-
Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung
-
eines Wechselstrommotors Die Erfindung betrifft ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur Steuerung eines Wechselstrommotors mittels eines PAM-gesteuerten
Stromrichters.
-
Zur Steuerung eines Wechselstrommotors, beispielsweise eines Induktionsmotors,
werden bereits in großem Maße Stromrichter eingesetzt, da diese zur Erzeugung mehrphasiger
Wechselstromleistung veränderlicher Frequenz und Spannung eingesetzt werden können.
-
Allgemein können Steuersysteme, die die Ausgangswechselspannung des
Stromrichters steuern, grob in zwei Typen eingeteilt werden: eine PAM-Steuerung
(Pulsamplitudenmodulationssteuerung) und eine PWM-Steuerung (Pulsdauermodulationssteuerung).
-
Zur Steuerung der Ausgangswechselspannung einer Hauptstromrichterschaltung
steuert die PM1-Steuerung eine Eingangsgleichspannung des Stromrichterteils. Dann
ist die Schaltfrequenz des Hauptschaltelements im Stromrichterteil genauso groß
wie die Frequenz des Ausgangswechselstroms. Die PAM-Steuerung kann nämlich auch
auf den Fall angepaßt werden, bei dem eine beträchtlich hohe Wechselstromfrequenz
des
Ausgangssignals vorliegt und erzeugt nur geringe Störungen.
-
Ausdiesem Grunde wird die PAM-Steuerung zum Antrieb von großen elektrischen
Motoren eingesetzt.
-
Im folgenden wird eine herkömmliche Stromrichtersteuerung, beruhend
auf einer solchen PAM-Steuerung, in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben.
-
In Fig. 2 bezeichnet die Bezugsziffer 1 eine Leistungsgleichrichtereinheit
und Ziffer 3 eine Leistungsstromrichtereinheit. Diese Einheiten bilden einen Hauptkreis
des Stromrichtergeräts und sind beispielsweise so, wie die Fig. 3 und 4 zeigen,
aufgebaut. In Fig. 3 wird ein Zerhackerglied TC zum Steuern der Ausgangsgleichspannung
VD durch die Zerhackersteuerung verwendet. In Fig. 4 dienen Thyristoren THR bis
THT zur Steuerung der Ausgangsgleichspannung VD durch eine Phasensteuerung. Ziffer
4 bezeichnet in diesen Figuren einen Wechselstrommotor.
-
In Fig. 2 wiederum bezeichnet eine Ziffer 5 einen Drehzahlsteller,
der ein als Drehzahlsignal a dienendes Ausgangssignal zur Steuerung der Ausgangsfrequenz
und der Ausgangsspannung des Stromrichters erzeugt. Ziffer 6 bezeichnet einen Spannungs-Frequenzwandler,
der ein Impulssignal b erzeugt, dessen Frequenz der Spannung des Drehzahlstellsignals
a proportional ist. Ziffer 7 bezeichnet einen Ringzähler, der ein dreiphasiges Wechselstromsignal
c abhängig vom Impulssignal b erzeugt.
-
Das Wechselstromsignal c steuert die Hauptkreiselemente TU bis TZ
der Stromrichtereinheit 3 an und steuert damit die Ausgangsfrequenz des Stromrichtergeräts.
Ziffer 8 bezeichnet eine Gleichstromsteuervorrichtung, die die Gleichrichtereinheit
1 zur Erzeugung einer Gleichspannung proportional zum Drehzahlsignal a steuert.
Ein Zeichen d weist auf einen Steuersignaleingang zur Gleichrichtereinheit 1 hin.
-
Die Ausgangsgleichspannung VD der Gleichrichtereinheit 1 wird beim
herkömmlichen PAM-gesteuerten Stromrichtergerät, wie oben beschrieben, zur Steuerung
der vom Stromrichter dem Wechselstrommotor 4 zugeführten Spannung der Wechselstromleistung
gesteuert. Die Frequenz der Wechselstromleistung wird durch den Schaltvorgang der
Stromrichtereinheit 3 gesteuert und damit die obengenannten Merkmale hervorgerufen.
