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Wechselstrommotorsteuerung Die Erfindung betrifft eine Wechselstromalotorsteuerung
mit einem Wechselstrommotor, einem spannungs- und frequenzvariablen Umformer mit
mehreren Kipptrioden zur Leistungsbeaufschlagung des Motors1 ein Steuerschaltnetz,
das Steuersignale für die Kipptrioden des Umformers liefert, und mit einem Oszillator
für die Spannungsreglung zur Steuerung der Durchschaltphasen der Kipptrioden über
das Schaltnetz.
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Insbesondere betrifft die Erfindung eine Wechselstrommotorsteuerung,
die durch Regelung des Leistungsfaktors eine hohe Laufruhe des Motors bewirkt.
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Beim Beaufschlagen eines Wechselstrommotors durch einen frequenzvariablen
und spannungsvariablen Umformer wird nach dem Stand der Technik der Motor mit einem
vorgegebenen und festgelegten Spannungs-Frequenzverhältnis beaufschlagt, um einen
möglichst hohen Wirkungsgrad des Motorbetr ebes zu erzielen. Solange die am Ausgang
des Umformers auftretende Frequenz so klein ist, dass die Kommutationsperiode der
Kipptrioden, beispielsweise der Thyristoren, im Hauptkreis des Umformers vernachlässigt
werden kann, kann ein Wechselstrommotor auf diese Weise in -einem weiten Bereich
zwischen einer sehr kleinen und bis zu sehr hohen Laufgeschwindigkeiten ruhig und
gleichmässig gesteuert werden.
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Bei hoher Frequenz am Ausgang des Umformers, beispielsweise bei einer
Frequenz im Bereich einiger Hundert Hz, kann die Kommutationsperiode der Thyristoren
nicht mehr vernachlässigt werden. Es tritt dadurch eine nur sehr schlechte Regelung
des Leistungsfaktors des Wechselstrommotors auf.
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Der Leistungsfaktor wird durch die Kommutationsoperation der Thyristoren
im Hauptkreis des Umformers verzögert.
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Mit zunehmender Ausgangsfrequenz am Umformer nimmt auch die Verzögerung
des Leistungsfaktors zu, so dass der Motor schliesslich ungenügend mit elektrischer
Leistung beaufschlagt wird.
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Zur Behebung dieser Schwäche ist ein Regelsystem für einen Wechselstrommotor
bekannt, das wie folgt wirkt: Mit zunehmender vom Umformer abgegebener Ausgangsleistung
wird auch die auf eine Regelvorrichtung zum Stellen der Schlieswinkel der Thyristoren
im Umformer als Eingangssignal auf geprägte Regelspannung erhöht. Dadurch wird ein
Steuersignal erzeugt, das die Phase am Ausgang des Umformers vorverschiebt. In dieser
Weise wird über den gesamten Frequenzbereich ein brauchbarer Bereich in der Beziehung
zwischen dem Winkel des Leistungsfaktors zum Ausgangssignal des Umformers eingestellt
und ausgenutzt.
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Dieses Verfahren weist jedoch eine Reihe von Nachteilen auf.
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So ist beispielsweise das Problem einer genauen Einstellung bzw. einer
angemessenen Erhöhung der Regelspannung bislang noch nicht einwandfrei gelöst. Wenn
mehrere Wechselstrommotoren am Umformer liegen, muss für den Verlauf der Regelspannung
eine neue Führungsfunktion ermittelt werden, da die Kommutationsparameter eine Funktion
der Anzahl der beaufschlagten Motoren ist.
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Ein Ziel der Erfindung ist daher die Schaffung eines mit hohem Wirkungsgrad
und wirtschaftlich einsetzbaren Steuer-und Regelsystems für einen Wechselstrommotor,
der von
einem spannungs- und frequenzvariablen Umformer beaufschlagt
wird.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Wechselstrommotorsteuerung,
die eine Verkleinerung des für die Beaufschlagung des Wechselstrommotors erforderlichen
spannungs- und frequenzvariablen Umformers ermöglicht.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist schliesslich die Schaffung eines
Steuer- und Regelsystems für einen Wechselstrommotor, die eine hochwirksame Steuerung
des Motors mittels eines möglichst einfachen Schaltwerkes ermöglicht.
