DE3708261A1 - Einrichtung zum steuern eines dreiphasen-wechselrichters zur versorgung des wechselstrommotors einer aufzugsanlage - Google Patents
Einrichtung zum steuern eines dreiphasen-wechselrichters zur versorgung des wechselstrommotors einer aufzugsanlageInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Steuern eines
Dreiphasen-Wechselrichters, der den Wechselstrommotor
einer Aufzugsanlage versorgt und dessen Leistungsstufe
mit Halbleiterschaltern verwirklicht ist. Zu der Einrichtung
gehört eine an sich bekannte Steuerelektronikeinheit
zum Erzeugen einer Bezugsgeschwindigkeit und ein Drehzahlmeßgenerator
zum Erzeugen einer Istgeschwindigkeit,
ferner Spannungsmeßglieder zum Messen der Phasenspannungen
am Wechselrichterausgang, an sich bekannte Impulsbreitenmodulatoren
und Treiberstufen zum Antreiben der
Halbleiterschalter der Leistungsstufe des Wechselrichters
unter Verwendung von Steuersignalen, die von den Impulsbreitenmodulatoren
erhalten werden.
Ein frequenzgesteuerter Wechselstrommotor stellt z. B.
für die Antriebsmotoren von Aufzugsanlagen die fortschrittlichste
Technik dar. Bei einer Steuerung der Frequenz
ist für alle Motorgeschwindigkeiten der Wirkungsgrad
hoch, und der Netzstromfaktor ist nahezu 1. Die
Frequenzsteuerung ist für Aufzüge mit und ohne Übertragungsgetriebe
und für beliebige Geschwindigkeiten anwendbar.
Außerdem kann ein einfacher Kurzschlußmotor benutzt
werden, der zu günstigen Preisen zu haben ist. Bei
Anwendung in einem Aufzug ist ein Wechselrichter, der
mit Transistoren bestückt ist, für die Frequenzsteuerung
am besten geeignet, da mit Transistoren unter den gegenwärtig
zur Verfügung stehenden Bauelementen der Leistungselektronik
die höchste Schaltfrequenz erreicht
wird. Es sind auch GTO-Thyristoren (Vollsteuer-Gatt-Thyristoren)
denkbar, da bei ihnen die Schaltzeiten etwa
von gleicher Länge sind. Wegen der Schaltsicherungen ist
in diesem Fall jedoch der Hauptstromschaltkreis komplizierter
als bei Transistoren.
Die Erfahrung hat gezeigt, daß eine gute Strategie zur
Steuerung eines Kurzschlußmotors darin besteht, den Magnetfluß
konstant zu halten. Im allgemeinen geht mit dem
Magnetfluß ein langsames Ansprechen einher. Wenn sich
der Magnetfluß ändert, wird eine Zeitkonstante in das
System eingeführt. Ein Stabilisieren des Magnetflusses
kann dadurch erzielt werden, daß der Magnetfluß des Stators,
Rotors oder Luftspaltes gleichbleibend gehalten
wird. Am vorteilhaftesten ist es, den Magnetfluß des
Stators konstant zu halten, da in diesem Fall die Gefahr
am geringsten ist, daß Bauelemente des Magnetschaltkreises
des Motors gesättigt werden.
In der heutigen Wechselrichtertechnik wird mit Stromrückkopplung
gearbeitet, um den Kurvenverlauf zu verbessern,
in welchem die vom Wechselrichterausgang erhaltenen
Phasenströme gemessen werden. Ein negatives Merkmal
der Stromrückkopplung besteht in dem langsamen Ansprechen,
was darauf zurückzuführen ist, daß bei der Stromrückkopplung
die Induktivitäten des Motors Zeitkonstanten
einführen. Die Steuerschleife ist im allgemeinen um so
langsamer, je größer die Anzahl der Zeitkonstanten ist.
Außerdem sind Strommeßglieder teuer, weil sie auch
Gleichstrom messen können müssen.
Wenn im Wechselrichter eine Impulsbreitenmodulation mit
Hilfe einer Vergleichsschaltung als sinusförmiger oder
dreieckiger Spannungsvergleich ohne Rückkopplung durchgeführt
wird, ist der vom Wechselrichter dem Motor zugeleitete
Strom nicht ausreichend sinusförmig beispielsweise
bei Anwendung in einer Aufzugsanlage, weil in dem
gleichgerichteten Zwischenspannungsschaltkreis, aus dem
die den Motor speisende dreiphasige Wechselspannung
durch Gleichrichten mit dem Wechselrichter erhalten wird,
die Spannung nicht konstant ist, und weil der Halbleiterschalter
seiner Treiberstufe nicht ohne Verzögerung
folgt. Ein dritter Faktor, der Fehler einführt, besteht
in der durch die Restspannung am Leistungselektronikbauelement
verursachte Differenzspannung im Vergleich zu
der Spannung, die bei der anderen Stromrichtung auftritt,
wenn die dem Halbleiterschalter parallelgeschaltete Diode
leitend ist. In der Praxis führen diese Fehler zum Schwingen
des Motors, wodurch beispielsweise bei einem Aufzug
die Leistung beeinträchtigt wird und Unannehmlichkeiten
für die Benutzer entstehen.
