DE2459965A1

DE2459965A1 - Schaltungsanordnung fuer eine induktionsmaschine

Info

Publication number: DE2459965A1
Application number: DE19742459965
Authority: DE
Inventors: Eiji Dipl Ing Maeda
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1974-01-10
Filing date: 1974-12-18
Publication date: 1975-07-17
Also published as: FR2258043A1; SE403544B; CH578282A5; BE824278A; SE7500106L; FR2258043B1; GB1437937A; JPS50101827A; JPS607472B2

Description

FUJI Electric & Co-. LTU. VPA 74/8335 Ί J ß££

Kawasaki / Japan Gud/Met '

Schaltungsanordnung für eine Induktionsmaschine

(Es wird die Priorität der Patentanmeldung Sho T 49-6238 vom 10. 1. 1974 in Japan beansprucht)

Eine Induktionsmaschine ist aufgrund, ihres bürstenlosen Aufbaues sehr robust. Sie kann daher als Antriebsmotor in elektrischen Fahrzeugen eingesetzt werden. Zur Energieeinsparung soll bei derartigen Anwendungsfällen ein verlustarmes Anfahren und eine Nutzbremsung möglich sein, bei der Energie in die Spannungsquelle zurückgespeist wird.

Für den verlustarmen Betrieb einer Induktionsmaschine, beispielsweise einer Drehstrom-Asynchron-Käfigläufer-Maschine mit variabler Drehzahl und variablem Moment, müssen Frequenz und Strom der Maschine steuerbar bzw. regelbar sein. Dies geschieht, wenn als Energiequelle eine konstante Gleichspannung zur Verfügung steht (z. B. Batterie, Gleichspannungsfahrleitung), vorteilhaft durch einen der Maschine vorgeschalteten Wechselrichter, dem seinerseits ein Gleichstromsteller vorgeschaltet ist. Der Gleichstromsteller steuert den Strom, der der Gleichspannungsquelle entnommen und über den Wechselrichter der Induktionsmaschine zugeführt wird; der Wechselrichter formt den Gleichstrom in Wechselstrom oder Drehstrom um und verstellt die Frequenz.

Der der Maschine vorgeschaltete Stromrichter (Wechselrichter) arbeitet vorteilhaft nach dem Prinzip des eingeprägten Stromes (siehe z. B. Blaschke, Ripperger, Steinkönig: "Regelung umrichtergespeister Asynchronmaschinen mit eingeprägtem Ständerstrom", Siemens-Zeitschrift 1968,. Heft 9, Seiten 773 bis 777). Mit diesem Verfahren kann die Maschine auch gebremst werden, wobei der Strom auf der Gleichstromseite des Stromrichters seine Richtung beibehält, die Spannung sich aber umkehrt. Der Gleichstromsteller zwischen der konstanten Gleichspannungsquelle und diesem maschinenseitigen Stromrichter muß daher, wenn so-

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wohl motorischer als auch generatorischer Betrieb der Maschine gewünscht wird, so beschaffen sein, daß er nicht nur die Größe des Stromes, sondern auch (bei gleichbleibender Stromrichtung) die Richtung der Spannung am maschinenseitigen Stromrichter steuern kann.

Aus der DT-AS 1 201 910 ist ein derartiger Gleichstromsteller als Anordnung zur Steuerung der Spannung einer Gleichstrommaschine bekannt. Die Gleichstrommaschine ist über ein gesteuertes Hauptventil, dem eine Löscheinrichtung zugeordnet ist, an eine konstante Gleichspannungsquelle angeschlossen. Jede Zuleitung der Gleichstrommaschine enthält ein gesteuertes Hauptventil. Den Reihenschaltungen der Spannungsquelle mit je einem Hauptventil ist jeweils ein ungesteuertes Ventil parallel geschaltet. Die Steuerung dieser bekannten Anordnung erschien jedoch bisher für stromrichtergespeiste Induktionsmaschinen nicht geeignet, weil infolge des synchronen Taktens der beiden Hauptventile auch im motorischen Betrieb (Fahrbetrieb) eine große Welligkeit des Gleichstromes sowohl auf der Eingangs- als auch auf der Ausgangsseite der Gleichstromstelleranordnung entsteht, die erhebliche Glättungsmittel erfordert.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung für eine Induktionsmaschine zu schaffen, die sowohl im motorischen wie im generatorischen Betrieb mit guten Betriebseigenschaften arbeiten soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch folgende Merkmale gelöst:

