DE2856538C2

DE2856538C2 - Thyristor-Umrichteranordung

Info

Publication number: DE2856538C2
Application number: DE2856538A
Authority: DE
Inventors: Yuzuru Hitachi Kubota; Hiroshi Nagase; Toshiaki Okuyama
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-02-03
Filing date: 1978-12-28
Publication date: 1982-04-29
Also published as: JPS5953795B2; JPS54104518A; DE2856538A1; US4276504A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Thyristor-Umrichteranordnung der im Oberbegriff des Patentan- »pruchs I beschriebenen, aus der US-PS 38 94 277 bekannten Art.

Kommutatorlose Motoren bestehen im allgemeinen aus einem Synchronmotor und einem aus Thyristoren aufgebauten Umformer. Der kommutatorlose Motor wird im folgenden als Thyristormotor bezeichnet.

Bei Thyristormotoren eilt der Ankerstrom der Klemmenspannung des mit hoher Drehzahl laufenden Motors voraus, so daß die Kommutierung des thynstorisierten Umformers, d. h. die Lastkommulie· rung des Frequenzumrichters durch die induzierte «lektromotorische Kraft des Synchronmotors bewirkt wird. Die Phasendifferenz zwischen Ankerstrom und Klemmenspannung des Thyristormotors wird als Vöreilwinkel β bezeichnet.

Ist bei geringer Motördrehzahl die induzierte elektromotorische Kraft des Motors klein, so ist die Lastkömmulierung schwierig und es muß auf Speisungs^ kommutierung übergegangen werden. In diesem Fall wird der Vöreilwinkel β auf einen kleinen Wert eingestellt, um ein hohes Motordrehmoment zu erzielen. Bei hohen Motordrehzahlen muß dagegen der Voreil* winkel β einen hohen Wert haben, um unter Last zu kommutieren.

Somit muß der Wert des Voreilwinkels β zwischen hohen und niedrigen Drehzahlen umgeschaltet werden. Das Motordrehmoment ergibt sich aus folgender Gleichung:

τ = Κ- cos/3 (1)

Wird der Vöreilwinkel β stufenweise umgeschaltet, so

ίο ändert sich das Drehmoment τ des Motors plötzlich, wodurch der Motor und/oder die Last nachteilig beeinflußt werden. In manchen Fällen kann es sogar zu Kommutierungsfehlern kommen. Um dies zu vermeiden, wird im allgemeinen der Ankerstrom zeitweilig auf 0 verringert, so daß Kommutierungsfehler vermieden werden und gleichzeitig die Drehmomentänderung auf einem kleinen Wert gehalten werden kann. Wird der Ankerstrom zeitweilig auf 0 vermindert, so reduziert sich das Motordrehmoment ebenfalls zeitweilig auf 0.

Das heißt, es treten Drehmomentänderungen auf. Wird ein Thyristormotor für Walzwerke oder dergleichen verwendet, wo hohe Beschleunigungen und Verzögerungen auftreten, so läßt sich selbst die zum Umschalten des Voreilwinkels β notwendige Zeit (5 bis 10 ms) nicht vernachlässigen. Zur Vermeidung der Schwierigkeiten einer plötzlichen Änderung des Motordrehmoments wird nach der US-PS 38 94 277 zur wirksamen Erzeugung des Motordrehmoments der Vöreilwinkel β entsprechend der Motordrehzahl kontinuierlich geänden.

Der Stand der Technik und die Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

F i g. 1 und 2 die Einstellung des Voreilwinkels β nach

J5 derUS-PS38 94 277.

Fig. 3 das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltung mit einem Direktumrichter.

Fig.4 das Schaltbild der Voreilwinkel-Steuerschaltungder Fig. 3.

-to Fig. 5A bis 5B und 6A bis öC Spannungs- und Stromverläufe zur Erläuterung der Arbeitsweise der Voreilwinkel-Steuerschaltung der F i g. 4.

Fig. 7 das Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der Voreilwinkel-Steuerschaltung der F i g. 3.

Fig. 8A bis 8C und 9A bis 9C Spannungs- und Stromverläufe zur Erläuterung der Arbeitsweise der Voreilwinkel-Steuerschaltung der F i g. 7.

