DE3523659C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiges Verfahren ist für einen Einmotorenantrieb aus der Siemens-Zeitschrift 45 (1971), Seiten 753 bis 757, 761 bis 764 bekannt

Dort ist für die Abschnittsteuerung der Thyristoren der antiparallelen Stromrichter eine Transvektorregelung beschrieben, die aus den Zeitläufen eines Teils der Stranggröße unter Verwendung von durch Filter oberschwingungsfrei vorliegenden Hilfsgrößen die benötigten Stellgrößen bildet. Zur Bestimmung der Umschaltzeitpunkte der einzelnen antiparallelen Stromrichter sind ein Läuferstellungsgeber und ein Tachometer vorgesehen, die der Regelung die benötigten Informationen über den Drehwinkel und die Drehzahl des Motors liefern. Eine derartige Anordnung ist jedoch nur bei dem einen an den Steuerrichter angeschlossenen Asynchronmotor mit Erfolg einsetzbar. Handelt es sich dagegen wie im vorliegenden Fall, auf den sich die Erfindung bezieht, um eine Gruppe von Asynchronmotoren, z. B. für Rollgangantriebe, gibt es wegen der Mehrzahl der Drehzahl- und Drehwinkelgeber keine sinnvolle Rückmeldung von den Motoren, weder der Drehzahl noch des Drehwinkels.

Da zur frequenzvariablen Speisung auch von Gruppen von Drehstromantrieben mit Frequenzen bis etwa 0,5 · DNetzfrequenz ein dreiphasiger, in kreisstromfreier Gegenparallelschaltung ausgeführter Steuerumrichter besonders geeignet ist, bezweckt die Erfindung, unter Vermeidung des Einsatzes von Läuferstellungsgebern und Drehzahlmessern ein netzähnliches Drehspannungssystem wählbarer Frequenz zu schaffen. Dabei kann in Kauf genommen werden, daß sich einzelne Motoren der Gruppe im Fall der Überlastung mit Überstrom abschalten.

Bei einem aus der DE-AS 25 09 177 bekannten Verfahren werden die Istwerte der Strangströme des Mehrphasensystems über Stromwandler erfaßt und einer Kommandostufe zugeführt, die an jeden Steuersatz der jeweils antiparallelgeschalteten Stromrichter eines Stranges ein Signal sendet, für welchen der beiden Stromrichter jeweils die Steuerimpulse freizugeben sind. Durch die Kommandostufe muß sichergestellt sein, daß nur je ein Stromrichter einer Gegenparallelschaltung zu einer Zeit eingeschaltet ist. Dafür ist es notwendig, daß aus den Strömen der einzelnen Stränge möglichst schnell die Information über den richtigen Umschaltzeitpunkt von dem einen Stromrichter einer Antiparallelschaltung auf den anderen Stromrichter gewonnen wird. Der jeweils richtige Zeitpunkt ist derjenige, bei dem ein lückenloses Fließen aller Ströme gewährleistet ist, wobei niemals beide Hälften der Gegenparallelschaltung gleichzeitig Strom führen dürfen.

