DE3032293A1

DE3032293A1 - Wechselrichter-motorverbund mit verschiedenen regelkennlinien fuer wechselrichterspannung und -frequenz

Info

Publication number: DE3032293A1
Application number: DE19803032293
Authority: DE
Inventors: Richard Alan Erth
Original assignee: Borg Warner Corp
Current assignee: York International Corp
Priority date: 1979-09-12
Filing date: 1980-08-27
Publication date: 1981-04-02
Also published as: JPS5698396A; ES8106642A1; GB2058495B; FR2465357A1; CA1160280A; US4317074A; DE3032293C2; FR2465357B1; GB2058495A; ES494910A0

Description

Wechselrichter-Motorverbund mit verschiedenen Regelkennlinien für Wechselrichterspannung und -frequenz

Viele verschiedene Anlagen verwenden jetzt Thyristoren oder andere Schaltbauteile in einem Wechselrichter, um über eine Gleichspannungsschiene eine Eingangsgleichspannung zu erhalten und eine Ausgangswechsel spannung zum Betrieb eines Asychronmotors zu erzeugen. Der Motor ist dann mechanisch mit einer zu betreibenden Last oder einem Verbraucher gekuppelt. Eine Gleichspannungsbrücke oder ein anderes Eingangsbauteil erhält über eine Eingangsleitung eine
Wechselspannung, um in Abhängigkeit von einem Steuersignal einen regelbaren Pegel der Schienen-gleichspannung zur Bespeisung des
Wechselrichters zu erzeugen. Die Wechselrichterfrequenz wird
durch eine logische Schaltung gesteuert, bei welcher die Frequenz eines spannungsgeregelten Oszillators oder eines ähnlichen Bauteils geregelt wird, der seinerseits wieder die Frequenz des
Wechselrichterbetriebes regelt und damit auch die Frequenz der
Wechselrichterspannung.

Bei solchen Anlagen ist es allgemein üblich, die Amplitude und
die Frequenz der Wechselrichterspannung linear nach der gleichen Regelkennlinie zu regeln. Diese wird häufig eine "konstante V/f-Operation" oder konstante Spannungs-Frequenz-Operation genannt. Damit wird sichergestellt, daß bei höheren Leistungspegeln genügend Strom in den magnetischen Motorkreisen fließt, um den Solldrehmomentpegel aufrechtzuerhalten. Bestimmte Fachleute erkannten

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die Möglichkeit der Regelung der Amplitude und Frequenz der Ausgangsspannung des Wechselrichters in einer anderen Weise als in der Betriebsart einer konstanten V/f. Beispielsweise zeigt die US-Patentschrift Nr. 3 467 904 die Erzeugung einer Wechselrich-

£ terausgangsspannung, bei welcher die Frequenz verändert wird, um die Drehzahl eines Motors zu regeln, während die Spannungsamplitude konstant bleibt. Natürlich vereinfacht dieses den Aufbau der Gleichrichtereingangsbrücke, die mit passiven Bauelementen bestückt werden kann, um eine konstante Gleichspannung auf der Sammelschiene zur Erregung des Wechselrichters zu erzeugen.Diese Einrichtung bietet jedoch nicht die Vielseitigkeit bei der Erzeugung einer Sollkennlinie zur Spannungsregelung, die anders zu re-

;' geln ist, als die Frequenzkennlinie der Wechselrichterausgangsspannung.

Somit besteht die Aufgäbe.der Erfindung darin, eine Wechselrichter-Motorsteuerung zur Regelung sowohl der Frequenz als auch der Amplitude der Wechselrichterausgangsspannung zu schaffen, jedoch gemäß verschiedenen Kennlinien, um eine angestrebte Gesamtregelfunktion zu erreichen. Insbesondere soll die Erfindung eine Anordnung schaffen, welche in Verbindung mit einer Gleichspannungseingangsbrücke dsn Betrieb der gesamten Anlage so regelt, daß der Leistungsfaktor der Anlage nicht abgeschwächt wird, wenn diese von einer 100%igen Last auf einen Betriebspegel herabgefahren wird, der wesentlich unter einer Belastung von 100% liegt.

