DE2704533C2 - Einrichtung zur Steuerung der Lage des Ständerstromvektors einer über einen Umrichter mit steuerbaren Ventilen und mit eingeprägtem Zwischenkreisstrom gespeisten Drehfeldmaschine - Google Patents

Description

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Sägezahngenerator ein zweites mit der Ständerstromfrequenz (\/T) synchronisiertes Sägezahnsignal (SZ_n, SZ_n) abgibt, das ebenfalls aus dem Ausgangssignal (U₁) des Integrators (17) abgeleitet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ableitung des zweiten synchronislerten Sägezahnsignals (SZ_n, SZ_n) ein vom Frequenz-Ausgangssignal (U_B) gesteuerter Umschalter (18a) vorgesehen Ist, dessen Rechteck-Ausgangsspannung mit dem ersten Sägezahnsignal zu dem phasenverschobenen zweiten Sägezahnsignal aufaddiert wird.

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Steuerung der Lage des Ständerstromvektors einer über einen Umrichter mit steuerbaren Ventilen und mit eingeprägtem Zwischenkreisstrom gespeisten Drehfeldmaschine, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 (DE-PS 25 14 577).

In Figur 4 des Hauptpatents 25 14 557 (Patentanmeldung P 25 14 557.7 - VPA 75 P 3056 BRD) ist ein Steuersatz mit einem ersten, mit der Ständerstromfrequenz synchronisierten Sägezahngenerator dargestellt, dessen Ausgangssignal mit dem Ausgangssignal eines zweiten, mit einer höheren Frequenz arbeitenden Sägezahngenerators im Eingangskreis eines Grenzwertmelders verglichen 1st. Dessen Ausgangssignal betätigt eine in den Verbindungsleitungen zwischen einem die Steuerspannungen für die Ventile abgebenden Steuersatz und den Ventilstrecken angeordnete Umschalteinrichtung zur impulsweisen Änderung der Ständerstromvektorlage. Bei jeder Änderung springt dabei der Ständerstromvektor von einer diskreten Lage in eine benachbarte diskrete Lage, wobei sich entsprechend den jeweiligen Verweildauern eine effektive Mittellage ergibt.

Dabei ist vorgesehen, daß der Steuersatz zwei /z-stufige Ringzähler enthält, welche vom Frequenz-Ausgangssignal eines Spannungs-Frequenz-Umsetzers beaufschlagt sind, und der Spannungs-Frequenz-Umsetzer einen Integrator enthält, dessen Eingangsspannung durch das Frequenz-Ausgangssignal periodisch umpolbar ist. Das Integrator-Ausgangssignal 1st einerseits zur Bildung des Frequenz-Ausgangssignals zwei weiteren Grenzwertmeldern mit nachgeschalteter bistabiler Kippstufe zugeführt und andererseits zur Bildung des Sägezahnsignals über eine Umschaltvorrichtung durch das Frequenz-Ausgangsslgnal periodisch umschaltbar.

Die Erzeugung des niederfrequenten SSgezahnsignals mittels des Integrators, dem die Frequenzsteuerspannung - auch Im Fall einer gleichförmigen Drehbewegung - mit einer im Takt des Frequenz-Ausgaragssignals wechselnden Polarität zugeführt wird, verbietet nach dem Hauptpatent einen zusätzlichen Polaritätswechsel des Frequenzsteuersignals. Die mit Hilfe der Ringzähler gebildeten Zündimpulse werden daher Immer in einer bestimmten Reihenfolge gegeben, die nicht umgekehrt werden kann. Entsprechend ändert sich auch die effektive Lage des Ständerstromvektors immer In gleicher Richtung. Die angeschlossene Drehfeldmaschine kann, daher nur in einer Drehrichtung betrieben werden. Bei Antrieben mit Drehzahlumkehr und Betrieb in einem Bereich um die Drehzahl Null Ist dieser Steuersatz daher nicht anwendbar.

Bisher war es bei Anwendungsfällen mit Drehrichtungsumkehr üblich, relativ aufwendige Bausteine im Steuersatz einzusetzen. Es Ist aber wünschenswert, auch für solche Antriebe mit Drehrichtungsumkehr einen Steuersatz, der einen Spannungs-Frequenz-Umsetzer und nachgeschaltete Ringzähler enthält, zu verwenden, da der Aufwand hierfür wesentlich geringer 1st.

Aufgabe der Erfindung ist es, die eingangs genannte Einrichtung so auszugestalten, daß eine Drehrichtungsumkehr möglich 1st.

