DE3036120A1

DE3036120A1 - Wechselstrommaschinenantriebsvorrichtung

Info

Publication number: DE3036120A1
Application number: DE19803036120
Authority: DE
Inventors: Allan Barr Plunkett
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1979-10-01
Filing date: 1980-09-25
Publication date: 1981-04-16
Also published as: SE8006633L; GB2059651A; JPS6249838B2; JPS5666194A; US4320331A

Description

GENERAL ELECTRIC COMPANY, Schenectady, N.Y,, VStA Wechselstrommaschinenantriebsvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wechselstrommaschinenantriebsvorrichtung, insbesondere eine transistorisierte Wechselstrommaschinenantriebsvorrichtung mit einem mit Impulsbreitenmodulation betriebenen Wechselrichter, die in Abhängigkeit vom Wechselrichterausgangsstrom geregelt wird, so daß sich ein maximales Maschinendrehmoment bei minimalem Oberwellengehalt ergibt.

Wenn die Drehzahl und das Drehmoment einer Wechselstrommaschine geregelt werden sollen, pflegt man eine Wechselrichter-Maschinenantrieb svorrichtung zu verwenden. Hierbei wird die Wechselstrommaschine, bei der es sich um eine Synchron- oder eine Asynchronmaschine handeln kann, aus einer Gleichstromquelle, gewöhnlich einen phasenanschnittgeregelten Gleichrichter, über einen Wechselrichter mit Viechsei strom versorgt. Derartige Wechselrichter weisen im allgemeinen mehrere Schaltvorrichtungspaare auf, wobei die Schaltvorrichtungen jedes Paares gleichsinnig in Reihe geschaltet sind und alle Paare an der Gleichstromquelle liegen und mit ihrem Verbindungspunkt zwischen den in Reihe geschalteten Schaltvorrichtungen an jeweils eine Maschinenphase angeschlossen sind. Wenn die Schaltvorrichtungen jedes Paares abwechselnd der Reihe nach durchgeschaltet werden, wird der Maschine über den Wechselrichter Wechselstrom zugeführt. Durch entsprechende Beeinflussung des Wechselstroms, der durch den Wechselrichter erzeugt wird, d.h. durch Ändern der Frequenz und Dauer des leitenden Zustands der Wechselrichterschaltvorrichtungen, lassen sich die Drehzahl und das Drehmoment der Maschine entsprechend regeln.

Gewöhnlich handelt es sich bei den Schaltvorrichtungen des Wechselrichters um Thyristoren. Die Anwendung von Starkstrom-

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transistoren in Wechselstroinmaschinenantriebsvorrichtungswechselrichtern ist begrenzt, und. zwar wegen der extremen Empfindlichkeit derzeitiger Transistoren auf übermäßige Spitzenströme. Bei einer typischen transistorisierten Wechselstrommaschinenantriebsvorrichtung werden die Transistoren mit Spitzenströmen belastet, deren Betrag höher als das zweifache des Mittelwerts auf der Gleichstromseite des Wechselrichters ist. Wechselrichtertransistoren lassen sich jedoch nicht durch Sicherungen vor derartigen Spitzenströmen schützen, so daß der Wechselrichter-Zuleitungsstrom begrenzt werden muß, um die Wechselrichtertransistoren zu schützen. Dadurch wird jedoch der Betriebsbereich des Wechselrichters eingeschränkt.

Die Erfindung befaßt sich mit einer transistorisierten Wechselrichter-Maschinenantriebsvorrichtung, die in Abhängigkeit vom Wechselrichterphasenstrom so geregelt wird, daß Wechselrichterüberströme begrenzt sind und das Maschinendrehmoment maximal ist, so daß sich ein günstiges Verhalten der Maschinenantrieb svorrichtung ergibt. Durch Regelung der Wechselrichter-Maschinenantriebsvorrichtung in Abhängigkeit vom Wechselrichterphasenstrom wird die Empfindlichkeit der Maschinenantriebsvorrichtung auf Änderungen der Maschinenparameter minimisiert.

Eine erfindungsgemäße Wechselstrommaschinenantriebsvorrichtung, die ein maximales Drehmoment bei minimalem harmonischem Spitzenstrom abgibt, weist eine Mehrphasenwechselstrommaschine auf, die mit Wechselstrom über einen mit Gleichstrom gespeisten Wechselrichter betrieben wird, wobei jede Phasenkomponente des Wechselrichterausgangsstroms sich in der Frequenz und Amplitude in Abhängigkeit von einem mehrerer Wechselrichterschaltsignale ändert, deren Anzahl gleich der Anzahl der Phasen der Mehrphasenmaschine ist, und die dem Wechselrichter durch eine Regelschaltung zugeführt werden. Die Regelschaltung enthält einen Bezugssignalgenerator, der ein vorzugsweise sinusförmiges Mehrphasenbezugssignal erzeugt, dessen Frequenz und Amplitude

