DE4029446A1 - Stromrichtergeraet fuer elektromotoren mit stromrichterventilen und mit einem steuersatz - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Stromrichtergerät für Elektromoto­ ren mit Stromrichterventilen und mit einem Steuersatz, der zwei Funk­ tionsgeneratoren aufweist und der Steuerimpulse für die Ventilbauele­ mente abgibt.

Stromrichtergeräte der eingangs genannten Art sind in vielfacher, unterschiedlicher Ausbildung bekannt. Zum Begriff Stromrichter wird auf die DIN 41 750 verwiesen, deren Blatt 7 sich speziell mit Steuer­ sätzen beschäftigt. Danach gehören Steuersätze zur Grundausrüstung von ventilgesteuerten Stromrichtern und dienen zum Steuern des Energie­ flusses vorwiegend nach dem Verfahren der Zündeinsatzsteuerung. Hierzu gibt der Steuersatz periodisch Steuerimpulse zu Zeitpunkten ab, zu denen die steuerbaren Stromrichterventile gezündet werden sollen.

Anhand der vorbekannten Stromrichtergeräte der eingangs genannten Art lassen sich die einzelnen, beim praktischen Betrieb ablaufenden Vor­ gänge nicht anschaulich genug darstellen. Bei Steuersätzen, die zwei Funktionsgeneratoren aufweisen und bei denen nach dem Unterschwin­ gungsverfahren aus diesen beiden Funktionsgeneratoren Steuerimpulse erhalten werden, läßt sich bei einer Darstellung eines Impulszuges auf einem Oszillographenbildschirm nur wenig erkennen. Benachbarte Impulse weisen nur geringfügige Unterschiede voneinander auf. Stellt man auf dem Oszillographenbildschirm viele Impulse dar, so erkennt man zwar die allmähliche Änderung der Impulse, es geht aber die Darstellung der einzelnen Impulse verloren. Stellt man dagegen nur wenige Impulse nebeneinander auf dem Bildschirm dar, so erkennt man keine Verände­ rung.

Bei Steuersätzen mit zwei Funktionsgeneratoren arbeitet ein Funktions­ generator typischerweise bei einer Frequenz, die oberhalb des mensch­ lichen Hörbereichs liegt. Der andere Funktionsgenerator arbeitet bei einer wesentlich tieferen Frequenz, die zumeist unter 1 kHz liegt. Der Frequenzunterschied zwischen den Ausgangssignalen der beiden Funk­ tionsgeneratoren bewirkt, daß bei der Darstellung auf einem Oszillo­ graphenbildschirm im Grunde stets nur der Einfluß eines Funktionsgene­ rators erkennbar ist, nicht aber der Einfluß beider Funktionsgenerato­ ren zusammen.

Weiterhin sind die bekannten Stromrichtergeräte typischerweise für einen Typ Elektromotor maßgeschneidert. Für den Unterricht ist es aber wesentlich und wird vielfach gewünscht, daß das Verhalten unterschied­ licher Motoren und das Verhalten unterschiedlicher Steuersätze stu­ diert werden kann. Dies ist auch für die Entwicklung neuer Steuersätze und für die Entwicklung neuer Einheiten aus Elektromotor und Strom­ richtergerät vorteilhaft.

Hier setzt nun die Erfindung ein. Sie hat es sich zur Aufgabe gemacht, ein weitgehend universal einsetzbares Stromrichtergerät für Elektromo­ toren anzugeben, bei dem das jeweils eingestellte Ausgangssignal in Form von Steuerimpulsen so auf einem Oszillographenbild darstellbar ist, daß der Einfluß beider Funktionsgeneratoren erkennbar wird.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Stromrichtergerät mit den Merkma­ len des Patentanspruchs 1.

Ein entscheidendes Merkmal dieses Stromrichtergerätes liegt in der Umschaltbarkeit der Frequenz des Trägerfrequenz-Generators. Dieser kann zwischen einer hohen Frequenz, wie sie für die praktische Funk­ tion benutzt wird, und einer zumindest eine Dekade tiefer liegenden Frequenz, die praktisch nur für die bessere Darstellung genutzt wird, eingestellt werden. Auf diese Weise kann man wählen zwischen einer lehrgerechten Darstellung der Impulsabläufe auf einem Oszillographen­ bildschirm und einer für die praktische Ansteuerung eines Elektromo­ tors tatsächlich benutzten, im Verlauf mathematisch ähnlichen Impuls­ folge. Durch Ändern der Frequenz des Trägerfrequenz-Funktionsgenera­ tors wird die Grundform der Impulsabläufe nicht geändert, es wird aber die Gesamtanzahl der Impulse pro Zeiteinheit deutlich erniedrigt, so daß die durch das Modulationssignal bedingten Änderungen schon bei wenigen, nacheinander folgenden Einzelimpulsen nachweisbar sind.

