-
Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der Siemens-Zeitschrift,
1971, Seiten 195 bis 197, insbesondere Bild 1 mit zugehöriger Beschreibung, bekannt
Bei dieser ersten Ausführungsform ist einer Drehstrom-Brückenschaltung aus steuerbaren
Hauptventilen eine weitere Drehstrom-Brückenschaltung von steuerbaren Löschventilen
parallelgeschaltet, wobei jeweils ein Mittelabgriff eines Zweigs der erstgenannten
Brückenschaltung mit einem Mittelabgriff eines Zweigs der weiteren Brückenschaltung
über einen Kommutierungskondensator verbunden ist. Bei einer zweiten Ausführungsform
handelt es sich bei dem selbstgeführten Stromrichter um einen Stromrichter mit Phasenfolgelöschung.
Hierbei
ist in einer Drehstrom-Brückenschaltung aus steuerbaren Hauptventilen mit jedem
Hauptventil ein ungesteuertes Ventil in Reihe geschaltet, wobei in jedem Zweig beidseitig
benachbart zum Mittelabgriff je ein ungesteuertes Ventil liegt; in jeder Brückenhälfte
sind weiterhin zwischen dem Verbindungspunkt eines Hauptventils mit dem zugehörigen
ungesteuerten Ventil des einen Zweigs und dem entsprechenden Verbindungspunkt der
beiden anderen Zweige jeweils Kommutierungskondensatoren angeordnet (vgL DE-OS 25
14 557, insbesondere Fig. 1).
-
In beiden Ausführungsformen eines selbstgeführten Stromrichters läuft
der Kommutierungsvorgang im Prinzip in gleicher Weise ab: Der Laststrom wird zunächst
auf den gerade wirksamen Kommutierungskondensator kommutiert; dieser lädt sich mit
dem Laststrom um, bis seine Spannung die in der Asynchronmaschine im Kommutierungszeitpunkt
vorhandene Maschinen-EMK erreicht hat, woraufhin sich der Strom in der nächsten
Phase aufbaut Während des Stromübergangs auf die nächste Phase lädt sich der betreffende
Kommutierungskondensator über die erwähnte Maschinen-EMK hinaus um eine bestimmte
Überladespannung zusätzlich auf. In beiden Ausführungsformen ist der Kommutierungsvorgang
von der Größe der Last abhängig, da der gerade betrachtete Kommutierungskondensator
mit dem Laststrom umgeladen wird.
-
Im allgemeinen ist man bestrebt, die wirksame Kommutierungskapazität
so zu bemessen, daß die erwähnte Uberladespannung nicht zu groß wird, damit keine
zu großen Spannungen an den Ventilen des Stromrichters auftreten und keine Reihenschaltungen
von Ventilen erforderlich werden. Das bedeutet, daß die Kapazität der Kommutierungskondensatoren
genügend groß gewählt werden muß: Die Kapazität muß jeweils über einem unteren Grenzwert
(Mindestkapazität) liegen, der von der zulässigen Spannungsbeanspruchung der Ventile
abhängt Auf diese Weise können im Normalbetrieb, wenn keine extremen Bedingungen
vorherrschen, die Spannungen an den Ventilen im zulässigen Bereich gehalten werden.
-
Mit diesem unteren Grenzwert der Kapazität können sich aber bei ungünstigen
Betriebsverhältnissen sehr lange Kommutierungszeiten ergeben. Das ist speziell im
Leerlaufbetrieb bei maximaler Frequenz der Fall, insbesondere dann, wenn auch noch
Feldschwächung vorliegt. Bei einem Stromrichter darf aber die Kommutierungszeit
nicht größer werden als eine Maximalzeit, die bei einem dreiphasigen Stromrichter
(z. yb. Thyristoren in Drehstrom-Brückenschaltung) einem Drittel der Periodendauer
entspricht, um einen ordnungsgemäßen Kommutierungsvorgang zu gewährleisten. Sollen
daher in einem solchen ungünstigen Betriebsfall, in dem der Leerlaufstrom der Asynchronmaschine
(Betrieb mit konstantem, belastungsunabhängigem Feld bei der jeweiligen Frequenz
vorausgesetzt) sehr klein gegenüber dem Maximalstrom werden kann und z. B. 1046
des Maximalstroms beträgt, die Spannungsbeanspruchungen der Ventile stets - insbesondere
bei maximaler Belastung - in den zulässigen Grenzen bleiben, so kann bei Leerlaufbetrieb
die aus der erforderlichen Mindestkapazität der Kommutierungskondensatoren resultierende
Kommutierungszeit die zulässige Maximalzeit überschreiten, was natürlich zu einem
Zusammenbruch des Stromrichterbetriebs führen würde.