-
Das Hauptschaltelement im Stromrichterteil des PAM-gesteuerten Stromrichtergeräts
führt jedoch einfach die Schaitoperation nur immer nach einem halben Zyklus des
Wechselstromausgangs durch, so daß der Wechselstromausgang eine rechteckförmige
Signalform mit schlechtem Wellenfaktor annimmt. Deshalb ist es schwierig, den beim
Start in den Wechselstrommotor fließenden anschwellenden Strom zu unterdrücken.
Insbesondere fließt ein beträchtlich großer, anschwellender Strom bei Wechselstrommotoren
geringer Impedanz. Bis dahin mußte deshalb ein PAM-gesteuertes Stromrichtergerät
eine große Kapazität haben, um den Anschwellstrom zu verkraften. Dies ist vom Standpunkt
der Herstellungskosten nachteilig.
-
Aus der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 162 978/1981 ist ein kombiniert
PAM-gesteuerter und PWM-gesteuerter Stromrichter bekannt. Diese Druckschrift betrachtet
jedoch nicht den anwachsenden, beim Start in den Wechselstrommotor fließenden Anschwellstrom,
der bei dem PAM-gesteuerten Stromrichtergerät auftritt.
-
Aufgabe der Erfindung ist, eine Stromrichtersteuerung zu ermöglichen,
die die obengenannten Nachteile nicht hat und den beim Start des Wechselstrommotors
in diesen fließenden anschwellenden Strom genügend unterdrückt und mit einer nur
gering größeren Stromrichterkapazität auskommt.
-
Erfindungsgemäß ist zur Lösung der obigen Aufgabe das PAM-gesteuerte
Stromrichtergerät mit einer PWSI-Steuerung versehen,
so daß die Hauptschaltelemente im Stromrichterteil nur zum Startzeitpunkt des Wechselstrommotors,
um eine Wechselstromleistung zu erzeugen, PWM-gesteuert sind.
-
Dieses PWM-Steuersystem macht eine genaue Steuerung der Ausgangswechselspannung
und die Unterdrückung des Anschwellstroms, der beim Start in den Wechselstrommotor
fließt, möglich. Wegen der PWM-Steuerung muß jedoch die erlaubte Schaltfrequenz
des Hauptschaltelements höher gewählt werden.
-
Die Erfindung sieht deshalb vor, daß die PWM-Steuerung nur, wenn der
Wechselstrommotor startet, während die Ausgangsfrequenz des Stromrichtergeräts beträchtlich
unter den Sollwerten bleibt, arbeitet, um damit den Betrieb zur Steuerung der Ausgangsspannung
und zur Unterdrückung des Anschwellstroms zu verbessern. Zu sonstigen Zeiten wird
die PWM-Steuerung nicht eingesetzt, so daß die erlaubte Schaltfrequenz des Hauptschaltelements
nicht höher werden muß.
-
Das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebene Stromrichtergerät
des PAM-Steuersystems macht eine weitgehende Unterdrückung des Anschwellstroms,
der beim Start in den Wechselstrommotor fließt, möglich.
-
Durch die zusätzlich zur PAM-Steuerung gemäß der Erfindung vorgesehene
PWM-Steuerung erreicht man unerwartete Start-und Steuerkennwerte, und der Wirkungsgrad
kann beträchtlich erhöht werden.
-
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in
Erläuterung der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild
einer Ausführungsart eines erfindungsgemäßen Stromrichtersteuergeräts; Fig. 2 ein
Blockschaltbild eines herkömmlichen Stromrichtersteuergeräts;
die
Fig. 3 und 4 Schaltbilder von Beispielen von Hauptkreisen des Stromrichtergeräts;
Fig. 5 ein Schaltdiagramm eines Schaltkreises von Fig. 1 gemäß der Erfindung; und
die Fig. 6 und 7 Zeitdiagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise der in Fig. 1 dargestellten
Schaltung.
-
Im folgenden wird anhand der Fig. 1 eine erste Ausführungsart der
Erfindung beschrieben.
