DE2754241A1

DE2754241A1 - Statischer frequenzumformer nach dem gleichstrom-zwischenkreis-prinzip zur speisung von drehstrommotoren

Info

Publication number: DE2754241A1
Application number: DE19772754241
Authority: DE
Inventors: Norbert Ing Grad Graubner
Original assignee: JUTRONIK GmbH
Current assignee: JUTRONIK GmbH
Priority date: 1977-12-06
Filing date: 1977-12-06
Publication date: 1979-06-07

Description

Statischer Frequenzumformer nach dem Gleichstrom-Zwischen-
kreis-Prinzip zur Speisung von Drehstrommotoren Die Erfindung bezieht sich auf einen statischen Frequenzumformer nach dem Gleichstrom-Zwischenkreis-Prinzip zur Speisung von Drehstrommotoren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Gattung.
Es ist bereits ein solcher Frequenzumformer bekannt, bei dem ein Dreiphasen-Trockengleichrichter zur Speisung des Gleichstrom-Zwischenkreises dient und die Endstufe mit Halbleitern oder Thyristoren bestückt und im 3-Phasen-Rhythmus geschaltet ist. Hierdurch kann ein 3-phasiges Steuersignal erzeugt werden, so daß Drei-Phasen-Drehstrommotoren zwischen einer positiven und negativen Grenzdrehzahl stufenlos verstellt werden können. Die vom Generator erzeugten Signale werden in der Endstufe so verstärkt, daß die erzeugte Leistung zur Ansteuerung des Motors ausreicht. Es hat sich jedoch gezeigt, daß der Aufwand hinsichtlich des gesteuerten Gleichrichters verhältnismäßig groß ist und keine sinusförmige Ausgangsspannung erreicht werden kann.
Darüber hinaus ist ein anderer Frequenzumformer bekannt, bei dem ein Generator die an das 3-Phasen-Netz angeschalteten Umkehr-Endstufen mit antiparallel geschalteten Thyristoren nach dem Phasenanschnittverfahren steuert.
Hierbei können zwar sinusförmige Ausgangsspannungen erzeugt werden, der Aufwand ist jedoch verhältnismäßig groß und die maximal erzielbare Ausgangsfrequenz nur relativ niedrig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den eingangs genannten statischen Frequenzumformer dahingehend zu verbessern, daß mit einfachen Mitteln, d.h. mit relativ geringem Aufwand, sinusförmige Ausgangsspannungen mit noch relativ hoher Frequenz erzielt werden können. Mit Hilfe des Frequenzumformers sollen vor allem Drehstrom-Induktionsmotoren, insbesondere solche mit Kurzschlußläufer gesteuert werden können. Die Erzielung sinusförmiger Ausgangsströme hat auch insofern einen Vorteil, als ein guter Gleichlauf bei sehr niedrigen Frequenzen ermöglicht wird.
Die Erfindung besteht darin, daß die insbesondere an konstanter Gleichspannung liegende Endstufe mit pulsbreitenmoduliert geschalteten Transistoren bestückt ist und daß die Istwert-Ausgangssignale sowie vom Generator etwa sinusförmig erzeugte Spannungs-Sollwerte eine Regeleinrichtung steuern, deren Ausgänge zur Steuerung der Endstufe dienen.
Mit Hilfe der Erfindung können sinusförmige Ausgangssignale erzeugt und sowohl in Frequenz als auch Amplitude von einem vorgegebenen Sollwert gesteuert werden. Dies ist jedenfalls so zu verstehen, daß die Mittelwerte der von der Endstufe gelieferten Ausgangs spannungen oder Ausgangsströme Sinusform oder im wesentlichen Sinusform haben und in Frequenz und Amplitude den vom Generator gelieferten Sollwerten folgen. Dabei wird dafür Sorge getragen, daß die jeweilige Amplitude der Ausgangsspannung proportional zur Frequenz verstellbar ist.
Schutzschaltungen sorgen dafür, daß der Frequenzumformer beim Auftreten von Überspannungen oder Überströmen rechtzeitig abschaltet.
Die pulsbreitenmodulierte Transistorendstufe des erfindungsgemäßen Frequenzumformers verstärkt nicht nur das 3-Phasen-Signal, sondern steuert auch die Spannung, was bei der eingangs genannten, bereits bekannten Ausbildung der gesteuerte Gleichrichter zur Steuerung des Gleichstrom- Zwischenkreises übernehmen mußte.