a) Die Induktionsmaschine ist über einen gesteuerten Stromrichter, einen Zwischenkreis mit eingeprägtem Gleichstrom und eine Gleichstromstelleranordnung aus einer Gleichspannungsquelle gespeist,

b) die Gleichstromstelleranordnung ist in an sich bekannter Weise derart aufgebaut, daß in jeder Zuleitung je ein gesteuertes Gleichstromstellglied angeordnet und den Reihenschaltungen der Gleichspannungsquelle mit je einem Gleichströmstellglied jeweils ein ungesteuertes Ventil parallel geschaltet ist, 509829/023 3

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c) eine Steuereinrichtung ist zur Bildung von Zünd- und Löschimpulsen für beide Gleichstromstellglieder vorgesehen, die "beim motorischen Betrieb der Induktionsmaschine das eine Gleichstromstellglied ständig mit Zündimpulsen bzw. mit einem Dauerzündimpuls beaufschlagt und das andere Gleichstromsiellglied durch Zünd- und Löschimpulse taktet, und die beim generatorischen Betrieb der Induktionsmaschine beide Gleichstromstellijlieder synchron miteinander durch Zünd- und Löschimpulse taktet.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung bringt eine wesentliche Verbesserung.des Betriebsverhaltens einer Induktionsmaschine während des motorischen Betriebes. Die Welligkeit des Motorstromes wird verringert. Im gesperrten Zustand der G^eichstromstellglieder fließt der Gleichstrom nicht über die Spannungsquelle zurück, sondern über einen Freilaufzweig.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und ihre in den Unteransprüchen näher gekennzeichneten Ausgestaltungen sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für eine Induktionsmaschine, und

Figur 2 vier Zeitdiagramme mit wesentlichen Signalverläufen in der Schaltungsanordnung nach Figur 1.

In der Darstellung der Figur 1 ist eine Induktionsmaschine 1 über einen gesteuerten maschinenseitigen Stromrichter 2, einen Zwischenkreis-9 mit einer Glättungsdrossel 5 für einen eingeprägten Gleichstrom und über eine Gleichstromstelleranordnung 4 aus einer als Batterie dargestellten Gleichspannungsquelle 3 gespeist. Die Gleichstromstelleranordnung 4 enthält zwei gesteuerte Gleichstromstellglieder 41 und 42 und zwei ungesteuerte Ventile 43 und 44 in der dargestellten Sdaltung. Zwischen der Ausgangsklemme 3a der Gleichspannungsquelle 3 und der Ausgangsklemme 4a der Gleichstromstelleranordnung 4 liegt das Gleichstromstellglied 42. Zwischen der Klemme 3a und der Ausgangsklemme 4b liegt das ungesteuerte Ventil 44. Zwischen der Ausgangsklemme 3b der Gleichspannungsquelle 3 und der Ausgangsklemme 4a der Gleichstromstelleranordnung 4 liegt das ungesteuerte Ventil 43 und zwischen den Klemmen 3b und 4b das Gleichstromstellglied 41. Der Reihenschaltung der

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Gleichspannungsquelle 3 und dem Gleichstromstellglied 41 zwischen den Klemmen 3a und 4b liegt somit das ungesteuerte Ventil 44 parallel. Der Reihenschaltung der Gleichspannungsquelle 3 mit dem Gleichstromstellglied 42 zwischen den Klemmen 3b und 4a liegt das gesteuerte Ventil 43 parallel,