Mit Hilfe der Erfindung können die genannten Nachteile
vermieden werden. Die Einrichtung gemäß der Erfindung zum
Steuern eines Dreiphasen-Wechselrichters, der den Wechselstrommotor
eines Aufzugs versorgt, ist gekennzeichnet
durch einen Geschwindigkeitsregler, der die Frequenz des
Rotorstroms und die Frequenz der Bezugsspannung anhand
des Istwertes und des Bezugswertes für die Geschwindigkeit
bildet, einen Kurvenscharrechner, der die Amplitude
der Bezugsspannungen anhand der Rotorstromfrequenz und
der Bezugsspannungsfrequenz bildet, einen Dreiphasenoszillator,
der die Bezugsspannungen anhand der Bezugsspannungsfrequenz
und Amplitude bildet, sowie Spannungsregler,
die die Steuerspannungen für die Impulsbreitenmodulatoren
anhand der Bezugsspannungen und der Istwertspannungen
vom Wechselrichterausgang bilden.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Einrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß der Geschwindigkeitsregler
eine Differenziereinheit, die die
Differenz aus dem Istwert und einem Bezugswert der Geschwindigkeit
bildet, eine P(Proportional)-Steuereinheit
und eine I(Integrier)-Steuereinheit zum Steuern der Differenz
zwischen dem Istgeschwindigkeits- und Bezugsgeschwindigkeitswert,
eine Summiereinheit, die die Ausgangssignale
der P- und I-Steuereinheiten mit dem Bezugsgeschwindigkeitswert
kombiniert, um die Rotorstromfrequenz
zu bilden, und eine Summiereinheit aufweist,
die die Frequenz der Bezugsspannungen anhand der Rotorstromfrequenz
und des Bezugsgeschwindigkeitswertes
bildet.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Einrichtung zeichnet sich auch dadurch aus, daß der
Kurvenscharrechner zum Bilden der Amplitude der Bezugsspannungen
mit Hilfe einer Kurvenschar des konstanten
Flusses, die den Motor wiedergibt, mit Ausnahme niedriger
Frequenzen der Wechselrichterbezugsspannungen,
eine Summiereinheit aufweist, die eine Korrekturkomponente
proportional zur Rotorstromfrequenz mit der Frequenz
der Bezugsspannungen kombiniert, sowie einen Absolutwertverstärker,
der den absoluten Wert der Amplitude für den
Fall negativer Bezugsspannungsfrequenzen bildet, und
auch eine Steuereinheit, die die Korrekturkomponente in
Abhängigkeit von der Rotorstromfrequenz steuert, um den
nichtlinearen Teil bei den niedrigen Frequenzen an einen
horizontalen Teil anzunähern, eine Summiereinheit, die
den horizontalen Teil in Annäherung an das Minimum der
Kurve bei positiven Bezugsspannungsfrequenzen bildet,
eine Summiereinheit, die den Mindestwert der Basiskurve
zu dem von der Summiereinheit bei negativen Bezugsspannungsfrequenzen
erhaltenen Amplitudenwert addiert, eine
Steuereinheit, die die Korrekturkomponente in Abhängigkeit
von der Rotorstromfrequenz steuert, und auch eine
Steuereinheit, die den Mindestwert der Basiskurve steuert,
sowie zum Bilden der Amplitude in verschiedenen
Teilen der Kurve Dioden und eine Diodenschwellenfehlerkorrekturschaltung.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Einrichtung zeichnet sich auch dadurch aus, daß
der Dreiphasenoszillator eine Absolutwerteinheit aufweist,
die den absoluten Wert der Frequenz der Bezugsspannungen
bildet, einen spannungsgesteuerten Oszillator,
der eine Rechteckwelle erzeugt, deren Frequenz zur Frequenz
der Bezugsspannungen proportional ist, Speicherschaltungen,
die den Kurvenverlauf jeder Bezugsspannung
speichern, D/A-Umsetzer, die die in digitaler Form vorliegenden
Bezugsspannungen in analoge Spannungen umsetzen,
einen Aufwärts/Abwärts-Zähler, der die Adresse der
Speicherschaltungen bildet, sowie eine Vergleichsschaltung,
die das Vorzeichen der Frequenz der Bezugsspannungen
und damit die Drehrichtung des Motors feststellt.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Einrichtung zeichnet sich auch dadurch aus, daß
jeder Spannungsregler einen Schaltkreis zum Bilden der
Istwertspannung, der die Istwertspannung anhand der am
Wechselrichterausgang gemessenen Spannung bildet, sowie
einen Schaltkreis zum Bilden der Istwertspannung aufweist,
der die Steuerspannung des Impulsbreitenmodulators
anhand der Istwertspannung und der Bezugsspannung bildet.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung
zeichnet sich auch dadurch aus, daß der Schaltkreis zum
Bilden der Istwertspannung hauptsächlich durch eine Summiereinheit,
die die positiven und negativen Spannungen
einer pulsierenden Gleichspannung kombiniert, die aus der
Dreiphasenspannung einer Ganzwellengleichrichtung unterzogen
wurde, und durch eine Summiereinheit verwirklicht
ist, die 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 Steuerspannung hauptsächlich
durch eine Differenziereinheit, die die Istwertspannung
und die Bezugsspannung vergleicht, einen die
Differenz integrierenden Verstärker sowie eine Summiereinheit
verwirklicht ist, die es ermöglicht, die erhaltene
Differenz dem Bezugswert zu überlagern, um eine
Steuerspannung zu liefern, die den momentanen Zustand
des Wechselstrommotors berücksichtigt.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Einrichtung ist auch dadurch gekennzeichnet, daß
jede Treiberstufe eine Verzögerungsschaltung zur
Berücksichtigung der Schaltverzögerung des Halbleiterschalters
und eine mit einem Optoisolator versehene
Treiberschaltung für den Halbleiterschalter aufweist.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Einrichtung zeichnet sich ferner dadurch aus, daß
der Wechselrichter ein Transistor-Inverter ist, in welchem
die gesteuerten Halbleiterschalter in der Leistungsstufe
Transistoren sind.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Einrichtung zeichnet sich auch dadurch aus, daß
der Wechselrichter ein GTO-Thyristor-Inverter ist, in
welchem die gesteuerten Halbleiterschalter in der Leistungsstufe
GTO-Thyristoren sind.
