DE3149017C2 - Antriebssystem mit einem Elektromotor - Google Patents

Abstract

Mehrere gesteuerte Wechselrichterschaltungen (42, 42Δ), die jeweils mehrere elektrischen Strom leitende Zweige enthalten, die gesteuerte Gleichrichter (50-66; 50Δ-66Δ) und zugeordnete Kommutierungskondensatoren (70-78; 70Δ-78Δ) haben, sind parallel geschaltet und werden einzeln gesteuert, um gemeinsam elektrische Leistung an eine Last in Form eines Wechselstrommotors (49) abzugeben. Wenn eine hohe Drehzahl und ein niedriges Drehmoment erforderlich sind, werden weniger als sämtliche Wechselrichterschaltungen in Betrieb gehalten, um dadurch einen ausreichenden Strom innerhalb der wirksamen Wechselrichterschaltung oder -schaltungen aufrechtzuerhalten und eine wirksame Wechselrichterkommutierung zu gewährleisten.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Antriebssystem mit einem Elektromotor gemäß dem Oberbegriff des An-Spruchs 1.

Ein Antriebssystem dieser Art ist in der DE-OS 48 157 beschrieben. Bei diesem bekannten Antriebssystem wird ein Elektromotor in Form einer Drehfeldmaschine von zwei öpulsigen Wechselrichtern gespeist. Die Ausgänge der beiden Wechselrichter sind zur Speisung der Drehfeldmaschine parallel geschaltet, während der Eingang jedes Wechselrichters von einem eigenen Zwischenstromkreis gespeist wird. Die mit Hilfe einer Drossel geglättete Gleichspannung jedes Zwischen-Stromkreises wird von einem eigenen, steuerbaren Gleichrichter erzeugt. Dieses bekannte Antriebssystem erlaubt es, durch phasenversetzte Ansteuerung der beiden öpulsigen Wechselrichter der angeschlossenen Drehfeldmaschine einen 12pulsigen Betriebsstrom einzuprägen. Dadurch wird erreicht, daß die Drehmomentwelligkeit und damit störende Momentenschwankungen der Abtriebswelle der Drehfeldmaschine wesentlich verringert werden.

Ein derartiges, durch Wechselrichter gesteuertes Antriebssystem hat jedoch den Nachteil, daß bei kleinen Lastströmen und hohen Frequenzen Kommutierungsprobleme auftreten. Diese Probleme, die hauptsächlich auf den festen Wert eines zur Kommutierung benötigten Kondensators zurückzuführen sind, wurden bereits erkannt und des öfteren untersucht Nähere Ausführungen bezüglich dieser Problematik finden sich z. B. in den Druckschriften »Transfer Function of a Controlled-Current Inverter With Purely Inductive Load«, William McMurray, Konferenzbericht, Industry Applications Society, IEEE-IAS-1978, Jahrestreffen, S. 546-549, und »Commutation Modes of a Current-Source Inverter«, W. Lienau, Control in Electronics and Electrical Drives, 2. IFAC-Symposium, Copyright 1977, S. 219—299 (Pergamon- Press).

In der DE-PS 6 04 005 ist eine Steuerschaltung beschrieben, die ein zyklisches Zu- und Abschalten von Generatoren und Transformatoren ermöglicht, um eine gleichmäßige Anpassung an verschiedene Lastzustände zu erreichen. Dadurch, daß derjenige Generator oder Transformator, der als erster eingeschaltet wurde, als erster wieder ausgeschaltet wird, ist im Durchschnitt eine gleich starke Beanspruchung der Betriebsmittel erzielbar.

In der DE-OS 28 48 413 ist ein weiteres Verfahren zum lastabhängigen Zu- und Abschalten von mehreren parallel betriebenen Stromversorgungsaggregaten in einem Stromversorgungssystem beschrieben. Das Zu- und Abschalten der Aggregate erfolgt im Wechselzyklus derart, dcß alle Stromversorgungsaggregate in etwa gleichlang betrieben werden.

