-
Verfahren und Einrichtung zur Steuerung der Frequenz und
-
Regelung der Ausgangsspannung eines Zwischenkreis-Umrichters zur Speisung
eines mit veränderlicher Frequenz .und Drehzahl betriebenen Drehstrommotors.
-
Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung
zur Steuerung der Frequenz und Regelung der Ausgangsspannung eines Zwischenkreis-UmricKters
zur Speisung eines mit veränderlicher Frequenz und Drehzahl betriebenen Drehstrommotors,
vorzugsweise Kurzschlußankermotors.
-
Pie bekannten Umrichter dieser Art besitzen neben einem Spannungs/
Frequenz-Umsetzer für den selbstgeführten Wechselrichterteil auch och einen Sollwertgeber
für die Spannung am Drehstrommotor und eine Vergleichseinrichtung für den Soll-
und Istwert derselben.
-
Zur Erreichung eines einwandfreien Betriebs bei Drehzahlstellung und
Regelung ist hierzu bekannt, dem KurzschluL"ankermotor eine in erster NSherung proportional
der Speisefrequenz sich ändernd Ständerklemmenspannung U1 zuzuführen. (Z. B. Heumann
- Stumpe, Thyristoren, S. 249, Absatz 7 und Figur 250.1; Energie-Elektron\ 1973,
Heft 5, 5. 178, 4. Absatz, Zeile 27-32; DT-OS 24 18 322, Ansprt :S,10, 5. 4 des
darauf bezüglichen Prospektsp. Zu diesem Zweck wird in den bekannt gewordenen Vorschlägen
der Istwert der Motorklemmenspannung
direkt erfaßt. Daß es sich
bei dieser Gruppe von bekannten Vorschlägen nur um eine erste Annäherung an die
wirklichen Spannung;/Fluß-Verhältnisse handeln kann, geht daraus hervor, daß für
das auf den Läufer übertragene Drehmoment angenähert der Luftspaltfluß Sh maßgebend
ist, und für den Luftspaltfluß nicht die Klemmenspannung, sondern die EMK vorantwortlich
ist.
-
Ein Vorschlag zur Verbesserung dieser groben Näherung wurde durch
DT-AS 21 44 422 bekannt, wo vorgeschlagen wurde, den Ständerstrom in Abhängigkeit
von 2 elektronischen feldachsenbezogenen Größen zu bringen parallel und senkrecht
zur momentanen DrehfeJdachse. Der elektronische Aufwand für die Verwirklichung dieses
Vorschlags ist sehr groß.
-
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, für einen Umrichter
der eingangs beschriebenen Art mittels möglichst geringen elektronischen Aufwands
und mit größerer Genauigkeit, als sie bei der direkten Erfassung und Einspeisung
des Klemmenspannungs-Istwerts erzielbar ist, den Luftspaltfluß des Drehstrommotors
unabhängig von Belastung und Drehzahl bei allen Frequenzen konstant zu halten. Neben
dem hierzu einzuschlagenden Verfahren sollen auch die zu seiner Verwirklichung günstigsten
elekt::onischeti Einrichtungen angegeben werden.
-
Die verfahrensmäßige Lösung gelingt unabhängig davon, ob es sich um
einen Strom- oder Spannungszwischenkreis handelt, nach der Erfindung dadurch, daß
der zu regelnde möglichst konstant angestrebte Fluß der Luftspaltfluß ist, wobei
der Istwert des letzteren nicht durch die Motorklemmenspannung, sondern durch die
EMK (Spannung an der Hauptinduktivität) repräsentiert wird, welch letztere durch
ein Rechenwerk aus der Klemmenspannung in großer
Annäherung erfaßt
wird. Dabei wird zwecks Kleinhaltung der zur Umrechnung der Klemmenspannung auf
die EMK benötigten Elektronik zuvor eine mathematische Näherung für die EMK erarbeitet.
Als zweiter Schritt wird dann, sowohl für Stromals für Spannungszw:.schenkreis,
eine durch diese Näherung mögliche einfache Einrichtung, nämlich ein einfaches Rechenwerk
zur Istwerterfassung der EMK,angegeben.
-
Zur Erläuterung der Erfindung dienen die Fig. 1 und 2 hinsichtlich
der Grundlagen für das Verfahren; hinsichtlich der elektronischen Einrichtung zur
Durchführung des Verfahrens geben die Figuren 3 und 4 Auskunft.
-
Im einzelnen bedeuten: Fig. 1: das bekannte Ersatzghema für einen
Drehstrommotor; Fig. 2: das bekannte vollständige zeitliche Spannungsdiagramm (Vektordiagramm)
für einen Drehstrommotor nach Fig. 1, für beide Energieflußrichtungen; Fig. 3: ein
Beispiel für die Schaltung zur Durchführung des Verfahrens, bezogen auf einen Umrichter
mit Sçromzwischenkreis; Fig. 4: ein Beispiet die Schaltung zur Durchführung des
Verfahrens, bezogen auf einen Umrichter mit Spannungszwischenkreis.