Da die Kurvenform des Modulationsfrequenzgenerators einstellbar ist, lassen sich sehr unterschiedliche Impulsverläufe realisieren. Es ge­ lingt mit geringem und einfachem Aufwand, die üblicherweise benutzten Impulsverläufe zu erstellen. Dadurch wird das erfindungsgemäße Strom­ richtergerät zu einem Universal-Stromrichtergerät, es kann als Ersatz für sehr verschiedenartig ausgebildete, Spezial-Strcmrichtergeräte benutzt werden.

Zum besseren Verständnis der Erfindung soll hier betont werden, daß das erfindungsgemäße Stromrichtergerät nicht für einen industriellen Einsatz gedacht und bestimmt ist, vielmehr wird man für den indu­ striellen Einsatz immer speziell ausgebildete, maßgeschneiderte Strom­ richtergeräte benutzen. Das erfindungsgemäße Stromrichtergerät ist vielmehr für Lehre und Entwicklung geeignet. Nur in diesem Bereich sind seine vielfachen Fähigkeiten sinnvoll, bei industriellem Einsatz ist die vielfältige Verstellbarkeit unnütz und eher hinderlich.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist der Trägerfrequenzge­ nerator ein Dreiecksgenerator. Er ist erfindungsgemäß zwischen zwei unterschiedlichen Frequenzen, die sich um mindestens eine Zehnerpotenz in der Frequenz unterscheiden, einstellbar. Aufgrund der Dreiecksform seiner Ausgangssignale bewirkt die Frequenzänderung keine wesentliche Änderung im Verlauf des mit der Modulationsfrequenz überlagerten Trä­ gerfrequenzsignals. Eine zusätzliche Einstellbarkeit der (beiden) Frequenzen des Trägerfrequenzgenerators ist vorteilhaft, auf diese Weise kann man die Funktionsabläufe bei unterschiedlichen Frequenzen studieren und beispielsweise das akustische Verhalten eines Elektromo­ tors im praktischen Betrieb bei Ansteuerung mit einer im Hörbereich liegenden Trägerfrequenz und einer darüberliegenden Trägerfrequenz darstellen.

In einer praktischen, vorteilhaften Ausbildung hat der Modulationsfre­ quenzgenerator des Stromrichtergerätes einen Spannungs-Frequenzumset­ zer, einen Zähler, ein EProm und einen D/A-Wandler, die in der angege­ benen Reihenfolge hintereinander angeordnet sind. Durch den Span­ nungs-Frequenzumsetzer erhält der Zähler periodische Impulse, deren Frequenz in einer Weiterbildung durch Vorgabe einer bestimmten Stell­ spannung einstellbar ist. Das Ergebnis des Zählvorgangs wird als Adresse dem EProm zugeleitet. Andere Adreßeingänge des E-Proms dienen der Auswahl der Funktion, also der jeweiligen Kurvenform. Das Aus­ gangssignal des EProms wird durch den D/A-Wandler in ein Analogsignal umgewandelt, es wird in der Folge mit dem Trägerfrequenzsignal überla­ gert.

Als sehr vorteilhaft hat es sich erwiesen, in der Verbindungsleitung zwischen Zähler und EProm einen Vielfachanschluß vorzusehen. Auf diese Weise kann direkt von einem Rechner eine Kurvenform in das EProm gela­ den werden. Weiterhin kann über einen Rechner direkt eine Kurvenform über das EProm zur Verfügung gestellt werden. Dadurch lassen sich beispielsweise Einschwingvorgänge und andere nicht periodische Vorgän­ ge, jedoch auch periodische Vorgänge erzeugen.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den übri­ gen Ansprüchen sowie der nun folgenden Beschreibung eines nicht ein­ schränkend zu verstehenden Ausführungsführungsbeispiels, das unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert wird. In dieser zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf die Frontplatte eines erfindungsgemäßen Stromrichtergerätes mit Stromrichterventilen und mit einem Steuersatz, und

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Trägerfrequenzgenerators des Steuer­ satzes nach Fig. 1.

Das Stromrichtergerät ist in einem Koffer, und zwar in einer Halbscha­ le eines Koffers, untergebracht. Derartige Koffer sind ansich aus der DE-Patentschrift 29 39 083 bekannt, auf die hier Bezug genommen wird.