-
Eine Bezugsziffer 9 bezeichnet einen Vergleicher, der aufgrund einer
Referenzspannung ein Drehzahlsignal solange abweist, bis dieses eine vorgegebene
Spannung aufweist, auch wenn es einen endlichen Wert annimmt, um Störwirkungen zu
unterdrücken, und der ein Betriebsstopsignal e nur, wenn die Betriebsanweisung richtig
ausgeführt wird, erzeugt.
-
Die Bezugsziffer 10 bezeichnet einen Schaltsteuerkreis, der das Schalten
von der PWM-Steuerung in die PAM-Steuerung steuert; 11 bezeichnet eine Zeitgeberschaltung,
12 einen Integrator, 13 einen Vergleicher, 14 eine Torschaltung und 15 eine Signalformzusammensetzschaltung,
die die PWM-Steuerung durchführt. Die Funktionen dieser Schaltungen werden nachfolgend
erläutert.
-
Mit Ausnahme der oben beschriebenen Teile sind die wesentlichen Teile
in Fig. 1 dieselben wie bei dem herkömmlichen Gerät in Fig. 2. Der Hauptkreis ist
ebenfalls derselbe, wie er in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist.
-
Fig. 5 zeigt eine konkrete Ausführung des Schaltsteuerkreises 10,
der aus einer Pufferschaltung 16, einem Vergleicher 17 und einer Nicht-Koinzidenzschaltung
18 besteht. Die Wirkungsweise dieser Ausführung wird anhand der Zeitdiagramme von
Fig. 6
erläutert.
-
Nun wird angenommen, daß zum Zeitpunkt t0 ein Drehzahlbefehl dem Stromrichtergerät
zugeführt wird.
-
Die Drehzahlstelleinheit 5 erzeugt dann ein Drehzahlsignal a, das
aus einer Pufferspannung besteht, die auf eine Spannung wächst, die einem gegebenen
Drehzahlbefehlswert entspricht.
-
Der Vergleicher 9 hebt das Betriebsstopsignal e (zum Zeitpunnkt t1)
an, sobald die Spannung des Signals a die Referenzspannung des Vergleichers 9 erreicht.
-
Das Drehzahlsignal a wird auch dem Spannungs-Frequenz-Umsetzer 6 und
einer Gleichspannungssteuerschaltung 8 zugeführt.
-
Zum Zeitpunkt t1 erzeugt deshalb der Spannungs-Frequenz-Umsetzer 6
ein Impulssignal b, dessen Frequenz der Referenzspannung des Vergleichers 9 entspricht,
und die Gleichspannungssteuerschaltung 8 erzeugt ein Gleichspannungssteuersignal
d.
-
Demgemäß wird das PAM-Steuersystem so betrieben, daß die Gleichrichtereinheit
1 des Hauptstromrichterkreises eine Gleichspannung VD (z.B. VD = 10 V bei einer
Sollausgangsspannung von 200 v) erzeugt, die dem Wert der Referenzspannung entspricht,
und die Stromrichtereinheit 3 erzeugt einen Dreiphasenwechselstrom einer Frequenz,
(z.B. 2,5 Hz bei einer Nennfrequenz von 50 Hz), die der Referenzspannung entspricht,
mit der Gleichspannung VD als Eingang.
-
Bei dieser Ausführung wird jedoch, beginnend vom Zeitpunkt t1, eine
PWM-Steuerung während einer durch den Schaltsteuerkreis 10 eingestellten Zeitdauer
durchgeführt.
