DE2620992C2 - Einrichtung zur maschinenspannungssynchronisierten Zündung der Wechselrichterventile eines Stromrichtermotors - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur maschinenspannungssynchronisierten Zündung der Wechselrichterventik: eines Stromrichtermotors. Stromrichtermotore sind eigengetaktete Synchronmotoren, die z.B. aus einera Zwischenkreisurr. richter mit eingeprägtem Strom im Zwischenkreis sesneist werden. Nach dem Aufsatz »Antriebe mit stromrichtergespeisten Synchronmaschinen«, CH-Zeitschrift »Neue Technik« Nr. 3/1974, Seiten 93 bis 108, insbesondere Seite 97, ist es bei von der Maschinenspannung abgeleiteten Taktgebung bekannt, einen üblichen Steuersatz für netzgeführte Stromrichter zu verwenden, bei dem der Nulldurchgang einer von der Klemmenspannung abgeleiteten Größe als Bezugspunkt für die Lage der Ausgangsimpulse herangezogen und die Impulsverschiebung um den gewünschten Zündwinkel

ίο dann über ein Zeitglied bewerkstelligt wird. Dieses Steuerverfahren begegnet jedoch wegen der veränderlichen Frequenz des Stromrichtermotors und damit auch seiner Maschinenspannung erhebliche Schwierigkeiten, weiche nur mittels einer relaitv aufwendigen Frequenzmeßeinrichtung und Nachstelleinrichtung zu beheben sind.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, demgegenüber eine einfacher ausgebildete und problemloser arbeitende Spannungstaktung für einen Stromrichter- motor anzugeben. Gelöst wird diese Aufgabe bei einer Einrichtung der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß

a) durch einen Vektordreher, welcher aus einem ersten orthogonalen Komponentenspannungspaar des Maschinenspannungsvektors Komponentenspannungen eines Steuerdrehvektors bildet dessen Nacheilung gegenüber dem Maschinenspannungsvektor von einem zweiten, ihm zugeführten Komponentenspannungspaar bestimmt ist, und durch

b) einen mit den Komponentenspannungen des Steuerdrehvektors beaufschlagten Winkelschalter, der in bestimmten wiederkehrenden Winkellagen des Steuerdrehvektors zur Zündung der Wechselrichterventile verwendete Steuerimpulse ausgibt.

Der so erfindungsgemäß mit statischen Funktionen realisierte Steuersatz für die Spannungstaktung des Stromrichtermotors arbeitet frequenzunabhängig und kann daher ohne weitere Maßnahmen für den Gesamtfrequenzbereich desselben eingesetzt werden.

Bei einem Betrieb des Stromrichtermotors wird man bestrebt fein, den Steuerwinkel der Wechselrichterventile möglichst nahe an die Vollaussteuerung zu legen. Mit Rücksicht auf die Gefahr des Wechselrichterkippens ist es dann zweckmäßig, wenn im Bereich der größtzulässigen Wechselrichteraussteuerung der Steuerwinkel feinstufig und definiert verändert werden kann. Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung läßt sich dies erreichen, wenn die eine der die Nacheilung des Steuerdrehvektors bestimmende Komponentenspannung des Drehvektors in einer Steuerspannung besteht und die andere in der um einen konstanten Betrag verminderten Ausgangsspannung eines Betragsbildners, der eingangsseitig von dieser

S-, Steuerspannung beaufschlagt ist.

Die Erfindung samt ihrer weiteren Ausgestaltungen, welche in den Unteransprüchen gekennzeichnet ist, soll nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert werden.
In F i g. 1 wird der Stromrichtermotor 5Af, welcher in einer eigengetakteten bzw. selbjtgesteuerten Synchronmaschine besteht, von einem aus dem netzgeführten Stromrichter la und einem Wechselrichter lh bestehenden Gleichstromzwischenkreisumrichter gespeist Dieser I Imrichter weist einen Gleichstromzwischenkreis

(15 auf, in welchem der konstante Strom / durch eine entsprechende und nicht weher dargestellte Steuerung des Stromrichters la mittels des Steuersatzes 4 eingeprägt ist. Das Polrad des Stromrichtermotors wird

in üblicher Weise von einem Gleichstromgenerator G oder von einer beliebigen anderen Gleichstromquelle gespeist.

