DE2503707A1

DE2503707A1 - Verfahren und einrichtung zur stufenlosen drehzahlregelung von induktions- und synchronmotoren

Info

Publication number: DE2503707A1
Application number: DE19752503707
Authority: DE
Inventors: Brian Michael Bird
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1974-02-01
Filing date: 1975-01-30
Publication date: 1975-08-14
Also published as: GB1492782A; US4008421A

Description

Dipl.-Ing. W.Beyer Dipl.-Wirtsch.-Ing. B,Jochen

Frankfurt am Main . Staufenstrasse 36

In Sachen:

National Research Development

Corporation

London S.W. 1/England ^;

Verfahren und Einrichtung zur stufenlosen Drehzahlregelung von Induktions- und Synchronmotoren.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren'sowie eine Einrichtung zur stufenlosen Regelung von Induktions- und Synchronmotoren mit Ableitung des ErregerStroms von einem ein- oder mehrphasigen Wechselstromnetz konstanter Frequenz.

Es ist bereit^ ein Verfahren zur Versorgung eines Induktionsmotors mit Kraftstrom bekannt, bei welchem der mit Netzfrequenz zugeführte Wechselstrom durch eine rechteckige Modulationswelle gesteuerter veränderlicher Frequenz moduliert wird, so daß zwei Ssitenband-Stromwellen mit Frequenzen erzeugt werden, die gegenüber der ursprünglichen Netzfraquenz vorschoben sind und von denen der Motor gespeist und hinsichtlich seiner Drehzahl stufenweise gemäß der ausgewählten Seitenbandfrequenz gesteuert wird. Solch ein Modulationsvarfahrer bringt in der modulierten Ausgabe zwei Seitenbandwsllen hervor,, jedoch keine Trägerkomponente.

Durch ein Verfahren der Speisestrommodulation unter Verwendung einer angenähert sinusförmigen Modulationswelle würde es möglich sein, zwei Seitenbandwellen und außerdem eine Trägerkomponente bei;der ursprünglichen Netzfrequenz zu erzeugen.

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Demgegenüber besteht jedoch die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchen unter Verwendung einer nahezu sinusförmigen Modulationswelle zwei Seitenbandwelleh von steuerbar veränderlicher Frequenz, jedoch keine Tragerwelle mit Netzfrequenz erzeugt werden.

Erfindungogemäß wird diese Aufgabe gelfist durch folgende Varfahrensschritte:

a) die Erzeugung einer sinusförmigen Modulationswelle stufenlos veränderbarer Frequenz, die kleiner als die ITetzfrequenz ist,

b) die Abtastung des Augenblickwertes der Modulationswelle während jeder Netzstrom-Halbwelle und dia Ableitung einer stufig wechselnden Modulationswelle gleicher Frequenz wie die sinusförmige Modulationswelle,

c) die Ableitung einer vollwellenglaichgerichteten stufig sich ändernden Modulationswelle,

d) den Vergleich der Augenblickswerte· <5er gleichgerichteten "»tufig sich ändernden Modulationswelle mit den Augenblick swertan einer Cosinuswelle gleicher Frequenz wie die Netzfrequenz und gleicher Amplitude wie die Modulation swe He und

e) die Einschaltung des Erregerstroma für den Motor nur für die Dauer der Intervalle zwischen der Gleichheit der Augenblickswerte der verglichenen Wellen und dem nächstfolgenden Nulldurchgang der Cosinuswelle.

Eine vorteilhafte Weiterbildung dieses Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß von der stufig wechselnden Ilodulationswelle sowohl eine positive als auch eine negative vollwellengleichgerichtete, stufig sich ändernde Modulationsvelle abgeleitet wird, d=»ß die Amplitude der positiven und der negativen Modu-

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lationswellei ;mit einer .'positiven bzw. einer negativen Cosinus-

welle verglichen werden und daß der Erregerstrom für den Motor • für die Dauer der Intervalle gemäß-dem paarweisen Vergleich der positiven bzw. der negativen Wellen eingeschaltet wird.

Zur Durchführung des dergestalt weitergebildeten Verfahrens gemäß der Erfindung dient eine Einrichtung, die sich erfindungs- -gemäß auszeichnet durch:

a) Anschlußklemmen für den Anschluß an ein Wechselstromnetz, .

b) einen Erzeuger für die sinusförmige Modulationswelle,

c) einen mit Eingängen sowohl vom Wechselstromnetz als auch vom Modulatlonswelleherzeuger versehenen Amplitudenabtast- und -haltekreis zur Schaffung einer stufig wechselnden Modulationswelle an seinem Ausgang,

d) je einen positiven und einen negativen Vollwellengleichrichter, danen beide stufig wechselnden Modulations-•wtillen zuge_führt werden und die diese positiven und . negativen Modulationswellen an zwei Ausgangslaitungen liefern,

e) einen Cosinuswellenerzeugar tiit einer Sinuswelle der Netzfrequenz am Eingang und oiner positiven und einer negativen Cosinuswelle an zwei Ausgangsleitungen,

f) erste und zweite Vergleicher zum Vergleichen der Augenblickswerte der positiven bzw. der negativen Modulations,-

welle mit der entsprechenden Cosinuswelle zur Erzeugung vor. Ausgangsimpulsen an zwei \usgangsleitungen entsprechend den Einschaltintervallen.

