DE3326536A1 - Method and circuit arrangement for limiting the intermediate circuit voltage of a pulse inverter supplying an AC motor - Google Patents
Method and circuit arrangement for limiting the intermediate circuit voltage of a pulse inverter supplying an AC motorInfo
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Abstract
Description
Bezeichnung: Verfahren und Schaltungsanordnung zurDesignation: Process and circuit arrangement for
Begrenzung der Zwischenkreisspannung eines einen Wechselstrommotor speisenden Pulswechselrichters. Limitation of the intermediate circuit voltage of an AC motor feeding pulse inverter.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Schaltungsanordnung der in den Gattungsbegriffen der Patentansprüche 1 und 3 bezeichneten Art.The invention relates to a method and a circuit arrangement of the type identified in the generic terms of claims 1 and 3.
Bei solchen Pulswechselrichterschaltungen tritt bei Frequenz-Sollwert-Absenkung eine Energierückspeisung des nunmehr als Generator arbeitenden Motors über die Freilaufdioden in den Zwischenkreis ein. Geschieht diese Rückspeisung unkontrolliert, so kann durch den Rückspeisestrom und die sich ergebene unzulässige Zwischenkreisspannungserhöhung ein erheblicher Schaden entstehen.With pulse-controlled inverter circuits of this type, a lowering of the frequency setpoint occurs energy recovery of the motor, which is now working as a generator, via the freewheeling diodes in the intermediate circuit. If this feedback occurs in an uncontrolled manner, it can go through the feedback current and the resulting impermissible increase in intermediate circuit voltage considerable damage occurs.
Es gibt dazu Überwachungsschaltungen, die bei Erreichen eines überhöhten Wertes der Zwischenkreisspannung die Ansteuerimpulse für den Wechselrichter ausblenden. Während der Zeitabschnitte der Pulsausblendungen ist hierbei jedoch die Drehzahl des Motors führungslos, womit sich für den Antrieb unstabile Arbeitspunkte ergeben können. Man hat deshalb auch schonsim Zwischenkreis im generatorischen Betrieb des Wechselstrommotors auftretende Energieerhöhung durch Zuschalten eines Ohmschen Verbrauchers in Wärme umgesetzt.There are monitoring circuits for this, which when an excessive Value of the intermediate circuit voltage, the control pulses for the inverter are suppressed. While the time segments of the pulse suppression is here, however the speed of the motor without guidance, which results in unstable operating points for the drive can result. You therefore also have the intermediate circuit in generator mode of the AC motor occurring energy increase by switching on an ohmic Consumer converted into heat.
Dies erfordert einen großen Aufwand und Bauelemente mit großer Leistungskapazität.This requires a great deal of effort and components with a large power capacity.
Ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung der gattungsgemäßen Art sind aus der DE-AS 16 13 776 bekannt. Hierbei wird sowohl im motorischen als auch im generatorischen Betrieb der Frequenzsollwert der Pulsfrequenz in Abhängigkeit vom Ist-Wert der Zwischenkreisspannung geführt. Infolge dessen läuft im generatorischen Betrieb der Wechselstrommotor mit einer nur geringfügig von der Synchrondrehzahl abweichenden Drehzahl, weshalb die Rückspeiseströme in den Gleichspannungszwischenkreis gering sind. Die bekannte Schaltungsanordnung hat allerdings den Nachteil, daß Drehzahländerungen nur über eine Änderung der Zwischenkreisspannung erfolgen können, somit die Frequenzänderung von der Spannunqsänderunq im Zwischenkreis bei Drehzahlvariation abhängig ist und deshalb eine Drehzahlstellung *rur bzw. Drehzahlregelung1 bis zum Frequenznennwert durchgeführt werden kann.A method and a circuit arrangement of the generic type are known from DE-AS 16 13 776. This is done in both motor and In generator mode, the frequency setpoint depends on the pulse frequency guided by the actual value of the intermediate circuit voltage. As a result, it runs in generator mode Operation of the AC motor with only slightly different from the synchronous speed deviating speed, which is why the feedback currents in the DC link are low. The known circuit arrangement, however, has the disadvantage that changes in speed can only take place via a change in the intermediate circuit voltage, thus the frequency change depends on the voltage change in the intermediate circuit with speed variation and therefore a speed setting * rur or speed control1 up to the nominal frequency value can be carried out.