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Angesichts des Standes der Technik liegt der Erfindung also die Aufgabe
zugrunde, eine Wechselstrommotorsteuerung für einen durch einen spannungs- und frequenzvariablen
Umformer beaufschlagten Wechselstrommotor zu schaffen, die bei möglichst einfacher
und billiger Auslegung eine so wirksame und gegenüber dem Stand der Technik verbesserte
Steuerung des Motors über weite Frequenz- und Lastbereiche ermöglicht, dass im Vergleich
zum Stand der Technik Umformer mit wesentlich kleinerer Kapazität eingesetzt werden
können.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Steuerung der eingangs beschriebenen
Art vorgeschlagen, die gekennzeichnet ist durch einen Spannungsprüfer für die Ausgangsspannung
des Umformers, einen Stromprüfer für den Ausgangsstrom des Umformers und einen Phasendifferenzprüfer
zur Prüfung der Phasendifferenz zwischen der vom Spannungsprüfer festgestellten
Umformerausgangsspannung und dem vom Stromprüf er festgestellten Umformerausgangsstrom
und zur Erzeugung eines den Leistungsfaktor abbildenden Ausgangssignals zur Steuerung
der Frequenz des Spannungsregelungsoszillators in Verbindung mit einem Signal Es,
das den Soll-Leistungsfaktor abbildet.
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Die Erfindung schafft also ein Steuer- und Regelsystem für einen Wechselstrommotor,
der von einem spannungs- und frequenzvariablen Umformer beaufschlagt wird. Im Umformer
sind eine Reihe von ansteuerbaren Gleichrichterelementen enthalten. Die Schaltung
enthält weiterhin ein Steuerschaltnetz, das die Gleichrichterkippstufen im Umformer
mit den zum Durchschalten erforderlichen Steuersignalen beaufschlagt. Die Steuerschaltung
enthält weiterhin einen Regler, der den Zündwinkel am Steuerschaltnetz nach Massgabe
der am Ausgang des Umformers auftretenden Phase regelt, wobei sowohl die-Ausgangsspannungsphase
als auch die Ausgangsstromphase des Umformers geprüft und ihre Differenz festgestellt
werden. Es wird dadurch also die Veränderung des Leistungsfaktors geprüft, dessen
Drift der Regler als Regelgrösse zum Stellen des Zündwinkels am Steurschaltkreis
aufnimmt. Durch diesen Aufbau des Steuersystems für einen Wechselstrommotor kann
die Verzögerung des Leistungsfaktors durch die Kommutation der Kipptrioden des Umformers
selbst dann einwandfrei kompensiert werden, wenn der Wechselstrommotor bei hohen
und sehr hohen Geschwindigkeiten läuft, so dass auch unter solchen Betriebsbedingungen
ein hoher Wirkungsgrad des Motors bei hohem Gleichlauf gewährleistet ist.
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Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in
Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben.
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Es zeigen: Fig. 1 in graphischerParameterdarstellung die lastseitige
Ausgangsleistung eines einen Wechselstrommotor beaufschlagenden Inverters als Funktion
der Verschiebung des Phasenwinkels der Invertereingangsleistung;
Fig.
2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Wechselstrommotorsteuerung
der Erfindung; Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel eines in der in Fig. 2 gezeigten Schaltung
verwendbaren Inverters und Fig. 4 Strom- und Spannungswellenformen zur Erläuterung
der Wirkungsweise des in Fig. 2 gezeigten Steuer-und Regelsystems.
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In der Fig. 1 ist die Beziehung zwischen dem Ausgang eines Inverters
(dem Eingang eines Synchronmotors) und dem eingangsseitigen Leistungsfaktor des
Inverters dargestellt. Der Inverter ist ein Strominverter mit Rechteckausgang, dessen
Ausgangsstrom also in Form einer Stufenkurve auftritt. Mit dem Ausgangsstrom des
Inverters wird ein Synchronmotor getrieben.
