DE3409299C2 - Ein- oder mehrphasiger Wechselstromsteller mit Impulsbreitensteuerung - Google Patents

Ein- oder mehrphasiger Wechselstromsteller mit Impulsbreitensteuerung

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine nach dem Impulsbreitenmodulationsverfahren arbeitende Steuer- bzw. Regelschaltung für ein- oder mehrphasige Asynchronmotore. Die Steuer- bzw. Regelschaltung umfaßt eine Verstärkerendstufe mit Leistungstransistoren oder Thyristoren sowie eine parallel zu der Motorwicklung (3) geschaltete Begrenzungsschaltung für die durch das Takten bei der Impulsbreitenmodulation in der Motorwicklung entstehenden Induktionsspannungen. Wesentlicher Teil der Begrenzungsschaltung ist ein von dem Impulsbreitenmodulator (2) angesteuerter Transistor (25), der in den Strompausen die Motorwicklung elektrisch schließt. Dadurch bleibt in den Strompausen das Magnetfeld des Motors nahezu erhalten, und die für die Schalttransistoren schädlichen Induktionsspannungsspitzen werden stark verringert.

Description

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Die Erfindung betrifft einen nach dem Impulsbreitenmodulationsverfahren arbeitenden Wechselstromsteller für ein- oder mehrphasige Asynchronmaschinen, mit einem Impulsbreitenmodulator und einem von diesem angesteuerten Leistungsverstärker mit einer Transistor- oder Thyristor- Endstufe
Ein einphasiger Wechselstromsteller dieser Art ist beispielsweise aus der GB-PS 10 22 199 bekannt, und ein entsprechender mehrphasiger Wechselstromsteller beispielsweise aus der DE-AS 11 25 048. Bei diesen bekannten Wechselstromstellern können jedoch die Schalttransistoren bzw. -thyristoren in dem Leistungsverstärker durch die in den Maschinenwicklungen entstehenden Induktionsspannungen und Abschaltspitzen, die durch das Takten des Impulsbreitenmodulators bedingt sind, zerstört werden. Außerdem führen diese bekannten Wechselstromsteller zu einem unruhigen Lauf der Maschinen, was für bestimmte Anwendungsfälle nachteilig sein kann.
Es sind ferner Wechselstromsteller mit Zwangslöschung bekannt, bei denen durch Thyristoren in den Schaltpausen die Belastung kurzgeschlossen wird, um einen Freilaufpfad zum Ableiten der Abschaltspitzen zu öffnen (Z. Industrieelektrik und Elektronik 1975 S. 25 — 28). Bei diesen bekannten Wechselstromstellern finden jedoch nichtlöschbare Thyristoren als Kurzschlußschalter Verwendung, und es findet außerdem keine Pulsung statt. Wenn bei diesen bekannten Wechselstromstellern die Belastung eine induktive Komponente hat, muß die Belastung mit einem RC-Glied bedämpft werden, um die Verluste zu beschränken und die durch das Abschalten hervorgerufenen Schwingungen mit höheren Frequenzen zu bedampfen. Unter diesen Umständen hat jedoch der Freilaufpfad praktisch keine Wirkung mehr.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen nach dem Impulsbreitenmodulationsverfahren arbeitenden Wechselstromsteller der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß die Abschaltspitzen und die Induktionsspannungen, die aufgrund der Pulsung entstehen, verringert werden. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Wechselstromsteller eine parallel zu den Motorwicklungen geschaltete Induktionsspannungs-Begrenzungsschaltur.g mit einem Schalttransistor aufweist, der von dem Impulsbreitenmodulator angesteuert und in den Pausen zwischen den Stromimpulsen leitend wird.
Durch die erfindungsgemäße Schaltung wird also in den Strompausen zwischen den Stromimpulsen jeweils die Motorwicklung elektrisch geschlossen. Dadurch fließt in diesem geschlossenen Kreis in den Strompausen der durch die Selbstinduktion der Motorwicklung hervorgerufene Strom und das Magnetfeld des Motors bleibt dadurch nahezu erhalten. Die Induktionsspannungsspitzen hingegen, die infolge des ständigen Wechsels des Magnetfeldes durch das Takten des Impulsbreitenmodulators hervorgerufen werden, sowie die hierdurch bedingten störenden Einflüsse in den Strompausen werden dadurch stark verringert Es wird auf diese Weise eine Steuerschaltung geschaffen, die in gewissem Sinne wie eine Amplitudensteuerung wirkt
Die erfindungsgemäße Impulsbreitensteuerung eignet sich in ganz besonderem Maße auch für den Einsatz bei mit einem Regelkreis versehenen Maschinen, die eine hohe Empfindlichkeit des Regelkreises mit extrem kurzer Regelzeit erfordern.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildung der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung.
