwischen dem Halbumrichter und dem

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Wechselrichter ist eine Glättungs-Drosselspule vorgesehen.

Eine Steuervorrichtung dient dazu, Taktimpulse zu erzeugen, die eine solche Folgefrequenz aufweisen, daß unabhängig von der Größe der an den Wechselrichter angelegten Gleichspannung stets ein konstantes Spannungs-Zeit-Integral vorliegt. Diese Steuervorrichtung besitzt eine Integriervorrichtung, welche die an den Klemmen des Wechselrichters auftretende Gleichspannung integriert. Das Ausgangssignal der Integriervorrichtung wird einer Vergleichsvorrichtung zugeführt, an welcher bereits ein Integratiorrs-Bezugspegelsignal anliegt, welches von einer entsprechenden Bezugsspannungsquelle geliefert wird. Das Bezugspegelsignal stellt das gewünschte konstante Spannungs-Zeit-Integral dar. Wenn die Vergleichsvorrichtung feststellt, daß das Ausgangssignal der Integriervorrichtung den Pegel des Bezugspegelsignales erreicht hat, wird ein Taktimpuls erzeugt. Dieser Taktimpuls aus einer Folge von Taktimpulsen veranlaßt eine Zündimpulsvorrichtung an die Steuerelektroden ausgewählter Thyristoren in dem Wechselrichter Zündimpulse anzulegen. Gleichzeitig wird dieser Taktimpuls über eine Rückstellvorrichtung an die Integriervorrichtung zurückgespeist, um die Integriervorrichtung zurückzusetzen und damit ein neues Integrationsspiel zu beginnen. Auf diese Weise steigt die Frequenz der an die Thyristoren des Wechselrichters angelegten Zündimpulse mit der Größe der Gleichspannung an, so daß die Motordrehzahl abhängig von der Größe der an den Wechselrichter angelegten Gleichspannung ist. -

Beim Anlaß des : Motors ermöglichen in dem Strom des Halbumrichters stets vorhandene natürliche Unregelmäßigkeiten die gewünschte Dreherregung der Ankerwicklungen des Motors, bevor die in den Ankerwicklungen induzierten Spannungen groß genug sind, um die Kommutierspannungen zu liefern. Wenn die Gleichspannungsquelle keine solchen Unregelmäßigkeiten aufweist, muß eine Modulationsvorrichtung verwendet werden, die beim Anlauf Unregelmäßigkeiten in den Strom erzeugt. Falls erwünscht, kann natürlich auch ein fremdgesteuerter Wechselrichter eingesetzt werden. Derartige

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Unregelmäßigkeiten bewirken jedoch ein fehlerhaftes Arbeiten der Integriervorrichtung, weshalb im vorliegenden Falle eine Kurven-Formvorrichtung verwendet wird, um zu verhindern, daß etwaige Unregelmäßigkeiten die Integriervorrichtung ungünstig beeinflussen. Diese Kurven-Formvorrichtung kann aus einer Dioden-Widerstands-Anordnung bestehen, welche die Signale der Motorwicklungen an die Gleichstromseite des Wechselrichters zurückkoppelt.

Eine Reguliervorrichtung, beispielsweise ein Sägezahngenerator, wird zur Steuerung des Halbumrichters verwendet, um beim Anlaß der Anordnung eine langsam ansteigende Gleichspannung zu er zeugen, so daß der Motor langsam auf die gewünschte Enddrehzahl beschleunigt wird. Um die gewünschte natürliche Kommutierung zu erzielen, muß der Wechselrichter einen Strom mit voreilendem Leistungsfaktor an die Motorwicklungen liefern. Es besteht jedoch die Möglichkeit, daß der Wechselrichter eine Betriebsart mit nacheilendem Leistungsfaktor einnimmt. Bei verschiedenen Anwendungen ist es erforderlich, eine solche Betriebsweise aus zuschließen, aber im Zusammenhang mit dem hier verwendeten Zentrifugalkompressor reicht ein empirisches Anlaufverfahren nach dem Erfolgsprinzip aus, um sicherzustellen, daß der Wechsel richter schließlich stets in die Betriebsart mit voreilendem Leistungsfaktor übergeht.

Um diese Betriebsart sicherzustellen, ist eine Stromdetektorvorrichtung erforderlich, welche den dem Wechselrichter zuge- führten Strom mißt. Falls der Wechselrichter in die nacheilende Betriebsart gelangt, tritt ein überstrom auf, sobald der diskontinuierliche Anlaufstrom kontinuierlich wird, weil keine natürliche Kommutierung erzielt wird. Zu diesem Zeitpunkt über steigt der Strom ein Bezugspegelsignal für anormalen Anlaßstrom, welches zusammen mit einem den Wechselrichterstrom darstellenden Signal an eine Anlaß-Vergleichsvorrichtung angelegt wird. Gleichzeitig wird ein Signal an den Sägezahngenerator angelegt, der diesen, zurückstellt, um die Erzeugung eines Sägezahnsignales er-

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neut zu beginnen.

Ein Rückstellen des Sägezahngenerators muß bei einem betriebsmäßig laufenden Motor unterbunden werden, weil auch der Betriebsstrom zuweilen den Bezugspegel für anormalen Anlaßstrom überschreiten kann. Dies wird dadurch erreicht, daß eine Sägezahn-Vergleichsvorrichtung verwendet wird, welche ein Sägezahnsignal mit einem Fenster-Bezugssignal vergleicht, welches dem Spannungspegel des Sägezahnsignales entspricht, oberhalb dessen die Rückstell anordnung für anormalen Anlaß unwirksam gemacht werden soll. Die Sägezahn-Vergleichsvorrichtung erzeugt nur dann ein Ausgangssignal, wenn das Sägezahnsignal kleiner ist als das Fenster-Bezugssignal. Eine Rückstellvorrichtung, beispielsweise eine NAND-Schaltung mit zugehörigem Signalerzeuger, stellt sicher, daß die Anlaß-Vergleichsvorrichtung den Sägezahngenerator nur dann zurückstellt, wenn das Sägezahnsignal kleiner ist als das Fenster-Bezugssignal.