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Die in der Figur mit I1, I2 und I3 bezeichneten Kennlinien werden
für die entsprechenden konstanten Ströme Ii, 12 und I3 aufgenommen. Die Ausgangsleistung
des Inverters Pout ist eine Funktion des Leistungsfaktors Psi. Der Leistungsfaktor
Psi seinerseits ist eine Funktion der veränderlichen Last am Ausgang des Synchronmotors.
Um den Synchronmotor beispielsweise bei einem Strom I1 mit hohem Wirkungsgrad betreiben
zu können, muss der Leistungsfaktor Psim des Motors bestimmt werden und muss der
so gesetzte Leistungsfaktor Psim selbst dann konstant gehalten werden, wenn die
Ausgangsfrequenz am Inverter verändert wird.
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In der Fig. 2 ist in Form eines Blockschaltbildes ein Ausführungsbeispiel
der Steuerung der Erfindung für einen Synchronmotor gezeigt. Der Hauptkreis des
steuersystems enthält einen Gleichrichter 10 zur Umformung des von einer in der
Figur
nicht dargestellten Wechselstromquelle abgenommenen Wechselstromes in Gleichstrom,
eine Drossel 12 zur Stabilisierurig des vom Gleichrichter 10 abgegebenen Stromes,
einen Wechselrichter oder Inverter 14 zur Umformung des aus dem Quellenwechselstrom
gleichgerichteten Stromes in einen Wechselstrom und einen Synchronmotor 16, der
durch die am Ausgang des Inverters 14 auftretende Wechselstromleistung beaufschlagt
und gesteuert wird. Mittels eines automatischen Stromreglers (ACR) wird der am Ausgang
des Gleichrichters 10 auftretende Gleichstrom einem Sollwert angeglichen, der durch
eine Regelspannung E vorgegeben wird. Dieses ACR-c System besteht aus einem Stromregler
18, einem automatischen Impulsphasenregler 20 und einem Transformator 22 zur Stromprüfung.
Ein phasenverriegelbarer Oszillator 24 dient der Regelung der Phase des Ausgangsstromes
des Inverters 14 unter Führung durch einen Sollwert. "Phasenverriegelt" in bezug
auf den Oszillator 24 bezieht sich dabei auf das Impulsintervall. Der Oszillator
24, das Steuerschaltnetz 26, der Stromprüfen 28, ein Impulsformer 30, der Spannungsprüfer
32 und ein Impulsformer 34 bilden gemeinsam ein phasenverriegeltes Schwingungssystem
(PLO-System). Der phasenverrlegelbare Oszillator 24 enthält einen Spannungsregeloszillator
36, einen Verstärker 38, einen Ringzähler 40, einen Filter42 und einen Phasendifferenzprüf
er 44. Das Ausgangssignal des Stromprüfers 28 wird über den Impulsformer 30 und
einen Schalter 46 auf den Phasendifferenzprüfer 44 gegeben. Der Schalter 46 wird
auswerden mit dem Ausgangssignal des Ringzählers 40 beaufschlagt.
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Bei stationärem Lauf des Synchronmotors läuft das Signal des Impulsformers
30 über den durchgeschalteten Schalter 46 auf den Phasendifferenzprüfer 44. Dieser
prüft die Phasendifferenz zwischen dem am Ausgang des Inverters 14 auftretenden
Strom und der am Ausgang des Inverters 14 auftretenden Spannung, bestimmt also den
Leistungsfaktor. Der so ermittelte Leistungsfaktor dient als Regelgrösse zum Stellen
des Zündwinkels
der Thyristoren im Inverter 14. Wenn vorübergehend
die Wechselstromquelle ausfällt, schaltet der Schalter 46 die Ausgangssignale des
Ringzählers 40 auf den Phasendifferenzprüfer 44. Der Phasenprüfer 44 bestimmt bei
dieser Schaltung die Phasendifferenz der Klemmenspannung des Synchronmotors 16 und
dem Ausgangssignal des Ringzählers 40 und überträgt dann das abgeleitete Phasendifferenzsignal
auf den Spannungsregeloszillator 36. Auf diese Weise wird die Frequenz des Spannungsregeloszillators
36 bei Netzausfall mit der Frequenz des Synchronmotors synchronisiert. Der Schalter
46 ist vorzugsweise aus einer Kombination von jk-Flipflops und NAND-Gliedern aufgebaut.
