DE2803839C2

DE2803839C2 -

Info

Publication number: DE2803839C2
Application number: DE2803839A
Authority: DE
Inventors: Masahiko Udaka Masaharu Jp Akamatsu; Munehiko Amagasaki Jp Mimura
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1977-01-31
Filing date: 1978-01-30
Publication date: 1990-05-23
Also published as: DE2803839A1; JPS5395253A; JPS6148167B2; US4172991A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuereinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus "Der Umrichtermotor, ein neuer Antrieb in den Hüttenwerken", A. Schönung, BBC-Nachrichten, Januar 1966, S. 44-52, ist eine derartige Steuereinrichtung bekannt. Eine dieser Steuereinrichtung im wesentlichen entsprechende Gestaltung ist auch in der anliegenden Fig. 1 gezeigt, die im folgenden beschrieben wird. Gemäß Fig. 1 steuert eine Steuereinrichtung 100 einen Pulswechselrichter 200, der einen Verbraucher 300, insbesondere einen Elektromotor M mit einer Feldwicklung 320, steuert. Die Erregung der Feldwicklung 320 wird über eine Feldstrom-Steuerschaltung 400 vorgegeben. Die Steuereinrichtung 100 weist einen Spannungsregler 101, einen Spannungs/Frequenz-Umsetzer (U/f-Umsetzer) 102, einen Geber 103 für die Strom-Sollwerte, Stromregler 111 bis 113, einen Schaltsignalgenerator 107 für den Pulswechselrichter 200, eine Meßvorrichtung (Spannungsdetektor) 105 für die Motorspannungen und eine Gleichrichterschaltung 104 auf. Mit V _s ist eine Bezugsspannung, mit I _s ein Bezugsstrom, mit F _s ein Frequenz-Sollwert und mit P _s eine dem Frequenzsollwert F _s entsprechende Befehlsimpulsfolge bezeichnet. Mit I _su, I _sv und I _sw sind Strom-Sollwerte mit I _fu, I _fv und I _fw Strom-Istwerte für die jeweiligen Phasen, mit V _su, V _sv und V _sw Steuerspannungen für die jeweiligen Motorphasen und mit I _u, I _v und I _w Klemmenströme des Motors bezeichnet.

Die einzelnen Phasenspannungen des Elektromotors M werden mittels der Meßvorrichtung 105 erfaßt und der Gleichrichterschaltung 104 zugeführt, deren gleichgerichtete Ausgangsspannung V _d als Istspannung dem Spannungsregler 101 zugeführt wird. Der Spannungsregler 101 erzeugt abhängig von der Istspannung V _d und der gleichfalls an ihm anliegenden Sollspannung V _s das Sollstromsignal I _s. Dieses Sollstromsignal I _s sowie die Befehlsimpulsfolge P _s, werden dem Geber 103 zugeführt, der entsprechend diesen Eingangsgrößen die Strom-Sollwerte I _su, I _sv und I _sw mit vorbestimmtem Signalverlauf wie etwa Sinusform, Trapezform oder dergleichen erzeugt. Die Klemmenstrom-Istwerte I _fu, I _fv und I _fw werden mittels einer Stromdetektoren 114, 115, 116 wie etwa Stromwandler aufweisenden Meßvorrichtung erfaßt und den Stromreglern 111, 112, 113 zugeführt, in denen sie jeweils mit den Strom-Sollwerten I _su, I _sv und I _sw verglichen werden. Die Ausgangssignale der Stromregler 111, 112 und 113, die die Steuerspannungen V _su, V _sv und V _sw darstellen, werden dem Schaltsignalgenerator 107 zur Steuerung der vom Pulswechselrichter 200 an den Elektromotor M angelegten Phasenspannungen zugeführt und durch diesen in dementsprechende Schaltsteuersignale zur Ein- und Aus-Schaltung der im Pulswechselrichter 200 enthaltenen Halbleiterschalter, wie etwa Thyristoren, umgesetzt. Folglich wird die dem Drehstrommotor 300 zugeführte Leistung im wesentlichen proportional zur Sollspannung V _s gesteuert. In gleicher Weise werden die Klemmenströme I _u, I _v, I _w so gesteuert, daß sie dem vorbestimmten Signalverlauf der Strom-Sollwerte entsprechen.