Eine bekannte Einrichtung zur Kraftstromversorgung eines Induktior snotors gemäß dem eingangs erwähnter, bekannten Verfahren enthält einen Transformator und sechs bidirektionale

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Schalter oder eine im Dreieck geschaltete Motorwicklung und •zwölf bidirektionelle Schalter für eine dreiphasige Steuerung. Die Einrichtung gemäß der Erfindung hingegen enthält zwar in ähnlicher Weise sechs bidirektionale Schalter zur dreiphasigen Steuerung, erfordert jedoch keinen getrennten Transformator.

Zunächst soll eine mathematische Analyse dem besseren Verständ nis der Erfindung dienen.

Der zeitliche Verlauf einer einphasigen sinusförmigen Netzspannung läßt sich wie folgt wiedergeben:

^Ac ^{= V}c^sin _c

vor in V die Netzspannungsamplitude ist. V7enn diese Sinuswelle als Trägerfrequenz verwendet wird, die durch eine Sinuswelle von der Amplitude A und der Frequenz OJ amplitudenmoduliert wird, läßt sich der Modulationsvorgang wie folgt ausdrücken:

A_c χ A_1n = V_c sin (U) _ct) χ M sin W_m

- M.V_c.1/2 ( cos(^_c -cj_m)t - cos

v/orin A ein Koeffizient zwischen "Null" und "Eins" ist. Dieser Modulationsprozess wird für die hier angewandte Kraftstromversorgungsmethode herangezogen. Es lä.3t sich ersehen, daß das durch die Modulation erhaltene Produkt zwei. Komponenten enthält, von denen eine die Frequenz (^_c~O_n^ ^{und die andere die} Frequenz (&> +oJ»,) haben. Der Scheitelwert dieser beiden Kornponenten ist M χ V_c . M ist deshalb bekannt als Modulations inde.<. 2

Es sei nun angenommen, daß die Ausdrücke A unci A beliebige Phasenwinkel ©_c bzw. ©_m enthalten. Der Modulationsvorgang erhält dadurch die Form:

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- 5 - ϊ . ■.-.■

A, χ Λ = V sin (A3 t + θ ) χΜ sin (4?. t + θ ) cmc cc mm

= M.V_c.1/2 [cos[

- cos

Eine Anzahl von Modulationsverfahren wird nachstehend im einzelnen näher betrachtet:

Linphasen-Festfreguenz zur Schaffung einer einphasigen veränderlichen Frequenz

Eine einphasige Versorgungsspannung kann durch eine einphasige Modulationswelle veränderlicher Frequenz derart moduliert werden, daß zwei Seitenbänder erhalten werden, von denen jede zur Schaffung der einphasigen Speisespannung veränderlicher Frequenz für eine einphasige Wechselstroranaschine verwendbar ist.

Einphasen-Freguenz zur Schaffung einer mehrphasigen veränderlichen Frequenz

Ein·-» einphasige Versorgungs spannung kann in eine mehrphasige Versorgungsspannung veränderlicher frequenz durch Modulation des Trägers durch mehr als ein Modulationssignal mit geeigneter Phaser-Verschiebung zwischen den verschiedenen Modulationssignaisn umgewandelt werden. Beispielsweise kann eine dreiphasige Versorgungsspannung von einer einphasigen Trägerspannung durch

Modulation derselben durch M sin (6j t) , M sin (W t - ■*£>

. m m j

und M sin (ij t - ·*£) erhalten werden. Dieses Verfahren erzeugt ·»**<» i dreiphasige Speisespannungen bei zwei Seitenbandfroquenzen, von denen jede als Versorgungsspannung veränderlicher Frequenz für eine dreiphasige Wechselstrommaschine verwendbar ist. -.

Mehrphasen-Festfreauenz zur Schaffung einer ir.ehrphasigen veränderlichen Frequenz

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■' ■ ■ I - ;

Eine mehrphasige Versorgungsspannung kann in eine mehrphasige Versorgungsspannung verschiedener Frequenz durch Modulation jeder Phase mit derselben Modulationswelle umgewandelt werden. Wenn beispielsweise jede Phase der dreiphasigen Versorgungsspannung mit sin t moduliert wird, werden zwei dreiphasige Sätze mit den Seitenbandfrenquenzen erzeugt, von denen ein jeder als Versorgungsspannung veränderlicher Frequenz für eine dreiphasige Maschine verwendbar ist.

Eine nehrphasige Festfrequenz zur Schaffung einer mehrphasigen veränderlichen Frequenz

Eine mehrphasige Versorgungsspannung kann in eine mehrphasige Verocrgungsspannung veränderlicher Frequenz durch Modulation jeder Phase durch eine V7elle eines mehrphasigen Satzes von M^-XulationsweIlen umgewandelt werden. Beispielsweise erzeugt eine dreiphasige Versorgungsspannung

V_c sin (fcr_ct), V_c sin (« _ct - j£) und V_c sin (co

die mit der Wellen

_rt, M sin tio_fflt - ψ)

η sin _rt, M sin tio_fflt - ψ-) bzw. sin

moduliert wird, einen gleichphasigen Satz von Wellen mit einer Frequenz (UT - tor ) und einen dreiphasigen Satz mit einer Freqenz

C ITl

(ω +ca )f von denen der letztere als.Versorgungsspannung veränderlicher Frequenz für eine dreiphasige Wechselstrommaschine verwandet werden kann.