Eine Information über den richtigen Umschaltzeitpunkt aus den Strömen, d. h. insbesondere aus deren Nulldurchgängen, zu erhalten, ist aufgrund der Betriebsweise eines Steuerumrichters nur bedingt möglich, da durch den starken Oberwellengehalt der gesuchte Nulldurchgang der Grundschwingung verschleiert wird. Eine Glättung der Oberschwinungen im Strom-Meßwert ist generell mit einem Fehler auf den gesuchten Nacheilwinkel des Stromes verbunden. Da die niedrigste Oberfrequenz und die sekundäre Betriebsfrequenz relativ nahe beieinander liegen, ist der Fehler im allgemeinen untragbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs angegebenen Art so auszugestalten, daß es bei einem Steuerumrichter einsetzbar ist, der mehr als einen Asynchronmotor speist, und dabei ein zeitrichtiges Ein- und Ausschalten der gegenparallelen Stromrichter jedes Stranges sichergestellt ist, ohne bei der Glättung der Oberschwinungen der Ströme auf die Betriebsfrequenz Rücksicht nehmen zu müssen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Bei einer Gruppe von über den Steuerumrichter gespeisten Asynchronmaschinen sind somit vorteilhafterweise eindeutig die Umschaltzeitpunkte der antiparallelen Stromrichter bestimmt. Auch ist die unvermeidliche Glättung der Oberschwingungen der Ströme von der Betriebsfrequenz unabhängig, so daß die Umschaltzeitpunkte ohne frequenzabhängigen Winkelfehler ermittelt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung soll im folgenden anhand der Zeichnung für ein Ausführungsbeispiel erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild zur Erstellung der Fourier-Transformierten der Grundschwingungen der Strangströme eines Steuerumrichters,

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild zur Erstellung des Umschaltsignals für die Stromrichter eines Steuerumrichters und

Fig. 3 die zeitlichen Verläufe von Signalen zur Erstellung des Umschaltsignals gemäß der Schaltung nach Fig. 2.

Zum Verständnis der Fig. 1 bis Fig. 3 wird vorausgesetzt, daß ein (z. B. aus der DE-AS 25 09 177, Fig. 1) bekannter dreiphasiger Steuerumrichter vorliegt, der drei dreiphasige in Stern geschaltete Antiparallelschaltungen von Stromrichtern aufweist und der über drei Stränge (Phasen) einen oder mehrere Asynchronmotoren speist.

Zur Erstellung der Führungsgrößen einer nachgeschalteten (nicht gezeigten) Spannungsregelung bzw. der unmittelbaren Steuergrößen für die Stromrichter erfolgt eine Vorgabe für die gewünschte Frequenz und Drehrichtung der Asynchronmotoren gemäß Fig. 1 durch eine Gleichspannung ±Wf. In Funktionsblöcken 1 und 3 wird dieses Signal nach Betrag und Richtung aufgespalten.

In einem Spannungs-Frequenzumsetzer 2 wird eine Impulskette mit betragsproportionaler Frequenz erzeugt, die abhängig vom Vorzeichnen auf den Vorwärts- oder Rückwärts-Eingang eines Zählers 4 geschaltet wird. Der Zählerstand z wird digital auf Funktionsbildner 14 mit sin-/cos-Ausgang gegeben. Die sin-Ausgänge werden in einem Block 5 zur Verminderung der maximalen Strangspannung nach bekannter Methode abgeplattet und in einem Glied 6 frequenzproportional moduliert. Dazu dient ein Frequenzgeber 7, der ebenfalls mit dem Eingangssignal ± Wf beaufschlagt ist. Die 1 unter der Wurzel des Gebers 7 steht für den ohmschen Widerstand der Wicklungen der Asynchronmotoren.

Die Ausgänge der Glieder 6 können nun als Führungsgrößen Wu einer nachgeschalteten Spannungsregelung für die in den drei Strängen R, S, T des Steuerumrichters liegenden Stromrichter weiterverarbeitet oder, nach Inversion für die gegenparallele Gruppe der Stromrichter, unmittelbar als Steuergrößen für die (nicht mehr gezeigten) Stromrichter verwendet werden.

Damit von den sechs Stromrichtern des Steuerumrichters stets nur jeweils ein Stromrichter in jeder Antiparallelschaltung einen Strom führt und während des Betriebes eine zeitrichtige Umschaltung auf den jeweils anderen Stromrichter der Antiparallelschaltung erfolgt, ist der für den Umschaltzeitpunkt notwendige Nulldurchgang der Ströme in den drei Strängen zu ermitteln. Da, wie weiter oben ausgeführt, die Ströme stark oberwellenhaltig sind und somit bei direkter Erfassung der zeitlichen Stromverläufe keine eindeutige Aussage über den wahren Zeitpunkt des Nulldurchgangs möglich ist, wird gemäß der Erfindung zur Bestimmung des Nulldurchgangs anstelle der Zeitverläufe der Ströme die Fourier-Transformierte der Grundschwingung verwendet.