-
Anhand von Fig. 1 und 2 ergibt sich zwischen der EMK #h an der Hauptinduktivität
Lh, die den Luftspaltfluß bildet, und den Eingangsgrößen U1 (= U1/Phase), I,# =
2# f, L1,# = gesamte Streuinduktivität für die Ständerwicklung, #1 = # (U1, I1)
folgender Zusammenhang:
Der Ohm'sche Ständerspannungsabfall R1I1 ist unabhängig von der
Frequenz und verminder- bei den bekannten Einrichtungen den Luftspaltfluß bei Verstellung
der Frequenz zu niederen Werten erheblich. Bei abnehmender Drehzahl und Frequenz
f tritt so der Ohm'sche Spannungsabfall zunehmend in Erscheinung.-Andererseits kann
man für mittlere und größere Motorleistungen, für welche die Verwendung eines Umrichters
sowieso 1ur wirts"haftlich ist, aussagen, daß als Näherung, insbesondere bei den
kleineren Polzahlen, # L1,# I1<<U1 sin 1 und zwar über den ganzen Frequenzbereich
bis zum Nennpunkt, so daß unter beien Voraussetzungen X L1, Ii vernachlässigt werden
kann.
-
Damit ergibt sich die vereinfachte Gleichung:
Gemäß der Erfindung läßt sich diese Gleichung mit wesentlich weniger Aufwand an
Funktionsbausteinen als Gleichung 1, ober mit ausreichender Genauigkeit, die größer
ist als beim berealisieren kannten Stand,#. Dies gült sowohl für einen Stromzwischenicreis
als auch für einen Spannungszwischenkreis. Deshalb wird gemäß der Erfindung die
Formel (2) sowohl für einen Stromzwischenkreis als auch für einen Epannungszwischenkreis
weiter verarbeitet, um für beide Kreise einfache Rechenwerke zur Umrechnung der
Klemmenspannung auf die EMK zu erhalten.
-
für einen Umrichter mit Stromzwischenkreis ergiot sich anhand von
Fig. 3 die folgende Schaltung zur Auswertung der Gleichung (2): Es bedeuten die
Bezugszahlen 1 bis 6, 8 bis 12 und 19 bis 21 diejenigen Schaltungsbausteine, die
auch nach dem bekannten Stand der Erfassung eines Istwerts aus der Klemmenspannung
erforderlich wären. Es ist bekannterweise: 1) der Frequenz- und Spannungs-Sollwertsteller;
2) der Spannungsregler, der den Istwert gleich dem Sollwert regelt;
3)
der in bekannter Weise unterlagerte Stromregler; 4) der bekannte Zündimpulssteuersatz;
5) der netzgeführte Gleichrichter; 6) die Glättungs-Drosselspule für den Gleichstromzwischenkreis
(Stronzwischenkreis); 8) der selbstgeführte Wechselrichter; 9) der in der Drehzahl
zu steuernde Motor; 10) der.für die Messung des Zwischenkreisstroms erforderliche
Gleichrichter; 11) der Potentialtrennverstärker; 12) der Drehstrom-Gleichstrom-Umsetzer
für die Messung der Motorklemmenspannung; 19) der bekannte Mischpunkt für die Spannungsregelung;
20) der Spannungs/Frequenz-Umsetzer für die Steuerung von Wechselrichter 8; 21)
der Zündimpulssteuersatz für den Wechselrichter 8.
-
Die Übrigen Hinweiszahlen 13-18 sind die zu einer bevorzugten Variante
für die Durchfühiung des Verfahrens gemäß der Erfindung bei einem Stromzwischenkrt
is erforderlichen Schaltungsbausteine. Diese als Beispiel in Fig. 3 dargestellte
Variante entsteht nach der nachfolgenden Überlegung.
-
Sie liefert ein besonders einfaches Rechenwerk zur Erfassung der EMK
aus der Klemmenspannung: Die Wirklei,tungsbilanz des Zwischenkreises bei Vernachlässigung
des Wechselrichter-Wirkungsgrads ist: Pd ~ UdId = 3U1 I1 cos
Der
Grundschwingungsanteil I1 des Ständerstromes, der ein Rechteckstrom mit einer zeitlichen
Dauer von-1200 elektrisch je Halbwelle und der Amplitude Id ist, ergibt sich aus
der Beziehung:
Damit erhält man aus der Wirkleistungsbilanz:
Aus Gleichung (2) wird dann
Diese Gleichung ist in Fig. 3 schaltungstechnisch realisiert.-Evtl. Umformung der
Gleichung (6) ist möglich; diese anderen Umformungen führen aber zu mehr elektronischen
Bausteinen für das Rechenwerk als Formel (6). Sie bilden trotzdem Einrichtungen
zur Umsetzung des erfindunisgemäßen Verfahrens durch elektronische Bausteine im
Rahmen der Gesamterfindung.