Als Ausführungsbeispiel ist das Schaltbild eines Regelverstärkers für einen Drehstrom-Asynchronmotor mit einer in Dreieckschaltung geschalteten Motorwicklung dargestellt Grundsätzlich ist dabei darauf zu achten, daß Asynchronmotoren mit speziellen Rotoren verwendet werden, die einen erhöhten Widerstand aufweisen.
Der gewünschte Sollwert wird von einem Sollwertgeber 1 einem Impulsbreitenmodulator 2 zugeführt. Bei dem Sollwertgeber kann es sich auch um einen Regler handeln, der mit einer Istwerteingabe versehen ist und infolgedessen einen geregelten Sollwert an den Impulsbreitenmodulator 2 abgibt. Der Sollwertgeber kann selbstverständlich auch von einem Programmspeicher angesteuert werden, so daß ein Regelkreis gebildet wird, der die Motorwicklung 3 mit einer nach einem vorgegebenen Programm geregelten Spannung versorgt. Ein solches Regelsystem nach einem vorgegebenen Programm eignet sich beispielsweise als Positioniersystem für die verschiedensten Anwendungen. Da hierfür bekannte Steuerungs- bzw. Regelungseinrichtungen eingesetzt werden können, beschränkt sich die vorliegende Beschreibung auf die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Leistungsverstärkers.
Der den Leistungsverstärker ansteuernde Impulsbreitenmodulator 2 teilt in bekannter Weise die kontinuierlichen Momentanwerte einer modulierten Spannung in diskrete Momentanwerte auf, und zwar in einem vorgegebenen Takt, beispielsweise im 1 kHz-Takt. Entsprechend dem durch den Sollwertgeber 1 vorgegebenen Sollwert regelt der Impulsbreitenmodulator 2 die Impulsbreite der diskreten Momentanwerte der Drehstromspannung und beeinflußt so das Strom-Pause-Verhältnis. Über die Leitung 5 werden von dem Impulsbreitenmodulator 2 die Stromimpulse für die eine Drehrich-
tung ν (vorwärts) des Motors dem Leistungsverstärker zugeführt, während die Stromimpulse für die entgegengesetzte Drehrichtung r (rückwärts) dem Leistungsverstärker über die Leitung 6 zugeführt werden.
Der Leistungsverstärker weist eine Halbleiter-Endstufe, das heißt eine Transistor- oder Thyristor-Endstufe mit löschbaren Thyristoren (GTO-Thyristoren) auf.
Da für die Steuerung bzw. Regelung eines 3-Phasen-Drehstrommotors nur 2 Phasen geregelt zu werden brauchen, ist in der dargestellten Schaltung die Regelung auf die S-Phase und die T-Phase beschränkt
Die Steuerung bzw. Regelung der Stromphasen erfolgt im Vierquadrantenbetrieb, das heißt für jede Stromphase enthält die dargestellte Endstufe des Leistungsverstärkers entsprechend dem Aufbau der vorangehenden Schaltelemente vier Leistungstransistoren. Der Anschlußpunkt V der Motorwicklung 3 wird dabei von den Transistoren 8 bis 11 angesteuert Dubei ist der Transistor 8 für die positive SinushalbweUe in der Vorwärtsrichtung v, der Transistor 9 für die negative Sinushalbwelle in der Vorwärtsrichtang v, der Transistor 10 für positive Sinushalbwelle in der Rückwärtsrichtung r, und der Transistor 11 für die negative Sinushalbwelle in der Rückwärtsrichtung r' zuständig. Die von dem Impulsbreitenmodulator 2 kommenden Steuersignale für die Vorwärtsrichtung werden den Transistoren 8 und 9 über die Leitung 5 und das galvanische Trennglied 12 zugeführt, während die Steuersignale für die Rückwärtsfahrt den Transistoren 10, 11 über die Leitung 6 und das galvanische Trennglied 13 zugeführt werden. Entsprechend dem von dem Impulsbreitenmodulator 2 vorgegebenen Strom-Pause-Verhältnis sperren bzw. öffnen die Transistoren 8 bis 11 in dem vergegebenen 1 kHz-Takt und steuern bzw. regeln so die Stromversorgung zu dem Anschlußpunkt Vder Motorwicklung 3 in dem vorgegebenen Sinn.
Parallel zu den Transistorgruppen 8, 9 und 10,11 ist als Schutzbeschaltung für die Transistoren jeweils ein Varistor 15, das heißt ein spannungsabhängiger Widerstand, und ein aus einem Widerstand 16 und einem Kondensator 17 bestehendes RC-Glied angeordnet. Durch diese doppelte Schutzbeschaltung werden Spannungsspitzen, die den Transistoren schaden könnten, unterdrückt.
