DE3030694A1

DE3030694A1 - Steuerung des leistungsfaktors fuer wechselrichtergetriebene asynchronmotoren

Info

Publication number: DE3030694A1
Application number: DE19803030694
Authority: DE
Inventors: Edward Currier Newfield N.Y. Siemon
Original assignee: Borg Warner Corp
Current assignee: Dana Inc
Priority date: 1979-09-04
Filing date: 1980-08-14
Publication date: 1981-03-19
Also published as: US4291264A; CA1145393A; AU529745B2; GB2058416A; FR2464520B1; JPS5683292A; ES8105870A1; ES494738A0; DE3030694C2; FR2464520A1; GB2058416B; AU6139280A; KR830003960A; KR830001747B1

Description

Die Erfindung betrifft die Steuerung des Leistungsfaktors zum Betrieb eines wechselrichtergetriebenen Asynchronmotors mit einem konstanten Soll-Leistungsfaktor, um die Stromaufnahme unabhängig von Laständerungen am Motor herabzusetzen. Schaltungen für die Steuerung des Leistungsfaktors wurden zur Veränderung der Leistungsaufnahme für einen Asynchronmotor bei sich ändernden Belastungen entwickelt, um Energie zu sparen oder den Wirkungsgrad des Motors zu erhöhen. Ist keine Steuerung des Leistungsfaktors vorhanden, so kann die Blindleistung eines Asynchronmotors verhältnismäßig hoch sein, wenn der Motor unbelastet oder nur teilweise belastet ist, wodurch sehr viel Strom verbraucht wird. Die erfindungsgemäße Steuerung des Leistungsfaktors, die sich besonders eignet, wenn der Asynchronmotor durch die Ausgangsspannung eines Wechselrichters angetrieben wird, ist in seinem Aufbau erheblich einfacher als die früheren Steuereinrichtungen für den Leistungsfaktor und weist eine erhebliche Leistungsverbesserung auf.

Die erfindungsgemäße Steuerung steuert den Leistungsfaktor eines von der Ausgangsspannung eines Wechselrichters angetriebenen Asynchronmotors, wobei der Wechselrichter seinerseits durch eine Gleichspannung aus einer Gleichspannungswechselschiene oder einem Gleichspannungsnetz beaufschlagt wird, wobei der Gleichstrom aus der Sammelschiene abwechselnd durch den Wechselrichter zum Motor als Wirkstrom und vom Motor über den Wechselrichter zur Gleichstromquelle zurück als Blindstrom fließt. Die Steuerung des Leistungsfaktors umfaßt Einrichtungen zum Abgreifen des Gleichstroms sowie zur Umsetzung des Gleichstroms in eine Wechselspannung, die um die Nullachse herum schwingt und den Ist-Leistungsfaktor im Asynchronmotor anzeigt, wobei die Spannung über der Nullachse den zum Motor flie-

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ßenden Wirkstroiti darstellt, während die Spannung unter der Achse den vom Motor zurückfließenden Blindstrom abbildet. Es sind Vorrichtungen mit eingeschlossen, um die Wechselspannung mit der Bezugsspannung zur Erzeugung einer Fehlerspannung zu vergleichen, die sich in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Soll-Leistungsfaktor und dem Ist-Leistungsfaktor verändert. Schließlich arbeitet eine Steuereinrichtung in Abhängigkeit von der Fehlerspannung zur Veränderung der Amplitude der Wechselrichterspannung, um den Blindstrom zur Aufrechterhaltung des Soll-Leistungsfaktors zu beeinflussen.

Die Erfindung ist nachstehend näher erläutert. Alle in der Beschreibung enthaltenen Merkmale und Maßnahmen können von erfindungswesentlicher Bedeutung sein. Die Zeichnungen zeigen: Fig. 1 einen Stromlaufplan der erfindungsgemäßen Steuerung

des Leistungsfaktors sowie die Art und Weise, in welcher die Steuerung an den wechselrichtergetriebenen Asynchronmotor angekoppelt ist und diesen regelt. Fig. 2 bestimmte Wellenformen zur Erläuterung der Arbeitsweise der Steuerung.