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Das PLO-System hält das Arbeitsverhältnis (Phasendifferenz/ 3600)
seines Ausgangssignals auf einem bestimmten Festwert.
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Das Arbeitsverhältnis ist dabei durch die Phasendifferenz zwischen
dem Eingangsprüfsignal und dem rückgeführten Eingangssignal bestimmt, die frequenzgleich
sind und auf den Phasendifferenzprüfer 44 gegeben werden. Die Frequenz des Phasendifferenzprüfers
44 hängt in der Regel vom Eingangsprüfsignal ab, also in dem hier beschriebenen
Fall von der Frequenz des Synchronmotors.
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Nach dem zuvor beschriebenen Steuersystem für den Synchronmotor wird
der Leistungsfaktorwinkel Psi so geregelt, dass die Stromphase bestimmt wird durch
eine Beeinflussung der Phase des am Inverter liegenden Steuersignals, und zwar über
das PLO-System auf der Basis der Differenz der Spannungsphase und der Stromphase,
die am Ausgang des Inverters festgestellnwerden. Mit anderen Worten wird der Leistungsfaktor
also direkt durch die Regelspannung Es in Kombination mit dem direkt abgeleiteten
Leistungsfaktor geregelt.
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Es lässt sich also zusammenfassen: DerLeistungsfaktor wird direkt
bestimmt, so dass zur Einhaltung eines bestimmten
Leistungsfaktors
nicht mehr, wie nach dem Stand der Technik, auf diesen Sollwert selbst als Führungsgrösse
zur Kompensation der Verzögerung des Leistungsfaktors durch die Kommutierungsoperation
zurückgegriffen zu werden braucht, sondern die Ausgangsfrequenz des Inverters entsprechend
einer spezifizierten Führungsfunktion auf die Regelspannung rückgekoppelt wird.
Der spezielle vorgegebene Soll-Leistungsfaktor ist beispielsweise der Leistungsfaktorwinkel
Psim für den Strom I in Fig. 1.
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Im Zusammenhang mit den Figuren 3 und 4 ist ein weiteres Funktionsmerkmal
der Steuerung eines Synchronmotors nach dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel
näher erläutert.
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In der Fig. 3 ist in schematischer Darstellung der Hauptkreis eines
Inverters, wie er in der in Fig. 2 gezeigten Schaltung eingesetzt werden kann, dargestellt.
Vor dem Eingang zum Inverter liegt die Drossel 12. Der Inverter selbst enthält die
Hauptthyristoren U, X, V, Y, W und Z und die Hilfsthyristoren u, x, v, y, w und
z. An die Ausgangsklemmen des Inverters 14 ist der Synchronmotor 16 angeschlossen.
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In der Fig. 4 sind zur näheren Erläuterung der Funktionsweise der
in Fig. 2 gezeigten Steuerung eine Reihe von Spannungs- und Stromimpulsformen dargestellt.
Die in Fig. 4 verwendeten Bezugszeichen entsprechen den in Fig. 3 dargestellten
bzw. sind auf die entsprechenden Thyristoren bezogen.
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Der Spannungsverlauf zwischen den Phasen W und U wird durch die Kennlinie
Etwu, der Spannungsverlauf der Phase U durch die unterbrochen dargestellte Kennlinie
Etu,der Strom der Phase U durch die Kennlinie 1u dargestellt, wobei die Grundfrequenzkomponente
des Stromes dieser Phase durch eine unterbrochen gezeichnete Linie wiedergegeben
ist, das
Ausgangssignal des Impulsformers- 34 (Fig. 2) zeigt den
Verlauf ewu, das Ausgangssignal des Impulsformers 30 (Fig. 2) den Verlauf zur das
Ausgangssignal des Steuerschaltnetzes 26 für die Phase U den Verlauf zur und das
Steuersignal des Inverters 14 die Wellenformen gu 1gz Die unter den Impulskennlinien
schraffierten Bereiche geben die Durchschaltphase der Hauptthyristoren an.