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sich in Abhängigkeit von einer vorbestimmten Maschinenphasenwinkelbeziehung bzw. einer vorbestimmten Stromamplitude ändert. An die Mehrphasenmaschine und den Bezugssignalgenerator sind mehrere Stromregler angeschlossen, deren Anzahl der Phasenzahl der Mehrphasenmaschine entspricht. Jeder Stromregler erzeugt ein Stromregelabweichungssignal, das der Differenz zwischen dem Istwert einer zugehörigen Phasenkomponente des Wechselrichterstroms und einer zugehörigen Phasenkomponente des Mehrphasenbezugssignals proportional ist, und führt dem Wechselrichter ein zugehöriges der Wechselrichterschaltsignale in Abhängigkeit von dem Betrag der Abweichung des Stromregelabweichungssignals vom Istwert der zugehörigen Wechselrichterphasensbromkomponente zu.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein vereinfachtes Schaltbild einer erfindungsgemäßen Wechselstrommaschinenantriebsvorrichtung mit Wechselrichter,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der in der Vorrichtung nach Fig. verwendeten Regelschaltung,

Fig. 3a eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs der von der Einrichtung nach Fig. 2 erzeugten Schaltsignale und

Fig. 3b eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs des Stromregelabweichungssignals und des Istwerts des Wechselrichterstroms, der erzeugt wird, wenn die Maschinenantriebs vorrichtung nach Fig. 1 durch die Schaltung nach Fig. 2 geregelt wird.

Fig. 1 stellt eine erfindungsgemäße Wechselstrommaschinenantriebs vorrichtung 10 dar. Die Maschinenantriebsvorrichtung 10 weist einen Wechselrichter 12 auf, der einer Wechselstrom-

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maschine 14, bei der es sich um eine Asynchron- oder Synchron-Maschine handeln kann, aus einer Gleichstromquelle 16, die gewöhnlich ein Gleichrichter ist, Wechselstrom zuführt. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Wechselstrommaschine eine Dreiphasen-Wechselstrommaschine, während der Wechselrichter 12 drei Schaltvorrichtungspaare aufweist, die jeweils als Transistoren 18a und 18b, 18c und 18d sowie 18e und 18f dargestellt sind. Die Transistoren jedes Schaltvorrichtungspaare s sind gleichsinnig in Reihe geschaltet, und jedes Transistorpaar 18a und 18b, 18c und 18d sowie 18e und 18f liegt an einer Gleichstromquelle 16. Die Verbindungspunkte zwischen den Transistoren 18a und 18b, Transistoren 18c und 18d sowie Transistoren 18e und 18f sind jeweils mit einer der drei Phasen der Wechselstrommaschine 14 verbunden. Vorzugsweise ist jeder der Transistoren 18a bis 18f ein Starkstrom-NPN-Transistör. Zu jeder Kollektor-Emitter-Strecke der Transistoren 18a bis 18f ist jeweils eine Diode 22a bis 22f antiparallel geschaltet. Jede der Dioden 22a bis 22f bildet einen Strompfad parallel zu jeweils einem der Trsmsistoren 18a bis 18f für einen Blindstrom und Maschinenbelastungsstrom, so daß an jeder der drei Phasen der Wechselstrommaschine 14 eine definierte Spannung liegt. Ein Glättungskondensator 24 liegt parallel zu den Transistorpaaren 18a und 18b, 18c und 18d sowie 18e und 18f und bewirkt eine weitere Glättung der von der Gleichstromquelle 16 gelieferten Spannung.

Alle Transistoren der Transistorpaare 18a und 18b, 18c und 18d sowie 18e und 18f werden durch eine Transistorzündlogik 26 jeweils in Abhängigkeit von digitalen Schaltsignalen S^, Sp und S,, die der Transistorzündlogik 26 durch eine (nicht dargestelle) Regelschaltung zugeführt werden, in den leitenden Zustand gesteuert. Die Transistorzündlogik 26 hat drei identische Entkopplung s schaltung en 28 a, 28b und 28 c, die jeweils mit Transi storbasi streiber schaltungspaaren 30 a und 30b, 30c und 3Od sowie 30e und 3Of verbunden sind. Jede der Entkopplungsschaltungen, z.B. die Entkopplungsschaltung 28a, betätigt eine

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der Basistreiberschal "bangen eines zugehörigen Paares der Transistorbasistreiberschal tungspaarej z.B. das Basistreiberschaltungspaar 30a und 30b, in Abhängigkeit von dem dieser Entkopplung sschaltung zugeführten digitalen Schaltsignal. Bei Betätigung durch die Entkopplungsschaltung führt diese jeweils einem entsprechenden Wechselrichtertransistor 18a bis 18f einen Basisstrom zu, der diesen Transistor in den leitenden Zustand steuert. Alle Entkopplungsschaltungen 28a, 28b und 28c sind jeweils so eingestellt, daß wenn eine der Basistreiberschaltungen eines der Transistorbasistreiberschaltungspaare 30a und 30b, 30c und 3Od und 30e und 30f betätigt wird, die andere Basistreiberschaltung jedes Paares daran gehindert wird, betätigt zu werden, um einen zugehörigen Wechselrichtertransistor eine vorbestimmte Zeitlang, z.B. 25 Mikrosekunden lang, nach dem Zeitpunkt, in dem die dann betätigte Basistreiberschaltung unwirksam wird, in den leitenden Zustand zu steuern. Auf diese Weise wird verhindert, daß beide Transistoren eines Wechselrichtertransistorpaares 18a und 18b, 18c und 18d bzw. 18e und 18f gleichzeitig leitend werden.