In den Unteransprüchen sind weitere Ausbildungen der Erfindung beansprucht, die auch im Rahmen der folgenden Figurenbeschreibung noch näher erläutert werden. Darin zeigen: Fig. 1 ein Prinzip-Schaltbild der Erfindung; Fig. 2a ein Schaltbild eines Phasen-Teils der Endstufe; Fig. 2b die zeitabhängige Ausgangsspannung UA über die Diagonalen der in Fig. 2a gezeigten Brückenschaltung; Fig. 3a eine Schaltung eines bei der Erfindung verwendeten Modulators und Fig. 3b einen Vergleich der zeitabhängigen Dreieckspannung UA und der konstanten Steuerspannung zug UB vom Regler sowie Fig. 3c die zeitabhängige Ausgangsspannung Uc des Modulators; Fig. 4 ein Schaltbild eines Teils des Generators; Fig. 5 ein Schaltbild eines weiteren Teils des Generators gemäß einer Ausbildung der Erfindung; Fig. 6 ein Schaltbild eines Teils eines Generators gemäß einer anderen Ausbildung der Erfindung, die auf Digital-Basis arbeitet.
Gemäß Fig. 1 wird die drei-phasige Netzspannung in einem Drei-Phasen-Trockengleichrichter 1 in Gleichspannung umgewandelt, die einen Gleichspannungs-Zwischenkreis 2 speist. An diesen ist eine Ballastschaltung 3 angeschaltet und zwar parallel zu dem Gleichstrom-Zwischenkreis 2; die Ballastschaltung 3 hat die Aufgabe, vom Motor zurückgelieferte Energiespitzen abzufangen. Der Gleichstrom-Zwischenkreis 2 speist die Endstufe 4, an derem drei-phasigen Ausgang Ausgangssignale AS auftreten, die zur Steuerung des nicht dargestellten Drehstrommotors verwendet werden können.
Die Drei-Phasen-Endstufe 4 ist für jeden Phasenteil mit einer Brückenschaltung unter Verwendung von Transistoren bzw. Transistorengruppen in Pulsbreiten-Modulationsschaltung bestückt. Hierbei wird jeder Phasenteil der Endstufe 4 von der Ausgangsspannung Uc eines Modulators 5 gesteuert, der seinerseits von der Steuerspannung UB eines Reglers 6 steuerbar ist, dessen drei Eingänge um jeweils 1200 phasenverschoben sind und beaufschlagt werden einerseits von der betreffenden Phase des Ausgangssignales eines in Frequenz und Amplitude steuerbaren Generators 7, der zweckmäßigerweise als Drei-Phasen-Sinus-Generator ausgebildet ist. und von einer Größe, die vom Istwert der jeweiligen Phase des Ausgangssignals AS abhängt. Ein Differenzverstärker 8, der zweckmäßigerweise als Tiefpaßfilter ausgebildet ist, führt das jeweilige Ausgangssignal AS dem betreffenden Eingang der Regeleinrichtung 6 zu. Im Modulator 5 findet jeweils eine Pulsbreitenmodulation statt und die Endstufe 4 ist vorzugsweise an konstante Gleichspannung Ucc angeschlossen.
Der Generator 7 wird von einem Gleichspannungs-Sollwert beaufschlagt.
Gemäß Fig. 2a handelt es sich bei den drei einzelnen Stufen bzw. Phasenteilen der Endstufe 4 jeweils um eine Brückenanordnung von vier Transistoren T1, T2, T3 und T4 mit parallel geschalteten Freilaufdioden 9, deren Diagonalen vom Pulsbreitenmodulator mit einer hohen Frequenz von etwa 5 bis 10 kkfz abwechselnd leitend und sperrend geschaltet werden.
Zwischen den Ausgangsklemmen 10 dieser Brücke bildet sich dann ein rechteckförmiges Signal, dessen arithmetischer Mittelwert von der Stromversorgung +Ucc der Endstufe 4 und vom Tastverhältnis des Modulators 5 abhängt. Je nach Tastverhältnis kann der Mittelwert jeden Wert zwischen +Ucc und - Ucc erreichen und zwar unter Vernachlässigung der Sättigungsspannungen. Durch die parallel geschalteten Freilaufdioden 9 lassen sich auch induktive Lasten, wie die Wicklungen eines Motors anschließen. Zwischen dem Pulsbreitenmodulator 5 und der Endstufe 4 befindet sich jeweils eine Treiberschaltung, die verstärkend wirkt.