Der Erfindung Hegt dabei der Gedanke zugrunde, den Sägezahngenerator so auszubilden und anzusteuern, daß die Steigung In Abhängigkeit von der - jetzt umkehrbaren - Polarität des Frequenzsteuersignals umschaltbar Ist.

Dadurch kann der Drehsinn des effektiven Stromvektors jeweils zwischen zwei benachbarten diskreten Lagen verändert werden. Außerdem wird ebenfalls in Abhän-

gigkeit von der Polarität des Frequenzsteuersignals die von den Ringzählern vorgegebene Reihenfolge der nacheinander vom effektiven Stromvektor zu durchlaufenden diskreten Lagen umgekehrt, so daß insgesamt eine quasistetige Drehung auch mit entgegengesetzter Richtung möglich ist.

Dies wird erreicht durch die Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Unter Berücksichtigung dieser Überlegungen ist der Integrator des Spannungs-Frequenz-Umsetzers mit der über einen Umschalter periodisch umpolbaren Frequenzsteuerspannung beaufschlagt und gibt als erstes Sägezahnsignal ein mit der Ständerstromfrequenz synchronisiertes Ausgangssignal ab. Die Ausgänge der dem Integrator nachgeschalteten Grenzwertmelder sinn über zwei weitere, von einer Auswerteschaltung gesteuerte Umschalter mit den Eingängen der bistabilen Kippstufe verbunden, deren Ausgangssignal den Ringzählern zugeführt ist und gleichzeitig den Umschalter am Eingang des Integrators steuert. Die Ringzähler selbst weisen Vorwärts-Rückwärts-Eingänge auf, die von der Auswerteschaltung entsprechend der Polarität der Frequenzsteuerspannung angesteuert sind.

Für die übergeordnete Regelung kann hierbei insbesondere vorgesehen sein, daß der erste Sägezahngenerator ein zweites mit der Ständerstromfrequenz synchronisierte Ausgangssignale abgibt, das vorteilhaft ebenfalls aus dem Ausgangssignal des Integrators abgeleitet ist. Zur Ableitung der synchronisierten Ausgangsssignale kann dabei jeweils ein vom Ausgangssignal der bistabilen Kippstufe gesteuerter Umschalter vorgesehen sein, der mit einem Umkehrverstärker zusammenarbeitet.

Der erfindungsgemäße Steuersatz läßt sich für einen sogenannten Vierquadrantenbetrieb mit stetiger Drehzahlumkehr einsetzen. Als Vierquadrantenbetrieb wird dabei ein Betrieb bezeichnet, der in dem gesamten Koordinatensystem stattfindet, das vom Speisestrom und von der Speisespannung der Drehfeldmaschine aufgespannt wird. Die dem Spannungs-Frequenz-Umsetzer zugeführte Eingangsgleichspannung besitzt hierbei beide Polaritäten, wobei die eine Polarität dem Vorwärtsbetrieb und die andere dem Rückwärtslauf zugeordnet ist. Als besonderer Vorteil dieser Einrichtung wird es angesehen, daß Nullpunkt- und Llnearitätsfehler bei Drehzahlen um den Wert Null, d. h. bei sehr kleinen Frequenzsteuerspannungen, sehr klein gehalten werden können. Der technische und finanzielle Aufwand des Steuersatzes ist nur gering.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird Im folgenden anhand von zwei Figuren näher erläutert. Es zeigt

FI g. 1 einen Spannungs-Frequenz-Umsetzer mit nachgeschaiteten Ringzählern für Vor- und Rückwärtslauf einer Drehfeldmaschine und

F i g. 2 fünf Zeltdiagramme, In denen der zeltliche Verlauf einiger Spannungen des Spannungs-Frequenz-Umsetzers nach Flg. 1 dargestellt ist.

Flg. 1 zeigt einen Steuersatz, mit dem zwei Steuerspannungsgruppen A1 bis /46 und BX bis 56 sowie zwei frequenzsynchronisierte Sägezahngenerator-Ausgangssignale SZ_n und SZ_n gewonnen werden können. Dieser Steuersatz ist für einen (nicht gezeigten) Wechselrichter vorgesehen, über den eine Drehfeldmaschine gespeist wird. Ereignet sich z. B. für den Einsatz bei Walzwerken, Bahnantrieben oder RoUgängen.

Der Steuersatz besteht im wesentlichen aus einem Spannungs-Frequenz-Umsetzer 9, dessen Ausgangssignal U_n die Eingänge von zwei sechsstufigen Ringzählern 10 und 11 beaufschlagt. Dem Eingang das Spannungs-Frequenz-Umsetzers 9 wird eine Frequenzsteueispannung U_n zugeführt. Diese legt die Ständerstromfrequenz der Drehfeldmaschine fest. Die Frequenzsteuerspannung U_n kann entweder positiv oder negativ sein. Der positiven Polarität ist der Vorwärtslauf und der negativen Polarität der Rückwärtsiauf der Drehfeldmaschine zugeordnet.