-
Mit anderen Worten: Die Dimensionierung der
Kapazität des oder der
Kommutierungskondensatoren bei einem selbstgeführten Stromrichter in einem Strom-Zwischenkreisumrichter
bereitet dann Schwierigkeiten, wenn stark unterschiedliche Zwischenkreisströme bei
großen Arbeitsfrequenzen kommutiert werden müssen. Wie bereits erwähnt, kann der
im Feldschwächbetrieb auftretende verminderte Magnetisierungsstrom bei Leerlauf
nicht ausreichen, die Kommutierungskondensatoren innerhalb der erwähnten Maximalzeit,
die bei einem dreiphasigen Stromrichter gleich einem Drittel der Periodendauer ist,
umzuladen. Wenn nicht spezielle Maßnahmen ergriffen werden, führt der erwähnte Betriebsfall
zum Ausfall des Umrichters.
-
Ein mit Asynchronmaschine speisender Umrichter der genannten Art
muß auch in einem solchen ungünstigen Betriebsfall, nämlich im Leerlauf bei maximaler
Arbeitsfrequenz, die obige Bedingung erfüllen, wonach die zulässige Kommutierungsverzugszeit
immer kleiner sein muß als die zulässige Maximalzeit Zur Erfüllung dieser Bedingung
gibt es zwei Möglichkeiten: 1. Möglichkeit Man wählt die Kapazität des Kommutierungskondensators
so klein, daß im gesamten Betriebsbereich eine ordnungsgemäße Kommutierung gewährleistet
und damit ein stets sicherer Betrieb möglich ist Nach dieser 1. Möglichkeit wurde
bei der bisherigen Auslegung eines Umrichters in der Praxis häufig vorgegangen.
Dies kann aber Nachteile und Einschränkungen in der Anwendung des Umrichters zur
Folge haben. So können sich am Kommutierungskondensator hohe Spannungen ergeben,
die zu einer hohen Spannungsbeanspruchung der Stromrichterventile, die insbesondere
als Halbleiterventile ausgeführt sind, führen. Dadurch ist häufig eine Reihenschaltung
der Ventile erforderlich, was einen hohen Aufwand darstellt. Weiterhin muß bei dieser
Möglichkeit die Asynchronmaschine so dimensioniert werden, daß der Leerlauf- oder
Magnetisierungsstrom im äußersten Feldschwächpunkt einen bestimmten Wert, z. B.
20% des Nennstromes, nicht unterschreitet Dies ist eine Forderung, wodurch die Asynchronmaschine
unter Umständen nicht optimal ausgelegt werden kann.
-
2. Möglichkeit Man wählt die Kapazität jedes Kommutierungskondensators
genügend groß, legt also den oder die Kommutierungskondensatoren optimal auf Spannungsbegrenzung
aus, und zwar unabhängig vom Verhältnis von Leerlauf- zu Nennstrom der Asynchronmaschine.
-
Um den Kommutierungsvorgang aber weitgehend lastunabhängig zu gestalten,
ordnet man zusätzliche Umschwingkreise an. Diese 2. Möglichkeit ist z. B. in der
DE-PS 9 04 917 und in der US-PS 37 33543 beschrieben Die beiden genannten Möglichkeiten
haben aber als Nachteile jeweils einen nicht unerheblichen zusätzlichen Aufwand
im Starkstromkreis des selbstgeführten Stromrichters zur Folge.
-
Aus der DE-OS 1763871 ist es an sich bekannt, zur Vermeidung des
Ausfalls eines Umrichters infolge fehlerhafter Kommutierung diesem stets einen Mindestwert
des Eingangsstroms vorzugeben. Hierbei handelt es sich jedoch um einen anderen Umrichtertyp
als vorliegend betrachtet, nämlich um einen Umrichter mit Spannungs-Zwischenkreis,
wobei vom Wechselrichterausgang ein vom Stromregler gesteuertes Ventil mit
einem
Widerstand als Last zusätzlich zur Drehfeldmaschine gespeist ist Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist es, mit verhältnismäßig geringem Aufwand eine sichere Kommutierung
des selbstgeführten Stromrichters bei einem Umrichter, der eine Asynchronmaschine
speist, zu gewährleisten. Weiterhin soll eine Schltungsanordnung angegeben werden,
mit der dies bewirkt werden kann.
