WO1995005702A1 - Process for controlling the speed of rotation of a single-phase or polyphase induction motor - Google Patents

Process for controlling the speed of rotation of a single-phase or polyphase induction motor Download PDF

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WO1995005702A1
WO1995005702A1 PCT/AT1994/000110 AT9400110W WO9505702A1 WO 1995005702 A1 WO1995005702 A1 WO 1995005702A1 AT 9400110 W AT9400110 W AT 9400110W WO 9505702 A1 WO9505702 A1 WO 9505702A1
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frequency
semiconductor switch
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PCT/AT1994/000110
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Franco Giglifiore
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Entec Energietechnik Gesellschaft M.B.H.
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
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    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0095Hybrid converter topologies, e.g. NPC mixed with flying capacitor, thyristor converter mixed with MMC or charge pump mixed with buck

Definitions

  • the speed control of motors is of increasing importance in many industrial applications, since for modern systems very great demands must be made on the changeability and adjustability of production processes which are to be monitored both manually and automatically, and most of these processes are carried out by motors are driven.
  • the variable speed enables the efficiency and reliability of the motors to be increased to optimum values for every task.
  • the speed is very dependent on the torque, supply voltage and temperature. These influences can be counteracted by controlling the speed in a control loop or by manually controlling the speed.
  • a programmable sequence of speed changes to be carried out automatically at certain times is also desired by the users.
  • the object of the invention is to specify a method of the type mentioned at the outset which does not use any moving mechanical parts for carrying it out and which sweeps over a high adjustable speed range.
  • Such a change in the frequency of the pha- Sens voltages is advantageous due to its large variation range, which is not tied to any mechanical means, and also due to the independence from AC voltage sources.
  • the mutual phase differences of the phase voltages are formed by the time shift of the corresponding, predeterminable time intervals. This measure can be implemented in a simple manner, particularly when using microprocessors to control the phase.
  • the shape of the phase voltages is proportionally changed in their proportions, thus ensuring a balanced change in speed with the motor running smoothly.
  • the invention also achieves the above-mentioned object by means of a circuit arrangement for carrying out the method, which is characterized in that, in order to generate each of the N phase voltages, the output of a control unit is connected to the input of a controllable function generator, one at the output of the function generator Clock frequency f Q can be tapped depending on the speed values entered in the control unit, the output of the function generator is connected to the frequency control input of a staircase pulse generator, so that depending on the frequency f Q in this pulse train for controlling switching processes in semiconductor switches at its outputs, a phase control unit is connected to a phase control input of the staircase pulse generator, via which groups of pulse trains assigned to each phase are delayed in time in accordance with the phase shift, the outputs of the staircase pulse generator m it the inputs of the driver circuit and its output are connected to the windings of the motor.
  • a clock frequency allows a very large frequency or speed range to be implemented very precisely and without great effort.
  • the negative pole of a first DC voltage source with the voltage E j with a first connection of a first smoothing capacitor, a first connection of a first controllable semiconductor switch with reverse diode and a first terminal of a second controllable semiconductor switch is connected to a reverse diode; the positive pole of the first DC voltage source at a common node with the negative pole of a second DC voltage source with the voltage E2, via a parallel connection of two semiconductor switches with reverse diodes and each with an anti-parallel connection.
  • a diode connected in series with one another is connected to the second connection of the first semiconductor switch, a first connection of a third controllable semiconductor switch with reverse diode and a first output terminal;
  • the positive pole of the second direct voltage source is connected to the second connection of the second smoothing capacitor, the second connection of the third semiconductor switch and the first connection of a fourth controllable semiconductor switch with reverse diode;
  • the second connection of the second semiconductor switch is connected to the second connection of the fourth semiconductor switch and a second output terminal;
  • the control inputs of the controllable semiconductor switches are connected to the outputs of the staircase pulse generator.
  • controllable semiconductor switches are formed by field effect transistors, preferably MOSFET.
  • field effect transistors preferably MOSFET.
  • switching elements also have good high-frequency properties and are therefore also suitable for generating high-frequency AC voltages and thus high adjustable speed ranges.
  • a further advantage are the reverse diodes which are already integrated in field effect transistors for technological reasons and which are located between the drain and source and prevent cutoff voltages from inductances from destroying the semiconductor switches.
  • controllable semiconductor switches are formed by IGBT.
  • IGBT Input-to-Vetrachloric
  • 1 shows a block diagram of a circuit arrangement for carrying out the method according to the invention for a three-phase induction motor
  • 2 shows a possible embodiment of a driver circuit arrangement for a three-phase induction motor
  • 3 shows diagrams of step-shaped phase voltages as a function of time.
  • a control unit 118 adopts the speed to be set of a motor with phase windings 102, 103, 104 as input values, which are entered manually via an input unit (not shown) or, when used in control loops, in the form of a manipulated variable be transmitted.
  • the output of the control unit 118 is connected to a frequency generator 110 with a voltage-dependent input, so that different voltage values at the input of the frequency generator 110 correspond to different frequencies at its output.
  • control unit 118 can thus consist of a voltage divider that can be changed by a potentiometer and is connected to the input of the frequency generator 110, for example a rectangular generator, whereby its output frequency varies depending on the position of the potentiometer.
  • the control unit 118 can, however, also be constructed in a very complex manner with digital input and preprogrammable processes or can be part of a control loop in which the actual speed of the motor is determined, for example via speed sensors, and via a control loop with signal amplifiers, digital-analog converters and arithmetic unit taking into account the target rotational speed, a corresponding voltage is emitted to the input of the frequency generator 110, which emits a frequency f Q proportional to this voltage at its output.
  • Each of the three phase windings 102, 103, 104 of the motor is fed with the phase voltages F j ⁇ ge, which as step-like, periodic voltages in the drivers 114, 115, 116, which in turn are controlled by stair pulse generators 111, 112, 113, be generated.
  • the frequency f Q reaching the frequency control input of the staircase pulse generators 111, 112, 113 is used to generate N groups of pulse trains, which in turn cause a sequence of switching states in the drivers 114, 115, 116 equipped with power semiconductors, which result in different states Switch DC voltage potentials at their outputs and thereby the periodic staircase voltages F j , ⁇ 2 .
  • Each group of pulse trains comprises an equal number of pulse trains as there are controllable semiconductor switches in the drivers 114, 115, 116.
  • the phase voltages F j , F2 . F3 are identical in shape and period, but are mutually phase-shifted by a constant angle in accordance with the spatial arrangement of the windings 102, 103, 104 in the motor.
  • phase control unit 117 whose output is connected to one of the phase control inputs of the staircase pulse generators 111, 112, 113.
  • the three groups of pulse trains at the outputs of the staircase pulse generators 114, 115, 116 are mutually delayed, so that stair voltages F j , F2 .
  • F3 with a frequency f j with a phase difference of 2 ⁇ / N, for this example with N 3, ie 120 °.
  • the number of phase voltages is adapted to the motor to be controlled, so that there is no restriction of the invention with regard to the number of phases or number of windings.
  • the pulse trains emanating from the staircase pulse generators 111, 112, 113 are therefore further processed in the drivers 114, 115, 116 into stair voltages F j , F2 ⁇ which subsequently operate the motor at the frequency f j .
  • the frequencies f Q and f j are changed accordingly, so that the phase voltages F j , F2 ⁇ 3 controlling the motor cause a change in the speed of the motor due to their frequency change.