Alternativ hierzu erzeugt eine dreiphasige Versorgungsspannung V„ sin (o t), V sin (65 t - ~) und V sin (u> „t -

moduliert irit den Wellen

M sin kf^t, M sin (^_mt - γ-) bzw. M sin (ίο _mt ),

einen gleichphasigen Satz von Wellen mit einer Frequenz (ic +CJ ) und einem dreiphasigen Satz mit einer Frequenz

cn "

(ίύ -ti) ), von denen wiederum der letztere als Versorgungs-

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spannung veränderlicher Frequenz für eine dreiphasige Wechselstroncuaschine verwendet v.^Terden kann.

Doppe!modulation; " ο

Aus den vorstehenden Beispielen läßt sich ersehen, daß die Ergebnisse des Modulationsprozesses zwei Seitenbänder mit den Frequenzen ίω "^_n.) ^un<^ ^^{0 +l}^r? ^s^^n<^· Wenn ein zweiter Modulationsprozess eingeführt wird, bei welchem die zweite Modulationswelle die Frequenz ccr hat, wird eines der Produkte 'dieser zv/eiten Modulation ein Seitenband -derselben Frequenz wie die ursprüngliche Modulationswelle mit der Frequenz ccr . Es ist also

. V sin Ar t χ M sin u> t χ sin ίο- t

= M.V . 1/2(sin taJt + 1/2 sin (2^ - urjt

- 1/2 sin (2*>_c + A5_m)

Der bevorzugte Modulationsprozeß, wie er erfindungsgemäß verwendet vira, ist ein Doppelmodulationsprozeß. Der verwendete primäre Kodulationsprozess ist von solcher Art, daß die zweite Modulationsvelle eine Rechteckwelle mit der Frequenz Co' sein kann, ohne daß eine Herabsetzung der sinusförmigen Wellenform für dia Modulatorausgabe eingeführt wird.

Bei dor praktischen Ausführung der hierin beschriebenen Einrichtung varden Triacs als Steuerschalter verwendet, wodurch die sinusförmige Speisespannungs-Trägerwelle moduliert wird.

Un die erforderliche Modulationsform zu erhalten, wird der Augenblichswert der primären Modulationswelle zu Beginn einer jeden Halbwelle der einphasigen Versorgungsspannungsträgerwelle abgetastet, und der steuernde Triac wird während dieser Halbwelle zu einem solchen Zeitpunkt gezündet, daß das VoItsekund^nintegral der Spannung zwischen dem Zündzeitpunkt und

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dem. Ende derjenigen Trägerhalbwelle proportional dem abgetasteten Modulationswellen-Spannungsaugenblickswert ist. Eine Abtastung der Modulationsspannung erfolgt somit bei jedem "Mulldurchgang der TrägerspannungswelIe, und die abgetastete Spannung wird mit einer cosinusförmigen Taktwelle verglichen. Die Schnittpunkte der abgetasteten Modulationsspanmxng und der cosinusförmigen Taktwelle bestimmen den Zündzeitpunkt des Triacs.

Wenn die Modulationswelle mit der Frequenz us negativ wird, ist es erforderlich, eine 1So -Phasenverschiebung mit der Versorgüngsspannungsträgerwelle vorzunehmen, und dies geschieht in herkömmlicher Weise mittels einer Brückenschaltung. Doppelmodulation wird dann herkömmlich durch überlagerung einer Rcchtockvelle von der Frequenz der Versorgungsträgerwelle über den Polaritätssignal bewirkt, welches diese Phasenverschiebung bestimmt.

">er verbeschriebene Modulationsprozeß behandelt eine modulierte Trägerwelle und eine modulierende Welle, d.h. ein einphasiges Versorgungssystem. Für ein dreiphasiges oder mehrphasigem Versorgungssystem wird jede Ausgangsphase der Versorgen js spannung mit gesteuerter veränderlicher Frequenz von einen Modulationsprozeß wie oben beschrieben abgeleitet.

Um die Erfindung leicht in die Praxis umsetzen zu können, ' werden nachstehend das erfindungsgeriäße Modulationsverfahren und eine praktische Ausführungsform einer Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens im einzelnen, und zwar die Einrichtung als 7-usführungsbeispiel, mit Bezugnahme; auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 neun Spannungs-Zeit-Diagramme (a) bis (i) zur Ver-

anschaulichung des prim'iren und des sekundären - ModulationsprozessGS,

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Fig. 2A das Schaltbild einer Versorgungseinrichtung für eine einphasige Motorwicklung,

Fig. 23 ein entsprechendes Schaltbild für eine dreiphasige Versorgungseinrichtung,

Fig. 3 das Schaltbild eines .Modulators in Brückenschaltung,

Pig. 4 drei Spannungszeitdiagramme (a) bis (c) zur Veranschaulichung der Polaritätssignalmodulation für den Doppelmodulationsvorgang,

Fig. 5 (aufgeteilt in Fig. 5.1 und 5.2) ein schematisches Blockschaltbild zur Veranschaulichung des gesamten Doppelmodulationsvorgangs und der Einrichtung dafür und

H Fig. 6 (aufgeteilt in Fig. 5.1 bis^ 6..6) das Schaltbild

einer Einrichtung für eine Phase eines-drei— oder mehrphasigen abgeglichenen Modulators.