-
Die Erfindung beruht auf der Überlegung, daß diese Aufgabe bei einem
Strom-Zwischenkreisumrichter, bei dessen selbstgefhrtem Stromrichter gemäß der 2.
-
Möglichkeit der Kommutierungskondensator bezüglich seiner Kapazität
auf Spannungsbegrenzung optimal ausgelegt ist, gelöst werden kann, wenn in die übliche
Steuerung dieses selbstgeführten Stromrichters derart eingegriffen wird, daß die
Kommutierungszeit stets kleiner als die zulässige Maximalzeit (z. B. von einer Drittelperiode)
bleibt Die genannte Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß beim Reduzieren des Drehmoments der Asynchronmaschine
von einem vorgegebenen Drehmoment-Lastpunkt ab, bei dem der für eine sichere Kommutierung
des selbstgeführten Stromrichters erforderliche Mindest-Zwischenkreisstrom erreicht
ist, dieser Mindest-Zwischenkreisstrom beibehalten und gleichzeitig die Schlupffrequenz
vergrößert wird. Beim Vergrößern des Drehmoments von einem Wert unterhalb des vorgegebenen
Drehmoment-Lastpunkts wird entsprechend umgekehrt vorgegangell.
-
Eine besonders einfache schaltungstechnische Realisierung des Verfahrens
mit herkömmlichen Bauelementen läßt sich erreichen, wenn die Vergrößerung der Schlupffrequenz
linear zum abnehmenden Drehmoment vorgenommen wird. Der physikalische Sachverhalt
läßt sich dann auch leichter übersehen.
-
Somit wird die erwähnte Aufgabe durch bestimmte Maßnahmen nicht im
Starkstromkreis, sondern in der Ansteuerung gelöst, wodurch der Aufwand gegenüber
den oben erwähnten Möglichkeiten erheblich geringer ist Es wird stets ein Mindestwert
des Zwischenkreisstromes vorgegeben, der auch größer sein kann als der zum momentanen
Maschinenfluß gehörige Magnetisierungsstrom und der zu einer ordnungsgemäßen Kommutierung
des Stromes ausreicht Eine Reihenschaltung von Ventilen ist nicht erforderlich und
es werden keine zusätzlichen Umschwingkreise benötigt.
-
Nach dem vorliegenden Verfahren können demnach Teillast- und dann
Leerlaufbetrieb dadurch realisiert werden, daß während des Entlastens (Reduzieren
des Drehmoments) beim Erreichen des vorgegebenen Mindest-Zwischenkreisstroms dieser
Mindest-Zwischenkreisstrom beibehalten, die Schlupffrequenz dagegen bis auf einen
Maximalwert, der auch über der Kipp-Schlupffrequenz liegen kann, vergrößert wird.
-
Dadurch geht der Maschinenfluß zurück, und das Moment wird auf den
gewünschten Wert verkleinert Exakter Leerlaufbetrieb ist hierbei nicht möglich;
ein bestimmtes Mindestdrehmoment kann hierbei nicht unterschritten werden. Beim
Übergang von Motor- und in den Generatorbetrieb, und umgekehrt, kann bei Erreichen
dieses Maximalwerts der Schlupffrequenz die Polarität der Schlupffrequenz umgekehrt
und mit zunehmender Belastung die Schlupffrequenz wieder verkleinert werden, und
zwar bis Nennfluß erreicht wird. In dem Bereich, der über dem Mindest-Zwischenkreisstrom
liegt, kann mit konstantem Maschinenfluß gearbeitet werden.
-
Schaltungsanordnungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
lassen sich insbesondere als Zusatzschaltungen zu bekannten Regelschaltungen aufbauen.