Aus der DE-OS 30 21 119 ist weiter ein Verfahren bekannt, bei dem der Frequenz sollwert in Abhängigkeit vom Ist-Wert der Zwischenkreisspannung im motorischen wie auch im generatorischen Betrieb bis zur Nennfrequenz bestimmt wird und darüber hinaus im Bereich über der Nennfrequenz im generatorischen Betrieb bei unzulässiaer Erhöhung der Zwischenkreisspannung ein Diskrlminator ein Signal zur Erhöhung der Frequenz abgibt.From DE-OS 30 21 119 a method is also known in which the frequency setpoint depending on the actual value of the intermediate circuit voltage in motor and generator operation is determined up to the nominal frequency and also in the range above the nominal frequency in generator mode Inadmissible increase in the intermediate circuit voltage, a discriminator sends a signal Increase the frequency emits.
Von besonderem Aufwand und nachteilig für dieses Verfahren ist die Begrenzung der Zwischenkreisspannung im gesamten Arbeitsfrequenzbereich durch zwei Einzelverfahren, nämlich die Führung der Frequenz durch den Ist-Wert der Zwischenkreisspannung bis zur Nennfrequenz und Bestimmung der Frequenz durch ein Fehlersignal, in dem über die Nennfrequenz hinausgehenden Bereich. Weiterhin kann sich die Frequenzanhebung in Form einer vorgegebenen Kennlinie vom Diskriminator bei dynamischen Vorgängen nachteilig auswirken.Of particular effort and disadvantage for this method is Limitation of the intermediate circuit voltage in the entire working frequency range by two Individual procedure, namely the guidance of the frequency through the actual value of the intermediate circuit voltage up to the nominal frequency and determination of the frequency an error signal, in the range exceeding the nominal frequency. Furthermore, the frequency increase in the form of a predetermined characteristic curve from the discriminator for dynamic processes adversely affect.
Durch die DE-AS 15 13 317 ist ein Verfahren zur Steuerung der Drehzahl einer Drehstromkurzschlußläufermaschine bekannt, bei dem eine Frequenzkorrektur im generatorischen Bereich durch eine Umschaltrichtung vorzeichenrichtig durchgeführt wird.DE-AS 15 13 317 discloses a method for controlling the speed a three-phase squirrel cage machine is known in which a frequency correction Carried out with the correct sign in the generator area by means of a changeover direction will.
Hier ist es erforderlich, die Klemmenspannung des angeschlossen Motors bzw. die Ausgangsspannung des Wechslrichters zu erfassen und rückzuführen. Das erfordert kompliziertere bauliche Maßnahmen.Here it is necessary to determine the terminal voltage of the connected motor or to detect and return the output voltage of the inverter. That requires more complicated structural measures.
Schließlich ist durch die DE-AS 28 26 332 eine Anordnung zur Drehzahlsteuerung einer über einen Gleichspannungs-Zwischenkreisstromrichter gespeisten Wechselstrommaschine bekannt, bei der die Frequenzkorrektur im motorischen als auch im generatorischen Betrieb durch eine Beeinflussung des Frequenz sollwertes in einem Sollwertintegrator durchgeführt wird.Finally, DE-AS 28 26 332 provides an arrangement for speed control an AC machine fed by a DC link converter known, in which the frequency correction in the motor as well as in the generator Operation by influencing the frequency setpoint in a setpoint integrator is carried out.