Entkopplungs- bzw. Entriegelungsschaltungen dieser Art sind in verschiedensten Ausführungen bekannt. Die Auswahl einer passenden Entkopplungsschaltung hängt von den jeweiligen Nenndaten ab. Die Einzelheiten der Entkopplungsschaltungen 28a, 28b und 28c sind daher nicht dargestellt. Eine ausführlichere Beschreibung derartiger Entkopplungsschaltungen findet sich in der US-PS 3 919 620.

Während des Betriebs des Wechselrichters 12 werden der Wechselstrommaschine 14 Wechselströme zugeführt, die eine Dreiphasenbeziehung zueinander haben, wenn die Transistoren der Transistorpaare 18a und 18b, 18c und 18d sowie 18e und 18f abwechselnd und der Reihe nach durch die Transistorzündlogik 26 in den leitenden Zustand gesteuert werden. Durch Steuerung der Dauer des leitenden Zustands jedes Transistors kann die Wechsel-

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richterausgangssparinungsamplitude und mithin das Wechselstrommaschinen-Drehmoment entsprechend geregelt werden. Durch Steuerung der Frequenz des leitenden Zustands der Transistoren kann die Wechselrichterausgangsfrequenz und mithin die Drehzahl der WechselStrommaschine entsprechend geregelt werden. Die Steuerung der Wechselrichterausgangsspannungsamplitude und -frequenz durch Regelung der Dauer und Frequenz des leitenden Zustands der Wechselrichterschaltvorrichtungen wird als "Impulsbreitenmodulation" oder "Impulsdauermodulation" bezeichnet. Dieses Impulsbreitenmodulationsbetriebsverfahren von Wechselrichtermaschinenantriebsvorrichtungen ist ausführlicher in der Druckschrift "Pulse Width Modulated Motor Drives with Improved Modulation" von A. Abbondanti und anderen, veröffentlicht in der Konferenzschrift des 9th Annual IEEE/IAS Meeting 1974, Vo. IA-11, Nr. 6, November/Dezember 1975, beschrieben.

Derzeitige Impulsbreitenmodulationsverfahren für den Betrieb von wechselrichterbetriebenen Wechselstrommaschinen, z.B. das in der genannten Druckschrift angegebene Anschnittverfahren mit Dreieck-Schwingungen, haben mehrere Nachteile. So sind die derzeitigen Verfahren äußerst empfindlich auf Änderungen der Wechselrichterausgangsspannung. Aus der Beziehung Au/r = Ai, wobei Au die Änderung der Wechselrichterausgangsspannung, Ai die Änderung des Wechselrichterausgangsstroms und r der ohmsehe Maschinenständerwiderstand ist, ergibt sich, daß selbst kleine Änderungen der Wechselrichterausgangsspannung wegen des normalerweise kleinen Widerstands r große Änderungen des Wechselrichterausgangsstroms bewirken. Ein weiterer Nachteil ist der, daß die derzeitigen Verfahren zwangsläufig eine spezielle Übergangssteuerung erfordern, um dem Wechselrichter den Übergang von der Impulsbreitenmodulation zum Rechteckschwingungsbetrieb, und umgekehrt, zu ermöglichen. Diese Steuerung erfordert besondere, komplizierte Steuerschaltungen, die den Aufwand und damit die Kosten erheblich steigern.

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Um diese Nachteile zu vermeiden, wird der Wechselrichter 12 nach Fig. 1 durch die in Fig. 2 dargestellte Regeleinrichtung 32 in Abhängigkeit vom Wechselrichterstrom impulsbreitenmoduliert. Die Regeleinrichtung 32 weist drei gleiche Stromregler 34a, 34b und 34c auf, die dem Wechselrichter 12 jeweils Wechselrichterschaltsignale S,., Sp und S^ in Abhängigkeit von der Differenz zwischen jeweils einem der Wechselrichterphasenstromkomponenten i . i, und i und einem der drei sinusförmigen

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Bezugssignale zuführt, die von einem Sinusschwingungsgenerator 35 in Abhängigkeit von manuell eingestellten Sollwerten erzeugt werden.

Da die Stromregler 34a, 34b und 34c in Aufbau und Wirkungsweise gleich sind, wird nachstehend lediglich der Stromregler 34a ausführlicher beschrieben. Der Stromregler 34a weist einen Amplitudenbegrenzer 36 auf, dem vom Sinusschwingungsgenerator 35 eines der drei sinusförmigen Bezugssignale zugeführt wird. Jedes sinusförmige Bezugssignal stellt jeweils den Sollwert einer Phasenkomponente des Wechselrichterausgangsstroms dar. Der Sinusschwingungsgenerator 35 wird nachstehend ausführlicher beschrieben. Wenn dem Amplitudenbegrenzer 36 ein sinusförmiges Signal am Eingang zugeführt wird, erzeugt er ein amplitudenbegrenztes sinusförmiges Bezugssignal an seinem Ausgang und führt es dem nichtumkehrenden Eingang eines Summierverstärkers 40 zu. Der Summierverstärker 40 erhält an seinem umkehrenden Eingang das Ausgangssignal eines zugehörigen Stromfühlers dreier Stromfühler 42a, 42b und 42c, die jeweils in Reihe mit dem Wechselrichter 12 und einer entsprechenden Wechselstrommaschinenphase liegen, wobei jeder Stromfühler ein Ausgangssignal liefert, das sich in Abhängigkeit von einer zugehörigen Wechselrichterphasenstromkomponente i , i, bzw. i ändert. Das

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Das Ausgangssignal des Summierverstärkers 40 ist proportional der Differenz seiner Eingangssignale und wird dem Eingang eines Tiefpaßfilters 44 zugeführt.

