-
Verfahren zum Notbetrieb eines einen Wechselstrommotor speisenden
Strom-Zwischenkreiswechselrichters Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zum Notbetrieb eines einen Wechselstrommotor speisenden selbstgeführten Wechselrichters,
der aus einem Wechselspannungsnetz über steuerbare Gleichrichter und eine Glättungsdrossel
mit Gleichstrom gespeist wird.
-
Ein selbstgeführter Wechselrichter dieser Art wird häufig als Strom-Zwischenkreiswechselrichter
bezeichnet und ist bei spielsweise in der Technischen Zeitschrift "FUJI JIRO", Vol.
47, No.2, Seite 236 - 241 beschrieben. Bekanntlich setzt die Kommutierung eines
Stromzwischenkreiswechselrichters aus, wenn der zugeführte Gleichstrom unzureichend
wird. Mit anderen Worten neigt der Strom-Zwischenkreiswechselrichter bei einer Netzspannungsabsenkung
zum Kippen (Kommutierungsausfall). Bei einer Netzspannungsabsenkung von verhältnismäßig
langer Dauer ergibt sich kein ernstes Problem, da die Netzspannung in diesem Fall
erst nach dem natürlichen Erlöschen des Wechselrichterstromes wieder kehrt. Bei
einer kurzen Netzspannungsabsenkung, bei der die Netzspannung wiederkehrt, bevor
der Wechselrichterstrom erloschen ist, fließt jedoch meist ein hoher Kurzschlußstrom
gerade nach der Wiederkehr der Netzspannung, so daß ein beträchtlicher Schaden im
Wechselrichter oder in Bauelementen des Gleichrichters verursacht wird. Da es schwierig
ist, den Zeitpunkt einer Netzspannungsabsenkung vorherzusagen, um Schäden zu vermeiden,
müssen Maßnahmen wie eine augenblickliche Unterbrechung des Gleichrichters zum Zeitpunkt
eines Rückganges der Netzspannung getroffen
werden, wodurch eine
Energiezufuhr zum Wechselrichter verhindert wird und dessen Betdeb aussetzt. Ferner
müssen Maßnahmen für eine Wiederaufnahme des Betriebes des Gleichrichters bei einer
Wiederkehr der Netzspannung eingeleitet werden. Die Unterbrechung des Wechselrichterbetriebes
erfordert jedoch einen kostspieligen Zeitaufwand für die Wiederinbetriebnahme, was
sich nachteilig auf den Betrieb des gesamten Systems auswirkt.
-
Während es keine wirksamen Mittel gegen eine verhältnismäßig lange
Spannungsabsenkung gibt, während der die Drehzahl des Elektromotors annähernd auf
Null zurückgeht, ist es im Fall einer kurzen Netzspannungsabsenkung von z.B. weniger
als einigen Sekunden erwünscht, daß der Betrieb des Wechselrichters ohne Störung
des Gesamtbetriebes aufrechterhalten werden kann.
-
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, das die
genannten Nachteile ohne Verwendung einer Hilfsenergiequelle, wie æ.B. einer Batterie
oder eines Generators, beseitigt.
-
Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß bei einer Netzspannungsabsenkung
ein parallel zu dem Gleichrichter geschalteter Thyristor gezündet-wird und der Betrieb
des selbstgeführten Wechselrichters mit herabgesetzter Frequenz aufrechterhalten
wird, wobei der Wechselstrommotor als Generator betrieben wird.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand zweier in der Zeichnung
dargestellter schematischer Ausführungsbeispiele näher erläutert.
-
In Fig. 1 ist ein Gleichrichter 2 mit Thyristoren in Drehstrombrückenschaltung
an ein Drehstromnetz 1 angeschlossen. Der Gleichstromausgang des Gleichrichters
2 ist über eine Glättungsdrossel 3 mit einem selbstgeführten Wechselrichter 4 in
Dreiphasenbrückenschaltung verbunden. Der selbstgeführte Wechselrichter 4 kann in
an sich bekannter Weise hoden und Thyristoren in Serienschaltung besitzen, die zu
einer Dreiphasen-Brückenschaltung zusammengeschaltet sind, wobei jeweils eine Diode
mit einem Thyristor in Serie angeordnet ist und sechs Kommutierungskondensatoren
verwendet sind. Es können aber auch andere
bekannte Wechselrichter
mit Hilfsthyristoren zum Löschen, z.B.
