DE3203974C2 - Regelanordnung für einen mehrphasigen Wechselstrommotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelanordnung für einen mehrphasigen Wechselstrommotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Regelanordnung ist aus der DE-OS 30 36 120 bekannt.

Wenn bei Wechselstromantrieben die Maschinendrehzahl und das Maschinendrehmoment einstellbar sein sollen, werden stromrichtergespeiste Antriebe verwendet. Üblicherweise enthält ein stromrichtergespeister Antrieb einen Wechselrichter mit veränderbarer Frequenz, der aus einer Gleichstromquelle gespeist wird und Strom veränderbarer Frequenz an eine Wechselstrommaschine abgibt, bei der es sich entweder um eine Synchron- oder um eine Induktionsmaschine handelt. Solche Wechselrichter werden gewöhnlich aus mehreren Paaren von Schaltvorrichtungen aufgebaut, wobei die Schaltvorrichtungen jedes Paares gleichsinnig in Reihe geschaltet und die Paare von in Reihe geschalteten Schaltvorrichtungen jeweils an eine Gleichstromquelle angeschlossen werden. Mit dem Verbindungspunkt jeweils zwischen den in Reihe geschalteten Schaltvorrichtungen ist eine Maschinenphase verbunden. Wenn die Schaltvorrichtungen jedes Paares der Reihe nach abwechselnd durchgeschaltet werden, wird durch den Wechselrichter an die Maschine Wechselstromleistung abgegeben.

Die DE-OS 22 25 609 beschreibt einen mehrphasigen Wechselstrommotorantrieb mit einstellbarer Drehzahl, der einen synchronen Gleichrichter zur Wirkstromermittlung enthält.

Ferner ist zwar aus der DE-OS 23 29 582 eine Stabilisierungsschaltung für einen Wechselstrommotorantrieb bekannt, aber diese Stabilisierungsschaltung ist allein aus passiven Elementen aufgebaut und ist nicht für eine Anpassung an unterschiedliche Betriebsbedingungen vorgesehen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Regelanordnung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß eine Stabilisierung des Antriebs gegen Pendelschwingungen bei der Vorgabe der Sollfrequenz erhalten wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Unteranspruch gekennzeichnet.

Die Erfindung und die dadurch erzielbaren Vorteile werden nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Schaltbild der Regelanordnung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 ein Zeigerdiagramm, das die Beziehung zwischen den Sternspannungen und dem Luftspaltfluß in dem Motor zeigt, und

Fig. 3 Kurvendiagramme der Eingangs- und Ausgangssignale eines Synchrongleichrichters in Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine Wechselstrommotorregelanordnung. Eine pulsbreitenmodulierte, stromgesteuerte Wechselrichterschaltung 8 enthält einen Wellengenerator 10, der drei Stromreg­ ler 12, 14 und 16 jeweils mit einem von drei sinusfor­ migen Bezugssignalen versorgt, die jeweils in einer Dreiphasenbeziehung zueinander stehen. Die Amplitude und die Frequenz von jedem der drei Sinussignale, die durch den Wellengenerator 10 erzeugt werden, verändern sich gemäß einem Frequenz- und einem Amplitudensollwert (Führungsgrößen), die an den Wellengenerator an­ gelegt werden. Die Stromregler 12, 14 und 16 empfangen außer den Eingangssignalen aus dem Wellengenerator 10 jeweils ein Eingangssignal aus Stromfühlern 18, 20 und 22, die mit dem Ausgang des Wechselrichters 24 verbun­ den sind. Die Stromregler geben pulsbreitenmodulierte Signale an den Wechselrichter 24 ab. Strom wird dem Wechselrichter durch eine Gleichstromquelle 26 gelie­ fert. Der Ausgang des Wechselrichters, der aus drei Leitungen A, B und C besteht, ist mit den Ständerwicklun­ gen des Motors 28 verbunden.