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Ein bistabiler Komparator 46 liegt mit seinem umkehrenden Eingang am Ausgang des Tiefpaßfilters 44. Der nichtumkehrende Komparatoreingang ist über einen ersten ohmschen Widerstand 48 auf Massepotential gelegt und über einen zweiten ohmschen Widerstand 50 mit einer (nicht dargestellten) Spannungsquelle, deren Ausgangsspannung -V beträgt, verbunden, wobei V der Betrag der Ausgangsgleichspannung der Gleichspannungsquelle 16 ist. Ein dritter ohmscher Widerstand 52 verbindet den Ausgang des Komparators 46 mit dem nichtumkehrenden Komparatoreingang, so daß ein Teil der Komparatorausgangsspannung dem nichtumkehrenden Komparatoreingang zugeführt wird. Durch diese positive Rückkopplung eines Teils der Komparatorausgangsspannung wird die Komparatorausgangsspannung, d.h. das Schaltsignal S₁, hystereseartig begrenzt. In der Praxis sind die Widerstandswerte der Widerstände 48, 50 und 52 so gewählt, daß das Hystereseband um die Vergleicherspannung herum, die dem Wechselrichter 12 zugeführt wird, einem 50-Ampere-Band um den Sollwert des Wechselrichterausgangsstroms herum entspricht, so daß ein Schalten der Wechselrichtertransistoren mit einer höheren Frequenz als der maximalen Transistorschaltfrequenz verhindert wird. Die Kathode einer Diode 54 ist mit dem Ausgang des Komparators 46 verbunden und anodenseitig auf Massepotential gelegt, so daß sie eine negative Komparatorausgangsspannung kurzschließt.

Der Sinusschwingungsgenerator 35, der jedem der drei Stromregler 34a, 34b und 34c eines der drei sinusförmigen Signale zuführt, die eine dreiphasige Beziehung zueinander aufweisen, ist ähnlich aufgebaut wie der Sinusschwingungsgenerator in der Druckschrift "Adjustable Voltage and Frequency Polyphase Sine Wave Generator", veröffentlicht in der Conference Record of the 1974 IEEE/IAS Annual Meeting (74CH0 833-41A), Seiten 1015 - 1200. Die Amplitude und Frequenz jedes der drei sinusförmigen Bezugssignale, die vom Sinusschwingungsgenerator 35 erzeugt werden, ändert sich in Abhängigkeit von einem Amplitudensollwert signal A* bzw. einem Frequenzsoliwertsignal F*,

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die jeweils dem Amplitudeneingang bzw. Frequenzeingang des Sinusschwingungsgenerators zugeführt werden. In der Praxis ändert sich das Amplitudensollwertsignal A* in Abhängigkeit von einem von Hand vorgegebenen Sollwert der Wechselrichterstromamplitude. Um eine Wechselrichterinstabilität bei niedrigen Frequenzen zu vermeiden, wie sie bei der Regelung des Wechselrichterschaltvorrichtungszustands in Abhängigkeit vom Wechselrichterstrom auftreten kann, wird das Wechselrichterfrequenzsollwertsignal F* in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Betrag des ύοπ Hand vorgegebenen Sollwerss der Maschinenphasenwinkelbeziehung und des Istwerts der Maschinenphasenwinkelbeziehung geändert. Dabei wird dem nichtumkehrenden Eingang eines Summierverstärkers 56 ein Signal είηθ* zugeführt, das proportional dem von Hand vorgegebenen Sollwert der Maschinenphasenwinkelbeziehvng ist. Dem umkehrenden Summierverstärker eingang wird von einer Winkeiberechnungsschaltung 60, die mit dem Wechselrichter 12 und allen Stromfühlern 42a, 42b und 42c verbunden ist, ein Signal sinö zugeführt, das proportional dem Istwert der Maschinenphasenwinkelbeziehung ist und sich in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung und dem Ausgangsstrom des Wechselrichters ändert. Die Winkelberechnungsschaltung 60 erzeugt ferner zwei Ausgangssignale "Drehmoment" und "Fluß" in Abhängigkeit von Wechselrichterausgangsstrom und -spannung, wobei diese Signale jeweils proportional dem Istwert des Maschinendrehmoments und des Luftspaltflusses sind. Der Zweck dieser Signale wird nachstehend näher erläutert.

Die Winkelberechnungsschaltung 60 ist ähnlich ausgebildet wie die Winkelberechnungsschaltung, die in der an die General Electric Company übertragenen US-Patentanmeldung RD-10150 vom 1979, beschrieben ist.

