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Verfahren und Vorrichtung zum Sti]lsetzen eines Gleich-
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stromzwischenkre js-Umrichters (beansprucht wird die Priorität der
japanischen Patentanmeldung T 57-224 910 vom 23.12.1982) Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zum Stillsetzen eines eine Last speisenden Umrichters gemäß dem Kennzeichen
des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine entsprechende Vorrichtung.
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Ein solches Verfähren ist vorgesehen, um Umrichter und Last nach dem
Stillsetzen des Umrichters wieder anfahren zu können, insb.sonfIere wenn ein schneller
Start erforderlich ist.
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Fig. 1 zeigt den üblichen Leistungsteil eines eine Last speisenden
Umrichters mit Gleichstrom-Zwischenkreis, wobei 1 ein Gleichrichter, 2 ein Wechselrichter,
eine Wechselstromlast ist, z.B. eine Asynchronmaschine. Der Wechselrichter enthält
sechs Hauptthyristoren Tu bis Tz und sechs Dioden Du bis Dz, um jeweils für eine
Dauer von 1200 el z.B. in der Reihenfolge Tu, Tz, Tv, Tx, Tw, Ty jeweils »,+aX GjQO
el Strom zu führen. Mit C sind Kommutierungskondensatoren bezeichnet. Bei einem
derartigen Phasefolgelöschung-Wechselrichter sind die Kommutierungskondensatoren
vor dem Start des Motors so aufgeladen, daß sie genügend Energie gespeichert haben,
um den Strom jeweils auf die im Kommutierungstakt folgenden Thyristor-Zweige (Phasen)
zu kommutieren. Die Polarität der Kommutierungskondensatoren ist in diesem Fall
durch die Phase bestimmt, durch die der Strom zuerst geleitet wird. Sind z.B. in
Fig. 1 die Phasen U und Y (d.h. die Thyristoren Tu und Ty) zuerst geladen, so entspricht
die Polarität
der Kondensatorladungen den eingezeichneten Symbolen
Da jedoch im allgemeinen einige Sekunden rür die Ladung der Kommutierungskondensatoren
erforderlich ist, wirken sich derartige Ladezeiten nachteilig aus, wenn der Umrichter
schnell wieder gestartet werden muß, nachdem sein Betrieb kurzzeitig unterbrochen
wurde. Dadurch wird der Betrieb derartiger Anlagen erheblich beeinträchtigt. Zur
Lösung dieses Problems sind verschiedene Wege vorgeschlagen.
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Beim ersten Weg wird dann, wenn beim Absinken der Umrichterfrequenz
ein gewisser unterer Grenzwert erreicht ist, ein Stillsetzbefehl abgegeben, der
einer vorbestimmten Phasenlage (in diesem Fall den Phasen U, Y) zugeordnet ist,
so daß der Wechselrichter nach einer bestimmten Dauer stillgesetzt wird, in der
der Strom im üblichen Kommutierungszyklus auf die vorgegebenen Phasen U und Y kommutiert.
Da dabei durch das Stillsetzen die Kommutierungskondensatoren durch den Laststrom
in der Polarität, die in Fig. 1 gezeigt ist, aufgeladen werden, ist eine dem anfänglichen
Start entsprechende Aufladung für das Wiederstarten nicht erforderlich. Da vielmehr
die Phasenlage bei der Stillsetzung der Phasenlage beim Start entspricht, können
die Kommutierungskondensatoren bei Bedarf rasch zusätzlich noch aufgeladen werden.
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Diese Methode kann angewendet werden, wenn der Regelbereich für die
Frequenz etwa 1 : 10 beträgt. Liegt z.B.
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der untere Grenzwert bei 5% der Nennfrequenz (50 Hz), so beträgt ein
Zündzyklus beim unteren Frequenzwert (0,25 Hz) nur 400 ms. Die maximale Totzeit
beim Stillsetzen beträgt dann 400 ms. Ist aber der Frequenzregelbereich 1 : 100
und der untere Frequenzwert 0,5 t der Nennfrequenz, so kann ein Zündzyklus bis zu
4 s dauern, die Totzeit wächst
also stark an. Das bedeutet, daß
eine erhebliche Zeit verstreicht, bis di,.+ zum Stillsitzen erford"rliche Phasenlage
erreicht ist. Bei ç ..