-
Strom-Zwischenkreiswechselrichter wie sie in der genannten Z.eitschrift
FUJI JIHO, Seite 236 in Fig. 1 gezeigt sind, Anwendung finden. Der Wechselstromausgang
des selbstgeführten Wechselrichters 4 ist mit den Ständerwicklungen eines Induktionsmotors,
insbesondere eines Dreiphaseninduktionsmotors 5 verbunden. Ein Steuersatz 6 verteilt
die Zündimpumse auf die Steuerelektroden der Thyristoren des selbstgeführten Wechselrichters
4. Dem Steuersatz 6 werden Impulse von einem Spannungs-Frequenz-Umsetzer 7 zugeführt,
der eine einer Frequenz entsprechende Spannung in eine Impulsereihe umwandelt, deren
Frequenz proportional der Spannung ist. Diese Spannung, die den Frequenz-Steuerwert
für den Wechselrichter darstellt, wird in einem Drehzahlregler 8 gebildet. Dem Drehzahlregler
8 wird der Istwert der Drehzahl, die von einem an den Induktionsmotor 5 gekuppelten
Tachogenerator hergleitet wird, und ein durch den Drehzahlsteller 9 vorgegebener
Drehzahlsollwert zugeführt. Die Ausgangsspannung des Drehzahlreglers 8 wird auch
an ein Umformglied 10 gegeben, welches eine Vollwellengleichrichtung der Spannung
des Geschwindigkeitsreglers 8 bewirkt und somit die gleichgerichtete Spannung auf
einen absoluten Wert bringt und in ein Signal umformt, das einem nachgeschalteten
Stromregler 11 als Stromsollwert zugeführt wird. Die Bildung des Stromsollwertsignals
erfolgt nach einer nichtlinearen Charakteristik entsprechend der Abhängigkeit zwischen
Drehmoment des Motors und Motorstrom.
-
Ein Steuersatz 12 dient dazu, um für die Thyristoren in dem Gleichrichter
2 Zündimpulse mit einem Zündwinkel zu erzeugen, der von der Ausgangsspannung des
Stromreglers 11 abhängt. Im vorliegenden Fall arbeitet der Stromregler 11 so, daß
der Stromistwert, welcher von einer Strommeßeinrichtung 13 erfaßt wird, mit einem
Stromsollwert zur Ubereinstimmung gebracht wird, der vom Umformglied 10 vorgegeben
wird. Obwohl die StrommeB-einrichtung 13 im vorliegenden Fall ein Gleichstromwandler
ist, der den im Gleichstromzwischenkreis fließenden Strom erfaßt, kann auch ein
Wechselstromwandler Anwendung finden, der den Strom auf der Wechselstromseite des
Gleichrichters 2 in einen Gleichstrom-Istwert umformt. Für den Fall Jedoch, daß
die Strommeßeinrichtung an der Wechselspannungsseite des Gleichrichters 2 angeordnet
wird, kann der Strom bei einer Netzspannungsabsenkung
nicht erfaßt
werden, so daß andere Strommeßeinrichtungen erforderlich werden. Daher wird die
Strommeßeinrichtung vorzugsweise an der Gleichspannungsseite oder an der Wechselspannungsseite
des Wechselrichters angeordnet. Ist der Wechselrichter in der beschriebenen Weise
aufgebaut, so kann die Drehzahl des Elektromotors durch Andern der Frequenz des
Wechselrichters auf einen gewünschten Wert gebracht werden, wobei der magnetische
Fluß des Elektromotors auf einen konstanten Wert gehalten wird.
-
Zur Aufrechterhaltung eines Notbetriebes sind gemäß der Erfindung
ein Thyristor 14 und in Serie dazu eine di/dt-Begrenzungsdrossel 15 vorgesehen und
als Ganzes parallel zum Gleichrichter 2 geschaltet. Die Zündimpulse für den Thyristor
14 werden von einem Impulsgenerator 16 geliefert. Es ist ein weiterer Stromregler
17 vorgesehen, der nur bei einer Netzspannungsabsenkung in Tätigkeit tritt. Diesem
Stromregler wird ein in einem Geber 18 einstellbarer Stromsollwert und ein Stromistwert
von der Strommeßeinrichtung 13 zugeführt. Die Ausgangsspannung des weiteren Stromreglers
17 wird dem Spannungs-Frequenzumsetzer 7 zugeleitet und dort der Ausgangsspannung
des Geschwindigkeitsreglers 8 verlagert. Eine die Netzspannungsabsenkung erfassende
Einrichtung 19 überwacht den Eingang der Dreiphasenspannung des Drehstromnetzes
1 und ist ausgangsseitig mit dem Befehlsgeber 20 verbunden.