-
Gemäß Fig. 3 wird im Mischpunkt 14 der Klammerausdruck des Radikanten
gebiidet, wobei 2 U1 com 1 entsprechend Gleichung (5) abs der Zwischenkreisspannung
Ud gewonnen wird. Der Potentialtrennverstärker 11 filt.ert die Oberwellen und Kommutierungssprünge
aus der Zwischenkreispannung. 13 ist die einstellbare Nachbildung des Ohm'schen
Ständerwiderstands. Der Multiplizierer 15 bildet .das Produkt R1I1 mit dem Klammerausdruck
und leitet es mit negativem Vorzeichen zum Mischpunkt 17. Die Motorklemmenspannung
wird in 12 gleichgerichtet, geglättet und als Größe Ui dem Multiplizierer 16 zugeführt,
der sie quadriert und mit positivem Vorzeichen an den Mischpunkt 17 leitet. Die
Summe der beiden Signale im Mischpunkt 17 ist der Radikand. Im Radizierer 18 wird
daraus die Wurzel gezogen
und somit der Istwert Uh für die Spannungsregelung
gewonnen.
-
Der Sollwert Uh wird mit dem Istwert Uh im Mischpunkt 19 verglichen,
die Differenz dem Spannungsregler 2 zugeführt.
-
Gleichzeitig wird der Sollwert Uh im Spannungs -Frequenz-Umsetzer
20 in eine proportionale rrequenz umgewandelt, die über den Zündimpulssteuersatz
21 den Wechselrichter 8 aussteuert und damit die Ständerfrequenz f bildet. Mit der
in dem ins Auge gefaßten Leistungs- und Polzahlbereich weitgehendst verfüllten VoraussetzungGoL1,
Lq U1 sinf l gilt also die Beziehung: Uh = Uh N f und Luftspaltfluß i h = konstant....(7)
Damit ist, angewandt zunächst auf einen Stromzwischenkreis, für den Frequenzbereich
bis zum Nennpunkt eine wesentliche Genauigkeitsverbesserung gegenüber dem bekannten
Stand und gleichzeitig eine Begrenzung des Aufwands an Elektronik erzielt.
-
Ff5r einen Spannungs-Zwischenkreis ist das verfahren gemäß der Erfindung
ebenso anwendbar. Als Beispiel für die Auswertung der Formel (2) wird ein solches
gewählt, bei welchem sich der Aufwand an Elektronik günstigst ergibt, obwohl aucn
hierbei andere Umformungen dieser Grundformel nach der Erfindung möglich sind, die
etwas größeren Umfang an Elektronik erfordern. Für -diese vorzugsweise empfohlene
Schaltung ergibt sich Fig. 4.
-
Anstelle von Gleichung (4) ergibt sich für den Spannungszwischenkreis
die Gleichung
| = 2 1 S W Ud (8) |
| U? verkettet 2 Ud |
| Ul/Phase ;7t- - X2 =-2 Ud .... (9) |
| Ud .... (9> |
| Ud w U1/Ph. .... (10) |
Damit erhält man aus der Wirkleistungsbilanz: Pd Ud . Id = 3 U1/Ph
. I1 cos # 1
Üie Umrechnungsformel für die EMK aus der Klemmenspannung für einen Spannungszwischenkreis
lautet damit:
Sie ist in Fig. 4 schaltungstechnisch realisiert. Im Rahmen der Erfindung liegen
auch die oben erwähnten Schaltungen, die durch eine andere Umstellung der Formel
2 entstehen, die aber in bezug auf Elektronikaufwand weniger günstig als Formel
12 sind.
-
In Fig. 4 ist: 7) der für einen Spar.nungszwischenkreis erforderliche
Kondensator; 13a) die einstellbare Nachbildung des Ohm'schen Ständerwiderstands
für das Glied (R1Y1)² 13b) die einstellbare Nachbildung des Ohm'schen Ständerwiderstands
für das Glied 2R1I1 cos #1 14) der Mischpunkt für die Bildung des Klammlerausdrucks;
15) der Multiplizierer für den ersten Summanden des Radikanden; 16) der Multiplizierer
für die Bildung des zweiten Summanden des Radikanden; 17) der Mischpunkt für die
Bildung des Radikanden aus seinen Summanden; 18) der Radizierer; 19) der Mischpunkt
für den Vergleich des Istwerts Uh mit dem Sollwert Uh ;
20) der
Spannungs/Frequenz-Umsetzer zur Umsetzung des * Sollwerts Uh in eine proportionale
Frequenz; 21) der Zündimpulssteuersatz zur Aussteuerung des Wechselrichters 8 und
zur Bildung der Ständerfrequenz f.
-
Durch diese Einrichtung gemäß der Erfindung werden auch für einen
Spannungszwischenkreis eine größere Genauigkeit für die Frequenz und den Luftspalofluß,
und dazu eine Elektronik mit möglichst wenig Bausteinen, d.h. die Ziele der Erfindung,
erreicht.
-
L e e r s e i t e