Die Anordnung und Betriebsweise der Bauteile 10-24 ist im großen und ganzen herkömmlich und allgemein bekannt. Kurz gesagt, die gesteuerte Gleichspannungsversorgung 10 kann als ein bekannter phasengeregelter Gleichrichter ausgelegt sein, an dem über eine Leitung 11 eine Eingangswechselspannung (entweder ein- oder dreiphasig) anliegt, und der an eine Gleichspannungssammelschiene eine Gleichspannung abgibt, deren Größe durch ein über eine Leitung 12 her anliegendes Befehlssignal bestimmt wird. Die Amplitude der

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Gleichspannung bestimmt dann wieder die Amplitude der Ausgangsspannung des Wechselrichters 14. Die Frequenz der Ausgangsspannung des Wechselrichters wird durch die Impulsfolgefrequenz der Taktimpulse bestimmt, die über eine Leitung 15 von einem gesteuerten Oszillator 16 anliegen. Der Oszillator kann gesteuert werden, um seine Oszillatorfrequenz in Abhängigkeit von einem entsprechenden Steuersignal für einen Parameter abzustimmen. Die Oszillatorfrequenz (und damit auch die Frequenz der Wechselrichterspannung) kann auch, wie aus Gründen der Einfachheit dargestellt ist, einfach durch einen von Hand bedienbaren Einstellknopf 16a verändert werden.

Die Ausgangsspannung des Wechselrichters 14 liegt an einem Asynchronmotor 18 an und bewirkt dessen Lauf mit einer Drehzahl, die durch die Wechselrichterfrequenz bestimmt wird und dieser direkt proportional ist. Der Motor seinerseits dreht eine Welle 19, um eine veränderliche mechanische Last 21 damit zu betreiben.

Der über die Leitung 12 an der Gleichspannungsversorgung 10 anliegende Befehl wird durch einen herkömmlichen Spannungsfrequenzregler 22 erzeugt, der in Abhängigkeit von den Taktimpulsen arbeitet, die über eine Leitung 23 vom Oszillator 16 her anliegen sowie auch in Abhängigkeit von der über eine Leitung 24 von der Gleichspannungssammelschiene her anliegenden Gleichspannung. Wenn unabhängig von der Motordrehzahl ein konstantes Ausgangsdrehmoment beibehalten werden soll, ist es allgemein üblich, die Anlage so zu betreiben, daß im wesentlichen das Verhältnis von Amplitude zur Frequenz der Wechselrichterspannung für den Motor konstant gehalten wird. Dies erfolgt durch die Schaltung 22, deren Auslegung allgemein bekannt ist. Der Regler 22 vergleicht die Größe der Gleichspannung

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auf der Gleichspannungsschiene (die die Größe der Amplitude der Wechselrichterausgangsspannung bestimmt) mit der Oszillatorfrequenz und setzt den Befehl auf den zur Aufrechterhaltung des gewünschten Verhältnisses erforderlichen Pegel. Wenn der Knopf 16a gedreht wird, um eine neue und höhere Motordrehzahl zu wählen, dann ändert der Regler 22 beispielsweise automatisch den Befehl, um die am Wechselrichter 14 anliegende Gleichspannung zu erhöhen. Der Befehl ist daher direkt proportional zur Frequenz und zur Amplitude der Wechselr i chter spannung.

Da sowohl Wirkstrom als auch Blindstrom im Motor 18 verlorengeht, fließt nicht der gesamte Strom der Gleichstromschiene in Richtung von der Stromversorgung 10 über den Wechselrichter 14 zum Asynchronmotor. Ein Teil des Stromes in der Gleichstromschiene fließt praktisch in Gegenrichtung vom Motor 18 zurück zur Stromversorgung 10. Besonders während eines Teils der Zeitspanne zwischen den SchaIterbetätigungen im Wechselrichter fließt der Strom in der Gleichstromschiene zum Motor als Wirkstrom. Andererseits kommutiert während des restlichen Teils der einzelnen Zeitspannen der Strom der Gleichstromschiene und fließt vom Motor 18 zur Stromversorgung 10 als Blindstrom zurück. Das Verhältnis zwischen Wirkstrom und Blindstrom stellt den Leistungsfaktor im Motor dar. Erhält man das Verhältnis auf einem vorgegebenen Pegel, so kann der Leistungsfaktor selbst bei Laständerungen am Motor 18, welche den Blindstrom zu verändern bestrebt sind, auf einem optimalen Soll-Wert gehalten werden, um den Wirkungsgrad des Motors und den Stromverbrauch zu verbessern.