Aus der DE-PS 4 93 805 ist schließlich eine elektrische Schalteinrichtung mit mehreren in den Speisestromkreis einschaltbaren Transformatoren bekannt. Diese bekannte Schalteinrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß zur Vermeidung von Kurzschlüssen eine gegenseitige Verriegelung der Schaltrelais vorgesehen ist, wodurch die Reihenfolge aufeinanderfolgender Schaltvorgänge genau festgelegt ist, und zwar unabhängig davon, ob die Belastung steigt oder sinkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Antriebssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, daß auch bei kleiner Belastung und hoher Drehzahl stets eine sichere Kommutierung gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Dadurch, daß erfindungsgemäß dann mindestens ein Wechselrichter abgeschaltet wird, wenn die Drehzahl über einem vorgegebenen Wert und die Belastung unter einem vorgegebenen Wert liegt, arbeiten der oder die verbleibenden Wechselrichter unter höherer relativer Belastung, wodurch eine sichere Kommutierung des oder der verbleibenden Wechselrichter gewährleistet ist. Gemäß der in den Unteransprüchen 3 und 4 angegebenen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt bei steigender Belastung und/oder abnehmender Drehzahl die Zuschaltung des oder der abgeschalteten Wechselrichter so, daß zunächst der Zwischenstromkreis langsam hochgefahren wird und anschließend der oder die Wechselrichter eingeschaltet werden. Dadurch wird erreicht, daß das Wiedereinschalten sehr gleichmäßig erfolgt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 das Blockschaltbild eines herkömmlichen Antriebssystems mit zwei parallel geschalteten Wechselrichtern, und

F i g. 2 das Blockschaltbild eines Ausführungsbei-

spiels des erfindungsgemäßen Antriebssystems.

F i g. 1 zeigt ein typisches Schema, in welchem mehrere, in vorliegendem Fall zwei, gesteuerte Wechselrichterschaltungen benutzt werden, um eine Last in Form eines einzelnen Motors zu speisen. Die ii.· Fi g. 1 dargestellte Schaltungsanordnung ist bekannt und wird deshalb nur kurz beschrieben. Da die obere und die untere Wechselrichterschaltung den gleichen Aufbau haben, wird nur die obere Schaltung ausführlich beschrieben; die untere Schaltung ist im wesentlichen gleich, was an den mit einem hochgesetzten Strich versehenen Bezugszahlen zu erkenen ist. Gemäß Fig.2 gibt eine einstellbare Gleichspannungsquelle oder ein Stromrichter 40 (z. B. der in Fig. 1 mit der Bezugszahl 12 bezeichnete) einen Strom Idc über einen Gleichstromzwischenkreis mit Sammelschienen 45 und 46 und einer Drossel 44 an eine dreiphasige Brückenschaltung ab, die aus der ersten Wechselrichterschaltung besteht, welche innerhalb des gestrichelten Blockes 42 gezeigt ist. Das Ausgangssignal der ersten Wechselrichterschaltung 42 bildet ein Eingangssignal einer Last in Form eines Motors 49, wie dargestellt. Die Wechselrichterschaltung 42 enthält drei Thyristoren 50, 52 und 54 im positiven Zweig, deren Anoden mit der Sammelschiene 45 und deren Kathoden mit den Anoden von drei Dioden 56,58 bzw. 60 verbunden sind, von welch letzteren die Kathoden mit drei Ausgangsschaltungspunkten 80,82 bzw. 84 verbunden sind. Außerdem sind mit den Ausgangsschaltungspunkten 80,82 und 84 die Anoden von drei Dioden 68, 70 bzw. 72 verbunden, von welchen die Kathoden mit den Anoden von Thyristoren 62,64 bzw. 66 im negativen Zweig verbunden sind. Die Kathoden der letztgenannten drei Thyristoren sind mit der anderen Gleichstromsammelschiene 46 verbunden.

