DE2702511A1

DE2702511A1 - Stromregelsystem fuer eine dreiphasige last

Info

Publication number: DE2702511A1
Application number: DE19772702511
Authority: DE
Inventors: Bruce Kenvin Bauman; Dean King Norbeck; Donald Leroy Tollinger
Original assignee: Borg Warner Corp
Current assignee: York International Corp
Priority date: 1976-01-28
Filing date: 1977-01-21
Publication date: 1977-08-04
Also published as: JPS6199214U; CA1054221A; JPS5293948A; FR2339988B1; AU508382B2; GB1513844A; AU2132577A; MX143209A; FR2339988A1; DE2702511C2; BR7700511A; US4057842A

Description

Die Erfindung betrifft eine Regelschaltung für eine dreiphasige Last und insbesondere ein Festkörper-Regelsystem zum Regeln des Stromflusses zu der Last, um diesen auf einem konstanten gewünschten Niveau zu halten. Gleichzeitig schützt das Regelsystem die Last auch gegenüber widrigen Überlast- oder Überstrombedingungen.

Das Regelsystem der vorliegenden Erfindung regelt und begrenzt den Stromfluß von einer dreiphasigen Wechselspannungsquelle zu einer dreiphasigen Last. Eine Überwachungseinrichtung mißt die drei Lastströme, die zur Last geliefert werden, und erzeugt ein Rückkopplungssignal proportional zu deren Amplitude. Das Rückkopplungssignal wird in einer Vergleichseinrichtung mit einem Bezugssignal verglichen, das ein gewünschtes Niveau für die Lastströme darstellt. Ein von der Vergleichseinrichtung erzeugtes Fehlersignal ist proportional zum Mittelwert der Differenz zwischen den beiden verglichenen Signalen. Eine Steuereinrich-

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tung, die in Abhängigkeit vom Fehlersignal arbeitet, stellt die Amplitude der drei Lastströme ein, um sie auf dem gewünschten Niveau zu halten.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung.

Block 10 stellt eine konventionelle dreiphasige Wechselspannungsquelle mit drei Anschlüssen dar, an denen jeweils eine sinusförmige Wechselspannung mit der gleichen Effektiv-Amplitude und der gleichen Umpolungsfrequenz anliegt, wobei die drei Wechselspannungen untereinander um 120° phasenverschoben sind. Da kein Null-Leiter von der Spannungsquelle abgeht, ist jede dieser Phasenspannungen eine Leiter-zu-Leiter-Spannung und erscheint oder wird erzeugt an einem Anschluß der Spannungsquelle 10 relativ zu einem anderen Anschluß. Die Effektivgröße jeder Phasenspannung kann jeden geeigneten Wert annehmen in Abhängigkeit von den Eigenschaften der zu beaufschlagenden Last. Wie dargestellt, hat die Last die Form eines dreiphasigen Motors 12, der zum Beispiel als Kompressor-Motor in einem Klimaanlagensystem großer Leistungsfähigkeit dient. Solch ein Kompressor-Motor kann Phasenspannungen von 600 V erfordern. Die umpolungsfrequenz der Phasenspannungen wird gewöhnlich 50 oder 60 Perioden pro Sekunde oder Hertz sein.

Drei Last- oder Phasenströme I₁, I- und I- fließen durch Leiter L₁, L₂ und L₃ zu der Last 12 über sechs siliziumgesteuerte Gleichrichter oder SCR 14, die von einem Tortreiber 15 gesteuert werden, dessen sechs Ausgänge mit den Toren der jeweiligen sechs SCR verbunden sind. Jeder SCR ist leitend während jeder positiven Halbperiode der an ihn angelegten sinusförmigen Spannung, wenn die Anode des SCR positiv relativ zu seiner Kathode ist. Es tritt jedoch keine Leitung während einer positiven HaIb-

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periode auf, bis das SCR-Tor mit Steuerstrom beaufschlagt wird. In diesem Augenblick wird der SCP in den leitenden Zustand gebracht oder eingeschaltet und erlaubt, daß durch ihn ein Laststrom bis zum Ende der positiven Halbperiode strömt. Je größer die Zeitverzögerung oder der Verzögerungswinkel zwischen dem Beginn einer positiven Halbperiode und dem Einschalten oder Zünden des SCR ist, desto geringer ist die Leistungszeit, wodurch weniger Laststrom fließen kann. Der Aufbau des Tortreibers 15 kann jede geeignete Form annehmen, um in einstellbarer Weise die getakteten Steuerstrom-Impulse in Abhängigkeit von einem dem Tortreiber zugeführten Signal zu liefern. Mit einem solchen Aufbau kann die Größe der drei Lastströme leicht verändert werden, indem lediglich die Steuerung der Torsignale verändert wird. Vorzugsweise besteht der Treiber 15 aus einem "Solid State Hard Firing PHASETROL SCR Gate Drive", Modell VPH1319, der von Vectrol, Inc., Rockville, Maryland, hergestellt wird.