Probleme können allerdings bei einer Steuerung von Verbrauchern mit Gegen-EMK, wie etwa bei mehrphasigen Induktionsmotoren, Synchronmotoren oder dergleichen auftreten. Fig. 2 zeigt in Form eines schematischen Blockschaltbilds das Prinzip der Stromregelung bei der vorstehend beschriebenen Steuereinrichtung. Hierbei ist mit I _s der Sollstrom, mit I _a ein jeweiliger Phasenstrom, mit V _a eine jeweilige Phasenspannung und mit V _sa ein Phasenspannungs-Sollwert bezeichnet. Als Verbraucher 300 ist ein Elektromotor mit Gegen-EMK vorhanden, der folglich, wie dargestellt, eine interne Rückkopplungsschleife mit der Rückkopplungsgröße e _f aufweist. Dies führt dazu, daß der Motorstrom durch die Gegen-EMK verfälscht wird. Insbesondere bei mehrphasigen Drehstrommotoren mit veränderbarer Drehzahl wird die durch die Gegen-EMK hervorgerufene Regelabweichung im Bereich hoher Drehzahl aufgrund erheblich ansteigender elektromotorischer Kraft vergrößert, so daß die aktuelle Stromkurvenform von der Soll-Kurvenform abweicht. Auch kann das Drehmoment im Bereich hoher Motordrehzahl nicht auf der gewünschten Höhe gehalten werden.

In der nicht vorveröffentlichten DE-OS 26 27 537 ist eine Steuereinrichtung für die Steuerung eines Pulswechselrichters gemäß dem Unterschwingungsverfahren beschrieben, bei der die Ausgänge der Strom-Sollwert/ Istwertvergleicher durch die Motorspannung vorgesteuert werden. Eine überlagerte Spannungsregelung ist dort nicht vorgesehen.

Aus der BBC-Druckschrift "Betriebsanleitung Veritron- Doppelstromrichter", Klassifikationsnummer 0703/551, Ausgabe 1975, S. 8, 12, 13 sowie Zeichnung GHS 1457, ist eine Steuereinrichtung bekannt, bei der ein Strom-Istwert/ Strom-Sollwert-Vergleich stattfindet und ein entsprechendes Steuersignal erzeugt wird, das beim Betrieb mit EMK-Steuerung mit der erfaßten EMK verknüpft wird, um auch bei Umschaltung des Doppelstromrichters sicheren Betrieb zu gewährleisten. Ein Pulswechselrichter ist dort nicht angesprochen.

In der GB-PS 12 79 277 ist ein Frequenz-Umformer für eine mehrphasige Drehfeldmaschine beschrieben, bei der mit der Stromversorgung und der Stator-Wicklung der Drehfeldmaschine jeweils ein Stromwandler verbunden ist, zwischen die ein Gleichstrom-Zwischenkreis geschaltet ist. Der Gleichstrom-Zwischenkreis ist mit einem Stromregler verbunden, wobei die resultierende Ausgangsspannung auf den mit der Stromversorgung verbundenen Stromwandler rückgekoppelt wird. Mit Pulswechselrichtern zusammenhängende Probleme sind dort nicht diskutiert.

In der nicht vorveröffentlichten DE-OS 26 57 762 ist eine Regelschaltung für einen steuerbaren Stromrichter beschrieben, bei der neben einem Iststrom/Sollstrom-Vergleich mit Erzeugung einer entsprechenden Steuerspannung auch eine Erfassung der an die Last tatsächlich angelegten Spannung erfolgt, um das Führungsverhalten bei Sollstromveränderungen und die Regelung bei höheren Erregungsfrequenzen zu verbessern. Die erfaßte Lastspannung wird geglättet und mit dem aus dem Iststrom/Sollstrom-Vergleich gewonnenen Steuersignal verknüpft, so daß Auswirkungen der internen Last-Gegenspannungen auf das Regelungsverhalten verringert sind. Auch hier ist kein Pulswechselrichter vorhanden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuereinrichtung für einen mit Pulswechselrichter gespeisten Drehstrommotor zu schaffen, die eine sehr präzise Regelung des Drehstrommotors ermöglicht.

Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Fig. 3 bis 6 näher erläutert. Hierbei zeigt

Fig. 3 ein schematisches Schaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung,

Fig. 4 und 6 ein Schaltbild und Signalverläufe zur Erläuterung der Funktion des in Fig. 3 gezeigten Systems, und

Fig. 5 ein Schaltbild eines Pulswechselrichters.