-
Der Befehlsgeber 20 sperrt bei normaler Spannung des Drehstromnetzes
den Impulsgeneratbr 16, stellt den Stromregler 17 auf Null und setzt andere Steuerkreise
in Tätigkeit. Die Einrichtung 19, welche die Netzspannungsabsenkung erfaßt, spricht
an, wenn beispielsweise die Netzspannung kurzzeitig unter einen vorgegebenen- Wert
absinkt und gibt ein Signal an den Befehlsgeber 20. Erhält der Befehlsgeber 20 dieses
Signal, so hebt er den Sperrbefehl für den Impulsgenerator 16 und den Nullstellungs-Befehl
für den Stromregler 17 auf und gibt gleichzeitig einen Nullstellungs-Befehl an den
Drehzahlregler 8. Durch den Nullstellungs-Befehl für den Drehzahlregler 8 wird das
Frequenz signal an den Spannungs-Frequenzumsetzer 7 schnell verkleinert und damit
die Frequenz rasch verringert. Daher wird die Synchrondrehzahl,
die
durch die Frequenz des Wechselrichters bestimmt ist, kleiner als die Motordrehzahl
und der Motor arbeitet als Generator.
-
Der Motorstrom fließt durch den Wechselrichter 4, die Drossel 15,
den Thyristor 14 und die Drossel 3. Dieser Strom wird durch die Strommeßeinrichtung
13 erfaßt und als Istwert in dem Stromregler 17 mit dem durch den Sollwertgeber
18 vorgegebenen Wert verglichen und die Soll-Istwert-Differenz ausgeregelt. Während
der Zeit der Netzspannungsabsenkung wird die Motordrehzahl allmählich kleiner. Aber
durch die Herabsetzung der Synchrondrehzahl und damit der Betriebsfrequenz des Wechselrichters
kann der Generatorbetrieb des Motors so gesteuert werden, daß der durch den Motor
fließende Strom auf einen konstanten Wert gehalten wird. In der beschriebenen Weise
kann der Betrieb des selbstgeführten Wechselrichters während der Netzspannungsabsenkung
fortgesetzt werden und nur wenn die Netzspannungsabsenkung so lang dauert, daß die
Motordrehzahl unter einen vorgegebenen Wert abfällt, bei dem ein Generatorbetrieb
nicht mehr aufrechterhalten werden kann, wird der Betrieb des Wechselrichters 2
und des Gleichrichters 4 unterbrochen.
-
Ist die Dauer der Netzspannungsabsenkung verhältnismäßig kurz, so
bleibt der Wechselrichter während der Absenkung dauernd in Betrieb. Sobald die Netzspannung
wieder ihren normalen Wert erreicht, verschwindet das Signal für die Spannungsabsenkung,
das von der Einrichtung 19 an dem Befehlsgeber 20 gegeben wird, so daß der Befehlsgeber
20 den Impulsgenerator 16 wieder sperrt, den Nullstellungsbefehl an den Drehzahlregler
8 aufhebt und einen Nullstellungs-Befehl an den Stromregler 17 gibt. Dadurch wird
der am Thyristor 14 anstehende Öffnungsimpuls beendet und der Thyristor 14 gesperrt,
da er eine umgekehrte Vorspannung erhält, die durch die positive Ausgangsspannung
des Gleichrichters 2 hervorgerufen wird, wodurch der Motorstrom vom Thyristor 14
auf den Gleichrichter 2 übergeht. Die Höhe des Frequenzsignals, das der Drehzahlregler
abgibt, wird erhöht, so daß die Motordrehzahl wieder den Sollwert erreicht, der
durch den Drehzahlsteller 9 vorgegeben ist, während der Gleichrichter 2 vom Stromregler
11 so beeinflußt wird, daß der Stromistwert, der
von der Strommeßeinrichtung
13 erfaßt wird, an den ,rinso=wrrt angeglichen wird, der über das Umformglied 10
vom escnwindigkeitsregler 8 vorgegeben wird.
