DE2829998C2 - Verfahren zum Regeln der Phasenlage der Ausgangsspannung eines Wechselrichters - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln der Phasenlage der Ausgangsspannung eines Wechselrichters bei einer Einrichtung zur Synchronisierung eines Wechselstrommotors, der beim Anlauf über den Wech-

Wechselrichters (INV) zugeführt wird, periodisch is selrichter versorgt wird und nach dem Anlaufvorgang nach jeweils einem vorgegebenen Intervall ein Im- über ein Stromnetz versorgt wird, wobei die Phasendif-

puls aus der Impulsfolge unterdrückt ws.-d, sobald die Frequenz der Impulsfolge einen solchen Wert erreicht, daß die Ausgangsfrequenz (fl)des Wechselrichters (JNV) mit der Neizfrequenz (fN) übereinstimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Wechselrichter (INV)die Impulsfolge über einen dem Wechselrichter (INV) vorgeschalteten Frequenzteiler (3) zugeführt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsfolge während des Startvorgangs durch einen Spannungs-Frcquenzumsetzer (11) vorgegeben ist und sobald die Impulsfolge des Spannungs-Frequenzumsetzers (11) einen solchen Wert erreicht hat. daß die Frequenz (fl) der Wechselrichter-Ausgangsspannung (V) mit der Netzfrequenz (fN) übereinstimmt, von einem Frequenz-Vcrviclfacher (Ϊ2) dem die Netzspannung ferenz zwischen der Ausgangsspannung des Wechsc richters und der Netzspannung auf einen festgelegten, zulässigen Wert reduziert wird.

Es sind verschiedene Methoden zum Anlassen eines Wechselstrommotors bekannt. Insbesondere Synchronmotoren werden im allgemeinen durch eine Speisequcl-Ie mit variabler Frequenz solange beschleunigt, bis die Frequenz des Motors nahezu gleich der Netzfrequenz wird. Anschließend wird die Drehzahl des Motors auf diesen Wert gehallen, bis die Phasendifferenz /wischen der Netzspannung und der Motorspannung Null wird. Sobald die Phasendifferenz Null ist, wird der Motur mit dem Netz verbunden.

Neuerdings werden auch Wechselrichter zum Anlassen eines Asynchronmotors benutzt. Auch in diesem Fall muß — wie bei Synchronmotoren — die Verbindung mit dem Netz im synchronisierten Zustand durchgeführt werden, um einen Stromstoß beim Verbinden

(VN) zugeführt wird, vorgegeben ist, wobei der Ver- 35 des Motors mit dem Net/, zu vermeiden. Spannut!

vielfachungsfaklor (n) der Frequcnzvervielfachcrstufe so gewählt ist. daß die Ausgangsfrequenz (fl) des Wechselrichters (INVj mit der Netzfrequenz (fN)übereinstimmt, wenn dem Wechselrichter (INV) die Impulsfolge dieses Frequcnzvei vielfachers (12) zugeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

g.lre-

quenz und Phasenlage müssen daher bei Motor und Netz jeweils gleich sein. Es ist zu beachten, daß während der Umschaltung der Energieversorgung vom Wechselrichter auf das Netz eine Übcrlappungszeii der Energieversorgung vorhanden sein muß. da der As\nchron>notor die induzierte Spannung im Augenblick der Unterbrechung der Primärstrom-Versorgung verliert. Das heißt also, daß man bei Synchronmotorep die synchronisierte Verbindung auch nach dem Abschalten de¹- Mo-

Die Impulsfolge wird einem Impulsverteiler (4) 45 tors vom Wechselrichter durchführen kann, wobei der

für den Wechselrichter (INV) nach einer Phasenverschiebung der Impulsfolge mit Hilfe einer Phasenregelschaltung (53) unter Durchführung folgender Verfahrenssehritte zugeführt:

1.1. Ein Steuersignal (SJ der Phasenregelschaltung (53) wird nach einer vorgegebenen Kennlinie von einem Steuerwert für einen minimalen Phascnverschicbungs-Winkel zu einem anderen Steucrwert für einen maximalen Phasenverschiebungs-Winkel, der annähernd der Periode der Impulsfolge entspricht, verändert.

1.2. das Steuersignal (S) wird auf den Steucrwert für den minimalen Phasenvcrsehicbungs-Winkel zurückgeführt, nachdem einer der Impulse, die der Phasenregelschaltung zugeführt werden, unterdrück! ist, sobald der Wer! des Steuersignals (S) den Steuerten für den maximalen Phasenverschiebungs-Winkel erreicht hat.

IJ. das Steuersignal (S) wird wieder in Richtung auf den StCUcTW¹Ci¹I It'ir den maximalen PhasenviTscliiehuni'.sw iukel gciiiulei 1

Synchronmotor selbst nach der Verbindung mit dem Netz ein synchronisierendes Drehmoment lic!en. während dieses Bclriebsverfahren bei as>nchronen Motoren nicht möglich ist.

Da Ausgangsspannung und Ausgangsfrcqueii/. unabhängig voneinander verstellbar sind, ist es mit clei üblichen Technik einfach, diese jeweils mit der Ausgangsspannimg und der Ausgangslrequen/. des Net/es in Übereinstimmung zu bringen. Dagegen ist es im allgemeinen schwierig, Phase und Frequenz der \Vi.\;hselrichtcr-Ausgangsspannung unabhängig zu steuern. Die Frequenz des Wechselrichters ist durch die Frequenz der Impulsfolge, die dem Impulsverteiler des Wechselrichters zugeführt wird, bestimmt. F.s ist daher möglich, durch Vorschalten eines Phasenschiebers \or ilen Impuls-Verteiler die Phasenlage /11 steuern, wobei die Frequenz auf dem Sollwert gehalten wird, ί.-ί··■■'' -' hei unem solchen Verfahren der Steilheit κτ. ,■ ■ ■!■ i'hasenwinkcl aiii einen Winkel begrcn/l. d. 1 ■'.>;■■ ^: >ode der Impulsfolge entspricht (im I alle >.ί;κ·. ' ' ■ ' ichters mit l)rciphasen-Bi ückenschahni¹.;¹ .'i-·· " Um aber die Phasenlage der Aiisgangsspaiiüil·.: · \i.-chsclrichters in jedem Fall mit der Plins. 1 ii,·. .!■ .- i/es

in Übereinstimmung bringen zu können, muß der Phasenstellbereich 360" beiragen.