Ein Regelkreis 30 enthält einen Differenzverstär­ ker 32, der einen mit der negativen Eingangsklemme ei­ nes Verstärkers 36 verbundenen Widerstand 34 und einen mit der positiven Eingangsklemme des Verstärkers 36 ver­ bundenen Widerstand 38 aufweist. An dem Widerstand 38 liegt die Leitung-A-Spannung und an dem Widerstand 34 die Leitung-B-Spannung an. Ein Widerstand 40 ist zwischen die positive Klemme des Verstärkers 36 und Masse geschal­ tet. Ein Rückkopplungswiderstand 41 ist zwischen den Ausgang des Verstärkers 36 und den negativen Eingang des Verstärkers 36 geschaltet.

Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers, das die Differenz zwischen den Leitungsspannungen A und B dar­ stellt, wird an einen Integrator 42 angelegt. Der Inte­ grator 42 enthält einen Widerstand 44, an den das Ein­ gangssignal angelegt wird. Die andere Seite des Wider­ stands 44 ist mit einem Verstärker 46 verbunden. Ein Rückkopplungswiderstand 48 und ein Rückkopplungskonden­ sator 50 liegen jeweils zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Verstärkers 46. Das Ausgangssignal des In­ tegrators wird über einen Gleichrichter und Filter 52 an eine negative Eingangsklemme eines Summierpunktes 54 abgegeben. An der positiven Eingangsklemme des Sum­ mierpunktes 54 liegt ein Flußbefehlssignal (Flußfüh­ rungsgröße) ψ* an. Die Ausgangsklemme des Summierpunk­ tes 54 ist mit einem Flußregler 56 verbunden. Der Aus­ gang des Flußreglers ist mit dem Amplitudensteuerein­ gang des Wellengenerators 10 verbunden.

Ein Steuerkreis 58 empfängt die Leitungsspannung C an einem Eingang eines einpoligen Umschalters 62. An dem anderen Eingang des Umschalters liegt die invertier­ te Leitungsspannung C aus einem Signalinverter 64 an. Das Ausgangssignal des Integrators 42 liegt an dem po­ sitiven Eingang eines Vergleichers 66 an, dessen nega­ tive Eingangsklemme an Masse liegt. Das Ausgangssignal des Vergleichers 66 steuert die Stellung des Schalters 62. Das synchron gleichgerichtete Ausgangssignal des Schalters 62 wird über ein Tiefpaßglättungsfilter 68 ge­ leitet, das seinerseits mit einer Schaltung 70 verbun­ den ist, die eine Übergangsfunktion von ωs/s+ω) hat und bewirkt, daß der stationäre Wert des Glättungsfil­ terausgangssignals entfernt wird und nur die transienten Änderungen durchgelassen werden. Ein Verstärker 70 mit der Verstärkung 1 hat einen Widerstand 72, der einen Widerstandswert R aufweist und mit dem Eingang eines Verstärkers 73 ver­ bunden ist. Zwischen den Eingang und den Ausgang des Verstärkers 73 ist ein Widerstand 74 geschaltet, der ebenfalls einen Widerstandswert R hat. In Reihe mit dem Eingang des Verstärkers 70 ist ein Kondensator 71 ge­ schaltet. Das Ausgangssignal des Verstärkers 70 wird an den negativen Eingang eines Summierpunktes 76 angelegt. Eine weitere Implementierung der Übergangsfunktion könn­ te ein Reihenkondensator sein, der mit einem Widerstand verbunden ist, welcher zur Masse führt. Das Ausgangs­ signal würde zwischen dem Widerstand und dem Kondensa­ tor abgenommen. Der positive Eingang des Summierpunk­ tes 76 empfängt eine durch eine Bedienungsperson einge­ stellte Frequenz (Führungsgröße) F*. Das Fehlersignal wird an den Frequenzsteuereingang des Wellengenerators 10 angelegt.

