DE2601924C3

DE2601924C3 - Kaskadenanordnung einer mit einer Synchronmaschine gekuppelten Drehstromschleifringläuferm aschine

Info

Publication number: DE2601924C3
Application number: DE2601924A
Authority: DE
Inventors: Ibaraki Hitachi; Mitsuyuki Honbu; Takamasa Ibaraki Hori; Sanshiro Obara
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1975-01-20
Filing date: 1976-01-20
Publication date: 1980-03-20
Also published as: JPS5738113B2; US4058755A; JPS5183113A; DE2601924B2; DE2601924A1

Description

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Beschreibung

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Eine Kaskadenanordnung einer mit einer Synchronmaschine gekuppelten Drehstromschleifringläufermaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus der deutschen Auslegeschrift 12 77 998 bekannt.

Bei der bekannten Anordnung ist die Drehzahl von der Last stark abhängig. Um eine Drehzahlregelung durch Änderung der Zündwinkel der in dem Wechselrichter enthaltenen Stromrichterventile vornehmen zu können, müssen zur Gewährleistung eines sicheren Betriebes die Stromrichterventile ohne Kippen des Wechselrichters ordnungsgemäß sperren. Dazu muß der Eingangsgleichstrom Ic des Wechselrichters aber kleiner sein als ein Grenzwert /crnax. Wird dieser Grenzwert überschritten, so können die Stromrichterventile nicht mehr zuverlässig gesperrt werden. Andererseits muß der Eingangsstrom Ic des Wechselrichters größer sein als der Laststrom IL.

Bei großen positiven oder negativen Beschleunigungen werden diese Bedingungen nicht mehr erfüllt, was bedeutet, daß über größere Drehzahlbereiche eine nur langsame Drehzahländerung möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kaskadenanordnung der vorausgesetzten Art derart auszubilden, daß eine konstante Drehzahl erreicht wird und bei raschen Drehzahländerungen ein Ausfall des Wechselrichters bzw. der Synchronmaschine vermieden wird.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegeben. Die danach einerseits vorgesehene, aus der Siemens-Zeitschrift, 1966, S. 197 an sich bekannte Drehzahlregelung mit unterlagerter Zwischenkreisstromregelung ergibt ein von der jeweiligea Last weitgehend unabhängiges Drehzahlverhalten. Der weiterhin vorgesehene Funktionsgenerator gewährleistet ferner die Einhaltung der Sperrbedingung des Wechselrichters auch bei raschen Drehzahländerungen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 gekennzeichnet

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild einer Kaskadenanordnung mit Drehstromschleifnngläufermaschine und Synchronmaschine,

F i g. 2 ein Kennlinienfeld zur Veranschaulichung der Abhängigkeit des Eingangsstromes des Wechselrichters von der Drehzahl, und

F i g. 3 eine Weiterbildung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1.

In dem in F i g. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Asynchronmaschine 3, bei der es sich um eine Drehstromschleifringläufermaschine handelt vom Netz 1 gespeist Der Ausgang einer Sekundärwicklung der Asynchronmaschine 3 ist auf einen Diodengleichrichter 7 geschaltet Der am Ausgang des Gleichrichters 7 auftretende Gleichstrom ist über eine Drosselspule 8 auf einen thyristorisierten Wechselrichter 9 geschaltet Der Wechselrichter 9 ist von einem Impulsphasenschieber 14 gesteuert Der Ausgang des Wechselrichters 9 ist auf die Synchronmaschine 4 geschaltet. Ein Stellungsgeber 5 erzeugt ein die Stellung des Ankers in der Synchronmaschine 4 abbildendes Ausgangssignal, das auf den Impulsphasenschieber 14 gelangt Die Istdrehzahl der Synchronmaschine 4 wird durch einen Drehzahlmeßwandler 6 gemessen und als elektrisches Signal abgebildet Der Drehzahlmeßwandler ist vorzugsweise als Meßgenerator ausgebildet.

Die an der Asynchronmaschine 3 angreifende Last 2, die Asynchronmaschine 3, die Synchronmaschine 4, der Stellungsgeber 5 und der Drehzahlmeßwandler 6 sind vorzugsweise als kompakte und integrierte Baueinheit ausgebildet.

Als Führungsgröße des Reglers dient ein am Ausgang eines Solldrehzahlgeber 11 auftretendes Signal, das eine vorgegebene Solidrehzahl für die Asynchronmaschine 3 abbildet. Die Differenz zwischen dem Solldrehzahlsignal und dem am Ausgang des Drehzahlmeßwandlers 6 auftretenden Istdrehzahlsignal wird auf einen Operationsverstärker 12 gegeben. Diesem ist ein weiterer Operationsverstärker 13 nachgeschaltet. Insoweit entspricht der Regelkreis einer gebräuchlichen Krämerkaskade.