  • a manual setting of the speed effected via the control unit 118 changes the frequency of the stair tensions to the extent entered, while when the control unit 118 is included in a controlled system, an actual speed is compared with a target speed and except for a zero adjustment of the two Sizes are controlled with a control device so that speed fluctuations due to various influencing variables, such as torque, temperature etc., are automatically compensated for.
  • FIG. 2 shows three identical driver circuits 5, 6, 7 for the phase voltages F j , F2, F3, which operate the windings 2, 3, 4 of a three-phase induction motor 1.
  • Two series-connected DC voltage sources 8, 9 with the voltages E j and E2 have a common negative pole terminal -, a common middle terminal C and a common positive pole terminal +, at which the following 5 potentials from the three driver units 5, 6, 7 can be tapped. These are:
  • This type of scanning is carried out for each of the driver units 5, 6, 7 by controllable semiconductor switching elements 11, 12, 13, 14, 17, 18 and 21, 22, 23, 24, 27, 28 and 31, 32, respectively , 33, 34, 37, 38 these potentials are switched through in succession to the output terminals 51, 52 or 61, 62 or 71, 72 in a predetermined order.
  • the smoothing capacitors 19, 20, 29, 30, 39, 40 are designed for better stability of the direct voltages E j , E2, which can be provided, for example, by batteries.
  • the semiconductor switches 11, 12, 13, 14, 17, 18, 21, 22, 23, 24, 27, 28, 31, 32, 33, 34, 37, 38 shown are in MOSFET technology with reverse diodes 41 , 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 53, 54, 55, 57, 58, 59, 63, 64, but any other type of controllable switch can be used for this purpose .
  • One possibility for controlling high-performance motors is, for example, IGBT elements with internal reverse diodes.
  • the reverse diodes 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 53, 54, 55, 57, 58, 59, 63, 64 are for use with inductors such as those of the motor windings 2, 3, 4 represent, advantageous, since the shutdown voltages otherwise the semiconductor switches 11, 12, 13, 14, 17, 18, 21, 22, 23, 24, 27, 28, 31, 32, 33, 34 , 37, 38 would destroy.
  • Each of the semiconductor switches 11, 12, 13, 14, 17, 18, 21, 22, 23, 24, 27, 28, 31, 32, 33, 34, 37, 38 is controlled by outputs of staircase pulse generators, as shown in Fig .l described, controlled by an output thereof with a control input of the semiconductor switches 11, 12, 13, 14, 17, 18, 21, 22, 23, 24, 27, 28, 31, 32, 33, 34, 37, 38 is connected and an associated pulse train is sent via this.
  • the control inputs (gates) of the MOSFET elements are not shown.
  • the stair voltages F j , F2, F are thus determined by a periodic sequence of switching states of the semiconductor switches 11, 12, 13, 14, 17, 18, 21, 22, 23, 24, 27, 28, 31, 32, 33, 34, 37, 38, with exactly one potential being switched through to the outputs 51, 52 or 61, 62 or 71, 72 during fixed time periods. After each time period, the next one follows with a new switching state and an associated potential. The process is repeated after the end of a staircase voltage period. As usual, the period T is defined as the time between two zero crossings. The frequency of the resulting staircase voltage is varied by changing the period T, which is composed of the sum of the individual time periods.
  • the period T of the staircase tension increases in the amount of the sum of the amounts.
  • the control of the individual time spans takes place in the same way for each of the phase voltages F j , F2, F3, but since these should have a predetermined phase difference, the timing of the switching states by phase control unit 117 is adjusted by a phase angle Time period tf is delayed.
  • the driver 5 thus executes a specific switching state, which is carried out later in the driver 6 by the time tf and in the driver 7 by the time 2-tf.
  • the result of this are three stair voltages F j , F2, F3 as in FIG. 3, which are phase-shifted from one another by a constant amount.
  • step voltages F j , F2, F3 shows the three phase voltages present as step voltages F j , F2, F3.
  • the shape of the staircase function is determined by the choice of the direct voltages E j , E2 and the duration of the individual time periods t Q , t j , tg, the sum of which
  • Period T forms is given and consists of a positive and a negative half wave.
  • the stair voltages F j , F2, F3 shown here are made possible in this example by scanning the series connection of two DC voltage sources with the same voltage E j , E2.
  • E the same voltage
  • the shape of the step voltages F j , F2, F3 is largely approximated to a sinusoidal oscillation, but can be designed in the desired form by the choice of the time intervals and the individual voltages.
  • FIG. 3 the shape of the step voltages F j , F2, F3 is largely approximated to a sinusoidal oscillation, but can be designed in the desired form by the choice of the time intervals and the individual voltages.
  • the three staircase voltages F j , F2, F3 are phase-shifted by the time delay tf, which corresponds to a phase angle of 120 °.
  • the individual switching processes of the semiconductor switches 11, 12, 13, 14, 17, 18, which lead to the formation of the staircase voltage F j are given by way of example in the table below, the reference symbols from FIGS. 2 and 3 be valid. 11 12 13 14 17 18
  • the voltage E j prevails at the terminals 51, 52, caused by opening the semiconductor switches 11, 12, 13, 18 and closing the semiconductor switches 14, 17.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

Abstract

A process is disclosed for controlling the speed of rotation of a single-phase or polyphase induction motor with N(N=1,2,3,...) phase windings by changing the frequency of N phase voltages that drive the phase windings and that are phase-shifted each by 2π/N. The phase voltages are formed by switching the tappable potentials of n(n=2,3,4,...) direct voltage sources connected in series with n different voltages Ej(j=1,2,...,n) through to output terminals in series of predeterminable intervals that is constantly repeated with a period duration T and in a predetermined sequence. Each switched through potential is associated to one of the time intervals. The frequency f1=1/t of the phase voltages is changed by increasing or reducing the duration of one or several predeterminable time intervals.

Description

Verfahren zur Drehzahlsteuerung für einen Ein- oder Mehrphasen-Induktionsmotor Speed control method for a single or multi-phase induction motor
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Drehzahlsteuerung und eine Schal¬ tungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens für einen Ein- oder Mehrphasen-Induk¬ tionsmotor mit N (N= 1,2,3,..) Phasenwicklungen durch Änderung der Frequenz der diesen betreibenden N um jeweils 2π/N phasenverschobenen Phasenspannungen.The invention relates to a method for speed control and a circuit arrangement for carrying out the method for a single-phase or multi-phase induction motor with N (N = 1,2,3, ..) phase windings by changing the frequency of the N operating them each 2π / N phase-shifted phase voltages.