Die einzelnen Baugruppen sind auf separaten Frontplatten angeordnet, auf die im einzelnen eingegangen wird. Links oben befindet sich ein Steuersatz 20 für Pulsweitenmodulation, es handelt sich hierbei um einen Vierkanal-Impulsgenerator zur Ansteuerung von selbstgeführten Stromrichtern, hierzu sind im unteren Teilbereich Stromrichterventile vorgesehen, auf die im folgenden noch eingegangen wird.

Der Steuersatz 20 hat einen Trägerfrequenzgenerator 22 umschaltbarer Ausgangsfrequenz, dieser gibt dreieckförmige Signale ab, wie sie in Fig. 1 angedeutet sind. Der Trägerfrequenzgenerator 22 ist mittels einer bekannten, hier nicht näher dargestellten Einrichtung umschalt­ bar zwischen einer Frequenz f_f für die Normalfunktion und einer Fre­ quenz f_d für die didaktische Darstellung. Wie Fig. 1 zeigt, ist der Ausgang des Trägerfrequenzgenerators 22 mit den Minuseingängen von vier Operationsverstärkern 24 verbunden. Letztere haben einen Normal­ ausgang Q26 und einen invertierenden Ausgang Q28. An den Ausgängen stehen die Steuerimpulse für unterschiedliche Stromrichter zur Verfü­ gung.

Die weiteren Bauelemente des Steuersatzes 20 stellen einen Vierpha­ sen-Funktionsgenerator dar. Seine schaltungstechnische Auslegung ist teilweise in Fig. 2 dargestellt, er dient der Erzeugung einer Modula­ tionsfrequenz, die der Trägerfrequenz aufgeprägt wird.

Über ein Potentiometer 30 oder einen internen Steuereingang (Leitung 32) wird ein U/f-Wandler 34 angesteuert. Seine Ausgansgimpulse werden in einem Zähler 36 gezählt. Je nach Zählergebnis werden verschiedene Bereiche eines Digitalspeichers 38 (EProm, vorzugsweise EEProm) ange­ sprochen, deren Inhalt dann über einen D/A-Wandler 40 in ein Analog­ signal umgesetzt wird und an Ausgängen 42 anliegt. Diese können wahl­ weise mit den Pluseingängen der Operationsverstärker 24 verbunden werden, hierzu sind mit Steckern versehene Verbindungsleitungen vorge­ sehen, sie sind Bestandteil des Stromrichtergerätes.

Wie Fig. 1 zeigt, sind insgesamt vier Modulationsfrequenzgeneratoren im Stromrichtergerät enthalten. Ihre an den Ausgängen 42 abgreifbaren Signale sind in verschiedener Hinsicht einstellbar: Mittels eines Schalters, von dem in Fig. 1 nur der Stellknopf zu erkennen ist, kann die Funktion eingestellt werden, es kann gewählt werden zumindest zwischen den Kurvenformen Sinus, Rechteck, Dreieck, Sinus Mit Oberwel­ len, Rechteck mit Rampenfunktion, Einquadranten-Gleichstromsteller, Zweiquadranten-Gleichstromsteller und Vierquadranten-Gleichstromstel­ ler.

Mit dem darunter befindlichen Einstellknopf kann die Amplitude des Modulationssignals eingestellt werden. Wiederum darunter befindet sich der Einstellknopf 46 für die Frequenzeinstellung.

Im Steuersatz 20 ist ein Mehrfachsteckkontakt 48 für den Anschluß eines Rechners vorgesehen, seine Kontakte sind, wie aus den Fig. 1 und 2 hervorgeht, mit den Eingängen der Digitalspeicher 38 verbunden. Auf diese Weise können über einen Rechner Modulationssignale unperio­ discher Art oder auch beliebiger, vom Rechner vorgegebener Kurvenform eingeleitet werden. Diese Kurvenformen können im Digitalspeicher 38 abgespeichert und später durch Betätigen des Schalters 44 wieder ange­ wählt und abgerufen werden.

Insgesamt sind mit dem Steuersatz 20 also beliebige pulsweitenmodu­ lierte Steuerimpulse für den noch zu besprechenden Stromrichter dar­ stellbar. Auf diese Weise können für Lehr- und Entwicklungszwecke beliebige Impulsverläufe erzeugt werden.

Unmittelbar unterhalb des Steuersatzes 20 befindet sich ein Netzteil 50. Es bildet einen Spannungszwischenkreis PMM/PWM. Eingangsseitig ist es für Drehstrom ausgelegt, in einem Gleichrichter findet eine Gleich­ richtung, anschließend in einem Kondensator eine Siebung statt. Über zwei Stromrichterventile, die hier als Transistoren 54, 56 ausgeführt sind, können Schaltungsvorgänge beliebiger Art durchgeführt werden, die Ansteuerung erfolgt über einen der Ausgänge 26 bzw. 28.

