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Verfahren zum Notbetrieb eines eine Drehfeldmaschine speisenden Umrichters
und Vorrichtung zur DurchfUhrung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Notbetrieb eines eine Drehfeldmaschine speisenden Umrichters mit einem selbstgeführten
Wechselrichter, einem Zwischenkreis und einem an eine Versorgungsspannung angeschlossenen
gesteuerten Gleichrichter, bei dem bei einer Unterbrechung der Versorgungsspannung
die Frequenz des Wechselrichters derart vermindert wird, daß die Drehfeldmaschine
generatorisch arbeitet und den Zwischenkreisspeicher speist. Die Erfindung betrifft
ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ftlr einen Umrichter, dessen
Gleichrichter ein durch ein Regelgerät beeinflußtes Ztindwinkelsteuergerät vorgeschaltet
ist, wobei dem Regelgerät eingangsseitig eine von einem Meßwandler abgeleitete Regelgröße
der Drehfeldmaschine sowie ein zugeordneter Sollwert ugeführt ist, und dessen Wechselrichter
durch eine Ansteuereinheit und einen vorgeschalteten Spannungs-Frequenz-Umsetzer
getaktet wird, dessen Eingang ein Basis-Frequenzsollwert zugeführt ist.
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Zur Speisung einer Drehfeldmaschine kann ein Umrichter mit Gleichspannungszwischenkreis
oder ein Umrichter mit Gleichstromzwischenkreis eingesetzt werden. Im erstgenannten
Fall wird der Wechselrichter mit einer geglätteten Gleichspannung Ueber den Zwischenkreis
versorgt, im zweiten Fall durch einen geglätteten Gleichstrom. Es ist bekannt, daß
derartige selbstgefUhrte Wechselrichter zu Kommutierungsfehlern neigen, wenn als
Folge einer
Unterbrechung der Versorgungsspannung die Eingangsgleichspannung
oder der Eingangsgleichstrom zu weit absinken. Als Unterbrechung der Versorgungaspannung
gilt im folgenden auch ein hinreichend starker Einbruch der Versorgungsspannung.
Im Fall einer vergleichsweise langen Versorgungsspannungsunterbrechung, als deren
Polge Kommutierungsfehler auftreten, bei der aber die Versorgungsspannung erst nach
vollständigem Abklingen des Wechselrichterstroms wiederkehrt, werden keine Schädigungen
eintreten. Jedoch im Pall von kurzzeitigen Versorgungsspannungsausfällen, bei denen
die Versorgungsspannung vor dem Abklingen des Stromes im Wechselrichter wiederkehrt,
fließt ein außerordentlich hoher Kurzschlußstrom unmittelbar nach der Wiederkehr
der Versorgungsspannung durch den selbstgeführten Wechselrichter. Dabei können Schäden
im selbstgeftihrten Wechselrichter, dem Gleichrichter und weiteren Elementen auftreten.
Diese Gefahr kann durch unmittelbar auf den Versorgungsspannungsausfall erfolgende
Stillsetzung des Gleichrichters und Betriebsunterbrechung des selbstgeführten Wechselrichters
bis zur Wiederkehr der Versorgungsspannung ausgeschlossen werden. Ist Jedoch der
Betrieb des selbstgeführten Wechselrichters einmal unterbrochen, dann ist es nötig,
zuerst zu überprüfen, ob die Anforderungen für die Wiederinbetriebsetzung erfüllt
sind und anschließend den Wechselrichter zu starten. Daher tritt eine beträchtliche
Totzeit auf, bis die normalen Betriebsbedingungen wieder erreicht sind. Die Totzeit
wirkt beträchtlich auf den Betrieb des Gesamtsystems zurück, einschließlich der
Drehfeldmaschine, die durch den selbstgeführten Wechselrichter gespeist ist.
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Bei derartigen Systemen ist es erforderlich, einen kontinuierlichen
sicheren Betrieb des selbstgeführten Wechselrichters zu ermöglichen, so daß ein
kurzzeitiger Ausfall - sei es ein Einbruch oder eine Unterbrechung - der Versorgungsspannung
nicht auf den Betrieb des Gesamtsystems einwirkt. Diese Forderung kann erfüllt werden,
indem eine Hilfsspannungsquelle am Gleichspannungseingang des selbstgeftthrten Wechselrichters
vorgesehen wird.
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Die Hilfsspannungsquelle ermöglicht die Fortftihrung des Betriebs
des selbstgeführten Wechselrichters auch bei Ausfall der Versorgungsspannung
über
eine lange Zeit. In den meisten Fällen eines lang andauernden Ausfalls der Versorgungsspannung
wird Jedoch der weitere Betrieb des selbstgeführten Wechselrichters wegen der Betriebsunterbrechung
von anderen Teilen des Gesamtsystems bedeutungslos. Darüber hinaus zieht das Vorsehen
solch einer Hilfsspannungsquelle eine Erweiterung des Gesamtsystems und demzufolge
Kostensteigerungen nach sich. Dies kann daher als keine vorteilhafte Lösung betrachtet
werden.
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Eine außerordentlich vorteilhafte Alternativlösung stellt das bekannte
Verfahren dar, die Frequenz des Wechselrichters mit Gleichspannungszwischenkreis
im Zeitpunkt des Versorgungsspannungsausfalls abzusenken, um für die Drehfeldmaschine
den generatorischen Betrieb zu ermöglichen und einen Glättungskondensator im Gleichspannungszwischenkreis
durch eine im Gleichrichter enthaltene RUckarbeitsdiode durch die EMK der Drehfeldmaschine
aufzuladen (siehe die Japanische Patentveröffentlichung Nr.
