DE3708246A1 - Verfahren und einrichtung zum steuern der steuerspannung eines dreiphasen-wechselrichters zur versorgung eines wechselstrommotors - Google Patents

Verfahren und einrichtung zum steuern der steuerspannung eines dreiphasen-wechselrichters zur versorgung eines wechselstrommotors

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Steuern der Steuerspannung eines Dreiphasen-Wechselrichters zur Versorgung eines Wechselstrommotors. Die Leistungsstufe des Wechselrichters ist durch Verwendung von Halbleiterschaltern verwirklicht, und zur Spannungssteuerung wird die Ausgangsspannung jeder Phase des Wechselrichters gemessen.
Ein frequenzgesteuerter Wechselstrommotor ist die fortschrittlichste Konstruktion beispielsweise für Aufzugsanlagen. Bei Frequenzsteuerung ist der Wirkungsgrad bei allen Motorgeschwindigkeiten hoch und der Netzstromfaktor nahezu 1. Die Frequenzsteuerung eignet sich sowohl für Aufzugsanlagen mit Getrieben wie auch für getriebelose Aufzüge und für alle Geschwindigkeiten. Außerdem kann als Motor ein einfacher, preisgünstiger Kurzschlußläufermotor benutzt werden. Für Aufzugsanlagen ist ein Transistor- Inverter am besten geeignet, d. h. ein Wechselrichter, der mit Transistoren bestückt ist, um die Frequenzsteuerung durchzuführen, weil mit Transistoren unter den bestehenden Bauelementen der Leistungselektronik die höchste Schaltfrequenz erzielt werden kann. Es können aber auch GTO-Thyristoren (Vollsteuer-Gatt-Thyristoren) in Erwägung gezogen werden, weil sie etwa gleiche Schaltzeiten haben; allerdings ist wegen der nötigen Schaltsicherungen das Hauptstromschalten komplizierter als im Fall von Transistoren.
Wenn bei dem Wechselrichter eine Impulsbreitenmodulation mit Hilfe einer Vergleichsschaltung angewandt wird, die ohne Rückkopplung einen sinus- oder dreieckswellenförmigen Spannungsvergleich durchführt, ist der vom Wechselrichter für den Motor zur Verfügung gestellte Strom nicht ausreichend sinuswellenförmig beispielsweise zur Anwendung in Aufzugsanlagen, weil in dem gleichgerichteten Zwischenspannungsschaltkreis, aus dem durch Gleichrichten mittels des Wechselrichters der Dreiphasen-Wechselstrom zum Speisen des Motors erhalten wird, die Spannung nicht gleichbleibend ist. Ein weiterer Grund besteht darin, daß ein Halbleiterschalter der Steuerung nicht ohne Verzögerung folgt. Einen dritten Fehlerfaktor verursacht die Differenzspannung, die durch die an dem als Halbleiterschalter benutzten Bauelement der Leistungselektronik bestehende Spannung im Vergleich zu derjenigen Spannung vorhanden ist, die bei der anderen Stromrichtung auftritt, wenn diejenige Diode durchgesteuert ist, die mit dem Halbleiterschalter parallelgeschaltet ist. In der Praxis führen die Fehler zu Schwingungen im Motor, was beispielsweise bei der Anwendung in Aufzugsanlagen die Leistung des Aufzugs beeinträchtigt und für die Benutzer Unannehmlichkeiten verursacht.
In der Wechselrichtertechnik ist Stromrückkopplung als ein Verfahren zum Verbessern des Kurvenverlaufs bekannt. Der Nachteil der Stromrückkopplung besteht in dem langsamen Ansprechen, welches darauf beruht, daß bei der Stromrückkopplung Zeitkonstanten durch die Motorinduktivitäten eingeführt werden. Die Steuerschleife ist im allgemeinen um so langsamer, je größer die Anzahl der Zeitkonstanten ist. Ferner sind Strommeßglieder teuer, weil sie auch geeignet sein müssen, Gleichstrom zu messen.