Diese Steuerung des Leistungsfaktors wird durch Einsatz eines Wider-

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Standes 27 sowie eines als integrierte Schaltung ausgelegten Differentialverstärkers 28 bewirkt, die den Strom der Gleichstromschiene abgreifen und daraus eine Wechselspannung (Wellenform A in Fig. 2) entwickeln, die um die Nullachse schwingt und den Ist-Leistungsfaktor des Asynchronmotors darstellt. In der Praxis wird der Schienenstrom in eine Spannung umgesetzt, die diesem Strom proportional ist. Die Frequenz der Spannungswellenform A ist daher der Frequenz der Ausgangsspannung des Wechselrichters direkt proportional und durch die Anzahl der Schaltvorgänge der Halbleiterschalter des Wechselrichters bestimmt, die jeden Zyklus der Ausgangsspannung des Wechselrichters vollenden. Wenn beispielsweise die Ausgangsspannung des Wechselrichters die bekannte sechsstufige Wellenform aufweist (um sich einer Sinuswelle anzunähern), dann beträgt die Frequenz der Wellenform A das Sechsfache der Ausgangsfrequenz des Wechselrichters. Die Spannung der Wellenform A über der Nullachse stellt den zum Motor fließenden Wirkstrom dar, während die Spannung unter der Achse den vom Motor herkommenden Blindstrom zeigt. Natürlich ist der Leistungsfaktor um so höher, je größer das Verhältnis zwischen Wirk- und Blindstrom ist.

Um zu ermitteln, ob der Ist-Leistungsfaktor, der durch die Wellenform A dargestellt wird, auf dem Sollpegel liegt, werden der Ist- und der Soll-Leistungsfaktor in einem als Vergleichsschaltung arbeitenden und aus integrierter Schaltung aufgebauten Verstärker 31 miteinander verglichen. Die den Ist-Leistungsfaktor darstellende Wellenspannung (Wellenform A) liegt am nichtinvertierenden oder positiven Eingang des Verstärkers 31 an, während eine Bezugsgleichspannung am Knotenpunkt zwischen einem Festwiderstand 32 und einem Regelwiderstand 33 an den negativen oder Inversionseingang geführt

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ist. Während einer jeden Periode der Wellenform A wird die Spannung am positiven Eingang des Verstärkers 31 zunächst kleiner als die (oder negativ gegenüber der) Bezugsspannung am negativen Eingang und dann größer als die (oder positive gegenüber der) Bezugsspannung. Als Ergebnis schaltet die Ausgangsspannung des Verstärkers 31 abrupt von einem verhältnismäßig hohen Pegel auf einen verhältnismäßig niedrigen Pegel um (im wesentlichen OV), wenn die Spannung am positiven Eingang kleiner wird als die Bezugsspannung. Wenn andererseits die positive Eingangsspannung größer wird als die Bezugsspannung am negativen Eingang, schaltet der Verstärker 31 plötzlich auf seinen verhältnismäßig hohen Ausgangspegel um.

Daraus geht hervor, daß der Bezugsspannungspegel den Soll-Leistungsfaktor darstellen kann, wobei die Wellenform der Ausgangsspannung des Verstärkers 31 die Abweichung des Ist-Leistungsfaktors gegenüber dem Soll-Leistungsfaktor darstellt. Durch Nachregelung des Widerstandes 33 kann der gewünschte Soll-Leistungsfaktor, mit welchem der Motor arbeiten soll, gewählt werden.

Es sei angenommen, daß der Halbleiteranalogschalter 35 geschlossen ist, daß das Ausgangssignal des Verstärkers 31 den Transistor 36 abwechselnd an- und abschaltet, worauf das Ausgangssignal verstärkt, jedoch phasenverkehrt (Wellenform B) am Knotenpunkt zwischen den Widerständen 37 und 38 anliegt. Das Rechtecksignal der Wellenform B weist somit ein Tastverhältnis auf, das der Differenz zwischen dem Soll- und dem Ist-Leistungsfaktor proportional ist. Ein Widerstand 38 und ein Kondensator 39 bilden einen Integrations- oder Mittelwertbildungskreis zur Integration des Rechtecksignals, um eine Fehlerspannung zu erzeugen, die sich in Abhängigkeit von der

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Differenz zwischen dem Soll- und Ist-Leistungsfaktor ändert. Diese Fehlerspannung wird durch den aus integrierter Schaltung aufgebauten Verstärker 41 verstärkt und gelangt über eine Leitung 42 an die Gleichstromversorgung 10, um die am Wechselrichter 14 anliegende Gleichspannung zu verändern und dadurch die Wechselrichterausgangsspannung einzustellen und die Blindleistung nach Bedarf zu ändern, um den Soll-Leistungsfaktor aufrechtzuerhalten. Wenn beispielsweise die Last am Motor 18 abnimmt, ist der Blindstrom bestrebt anzusteigen und bewirkt, daß der Ist-Leistungsfaktor vom Sollwert abweicht. Daher ändert sich das Tastverhältnis des Ausgangssignals des Verstärkers 31, und die Fehlerspannung steigt an und bewirkt, daß die Motorspannung abfällt und damit auch der Blindstrom kleiner wird, bis der Soll-Leistungsfaktor wieder aufgebaut ist.

