DE3015213C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Umrichter gemäß dem Oberbe­ griff des Anpruchs 1. Ein solcher Umrichter ist beispiels­ weise aus der US-PS 40 39 926 bekannt.

Zum Speisen von Wechselstrommotoren mit veränderbarer Frequenz und änderbarem Strom dienende Wechselrichter enthalten Kommu­ tierungskondensatoren zum automatischen und sequentiellen Kommutieren der gesteuerten Ventile des Wechselrichters. Diese Zwangskommutierung ist das Ergebnis der Umladung der Kommutierungskondensatoren während der normalen Kommutierung der gesteuerten Ventile. Bei Phasenfolgelöschung können sich verschiedene Probleme ergeben. Erstens ist noch nicht notwendigerweise eine Ladung geeigneter Größe und Polarität auf jedem Konden­ sator vorhanden, wenn der Wechselrichter zum erstenmal ge­ startet wird. Die Ladungen werden erst während des normalen Betriebes des Wechselrichters aufgebaut. Zweitens können die Ladungen der richtigen Größe und Polarität von den Kommutie­ rungskondensatoren während des Leitens der gesteuerten Ventile abfließen, und zwar vor allem dann, wenn der Wechselrichter Speisestrom mit niedriger Frequenz liefert. Das ist besonders dann kritisch, wenn der Wechselrichter keinen nennenswerten Speisestrom liefert und die Anfangsladung auf dem Kondensator beim Start niedrig ist. In diesem Fall wird sich in Ermange­ lung einer ausreichenden Ladung, wenn der Wechselrichter danach zum Kommutieren aufgerufen wird, die von den Kommutierungs­ kondensatoren gewünschte automatische, sequentielle Kommu­ tierung nicht ergeben. Wegen dieser und weiterer Probleme kann ein von dem Wechselrichter gespeister Motor u. U. nicht in der Lage sein, richtig zu arbeiten.

Bei einem Umrichter der aus der US-PS 40 39 926 bekannten Art, bei dem keine Phasenfolgelöschung vorgesehen ist, wird bei Ansprechen der Überwachungseinrichtung der Zwi­ schenkreisstrom abgeschaltet. Auch aus der DE-Z "Technische Mitteilungen AEG-Telefunken" Bd. 62 (1972), Heft 6, S. 237-242 ist ein Zwischenkreisumrichter bekannt, bei dem die an den Kommutierungskondensatoren liegende Spannung mit Hilfe eines Komparators überwacht wird, dessen Signal zu Beginn der Ausgangsspannungsperioden eine Startverknüpfung freigibt bzw. im Fehlerfall sperrt. Das vollständige Abschalten des Systems ist aber u. U. störend, unerwünscht und häufig auch nicht notwendig, weil kein bleibender Fehler aufgetreten ist.

Aus der (nachveröffentlichten) DE-OS 29 44 099 ist ein Umrichter mit eingeprägtem Zwischenkreisstrom und Phasen­ folgelöschung bekannt, bei dem die Kommutierungsspannungen von einer Überwachungseinrichtung auf eine Mindestspannung hin überwacht werden. Die Überwachungseinrichtung sorgt dafür, daß der Zwischenkreisstrom einen bestimmten, kommutierbaren Wert nicht überschreitet. Die Kommutierungsspannungen werden nicht direkt an den Kondensatoren gemessen, sondern die Überwachungseinrichtung mißt die Spannungsabfälle an den gesteuerten Ventilen. Die Minimalwertermittlung erfolgt hier­ bei durch ODER-Schaltungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aus der US-PS 40 39 926 im Prinzip bekannte Überwachungseinrichtung bei einem Umrichter mit Phasenfolgelöschung einzusetzen.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die Erfindung werden Störungen bei falschem Ladezustand der Kommutierungskondensatoren vermieden, wobei sich zusätz­ lich der Vorteil ergibt, daß der Betrieb nicht durch die Überwachungsmaßnahmen selbst unnötig gestört wird.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Schaltbild eines Wechselrichters für den hier beschriebenen Umrichter;

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels des Umrichters mit einem Drehzahlregler; und

Fig. 3 ein abzuwandelndes Ausführungsbeispiel des Umrichters.

Viele Wechselrichter mit eingeprägtem Zwischenkreisstrom werden mit Kommutierungskondensatoren in Phasenfolgelöschung betrieben. In solchen Wechselrichtern ist ein Kommutierungs­ kondensator zwischen jedes "Paar" gesteuerter Ventile (Thyristoren) in jeder Brückenhälfte geschaltet.

Während des normalen Betriebes des Wechselrichters werden Kommutierungskondensatoren automatisch mit richtiger Polung geladen, wie zunächst erläutert werden soll.

Fig. 1 zeigt einen typischen Wechselrichter 10, der einen an­ kommenden Gleichstrom (Zwischenkreisstrom) I _DC in einen Speisestrom veränderlicher Größe und Frequenz umwandelt. Der Wechselrichter 10 ist eine 6-Thyristor-Brückenschaltung mit drei Zweigen.

Der Wechselrichter 10 wandelt einen ankommenden Gleichstrom I _DC auf einer ankommenden Leitung 12 in einen Speisestrom veränderlicher Größe und Frequenz auf Ausgangsleitungen 14, 16 und 18 um, die mit einer geeigneten Last, wie einem Wechselstrommotor 20, verbunden sind. Der Wechselrichter 10 hat in dem dargestellten Beispiel eine positive Hälfte und eine negative Hälfte.