Mit der Erfindung ist es möglich, die genannten Nachteile zu vermeiden. Das Verfahren gemäß der Erfindung zum Steuern der Steuerspannung eines einen Wechselstrommotor versorgenden Dreiphasen-Wechselrichters zeichnet sich dadurch aus, daß die Steuerspannung jeder Phase des Impulsbreitenmodulators des Wechselrichters mittels eines Spannungsreglers gesteuert wird. Ferner wird die am Ausgang des Spannungsreglers erhaltene Steuerspannung von einer aus der Ausgangsspannung jeder Wechselrichterphase gebildeten Istwertspannung und von einer Bezugsspannung erzeugt. Da zum Steuern des Wechselrichters auf Spannungssteuerung zurückgegriffen wird statt auf Stromsteuerung, wird ein rascheres Steuern erreicht, denn anders als bei der Stromsteuerung, gibt es bei der Spannungssteuerung keine Verzögerung aufgrund von Induktivitätserscheinungen.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäß der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß aus der Ausgangsspannung jeder Wechselrichterphase eine Istwertspannung gebildet wird, daß zum Erzeugen eines synthetischen Nullniveaus mit der am Ausgang gemessenen Spannung eine Wechselspannung kombiniert wird, die sich mit einer Frequenz ändert, welche dem Dreifachen der Grundfrequenz entspricht, und die erhalten wird durch Kombinieren der positiven und negativen Spannungen der pulsierenden Gleichspannung, die aus der einer Ganzwellen- oder Vollwegegleichrichtung unterzogenen Dreiphasenspannung resultiert.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich auch dadurch aus, daß die als Ausgangswert des Spannungsreglers für jede Phase erhaltene Steuerspannung dadurch aus der Istwertspannung, die aus der Ausgangsspannung jeder Wechselrichterphase gebildet ist, und aus der Bezugsspannung gebildet wird, daß die Differenz der Istwertspannung und der Bezugsspannung gebildet wird, die verstärkt und dem Bezugswert überlagert wird.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich auch dadurch aus, daß als Wechselrichter ein mit Transistoren bestückter Wechselrichter benutzt wird, in welchem die als Halbleiterschalter dienenden Transistoren gesteuert werden, um die Ausgangsspannungen des Transistor-Wechselrichters zu erzeugen.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäß der Erfindung zeichnet sich auch dadurch aus, daß als Wechselrichter ein mit GTO-Thyristoren bestückter Wechselrichter benutzt wird, in welchem die als Halbleiterschalter dienenden GTO-Thyristoren gesteuert werden, um die Ausgangsspannungen des GTO-Thyristor-Wechselrichters zu erzeugen.
Die Einrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die ein Meßglied für die Ausgangsspannung eines Wechselrichters aufweist, zeichnet sich dadurch aus, daß zum Steuern der Steuerspannung des Impulsbreitenmodulators einer Phase des Wechselrichters ein Schaltkreis zum Bilden der Istwertspannung, der aus der am Wechselrichterausgang gemessenen Spannung eine Istwertspannung liefert, und ein Schaltkreis zum Bilden einer Bezugsspannung vorgesehen ist, der aus der Istwertspannung und der Bezugsspannung die Steuerspannung für den Impulsbreitenmodulator bildet.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens gemäß der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß der Schaltkreis zum Bilden der Istwertspannung hauptsächlich unter Verwendung einer Summiereinheit, die die positive und negative Spannung einer pulsierenden Gleichspannung kombiniert, welche durch Ganzwellengleichrichten der Dreiphasenspannung erhalten wurde, und einer Summiereinheit verwirklicht ist, welche die am Wechselrichterausgang gemessene Spannung mit der in der beschriebenen Weise erhaltenen Wechselspannung kombiniert.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung zeichnet sich auch dadurch aus, daß der Schaltkreis zum Bilden der Bezugsspannung hauptsächlich mit einer Differenziereinheit, die die Istwertspannung mit der Bezugsspannung vergleicht, einem die Differenz integrierenden Verstärker und einer Summiereinheit verwirklicht ist, mit deren Hilfe die erhaltene Differenz dem Bezugswert überlagert wird, um eine Steuerspannung zu liefern, die den momentanen Zustand des Wechselstrommotors berücksichtigt.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung ist auch dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter ein mit Transistoren bestückter Wechselrichter ist, dessen Transistoren als gesteuerte Halbleiterschalter in der Leistungsstufe dienen.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung ist auch dadurch gekennzeichnet, daß als Wechselrichter ein mit GTO-Thyristoren bestückter Wechselrichter benutzt wird, dessen GTO-Thyristoren als gesteuerte Halbleiterschalter in der Leistungsstufe dienen.