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2703/1970; BuJ iko, Band 42, Nr. 7, Seiten 625 bis 629 und Band 47,
Nr. 2, Seiten 242 bis 246). Dabei kann der selbstgefEhrte Wechselrichter seinen
Betrieb fortsetzen solange die Drehfeldmaschine in Bewegung ist. Bei dem vorbekannten
System wird die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters beim Eingehen eines eine Unterbrechung
der Versorgungsspannung anzeigenden Signals stetig verringert. Dabei tritt unvermeidbar
eine Totzeit auf, bis die synchrone Drehzahl unter die Maschinendrehzahl verringert
ist, d.h. bis die Drehfeldmaschine die Bedingung für generatorischen Betrieb erreicht.
Während der Totzeit nimmt die Spannung des Glättungskondensators C im Zwischenkreis
weiter ab. Um sicherzustellen, daß die Spannung des Glättungskondensators C nicht
hunter einen Wert absinkt, bei dem der Betrieb des Wechselrichters nicht mehr aufrechterhalten
werden kann, ist es notwendig, einen Glättungskondensator C vorzusehen, der eine
sehr große Kapazität aufweist.
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Es besteht die Aufgabe, ein Verfahren anzugeben, wodurch beim Notbetrieb
während einer Unterbrechung der Versorgungsspannung ein abnormer Abfall der Gleichspannung,
bzw. des Gleichstroms,
am Eingang des selbstgefUhrten Wechselrichters
unmittelbar nach Versorgungsspannungsausfalls vermieden werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Frequenzsollwert
für den Wechselrichter (INV) unmittelbar nach der Unterbrechung der Versorgungsspannung
sprunghaft erniedrigt wird.
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Damit wird die zum uebergang in den generatorischen Betrieb der Drehfeldmaschine
benötigte Zeitspanne verkürzt und die in dieser Zeitspanne stattfindende Entladung
der Zwischenkreisspeicher verringert. Daher können gleichzeitig die Glättungselemente
des Zwischenkreises kleiner gehalten werden, wodurch Kostenverringerungen ermöglicht
werden.
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Eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchfahrung des Verfahrens besteht
darin, daß eine Überwachungseinheit zur Überwachung der Versorgungsspannung auf
Unterbrechungen vorgesehen ist, deren eine Unterbrechung der Versorgungsspannung
anzeigendes Ausgangssignal dem Zündwinkelsteuergerät, dem Regelgerät sowie einer
Hilfsanordnung zugeführt ist, die ausgangsseitig einen Frequenzhilfssollwert liefert,
der einer eingangsseitigen Additionsstufe des Spannungs-Frequenz-Umsetzers zusätzlich
zum Basisfrequenzsollwert zugeführt ist.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren 1 bis 8 beispielhaft
näher erläutert. Dabei zeigt: Figur 1 in Form eines Blockdiagramms eine schematische
Anordnung eines Ausftihrungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, Figur 2 die Zeitabhängigkeit
des Drehzahlistwertes und des Drehzahlsollwertes zwischen Unterbrechung und Wiederkehr
der Versorgungsspannung zur Erläuterung des Notbetriebs nach der vorliegenden Erfindung,
Figur 3 ein Schaltbild der Hilfsanordnung 7 (Figur 1),
Figur 4 die
Zeitabhängigkeit von Signalen zur Erläuterung der Funktion der Hilfsanordnung 7,
Figur 5 in Form eines Schaltbildes ein weiteres AusfUhrungsbeispiel der Hilfsanordnung
7, Figur 6 das Zeitverhalten von Signalen der in Figur 5 dargestellten Schaltung,
Figur 7 das Schaltbild eines abgewandelten Teils der in den Figurten 3 und 5 dargestellten
Hilfsanordnungen, Figur 8 das Zeitverhalten von Signalen zur Erläuterung der Wirkungsweise
des in Figur 7 dargestellten Teils.
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In Figur 1 ist die Drehfeldmaschine M beispielsweise ein dreiphasiger
Induktionsmotor, dessen Statorwicklung mit dem Wechselspannungsausgang des selbstgeführten
Wechselrichters INV verbunden ist. Ein Gleichrichter REC, der mit einem die Versorgungsspannung
liefernden Drehstromnetz N verbunden ist, umfaßt beispielsweise Thyristoren in einer
dreiphasigen Brückenschaltung. In dem Zwischenkreis zwischen dem Gleichrichter REC
und dem selbstgeführten Wechselrichter INV sind eine Glättungsdrossel L und ein
Glättungskondensator C enthalten. Demzufolge ist der Wechselrichter INV Teil eines
Umrichters mit Gleichspannungszwischenkreis. Als Wechselrichter INV können verschiedene
Arten von bekannten Wechselrichtern in Verbindung mit einem Gleichspannungszwischenkreis
eingesetzt werden, so beispielsweise auch dreiphasige hyristorwechselrichter, wie
sie in FuJi-Jiko, Band 47, Nr. 2, Seite 242, Figuren 2a und 6 dargestellt sind.
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Die einzelnen Thyristoren innerhalb des Wechselrichters INV erhalten
ihre Ztindimpuls durch eine Ansteuereinheit 1, die einen Ringzähler, einen Impulsverstärker
und einen Impulsübertrager umfaßt. Der Ansteuereinheit 1 wird eingangsseitig ein
Impulszug von einem Spannungs-Frequenz-Umsetzer 2 zugefahrt. Der Impulszug kann
eine Frequenz aufweisen, die ein ganzzahliges Vielfaches
(beispielsweise
das sechsfache) der gewünschten Ausgangsfrequenz des Wechselrichters INV ist. Der
Spannungs-Frequenz-Umsetzer 2 wird eingangsseitig durch einen Frequenzsollwert Vf
- Vf gespeist.
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Unter normalen Betriebsbedingungen ist der Wert von -Vf gleich Null,
so daß der Frequenzsollwert gleich dem Basisfrequenzsollwert tf ist. Dieser Basisfrequenzsollwert
Vf wird durch einen nicht dargestellten Frequenzgeber direkt oder Ueber einen Hochlaufgeber
vorgegeben. Der Spannungs-Frequenz-Umsetzer 2 dient dazu, die Eingangs spannung
als Frequenzsollwert in einen frequenzproportionalen Impulszug umzuwandeln.