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Die erfindungsgemäße Regelung ist für einen Wechselrichter zweckmäßig, der einen elektrischen Motor antreibt. Der Wechselrichter

über
gibt / eine Ausgangsleitung eine Ausgangswechselspannung an den Motor ab, wenn er durch eine Gleichspannung über eine Gleichspannungsschiene angesteuert wird. Eine regelbare Gleichspannungsbrücke dient zur Versorgung der Gleichspannung für die Gleichs ρ annung s s ch iene.

Die Regelanlage oder der Regler umfaßt Schaltungen zur Erzeugung eines Regelsignals, das sich in Abhängigkeit von der Amplitude des Motorstromes ändert. Dieses Signal dient zur Steuerung der Frequenz der Ausgangsspannung des Wechselrichters.

Erfindungsgemäß ist ein Konstantspannungskreis an die Schaltung gekoppelt und erzeugt ein verändertes Steuersignal. Dieses veränderte Steuersignal regelt die Gleichspannungseingangsbrücke und damit auch die Amplitude der Schienengleichspannung. Die Spannung wird so geregelt, daß die gesamte Anlage von einem 100%-igen Belastungszustand auf einen verringerten Arbeitspegel herabgefahren wird, der erheblich unter der Vollast liegt, wobei die Frequenz der Wechselrichterausgangsspannung schrittweise verringert wird, jedoch die Amplitude dieser Wechselrichterausgangsspannung im wesentlichen konstant bleibt. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde die Spannungsamplitude konstant bis herab zu einem 70%-igen Lastzustand gehalten, und dann von diesem Punkt an linear gleichzeitig mit der Betriebsfrequenz des Wechselrichters verringert. Auf diese Weise wurde eine Phasennacheilung der Eingangsbrücke im Bereich zwischen 100 und 70% Last

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vermieden und damit auch eine Abschwächung des Leistungsfaktors ausgeschlossen. Dadurch wird erhebliche Energie mit der entsprechenden Verringerung der Stromrechnung erzielt.

Die Erfindung ist nachstehend näher erläutert. Alle in der Beschreibung enthaltenen Merkmale und Maßnahmen können von erfindungswesentlicher Bedeutung sein. Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Verbundschaltung von Eingangsbrücke-Wechselrichter-Motor, der ein erfindungsgemäßer Regler zugeschaltet ist.

Fig. 2 ein Kurvenbild zur Erläuterung der Arbeitsweise der Erfindung .

Fig. 3 einen Stromlaufplan eines bevorzugten Ausführungsbeispieles der Erfindung.

In Fig. 1 gibt ein Wechselrichter 10 Wechselspannung fiber eine Ausgangsleitung zum Antrieb eine Motors 12 ab, der über eine Welle 13 eine entsprechende mechanische Last 14 antreibt. Die Erfindung wurde für eine große Last wie einen Turboverdichter in einer Kühlanlage entwickelt. Der Fachmann erkennt jedoch, daß die Grundlagen der Erfindung auf alle Wechselrichter-Motorverbundeinrichtungen anwendbar sind, bei welchen eine verstellbare Gleichspannungseingangsbrücke 15 vorgesehen ist, an welcher eine Spannung über eine Wechselspannungseingangsleitung 16 anliegt und die eine regelbare Ausgangsgleichspannung an eine Sammelschiene

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abgibt. Die Arbeitsweise der Gleichspannungsbrücke wird als Funktion von Signalen geregelt, die über eine Leitung 20 von einem Brückentriggerkreis 21 her anliegen, der seinerseits eine Steuersignal über eine Leitung 22 erhält. Die Frequenz der Wechselrichterausgangsspannung v/ird durch Signale bestimmt, die am Wechselrichter über eine Leitung 23 von einer Stufe 24 her anliegen,welche die logischen und die Steuerstufen umfaßt, um Schaltsignale an die Wechselrichterschalter in Abhängigkeit von Taktsignalen durchzusteuern, die über eine Leitung 25 von einem spannungsgeregelten Oszillator 26 her anliegen. Der spannungsgeregelte Oszillator 26 wird seinerseits durch ein Steuersignal, das von einer Leitung 27 her anliegt, gesteuert.