-
Eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens mit einem
Stromregler zur Regelung des Zwischenkreisstroms und mit einer Schaltung, die ein
Signal für die gewünschte Schlupffrequenz liefert, zeichnet sich erfindungsgemäß
dadurch aus, daß eine Schaltung vorgesehen ist, deren Ausgangssignal anzeigt, ob
das gewünschte Drehmoment unterhalb des vorgegebenen Drehmoment-Lastpunkts liegt
oder nicht, daß dem Vergleichsglied des Stromreglers ein Schalter vorgeschaltet
ist, der in Abhängigkeit dieses Ausgangssignals betätigbar und im Bereich unterhalb
des vorgegebenen Drehmoment-Lastpunkts zu einem Signalgeber durchgeschaltet ist,
welcher ein Signal für den gewünschten Mindest-Zwischenkreisstrom liefert, und daß
in einem Additionsglied dem Signal für die gewünschte Schlupffrequenz oder einem
Signal für das gewünschte Drehmoment ein Zusatzsignal aufgeschaltet ist, das von
einem Funktionsgeber geliefert wird, der von einem vom gewünschten Drehmoment abhängigen
Signal beaufschlagt ist Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand
von fünf Figuren näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 den Verlauf des Zwischenkreisstroms
in Abhängigkeit vom Soll-Drehmoment der Asynchronmaschine, F i g. 2 den Verlauf
der Schlupffrequenz in Abhängigkeit vom Soll-Drehmoment der Asynchronmaschine, F
i g. 3 den Verlauf des Maschinenflusses und des Ist-Drehmoments in Abhängigkeit
vom Soll-Drehmoment der Asynchronmaschine, F i g. 4 eine Schaltungsanordnung zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und F i g. 5 einen Ausschnitt der
Schaltungsanordnung nach Fig. 4, wobei für die einzelnen Funktionsglieder jeweils
Operationsverstärker vorgesehen sind.
-
Aus den Fig. 1 bis 3 ergibt sich das Prinzip einer Schlupf-Kennliniensteuerung
einer Asynchronmaschine, die von einem Strom-Zwischenkreisumrichter gespeist ist,
dem wiederum ein Stromregler zur Regelung des Zwischenkreisstromes zugeordnet ist.
-
Damit in einem dreiphasigen Stromrichter mit laststromabhängiger
Kommutierung der Kommutierungsvorgang innerhalb einer Zeit, die kleiner ist als
ein Drittel der Periodendauer, abgeschlossen ist, muß dafür gesorgt werden, daß
der Zwischenkreisstrom Id einen Mindest-Zwischenkreisstrom Idmin nicht unterschreitet
und die Spannung an jedem Kommutierungskondensator einen bestimmten Wert nicht überschreitet
Dies wird durch ein bestimmtes Steuerverfahren im Teillast-und Leerlaufbetrieb erreicht.
-
Die Asynchronmaschine werde nach Fig.1 bis 3 zunächst in einem Betriebspunkt
A mit dem Soll-Drehmoment M+A, z. B. im Vollastbetrieb, betrieben. Nun werde sie
durch Reduzierung des Soll-Drehmoments M entlastet und danach wieder durch Erhöhung
des Drehmoments in der anderen Richtung belastet Zunächst wird dazu in bekannter
Weise der Zwischenkreis strom Id durch Zurücknahme des Soll-Zwischenkreisstroms
Ifd reduziert; gleichzeitig wird die Schlupffrequenz fi etwa linear mit dem Soll-Drehmoment
MI verringert; der Maschinenfluß di bleibt hierbei konstant gleich dem Nennfluß
Ein. Das Ist-Drehmoment Mnimmt etwa linear mit dem Soll-Drehmoment M ab. Die
Entlastung
ist in den F i g. 1 bis 3 durch einen Richtungspfeil angedeutet Es wird dann ein
bestimmter erster Drehmoment-Lastpunkt + M*u erreicht, bei dem der für eine sichere
Kommutierung gerade noch erforderliche Mindest-Zwischenkreisstrom Idmjn fließt Ein
Unterschreiten dieses Mindest-Zwischenkreisstromes Idmin würde zu Kommutierungsschwierigkeiten
führen. Daher wird beim weiteren Reduzieren des Soll-Drehmoments M+ der Zwischenkreisstrom
Id auf diesem Mindest-Zwischenkreisstrom Idmin durch Beibehaltung des Sollwerts
ldmin konstantgehalten (vergl. die waagerechte Gerade in F i g. 1), und gleichzeitig
wird die Schlupffrequenz q linear vergrößert (vergl. nach links ansteigende Gerade
in Fig.2). Dadurch gehen der magnetische Fluß 0 in der Asynchronmaschine und das
Ist-Drehmoment M zurück (vergl. F i g. 3). Beim Soll-Drehmoment M = 0 ist ein vorgegebener
Maximalwert + fig für die Schlupffrequenz f2 erreicht (vergl. F i g. 2). Dieser
Maximalwert f2g kann über der Kipp-Schlupffrequenz liegen.