Hierbei wird zur Begrenzung der Zwischenkreisspannung im generatorischen Betrieb über eine Spannungsgegenkopplungsschleife, abgeleitet aus dem Ist-Wert der Zwischenkreisspannuns und einem vorgegebenen Maximalwert, in eine Stromgegenkopplungs schleife eingegriffen, wobei sich korrigierend auf den Freqzenzsollwert die zulässige Zwischenkreisspannungserhöhung einstellt, wobei die Korrektur in den Sollwertintegrator einwirkt und die Integrationskonstante des Sollwertintegrators in die Regelstrecke als Zeitkonstante mit eingeht.This is used to limit the DC link voltage in the generator Operation via a voltage negative feedback loop, derived from the actual value of the Intermediate circuit voltage and a specified maximum value into a current negative feedback loop intervened, correcting the frequency setpoint the permissible Set the intermediate circuit voltage increase, with the correction in the setpoint integrator acts and the integration constant of the setpoint integrator in the controlled system is included as a time constant.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren und einer Schaltungsanordnung der gattungsgemäßen Art eine Regelung des Sollwertes der Pulsfrequenz im generatorischen Betrieb des Wechsclstrommotors in Abhängigkeit vom Ist-Wert der Zwischenkreisspannung anzugeben, bei der eine vorgegebene Erhöhung der Zwischenkreisspannung durch die Energierückspeisung in den Zwischenkreis nicht überschritten werden kann.The invention is now based on the object of a method and a circuit arrangement of the generic type regulates the setpoint value the pulse frequency in generator operation of the AC motor as a function of the actual value of the intermediate circuit voltage at which a specified increase the intermediate circuit voltage through the energy recovery in the intermediate circuit exceeded can be.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 und 3 gelöst.This object is achieved according to the invention by the characterizing features of claims 1 and 3 solved.
Der besondere Vorteil der Erfindung liegt darin, daß für den Vergleich mit dem Ist-Wert der Spannung im Ziwschenkreis mit dem Netzspannungsspitzenwert eine betriebsunabhängige Bezugsgröße zur Verfügung steht. Dieser Vergleich kann durch einfache schaltungstechnische Maßnahmen bewerkstelligt werden. Vor allem aber wird durch die erfindungsgemäße Regelung eine konstante oder weitgehend konstante Zwischenkreisspannung eingeralten, was insbesondere auch für den generatorischen Betrieb gilt, so daß allein über die Varation der vom Pulswechselrichter gelieferten Pulse die Drehzahl des Wechselstrommotors gesteuert werden kann.The particular advantage of the invention is that for comparison with the actual value of the voltage in the intermediate circuit with the mains voltage peak value an operation-independent reference value is available. This comparison can can be accomplished by simple circuitry measures. But especially becomes a constant or largely constant through the regulation according to the invention Conserve the intermediate circuit voltage, especially for the generator Operation applies, so that solely on the variation of the pulse inverter supplied Pulse the speed of the AC motor can be controlled.
Vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous design features of the invention emerge from the subclaims.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel noch näher erläutert. Dabei zeigen: Fig. 1 das Schema einer Schaltungsanordnung zur Begrenzung der Spannung des Gleichspannungszwischenkreises eines Pulswechselrichters, Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der mit der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 geregelten Frequenzsollwertabsenkung, Fig. 3 analog zu Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Zwischenkreisspannung bei Frequenzsollwert und Fig. 4 analog zu Fig. 2 den zeitlichen Verlauf des Zwischenkreisstromes bei Frequenzsollwertabsenkung.The invention is illustrated below with reference to the drawing using an exemplary embodiment explained in more detail. They show: FIG. 1 the diagram of a circuit arrangement to limit the voltage of the DC link of a pulse-controlled inverter, FIG. 2 shows the time course of the controlled with the circuit arrangement according to FIG Frequency setpoint reduction, FIG. 3, analogous to FIG. 2, shows the time profile of the intermediate circuit voltage for frequency setpoint and FIG. 4, analogous to FIG. 2, the time course of the intermediate circuit current with frequency setpoint reduction.
Man erkennt in Fig. 1 einen ungesteuerten Gleichrichter 1, der eingangsseitig an einem Wechselstromnetz der Spannung UNetz liegt und ausgangsseitig mit einer konstanten oder nahezu konstanten Zwischenkreisspannung Uz in einen Gleichspannungszwischenkreis eines Pulswechselrichters 3 einspeist.One recognizes in Fig. 1 an uncontrolled rectifier 1, the input side is connected to an alternating current network with the voltage UNetz and on the output side with a constant or almost constant intermediate circuit voltage Uz in a DC voltage intermediate circuit a pulse inverter 3 feeds.