Der Summierverstärker 56 erzeugt ein Signal, das der Differenz seiner beiden Eingangssignale proportional ist, und führt dieses Signal dem Eingang eines Verstärkers 62 zu. Der Verstärker 62 führt dem Sinusschwingungsgenerator 35 das Frequenzsollwertsignal F* in Abhängigkeit vom Betrag des Ausgangssignals des Summierverstärkers 56 zu. , _Ä

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Durch die Hinzunahme zweier Regelschaltungen 75 und 80, die dem Sinusschwingungsgenerator 35 das Maschinenphasenwinkel-Sollwertsignal sine* in Abhängigkeit vom Maschinendrehmoment bzw. ein Stromamplitudensignal A* in Abhängigkeit vom Maschinenluftspaltfluß zuführen, wird die Geschwindigkeit und Genauigkeit der Regelung des Maschinendrehmoments durch die Regeleinrichtung 32 erhöht. Die Regelschaltung 75 besitzt einen Summierverstärker 82, dem am nichtumkehrenden Eingang ein Drehmoment-Sollwertsignal DREHMOMENT* zugeführt wird, das proportional zu einem von Hand vorgegebenen Sollwert des Maschinendrehmoments ist. Dem umkehrenden Summierverstärkereingang wird von der Winkelberechnungsschaltung 60 das Drehmoment-Signal zugeführt, das proportional dem Istwert des Maschinendrehmoments ist. Der Summierverstärker 82 erzeugt ein Signal, das der Differenz seiner Eingangssignale proportional ist, und führt es dem Eingang eines Verstärkers 84 zu. Der Verstärker 84 führt ein dem Summierverstärkerausgangssignal proportionales Signal dem Eingang eines Amplitudenbegrenzers 86 zu. Der Amplitudenbegrenzer 86 führt dem nichtumkehrenden Eingang des Summierverstärkers 56 das Maschinenphasenwinkel-Sollwertsignal εΐηθ* in Abhängigkeit vom Betrag des Ausgangssignals des Verstärkers 84 zu.

Die Regelschaltung 80 besitzt einen Summierverstärker 88, dem am nichtumkehrenden Eingang ein Fluß-Sollwertsignal FLUSS* zugeführt wird, das sich in Abhängigkeit von einem von Hand vorgegebenen Sollwert des Luftspaltflusses ändert. Dem umkehrenden Eingang des Summierverstärkers 88 wird von der Winkelberechnungsschaltung 60 das dem Istwert des Maschinenluftspaltflusses proportionale Fluß-Signal zugeführt. Der Summierverstärker 48 erzeugt ein der Differenz seiner Eingangssignale proportionales Signal und führt es dem Eingang eines Verstärkers 90 zu, der seinerseits dem Sinusschwingungsgenerator 35 das Stromamplitudensollwertsignal A* in Abhängigkeit vom Betrag des Ausgangssignals des Summierverstärkers 88 zuführt.

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Obwohl die Regelschaltungen 75 und 80 in Verbindung mit der Regeleinrichtung 32 beschrieben wurden, können sie auch jeweils zur Erzeugung eines Maschinenphasenwinkel-Sollwertsignals είηθ* in Abhängigkeit vom Maschinendrehmoment bzw. eines Stromamplitudensignals A* in Abhängigkeit vom Maschinenluftspaltfluß verwendet werden, und diese Signale einer mit Impulsbreitenmodulation arbeitenden Wechselrichterantriebsvorrichtung zuführen, die nach dem Dreieck-Anschnittverfahren arbeitet.

Wie die Regeleinrichtung 32 die Schaltsignale S*, Sp und S^ für den Wechselrichter 12 nach Fig. 1 erzeugt, wird nachstehend anhand der Fig. 3a und 3b beschrieben. Da alle Stromregler 34a bis 34c dem Wechselrichter 12 in gleicher Weise Schaltsignale S,. bis S^ zuführen, wird nachstehend nur die Wirkungsweise des Stromreglers 34a ausführlicher beschrieben.

Es sei angenommen, daß die Ausgangsspannung des !Comparators nach Fig. 2 und damit das Wechselrichterschaltsignal S₁ eine "logische" (bzw. binäre) "1" darstellt, wie es durch den Verlauf des Signals S. in Fig. 3a dargestellt ist. Wenn das Schaltsignal S. eine "1" darstellt, wird der Transistor 18a nach Fig. 1 durchgesteuert, so daß der Wechselrichterphasenstrom i linear ansteigt, wie es der Kurvenverlauf 92 von i

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in Fig. 3b zeigt. Wenn das Ausgangssignal des Stromfühlers 42a, das sich in Abhängigkeit vom Phasenstrom i ändert, im