Zur Steuerung der Drehzahl der Induktionsmaschine 1 wird die Ausgangsfrequenz des maschinenseitigen Stromrichters von einer Frequenzsteuereinrichtung 13 in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung eines Drehzahlreglers 12 gesteuert. Der Drehzahlregler 12 ist eingangsseitig mit einem Drehzahl-Istwert ν von einem Istwertgeber 7 - beispielsweise einem Tachogenerator - und mit einem Drehzahl-Sollwert v* beaufschlagt, der von einem Sollwertgeber 11 - beispielsweise einem Potentiometer - abgegriffen wird. Die Frequenzsteuereinrichtung 13 setzt die Ausgangsspannung des Drehzahlreglers 12 in eine verhältnisgleiche Frequenz um, die den gesteuerten Ventilen des maschinenseitigen Stromrichters zugeführt wird.

Zur Erzeugung der Zünd- und Löschimpulse für die Gleichstromstellglieder 41 und 42 der Gleichstromstelleranordnung 4 ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, deren Bestandteile mit den Bezugsziffern 14 bis 20 bezeichnet sind. Ein Betriebszustandgeber 17 erzeugt ausgangsseitig ein Betriebszustandssignal A, das in Form eines logischen Signals angibt, ob die Induktionsmaschine 1 im motorischen oder im generatorischen Betrieb arbeitet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist dem Betriebszustandsgeber 17 die Ausgangsspannung des Drehzahlreglers 12 zugeführt. Der Betriebszustandsgeber 17 ermittelt die Polarität der Ausgangsspannung des Drehzahlreglers 12. Es ist jedoch ebenfalls möglich, den Betriebszustand (motorischer oder generatorischer Betrieb) der Induktionsmaschine 1 auf andere geeignete Weise zu erfassen, beispielsweise durch Vergleich einer drehzahlproportionalen Frequenz mit der Eingangsfrequenz des maschinenseitigen Stromrichters 2 oder durch Erfassung der Richtung des Drehmoments in der Maschine. Das Betriebszustandssignal A des Betriebszustandsgebers 17 ist in Figur

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2a für motorischen Betrieb in den Bereichen I und ITI und für generatorischen Betrieb im Bereich II dargestellt.

Weiterhin ist ein Strom-Sollwertgeber 14 zur Bildung eines Strom-Sollwertes i* vorgesehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Stromsollwert der Drehzahl nachgeführt. Der Strom-Sollwertgeber 14 ist daher von der Ausgangsspannung des Drehzahlreglers 12 beaufschlagt, die er in geeigneter Weise,in einen entsprechenden Strom-Sollwert i* umsetzt. Es_; besteht jedoch auch die Möglichkeit, ständig einen fest eingestellten Stromsollwert vorzugeben, der beispielsweise dem maximal möglichen Stromwert entsprechen kann. Ebenso ist eine Einstellung eines Stromsollwertes von Hand möglich. Der Strom-Sollwert i* wird einem Stromregler 15 zugeführt, der eingangsseltig weiterhin von einem Strom-Istwert i beaufschlagt ist, den ein-Strommeßwandler 6 im Zwischenkreis 9 erfaßt. Die Ausgangsspannung des Stromreglers 15 beeinflußt einen Steuersatz 16, dessen Ausgangssignal C in Figur 2c dargestellt ist und die Zünd- und Löschimpulse für die beiden Glelchstromstellglieder 41 und 42 darstellt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Ausgangssignal C des Steuersatzes 16 dem Gleichstromstellglied 41 unmittelbar und dem Gleichstromstellglied 42 über eine logische Verknüpfungsschaltung mit den UND-Gliedern 19 und 20 als Signal D (Figur 2d) zugeführt. Das UND-Glied 19 ist an seinem Eingang 19a vom Betrlebszustandssignal A und an seinem Eingang 19b vom Ausgangssignal C des Steuersatzes "16 beaufschlagt. Das UND-Glied 20 ist an seinem invertierenden Eingang 20a vom Betriebszustandssignal A und an seinem nichtinvertierenden Eingang 20b vom Ausgangssignal eines Dauersignalgebers 18 beaufschlagt. Vom Signal des Dauersignalgebers 18 wird im motorischen Betrieb (Fahrbetrieb)der Induktionsmaschine 1 das Gleichstromstellglied 42 ständig durchlässig gesteuert. Im generatorischen Betrieb (Bremsbetrieb) wird das Signal des Dauersignalgebers 18 durch ein entsprechendes .detriebszustandssignal A im UND-Glied 20 gesperrt. Die Ausgänge der UND-Glieder 19