Es wird nun die Arbeitsweise der Regelanordnung von Fig. 1 beschrieben. Der Wellengenerator 10 gibt ein Sinusbe­ zugssignal an jeden Stromregler 12, 14, 16 ab. Die Si­ nussignale stehen miteinander in einer Dreiphasenbezie­ hung. Das Bezugssignal, das an jeden Stromregler ange­ legt wird, wird mit einem entsprechenden Motorleitungs­ stromsignal verglichen, um ein Fehlersignal zu erzeugen. Das Fehlersignal wird dann an einen Vergleicher (nicht dargestellt) angelegt, der in dem Stromregler vorgese­ hen ist, und, wenn das Fehlersignal in einer Richtung außerhalb eines vorbestimmten Hysteresebereiches liegt, wird ein Impuls mit dem Signalwert "1" erzeugt, und, wenn das Fehlersignal den Hysteresebereich in der ande­ ren Richtung überschreitet, wird ein Impuls mit dem Sig­ nalwert "-1" erzeugt. Die Reihe von "-1"- und "1"- Im­ pulsen aus jedem Stromregler bildet das pulsbreitenmo­ dulierte Schaltsignal für eine Phase des Wechselrich­ ters. Die Wechselrichterschaltsignale werden an eine Steuerschaltung angelegt, die die Schalterpaare in dem Wechselrichter, von denen jedes einer Phase des Motors zugeordnet ist, steuert. Beispielsweise bewirkt ein Signal mit dem Signalwert "1", das einem Schalterpaar in dem Wechselrichter zugeordnet ist, daß der obere Schalter einschaltet und der untere Schalter ausschal­ tet, und verbindet die Gleichstromquelle 26 mit einer entsprechenden Phase des Motors. Ein Signal mit dem Signalwert "-1" aus demselben Stromregler bewirkt, daß der untere Schalter des Paares einschaltet und der obe­ re Schalter ausschaltet, wodurch die Gleichstromquelle mit entgegengesetzter Polarität an die Motorphase ange­ schlossen wird. Das wiederholte Schalten der drei Paare von Wechselrichterschaltern bewirkt, daß dem Motor Drei­ phasenleistung zugeführt wird, wobei der in jeder Phase gelieferte Strom innerhalb des entsprechenden vorbe­ stimmten Hysteresebereiches bleibt. Eine ausführlichere Erläuterung des Wechselrichterbetriebes findet sich in der deutschen Patentanmeldung P 30 36 120.7 der Anmel­ derin.

Der Regelkreis 30 überwacht die Motorspannung der Leitungen A und B. Der Differenzverstärker 32 bildet die Differenz aus B und A, und der Integrator 42 inte­ griert die Differenz, um den Fluß von A-B zu bilden. Darüber hinaus beseitigt der Integrator 42 die Zerhak­ kungswelligkeit und den größten Teil des in der Schal­ tung vorhandenen Rauschens. Das veränderliche Flußsig­ nal A-B wird gleichgerichtet und gefiltert und dann mit einem Flußsollwert ψ* verglichen. Das sich ergeben­ de Fehlersignal wird an einen Flußregler angelegt, der einen Minimal- und einen Maximalausgangsamplitudenwert einen lineraren Anstieg zwischen den beiden Grenzwerten liefert. Der Minimalwert verhindert den Betrieb, bei Fluß null (falls ein Induktionsmotor benutzt wird), und der maximale Grenzwert ist erforderlich, um einen Über­ strom in dem Wechselrichterausgangssignal zu vermeiden. Das Ausgangssignal des Flußreglers wird benutzt, um die Amplituden des Wellengenerator-Ausgangssignals zu steu­ ern, das seinerseits den Wechselrichterstrom steuert. Wenn der Flußsollwert ψ* konstant ist, dann kann ein Betrieb stattfinden, bei dem das Verhältnis von Spannung zu Frequenz eine Konstanz erster Ordnung hat. Wenn die Last an dem Motor steigt und dem Motor ein kon­ stanter Strom zugeführt wird, wird die Motorspannung sinken. Die gesunkene Motorspannung wird durch den er­ sten Regelkreis erkannt, der die Motorstromamplitude vergrößern wird, um die Spannungsabsenkung zu kompen­ sieren und die Spannung wieder auf ihren vorherigen Wert zu bringen. Außerdem, wenn sich die Frequenz ändert, kompensiert der Integrator in dem Regelkreis selbsttätig Frequenzänderungen, da die Spannung linear mit der Dreh­ zahl ansteigen sollte. Der Betrieb des Wechsel­ richters mit dem ersten Regelkreis ergibt Kennlinien, die denen eines rückführungslosen Spannungswandlersy­ stems gleichen, während trotzdem die besonderen Merkmale eines stromgesteuerten, pulsbreitenmodulierten Systems erhalten bleiben, nämlich das Verändern der Impulsbrei­ te mit den Wechselrichterschaltimpulsen, um den Wellig­ keitsstrom niedrig und dadurch die Motorverluste gering zu halten. Mit der Regelanordnung kann jeder Dreiphasen­ motor betrieben werden, indem einfach der Ausgang des Wechselrichters mit den Motorständerklemmen verbunden wird. Der pulsbreitenmodulierte Wechselrichter mit dem Regelkreis kann außerdem als eine dreiphasige Konstantspannungsquelle benutzt werden. Wenn er als Stromquelle benutzt wird, würde der Flußregler die Verstärkung 1 haben, und die Integratorzeitkonstante des Integrators 42 würde relativ größer sein als die Zeitkonstante, die bei der Verwendung als Regelanord­ nung benutzt wird.