Bekannterweise errechnen sich die Fourier-Koeffizienten a _ν ; b _ν einer Funktion f(t) nach der Formel

d. h.

Gemäß Fig. 1 werden in Multiplizierern 8 die Produkte aus den gemessenen Strang-Strömen i _R , i _S , i _T und den Ausgängen der Funktionsbildner 14 errechnet. Getrennt nach sin und cos-Komponente werden diese Produkte in Verstärkern 9 addiert und geglättet. Durch die Addition der drei Produkte fallen die in den einzelnen Produkten enthaltenen Oberschwingungen doppelter Betriebsfrequenz aus. Die Ausgänge der Verstärker 9 stellen die Wirk- und die Blindkomponente der Stromgrundschwingung als Gleichspannungen dar.

Es wird erreicht, daß die unvermeidliche Glättung der Oberschwingungen von etwa sechs-facher Netzfrequenz nicht mehr durch die Betriebsfrequenz begrenzt wird. Bei konstanter Last könnte die Glättung der Fourier- Koeffizienten, im Gegensatz zur Glättung der Zeitverläufe, beliebig hoch sein, ohne einen Winkelfehler zu bewirken. Bei veränderlicher Last wird die Glättung der Fourier-Koeffizienten lediglich durch den Frequenzgehalt des Last-Zeit-Verlaufs begrenzt. Wegen der Massenträgheit der Motoren und der Abhängigkeit der Last vom Schlupf endet dieses Spektrum mindestens eine Zehnerpotenz unterhalb der Betriebsfrequenz.

Es erweist sich für den Aufbau der Schaltung als zweckmäßig, den Nacheilwinkel (Phasenwinkel) ϕ, also die infolge der Blindkomponente bedingte Nacheilung des Stromes gegenüber der Spannung, durch sein Komplement auf π/2 zu ersetzen: ψ = π/2-ϕ. Dieser Winkel liegt für Asynchronmaschinen normaler Bauart etwa zwischen ± 60° (cos ϕ = ± 0,87).

In einem Dividierer 10 wird durch Division der Wirk- und Blindkomponente des Stromes der tg ψ und in einem arc-tg-Bildner 11 der Winkel c, in einem Inverter 12 seine Umkehrung - ψ, errechnet.

Diese Werte ± ψ müssen nun mit dem laufenden Zeitwinkel ωt verglichen werden. Dazu sind gemäß Fig. 2 in einem Funktionsbildner 13 der digitale kodierte Zählerstand z in ein analoges Signal f(z) umgesetzt (siehe Fig. 3, Mitte). Das Signal f(z) ist ein lineares Abbild des Zeitwinkels ωt in den Grenzen des möglichen Wertes von ψ, d. h. etwa ± 60°. Entsprechend Fig. 2 werden in Komparatoren 14.1 und 14.2 die errechneten Werte ±ψ mit den Zeitwinkeln ωt verglichen, getrennt für Rechts- und Linkslauf, getrennt für die drei Phasen. Die Ausgänge der Komparatoren 14.1 und 14.2 werden, je nach Drehrichtung geradeaus oder über Kreuz, den Impulsbildnern 15.1 und 15.2 zugeführt. Aus den Ausgangssignalen K 1, K 2 der Impulsbildner 15.1 und 15.2 wird das Umschaltsignal für eine bistabile Kippstufe 16 hergeleitet. Die je einem Strang R, S, T zugeordnete Kippstufe 16 gibt ein Sperrsignal an die Steuerstufe eines der antiparallelgeschalteten Stromrichter B _{r 1} , während die Steuerstufe des vorher gesperrten anderen Stromrichters B _{r 2} ein Freigabesignal erhält.