-
Deshalb beginnt die Pufferschaltung 16 im Schaltsteuerkreis 10 mit
der Erzeugung eines Puffersignals f, wenn das Betriebsstopsignal e zum Zeitpunkt
t1 hochgeht. Zu diesem Zeitpunkt hat jedoch der Vergleicher 17 noch kein Ausgangssignal
h
erzeugt. Deshalb geht ein Frequenzfestlege-Signal gt das die
Nicht-Koinzidenzschaltung 18 erzeugt, abhängig von dem Betriebsstopsignal e hoch
und wird der Drehzahlstelleinheit 5 eingegeben, um den Anstieg der Spannung des
Drehzahlsignals a zu stoppen. Die PWM-Steuerung wird während der Zeitdauer ausgeführt,
während der die Spannung des Drehzahlsignals a nicht ansteigen kann. Zu diesem Zeitpunkt
wird des Frequenzfestlege-Signal gaus den obengenannten Gründen erzeugt. D.h., daß
die Ausgangs frequenz des Stromrichtergeräts nicht anwachsen kann, so daß die Schaltfrequenz
des Hauptschaltelements nicht zu hoch werden kann und daß die PWM-Steuerung glatt
in die PAM-Steuerung umgeschaltet wird.
-
Hier gibt der Spannungs-Frequenz-Umsetzer 6 sein Impulssignal b dem
Integrator 12 ein, der aus dem Impulssignal b durch Integration ein dreieckförmiges
Signal i erzeugt. Das Dreiecksignal i wird dann dem Vergleicher 13 angegeben und
mit dem Puffersignal f verglichen. Falls der Ausgang in der Situation erzeugt wird,
wo der Pegel des Puffersignals f größer als der Pegel des Dreiecksignals i ist,
ergibt sich ein Impulsdauersignal j mit dem Dreiecksignal i als Trägerschwingung
zur PWM-Steuerung. Die Pulsdauer des Pulsdauersignals j verändert sich proportional
zum Spannungspegel des Puffersignals f.
-
Das Impulsdauersignal j wird einer herkömmlichen Signalzusammensetzschaltung
15 eingegeben und in ein vom Ringzahler 7 erzeugtes dreiphasiges Wechselstromsignal
c synthetisiert, um PWM-Steuersignale k zu bilden, die die Stromrichtereinheit 3
ansteuern, um den PWM-gesteuerten Betrieb durchzuführen.
-
Dabei ist auf das Impulsdauersignal j zu achten. Die Impulsdauer dieses
Signals wächst allmählich mit ansteigendem Pegel des Puffersignals f, beginnend
von der Zeit t1 von 0 an und wird schließlich unendlich.
-
Gemäß dieser Ausführungsart wird deshalb der Geschwindigkeitsbefehl
zum Zeitpunkt t0 gegeben, und der Pegel des Puffersignals f steigt beginnend von
der Zeit t1 an. Die Frequenz der von der Stromrichtereinheit 3 zum Wechselstrom
4 gespeisten Wechselstromleistung beträgt beispielsweise konstant 2,5 Hz und ihre
PWM-gesteuerte Spannung steigt mit vorgegebener Geschwindigkeit von 0 an. Deshalb
kann der Wechselstrommotor 4 mitsehrkleinem Anschwellstrom gestartet werden.
-
Deshalb geht der Pegel des Puffersignals f hoch und erreicht schließlich
den vom Vergleicher 17 gegebenen Vergleichspegel, woraufhin das Ausgangssignal h
hochgeht. Dieser Zeitpunkt ist mit t2 bezeichnet.
-
Nach dem Zeitpunkt t2 beginnt das durch die Drehzahlstelleinheit 5
erzeugte Drehzahlsignal a mit vorgegebenen Zeitkonstantenanzusteigen. Dann wird
aufgrund der PAM-Steuerung Frequenz und Spannung des Wechselstromausgangs des Stromrichtergeräts
auf Werte anwachsen, die der Solldrehzahl entsprechen.
-
Hier kann, falls ein Zeitpunkt, an dem der Pegel des Puffersignals
f den Pegel des Dreiecksignals e übersteigt, gleichzeitig mit einem Zeitpunkt, an
dem der Pegel des Puffersignals f den Vergleichspegel des Vergleichers 17 übersteigt,
auftritt, die Zeitdauer, während der die PWM-Steuerung in Fig. 6 durchgeführt wird,
in Ubereinstimmung mit der Zeitdauer T, in der das Frequenzfestlege-Signal g hohen
Pegel annimmt, gebracht werden und die PWM-Steuerung kann glatt zur PAM-Steuerung
ohne Unterbrechung verschoben werden.