Fig. 1(b) zeirt eine sinusförmige Spannungswelle einer Phase eines /iechselstromnetzes, die als Trägerwelle V sin (LCr. t + θ ) dient und zwischen den Klemmen 1 unl 4 der Schaltungen nach den Fig. 7.A, 2B oder 3 auftritt. "

Fig. 1(a) gibt dem Verlauf einer sinusförmigen Modulations-, spannungsvelle M sin(w> t + θ ) mit ei; als derjenigen der Trägerwelle wieder.

spannungsvelle M sin(w> t + θ ) mit einer Frequenz von weniger

Fig. 1(c) zeigt eine sinusförmige Stufenwelle, welche die Augenblickswerte der echten sinusförmigen Modulationswelle nach Fig. 1(a) an den Nulldurchgängen der Trägerwelle nach Fig. 1 (b) wie !ergibt.

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I7ir in Fig. 1 (d) gezeigt, wird die stufig abgetastete Modulation swelle mit einer cosinusförmigen Taktwelle derselben Frequenz wie die Trägerwelle nach Fig. 1(b) verglichen. Die Zeitpunkte, an denen die Augenblickswerte der stufigen Modulationswelle entsprechend den Schnittpunkten dieser zwei Wellen im Diagramm nach Fig. 1(d) gleich sind, sind diejenigen, in denen die Steuer-Triacs der Schaltung nach Fig. 2A gezündet v/erden.

Während dieser negativen Halbwelle der Modulationswelle ist eine 18o°-Phasenverschiebung oder Polaritätsumkehrung der Tragervelle erforderlich, um den Vergleich mit der cosinusförmigen Zeitwelle zu ermöglichen.

Line solche Phasenverschiebung kann mit Hilfe der Schaltung nach E ig. 2Λ vorgenommen werden, die einer Phase der Schaltung nach Fig. 2B entspricht, oder durch die Schaltung nach Fig. Zunächst sei die Schaltung nach Fig. 3 betrachtet. Dort ist ein·*. Brückenschaltung mit Versorgungsklemmen 1 und 4 gezeigt, an welche die Trägervrelle nach Fig. 1 (b) angelegt wird, sowie eine belastung 11, die in Reihe mit zwei Triacs X und X oder alternativ ν it zwei Triacs Y und Y zwischen den Versorgungskiem:ae:i 1 und 4 geschaltet ist. Für die eine Polarität der

id Λ

rägirv/elle werden die Triacs X und X gezündet, und für die andere Polarität der Trägerwelle die Triacs Y und Y'

Die ilternative Schaltung nach Fig. 2A verwendet abwechselnd einzelne Triacs X und Y. Zwei Motorwicklungen 5, 6 mit Erregung in Phasenopposition werden verwendet, von denen jeweils eine in ^pcihe mit einem Triacs geschaltet ist. Somit liegt in ?ig. 2 im Pfade des Triacs X die Motorwicklung 5 in. Reihe zwischen den Klemmen 1 und 4 zwischen denen die Trägerwelle ansteht. Im Pfad des Triacs Y liegt die Motorwicklung 6 in Rei'ie zwischen den Klemmen 1 und 4. Polaritätsumkehrung der Trägerwelle wird bei dieser Schaltung durch Leitung mittels des ¹^ris.es X während einer Halbwelle, Beendigung der Leitung

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durch den Pfad X und Zündung des Triacs Y beim nächsten Nulldurchgang und Leitung durch den Pfad Y während der entgegengesetzten Halbwelle bewirkt. Diese Anordnung bringt es mit sich, daß nur die Hälfte der Motorwicklung in jedem Zeitpunkt Strom leitet. ^l

Unter Rückkehr zur Fig. 1 zeigt dort Fig. 1(d) den Vergleich der positiv gleichgerichteten Stufenmodulationswelle mit der positiven Cosinus-Taktwelle. Fig. 1 (e) zeigt Zeitpunkt und Dauer der Triac-Zündimpulse, die im Zeitpunkt der Übereinstimmung der Stufenmodulationswelle mit der Cosinus-Taktwelle beginnen und bis zum nächstfolgenden Nulldurchgang der Trägerwelle nach Fig. 1(b) andauern, wie durch die vertikalen Zeitlinien veranschaulicht ist, welche durch die Wellen nach Fig. 1 gezogen sind. Fig. 1(f) zeigt in ähnlicher Weise den Vergleich der negativ gleichgerichteten Modulationswelle mit einer entsprechenden negativen Cosinus-Taktwelle. Fig. 1 (g) zeigt Beginn und Dauer der alternativen Triac-Zündimpulse, die im Zeitpunkt der Übereinstimmung der negativen Stufenmodulationswelle und der negativen Cosinus-Taktvelle beginnen und bis zum nächstfolgenden Ivalldurchgang (in entgegengesetztem Sinne) der lle nach Fig. 1 (b) andauern.

Fig. 1(h) zeigt die resultierenden Triac-Zündimpulse als Kombination der Impulse nach Fig. 1(e) und der alternativen Impulse nach Fig. 1(g)« Fig. 1(i) schließlich zeigt die Polarität sunkehr-RechteckwelIe, welche die Phasenverschiebung der * Trägerwelle gemäß vorstehender Beschreibung bewirkt.

Doppel-Modulation wird nun durch überlagerung einer Polaritäts umkehr-Rechteckwelle von der Trägerwsllenfrequenz über dem Polaritätssignal nach Fig. 1(i) erhalten. Dieser Vorgang ist in Fig. 4 zu sehen, wo Fig. 4(a) das Polaritätssignal der Ilodulaticnswellenfrequenz entsprechend dem Polaritätssignal nach Fig. 1(i) wiedergeben. Fig. 4(b) zeigt die zweite Modulationsreohteckwelle mit Trägerwellenfrequenz. Fig. 4(c) 2eigt

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das resultierende Polaritätssignal, das sich aufgrund der Ein-.wirkung der Uelle nach Fig. 4(b) auf die Welle nach Fig. 4 (a) ergibt.