Mit der Anordnung nach der Erfindung kann eine elektromotorische Antriebseinrichtung beispielsweise für einen Zentrifugalkompressor realisiert werden, die folgende Eigenschaften aufweist: (1) Sanfter Anlauf ohne Stromstöße, (2) geringe Gesamtgröße des Kompressors, (3) Unabhängigkeit von der Netzfrequenz (z.B. 60 Hz, 50 Hz, 25 Hz), (4) vereinfachte Schmierung wegen des Wegfalls der Zahnräder in der Hälfte aller Lager und (5) elektronische Drehzahlsteuerung im Gegensatz zu einem Zahnradwechsel, Weiterhin wird hierdurch ein kommutatorloser Gleichspannungsantrieb vorgesehen, der einfacher und raumsparender und damit weniger kostspielig ist. Der Wellenstellungsanzeiger bei den bisher bekannten kommutatorlosen Gleichspannungsantrieben ist entfallen und durch eine vollkommen elektronische Steuerung ersetzt worden. Weiterhin ist ein kommutatorloser Gleichspannungsantrieb vorgesehen worden, bei welchem die Motordrehzahl bei Lastschwankungen selbsttätig kompensiert wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger in der beige-

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— fi «·

fügten Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei sich weitere Merkmale, Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben. In der Zeichnung zeigen:

Pig. IA ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispieles der Erfindung,

Pig. IB ein schematisches Kurvenform-Schaubild, das den Einfluß eines konstanten Zeitintegrales in der Anordnung nach Fig. IA verdeutlicht,

Fig. 2 ein schematisches Schaubild der an dem Wechselrichter nach Fig. IA bei verschiedenen Belastungen auftretenden Gleichspannungen,

Fig. 3 ein schematisches Schaltbild der Anordnung nach Fig. IA in einer bestimmten Anwendung,

Fig. 4 eine Anzahl schematischer Kurvenform-Schaubilder, die den Einfluß einer Kurven-Formvorrichtung nach Fig. 3 verdeutlichen,

Fig. 5 ein ausführlicheres Blockdiagramm der Anordnung nach Fig. 3,

Fig. 6 ein schematisches Diagramm zur Darstellung des Zeitgeber-Transformators in der Anordnung nach Fig. 5,

Fig. 7 ein schematisches Schaltbild des Halbumrichters und des Wechselrichters nach Fig. 5,

Fig. 8 ein schematisches Schaltbild eines ersten Teiles einer Steuervorrichtung nach Fig. 5,

Fig. 9 ein schematisches Schaltbild eines zweiten Teiles der Steuervorrichtung nach Fig. 5,

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Fig. 10 ein schematisches Blockdiagrairun einer Steuervorrichtung für den Halbumrichter nach Fig. 5,

Fig. 11 ein ausführlicheres schematisches Schaltbild der Anordnung nach Fig. 10 und

Fig. 12 ein schematisches Blockdiagramm einer im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendeten Drehzahl-Reguliervorrichtung.

In Fig. IA ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, dargestellt. Die Verwendung dieses Ausführungsbeispieles in der speziellen Anwendung zum Antrieb eines Zentrifugalkompressors einer Klimaanlage ist ausführlicher in den Fig. 3 und 5-11 verdeutlicht.

Bei der Anordnung nach der Erfindung wird die Notwendigkeit ,eines Wellenstellungsanzeigers vollständig vermieden. Weiterhin hat sie ein dynamisches Leistungsvermögen, das besser als dasjenige der bisher bekannten derartigen Anordnungen ist, da die Anordnung nach der Erfindung von sich aus bei Belastungsänderungen des Motors auftretende Drehzahländerungen kompensiert. Für die vorliegende Beschreibung wird eine Ventilatorkennlinie angenommen, die in dem gesamten Drehzahlbereich eine natürliche Kommutierung gestattet. Die Erfindung ist natürlich in gleicher Weise auch für andere Belastungsarten geeignet, bei denen der Wechselrichter entweder fremdgesteuert oder eigengesteuert isrt.

In Fig. IA wird ein Dreiphasen-Synchronmotor 15 durch seine drei Ankerwicklungen 17, 19 und 21 dargestellt. Der Motor 15 kann auch ein Einphasen- oder anderer Mehrphaeen-Motor sein.

Die Ankerwicklungen 17, 19 und 21 des Synchronmotors 15 werden über einen Wechselrichter 23 erregt, der drei Paare selektiv betätigbarer Schaltvorrichtungen 27 aufweist, beispielsweise steuerbare Siliziumgleichrichter oder andere Thyristoren A1-A2,

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B1-B2, C1-C2. Diese drei Thyristor-Paare sind in Serie zwischen zwei Gleichspannungsanschlüsse X und Y angeschlossen. Die Ankerwicklungen 17, 19 und 21 sind mit einem Ende an den Verbindungspunkt zwischen den Thyristoren eines zugehörigen Thyristor-Paares und mit dem anderen Ende an einen gemeinsamen Sternpunkt angeschlossen. Die Ankerwicklungen können ebenso gut auch in
Dreieckschaltung verwendet werden.

Das Zünden der Thyristoren A1-A2, B1-B2 und C1-C2 geschieht mit Hilfe einer Zündimpulsvorrichtung 25, welche an Steuerelektroden 27 der Thyristoren Zündimpulse anlegt, um die Thyristoren für die Stromleitung vorzubereiten. Da in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel natürliche Kommutierung verwendet wird, werden die
Thyristoren durch die in den Ankerwicklungen 17, 19 und 21 induzierten. Spannungen abgeschaltet. Die Folgefrequenz der Zündimpulse von der Zündimpulsvorrichtung 25 wird durch eine Steuervorrichtung 29 bestimmt. Die Steuervorrichtung 29 enthält eine Integriervorrichtung 31, eine Bezugsspannungsquelle 33, welche ein Integrationsbezugspegelsignal k liefert, eine Vergleichsvorrichtung 35 und eine Rückstellvorrichtung 37. Die Vergleichsvorrichtung wird hier durch eine Summiervorrichtung 34 und durch eine NuIl- durchgangs-Detektorvorrichtung 36 dargestellt. Die an den
Klemmen X und Y des Wechselrichters 23 auftretende Spannung ν_χγ fällt auch an einem durch Widerstände 39 und 41 gebildeten
Spannungsteiler ab. Die an dem Verbindungspunkt der Widerstände 39 und 41 auftretende Spannung wird der Integriervorrichtung 31 zugeführt.

Die Integriervorrichtung 31 erzeugt ein Ausgangssignal, das von der Größe der Spannung ν_χγ abhängt, wie es durch die beiden
Kurvenformen in Fig. IB dargestellt ist. Die erste Kurvenform
entspricht einer relativ niedrigen Gleichspannung, während die
zweite Kurvenform den Ausgang der Integriervorrichtung 31 für eine relativ hohe Spannung ν_χγ darstellt. Bei einem durch das Integrationsbezugssignal k bestimmten Wert erzeugt die Vergleichsvorrichtung 35 einen Taktimpuls, der an die Zündimpulsvorrichtung

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- li -

25 weitergeleitet wird, um die Erzeugung von Zündimpulsen zu steuern. Jedesmal, wenn ein Taktimpuls erzeugt worden 1st, stellt die Rückstellvorrichtung 37 die Integriervorrichtung 31 zurück, um das Integrieren der angelegten Gleichspannung erneut zu beginnen. .