Der Drehzahlsteuerung von Motoren kommt bei vielen industriellen Anwen¬ dungen eine steigende Bedeutung zu, da für moderne Anlagen sehr große Anforderungen an die Veränderbarkeit und Einstellbarkeit von sowohl manuell alsauch automatisch zu über¬ wachenden Produktionsabläufen zu erfüllen sind und die meisten dieser Abläufe durch Moto¬ ren angetrieben werden. Durch die änderbare Drehzahl lassen sich Wirkungsgrad und Ver¬ läßlichkeit der Motoren für jede Aufgabe auf optimale Werte steigern. Bei nichtgeregelten Wechselstrommotoren ist die Drehzahl sehr stark vom Drehmoment, Versorgungsspannung und der Temperatur abhängig. Diesen Einflüssen kann durch Steuerung der Drehzahl in einer Regelschleife oder durch manuelles Steuern der Drehzahl entgegengewirkt wird. In vielen Fällen wird auch ein programmierbarer Ablauf von zu gewissen Zeiten automatisch durch¬ zuführenden Drehzahländerungen von den Anwendern erwünscht.The speed control of motors is of increasing importance in many industrial applications, since for modern systems very great demands must be made on the changeability and adjustability of production processes which are to be monitored both manually and automatically, and most of these processes are carried out by motors are driven. The variable speed enables the efficiency and reliability of the motors to be increased to optimum values for every task. In the case of non-regulated AC motors, the speed is very dependent on the torque, supply voltage and temperature. These influences can be counteracted by controlling the speed in a control loop or by manually controlling the speed. In many cases, a programmable sequence of speed changes to be carried out automatically at certain times is also desired by the users.
Bei bekannten Verfahren der eingangs genannten Art geschieht die Änderimg der Frequenz der Phasenspannungen etwa durch die Verwendung von mechanischen Hilfs¬ mitteln wie Motorgeneratoren oder asynchronen Frequenzwandlern mit deren Hilfe in ihrer Frequenz veränderbare Spannungen generiert werden können. Dies bedarf eines beträcht¬ lichen Aufwands hinsichtlich der Konstruktion und des Platzbedarfes und der Inkaufnahme eines zusätzlichen mechanischen, reparaturanfalligen Elements. Noch dazu liegen die ein¬ stellbaren Drehzahlen in einem sehr engen Bereich.In known methods of the type mentioned at the outset, the change in the frequency of the phase voltages takes place, for example, through the use of mechanical aids such as motor generators or asynchronous frequency converters, with the aid of which voltages which can be varied in frequency can be generated. This requires considerable effort with regard to the construction and the space requirement and the acceptance of an additional mechanical element that is in need of repair. In addition, the adjustable speeds are in a very narrow range.
Aufgabe der Erfindimg ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art an¬ zugeben, welches zu seiner Durchführung keinerlei bewegliche, mechanische Teile einsetzt und einen hohen einstellbaren Drehzahlbereich überstreicht.The object of the invention is to specify a method of the type mentioned at the outset which does not use any moving mechanical parts for carrying it out and which sweeps over a high adjustable speed range.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Phasenspannungen durch Durchschalten der abgreifbaren Potentiale von n (n = 2,3,4,...) in Serie geschalteter Gleich¬ spannungsquellen mit n verschiedenen Spannungen E: j = l,2,...,n) zu Ausgangsklemmen in einer sich ständig mit einer Periodendauer T wiederholenden Folge von vorbestimmbaren Zeitspannen und in einer vorgegebenen Reihenfolge gebildet werden, wobei jedem durchge¬ schalteten Potential eine der Zeitspannen zugeordnet ist, und daß die Frequenz f- l/T der Phasenspannungen durch Vergrößern oder Verkleinern der Dauer einer oder mehrerer der vorbestimmbaren Zeitspannen geändert wird. Eine derartige Änderung der Frequenz der Pha- senspannungen ist durch ihren großen Variationsbereich, der an keine mechanische Mittel ge¬ bunden ist und auch durch die Unabhängigkeit von Wechselspannungsquellen vorteilhaft.According to the invention this is achieved in that the phase voltages by switching through the tappable potentials of n (n = 2,3,4, ...) DC voltage sources connected in series with n different voltages E: j = 1, 2, ... , n) are formed to output terminals in a sequence of predeterminable periods of time and in a predetermined sequence, which is repeated continuously with a period T, each of the switched potentials being assigned one of the periods, and that the frequency f-I / T of the phase voltages is determined by Increasing or reducing the duration of one or more of the predeterminable periods of time is changed. Such a change in the frequency of the pha- Sens voltages is advantageous due to its large variation range, which is not tied to any mechanical means, and also due to the independence from AC voltage sources.
In weiterer Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die gegen¬ seitigen Phasenunterschiede der Phasenspannungen durch die zeitliche Verschiebung der ent¬ sprechenden, vorbestimmbaren Zeitabstände gebildet werden. Diese Maßnahme läßt sich be¬ sonders bei Verwendung von Mikroprozessoren zur Steuerung der Phase in einfacher Weise realisieren.In a further embodiment of the invention it can be provided that the mutual phase differences of the phase voltages are formed by the time shift of the corresponding, predeterminable time intervals. This measure can be implemented in a simple manner, particularly when using microprocessors to control the phase.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann vorgesehen sein, daß bei einer Anzahl z von vorbestimmbaren Zeitspannen einer Periodendauer T die Frequenz f j der Phasenspannungen um den Betrag Df j=l/DT durch Vergrößern oder Verkleinern jeder ein¬ zelner der z Zeitspannen um l/(Df]-z) geändert wird. Dadurch wird die Form der Phasen¬ spannungen in ihren Anteilen proportional verändert und somit eine ausgeglichene Dreh¬ zahländerung mit ruhigem Lauf des Motors sichergestellt.According to a further feature of the invention, it can be provided that for a number z of predeterminable periods of a period T, the frequency f j of the phase voltages by the amount Df j = l / DT by increasing or decreasing each of the z periods by l / (Df ] -z) is changed. As a result, the shape of the phase voltages is proportionally changed in their proportions, thus ensuring a balanced change in speed with the motor running smoothly.
