DE3021119A1

DE3021119A1 - Wechselrichterschaltung zum betrieb eines in der drehzahl steuerbaren asynchronmotors

Info

Publication number: DE3021119A1
Application number: DE19803021119
Authority: DE
Inventors: Hans Mogens Augustenborg Beierholm; Juul Nordborg Henriksen
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1980-06-04
Filing date: 1980-06-04
Publication date: 1981-12-10
Also published as: GB2077064B; CA1186726A; FR2484169A1; JPS57119691A; DK234481A; GB2077064A; FR2484169B1; JPS5930040B2; US4442394A; DE3021119C2

Description

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HIKGRAMM KNOPAI

DA 551

DANFOSS A/S, Nordborg, Dänemark

Wechselrichterschaltung zum Betrieb eines in*der Drehzahl steuerbaren Asynchronmotors

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wechselrichterschaltung zum Betrieb eines in der Drehzahl steuerbaren Wechselstrommotors, bei der die Spannung und die Frequenz etwa proportional zueinander sind, bis bei der Nennspannung die Nennfrequenz erreicht ist, mit einem Wechselrichter, mit einem Sollwertgeber, mit einer Gleichspannungsversorgung mit Spannungsregler, der die Spannung in Abhängigkeit vom Sollwert einstellt ,und mit einem Frequenzregler, der in Abhängigkeit von der Spannung die Frequenz nachführe.

Bei einer bekannten Wechselrichterschaltung dieser Art (DE-AS 16 13 776) wird der Spannungsregler von einer Regelgröße beeinfluß^ die durch den Vergleich eines als Spannungssignal vorgegebenen Sollwerts mit einem zum Ist-Wert der Eingangsspannung des Wechselrichters proportionalen Spannungswert entsteht. Der Ist-Wert der Eingangsspannung wird ferner dem Frequenzgeber zugeführt, der dem Wechselrichter zur Spannung proportionale Frequenzsignale zuführt. In ähnlichen Schaltungen kann von der starren Proportionalität zur Berücksichtigung einer Schlupfkompensation, einer stromabhängigen Kompensation o. dgl. abgewichen werden. Aufgrund dieser Proportionalität kann der Asynchronmotor im gesamten Drehzahlbereich

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bis zur Nennfrequenz mit maximalem Drehmoment betrieben werden. Es gibt darüber hinaus den Vorteil, daß bei einer Absenkung des Sollwerts zur Herabsetzung der Motordrehzahl die Frequenz des nunmehr als Generator arbeitenden Motors nicht der Sollwert-Einstellung folgt,sondern an den Spannungs-Ist-Wert gekettet bleibt. Infolgedessen läuft der Generator - bezogen auf die Frequenz der ihm zugeführten Wechselspannung - mit einer Drehzahl, die nur geringfügig über der Synchrondrehzahl liegt. Daher fließen auch nur sehr kleine Ströme, die die Wechselrichterschaltung nicht beeinträchtigen können. Diese Betriebsweise ist aber auf den Bereich bis zur Nennfrequenz beschränkt, weil die obere Grenze der zugeführten Spannung in der Regel gleich der Nennspannung ist.

Es sind auch schon Viechseirichterschaltungen bekannt (DE-OS 26 48 150), bei denen eine Betriebsweise oberhalb der Nennfrequenz möglich ist, wobei im Bereich zwischen der einfachen und der doppelten Nennfrequenz der Motor mit maximaler Leistung betrieben wird. Hierzu ist jedoch eine verhältnismäßig aufwendige Rechenschaltung erforderlich, mit der in Jedem Arbeitspunkt eine konstante Schlupffrequenz aufrechterhalten werden soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach aufgebaute Wechselrichterschaltung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, die auch mit höheren Frequenzen als die Nennfrequenz betrieben werden kann, bei der aber Schaden infolge zu rascher Herabsetzung des Sollwerts im gesamten Arbeitsbereich vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Frequenzgeber bei einer Sollwert-Einstellung, die einer über der Nennfrequenz liegenden Nennfrequenz entspricht, durch ein mit dem Sollwert ansteigendes Zusatzsignal ansteuerbar ist, durch das trotz Beibehaltung der Nennspannung eine höhere Frequenz erzeugt wird, und daß ein Diskriminator beim Auftreten

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einer Überspannung ein Fehlersignal zur Erhöhung der Frequenz an den Frequenzgeber abgibt.