Um einen Phasenstelibereich von 360° zu erreichen, könnte man auch für die Steuerimpulse, die für die einzelnen Thyristoren im Wechselrichter durch den Impulsverteiler erzeugt werden, jeweils getrennte Phasenschieber einsetzen. Bei Anwendung dieser Methode brauchte man jedoch z. B. bei Wechselrichtern mit Dreiphasen-Brückenschaltung sechs Phasenschieber mit der entsprechenden zusätzlichen Schaltung. Daher wäre eine sehr komplizierte und kostspielige Anordnung nötig.

Darüber hinaus wird auch die Anwendung des PLL (Phase locked loop = Phasenregelkreis) -Prinzips als Verfahren zur gleichzeitigen Regelung von Frequenz und Phasenlage in Erwägung gezogen. Nach diesem Verfahren wird der Eingangsspannung des Spannungs-Frequenz-Umsetzers, der die impulsfolge, die dem Impulsverteiler des Wechselrichter zugeführt wird, erzeugt, eine Hilfs-Eingangsspannung überlage^rt, die der Phasendifferenz zwischen der Ausgangsspannung des Wechselrichters und der Netzspannung entspricht. Bei diesem Verfahren müßten jedoch die Parameter des Phasenregelkreises von Fall zu Fall an die Charakteristik der Regelstrecke in Übereinstimmung angepaßt werden, um sowohl ausreichende Empfindlichkeit als auch Stabilität zu erreichen, da die Phasenregelung mit der Änderung der Frequenz in einem geschlossenen Kreis erreicht wird. Die Anwendung dieser Methode ist daher nicht einfach.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art so auszugestalten, daß die Phasendifferenz zwischen der Wechselrichter-Ausgangsspannung und der Netzspannung durch eine Phasenregelung der Wechselrichterausgangsspannung unter der Bedingung, daß die Wechselrichter-Ausgangsfrequenz mit der Netzfrequenz übereinstimmt, auf einen vorgegebenen, zulässigen Wert gebracht werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß von einer Folge von Impulsen je Wechselstromperiode, die einem Impulsverteiler des Wechselrichters zugeführt wird, periodisch nach jeweils einem vorgegebenen Intervall ein Impuls aus der Impulsfolge unterdrückt wird, sobald die Frequenz der Impulsfolge einen solchen Wert erreicht, daß die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters mit der Netzfrequenz übereinstimmt.

Durch die Unterdrückung eines Impulses aus der Impulsfolge wird die Ausgangsspannung des Wechselrichters nacheilend verschoben. Durch dieses Verfuhren wird die Phasenregelung mit sicherer Stabilität und hoher Geschwindigkeit bei Anwendung einfacher Mittel durchgeführt.

Vorteilhafterweise kann dem Wechselrichter die Impulsfolge über einen dem Wechselrichter vorgeschalteten Frequenzteiler zugeführt werden. Da die Frequenz der Impulsfolge damit ein ganzzahliges Vielfaches der Wechselrichter-Ausgangsfrequenz /"1, nämlich nf\ ist, wird die Ausgangsspannung des Wechselrichters durch Unterdrückung eines Impulses aus der Impulsfolge um 360°/n nacheilend verschoben. Unter der Annahme, daß der zulässige Wert der Phasendifferenz Δφ - ψο ist, kann die Bedingung Δφ < φυ stets erfüllt werden, wenn der Wert π so gewählt ist, daß er der Bedingung 360 In < {ptl genügt.

Durch Veränderung des vorgegebenen Intervalls kann man die Geschwindigkeit der Phasen-Änderung beeinflussen. Wenn nach jedem vorgegebenem Zeitintervall T ein Impuls unterdrückt wird, erreicht die Phasenregel-Geschwindigkeit einen Wert von 360"InT.

Die Impulsfolge kann während dtrs Startvorgangs durch einen Spannungs-Frequenzumsetzer vorgegeben sein und, sobald die Impulsfolge des Spannungs-Frequenzumsetzers einen solchen Wert erreicht hat, daß die Frequenz der Wechselrichter-Ausgangsspannung mit der Netzfrequenz übereinstimmt, von einem Frequenz-Vervielfacher, dem die Netzspannung zugeführt wird, vorgegeben sein, wobei der Vervielfachungsfaktor der Frequenzvervielfacherstufe so gewählt wird, daß die

to Ausgangsfrequenz des Wechselrichters mit der Netzfrequenz übereinstimmt, wenn dem Wechselrichter die Impulsfolge dieses Frequenzvervielfachers zugeführt wird. Dadurch wird auf einfache Weise die Frequenz des Wechselrichters an die Netzfrequenz herangeführt.