Die Regelung und Begrenzung der drei Lastströme I₁, I- und I₃ wird durch überwachung oder Messung dieser drei Lastströme mit Hilfe von Stromwandlern T-, T~ und T_ erzielt, welche Ströme proportional zu den Lastströmen erzeugen. Diese werden addiert und gleichgerichtet durch die dreiphasige Vollwegbrücke, die aus sechs Dioden 18 besteht, und zu einem Spannungssignal an den Schaltungspunkten 21 und 22 durch Widerstände 23 und 24 umgewandelt. Ein Unterscheidungsmerkmal dieser Anordnung besteht da»- rin, daß die Stromwandler in Sternform geschaltet sind, wobei der Mittelpunkt der Sternschaltung (Schaltungspunkt 22) als Bezugspunkt gilt. Hierdurch ist es möglich, daß jedes Stromungleichgewicht zwischen den Lastströmen I₁, I- und I3 mit voller relativer Größe an den Schaltungspunkten 21 und 22 abgegriffen werden kann. Die Spannung am Widerstand 23 ist daher proportional zum größten oder höchsten der drei Lastströme.

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Der Schaltungspunkt 22 wird auf einem festen Potential Vj gegenüber Masse gehalten, damit eine einzige Gleichspannungsquelle für das gesamte System verwendet werden kann. Dieses ist durch einen Block 26 und die Spannungsteiler-Widerstandsschaltung, die mit dessen Ausgang verbunden ist, dargestellt.

Der einstellbare Spannungsteiler mit Festwiderständen 27 und 28 und einem Potentiometer 29 liefert ein Rückkopplungssignal (am veränderlichen Abgriff des Potentiometers), das dem negativen Eingang eines Differenzverstärkers 31 zugeführt wird, der als Fehlerverstärker dient. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers ist proportional zur Differenz zwischen dem Rückkopplungs-r signal und den Bezugsspannungen V» und V,. Widerstände 32, 33 und 34 bilden Vorspannungswiderstände für den Differenzverstär^ ker 31. Der Verstärkungsgrad des Verstärkers wird durch das Verhältnis des Rückkopplungswiderstandes 36 zu den Vorspannungswiderständen bestimmt. Der Rückkopplungs-Kondensator 35 dient mit dem Widerstand 36 dazu, das Fehlersignal zu integrieren, so daß die Ausgangsspannung des Verstärkers 31 proportional zum Zeitmittel des Fehlersignals ist. Diese Anordnung wird auf Seite 217 in dem Buch "Operational Amlipiers", Tobey et al, Ed., MacGraw Hill Book Company, 1971, erörtert.

Die vom Verstärker 31 erzeugte Fehlerspannung steuert das Timing der vom Tortreiber 15 erzeugten Steuerimpulse, um hierdurch die Leitungszeiten der SCR und die Größe der zum Motor 12 fließenden Lastströme zu steuern. Der Differenzverstärker 31 vergleicht daher wirksam das Rückkopplungssignal (vom Abgriff des Potentiometers 29) mit einem Bezugsniveau und erzeugt ein Fehlersignal proportional zum Mittelwert der Differenz zwischen diesen beiden. Wenn die Lastströme sich auf dem gewünschten Niveau befinden, befinden sich beide Eingänge des Verstärkers 31 auf dem gleichen Potential, und das Fehlersignal ist Null.Mit diesem Wert wird der Tortreiber 15 derart arbeiten, daß die SCR so/'viel leiten,

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wie zur Aufrechterhaltung der Lastströme auf dem gewünschten Niveau erforderlich ist. Wenn die Lastströme ansteigen, wird sich das Rückkopplungssignal im positiven Sinne erhöhen und beim Ausgangssignal des Verstärkers 31 einen negativen Verlauf verursachen. Dies veranlaßt seinerseits den Tortreiber 15, die Verzögerungswinkel der SCR zu erhöhen, so daß die Lastströme auf das gewünschte Niveau reduziert werden, worauf das Fehlersignal wieder Null wird. Wenn die Lastströme abnehmen, wird natürlich ^ der entgegengesetzte Vorgang eintreten.

Während des Startes, wenn das System zunächst in Betrieb genommen wird, dient die Rückkopplungsanordnung dazu, einen momentanen Stromaufbau zu verhindern, wodurch plötzliche Spannungsstöße vermieden werden. Dies ist ein besonders hervorzuhebendes Merkmal, wenn die Last von einem Motor gebildet wird. Durch Begrenzung des Stromflusses zum Motor wird ein weicher Start erleichtert, das heißt der Motor kann allmählich auf seine volle Betriebsgeschwindigkeit ohne plötzliche Einschaltstromspitzen beschleunigt werden. Eine Verzögerung der Lastströme beim Start tritt auf, da zu dieser Zeit das Rückkopplungssignal positiv verläuft und hierdurch die Verzögerungswinkel der SCR durch die Fehlerspannung vergrößert werden, wodurch die Leitungszeiten verringert werden.