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Zeitpunkt t. das Ausgangssignal des Amplitudenbegrenzers 36 überschreitet, dessen Verlauf durch die Kurve 94 in Fig. 3b dargestellt ist, und zwar so, daß die Differenz des Ausgangssignals des Stromfühlers 42a und des Ausgangssignals des Amplitudenbegrenzers 36 den durch die gestrichelten Linienabschnitte oberhalb der Kurve 94 dargestellten oberen Hysteresegrenzwert des Komparators 46 überschreitet, dann wird das Ausgangssignal des Komparators 46 und mithin das Schaltsignal S^ vom logischen Wert "1" auf den logischen Wert "-1" umgeschaltet. Infolgedessen wird der Transistor 18a nach Fig. 1 gesperrt. Nach einer Zeit von 25 MikrοSekunden, die mit der Umschaltung des

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Schaltsignals S. beginnt, wird der Transistor 18b nach Fig. 1 durchgesteuert. Während der Transistor 18b leitend ist, nimmt i bis zum Zeitpunkt t_o ab, in dem die Differenz der Ausgangssignale des Stromfühlers 42a und des Amplitudenbegrenzers 36 den unteren durch die gestrichelten Linienabschnitte unterhalb der Kurve 94 dargestellten Hysteresegrenzwert unterschreitet. In diesem Zeitpunkt wechselt das Ausgangssignal des Komparator s 46 und mithin das Schaltsignal S. von "-1" auf "1". Nach einer Zeit von 25 MikroSekunden nach dem Wechsel des Schaltsignals S^ wird der Transistor 18b nach Fig. 1 wieder leitend, und zwar bis zum Zeitpunkt t^, in dem sich obige Ereignisfolge wiederholt.

Aufgrund dieser Wirkungsweise minimisiert die Regeleinrichtung 32 Wechselrichter-Spitzenströme durch Regelung des Transistor-Stromflußwinkels in Abhängigkeit von oberen und unteren Hysteresegrenzwerten um den Wechselrichterphasenstromsollwert herum, der durch jeweils eines der sinusförmigen Bezugssignale des Sinusschwingungsgenerators 35 dargestellt wird. Durch Regelung der Amplitude und Frequenz aller drei sinusförmigen Ausgangssignale des SinusSchwingungsgenerators 35 in Abhängigkeit von einem Luftspaltfluß-Istwertsignal bzw. einem Drehmoment-Istwertsignal werden mögliche Sprünge des Wechselrichterausgangsstroms praktisch vermieden. Dies stellt einen stetigen Betrieb der Viechseistrommaschine sicher. Dadurch daß ferner die Frequenz jedes der sinusförmigen Bezugssignale in Abhängigkeit von der Differenz zwischen einem seitens der Bedienungsperson vorgegebenen Sollwert der Maschinenphasenwinkelbeziehung, die sich in Abhängigkeit vom Drehmoment-Istwertsignal ändert, und dem Istwert der Maschinenphasenwinkelbeziehung geregelt wird, wird ein stabiler Betrieb der Wechselstrommaschine sichergestellt.

Ein weiterer Vorteil der Regelung des Wechselrichters 12 nach Fig. 1 in Abhängigkeit vom Wechselriehterstrom besteht darin,

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daß, wenn der maximale Wechselrichterausgangsstrom als Sollwert vorgegeben wird, der Wechselrichter stetig vom PuIsbreitenmodulationsbetrieb auf Rechteckschwingungsbetrieb übergeht, weil die Regeleinrichtung 32 nach Fig. 2 dann die Transistoren jedes Transistorpaares zwingt, mit höherer Frequenz während der Nulldurchgänge der Wechselrichterausgangsspannung umzuschalten, so daß der Verlauf der Wechselrichterausgangsspannung enger einer Rechteckkurve angenähert wird, mit der Folge, daß Wechselrichterspitzenströme minimisiert und das Maschinendrehmoment maximiert wird.

Zusammenfassend ergibt sich mithin eine Wechselstrommaschinen-Antriebsvorrichtung mit einer Wechselstrommaschine und einem Wechselrichter, der mehrere Transistorpaare aufweist, deren Transistoren gleichsinnig in Reihe geschaltet und die parallel an einer Gleichstromquelle angeschlossen sind, wobei diese Vorrichtung in Abhängigkeit vom Wechselrichterstrom geregelt wird. Die Transistoren jedes Wechselrichtertransistorpaares werden zur Erzeugung eines Wechselstroms am Wechselrichterausgang abwechselnd in Abhängigkeit von einem Strom-Regelabweichungssignal durchgesteuert, das proportional der Differenz zwischen dem Istwert des Wechselrichterphasenstroms und einem sinusförmigen Bezugssignal ist, wobei der leitende Zustand der Transistoren jedes Paars immer dann wechselt, wenn das Stromregelabweichungssignal einen oberen und einen unteren Hysteresegrenzwert über- bzw. unterschreitet und diese Grenzwerte sich in Abhängigkeit vom Istwert des Wechselrichterphasenstroms ändern. Die Einstellung der Wechselrichterausgangsspannung zur Regelung der Drehzahl und des Drehmoments der Wechselstrommaschine wird durch Änderung der Frequenz und Amplitude des sinusförmigen Bezugssignals in Abhängigkeit von bedienungsseitig eingestellten Sollwerten bewirkt. Durch Regelung der Amplitude und Frequenz des sinusförmigen Bezugssignals in Abhängigkeit von einem Maschinendrehmoment- bzw. Maschinenfluß-Istwertsignal ergibt sich ein optimales Verhalten des Wechselrichtermaschinenantriebs.