Das obengenannte Verfahren kann durch folgende Merkmale erweitert werden:

1. Die Impulsfolge wird einem Impulsverteiler für den Wechselrichter nach einer Phasenverschiebung der Impulsfolge mit Hilfe einer Phasenregelschaltung unter Durchführung folgender Verfahrensschritte zugeführt:

1.1. Ein Steuersignal der Phasenregelschaltung wird nach einer vorgegebenen Kennlinie von einem Steuerwert für einen minimalen Pha-

senvcrschiebungs-Winkel zu einem anderen Slcuerwert für einen maximalen Phasenverschiebungs-Winkel, der annähernd der Periode der Impulsfolge entspricht, verändert, 1.2. das Steuersignal wird auf den Steuerwert für den minimalen Phasenverschiebungs-Winkel zurückgeführt, nachdem einer der Impulse, die der Phasenregelschaltung zugeführt werden, unterdrückt ist, sobald der Wert des Eingangs-

j5 Steuersignals den Steuerwert für den maximalen Phasenverschicbungs-Winkel erreicht hat, 1.3. das Steuersignal wird wieder in Richtung auf den Steuerwert für den maximalen Phasenverschiebungs-Winkel geändert,

und

2. sobald die Phasendifferenz durch diese wiederholten Verfahrensschritte auf einen zulässigen Wert reduziert ist, wird das Eingangs-Steuersignal auf den Wert bei Erreichen dieser zulässigen Phasendifferenz festgehalten.

Mit diesem erweiterten Verfuhren wird es möglich, die erwünschte Phasenlage der Wechselrichter-Ausgangsspannung ohne Begrenzung unter Anwendung nur einer Einrichtung zur Phasenverschiebung zu erreichen, und zwar geschieht das, indem man den Wert des Steuersignals für den Phasenschieber vom Steuerwert für den minimalen Phasenverschiebungs-Winkel zu einem anderen Steuerwerl für einen maximalen Phasenverschiebungs-Winkel führt und einen Impuls unterdrückt, sobald der maximale Phasenverschiebungs-Winkel erreicht ist. Der beschriebene Vorgang wird wieder-

W) holt durchgeführt. Gegenüber der stufenweisen Phasenregelung allein mit der Impulsunterdrückung weist dieses Verfahren den Vorteil auf, daß die Phasenregelung kontinuierlich und stetig durchgeführt werden kann und daß der zulässige Wert für die Phasendifferenz zwi-

b^r> sehen dec Wcchsclrichter-Ausgangsspannung und der Netzspannung unbegrenzt erniedrigt werden kann.

Das crfmdungsgemäße Verfahren wird im folgenden beispielhaft anhand der F i g. 1 bis 7 erläutert.

V i g. 1 zeigt beispielhaft ein si hematisches Schaltbild einer Schaltungsanordnung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. Dabei wird ein Wechselstrommotor M, z. B. ein Dreiphasen-Asynchronmotor zunächst mit Hilfe eines Zwischenkreis-Umrichters, der mit dem Hochspannungs-Wechselstromnetz N verbunden ist, angefahren und dann synchron mit dem Netz N verbunden. Der Zwischenkreis-Umrichter enthält einen steuerbaren Gleichrichter REC. einen selbstgeführten Wechselrichter INV und einen Gleichstrom-Zwischenkreis mit einer Gleichstromdrossel DCL. Ferner enthält der Zwischenkreis-Umrichter einen Transformator 77? 1 und einen Ausgangstransformator TR 2. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Wechselrichter mit einem Gleichstromzwischenkreis ausgeführt. 51 und S 2 stellen Schalter dar.

Als Steuereinheit für den Wechselrichter IN Vsind ein Taktgenerator I₁ eine lmpulsunterdrückungsstufc 2, ein Frequenzteiler 3, ein Impulsverteiler 4 und ein Impulsverstärker 5 vorgesehen. Als Steuereinheit für den Gleichrichter REC sind ein Referenzspannungsgeber 6. ein Spannungsregler 7, eine Zündwinkcl-Steuercinheit 8 und ein Impulsverstärker 9 vorgesehen.

Die Eingangsspannung £. die dem Taktgeber 1 und dem Sollspannungsgeber 6 zugeführt wird, steigt während des Anlaufvorgangs nach einer vorgegebenen Kennlinie, z. B. linear an. Der 100%-Wert dieser Spannung £ entspricht den Nennwerten von Spannung und Frequenz des Netzes N. Dadurch werden die Werte der Ausgangsfrequenz fl und der Ausgangsspannung des Wechselrichters V gesteuert. Sobald die Eingangsspannung E ihren 100%-Wert erreicht hat, stimmt die Ausgangsfrequenz /7 des Wechselrichters /NV mit der Netzfrequenz fN und die Ausgangsspannung V des Wechselrichters INV (die Sekundärspannung des Transformators 77? 2) mit der Nennspannung des Netzes N überein.

Der Sollspannungs-Geber 6 kann z. B. aus einem Schalter bestehen. Als Sollspannung V* wird während des Anlaufvorgangs die Eingangsspannung £ direkt auf den Regler 7 gegeben. Sobald die Eingangsspannung £ ihren 100%-Wert erreicht hat, wird der Istwert VN der Netzspannung durch Umschalten des obengenannten Schalters als Spannungs-Sollwert V* auf den Regler 7 gegeben. Der Wert der Netzspannung VN wird mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten Spannungs-Meßeinrichtung erfaßt. Der Spannungsregler 7 steuert den Gleichrichter REC entsprechend dem so vorgegebenen Spannungssollwert V* über die Zündwinkel-Steuereinheit 8 und den Impulsverstärker 9, bis die Wechselrichter Ausgangsspannung V mit dem Spannungssollwert V* übereinstimmt. Dadurch wird nach Abschluß des Anlaufvorgangs die Ausgangsspannung V des Wechselrichters in Übereinstimmung mit der Netzspannung VN gebracht. Wenn jedoch die Abweichung der Netzspannung VN von ihrem Nennwert ausreichend klein ist, kann der Sollspannungs-Geber 6 weggelassen und die Eingangsspannung £ direkt als Spannungssollwert V* verwendet werden.