Die Frequenzsteuerspannung U_n wird zum einen direkt und zum anderen über einen Umkehrverstärker 12 indirekt einem Umschalter 13 zugeführt. Dieser Umschalter 13 wird von dem Ausgangssignal U_B einer bistabilen Kippstufe 14 gesteuert. Die bistabile Kippstufe 14 besitzt zwei Eingänge, die über zwei weitere Umschalter 102 und 103 wechselweise mit den Ausgängen zweier Grenzwertmelder 15 und 16 verbunden werden. Der Grenzwertmelder 15 besitzt die Ansprechschwelle h, und der Grenzwertmelder 16 besitzt die niedere Ansprechschwelle NuU. Dieses ist symbolisch in den dargestellten Kästchen vermerkt. Jedem Grenzwert,voider 15 und 16 wird eingangsseitig dasselbe Ausgangssif aai U₁ eines Integrators 17 zugeführt. Dieses Ausgangssignal U₁ verläuft zeitlich sägezahnförmig. Je nach Stellung des Umschalters 13 nimmt es linear mit der Zeit vom Wert Null an ai.-f den konstanten, durch die Ansprechschwelle h des Grenzwertmelders 15 festgelegten Wert zu, oder es nimmt, von diesem Wert h ausgehend, in Richtung auf den Wert Null ab. Jedesmal, wenn das Ausgangssignal U₁ des Integrators 17 einen dieser Werte A, 0 erreicht, erfolgt eine Betätigung des Umschalters 13 durch das Ausgangssignal U₈ der bistabilen Kippstufe 14. Dieses Ausgangssignal U₈ besteht aus Rechteckimpulsen, die bei jeder Drehrichtung ein Puls-Pausen-Verhältnis 1 besitzen.

Die Frequenzsteuerspannung U_n ist weiterhin einer Auswerteschaltung 101 zugeführt, die deren Polarität feststellt. Das Ausgangssigna! b dieser Auswerleschaltung 101 wird zur Ansteuerung der beiden Umschalter 102 und 103 verwendet. Gleichzeitig 1st es auch auf den Vorwärts-/Rückwärts-Eingang der beiden Ringzähler 10, 11 aufgeschaltet. Es bestimmt also, ob die Ringzähler 10, 11 vorwärts oder rückwärts laufen.

Der Ringzahler 10 wird jeweils von den aufsteigenden Flanken der einzelnen Rechteckimpulse In der Ausgangsspannung U_B weitergeschaltet. Entsprechend wird der Ringzähler 11 von den abfallenden Flanken der Rechteckimpulse weitergeleitet. Der Ringzähler 10, 11 sind so eingerichtet, daß sie -je nach Ausgangssignal b vorwärts und rückwärts laufen können. Am Ausgang des Ringzählers 10 werden die Steuerspannungen A\ bis /46 so und am Ausgang des Ringzählers 11 die Steuerspannung Bl bis 56 abgenommen.

Das Ausgangssignal U₁ Ist unmittelbar sowie über einen stm Vorzeichen umkehrenden Verstärker 19 den beiden Eingangskontakten eines weiteren Umschalters 18 zugeführt. Dieser Umschalter 18 wird ebenfalls vom Ausgangssignal U_B der bistabilen Kippstufe 14 gesteuert. Am ruhenden Kontakt des Umschalters 18 wird das mit der Stähderstromfreqnenz synchronisierte Sägezahngenerator-Ausgangsslgnal SZ_n für Vorwärtslauf abgegriffen. Das Ausgangssignal Ü_B wird über ein Negationsglied 104 dem Steuereingang eines weiteren Umschalters 18σ zugeführt. Mit diesem Umschalter 18a wird wahlweise eine positive oder negative Spannung P bzw. N an einen weiteren Umkehrverrfärker 19a weitergeschaltet. Diesem wird unter Überlagerung auch das Ausgangssignal SZ_n zugeführt. Am Ausgang des Umkehrverstärkers 19(7 wird das frequenzsynchronisierte Sägezahngenerator-Ausgangssignal SZ_n für den Rückwärtslauf der

Drehfeldmaschine abgegriffen.