-
Außerdem kann diese Zeitdauer T auf einen vorgegebenen Wert gesetzt
werden, um die Startkennwerte des Wechselstrommotors 4 zu erfüllen. Zu diesem Zweck
sollte die Anstiegscharakteristik des von der Pufferschaltung 16 erzeugten Puffersignals
f auf vorgegebene Bedingungen eingestellt werden.
-
Bei dieser Ausführungsart wird ein dynamisches Bremsen ausgeführt,
wenn der Wechselstrommotor 4 durch die PWM-Steuerung, um die Anhaltezeit zu verkürzen,
angehalten wird. Eine Zeitgeberschaltung 11 ist für diesen Zweck vorgesehen. Der
Betrieb während des Anhaltens wird nun in Verbindung mit dem in Fig. 7 dargestellten
Zeitdiagramm beschrieben.
-
Wenn nun der dem Stromrichtergerät zugeführte Drehzahlbefehl Null
wird, nimmt von diesem Zeitpunkt an das Drehzahlsignal ab. Sobald dieses Signal
a kleiner wird als die Referenzspannung des Vergleichers 9, fällt das Betriebsstopsignal
e (der Pfeil in Signal e in Fig. 7). Die Änderung im Signal e verursacht, daß der
Schaltsteuerkreis 10 sofort zurückgesetzt wird, und das Puffersignal f fällt zum
tiefen Pegel ab. Gleichzeitig läßt das fallende Signal e die Zeitgeberschaltung
11 mit ihrer Operation beginnen. Die Zeitgeberschaltung 11 führt die Gleichstromdämpfungssteuerung
durch und initiiert den Zählvorgang nach Maßgabe der Rückflanke des Signals e, und
wird, sobald eine vorgegebene Zeitdauer verstrichen ist, zurückgesetzt. Von den
Ausgangssignalen der Zeitgeberschaltung 11 hat das Signal 1 zwei Funktionen, nämlich
das von der Drehzahleinstellschaltung 5 erzeugte Drehzahlsignal a festzulegen und
den Ringzähler 7 anzuhalten. Das andere Signal m bewirkt, daß der Vergleicher 13
das Impulssignal j zur Zeit der Gleichstromdämpfung erzeugt.
-
Da, wie oben erwähnt, die Zeitgeberschaltung 11 das Signal 1 erzeugt,
wird das Drehzahlsignal a auf demselben Pegel wie zum Startzeitpunkt festgelegt.
Das dient zur einfachen Erzeugung des Gleichspannungssteuersignals d sowie des Dreiecksignals
i, das als Trägerschwingung dient. Statt dessen können auch Signale von der Zeitgeberschaltung
11 direkt dem Spannungs-Frequenz-Umsetzer 6 und der Gleichspannungssteuerung 8 eingegeben
und damit derselbe Betrieb realisiert werden. Hier ist jedoch das obengenannte Verfahren
zur Vereinfachung der Schaltung angewendet.
-
Das Signal 1 wird auch einem tISD-Glied 14 zuqeführt, um dessen Ausgangssignal
n, das dasselbe war wie das Impulssignal b, auf den hohen Pegel festzulegen. Deshalb
wird das Impulssignal b nicht weiterhin zum Ringzähler 7 übertragen, d.h. daß der
Ringzähler 7 in der Lage gehalten wird, wo das Ausgangssignal n den hohen Pegel
annimmt. Unter dieser Bedingungwird eines der Signale BU, BV und BW und BX, BY und
BZ des dreiphasigen Wechselstromsignals c im EIN-Zustand gehalten. Das bedeutet,
daß irgendeines der Elemente TU, TV und TW in der oberen Hälfte des Hauptschaltglieds
des Stromrichters 3 und der Elemente TX, TY und TZ in der unteren Hälfte im EIN-Zustand
gehalten wird. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Gleichspannung jeweils zwischen zwei
beliebigen Phasen der Ausgangsanschlüsse U, V und W des Stromrichters erzeugt, weil
zu diesem Startzeitpunkt derselbe Spannungsbefehl der Gleichspannungssteuerung 8
eingegeben wurde, d.h. daß der Gleichstromdämpfungsbetrieb erreicht wird. In diesem
Zustand fließt jedoch, da das Hauptschaltelement des Stromrichters 3 eingeschaltet
bleibt, ein überschüssiger Gleichstrom in den Wechselstrommotor 4, und es entsteht
ein gefährlicher Zustand, bei dem das Hauptschaltelement des Stromrichters und der
Wechselstrommotor 4 überhitzt werden.