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Die einzelnen Thyristoren in dem Gleichrichter REC erhalten ZEndimpulse
von einem ZEndwinkelsteuergerät 3, das einen Sägezahngenerator, einen Vergleicher,
einen Impulsverstärker und einen Impulsübertrager umfaßt. Das ZAndwinkelsteuergerEt
3 steuert die Zündung der einzelnen Thyristoren im Gleichrichter REC mit einem Zündwinkel
entsprechend der Ausgangsspannung eines Regelgeräts 4.
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Flir das Regelgerät 4 kann beispielsweise ein bekanntes Regelgerät
mit proportionaler und integraler Regelwirkung (PI-Regler) eingesetzt werden. Das
Regelgerät 4 dient dazu, die Ausgangsspannung des Gleichrichters REO durch das Zündwinkelsteuergerät
3 so zu regeln, daß ein Istwert Vi mit einem Sollwert Vs übereinstimmt.
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Der Istwert Vi ist beispielsweise der Istwert der Ausgangsspannung
des Wechselrichters, die durch einen Spannungsmeßwandler 5 erfaßt wird. Um den magnetischen
Fluß der Drehfeldmaschine annähernd konstant zu halten, ist es erforderlich, die
Ausgangsspannung des Wechselrichters INV im Verhältnis zur Ausgangsfrequenz des
Wechselrichters zu ändern. Daher weist der Sollwert V5 ein bestimmtes Verhältnis
zum Basisfrequenzsollwert Vf auf. In diesem Fall kann der Basisfrequenesollwert
Vf als Spannungssollwert V9 benutzt werden.
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Alternativ kann der Spannungsmeßwandler 5 durch einen Magnetflußmeßwandler
ersetzt sein, um den Istwert des magnetischen Flusses in der Drehfeldmaschine zu
erfassen. Der Istwert wird dem Regelgerät 4 als Istwert Vi zugekehrt. Ein Sollwert
V5 fEr den magnetischen Fluß wird durch ein Potentiometer vorgegeben. Damit kann
eine
direkte Steuerung des magnetischen Flusses auf einen vorgegebenen Wert bewirkt werden.
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Durch die beschriebene Anordnung wird die Drehfeldmaschine mit einer
dem Basisfrequenzsollwert Vf entsprechenden Drehzahl betrieben, während der magnetische
Fluß in der Drehfeldmaschine auf einem annähernd konstanten Wert gehalten wird.
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Ferner wird die Spannung des Drehstromnetzes N von einer Überwachungseinheit
6 Uberwacht, um bei Einbrüchen oder Unterbrechungen der Versorgungsspannung geeignete
Maßnahmen einzuleiten.
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Die Überwachungseinheit 6 erzeugt ein die Unterbrechung der Versorgungsspannung
anzeigendes Signal beispielsweise dann, wenn die Versorgungsspannung einen vorgegebenen
Grenzwert unterschreitet. Das die Unterbrechung der Versorgungsspannung anzeigende
Signal wird einer Hilfeanordnung 7 zugeführt. Die Hilfsanordnung 7 dient dazu, den
Frequenehilfssollwert -Vf zu erzeugen. Der Frequenzhilfssollwert -Vf wird am Eingang
des Spannungs-Frequenz-Umsetzers 2 zum Basisfrequenzsollwert hinzuaddiert. Als Ergebnis
wird die Ausgangsfrequenz des Spannungs-Frequenz-Umsetzers 2 herabgesetzt und dabei
auch die Frequenz des selbstgeführten Wechselrichters INV. Ferner wird das eine
Unterbrechung der Versorgungsspannung anzeigende Signal auch dem Zündwinkelsteuergerät
3 und dem Regelgerät 4 zugeführt. Dadurch wird bei Ausfall der Versorgungsspannung
die Impulserzeugung im ZUndwinkelsteuergerät 3 unterbunden und im Regelgerät 4 Nullhaltung
erzwungen.
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Figur 2 zeigt anhand einer grafischen Darstellung den Notbetrieb entsprechend
der vorliegenden Erfindung bei einer Unterbrechung der Versorgungsspannung. Die
Zeichnung zeigt in einem Beispiel, wie sich die synchrone Drehzahl N0 (gestrichelte
Linie) der Drehfeldmaschine M und deren Istdrehzahl zwischen Unterbrechung und Wiederkehr
der Versorgungsspannung in Abhängigkeit von der Zeit t ändern. Sobald das eine Unterbrechung
der Versorgungsspannung anzeigende Signal zum Zeitpunkt t1 erzeugt ist, wird der
Frequenzsollwert für den Wechselrichter plötzlich sprunghaft gemäß der vorliegenden
Erfindung abgesenkt, so daß di synchrone
Drehzahl N0 schnell auf
einen Wert unter der Istdrehzahl der Drehfeldmaschine verringert wird. Als Ergebnis
kann die Drehfeldmaschine M unmittelbar im generatorischen Betrieb weiterlaufen.
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Die Maschinenistdrehzahl N sinkt während der Unterbrechung der Versorgungsapannung.
Die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters wird mit dem weiteren Absinken der Maschinendrehzahl
weiter reduziert, um die Bedingung für generatorischen Betrieb (N0 kleiner N) aufrechtzuerhalten.
Zum Zeitpunkt t2, in dem die Versorgungsspannung wieder voll ansteht und das eine
Unterbrechung der Versorgungsspannung anzeigende Signal verschwunden ist, wird der
Frequenzsollwert mit vorgegebener Steigung wieder auf den ursprEnglichen Wert angehoben.