Gemäß Fig. 3, die ein Ausführungsbeispiel der Steuereinrichtung zeigt und bei der zur Bezeichnung gleichartiger Schaltungskomponenten die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet sind, ist der Verbraucher 300 durch einen Synchronmotor mit einer Feldwicklung 320 gebildet, deren Erregung durch eine Feldstrom-Steuerschaltung 400 gesteuert wird. 121, 122 und 123 bezeichnen Filterschaltungen, 131, 132 und 133 bezeichnen Addierschaltungen (Spannungs-Kompensations- bzw. Korrekturschaltungen) und 105 bezeichnet einen Spannungswandler, während 108 einen Magnetflußsensor bezeichnet, dem ein Magnetfluß/Spannungs-Umsetzer 106 nachgeschaltet ist. Mit 107 ist ein als Zündsteuerschaltung oder Schaltregelschaltung für den Pulswechselrichter 200 dienender Schaltsignalgenerator bezeichnet. Weiterhin sind V _su, V _sv und V _sw Sollspannungen, V _u′, V _v′ und V _w′ Istspannungen, V _su′, V _sv′ und V _sw′ korrigierte bzw. kompensierte Steuerspannungen, GC _s Schaltsteuersignale und I _F ein Feldstrom.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, ist der Spannungswandler 105 so geschaltet, daß er die Motorspannung erfaßt. Die Gleichrichterschaltung 104 dient zum Gleichrichten des Ausgangssignals des Spannungsdetektors 105 und erzeugt das mit V _d bezeichnete Signal entsprechend dem Absolutwert der Lastspannung. Der Spannungsregler 101 bestimmt auf arithmetische Weise die Abweichung des Lastspannungs- Signals V _d von der Sollspannung V _s und erzeugt einen Sollstrom I _s als Sollstromamplitude. Andererseits wird der Frequenzsollwert F _s durch den U/f-Umsetzer 102 in die Befehlsimpulsfolge P _s umgesetzt. Der Geber (Kurvenformmuster-Generator) 103 erzeugt die Sollphasenströme I _su, I _sv und I _sw einer vorbestimmten Kurvenform aus der Sollstromamplitude I _s und der Befehlsimpulsfolge P _s.

Durch die Strom-Meßvorrichtungen wie beispielsweise die Stromwandler 114, 115 und 116 werden die Iststromsignale I _fu, I _fv und I _fw erzeugt und diese mit den Sollströmen I _su, I _sv und I _sw in den als Stromkurvenform-Steuerschaltungen dienenden Stromreglern 111, 112 bzw. 113 verglichen, wobei Abweichungen gegenüber den Sollwerten als Spannungssollwerte V _su, V _sv und V _sw erzeugt werden. Zur Gewinnung von Signalen, die der inneren elektromotorischen Kraft des Synchronmotors 300 entsprechen, sind der Magnetflußsensor 108 zur Erfassung des Magnetflusses in dem Motor 300 und der nachgeschaltete Magnetfluß/ Spannungs-Umsetzer 106 vorgesehen, welcher die als Phasenspannungs- Korrektursignale dienenden Istphasenspannungen V _u′, V _v′ und V _w′, die der inneren elektromotorischen Kraft des Motors 300 entsprechen, mit Hilfe des Umsetzers 106 als Filterschaltung erzeugt, die die höheren Harmonischen ausfiltert. Als alternativer Lösungsweg können derartige Phasenspannungs-Korrektursignale V _u′, V _v′ und V _w′ aus den Ausgangssignalen des Spannungswandlers 105 über die zugeordneten Filterschaltungen 121, 122 und 123 abgeleitet werden, die die höheren Harmonischen ausschalten. Eine weitere Alternative besteht darin, daß in dem Motor 300 zur Erfassung der in ihm erzeugten elektromotorischen Kraft induktive Meßspulen oder Fühlerspulen angebracht werden. Die auf diese Weise erzielten Phasenspannungs-Korrektursignale werden zusammen mit den Sollspannungen V _su, V _sv bzw. V _sw den Addierschaltungen 131, 132, 133 zugeführt, die die kompensierten Phasenspannungs-Befehlssignale V _su′, V _sv′ und V _sw′ abgeben und dem als Schaltsteuerschaltung dienenden Schaltsignalgenerator 107 zuführen, welcher wiederum die Schaltsteuersignale GC _s zur Steuerung des Ein- und Ausschaltens der Festkörperschalter wie etwa Thyristoren erzeugt, die den Pulswechselrichter 200 bilden.

Fig. 5 zeigt eine Steuereinrichtung mit einem detaillierter dargestellten Pulswechselrichter 200. 203 bezeichnet eine Gleichstromquelle, während 41 bis 46 Halbleiterschalter bezeichnen. Jeder dieser Halbleiterschalter kann aus einem Transistor 51 mit einer gegenpolig geschalteten Diode 52 gemäß der Darstellung in Fig. 5(b) gebildet sein oder aber gemäß der Darstellung in Fig. 5(c) aus einem Thyristor 53 mit einer gegenpolig geschalteten Diode 52 bestehen. Die Halbleiterschalter 41 bis 46 werden in Abhängigkeit von den Schaltsteuersignalen GC _s der Steuerschaltung 100 so eingeschaltet, daß sie dem Motor 300 gesteuert Leistung zuführen. Die dem Motor 300 zugeführte Speisespannung besteht aus Impulsen, die eine dem Scheitelwert der Versorgungsspannung entsprechende Amplitude haben und einer Impulsbreitenmodulation unterzogen sind.