-
Deshalb wird mittels der PWM-Steuerfunktion ein Impulssignal erzeugt,
das den Gleichstrom zurückdrängt. Wenn die Zeitgeberschaltung 11, wie oben beschrieben,
arbeitet, erzeugt der Spannungs-Frequenz-Umsetzer 6 das Impulssignal b mit derselben
Frequenz wie zum Startzeitpunkt. Deshalb erzeugt der Integrator 12 das Dreieckssignal
i mit derselben Frequenz wie zur Startzeit. Der Stromrichter erzeugt nämlich, falls
das Signal m mit geeignetem Spannungspegel dem Vergleicher 13 anliegt, Signale aufgrund
desselben Prinzips wie bei der PiiM-Steuerung zum Startzeitpunkt, wodurch die Stärke
des durch den Wechselstrommotor 4 fließenden Gleichstroms auf einem geeigneten Wert
gehalten wird. Dies ist der Gleichstromdämpfungsbetrieb.
-
Bei der obigen Ausführungsart wurde die Zeit Tm der Zeitgeberschaltung
11 willkürlich eingestellt, jedoch kann auch der Moment erfaßt werden, bei dem der
Wechselstrommotor 4 anhält und die Zeitdauer vom Zeitpunkt, wo das Drehzahlsignal
e abgefallen ist bis zum Zeitpunkt, wo der Wechselstrommotor 4 anhält, als TM-Wert
der Zeitgeberschaltung 11 verwendet werden.
-
Außerdem kann der Spannungspegel des Signals m mittels des Ausgangsstroms
des Stromrichtergeräts automatisch eingestellt werden. Wenn die Zeitgeberschaltung
11 den Zeitzählvorgang beendet hat, verringern sich die Signal 1 und m, und der
Haltezustand wird wieder angenommen.
-
Bei dieser Ausführungsart kann deshalb die Schlupfzeit genügend verkürzt
werden, wenn der Wechselstrommotor in den Haltezustand gesteuert wird. Deshalb kann
die Wartezeit des Betriebs verkürzt und die Sicherheit erhöht werden.
-
Bei der obengenannten Ausführung kann außerdem das vom Spannungs-Frequenz-Umsetzer
6 erzeugte Impuls signal b zur Erzeugung des Dreieckssignals e für Trägerschwingungen
integriert werden, was zur Vereinfachung des Aufbaus beiträgt. Zusätzlich kann ein
unabhängiger Impulsgenerator vorgesehen sein, der seine Ausgangssignale dem Integrator
12 eingibt. Es kann auch ein separater Dreiecksschwingungsgenerator vorgesehen sein.
-
Bei der obigen Ausführung wird die PWM-Steuerzeit T des Schaltsteuerkreises
10 gesteuert vom Zeitgeber, der das Puffersignal f verwendet, eingestellt. Der Zeitpunkt,
bei dem die Zeit T zu Ende ist, kann durch einen Zeitpunkt, an dem der elektrische
Strom in den Wechselstrommotor 4 einen vorgegebenen Wert anzunehmen beginnt, eingestellt
werden. Bei der obigen Ausführung wird der Gleichspannungsdämpfungsbetrieb mit einer
einzelnen Phase durchgeführt. Die Gleichspannungsdämpfung kann jedoch auch mit mehreren
Phasen durchgeführt werden. Dasselbe gilt für die PWM-Steuerung. D.h. daß ein unsyetrisches
Impulsdauersystem
natürlich zusätzlich zum symmetrischen Impulsdauersystem,
das beim obengenannten Ausführungsbeispiel angewendet ist, praktisch einsetzbar
ist.