In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung bildet ein wichtiges Bauelement der Funktionsgenerator 15. Zur Erläuterung seiner Auslegung und Wirkungsweise sei im folgenden zunächst an Grundlagen der Krämerkaskade erinnert.

Bei Normalbetrieb der Krämerkaskade sind die Ausgangsspannung des Diodengleichrichters 7 und die Eingangsspannung des thyristorisierten Wechselrichters 9 abgeglichen. Zum sicheren Betrieb der Krämerkaskade ist außerdem, wie bereits erwähnt, erforderlich, daß ein sicheres Sperren der Ventile des Wechselrichters 9 gewährleistet ist. Bei abgeglichener Spannung zwischen dem Ausgang des Diodengleichrichters 7 und

dem Eingang des Wechselrichters 9 sind folgende Gleichungen erfüllt:

SE₂ = Et cos γ

2X Ic max ,

cos (γ - η) = cos + — (γ - u) = Λ

N = (I - S)N₀.

In den vorstehenden Gleichungen bedeuten 5 den Schlupf der Asynchronmaschine 3, £2 die Ausgangsspannung der Sekundärwicklung der Asynchronmaschine 3 für 5 = 1, γ den Voreil winkel des Wechselrichters 9, Et die elektromotorische Gegenkraft, u den Überlappungswinkel, X die Kommutationsreaktanz, ό den kleinsten Sicherheitswinkel, N die Ankerdrehzahl der Synchronmaschine 4 und N₀ die Synchrondrehzahl der Synchronmaschine 4.

Aus den vorstehenden Gleichungen erhält man die in F i g. 2 graphisch dargestellte Drehzahlabhängigkeit des Grenzstromes lc max.

Der Grenzstrom Ic max ist der größte über die Gleichstromdrosselspule 8 fließende Gleichstrom, den der ThyHstor des Wechselrichters 9 sperren kann. Wenn der Strom IC größer als /cmax wird, kann der Wechselrichter" 9 nicht mehr sperren. Es ist daher erforde^rlich, dAß der über die Drosselspule 8 in den Wechselrichter' 9 fließende Strom Ic kleiner als der Strom k max if L

Der Strom K-" max ist eine Funktion der Drehzahl der Synchronmaschine 4. Auf der anderen Seite ist der Strom IL del" Asynchronmaschine 3, der von der Last 2, beispielsweise tiner Wasserpumpe oder einem Luftgebläse gefordert wird, ebenfalls in der in F i g. 2 gezeigten Weise eine Funktion der Drehzahl der Synchronmaschine 4. Der Strom Ic muß dabei aber größer als der Strom IL sein, so daß folgende Bedingung eingehalten ist:

/cmax > Io IL.

Auf Grund dieser Bedingung ist der steuerbare und regelbare Drehzahlbereich im allgemeinen kleiner als der in F i g. 2 gezeigte Bereich von N1 bis N 3.

Es sC\ angenommen, daß die Asynchronmaschine 4 mit der in F i g. 2 gezeigten Drehzahl N1 laufe. Unter diesen Betriebsbedingungen werde die Solldrehzahl und deren am Ausgang des Solldrehzahlgebers 11 auftretender Wert rascl¹ über einen weiten Bereich hin geändert, beispielsweise auf die Drehzahl Λ/3. Die Differenz zwischen der Solldrehzahl und der Istdrehzahl, die durch den Driihzahlmeßwandler 6 abgebildet wird, ist groß. Das Differenzsignal wird auf den Operationsverstärker 12 gegeben. Dieses Differenzsignal wird im Operationsverstärker 12 bis auf einen Wert Ia' verstärkt. Selbst wenn die Istdrehzahl des Motors N1 ist, erreicht der in den Wechselrichter 9 fließende Gleichstrom einen Wert la, der größer als Ic 1 ist. Ic 1 ist dabei der größte sperrbare Strom bei der Drehzahl N1. Der Wechselrichter 9 kann dadurch nicht mehr sperren. Dadurch sind gebräuchliche Krämerkaskaden nur auf die Steuerung und Regung innerhalb eines eng begrenzten Drehzahlbereiches ausgelegt, um ein solches Kippen zu verhindern. In dem in Fig. 2 gezeigten Diagramm muß der Iststrom Ic unter dem maximalen Grenzstrom /cmax bleiben, und zwar bei jeder beliebigen Drehzahländerung. Gebräuchliche Steuerungen waren daher auf den Bereich Nl bis /V3 beschränkt (F ig-2).