Mit dem Wegfall des eine Unterbrechung der Versorgungsspannung anzeigenden Signals
entfällt die Blockierung des Zlindwinkelsteuergerätes 3 und die Nullhaltung am Regelgerät
4 wird aufgehoben. Es erfolgt damit der Übergang zu normalen Betriebsbedingungen,
wobei die Maschinendrehzahl N auf ihren Normalwert ansteigt, während der magnetische
Fluß der Drehfeldmaschine unter der Wirkung des Regelgeräts 4 auf einem konstanten
Wert gehalten wird. Zum Zeitpunkt t3 ist der Übergang der Drehfeldmaschine in ihren
normalen, d.h. vor Eintritt der Versorgungsspannungsunterbrechung bestehenden Betriebszustand
vollendet.
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Im Gegensatz zu dem vorbekannten System, bei dem die Ausgangsfrequenz
des Wechselrichters beim Eingehen eines eine Unterbrechung der Versorgungsspannung
anzeigenden Signals in geradliniger Form verringert wird, ändert sich die synchrone
Drehzahl der Drehfeldmaschine 4, wie es durch die gestrichelte Linie in Figur 2
dargestellt ist. Dabei tritt unvermeidbar eine Totzeit auf, bis die synchrone Drehzahl
unter die Maschinendrehzahl verringert ist, d.h. bis die Drehfeldmaschine die Bedingung
für generatorischen Betrieb erreicht. Während der Totzeit nimmt die Spannung des
Glättungskondensators C im Zwischenkreis weiter ab. Um sicherzustellen, daß die
Spannung des Glättungskondensators X nicht unter einen Wert absinkt, bei dem der
Betrieb des Wechselrichters nicht mehr aufrechterhalten werden kann, ist es notwendig,
einen Glättungskondensator C vorzusehen, der eine sehr große Kapazität aufweist.
Ein Vorteil eines Systems nach der vorliegenden Erfindung
beruht
darauf, daß ein Glättungskondensator mit einer kleinen Kapazität eingesetzt werden
kann, wenn die Totzeit auf ein Mindestmaß gebracht wird.
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Figur 3 veranschaulicht ein Ausftlhrungsbeispiel der Hilfsanordnung
7, für den oben erläuterten Notbetrieb gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Die Ililfaanordnung 7 in Figur 3 umfaßt einen Steuerkreis 71, der
die Geschwindigkeit der Frequenzabnahme steuert, ein Steuermittel 72, einen Kompensationskreis
73 und einen Summationsverstärker 74. Der Steuerkreis 71 ist ein sogenannter "Hochlaufgeber",
der im wesentlichen einen Integrator und einen Vergleicher umfaßt, wobei der Integrator
aus einem Operationsverstärker Q1, einem Kondensator C1 und einem Widerstand R1
und der Vergleicher aus einem Operationsverstärker Q2 und Widerständen R2 und R3
besteht.
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An den Eingangsklemmen des Operationsverstärkers Q2 liegt eine vorgegebene
Spannung negativer Polarität, die von dem Potentiometer VR1 abgeleitet list, sowie
eine Ausgangsspannung V10 des Integrators, die über den Widerstand R3 zurückgefahrt
ist. Die Ausgangsklemme des Operationsverstärkers Q2 ist über den Widerstand R4
mit der Eingangsklemme des Integrators verbunden. In Parallelschaltung zum Widerstand
R3 ist ein Schalter S1 angeordnet, der durch ein Ausgangssignal der eine Unterbrechung
der Versorgungsspannung anzeigenden Überwachungseinheit 6 steuerbar ist. Der Schalter
S1 ist unter normalen Betriebsbedingungen geschlossen, bei einem Ausfall der Versorgungsspannung
geöffnet. In ähnlicher Weise ist der Verbindungspunkt des Eingangswiderstandes R1
des Integrators und des Ausgangswiderstandes R4 des Vergleichers über den Schalter
S2 und die Diode D1 mit der Ausgangsklemme des Steuermittels 72 verbunden, wobei
der Schalter S2 durch das Ausgangssignal der eine Unterbrechung der Versorgungsspannung
anzeigenden Überwachungseinheit 6 nur während des Ausfalls der Versorgungsspannung
geschlossen wird.
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Das Steuermittel 72 umfaßt einen Operationaverstärker Q3, Eingangawiderstände
R5, R6 und einen RUckkopplungswiderstand R7.
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Der Eingangawiderstand R5 wird mit einer Steuerspannung positiver
Polarität,
die über das Potentiometer VR2 abgegriffen ist, beaufschlagt, während der Eingangswiderstand
R6 an einem Istwert negativer Polarität liegt. Soll der magnetische Fluß der Drehfeldmaschine
während der Unterbrechung der Versorgungsspannung auf einem konstanten Wert gehalten
werden, dann stellt der Istwert den Istwert des magnetischen Flusses der Drehfeldmaschine
dar. In Figur 1, wo das Regelgerät 4 zur Regelung des magnetischen Flusses eingesetzt
ist und ein Meßwandler für die Erfassung des magnetischen Flusses als Wandler 5
eingesetzt ist, kann der Istwert des magnetischen Flusses der Drehfeldmaschine vom
Wandler 5 abgeleitet werden. Wo das Regelgerät 4 als Spannungsregler eingesetzt
ist und demzufolge als Wandler 5 ein Spannungsmeßwandler eingesetzt wird, ist es
natürlich notwendig zusätzlich zu dem Wandler 5 einen weiteren Meßwandler zur Erfassung
des magnetischen Flusses vorzusehen.
