DE2703309B1

DE2703309B1 - Anordnung zur Steuerung der Drehzahl und der Drehrichtung eines Dreiphasen-Asynchronmotors

Info

Publication number: DE2703309B1
Application number: DE2703309A
Authority: DE
Inventors: Nygaard Nils Hansson; Kaj Nielsen
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1977-01-27
Filing date: 1977-01-27
Publication date: 1978-07-20
Also published as: CH622137A5; GB1590241A; NO141874C; AU519621B2; NO780194L; NO141874B; JPS5393320A; FR2379191B1; AU3276678A; DE2703309C2; JPS567400B2; FR2379191A1; SE426003B; SE7800956L; DK580377A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Steuerung der Drehzahl und der Drehrichtung eines Dreiphasen-Asynchronmotors, der von einer regelbaren Gleichspannungsversorgung über eine Kurzschlußimpedanz und einen Wechselrichter gespeist ist, wobei die regelbare Gleichspannung bei Erreichen eines Stromgrenzwerts absenkbar ist, mit einem die Drehzahl bestimmenden Frequenzgeber, mit einem hiervon beeinflußten Zündsignalgenerator, der Ober Steuerleitungen mit paarweise in mindestens drei Zweigen in Reihe angeordneten Wechselrichter-Schaltelementen verbunden ist, und einem ebenfalls hiervon beeinflußten Löschsignalgenerator zum Aussteuern eines gemeinsamen Lösch-Schaltelements, und mit einer die Drehrichtung beeinflussenden Umsteuerschaltung zum Vertauschen der Steuerleitungen für die Wechselrichter-Schaltelemente wenigstens zweier Zweige.

Bei einer bekannten Anordnung dieser Art (DE-AS 16 38 008) weist die Gleichspannungsversorgung einen als steuerbaren Gleichrichter ausgebildeten Zerhacker auf, der eine konstante Gleichspannung in der Form von Impulsen mit unterschiedlicher Breite und/oder unterschiedlicher Frequenz hindurchläßt, so daß sich mit Hilfe einer nachgeordneten Glättungsschaltung eine regelbare Gleichspannung ergibt Diese wird von einem Spannungs-Sollwert bestimmt, wird aber, wenn der Strom einen vorgegebenen Grenzwert erreicht, soweit herabgeregelt, daß dieser Strom nicht überschritten wird. Die Drehzahl wird mit Hilfe eines von der Spannungsregelung unabhängigen Frequenzgebers bestimmt, der mit einem Zündsignalgenerator und einem Löschsignalgenerator kombiniert ist. Der Löschsignalgenerator gibt Löschimpulse mit dem Sechsfachen der gewünschten Frequenz ab. Der Zündsignalgenerator ist über drei Paare von Steuerleitungen mit den Wechselrichter-Schaltelementen von drei Zweigen verbunden. Bei zwei Paaren können die Anschlüsse durch eine Umsteuerschaltung miteinander vertauscht werden.

Im normalen Betrieb ist in jedem Zweig jeweils ein Wechselrichter-Schaltelement, z. B. ein gesteuerter Gleichrichter, in den leitenden Zustand gesteuert, z. B. durch ein während der Durchlaßperiode vorhandenes Hochfrequenzsignal. Wenn nun die Steuerleitungen vertauscht werden, wird, ohne daß die erstgenannten Schaltelemente gelöscht werden, auch das jeweib zweite Schaltelement des Zweiges in den leitenden Zustand gebracht. Damit ergibt sich ein Kurzschluß. Der dabei fließende Kurzschlußstrom ist zwar im ersten Augenblick wegen der Kurzschlußimpedanz noch tragbar, wächst aber rasch auf unzulässig hohe Werte an. Beim Auftreten des Kurzschlußstromes wird zwar die Spannung der Gleichspannungsversorgung heruntergeregelt. Die im Glättungskondensator und in der Kurzschlußimpedanz gespeicherte Energie kann aber bereits ausreichen, um die Schaltelemente zu zerstören. Da der Asynchronmotor keine Energie abgeben kann, läuft er ungebremst weiter, wodurch sich die Drehrichtungsumkehr verzögert.