Wenn gemäß Fig. 1 der Motor beim Start mit geringer Drehzahl unterhalb Si läuft, wird der Voreilwinkel β auf einen geringen Wert ß\ eingeregelt, um ein hohes Motordrehmoment zu erhalten. Während sich der Vöreilwinkel β von ß\ auf /?j in einem hohem Drehzahlbereich über 5? hinaus ändert, wird der Vöreilwinkel β längs einer Geraden mit dem in Fig. I gezeigten Gradienten entsprechend der Motordrehzahl erhöht. Wird der Vöreilwinkel β auf diese Weise eingestellt, so ändert sich das Motordrehmoment nicht sehr plötzlich.

In manchen Fällen muß jedoch der Thyristorrnotor schneller als im oben erwähnten Fall beschleunigt oder verzögert Werden. Beim Antrieb der Walzen eines Walzwerks muß beispielsweise eine vorbestimmte hohe Drehzahl etwa 2 Sekunden nach dem Start erreicht sein. Ein solcher Motor muß mit ähnlicher Geschwindigkeit verzögert werden. Wird der Vöreilwinkel β innerhalb eines für eine so plötzliche Beschleunigung oder Verzögerung möglichen Geschwindigkeitsbereichs ge' schaltet oder geändert_s so treten die im folgenden

beschriebenen Nachteile auf.

Zur Erfassung der Drehzahl dient im allgemeinen ein Tachogenerator, dessen Ausgangssignal bei niedriger Drehzahl nicht linear ist und viele Schwankungen und Oberwellen enthält.Trotz einer festen Beschleunigungs- ί oder Verzögerungsändeping ändert sich infolgedessen der Voreilwinkel β innerhalb des in Fi g. 2 schraffierten Bereichs. Eine Änderung nach einem vorbestimmten Verlauf ist daher nicht zu erwarten. In extremen Fällen ändert sich sogar der Voreilwinkel β entsprechend der \a gestrichelten Linie D in F i g. Z Der gemäß der steilen gestrichelten Linie Dansteigende Voreilwinkel β ändert sich sehr schnell. Hierdurch ändert sich das Drehmoment sehr plötzlich, wodurch der Motor und die Last unvermeidlich nachteilig beeinflußt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Thyristor-Umrichteranordnung so weiterzubilden, daß der Voreilwinkel β derart eingestellt wird, daß sich das Molordrehmoment nicht plötzlich ändert, wenn der Voreilwinkel β von niedriger ?u auf hohe Drehzahl oder umgekehrt geschaltet wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemä'.' durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schaltung läßt sich der Voreilwinkel β langsam ändern, so daß sich das Motordrehmoment ebenfalls langsam und mit vorbestimmter Geschwindigkeit ändert. Das Ergebnis ist. daß sich das vom Motor erzeugte Drehmoment beim Umschalten des Voreilwinkels β nicht plötzlich ändert, jn so daß nachteilige Einflüsse auf den Motor und die Last vermieden werden.

Bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Thynstor-Umnchteranordnung sind Gegenstand der Patentansprüche 2 und 3. is

Die Erfindung wird anhand der in den Fig. J bis 8 gezeigten Ausfuhrungsbeispiele näher erläutert.

Fig. J zeigt einen an ein Drehstromnet/ 1 angeschlossenen Frequen/umnchter 2 zur Umwandlung der Frequenz des Drehstromnet/es 1 in eine benötigte Motorfrequen/. an den wiederum ein vom Umrichter 2 gespeister Synchronmotor 3 angeschlossen ist. Der Synchronmotor 3 enthält eine Feldwicklung 3F: mit seinem Anker sind ein .Stellungsdetektor 4 zur Erfassung der Stellung des Ankers gegenüber dem Feld des Syp :hronmotors 3 und ein Tachogenerator 5 zur Erfassung der Drehzahl des Synchronmotors 3 gekuppelt. An das Drehstromnetz 1 ist ein die Spannungsampiitude regulierender Steuerimpulsgenerator zur Regelung der Drehzahl d~s Synchronmotors 3 über den Zündwinkel der Thyristoren, der im folgenden als Zündwrkel auf der Speisungsseite bezeichnet wird, angeschlossen. Der Steuerimpulsgenerator 6 wird von einem Drehzahlregler angesteuert, der ein Analogsignal zur Regelung oes Steuerimpulsgenerators 6 entspre- ^ chend einem Drehzahlbefehl M regelt. Eine Voreilwinkel-Steuerschaltung 8 wird vom Ausgangssignal S/"des Tachogenerators 5 beaufschlagt und erzeugt ein Befehlssignal c zur Einstellung des Voreilwinkels ß, d. h. des Zündwinkels der Thyristoren auf der Motorseite. An eo den Ausgang der Voreilwinkel-Steuerschaltung ist ein Steuerimpulsgenefatof 9 angeschlossen, dem das Analogsignal c zugeführt wird und der den Zündwinkel der Thyristoren auf der Motofseite entsprechend der Größe des Ausgangssignals c steuert. Der Zündwinkel der Thyristoren auf der Motorseile des Frequenzumfichlers 2 wird durch ^as Ausgangssignal des Stellungsdetektors 4 bestimmt. Die beiden Steuerimpulsgenera toren 6 und 9 steuern schließlich eine Thyristor-Steuerschaltung 10 an, die die Thyristoren des Umrichters 2 mit dem Steuersignal versorgt.