Bei der Anordnung nach F i g. 1 wird nun jedoch über den Funktionsgenerator 15 und den Operationsverstärker 12 das in Fig.2 gezeigte konstante Signal Ia" erzeugt Der Funktionsgenerator 15 erzeugt ein dem die Istdrehzahl abbildenden Ausgangssignal des Drehzahlmeßwandlers 6 proportionales Ausgangssignal Ip. Der Strom (Ip + Ia"), der größer als IL und kleiner als Ic max ist, wird mit dem von einem Stromistwertgeber 10 abgebildeten Gleichstrom verglichen und über einen Operationsverstärker 13 zur Steuerung des Wechselrichters 9 auf einen Impulsphasenschieber 14 gegeben.

Bei einer Drehzahl /Vl wird für eine vorgegebene Last ein Laststrom IL 1 benötigt. Die Asynchronmaschine beginnt entsprechend dem Beschleunigungsstrom (Ia 1 — ILY) zu beschleunigen. Solange der Strom /el größer als Ia 1 ist, kann der Wechselrichter 9 sicher sperren. Anschließend erreicht dann das Ausgangssignal Ip des Funktionsgenerators 15 auf Grund der Beschleunigung den Grenzwert Ip 3. Während sich die Drehzahl allmählich auf N3 erhöht, erzeugt der Funktionsgenerator 15 einen Strom Ip 3. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 12 wird auf einem Wert — (Ip3 — IL3) gehalten. Die Asynchronmaschine wird auf der Drehzahl Λ/3 gehalten.

In der zuvor beschriebenen Weise arbeitet der Wechselrichter fehlerfrei und ohne Kippen auch bei

jo rascher Beschleunigung der Asynchronmaschine über weite Drehbereiche.

Vorzugsweise ist in der zuvor beschriebenen Schaltung der Ausgang des Funktionsgenerators 15 zumindest näherungsweise in der in F i g. 2 gezeigten Weise eine lineare Funktion Ip'. Der Ausgang des Operationsverstärkers ist unter diesen Bedingungen stets negativ. Dadurch kann auch bei maximaler Beschleunigung ein Kippen vermieden werden bzw. ist durch die Verhinderung des Kippens ein maximales Beschleunigen möglich.

Der Diodengleichrichter 7, die Drosselspule 8 und der Wechselrichter 9 können auch durch einen Direktumrichter ersetzt werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in F i g. 3 gezeigt. Der Verstärker 12 und der Generator 15 in Fig. 1 sind durch eine Drehzahlbezugstufe ersetzt. Der Operationsverstärker 12 verstärkt das Ausgangssignal des Solldrehzahlgebers 11.

Wenn das Ausgangssignal des Drehzahlmeßwandlers 6 größer als das Ausgangssignal des Solldrehzahlgebers 11 ist, wird das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 12 durch den Widerstand 18 und die Diode 17 auf dem begrenzenden Wert Ia gehalten. Dabei ist zu berücksichtigen, daß in der in Fig.3 gezeigten Weise das am Ausgang des Solldrehzahlgebers 11 auftretende Signal negativ ist. Sie weist neben den genannten Bauelementen weiterhin die Widerstände 21,22 und 23 sowie den Kondensator 20 auf. Die Wirkungsweise dieser Schaltungsbauelemente ist dem Fachmann ersichtlich. Die Stromstärke Ia ist eine Funktion des am

bo Ausgang des Funktionsgenerators 16 auftretenden Signals. Dieses Ausgangssignal des Funktionsgenerators 16 wird dabei nach Maßgabe der vom Drehzahlmeßwandler 6 abgebildeten Istdrehzahl in der in F i g. 2 gezeigten Weise verändert, und zwar vorzugsweise linear.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

3. Kaskadenanordnung einer primärseitig ans Netz angeschlossenen, motorseitig mechanisch mit einer eigengetakteten Synchronmaschine gekuppelten Drehstromschleifringläufermaschine, deren Sekundärwicklung über einen Gleichrichter und einen an dessen Ausgangsklemmen über einen Gleichstrom-Zwischenkreis angeschlossenen steuerbaren Wechselrichter die Sekundärwicklung der Synchronmaschine speist, mit einer Steuereinrichtung zur Bildung der Zündimpulse für die Stromrichterventile des Wechselrichters, dadurch gekennzeichnet, daß eine Drehzahlregelung mit unterlagerter Zwischenkreisstromregelung vorhanden ist, deren Ausgang die Steuereini ichtung beeinflußt, und daß ein vom Drehzahl-Istwert geführter Funktionsgenerator (15; 16) vorgesehen ist, der derart auf den Stromvergleich der unterlagerten Stromregelung einwirkt, daß der Zwischenkreisstrom bei jeder vorliegenden Drehzahl kleiner als der maximal mögliche Kommutierungsstrom aber größer als der Laststrom ist
2. Kaskadenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahlregelung einen Operationsverstärker (12) mit Ausgangswertbegrenzung enthält und daß der Funktionsgenerator (15; 16) auf die Ausgangswertbegrenzung derart einwirkt, daß der Ausgangswert proportional zur Istdrehzahl verändert ist.