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Der Kompensationskreis 73 weist zwei Operationsverstärker Q4 und Q5
auf, wobei der Operationsverstärker Q4 der ersten Stufe zusammen mit den beiden
Widerständen R8, R9 und einem Kondensator C2 einen Differenzierkreis darstellt,
während der Operationsverstärker Q5 der zweiten Stufe zusammen mit den Widerständen
R1o und Rii einen Umkehrverstärker bildet. Die Eingangsklemme des Differenzierkreises
liegt unter Normalbedingungen an Erde über einen Schalter S3, der durch das Ausgangssignal
der eine Unterbrechung der Versorgungsspannung anzeigenden Uberwachungseinheit 6
(Figur 1) betätigt wird. Bei einer Unterbrechung der Versorgungsspannung wird durch
den Schalter S3 ein vorgegebenes positives Potential an die Eingangsklemme des Differenzierkreises
gelegt. Perner besteht am Operationsverstärker Q5 unter normalen Arbeitsbedingungen
Nullhaltung. Jedoch wird durch ein Ausgangssignal der bei einer Unterbrechung der
Versorgungsspannung ansprechenden Überwachungseinheit 6 bei einer Unterbrechung
der Versorgungsspannung am Operationsverstärker Q5 die Nullhaltung aufgehoben. Die
Ausgangsspannung des Operationsverstärkers Q5 wird durch einen Spannungsteiler VR3
geteilt und dann als Ausgangsspannung V30 entnommen.
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Die Ausgangsspannungen V10 und V30 der Kreise 71 und 73 werden durch
einen Summationsverstärker 74 addiert. Der Summationsverstärker 74 umfaßt einen
Operationaverstärker Q6 und Widerstände R12' R13 und R14. Die Ausgangsspannung des
Summationsverstärkers 74 ist den Eingangaklemmen des Spannungs-Brequenz-Umsetzers
2 als Frequenzhilfssollwert Vf (Figur 1) zugeführt, wo er zum Basisfrequenzsollwert
addiert wird. Die Wirkungsweise der Hilfsanordnung 7 wird im folgenden beschrieben,
wobei Bezug auf Figur 3 genommen wird.
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Unter Normalbedingungen befinden sich die Schalter S1, S2 und S3 in
den in Figur 3 dargestellten Lagen und der Operationsverstärker Q5 weist Nullhaltung
auf. Da der Schalter S2 geöffnet ist, bleibt die Ausgangsspannung V20 des Steuermittels
72 für den magnetischen Fluß ohn Jede Wirkung auf den Steuerkreis 71. Da der Steuerkreis
71 wegen des geschlossenen Schalters S1 Nullhaltung aufweist, ist die Ausgangsspannung
V10 des Steuerkreises 71 Null.
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Die Ausgangs spannung V30 des Kompensationskreises 73 ist ebenfalls
Null, so daß die Ausgangs spannung -Vf der Hilfsanordnung 7 Null beträgt.
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Wenn - wie Figur 4a zeigt - ein eine Unterbrechung der Versorgungsspannung
anzeigendes Signal A zur Zeit t1 erzeugt wird, ändern die Schalter S1 bis S3 ihren
in Figur 3 dargestellten Schaltzustand. Im Steuerkreis 71 wird durch das Öffnen
des Schalters die Nullhaltung aufgehoben, so daß die Ausgangsspannung VQ2 des Vergleichers
sich sprunghaft von Null auf einen vorgegebenen negativen Wert ändern kann. Gleichzeitig
wird der Schalter geschlossen, so daß die Ausgangsspannung V20 des Steuermittels
72 über die Diode D1 am Steuerkreis 71 liegt. Da der vorgegebene Wert VQ2 so gewählt
ist, daß er kleiner als V20 ist, wird die Diode Dl leitend und das anstehende Signal
dem Integrator eingangsseitig zugeführt. Daher beginnt sich die Ausgangsspannung
B10 des Integrators zu ändern mit einer Änderungsgeschwindigkeit, die von der Ausgangsspannung
des Steuermittels 72 und der Integrationszeit CR1 abhängt. Je kleiner der am Widerstand
R6 anliegende Istwert des magnetischen Flusses in Relation zu dem durch
das
Potentiometer VR2 vorgegebenen Sollwert ist, um so höher wird die Ausgangsspannung
V20 negativer Polarität des Steuermittels 72 und umso stärker nimmt die Steigung
der Anstiegsflanke der Ausgangsspannung V10 des Integrators zu. In Figur 4c ist
die Änderung der Ausgangsspannung V10 des Integrators in Abhängigkeit von der Zeit
dargestellt, wobei sie jedoch aus Gründen einer einfacheren Darstellbarkeit mit
konstanter Steigung eingezeichnet ist. Im Kompensationskreis 73 wird durch ein eine
Unterbrechung der Versorgungsspannung anzeigendes, zum Zeitpunkt t1 eingehendes
Signal am Verstärker Q5 die Nullhaltung aufgehoben, und gleichzeitig der Schalter
S3 an positives Potential gelegt. Als Ergebnis erzeugt der Kompensationskreis 73
eine Spannung V30 von differenzieller Wellenform, wie es in Figur 4d dargestellt
ist. Die Ausgangsspannungen V10 und V30 der beiden Kreise 71 und 73 werden addiert
(Umkehr der Polarität) durch den Summationsverstärker 74, dessen Ausgangsspannung
als Ausgangs spannung -Vf der Hilfsanordnung 7 entnommen wird. Die Änderung der
Ausgangsspannung -Vf mit der Zeit ist in Figur 4e dargestellt. Figur 4f zeigt die
Änderung der gesamten Eingangsspannung Vf -Vf des Spannungs-Frequenz-Umsetzers 2
in Figur 1. Wie aus Figur 4f entnommen werden kann, wird - sobald das eine Unterbrechung
der Versorgungsspannung anzeigende Signal erzeugt ist - der Frequenzsollwert Vf
-Vf plötzlich abgesenkt, wodurch die Wechselrichterausgangsfrequenz schnell herabgesetzt
wird, so daß die frehfeldmaschine ohne ins Gewicht fallende Verzögerung in den Arbeitsbereich
für generatorischen Betrieb gelangt. In der Folge wird der Frequenzsollwert Vf -Vf
mit dem Abfall der Maschinendrehzahl weiter verringert. Dabei wird die Verringerungsgeschwindigkeit
durch das Steuermittel 72 so ausgeglichen, so da der magnetische Fluß der Drehfeldmaschine
auf einem vorgegebenem Wert gehalten wird.