In Fig. 2b ist nicht nur die Kurve der Ausgangsspannung UA an den Ausgangsklemmen 10 in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt, sondern wird auch der Mittelwert der Ausgangsspannung als angegeben.
Gemäß Fig. 3a enthält der Pulsbreitenmodulator 5 einen Dreieck-Spannungsgenerator, dessen symmetrischer Ausgangsspannung UA die Steuerspannung U von der Regeleinrichtung B 6 überlagert wird. Ein Komparator 11 schaltet jeweils bei Spannungsgleichheit um, so daß die Dreieck-Spannung UA in eine Rechteck-Spannung am Ausgang Uc umgeformt wird, deren Tastverhältnis von der Steuerspannung UB abhängt.
Uber Differenzverstärker 8 werden entweder die Ausgangsspannungs-Istwerte oder die Ausgangsstrom-Istwerte zurückgemeldet, wobei vor allem bei der Bildung des Ausgangsspannungs -Istwerts zur Mittelwertbildung Tiefpaßfilter verwendet werden.
Die Regeleinrichtung 6 ist aufgrund ihrer hohen Verstärkung bestrebt, den Momentanwert des zurückgemeldeten Istwerts einem vom Drei-Phasen-Generator 7 stammenden Sollwert anzugleichen, so daß bei Vorgabe eines sinusförmigen Sollwerts vom Generator 7 de Regeleinrichtung 6 die Endstufe 4 so steuert, daß auch der zurückgemeldete Istwert und damit der Mittelwert des Ausgangssignals AS sinusförmig werden.
Die Regeleinrichtung 6 hat ein PI-Zeitverhalten.
Der Generator gemäß Fig. 4 besteht im wesentlichen aus zwei auf annähernd gleicher Frequenz schwingenden Sinus-Oszillatoren 12a und 12b, deren Ausgangssignale zwei Analog-Multiplizierern 13a und 13b zugeführt werden.
Der erste Oszillator 12a gibt nicht nur das geforderte Sinus-Signal, sondern auch ein hierzu um 900 phasenverschobenes Cosinus-Signal mit annähernd gleicher Amplitude ab.
Während das Sinus-Ausgangssignal sin des anderen Sinus-Oszillators 12b an die y-Eingänge der Multiplizierer 13a, 13b gelegt sind, wird der Sinus-Ausgang sin des erstgenannten Sinus-Oszillators 12a an den x-Eingang des anderen Multiplizierers 13b und der Cosinus-Ausgang cos desselben Sinus-Oszillators 12a an den x-Eingang des ersten Multiplizierers 13a angeschaltet. Werden zunächst die Sinus-Signale beider Oszillatoren 12a, 12b multipliziert, so erhält man jeweils nach Passieren der Tiefpaßfilter 14a, 14b wiederum eine Sinus-Schwingung, deren Frequenz gleich der Differenzfrequenz zwischen beiden Oszillatoren 12a, 12b ist.
Multipliziert man ferner das Cosinus-Signal des ersten Oszillators 12a mit dem Sinus-Signal des zweiten Oszillators 12b, so erhält man am Ausgang des anderen Tiefpaßfilters 14b eine Spannung, die gegenüber der Ausgangsspannung am anderen Tiefpaß 14a um 900 phasengedreht ist.
Jeder der beiden Oszillatoren 12a, 12b ist mittels Zenerdioden in einen dämpfenden Rückkopplungszweig spannungsstabilisiert, so daß auch die Ausgangsspannungen am Ausgang der Tiefpässe 14a, 14b stabilisiert sind.
Die Oszillatoren 12a, 12b lassen sich durch Änderung der Integrationswiderstände in ihrer Frequenz beeinflussen.
Da eine direkte Änderung unvorteilhaft wäre, wird dies hier elektronisch vorgenommen, indemdnenbereits vorhandenen Widerstand für einen mehr oder weniger großen Phasenwinkel eine Reihenschaltung von zwei weiteren Widerständen parallelgeschaltet wird; die Steuerung des Phasenwinkels geschieht über eine Begrenzerschaltung.