Der Wechselrichter \b besteht aus ein<:r sechspulsigen Brückenschaltung, dessen sechs Stromrichterventile mittels eines Winkelschalters WS gezündet werden. Dieser Winkelschalter wird eingangsseitig von den Komponentenspannungen eines umlaufenden Steuerdrehvektors beaufschlagt und gibt in bestimmten, wiederkehrenden Winkellagen dieses Steuervektors zur Zündung der Wechselrichterventile verwendete Steuerimpulse aus. Aufbau und Funktionsweise des Winkelschalters WS sind nach der DT-PS 19 41312 im Zusammenhang mit der feldorientierten Steuerung einer Asynchronmaschine bekannt.

Der Steuerdrehvektor, dessen an den Ausgangsklemmen 5 und 6 eines Vektordrehers VD auftretenden Komponentenspannungen dem Winkelschalter WS zugeführt werden, soll nun um einen vorgebbaren Winkel hinter dem umlaufenden Vektor der Maschinenspannung nacheilen. Es entspricht dieser Nacheilungswinkel dem sogenannten Zündverzögerungswinkel der Wechselrichterventile. Hierzu werden in einer Transformationsschaltung 7 die drei dreiphasigen Komponenten der Ständerspannung des Stromrichtermotors SM in zwei Komponentenspannungen cosojf und sin ωί umgewandelt, welche senkrecht zueinanderst shenden Spannungskomponenten entsprechen, die diesen Maschinenspannungsvektor beschreiben, ω bedeutet dabei die Kreisfrequenz der Maschinenspannung. Dieses Komponentenspannungspaar wird den Eingangsklemmen 7 und 8 des Vektordrehers VD zugeführt. Ein Vektordreher ist ein zur Koordinantenumwandlung bekanntes Bauelement, ebenfalls in der DT-PS 19 41 312 beschrieben und dort mit »Komponentenwandler« bezeichnet. Er besteht aus vier Multiplizierern und zwei Addierverstärkern und gibt beim Anwendungsbeispiel nach Fig. 1 für den Fall, daß er an seinen zwei weiteren Eingangsklemmen 9 und 10 mit den Eingangspannungen ei und &2 beaufschlagt wird, an der Ausgangsklemme 5 eine Spannung der Größe

]/ei + e$ cos (tot + arctg — J

und an der Ausgangsklemme 6 eine Spannung der Größe

ef + e\ sini »it 4- arc tg -^-j

Damit erscheint am Ausgang des Vektordrehers VD ein Spannungspaar, das einen Drehvektor beschreibt, welcher gegenüber dem Maschinenspannungsvektor eine Phasenverschiebung von e aufweist, wobei

f = arc tg -^-
e

ist. Faßt man die beiden Eingangsspannungen ei und e: des Vektordrehers VD als zwei orthogonale Komponenten eines Vektors auf, dann bedeutet κ den Winkel zwischen der Komponente ei und der jeweiligen Lage dieses Vektors. Mit dem Verhältnis der Eingangsspannungen ei und e? läßt sich also die Phasenverschiebung e gegenüber dem Maschinenspannungsvektor und damit auch der Zündverzögerungswinkel vorgeben.

Die Eingangsspannung ei des Vektordrehers VD besteht in einer vorgebbaren Gleichspannung U, während die Eingangsspannung ei des Vektordrehers VD im Ausgangssignal eines Mischgliedes 12 besteht, in welchem vom Ausgangssignal eines von der Spannung t/beaufschlagten Betragsbildners 13 eine konstante, auf den Wert 1 normierte Einheitsspannung E subtrahiert

ro wird. Der gerätetechnische Aufbau eines Betragsbildners ist ebenfalls an sich bekannt; er könnte im einfachsten Fall aus einer aus Dioden bestehenden Graetz-Gleichrichterbrücke bestehen.