Der Taktgenerator 1 ist mit einem Spannungs-Frequenzumsetzer 11 versehen, mit dem die Eingangsspannung £in eine Impulsfolge mit zur Eingangsspannung £ proportionaler Frequenz nfl umgesetzt wird. Diese Impulsfolge wird über einen Schaltkreis 2 dem Eingang eines Frequenzteilers 3 zugeführt. Nachdem die Eingangsspannung £ ihren 100%-Wert erreicht hat, nimmt die Taktfrequenz des Taktgenerators 1 einen solchen Wert an. daß die Ausgangsfrequenz fl des Wechselrichters mit der Nützfrequenz /7V übereinstimmt.

F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Taktgciuiators im Detail.

Wie Fig. 2 zeigt, besteht der Taktgenerator ι ;-.us

■j einem Spannungs-Frequenz-Umsetzer II, einem IVcquenzvcrvielfacher 12, einem Frequen/vergleiciicr > i, UND-Gattern 14, 15, einer Inverterstiife 16. einem Oder-Gatter 17 und einer Unterdrückungsschaltung für zu schmale lnipulsabstände 18. Dein Spannungs·■!-Ve-

H) quenz-Umsetzer 1 wird die bereits anhand von Fig I erläuterte Eingangsspannung E zugeführt. Dieser erzeugt daher eine Impulsfolge, deren Frequenz der Lingangsspannung £ proportional ist. Dem Frequen/vcrvielfacher 12 wird der Momentanwert der Drcip'nasen-Netzspannung VN zugeführt. Die Frequenz der vom Spannungs-Frcquenz-Umsetzer ti erzeugten Impulsfolge ist ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz /.'des mit dieser Impulsfolge betriebenen Wechselrichters, nämlich nil. Dagegen hat die vom Frcqucn/vervielfa-

M eher 12 erzeugte Impulsfolge die Frequenz nlN. also ilic n-fache Frequenz der Netzfrequenz fN. Der Frequen/-vergleichcr 13 liefert an seinem Ausgang ein >■ 1 «-Signal, wenn fl < fN und ein »O«-Signal, wenn /'/ > fN. Daher erfolgt der Übergang so, daß während des Anlaufs des Wechselrichters, solange also fl kleiner als fN ist, dem Frequenzteiler 3 die Impulsfolge des Spannungs-Frequenz-Umsetzers 11 zugeführt wird, während dem Frequenzteiler 3 die Impulsfolge des Frequenzvervielfachers 12 zugeführt wird, sobald die Ausgangsfrequenz fl des Wechselrichters gleich der Netzfrequenz Wist.

Sobald der Abstand zwischen dem letzten Impuls vor dem Übergang und dem ersten Impuls nach dem Übergang zu schmal ist, wird mit der Schaltung 18 der letztere unterdrückt. Damit wird ein Stromstoß auf den Wechselrichter verhindert. Wenn jedoch — wie in Fig. 1 gezeigt — ein Frequenzteiler 3 vorgesehen ist und η genügend groß gewählt wird, wird der Einfluß eines zu schmalen Abstands zwischen zwei Impulsen beim Übergang vernachlässigbar gering, so daß die Schaltung 18 weggelassen werden kann. Ein »!«-Signal der Inverterstiife 16, die mit dem Ausgang des Frequcnzvergleichers 13 verbunden ist, kann als Start-Signal für die Impuls-Unterdrüekungsstule 2 in F i g. 1 verwendet werden.

F i g. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Impulsunterdrückungsstufe 2. Dabei stellt das Element 20 einen Zähler. 21 einen Taktgeber, 22 einer. Phasendifferenzdetektor. 23 einen Komparator, 24—27 UND-Gatter und 28,29 Inverter dar.

Die Impulsfolge des Taktgenerators 1 in F i g. 1 bzw. Fig.2 wird jeweils einem Eingang der UND-Gatter 24, 25 zugeführt. Der Ausgang des UND-Gatters 24 wird mit dem Frequenzteiler 3 in F i g. 1 verbunden.

Der Ausgang des UND-Gatters 25 ist mit dem Eingang a des Zählers 20 und der Ausgang b des Zählers 20, der einem Zählerstand von 2° = 1 entspricht, ist mit dem anderen Eingang des UND-Gatters 24 über einen Inverter 28 verbunden. Der andere Ausgang c des Zählers 20, der einem Zählerstand von 2' = 2 entspricht, ist mit dem anderen Eingang des UND-Gatters 25 über einen Inverter 29 verbunden. Der Rücksetzeingang d des Zählers 20 ist mit dem Ausgang des UND-Gatters' 27 verbunden, dem das Ausgangssignal des UND-Gatters 26 und das Startsignal für die Impulsunterdrückung

b5 zugeführt werden. Als Schaltsignal für die Impulsunterdrückung kann z. B. das Ausgangssignal des Inverters 16 des in F i g. 2 gezeigten Taktgenerators 1 verwendet werden. Dem UND-Gatter 26 werden die Impulse des