Dem Pulswechselrichter 3 ist ein Zwischenkreiskondensator 2 vorgeschaltet. Der Pulswechselrichter 3 wird von einer Ansteuerungsvorrichtung 15 gesteuert, um die Gleichspannung UZ des Zwischenkreises in eine dreiphasige Wechselspannung mit einem entsprechenden U/f-lnerhältnis umzuwandeln, damit ein vom Pulswechselrichter 3 gespeister, dreiphasiger Wechselstrommotor 19 in seiner Drehzahl verstellt werden kann.An intermediate circuit capacitor 2 is connected upstream of the pulse-controlled inverter 3. The pulse-controlled inverter 3 is controlled by a control device 15 in order to converts the DC voltage UZ of the intermediate circuit into a three-phase AC voltage to convert a corresponding U / f ratio so that a pulse inverter 3 fed, three-phase AC motor 19 can be adjusted in its speed can.
Die Netzspannung UNetz wird über einen zweiten Gleichrichter 6, über einen Spannungsteiler 7 und eine Glättvorrichtung 8 einer Einrichtung 9 zugeführt, in welcher der Netzspannungsspitzenwert ONetz gebildet und einem Summationspunkt 10 zugeführt wird.The mains voltage UNetz is via a second rectifier 6, via a voltage divider 7 and a smoothing device 8 fed to a device 9, in which the network voltage peak value ONetz is formed and a summation point 10 is fed.
Uber einen weiteren Spannungsteiler 4 und eine Glättvorrichtunc 5 wird dem Summationspunkt 10 weiter der momentane Wert der Zwischenkreisspannung UZ Ist zugeführt.Via a further voltage divider 4 and a smoothing device 5 the current value of the intermediate circuit voltage continues at summation point 10 UZ is supplied.
Erfolgt im generatorischen Betrieb über die im Schaltbild nicht näher dargestellten Freilaufdioden des Pulswechselrichters 3 eine Rückspeisung in den Gleichspannungszwischenkreis, steigt die momentane Zwischenkreisspannung Uz Ist über den Spitzenwert der Netzspannung ONetz an, und am Summationspunkt 10 tritt eine sogenannte ZwischenkreisspannungsdifferenzL)U Ist auf, welche der Differenz Uz Ist minus ONetz entspricht.Does not take place in generator operation via the in the circuit diagram The free-wheeling diodes of the pulse-controlled inverter 3 shown are fed back into the DC voltage intermediate circuit, the instantaneous intermediate circuit voltage Uz Ist increases above the peak value of the mains voltage ONetz, and occurs at the summation point 10 a so-called intermediate circuit voltage differenceL) U actual, which is the difference Uz actual minus ONetz corresponds to.
Die Zwischenkreisspannungsdifferenz Uz Ist wird einem P-Glied 11 zugeführt, dort proportional verstärkt und mit negativem Vorzeichen auf einen Summationspunkt 12 geführt.The intermediate circuit voltage difference Uz Ist is fed to a P element 11, there proportionally amplified and with a negative sign to a summation point 12 led.
Am Summationspunkt 12 liegt ferner eine Referenzspannung4 Uz Soll an, bei der es sich um eine einstellbare Sollwertvorgabe für die Spannungsdifferenz zwischen der Gleichspannung im Zwischenkreis und dem Spitzenwert der Netzspannung handelt.At the summation point 12 there is also a reference voltage 4 Uz Soll which is an adjustable setpoint specification for the voltage difference between the DC voltage in the intermediate circuit and the peak value of the mains voltage acts.
Dem Summationspunkt 12 ist ein PID-Regler 14 nachgeschaltet, der dann aktiv wird, wenn die momentane Zwischenkreisspannungs differenz AU Ist vom vorgegebenen Sollwerts Uz soll der Z Ist SollwertU Soll' von von der Spannungsteilerschaltung 13 geliefert wird, abweicht.The summation point 12 is followed by a PID controller 14, which then becomes active when the current intermediate circuit voltage difference AU Ist from the specified Setpoint Uz soll the Z actual setpoint U Soll 'from the voltage divider circuit 13 is delivered, differs.