Wie aus Fig. IB ersichtlich, bestimmt die Größe der Spannung ν_χγ die Folge frequenz der Taktimpulse und damit auch die Folgefreguenz der von der Zündimpulsvorrichtung 25 erzeugten Zündimpulse. Bei einer relativ niedrigen Spannung dauert es eine relativ lange Zerspanne t·^, bis das Ausgangssignal der Integriervorrichtung den Bezugspegel k erreicht. Daher ist die Folgefrequenz f^ relativ gering. Wenn die Spannung ansteigt, wie es in der zweiten Kurvenform dargestellt ist, nimmt die Zeit t«# die die Integriervorrichtung benötigt, um den Pegel k zu erreichen, ab und die Frequenz f, ist höher.

Die Ausgangsspannung der steuerbaren Gleichspannungsquelle mit dem Halbumrichter 43, welche dem Wechselrichter 23 durch eine Glättungs-Drosselspule 45 zugeführt wird, kann dazu verwendet werden, die Drehzahl des Synchronmotors.15 zu bestimmen. Eine solche Drehzahleinstellung kann durch eine Reguliervorrichtung vorgenommen werden, welche die Ausgangsspannung V_DC des Halbumrichters 43 bestimmt. Die Reguliervorrichtung 47 läßt dabei die von dem Halbumrichter 43 erzeugte Spannung V_DC an dem Wechselrichter 23 langsam bis zu ihrer vollen Größe ansteigen. Hierdurch wird der Synchronmotor 15 langsam auf seine volle Drehzahl gebracht, wobei die Anlaufbeschleunigung durch entsprechende Einstellung der Reguliervorrichtung 47 bestimmt wird.

Die Arbeitsweise der Anordnung nach Fig. IA im eingeschwungenen Zustand ist folgendermaßen. Die Hauptaufgabe der Steuervorrichtung 29 besteht darin, Taktimpulse zu liefern, welche den Zeitpunkt des Auftretens von Zündimpulsen im Wechselrichter 23 in einer solchen Weise bestimmt, daß zwischen aufeinanderfolgenden Zündimpulsen ein konstantes Spannungs-Zeit-Integral der

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Spannung ν_χγ an dem Wechselrichter aufrechterhalten wird (was in Fig. IB dargestellt ist). Dieser Zustand kann durch folgende Formel ausgedrückt werden:

^VAV

C V„„ dt = T V„„ = -^- = k

'XY ^ " ^x ^VAV

worin V^. - Mittelwert der Wechselrichterklemmenspannung, d.h. Mittelwert von ν_χγ

T = l/6f - Zeitspanne zwischen den Thyristorzündungen f - Motorfrequenz

k - eine das festgehaltene Spannungs-Zeit-Integral darstellende Konstante.

Aus der üblichen Umformertheorie ist der folgende Zusammenhang zwischen der mittleren Spannung an den Gleichspannungsklemmen und der induzierten Motorspannung bekannt, wenn keine Überlappung der Kommutierung auftritt:

V_AV = WS⁷ V_m cos o~
IU

wobei V_m - Spitzenwert der netzneutralen Motorspannung unter der ' Annahme von Sinusform

O - Ausgleichswinkel des Wechselrichters, d.h. Winkel der Fundamentalkomponente des Wechselrichter-Ausgangsstromes gegenüber der* Motorspannung.

Diese. Gleichungen ergeben zusammen den Ausdruck:

Bei konstanter Erregung des Motors ist

^Vm - ^{c f}

Im unbelasteten Zustand hat c einen konstanten Wert. Der Wert von c ändert sich jedoch mit der Belastung infolge der Anker-

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rückwirkung, und zwar üblicherweise um 20% zwischen Leerlauf und Vollast.

Hieraus ergibt sich:
^{o =} c

Aus dieser Gleichung ist ersichtlich, daß bei dieser Arbeitsweise der Ausgleichswinkel <5~ des Wechselrichters und der Leistungsfaktor des Motors cos <S~ unabhängig von der Drehzahl konstant bleibt, wenn angenommen wird, daß c, d.h. das Drehmoment konstant bleibt. Dieser Ausdruck erlaubt allerdings theoretisch sowohl einen voreilenden als auch einen nacheilenden Wechselrichterwinkel. Dies bedeutet, daß sich das System theoretisch in eine von zwei Arbeitsweisen einspielen kann, in denen der Wechselrichter entweder mit voreilendem oder mit nacheilendem Phasenwinkel arbeitet. Bei der Anwendung der natürlichen Kommutierung des Wechselrichters ist in der Praxis jedoch nur ein voreilender Phasenwinkel zulässig, bei dem der Ström der Spannung vorauseilt. Es muß daher sichergestellt werden, daß beim Anlauf das System sich in die Arbeitswelse mit voreilendem Phasenwinkel einspielt.

In der Praxis erfolgt die natürliche Kommutierung des Wechselrichters infolge der subtransitorischen Reaktanz des Motοres nicht augenblicklich. Es tritt vielmehr bei jeder Kommutierung ein überlappungswinke1 u auf, während dem sowohl der Eingangsais auch der Ausgangs-Thyristor gleichzeitig leitend sind. Der obige Ausdruck für V_AV muß daher wie folgt modifiziert werden

^VAV ⁼ "^= ^V~ I ^COS ^{0 +} ^{COS (U}

Mit dieser Abänderung ergibt sich der Ausdruck der vorletzten Gleichung für den Leistungsfaktor zus

cos ö + cos (u + ο ) = ·—

Aus den vorstehenden theoretischen Überlegungen, insbesondere aus

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der ersten angegebenen Gleichung, geht hervor, daß die Motorfrequenz und damit auch die Drehzahl des Motors der mittleren Spannung an den Gleichspannungsklemmen XY des Wechselrichters direkt proportional ist. Hieraus folgt, daß die Motordrehzahl unabhängig von der Belastung der angelegten Gleichspannung V_DC direkt proportional ist, wenn der relativ kleine Spannungsabfall an der Glättungs-Drosselspule 45 vernachlässigt werden kann. Mit anderen Worten verhält sich die Kombination aus Synchronmotor und Wechselrichter, von der Gleichspannungsversorgung aus gesehen, wie ein Gleichspannungsmotor mit vollkommener Kompensation.