Taktgebers 21. der die Periode That und die Ausgangsiiiipulsc des Komparalors 23 zugeführt. Der Phasen-Differenz-Detektor sprieht auf die Phasendifferenz. Δφ zwischen der Wechsclrichlerausgangsspannung V und der Netzspannung VN an. Der Komparator 23 vergleicht diese Phasen-Differenz Δψ mit dem vorgegebenen zulässigen Wert </v und liefert »!«-Signal, wenn Δη' größer als ψο ist. Der Zähler 20 ist so ausgeführt, daß er während des Startvorgangs »O«-Signal am Ausgang b und »!«-Signal am Ausgang c liefert. Entsprechend ist ein Eingang des UND-Gatters 24 mit »1« verbunden und die Impulsfolge des Taktgenerators 1 wird über den Schaltkreis 2 dem Frequenzteiler 3 zugeführt. Dagegen ist das UND-Gatter 25 gesperrt und daher wird der Inhalt des Zählers 20 nicht verändert. Sobald nach Beendigung des Startvorgangs die Ausgangsfrequenz Π des Wechselrichters die Nel/.frcquenz fN erreicht hat, wechselt das Ausgangssignal, das vom Inverter 16 dem UND-Gatter 27 zugeführt wird, in den »!«-Zustand. Falls zu diesem Zeitpunkt die Phasendifferenz Δφ nicht innerhalb ihres erlaubten Bereichs φο liegt, werden die Ausgangsimpulse des Taktgenerators 21 über die UND-Gatter 26 und 27 übertragen, da der Komparator 23 »!«-Signal liefert. Nach Durchlaufen der UND-Gatter werden diese Impulse auf den Rücksetzeingang d des Zählers 20 geschaltet. Dadurch werden die Signale beider Ausgänge b und c Null. Das Signal am Ausgang b war von Anfang an Null, während das Signal am Ausgang c von Eins nach Null wechselt und damit das UND-Gatter 25 entriegelt.

Durch das Entriegelte UND-Gatter 25 wird der erste nachfolgende Impuls des Taktgenerators 1 auf den Eingang a des Zählers 20 gegeben und im Zähler 20 gezählt. Entsprechend wechselt das Signal am Ausgang b des Zahlers 20 auf »1« und dadurch wird das UND-Gatter 24 verriegelt. Damit wird die Übertragung dieses ersten Impulses auf den Frequenzteiler 3 verhindert. Um eine zuverlässige Impulsunterdrückung zu gewährleisten, ist es in diesem Fall notwendig, daß der Signalwechsel am Ausgang b des Zählers 20 früher erfolgt als der erste Impuls das UND-Gatter 24 erreicht. Daher sollte dem F.ingangdes UND-Gatters 24, der mit dem Ausgang des Taktgebers 1 verbunden ist, eine Impulsverzögeriingsstufe vorgeschaltet werden. Durch den auf den ersten Impuls folgenden zweiten Impuls wird das Signal am Ausgang b des Zählers 20 auf »0« zurückgesetzt, das UND-Gatter 24 wird daher wieder entriegelt und der zweite Impuls wird durchgelassen.

Gleichzeitig wechselt das Signal am Ausgang c des Zählers 20 auf »1« und verriegelt das UND-Gatter 25. Damit kehrt der Zähler 20 in seinen ursprünglichen Zustand zurück. Nach einem Zeitintervall T liefert der Taktgeber 21 erneut einen Impuls und damit wird die vorstehend erläuterte Impulsunterdrückung wiederholt. Diese Impulsunterdrückung wird solange wiederholt, bis die Bedingung Δφ < φο erreicht ist.

Die Frequenz, mit der die Impulsunterdrückung wiederholt wird, kann mit der Frequenz des Taktgebers 21 eingestellt werden. Durch Unterdrückung eines Impulses wird die Ausgangsspannung des Wechselrichters um 360°In nacheilend verschoben. Der Wechselrichter INV kann z, B. ein Thyristorwechselrichter mit Dreiphasen-Brückenschaltung sein. Die Frequenz der Impulsfolge, die dem Eingang des Impulsverteilers 4 zugeführt wird, ist dann 6 Π für eine Wechselrichterfrequenz Π. Wenn man weiterhin davon ausgeht, daß der Teilungsfaktor des Frequenzteilers 37« ist, hat die Frequenz der dem Eingang dieses Frequenzteilers 3 zugeführten Impulsfolge den Wen 48 fl. Daher hai in diesem Fall n den Wen 48 lind die Phasenverschiebung durch Untcrdrükkung eines Impulses beträgt 7.5 . Wechselrichter und Motor können dieser stufenweisen Phasenverschiebung der Wcihselrichterausgangsspannung ausreichend folgen. In diesem Beispiel wird als Referenzwert φο am Komparator 23 der Wert 7.5" oder etwas größer gewählt. Daher beträgt die Phasendifferenz der Synchronisierung maximal 7,5" und ist innerhalb des erlaubten ίο Bereichs. Selbstverständlich kann man die Phasenverschiebung in kleineren Stufen durchführen und den maximalen Wert der verbleibenden Phasendifferenz reduzieren, wenn man π größer als im obengenannten Beispiel wählt. Die Geschwindigkeit der Phasenregelung beträft 360"/nTund wird durch die Impulsfolge-Periode 7"dcs Taktgebers 2! festgelegt.

Mit dem beschriebenen Verfahren zur Phasenregelung kann die Phasendifferenz stabil und schnell auf einen zulässigen Wert gebracht werden. Sobald mit dieser Phasenregelung durch Impulsunterdrückung die Bedingung Δη' < ψιι erreicht ist. wird das Ausgangssignal des !Comparators 23 »0« und die Impulsunterdrückung Wird beendet. Dieses Signal »0« des Komparator 23 kann als Signal für die Überein-Stimmung der Phasenlage verwendet werden. Durch dieses Signal wird das Synchronisiersignal, also das Signal zum Schließen des Schalters S2 gegeben, da Spannungs- und Frequenzübereinstimmung bereits festgestellt sind. Sobald der Schalter 52 geschlossen ist, wird der Umrichter ausgeschaltet und der Schalter S1 geöffnet (in manchen Fällen kann der Schalter Sl auch geschlossen bleiben). Durch diese Synchronisierung kann der Stromstoß bei Verbindung mit dem Netz auf einen Wert reduziert werden, der keine Probleme verursacht. Das beschriebene Verfahren ist auch auf einen Synchronmotor anwendbar, der mit einem fremdgeführten Wechselrichter angefahren wird.