Geeignete Kommutierungskondensatoren sind zwischen die Thyristoren innerhalb der Wechselrichterschaltung geschaltet. Gemäß Fig. 1 ist ein Kommutierungskondensator 70 zwischen die Kathoden der Thyristoren 50 und 52 geschaltet, während ein zweiter Kommutierungskondensator 72 zwischen die Kathoden der Thyristoren 52 und 54 geschaltet ist. Ein driiter Kommutierungskondensator 74 ist zwischen die Kathoden der Thyristoren 50 und 54 geschaltet. Auf gleiche Weise sind Kommutierungskondensatoren 76, 78 und 79 zwischen die Anoden der Thyristoren 62,64 bzw. 66 des negativen Zweiges geschaltet. Der Einfachheit halber sind die Steuereinrichtungen der verschiedenen Thyristoren der Schaltung 42 nicht dargestellt worden. Die erste Wechselrichterschaltung 42 gibt ein Ausgangssignal an den Schaltungspunkten 80, 82 und 84 über Leitungen 90,92 bzw. 94 an den Motor 49 ab. Ebenso gibt die zweite Wechselrichterschaltung 42' Ausgangssignale über Leitungen 90', 92' bzw. 94' an denselben Motor 49 ab. Die Darstellung in F i g. 2 ist bekannt, weshalb sich eine weitere Beschreibung erübrigt. Es sei jedoch angemerkt, daß es auch bekannt ist, daß die beiden Wechselrichterschaltungen synchron oder mit gegenseitiger Phasenverschiebung betrieben werden können, um eine Leistungsfaktorsteuerung vorzunehmen. Als letzter Punkt sei angemerkt, daß zwar nur »Einzelmotoren« (49 in Fig. 1) dargestellt sind, daß jedoch darunter in allen Fällen einschließlich des unten erläuterten Falles in F i g. 2 allgemein eine Last in Form eines oder mehrerer Motoren verstanden werden soll. Bei dieser Last kann es sich nämlich in Wirklichkeit um einen Einzelmotor mit einer einzelnen Gruppe von Wicklungen, um einen Motor mit mehreren Gruppen von Wicklungen oder um mehrere einzelne Motoren irgendeines Typs handeln kann, die mit den Ausgängen der Wechselrichterschaltungen verbunden sind.

Es wird nun auf Fig.2 Bezug genommen, die die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeigt Wie in F i g. 1 werden auch Bezugszahlen mit einem hochgesetzten Strich benutzt, wenn es sich um die gleichen Schaltungsanordnungen handelt In F i g. 2 wird wieder ein Motor 18 mit elektrischer Energie aus einer Wechselrichteranordnung gespeist, die eine veränderbare Gleichstromquelle 12 aufweist, welche über einen Gleichstromzwischenkreis, der eine Drossel 17 enthält mit einer Wechselrichterschaltung 14 verbunden ist. Eine zweite Speiseeinrichtung des Motors 18 enthält eine veränderbare Gleichspannungsquelle 12', die eine geeignete Wechselrichterschaltung 14' über einen Gleichstromzwischenkreis 17' speist. Die beiden Wechselrichterschaltungen können entweder synchron oder phasenverschoben gesteuert werden, wie oben mit Bezug auf F i g. 1 erläiutert. Die Motordrehzahl wird durch ein Tachometer 20 erfaßt welches ein Drehzahlsignal N auf einer Leitung 23 liefert, das über die Leitung 21 an den Systemparameterblock 30 und über die Leitung 33 an die Systemsteuerschaltung 24 abgegeben wird. Darüber hinaus wird das Drehzahlsignal über die Leitung 34 an den Summierpunkt 38 abgegeben, der außerdem ein Eingangssteuersignal aus einem Potentiometer empfängt. Das Auügangssignal des Summierpunktes 38, ein Drehmomentbezugssignal oder eine Drehmomentführungsgröße T'\ wird über die Leitung 35 an die Systemsteuerschaltung 24 angelegt, welche Ausgangssignale über die Leitungen 26 und 28 an die Stromrichter — und Wechselrichter — Steuerschaltung 15,16 abgibt. Ebenso liefert, wenn sich der Motorbetrieb in dem normalen Bereich befindet, d. h. wenn ein beträchtliches Drehmoment verlangt wird, oder die Drehzahlen nicht zu groß sind, die Systemsteuerschaltung 24 Ausgangssignale über Leitungen 100 und 103 zu der Stromrichtersteuereinrichtung 13' und der Wechselrichtersteuereinrichtung 16'. Bei der Stromrichtersteuereinrichtung 13' wird das Signal auf der Leitung 100 über ein Gatter 102 angelegt, das für den Augenblick so betrachtet werden kann, als ließe es lediglich das Signal auf der Leitung 100 durch; weiter unten wird auf dieses Gatter noch näher eingegangen.

Wie weiter oben angegeben, ist der Betriebszustand kritisch in dem der Motor 18 gering belastet ist (d. h. ein niedriges Drehmoment liefert und deshalb einen niedrigen Strom benötigt) und die erforderliche Drehzahl hoch ist. Dieser Zustand kann, wie eingangs erläutert, ernste Probleme hinsichtlich der wirksamen Kommutierung der Thyristoren innerhalb der Wechselrichterschaltungen 15 und 15' schaffen.