Die vorstehende Beschreibung bezieht sich auf eine Einphasen-Versorgung oder eine Phase einer Drei- oder Mehrphasenversorgung. Unter Rückkehr zu Fig. 2B ist dort für die Phase 1 die Schaltung nach Fig. 2A gezeigt. Für die Phase 2 sind zwei in Phasenopposition erregte Motorwicklungen 7 und 8 in ähnlicher Weise mit zwei alternierend gezündeten Triacs zwischen Versorgungskleramen 2 und 4 in Reihe geschaltet. Für die Phase 3 sind in ähnlicher Weise zwei in Phasenopposition erregte Motorwicklungen 9 und 1o mit zwei Triacs zwischen den Versorgungsklemr.en 3 und 4 geschaltet. Die Anordnung erfordert somit einen Dreiphasen-Motor mit sechs Halbphasenwicklungen, die mit Hilfe von sechs Triacs in Doppelsternschaltung geschaltet sind.

Ein Blockschaltbild eine praktische Ausführungsform der erforderlichen Steuereinrichtung für eine beliebige, der alternativ beschriebenen Triac-Kraftstromkreise, und zwar eine Versorgungsphase, ist in Fig. 5 gezeigt. Die Funktion der verschiedenen Blöcke ist angegeben, und die erscheinende Wellenform ist entweder durch eine Gleichung oder die Abbildung der Welle selbnt gezeigt. Demgemäß wird von einer Wechselstrom-Netztklemme 1 eine sinusförmige Trägerspannungswelle mit dem Frequenzverlauf ;;in<y t einen Abtast- und Haltekreis 12, einem Phasenschio'jerkrois 13 und einem zweiten 'Iodulationskreis 14, falls ein solchf-r zur Anwendung kommt, zugeführt. Die Trägerwelle ist von der Gestalt, wie in Fig. 1(b) dargestellt. KIn Oszillator 15 nit veränderlicher Frequenz speist dc^n Abtast- und Haltskreis 12 mit einer Modulationswelle, die derjenigen nach "ig. 1(a) entspricht.

Der Abtant- und Haltekreis 12 ermittalt die Nulldurchgänge der Trägerwelle und tastet bei jedem Nulldurchgang den Augenblickswert der Modulationswelle ab. Der Kreis 12 hält jeden

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abgetasteten V7ert bis zum nächsten und erzeugt somit die stufige Sinuswelle nach Fig. 1 (c)., die zwei Gleichrichtern 16 und 17 zugeführt wird. Der Gleichrichter 16 liefert eine positiv gleichgerichtete Ausgangswelle gemäß der Darstellung in Fig. 1(d). Der Gleichrichter 17 hingegen liefert eine negative Ausgangswelle entsprechend der Darstellung in Fig. 1(f).

Der Phasenschieberkreis 13 versorgt die beiden Eingänge eines Cosinuswellengenerators 18 mit Sinuswellen entgegengesetzter Phase, und die Ausgaben dieses Kreises sind eine positive Cosinus~T,aktwelle von der Trägerwellenfrequenz gemäß Darstellung in Fig. 1(d) und eine negative Cosinus-Taktwelle derselben Frequenz gemäß Darstellung in Fig. 1(f).

Die positive Stufenmodulationsv/elle am Ausgang des Gleichrichters 16 und die positive Cosinus-Welle am Ausgang des Cosinus-wellengenerators 18 werden zusammen den beiden Eingängen eines Vergleichers 19 zugeführt, dessen Axisgang die 3ündin.pulse nach Fig. 1 (e) bestimmt. Die negative Stufenmodulatioiswelle am Ausgang des Gleichrichters 17 und die negative Cosinus'.velle am Ausgang des Cosinuswellengenerators 18 werden zusammen den beiden Eingängen eines Vergleichers 2o zugeführt, dessen Ausgang die Zündimpulse nach Fig. Kg) bestimmt. Die entsprechenden Ausgaben der Vergleicher 19 und 2o werden in einem Inpulskomb!nations- und Ansteuerkreis 21 kombiniert, dem auch eine Sinuswelle der Modulationsfrequenz vom.. Oszillator. 15, von welcheir ein Rechteckwellen-Polaritätssignal erzeugt wird, zugeführt wird. Die kombinierten Impulse sind diejenigen der Darstellung.nach Fig. 1(h), und das Polaritätssignal ist dasjenige nach Fig. 1(i) und Fig. 4 (a) .

Das 7iusgar_;gssignal des Kreises 21 wird einer Polaritätssignal-Steusreinheit 22 aufgegeben. Eine Sinuswelle mit Trägerfrequenz wird dem sekundären Modulationskreis 14, wie oben bereits erwähnt, zugeführt, und eine Rechteckwelle mit Trägerfrequenz gemä.3 d^r Darstellung in Fig. 4 (b) wird in die Steuereinheit

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eingegeben. Das Ausgangssignal der Steuereinheit 22, das entweder positive oder negative resultierende Polarität entsprechend der iJelle nach Fig. 4 (c) bestimmt, wird einer Kämmeinheit 23 zusammen mit einer Sinuswelle von Trägerfrequenz aufgegeben, die von dem Netz abgeleitet ist. Die Ausgabe der Känneinheit 23 bildet die Zündsignale für die Triacs in den Pfaden X bzw. Y gemäß Fig. 2a oder 3.