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Psis ist die Phasendifferenz zwischen der W-U-Zwischenphasenspannung
Etwu und der Grundkomponente des U-Phasenstromes Iu.
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Die W-U-Zwischenphasenspannung wird durch das PLO-System auf einen
konstanten Wert geregelt. Psi0 ist die Phasendifferenz zwischen dem Ausgangs signal
ewu des Impulsformers 34 und dem Ausgangssignal zur des Steuerschaltnetzes 26 für
die U-Phase. Psid ist die Phasendifferenz zwischen dem Ausgangssignal zur des Steuerschaltnetzes
26 für die Phase U und der Phase, bei der der Hauptthyristor U zündet. Psiu ist
ein Überlappungswinkel. Psi ist die Phasendifferenz zwischen der Spannung E tu der
Phase U und der Grundfrequenzkornponente des Stromes 1u der Phase U, also der Leistungsfaktorwinkel.
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Die Phasendifferenz zwischen dem Ausgangssignal zur des Steuer schaltnetzes
26 für die Phase U und dem Ausgangssignal iu des Impulsformers 30 beträgt ((Psid
+ Psin)/n) - 300 (Fig. 4).
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Dementsprechend ist die Phasendifferenz Psis zwischen der W-U-Zwischenpha
senspannung Etwu und der Grundfrequenzkomponente des Stromes Iu der Phase U gegeben
durch Psis = Psio + Psid + (Psiu/2) - 300.
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Die vorstehende Gleichung zeigt, dass bei konstanter Regelspannung
Es am PLO-System eine durch die Laufbedingungen des Synchronmotors verursachte Verzögerung
des Zündwinkels Psid und mitverursachte Veränderung des Überlappungswinkels Psiu
des Hauptthyristors die Phase Psi0 des Schwingungssignals
des
Spannungsregeloszillators VCO jmPLO-ystem in der Weise entsprechend geändert wird,
dass die Phasendifferenz Psis konstant gehalten wird.
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Wenn in dem hier beschriebenen Beispiel die Regelspannung E 5 so gesetzt
ist, dass Psis = 1800 ist, das Arbeitsverhältnis also 1800/3600 = 0,5 ist, wird
der Leistungsfaktorwinkel Psi auf 300 gehalten, und zwar unabhängig von einer Veränderung
der Verzögerung des Zündwinkels Psid und des Überlappungswinkels Psi u der Hauptthyristoren.
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Im zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Regelung eines
Synchronmotors beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Regelung des
Leistungsfaktors eines Synchronmotors beschränkt. Statt des im zuvor beschriebenen
Beispiel verwendeten Strominverters kann der Fachmann ohne weiteres auch einen Spannungsinverter
einsetzen. Bei der Verwendung eines Spannungsinverters sind die Funktionen von Strom
und Spannung als Eingangsgrössen des Phasendifferenzprüfers 44 vertauscht gegenüber
dem im vorstehend beschriebenen Beispiel erörterten Fall der Verwendung eines Strominverters.
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Durch die direkte Bestimmung des Leistungsfaktors kann also der Motor
mit einem vorgegebenen und konstant eingehaltenen Wert des Leistungsfaktors betrieben
werden. Der Leistungsfaktor wird dabei als Sollwert durch eine entsprechende Regelspannung
vorgegeben. Zur Konstanthaltung des Sollwertes des Leistungsfaktors sind die Steuer-
und Regelvorrichtungen zur Kompensation der Veränderung des Leistungsfaktors durch
die Kommutationsoperation des Inverters im Hauptkreis, wie sie nach dem Stand der
Technik erforderlich sind, entbehrlich.