Die Erfindung löst die oben angegebene Aufgabe auch mittels einer Schal¬ tungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß zur Erzeugung jeder einzelner der N Phasenspannungen der Ausgang einer Steuereinheit mit dem Eingang eines steuerbaren Funktionsgenerators verbunden ist, wobei am Ausgang des Funktionsgenerators eine Taktfrequenz fQ in Abhängigkeit von den in die Steuereinheit ein¬ gegebenen Drehzahl- Werten abgreifbar ist, der Ausgang des Funktionsgenerators mit dem Frequenzsteuereingang eines Treppenpulsgenerators verbunden ist, sodaß in Abhängigkeit von der Frequenz fQ in diesem Pulszüge zur Steuerung von Schaltvorgängen in Halbleiter- Schaltern an seinen Ausgängen entstehen, eine Phasensteuereinheit mit einem Phasen- steuereingang des Treppenpulsgenerators verbunden ist, über die jeder Phase zugeordnete Gruppen von Pulszügen entsprechend der Phasenverschiebung zeitlich verzögert sind, die Ausgänge des Treppenpulsgenerators mit den Eingängen der Treiberschaltung und deren Ausgang mit den Wicklungen des Motors verbunden sind bzw. ist. Über eine derartige Takt¬ frequenz kann sehr genau und ohne großem Aufwand ein sehr großer Frequenz- bzw. Dreh¬ zahlbereich realisiert werden.The invention also achieves the above-mentioned object by means of a circuit arrangement for carrying out the method, which is characterized in that, in order to generate each of the N phase voltages, the output of a control unit is connected to the input of a controllable function generator, one at the output of the function generator Clock frequency f Q can be tapped depending on the speed values entered in the control unit, the output of the function generator is connected to the frequency control input of a staircase pulse generator, so that depending on the frequency f Q in this pulse train for controlling switching processes in semiconductor switches at its outputs, a phase control unit is connected to a phase control input of the staircase pulse generator, via which groups of pulse trains assigned to each phase are delayed in time in accordance with the phase shift, the outputs of the staircase pulse generator m it the inputs of the driver circuit and its output are connected to the windings of the motor. Such a clock frequency allows a very large frequency or speed range to be implemented very precisely and without great effort.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, daß in der Treiber-Schaltung der negative Pol einer ersten Gleichspannungsquelle mit der Spannung Ej mit einem ersten Anschluß eines ersten Glättkondensators, einem ersten Anschluß eines ersten steuerbaren Halbleiter-Schalters mit Reverse-Diode und einem ersten Anschluß eines zweiten steuerbaren Halbleiter-Schalters mit Reverse-Diode verbunden ist; der positive Pol der ersten Gleichspannungsquelle an einem gemeinsamen Knotenpunkt mit dem negativen Pol einer zweiten Gleichspannungsquelle mit der Spannung E2, über eine Par¬ allelschaltung zweier Halbleiterschalter mit Reverse-Dioden und mit jeweils antiparallel zu- einander vorgeschalteter Diode mit dem zweiten Anschluß des ersten Halbleiterschalters, ei¬ nem ersten Anschluß eines dritten steuerbaren Halbleiter-Schalters mit Reverse-Diode und einer ersten Ausgangsklemme verbunden ist; der positive Pol der zweiten Gleichspannungs¬ quelle mit dem zweiten Anschluß des zweiten Glättkondensators, dem zweiten Anschluß des dritten Halbleiter-Schalters und dem ersten Anschluß eines vierten steuerbaren Halbleiter- Schalters mit Reverse-Diode verbunden ist; der zweite Anschluß des zweiten Halbleiter- Schalters mit dem zweiten Anschluß des vierten Halbleiter-Schalters und einer zweiten Aus¬ gangsklemme verbunden ist; die Steuereingänge der steuerbaren Halbleiter-Schalter mit den Ausgängen des Treppenpulsgenerators verbunden sind. Dadurch kann eine besonders vorteil¬ hafte Art der Erzeugung der Phasenspannungen, die in ihrer Frequenz schaltungstechnisch einfach zu steuern sind, geschaffen werden.According to a further embodiment of the invention it can be provided that in the driver circuit the negative pole of a first DC voltage source with the voltage E j with a first connection of a first smoothing capacitor, a first connection of a first controllable semiconductor switch with reverse diode and a first terminal of a second controllable semiconductor switch is connected to a reverse diode; the positive pole of the first DC voltage source at a common node with the negative pole of a second DC voltage source with the voltage E2, via a parallel connection of two semiconductor switches with reverse diodes and each with an anti-parallel connection. a diode connected in series with one another is connected to the second connection of the first semiconductor switch, a first connection of a third controllable semiconductor switch with reverse diode and a first output terminal; the positive pole of the second direct voltage source is connected to the second connection of the second smoothing capacitor, the second connection of the third semiconductor switch and the first connection of a fourth controllable semiconductor switch with reverse diode; the second connection of the second semiconductor switch is connected to the second connection of the fourth semiconductor switch and a second output terminal; the control inputs of the controllable semiconductor switches are connected to the outputs of the staircase pulse generator. This enables a particularly advantageous way of generating the phase voltages, the frequency of which can be easily controlled in terms of circuitry.
In weiterer Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die steuer¬ baren Halbleiter-Schalter durch Feldeffekttransistoren, vorzugsweise MOSFET, gebildet sind. Derartige Schaltelemente weisen neben geringem Leistungsbedarf zur Steuerung auch gute Hochfrequenzeigenschaften auf und sind daher auch für die Erzeugung hochfrequenter Wech¬ selspannungen und somit hoher einstellbarer Drehzahlbereiche geeignet. Ein weiterer Vorteil sind die in Feldeffekttransistoren aus technologischen Gründen bereits integrierten Reverse- Dioden, die zwischen Drain und Source liegen und verhindern, daß Abschaltspannungen von Induktivitäten die Halbleiter-Schalter zerstören.In a further embodiment of the invention it can be provided that the controllable semiconductor switches are formed by field effect transistors, preferably MOSFET. In addition to a low power requirement for control, such switching elements also have good high-frequency properties and are therefore also suitable for generating high-frequency AC voltages and thus high adjustable speed ranges. A further advantage are the reverse diodes which are already integrated in field effect transistors for technological reasons and which are located between the drain and source and prevent cutoff voltages from inductances from destroying the semiconductor switches.
Schließlich besteht eine weitere Ausführungsform der Erfindung darin, daß die steuerbaren Halbleiter-Schalter durch IGBT gebildet sind. Derartige Elemente bieten vor al¬ lem bei Motoren mit hohen Anschlußleistungen die ausreichende Strom- und Spannungs¬ festigkeit zu deren Drehzahlsteuerung.Finally, a further embodiment of the invention is that the controllable semiconductor switches are formed by IGBT. Such elements offer, in particular in motors with high connected loads, sufficient current and voltage strength for their speed control.
Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand der angeschlossenen Fi¬ guren näher beschrieben.The invention is described in more detail below by way of example with reference to the connected figures.
Es zeigen die Fig.l ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Durch¬ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens für einen Dreiphasen-Induktionsmotor; die Fig.2 eine mögliche Ausführungsform einer Treiber-Schaltungsanordnung für einen Dreiphasen- Induktionsmotor; die Fig.3 Diagramme von treppenförmigen Phasenspannungen in Ab¬ hängigkeit von der Zeit.1 shows a block diagram of a circuit arrangement for carrying out the method according to the invention for a three-phase induction motor; 2 shows a possible embodiment of a driver circuit arrangement for a three-phase induction motor; 3 shows diagrams of step-shaped phase voltages as a function of time.