Es ist ferner bekannt (DE-AS 1613 776), die Frequenz des Frequenzgebers der regelbaren Spannung am Ausgang der Gleichspannungsversorgung nachzufahren, weil für einen optimalen Betrieb des Asynchronmotors dessen Spannung und Frequenz in einem etwa konstanten Verhältnis zueinander stehen sollen. Wenn man die zuvor erwähnte Umsteuerschaltung bei einer solchen Anordnung anwenden würde, ergäben sich noch größere Probleme. Denn wenn beim Auftreten eines Kurzschlußstromes die regelbare Spannung herabgesetzt wird, nimmt gleichzeitig die vorgegebene Frequenz ab. Das bedeutet, daB die Zeit bis zum Auftreten der nächsten Löschung noch größer wird, der Kurzschlußstrom also noch länger fließt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, bei der die im Zusammenhang mit der Drehrichtungsumkehr auftretenden Kurzschlußprobleme fortfallen oder vernachlissigbar sind und die Umschaltung bei einer beliebigen Drehzahl ohne vorangehende Herunterregelung der Drehzahl vorgenommen werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelost, daß der Umsteuerschaltung eine Sperrvorrichtung

INSPECTED

zugeordnet ist, welche die eingeleitete Umsteuerung bis zum Zeitpunkt der nächstfolgenden Löschung verhindert, und daß die Frequenz des Frequenzgebers proportional zur geregelten Gleichspannung geführt ist.

Die Sperrvorrichtung sorgt dafür, daß der Umsteuer-Vorgang jeweils mit einem Löschvorgang zusammenfällt oder unmittelbar davor erfolgt. Der Zustand, daß beide Schaltelemente eines Zweiges gleichzeitig leitend sind, tritt daher nicht oder höchstens in unschädlich kurzer Zeit auf. Eine Zerstörung der Schaltelemente ist daher ausgeschlossen. Außerdem liegt der Motor unmittelbar nach dem Umsteuervorgang an Spannung führenden Klemmen, die ein der neuen Drehrichtung entsprechendes Drehfeld hervorrufen. Da der Motor noch in der alten Drehrichtung läuft, wird er im Gegenstrom betrieben und dementsprechend rasch gebremst.

Die beim Umsteuervorgang auftretenden hohen Ströme, die zu einer Absenkung der regelbaren Gleichspannung führen, ergeben auch eine Herabsetzung der Frequenz. Dies ermöglicht das Hochlaufen des Asynchronmotors in der Gegenrichtung, ohne daß höhere Ströme fließen müßten, als sie durch die Maximalstrombegrenzung zugelassen werden, die in der Regel den Motorstrom etwa auf den normalen Vollaststrom begrenzt. F.ine Gefahr, daß infolge der Verzögerung des Löschvorganges zu lange ein Kurzschlußstrom über die einzelnen Zweige fließt, ist durch die Verwendung der Sperrvorrichtung ausgeschlossen.

Eine besonders einfache Schaltung ergibt sich, wenn der Frequenzgeber jeweils zum Löschzeitpunkt einen Taktimpuls abgibt, der die Sperrvorrichtung freigibt. Auf diese Weise ist der Synchronismus zwischen dem Löschvorgang und dem Umsteuervorgang gegeben. Im einfachsten Fall ist der Taktimpuls mit dem Löschimpuls identisch.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist dafür gesorgt, daß die Sperrvorrichtung in Abhängigkeit von einem zugeführten Phasenumsteuersignal eines von zwei alternativ auftretenden Umschaltsignalen abgibt, einen Signalwechsel aber nur bei der nächstfolgenden Löschung zuläßt, und daß die Umsteuerschaltung pro umzusteuernden Zweig zwei elektronische Schaltglieder aufweist, in denen die Zündsignale je einer Phase des Zündsignalgenerators nach einer UND-Funktion mit je einem der beiden Umschaltsignale verknüpft werden. Durch die Verknüpfung der Zündsignale mit den Umschaltsignalen und durch die zeitrichtige Abgabe der Umschaltsignale ist der Umsteuervorgang mit dem Löschvorgang synchronisiert.

Hierbei kann insbesondere die Sperrvorrichtung ein D-Flipflop sein, dessen D-Eingang das Phasenumsteuersignal zugeführt wird, dessen Takteingang ein Taktimpuls des Frequenzgebers zugeführt wird und an dessen beiden Ausgängen die beiden Umschaltsignale abgenommen werden. Das Phasenumsteuersignal kann beispielsweise ein Rechtecksignal mit dem Wert 1 für die eine Drehrichtung und dem Wert 0 für die andere Drehrichtung sein.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein vereinfachtes Schaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung.