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und 20 sind über Dioden zusammengeschaltet.

Die Funktionsweise der dargestellten Schaltungsanordnung wird zunächst anhand des motorischen Betriebs erläutert. Die in der Zeichnung eingetragenen Polaritätszeichen beziehen sich auf den motorischen Betrieb. Im motorischen Betrieb ist entweder eine Beschleunigung oder ein Fahren mit gleichförmiger Geschwindigkeit erforderlich; die Induktionsmaschine 1 muß ein Antriebsmoment erzeugen. Es sei angenommen, daß das Betriebszustandssignal A im motorischen Betrieb ein logisches Null-Signal ist.

Im motorischen Betrieb ist der Drehzahl-Istwert ν gleich oder kleiner als der Drehzahl-Sollwert v*. Der Drehzahlregler 12 erzeugt eine Ausgangsspannung, die die Frequenzsteuereinrichrung 13 in eine entsprechende Frequenz für den maschinenseitigen Stromrichter umsetzt. Der Betriebszustandsgeber 17 erzeugt als Betriebszustandssignal A ein Null-Signal. Dieses steuert das UND-Glied 19 in Sperrung und das UND-Glied 20 über dessen invertierenden Eingang 20a durchlässig. Das Ausgangssignal des Dauersignalgebers 18, das ein Dauerzündimpuls oder eine Folge von Zündimpulsen darstellen kann, gelangt somit auf die Steuereingänge des Gleichstromstellgliedes 42. Dieses wird ständig durchlässig gesteuert.

Der Stromregler 15 liefert eine Ausgangsspannung, die vom Steuersatz 16 in Zünd- und Löschimpulse für das Gleichstromstellglied 41 umgesetzt wird. Diese Zünd- und Löschimpulse können nicht an das Gleichstromstellglied 42 gelangen, da das UND-Glied 19 vom Betriebszustandssignal A in Sperrung gesteuert ist. Die Zünd- und Löschimpulse des Steuersatzes 16 sind als dessen Ausgangssignal C in Figur 2c dargestellt. Die Zündimpulse sind oberhalb und die Löschimpulse- unterhalb der waagerechten Zeitachse eingetragen. Das Einschaltverhältnis wird in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung des Stromreglers 15 geführt. Dem-

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zufolge arbeitet das Gleiclistromstellglied 41 mit einem Einschaltverhältnis, das von der Ausgaig sspannung des Stromreglers 15 abhängt und den Gleichstrom im Zwischenkreis 9 bestimmt.

Da das Gleichstromstellglied 42 im motorischen Betrieb ständig stromdurchlässig gesteuert ist, fließt der.Strom während der stromleitenden Periode des Gleichstromstellgliedes 41 von der Gleichspannungsquelle 3 über das durchlässig gesteuerte Gleichstromstellglied 41, die Glättungsdrossel 5, den maschinenseitigen Stromrichter 2, die Induktionsmaschine 1, den Stromrichter 2 und das ebenfalls durchlässig gesteuerte Gleichstromstellglied 42 zur Gleichspannungsquelle 3. In der gesperrt gesteuerten Periode des Gleichstromstellgliedes 41 dagegen fließt ein Strom von der Glättungsdrossel 5 als Energiequelle über den maschinenseitigen Stromrichter 2, die Induktionsmaschine 1, den Stromrichter 2, das durchlässig gesteuerte Gleichstromstellglied 42, das ungesteuerte Ventil 44 zurück zur Glättungsdrossel 5. Die Induktionsmaschine 1 erzeugt ein Antriebsmoment. Der Ausgangsstrom B (Figur 2b) der Gleichspannungsquelle 3 ist im motorischen Betrieb von positiver Polarität.