In Fig.1 ist eine Anordnung für ein Ausführungsbeispiel mit Anzahl der Pha¬ sen N=3 einer erfindungsgemäßen Drehzahlsteuerung schematisch dargestellt. Eine Steuereinheit 118 übernimmt die einzustellende Drehzahl eines Motors mit Phasenwick¬ lungen 102, 103, 104 als Eingabewerte, welche über eine nicht gezeigte Eingabeeinheit ma¬ nuell eingegeben oder bei Anwendung in Regelschleifen in Form einer Stellgröße an diese übermittelt werden. Der Ausgang der Steuereinheit 118 ist mit einem Frequenzgenerator 110 mit spannungsabhängigem Eingang verbunden, sodaß verschiedenen Spannungswerten am Eingang des Frequenzgenerators 110 verschiedene Frequenzen an seinem Ausgang ent¬ sprechen. Im einfachsten Fall kann somit die Steuereinheit 118 aus einem durch ein Poten¬ tiometer veränderbaren Spannungsteiler bestehen, der mit dem Eingang des Frequenzgene¬ rators 110, etwa eines Rechteckgenerators, verbunden ist, wodurch dessen Ausgangsfrequenz je nach Stellung des Potentiometers variiert. Die Steuereinheit 118 kann jedoch auch sehr komplex mit digitaler Eingabe und vorprogrammierbaren Abläufen aufgebaut sein oder Be¬ standteil eines Regelkreises sein, in dem etwa über Drehzahlsensoren die Ist-Drehzahl des Motors festgestellt und über eine Regelschleife mit Signalverstärkern, Digital-Analog- Wandlern und Recheneinheit unter Berücksichtigung der Soll-Drehzahl eine entsprechende Spannung an den Eingang des Frequenzgenerators 110 abgegeben wird, welche eine dieser Spannung proportionale Frequenz fQ an seinem Ausgang abgibt. Die Frequenz fQ dient in weiterer Folge als Taktgeber für Phasenspannungen FI,F2>—FN> wobei im gezeigten Beispiel N=3 ist, da der Motor ein Dreiphasen-Induktionsmotor mit Polpaarzahl p=l ist. Jede der drei Phasenwicklungen 102, 103, 104 des Motors wird mit den Phasenspannungen Fj^^ ge¬ speist, welche als treppenförmige, periodische Spannungen in den Treibern 114, 115, 116, die wiederum von Treppenpulsgeneratoren 111, 112, 113 gesteuert sind, erzeugt werden. Dabei wird die an den Frequenzsteuereingang der Treppenpulsgeneratoren 111, 112, 113 gelan¬ gende Frequenz fQ zur Erzeugung von N Gruppen von Pulszügen benutzt, welche ihrerseits in den betreffenden mit Leistungshalbleitern ausgestatteten Treibern 114, 115, 116 eine Abfolge von Schaltzuständen hervorrufen, die verschiedene Gleichspannungspotentiale an deren Aus¬ gänge schalten und dabei die periodischen Treppenspannungen Fj ,¥2 .F3 generieren. Jede Gruppe von Pulszügen umfaßt eine gleich große Anzahl von Pulszügen als es steuerbare Halbleiter-Schalter in den Treibern 114, 115, 116 gibt.Die Phasenspannungen Fj ,F2 .F3 sind in ihrer Form und Periode identisch, aber entsprechend der räumlichen Anordnung der Wicklungen 102, 103, 104 im Motor gegenseitig um einen konstanten Winkel phasenver¬ schoben. Diese Phasenverschiebung wird durch eine Phasensteuereinheit 117, die mit ihrem Ausgang mit je einem der Phasensteuereingänge der Treppenpulsgeneratoren 111, 112, 113 verbunden ist, konstant gehalten. Dabei werden die drei Gruppen von Pulszügen an den Aus¬ gängen der Treppenpulsgeneratoren 114, 115,116 zeitlich gegenseitig verzögert, sodaß sich Treppenspannungen F j ,F2 .F3 mit einer Frequenz fj mit einer Phasendifferenz von jeweils 2π/N, für dieses Beispiel mit N=3 also 120°, ergeben. Die Anzahl der Phasenspannungen ist dem zu steuernden Motor angepaßt, sodaß bezüglich der Anzahl der Phasen oder Anzahl der Wicklungen keine Einschränkung der Erfindung besteht. Aus Gründen der höheren Genauig¬ keit kann die Taktfrequenz fQ sehr groß im Verhältnis zur Frequenz der Phasenspannungen f ^ gewählt sein, sodaß z.B. fQ = 100 kHz und fj=50 Hz. Die von den Treppenpulsgeneratoren 111, 112, 113 ausgehenden Pulszüge werden also in den Treibern 114, 115, 116 zu Treppen¬ spannungen Fj ,F2 ^ weiterverarbeitet, die den Motor in weiterer Folge mit der Frequenz fj betreiben. Zur Steuerung oder Regelung der Drehzahl des Motors können über die Steuereinheit 118 die Frequenzen fQ bzw. fj entsprechend verändert werden, sodaß die den Motor steuernden Phasenspannungen Fj ,F2 ^3 durch deren Frequenzänderung eine Ände¬ rung der Drehzahl des Motors hervorrufen. Eine über die Steuereinheit 118 bewirkte ma¬ nuelle Einstellung der Drehzahl verändert die Frequenz der Treppenspanungen im eingegeben Ausmaß, während bei Einbeziehung der Steuereinheit 118 in eine Regelstrecke eine Ist-Dreh¬ zahl mit einer Soll-Drehzahl verglichen wird und bis auf einen Nullabgleich der beiden Grö¬ ßen mit einer Regelvorrichtung geregelt wird, sodaß Drehzahlschwankungen bedingt durch verschiedene Einflußgrößen, wie Drehmoment, Temperatur etc., automatisch ausgeglichen werden.An arrangement for an exemplary embodiment with the number of phases N = 3 of a speed control according to the invention is shown schematically in FIG. A control unit 118 adopts the speed to be set of a motor with phase windings 102, 103, 104 as input values, which are entered manually via an input unit (not shown) or, when used in control loops, in the form of a manipulated variable be transmitted. The output of the control unit 118 is connected to a frequency generator 110 with a voltage-dependent input, so that different voltage values at the input of the frequency generator 110 correspond to different frequencies at its output. In the simplest case, the control unit 118 can thus consist of a voltage divider that can be changed by a potentiometer and is connected to the input of the frequency generator 110, for example a rectangular generator, whereby its output frequency varies depending on the position of the potentiometer. The control unit 118 can, however, also be constructed in a very complex manner with digital input and preprogrammable processes or can be part of a control loop in which the actual speed of the motor is determined, for example via speed sensors, and via a control loop with signal amplifiers, digital-analog converters and arithmetic unit taking into account the target rotational speed, a corresponding voltage is emitted to the input of the frequency generator 110, which emits a frequency f Q proportional to this voltage at its output. The frequency f Q subsequently serves as a clock generator for phase voltages FI, F2 > —FN >, where N = 3 in the example shown, since the motor is a three-phase induction motor with a number of pole pairs p = 1. Each of the three phase windings 102, 103, 104 of the motor is fed with the phase voltages F j ^^ ge, which as step-like, periodic voltages in the drivers 114, 115, 116, which in turn are controlled by stair pulse generators 111, 112, 113, be generated. In this case, the frequency f Q reaching the frequency control input of the staircase pulse generators 111, 112, 113 is used to generate N groups of pulse trains, which in turn cause a sequence of switching states in the drivers 114, 115, 116 equipped with power semiconductors, which result in different states Switch DC voltage potentials at their outputs and thereby the periodic staircase voltages F j , ¥ 2 . Generate F3. Each group of pulse trains comprises an equal number of pulse trains as there are controllable semiconductor switches in the drivers 114, 115, 116. The phase voltages F j , F2 . F3 are identical in shape and period, but are mutually phase-shifted by a constant angle in accordance with the spatial arrangement of the windings 102, 103, 104 in the motor. This phase shift is kept constant by a phase control unit 117, whose output is connected to one of the phase control inputs of the staircase pulse generators 111, 112, 113. The three groups of pulse trains at the outputs of the staircase pulse generators 114, 115, 116 are mutually delayed, so that stair voltages F j , F2 . F3 with a frequency f j with a phase difference of 2π / N, for this example with N = 3, ie 120 °. The number of phase voltages is adapted to the motor to be controlled, so that there is no restriction of the invention with regard to the number of phases or number of windings. For reasons of higher accuracy, the clock frequency f Q can be chosen to be very large in relation to the frequency of the phase voltages f ^, so that f Q = 100 kHz and f j = 50 Hz, for example. The pulse trains emanating from the staircase pulse generators 111, 112, 113 are therefore further processed in the drivers 114, 115, 116 into stair voltages F j , F2 ^ which subsequently operate the motor at the frequency f j . To control or regulate the speed of the motor can be via the Control unit 118, the frequencies f Q and f j are changed accordingly, so that the phase voltages F j , F2 ^ 3 controlling the motor cause a change in the speed of the motor due to their frequency change. A manual setting of the speed effected via the control unit 118 changes the frequency of the stair tensions to the extent entered, while when the control unit 118 is included in a controlled system, an actual speed is compared with a target speed and except for a zero adjustment of the two Sizes are controlled with a control device so that speed fluctuations due to various influencing variables, such as torque, temperature etc., are automatically compensated for.