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Claims

Patentanwälte

Reichel u. Relabel

Frankfurt a. M. 1
Paiksiraße 13

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GENERAL ELECTRIC COMPANY, Schenectady, N.Y., VStA

Patentansprüche

1.) Wechselstronimaschinenantriebsvorrichtung zur Abgabe eines maximalen Drehmoments bei minimalem Oberwellengehalt, gekennzeichnet durch: eine Mehrphasenwechselstrommaschine; einen Wechselrichter, über den der Wechselstrommaschine Wechselstrom zuführbar ist, wobei jede Phasenkomponente des der Mehrphasenwechselstrommaschine durch den Wechselrichter zugeführten Wechselstroms in Abhängigkeit von jeweils einem mehrerer Wechselrichterschaltsignale in der Frequenz und Amplitude veränderbar ist; und eine an den Wechselrichter und die Mehrphasenwechselstrommaschine angeschlossene Regeleinrichtung, durch die dem Wechselrichter die Wechselrichterschaltsignale zuführbar sind und die aufweist:

eine Bezugssignalerzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Mehrphasenbezugssignals, das sich in der Frequenz und Amplitude in Abhängigkeit von einem Maschinenphasenwinkelsollwertsignal bzw. einem Stromamplitudensollwertsignal ändert; und mehrere Stromregler, deren Anzahl der Anzahl der Phasen der Mehrphasenwechselstrommaschine entspricht, von denen jeder Stromregler mit der Mehrphasenwechselstrommaschine und der Bezugssignalerzeugungseinrichtung verbunden ist, ein Stromregelabweichungssignal erzeugt, das der Differenz des Betrags des Istwerts des Wechselrichterstroms jeweils einer Phasenkomponente und der zugehörigen Phasenkomponente des Mehrphasenbezugssignals proportional ist, und dem Wechsel-

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richter das betreffende Wechselrichterschaltsignal in Abhängigkeit von diesem Stromregelabweichungssignal zuführt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Mehrphas enwe chsel str ommaschine eine Asynchron- oder Synchronmaschine ist«

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Stromregler aufweist:

einen Amplitudenbegrenzer, der an die Bezugssignalerzeugung seinrichtung zur Erzeugung eines amplitudenbegrenzten Bezugssignals angeschlossen ist;
einen Summierverstärker mit einem ersten Eingang, dem ein Signal zuführbar ist, das dem Istwert der betreffenden Phasenkomponente des Wechselrichterstroms proportional ist, und mit einem zweiten Eingang, der mit dem Amplitudenbegrenzerausgang verbunden ist, wobei der Summierverstärker ein Ausgangssignal erzeugt, das der Differenz der seinen beiden Eingängen zugeführten Signale proportional ist; und

einen Komparator mit einem Ausgang, einem ersten Eingang, der mit dem Summierverstärker verbunden ist, so daß ihm das Ausgangssignal des Summierverstärkers zuführbar ist, und mit einem zweiten Eingang, dem eine
Spannung mit einer vorbestimmten Größe und ein Teil
der Komparatorausgangsspannung zuführbar ist, wobei
der Komparator das zugehörige Wechselrichterschaltsignal an seinem Ausgang in Abhängigkeit von der Differenz der seinen beiden Eingängen zugeführten Spannungen erzeugt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,

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daß zwischen dem Summierverstärker und dem Komparator ein Tiefpaßfilter liegt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen ersten Regelkreis, der der Bezugssignal erzeugungseinrichtung das Maschinenphasensollwertsignal in Abhängigkeit vom Maschinendrehmoment zuführt, und einen zweiten Regelkreis, der der Bezugssignalerzeugungseinrichtung das Stromamplitudensollwertsignal in Abhängigkeit vom Maschinenluftspaltfluß zuführt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der erste Regelkreis aufweist:

eine Winkelberechnungsschaltung, die an die Mehrphasenmaschine und den Wechselrichter angeschlossen ist und in Abhängigkeit von der Wechselrichterausgangsspannung und dem Wechselrichterausgangsstrom ein Drehmomentsignal erzeugt, das dem Istwert des Maschinendrehmoments proportional ist;

einen Summierverstärker mit einem ersten Eingang, der an die Winkelberechnungsschaltung angeschlossen und dem das Drehmomentsignal zuführbar ist, und mit einem zweiten Eingang, dem ein Drehmomentsollwertsignal zuführbar ist, das einem von der Bedienungsperson vorgegebenen Sollwert des Maschinendrehmoments proportional ist, wobei der Summierverstärker ein Ausgangssignal erzeugt, das sich in Abhängigkeit von der Differenz der seinen beiden Eingängen zugeführten Signale ändert; einen zweiten Verstärker, der an den Summierverstärker angeschlossen ist und das Maschinenphasenwinkelsollwertsignal in Abhängigkeit vom Summierverstärkerausgangssignal erzeugt; und

einen Amplitudenbegrenzer, der zwischen der Bezugssi gnal erzeugung s einrichtung und dem zweiten Verstärker

