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Regeleinrichtung für einen Umrichter mit
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Gleichstromzwischenkreis Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung
für einen Umrichter mit Gleichstromzwischenkreis gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Eine solche Regeleinrichtung für einen Umrichter mit Gleichstromzwischenkreis
ist aus den BBC-Nachrichten, 1978, Heft 11, Seite 485 bis 492 bekannt. Umrichter
mit Gleichstromzwischenkreis eignen sich zur stufenlosen Regelung bzw. Regelung
von Drehzahl und Drehmoment von Drehstrommaschinen, insbesondere Asynchronmaschinen
mit Kurzschlußläufer.
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Bei Betrieb einer Drehstrommaschine über einen Umrichter mit Gleichstromzwischenkreis
ist zu beachten, daß auftretende Lastmomentsprünge einen vorgegebenen Grenzwert
nicht überschreiten. Wird die Drehstrommaschine nämlich mit einem zu großen Lastmomentsprung
belastet, so besteht die Gefahr, daß die Maschine nach einer kurzen Zeitspanne die
Kippdrehzahl erreicht und anschließend
stehen bleibt, noch bevor
die Regeleinrichtung, und hierbei insbesondere der Spannungsregler eingreifen kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung für
einen Umrichter mit Gleichstromzwischenkreis der eingangs genannten Art anzugeben,
die auch große Lastmomentsprünge ohne Kippen der Drehstrommaschine ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale
gelöst.
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Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß mittels der Erfassung voe Zwischenkreisspannungs-0nderungen der Spannungsregler
der Regeleinrichtung über stattgefundene Lastsprung-Änderungen an der Drehstrommaschine
informiert wird, noch bevor sich die Maschinenspannung ändert. Somit kann die Regeleinrichtung
rasch genug eingreifen, um ein Kippen der Maschine zu verhindern. Das dynamische
Verhalten von Umrichtern mit Stromeinprägung wird damit wesentlich verbessert, und
die Anwendungsmöglichkeiten derartiger Antriebsumrichter werden erweitert.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsform erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 einen an einen Gleichstromzwischenkreis angeschlossenen
Drehstrom-Umrichter mit Regeleinrichtung, Fig. 2 ein Drehzahl/Zeit-Diagramm einer
Asynchronma-
schine.
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In Fig. 1 ist ein an einen Gleichstrom-Zwischenkreis angeschlossener
Drehstrom-Umrichter mit Regeleinrichtung dargestellt. Ein steuerbarer Gleichrichter
1 (netzgeführter Stromrichter) liegt eingangsseitig an einem Drehstromnetz 2 und
speist ausgangsseitig einen Gleichstromzwischenkreis 3 mit Glättungsdrossel 4. Die
Zwischenkreisspannung ist mit Udc bezeichnet. An den Gleichstromzwischenkreis 3
ist ein Drehstrom-Wechselrichter 5 (selbstgeführter Stromrichter) angeschlossen,
der ausgangsseitig eine dreiphasige Asynchronmaschine 6 speist.
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Ei Eine Meßeinrichtung 7 dient zur potentialgetrennten Erfassung der
an der Asynchronmaschine 6 anliegenden Maschinenspannung U ünd gibt einen entsprechenden
negativen Istwert Uist der Maschinenspannung an einen Anpassungswiderstand 8 ab.
Zur Sollwertvorgabe wird ein weiterer Anpassungswiderstand 9 mit einem Sollwert
U5011 für die Maschinenspannung beaufschlagt. Die beiden Widerstände 8, 9 sind über
ihre weiteren Klemmen miteinander verbunden und an den Eingang eines übergeordneten
Spannungsreglers 10 angeschlossen.
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Der Spannungsregler 10 gibt ausgangsseitig einen Stromsollwert 1soll
mit positivem Vorzeichen an eine Vergleichsstelle 11 ab. Der Vergleichsstelle 11
liegt als weiteres Eingangssignal ein gemessener Stromistwert Iist mit negativem
Vorzeichen an. Das Ausgangssignal I,,11 - Iist der Vergleichsstelle 11 wird einem
unterlagerten Stromregler 12 zugeführt.
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Das Ausgangssignal des Stromreglers 12 wird einem Steuersatz 16 zur
Erzeugung von Zündimpulsen Z für den steuerbaren Gleichrichter 1 zugeführt, wobei
zwischen Strom-
regler 12 und Steuersatz 16 die Zwischenkreisspannung
Udcist als Störwert auf einen Mischpunkt 13 aufgeschaltet wird. Der Istwert Udcist
der Zwischenkreisspannung wird über eine Meßeinrichtung 14 zur potentialgetrennten
Erfassung der Zwischenkreisspannung und ein nachgeschaltetes Tiefpaßfilter 15 gewonnen.
Die Messung der Zwischenkreisspannung erfolgt vorzugsweise zwischen Drossel 4 und
Wechselrichter 5. Bei Messung der Zwischenkreisspannung zwischen Gleichrichter 1
und Drossel 4 können sich unerwünschte Verzögerungen durch die Drossel ergeben.
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Der über die Meßeinrichtung 14 mit nachgeschaltetem Tiefpaßfilter
15 erfaßte Istwert Udcist der Zwischenkreisspannung wird desweiteren einem dynamischen
Aufschaltungsglied 17 zugeleitet. Der Istwert Udcist gelangt dabei im einzelnen
über einen eingangsseitigen Kondensator 18 und einen Verstärker 19 mit Verstärkungsfaktor
+1 an die Parallelschaltung eines hochohmigen Widerstandes 20 und einer in Durchlaßrichtung
geschalteten Diode 21. Der weitere Anschlußpunkt dieser Parallelschaltung ist mit
einem Ausgangswiderstand 22 verbunden. Ausgangsseitig gibt das dynamische Aufschaltungsglied
17 ein dynamisches Zusatzsignal Udyn an den Eingang des Spannungsreglers 10 ab.