Als Wechselrichter ist ein selbstgcführter Wechselrichter geeignet, wobei der Regeleinrichtung nach F i g. 1 eine bekannte Stromregelung in geeigneter Weise hinzugefügt werden kann.

Mit der vorstehend erläuterten Anordnung ist es möglich, die Phasenlage der Wechselrichter-Ausgangsspannung in Stufen zu ändern. Diese stufenartige Anderung ist in vielen Anwendungsfällen ausreichend, insbesondere da man die Stufen durch Erhöhung des Multiplikationsfaktars «des Frequenzvervielfachers 12nahezu beliebig klein machen kann.

Für Anwendungsfälle, bei denen die stufenartige Änderung der Phasenlage unerwünscht ist, kann man das bereits erläuterte Verfahren durch das nachstehend beschriebene Verfahren erweitern.

Das erweiterte Verfahren wird im folgenden beispielhaft anhand der F i g. 4 bis 7 erläutert. Die für das erweiterte Verfahren verwendete Schaltungsanordnung nach F i g. 4 unterscheidet sich im Umrichterteil und im Ansteuerteil für den Gleichrichter REC nicht von der Schaltungsanordnung nach Fi g. Unterschiede sind lediglich in der Ansteuereinheit des bo Wechselrichters vorhanden, die in Fig.4 schematisch dargestellt ist und im folgenden näher erläutert wird. Die Steuereinrichtung für den Inverter INV besteht in diesem Fall aus einem Taktgenerator 51, einem Frequenzteiler 52, einer Phasenregelschaltung 53 und, wie b5 auch bei F i g. 1, einem Impulsverteiler 4 und einem Impulsverstärker 5.

Dem Taktgenerator 51 wird wie bei der Schaltung nach F i g. 1 die bereits besprochene, nach einem vorge-

ίο

gebenen Verlauf ansteigende Eingangsspannung E zugeführt, die auch dem Referenzspannungsgeber 6 zugeführt wird. Der Taktgenerator 51 erzeugt eine Impulsfolge, die der Eingangsspannung E proportional ist. Die Frequenz dieser Impulsfolge wird mit dem Frequenzleiler 52 herabgesetzt und dann über die Phasenregelschaltung 53 dem Impulsverteiler 4 zugeführt. Wahrend des Anlaufvorgangs ist die Phasenverschiebung der Phasenregelschaltung 53 gesperrt und die Phasenrcgelsehaltung 3 übertrügt die Eingangsimpulse direkt auf den bereits beschriebenen Impulsverteiler 4.

Wie bei der Schahungsanordnung nach Fig. 1, besteht der Impulsverteiler 4 aus einem Ringzähler, der über einen Impulsverstärker 5 die Ziindwinkcl der einzelnen Thyristoren im Wechselrichter /Λ/Vin vorgegebener Folge steuert. Wenn ein Wechselrichter in Dreiphasen-Brückenschaltung verwendet wird, beträgt bei einer Wechselrichter-Ausgangsfrequcnz fl die Frequenz am Eingang des Impulsverteilers 4 6/"/ und die Frequenz der Taktfolge des Taktgenerators 51 nil. Dabei ist η ein Vielfaches von 6. Sobald die Ausgangsfrequenz fi des Wechselrichters mit der Netzfrequenz fN übereinstimmt beginnt der Impulsgenerator 1 eine Impulsfolge mit der Frequenz nfN zu erzeugen und so die Wechselrichterausgangsfrequenz /7 auf der Nctzfrequenz fN zu halten.

Der Taktgenerator 51 nach F i g. 5 unterscheidet sich vom Taktgenerator 1 nach F i g. 1 lediglich dadurch, daß nicht das invertierte Signal nach dem Inverter 16, sondern direkt das Ausgangssignal des !Comparators 13 an die Phasenregelstufe weitergeführt wird. Auf den Taktgeber 51 wird daher nicht mehr näher eingegangen.

Fig.6 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Phasenregelschaltung 53 aus F i g. 5. In dieser Figur ist mit dem Bezugszeichen 300 ein Phasenschieber bezeichnet. Dieser Phasenschieber 300 verschiebt einen Impuls, der ihm vom Frequenzteiler 2 über ein UND-Gatter 301 zugeführt wird, um einen Phasenwinkel, der durch ein Steuersignal S gesteuert wird. Die Impulsfolge des Frequenzteilers 2 wird auch dem UND-Gatter 302 zügeführt. Der Ausgang des UND-Gatters 302 ist mit dem Zähleingang a eines Zählers 303 verbunden. Ein Ausgang b des Zählers 303. der einem Zählerstand von »1« entspricht, ist über einen Inverter 304 mit dem anderen wird der Schalter Γ2 von »Aus« nach »Ein« umgeschaltet. Der Schalter Γ3 wird vom Frcquenzvergleicher 13 nach F i g. 5 gesteuert. Sobald fl = fN, liefert der Frequenzvergleicher 13 ein »!«-Signal, das den Schalter 7"3 von Ein nach Aus umschaltet.

Das von der Schaltung 306 erzeugte Steuersigna! S wird auch dem Komparator 310 zugeführt und mit einer Konslantspannung A verglichen. Sobald die Steuerspannung S den Wert A erreicht, gibt der Vergleichet"

to 310 einen Rücksetzbefehl auf den Rücksetzeingyng d des Zählers 303. Dieser Wert A ist so eingestellt, daß er annähernd dem maximalen Phasenvcrsehiebungs-Winkel des Phasenschiebers 300 entspricht, nämlich der Periode der Impulsfolge des Frequenzteilers 52. Bei einem Wechselrichter mit Dreiphasen-Brückenschaltung ist diese Periode /.. B. 60°.