In Fig. 2 sind drei identische Treiberschaltungen 5, 6, 7 für die Phasenspan¬ nungen Fj, F2, F3, die Wicklungen 2, 3, 4 eines Dreiphasen-Induktionsmotors 1 betreiben, dargestellt. Zwei in Serie geschaltete Gleichspannungsquellen 8, 9 mit den Spannungen Ej bzw. E2 haben eine gemeinsame negative Polklemme -, eine gemeinsame mittlere Klemme C und eine gemeinsame positive Polklemme +, an denen die folgenden 5 Potentiale von den drei Treibereinheiten 5, 6, 7 abgegriffen werden können. Diese sind:2 shows three identical driver circuits 5, 6, 7 for the phase voltages F j , F2, F3, which operate the windings 2, 3, 4 of a three-phase induction motor 1. Two series-connected DC voltage sources 8, 9 with the voltages E j and E2 have a common negative pole terminal -, a common middle terminal C and a common positive pole terminal +, at which the following 5 potentials from the three driver units 5, 6, 7 can be tapped. These are:
0, Ej, (E! + E2), -E2, -(E1 + E2).0, E j , (E! + E 2 ), -E 2 , - (E 1 + E 2 ).
Eine Abtastung dieser Art erfolgt für jede der Treibereinheiten 5, 6, 7, indem über steuerbare Halbleiter-Schaltelemente 11, 12, 13, 14, 17, 18 bzw. 21, 22, 23, 24, 27, 28 bzw. 31, 32, 33, 34, 37, 38 diese Potentiale in vorbestimmbarer Reihenfolge nacheinander zu den Ausgangsklemmen 51, 52 bzw. 61, 62 bzw. 71, 72 durchgeschaltet werden. Für bessere Stabilität der Gleichspannungen Ej, E2, die z.B. durch Batterien bereitgestellt werden kön¬ nen, sind die Glättkondensatoren 19, 20, 29, 30, 39, 40 ausgeführt. Die dargestellten Halbleiter-Schalter 11, 12, 13, 14, 17, 18, 21, 22, 23, 24, 27, 28, 31, 32, 33, 34, 37, 38 sind in MOSFET-Technologie mit Reverse-Dioden 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 53, 54, 55, 57, 58, 59, 63, 64 aufgebaut, es können jedoch jede andere Art von steuerbaren Schaltern für die¬ sen Zweck verwendet werden. Eine Möglichkeit für die Steuerung von Motoren hoher Lei¬ stung sind etwa IGBT-Elemente mit internen Reverse-Dioden. Die Reverse-Dioden 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 53, 54, 55, 57, 58, 59, 63, 64 sind für die Anwendung mit In¬ duktivitäten, wie sie die Motorwicklungen 2, 3, 4 darstellen, vorteilhaft, da die Abschaltspan¬ nungen sonst die Halbleiter-Schalter 11, 12, 13, 14, 17, 18, 21, 22, 23, 24, 27, 28, 31, 32, 33, 34, 37, 38 zerstören würden. Jeder einzelne der Halbleiter-Schalter 11, 12, 13, 14, 17, 18, 21, 22, 23, 24, 27, 28, 31, 32, 33, 34, 37, 38 wird von Ausgängen von Treppenpulsgeneratoren, wie in Fig.l beschrieben, gesteuert, indem jeweils ein Ausgang derselben mit einem Steuereingang der Halbleiter- Schalter 11, 12, 13, 14, 17, 18, 21, 22, 23, 24, 27, 28, 31, 32, 33, 34, 37, 38 verbunden ist und über diesen ein zugehöriger Pulszug gesendet wird. In die- sem Beispiel sind die Steuereingänge (Gates) der MOSFET-Elemente nicht dargestellt. Die Treppenspannungen Fj, F2, F werden somit durch eine periodische Abfolge von Schaltzu¬ ständen der Halbleiter-Schalter 11, 12, 13, 14, 17, 18, 21, 22, 23, 24, 27, 28, 31, 32, 33, 34, 37, 38 erzeugt, wobei während festgelegter Zeitspannen genau ein Potential zu den Ausgän¬ gen 51, 52 bzw. 61, 62 bzw. 71, 72 durchgeschaltet wird. Nach jeder Zeitspanne folgt die nächste mit einem neuen Schaltzustand und einem dazugehörigen Potential. Nach dem Ende einer Treppenspannungs-Periode wird der Ablauf wiederholt. Als Periodendauer T ist dabei wie üblich die Zeit zwischen zwei Nulldurchgängen definiert. Die Frequenz der dabei entste¬ henden Treppenspannung wird durch Verändern der Periodendauer T, die sich aus der Summe der Einzelzeitspannen zusammensetzt, variiert. Wird jede der Zeitspannen etwa um einen gewissen Betrag länger gemacht, so vergrößert sich die Periode T der Treppenspannung im Ausmaß der Summe der Beträge. Die Steuerung der einzelnen Zeitspannen erfolgt in glei¬ cher Weise für jede der Phasenspannungen Fj, F2, F3, da diese aber eine vorgegebene Pha¬ sendifferenz aufweisen sollen, wird der zeitliche Ablauf der Schaltzustände von der Phasen¬ steuereinheit 117 um eine dem Phasenwinkel entsprechende Zeitspanne tf verzögert ausge¬ führt. So vollführt der Treiber 5 einen bestimmten Schaltzustand, der im Treiber 6 um die Zeit tf und im Treiber 7 um die Zeit 2-tf später ausgeführt wird. Die Folge davon sind drei Treppenspannungen Fj, F2, F3 wie in Fig.3, die um einen konstanten Betrag gegeneinander phasenverschoben sind.This type of scanning is carried out for each of the driver units 5, 6, 7 by controllable semiconductor switching elements 11, 12, 13, 14, 17, 18 and 21, 22, 23, 24, 27, 28 and 31, 32, respectively , 33, 34, 37, 38 these potentials are switched through in succession to the output terminals 51, 52 or 61, 62 or 71, 72 in a predetermined order. The smoothing capacitors 19, 20, 29, 30, 39, 40 are designed for better stability of the direct voltages E j , E2, which can be provided, for example, by batteries. The semiconductor switches 11, 12, 13, 14, 17, 18, 21, 22, 23, 24, 27, 28, 31, 32, 33, 34, 37, 38 shown are in MOSFET technology with reverse diodes 41 , 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 53, 54, 55, 57, 58, 59, 63, 64, but any other type of controllable switch can be used for this purpose . One possibility for controlling high-performance motors is, for example, IGBT elements with internal reverse diodes. The reverse diodes 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 53, 54, 55, 57, 58, 59, 63, 64 are for use with inductors such as those of the motor windings 2, 3, 4 represent, advantageous, since the shutdown voltages otherwise the semiconductor switches 11, 12, 13, 14, 17, 18, 21, 22, 23, 24, 27, 28, 31, 32, 33, 34 , 37, 38 would destroy. Each of the semiconductor switches 11, 12, 13, 14, 17, 18, 21, 22, 23, 24, 27, 28, 31, 32, 33, 34, 37, 38 is controlled by outputs of staircase pulse generators, as shown in Fig .l described, controlled by an output thereof with a control input of the semiconductor switches 11, 12, 13, 14, 17, 18, 21, 22, 23, 24, 27, 28, 31, 32, 33, 34, 37, 38 is connected and an associated pulse train is sent via this. In the- Sem example, the control inputs (gates) of the MOSFET elements are not shown. The stair voltages F j , F2, F are thus determined by a periodic sequence of switching states of the semiconductor switches 11, 12, 13, 14, 17, 18, 21, 22, 23, 24, 27, 28, 31, 32, 33, 34, 37, 38, with exactly one potential being switched through to the outputs 51, 52 or 61, 62 or 71, 72 during fixed time periods. After each time period, the next one follows with a new switching state and an associated potential. The process is repeated after the end of a staircase voltage period. As usual, the period T is defined as the time between two zero crossings. The frequency of the resulting staircase voltage is varied by changing the period T, which is composed of the sum of the individual time periods. If each of the time spans is made longer by a certain amount, the period T of the staircase tension increases in the amount of the sum of the amounts. The control of the individual time spans takes place in the same way for each of the phase voltages F j , F2, F3, but since these should have a predetermined phase difference, the timing of the switching states by phase control unit 117 is adjusted by a phase angle Time period tf is delayed. The driver 5 thus executes a specific switching state, which is carried out later in the driver 6 by the time tf and in the driver 7 by the time 2-tf. The result of this are three stair voltages F j , F2, F3 as in FIG. 3, which are phase-shifted from one another by a constant amount.