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wie z.B. teldorientierten Regelungen, bei denen der Umrichter bei
Erreichen des unteren Frequenzwertes automatisch stillgesetzt (Frequenzwert Null)
werden soll, ist dies häufig nicht zulässig. Ein derartig intermittierender Betrieb
ist auf diese Weise kaum zu erreichen. Im Gegensatz dazu wird bei einem anderen
Weg der Strom bei einer beliebigen Phasenlage im Kommutierungstakt unterbrochen,
sobald der Frequenzgrenzwert erreicht ist, und die Stromzufuhr beim Wiederanfahren
mit der Phasenlage des unterbrochenen Taktes wieder aufgenommen. Zwar entstehen
dadurch keine Schwierigkeiten beim raschen Wiederanfahren nach einer Unterbrechung
des Umrichterbetriebes, jedoch können die Kommutierungskondensatoren sich bei längerem
Stillstand entladen, bevor ein Wiederanfahren -möglich ist. Die Kommutierungskondensatoren
können zwar zusätzlich aufgeladen werden, wenn aber die Phasenlage des unterbrochenen
Taktes nicht auf die Polarität der Nachladeeinrichtung abgestimmt ist, wird die
gleiche lange Ladezeit wie beim anfänglichen Start erforderlich.
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Daher tritt die weitere Einschränkung auf, daß die Dauer der Betriebsunterbrechung
gemessen und das anfängliche Laden mit einer entsprechenden Ladedauer wiederholt
werden muß.
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Im Hinblick auf diese Schwierigkeiten ist es daher Aufgabe der Erfindung,
ein einfaches und zuverlässiges Verfahren zum Betrieb eines derartigen Umrichters
anzugeben, bei dem ein Wiederanfahren des Umrichters nach einer Unterbrechung schnell
und einfach möglich ist.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 . Die Stromregelung wird dabei auf Werte begrenzt,
die dem Wechselrichter
noch ein Kommutieren des Stromes nach Erreichen
des vorgegebenen unteren Frequenzgrenzwertes ermöglicht, wobei gleichzeitig durch
Erhöhen der Wechselrichterfrequenz um einen vorgegebenen Wert ein schnelles Kommutieren
des Stromes bis zu einer vorgegebenen Phasenlage im Kommutierungszyklus erreicht
ist, bei der der Kommutierungstakt dann angehalten wird. Der Umrichter kann dann
stillgesetzt werden, sobald die Kondensatoren durch den begrenzten Strom aufgeladen
sind.
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Da also zu dem Zeitpunkt, bei dem das Stillsetzsignal für den Umrichter
auftritt und der untere Frequenzgrenzwert erreicht oder überschritten ist, die Wechselrichterfrequenz
sehr niedrig ist, dauert es zu lange, bis die für die Stillsetzung vorgegebene Phasenlage
im Kommutierungszyklus erreicht ist und durch Erfassung dieses erreichten Endzustandes
der Befehl zum endgültigen Stillsetzen des Wechselrichters gegeben werden kann.
Dies ist die Ursache für die erwähnte Totzeit. Der Grundgedanke der Erfindung ist,
zur Verminderung dieser Totzeit die Wechselrichterfrequenz vorübergehend zu erhöhen.
Daher kann der Wechselrichter schnell auf die nächste Phase kommutieren und schließlich
die vorgegebene Phasenlage erreichen, ohne daß eine zusätzliche Totzeit vor dem
Stillsetzen auftritt, vielmehr wird der Wechselrichter in dieser Phasenlage festgehalten.
Allerdings ist in der Regel der Sollwert für die Spannungsregelung des Umrichters
entsprechend dem Quotienten U/f aus dem Frequenzsollwert abgeleitet.
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Eine wachsende Frequenz bedeutet dann, daß auch der Umrichterstrom,
der häufig durch eine unterlagerte Stromregelung gegeben ist, anwächst. Dadurch
wird vorübergehend im Motor ein Drehmoment erzeugt, das sich nachteilig auf das
mechanische System auswirkt.