Wegen der I-Steuereinheit ist der Geschwindigkeitsregler
schnell. Das ist für die Anwendung in Aufzügen unerläßlich,
weil kein Geschwindigkeitsfehler hingenommen werden
kann. Mit dem Kurvenscharrechner werden die Kurven
des konstanten Statorflusses bei gegebenem Statorfluß annähernd
verwirklicht; aber die Genauigkeit ist zum Antrieb
des Aufzugs angemessen. Ferner ist die Aufgabe des
Abstimmens des Kurvenscharrechners gemäß der Erfindung
leichter als die entsprechende Aufgabe bei einem Rechner,
der die gegebenen Kurven exakt verwirklicht. Statt
des Dreiphasenoszillators kann für den Prozeß des Bildens
der Bezugsspannung auch beispielsweise Servotechnologie
angewandt werden. Allerdings lassen sich mit Hilfe des
Oszillators Bauelemente des Motorantriebs leichter prüfen
und nachforschen.
Da für die Steuerung des Wechselrichters Spannungsregler
statt Stromregler benutzt werden, ist die Steuerung
schneller, weil Spannungsregler von durch Induktionserscheinungen
verursachter Verzögerung frei sind. Ferner
ist die Verwendung teuerer Bauelemente zum Messen des
Stroms im Ausgang des Wechselrichters vermieden. Die
Isolierung der Leistungsstufe des Wechselrichters mit
Hilfe eines Optoisolators sorgt wirksam dafür, daß keine
Störung vom Hauptstrompfad in die Steuerschaltungen gelangen
kann.
Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften
Einzelheiten anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. In den Zeichnungen
zeigt:
Fig. 1 einen Antrieb einer Aufzugsanlage mit einem Wechselstrommotor,
der von einem Frequenzwandler versorgt
wird;
Fig. 2 einen Geschwindigkeitsregler gemäß der Erfindung;
Fig. 3a-3c den Betrieb und Aufbau eines Kurvenscharrechners
gemäß der Erfindung;
Fig. 4 einen Dreiphasenoszillator gemäß der Erfindung;
Fig. 5a und 5b Aufbau und Betrieb eines Spannungsreglers
gemäß der Erfindung;
Fig. 6 eine Treiberstufe für einen Halbleiterschalter gemäß
der Erfindung.
Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung wird
nachfolgend unter Hinweis auf einen in Fig. 1 gezeigten
Aufzugsantrieb erläutert, bei dem ein Wechselstrommotor
10 von einem Frequenzwandler versorgt wird. Die einer Leistungsstufe 8
des Frequenzwandlers zugeführte Dreiphasenspannung,
deren Phasenspannungen mit UR, US und UT bezeichnet
sind, wird von einem beispielsweise Dioden aufweisenden
Gleichrichter 16 zu einer Gleichspannung für
einen Zwischenspannungsschaltkreis gleichgerichtet. Die
Gleichspannung des Zwischenspannungsschaltkreises wird
mit Hilfe eines Kondensators C 1 gefiltert. Die Gleichspannung
des Zwischenspannungsschaltkreises wird in einer
Leistungsstufe 17, die Transistoren T 1 bis T 6 und Dioden
D 1 bis D 6 aufweist, zu einer Wechselspannung gleichgerichtet,
die an den Wechselstrommotor 10 angelegt wird
und deren Phasenspannungen mit UA, UB und UC bezeichnet
sind. Bei den Dioden D 1 bis D 6 handelt es sich um Nulldioden,
welche die Strompfade für induktive Ströme
bilden.
Der Wechselstrommotor 10 treibt über eine Welle 12 eine
Antriebsscheibe 13, um ein Gegengewicht 14 und einen
Fahrkorb 15 mit Hilfe von Seilen zu bewegen. Für die
rückgeführte Energie ist hier ein Bremswiderstand R 1
und ein Bremstransistor T 7 vorgesehen. Die Steuerung des
Bremstransistors T 7 wird in diesem Zusammenhang nicht
näher erläutert, da es sich hierbei um eine unabhängige
Einheit handelt, die in Betrieb gesetzt wird, wenn die
Gleichspannung des Zwischenspannungsschaltkreises eine
im voraus eingestellte Grenze übersteigt.