Die Funktionsweise der Schaltungsanordnung wird nunmehr· für den generatorischen Betrieb betrachtet. Im generatorischen Betrieb dreht sich der Läufer der Induktionsmaschine 1 um den Schlupf schneller als das Ständerdrehfeld. Die Induktionsmaschine 1 arbeitet als Induktionsgenerator und induziert eine Spannung, an den Eingangsklemmen des maschinenseitigen Stromrichters 2, deren Polarität umgekehrt ist wie beim motorischen Betrieb und umgekehrt zu den in der Zeichnung eingetragenen Vorzeichen.

Der Betriebszustandsgeber 17 erzeugt im generatorischen Betriebszustand II ein logisches Eins-Signal als Betriebszustandssignal A (Figur 2a). Dieses Eins-Signal steuert das UND-Glied 19 durchlässig und sperrt das UND-Glied 20 über dessen invertierenden Eingang 20a. Die Zünd- und Löschimpulse

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vorn Steuersatz 16 gelangen nun sowohl an die Steuereingänge des Gleichstromstellgliedes 41 wie auch über das durchlässig gesteuerte UND-Glied 19 an die Steuereingänge des Gleichstromstellgliedes 42. Während des generatorischen Betriebszustandes II stimmen somit die Signale C und D überein, wie die Figuren 2c und 2d zeigen. Die beiden Gleichstromstellglieder 41 und 42 arbeiten somit synchron miteinander.

Beim generatorischen Betrieb fließt im durchlassigkesteuerten Zustand der beiden Gleichstromstellglieder 41 und 42 der Strom mit der Batteriespannung von der Induktionsmaschine 1 über den rnaschinenseitigen Stromrichter 2, das Gleichstromstellglied 42, die Gleichspannungsquelle 3, das Gleichspannungsstellglied 41, die Glättungsdrossel 5, den maschinenseitigen Stromrichter 2 zur Induktionsmaschine 1. Im gesperrt gesteuerten Zustand der beiden Gleichstromstellglieder 41, 42 fließt der Strom gegen die Batteriespannung. Sobald beide Gleichstromstellglieder 41, 42 stromlos geworden sind, werden die ungesteuerten Ventile 43, 44 leitend. Der Strom fließt dann von der Induktionsmaschine 1 über den maschinenseitigen Stromrichter 2, das ungesteuerte Ventil 43, die Gleichspannungsquelle 3, das ungesteuerte Ventil 44, die Glättungsdrossel 5, den maschinenseitigen Stromrichter 2 zur Induktionsmaschine 1. Im generatorischen Betrieb ist die Zeit, in der der Strom gegen· die Batteriespannung fließt, langer als die Zeit, in der der Strom mit der Batteriespannung fließt.

Die Verwendung einer Gleichstromstelleranordnung mit zwei Gleichstromstellgliedern und zwei ungesteuerten Ventilen und die Steuerung der beiden Gleichstromstellglieder in der Weise, daß im motorischen Betrieb der Induktionsmaschine das eine Gleichströmstellglied ständig durchlässig gesteuert und das andere Gleichstromstellglied getaktet ist, und daß im generatorischen Betrieb beide Gleichstromstellgliedern synchron miteinander getaktet werden, ermög-

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licht es, die Schaltungsanordnung vom motorischen in den generatorischen und zurück in den motorischen Betrieb zu überführen, ohne daß im Zwischenkreis umgeschaltet werden muf3. Dadurch ergibt sich ein sehr einfacher Aufbau. Als besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist hervorzuheben, daß eine Rückspeisung der Bremsener-. gie in die Gleichspannungsquelle fast bis sum Stillstand der Induktionsmaschine möglich ist, obwohl bei-kleinen Drehzahlen die von der im generatorischen Betrieb arbeitenden Induktionsmaschine erzeugte Spannung kleiner ist als die Spannung der Gleichspannungsquelle.