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Jedenfalls ist es erforderlich, den Ausgangsgleichstrom des Gleichrichters,
z.B. über den Sollwert einer Strom-
regelung, zu begrenzen. Dadurch
wird bei Vorgabe der erhöhten Wechselrichterfrequenz das störende Auftreten eines
Drehmomentes unterbunden. Da andererseits die in den Kommutierungskondensatoren
gespeicherte Energie vom Strom bzw.
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dessen Sollwert abhängt, muß der Strom auf die zum Kommutieren notwendige
Energie abgestimmt werden.
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Eine Vorrichtung nach der Erfindung ist im Anspruch 2 angegeben. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Anhand von zwei weiteren
Figuren und eines Ausführungsbeispieles wird die Erfindung näher erläutert.
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Fig. 2 zeigt das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung, in
Fig. 3 sind die dabei auftretenden Signale gezeigt.
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Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 enthält einen Funktionsgeber 5,
einen Spannungsregler 6, einen Stromregler 7, einen Gleichrichtersteuersatz 8, einen
Spannungs-/Frequenzumsetzer 9, einen Impulsverteiler 1O, ein Strommeßglied 11, ein
Spannungsmeßglied 12, eine Abschaltsteuereinrichtung 13, Additionsstellen P1, P2
und P3, Schalter S1, S2, S3 sowie Einstelleinrichtungen SE1 und SE2 sowie die bereits
in Fig. 1 dargestellten Bauteile (Gleichrichter 1, Wechselrichter 2, Gleichstromzwischenkreis
3, Last 4). Die Bauteile 1 bis 12 sind hierbei bereits im Stand der Technik bekannt,
während die durch die Erfindung neu hinzukommenden Bauteile durch eine unterbrochene
Linie eingefaßt sind.
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Die bekannten Bauteile arbeiten auf folgende Weise: Ein Frequenzsteuersignal
f*, das als Steuerspannung vorgegeben ist, wird über den Spannungs-Frequenz-Umsetzer
9 in eine frequenzsteuernde Impulsfolge umgesetzt, die der Pulsverteiler 10 benutzt,
um über die Zündzeitpunkte der
einzelnen Hauptthyristoren des Wechselrichters
2 die Ausgangsfrequenz vorzugeben. Andererseits ermittelt der Funktionsgeber 5 aus
dem Frequenzsollwert f* einen Spannungssollwert, entsprechend z.B. einem konstant
vorgegebenen Quotienten U/f, der dem nachgeschalteten Spannungsregler 6 eingegeben
ist. Der Spannungsregler 6 ermittelt aus der Abweichung vom durch das Spannungsmeßglied
12 festgestellten Spannungsistwert den zu einer verschwindenden Spannungsabweichung
führenden Stromsollwert. Dieser Stromsollwert i* ist dem Stromregler 7 zugeführt,
der aus dem mittels des Strommeßgliedes 11 ermittelten Stromistwert und dem Stromsollwert
den zu einer verschwindenden Stromabweichung führenden Zündwinkel für den Steuersatz
8 bildet. Der Steuersatz 8 kann dabei selbst einen Zündwinkelregler enthalten. Der
durch diese Regelung erhaltene Zündwinkel gestattet so, die Ausgangsspannung schnell
und exakt zu regeln.
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Wird nun ein Signal zum Stillsetzen des geregelten Umrichters gegeben,
so erniedrigt die Abschaltsteuerung 13 den Frequenzsollwert des Wechselrichters.
Stellt diese Abschaltsteuereinrichtung 13 fest, daß der Sollwert f* einen eingestellten
unteren Grenzwert erreicht hat (Zeitpunkt t), so wird ein Stopsignal a auf "O" gesetzt.