Bei dieser Schaltung sorgt das Zusatzsignal auf einfache Weise dafür,daß sich der Arbeitsbereich auch über die Nennfrequenz erstreckt. Trotzdem bleibt die Wechselrichterschaltung auch bei dieser Betriebswelse vor Schäden geschützt, die infolge zu rascher Absenkung des Sollwerts durch den Generatorbetrieb des Motors entstänen könnten. Denn sobald der Diskriminator feststellt, daß infolge des Generatorbetriebes eine schädliche Überspannung auftritt, gibt er das Fehlersignal ab, das die Wechselrichterfrequenz soweit erhöht, daß die Überspannung vfeder auf einen zulässigen Wert zurückgeht. Dies hat zur Folge, daß die Verzögerung des Motors etwas verringert wird; trotzdem gelang er mit der größtmöglichen zulässigen Geschwindigkeit zu seinem neuen Arbeitspunkt. Die Schaltung ist sehr einfach, weil außer den normalen Anschlußleitungen keine anderen Verbindungen zum Motor erforderlich sind, sondern die gesamte Regelung innerhalb der Wechselrichterschaltung selbst erfolgt. Dies ergibt einen sehr kleinen Regelkreis und erlaubt kleine Zeitkonstanten.

Mit Vorteil weist der Frequenzgeber eine Spannungs-Frequenz-Kennlinie auf, deren Steigung in Abhängigkeit vom Zusatzsignal änderbar ist, und dem Spannungseingang des Frequenzgebers ist ein Sümmationsglied vorgeschaltet, in dem das Fehlersignal zur Spannung addiert wird. Wenn bei Erreichen der Nennspannung die Nennfrequenz erreicht worden ist, wird die weitere Frequenzsteigerung durch ein Anheben der Kennlinie erzielt. Wenn beim Absenken des Sollwerts diese Kennlinie zu rasch zurückbewegt wird, wird mit Hilfe des Fehlersignals das die Frequenz erzeugende Spannungssignal vergrößert.

Der Diskriminator sollte auf eine Überspannung von wenigen Prozent, insbesondere etwa 5 %, ansprechen und ein mit steigender Spannung stark ansteigendes Fehlersignal abgeben. Durch Wahl des Ansprechpunktes läßt sich sicherstellen, daß zu hohe

jjnd Spannungen

StrömeMm Generatorbetrieb vermieden werden. Die steile Kennlinie gewährleistet, daß dieser Ansprechwert nur geringfügig

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überschritten werden kann.

Empfehlenswert ist ein Zusatzsignalgeber, der vom Sollwert angesteuert ist und, beginnend mit einem der Nennspannung entsprechenden Wert, ein mit dem Sollwert steigendes Zusatzsignal abgibt. Auf diese Weise kann ein einheitlicher Sollwertgeber für den gesamten Arbeitsbereich benutzt werden, während das Zusatzsignal erst oberhalb der Nennspannung erzeugt wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist dafür gesorgt, daß die Nennspannung durch eine dem Sollwertgeber"nachgeschaltete Begrenzerschaltung vorgegeben ist und daß die Ansprechwerte des Diskriminators und des Zusatzsignalgebers festliegen. Dies ergibt einen besonders einfachen Aufbau, weil die wesentlichen von einander abhängigen Daten innerhalb der Schaltung festgelegt sind. Dieser Aufbau eignet sich insbesondere dort, wo mit einer relativ starren Netzspannung gerechnet werden kann.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß die Nennspannung durch die maximale Spannung der Gleichspannungsversorgung vorgegeben ist und die Kennlinien einschließlich der Ansprechwerte des Diskriminator und des Zusatzsignalgebers entsprechend dieser maximalen Spannung verlagerbar sind. Dieser Aufbau eignet sich insbesondere dann, wenn die Netzspannung gewissen Schwankungen unterliegt, trotzdem aber der Asynchronmotor bis zur jeweils vorhandenen, maximalen Spannung mit dem maximalen Moment betrieben werden soll.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat die dynamische Übertragungsfunktion von Diskriminator und Frequenzgeber eine kurze lineare Anstiegszeit von 1 bis 4, vorzugsweise etwa 2 Hz/ms, und eine etwas längere Abfallzeit mit einer Zeitkonstante von etwa 0,1 bis 0,2 s. Es hat sich gezeigt, daß bei einer solchen Auslegung außerordentlich starke Laständerungen vorgenommen werden können, ohne daß hierdurch die sichere Arbeitsweise leidet« Beispielsweise wurde das Trägheitsmoment der Belastung von 0 bis zum 300fachen des Trägheitsmoments des Motors geändert,

