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Reeleinrichtun eine Umrichteranordnung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung für
eine Umrichteranordnung zur Speisung einer Drehstrommaschine.
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Die Verwendung von statischen Umrichtern zur Speisung von Drehstrommotoren
führt zu Oberwellenschwankungen im Motordrehmoment. Diese Drehmomentschwankungen
können sich beim Betrieb sehr unangenehm bemerkbar machen; es ist deshalb nötig,
sie im bestimmten Umfang zu unterdrücken.
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Figur 1 zeigt schematisch die Verwendung eines Umrichters mit Gleichstromzwischenkreis
zur Spannungsversorgung eines Motors, Figur 2 zeigt Drehmomentschwankungen in einem
von einem derartigen Umrichter gespeisten Motor.
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In Figur 1 sind mit 1 steuerbare Gleichrichter, mit 2 eine Drossel,
mit 3 ein Leistungswechselrichter und mit 4 ein Drehstrommotor bezeichnet. Die dreiphasige
Netzspannung wird durch den steuerbaren Gleichrichter 1 in eine Gleichspannung umgesetzt,
die dann über die Drossel 2 an den sechspulsigen Wechselrichter 3 gelangt. Hier
wird die Gleichspannung wieder in eine Wechselspannung zurückverwandelt, die dann
am Drehstrommotor 4 anliegt.
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Der Wechselrichter 3 erzeugt eine Ausgangs spannung mit Oberwellen,
die zu entsprechenden Drehmomentschwankungen im Motor führen. Diese Drehmomentschwankungen
haben eine Periode von 600 elektrisch, wie aus Figur 2 ersichtlich.
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In Zeile a von Figur 2 ist das Drehmoment M unter Last und in Zeile
b das Drehmoment ohne Last dargestellt.
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Die Drehmomentßchwankungen enthalten Oberwellen, die im wesentlichen
von der Frequenz der am Motor liegenden Spannung, d.h. von der Drehzahl des Motors
abhängig sind.
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Falls diese Drehmomentschwankungen mit der Resonanzfrequenz mechanischer
Teile zusammenfallen, kann es zu ernsthaften Schäden kommen. Zur Vermeidung derartiger
Schwierigkeiten ist es bekannt, eine Umrichteranordnung mit zwei parallelgeschalteten
Umrichtern zu verwenden.
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In Figur 3 ist schematisch die Speisung mit zwei Umrichtern dargestellt
und in Figur 4 die Schwankungen des Drehmomentes M eines von diesen Umrichtern gespeisten
Motors.
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Wenn die sechspulsigen Umrichter - bestehend aus Gleichrichtern 11,
12, Drosseln 21, 22 und Wechselrichtern 31, 32 - ideal aufeinander abgestimmt sind,
werden die 5., 7., 17. usw. Oberwellen eliminiert, die anderenfalls im sechspulsigen
Umrichter verbleiben würden und die 11., 13. usw. Oberwellen bleiben erhalten. Es
ist Jedoch bekannt, daß,wenn Wechselrichter 31, 32 tatsächlich parallel arbeiten
(Figur 3), und zwar mit einer bestimmten Phasenverschiebung zwischen ihnen, daß,
obwohl nur die 11. und 13. Drehmomentoberwelle verbleiben, wie in Figur 4, Zeile
a gezeigt, wenn der Motor ohne Belastung ist, die 5., 7., 17. und 19. Oberwelle
im Drehmoment unter Last nicht vollständig beseitigt werden können (vgl. Figur 4,
Zeile 6).
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin; die Regeleinrichtung
so auszubilden, daß Oberwellen im Drehmoment eines Motors, der von einer Umrichteranord-
nung
mit mehreren Umrichtern gespeist wird, weitgehend unterdrückt werden.
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Die Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches
gelöst.
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Die Tatsache, daß die direkt miteinander gekoppelten Umrichter (vgl.