Die Leistungsstufe 17 des Wechselrichters wird mittels
der Einrichtung gemäß der Erfindung gesteuert. Hierzu
gehört als Einheit eine Steuerelektronik 1, ferner ein
Drehzahlmeßgenerator 11, Impulsbreitenmodulatoren 6 a bis
6 c, Spannungsmeßglieder 9 a bis 9 c, ein Geschwindigkeitsregler 2,
ein Kurvenscharrechner 3, ein Dreiphasenoszillator 4,
Spannungsregler 5 a bis 5 c und Treiberstufen 7 a
bis 7 f für die Halbleiterschalter der Leistungsstufe 17
des Wechselrichters. An den Eingängen des Geschwindigkeitsreglers 2
liegt der Istgeschwindigkeitswert v der
Umdrehungsgeschwindigkeit des Motors sowie der von der
Steuerelektronik 1 erhaltene Bezugsgeschwindigkeitswert
v* an. Die Arbeitsweise der Steuerelektronik 1 bei der
Bildung des Bezugswertes für die Geschwindigkeit ist dem
Fachmann geläufig. Die Ausgangswerte, die der Geschwindigkeitsregler 2
liefert, sind einmal die Frequenz fs
der Bezugsspannungen und die Frequenz fr des Rotorstroms.
Die Bezugsspannungsfrequenz fs und die Rotorstromfrequenz
fr gehen als Eingangswerte in den Kurvenscharrechner 3
ein, der die Amplitude As der Bezugsspannungen bildet.
Die Bezugsspannungsfrequenz fs wird ebenso wie die Amplitude
As an den Dreiphasenoszillator 4 angelegt, der
die Bezugsspannungen Va*, Vb* und Vc* für die drei Phasen
bildet. Aus den Bezugsspannungen Va*, Vb* und Vc* und
den als Rückkopplungsgrößen von Spannungsmeßgliedern 9 a,
9 b und 9 c gemessenen Spannungen Va, Vb und Vc werden in
den Spannungsreglern 5 a, 5 b und 5 c die Steuerspannungen
Va′, Vb′ und Vc′ für die Impulsbreitenmodulatoren 6 a, 6 b und 6 c erhalten.
Die Impulsbreitenmodulatoren 6 a, 6 b und 6 c liefern nicht
nur Steuersignale A 1, B 1 und C 1 zur Eingabe in die Treiberstufen
7 a, 7 c und 7 e für die Transistoren, die mit
Optoisolatoren und unabhängigen Stromquellen versehen
sind, sondern auch Steuersignale A 2, B 2 und C 2 für die
Treiberstufen 7 b, 7 d und 7 f des jeweils zweiten Transistors
in jeder Transistorphase, wobei diese Signale zu
den Steuersignalen A 1, B 1 und C 1 komplementär sind. Beispielsweise
wird das Steuersignal A 2 als Komplementärsignal
zum Steuersignal A 1 beispielsweise mit Hilfe
einer Vergleichsschaltung erhalten. Mit der Auslegung
der Impulsbreitenmodulatoren 6 a bis 6 c ist der Fachmann
vertraut, und deren Arbeitsweise wird nicht weiter im einzelnen
beschrieben. Die Treiberstufen 7 a bis 7 f treiben
die Transistoren T 1 bis T 6 der Leistungsstufe 17 des
Wechselrichters.
Die erfindungsgemäße Einrichtung wird nachfolgend mehr
im einzelnen beschrieben. Fig. 2 zeigt die wichtigsten
kennzeichnenden Merkmale des Geschwindigkeitsreglers 2.
Der Unterschied zwischen dem Bezugsgeschwindigkeitswert
v* und dem Istgeschwindigkeitswert v wird in einer Differenziereinheit
18 errechnet. Das Differenzsignal wird an
die Eingänge einer P(Proportional)-Steuereinheit 19 und
einer I(Integrier)-Steuereinheit 20 angelegt. Vor der
Eingabe in die I-Steuereinheit 20 wird die Höhe des Differenzsignals
mittels eines Potentiometers TM 1 auf das
richtige Niveau eingestellt. Ein elektronischer Schalter
S 1 ist nötig, um die I-Steuereinheit 20 auf den Ausgangswert
einzustellen, wenn der Aufzug sich zu bewegen beginnt.
Das Ausgangssignal der P-Steuereinheit 19 wird
mittels eines Potentiometers TM 2 eingestellt. Die von der
I- und P-Steuereinheit gelieferten Werte werden mit dem
Bezugsgeschwindigkeitswert v* in einer Summiereinheit 21
kombiniert, welche aus der Summe dieser Ausdrücke die
Rotorstromfrequenz fr bildet. Da allgemein gilt, daß die
Frequenz der Statorspannung durch Kombinieren des Produktes
der Motordrehzahl und der Anzahl der Polpaare mit
der Frequenz des Rotorstroms erhalten wird, erhält man
durch Kombinieren des Istgeschwindigkeitswertes v mit der
Rotorstromfrequenz fr in einer Summiereinheit 22 die
Frequenz fs der Bezugsspannungen.
Das Verfahren gemäß der Erfindung zum Bilden der Amplitude
As der Bezugsspannungen für den Wechselrichter soll
unter Hinweis auf die in Fig. 3a gezeigte Kurvenschar für
konstanten Fluß bei einem Kurzschlußmotor näher erläutert
werden. Die Kurvenschar gemäß Fig. 3a gibt die Amplitude
As der Statorspannung des Motors wieder, d. h. die Amplitude
As der Bezugsspannungen des Wechselrichters als
Funktion der Frequenz fs der Statorspannung des Motors,
d. h. der Bezugsspannungen des Wechselrichters bei verschiedenen
Rotorstromfrequenzen fr 0 bis fr 4, wenn der
Magnetfluß des Stators gleichbleibend ist. Wenn die Rotorstromfrequenz
fr den Wert null hat, wird die Basiskurve
fr 0 erhalten, deren Minimum der Mindestwert der
Amplitude der Steuerspannungen ist. Die im wesentlichen
U-förmigen Kurven der Kurvenschar bestehen aus linearen
Teilen, die von den hohen positiven und negativen Bezugsspannungsfrequenzen
gebildet werden, sowie aus nichtlinearen
Teilen, die sich auf niedrige positive und negative
Frequenzen fs beziehen.