Die letzte der angegebenen Gleichungen läßt weiterhin die Art und Weise erkennen, in welcher die erfindungsgemäße Steuerung den Zündwinkel des Wechselrichters mit Laständerungen verändert. Wenn die Last ansteigt, erhöht sich der Überlappungswinkel u und der Ausgleichswinkel ώ des Motors nimmt ab. Unter der theoretischen Annahme, daß die Motorklemmenspannung konstant bleibt, steigt der Zündwinkel (u +cT). mit der Belastung an. Dies ist in den Kurvenformen der Fig. 2 dargestellt, in welcher die Kurvenform A den Zustand relativ leichter Belastung und die Kurvenform B den Zustand für Vollast verdeutlicht. In der Praxis nimmt die Amplitude der induzierten Motorspannung wegen der Ankerrückwirkung mit ansteigender Belastung ab, was durch die Steuerung dadurch kompensiert wird, daß sie den Zündwinkel leicht verringert. Die Gesamtwirkung auf den Zündwinkel des Ansteigens des Überlappungswinkels und des gleichzeitigen Verringerns der Motorspannung hängt von den Eigenschaften des verwendeten Motors ab. üblicherweise, neigt der Zündwinkel dazu, mit ansteigender Belastung geringfügig abzunehmen.

Die vorhergehende Beschreibung der Betriebsweise der Anordnung nach der Erfindung bezog sich auf den normalen eingeschwungenen Zustand. Wie zuvor angedeutet, treten Probleme auf, wenn der Motor ohne die Verwendung eines Wellenstelluhgsanzeigers anlaufen soll. Bei den bekannten derartigen Anordnungen, welche für die

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Drehzahlregelung die induzierten Motorspannungen abfühlen, sind die zu Beginn des Anlaufes auftretenden verrauschten Spannungen niedriger Amplitude derart, daß ihr Augenblickswert nicht zur Steuerung der Zündimpulserzeugung herangezogen werden kann. Bei der Anordnung nach der Erfindung stellen die verrauschten Spannungen kein Problem dar, da die Wechselrichterspannung V^ integriert wird, bevor der Pegelvergleich stattfindet. Weiterhin spricht die Vergleichsvorrichtung 35, wie in Fig. IB dargestellt, unabhängig von der Drehzahl unveränderlich bei dem gleichen festen Bezugspegel k an. Die Steuervorrichtung 29 kann als spannungsgesteuerter Oszillator betrachtet werden, der eine lineare Spannungs-Frequenz-Übertragungskennlinie aufweist, welche sich aber auf den Mittelwert und nicht auf den Augenblicks-' wert der Eingangssignale bezieht. Sobald daher eine Gleichspannung an den Wechselrichter angelegt wird, so klein diese Gleichspannung auch sein mag, bewirkt dieser "Oszillator" die Erzeugung von Zündimpulsen für den Wechselrichter in von Natur aus zuverlässiger Weise.

Für die natürliche Kommutierung des Wechselrichters beim Anlauf wird eine Modulationsvorrichtung 49 verwendet, welche der angelegten Gleichspannung V_DC eine Welligkeitskomponente überlagert, deren Frequenz gegenüber der Anfangsfrequenz des Wechselrichters groß ist. Bei dieser Anordnung ist die Kurvenform des dem Wechselrichter 23 zugeführten Stromes bei niedrigen Mittelwerten der Eingangsspannung diskontinuierlich und besteht aus einer Folge einzelner Impulse mit relativ hoher Folgefrequenz· Wenn die mittlere Eingangsgleichspannung des Wechselrichters 23 von Null aus erhöht wird, beginnen die Zündimpulse die Wechselrichterthyristoren zyklisch zu zünden, so daß der diskontinuierliche Eingangsstrom den Motorwicklungen zyklisch zugeführt wird. Wegen der diskontinuierlichen Kurvenform des Eingangsstromes braucht der Wechselrichter 23 den Strom noch nicht zu kommutieren und arbeitet daher während des Anlaufes lediglich als Verteiler für die diskontinuierlichen Eingangsstromimpulse. Auch wenn der Motor anfänglich in einer falschen Lage steht, ist dies hinsichtlich

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ORiGlNAL INSPECTED

der Kommutierung des Wechselrichters ohne Bedeutung, weil der Motorläufer automatisch innerhalb weniger "Schalt-Zeitspannen" des Wechselrichters in den stabilen Zustand gezogen wird. Allerdings kann diese Anordnung stabil arbeiten, wenn der Wechselrichter entweder einen voreilenden oder einen nacheilenden Leistungsfaktor liefert. Solange der Eingangsstrom aus einer Folge diskontinuierlicher Impulse besteht, kann das System in beiden Betriebsarten arbeiten, da der Strom effektiv auf der Gleichspannungs-Eingangsseite kommutiert wird und nicht durch induzierte Spannungen. Wenn die Eingangsspannung jedoch erhöht wird, und der Eingangsstrom kontinuierlich wird, muß der Ausgangsstrom nunmehr durch die induzierten Motorspannungen kommutiert werden. Dies kann nur solange erreicht werden, als der Wechselrichter in die voreilende Betriebsart übergegangen ist. Wenn dies der Fall ist und der Wechselrichter in die voreilende Betriebsart übergegangen ist, bewirkt eine weitere Erhöhung der Eingangs-Gleichspannung V_DC eine gleichförmige Beschleunigung des Motors bis zu der eingestellten Enddrehzahl.

Wenn der Wechselrichter auf der anderen Seite in eine stabile Betriebsart übergegangen ist, wo er einen nacheilenden Leistungsfaktor abgibt, ist er nicht in der Lage, den Strom zu kommutieren, wenn er kontinuierlich wird. Wenn der Wechselrichter den Strom nicht kommutleren kann, wird der Gleichspannungsversorgung 43 ein relativ großer Strom über den fehlerhaft arbeitenden Wechselrichter entnommen und der Synchronmotor 15 fällt außer Tritt. Bei vielen Anwendungen dieser Anordnung, wie bei der hier erwähnten, ist es durchaus zulässig, die Eingangsgleichspannung im Falle eines erfolglosen Anlaßversuches einfach auf Null zurückzusetzen und den Anlaßvorgang in dieser Weise nach dem Erfolgsprinzip solange zu wiederholen, bis die richtige stabile Betriebsart erreicht ist. Dies kann dadurch erzielt werden, daß •in· Stromdetektorvorrichtung 51 verwendet wird, welche den von der Gleichspannungsversorgung 43 an den Wechselrichter 23 gelieferten Strom mißt. Eine Wiederanlaßvorrichtung 53 dient dazu, festzustellen, wann der durch die Stromdetektorvorrichtung 51

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gemessene Strom einen vorgegebenen Wert überschreitet und damit eine fehlerhafte Kommutierung anzeigt und weiterhin dazu, die Spannungsquelle 43 zu einer Rückkehr nach Null und zu einem neuen Beginn zu veranlassen, der eine langsam ansteigende Spannung V_DC erzeugt. Statistisch gesehen besteht eine 50%ige Chance dafür, daß der Motor in der gewünschten voreilenden Betriebsart anläuft. Jedenfalls läuft der Motor stets nach wenigen Versuchen erfolgreich an. In der Praxis läuft dieses Verfahren natürlich vollständig selbsttätig ab, so daß nach außen hin etwaige abgebrochene Startversuche praktisch unbemerkt ablaufen und nur wenige zehntel Sekunden vergehen, bis der Motor schließlich in der richtigen Richtung anläuft.