Entsprechend wird der Stromfluß zu dem Anschlußpunkt W der Motorwicklung 3 durch die Leistungstransistoren 18 bis 21 im Vierquadrantenbetrieb geregelt. Der Transistor 18 ist für die positive Sinushalbwelle in der Vorwärtsrichtung, der Transistor 19 für die negative Sinushalbwelle in der Vorwärtsrichtung, der Transistor 20 für die positive Sinushalbwelle in der Rückwärtsrichtung, und der Transistor 21 für die negative Sir.ushalbwelle in der Rückwärtsrichtung zuständig. Die Steuersignale für die Vorwärtsfahrt werden den Transistoren 18, 19 über die Leitungen 5,5' und das galvanische Trennglied 22 zugeführt, während die Steuersignale für die Rückwärtsfahrt den Transistoren 20,21 über die Leitungen 6, 6' und das galvanische Trennglied 23 zugeführt werden, wobei die einzelnen Transistoren wiederum in dem von dem Impulsbreitenmodulator 2 vorgegebenen Strom-Pause-Verhältnis öffnen bzw. sperren und so die Stromversorgung des zu der Motorwicklung 3 führenden Anschlußpunktes W in dem gewünschten Sinn regeln. Der Anschlußpunkt t/der Motorwicklung 3 bleibt ungeregelt.
Parallel zu den Transistorgruppen 18,19 und 20,21 ist jeweils wieder eine doppelte Schutzbeschaltung aus einem Varistor 15 und einem RC-Glied mit einem Widerstand 16 und einem Kondensator 17 vorgesehen.
Um die durch das ständige Takten des Leistungsverstärkers hervorgerufenen und auf die Schalttransistoren 18 bis 21 einwirkenden Induktionsspannungsspitzen zu begrenzen, ist eine zusätzliche Induktionsspannungs-Begrenzungsschaltung vorgesehen. Diese Induktionsspannungs-Begrenzungsschaltung umfaßt einen Schalttransistor 25, ein aus dem Widerstand 26 und dem Kondensator 27 bestehendes RC-Glied und einen Lastwiderstand 28, sowie die zugeordneten Gleichrichter 30. Die Basis des Schalttransistors 25 ist mit dem Impulsbreitenmodulator 2 logisch verknüpft, und zwar über das ODER-Glied 32 und das NICHT-Glied 33. Zwischen dem NICHT-Glied 33 und dem Transistor 25 ist eine galvanische Trennstufe 34 zwischengeschaltet Infolge dieser Schaltung wird der Transistor 25 leitend, wenn die Phasen-Schalttransistoren 8 bis 11 und 18 bis 21 sperren, das heißt in den sogenannten Strompausen zwischen den Stromimpuisen. Durch die Selbstinduktion der Motorwicklung 3 bleibt in diesen Strompausen das Magnetfeld des Motors nahezu erhalten. Infolge dieses Zusammenspiels entsteht in seiner Wirkung ein Regelverhalten, das einer Amplitudenregelung entspricht.
Wie bereits erwähnt, setzt der Einsatz dieser Steuerbzw. Regelschaltung die Verwendung von Asynchronmotoren voraus, die einen Läufer mit einem erhöhten Widerstand aufweisen, insbesondere von Asynchronmotoren mit einem Kurzschlußläufer. Auch Asynchron-Linearmotore weisen einen erhöhten Widerstand im Sekundärteil auf, so daß die erfindungsgemäße Steuerbzw. Regelschaltung sich auch mit besonderem Vorteil für die Steuerung und Regelung von positionierbaren Linearmotor-Antrieben eignet.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Nach dem Impulsbreitenmodulationsverfahren arbeitender Wechselstromsteller für ein- oder mehrphasige Asynchronmaschinen, mit einem Impulsbreitenmodulator und einem von diesem angesteuerten Leistungsverstärker mit einer Transistor- oder Thyristor-Endstufe, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstromsteller eine parallel zu den Motorwicklungen (3) geschaltete Induktionsspannungs-Begrenzungsschaltung mit einem Schalttransistor (25) aufweist, der von dem Impulsbreitenmodulator (2) angesteuert und in den Pausen zwischen den Stromimpulsen leitend wird.
2. Wechselstromsteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsspannungs-Begrenzungsschaltung mit einer Schutzbeschaltung aus einem einen Widerstand (26) und einen Kondensator (27) umfassenden RC-Glied versehen ist und einen mit der Motorwicklung in Reihe geschalteten Lastwiderstand (28) umfaßt.
3. Wechselstromsteller nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalttransistor (25) von dem Impulsbreitenmodulator (2) über eine galvanische Trennstufe (34) angesteuert wird.
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