-
Geht man z B. davon aus, daß dieser Mindest-Zwischenkreisstrom Idmin
bei 30% des Nennstromes liegt und daß das Feld mit diesem Verfahren bis auf 20%
des Nennfeldes abgesenkt werden kann, so beträgt das dadurch erzielbare Mindestmoment
+ mein gemäß dem Produkt dieser beiden Größen etwa 6% des Nennmomentes. Dieses Mindestmoment
+Mnun kann gemäß F i g. 3 nicht unterschritten werden. Beim Übergang von Motor-
in Generatorbetrieb (= Vorzeichenwechsel des Drehmoments M) wird daher vom Mindestmoment
+ Mmin motorisch auf das gleich große Mindestmoment - Mmin generatorisch gesprungen,
indem das Vorzeichen der Schlupffrequenz f2 gemäß F i g. 2 umgepolt wird zwischen
dem Maximalwert + f2g und dem entsprechenden Maximalwert - f2g.
-
Beim Durchgang des Soll-Drehmoments M durch den Wert Null wird also
der Maximalwert fig der Schlupffrequenz q unter Beibehaltung seines Betrages im
Vorzeichen umgeschaltet. Mit in negativer Richtung ansteigendem Soll-Drehmoment
M vom Wert Null an nimmt dann die Schlupffrequenz q wieder linear ab, bis ein zweiter
vorgegebener Drehmoment-Lastpunkt - M*u erreicht ist. Dieser zweite Drehmoment-Lastpunkt
- M*u entspricht betragsmäßig dem ersten Lastpunkt + M*u. Hier fließt bei Nenn-Maschinenfluß
Çn ebenfalls der für eine sichere Kommutierung des selbstgeführten Stromrichters
noch ausreichende Mindest-Zwischenkreisstrom Idmin Anschließend wird bis zu einem
Betriebspunkt Bdas Soll-Drehmoment M* weiter vergrößert, wobei gleichzeitig der
Zwischenkreisstrom Id und die Schlupffrequenz f2 vergrößert werden, der Maschinenfluß
Q> aber auf dem Nennfluß Çn konstantgehalten wird. Das Ist-Drehmoment M steigt
hierbei linear mit dem Soll-Drehmoment M*an.
-
In den F i g. 1 bis 3 ist zwischen den beiden Drehmoment-Lastpunkten
+ M*u und - M*n jeweils gestrichelt der Verlauf der betreffenden Größe eingezeichnet
für den Fall, daß der Maschinenfluß 0 konstant ist Ein Steuerverfahren entlang dieser
gestrichelten Kennlinien kann unterhalb einer vorgegebenen Drehzahl der Asynchronmaschine
angebracht sein, während das erläuterte Verfahren oberhalb dieser Drehzahl durchgeführt
wird.
-
Nach F i g. 4 ist eine Drehstrom-Asynchronmaschine 2, deren Läuferwelle
3 zur Ermittlung der Drehzahl n mit einer Tachometermaschine 4 versehen ist, über
einen
Umrichter 5 an ein Drehstromnetz 6 mit den Phasenleitern R, S, T angeschlossen.
Die Drehstrom-Asynchronmaschine 2 ist beispielsweise für den Betrieb eines Schienenfahrzeuges
vorgesehen. Der Umrichter 5 besteht aus einem selbstgeführten Stromrichter 7, einem
netzgeführten Stromrichter 8 und einem Gleichstrom-Zwischenkreis 9 mit Glättungsdrossel
10, der den netzgeführten Stromrichter 8 mit dem selbstgeführten Stromrichter 7
verbindet Durch den netzgeführten Stromrichter 8, den Gleichstrom-Zwischenkreis
9 und den selbstgeführten Stromrichter 7 wird ein Umrichter mit eingeprägtem Zwischenkreisstrom
Id gebildet Der selbstgeführte Stromrichter 7 ist als Stromrichter mit Phasenfolgelöschung
ausgeführt Er umfaßt steuerbare Hauptventile in Drehstrom-Brückenschaltung, die
als Thyristoren ausgeführt sind. Mit jedem Hauptventil ist ein ungesteuertes Ventil
in Reihe geschaltet Die Anordnung der ungesteuerten Ventile ist dabei so vorgenommen,
daß in jedem Zweig beidseitig benachbart zum Mittelabgriff, an dem jeweils die Drehstrom-Asynchronmaschine
2 angeschlossen ist, je eines dieser ungesteuerten Ventile liegt In jeder Brückenhälfte
ist zwischen dem Verbindungspunkt von Hauptventil und ungesteuertem Ventil des einen
Zweigs und dem entsprechenden Verbindungspunkt der beiden anderen Zweige jeweils
ein Kommutierungskondensator angeordnet. Der Aufbau des dargestellten Stromrichters
7 ist beispielsweise aus der DE-OS 25 14 557, insbesondere F i g. 1, bekannt.