Eine regelbare Gleichspannungsversorgung 1 wird mit konstanter Gleichspannung LJ- gespeist. Ein Serienregler 2 weist einen als Zerhacker arbeitenden gesteuerten Gleichrichter 3 auf, dessen Steuersignale von einem Steuergerät 4 derart zugeführt werden, daß Gleichstromimpulse unterschiedlicher Breite und/oder Frequenz hindurchgelassen werden. Nachgeschaltet ist ein Glättungskreis, der eine Längsdrossel 5 und einen Querkondensator 6 aufweist. Infolgedessen entsteht eine regelbare Gleichspannung Ui. Diese wird normalerweise einem Sollwert nachgeführt, der über eine Einstellvorrichtung 7 am Steuergerät 4 vorgegeben ist. Wenn jedoch der Strom im System einen vorgegebenen Grenzwert erreicht, was durch den Spannungsabfall an einem Meßwiderstand 8 festgestellt werden kann, regelt das Steuergerät 4 die Spannung U i so weit herab, daß keine übermäßigen Ströme auftreten können. Von der Spannung U1 ist auch ein Frequenzgeber 9 abhängig, der Taktimpulse t mit dem Sechsfachen der gewünschten, zur Spannung Ui passenden Frequenz abgibt. Dieser Frequenzgeber 9 hat die Form eines bekannten spannungsgesteuerten Oszillators (VCO).

Über eine Kurzschlußimpedanz 10, die mittels einer Transformatorwicklung U und eines Gleichrichters 12 auch der Energierückgewinnung beim Löschvorgang dient, ist ein Wechselrichter 13 angeschlossen, der einen Dreiphasen-Asynchronmotor 14 speist. Der Wechselrichter weist drei Zweige a, b und c auf, die je zwei in Reihe liegende Schaltelemente 15a und 16a, 156 und 166 sowie 15c und 16c aufweisen, zwischen denen die drei Phasenanschlüsse U, V und W abzweigen. Die Steuerelektroden der als gesteuerte Gleichrichter ausgebildeten Schaltelemente werden über Steuerleitungen 17 mit hochfrequenten Zündimpulsen ζ versorgt. Weitere Teile des Wechselrichters, wie Freilaufdioden und dergleichen, sind der Einfachheit halber fortgelassen.

Ein Löschkreis weist einen Kondensator 18, eine Umschwingdrossel 19, ein Lösch-Schaltelement 20 in der Form eines gesteuerten Gleichrichters und eine Diode 21 auf. Die Steuerelektrode des Schaltelements 20 wird über eine Steuerleitung 22 von einem Löschimpulsgenerator 23 mit Löschimpulsen /versorgt, die jeweils von einem Taktimpuls t ausgelöst werden, also eine dem Sechsfachen der gewünschten Frequenz entsprechende Frequenz haben.

Die Taktimpulse t steuern ferner einen Zündsignalgenerator, der einen beliebigen Aufbau haben kann und beispielsweise Flipflops, Frequenzteiler, Zählerschaltungen usw. aufweisen kann. An den Ausgängen entstehen Zündsignale u, ν und w, die den an den Ausgängen U, V und W gewünschten Phasenspannungen entsprechen. Das Zündsignal w wird direkt, die Zündsignale υ und ν werden über eine Umsteuerschaltung 30 weitergeleitet Sie werden alsdann teils direkt, teils über ein NICHT-Glied 32a, 326 bzw. 32c an Leitungen 31a bis 31c und 33a bis 33c zur Abgabe der Zündimpulse in den Leitungen 17 weitergeleitet. Beispielsweise können sie mit einem dauernd gesendeten Hochfrequenzsignal, ζ. Β. 200 kHz, kombiniert werden. Dieses Hochfrequenzsignal tritt daher in den Leitungen 17 immer dann auf, wenn auch ein von den Zündsignalen u, ν und w abhängiges Eingangssignal auf den Leitungen 31* bis 31cund 33abis 33cvorhanden ist.

Die Umsteuerschaltung 30 weist für jede Phase zwei erste NAND-Glieder 37,38 und 39,40 sowie ein zweites NAND-Glied 41 und 42 auf. Ferner eine Sperrvorrichtung 43 in der Form eines D-Flipflops vorgesehen, dessen D-Eingang über einen Schalter 44 wahlweise an Masse oder an die Spannung einer Spannungsquelle 45 gelegt ist, so daß dem D-Eingang ein Phasenumsteuersignal ρ zugeführt wird, das den Wert 1 für die eine

Drehrichtung und den Wert 0 für die andere Drehrichtung hat. Jedem jier beiden Werte ist ein Umschaltsignal si am Q-Ausgang bzw. 5 2 am (^-Ausgang zugeordnet. Eine Umschaltung an den Ausgängen erfolgt jedoch erst beim Auftreten eines Taktimpulses ρ am Takteingang ei. Das bedeutet, daß das Phasenumsteuersignal ρ zu einem beliebigen Zeitpunkt gegeben werden kann, ein Wechsel der Umschaltsignale s 1 und s 2 jedoch erst beim Auftreten des Taktimpulses / erfolgt, der gleichzeitig über den Löschsignalgenerator 23 die Löschung bewirkt. In Abhängigkeit von diesen Umschaltsignalen si und s2 sind entweder die NAND-Glieder 37 und 39 oder die NAND-Glieder 38 und 40 wirksam, so daß der Zweig a wahlweise vom Zündsignal u oder ν und der Zweig b wahlweise vom Zündsignal voder ugesteuert wird, was einer Drehrichtungsumkehr entspricht.