Es sei bemerkt, daß die Fehlerspannung auf der Leitung 42 auch am Regler 22 anliegt. Die Wirkung dieser Spannung besteht darin, das Amplituden-Frequenzverhältnis der Wechselrichterspannung in Abhängigkeit von FehlerSpannungsänderungen zu verändern, so daß die Frequenz (und damit die Motordrehzahl) im wesentlichen trotz Amplitudenänderungen der Wechselrichterspannung gleich bleiben. Andererseits kann es für einige Anwendungen der Erfindung zweckmäßig sein, die Frequenz der Wechselrichterspannung bei abnehmender Amplitude zu erhöhen, um einen ansteigenden Motorschlupf zu kompensieren, der sich durch eine Verringerung der Motorspannung ergibt. Dies wird dadurch erreicht, daß die Fehlerspannung über eine Leitung 43 an den gesteuerten Oszillator 16 geleitet wird.

Für die Beschreibung der Arbeitsweise der Erfindung sei angenommen,

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daß der Analogschalter 35 geschlossen ist, wodurch die Steuerungsanlage für den Leistungsfaktor beaufschlagt wird. Der Zweck des Schalters 35 und seiner Steuerschaltung besteht darin, die Anschaltung der Steueranlage des Leistungsfaktors so lange zu verzögern, bis die Frequenz der Wechselrichterspannung einen bestimmten Minimalpegel erreicht, wodurch der Wechselrichter anlaufen kann. Das vom Regler 22 erzeugte und der Frequenz der Wechselrichterspannung proportionale Befehlssignal liegt am positiven Eingang eines aus integrierter Schaltung aufgebauten Verstärkers 45 an, der als Vergleichsschaltung dient, und die negative Eingangsspannung ist an einen Spannungsteiler gekoppelt, an dem auch eine Bezugsspannung anliegt, die eine bestimmte Minimalfrequenz darstellt.

Während des Anlaufens und bis zum Erreichen der Minimalfrequenz ist die am positiven Eingang der Vergleichsschaltung 45 anliegende Spannung kleiner als die negative Eingangsspannung, wodurch die Ausgangsspannung der Vergleichsschaltung verhältnismäßig niedrig ist (im wesentlichen OV) und der Schalter 35 geöffnet bleibt. Beim Erreichen der Minimalfrequenz übersteigt jedoch die positive Eingangsspannung die Bezugsspannung am negativen Eingang, worauf die Ausgangsspannung der Vergleichsschaltung auf ihren verhältnismäßig hohen Pegel umschaltet. Diese Ausgangsspannung der Vergleichsschaltung 45 stellt ein Schließsignal für den Betätigungsschalter 35 dar, der schließt und damit den Betrieb der Steuerung ermöglicht.

Ein aus integrierter Schaltung aufgebauter Verstärker 46 und seine zugeordneten Schaltbauteile bilden lediglich eine Klemmschaltung zur Begrenzung der Amplitude der Fehlerspannung auf einen vorgegebenen Maximalpegel. Die Fehlerspannung auf der Leitung 42 kann

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nicht größer werden als die Spannung am positiven Eingang des Verstärkers 46. Dies ist ein vorteilhaftes Merkmal, da bei einigen Motorfrequenzen und Lastbedingungen ein hoher Leistungsfaktor praktisch nicht erreichbar ist, selbst wenn die Motorspannung fast auf OV zurückgenommen wird. Mit der Klemmschaltung kann eine maximale Verringerung der Motorspannung von ihrem Nennwert zulässigerweise erreicht werden.