-
Die sechs Kommutierungskondensatoren des selbstgeführten Stromrichters
7 sind für Nennstrom ausgelegt, d. h. ihre Kapaziträt ist jeweils so groß gewählt,
daß in jedem Betriebsfall eine für die Ventile gefährliche hohe Kondensatorspannung
vermieden wird (Spannungsbegrenzung). Infolge später beschriebener Steuermaßnahmen
werden dennoch zu große Kommutierungszeiten vermieden, obwohl ersichtlich zusätzliche
Umschwingkreise nicht vorgesehen sind.
-
Jedem der Stromrichter 7 und 8 ist ein Steuersatz 17 bzw. 18 zugeordnet.
Diese Steuersätze 17 und 18 versorgen die steuerbaren Ventile über die eingezeichneten
Steuerleitungen mit Steuerimpulsen.
-
Der Steuersatz 18 erhält seine Eingangssignale in bekannter Weise
von einem vorgeschalteten Stromregler 21. Der dem Stromregler 21 zugeordnete Vergleicher
22 erhält von einem Stromwandler 23, der im Gleichstrom-Zwischenkreis 9 angeordnet
ist, den Zwischenkreisstrom Id als Strom-Istwert. Dem Vergleicher 22 wird außerdem
ein Strom-Sollwert 1*d zugeführt. Die vom Vergleicher 22 ermittelte Abweichung zwischen
Strom-Istwert Idund Strom-Sollwert d beaufschlagt den Stromregler 21.
-
Der Strom-Sollwert Id wird über einen Schalter 24 entweder einem
Funktionsgeber 25 oder als fester Mindest-Zwischenkreisstrom-Sollwert I^d"7s" einem
Si-Signalgeber 16 entnommen. Der Funktionsgeber 25 wird über ein Proportionalglied
26 vom Ausgang eines übergeordneten Drehzahlreglers 27 beaufschlagt. Das Ausgangssignal
des Drehzahlreglers 27 ist ein Drehmoment-Sollwert M*. Das Ausgangssignal f2 des
Proportionalgliedes 26 ist ein Signal für die gewünschte Schlupffrequenz. Das Proportionalglied
26 kann auch fehlen. Es gilt dann n/fb = f2. Der Drehmoment-Sollwert 4 wirkt auch
auf den Steuersatz 17 ein. Der vorgeschaltete Vergleicher 28 des Drehzahlreglers
27 erhält einen Drelizahl-Sollwert n * von einem Sollwertgeber 3, der als Potentiometer
dargestellt ist, sowie den Drehzahl-lstwert n von der Tachonnetermaschine 4.
-
Das Ausgangssignal f'2 des Proportionalgliedes 26 oder direkt das
Ausgangssignal M*des Drehzahlreglers 27 wird an drei Stellen einer Zusatzschaltung
30 zugeführt. Diese Zusatzschaltung 30 sorgt in Verbindung mit einem Grenzwertmelder
31 und einem UND-Glied 32 für die erwähnte Schlupfkennliniensteuerung. Der Grenzwertmelder
31 kann eine Kennlinie mit Hysterese besitzen.
-
Die Zusatzschaltung 30 enthält ein Additionsglied 40, dem das Ausgangssignal
f2 des Proportionalgliedes 26 und ein Zusatzsignal f2z zugeführt sind. Das Ausgangssignal
f'2 wird auch einem Funktionsgeber 41 zugeführt, der das erwähnte Zusatzsignal f2z
bildet Zwischen dem Ausgang des Funktionsgebers 41 und dem Eingang des Additionsglieds
40 liegt ein weiterer Schalter 42, der vom Ausgangssignal a des Grenzwertmelders
31 betätigbar ist. Schließlich wird das Ausgangssignal f'2 auch einem Gleichrichter
44 zugeführt, dem ein Grenzwertmelder 45 nachgeschaltet ist Dieser Grenzwertmelder
45 kann eine Kennlinie mit Hysterese besitzen, um ein Hin- und Herspringen des Ausgangssignals
b in der Nähe des eingestellten Grenzwertes zu vermeiden. Das Ausgangssignal b des
Grenzwertmelders 45 zeigt an, ob ein vorgegebener Drehmoment-Lastpunkt +M*u oder
M*& dem Betrage lM*nl nach erreicht ist.