Es sei angenommen, daß das Umschaltsignal s 1 vorhanden ist. Dann arbeitet die Schaltung so, daß die Phasenspannungen in der Reihenfolge U, V und W auftreten. Wird der Schalter 44 umgelegt, so ergibt sich beim nächsten Taktimpuls t ein Wechsel des Umschaltsignals auf s 2. Nunmehr erfolgt die Steuerung der Phasenspannungen in der Reihenfolge V. U. W, was einer Umkehr des Drehfeldes im Motor 14 gleichkommt. Da die Umschaltung im Löschaugenblick erfolgt, ist kein Kurzschluß in den Zweigen a, b und czu befürchten. Sofort nach dieser Umschaltung arbeitet der Motor mit Gegenstrom und wird daher gebremst Wegen der auftretenden Ströme wird die Spannung Ui

ίο herabgeregelt, wodurch auch die Frequenz des Frequenzgebers 9 abnimmt. Sobald der Motor 14 zum Stillstand gekommen ist, fährt er sofort im Gegensinn wieder hoch, wobei die Spannung U1 und die Frequenz bis zum gewünschten Sollwert wieder zunehmen.

is Abwandlungen sind in vielerlei Richtung möglich. Beispielsweise kann die Sperrvorrichtung auch durch einen Löschimpuls ausgelöst werden. Die NAND-Glieder können auch durch UND-Glieder und umgekehrt ersetzt werden, wenn die Schaltung entsprechend angepaßt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Steuerung der Drehzahl und der Drehrichtung eines Dreiphasen-Asynchronmotors, der von einer regelbaren Gleichspannungsversorgung über eine Kurzschlußimpedanz und einen Wechselrichter gespeist ist, wobei die regelbare Gleichspannung bei Erreichen eines Stromgrenzwerts absenkbar ist, mit einem die Drehzahl to bestimmenden Frequenzgeber, mit einem hiervon beeinflußten Zündsignalgenerator, der über Steuerleitungen mit paarweise in mindestens drei Zweigen in Reihe angeordneten Wechselrichter-Schaltelementen verbunden ist, und einem ebenfalls hiervon beeinflußten Löschsignalgenerator zum Aussteuern eines gemeinsamen Lösch-Schaltelements, und mit einer die Drehrichtung beeinflussenden Umsteuerschaltung zum Vertauschen der Steuerleitungen für die Wechselrichter-Schaltelemente wenigstens zweier Zweige, dadurch gekennzeichnet, daß der Umsteuerschaltung (30) eine Sperrvorrichtung (43) zugeordnet ist, welche die eingeleitete Umsteuerung bis zum Zeitpunkt der nächstfolgenden Löschung verhindert und daß die Frequenz des Frequenzgebers (9) proportional zur geregelten Gleichspannung (U 1) geführt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzgeber (9) jeweils zum Löschzeitpunkt einen Taktimpuls (t) abgibt, der die Sperrvorrichtung (43) freigibt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrvorrichtung (43) in Abhängigkeit von einem zugeführten Phasenumsteuersignal (p) eines von zwei alternativ auftreten- ^ den Umschaltsignalen (Si, 52) abgibt, einen Signalwechsel aber nur bei der nächstfolgenden Löschung zuläßt, und daß die Umsteuerschaltung pro umzusteuernden Zweig (a. b, c) zwei elektronische Schaltglieder (37,38; 39,40) aufweist, in denen «° die Zündsignale (u, v)je einer Phase des Zündsignalgenerators (24) nach einer UND-Funktion mit je einem der beiden Umschaltsignale (Si, 52) verknüpft sind.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn- ^4S zeichnet, daß die Sperrvorrichtung (43) ein D-Flipflop ist, dessen D-Eingang das Phasenumsteuersignal (p) zugeführt ist, dessen Takteingang ein Taktimpuls (t) des Frequenzgebers (9) zugeführt ist und an dessen beiden Ausgängen die beiden Umschaltsigna- ^w \t(Si,S2) abgenommen sind.