Im folgenden sei die Voreilwinkel-Steuerschaltung 8 näher erläutert. Der Steuerimpulsgenerator 9 bestimmt den Zündwinkel auf der Motorseite, und zwar sequentiell entsprechend dem Stellungssignal des Stellungsdetektors 4 derart, daß der Ankerstrom eine vorbestimmte Phasenbeziehung zur Klemmenspannung hat. Der Steuerimpulsgenerator 6 bestimmt den Zündwinkel auf der Speiseseite mit einer dem Ausgangssigna! der Drehzahl-Regelschaltung 7 entsprechenden Phase, die auf den Drehzahlbefehl M anspricht. Die Thyristor-Steuerschaltung 10 zündet die Thyristoren sequentiell gemäß dem logischen Produkt der Ausgangssignale der Steuerimpulsgeneratoren 6 und 9, wodurch die Größe des Anker.troms (Drehzahl) des Synchronmotors 3 geregelt wird. Auf diese Weise spricht die Drehzahl des Synchronmotors 3 auf den Drehzahlbefehl Man.

Die Voreilwinkel-Steuerschaltung 8 der F i g. 3 !st in Fig.4 im einzelnen gezeigt. Die Arbeitsweise dieser Schaltung wird anhand der Fig. 5A bis 5C und 6a bt> 6C erläutert.

Gemäß Fig. 4 tnthält die Steuerschaltung 8 eine Schaltung 11 zur Einstellung der Motordrehzahl Si. an der der Voreilwinkel β geschaltet wird. Diese Schaltung kann z. B. aas einen herkömmlichen Potentiometer bestehen. Die Schaltung enthält ferner drei Operationsverstärker 12, 13 und 14. Widerstände R bis R₇. einen Kondensator G und eine Diode Dy. Der Operationsver stärker 12 kehrt das Signal 5· um, der Operationsverstärker 13 vergleicht den eingestellten Wert S, der Drehzahl-Einstellschaltung 11 rr.it dem Ausgangssignji Si des Tachogenerator* 5 und erzeugt ein Ausgangssi gnal b mit negativem Pegel, wenn das Signal S< den eingestellten Wirt S, überschreitet (F i g. 5A, 5B). Wenn das Ausgangfsignal b des Operationsvers'ärkers 13 einen positiven Wert hat, kann der Motor unter Speisungskommutierung mit niedriger Drehzahl betrieben werden. Hat das Ausgangssignal b dagegen einen negativen Wert, so läuft der Motor mit höherer Drehzahl, wobei die Kommutierung durch die induzierte elektromotorische Kraft des Motors bewirkt wird.

Der Operationsverstärker 14 bilJet eint Verzöge rungsschaltung erster Ordnung. Wenn das Ausgangssi gnal b des Operationsverstärkers 13 sich von einem positiven auf einen negativen Wert ändert, wird das Ausgangssignal cdurch die vom Widerstand R- und vom Kondensator G bestimmte Zeitkonstante geändert. Das Ausgangssignal c des Operationsverstärkers 14 folgt somit der schwach ansteigenden Kurve erster Ordnung der F i g. 5C.