Außer dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel sind noch weitere möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

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Leerseite

Claims

Borg-Warner Corporation South Michigan Av. 11. August 1980 Chicago, 111.60604, USA Anwaltsakte M-5275 Steuerung des Leistungsfaktors für wechselrichtergetriebene Asynchronmotoren Patentansprüche

1. !Steuerung des Leistungsfaktors eines durch die Ausgangsspannung eines Wechselrichters angetriebenen Asynchronmotors, wobei der Wechselrichter von einer Gleichspannung beaufschlagt wird, die über eine Gleichspannungssaitimelschiene von einer Gleichspannungsquelle her an ihm anliegt und der Gleichspannungsschienenstrom abwechselnd über den Wechselrichter zum Motor als Wirkstrom und vom Motor zurück über den Wechselrichter zur Gleichspannungsquelle als Blindstrom fließt, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung folgende Baugruppen umfaßt:

eine Vorrichtung (27,28) zum Abgreifen des Sammelschienengleichstroms sowie zur Entwicklung einer Wechselspannung aus diesem Gleichstrom, die um eine Nullachse herum schwingt und den Ist-Leistungsfaktor des Asynchronmotors darstellt, wobei die Spannung über der Nullachse den zum Motor fließenden Wirkstrom und die Spannung unter der Nullachse den vom Motor abfließenden Blind-

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strom darstellt,

eine Vorrichtung (32,33) zur Erzeugung einer Bezugsspannung, die den Soll-Leistungsfaktor des Asynchronmotors darstellt,
eine Vorrichtung (31-42) zum Vergleich der Wechselspannung mit der Bezugspannung, um eine Fehlerspannung zu erzeugen, die sich in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Soll- und dem
Ist-Leistungsfaktor verändert, und Regeleinrichtungen (10,22), die in Abhängigkeit von der Fehlerspannung die Amplitude der
Wechselrichterspannung verändern, wodurch der Blindstrom verändert wird, um den Soll-Leistungsfaktor aufrechtzuerhalten.

2. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsspannung eine Gleichspannung von bestimmter Größe ist sowie dadurch, daß die Vergleichseinrichtungen eine Vergleichsschaltung (31) umfassen, an deren einem Eingang die Wechselspannung und an deren anderen Eingang die Bezugspannung anliegt, sodann dadurch, daß die Vergleichsschaltung (31) ein Rechtecksignal·
(Fig. 2B) erzeugt, dessen Tastverhäitnis proportional· der Differenz zwischen dem Soil·- und dem Ist-Leistungsfaktor ist und
schließlich dadurch, daß die Vergleichseinrichtungen auch eine Integrationsschaltung (38,39) umfassen, um das Rechtecksignal
zu integrieren und die Fehlerspannung zu erzeugen.

3. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie die von der Gleichspannungsversorgung (10) erzeugte Gieichspannung verändert, um die Ampiitude der am Motor (18) aniiegenden Ausgangsspannung des Wechseirichters (14) nachzustehen.

4. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vor-

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richtung (33) die Bezugsspannung verändert, um den Soll-Leistungsfaktor einzustellen, mit welchem der Motor (18) arbeitet.

5. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (22) in Abhängigkeit von der Fehlerspannung die Frequenz der Wechselrichterspannung im wesentlichen konstant hält, wodurch auch die Motordrehzahl trotz Veränderungen der Amplitude der Wechselrichterspannung im wesentlichen konstant gehalten werden kann.

6. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (16) in Abhängigkeit von der Fehlerspannung die Frequenz der Wechselrichterspannung bei abnehmender Amplitude erhöht, um einen verstärkten Motorschlupf zu kompensieren, der durch eine Herabsetzung der Motorspannung verursacht wird.

7. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Klemmschaltung (46) die Amplitude der Fehlerspannung auf einen vorgegebenen Maximalpegel begrenzt.

8. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Vorrichtungen (35,45) ihre Anschaltung so lange verzögern, bis die Frequenz der Wechselrichterspannung einen vorgegebenen Pegel erreicht, um dadurch das Anlaufen des Wechselrichters (14) zu ermöglichen.

9. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (35) die Vergleichsschaltung (31) beaufschlagt, daß eine weitere Vorrichtung (22) einen Befehl abgibt, dessen Span-

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nung proportional zur Frequenz der Wechselrichterspannung ist sowie dadurch, daß eine weitere Vorrichtung (45) den Befehl mit einem Bezugssignal vergleicht, welches die vorgegebene Minimalfrequenz darstellt, um ein Ansteuerungssignal zu erzeugen, damit der Schalter (35) immer dann schließen kann, wenn die Frequenz der Wechselrichterspannung die vorgegebene Minimalfrequenz übersteigt.

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