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Gleichzeitig setzt die Steuereinrichtung 13 sowohl ein Hilfs-Frequenzsteuersiqnal
b und ein Stromsteuersignal c auf "0" und schließt die Schalter S1, 52. Bei geschlossenem
S1 und S2 ist ein Zusatzfrequenzsignal V1 von der Einstelleinrichtung SE1 auf die
Additionsstelle P3 gegeben und diese Überlagerung zum Frequenzsteuersignal f* bewirkt
einen sprunyhaften Frequenzanstieg, während das Signal V2 der Einstelleinrichtung
SE2 dem Spannungsregler 6 so vorgegeben ist, daß dessen Ausgangssignal (d.h. der
Stromsollwert i*) begrenzt wird. Die Zündimpulse für den Hauptthyristor des Wechselrichters
sind durch die
Signale g für Tu, h für Tv, i für Tw, j für Txt
k für Ty und 1 für Tz dargestellt, wobs i weils in111 dem stromführenden Zustand
entspricht. Wird eine vorgegebene Phasenlage im Zündzyklus durch Auswahl cler Thyristoren
Tu und Ty festgelegt, so zeigt ein entsprechendes Synchronsignal f durch den Zustand
"1" die gleichzeitige Zündung beider Thyristoren an, entsprechend einer "UND"-Verknüpfung.
Für a = 0 erzeugt das Signal f einen Befehl d = 1, der den Schalter S3 öffnet und
dadurch den Kommutierungstakt des Wechselrichters unterbricht, der somit nicht mehr
auf die nächste Phase kommutieren kann. Die Zündimpulse werden somit nur noch auf
die Phasen U und Y des Wechselrichters geleitet ('Zeitpunkt tl) und nach einer bestimmten
Zeit, die der Strom für die vollständige Kommutierung auf die Phasen U und Y bcnöti.qt
und die durch Vorgabe eines entsprechenden Zeitintervalles t sichergestellt werden
kann, wird der Umrichter durch das endgültige Stillsetzungssiqnal e abgeschaltet.
In diesem Betriobszustand hängt die zuletzt in den Kommutierungskondensatoren gespeicherte
Energie nur noch von dem GrenSwert U2 für die Stromregelung ab, so daß die notwendige
Energie durch geeignete Wahl der vorgegebenen Werte sichergestellt werden kann.
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Sollte für längere Stillstandszeiten die gespeicherte Kommutierungsenergie
aufgrund von Entladungen der Kommutierungskondensatoren absinken, so kann sie rasch
ergänzt werden durch eine minimalisierte zusätzliche Ladung, da di ausgewählten
Phasen beim Stillstand der Phasenlage beim Start entsprechen. Der Wechselrichter
ist dann jederzeit nach seiner Still setzung wieder startbereit. Die erforderliche
Schaltung der Steuereinrichtung zur Erzeugung der in Fig. 3 gezeigten Signale kann
nach bekannter Technik jederzeit digital aufgebaut werden.
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Entsprechend diesen Erläuterungen kann gemäß der Erfindung der Umrichterbetrieh
also angehalten werden, indem seine
Ausgangsfrequenz zunächst auf
den unteren Freqenzgrenzwert oder darunter zurückgenommen wird. Dabei wird jedoch
der Strom rasch auf die vorgewählte Phasenlage in seinem Zündzyklus kommutiert und
der Zündzyklus in dieser Phasenlage festgehalten und gleichzeitig sichergestellt,
daß die für die Wiederinbetriebnahme benötigte Kommutierungsenergie gespeichert
ist. Bei einem intermittierenden Betrieb mit hohen Frequenzen ist vorteilhaft, daß
dieser Wiederstart ohne Aufladung der Kommutierungskondensatoren nach einer Unterbrechung
möglich ist. Da die Phasenlage beim Stillsetzen identisch der Phasenlage beim Start
ist, können bei Bedarf die Kommutierungskondensatoren auch leicht und innerhalb
der hierfür erforderlichen minimalen Zeit nachgeladen werden.
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Das beschriebene AusführungsbeisE,iel betrifft den Fall mit einem
netzgeführten, spannungsgesteuerten Gleichrichter. Die Erfindung ist aber auch verwendbar
für eine selbstgeführte Anordnung, z.B. mit einer feldorientierten Regelung. Außerdem
kann ein selbstgeführter Wechselrichter, z.B. mit Stromeinprägung, auch als Gleichrichter
betrieben werden.
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