Wenn das gewünschte Niveau für die Lastströme geändert werden muß (zum Beispiel wenn ein unterschiedlicher Motor oder eine Last ersetzt wird), kann dies lediglich durch Einstellen des Potentiometers 29 erfolgen. Dies ist sehr vorteilhaft, da eine Veränderung des Rückkopplungssignals und nicht der an den Verstärker 31 gelegten Bezugsspannung eine Konstanthaltung der Schleifenverstärkung des Systems ermöglicht unabhängig von der zu regelnden Last. Hierdurch wird gewährleistet, daß das Regelsystem für verschiedene Lastarten stabil ist.

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Ein Differenzverstärker 39, dessen negativer Eingang ebenfalls mit dem Abgriff des Potentiometers 29 verbunden ist, ist in einer offenen Schleifenanordnung geschaltet und sorgt für eine Überlast-Schutzschaltung. Widerstände 41 und 42 dienen als Vorspannungswiderstände für den Verstärker. Die Bezugsspannung V, ist derart gewählt, daß, wenn während der Zeit, in welcher der Verstärker 31 den Mittelstrom zu dem geeigneten Niveau steuert, das Spitzen-zu-Mittelwert-Verhältnis der Lastströme höher als gewünscht ist, die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 39 niedrig gesteuert wird. Hierdurch wird ein Kondensator 43 über eine Diode 44 entladen, wodurch ein Feldeffekttransistor 45 in den leitenden Zustand versetzt wird. Wenn diese Bedingung eintritt, schaltet das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 39 (das ein Überlastsignal darstellt) mit der ümpolungsfrequenz der Wechselspannungsquelle um. Aufgrund der Diode 44 wird der Kondensator 43 jedoch gezwungen, sich langsam über einen Widerstand 4 6 aufzuladen. Hierdurch wird ermöglicht, daß der Feldeffekttransistor 45 kontinuierlich im leitenden Zustand bleibt solange, wie das erlaubte Spitzen-zu-Mittelwert-Verhältnis überschritten wird. Ein Widerstand 47 ist vorgesehen, um den Steuerstrom des Transistors 45 auf einen Sicherheitswert zu begrenzen.

Wenn die Oberlast- oder Überstrom«Bedingung, die vom Verstärker 39 gemessen wird, für ein gegebenes Zeitverzögerungs-Intervall wirksam bleibt, wird das System abgeschaltet, so daß kein Strom zur Last 12 fließt. Dies wird mit Hilfe eines Zeitgebers 51 erreicht, der vom Feldeffekttransistor 4 5 betätigt wird, wenn der Transistor leitet. Wenn der Transistor 45 wenigstens 7 Sekunden leitet, erregt der Zeitgeber 51 am Ende dieser Periode ein Relais 52. Jede geeignete Zeitzählvorrichtung kann die Funktion des Zeitgebers 51 übernehmen. Wenn das Relais 52 erregt ist, sind ein Paar Sperrkontakte geschlossen, wodurch der Tor<treiber wirksam abgeschaltet wird, so daß er keine Steuerimpulse zu den SCR liefern kann. Vor dem Abschalten wird eine Zeitver~

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zögerung von 7 Sekunden eingeführt, um unerwünschte Abschaltungen aufgrund von Störungen, die durch Übergangs- oder Momentanzustände verursacht werden, zu vermeiden. Es wird angemerkt, daß sowohl das gewünschte Stromniveau als auch das erlaubte Spitzenzu-Mittelwert-Verhältnis mit einer einzigen Steuereinrichtung, nämlich dem Potentiometer 29, eingestellt werden.

Ein Differenzverstärker 54 und die ihm zugeordnete Schaltung bilden eine andere Überlast-Schutzschaltung und stellen ein Doppel der oben beschriebenen Überlastmeßschaltung dar, mit der Ausnahme, daß der negative Eingang des Verstärkers 54 unabhängig von den Schaltungspunkten 21 und 22 über einen veränderlichen Teiler, der aus einem Festwiderstand 55 und einem Potentiometer 56 besteht, beliefert wird. Die Überlast-Schutzschaltung wird eingestellt, um bei einem Spitzenstromniveau ausgelöst zu werden, das unabhängig vom mittleren Strom ist, der vom Verstärker 31 geregelt wird. Wenn der Spitzenstrom höher als erwünscht ist, versetzt der Differenzverstärker 54 den Feldeffekttransistor 57 in den leitenden Zustand, worauf ein Zeitgeber 58 betätigt wird und wenn nach einem Zeitintervall von 40 Sekunden der Spitzenwert der Lastströme immer noch ein vorbestimmtes erlaubtes Niveau überschreitet, wird das Relais 52 erregt, um das System abzuschalten. Wie durch Blöcke 61 und 62 angezeigt ist, wird jedesmal, wenn ein Überlastzustand von einer der beiden Überlast-Schutzschaltungen gemessen wird, eine geeignete visuelle Anzeigeeinrichtung erleuchtet, um das Betriebspersonal auf den anormalen Zustand aufmerksam zu machen. Wenn erwünscht, können natürlich auch akustische Alarmvorrichtungen erregt werden, wenn überlastzustände auftreten.