der Steuerkreis 58 sorgt für eine Stabilität ge­ gen Läuferschwingungen oder -pendelung. Läuferschwingun­ gen ergeben sich aus Harmonischen, die in dem Wechsel­ richterausgangssignal vorhanden sind und Drehmomentpendelungen erzeugen, was insbesondere bei niedrigen Drehzahlen ein Problem darstellt. Beispielsweise bei ei­ nem 60-Hz-Motor sind die Läuferdrehzahlpulsationen bei 10-20 Hz der Eingangsfrequenz am vorherrschendsten. Der zweite Regelkreis 58 bestimmt die Wirkkomponente des Motor­ ständerstroms durch Zufuhr des Gesamtständerstroms der Leitung C zu einer der beiden Klemmen eines einpoligen Umschalters 62 und durch Zufuhr des invertierten Stroms von der Leitung C zu der anderen Eingangsklemme. Die Stellung des Schalters 62 wird durch den Vergleicher 66 festgelegt, der die Nulldurchgänge des Flusses von B-A überwacht, welcher mit dem Leitungsstrom in Phase ist.

Für das richtige Arbeiten des Synchroninverters 62 ist es notwendig, ein Signal zu haben, das mit der Leitungs­ spannung C des Motors in Phase ist. Gemäß Fig. 2, die die Phasenbeziehungen zwischen den Spannungen und den Luftspaltflüssen in dem Motor zeigt, ergibt die Diffe­ renz zwischen der Sternspannung (Leiter- Sternpunktspan­ nung) A und der Sternspannung B eine Leitungsspannung von A-B. Die Spannung von B-A eilt der Spannung C um 90° nach. Der Fluß aufgrund der Spannung von A-B ist in Phase mit der Spannung der Phase C und in Phase mit der Wirk- oder Leistungserzeugungskomponente des Leitungs­ stroms in der Phase C.

Der Fluß von A-B wird durch das Ausgangssignal des Integrators 42 in dem ersten Regelkreis bestimmt. Wenn der Fluß von A-B positiv ist, läßt der Schalter 62 den Leitungsstrom durch, wenn der Fluß negativ ist, läßt der Schalter 62 den negativen Leitungsstrom aus dem Signalinverter 64 durch. Fig. 3 zeigt die Schwingungen, die an der Synchrongleichrichtung beteiligt sind. Fig. 3A zeigt das Flußsignal aus dem Vergleicher. Fig. 3B zeigt einen Strom, der mit der Spannung in Phase ist. (Bei einem Induktionsmotor würde der Strom gegenüber der Spannung bei voller Last um 30° phasenverschoben sein.) Ein Strom, der mit der Spannung in Phase ist, bedeutet, daß der ge­ samte Strom ein Wirkstrom ist und Leistung erzeugt. Fig. 3C zeigt das Ausgangssignal des Schalters, der als Synchron­ gleichrichter wirkt, wenn die Bedingungen von Fig. 3B vor­ herrschen. Fig. 3D zeigt die Stromkurve für einen Zustand mit der Belastung null, bei dem der Strom gegenüber der Spannung um 90° phasenverschoben ist. Der Strom in Fig. 3D hat keine Wirkkomponente. Fig. 3E zeigt das Ausgangssignal des Schalters, der als Synchrongleichrichter wirkt, wenn die Bedingungen von Fig. 3D vorherrschen.