Da die vorliegende Antriebseinrichtung für den direkten Antrieb eines Zentrifugalkompressors hoher Geschwindigkeit entwickelt worden ist, wird in Fig. 3 diese spezielle Anwendung der Anordnung nach Fig. 1 dargestellt. Zur Erleichterung des Vergleiches sind entsprechende Elemente der Anordnung nach Fig. 3 durch mit einem Strich versehene Bezugszeichen der Fig. 1 bezeichnet.

Die Gleichspannungsquelle, wieder als Halbumrichter 43' ausgebildet, wird von einem Dreiphasen-Wechselstromnetz 55 mit 60 Hz gespeist. Der Halbumrichter 43* besitzt drei Thyristoren A, B und C, die in Serie mit einer entsprechenden Diode D,, D_ß und Dp in Serie geschaltet sind. Eine Zündimpulsvorrichtung 57 verteilt Zündimpulse an die Steuerelektroden der Thyristoren A, B und C in zyklischer Reihenfolge. Zur Festlegung der Größe der an dem Ausgang des Halbumrichters 43' entstehenden Gleichspannung kann eine Phasensteuerung der Zündimpulsvorrichtung 57 verwendet werden. Diese Steuerung erfolgt durch eine Phasenwinkel-Steuervorrichtung 59. Eine Reguliervorrichtung 47' reguliert die von der Phasenwinkel-Steuervorrichtung 59 durchgeführte Steuerung.

Die Reguliervorrichtung 47' erzeugt beim Anlauf der Anordnung ein langsam ansteigendes Signal, so daß der Synchronmotor 15·

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allmählich auf seine volle Drehzahl gebracht wird. Die Reguliervorrichtung 47· besitzt einen Startsignalgenerator 61, der zu Beginn der Erregung des Systemes ein Startsignal erzeugt. Dieses Startsignal vird an einen Sägezahngenerator 63 weitergeleitet, der ein langsam ansteigendes Sägezahnsignal erzeugt, das eine vorbestimmte Neigung besitzt. Dieses Sägezahnsignal wird an die Phasenwinkel-Steuervorrichtung 59 angelegt, um zu erreichen, daß die von.dem Halbumrichter 43' erzeugte Gleichspannung die langsam ansteigende Kurvenform des Sägezahnsignales aufweist.

Die Wideranlaßvorrichtung 53' ist etwas ausführlicher dargestellt. Ein Anlaß-Bezugsspannungsquelle 65 liefert ein Bezugsspannungssignal für einen anormalen Anlaßstrom, der einen bei einem anormalen Anlauf auftretenden Überstrom anzeigt. Die Anlaß-Vergleichsvorrichtung 67 vergleicht das Bezugssignal mit dem durch die Stromdetektorvorrichtung 51* erzeugten Signal. Wenn der von der Stromdetektorvorrichtung 51' festgestellte Strom größer ist, als das Bezugssignal für einen anormalen Anlaßstrom, erzeugt die Anlaß-Vergleichsvorrichtung 67 ein Ausgangssignal, das den Sägezahngenerator 63 zurückstellt, so daß dieser erneut ein Sägezahnsignal aufzubauen beginnt. Die Rückstellanordnung enthält weiterhin ein NAND-Tor 69 und eine Sägezahn-Rückstellvorrichtung 71..

Da der normale Laststrom des Wechselrichters 23* durchaus den Bezugspegel für einen anormalen Anlaßstrom überschreiten kann* muß die Wiederanlaßvorrichtung 53· unwirksam gemacht werden, nachdem die von dem Halbumrichter 43' erzeugte Gleichspannung einen vorbestimmten Wert überschritten hat. Der Pegel, bei welchem die Wiederanlaßvorrichtung 53· unwirksam gemacht wird, ist durch eine Fenster-Bezugssignalquelle 73 bestimmt, welche ein Penster-Bezugssignal für den Punkt erzeugt, an welchem die Wiederanlaßvorrichtung 53' abgeschaltet werden soll. Das Penster-Bezugssignal wird einer Sägezahn-Vergleichsvorrichtung 75 zusammen mit dem Sägezahnsignal des Sägezahngenerators 63 zugeführt. Die Sägezahn-Vergleichsvorrichtung 75 erzeugt ein Aus-

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gangssignal, bis das Sägezahnsignal das Fenster-Bezugssignal überschreitet. An diesem Punkt wird von dem NAND-Tor 69 die logische "1" entfernt, so daß die Erzeugung einer "1" durch die Anlaß-Vergleichsvorrichtung 67 den Sägezahngenerator 63 nicht erneut einschaltet. Infolge der Verwendung eines Halbumrichters 43* ist es nicht erforderlich, die an den Wechselrichter 23· angelegte Gleichspannung zu modulieren, um beim Anlassen einen diskontinuierlichen Strom zu erzeugen, da der Halbumrichter 43· von sich aus eine Brummspannungskomponente erzeugt, die eine Grundfrequenz von 180 Hz aufweist und der Ausgangsgleichspannung des Halbumrichters 43' überlagert ist. Bei geeigneter Dimensionierung der Glättungs-Drosselspule 45' ist der dem Wechselrichter 23· zugeführte Strom bei niedrigen Gleichspannungen in natürlicher Weise diskontinuierlich.