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liegt, um die Amplitude des Maschinenphasenwinkelsollwertsignals zu begrenzen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Regelkreis aufweist:

eine Winkeiberechnungsschaltung, die an die Mehrphasenmaschine und den Wechselrichter angeschlossen ist und in Abhängigkeit von dem Wechselrichterausgangsstrom und der Wechselrichterausgangsspannung ein dem Istwert des Maschinenluftspaltflusses proportionales Flußsignal erzeugt;

einen Summierverstärker mit einem ersten Eingang, der an diese Winkelberechnungsschaltung angeschlossen und dem dieses Flußsignal zuführbar ist, und mit einem zweiten Eingang, dem ein Flußsollwertsignal zuführbar ist, das sich in Abhängigkeit von einem durch die Bedienungsperson einstellbaren Sollwert des Maschinenluftspaltflusses ändert, wobei dieser Summierverstärker ein Ausgangssignal erzeugt, das der Differenz seiner Eingangssignale proportional ist; und einen zweiten Verstärker, der zwischen diesem Summierverstärker und der Bezugssignalerzeugungseinrichtung liegt und der Bezugssignalerzeugungseinrichtung das Stromamplitudensollwertsignal in Abhängigkeit vom Ausgangssignal dieses Summierverstärkers zuführt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugssignalerzeugungseinrichtung aufweist:

eine an den Wechselrichter und die Mehrphasenmaschine angeschlossene Winkelberechnungsschaltung zur Erzeugung eines von dem Wechselrichterausgangsstrom und der Wechselrichterausgangsspannung abhängigen Maschinenphasenwinkelsignals, das sich in Abhängigkeit vom Istwert der Maschinenphasenwinkelbeziehung ändert;

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einen Summierverstärker mit einem ersten Eingang, dem das Maschinenphasenwinkelsollwertsignal zuführbar ist, und einem zweiten Eingang, der an der Winkelberechnungsschaltung angeschlossen und dem das Maschinenphasenwinkelsignal zuführbar ist, wobei der Summierverstärker ein der Differenz seiner beiden Eingangssignale proportionales Ausgangssignal erzeugt;

einen zweiten Verstärker, der an diesen Summierverstärker angeschlossen ist und ein Frequenzsoliwertsignal in Abhängigkeit vom Ausgangssignal dieses Summierverstärkers erzeugt, und

einen Bezugsschwingungsgenerator mit einem ersten Eingang, der an den zweiten Verstärker angeschlossen ist, und einem zweiten Eingang, dem das Stromamplitudensollwertsignal zuführbar ist, wobei der Bezugsschwingungsgenerator ein sinusförmiges Mehrphasenbezugssignal erzeugt, bei dem sich die Amplitude und Frequenz jeder Phasenkomponente bzw. dem Frequenzsollwertsignal ändert.

Verfahren zum Regeln der Amplitude und Frequenz eines Wechselrichterschaltvorrichtungsstromflusses in Abhängigkeit vom Wechselrichterausgangsstrom, um jeweils das Drehmoment und die Drehzahl einer Wechselstrommaschinenantriebsvorrichtung zu regeln, die eine Mehrphasenwechselstrommaschine und einen mehrere Schaltvorrichtungspaare aufweisenden Wechselrichter aufweist, wobei die Schaltvorrichtungen jedes Paares gleichsinnig in Reihe geschaltet und alle Schaltvorrichtungspaare an eine Gleichstromquelle anschaltbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mehrphasenbezugssignal erzeugt wird, bei dem sich jede Phasenkomponente in der Frequenz und Amplitude in Abhängigkeit von durch die Bedienungsperson einstellbaren Sollwerten ändert;

daß mehrere Stromregelabweichungssignale erzeugt werden, und zwar derart, daß sich jedes der Stromregelabweichungssignale

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in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Istwert einer zugehörigen Phasenkomponente des Wechselrichterstroms und einer zugehörigen Phasenkomponente des Mehrphasenbezugssignals ändert;

daß mehrere Wechselrichterschaltsignale erzeugt werden, die sich jeweils in Abhängigkeit von der Differenz zwischen einem zugehörigen der Stromregelabweichungssignale und der zugehörigen Phasenkomponente des Wechselrichterstromistwerts ändern;

und daß die Schaltvorrichtungen jedes Schaltvorrichtungspaares abwechselnd in Abhängigkeit von einem zugehörigen Wechselrichterschaltsignal durchgeschaltet werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9>
dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz jeder Phasenkomponente des Mehrphasenbezugssignals in Abhängigkeit von der Differenz zwischen einem Maschinenphasenwinkelsollwertsignal und einem Signal, das dem Istwert der Maschinenphasenwinkelbeziehung proportional ist, geändert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß das Maschinenphasenwinkelsollwertsignal in Abhängigkeit von der Differenz zwischen einem von Hand geänderten Drehmomentsollwertsignal und einem Signal, das dem Istwert des Maschinendrehmoments proportional ist, geändert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude jeder Phasenkomponente des mehrphasigen Bezugssignals in Abhängigkeit von der Differenz zwischen einem von Hand eingestellten Maschinenluftspaltflußsoliwert signal und einem Signal, das dem Istwert des Maschinenluftspaltflusses proportional ist, geändert wird.

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