F i g. 2 zeigt die Abhängigkeit der Eingangsspannung

ei von der Vorgabespannung U= ei .Unter Berücksichtigung, daß U=ei und der Phasenwinkel ε des von den orthogonalen Spannungskomponenten ei und ei beschriebenen Vorgabevektors Vm der mit + bezeichneten Pfeilrichtung positiv zu zählen ist, ergibt sich für

ίο U= 1 ein Phasenwinkel ε=0 und für U=-1 ein Phasenwinkel= —π.

In diesem Spannungsbereich der Vorgabespannung U läßt sich also der Winkel ε und damit der ihm entsprechende Zündverzögerungswinkel zwischen Null und 180° beliebig feinstufig verändern. Aus dem Diagramm der F i g. 2 wird außerdem sichtbar, daß diese Feinstufigkcit auch über diesen Bereich hinaus erhalten bleibt, so daß grundsätzlich auch größere Zündverzögerungswinkel realisiert werden könnten. Diesem Umstand kommt insbesondere dann Bedeutung zu, wenn die Vorgabespannung geregelt vorgegeben wird und während des Regelbetriebes mit Überschreitungen des normalen Aussteuerbereichs zu rechnen ist, welche dann durch die Regelung schnell wieder beseitigt

werden können, da auch bei diesen Überschreitungen durch die erfindungsgemäße Ausbildung ein definierter Regeleingriff gewährleistet ist.

Fig.3 zeigt die Abhängigkeit des Phasenwinkels ε bzw. des Zündverzögerungswinkels α der Wechselrichterventile von der Vorgabespannung U. Für den Wert +1 bzw. — 1 merklich übersteigende Werte der Vorgabespannung U nähert sich der Phasenwinkel ε dem Grenzweri 45° bzw. -225° zu. Aus dem Diagramm wird deutlich, daß an den üblichen Grenzen der Aussteuerung des Wechselrichters, nämlich Null und — 180°, zwischen dem Vorgabewinkel e und der Spannung U eine definierte Verstärkung besteht, d. h., daß jedem Wert der Vorgabespannung ein fester Wert des sich ergebenden Zündverzögerungswinkels λ

so zugeordnet ist.

Zur Verbesserung der Linearität zwischen der Spannung U und dem Phasenwinkel ε kann bei der in F i g. 1 dargestellten und bisher beschriebenen Anordnung die Spannung U geregelt vorgegeben werden.

Hierzu wird, wie gestrichelt angedeutet, die Klemme 11 mit dem Ausgang eines Integralreglers 14 verbunden, dessem Eingang die Differenz zwischen einem Winkelsollwert 5* und einem dem Phasenwinkel ε des durch die Eingangsspannungen ei und ei bestimmten Vektors

do möglichst gut entsprechenden Wert zugeführt wird. Der Integralregler 14 wird dann seine Ausgangsgröße so lang verändern, bis der vorgegebene Winkelsollwert mit jenem Wert übereinstimmt.

Zur Nachbildung eines dem Phasenwinkel ε entspre-

hs chenden Wertes wird die Eingangsklemme 9 des Vektordrehers VD mit der Eingangsklemme 16 eines Vektoranalysators und die Eingangsklemme 10 des Vektordrehers VD mit dem Eingang eines Umkehrver-

stärkers 15 verbunden, dessen Ausgang an die Eingangsklemme 17 des Vektoranalysators VA angeschlossen ist. Ein Vektoranalysator dient zur Normierung der Komponenten eines Vektors zu entsprechenden Komponenten eines Einheitsvektors und ist ebenfalls nach der DT-PS 1941312 bekannt. Die Eingangsspannungen b\ und bi des Vektoranalysators VA beschreiben einen Vektor, welcher gegenüber dem Vorgabevektor V mit dem Phasenwinkel e um 90° vorgedreht ist. Dem Sinus und dem Cosinus von dessen Phasenwinkel β proportionale Spannungen erscheinen an den Ausgangsklemmen 18 und 19 des Vektoranalysators VA. Die Klemme 18 ist mit dem Eingang eines Mischgliedes 20 verbunden und wird dort zu einer konstanten Einheitsspannung E der Größe 1 addiert. Der Ausgang des Mischgiiedes 20 ist mit dem Dividendeneingang des Dividierers 21 verbunden, während der Ausgang des Mischgliedes 20 den Divisoreingang dieses Dividierers 21 beaufschlagt. Aufgrund der bekannten Beziehung