Rechts unten sind insgesamt sechs, jeweils zu Zweiereinheiten zusam­ mengefaßte Stromrichterventile angeordnet, gezeigt sind Transistoren 58, beispielsweise GTOs oder Power-MOS. Ihre insgesamt sechs Steuer­ eingänge können mit jeweils einem der Ausgänge 26 bzw. 28 verbunden werden. Hierfür sind vorbereitete Steckkabel vorgesehen, die Bestand­ teile des Stromrichtergerätes sind. Sie sind mechanisch so ausgeführt, daß eine Kurzschlußschaltung nicht möglich ist. Es können also nicht zwei Stromrichterventile desselben Stromweges mit gleichartigen Aus­ gangssignalen beschaltet werden.

Der D/A-Wandler 40 nach Fig. 2 ist als multiplizierender Wandler aus­ geführt. Hierzu wird sein Referenzeingang 60 benutzt. Wahlweise kann an diesen Referenzeingang 60 die Stellspannung des Spannungs-Fre­ quenz-Wandlers 34 oder eine mittels eines Potentiometers 62 einge­ stellte Gleichspannung angelegt werden. Zusätzlich ist ein Addierwerk 64 vorgesehen, mit den der Stellspannung des U/f-Wandlers 34 zusätz­ lich eine von außen anlegbare Spannung beliebiger Kurvenform überla­ gert werden kann.

Claims (9)

1. Stromrichtergerät für Elektromotoren mit Stromrichterventilen (54, 58) und mit einem Steuersatz (20), der zwei Funktionsgeneratoren aufweist, von denen einer bei einer höheren Frequenz (Trägerfre­ quenz) und einer bei einer niedrigeren Frequenz (Modulationsfre­ quenz) arbeitet und deren Ausgangssignale zur Bildung von pulswei­ tenmodulierten Steuerimpulsen den Eingängen eines Operationsver­ stärkers (24) zugeführt werden, von wo die erhaltenen Steuerimpulse den Stromrichterventilen (54, 58) zugeleitet werden, wobei der Trägerfrequenzgenerator (22) eine vorgegebene Impulsform abgibt und einstellbar ist auf eine oberhalb des menschlichen Hörbereichs, z. B. oberhalb 20 kHz, liegende Frequenz f_f für die Funktion und eine zumindest eine Zehnerpotenz tieferliegende Frequenz f_d für eine lehrgerechte Darstellung der Abläufe auf einem Oszillographenbild­ schirm, und daß die Kurvenform des Modulationsfrequenzgenerators zumindest auf Sinus und Rechteck einstellbar ist.

2. Stromrichtergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuersatz (20) einen vierfachen Pulsweiten-Modulator aufweist.

3. Stromrichtergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerfrequenzgenerator (22) ein Dreiecksgenerator ist.

4. Stromrichtergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerfrequenzgenerator (22) zusätzlich hinsichtlich Amplitude und/oder Frequenz einstellbar ist.

5. Stromrichtergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerfrequenzgenerator (22) zumindest drei der folgenden Kurven­ formen abgibt: Drei mal einhundertzwanzig Grad Sinus, drei mal einhundertzwanzig Grad Dreieck, drei mal einhundertzwanzig Grad Rechteck, zwei mal neunzig Grad Sinus, zwei mal neunzig Grad Recht­ eck, drei mal einhundertzwanzig Grad Sinus mit Oberwellen, drei mal einhundertzwanzig Grad Rechteck plus Rampenfunktion.

6. Stromrichtergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulationsfrequenzgenerator aufgebaut ist aus einem Spannungs- Frequenzumsetzer (34), einem Zähler (36), einem Digitalspeicher (38), vorzugsweise EProm und einem D/A-Wandler (40), die in der angegebenen Reihenfolge hintereinander angeordnet sind.

7. Stromrichtergerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitungen von Zähler (36) und Digitalspeicher (38) durch einen Vielfachanschluß (48) von außen zugänglich sind.

8. Stromrichtergerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der D/A-Wandler (40) einen Referenzeingang (60) aufweist, der wahlweise an eine einstellbare Spannung, an die am Spannungs-Frequenzumsetzer (34) anliegende Stellspannung und/oder an eine externe Spannung beliebigen Verlaufs anlegbar ist.

9. Stromrichtergerät nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Digitalspeicher (38) eine Vielzahl von Kurvenformen selektiv abrufbar gespeichert ist.