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Mit der Wiederkehr der Versorgungsspannung im Zeitpunkt t2 endet das
eine Unterbrechung der Versorgungsspannung anzeigende Signal A und die Schalter
1 bis S3 nehmen wieder ihre in Figur 3 eingezeichnete Schaltetellung ein. Am Operationsverstärker
Q5 wird wieder Nullhaltung erzwungen. Im Steuerkreis 71 ändert sich die Ausgangs
spannung VQ2 des Vergleichers sprunghaft durch Öffnen des
Schalters
S1 auf einen vorgegebenen positiven Wert. Gleichzeitig wird der Schalter S2 geöffnet.
Damit nimmt die Ausgangsspannung V10 des Integrators mit konstanter Steigung bis
zum Erreichen des Wertes Null ab. Folglich nimmt die Ausgangsspannung -Vf der Hilfsanordnung
7 mit derselben Steigung auf Null ab, der Frequenzsollwert Vf -Vf kehrt dagegen
mit derselben Steigung auf seinen ursprtinglichen Wert Vf zurück Dieser Vorgang
ist zum Zeitpunkt t3 beendet. Da die Ausgangsspannung V10 des Integrators zum Zeitpunkt
t3 Null wird, wird die Ausgangsspannung VQ2 des Vergleichers ebenfalls Null. Damit
wird der Frequenssollwert bei der Wiederkehr der Versorgungsspannung auf den ursprünglichen
Wert mit einer vorgegebenen Steigung zurAckgefAhrt, wobei plötzliche, sprunghafte
Änderungen vermieden werden. Während dieses Übergangsprozesses arbeiten das Regelgerät
4 und das Zündwinkelsteuergerät 3 wieder, um den magnetischen Fluß der Drehfeldmaschine
auf einem angenähert konstanten Wert zu halten, wobei die Ausgangsspannung des Gleichrichters
REC wieder gesteuert wird. Da eine sprunghafte Änderung des Frequenzsollwertes unmittelbar
nach Beendigung des eine Unterbrechung der Versorgungsspannung anzeigenden Signals
umgangen wird, wird der folgende Nachteil vermieden: Wird nämlich der Frequenzsollwert
nach Beendigung des eine Unterbrechung der Versorgungsspannung anzeigenden Signals
plötzlich erhöht, kann das Regelgerät 4 einer solch plötzlichen Erhöhung nicht folgen,
so daß die Spannung des Glättungskondensators C mit der Zeit abfällt. Falls der
Abfall in der Spannung des gondensators hinreichend groß ist, besteht die Gefahr,
daß Kommutierungastörungen beim Wechselrichter auftreten. Wie bereits oben erwähnt,
kann - in dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel -nicht nur ein sicherer Betrieb
des Wechselrichters während Unterbrechung der Versorgungsspannung aufrechterhalten
werden, sondern es wird auch die Überführung zu normalen Betriebsbedingungen "weich"
vollzogen.
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Im Fall, daß - wie bei der Beschreibung der Figur 1 erwähnt -der Freguenzsollwert
Vf durch einen Frequenzgeber ttber einen Hochlaufgeber vorgegeben wird, wird die
Hilfsanordnung 7 in Figur 3 vorzugsweise so modifiziert, daß der Steuerkreis 71
in Figur 3 als Hochlaufgeber genutzt werden kann.
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Figur 5 zeigt ein Ausfdhrungsbeispiel einer derartigen Abwandlung.
Das in Figur 5 dargestellte AusfUhrungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Figur
3 dargestellten dadurch, daß das Potentiometer VR1 zur Frequenzeinstellung dient,
so daß eine Spannung positiver Polarität entsprechend dem Frequenzsollwert Vf an
den Steuerkreis 71 angelegt werden kann. Der Schalter S1 wird gegen-Uber der in
Figur 3 dargestellten Hilfaanordnung so geschaltet, daß er während einer Unterbrechung
der Versorgungsspannung geschlossen ist. Ein Signal, das den Wert Vf -Vf entspricht,
kann der Ausgangsklemme des Summationsverstärkerkreises 74 entnommen werden. Dieses
Signal wird dem Spannungs-Frequenz-Umsetzer 2 zugefUhrt.
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Der Steuerkreis 71 dient nicht nur zur Steuerung der Frequenzabsenkungsgeschwindigkeit
während einer Unterbrechung der Versorgungsspannung und der Frequenzanstiegsgeschwindigkeit
nach der Wiederkehr der Versorgungsspannung, sondern ebenso der Einstellung der
Frequenzabsenkungs- und anstiegsgeschwindigkeit beim Start, beim Stillsetzen und
bei einer Änderung der Frequenz des Wechselrichters. Palls beispielsweise beim Starten
ein erwünschter Basisfrequenzsollwert Vf am Potentiometer VR1 eingestellt ist, um
den geschlossenen Schalter S1 zu öffnen, ändert sich die Ausgangsspannung des Verstärkers
Q2 des Vergleichers von Null auf einen positiven vorgegebenen Wert. Folglich wird
die Ausgangsspannung des Verstärkers Q1 des Integrators mit konstanter Änderungsgeschwindigkeit
auf die negative Spannung -Vf abnehmen, die dieselbe Größe wie der Basisfrequenzsollwert
Vf aufweist, der durch das Potentiometer VR1 vorgegeben ist. Mit der Übereinstimmung
der Ausgangsspannung des Verstärkers Q1 mit -Vf wird das Ausgangssignal des Verstärkers
Q2 zu Null, womit die Ausgangsspannung des Verstärkers Q1 auf den Wert Vf festgehalten
wird. Die Ausgangsspannung des Verstärkers Q1 wird durch den Summationsverstärker
74 umgekehrt und anschließend dem Spannungs-Frequenz-Umsetzer 2 als Frequenzsollwert
zugeführt. Sogar wenn eine Änderung der Spannungsvorgabe durch den Einsteller 73
erfolgt, ändert sich der Frequenzsollwert, der Uber den Summationaverstärker 74
dem Spannungs-Frequenz-Umsetzer 2 zugeftihrt wird, auf den neu vorgegebenen Wert
mit vorgegebener
Anstiegs- und Abfallgeschwindigkeit.