Bei herkömmlichen Anlagen, bei welchen die Spannung und Frequenz zusammen in einer konstanten V/f-Weise geregelt werden, ist der an der Leitung 16 aufscheinende Leistungsfaktor erheblich schlechter, wenn die Phase des Zündwinkels der Thyristoren in der Gleichspannungsbrücke 15 nacheilt. Dadurch wird zusätzliche Leistung gebraucht, was eine Erhöhung der Stromrechnung zur Folge hat,besonders bei leichten Lasten, bei denen der Leistungsfaktor viel schlechter ist.

Erfindungsgemäß umfaßt der Regler 30 Vorrichtungen, besondere einen Konstantspannungskreis 31, zur Regelung der Arbeitsweise der Gleichspannungsbrücke in unterschiedlicher Weise gegenüber der Arbeitsweise des spannungsgesteuerten Oszillators, um eine unterschiedliche Kennlinie für die Wechselrichterausgangsspannung im Vergleich zur Änderung der Wechselrichterausgangsfrequenz zu gewinnen. Der Regler 30 umfaßt eine Funktionsgeberstufe 32 _·>/-,_

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zur Erzeugung eines Sollregelsignals, das einer Bezugsleitung 33 aufgeprägt wird, um schließlich sowohl die Frequenz als auch die Amplitude der Wechselrichterausgangsspannung zu regeln. Bei dieser Anlage erhält ein MotorStromfühler 34 ein Motorstromabgriffsignal über eine Leitung 35 von einem Stromtransformator 36, der zwischen dem Wechselrichter 10 und dem Motor 12 in die Ausgangsleitung 11 geschaltet ist. Die Stufe 34 gibtdann ein Änderungsoder Umsteuerungssignal über eine Leitung 37 an den Funktionsgeber 32, um die Erzeugung eines Regelsignals auf der Leitung 33 zu unterstützen. Genaue Einzelheiten der Schaltung der Stufen 32 und 34 werden nicht mitgeteilt, da sie im allgemeinen als Schaltungen angesehen werden können, die zur Erzeugung eines Regelsignals eingesetzt sind, das sich in Abhängigkeit vom Pegel des Motorstromes ändert und zur Regelung der Frequenz der Wechselrichterausgangsspannung in Abhängigkeit vom Regelsignal auf der Leitung 33 dient. Dies wird dadurch erreicht, daß ein Regelsignal von der Leitung 33 über die Leitung 27 an den spannungsgeregelten Oszillator 26 abgegeben wird, der die logischen und Treiberschaltungen steuert, um die Frequenz der Schalteinrichtungen im Wechselrichter 10 zu steuern und damit die Frequenz der Ausgangsspannung des Wechselrichters 10 zu regeln.

Ein Schienengleichspannungsregler 40 erhält von der Gleichspannungsschiene ein Eingangssignal über eine Leitung 41, das den Pegel der an den Wechselrichter gelangenden Gleichspannung anzeigt. Das Ausgangssignal des Reglers 40 läuft über die Leitung 22, um die Taktsteuerung des Brückentriggerkreises 21 zu regeln, der den Zeitpunkt in jeder Periode bestimmt, in welchem die

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Thyristoren oder andere Schalter der Gleichspannungsbrücke 15 angeschaltet werden und damit die Amplitude der an den Wechselrichter gelangenden Gleichspannung regeln. Um einen konstanten V/f-Betrieb zu erzielen, liegt am Schienengleichspannungsregler ein Eingangssignal von der Leitung 33 her an, so daß ein Ausgangsoder abgändertes Regelsignal sich mit der gleichen Kennlinie ändert wie die der Frequenzänderung, die im allgemeinen durch die Kurve 42 in Pig. 2 dargestellt ist.