Der Vergleich der Werte ± ψ mit dem laufenden Zeitwinkel ωt kann jedoch auch auf gängige andere Weise erfolgen, z. B. also auch auf digitaler Basis.

Das Ausgangssignal der bistabilen Kippstufe 16 unterliegt vor der Weitergabe der Freigabe eines der antiparallelgeschalteten Stromrichter den bekannten und hier nicht näher dargestellten Prüfungen auf Zulässigkeit, d. h. daß der Strom durch den abzuschaltetenden Stromrichter 0 ist, daß die Freiwerdezeit der Stromrichterventile eingehalten worden ist, und daß während dieser Zeit kein neuer Zündimpuls abgegeben worden ist.

In Fig. 3 ist der zeitliche Verlauf der Ausgangssignale K 1, K 2 der Impulsbildner 15.1 und 15.2 getrennt für Rechts- und Linkslauf dargestellt. Je nach Drehrichtung, d. h. Vorzeichen der Frequenz, wird die Abszisse z ≅ ωt von links nach rechts oder umgekehrt durchlaufen. Die nicht geklammerten Bezeichnungen gelten für positives, die geklammerten für negatives ψ (siehe Fig. 3, Mitte).

Zur Aufnahme des Betriebes des Steuerumrichters, d. h. wenn noch keine Ströme i _R , i _S , i _T gemessen werden und folglich die Ausgänge der Verstärker 9 noch keine Signale abgeben, wird mit Kontakten "Start" gemäß Fig. 1 in jedem Fall der annähernd bekannte Blindstrom entsprechend einer Spannung U _B vorgetäuscht und damit der für reinen Blindstrom richtige Einschaltzeitpunkt vorgegeben. Darüber hinaus kann es, je nach Größe und Richtung des erwarteten Drehmoments, zweckmäßig sein, zusätzlich einen bestimmten Wirkstrom durch Aufschalten einer Spannung U _W vorzutäuschen und damit den anfänglichen Fehler zu verkleinern. Sobald ein meßbarer Strom fließt, werden diese Starthilfen abgeschaltet.

Claims (3)

1. Verfahren zum Steuern von kreisstromfrei antiparallelgeschalteten Stromrichtern eines mehrphasigen, im Vierquadrantenbetrieb Asynchronmotoren frequenzvariabel speisenden Steuerumrichters mit Stellgrößen, die unter Einsatz von oberschwingungsfreien, in Komponentenform vorliegenden und als Multiplikatorfunktionen verwendeten Hilfsgrößen aus den Zeitverläufen von Strangströmen des Mehrphasensystems gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Strangströme erfaßt und unter Verwendung der Hilfsgrößen die Fourier-Transformierten der Grundschwingung dieser Strangströme in Komponentenform gebildet werden,
daß die Wirk- und Blindkomponenten der Fourier-Transformierten der Stromgrundschwingungen aller Stränge getrennt addiert werden und
daß der Quotient der zeitlich geglätteten Summenwerte bzw. sein Arcus Tangens mit den laufenden Zeitwinkeln verglichen wird und jeweils im Zeitpunkt der Gleichheit vom vorher vom jeweiligen Strangstrom durchflossenen Stromrichter auf den ihm antiparallel geschalteten Stromrichter umgeschaltet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 für die Aufnahme des Betriebes des Steuerumrichters, dadurch gekennzeichnet, daß bis zum meßbaren Einsetzen der Strangströme mindestens der annähernd bekannte Blindstromwert oder zusätzlich der zu erwartende Wirkstromwert bei der Bildung des Quotienten als Ersatzgröße vorgegeben wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Quotientenbildung anstelle des Nacheilwinkels ϕ zwischen speisender Spannung und den Strangströmen sein Komplement auf π/2 ermittelt wird und der Umschaltbefehl dann durch Vergleich des Zeitwinkels mit dem Winkel π/2-4 erstellt wird.