Es ist, wie oben dargelegt, Zweck der Erfindung, dieses Kommutierungsproblem zu mildern, indem eine der den Motor 18 speisenden Wechselrichterschaltungen unwirksam gemacht wird, so daß weniger als die Gesamtzahl der für die Deckung des gesamten Motorbedarfes verfügbaren Schaltungen wirksam ist, um so die Stromwerte in den wirksamen Wechselrichterschaltungen zur effizienteren Kommutierung zu vergrößern. Zu diesem Zweck wird gemäß F i g. 2 das aus dem Summierpunkt 38 kommende Signal T* an eine Absolutwertschaltung 104 angelegt, und deren Ausgangssignal I 7**|, über eine Leitung 106 als ein Eingangssignal an eine geeignete Vergleicherschaltung 108 angelegt. Das zweite Eingangssignal der Vergleicherschaltung 108 ist ein Bezugswert —2—, welcher einen vorbestimmten Mindestdrehmomentwert darstellt. Der Vergleicher 108

wird daher ein Ausgangssignal (ein »verringertes Drehmoment«-Signal) an seinem Ausgang 110 liefern, wenn der Drehmomentbedarf des Systems unter einen vorbestimmten Wert fällt. Das »verringertes Drehmoment«-Signal auf der Ausgangsleitung 110 bildet ein Eingangssignal eines UND-Gatters 112. Das zweite Eingangssignal des UND-Gatters 112 ist das Ausgangssignal (ein »Überdrehzah!«-Signal) eines zweiten Vergleichers 114, welcher als ein Eingangssignal ein Bezugswert — 1 — hat, welcher eine vorbestimmte Motordreh- zahl darstellt, ab welcher Kommutierungsprobleme bei geringen Motorbelastungen auftreten könnten. Das zweite Eingangssignal des Vergleichers 114 ist das Ausgangssignal einer zweiten Absolutwertschaltung 116, deren Eingangssignal das Drehzahisignai /V ist.

Das Ausgangssignal des UND-Gatters 112 wird hier als Betriebsartumschaltsignal bezeichnet, weil es eine Umschaltung der Betriebsart des Systems bewirkt. Es bildet ein Eingangssignal eines geeigneten Übergangsfunktionsblockes 120, dessen Ausgangssignal sofort von einem hohen Wert auf einen niedrigen Wert abnehmen wird, wenn das Betriebsartumschaltsignal aus dem UND-Gatter 112 beispielsweise von einem Binärwert 0 auf einen Binärwert 1 geht. Wenn das Betriebsartumschaltsignal von einem Binärwert 1 auf einen Binärwert 0 geht, wird das Ausgangssignal des Blockes 120 auf einen vorgeschriebenen Wert linear ansteigen. Das Ausgangssignal des Blockes 120 bildet ein zweites Eingangssignal an dem obenerwähnten Niedrigstwertgatter 102. Das Gatter 102 ist eine bekannte Schaltung, die den niedrigeren Wert der beiden an sie angelegten Eingangssignal durchlassen wird, in diesem Fall den niedrigeren von den über die Leitungen 100 und 122 angelegten Werten.

Das von dem UND-Gatter 112 abgegebene Betriebsartumschaltsignal dient außerdem als ein Eingangssignal eines Funktionsblockes 124, der ein Ausgangssignal entsprechend seinem Eingangssignal liefert, aber eine Verzögerung erzeugt, wenn der Wert des Eingangssignals fällt Das heißt, wenn das Ausgangssignal des Gatters 112 auf einen Binärwert 1 geht, wird das Signal sofort durchgelassen, aber, wenn es von einem Binärwert 1 auf einen Binärwert 0 geht wird das Ausgangssignai verzögert. Das Ausgangssignal des Blockes 124 wird über eine Leitung 126 an die Wechselrichtersteuereinrichtung 16' angelegt und dient dazu, wenn es in seinem Binärzustand 1 ist den Betrieb der Wechselrichterschaltung 15' auf geeignete Weise zu blockieren, beispielsweise durch Wegschalten der Steuersignale von den Thyristoren dieser Schaltung.