ist die Ausgangsspannung des Dividierers 21 proportional dem Tangenswert des halben Phasenwinkel ß/2 unc entspricht im Bereich von — π/4 bis + π/4 mi genügender Annäherung auch dem halben Phasenwin kel selbst. Wird als Sollwert 5* z.B. der Wert -π/< vorgegeben, so folgt aus der Beziehung /}/2 = ε/2 + π/ daß dann vom Integralregler 40 etwa der Wert ε = -π eingeregelt wird, während für einen Sollwert der GrößE + π 14 sich der Wert ε = 0 ergibt.

Für manche Zwecke kann es sich als zweckmäßig

ίο erweisen, dafür zu sorgen, daß für die Werte ß/2= ±π/4, also an den Aussteuerungsgrenzen dei Wechselrichterventile, die Ausgangsspannung des Dividierers 21 exakt mit diesen Werten übereinstimmt Hierfür zeigt F i g. 4 eine Ausbildung des Dividierers 21 Sie besteht aus einem Operationsverstärker, in dessem Gegenkopplungspfad ein Multiplizierer 22 und ein Widerstand 23 angeordnet sind. Die Widerstandswert« des Gegenkopplungswiderstandes 23 und des Eingangswiderstandes 24 verhalten sich wie π/4 :1. Infolgedessen wird das Ergebnis der Division mit dem Faktor + jr/4 gewichtet, und es erscheint für den Wert |?/2=π/4 am Ausgang des Dividierers 21 der Wert π 14 ■ tg π/4 = π/4.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur maschinenspannungssynchronisierten Zündung der Wechselrichterventile eines Stromrichtermotors (eigengetakteter Synchronmotor), gekennzeichnet durch

a) einen Vektordreher (VD), welcher aus einem ersten orthogonalen Komponentenspannungspaar (cos ωί, sin ωή des Maschinenspannungsvektors Komponentenspannung eines Steuerdrehvektors bildet, dessen Nacheilung (ε) gegenüber dem Maschinenspannungsvektor von einem zweiten ihm zugeführten Komponentenspannungspaar (e\, ei) bestimmt ist und

b) einen mit den Komponentenspannungen des Steuerdrehvektors beaufschlagten Winkelschalter (WSX der in bestimmten, wiederkehrenden Winkellagen des Steuerdrehvektors zur Zündung der Wechselrichterventile verwendete Steuerimpulse ausgibt

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine (e\) der die Nacheilung des Steuerdrehvektors bestimmenden Komponentenspannungen des Vektordrehers in einer vorgebbaren Steuerspannung (U) besteht und die andere (ei) in der um einen konstanten Betrag (E) verminderten Ausgangsspannung eines Betragsbildners (13), der eingangsseitig von dieser Steuerspannung beaufschlagt ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannung (U) in der Ausgangsspannung eines Integralreglers (14) besteht, dem eingangsseitig die Differenz zwischen einem Winkelsollwert (S*) und einer Istwertgröße zugeführt ist, welche dem durch das zweite Komponentenpaar bestimmten Phasenwinkel (ε) entspricht.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Vektoranalysator (VA), dem eingangsseitig Komponentenspannungen (b\, bi) eines Vektors zugeführt sind, welcher um 90° gegenüber dem durch das zweite Komponentenspannungspaar (e\, ei) bestimmten Vektor gedreht ist, wobei die eine Ausgangsgröße des Vektoranalysators dem Dividendeneingang eines Dividierers (21) und die andere Ausgangsgröße des Vektoranalysators, addiert mit einer konstanten Spannung (E), dem Divisoreingang des Dividierers zugeführt ist, dessen Ausgangssignal als Istwertgröße verwendet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Dividierer in einem über einen Multiplizierer (22) und einen Widerstand (23) gegengekoppelten Operationsverstärker besteht und das Verhältnis von Gegenkopplungswiderstand zu Eingangswiderstand des Operationsverstärkers λ/4 beträgt.