Der dargestellte Steuersatz arbeitet In Abhängigkeit von der Polarität der eingegebenen Steuerfrequenzspannung U_r Diese Polarität wird, wie bereits erwähnt, durch die Auswerteschaltung 101 festgestellt. Als Auswerteschaltung 101 kann hierbei ein Grenzwertmelder herangezogen werden. In Abhängigkeit von der festgestellten Polarität wird durch das Ausgangssignal b die Laufrichtung der beiden Ringzähler 10, 11 umgeschaltet. Gleichzeitig wird mit Hilfe der beiden Umschalter 102 und 103 das Eingangssignal der beiden Eingänge der bistabilen Kippstufe 14, die als Gedächtnisstufe arbeitet, vertauscht. Mit Hilfe der beiden Umkehrverstärker 19, 19a, die als Additionsglieder wirken, und der Umschalter 18, 18a werden In dem dargestellten Steuersatz zusatz-Hch noch die beiden sagezahnfOrmlgen Ausgangssignale SZ_n, SZ_n aus der Ausgangsspannung {/,jewonnen.

Bei jeder der beiden Polaritäten der Frequenzsteuerspannung £/„ arbeitet der Steuersatz so, wie das bereits im Hauptpatent 25 14 557 erläutert wurde. Der Integrator 17 ändert dabei jeweils nach einer Zwölftelperlode Γ/12 seine Lauflichtung.

Bei einer Änderung der Polarität der Frequenzsteuerspannung {/„. die Im ersten Diagramm von F i g. 2 bei den Zeltpunkten rl und ti erkennbar ist, läuft der Integrator 17 infolge der Betätigung des Umschalters 13 in umgekehrter Richtung mit umgekehrter Steigung welter. Dabei 1st die Lage beliebig, In der er sich gerade befunden hat. Das Ist aus dem zweiten Diagramm von Flg. 2 erkennbar. Die Ausgangsspannung U₁ kehrt nach diesem zweiten Diagramm an den Zeltpunkten t\ und ti ihre Bewegungsrichtung um. Gleichzeitig kippt das Ausgangsslgnal b der Auswerteschaltung 101 in seine andere Lage. Dadurch werden mit Hilfe der beiden Umschalter 102 und 103 die Eingänge der bistabilen Kippstufe 14 so geschaltet, daß die bistabile Kippstufe 14 bei beiden Polaritäten von den Ausgängen der Grenzwertmelder IS und 16 angestoßen werden kann.

Das Ausgangsslgnal U_B der bistabilen Kippstufe 14 ist im dritten Diagramm von F i g. 2 dargestellt. Es besteht ersichtlich aus einzelnen Rechteckimpulsen. Bei positiver Polarität ist jeweils einem Wert h der Ausgangsspannung U₁ eine Anstiegsflanke und dem Wert 0 eine Abfallflanke eines der Rechteckimpulse zugeordnet. Bei negativer Polarität, also zwischen den Zeitpunkten /1 und ti, vertauschen sich die Verhältnisse. Nunmehr ist einem Wert 0 der Ausgangsspannung U₁ eine Anstiegsflanke und dem Wert h eine Abfallflanke eines Rechteckimpulses zugeordnet.

Aus dem vierten und fünften Diagramm von F i g. 2 Ist so der Verlauf der beiden Ausgangssignale SZ_n und SZ_n ersichtlich. Aus der Darstellung ist zu entnehmen, daß an den Zeitpunkten t1 und ti ein kontinuierlicher, kein sprunghafter Übergang stattfindet.

Durch die Verwendung des in Flg. 1 dargestellten Spannungs-Frequenz-Umsetzers und einer Frequenzsteuerspannung U„ die beide Polaritäten annehmen kann, ist es möglich, den Sollwertvektor für den StSnderstrom der Drehfeldmaschine aus jeder beliebigen Lage vorwärts oder rückwärts laufen zu lassen. Auch ist es möglich, ihn bei Pulsbetrieb in jeder beliebigen räumlichen Lage stehen zu lassen; hierbei ergibt sich die Drehzahl Null. Der spezielle Vorteil der dargestellten Einrichtung liegt darin, daß der Ständerstromvektor in seiner räumlichen Lage genau festgehalten ist: durch die digitalen Ausgangssignale A1 bis A 6 oder ßl bis 86 eines der Ringzähler 10, 11 werden insgesamt sechs 60°-Sektoren festgelegt; das zugehörige Ausgangsslgnal SZ_n oder SZ_n liefert die zusätzliche Information, wo genau Innerhalb dieses 60°-Sektors der Zeiger sich befinden soll. Dieser Zeiger kann somit jede beliebige Lage Im Raum annehmen und kontinuierlich vor- und zurücklaufen, womit beide Drehrichtungen gegeben sind.