Während des Anlaufes erscheint der diskontinuierliche Strom wie in Fig. 4 in idealisierter Weise durch die Kurvenform A dargestellt. Die entsprechende idealisierte Klemmen-Gleichspannung Vy wird durch die Kurvenform B dargestellt. Wie ersichtlich, treten einige Leerstellen 77 auf, die als Folge der Diskontinuitäten der Gleichspannung, die den Diskontinuitäten des Stromes entsprechen, entstehen. Diese Leerstellen 77 in der Spannung beeinträchtigen die Arbeitsweise der Integriervorrichtung 31', da die Gegen-EMK des Synchronmotors 15♦ während der Leerstellen-Zeitspannen infolge der nicht-leitenden Thyristoren blockiert ist. Die Leerstellen subtrahieren sich daher von dem tatsächlichen Spannungs-Zeit-Produkt, das integriert wird, und bewirken, daß der Zündimpuls später auftritt als er eigentlich sollte. Hierdurch wird der Leistungsfaktor in Richtung auf einen nacheilenden Leistungsfaktor verändert, weil der Lei·tungsfaktorwinke 1 kleiner wird. Dieser kleinere Leistungsfaktorwinkel kann ein Aussetzen der Kommutierung verursachen, weil die Kommutierzeitspanne verringert ist. Zur Bewältigung dieses Probleme» wird eine Kurven-Formvorrichtung verwendet, die aus Dioden 79 und zwei Widerständen 81 und 83 besteht. Die Widerstände 81 und 83 sind jeweils an einem Ende mit einer der Gleichspannungsklemraen

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ORlGtNALlNSPECTED

X und Y verbunden. Die Dioden 79 sind in drei Paaren angeordnet, von denen jedes in Serie zwischen den anderen Enden der Widerstände 81 und 83 eingeschaltet ist. Der Verbindungspunkt beider Dioden 79 ist dann jeweils mit dem Verbindungspunkt entsprechender Thyristor-Paare A1-A2, B1-B2, C1-C2 verbunden. Die Kurvenform C der Fig. 4 stellt die gleichgerichtete Vollwellen-Ausgangsspannung dar, die an den Ausgängen der Dioden 79 auftritt. Die Art und Weise, in welcher diese Spannung dazu dient, die Leerstellen 77 aufzufüllen, ist in der Kurvenform D der Fig. 4 dargestellt.

In der Praxis benötigen die Thyristoren relativ große Ströme, um leitend zu bleiben, was zur Folge hat, daß die Widerstände 81 und 83 relativ klein sein müssen. Andererseits wiederspricht es dem eigentlichen Zweck dieser Anlaßmethode, die Thyristoren kontinuierlich leitend zu halten, und es ist lediglich notwendig, die gleichgerichtete Motorspannung den Widerständen 39' und 41* zuzuführen. Dies bedeutet, daß die Summe der Widerstände 81 und 83 in der Größenordnung von einem Zehntel der Summe der Widerstände 39' und 41' sein sollte, was sich praktisch realisieren läßt. Die Leerstellen werden nicht ganz genau ausgefüllt, wie aus der Kurvenform D der Fig. 4 ersichtlich ist, aber die Zündimpulse der Zündimpulsvorrichtung 25* werden nicht in ihrer Lage verschoben, wie es der Fall wäre, wenn die Kurven-Formvorrichtung nicht vorhanden wäre. Die Integriervorrichtung 31' integriert daher eine Spannung, die im wesentlichen kontinuierlich ist, während dem Synchronmotor 15* weiterhin ein diskontinuierlicher Strom zugeführt wird. Ein vollständiges Schaltbild für die Anwendung der vorliegenden Erfindung in einer Anordnung nach Fig. 3 1st in den Flg. 5-11 dargestellt. Die Fig. 5 gibt in teilweiser Blockform die Teile der Schaltung an, die in den folgenden Figuren genauer dargestellt sind. Ein im Detail in Fig. 6 dargestellter Zeitgeber-Transformator 85 liefert die Phasenwinkel-Steuerinformation für die Phasenwinkel-Steuervorrichtung 59 nach Fig. 3. Der Halbumrichter 43* und der Wechselrichter 23* sind im Detail in Fig. 7 dargestellt.

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Eine Teilschaltung 87 mit dem Motor-Steueroszillator, und den Anlauf- und Uberstrom-Schaltungen, die im Detail in Fig. 8 dargestellt ist, liefert die Taktsteuerimpulse der Steuervorrichtung 29 nach Fig. IA, um eine passende Erzeugung von Zündimpulsen durch die Zündimpulsvorrichtung 25 zu veranlassen. Diese Teilschaltung 87 enthält weiterhin die Anlauflogik für den Wiederanlauf des Systemes, wenn der Motor in der unerwünschten Betriebsart mit nacheilendem Leistungsfaktor anzulaufen beginnt. Weiterhin ist in der Teilschaltung 87 eine überstromlogik enthalten, um in dem Wechselrichter einen "Brecheisen-Effekt" vorzusehen, der den Maschen-Gleichstrom im Nebenschluß an dem Synchronmotor 15' vorbeiführt und ein Signal an die Halbumrichter-Steueruhg abgibt, den Halbumrichter 43' in der Phase zurückzu- nehmen, wenn in dem System ein unsicherer Zustand auftritt. Diese letztere Schaltung ist erforderlich, weil in dem speziellen Anwendungsfall ein Läufer mit einem Permanentmagneten verwendet werden soll und überströme in dem Motor vermieden werden müssen, damit der Läufer nicht entmagnetisiert wird.

Eire Teilschaltung 89 für die Wechselrichter-Erregung steuert die Erzeugung von Zündimpulsen für die Wechselrichter-Thyristoren. Da der Strom während des Anlaufes diskontinuierlich ist, wird für die Wechselrichter-Thyristoren ein kontinuierliches Steuersignal benötigt. Die Teilschaltung 89 erzeugt für die Wechselrichter-Thyristoren ein sogenanntes "Lattenzaun-Signal". Obwohl ein solches Ausgangssignal nicht ausgesprochen kontinuierlich ist, wirkt es in der Praxis doch kontinuierlich, weil die Folgefrequenz der Impulse während des Anlaufes groß gegen die Motorfrequenz und die Schaltfrequenz des Halbumrichters ist. Die Teilschaltung 89 ist im Detail in Fig_e 9 dargestellt. Eine weitere Teilschaltung 91 für den Halbumrichter enthält die Logik, welche die Ausgangsspannung des Halbumrichters 43' steuert. Diese Schaltung enthält einen Zündimpulsgenerator mit einem phasenstarren Oszillator. Die Schaltung enthält weiterhin einen "Lattenzaun" Impulstreiber, der mit dem Impulstreiber für den Wechselrichter synchronisiert ist. Diese Synchronisation ist