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vund Spannungen ohne daß schädliche überströme\Lm Generatorbetrieb auftraten.

Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter, bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 im Blockschaltbild eine erste Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 den Drehmomentverlauf des Asynchronmotors über der Wechselrichterfrequenz,

Fig. 3 In^inem Schaubild die Übertragungsfunktion von Überspannungs-Diskriminator und Frequenzgeber und

Fig. 4 eine andere Ausfütarungsform im Blockschaltbild.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ist ein dreiphasiger Wechselrichter 1 zum Betrieb eines dreiphasigen Asynchronmotors 2 vorgesehen. Ein vom Wechselstromnetz her gespeister Gleichrichter 3 mit einem Spannungsregler 4 bilden gemeinsam eine Gleichspannungsversorgung 5. An einem Meßkreis 6 kann das Signal I_, das dem Wechselrichterstrom entspricht, und ein Signal U .

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das der Wechselrichterspannung entspricht, abgegriffen werden.

Mit einem Sollwertgeber 7 wird die Frequenz f und damit die Drehzahl des Motors 2 eingestellt. Dieser Sollwertgeber gibt ein Signal U^ ab, das in einer Begrenzungsschalung 8 zu einem Signal U_c umgewandelt wird, das bis zu einer fest eingestellten Nennspannung dem Signal U, folgt, dann aber konstant bleibt. In einem Vergleicher 9 wird die Spannung U mit dem Signal U_ verglichen. Die Regelabweichung wird über einen Verstärker 10 und eine Diode 11 auf einen zeitproportional arbeitenden Impulsgeber 12 geleitet_r der den im Spannungsregler 4 enthaltenen Schalter mit Schaltimpulsen versorgt. In Abhängigkeit von der Regelabweichung können die Schaltimpulse eine veränderliche

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Frequenz und/oder ein veränderliches Tastverhältnis haben. In einem zweiten Sollwertgeber 13 wird das maximale Moment eingestellt, indem ein maximaler Strom -I-u vorgegeben wird. In einem Vergieicher 14 wird dieser Sollwert mit dem Strom 1_& verglichen. Die I^gelabweichung wird über einen Verstärker 15 und eine Diode 16 ebenfalls cem Impulsgeber 12 zugeführt, sobald der Maximalstrom I. überschritten wird.

Die so mit Hilfe des Sollwertgebers 7 eingestellte Spannung U wird über ein Summationsglied 17 einem Frequenzgeber 18 zugeleitet, der die Wechaärichterfrequenz bestimmende Signale f gemäß einer Kennlinie A abgibt. Ein Zusatzsignalgeber 19 wird vom Sollwertsignal U^ beaufschlagt und gibt ein Zusatzsignal Uj ab. In Abhängigkeit von diesem Signal wird die Kennlinie A des Frequenzgebers 18 steiler gemacht. Das Zusatzsignal U^ ist Null, bis der Sollwert U_b den Nennwert erreicht hat, und steigt dann linear an. Das bedeutet, daß die Frequenz f der Spannung U nachgeführt wird, bis der Nennwert dieser Spannung und damit der Nennwert f dieser Frequenz erreicht ist. Bei weiterer Vergrößerung des Sollwertes U^ bleibt die Spannung U_& erhalten, die Frequenz f steigt aber durch Verlagerung der Kennlinie A weiter an. Der Asynchronmotor 2 kann daher mit einer Drehzahl oberhalb seiner Nenndrehzahl betrieben werden.