Bei Benutzung des Spannungsreglers gemäß der Erfindung ist aufgrund des synthetischen Nullniveaus die Welligkeit der Spannung weniger störend, als wenn eine sinuswellenförmige Spannung unter Berücksichtigung des Netznullpunktes gebildet wird. Im Regler gemäß der Erfindung wird außerdem das aus der Istwertspannung und der Bezugsspannung gebildete Differenzsignal verstärkt und der Bezugsspannung überlagert. Durch das Prinzip der Überlagerung wird eine schnellere Steuerung erreicht, als wenn die gesamte Spannungssteuerung über den Integrationsverstärker des Reglers liefe.
Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Spannungsreglers gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine graphische Darstellung der Bildung des synthetischen Nullniveaus;
Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Wechselstrommotorantriebs mit einem mit Spannungsreglern gemäß der Erfindung versehenen, mit Transistoren arbeitenden Dreiphasen-Wechselrichter.
Unter Hinweis auf Fig. 1, 2 und 3 soll die Arbeitsweise eines Spannungsreglers 1 gemäß der Erfindung beschrieben werden, der in der Phase A arbeitet. Die Spannungsregler für die Phasen B und C sind ähnlich dem Spannungsregler 1 für die Phase A. Fig. 3 zeigt einen Wechselstrommotorantrieb mit einem Transistor-Inverter, der mit Spannungsreglern 1 gemäß der Erfindung versehen ist. Die Eingabewerte in den Spannungsregler 1 sind einmal die am Wechselrichterausgang mit einem Meßglied 8 gemessene Spannung Va und eine Bezugsspannung Va*. Mit der Entwicklung der Bezugsspannung ist der Fachmann vertraut, und dies Verfahren stellt keinen Teil der vorliegenden Erfindung dar. Vom Ausgang des Spannungsreglers 1 wird die Steuerspannung Va′ für einen Impulsbreitenmodulator erhalten. Dieser Impulsbreitenmodulator 2 steuert über eine Verzögerungsschaltung 3 und eine Steuereinrichtung 4 einen Transistor T 1 im Hauptschaltkreis 6 des Wechselrichters. Transistoren T 1 bis T 6 speisen einen Wechselstrommotor 7. Der vom Motor zurücklaufende Strom gelangt zu einem Widerstand R 2.
Wie aus dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau des Spannungsreglers 1 hervorgeht, ist dieser aus einem Schaltkreis 9 zum Bilden einer Istwertspannung und einem Schaltkreis 10 zum Bilden der Steuerspannung Va′ für den Impulsbreitenmodulator zusammengesetzt. Im Schaltkreis 9 zum Bilden der Istwertspannung erzeugt eine Summiereinheit 11 ein synthetisches Nullniveau. Das synthetische Nullniveau wird dadurch erhalten, daß eine positive Spannung pU 1 mit einer negativen Spannung nU 1 der pulsierenden Gleichspannung kombiniert wird, die an einem Kondensator C 4 erscheint und durch Ganzwellen- oder Vollweggleichrichtung mit einer Diodengleichrichterbrücke 5 aus dem Dreiphasen-Netzstrom erhalten wurde. Die einzelnen Phasenspannungen sind mit UR, US und UT bezeichnet. Auf diese Weise entsteht eine Wechselspannung V 0. Die positive Spannung pU 1 und die negative Spannung nU 1 sowie die aus beiden gebildete Wechselspannung V 0 sind in Fig. 2 dargestellt. In einer Summiereinheit 12 wird die Wechselspannung V 0 von synthetischem Nullniveau mit der am Ausgang des Wechselrichters gemessenen Spannung Va kombiniert.
In dem Schaltkreis 10, der für den Impulsbreitenmodulator eine Bezugsspannung bildet, stellt eine Differenziereinheit 13 die Differenz zwischen der Istwertspannung und der Bezugsspannung Va* her, und diese Differenz wird von einem Integrationsverstärker 14 gesteuert. Die Differenzeinheit 13 weist eine Summiereinheit auf, von deren beiden Eingängen einer negativ ist. Die Verstärkung des Integrationsverstärkers 14 kann mit Hilfe eines Trimmers TM 1 geändert werden. In einer Summiereinheit 15 wird die Bezugsspannung Va* und eine Korrekturkomponente, die aus der Differenz zwischen der Bezugsspannung Va* und der Istwertspannung erzeugt wurde, überlagert, um die Steuerspannung Va′ für den Impulsbreitenmodulator zu ergeben.