-
Die Ausgangssignale a und b der beiden Grenzwertmelder 31 bzw. 45
sind den beiden Eingängen des UND-Gliedes 32 zugeführt; dessen Ausgangssignal wird
zur Betätigung des Schalters 24 verwendet Das Ausgangssignal des Additionsgliedes
40 ist mit f2 bezeichnet Es stellt die infolge der Addition wirksame gewünschte
Schlupffrequenz der Drehstrom-Asynchronmaschine 2 dar; es wird in einem weiteren
Additionsglied 50 als Korrekturgröße dem Signal für den Drehzahl-lstwert n aufgeschaltet.
Das korrigierte Ausgangssignal dieses Additionsgliedes 50 wird dem Steuereingang
des Steuersatzes 17 vorgegeben.
-
Im normalen Betrieb, in dem nicht mit der bisher beschriebenen neuen,
sondern mit der konventionellen Schlupffrequenz-Kennliniensteuerung (gestrichelte
Kurven in F i g. 1 bis 3) gearbeitet wird, befinden sich die beiden Schalter 24
und 42 in der eingezeichneten Stellung. Die Asynchronmaschine 2 wird hierbei in
bekannter Weise betrieben: Der vom Drehzahlregler 27 geforderte Drehmoment-Sollwert
M* oder die dazu proportionale Größe f'2 wird über das Additionsglied 40 unverändert
direkt auf das weitere Additionsglied 50 als wirksame Schlupffrequenz f2 durchgeschaltet;
gleichzeitig wird vom Drehzahlregler 27 aus über den Funktionsgeber 25 der zu diesem
Belastungsfall gehörige Zwischenkreisstrom-Sollwert l*d im Stromregelkreis vorgegeben.
-
Das Verfahren zur Steuerung der Asynchronmaschine 2 nach der vorliegenden
neuen Schlupffrequenz-Kennlinie wird drehzahlabhängig mit Hilfe des Grenzwertmelders
31 wirksam. Der Grenzwertmelder 31 spricht an, wenn die Drehzahl n über der vorgegebenen
Drehzahl n 1 liegt. Dann springt sein Ausgangssignal a in die andere Lage, und der
Schalter 42 wird geschlossen. Über den Funktionsgeber 41 wird dadurch am Additionsglied
40 des Zusatzsignal f2z eingespeist.
-
Der Funktionsgeber 41 hat eine Kennlinie, die dem Diagramm in F i
g. 2 entspricht. Mit anderen Worten: Das Zusatzsignal f2z ist Null, wenn der Drehmoment-Sollwert
M* dem Betrage nach oberhalb des Umschalt-Moment-Sollwerts M*u liegt; unterhalb
dieses Umschalt-Moment-Sollwerts M*u nimmt das Zusatzsignal
f2z mit abnehmendem Drehmoment-Sollwert
M* linear zu. Der Funktionsgeber 41 klann, wie später noch näher erläutert wird,
entsprechend der Ausführungsform nach F i g. 5 ausgestaltet sein.
-
Hat der Grenzwertmelder 31 angesprochen, dann wird gleichzeitig mit
dem Ansprechen des weiteren Grenzwertmelders 45 über das Additionsglied 32 der Schalter
24 betätigt. Solange der Betrag IMl des Drehmoment-Sollwerts M* über dem Drehmoment-Umschalt-Sollwert
M*u liegt, befindet sich der Schalter 24 in der eingezeichneten Stellung; der Zwischenkreisstrom-Sollwert
Imid wird aus dem Funktionsgeber 25 zum Vergleichsglied 22 des Stromregelkreises
durchgeschaltet. Ist der Betrag lM des Drehmoment-Sollwerts M* jedoch kleiner als
der Drehmoment-Umschalt-Sollwert M+, springt der Schalter 24 in die andere Lage.
-
Nunmehr wird der am Signalgeber 16 abgegriffene Mindest-Zwischenkreisstrom-Sollwert
1*dmin als konstanter Strom-Sollwert vorgegebenen. Dieser Mindest-Zwischenkreisstrom-Sollwert
1*dmin stimmt im Umschaltpunkt beim Drehmoment-Lastpunkt M*u mit dem Zwischenkreisstrom-Sollwert
1*d des Funktionsgebers 25 überein, so daß hierbei keine Unstetigkeitsstellen im
Drehmoment Mauftreten.