Erfindungsgemäß wird jedoch der Konstantspannungskreis 31 zwischen die Leitung 33 und den Schienengleichspannungsregler geschaltet, wodurch ein Signal auf eine Leitung 43 abgegeben wird, um die Arbeitsweise des Gleichspannungsschienenreglers 40 abzuändern und ein abgeändertes Regelsignal an die Leitung 22 abzugeben. Das heißt, der Konstantspannungskreis 31 gibt ein Signal an die Leitung 43 ab, dessen Charakteristik durch die Kurve 44 in Fig. 2 dargestellt ist. Der Konstantspannungskreis 31 besitzt ein viel höheren Verstärkungsfaktor im Anfangsteil des Betriebsspektrums der Anlage, so daß die Spannung an der Gleichspannungsschiene 17 bei 70% Belastung bereits 100% der Nennspannung überschritten hat, obwohl die Frequenz doch erheblich unter der normalen Betriebsfrequenz des Wechselrichters liegt. Dies ist erfindungswesentlich, weil nach dem Vollästbetrieb der Anlage und anschließender Zurücknahme von diesem Vollastbetrieb ein schlechter Leistungsfaktor auf der Eingangsleitung 16 vom Netz her aufscheint, wenn die Gleichspannungsbrücke 15 entsprechend zurückgestuft wird. Eine größere Blindleistung ist zur Erfüllung einer gegebenen

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Nachfrage erforderlich, und dies führt zu entsprechenden unnötigen hohen Stromrechnungen. Wenn jedoch die Amplitude der Schienengleichspannung auf 100% gehalten wird, wenn die Anlage auf einen Betriebspegel herabgefahren wird, der erheblich unter der Volllast liegt, dann wird eine Herabstufung oder ein Nacheilen der Gleichspannungsbrücke vermieden und somit ein guter Leistungsfaktor erzielt. Für die Zwecke der Erläuterung bedeutet ein Herabfahren auf einen Betriebspegel weit unter 100% der Vollast mindestens 80% der Nennlast, obwohl beim bevorzugten Ausführungsbeispiel vorzugsweise dieser Arbeitspunkt auf 70% der Vollast herabgesetzt wurde, ehe auch die Schienengleichspannung verringert wird.

Im allgemeinen dient die Konstantspannungsstufe 31 zur Erhöhung des Verstärkungsfaktors des über die Leitung 43 am Schienengleichspannungsregler anliegenden Signals im Gegensatz zum Pegel des Signals, das über die Leitung 27 am spannungsgeregelten Oszillator anliegt, wodurch sich die vorstehend beschriebene verbesserte Regelung des Leistungsfaktors ergibt, um den höheren Verstärkungsfaktor zu erzielen, wird der in Fig. 3 gezeigte Verstärker 3302 über einen Widerstand von 20 k 0hm an die Leitung 31 angeschlossen. Dieser Verstärker erzeugt den entsprechenden Verstärkungsgrad, um die Steilheit der Stufe 44 der Fig. 2 zu bewirken. Der Widerstand von 100k 0hm ist ein Bauteil, das einfach entfernt werden kann, z.B. mit einer Drahtschere, um die Arbeitsweise des Verstärkers 3302 so abzuändern, daß er an die Leitung 43 eine Spannung abgibt, die genau gleich ist der Spannung auf der Leitung 31. Das heißt, der Verstärker 3302 und sein zugehöriger