Durch gegensinnige Steilheitssteuerung lassen sich dadurch die Frequenzen beider Oszillatoren 12a, 12b gegenläufig beeinflussen. Sie sollen so aufgebaut sein, daß bei der Steuerspannung Null die Frequenzen genau gleich sind. Unter dieser Voraussetzung ergeben sich beim Anlegen einer Steuerspannung Frequenzdifferenzen, die zur Höhe und Polarität der Steuerspannung etwa proportional sind. Diese Frequenzdifferenzen werden in den Multiplikatoren bzw. Multiplizierern 13a, 13b zu neuen Sinus-Schwingungen mit der gewünschten Ausgangsfrequenz umgeformt.
Diese Arbeitsweise des Generators 7 ist rein analog, also ohne digitale Zähler oder Schieberegister. Der Generator 7 arbeitet nach dem Uberlagerungsprinzip und wird von einer Steuergleichspannung +Umax = +max gesteuert. Mittels Invertern und Widerstandsnetzwerken wird daher aus dem Sinus/Cosinus-Signal ein Drei-Phasen-Signal geformt.
Bei dem in Fig. 5 schematisch dargestellten Zusatz zum analogen Drei-Phasen-Generator 7 wird fOlgendes bemerkt: Da der Drei-Phasen-Sinus-Generator 7 bei Spannungssteuerung noch die zusätzliche Aufgabe hat, die Ausgangsspannung proportional zur Frequenz mitzusteuern und nicht immer erwünscht ist, dies mit differenzierend wirkenden Schaltungen vorzunehmen, wird die Zusatzschaltung mit zwei weiteren als Analogmultiplizierer arbeitenden Multiplizierern 15a und 15b vorgenommen. Auch hierbei werden am Ausgang 00 und 9O0-Signale erzeugt, wenn den x-Eingängen beider Multiplizierer 15a, 15b Oo bzw. 9O0-Signale zugeführt werden, während der Gleichspannungs-Sollwert SOLL=, d.h. die Steuergleichspannung, den zweiten y-Eingängen der Multiplizierer 15a, 15b zugeführt werden.
Während die oben geschilderte Ausbildung rein analog arbeitet, sind vielfach auch digitale Ausbildungen wUnschenswert, die drei-phasige, annähernd sinusförmige Schwingungen erzeugen können.
Gemäß Fig. 6 wird die Steuergleichspannung SOLL einem Analog/Digital-Wandler zugeführt, der als Impulsgenerator 16 ausgebildet ist; die Impulsfiequenz ist dem Betrag der Steuergleichspannung SOLLe proportional. Ein zusätzlicher Komparator 17 schaltet die Zähleinrichtung des angeschlossenen n-stufigen Ring-Zählers 18 um, wenn die Polarität der Steuergleichspannung wechselt. Am Ringzähler 18 sind drei gleiche Festwertspeicher 19 angeschlossen, die den eingegebenen Zählerstand in eine digitalisierte Sinusform umsetzen. Durch den um je 1/3 versetzten Anschluß an den Ringzähler 18 werden auch die Ausgangssignale um 1/3 zueinander versetzt, so daß hier ein Drei-Phasen-Signal erzeugt wird. Zur frequenzproportionalen Amplitudensteuerung können die von den als ROM ausgebildeten Speichern 19 gelieferten Sinus-Signale noch mit Multiplexern genannten elektronisch steuerbaren Schaltern 20 in ihrer Höhe beeinflußt werden, bevor sie in Digital/Analog-Wandlern bzw. -Umsetzern 21 von der digitalen Form in die analoge Form umgesetzt werden.
Leerseite

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 1.1 Statischer Frequenzumformer nach dem Gleichstrom-Zwischenkreisprinzip zur Speisung von Drehstrom-bzw. Wechselstrommotoren, mit einem dreiphasigen Lingangsgleichrichter, einer dem Gleichstrom-Zwischenkreis parallel geschalteten Ballaststufe und einer insbesondere dreiphasigen Endstufe, die ein Generator steuert und an der die Motor-Speisespannung abgreifbar ist, bei dem die Ausgangssignale in Frequenz und Amplitude von einem Sollwert steuerbar sind, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß die Endstufe (4) an konstanter Gleichspannung (Ucc) liegt und mit pulsbreitenmoduliert geschalteten Transistoren (T1, T2, T3, T4) bestückt ist, und daß die Istwert-Ausgangssignale (AS) sowie vom Generator (7) etwa sinusförmig erzeugte Spannungs-Sollwerte eine Regeleinrichtung (6) steuern, deren Ausgänge zur Steurung der Endstufe (4) dienen.