Der Kurvenscharrechner gemäß der Erfindung berechnet die
Amplitude As der Bezugsspannungen des Wechselrichters
unter Anwendung der linearen Näherung der konstanten
Kurvenschar gemäß Fig. 3b. In Fig. 3b ist die Kurve 0
die Näherung der Basiskurve fr 0 aus Fig. 1. Das Minimum
der Kurve 0 ist K 0. Diese Amplitude As gilt, wenn die
Rotorstromfrequenz fr den Wert null hat. Wenn die horizontale
Achse interpretiert wird, so daß negative Frequenzen
fs der Bezugsspannungen der anderen Drehrichtung
entsprechen, dann muß der absolute Wert der Geraden benutzt
werden, damit die Spannung auch bei negativen Bezugsspannungsfrequenzen
fs korrekt ist. Wenn zu der Kurve 0
eine Korrekturkomponente K 1 hinzu addiert wird, die
zur Rotorstromfrequenz fr proportional ist, und wenn davon
der absolute Wert genommen wird, dann wird mit Ausnahme
von niedrigen Bezugsspannungsfrequenzen fs der angenäherte
Wert für die Kurvenschar gemäß Fig. 1 erhalten.
Bei niedrigen Bezugsspannungsfrequenzen fs ist die Bodenhöhe
der Kurven proportional zur Rotorstromfrequenz fr,
erhöht um den Mindestwert K 0 der Basiskurve. Die gesamte
Annäherungskurve i wird durch Kombinieren der Kurve der
Bezugsspannungsfrequenzen fs mit einem hohen absoluten
Wert mit der Kurve niedriger Bezugsspannungsfrequenzen
fs erhalten.
Fig. 3a zeigt einen Kurvenscharrechner, der die lineare
Näherung der Kurvenschar für den konstanten Fluß gemäß
Fig. 3b durchführt. Die Eingabewerte sind die Frequenzen
fs der Statorspannungen des Motors, d. h. der Bezugsspannungen
des Wechselrichters und die Rotorstromfrequenz
fr. Bei Bezugsspannungsfrequenzen fs mit einem
hohen absoluten Wert wird die Amplitude As der Bezugsspannungen
durch Kombinieren der Bezugsspannungsfrequenzen
fs mit der von der Rotorstromfrequenz fr abgeleiteten
Korrekturkomponente K 1 erhalten, wobei eine Regelung
mittels eines Trimmers TM 3 in einer Summiereinheit 23
möglich ist. Die resultierende Amplitude der Bezugsspannungen
wird bei positiven Bezugsspannungsfrequenzen fs
an eine Diode D 7 und eine Diodenschwellenfehlerkorrekturschaltung
27 angelegt, deren Ausgang die Amplitude As
liefert. Die Amplitude As wird anschließend an den Dreiphasenoszillator 4
weitergegeben, wo die Wechselrichterbezugsspannungen
gebildet werden können. Die Diodenschwellenfehlerkorrekturschaltung
27 besteht aus einem
Verstärker 28, einer Diode D 11 und einem Widerstand R 2.
Bei negativen Bezugsspannungsfrequenzen fs wird die Amplitude
zunächst in einen Absolutwertverstärker 24 eingegeben,
in welchem die negative Amplitude positiv wird,
und anschließend über eine Diode D 8 in die Diodenschwellenfehlerkorrekturschaltung
27.
Bei niedrigen Bezugsspannungsfrequenzen fs wird die Amplitude
As der Bezugsspannungen dadurch gebildet, daß
eine Korrekturkomponente K 2, die von der Rotorstromfrequenz
fr gebildet ist, zunächst einer Summiereinheit 25
zugeleitet wird, um die Korrekturkomponente K 2 mit dem
Mindestwert K 0 der Basiskurve zu kombinieren. Bei positiven
Werten der Rotorstromfrequenzen fr wird vom Verstärker
eine Amplitude geliefert, die aus der Summe der Korrekturkomponente
K 2 und dem Mindestwert K 0 zusammengesetzt
ist, wie Fig. 3b zeigt. Die Amplitude As gelangt
über eine Diode D 9 in die Diodenschwellenfehlerkorrekturschaltung
27. Bei negativen Werten der Rotorstromfrequenz
fr wird der von der Summiereinheit 25 erhaltene
Wert wiederum mit dem Mindestwert K 0 der Basiskurve in
einer Summiereinheit 26 kombiniert und die dann erhaltene
Amplitude zum Bilden der Amplitude As über eine Diode D 10
an die Diodenschwellenfehlerkorrekturschaltung 27 angelegt.
Die Korrekturkomponente K 2, die aus der Rotorstromfrequenz
fr erzeugt wird, kann mittels eines Trimmers
TM 4 eingestellt werden. Der Mindestwert K 0 der Basiskurve
kann mittels eines Trimmers TM 5 eingestellt
werden.