Die Schaltung arbeitet entsprechend der folgenden Beschreibung. Während des Anlaufvorgangs wird der Inhalt des Zählers 303 auf dem Zählerstand 2 gehalten.

Das heißt also, daß am Ausgang b »0«-Signal ansteht und am Ausgang c »!«-Signal ansteht. Damit ist das UND-Gatter 301 entriegelt und das UND-Gatter 302 verriegelt.

Daher wird die Impulsfolge des Frequenzteilers 2 über das UND-Gatter 301 dem Phasenschieber 300 zugeführt. Obwohl der Schalter 73 der Schaltung 306 im eingeschalteten Zustand ist, kann eine negative Eingangsspannung K 2 durch den Integrator nicht integriert werden, da die Ausgangsspannung S des Inlegra-

!0 tors wegen der Diode D nicht positiv werden kann. Daher wird die Steuerspannung S auf Null gehalten. In diesem Fall wird, solange der Schalter T3 eingeschaltet ist, die Stcucrspannung S unabhängig von der Schaltstellung des Schalters Tl auf Null gehalten, da die Span-

J5 nung K 2 höher als die Spannung K 1 ist. Der Schalter T2 wird durch das »0«-Signal am Ausgang b des Zählers 304 im ausgeschalteten Zustand gehalten. Der Wert Null des Steuersignals 5 entspricht dem kleinsten Wert als Sollwert der Phasenverschiebung, also 0°. Daher wird während des Anlaufvorgangs im Phasenschieber 300 keine Phasenverschiebung durchgeführt. Der Phasenschieber 300 überträgt die ankommenden Impulse direkt auf den Impulsverteiler 4.

Sobald die Wechselrichter-Ausgangsfreqiicnz fl nach

Eingang des UND-Gatters 301 verbunden. Ein Ausgang 45 dem Anlaufvorgang mit der Netzfrequenz fN übereinedes Zählers 303, der einem Zählerstand »2« entspricht, stimmt, wird der Schalter Γ3 durch das Ausgangssignal

F i g. 2 ausgeschaltet.

ist mit dem anderen Eingang des UND-Gatters 302 über einen Inverter 505 verbunden.

Das Steuersignal S zur Steuerung des Phasenverschiebungs-Winkels des Phasenschiebers 300 wird in einer Schaltung 306 gebildet, die aus einem Integrator besteht, der einen Operationsverstärker Oi', einen intcgrations-Kondensator C, Eingangswiderstände R 1. R 2, elektronische Schaher Tl bis T3 und eine Diode D enthält. + K 1 ist eine positive Konstantspannung und des Frequenzvergleichers 13 in

Falls zu diesem Zeitpunkt die Phasendifferenz Ag' nicht innerhalb des erlaubten Bereichs φο ist, wird die lntegration der konstanten Spannung +KX gestartet, da der Schalter 71 eingeschaltet ist. Dadurch steigt das Steuersignal 5 linear in negativer Richturig. Enlsprc chend verschiebt der Phasenschieber 300 die Eingangsimpulse in nacheilender Richtung um einen Winkel, der vom Wert des Steuersignals Szum jeweiligen Zeitpunkt

— K 2 ist eine negative Konstantspannung. Der Schalter abhängt. Daher nähert sich die Phasendifferenz Aq> all-

7"1 wird mit einem Komparator 307 angesteuert. mählich dem zulässigen Wert g>o. Sobald Ag' kleiner als

Der Komparator 307 vergleicht die Phasendifferenz qm wird, erzeugt der Komparator 307 ein Signal, das den

Δφ zwischen der Phase φΐ der Wechselrichter-Aus- Schalter Π öffnet. Damit ist die Bedingung für die Angangsspannung und der Phase φΝ der Netzspannung 60 kopplung des Motors Man das Netz erfüllt und auf den

mit einem vorgegebenen zulässigen Wert qm und hält Schalter 5 2 wird ein Einschaltkommando gegeben,

den Schalter Π im geöffneten Zustand, wenn /Iq' > q>o Wenn jedoch die Bedingung Δφ < φο nicht erfüllt ist,

bzw. im geschlossenen Zustand, wenn Aq> < q>o. Die obwohl die Steuerspannung des Steuerwerts für den

Phasendifferenz Δφ wird mit dem Phasendifferenz-De- maximalen Phasenverschiebungs-Winkel erreicht hat, tektor 308 erfaßt. Der Schalter Γ2 wird durch ein Signal b5 nämlich den Wert A, der nahezu 60° entspricht, gibt der

des Ausgangs b des Zählers 303 über den Inverter 304 Komparator 310 ein Rücksetzsignal auf den Zähler 303.

und die Zeitstufe 309 gesteuert. Sobald das Signal des Daher werden die Ausgangssignale der Ausgänge b und

Ausgangs b des Zählers 303 von »1« nach »0« wechselt, c Null. Das UND-Gatter 301 bleibt dadurch weiterhin

H)

entriegelt, da das Ausgangssignal am Ausgang b von Anfang an auf Null war. Dagegen wird das UND-Gatter 302, das verriegelt war, entriegelt, da das Ausgangssignal am Ausgang c von I nach 0 wechselt. Der erste Impuls nach dem Rücksetzen des Zählers 303 erreicht den Zähleingang «durch das UND-Gatter 302. Dadurch wechselt das Ausgangssignal am Ausgang b nach 1 und verriegelt damit das UND-Gatter 301. Damit wird clic Übertragung dieses ersten Impulses nach dem Rücksetzen des Zählers 303 über das UND-Gatter 301 verhindert. Um eine zuverlässige Impulsunterdrückung zu gewährleisten, sollte in der tatsächlich ausgeführten Schaltung dem Eingang des UND-Gatters 301, dem die Impulsfolge zugeführt wird, eine Impulsverzögerungsstufe vorgeschaltet werden, die die Impulse etwas verzögert. Sobald der Zähler 303 den zweiten Impuls nach Rücksetzen des Zählers 303 zählt, wechselt das Ausgangssignal des Ausgangs b von »1« nach »0« und das Ausgangssignal des Ausgangs c von »0« nach »I«. Dadurch wird das UND-Gatter 301 wieder entriegelt und das UND-Gatter 302 wieder verriegelt. Daher werden der zweite Impuls und die folgenden Impulse über das UND-Gatter 301 übertragen und der Zählersland auf 2 festgehalten.