Am Eingang 18 der Ansteuervorrichtung 15 für den Pulswechselrichter 3 liefert der PID-Regler 14 ein Signal, das einer Sollwertvorgabe fSoll mot. für die Pulsfreqzenz im motorischen Betrieb, welche in einem Integrator 16 und einer Sollwert-Vorgabe 17 erzeugt wird, derart überlagert wird, daß durch den an der Ansteuervorrichtung 5 liegenden Vorgabewert Soll gen. für den generatorischen Betrieb infolge entsprechender Frequenzanhebung sich die Rückspeisung des Pulswechselrichters 3 in den Gleichspannungszwischenkreis derart vermindert, daß am Summationspunkt 12 die Spannungsdifferenz Uz Soll minus fl Uz Ist zu Null wird.At input 18 of control device 15 for the pulse-controlled inverter 3, the PID controller 14 supplies a signal that corresponds to a setpoint specification fSoll mot. For the Pulsfreqzenz in motor operation, which in an integrator 16 and a Setpoint specification 17 is generated, is superimposed in such a way that by the on the control device 5 preset value setpoint gen. For generator operation as a result of the corresponding Frequency increase means that the pulse inverter 3 is fed back into the DC voltage intermediate circuit so reduced that at the summation point 12 the voltage difference Uz target minus fl Uz actual becomes zero.
Die Fig. 2 bis 5 zeigen dazu die zeitlichen Verhältnisse der Zwischenkreisspannung des Zwischenkreisstromes bei der Frequenzsollwertabsenkung von f 1 nach f 2. Im Zeitaugenblick t 1 tritt eine vorgegebene Frequenzsollwertänderung ausgehend von f 1 ein, welche bis zum Zeitpunkt t 2 der vorgegebenen Frequenzsollwertanderung folgt. Im Zeitpunkt t 2 hat die Zwischenkreisspannung die ihr vorgegebene Spannungserhöhung UZ Soll erreicht. Denn die jetzt vom Motor abgegebene Energie führt durch eine Änderung der Stromrichtung im Zwischenkreis zu einem Anstieg der Zwischenkreisspannung Z über den Nennwert UZ N hinaus. Ablösend wird jetzt dr Frequenzsollwert von dem PID-Regler geführt, damit die Zwischenkreisspannung U auf den Wert U N plus au Z Z N plus Z Soll ausgeregelt wird.2 to 5 show the time relationships of the intermediate circuit voltage of the intermediate circuit current when the frequency setpoint is reduced from f 1 to f 2. Im At instant t 1, a predetermined frequency setpoint change occurs based on f 1, which up to time t 2 of the predetermined frequency setpoint change follows. At time t 2, the intermediate circuit voltage has its predetermined voltage increase UZ target reached. Because the energy now released by the motor leads to a change the direction of current in the intermediate circuit leads to an increase in the intermediate circuit voltage Z beyond the nominal value UZ N. The frequency setpoint from the PID controller now takes over out so that the intermediate circuit voltage U to the value U N plus au Z Z N plus Z Should be adjusted.
r Entsprechend der zugelassenen Zwischenkreisspannungserhöhung zur Ist stellt sich der generatorisch vom Motor in den Zwischenkreis fließende Strom IZ ein. Im Zeitpunkt t 3 hat der Frequenzsollwert F 2 erreicht, der Antrieb arbeitet jetzt wieder motorisch.r According to the permitted DC link voltage increase The current flowing as a generator from the motor into the intermediate circuit is the actual value IZ a. At time t 3, the frequency setpoint has reached F 2 and the drive is working now motorized again.
Die Pequenzregelung verursacht zwar eine Vergrößerung der vorgegebenen zeitlichen Frequenzsollwertänderung, erlaubt aber, daß der Motor bzw. gesamte Antrieb mit der größtzulässigei Frequenzänderung zu seinem neuen Arbeitspunkt f 2 gelangt.The frequency control causes an increase in the specified temporal frequency setpoint change, but allows the motor or the entire drive reaches its new operating point f 2 with the greatest permissible frequency change.
Dabei wird der Zeitabschnitt von t 2 nach t 3 von den Eigenverlusten des gesamten Antriebs in Abhängigkeit von dessen Trägheitsmasse bestimmt.The time segment from t 2 to t 3 is affected by the internal losses of the entire drive as a function of its inertia mass.
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