Fig. 4 zeigt eine moderne Auslegung zur Verwirklichung
des Dreiphasenoszillators. Die Eingabewerte sind die Bezugsspannungsfrequenz
fs und die Amplitude As. Der absolute
Wert der Bezugsspannungsfrequenz fs wird in einer
Absolutwerteinheit 29 gebildet und anschließend an einen
spannungsgesteuerten Oszillator 30 geliefert. Der Ausgang
dieses Oszillators ist eine Rechteckwelle, deren
Frequenz der Frequenz der Bezugsspannungen entspricht.
Die Rechteckwelle des Oszillators 30 dient als Eingabewert
für einen Aufwärts/Abwärts-Zähler 33, dessen Zählrichtung
von einer Vergleichsschaltung 34 bestimmt wird
und dessen Ausgabe im Parallelmodus als Adresse für drei
Speicher 31 a bis 31 c benutzt wird. Die Vergleichsschaltung
34 stellt das Vorzeichen der Bezugsspannungsfrequenz
fs und damit die Drehrichtung des zu steuernden
Motors fest. In den Speichern 31 a bis 31 c wird der Kurvenverlauf
jeder Bezugsspannung mit 120° Phasendifferenzen
gespeichert und daraus ein symmetrisches, digital
codiertes Dreiphasensystem an den Ausgängen der Speicher
31 a bis 31 c erhalten. Die digitalen Daten werden in
drei identische D/A-Umsetzer 32 a bis 32 c eingegeben, damit
entsprechende analoge Bezugsspannungen Va*, Vb* bzw.
Vc* erzeugt werden können. Die Steuerung der Amplitude
der Bezugsspannungen Va*, Vb* und Vc* erfolgt zweckmäßigerweise
auf dieser Stufe über Bezugseingänge der D/A-
Umsetzer 32 a bis 32 c mit Hilfe des vom Kurvenscharrechner 3
kommenden Befehls der Amplitude As. Die Endergebnisse
sind folglich drei amplituden- und phasengesteuerte,
analoge Bezugsspannungen Va*, Vb* und Vc*, die ein
symmetrisches Dreiphasensystem bilden.
In Fig. 5a und 5b ist die Arbeitsweise und der Aufbau
eines hochentwickelten Spannungsreglers dargestellt, der
nach dem Überlagerungsprinzip arbeitet. Der Regler gemäß
Fig. 5a ist in der erfindungsgemäßen Einrichtung zum
Steuern eines Wechselrichters benutzbar, um die Steuerspannung
einer in die Impulsbreitenmodulation eingehenden
Phase zu steuern. Nachfolgend soll der Betrieb des
Spannungsreglers gemäß der Erfindung unter Hinweis auf
Fig. 5a und 5b für die Phase A näher erläutert werden.
In den Spannungsregler geht die als Rückkopplungswert
erhaltene, mit dem Meßglied 9 a am Wechselrichterausgang
gemessene Spannung Va und die Bezugsspannung Va* ein.
Der Spannungsregler besteht aus einem Schaltkreis 35 zum
Bilden der Istwertspannung und einem Schaltkreis 36 zum
Bilden der Steuerspannung Va′ für den Impulsbreitenmodulator.
In dem Schaltkreis 35 zum Bilden der Istwertspannung
bildet eine Summiereinheit 37 ein synthetisches
Nullniveau V 0 gemäß Fig. 5b. Das synthetische Nullniveau
V 0, dessen Frequenz dem Dreifachen der Basisfrequenz
entspricht, wird dadurch erhalten, daß eine positive
Spannung pU 1 mit einer negativen Spannung nU 1 einer pulsierenden
Gleichspannung am Kondensator C 1 kombiniert
wird, die mittels des Gleichrichters 16 einer Vollwellengleichrichtung
unterzogen wurde, um eine Wechselspannung
V 0 zu ergeben. In einer Summiereinheit 38 wird
dann die Wechselspannung V 0 des synthetischen Nullniveaus
mit der am Ausgang des Wechselrichters gemessenen
tatsächlichen Spannung Va kombiniert.
Im Schaltkreis 36 zum Bilden der Steuerspannung wird
von einer Differenziereinheit 39 die Differenz zwischen
der Istwertspannung und der Bezugsspannung Va* gebildet,
und diese Differenz wird von einem integrierenden
Verstärker 40 gesteuert. Die Verstärkung des Verstärkers
40 kann mit Hilfe eines Trimmers TM 6 geändert werden.
Die Bezugsspannung Va* wird mit einer Korrekturkomponente,
die aus der Differenz zwischen der Bezugsspannung
Va* und der Istwertspannung gebildet wurde, in einer
Summiereinheit 41 kombiniert und bildet die Steuerspannung
Va′ für den Impulsbreitenmodulator 6 a. Als Differenziereinheit
39 dient eine Summierschaltung, deren
einer Eingang negativ ist. Die Spannungsregler 5 b und
5 c für die anderen Phasen arbeiten ähnlich wie der Spannungsregler
5 a in Phase A.