Ein Schaltbild der unter Hinweis auf das Blockdiagramm nach Fig. 5 beschriebenen Einrichtung ist in Fig. 6 gezeigt, worin die Schaltelenente in Komponentenform oder als Logikelemente oder Elemente einer integrierten Schaltung dargestellt sind und die an allen wichtigen Stellen der Schaltung vorhandenen Wellenformen abgebildet sind.

Es wird erneut betont, daß die Schaltung nach Fig. 5 und 6 für nur eine Phase bestimmt ist. Die Kraftstromversorgungskreise (A) und der Impulsgenerator (B) der Fig. 6 versorgen allein ille Phasen eines Dreiphasen- oder Mehrphasensystems. Ansonsten bezieht sich die Schaltung nach Fig. 6 auf eine Phase eines Dreiphasen- oder Mehrphasensystems, und die Schaltung ist für jede andere Phase zu wiederholen.

Das Schaltbild nach Fig. 6 wird nun an Hand der Funktion seiner verschiedenen Bestandteile entsprechend Fig. 5 beschrieben.

Abtast- urcl Haltekreis

Ein sinusförmiges Signal veränderlicher Frequenz und veränderlicher Amplitude, das als Modulationswelle dient und von einem (nic'it dargestellten) Dreiphasen-Signalgenerator abgeleitet wird, ^ird an der Stelle 31 eingegeben. Das Signal wird dann bei 32 einem Pufferungsprozeß unterworfen, der eine Versorgung mit niedriger Impedanz für das Laden eines Kondensators 37 schafft. Abtastimpulse werden von dem Einphacen-Vollwellengleichrichter 33 erzeugt, der in Verbindung mit einem Transistor

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'34, einem Inverter 35 und einem v/eiteren Transistor 36 arbeitet, Die Impulse werden der Klemme C eines bidirektionalen Schalters

. 3S in MOS-Technik zugeführt, der das gepufferte Signal zu einem Kondensator 37 für die Zeitdauer des Abtästimpulses durchläßt. Die Spannung am Kondensator 37 wird über einen weiteren Puffer 39 zugeführt, der den Kondensator 37 wirksam gegenüber jeder

- Ladung isoliert. Dieser Gesamtvorgang schafft ein Abtasten der Modulationssignaleinspeisung bei 31. Der Abtastvorgang erfolgt in Synchronismus mit den Nulldurchgängen träger Einspeisung bei 32. Dieser Vorgang ist in Fig. 1(a), 1(b) und 1(c) veranschaulicht.

Vollwellengleichrichtung

Die abgetastete Hodulationswelle wird der bei 4o gezeigten Inverter-Gleichrichteranordnung zugeführt, die v/irksam das Eingangssignal vollwellengleichrichtet und zwei Ausgaben entgegengesetzter Polarität bei 41 und 42 liefert. Die beiden \usgangssignale werden Hochleistungs-Differentialverstärkern 43 uni 44 zugeführt. ·

Vergleich der Cosinus-TaktweIlen und der gleichgerichteten Darstellungen der abgetasteten Modulationsv-elle

Die Cosinus-Taktwellen werden von einer Kombination der verbleibenden zwei Trägerwellen abgeleitet. - .

cos Λ = sin C - sin B,

und da? Verfahren der Kombination ist bei 45 gezeigt. Die Cosinus-Te.ktwelie wird bei 46 gepuffert und gelangt zu den beiden Differentialverstärkern 43 uni 44 über Gleichspannungsisolierkondensatoren 47 und 48. Eine negative und eine posi-■ tive Gleichstrom-Vorspannung wird bei 49 bzw. 5o hinzugegeben. Die Differentialverstärker wirken dann als Vergleicher, wie in 7io. 1(d) und 1(e) veranschaulicht ist. Wenn der Augen-

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blicksvert der gleichgerichteten abgetasteten Modulationswelle •cröüer als der Augenblickswert der Cosinus-Taktwelle für einen der Vergleicher ist, schlägt das Ausgangssignal dieses Vergleichers von negativ auf positiv um, und die im Kondensator 51 bzw. 52 gespeicherte Ladung wird dem Basis-Emitter-Kreis des Transistors 53 zugeführt, der dann einen Impuls entsprechend der Anwesenheit einer positiv ansteigenden Kante an dem jeweiligen Vergleicher liefert. Dieser Impuls wird als ein Logiksignal zum Inverter 54 und Flip-Flop 54 gegeben. Der Flip-Flop 55 wird dadurch jedesmal getaktet, wenn der Augenblickswert der gleichgerichteten abgetasteten Modulationswelle die Cosinus ?aktv;elle an Größe übersteigt.

g der Taktirapulse

Das Hennsignal wird durch Vergleich des bei 33 erzeugten gleichgerichteten VoIlwellenträgers mit einem bei 56 im Vergleicher erzeugten Gleichstromniveau erhalten. Das Ausgangssignal von 57 *vird zu einem T.T.L- (Transistor-Transistor-Logic) Niveausigm.1 durch Diodenanschlüsse 53 und 59 umgekehrt. Die positiv ansteigende Kante dieses Signals v/ird zum driggern einer monostabil-»r. Kijpschaltung 6o benutzt. Die resultierende Q-Ausgabe wird -zx KAND-Gattern 61 und 62 in den Impulsausgangs leitungen geführt, so daß v/ährend der Dauer der Entspannungszeit der monostabilen Kippschaltung Impulse verhindert werden.