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Schaltkreis wird modifiziert, um einen Verstärkungsgrad von Eins zu erhalten, wenn der Widerstand von 10Ok Ohm entfernt wird,wodurch sich ein konstanter Betrieb V/f ergibt, der durch die Kurve 42 in Fig. 2 dargestellt ist. Der Verstärker 2902 ist als Klemmenoder Begrenzungsverstärker geschaltet, um zu gewährleisten, daß das Ausgangssignal auf der Leitung 43 einen bestimmten Pegel,z.B. 10V nicht überschreitet, der auch der Maximalpegel für das Signal auf der Leitung 31 ist. Mit dem zugeschalteten Widerstand von 100k 0hm bleibt die Schienengleichspannung auf ihrem Maximalpegel von Vollast bis herab zur Last von 70%, selbst wenn die vom Signal auf der Leitung 33 bestimmte Frequenz verringert wird, wie es die Kurve 42 in Fig. 2 zeigt. Dadurch wird am Eingang des Wechselrichters ein schlechter Leistungsfaktor ausgeschlossen. Somit ergibt sich eine Verringerung der aus dem Netz entnommenen Ist-Leistung, weil der Asynchronmotor mit einer niedrigeren Frequenz betrieben werden kann, woraus sich wegen der Leistung der Anlage eine Energieeinsparung ergibt.

Im Gegensatz zu Wechselrichter-Motorverbundeinrichtungen, die bei verringerten Amplituden und Frequenzen während des Anlaufens gesteuert werden, wurde die Erfindung entwickelt, um eine maximale EingangsSpannung auf der Gleichspannungsschiene für den Wechselrichter zwischen Vollast und etwa 70% Last aufrechtzuerhalten, während die Frequenz im gleichen Arbeitsbereich linear herabgesetzt wird. Hierfür wird vorzugsweise ein speziell entwickelter Motor eingesetzt. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wurde ein Motor verwendet, der im US-Patent Nr. 4 182 137 beschrieben und beansprucht wird. Natürlich kann auch der in diesem

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Patent beschriebene Motor durch andere Motortypen ersetzt werden, doch wurde diese Anordnung im bevorzugten Aus fülirungsbexspiel eingesetzt und wird für diese Anwendungsart empfohlen.

In den Ansprüchen bedeutet der Ausdruck "verbunden" einen Gleichstromanschluß zwischen zwei Bauteilen mit praktisch Nullgleichstromwiderstand zwischen diesen beiden Bauteilen. Der Ausdruck "gekoppelt" bedeutet eine Funktionsbeziehung zwischen zwei Bauteilen, wobei möglicherweise andere Bauteile zwischen diese beiden als "gekoppelt" oder "zusammengekoppelt" beschriebene Bauteile geschaltet sein können.

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

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Claims

Patentansprüche

1. !Regler für einen einen Elektromotor antreibenden Wechselrich- ^^^^ ter, der an eine Ausgangsleitung eine Wechselspannung an den Motor bei Anliegen einer Gleichspannung über eine Gleichspannungsschiene abgibt und mit einer regelbaren Gleichspannungsbrücke, welche die Gleichspannung an die Gleichspannungsschiene abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltung (34,32) ein Regelsignal erzeugt, das sich in Abhängigkeit vom Pegel des Motorstromes ändert sowie dadurch, an

daß ein/die Schaltung (34,32) gekoppelter Konstanzspannungskreis (31) ein verändertes Regelsignal über die Leitung (22) zur Regelung der Gleichspannungsbrücke (15) abgibt und damit die Amplitude der Schienengleichspannung regelt, um die Amplitude der Wechselrichterausgangsspannung so zu regeln, daß

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bei einem Herabfahren des Wechselrichters von Vollast auf einen Arbeitspegel, der erheblich unter Vollast liegt, die Frequenz der Wechselrichterausgangsspannung schrittweise verringert wird, jedoch die Amplitude der Wechselrichterausgangsspannung im wesentlichen konstant bleibt.

2. Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verringerte Arbeitspegel 80% oder weniger der Vollast beträgt.

3. Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verringerte Arbeitspegel 70% der Vollast beträgt.

4. Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung eine Fühlerstufe (34) für den Motorstrom umfaßt sowie dadurch, daß ein Stromstransformator (36)an die Ausgangsleitung des Wechselrichters (10) gekoppelt ist, um ein Signal zu erzeugen, das sich wie der zur Fühlerstufe für den Motorstrom (34) fließende Motorstrom verändert ferner dadurch, daß ein Funktionsgeber (32) zwischen die Fühlerstufe (34) für den Motorstrom und den Konstanzspannungskreis (31) gekoppelt ist, um das Regelsignal für die Betriebsfrequenz des Wechselrichters (10) zu erzeugen.

5. Regler für eine Kraftübertragungsanlage, dadurch gekennzeichnet, daß ein Elektromotor (12) mit einer Last (14) verbunden ist, daß ein Wechselrichter (10) über eine Ausgangsleitung (11) an den Motor (12) angeschlossen ist, um diesen mit einer Wechselspannung von veränderlicher Amplitude und veränderli-

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eher Frequenz zu beaufschlagen, ferner dadurch, daß eine Gleichstrombrücke (15) zwischen eine Wechselspannungseingangsleitung und eine Gleichspannungsschiene gekoppelt ist, welche den Wechselrichter (10) bespeist, um eine regelbare Gleichspannung zu erzeugen, welche die Amplitude der Wechselrichterausgangsspannung bestimmt, weiter dadurch, daß ein Frequenzregler (32, 34) den Pegel des Stromes abtastet, der dem Motor (12) eingespeist wird und ein Regelsignal für die Frequenz der Wechselrichterausgangsspannung in Abhängigkeit von einer ersten Funktion erzeugt sodann dadurch, daß ein Konstantspannungskreis (31) zwischen den Frequenzregler (32,34) und den Schienengleichspannungsregler (40) geschaltet ist und dessen Arbeitsweise so verändert, daß er ein abgeändertes Regelsignal auf der Leitung (22) zur Regelung der Amplitude der Wechselrichterausgangsspannung in Abhängigkeit mit einer zweiten Funktion erzeugt, die sich von der ersten Funktion unterscheidet, durch welche die Wechselrichterausgangsfrequenz geregelt wird.

6. Regler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Funktion praktisch ein lineares Verhältnis zwischen der Frequenz der Wechselrichterausgangsspannung und der Wechselrichterlast ist, wenn die Last von Vollast auf einen verringerten Pegel herabgefahren wird, der erheblich unter dem Vollastpegel liegt sowie dadurch, daß die zweite Funktion praktisch keine Veränderung der Amplitude der Wechselrichterausgangsspannung zwsichen Vollast und dem verringerten Lastpegel mit sich bringt.

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7. Regler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der verringerte Lastpegel im wesentlichen 70% der Vollast beträgt.

8. Verfahren zur Regelung eines Wechselrichters für einen Elektromotor, der über eine Gleichspannungsschiene von einer Gleich-

',. spannungsbrücke bespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß

der Pegel des dem Motor zugeführten Stromes zur Erzeugung eines Regelsignales abgetastet wird,

" daß das Regelsignal zur Regelung der Frequenz der Wechselrichter aus gangs spannung dient,

ferner dadurch, daß der Pegel der dem Wechselrichter eingespeisten Gleichspannung abgetastet wird, weiter dadurch, daß :i das die Wechselrichterfrequenz regelnde Signal verarbeitet

wird, um ein Zwischensignal zu erzeugen,

*' daß das Zwischensignal zum Signal für den Gleichspannungspegel addiert wird, um ein abgeändertes Regelsignal zu erzeugen und schließlich dadurch,

daß das abgeänderte Regelsignal zur Regelung der Amplitude der dem Wechselrichter zugeführten Schienengleichspannung

^; dient.

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