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notwendig, weil der Strom beim Starten diskontinuierlich ist, und es muß sichergestellt werden, daß bei der Zündung eines Halbumrichter-Thyristors das zugehörige Wechselrichter-Thyristor-Paar gleichzeitig gezündet wird. Weiterhin ist, wie bereits beschrieben, in der Schaltung ein Anlaß-Sägezahngenerator vorhanden, der einen glatten Anstieg der Spannung V_DC bewirkt, wie er für eine gleichmäßige Beschleunigung des Motors erforderlich ist. In Fig. 10 ist ein Blockschaltbild der Teilschaltung 91 dargestellt. Der Sägezahngenerator 63 leitet sein Sägezahnsignal an einen Differentialverstärker und Integrator 93 weiter, der ein Fehler-Ausgangssignal erzeugt, das auf der Differenz zwischen dem Sägezahnsignal und einer Rückkopplungsspannung auf einer Leitung 95 beruht. Das Fehlersignal wird an einen •pannungsgesteuerten Oszillator 97 weitergeleitet, der die erforderliche Betriebsfreguenz erzeugt. Die Impulsfolge von dem Spannungsgesteuerten Oszillator 97 wird an eine Verteilerlogik 99 weitergeleitet, welche die Impulse herunterteilt und die passende Kurvenform im Vielfach für die Weiterleitung an eine Lattenzaunlogik 101 bereitstellt. Das Ausgangssignal der Lattenzaunlogik 101 wird über Impulsverstärker 103 den Steuerelektroden der Thyristoren in dem Halbumrichter 43' zugeführt. Ein Endanschlag-Detektor 105 stellt sicher; daß die von dem epannungsgesteuerten Oszillator 97 erzeugten Impulse mit dem Netz synchronisiert sind. Das Ausgangssignal des Endanschlagdetektors 105 wird durch einen Endanschlag-Generator 107 bestimmt, der mit einer Pseudo-Halbumrichter-Rückkopplung 109 verbunden ist. Die Rückkopplung 109 wird dazu verwendet, eine Rückkopplungssteuerung durchzuführen und verschiedene Umformer-Kurvenformen in dem Bereich der Steuerschaltungen zu synthetisieren. Der Generator 107 und die Rückkopplung 109 werden durch den Zeitgeber-Transformator 85 gespeist, der die richtige Phasenwinkel-Information liefert. Die Teilschaltung 91 ist in Fig. 11 im einzelnen dargestellt.

Eine vollständige Beschreibung der Fig. 6-9 und 11 dürfte sich erübrigen, da die vorstehende Beschreibung der Grundschal turrr

BAD

die Erfindung bereits erläutert und mit diesen zusätzlichen Zeichnungen einen Fachmann in die Lage versetzt, eine betriebsfähige Schaltung aufzubauen.

Die Verwendung der vorstehenden Erfindung bei einem kommutatorlosen Gleichspannungsmotorantrieb ermöglicht es, die Drehzahl des Motors elektronisch zu regeln. Aus den .weiter oben angegebenen Gleichungen ist zu ersehen, daß die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters gegeben ist durch:

f = V_AV/6k

Das wesentliche an dem hier vorgeschlagenen Drehzahl-Regelsystern besteht einfach darin, für f eine obere Grenze vorzusehen, die der gewünschten Betriebsdrehzahl entspricht. Dies wird durch eine Rückkopplungssteuerung erreicht, welche den Wert für k in einer solchen Weise anpaßt, daß die Frequenz konstant gehalten wird. Ein Blockdiagramm dieser Drehzahlregeleinrichtung ist in Fig. dargestellt.

Die Elemente der Anordnung nach Fig. 12, die Elementen der Anordnung nach Fig. 1 entsprechen, sind, mit dem Reichen, jedoch mit einem doppelten Strich versehenen Bezugszeichen bezeichnet. Ein nicht in Fig. IA dargestellter Impulsformer 111 formt die Ausgangssignale der Nulldurchgangs-Detektorvorrichtung 36" bevor sie der Zündimpulsvorrichtung 25" und der Rückstellvorrichtung 37" zugeführt werden. Die Ausgangssignale des Impulsformers 111 werden weiterhin an eine Mittelwertschaltung 113 in einer Drehzahlregelschaltung 115 weitergeleitet. Die Mittelwertschaltung 113 erzeugt eine Ausgangsgleichspannung V₂, *ie dem Mittelwert der an die Zündimpulavorrichtung 25" angelegten Taktimpulse proportional ist. Die Spannung V₂ wird über einen Widerstand an einen Differentialverstärker 119 angelegt. Eine andere Gleichspannung V, liegt über einem Widerstand 121 an dem anderen Eingang des Differentialverstärkers 119. Die Spannung V, ist eine feste Gleichspannung, die der gewünschten Betriebsdrehzahl

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des Motors entspricht. Der Differentialverstärker 119 erzeugt ein Bezugssignal k_2# welches über eine Diode 123 an eine Summierschaltung 125 weitergeleitet wird. Ein weiteres Bezugssignal k^, welches von einer Signalquelle 127 erzeugt wird, wird ebenfalls der Summierschaltung 125 zugeführt. Das Ausgangssignal der Summierschaltung 125 ist dann das Bezugssignal k.

Da die an die Mittelwertschaltung 113 angelegten Taktimpulse konstante Breite und Amplitude aufweisen, ist die Spannung V₂ ein direktes Maß der Wechselrichterfrequenz f. Sobald die Motordrehzahl kleiner ist als die gewünschte Betriebsdrehzahl, was beim Beschleunigen und Abbremsen auftritt, 1st V- kleiner als V,, das Ausgangssignal des DifferentialVerstärkers 119 negativ und k₂ gleich Null. Unter diesen Umständen hat die Drehzahlregelschaltung 115 auf den Betrieb des Systemes somit keinen Einfluß und k ist gleich k^. Wenn die Frequenz jedoch den eingestellten Pegel entsprechend V₁ zu überschreiten trachtet, wird V₂ größer als V-^, und das Ausgangssignal des Differentialverstärkers 119 wird plötzlich positiv. Daher steigt k₂ an, k erreicht den Wert k-. + k₂ und die Frequenz wird im wesentlichen auf dem eingestellten Wert festgehalten. Hierdurch wird automatisch eine rückgekoppelte Regelung der Frequenz vorgenommen, sobald die die Frequenz darstellende Spannung V₂ den eingestellten Grenzwert erreicht, welcher der gewünschten Betriebsdrehzahl entspricht und durch die Spannung V, dargestellt wird. In der Praxis wird das System so ausgelegt, daß mit k₂ *■ β die. gewünschte Betriebsdrehzahl des Motors erreicht wird, wenn der Eingangswandler bei der niedrigsten 60 Hz Eingangsspannung ganz eingeschaltet ist. Ein Ansteigen der Eingangsspannung über den Minimalwert bringt die Drehzahlregelschaltung zum Ansprechen, wodurch die eingestellte Drehzahl aufrechterhalten wird, wenn die Gleichspannung des Wechselrichters ansteigt.