Das Diagramm der Fig. 5A zeigt, wie aus dem Gradienten der geraden Linie Sr ersichtlich, einen Fall, bei dem sich das Drehzahlsignal Sf schnell ändert, d. h. in dem der Motor stark beschleunigt wird. Fig. 6A zeigt dagegen einen Fall, bei dem sich das Drehzahlsigna! Si langsam ände:.. Auch im letzteren Fall erzeugt der Operationsverstärker 13 wie im Fall der Fig. 5B das Ausgangssignai b, mit dem Ergebnis, daß das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 14 gemäß Fig.6C nach der gleichen Kurve verläuft wie gemäß Fig.5C. Auf diese Weise ändert sich das von der Voreilwinkel-Steuerschaltung ä erzeugte Signal c stetig und langsam mit vorherbestimmter Zeitkonstante, und zwar unabhängig von der Motorbeschleunigung oder -verzögerung. Der Voreilwinkel β ist proportional dem

Ausgangssignal c, so daß durch die allmähliche Änderung des Signals cder Voreilwinkel β mit niedriger Geschwindigkeit eingestellt wird.

Das Ausgangssignal der Voreilwinkel-Sleuerschaltung 8 wird dem Steuerimpulsgenerator 9 als Führungsspannung zugeführt. Da das Ausgangssignal c proportional dem Voreilwinkel β ist, ändert der Steuerimpulsgenerator 9 den Voreilwinkel β gemäß F i g. 5C oder 6C. Somit wird der Frequenzumrichler 2 derart geregelt, daß der Zündwinkel der Thyristoren auf der Motorseite (Voreilwinkel) mit vorherbestimmter Zeitkonstante oder vorherbestimmter Zeitdauer geschaltet wird.

F i g. 7 2eigL ein zweites" Aüsführüngsbeispiel der erfindungsgemäßen VoreÜwinkei-Steuefschaltung. Der Operationsverstärker 14, der bei dem Ausführungsbeispiel der Fig;4 als Verzögerungsschaltuhg erster Ordnung dient, ist in der Schaltung der Fig.7 durch einen Integrator 15 mit einem Begrenzer ersetzt. Der Integrator 15 mit dem Begrenzer integriert 'das Eingangssignal b, bis das Integralionsergebnis die Spannung V_p erreicht, die durch Teilung der Versorgungsspannung — Kder Schaltung durch die Werte der

Ί Widerstände Rs und Rq erhalten wird. Das Ausgangssignal cdes Integrators 15 hat somit den in den Fig.8C und 9C gezeigten Verlauf, d. h„ es steigt während der Zeit i\ linear an, bis die Spannung V_p erreicht ist. Wie die F i g. 5A und 6A stellen die F i g. 8A und 9A Fälle dar, in

ίο denen sich das Drehzahlsignal 5/schnell bzw. langsam ändert.

Statt des Frequenzumrichters der F i g. 3 können auch Umrichter niit öleichstrorhzwischenkreis verwendet werden, bei denen die Wechsel- oder Drehspannung

zunächst in Gleichspannung gleichgerichtet und dann durch einen Wechselrichter in eine Wechsel· bzw. Drehspänriung umgewandelt wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Thyristor-Umrichteranordnung zur Speisung der Ankerwicklung eines Synchronmotors mit Spannungen einstellbarer Amplitude und Frequenz, mit einem die Rotorstellung des Motors erfassenden Positionsdetektor, dessen Signale einem Steuerimpulsgenerator zugeführt sind, der, abhängig von einer in einer Voreilwinkelsteuerschaltung, der ein Drehzahlistwertsignal zugeführt ist, gebildeten Führungsgröße bei niedrigen Drehzahlen einen kleinen und bei höheren Drehzahlen einen größeren Wert für den Voreihvinkel einstellt, dadurch gekennzeichnet,

— daß die Voreilwinkelsteuerschaltung (8) ein Vergleichsglied (13) enthält, dem als Eingangsgrößen der Drehzahlistwert und ein von einer Drehzahl-Einstellschaltung (11) abgenommener, den höheren Drehzahlen entsprechender, Sollwert zugeführt sind,

— daß das Vergleichsglied sein Ausgangssignal von einem konstanten Wert auf einen anderen konstanten Wert umschaltet, sobald der Drehzahlistwert den eingestellten Drehzahlsollwert erreicht,

— daß der Ausgang des Vergleichsgliedes mit dem Eingang eines Übertragungsgliedes mit eingeprägtem Zeilverhalien, dessen Ausgangssignal die Fühnjngsgröße ist, verbunden ist, und

— daß das Übertragungsglied bei der Umschaltung des konstanten Wertes die Führungsgröße ändei t.

2. Thynstor-Ui.irichte anordnung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungsglied ein Verzögerung ,glied erster Ordnung ist.

3. Thyristor-Umrichteranordnung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungsglied ein Integrationsglied (15) mit Ausgangssignalbegrenzung ist.