Die Schaltung bei 63 und 64 stellt sicher, daß der Flip-Flop zu Beginn einer jeden Henmperiode und erneut unmittelbar nach allen KuI!durchgängen der Trägerwelle zurückgestellt wird. Der ?lip-?lop 55 stellt somit das zentrale Steuerelement dar. Die Ausgabe des Flip-Flops bestimmt die Zeitdauer, wann die Zündimpu]se zu dem entsprechende Triac geliefert werden können. Der Beginn dieser Zeitdauer ist, wenn ein Irpuls vom Transistor 53 aber einen Inverter 54 ankommt, und das Fnde ist gegeben, wenn ein Rückstellimpuls von der Ilemmlogik ankommt. Die Triac-Zündimpulse werden durch den Impulsgenerator erzeugt,

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der für alle Phasen gemeinsam ist und aus einem Einverbindungsoszillator 65 und einer rionostabilen Kippschaltung 66 besteht und nit dem Ausgangssignal des Flip-Flops 55 durch das NAND-Gatter 67 angesteuert wird.

Polaritatssignalsteuerung

Dio Impulse vcri !!AND-Gatter 67 v/erden unter der Kontrolle des Polaritätsoignals 68 2u dem entsprechenden Triac geleitet. Das Polaritätssigr.al wird von der abgetasteten Version der Modulaticnsvelle, wie sie aus dein Puffer 39 kommt, abgeleitet. Der Vergleicher 69 ermittelt die Polarität des Signals von Puffer 39; die Diode 7o und die Zenerdiode 71 kehren dieses Signal um auf ein T.T.L-Logifeniveau. Dieses Signal wird über ein ausschließliches ODER-Gatter 72, wo es moduliert werden kann, und zu . einem !"AND-Gatter 73 und über einen Inverter 74 zu einem NAND-Gatter 75 geführt. Inverter 76, 77, 73, 79 und So stellen sicher, dal eic r.ündinpulse zu den Impulsverstärkern 81 und 82 mit der .rieht ige η Polarität geliefert v/erden.

Do'voel-Mcdulation "

Die Verwendung dieses Kreises steht im freien Belieben, und seine Vervendung ist abhängig von dam speziellen Anwendungsfall des fystens. Dieser zweite Modulationsvorgangwird durch Anlegen eirer Rechteckwelle mit Trägerfrequenz, die vom Trägereingang bei 33 abgeleitet ist, an das ausschließliche ODER-Gatter 72 erhalten. Die Rechteckwelle wird durch Transistoren 83 und 84 und einen Inverter 85 erzeugt.

Heran systere

Es ist wesentlich für den Betrieb eines solchen Systems, daß beide jeveils einer Phase zugeordnete Triacs nicht gleichzeitig leiten. Dies kann auf einem von zwei VJegen erreicht werden:

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1) Durch Verhindern des Zündens nahe den Nulldurchgängen des Trägers:

Das Verhindern des Zündens der Drehachse während Zeitintervallen vor und nach den Nulldurchgangspunkten der Trägerwelle bewahrt jeden Triac davor, einen Zündimpuls in einen Zeitpunkt zu empfangen, wenn der andere Triac noch nicht ausgeschaltet ist, wie dies sonst auftreten würde, wenn die Belastung induktiv ist. Durch dieses Mittel ist auch die Wahrscheinlichkeit, daß der Triac gezündet wird, wenn die von Motor zurückwirkende elektromotorische Kraft die Vsrsorgungsspannung übersteigt, gering. Dies kann oft bei niedrigen Werten der Netztspannung geschehen, wenn die Netzspannung so niedrig ist, daß Strom in umgekehrter Richtung als der geforderten durch die Wicklung getrieben wird.

2. Durch Triac-Spannungs- und Stromerfassung:

Dieses Verfahren besteht im Erfassen des Stroms durch und der Spannung an jedem Triac und in der Sicherstellung, daß diese korrekt sind, bevor ein Zündimpuls an den einzuschalterden Triac herangelassen wird. Dies wird durch Verbindung des Nulleiters der Trägerversorgung mit dem geneinscPQn Leiter des Zündkreises und durch Einschaltung von "pannungs- und Stromabfühlelementen bei jedem Triac vollbracht. ...

Bei der hierin beschriebenen speziellen Ausführungsform der Erfindung sind Triacs^ als Steuerschalter zur Anwendung gekonn-^n, durch welche die sinuswellenförmige Spannungsversorgungsträgerwelle moduliert wird. Es versteht: sich für den Fachmann von selbst, daß diese Triacs durch umgekehrt parallel geschaltete Thyristor-Paare ersetzt werden können.