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Die Wirkungsweise des AusfUhrungsbeispiels im Fall einer Unterbrechung
der Versorgungsspannung wird im folgenden unter Bezugnahme auf Figur 6 beschrieben.
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Wenn ein eine Unterbrechung der Versorgungsspannung anzeigendes Signal
A durch die Überwachungseinheit 6 der Figur 1 im Zeitpunkt t1 erzeugt wird, ändern
die Schalter S1, C S3 ihren in Figur 5 dargestellten Zustand. Der Verstärker Q5
in dem Kompensatinnskreis 73 wird nicht länger auf Null gehalten. In dem Steuerkreis
71 geht die Ausgangsspannung VQ2 des Verstärkers Q2 durch das Schließen des Schalters
Si sprunghaft vom Wert Null auf einen negativen Wert über. Dies ist in Figur 6b
dargestellt. Da auch der Schalter geschlossen ist, beginnt zu diesem Zeitpunkt die
Ausgangsspannung V10 des Integrators mit einer Steigung entsprechend der Ausgangsspannung
des Steuermittels 72 auf Null abzufallen.
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Die Änderung der Ausgangsspannung V10 mit der Zeit ist in Figur 6c
dargestellt. Wie im Fall der Figur 4 ist die Anpassung der Steigung durch das Steuermittel
72 hierbei vernachlässigt und die Ausgangsspannung als sich mit konstanter Steigung
ändernd dargestellt. Die Wirkungsweise des Kompensationskreises 73 ist vollkommen
dieselbe wie die des im Ausführungsbeispiel in Figur 3 dargestellten Kompensationskreises,
so daß ebenso eine Ausgangsspannung V30 von differenzieller Wellenform erhalten
werden kann.
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Dies ist in Figur 6d dargestellt. Daher kann den Ausgangsklemmen des
Summationsverstärkers 74 eine Ausgangs spannung entnommen werden, wie sie in Figur
6e dargestellt ist. Diese Ausgangsapannung wird den Eingangsklemmen des Spannungs-Frequenz-Umsetzers
2 zugeführt.
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Wenn mit der Wiederkehr der Versorgungsspannung das eine Unterbrechung
der Versorgungsspannung anzeigende Signal A im Zeitpunkt t2 verschwindet, wird der
Schalter S1 im Steuerkreis 71 wieder geöffnet. Damit kehrt die Ausgangsspannung
V10 des Steuerkreises 71 mit konstanter Steigung auf ihren ursprtinglichen Wert
zurück.
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Der Vorgang ist im Zeitpunkt t3 abgeschlossen. Damit hat der Frequenzsollwert,
der durch den Summationsverstärker 74 an den Spannungs-Frequenz-Umsetser 2 abgegeben
wird, ebenfalls seinen ursprtinglichen Wert erreicht.
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Der in den Figuren 3 und 5 dargestellte Kompensationskreis 73, der
zur Erzeugung eines Kompensationssignals dient, das einen plötzlichen Frequenzabfall
des Wechselrichters nach der Erzeugung des eine Unterbrechung der Versorgungsspannung
anzeigenden Signals hervorruft, kann abgeändert werden, wie dies in Figur 7 dargestellt
ist.
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Unter Bezugnahme auf den in Figur 7 dargestellten Kompensationskreis
73 ist ersichtlich, daß der Verstärker Q5 der zweiten Stufe als ein Umkehrverstärker
mit den Widerständen R10, R11 und einem Spannungsteiler VR3 aufgebaut ist, wobei
der Kompensationskreis auf Spannung Null gehalten werden kann. Abweichend von den
in Figur 3 und 5 dargestellten Fällen bildet der Verstärker Q4 zusammen mit einem
Kondensator C3 und einem Widerstand R15 einen Integrationskreis. Unter Normalbedingungen
wird eine positive Spannung silber einen Widerstand R16 an den Eingang dieses Integrationskreises
gelegt, so daß die Ausgangsspannung des letzteren auf einem negativen Sättigungswert
gehalten werden kann. In diesem Fall wird eine Diode D2 leitend, da wegen des auf
Null gehaltenen Verstärkers Q5 die dem Spannungsteiler VR3 entnommene Ausgangsspannung
V30 Null ist. Die Diode D2 liegt in der Verbindung zwischen dem Ausgang des Integrationskreises
und dem Eingang des Umkehrverstärkers der zweiten Stufe. Mit der Erzeugung des eine
Unterbrechung der Versorgungsspannung anzeigenden Signals A durch die Überwachungseinheit
6 in Figur 1 (Zeitpunkt t1 in Figur 8), wird die Nullhaltung am Verstärker Q5 aufgehoben,
so daß die Ausgangsspannung V30 sich sprunghaft von Null auf einen positiven Wert
ändert. Gleichzeitig wird die Klemme B des Integrationskreisee Uber einen Widerstand
R17 mit einem Punkt negativer Polarität durch das Schließen des Schalters 54 verbunden.
Der Schalter 54 ist dabei durch das eine Unterbrechung der Versorgungsspannung anzeigende
Signal A umgeschaltet worden. In diesem Fall, da das
Potential
der Klemme B, wie vorgegeben, in die negative Spannungsrichtung gezogen wird, läuft
die Ausgangsspannung VQ4 des Integrationskreises und damit die Ausgangs spannung
V30 des gompensationakreises 73 mit konstanter Geschwindigkeit zum Wert Null.