Die Arbeitsweise ergibt sich aus dem Diagramm der Fig. 2, wo über der Frequenz f fias Drehmoment M dargestellt ist. Bis zur Nennfrequenz f kann der Motor wegen der gleichzeitigen Veränderung von Spannung und Frequenz mit maximalem Moment M » 100 % gefahren werden. Bei höherer Frequenz sinkt das Drehmoment, wei^sich die Spannung nicht mehr steigern läßt; bei optimaler Auslegung des Frequenzgebers 18 kann aber der Motor weiterhin mit maximaler Leistung N= 100 % betrieben werden.

Die Spannung U wird ferner einem Überspannungs-Diskriminator

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20 zugeführt, der ein Fehlersignal U abgibt, wenn die Spannung U_ den Ansprechwert UJ (vergl. Fig. 3), der beispielsweise bei 5 % über dem durch die Begrenzerschaltung 8 eingestellten Nennwert der Spannung liegt, überschreitet. Die Kennlinie des

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Diskriminators 20 ist verhältnismäßig steil. Die dynamische übertragungsfunktion zwischen dem Eingang des Diskriminators 20 und dem Ausgang des Frequenzgebers 18 hat einen linearen Anstieg von beispielsweise etwa 2 Hz/ms. Dies ist in Fig. 3 dargestellt. Wenn im Zeitpunkt ti die Spannung U_ den Ansprachwert U₀ ¹ übersteigt, ergibt sich die Anstiegsflanke b1, bis

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der der überspannung entsprechende Wert des Fehlersignals U_g erreicht ist. Wenn im Zeitpunkt t2 die Überspannung nochmals ansteigt, ergibt sich eine weitere Anstiegsflanke b2. Die Abstiegsflanke b3 verläuft exponentiell mit einer Zeitkonstante in der Größenordnung von beispielsweise 0,15 s.

Auf diese Weise ergibt sich im gesamten Arbeitsbereich ein Schutz der Wechselrichterschaltung gegen im Generatorbetrieb hervorgerufene Überspannungen und dadurch entstehende zu große Ströme. Wenn der Sollwertgeber 7 im Bereich unterhalb der Nennfrequenz f plötzlich rasch heruntergeregiLt wird, folgt die Frequenz f nicht, weil diese über den Frequenzgeber 18 mit der tatsächlichen Spannung U_ verknüpft ist. Ist-Spannung

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und Frequenz werden daher annähernd proportional herabgesetzt, so daß keine Schäden zu befürchten sind. Oberhalb der Nennfrequenz f , wenn die Ist-Spannung U konstant ist und ihr die Frequenz f daher nicht mehr nachgeführt werden kann, sorgt der überspannungs-Diskriminator 20 dafür, daß beim Auftreten der Überspannung die Frequenz f erhöht wird, und dadurch die Überspannung in einem so kleinen Rahmen gehalten wird, daß keine Schäden auftreten können.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4verden für gleiche Teile die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet. Der wesentliche Unterschied besteht darin, daß die Begrenzungsschaltung 8 fortfällt. Stattdessen hat der ZusatzSignalgeber 119 und der Überspannungs-Diskriminator 120 keine festliegende Kennlinie. Viämehr lassen sich die Kennlinien in Abhängigkeit von der Netzspannung bzw. der Spannung am Ausgang des Gleichrichters verlagern. Zu diesem Zweck ist ein Meßkreis 21 vorgesehen, der die Spannung über ein Tiefpaßfilter 22 als Signal U an den