Im tatsächlichen Betrieb ist der Strom keine reine Sinus­ schwingung, sondern enthält Harmonische, die die Genauig­ keit der Wirkstrombestimmungen reduzieren. Die Wirkstrom­ komponente, die auf diese Weise gemessen wird,ist jedoch für Stabilisierungszwecke ausreichend genau. Das Ausgangs­ signal des Schalters 62 wird über das Glättungsfilter 68 geschickt. Die Schwingung in Fig. 3B ergibt ein viel größeres Signal an dem Ausgang des Glättungsfilters als die Schwingung von Fig. 3E. Der Wirkstrom wird dann über den Verstärker 70 geschickt, der die Verstärkung 1 und eine Übergangsfunktion von ωs/(s+ω) hat, worin s eine komplexe Variable der Laplace-Transformation und ω eine Funktion der Frequenz der an den Verstärker angelegten Schwingung ist. Die Kennlinien der Übergangsfunktion sind so, daß die Gleichstromkomponente beseitigt wird und daß Zunahmen in der Wirkstromkomponente, die in die Übergangs­ funktion eingehen, zu vorübergehenden abrupten Änderungen in dem Ausgangssignal der Schaltung 70 führen. Das Ausgangssignal der Schaltung 70 wird so angelegt, daß es als eine Gegenkopplung für das Frequenzbefehlssignal wirkt. Wenn aufgrund der Wirkung des ersten Regelkreises der Strom zunimmt, weil die Last zunimmt, wird der zwei­ te Regelkreis den Anstieg der Wirkkomponente des Stroms erkennen und einen kurzen Impuls abgeben, der vorüber­ gehend das Frequenzbefehlssignal an dem Wellengenerator vermindert. Das Vermindern des Frequenzeingangssignals an dem Funktionsgenerator bewirkt, daß der Läufer kurz ein wenig langsamer wird, wenn die Last zunimmt, was den Motor daran hindert, das Drehmoment sofort aufzunehmen. Kurzes vermindern der Frequenz während Zuständen zuneh­ mender Last bewirkt eine Gegenkopplung und stabilisiert den Läufer gegen Pendelschwingungen.

Claims (2)

1. Regelanordnung für einen mehrphasigen Wechsel­ strommotor (28), enthaltend:

• - eine stromgeregelte Wechselrichterschaltung (8) mit einem Wellengenerator (10), dem Frequenz- bzw. Amplituden- Sollwerte des Motorstroms zugeführt sind,
• - einen Regelkreis (30), mit
• - einem Integrator (42), der aus der gemessenen Motorklemmenspannung ein zu dem Motorfluß pro­ portionales Signal erzeugt,
• - einem Gleichrichter (52), der mit dem Integrator (42) verbunden ist, zum Gleichrichten des dem Motorfluß proportionalen Signals,
• - einer ersten Summierschaltung (54), die die Regelabweichung zwischen einem vorbestimmten Fluß- Sollwertsignal (ψ*) und dem Wert des Gleichrichter-Ausgangs­ signals bildet und dem Wellengenerator (10) als Amplituden- Sollwertsignal zuführt, gekennzeichnet durch einen Steuerkreis (58) zum Stabilisieren der Motordrehzahl mit
• - einer Ermittlungsschaltung (62, 66), die einen mit dem Integratorausgang synchronisierten Umpoler (62, 64) für den gemessenen Motorstrom enthält und die Wirk­ komponente des Motorstroms ermittelt,
• - einem Vorhaltglied (70), das mit der Ermitt­ lungsschaltung (62, 66) verbunden ist und nur die transienten Änderungen der Wirkkomponente durchläßt, und
• - einer zweiten Summierschaltung (76), die eine vorgegebene Sollfrequenz (F*) um die Änderung der Wirk­ komponente verkleinert, wobei der Ausgang der zweiten Summierschaltung (76) mit dem Wellengenerator (10) ver­ bunden ist und diesem das Frequenz-Sollwertsignal zuführt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorhaltglied (70) einen Operationsverstärker mit der Verstärkung 1 enthält, in dessen Eingangsleitung ein Kondensator (71) liegt.