Es Ist also als Vorteil festzuhalten, daß die Drehrichtung des Ständerstromvektors mit der Polarität der eingegebenen Frequenzsteuerspannung U_n wechselt. Der dargestellte Steuersatz hat weiterhin den Vorteil, daß die Ausgangsfrequenz der Eingangsspannung genau proportional ist. Eine Drehrichtungsumkehr erfolgt - was als weiterer Vorteil angesehen wird - kontinuierlich ohne Phasen- und Winkelsprünge.

Der dargestellte Steuersatz läßt sich mit besonderem Vorteil bei einem Wechselrichter einsetzen, der aus einem Gleichrichter mit eingeprägtem Zwlschenkrelsstrom gespeist wird.

Abschließend soll noch auf folgendes hingewiesen werden: oberhalb des eigentlichen Pulsbetriebs bildet der um jeweils 60° el. springende Ständerstromvektor mit dem kontinuierlich umlaufenden Flußvektor einen ebenfalls springenden Winkel. Das heißt, daß dem analogen Gleichspannungswert des Winkels ein sechspulslger Sägezahn überlagert Ist. In einer übergeordneten Regelungseinrichtung kann der Sollwert für diesen Winkel vorgegeben sein. Da der Istwert des Winkels springt, wäre aß sich eine Glättung nötig, die aber die mögliche Anregelzelt des Winkelreglers stark vergrößert.

Mit Hilfe des dargestellten Steuersatzes wird aus dem Ausgangsslgnal (/_£des Integrator-; 17 ein dem springenden Winkel analoges Sägezahvislgnal, nämlich das Ausgangsslgnal SZ_n gebildet. Dieses ist um 30° el. gegenüber dem Ausgangsslgnal SZß verschoben. Es wird in der Regelschaltung Invers auf die Sollwen-lstwert-Dlfferenz des Winkels aufgeschaltet. Damit kann eine Glättung !m Istwertkana! entfallen und der Winkelregler damit wesentlich schneller gemacht werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Steuerung der Lage des Ständerstromvektors einer Ober einen Umrichter mit Steuerbaren Ventilen und eingeprägtem Zwlschenkreisstrom gespeisten Drehfeldmaschine, bei der eine bestimmte Anzahl diskreter Lagen des Ständerstromvektors für eine Umdrehung festgelegt ist und bei der der Ständerstromvektor zur quasistetigen Steuerung abwechselnd In die eine und in die andere von zwei benachbarten diskreten Lagen gebracht und mit dem Verhältnis der Verweilzelten in diesen Lagen seine effektive Zwischenlage vorgegeben ist, mit einem ersten Sägezahngenerator, dessen Ausgangssignal mit dem is Ausgangssignal eines zweiten, mit einer höheren Frequenz arbeitenden Sägezahngenerators im Eingangskreis eines Grenzwertmelders verglichen ist, dessen Auggangsslgnal eine In den Verbindungsleitungen zwischen einem die Steuerspannungen für die Ventile abgebenden Steuersatz und den Ventilstrekken angeordnete Umschalteinrichtung zur impulsweisen Änderung der Ständerstromvektorlage betätigt, wobei

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a) der Steuersatz zwei n-stuflge Ringzähler (10,11) enthält, welche vom Frequenz-Ausgangssignal (ί/_β) eines Spannungs-Frequenz-Umsetzers beaufschlagt sind, und wobei

b) der Spinnungs-Frequenz-Umsetzer einen Integrator (17) enthält, dessin Eingangsspannung (Ü„) durch das Fr;quenz-Ausgangssignal periodisch umpolbar (13/ ist, 5 -sd dessen Ausgangssignal (U₁)

b.l) einerseits zur Bildung des Frequenz-Ausgangssignals ((Z₈) zwei weiteren Grenzwertmeldern (15, 16) mit nachgeschalteter bistabiler Kippstufe (14) zugeführt ist und andererseits

b.2) zur Bildung des Sägezahnsignals (5Z₇₁) über eine Umschaltvorrichtung (18, 19) durch das Frequenz-Ausgangssignal periodisch umschaisbarist, nach Pat.-Nr. 25 14 557, dadurch gekennzeichnet, daß zur Feststellung der Polarität der Frequenzsteuerspannung, die dem Spannungs-Frequenz-Umsetzer vorgegeben Ist, eine Auswerteschaltung (101) vorgesehen Ist, deren Ausgangssignal (6) auf den Vorwärts-Rückwärts-Elngang der Ringzähler (10,11) und auf eine Schaltstufe (102, 103) zur Vertauschung der Eingänge der weiteren Grenzwert- so meider aufgeschaltet Ist.