In diesem Zusammenhang ist der Einfluß von Speicherzeit
zu beachten. Das bedeutet, daß bei der Wegnahme des Basisstroms
von einem stromführenden Transistor dieser
noch etwa weitere 20 Mikrosekunden leitend bleibt. Während
dieser Zeit darf der paarweise mit ihm arbeitende
Transistor nicht geöffnet werden, da es sonst zu einem
Kurzschluß käme. Der Transistor hört erst dann zu leiten
auf, wenn die Basisladung aufgehoben ist. Die in Fig. 6
für die Leistungsstufe gezeigte Treiberstufe des Transistors
besteht aus einer Verzögerungsschaltung 42 und
der eigentlichen Treiberschaltung 43. Eine asymmetrische
Verzögerung in der Transistorsteuerung wird mit Hilfe
eines Hysteresegatters 44 erzielt, damit sichergestellt
ist, daß der andere Transistor am Transistoranschluß,
z. B. T 2 nicht durchgesteuert wird, ehe der Transistor
T 1 aufgehört hat zu leiten. Die Schaltungsverzögerung
wird bestimmt durch das Produkt eines Widerstandes R 3
und eines Kondensators C 2. Eine Diode D 12 ist nötig, um
ein Abschalten ohne Verzögerung zu ermöglichen. Das in
Fig. 6 gezeigte Eingabesignal A ist eines von Steuersignalen
A 1, A 2, B 1, B 2, C 1 oder C 2, die in die Treiberstufen
eingegeben werden.
Die Treiberschaltung 43 hat zwei unabhängige oder schwebende
Stromzufuhrquellen, von denen eine negative erforderlich
ist, um einen starken negativen Basisstrom zur
Beschleunigung des Abschaltens zu erzielen. Die zwei
entsprechenden Spannungen werden mit Hilfe gleichrichtender
Dioden D 13 bis D 20 und filternder Kondensatoren C 3
und C 4 erhalten. Als Stromzufuhrquelle für die Treiberschaltung
43 dient ein hochfrequenter Zerhacker 45, bei
dem die Sekundärwicklung seines Transformators TR 1 eine
ausreichend große Anzahl von Windungen hat, um alle nötigen
Stromquellen zu versorgen. Energie wird vom Transformator
TR 1 geliefert. Zu der Treiberstufe gehört ein
Optoisolator 46, welcher am Ende vorgesehene Transistoren
T 8 und T 9 über einen Widerstand R 4 versorgt. Die genannten
Transistoren bilden eine Doppelemitter-Folgeschaltung.
Eine Sättigung des eigenlichen Leistungstransistors
wird mittels einer Diode D 21 verhindert, die eine sogenannte
Baker-Diode ist. Hierdurch wird die Speicherzeit
verringert und stabilisiert. Außerdem ist wegen dieser
Diode weniger Abschaltleistung für den Transistor
erforderlich. Damit die Baker-Diode D 21 ordnungsgemäß
arbeiten kann, ist ein Widerstand R 4 nötig. Mit der Stelle
O/E ist die Erde der Oszillatorelektronik bezeichnet.
Der Optoisolator 46 hat zum Schutz eine Diode D 22. Die
Treiberstufe liefert beispielsweise Signale C, B und E
als Ausgangssignale zum Antrieb des Transistors T 1.
Für den Fachmann liegt auf der Hand, daß die Erfindung
über die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele hinaus
abgewandelt werden kann. So kann z. B. der Wechselrichter
statt mit Transistoren auch mit GTO-Thyristoren ausgerüstet
werden.
Claims (10)
1. Einrichtung zum Steuern eines Dreiphasen-Wechselrichters
zur Versorgung des Wechselstrommotors einer
Aufzugsanlage, bei der die Leistungsstufe des Wechselrichters
mit Halbleiterschaltern verwirklicht ist und
die Einrichtung eine an sich bekannte Steuerelektronik (1)
zum Erzeugen eines Bezugsgeschwindigkeitswertes (v*) und
einen Drehzahlmeßgenerator (11) zum Erzeugen eines Istgeschwindigkeitswertes
(v), Spannungsmeßglieder (9 a-9 c)
zum Messen von Phasenspannungen am Wechselrichterausgang
sowie an sich bekannte Impulsbreitenmodulatoren (6 a-6 c)
und Steuereinheiten (7 a-7 f) zum Steuern der Halbleiterschalter
in der Leistungsstufe (17) des Wechselrichters
mit von den Impulsbreitenmodulatoren (6 a-6 c) erhaltenen
Steuersignalen (A 1, A 2, B 1, B 2, C 1, C 1) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß zu der Einrichtung
ein Geschwindigkeitsregler (2) gehört, der die
Frequenz (fr) des Rotorstroms und die Frequenz (fs) der
Bezugseingabespannungen aus dem Istgeschwindigkeitswert
(v) und dem Bezugsgeschwindigkeitswert (v*) bildet, ferner
ein Kurvenscharrechner (3), der die Amplitude der Bezugsspannungen
aus der Rotorstromfrequenz (fr) und der
Frequenz (fs) der Bezugsspannungen bildet, ein Dreiphasenoszillator
(4), der Bezugsspannungen (Va*, Vb*, Vc*)
aus der Frequenz (fs) und Amplitude (As) der Bezugsspannungen
bildet, und Spannungsregler (5 a-5 c), die Steuerspannungen
(Va′, Vb′, Vc′) für die Impulsbreitenmodulatoren
(6 a-6 c) aus den Bezugsspannungen (Va*, Vb*, Vc*) und
den am Wechselrichterausgang erhaltenen Istwertspannungen
(Va, Vb, Vc) erzeugen.
2. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Geschwindigkeitsregler
(2) eine Differenziereinheit (18) ist, die
die Differenz zwischen dem Istgeschwindigkeitswert (v)
und dem Bezugsgeschwindigkeitswert (v*) bildet, eine P-Steuereinheit
(19) und eine I-Steuereinheit (20), die
die Differenz zwischen dem Istgeschwindigkeitswert (v)
und dem Bezugsgeschwindigkeitswert (v*) steuern, eine
Summiereinheit (21), die die Ausgangssignale der P-Steuereinheit
(19) und der I-Steuereinheit (20) mit dem Bezugsgeschwindigkeitswert
(v*) kombiniert und die Rotorstromfrequenz
(fr) erzeugt, sowie eine Summiereinheit
(22), die die Frequenz (fs) der Bezugsspannungen aus der
Rotorstromfrequenz (fr) und dem Istgeschwindigkeitswert
(v) bildet.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kurvenscharrechner
(3) zum Erzeugen der Amplitude (As) der Bezugsspannungen
mit Hilfe einer den Motor darstellenden
Konstantfluß-Kurvenschar, außer bei niedrigen Frequenzen
(fs) der Bezugsspannungen des Wechselrichters, eine Summiereinheit
(23), die eine Korrekturkomponente (K 1) proportional
zur Rotorstromfrequenz (fr) mit der Frequenz
(fs) der Bezugsspannungen kombiniert, einen Absolutwertverstärker
(24), der den absoluten Wert der Amplitude bei
negativen Frequenzen (fs) der Bezugsspannungen erzeugt, und ein
Steuerglied (TM 3) zum Einstellen der Korrekturkomponente
(K 1) in Abhängigkeit von der Rotorstromfrequenz (fr); sowie
zur Näherung des nichtlinearen Teils bei den niedrigen Frequenzen
(fs) durch einen horizontalen linearen Abschnitt,
eine Summiereinheit (25), die den an das Minimum der Kurve
bei positiven Frequenzen (fs) der Bezugsspannungen angenäherten
horizontalen Teil erzeugt, eine Summiereinheit
(26), die den Mindestwert (K 0) der Basiskurve zum von der
Summiereinheit (25) erhaltenen Amplitudenwert (A 2) bei
niedrigen Frequenzen (fs) der Bezugsspannungen addiert,
ein Steuerglied (TM 4) zum Einstellen der Korrekturkomponente
(K 2) in Abhängigkeit von der Rotorstromfrequenz (fr)
und ein Steuerglied (TM 5) zum Einstellen des Mindestwertes
(K 0) der Basiskurve; sowie zum Erzeugen der Amplitude
(As) in verschiedenen Teilen der Kurve Dioden
(D 7-D 10) und eine Diodenschwellenfehlerkorrekturschaltung
(27) aufweist.
4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Dreiphasenoszillator
(4) eine Absolutwerteinheit (29), die den
absoluten Wert der Frequenz (fs) der Bezugsspannungen erzeugt,
einen spannungsgesteuerten Oszillator (30), der
eine Rechteckwelle proportional zur Frequenz (fs) der Bezugsspannungen
erzeugt, Speicherschaltungen (31 a-31 c),
die den Kurvenverlauf jeder Bezugsspannung speichern,
D/A-Umsetzer (32 a-32 c), die die Bezugsspannungen in digitaler
Form in analoge Bezugsspannungen (Va*, Vb*, Vc*)
umsetzen, einen Aufwärts/Abwärts-Zähler (33), der die
Adresse der Speicherschaltungen (31 a-31 c) erzeugt, und
eine Vergleichsschaltung (34) aufweist, die das Vorzeichen
der Frequenz (fs) der Bezugsspannungen und damit die
Drehrichtung des Motors feststellt.
5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß jeder Spannungsregler
(5 a-5 c) einen Schaltkreis (35) zum Bilden der
Istwertspannung aus der am Wechselrichterausgang gemessenen
Spannung (Va) sowie einen Schaltkreis (36) zum Bilden
der Steuerspannung (Va′) für den Impulsbreitenmodulator
aus der Istwertspannung und der Bezugsspannung (Va*)
aufweist.
6. Einrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis
(35) zum Bilden der Istwertspannung hauptsächlich
mit einer Summiereinheit (37), die die positive Spannung
(pU 1) und die negative Spannung (nU 1) einer durch Vollwellengleichrichtung
aus einer Dreiphasenspannung erhaltenen
pulsierenden Wechselspannung kombiniert, und mit
einer Summiereinheit (38) verwirklicht ist, welche die
am Wechselrichterausgang gemessene Spannung (Va) zu der
so erhaltenen Wechselspannung (V 0) addiert.
7. Einrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis
(36) zum Bilden der Steuerspannung hauptsächlich
mit einer Differentialeinheit (39), die die Istwertspannung
mit der Bezugsspannung (Va*) vergleicht, wobei
ein Verstärker (40) die Differenz integriert, und mit
einer Summiereinheit (41) verwirklicht ist, mit deren
Hilfe die erhaltene Differenzgröße der Bezugsspannung
(Va*) überlagerbar ist, um eine Steuerspannung (Va′) zu
ergeben, die den momentanen Zustand des Wechselstrommotors
berücksichtigt.
8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß jede Treiberstufe
(7 a-7 f) eine Verzögerungsschaltung (42) zur Berücksichtigung
der Schaltverzögerung des Halbleiterschalters
und eine mit einem Optoisolator (46) versehene
Treiberschaltung (43) für den Halbleiterschalter aufweist.
9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter
ein Transistor-Wechselrichter ist, in welchem
die in der Leistungsstufe (17) gesteuerten Halbleiterschalter
Transistoren (T 1-T 6) sind.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter
ein GTO-Thyristor-Wechselrichter ist, in welchem
die gesteuerten Halbleiterschalter in der Leistungsstufe
GTO-Thyristoren sind.
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