Zusatzsignalgeber 119 und den Diskriminator 120 abgibt. Einer Unterspannung entsprechen die Kennlinien C1 und D1, einer Überspannung die Kennlinien C2 und D2. Die hier verwendete Nennspannung, bei der die Kennlinien wirksam werden, entspricht daher immer der jeweils maximalen Spannung, welche die Spannungsversorgung 5 zur Verfügung stellen kann. Dies bedeutet, daß der normale Betrieb, also ohne Inanspruchnahme des Uberspannungsdiskriminators 120, jeweils bis zum höchstmöglichen Spannungswert durchgeführt werden kann.

Die veranschaulichte Schaltung eignet sich auch für andere Asynchronmotoren als dreiphasige Motoren. Die Erzeugung des Zusatzsignals U^ kann auch auf andere Weise als dargestellt verwirklicht werden, in Fig. 1 beispielsweise dadurch, daß zwei mechanisch miteinander gekuppelte Sollwertgeber verwendet werden, von denen der eine das Signal U. und der andere das Zusatzsignal U_d erzeugt.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

1. Wechselrichterschaltung zum Betrieb eines in der Drehzahl

steuerbaren Asynchronmotors, bei der die Spannung und die Frequenz etwa proportional zueinander sind, bis bei der Nennspannung die Nennfrequenz erreicht ist, mit einem Wechselrichter, mit einem Sollwertgeber, mit einer GIeichspannungsversorgung mit Spannungsregler, der die Spannung in Abhängigkeit vom Sollwert einstellt und mit einem Frequenzregler, der in Abhängigkeit von der Spannung die Frequenz nachführt, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzgeber (18) bei einer Sollwert-Einstellung, die einer über der Nennfrequenz (fn) liegenden Frequenz entspricht, durch ein mit dem Sollwert (Ü, ) ansteigendes Zusatzsignal (IL.) ansteuerbar ist, durch das trotz Beibehaltung der Nennspannung eine höhere Frequenz erzeugt wird, und daß ein Diskriminator (20) beim Auftreten einer Überspannung ein Fehlersignal (U ) zur Erhöhung der Frequenz (f) an den Frequenzgeber abgibt.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzgeber (18) eine Spannungs-Frequenz-Kennlinie (A) aufweist, deren Steigung in Abhängigkeit vom Zusatzsignal (U^) änderbar ist, und daß dem Spannungseingang des Frequenzgebers ein Summationsglied (17) vorgeschaltet ist, in dem das Fehlersignal (U ) zur Spannung (U₀) addiert wird.

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3. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Diskriminator (20) auf eine Überspannung von wenigen Prozent, insbesondere etwa 5 %, anspricht und ein mit steigender Spannung (U ) stark ansteigendes Fehlersignal (U.) abgibt.

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Zusatzsignalgeber (19), der vom Sollwert (U^) angesteuert ist und, beginnend mit einem der Nennspannung entsprechenden Wert, ein mit dem Sollwert steigendes Zusatzsigrial (Uj) abgibt.

5. Schaltung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nennspannung durch eine dem Sollwertgeber (7) nachgeschaltete Begrenzerschaltung (8) vorgegeben ist und die Ansprechwerte des Diskriminators (20) und des Zusatzsignalgebers (19) fest liegen.

6. Schaltung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nennspannung durch die maximale Spannung (U ) der Gleichspannungsversorgung (5) vorgegeben ist und die Kennlinien einsdSLießlich der Ansprechwerte des Diskrlminators (120) und des Zusatzsignalgebers (119) entsprechend dieser maximalen Spannung verlagerbar sind.

7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dynamische Übertragungsfunktion von Diskriminator (20, 12o) und Frequenzgeber (18, 118) eine kurze lineare Anstiegszeit von 1 bis 4, vorzugsweise etwa 2 Hz/ms, und eine etwas längere Abfallzeit mit einer Zeitkonstante von etwa 0,1 bis 0,2 s hat.

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