-
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann der Betrieb des Wechselrichters
in der beschriebenen Weise während der Zeit einer Netzspannungsabsenkung fortgesetzt
werden, wobei es möglich ist, den normalen Betrieb des Wechselrichters naef Beendigung
des Leistungsausfalls schnell wieder herzustellen. Darüber hinaus ergibt sich der
Vorteil, daß der Betrieb des Wechselrichters während der Netzspannungsabsenkung
ohne Ersatzspannungsquelle, wie z.B. einer Batterie o.dgl., welche die Größe und
die Kosten der Anlage erhöhen würde, fortgesetzt werden kann.
-
Da der Steuersatz 12 und der Stromregler 11 für den Betrieb des Gleichrichters
2 nicht in Beziehung stehen mit der Steuerung des gesamten Systems, kann letzteres
so ausgebildet werden daX n der Schaltung gemäß Fig. 1 während der Zeit des Netzausfalls
der Befehlsgeber 20 einen Befehl "Impulse sperren an den Steuersatz 12 und einen
Befehl "Signal auf Null stellen" an den Stromregler 11 gibt. Es ist auch möglich,
die zwei Stromregler 11 und 17 zu einem einzigen Stromregler zusammenzufassen. Eine
mögliche Ausführung hierzu zeigt die Fig. 2.
-
In Fig. 2 ist gegenüber der Schaltung gemäß Fig. 1 der Stromregler
17 fortgelassen, da der Stromregler 11 während des Netzausfalls in Betrieb gehalten
werden kann. Ferner ist der Eingang des Spannungs-Frequenz-Umsetzers 7 im ungestörten
Betrieb an den Ausgang des Geschwindigkeitsreglers 8 angeschlossen und bei einer
Netzspannungsabsenkung mit dem Ausgang des Stromreglers 11 über einen Umschalter
21 verbunden, der durch den Befehlsgeber 20 gesteuert wird. Sobald der Befehlsgeber
20 ein Signal erhält, das eine Netzspannungsabsenkung anzeigt, gibt er einen Sperrbefehl
an den Steuersatz 12, hebt den Sperrbefehl am Impulsgenerator für den Thyristor
14 auf und verbindet den Eingang des Spannungs-Frequenz-Umsetzers 7 mit dem Ausgang
des Stromreglers 11. Gleichzeitig damit gibt -der Befehlsgeber 20 einen Befehl Auf
Null stellen" an den Geschwindigkeitsregler 8. Das "Auf Null-Stellen" des Geschwindigkeitsreglers
8 bewirkt, daß der
Stromsollwert, der vom Umformglied 10 abgegeben
wird, auf einen Mindestwert fällt, der nahezu Null ist. Um jedoch ein Abfallen za
verhindern und den Stromsollwert auf einem gewünschten Wert zu halten, gibt der
Befehlsgeber 20 während der Netzspannungsabsenkung einen vorgegebenen Hilfs-Sollwert
an den Stromregler 11. Mit der beschriebenen Anordnung erhält man einen Steuerkreis
ähnlich dem in Fig. 1, wobei eine Fortsetzung des Betriebes während einer Netzspannungsabsenkung
ermöglicht wird. Ist die Netzspannungsabsenkung beendet, so bringt der Befehlsgeber
20 die oben beschriebenen Teile wieder in ihren ursprünglichen Zustand, wobei der
Normalbetrieb des Elektromotors wieder wie im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 aufgenommen
wird.
-
Der weitere Stromregler 17, der für den Einsatz während einer Netzspannungsabsenkung
vorgesehen ist, kann auch durch einen Magnetflußregler ersetzt werden. Dann dient
der Sollwertgeber 18 als Magnetfluß-Sollwertgeber und der Istwert-Eingang des Stromreglers
17 wird von einer getrennten Magnetfluß-Meßeinrichtung, die an die Stelle der Strommeßeinrichtung
13 tritt, mit einem Magnetfluß-Istwert gespeist. Es können hierbei bekannte Magnetfluß-Fühler
im Elektromotor angeordnet werden oder es kann eine Rechenschaltung verwendet werden,
dem die Klemmenspannung des Motors zugeführt wird. In einem solchen Fall wird die
Frequenz des Wechselrichters in der Weise gesteuert, daß der Magnetfluß im Elektromotor
während der Netzspannungsabsenkung auf einen konstanten Wert gehalten wird. Aber
in vielen Fällen reicht die in Fig. 1 dargestellte Schaltung, bei der ein Notbetrieb
des Wechselrichters mit einer Konstantstrom-Regelung während der Netzspannungsabsenkung
aufrechterhalten wird, in der Praxis aus.
-
2 Figuren 2 Patentansprüche
L e e r s e i t e