Die relativ verwickelte Drehzahlregelschaltung 115 ist notwendig, weil ein einfaches Festhalten der Spannung am Eingang der

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Integriervorrichtimg 31^H auf einem geeigneten Pegel wegen der dann auftretenden Verzerrungen der Spannung am Eingang der Integriervorrichtung unerwünscht ist. Eine solche Verzerrung der Kurvenform beeinträchtigt die detaillierte augenblickliche Natur der von dem Wechselrichter zurückgekoppelten Information und bewirkt einen unstabilen Betrieb»

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Claims

Patentansprüche :

, 1. Elektromotorische Antriebseinrichtung für den Betrieb

V. / an einer Gleichspannung mit einem Wechselspannungs-

Synchronmotoi, einem mit einer Gleichspannungsseite an die Gleichspannung und mit einer Wechselspannungsseite an die Ankerwicklung des Synchronmotores angeschlossenen ruhenden Wechselrichter, der eine Anzahl selektiv betätigbarer Sehaltvorrichtungen aufweist und abhängig von der Betätigung der Schaltvorrichtungen elektrische Energie an den Synchronmotor liefert, mit einer Zündimpulse für die Betätigung der Schaltvorrichtungen erzeugenden Zündimpulsvorrichtung und mit einer Taktimpulse für die Steuerung der Erzeugung der Zündimpulse an die Zündimpulsvorrichtungen liefernden Steuervorrichtung,

dadurch gekennzeichnet , daß die Steuervorrichtungen (29) abhängig von der Gleichspannung die Frequenz der Taktimpulse derart zu bestimmen vermag, daß das Zeitintegral der Gleichspannung zwischen aufeinanderfolgenden Taktimpulsen stets einen vorgegebenen konstanten Wert besitzt.
2. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Modulationsvorrichtung (49) vorgesehen ist, welche der Gleichspannung Impulse einer Frequenz zu überlagern vermag, die groß ist gegen die Anfangsfrequenz des Wechselrichters (23).
3. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch

. gekennzeichnet, daß eine Kurven-Formvorrichtung (79) vorgesehen ist, mit welcher während des Anlaufes Diskontinuitäten der an den Wechselrichter (23) angelegten Spannung auffüllbar sind.
4. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (29) eine die an den Wechselrichter (23)

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auftretende Gleichspannung integrierende Integriervorrichtung (31), eine ein Bezugspegelsignal liefernde Bezugsspannungsquelle (33) und eine Vergleichsvorrichtung (34) aufweist, welche festzustellen vermag, wann das Ausgangssignal der Integriervorrichtung (31) gegenüber dem Bezugspegelsignal einen vorbestimmten Wert aufweist, und daraufhin einen Taktimpuls erzeugt.
5. Antriebseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rückstellvorrichtung (37) vorgesehen ist, mit welcher die Integriervorrichtung (31) nach der Erzeugung eines Taktimpulses zurückstellbar 1st.
6. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reguliervorrichtung (47) vorgesehen ist, welche ein langsames Ansteigen der Gleichspannung des Wechselrichters (23) zu bewirken vermag.
7. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine den aus der Gleichspannungs-Quelle aufgenommenen Gleichstrom feststellende Stromdetektorvorrichtung (51) und eine Wiederanlaßvorrichtung (53) vorgesehen ist, mit welcher die Gleichspannung des Wechselrichters (23) zunächst abschaltbar und dann wieder anschaltbar ist, wenn die Stromdetektorvorrichtung (51) vor dem Erreichen der vollen Gleichspannung an dem Wechselrichter (23) einen Gleichstrom feststellt, der einen vorgegebenen Wert überschreitet.
8. Antriebseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wiederanlaßvorrichtung (53) eine ein Bezugspegelsignal für einen anormalen Anlaßstrom liefernde Anlaß-Bezugsspannungsquelle (65) und eine Anlaß-Vergleichsvorrichtung (67) aufweist, mit welcher die Reguliervorrichtung (47) zurückstellbar ist, wenn das Ausgangssignal der Stromdetektorvorrichtung (51) das

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Bezugspegelsignal für einen anormalen Anlaßstrom überschreitet.
9. Anlaßeinrichtung nach Anspruch 8; dadurch gekennzeichnet, daß die Reguliervorrichtung (47) einen Sägezahngenerator (63) aufweist/ der durch ein Signal der Anlaß-Vergleichsvorrichtung (67) zum erneuten Beginnen der Erzeugung eines Sägezahnsignales zurückstellbar ist.
10. Antriebseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Wiederanlaßvorrichtung (53) eine Fenster-Bezugssignalquelle (73) für die Erzeugung eines Fenster-Bezugssignales enthält, welches den Sägezahn-Signalpegel angibt, oberhalb dessen ein festgestellter Gleichstrom, der den Bezugspegel für einen anormalen Anlaßstrom überschreitet, keinen anormalen Anlaß mehr darstellt,

eine Sägezahn-Vergleichsvorrichtung (75) aufweist, die nur dann ein Fenster-Ausgangssignal erzeugt, wenn das Sägezahnsignal kleiner ist als das Fenster-Bezugssignal, und eine Sägezahnsignal-Rückstellvorrichtung (71) besitzt, mit welcher der Sägezahngenerator (63) nur dann zurückstellbar ist, wenn sowohl von der Anlaß-Vergleichsvorrichtung (67) als auch von der Sägezahn-Vergleichsvorrichtung (75) Signale abgegeben werden.
11. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Reguliervorrichtung (47) eine Drosselspule (45) enthält.
12. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß der Synchronmotor (15) ein Dreiphasen-Wechselstrommotor ist, daß die selektiv betätigbaren Schaltvorrichtungen sechs Thyristoren (27) sind, die in drei jeweils in Serie an die Gleichspannung angeschlossene Paare aufgeteilt sind, und daß die Ankerwicklungen (17, 19, 21) des Synchronmotors (15) jeweils an den Verbindungspunkt eines Thyristor-

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Paares angeschlossen sind.
13. Antriebseinrichtung nach Anspruch 12, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Kurven-Formvorrichtung (79) aus drei Dioden-Paaren besteht, deren Verbindungspunkte jeweils mit den entsprechenden Verbindungspunkten der Thyristor-Paare verbunden sind und daß ein erster Widerstand (81) ein Ende der Dioden-Paare mit einem Gleichspannungsanschluß des Wechselrichters (23) und ein zweiter Widerstand (83) das andere Ende der Dioden-Paare mit dem anderen Gleichspannungsanschluß des Wechselrichters (23) verbindet.
14. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet , daß ein eine steuerbare Gleichspannung aus einer Wechselspannung erzeugender Halbumrichter (43) die Betriebsspannung für den Wechselrichter (23) liefert.
15. Antriebseinrichtung nach Anspruch 14, und einem der Ansprüche 11 bis 13 für einen Zentrifugalkompressor einer Klimaanlage, dadurch gekennzeichnet , daß die Drosselspule (45) in Serie mit dem Halbumrichter^^ (43) angeordnet ist.

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