Figur 3) Drehmomentschwankungen hervorrufen - vgl. Figur 4 - beruht darauf, daß
der Motor nicht gleiche Vektoren magnetomotorischer Kräfte erzeugt. Dies sei im
Zusammenhang mit den Figuren 5 bis 7 näher erläutert.
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Figur 5 zeigt die Kurvenform der Ausgangsströme der Phasen U, V, W
der Umrichter in Figur 3.
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Figur 6 ist ein Vektordiagramm, das die Vektoren der erzeugten magnetomotorischen
Kräfte im Drehstrommotor zeigt, und zwar in Abhängigkeit von den Wechselrichterströmen.
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Figur 7 zeigt die Kurvenform der blockförmigen Ausgangsströme der
Umrichter gemäß der Erfindung, wobei aus diesem Diagramm das Prinzip der vorliegenden
Erfindung hervorgeht.
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Figur 8 zeigt eine schaltungsmäßige Realisierung der Regeleinrichtung.
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Wie in Figur 5 gezeigt, haben die Ströme zum iV2 iw2, die vom Wechselrichter
32 kommen (Figur 3), Phasenunter-0 schiede von 30 elektrisch mit den Strömen iul>
iV1 iW1 die vom Wechselrichter 31 kommen. Hierdurch wird der Motor 3 mit den Gesamtströmen
zur iv und iw gespeist. Diese Drehströme ergeben 12 Kombinationen, die jeweils in
der Phase um 300 elektrisch gegeneinander verschoben sind. Diese Stromkombinationen
sind mit Zuständen 1 bis 12 bezeichnet.
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Es ist bekannt, daß, wenn die magnetomotorischen Kräfte, die durch
die Statorströme erzeugt werden, nur durch Ströme ausgedrückt werden, d.h. durch
eine Stromgröße id für die horizontale Achse und eine Stromgröße für die vertikale
Achse in, daß zu den Strömen iu, iv, iw folgende Beziehungen bestehen:
Wenn man die horizontalen und vertikalen Größen iv > Iß aus diesen Gleichungen
bestimmt, so erhält man aus diesen Größen dann durch Zusammensetzung der zusammengehörigen
Größen 12 Vektoren, die mit 1 bis 12 in Figur 6 bezeichnet sind. Diese Vektoren
1 bis 12 entsprechen den Zuständen 1 bis 12 in Figur 5. Die Vektoren 2, 4, 6 12
haben eine Größe, die Wurzel
derJenigen Vektoren 1, 3, 5 und 11 ist. Unter der Annahme, daß das magnetische Drehfeld
innerhalb des Drehstrommotors sinusförmig ist und nur mit der Periode der Grundwelle
der Spannungsversorgung umläuft, wird das Drehmoment durch das Vektorprodukt des
rotierenden magnetischen Feldes und der durch die Ströme erzeugten magnetomotorischen
Kräfte gebildet. Auf diese Weise ergeben sich Drehmomentschwankungen, falls die
Vektoren der magnetomotorischen Kräfte hinsichtlich ihrer Absolutwerte nicht gleich
sind.
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Die Drehmomentschwankungen können daher eliminiert werden indem man
die Größen aller Vektoren gleich macht, d.
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h. man erhält dann die Vektoren 1', 2, 3', 4 in Figur 6 usw. Das Gleichmachen
aller Vektoren kann dadurch erreicht werden, daß man die Größen der Vektoren 1,
3, 5 mit dem Faktor 2/
mal nimmt, d.h. die Größen Il der Ströme in den Zwischenkreisen der Umrichter in
Figur 3 während der Zustände 1, 3, 5 und 11 mit diesem Faktor
moduliert.
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Figur 7 ist ein Bild der Kurvenform der auf diese Weise modulierten
Ströme an den Ausgängen der Umrichter oder an den Eingängen des Drehstrommotors,
die Modulation ist gestrichelt angedeutet. Auf diese Weise enthält der Motorstrom
keine 5., 7., 17. usw. Oberwelle und das Motordrehmoment enthält keine 6., 18. usw.