Vorstehende Beschreibung zeigt daß das UND-Gatter 112 ein Ausgangssignal mit dem Binärwert 0 solange liefern wird, wie das Drehmomentsignal auf der Leitung 106 oberhalb und das Drehzahlsignal auf der Leitung 34 unterhalb von vorbestimmten Werten sind. Wenn diese Signale entgegengesetzte Erfordernisse darstellen, & h. ein niedriges Drehmoment und eine hohe Drehzahl, wird das Ausgangssignal des UND-Gatters 112 einen Binärwert 1 haben. Wenn das von dem UND-Gatter 112 abgegebene Betriebsartumschaltsignal auf einen Binärwert 1 geht wird der Block 124 ein Signal mit dem Binärwert 1 über die Leitung 126 zu der Wechselrichtersteuereinrichtung 16' durchlassen, so daß diese Steuereinrichtung das Ansteuern der Thyristoren der Wechselrichterschaltung 15' stoppt Gleichzeitig wird das Ausgangssignal des UND-Gatters 112 über den Übergangsblock 120 bewirken, daß ein Niedrigstwertsignal auf der Leitung 122 von dem Gatter 102 durchgelassen wird, damit die Stromrichtereinrichtung 13' sofort in einen voll negativen Betrieb geht, um den Strom Idc, in der Drossel 17' schnell auf null zu verringern. Es ist somit zu erkennen, daß, wenn eine Betriebsart mit niedrigem Drehmoment und hoher Drehzahl für den Motor 18 erforderlich ist, das dargestellte zweite System, das mit einem hochgesetzten Strich versehene Bezugszahlen trägt, unwirksam gemacht wird und der gesamte Leistungsbedarf des Motors 18 durch die übrigen Stromquellen innerhalb des Gesamtsystems gedeckt wird.

Wenn der Systemdrehmomentbedarf zugenommen hat und/oder die Drehzahl abgenommen hat und eine wirksame Kommutierung der Thyristoren der inaktiven Systeme möglich ist, wird das Ausgangssignal des UND-Gatters auf einen Binärwert 0 gehen. Dieser Wert des Betriebsartumschaltsignals wird an den Übergangsfunktionsblock 120 angelegt und wird bewirken, daß das Ausgangssignal dieses Blockes linear ansteigt. Wenn das Signal auf der Leitung 122 das auf der Leitung 100 übersteigt, wird die Steuerung der Gleichspannungsversorgung 11' wieder an die Systemsteuerschaltung 24 übergeben, wie zuvor. Nach einer kurzen Verzögerung wird dasselbe Signal mit dem Binärwert 0 aus dem UND-Gatter 112 von dem Block 124 durchgelassen und wird auf der Leitung 26 erscheinen, um so zu gestatten, daß die Steuerung der Wechselrichterschaltung 14' wieder an die Systemsteuerschaltung 24 in Abhängigkeit von dem Steuersignal auf der Leitung 103 übergeben wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Antriebssystem mit einem Elektromotor, der von mehreren, parallel arbeitenden Wechselrichtern gespeist wird, wobei ein jeder Wechselrichter von einem eigenen Zwischenstromkreis gespeist wird, gekennzeichnet durch separate Steueroder Regelschaltungen (16, 16') für jeden Wechselrichter (15,15') und eine übergeordnete Steuerschaltung (102, 104, 108, 112, 114, 116, 120, 124), die die Belastung und die Drehzahl des Elektromotors (18) abfühlt und mindestens einen Wechselrichter (15') abschaltet, wenn die Drehzahl über einem vorgegebenen Wert und die Belastung unter einem vorgegebenen Wert liegt

2. Antriebssystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Abfühlschaltung (104, 108, 112, 114, 116), die ein Betriebsartumschaltsignal von einem ersten auf einen zweiten Pegel umschaltet, wenn die Drehzahl über dem vorgegebenen Wert und die Belastung unter dem vorgegebenen Wert liegt.

3. Antriebssystem nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine erste Schaltung (124), die den bzw. die abzuschaltenden Wechselrichter (15') abschaltet, wenn das Betriebsartumschaltsignal von dem ersten auf den zweiten Pegel wechselt, und diese(n) (15') mit einer vorgegebenen zeitlichen Verzögerung einschaltet, wenn das Betriebsartumschaltsignal wieder von dem zweiten auf den ersten Pegel wechselt.

4. Antriebssystem nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine zweite Schaltung (102,120). die jeden Zwischenstromkreis (12', 17'), der einem abzuschaltenden Wechselrichter (15') zugeordnet ist, abschaltet, wenn das Betriebsartumschaltsignal von dem ersten auf den zweiten Pegel wechselt, und den Zwischenstromkreis (12', 17') langsam hochfährt, wenn das Betriebsartumschaltsignal wieder von dem zweiten auf den ersten Pegel wechselt.

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