Fig. 4 ist ein Signalflußbild, das die Steuereinrichtung in der Ausführungsform nach Fig. 3 darstellt. In Fig. 4 bezeichnen I _s den Sollstrom, I _a die Istphasenströme, V _s′ die Sollphasenspannungen, V _a die Phasenspannungen und e _f die elektromotorische Kraft bei den jeweiligen Phasen. 109 bezeichnet eine Lastspannungs-Meßvorrichtung wie den Spannungswandler 105 den Magnetflußdetektor 108 o. dgl.

In Übereinstimmung mit dem Spannungs-Sollwert V _s′, der sich aus der arithmetischen Summierung des Stromsollwerts I _s, des Phasenstroms I _a und des Spannungs- Korrektur-Signals V′ ergibt, gibt der Pulswechselrichter die Speisespannung V _a ab. Das Spannungs- Korrektur-Signal V′ wird dadurch ermittelt, daß die durch den inneren Magnetfluß des Motors induzierte Spannung oder dessen Klemmenspannung erfaßt wird. Dementsprechend wird aufgrund des Umstands, daß das Spannungs-Korrektur- Signal V′ der Speisespannung V _a überlagert wird, die elektromotorische Kraft e _f des Motors durch die Komponente ausgeschaltet, die proportional der Spannungs-Korrektur- Komponente V′ der Phasen-Speisespannung V _a ist.

In Fig. 6 sind graphisch die Kurvenformen einer Grundwelle V _u der Speisespannung, einer elektromotorischen Kraft e _fu und eines Phasenstroms I _u der Phase u dargestellt. Bei dem dargestellten Beispiel ist angenommen, daß zwischen dem Phasenstrom und der Spannung keine Phasendifferenz besteht. Es ist jedoch ersichtlich, daß eine solche Phasendifferenz in Abhängigkeit von dem Leistungsfaktor der Last nach Belieben festgelegt erzeugt wird.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß mit dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Steuereinrichtung eine Abweichung hinsichtlich der Stromsteuerung auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden kann; dies ist insbesondere in dem Fall wirkungsvoll, bei dem die Last durch einen Wechselstrommotor mit inneren elektromotorischen Kräften gebildet ist; ferner erlaubt die Steuereinrichtung die Stromsteuerung auf ein vorbestimmtes Kurvenformmuster im hohen Motordrehzahlbereich, in welchem die elektromotorische Kraft vergrößert ist. Darüber hinaus ist es möglich, erforderliche Drehmomente über einen weiten Bereich veränderbarer Drehzahlen zu erzielen. Bei der vorstehenden Beschreibung des Ausführungsbeispiels ist angenommen, daß die Last durch einen Synchronmotor gebildet ist. Eine gleichartig vorteilhafte Wirkung kann jedoch auch im Falle einer Induktionsmaschine oder anderer unterschiedlicher Drehstrommaschinen erzielt werden. Dadurch, daß der Zusammenhang zwischen den Phasenströmen und Phasenspannungen des Dreiphasen-Drehstromsystems zu

I _w = -(I _u + I _v) und V _w = -(V _u + V _w)

gewählt werden, kann für jeweils eine Phase einer der Stromdetektoren 114 bis 116, der Spannungsdetektor 105 und der Magnetflußdetektor 108 eingespart werden. Ferner besteht hinsichtlich des Pulswechselrichters keine Einschränkung auf die dargestellte Form, sondern es können auch unterschiedliche Schaltungsaufbauten dafür verwendet werden.

Claims

1. Steuereinrichtung für einen mit Pulswechselrichter gespeisten Drehstrommotor mit einem Geber, der die Strom- Sollwerte abhängig von vorgegebener Amplitude und Frequenz in ihrem zeitlichen Verlauf vorgibt,
mit einer Meßvorrichtung für die Klemmenstrom-Istwerte des Motors,
mit Stromreglern, denen die Stromsoll- und -istwerte zugeführt werden und die Steuerspannungen für den Pulswechselrichter abgeben,
mit einer Meßvorrichtung für die Motorspannungen oder die Motor-EMK,
mit einem Spannungsregler, dem die gleichgerichtete Motorspannung als Istwert zugeführt wird und dessen Ausgang dem Geber für die Strom-Sollwerte zur Steuerung der Strom- Sollwertamplitude zugeführt wird, gekennzeichnet durch Addierer (131, 132, 133), die den Steuerspannungen die gemessenen Motorspannungen bzw. Motor-EMK im Sinne einer Vorsteuerung hinzuaddieren.

2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung (105) für die Motorspannungen durch einen Transformator gebildet ist.

3. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung für die Motor-EMK eine Meßspule (108) im Drehstrommotor aufweist.

4. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung für die Motor-EMK einen Magnetflußsensor (108), der den Magnetfluß in dem Drehstrommotor erfaßt, und einen Magnetfluß/Spannungs- Umsetzer (106) aufweist, der den erfaßten Magnetfluß in eine der EMK entsprechende Spannung umsetzt.