5 Patentansprüche
2 Figuren

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Claims

- 10 - VPA 74/8335 Patentansprüche

1. Schaltungsanordnung für eine Induktionsmaschine, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Die Induktionsmaschine (1) ist über einen gesteuerten Stromrichter (2), einen Zwischenkreis (9) mit eingeprägtem Gleichstrom und eine Gleichstromstelleranordnung (4) aus einer Gleichspannungsquelle (3) gespeist,

b) die Gleichstromstelleranordnung (4) ist in an sich bekannter Weise derart aufgebaut, daß in jeder Zuleitung (3a, 3b) je ein gesteuertes Gleichstromstellglied (41, 42) angeordnet ist und den Reihenschaltungen der Gleichspannungsquelle (3) mit je einem Gleichstromstellglied (41 bzw. 42) jeweils ein ungesteuertes Ventil (43 bzw. 44) parallel geschaltet ist,

c) eine Steuereinrichtung (14 bis 20) ist zur Bildung von Zünd- uxiC Löschimpulsen für beide Gleichstrom-Stellglieder (41, 42) vorgesehen, die beim motorischen Betrieb (I, III) der Induktionsmaschine (1) das eine Gleichstromstellglied (z. B. 42) ständig mit Zündimpulsen bzw. mit einem Dauerzündimpulse beaufschlagt und das andere Gleichstromstellglied (41) durch Zünd- und Löschimpulse taktet, und die beim generatorischen Betrieb (II) der Induktionsmaschine (1) beide Gleichstromstellglieder (41, 42) synchron miteinander durch Zünd- und Löschimpulse taktet.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (14 bis 20) einen für beide Gleichstromstellglieder (41, 42) gemeinsamen, Zünd- und Löschimpulse liefernden Steuersatz (16) und , eine logische Schaltung (18, 19) enthält, die bei einem Betriebszustandssignal (A) für den motorischen Betrieb die Zünd- und Löschimpulse des Steuersatzes (16) andas eine der beiden Gleichstromstellglieder (z. B. 41) durch-

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läßt und einen Dauerzündimpuls von einem Dauersignalge-"ber (18) an das andere Gleichstromstellglied (z.B. 42) liefert; und die "bei einem Betriebszustandssignal (A) für den generatorischen Betriet) den Dauerzündimpuls sperrt und die Zünd- und Löschimpulse des Steuersatzes (16) gleichzeitig an beide Gleichstromstellglieder (41, 42) durchschaltet.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Betriebszustandssignals (A) für den motorischen bzw. generatorischen Betrieb der Induktionsmaschine (1) ein Zustandsgeber (17) vorgesehen ist, der an den Ausgang eines Drehzahlreglers (12) angeschlossen ist, der eingangsseitig vom Drehzahl-Ist- wert (v) und vom Drehzahl-SoILwert (v*) beaufschlagt ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuersatz (16) zur Bildung der Zünd- und Löschimpulse für beide Gleichstromstellglieder (41, 42) von der Ausgangsspannung eines Stromreglers (15) beaufschlagt ist, der seinerseits eingangsseitig von einem Gleichstrom-Istwert (i) im Zwischenkreis und einem entsprechenden Gleichstrom-Sollwert (i*) beaufschlagt ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstrom-Sollwert (i*) über einen Strom-Sollwertgeber (14) vom-Ausgangssignal des Drehzahlreglers (12) abgeleitet ist.

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