Oberwelle.
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Figur 8 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Realisierung der Erfindung.
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Die Umrichteranordnung umfaßt zwei Umrichter, die (eweils aus den
steuerbaren Gleichrichtern 11 bzw. 12 den Drosseln 21 bzw. 22 und den Wechselrichtern
31 und 32 bestehen. An die parallel geschalteten Ausgänge der Wechselrichter 31,
32 ist ein Drehstrommotor 4 angeschlossen. Ferner sind Stromerfassungsglieder 51
und 52 in den Zwischenkreisen der Umrichter zur Erfassung der Ströme in den Gleichstromzwischenkreisen
vorgesehen.
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Die Drehzahl des Motors 4 wird durch das Potentiometer 61 vorgegeben.
Da die Motorspannung proportional der Frequenz sein soll, und der magnetische Fluß
im wesentlichen konstant bleiben soll, erzeugt das Potentiometer 61 eine Ausgangsspannung,
die direkt auch als Sollwert fUr die Motorspannung dient. Die Ausgangsspannung des
Potentiometers 61 wird am Vergleichspunkt 62 mit der Motorspannung verglichen, die
über Transformator 81 und Gleichrichter 82 gemessen wird. Das Vergleichssignal wird
über den Verstärker 63 zum Vergleichspunkt 661 über den Widerstand 64 oder einen
Kurzschlußschalter 65 geführt und wird mit den tatsächlichen Strömen in den Zwischenkreisen,
die durch die Stromerfassungsglieder 51 und 52 gemessen werden, verglichen. Die
sich in den
Vergleichspunkten 661 und 662 einstellenden Steuerspannungen
werden dann über Verstärker 671 und 672 zu den Steuersätzen 681 und 682 der steuerbaren
Gleichrichter 11 und 12 geführt. Auf diese Weise werden die steuerbaren Gleichrichter
11 und 12 entsprechend der vorgegebenen Einstellung des Potentiometers 61 ausgesteuert.
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Die Frequenzeinstellung des Potentiometers 61, d.h. dessen Spannung,
wird mit einem Spannungsfrequenzwandler 71 in eine entsprechende Impulsfrequenz
umgesetzt und die Pulse in einem Ringzähler 72 gezählt. Über Pulsverteiler 731 und
732, die mit dem Ringzähler 72 verbunden sind, werden dann Steuerpulse mit einer
Breite von 1200 elektrisch erzeugt, die zu Strömen iU1, 1v1, i,l und Strömen iu2>
iv2> iw2 führen, wie in Figur 5 dargestellt. Diese Steuerpulse dienen in bekannter
Weise zum Ansteuern der Wechselrichter. Die zwei Pulszüge von Jeweils sechs Pul-0
sen haben eine Phasendifferenz von 30 elektrisch gegeneinander. Der Ringzähler 72
identifiziert die Betriebszustände 1 bis 12, die sich Jeweils nach 300 elektrisch
ändern und liefert ein Steuersignal zum Schließen des analogen Schalters 75 und
damit zum Kurzschließen des Widerstandes 64 in den Betriebszuständen 1, 3, 5 ...
11, so daß die Stromführungsgröße an den Vergleichspunkten 661, 662 mit dem Faktor
multipliziert wird. Auf diese Weise sind die Zwischenkreisströme in den Zuständen
1, 3, 5 ... 11 in der in Figur 7 gestrichelt gezeichneten Weise moduliert, und zwar
mit dem Ergebnis, daß die Eingangsströme zum Motor 3 nur die 11. und 13.
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Harmonischen enthalten, so daß Drehmomentschwankungen aufgrund der
6., 18. usw. Oberwellen nicht mehr erzeugt werden.
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Statt der Erfassung der Ströme in den Zwischenkreisen können die Ströme
auch an den Wechselrichterausgängen
erfaßt werden. Ferner ist es
möglich, statt zwei auch mehrere Umrichter zu verwenden.
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2 Patent ansprüche 8 Figuren