In Fig. 3 sind die drei als Treppenspannungen Fj, F2, F3 vorliegenden Pha¬ senspannungen gezeigt. Die Form der Treppenfunktion ist durch die Wahl der Gleich¬ spannungen Ej, E2 und die Dauer der einzelnen Zeitspannen tQ,tj, tg, deren Summe die3 shows the three phase voltages present as step voltages F j , F2, F3. The shape of the staircase function is determined by the choice of the direct voltages E j , E2 and the duration of the individual time periods t Q , t j , tg, the sum of which
Periodendauer T bildet, gegeben und besteht aus einer positiven und einer negativen Halb¬ welle. Die hier gezeigten Treppenspannungen Fj, F2, F3 werden in diesem Beispiel durch die Abtastung der Serienschaltung zweier Gleichspannungsquellen mit gleich großer Spannung Ej, E2 ermöglicht. Allgemein sind beliebig viele, n solche in Serie geschaltete Gleichspan¬ nungsquellen mit unterschiedlichen Spannungen E: (j=l,..,n) realisierbar, mit der eine ent¬ sprechend feiner unterteilte Treppe erreicht werden kann. Die Form der Treppenspannungen Fj, F2, F3 ist, wie in Fig. 3 zu erkennen ist, weitestgehend einer sinusförmigen Schwingung angenähert, kann aber durch die Wahl der Zeitabstände und der Einzelspannungen in ge¬ wünschter Form gestaltet werden. Wie weiters aus Fig. 3 zu ersehen ist, sind die drei Trep¬ penspannungen Fj, F2, F3 um die Zeitverzögerung tf, welche einem Phasenwinkel von 120° entspricht, phasenverschoben. Die einzelnen Schaltvorgänge der Halbleiter-Schalter 11, 12, 13, 14, 17, 18, die zur Bildung der Treppenspannung Fj f hren, sind beispielhaft in der nach¬ stehenden Tabelle angeführt, wobei die Bezugszeichen aus Fig. 2 und Fig. 3 gelten. 11 12 13 14 17 18Period T forms, is given and consists of a positive and a negative half wave. The stair voltages F j , F2, F3 shown here are made possible in this example by scanning the series connection of two DC voltage sources with the same voltage E j , E2. In general, any number of such n series-connected DC voltage sources with different voltages E: (j = 1,..., N) can be realized, with which a correspondingly more finely divided staircase can be achieved. As can be seen in FIG. 3, the shape of the step voltages F j , F2, F3 is largely approximated to a sinusoidal oscillation, but can be designed in the desired form by the choice of the time intervals and the individual voltages. As can also be seen from FIG. 3, the three staircase voltages F j , F2, F3 are phase-shifted by the time delay tf, which corresponds to a phase angle of 120 °. The individual switching processes of the semiconductor switches 11, 12, 13, 14, 17, 18, which lead to the formation of the staircase voltage F j , are given by way of example in the table below, the reference symbols from FIGS. 2 and 3 be valid. 11 12 13 14 17 18
x0 0 0 0 0 0 x 0 0 0 0 0 0
0 0 0 1 0
Figure imgf000009_0001
0 0 0 1 0
Figure imgf000009_0001
0 0 0 1 00 0 0 1 0
0 O-→l 0 ►0 0 00 O- → l 0 ►0 0 0
0 1 0 0 0 1
Figure imgf000009_0002
0 1 0 0 0 1
Figure imgf000009_0002
-E- *7 0 1 0 0 0 1 l8 0 1 0 0 0 0-E- * 7 0 1 0 0 0 1 l 8 0 1 0 0 0 0
Schalterstellung: 1 = offen 0 = geschlossenSwitch position: 1 = open 0 = closed
In der Zeitspanne t3 etwa herrscht die Spannung Ej an den Klemmen 51, 52 vor, hervorgerufen durch Öffnen von Halbleiter-Schalter 11, 12, 13, 18 und Schließen von Halbleiter-Schalter 14, 17. Danach in der Zeitspanne 14 werden zuerst alle Halbleiter-Schal¬ ter geöffnet, wobei die Spannung Fj = 0 vorliegt, und noch innerhalb von \^ unter Beibehal¬ tung der Spannung Fj = 0 die Schalter 12, 14 geschlossen, während die restlichen Schalter offen bleiben, um die Schalterstellungen für die negative Halbwelle der Treppenspannung Fj vorzubereiten. In the period t3, for example, the voltage E j prevails at the terminals 51, 52, caused by opening the semiconductor switches 11, 12, 13, 18 and closing the semiconductor switches 14, 17. After that in the period 14 all are first Semiconductor switch opened, the voltage F j = 0 being present, and the switches 12, 14 still being closed while maintaining the voltage F j = 0, while the remaining switches remain open to change the switch positions for to prepare the negative half-wave of the stair voltage F j .