Mit dieser Spannung muß der Impulsbreitenmodulator 2 gesteuert werden, damit die gewünschte Impulsbreitenmodulation erzielt wird. Der Impulsbreitenmodulator 2 besteht aus einem Dreieckswellengenerator 16 und einer Vergleichsschaltung 17. Der Dreieckswellengenerator 16 ist für alle Phasen A, B und C gleichermaßen vorgesehen. Das digitale Moduliersignal wird am Ausgang A und ein dazu komplementäres Signal am Ausgang A′ erhalten. Mit dem Signal A wird der Transistor T 1 des Wechselrichters und mit dem Signal A′ der Transistor T 2 gesteuert.
In diesem Zusammenhang ist die Auswirkung der Speicherzeit zu berücksichtigen. Wenn nämlich der Basisstrom von einem stromführenden Transistor entfernt wird, bleibt der Transistor noch etwa weitere 20 Mikrosekunden leitend. Der mit diesem durchgesteuerten Transistor paarweise zusammenarbeitende Transistor darf während dieser Zeit nicht geöffnet werden, da sonst ein Kurzschluß entstünde. Der Transistor hört erst dann zu leiten auf, wenn die Ladung an der Basis abgeführt ist. Fig. 3 zeigt eine asymmetrische Verzögerungsschaltung 3, die in die Steuerung des Transistors T 1 mit Hilfe eines Hysteresegatters 18 eingeschaltet wurde, damit der andere Transistor T 2 nicht öffnet, ehe der Transistor T 1 aufgehört hat zu leiten. Die Verzögerung dieses Schaltkreises wird durch das Produkt eines Widerstandes R 1 und eines Kondensators C 1 bestimmt. Eine Diode D 1 ist nötig, damit es beim Abschalten keine Verzögerung gibt.
Die Steuereinrichtung 4 des Transistors T 1 hat zwei unabhängige Stromquellen. Eine negative Quelle ist nötig, damit ein starker negativer Basisstrom zum raschen Abschalten zur Verfügung steht. Die beiden schwebenden Spannungen werden mit Gleichrichterdioden D 2-D 9 und filternden Kondensatoren C 2 und C 3 erzeugt. Die Stromzufuhr zur Steuereinrichtung 4 ist in Form eines hochfrequenten Zerhackers 19 ausgebildet, dessen Transistor TR 1 in seiner Sekundärwicklung ausreichend viele Windungen hat, um die jeweils benötigten Leistungen zur Verfügung zu stellen. Die Energiezufuhr erfolgt vom Transformator TR 1. Ein Optoisolator 20 speist über einen Widerstand R 3 als Endstufe vorgesehene Transistoren T 8 und T 9, die eine Doppelemitter-Folgeschaltung darstellen.
Eine Diode D 10 ist eine sogenannte Baker-Diode, die verhindert, daß der eigentliche Leistungstransistor T 1 gesättigt wird. Hierdurch wird die Speicherzeit verringert und stabilisiert. Außerdem ist die Abschaltleistung des Transistors aufgrund der Diode reduziert. Der Widerstand R 3 ist nötig, damit die Baker-Diode D 10 ordnungsgemäß arbeiten kann. Das Steuersignal der Steuereinrichtung wird am Punkt a eingegeben. Mit dem Punkt O/E ist die Erde der Elektronik des Oszillators angedeutet. Für den Optoisolator 20 ist eine Schutzdiode D 11 vorgesehen. Die Stromzufuhr zum Hauptschaltkreis 6 des Vierquadranten- Transistor-Inverters wird im vorliegenden Fall dadurch erhalten, daß die Phasenspannungen UR, US und UT der Dreiphasen-Netzspannung mit der Diodenbrücke 5 einer Ganzwellengleichrichtung unterzogen werden. Auf diese Weise wird am Kondensator C 4 eine feste Zwischenspannung erzeugt. Aus der Zwischenspannung wird durch Impulsbreitenmodulation eine Dreiphasenspannung UA, UB und UC mit gesteuerter Frequenz und Amplitude erzeugt. Diese gesteuerte Dreiphasenleistung steuert den Wechselstrommotor 7. Dioden D 12 bis D 17 sind Nulldioden, welche Strompfade für induktive Ströme bilden, während der mit der Diode parallelgeschaltete Transistor abgeschaltet ist. Die Bremsenergie geht in den Bremswiderstand R 2, welcher von dem Bremstransistor T 9 gesteuert ist.
Es sei noch darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht auf das vorstehend beschriebene Beispiel beschränkt ist, sondern daß auch ein Wechselrichter mit GTO-Thyristoren zur Spannungssteuerung vorgesehen werden kann.