Das Ausgangssignal am Ausgang b des Zählers 303 2Ί wird nur in einer Zeitspanne zwischen dem Auftreten des ersten Impulses nach dem Rücksetzen und dem Auftreten des zweiten Impulses »1«. Sobald am Ausgang b mit dem ersten Impuls ein »1«-Signal erscheint, wechselt das Ausgangssignal des Inverters 304 auf »0« und jo das Zeitglied 309 beginnt die Zeitbegrenzung. Nach Ablauf der eingestellten Zeit wechselt das Ausgangssignal des Zeitglieds 309 auf 0 und schließt damit den Schalter T2 der Schaltung 306. Damit wird der Integrationskondensator C entladen und die Steuerspannung S be- J5 kommt wieder den Wert 0, also den Steuerwert für minimalen Phasenwinkel. Sobald das Ausgangssignal am Ausgang b mit dem zweiten Impuls auf »0« zurückgeht, also sobald das Eingangssignal des Zeitglieds 309 auf 1 geht, wechselt das Ausgangssignal des Zeitglieds 309 sofort auf 1 und öffnet damit wieder den Schalter Γ2. Damit wird die Integration erneut gestartet und das Steuersignal 5 steigt wieder zum Steuerwert für maximalen Phasenwinkel an. Weiterhin wird die eingestellte Zeitbegrenzung des Zeitglieds 309 etwas langer als die Breite eines einzelnen Impulses gewählt, der vom Frequenzteiler 52 dem UND-Gatter 301 zugeführt wird, wodurch das Steuersignal 5 nach Beendigung der Impulsunterdrückung zurückgesetzt werden kann.

In dem Zeitintervall zwischen dem Beginn der Phasenverschiebung und dem Zeitpunkt, in dem das Steuersignal S zum ersten Mal g-jfückgeseizi wird, wird die Phasenlage der Wechselrichterausgangsspannung kontinuierlich um 60° nacheilend verschoben. Da das Steuersignal .9 wiederum zum Steuerwert für den maximalen Phasenverschiebungswinkel ansteigt, kann die Phasendifferenz Αφ reduziert werden. Sobald Ag> kleiner wird als φο, wird der Anstieg des Steuersignals 5 unterbrochen, da der Schalter Π geöffnet ist Wenn jedoch die Bedingung Αφ < φο nicht erfüllt ist, obwohl das Steuersignal S den Steuerwert für den maximalen Phasenverschiebungswinkel erreicht hat, wird der Zähler 303 erneut zurückgesetzt Damit wird erneut ein Impuls unterdrückt und das Steuersignal S auf 0 zurückgesetzt. Der obengenannte Vorgang wird solange wiederholt, bis die Bedingung^ < φο erfüllt ist.

F i g. 4 zeigt ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf des Steuersignals S, der Impulsfolge P\ des Frequenzteilers 2, der Impulsfolge P2, die dem Phasenschieber 300 über das UND-Gatter 301 zugeführt wird, und des gesamten Phascnvcrschiebungswinkels θ des Wechselrichters. Im Zeitpunkt < I erreicht das Steuersignal 5den Wert A_x so daß der Komparator 310 den Zähler 303 zurücksetzt. Im Zeitpunkt / 2 wird der Schalter ^r2 durch das Ausgangssignal des Zeitglieds 309 geschlossen. Im Zeitpunkt r3 öffnei der Schalter Tl wieder. Die einzelnen Impulse beider Impulsfolgen P1 und P2 sind mit Bezugszeichen verschen, wobei gleiche Bezugszeichen einander entsprechende Impulse bezeichnen. Wie die Impulsfolge /'2 nach Fig.4 zeigt, wird der erste Impuls nach der Zeit /1, nämlich der m-te Impuls, blockiert und geht somit nicht durch den Phasenschieber 300. Der Anstieg Γι des gesamten Phasenverschiebungswinkels θ des Wechselrichters nach dem beschriebenen Verfahren zur Phasenregelung kann als kontinuierlich angesehen werden, wie F i g. 7 zeigt.

Nach dem beschriebenen Verfahren kann die Phasendifferenz zwischen der Ausgangsspannung des Wechselrichters und der Netzspannung gleichmäßig oder stufenlos auf einen zulässigen Wert gebracht werden, ohne Stromstöße im Wechselrichter und in der Last zu verursachen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Regeln der Phasenlage der Ausgangsspannung eines Wechselrichters in einer Einrichtung zur Synchronisierung eines Wechselstrommotors, der beim Anlauf über den Wechselrichter und nach dem Anlaufvorgang aus einem Stromnetz versorgt wird, wobei die Phasendifferenz zwischen der Ausgangsspannung des Wechselrichters und der Netzspannung auf einen festgelegten, zulässigen Wert reduziert wird, dadurch gekennzeichnet, daß von einer Folge von Impulsen je Wechsclstromperiode, die einem Impulsverteiler (4) des 2.

sobald die Phasendifferenz (Αφ) durch Wiederholung Verfahrensschritte auf einen zulässigen Wert (φο) reduziert ist, wird das Steuersignal (S) auf den Wert bei Erreichen dieser zulässigen Phasendifferenz (φο) festgehalten.