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E PATENT CLAIMS
1. Verfahren zur Drehzahlsteuerung für einen Ein- oder Mehrphasen- Induktionsmotor mit N (N= 1,2,3,..) Phasenwicklungen durch Änderung der Frequenz der diesen betreibenden, N um jeweils 2π/N phasenverschobenen Phasenspannungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenspannungen durch Durchschalten der abgreifbaren Potentiale von n (n = 2,3,4,...) in Serie geschalteter Gleichspannungsquellen mit n verschiedenen Spannungen E: (j = l,2,...,n) zu Ausgangsklemmen in einer sich ständig mit einer Periodendauer T wiederholen¬ den Folge von vorbestimmbaren Zeitspannen und in einer vorgegebenen Reihenfolge gebildet werden, wobei jedem durchgeschalteten Potential eine der Zeitspannen zugeordnet ist, und daß die Frequenz fj=l/T der Phasenspannungen durch Vergrößern oder Verkleinern der Dauer einer oder mehrerer der vorbestimmbaren Zeitspannen geändert wird.1. A method of speed control for a single or multi-phase induction motor with N (N = 1,2,3, ..) phase windings by changing the frequency of the operating, N by 2π / N phase-shifted phase voltages, characterized in that the Phase voltages by switching through the tappable potentials of n (n = 2,3,4, ...) in series connected DC voltage sources with n different voltages E: (j = 1, 2, ..., n) to output terminals in one constantly with a period T repeating the sequence of predeterminable periods of time and in a predetermined sequence, one of the periods being assigned to each switched potential and that the frequency f j = l / T of the phase voltages by increasing or decreasing the duration of one or more of the predeterminable periods of time is changed.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die gegenseitigen Phasen¬ unterschiede der Phasenspannungen durch die zeitliche Verschiebung der entsprechenden, vorbestimmbaren Zeitabstände gebildet werden.2. The method according to claim 1, characterized in that the mutualphase¬ differences of the phase voltages are formed by the time shift of the corresponding, predetermined time intervals.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Anzahl z von vorbestimmbaren Zeitspannen einer Periodendauer T die Frequenz f j der Phasenspan¬ nungen um den Betrag Dfj=l/DT durch Vergrößern oder Verkleinern jeder einzelner der z Zeitspannen um l/(Df j-z) geändert wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that with a number z of predeterminable periods of a period T, the frequency f j of the Phasenspan¬ voltages by the amount Df j = l / DT by increasing or decreasing each of the z periods by l / (Df j -z) is changed.
4. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung jeder einzelner der N Phasenspannungen der Ausgang einer Steuereinheit (118) mit dem Eingang eines steuerbaren Funktionsgene¬ rators (110) verbunden ist, wobei am Ausgang des Funktionsgenerators (110) eine Taktfre¬ quenz f0 in Abhängigkeit von den in die Steuereinheit eingegebenen Drehzahl- Werten ab¬ greifbar ist, der Ausgang des Funktionsgenerators (110) mit dem Frequenzsteuereingang ei¬ nes Treppenpulsgenerators (111, 112, 113) verbunden ist, sodaß in Abhängigkeit von der Frequenz fQ in diesem Pulszüge zur Steuerung von Schaltvorgängen in Halbleiterschaltern an seinen Ausgängen entstehen, eine Phasensteuereinheit (117) mit einem Phasensteuereingang des Treppenpulsgenerators (111, 112, 113) verbunden ist, über die jeder Phase zugeordneten Gruppen von Pulszügen entsprechend der Phasenverschiebung zeitlich verzögert sind, die Ausgänge des Treppenpulsgenerators (111, 112, 113) mit den Eingängen einer Treiberschal¬ tung (114, 115, 116) und deren Ausgänge mit den Wicklungen des Motors (102, 103, 104) verbunden sind bzw. ist. 4. Circuit arrangement for performing the method according to one of claims 1 to 3, characterized in that for generating each of the N phase voltages, the output of a control unit (118) is connected to the input of a controllable function generator (110), at the output a clock frequency f 0 depending on the speed values entered into the control unit can be tapped from the function generator (110), the output of the function generator (110) is connected to the frequency control input of a staircase pulse generator (111, 112, 113) , so that depending on the frequency f Q in this pulse train for controlling switching processes in semiconductor switches at its outputs, a phase control unit (117) is connected to a phase control input of the staircase pulse generator (111, 112, 113), via the groups of assigned to each phase Pulse trains are delayed according to the phase shift, the outputs of the Staircase pulse generator (111, 112, 113) with the inputs of a driver circuit (114, 115, 116) and the outputs of which are connected to the windings of the motor (102, 103, 104).
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Treiber- Schaltung (5)5. Circuit arrangement according to claim 4, characterized in that in the driver circuit (5)
- der negative Pol einer ersten Gleichspannungsquelle (9) mit der Spannung Ej mit einem er¬ sten Anschluß eines ersten Glättkondensators (20), einem ersten Anschluß eines ersten steu¬ erbaren Halbleiter-Schalters (13) mit Reverse-Diode (48) und einem ersten Anschluß eines zweiten steuerbaren Halbleiter-Schalters (14) mit Reverse-Diode (57) verbunden ist;- The negative pole of a first DC voltage source (9) with the voltage E j with a first connection of a first smoothing capacitor (20), a first connection of a first controllable semiconductor switch (13) with reverse diode (48) and a first connection of a second controllable semiconductor switch (14) is connected to a reverse diode (57);
- der positive Pol der ersten Gleichspannungsquelle (9) an einem gemeinsamen Knotenpunkt (C) mit dem negativen Pol einer zweiten Gleichspannungsquelle (8) mit der Spannung E2, über eine Parallelschaltung zweier Halbleiterschalter (17, 18) mit Reverse-Dioden(41, 42) und mit jeweils antiparallel zueinander vorgeschalteter Diode (15, 16) mit dem zweiten An¬ schluß des ersten Halbleiterschalters (13), einem ersten Anschluß eines dritten steuerbaren Halbleiter-Schalters (13) mit Reverse-Diode (47) und einer ersten Ausgangsklemme (51) ver¬ bunden ist;- The positive pole of the first DC voltage source (9) at a common node (C) with the negative pole of a second DC voltage source (8) with the voltage E2, via a parallel connection of two semiconductor switches (17, 18) with reverse diodes (41, 42 ) and each with a diode (15, 16) connected in antiparallel to each other with the second connection of the first semiconductor switch (13), a first connection of a third controllable semiconductor switch (13) with reverse diode (47) and a first output terminal ( 51) is connected;
- der positive Pol der zweiten Gleichspannungsquelle (8) mit dem zweiten Anschluß des zweiten Glättkondensators (19), dem zweiten Anschluß des dritten Halbleiter-Schalters (11) und dem ersten Anschluß eines vierten steuerbaren Halbleiter-Schalters (12) mit Reverse-Di¬ ode (56) verbunden ist;- The positive pole of the second DC voltage source (8) with the second connection of the second smoothing capacitor (19), the second connection of the third semiconductor switch (11) and the first connection of a fourth controllable semiconductor switch (12) with reverse Di¬ ode (56) is connected;
- der zweite Anschluß des zweiten Halbleiter-Schalters (14) mit dem zweiten Anschluß des vierten Halbleiter-Schalters (12) und einer zweiten Ausgangsklemme (52) verbunden ist;- The second connection of the second semiconductor switch (14) is connected to the second connection of the fourth semiconductor switch (12) and a second output terminal (52);
- die Steuereingänge der steuerbaren Halbleiter-Schalter (11, 12, 13, 14) mit den Ausgängen des Treppenpulsgenerators verbunden sind.- The control inputs of the controllable semiconductor switches (11, 12, 13, 14) are connected to the outputs of the staircase pulse generator.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die steuer¬ baren Halbleiter-Schalter (11, 12, 13, 14) durch Feldeffekttransistoren, vorzugsweise MOS- FET, gebildet sind.6. Circuit arrangement according to claim 5, characterized in that the controllable semiconductor switches (11, 12, 13, 14) are formed by field effect transistors, preferably MOSFET.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die steuer¬ baren Halbleiter-Schalter (11, 12, 13, 14) durch IGBT gebildet sind. 7. Circuit arrangement according to claim 5, characterized in that the controllable semiconductor switches (11, 12, 13, 14) are formed by IGBT.
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