Claims (10)

1. Verfahren zum Steuern der Steuerspannung eines Dreiphasen-Wechselrichters zur Versorgung eines Wechselstrommotors, bei dem die Leistungsstufe des Wechselrichters unter Verwendung von Halbleiterschaltern verwirklicht ist und bei der Spannungssteuerung die Ausgangsspannung (UA) jeder Wechselrichterphase gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannung des Impulsbreitenmodulators jeder Phase des Wechselrichters mit einem Spannungsregler (1) gesteuert wird, und daß die als Ausgangswert des Spannungsreglers (1) erhaltene Steuerspannung (Va′) aus einer Istwertspannung, die aus der Ausgangsspannung (UA) jeder Wechselrichterphase gebildet ist, sowie aus einer Bezugsspannung (Va*) gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Ausgangsspannung (UA) jeder Wechselrichterphase eine Istwertspannung gebildet wird, daß mit der am Ausgang gemessenen Spannung (Va) zur Schaffung eines künstlichen Nullniveaus eine Wechselspannung (V 0) kombiniert wird, die sich mit einer Frequenz ändert, welche dem Dreifachen der Basisfrequenz entspricht, wobei diese Wechselspannung durch Kombinieren der positiven Spannung (pU 1) und der negativen Spannung (nU 1) einer pulsierenden Gleichspannung erhalten wird, die aus einer Dreiphasenspannung durch Ganzwellengleichrichtung entstanden ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannung (Va′), die als Ausgangswert des Spannungsreglers (1) jeder Phase erhalten wird, aus der aus der Ausgangsspannung (UA) jeder Phase gebildeten Istwertspannung und der Bezugsspannung (Va*) gebildet wird, daß aus der Istwertspannung und der eingegebenen Bezugsspannung (Va*) die Differenz gebildet wird, und daß diese Differenz verstärkt und der Bezugsspannung (Va*) überlagert wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Wechselrichter ein mit Transistoren (T 1-T 6) bestückter Wechselrichter benutzt wird, bei dem die als Halbleiterschalter dienenden Transistoren so gesteuert werden, daß sie die Ausgangsspannungen (UA, UB, UC) liefern.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Wechselrichter ein mit GTO-Thyristoren bestückter Wechselrichter benutzt wird, bei dem die als Halbleiterschalter dienenden Thyristoren so gesteuert werden, daß sie die Ausgangsspannungen des Wechselrichters erzeugen.
6. Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Meßglied (8) für die Ausgangsspannung, dadurch gekennzeichnet, daß zum Steuern der Steuerspannung für den Impulsbreitenmodulator einer Phase des Wechselrichters die Einrichtung einen Schaltkreis (9) zum Bilden der Istwertspannung, der eine Istwertspannung aus der am Wechselrichterausgang gemessenen Spannung (Va) bildet, und einen Schaltkreis (10) zum Bilden einer Steuerspannung aufweist, in welchem die Steuerspannung (Va′) des Impulsbreitenmodulators aus der Istwertspannung und der Bezugsspannung (Va *) gebildet wird.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis zum Bilden der Istwertspannung hauptsächlich mit einer Summiereinheit (11), die die positive Spannung (pU 1) und die negative Spannung (nU 1) einer durch Ganzwellengleichrichten aus einer Dreiphasenspannung erhaltenen pulsierenden Gleichspannung kombiniert, und mit einer Summiereinheit (12) verwirklicht ist, welche die am Wechselrichterausgang gemessene Spannung (Va) mit der so erhaltenen Wechselspannung (V 0) kombiniert.
8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis (10) zum Bilden der Steuerspannung hauptsächlich mit einer Differenziereinheit (13), welche die Istwertspannung und die Bezugsspannung (Va*) vergleicht, einem Verstärker (14), der die Differenz integriert, und einer Summiereinheit (15) verwirklicht ist, mit deren Hilfe die erhaltene Differenz der Bezugsspannung (Va*) überlagerbar ist, um eine Steuerspannung (Va′) zur Verfügung zu stellen, die den gegenwärtigen Zustand des Wechselstrommotors berücksichtigt.
9. Einrichtung nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter ein mit Transistoren bestückter Wechselrichter ist, in welchem die gesteuerten Halbleiterschalter in der Leistungsstufe Transistoren (T 1-T 6) sind.
10. Einrichtung nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter ein mit GTO-Thyristoren bestückter Wechselrichter ist, in welchem die gesteuerten Halbleiterschalter in der Leistungsstufe GTO-Thyristoren sind.
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