2. Frequenzumformer nach Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, daß jeder Phasenteil der Endstufe (4) eine Brückenschaltung von vier Transistoren (T1, T2, T3, T4) oder Transistorgruppen mit parallelen Freilaufdioden (9) aufweist, deren Diagonalen an einem Pulsbreitenmodulator (5) liegen, der zwischen den betreffenden Reglern der Regeleinrichtung (6) und dem betreffenden Phasenteil der Endstufe (4) eingeschaltet ist.
3. Frequenzumformer nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Pulsbreitenmodulator (5) die Diagonalen mit einer Frequenz zwischen etwa 5 und 10 kilz abwechselnd leitend und sperrend umschaltet.
4. Frequenzumformer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß an die Freilaufdioden (9) induktive Lasten anschließbar sind.
5. Frequenzumformer nach Anspruch 4, dadurch 9 e -k e n n z e i c h n e t , daß eine Motorwicklung als induktive Last anqeschaltet ist.
6. Frequenzumformer nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß zwischen die Pulsbreitenmodulatoren (5) und die Endstufe (4) je eine verstärkende Treiberschaltung geschaltet ist.
7. Frequenzumformer nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Pulsbreitenmodulator (5) einen Dreieckspannungsgenerator aufweist, dessen symmetrische. Ausgangsspannung (UA) der Steuerspannung (UB) der Regeleinrichtung (6) überlagert ist, und daß ein Komparator (11) zur Umformung der Dreieckspannung in eine Rechteckspannung jeweils bei Gleichheit der Ausgangs spannung (UA) mit der Steuerspannung (UB) umschaltet.
8. Frequenzumformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Istwert-Ausgangssignale (AS) über Differenzverstärker (8) die Regeleinrichtung (6) steuern.
9. Frequenzumformer nach Anspruch 8, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Differenzverstärker (8) Tiefpaßfilter aufweisen.
10. Frequenzumformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Generator (7) zwei mit annähernd gleicher Frequenz schwingende Sinus-Oszillatoren (12a, 12b) aufweist, von denen ein Oszillator (12a) neben einem Sinus-Signal auch ein Cosinus-Signal erzeugt, das zu dem betreffenden Sinus-Signal dieses Oszillators (12a) um 90° phasenverschoben ist.
11. Frequenzumformer nach Anspruch 10, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Sinus-Ausgang des einen Oszillators (12a) an dem x-Eingang eines Multiplizierers (13a) und der Cosinus-Ausgang desselben Oszillators (12a) an den x-Eingang eines weiteren Multiplizierers t13b), sowie der Sinus-Ausgang des zweiten Oszillators (12b) jeweils an den y-Eingang beider Multiplizierer (13a, 13b) geschaltet sind.
12. Frequenzumformer nach Anspruch 11, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Ausgang des einen Multiplizierers (13a) über einen Tiefpaß (14a) an einen 9O0-Ausgang und dieser an den x-Eingang eines dritten Multiplizierers (15a) und der Ausgang des weiteren Multiplizierers (13b) über einen Tiefpaß (14b) an einen 00Ausgang und dieser an den x-Eingang eines vierten Multiplizierers (15b) geschaltet sind, und daß eine Steuergleichspannung an die y-Eingänge des dritten und vierten Multiplizierers (15a, 15b) gelegt ist.
13. Frequenzumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Generator (7) einen von einer Steuergleichspannung gesteuerten, als Analog/Digital-Umsetzer dienenden Impulsgenerator (16) aufweist, dessen Ausgangsimpulse eine der Steuergleichspannung proportionale Frequenz aufweisen, daß die Ausgangsimpulse einen Ringzähler (18) steuern, den ein Komparator (17) rückwärts stellt, wenn die Steuergleichspannung negativ wird, daß an den Ringzähler (18) drei um jeweils 1/3 versetzte Festwertspeicher (19) angeschlossen sind, die den eingegebenen Zählerstand in eine digitalisierte Sinusform umsetzen, und daß die Festwertspeicher (19) an Digital/Analog-Umsetzer (21) angeschlossen sind.
14. Frequenzumformer nach Anspruch 13, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß zwischen die Festwertspeicher (19) und die Digital/Analog-Umsetzer (21) elektronische Schalter (20) eingeschaltet sind, die je von der Steuergleichspannung amplitudensteuerbar sind.