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Sobald die Ausgangsspannung VQ4 des Integrationskreises den Wert Null
erreicht hat (Zeitpunkt t1 in Figur 8), wird die Diode D3, leitend so daß die Ausgangsspannung
des Integrationskreises sich nicht zu positiven Werten ändern kann. Damit wird es
unmöglich, daß die Ausgangsspannung V30 sich im Zeitpunkt t1 ändert, wenn sie einmal
den Wert Null erreicht hat. Da das eine Unterbrechung der Versorgungsspannung anzeigende
Signal im Zeitpunkt t2 verschwindet, öffnet der Schalter S4 wieder, so daß die Ausgangsspannung
des Integrationskreises wieder einen positiven Wert annimmt.
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Jedoch verursacht die Änderung der Ausgangsspannung VQ4 des Integrationskreises
zu dieser Zeit keinerlei Änderung der Ausgangsspannung V30 des Kompensationskreises
73, da der Verstärker Q5 wegen des Fehlens des eine Unterbrechung der Versorgungsspannung
anzeigenden Signals wieder auf dem Wert Null gehalten wird.
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Die Kompensationakreise 73 in den Figuren 3, 5 und 7 sind insoweit
indentisch als die Ausgangsspannung V30 unmittelbar nach der Erbeugung des eine
Unterbrechung der Versorgungsspannung anzeigenden Signals A sprunghaft von Null
aus ansteigt und nur langsam auf Null zurückgeht und darauf änderungslos auf dem
Wert Null verbleibt, selbst nach dem Verschwinden des eine Unterbrechung der Versorgungsspannung
anzeigenden Signals A. Wegen der sprunghaften Änderung wird die Drehfeldmaschine
schnell in die Betriebsbedingungen fEr den generatorischen Betrieb überführt. Darüber
hinaus ermöglicht der langsame Rückgang auf Null die Entnahme des Kompensationsaignals
V 0 ohne einen Schock hervorzurufen. Das Steuermittel 72 kann auf änderung des Kompensationssignals
ansprechen, ohne einen plötzlichen Anstieg in der Frequenz des Wechselrichters (wegen
der Entnahme des Kompensationssignals) zu verursachen. Ferner wird der Regelkreis
für den Gleichrichter REC der das Regelgerät 4 umfaßt, durch das Verschwinden des
eine Unterbrechung der Versorgungsspannung anzeigenden Signals in Gang gesetzt,
so daß die Sequenz des Wechselrichters auf den ursprünglichen Wert zurückgesetzt
wird, während der magnetische Fluß der Drehfeldmaschine
auf einem
annähernd konstanten Wert gehalten wird. Ein plötzlicher Anstieg des Frequenzsollwertes
unmittelbar nach der Wiederkehr der Versorgungsspannung, dem der Regelkreis mit
dem Regelgerät 4 nicht folgen kann, kann Jedoch vermieden werden, indem die Änderung
der Ausgangsspannung des gompensationakreises 73 unterbunden wird.
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Im vorangebenden ist der Fall beschrieben, bei dem die vorliegende
Erfindung auf einen Wechselrichter mit vorgeschaltetem Spannungszwischenkreis angewendet
ist. Die vorliegende Erfindung kann Jedoch auch auf Wechselrichter mit vorgeschaltetem
Gleichstromzwischenkreis, wie in Fu iko, Band 47, Nr. 2, Seiten 236 bis 241 beschrieben,
angewendet werden. Abweichend von dem Wechselrichter mit vorgeschaltetem Gleichspannungszwischenkreis
ist der Wechselrichter mit Gleichstromzwischenkreis nicht mit einer REckspeisungadiode
versehen und sein Zwischenkreis weist keinen Glättungskondensator auf. Der Wechselrichter
mit Gleichstromzwischenkreis wird mit einem geglätteten Gleichstrom über die als
Zwischenkreisspeicher wirkende Glättungsdrossel versorgt. Soll der Wechselrichter
in Figur 1 einen Wechselrichter mit Gleichstromzwischenkreis darstellen, so ist
der Glättungskondensator a zu entfernen. Ferner ist der Spannungsmeßwandler 5 durch
einen Strommeßwandler zum Nachweis des Eingangs- oder Ausgangsstroms des Wechselrichters
INV zu ersetzen. Das Regelgerät 4 wird als Stromregelgerät eingesetzt. Die Hilfsanordnung
7 mit einem Aufbau nach den Figuren 3, 5 und 7, kann in gänzlich derselben Weise
eingesetzt werden wie im Fall des Wechselrichters mit vorgeschaltetem Gleichspannungszwischenkreis.
In den Figuren 3 und 5 kann ferner ebenso wie im Fall des Wechselrichters mit Gleichspannungszwischenkreis,
bei dem das Steuermittel 72 für den magnetischen Pluß durch ein Spannungssteuermittel
ersetzt werden kann, bei einem Wechselrichter mit Gleichstromzwischenkreis das Steuermittel
72 fEr den magnetischen Fluß bei Bedarf durch ein Stromsteuermittel ersetzt werden.
Alternativ dazu kann, wo die Lastkennlinie der Drehfeldmasohine sich nicht ändert,
der Frequenzsollwert abgesenkt werden und entsprechend einer vorgegebenen Zeitfunktion
auf seinen ursprEnglichen Wert zurtickgefUhrt werden um den magnetischen
Fluß
der Drehfeldmaschine auf einem annähernd konstanten Wert zu halten. Auch in diesem
Fall ist natürlich der Frequenzsollwert unmittelbar nach der Unterbrechung der Versorgungsspannung
sprunghaft abzusenken. Der Gleichrichter REC ist im Fall des Umrichters mit Gleichstromzwischenkreis
so ZU steuern, daß die von der Drehfeldmaschine über den Wechselrichter rEckgespeiste
Energie ungehindert durch die als Energiespeicher dienende Glättungsdrossel fließen
kann.
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9 Patentansprtlohe 8 Figuren