Dem Spannungsregler 10 liegt also ein Signal Usoll - ist + Udyn an.
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Zur Anpasslinrr dss dvnamischen Zusatzsignals Udyn kann ein gennliniengeber
vorgesehen werden, der das Ausgangssignal des Aufschaltungsgliedes 17 in Abhängigkeit
der Frequenz der Ausgangsspannung U des Wechselrichters 5 bewertet.
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Nachfolgend wird die Funktionsweise der Regeleinrichtung für den Drehstrom-Umrichter,
insbesondere des dynamischen Aufschaltungsgliedes 17 beschrieben. In Fig. 2 ist
hierzu
die Drehzahl n der Asynchronmaschine 6 in Abhängigkeit der Zeit t dargestellt.
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Zur Darstellung des Verhaltens der Maschine 6 bei einem Lastsprung
wird angenommen, daß die Asynchronmaschine 6 unbelastet mit einer Drehzahl n1 und
einem Leerlaufstrom 10 läuft. Zum Zeitpunkt t1 wird die Maschine 6 mit einem Lastmoment
beaufschlagt. Durch den Einfluß dieses Lastmomentes findet eine Drehzahlverringerung
der Asynchronmaschine 6 statt, sodaß die Asynchronmaschine 6 bei nicht vorhandenem
dynamischen Aufschaltungsglied ohne Eingreifen der Regler 10 und 12 nach einer kurzen
Zeitspanne b t zum Zeitpunkt t2 die Kippdrehzahl nkipp erreicht und anschließend
stehen bleibt. Je größer das aufgeschaltete Lastmoment ist, umso schneller geht
der Drehzahlabbau vor sich und umso kleiner wird die Zeitspanne L t, nach der die
Kippdrehzahl erreicht wird.
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Da sich beim Verringern der Drehzahl n der Asynchronmaschine 6 die
Maschinenspannung U ebenfalls verringert, ist es eigentlich die Aufgabe des Spannungsreglers
10, anhand des Spannungseinbruches von U an der Maschine 6 die Drehzahlabweichung
zu erkennen und mit Hilfe des Stromreglers 12 den Strom durch die Maschine 6 so
zu erhöhen, daß möglichst rasch wieder die ursprüngliche Maschinenspannung U erreicht
wird. Dem erwünschten raschen Eingreifen des Spannungsreglers 10 steht jedoch entgegen,
daR zwar sofort nach der Zuschaltung des Lastmomentes eine Drehzahlverringerung
stattfindet, aber eine Änderung der Maschinenspannung U erst nach einer gewissen
Verzögerungszeit von beispielsweise 100...150ms feststellbar ist. Das bedeutet,
daß die Drehzahl n der Asynchronmaschine 6 beispielsweise 100...150ms lang ungehindert
der Kippdrehzahl nkipp zustreben kann, bis endlich der Spannungsregler 10 eingreift.
Erreicht die Asynchronmaschine 6 die Kippdrehzahl nkipp, bevor der
Spannungsregler
10 eingreift, kommt die Maschine 6 zum Stillstand. Ohne das dynamische Aufschaltungsglied
17 können also nur solche Lastmomentensprünge beherrscht werden, die nicht so groß
sind, daß sie zum Zeitpunkt des Eingreifens des Spannungsreglers 10 die Drehzahl
n der Maschine bereits bis zur Kippdrehzahl nkipp reduziert haben.
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GröRere Lastmomentsprünge können beherrscht werden, wenn der Spannungsregler
10 zum Eingreifen veranlaßt wird, noch bevor eine Änderung der Maschinenspannung
U feststellbar ist. Dies wird durch das dynamische Aufschaltungsglied 17 erzielt.
Dem Aufschaltungsglied 17 liegt hierzu der Zwischenkreisspannungs-Istwert Udcist
eingangsseitig an. Die Zwischenkreisspannung ändert bei Belastung ihren Wert schneller
als die Maschinenspannung U. Die Zwischenkreisspannung wird vom Aufschaltungsglied
17 differenziert und der Ableitungswert als dynamisches Zusatzsignal Udyn auf den
Eingang des Spannungsreglers 10 gegeben, so daß dieser sehr schnell auf einen Lastsprung
reagiert.
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Die Zwischenkreisspannung Udc hat bei Belastung und Entlastung der
Asynchronmaschine 6 verschiedene Anderungsrichtungen. Bei Belastung der Asynchronmaschine
6 ist die Ableitung der Zwischenkreisspannung dUdc/dt positiv, bei Entlastung ist
dUdc/dt negativ. Die Diode 21 des Aufschaltungsgliedes 17 bewirkt, daß nur positive,
bei Belastung der Maschine 6 auftretende Änderungen der Zwischenkreisspannung auf
den Spannungsregler 10 übertragen werden. Die negativen Änderungen der Zwischenkreisspannung,
die bei Entlastung der Asynchronmaschine 6 auftreten, werden über den hochohmigen
Widerstand 20 in stark abgeschwächter Form ebenfalls auf den Spannungsregler 10
gegeben, da dies zu einem etwas schnelleren Einschwingen der Zwischenkreisspannung
führt, also regelungstechnisch
von Vorteil ist.
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