-
Die in Fig.4 dargestellte Schaltungsanordnung hat somit die Eigenschaft,
daß sie unterhalb der vorgegebenen Drehzahl n 1 entsprechend dem in Fig 1 bis 3
gestrichelt gezeichneten stetigen Verlauf zwischen den Betriebspunkten A und B,
dagegen oberhalb der vorgegebenen Drehzahl n 1 entsprechend dem durchgezogen gezeichneten
Verlauf regelt.
-
In F i g. 5 ist eine Ausführungsform der Zusatzschaltung 30 dargestellt,
die mit Hilfe von Operationsverstärkern aufgebaut ist.
-
Der Funktionsgeber 41 besteht im wesentlichen aus einem Grenzwertmelder
51, einem Umschalter 52 und einem Additionsglied 53. Das Additionsglied 53 kann
mit Hilfe des Ausgangssignals b außer Funktion gesetzt werden, so daß der Gleichrichter
44 und der Grenzwertmelder 45, die zur Erzeugung dieses Ausgangssignals b dienen,
zum Funktionsgeber 41 eigentlich mit hinzugezählt werden müssen.
-
Der Grenzwertmelder 51 ist vorliegend direkt vom Drehmoment-Sollwert
M* beaufschlagt; er dient zur Erfassung der Polarität des Drehmoment-Sollwerts M*.
-
Eine Zenerdiode 55 in der Rückführung des Operationsverstärkers dient
zur Spannungspegelanpassung. Das Ausgangssignal des Grenzwertmelders 51 wird zur
Betätigung des Umschalters 52 herangezogen. Dieser Umschalter 52 leitet je nach
Schaltstellung entweder ein an einem Widerstand 56 abgegriffenes positives oder
an einem Widerstand 57 abgegriffenes negatives Eingangssignal jeweils konstanter
Größe weiter an das Additionsglied 53. Dessen Eingang wird gleichzeitig über ein
Potentiometer 58 auch vom Drehmoment-Sollwert M* beaufschlagt In der Rückführung
dieses Additionsgliedes 53 liegt - parallel zum Rückkopplungswiderstand - ein weiterer
Schalter 59, der vom Ausgangssignal b betätigt wird. Der Ausgang des Additionsgliedes
53 wiederum ist über den Schalter 42 mit dem Eingang des weiteren Additionsgliedes
50 verbunden.
-
Der ebenfalls vom Drehmoment-Sollwert M* baufschlagte Gleichrichter
44 umfaßt eine erste Diode 61 zur Weiterleitung eines positiven und die Reihenschaltung
eines Umkehrverstärkers mit einer zweiten Diode 62 zur Weiterleitung eines negativen
Drehmoment-Sollwerts M* jeweils mit derselben Polarität Am Ausgang
des
Gleichrichters 44 wird somit der Betrieb lM abgegriffen. Dieser wird dem einen Eingang
des Grenzwertmelders 45 zugeführt, der eine Zenerdiode 63 zur Spannungspegelanpassung
aufweist Dessen Grenzwert wird durch ein Potentiometer 64 festgelegt. Zwei Widerstände
65 und 66 dienen zur Einstellung einer Kennlinie mit Hysterese. Am Ausgang des Grenzwertmelders
45 wird das Ausgangssignal b abgegriffen.
-
Über das Potentiometer 64 kann der Drehmoment-Umschalt-Sollwert oder
Ansprechwert M*U für die Umschaltung eingestellt werden. Ist der Betrag lM1 größer
als der Ansprechwert M+, so ist der Schalter 59 durch das Ausgangssignal b geschlossen.
Das Zusatzsignal f22 ist dann gleich Null. Ist jedoch der Betrag lM1 kleiner als
der Ansprechwert M*U, so ist der Schalter 59
geöffnet. Das Zusatzsignal k ergibt
sich dann als Summe aus einem zum Drehmoment-Sollwert M* proportionalen Wert (über
Potentiometer 58) und einem konstanten Wert, der positive oder negative Polarität
hat und über den Widerstand 56 bzw. 57 geliefert wird. Die Polarität ist abhängig
vom Vorzeichen des Drehmoment-Sollwerts M*, das über den Grenzwertmelder 51 erfaßt
wird. Der Umschalter 52 wird also vorzeichenabhängig betätigt Dadurch erfolgt im
Nulldurchgang des Drehmoment-Sollwerts M* die Polaritätsumschaltung der wirksamen
Schlupffrequenz a Das Potentiometer 58 wird so eingestellt, daß beim Ansprechen
des Grenzwertmelders 45, d. h. wenn der Betrag IMl gleich dem Ansprechwert M*u ist,
das Zusatzsignal f2zgleich Null ist.