Das vorliegende Regelsystem regelt und begrenzt den durchschnittlichen Stromfluß zu einer Dreiphasenlast, während zur gleichen Zeit die Last gegen Überlastungszustände geschützt wird, in denen entweder das Spitzen-zu-Mittelwert-Verhältnis des Stromes höher als normal ist, unabhängig von der Größe des zu regelnden Stromes, oder der Spitzenstrom höher als erwünscht ist.

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Claims

P. a t e η t an s ρ r ü c h e

1. ) Regelsystem zum Regeln des Stromflusses von einer dreiphasigen Wechselspannungsquelle zu einer dreiphasigen Last, gekennzeichnet durch

eine Kopplungseinrichtung (L-, L-, L₃, 14) zum Koppeln der dreiphasigen Wechselspannungsquelle (10) mit der dreiphasigen Last (12), um diese mit drei Lastströmen (I., I-, I₃) zu versorgen,

eine überwachungseinrichtung (T₁, T₂, T₃, 18 bis 29), die mit der Kopplungseinrichtung gekoppelt ist, um die drei Lastströme zu messen und ein Rückkopplungssignal proportional zu deren Amplitude zu erzeugen,

eine Vergleichseinrichtung (31) zum Vergleichen dieses Rückkopplungssignals mit einem Bezugssignal, das ein gewünschtes Niveau für die Lastströme darstellt, und zum Erzeugen eines Fehlersignals, das proportional zum Mittelwert der Differenz zwischen den beiden verglichenen Signalen ist,

und eine Steuereinrichtung (15), die mit der Kopplungseinrichtung gekoppelt ist und in Abhängigkeit vom Fehlersignal die Amplitude der drei Lastströme einstellt, um diese auf dem gewünschten Niveau zu halten.

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2. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet , daß das Rückkopplungssignal proportional zum größten der drei Lastströme ist.

3. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß bei anfänglicher Inbetriebnahme des Systems die Vergleichseinrichtung (31) ein Fehlersignal erzeugt, das einen plötzlichen Anstieg der drei Lastströme wirksam verzögert, um Stromstöße zu verhindern.

4. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung ein Differenzverstärker (31) ist und daß die Amplitude des Fehlersignals im wesentlichen Null ist, wenn die Lastströme auf dem gewünschten Niveau sind.

5. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn» zeichnet , daß das Rückkopplungssignal vom veränderlichen Abgriff eines Potentiometers (29) abgeleitet wird, wobei das gewünschte Niveau der Lastströme durch Einstellung dieses Potentiometers eingestellt wird.

6. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Vergleichsexnrichtung (31) einen Integrationskreis (35, 36) aufweist, um den Mittelwert eines jeden Laststromes auf ein geeignetes Niveau zu regeln und zu halten.

7. Regelsystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Überlast-Schutzeinrichtung (39 bis 52), die auf die überwachungseinrichtung anspricht, zur Unterbrechung des Stromflusses zu der Last, um das System jedesmal dann abzuschalten, wenn das Spitzen-zu-Mittelwert-Verhältnis der Lastströme ein voreingestelltes erlaubtes Niveau überschreitet und auf diesem Niveau für ein gegebenes Zeitverzögerungs-Intervall bleibt.

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8. Regelsystem nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Überlast-Schutzeinrichtung (39 bis 52) von dem Rückkopplungssignal gesteuert wird,

9. Regelsystem nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Überlast-Schutzeinrichtung einen Differenzverstärker (39) aufweint, der das Rückkopplungssignal mit einem Bezugssignal vergleicht, welches das erlaubte Spitzen^zu-Mittelwert-Verhältnis darstellt.

10. Regelsystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Überlast-Schutzeinrichtung (52, 54 bis 58), die auf die Überwachungseinrichtung anspricht, zur Unterbrechung des Stromflusses zu der Last, um das System jedesmal dann abzuschalten, wenn der Spitzenwert der Lastströme ein vorbestimmtes erlaubtes Niveau überschreitet und auf diesem Niveau für ein vorbestimmtes Zeitverzögerungs-Intervall verbleibt.

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