Patentansprüche /'

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Claims

Patentansprüche

1,1 Verfahren zur stufenlonen Regelung von Tnduktions- und Syneiironinotoren mit Ableitung des Erregerstroras von einem ein- oder mehrphasigen Wechselstromnetz konstanter Frequenz _t g e •kennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) die Erzeugung einer sinusförmigen Mödulationswelle stufenlos veränderbarer Frequenz, die kleiner als die Netzfrequenz ist,

b) die Abtastung des Augenblickwertes der Modulationswelle während jeder lietztstroia-Halbwelle und die Ableitung einer stufig wechselnden Modulationswelle gleicher Frequenz wie die sinusförmige Modulationswelle,

c) die Ableitung einer vollwellengleichgerichteten stufig sich ändernden Modulationswelle,

d) e'en Vergleich der Augenblickswerte der gleichgerichteten stufig sich ändernden Modulationswelle mit den Augenblickswerten einer Cosinuswelle gleicher Frequenz wie die Fetzfrequenz und gleicher Amplitude wie die Modulationsvelle und

e) die Einschaltung des Erregerstroms für den Motor nur für die Dauer der Intervalle zwischen der Gleichheit der Augenblickswerte dsr verglichenen Wellen und dem nächstfolgenden llulldurchgang der Cosinuswelle.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß von der stufig wechselnden Modulationswell2 sowohl eine positive als auch eine negative vollwellengleichgerichtcte_# stufig sich ändernde Modulationswelle abgeleitet wird, daß die Amplitude der positiven und der negativen

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liodulationswelle nit einer positiven bzw. einer negativen .Cosinuswelle vergleichen werden und daß der Erreger strom, für den Motor für die Dauer der Intervalle gemäß dem paarweisen Vergleich der positiven bzw. der negativen Wellen \ eingeschaltet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 zum Erregen eines Dreiphasen-V-Jechselstronmotors mit Ableitung des Erregerstroms von einem Dreiphasen-Uechselstromnetz konstanter Frequenz, gekennzeichnet durch die Erzeugung einer einzigen sinusförmigen. Modulationswelle, die Ableitung der stufenweise sich abwechselnden und gleichgerichteten, stufig sich ändernden Wellen, den Vergleich der genannten Augenblickswerte mit den Äugei.blickswerten einer jeden Welle eines Satzes von dreiphasicen Cosinus-Wellen der Netzfrequenz und das Einschalten des Erregerstroms jeder Phase der dreiphasigen Versorgung während der erwähnten Intervalle in Ableitung gernäß der entsprsehenden Cosinuswelle des Dreiphasensatzes.

4. Verfahren nach Anspruch 1 zum Erregen eines Dreiphasen-Wechselstroii motors mit Ableitung des Erreger Stroms von einem Dreiphasen-Uechselstromnetzes konstanter Frequenz, gekennzeichnet durch die Erzeugung eines dreiphasigen Satzes sinusförmiger Modulationswellen, die Ableitung von drei stufenweise sich abwechselnden und vollweggleichgericht3ten, stufig sich ändernden Modulationswellen, den getrennten Vergleich der genannten Auqenblickswerte einer jeden T'elle eines Satzes dreiphasiger Cosinuswellen mit Netzfrecr.ienz v.nö das Einschalten des Erregerstroras jeder Phase der Ireiphasigen Versorgung während der erwähnten Intervalle entsprechend der genannten Phase.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e ken nzeichnet, daß die sinusförmige Mödulationswelle am Beg-inn einer jeden Halbwelle der sinusförmigen Hetzwellc abgetastet wird.

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6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Erregerstrom weiterhin im Flußsinne bei der Netzfrequenz geschaltet wird.

7. .Einrichtung zur Durchführung dea Verfahrens nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch:

a) Anschlußklemmen für den Anschluß an ein Wechselstrom*- netz,

b) einen Erzeuger für die sinusförmige Modulationswelle,

c) einen mit Eingängen sowohl vom Wechselstromnetz als auch von Modulationswellenerzeuger versehenen AmpIitudenabtast- und -haltekreis zur Schaffung einer stufig wechselnden Modulationswelle an seinem Ausgang,

d) je einen positiven und einen negativen Vollwellengleichrichter, denen beide stufig wechselnden Modulationsvellen zugeführt werden und die diese positiven und negativen Modulationswellen an zwei Ausgangsleitungen liefern,

e) eireTi Cosinuswellenerzeuger mit einer Sinuswello der netzfrequenz am Eingang und einer positiven und einer nec-citiven Cosinuswelle an zwai Ausgangsleitungen,

f) ernte und zweite Vergleicher zum Vergleichen der Augenblickswerte der positiven bzw. der negativen Modulations volle rn.it der entsprechenden Cosinusv-elle zur Erzeugung von Ausgangsinpulsen an zwei Ausgangsleitungen entsprechend den Einschaltintervallen.

3. Einrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Impulskombinations- und Ansteuerungsmittel mit den genannten zwei Impulsausgangsleitungen als Eingaben zu-

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rait einer sinusförmigen Eingangswelle von Netzfrequenz und gesteuerter Phasenverschiebung zur Schaffung eines kontinuierlichen Impulsausgangssignals entsprechend den genannten Zeitabschnitten, in denen der Erregerstrom fließt.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Rechteckwellen-Formungsmittel mit einer Sinuswelle von Netzfrequenz als Eingabe zur Schaffung eines Rechteckwellenausgangssignals mit Netzfrequenz und Polaritätssignal-Steuermitteln mit den genannten !Combinationsimpuls-Ausgabesignal und einer Netzfrequenz-Rechteckwelle als Eingabe zur Schaffung der genannten, in der Polarität gemäß der Rechteckwellenpolarität modifizierten Impulse als Ausgangssignal.

To. Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch einen Hemmkreis mit der erwähnten Kombinationsimpulsausgabe sowie einer Sinuswelle mit Netzfrequenz und gesteuerter Phasenverschiebung als Eingabe und Zündimpulsen für zv.'ei den Erregerstrom für den Motor steuernde Triacs als Ausgabe.

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