Gemäß der Darstellung enthält die positive Hälfte mehrere Thyristoren 22, 24 und 26. Statt der Thyristoren 22, 24 und 26 können auch andere Ventile verwendet werden, wie z. B. Thyratrons oder Quecksilberdampfgleichrichter, wie Ignitrons und Excitrons.

Ein Kommutierungskondensator ist zwischen die Kathoden jedes Thyristorpaares in der positiven Hälfte geschaltet. Insbe­ sondere ist ein Kommutierungskondensator 28 zwischen die Kathode des Thyristors 22 und die Kathode des Thyristos 24 geschaltet. Ein Kommutierungskondensator 30 ist zwischen die Kathode des Thristors 24 und die Kathode des Thyristors 26 geschaltet. Ein Kommutierungskondensator 32 ist zwischen die Kathode des Thyristors 22 und die Kathode des Thyristors 26 geschaltet.

Eine Sperrdiode 34 ist zwischen die Kathode des Thyristors 22 und die Ausgangsleitung 14 geschaltet. Eine Sperrdiode 36 ist zwischen die Kathode des Thyristors 24 und die Ausgangs­ leitung 16 geschaltet. Eine Sperrdiode 38 ist zwischen die Kathode des Thyristors 26 und die Ausgangsleitung 18 geschaltet. Die Sperrdioden 34, 36 und 38 können von irgendeinem geeigneten Typ sein.

Die negative Hälfte des Wechselrichters 10 ist entsprechend der positiven Hälfte eingebaut.

Die Schaltung und die Anordnung nach der Erfindung werden nun erläutert. Sie erzeugt ein Ausgangssignal, wenn Ladungen geeigneter Größe und Polarität auf den Kommutierungskonden­ satoren des Wechselrichters vorhanden sind, wobei normaler Speise­ strom fließt. Das Nichtvorhandensein des Ausgangssignals zeigt an, daß Ladungen geeigneter Größe und Polarität nicht vorhanden sind. Das Nichtvorhandensein des Ausgangssignals bewirkt, daß die Größe des Gleichstroms unter einen Wert vorbestimmter Größe gezwungen wird und daß die Erzeugung des Frequenzsteuersignals verhindert wird, d. h., daß dem Wechselrichter keine Steuersignale zugeführt werden.

Die Überwachungsschaltung 60 nach der Erfindung stellt fest, ob die Kommutierungskondensatoren richtig gepolt und ausreichend geladen sind, indem die Spannungen zwischen den Anoden und den Kathoden der Thyristoren des Wechselrichters gemessen werden. Der Thyristor, der in dem leitenden Zustand ist, verbindet die an ihn angeschlossenen Kommutierungskondensatoren mit den gleichstromseitigen Leistungselektroden der übrigen Thyristoren. Somit zeigen diese Spannungen die Größe und die Polarität der Ladungen auf diesen Kommutierungskondensatoren an. Ein Aus­ gangssignal wird nicht erzeugt, wenn keine dieser Spannungen größer als die Referenzspannung ist. Das Nichtvorhandensein des Ausgangssignals bewirkt, wie oben erwähnt, daß die Größe des dem Wechselrichter zugeführten Gleichstroms unter einen vorbestimmten Wert gezwungen wird, und daß die Erzeugung des Frequenzsteuersignals verhindert wird.

Das Vorhandensein wenigstens einer Spannung, die größer als die Referenzspannung ist, zeigt jedoch nicht unbedingt an, daß der Wechselrichter in dem normalen wirksamen Zustand ist. Dieser Fall tritt beispielsweise auf, wenn keines der leitungs­ gesteuerten Gleichrichterelemente in dem leitenden Zustand ist. Daher wird in einer Ausgestaltung der Erfindung die Größe des dem Wechselrichter zugeführten Ausgangsgleichstroms I _DC ab­ gefühlt und es wird ein Spannungssignal proportional zu der Größe dieses abgefühlten Werts erzeugt. Das Ausgangssignal wird erzeugt, wenn wenigstens eine der Spannungen an den lei­ tungsgesteuerten Gleichrichterelementen größer als die Referenzspannung ist und wenn das Spannungssignal, das zu der Größe des Ausgangsgleichstroms I _DC proportional ist, größer als eine Referenzspannung ist.

Die Größe des dem Wechselrichter 10 über die Leitung 12 zu­ geführten Gleichstroms I _DC wird durch einen Shunt 62 abgefühlt. Der Shunt 62 liefert ein Spannungssignal auf einer Leitung 64, dessen Größe zu der Größe des Gleich­ stroms I _DC proportional ist. Die Leitung 64 ist mit dem nicht­ invertierenden Eingang eines Vergleichers 190 herkömmlicher Bauart verbunden. Der invertierende Eingang des Vergleichers 190 ist mit einer Referenzsignalquelle 192 herkömmlicher Bauart verbunden, die ein Referenzspannungssignal mit einem vorbestimm­ ten Wert liefert. Der Vergleicher 190 liefert ein zweites Steuersignal auf einer Ausgangsleitung 194, wenn der Wert des Spannungssignals auf der Leitung 64 größer als der vorbestimmte Wert des von der Quelle 192 gelieferten Signals ist, was anzeigt, daß jeweils wenigstens einer der Thyristoren in der positiven Hälfte und in der in der negativen Hälfte in dem leitenden Zustand ist.

Ein erstes Steuersignal wird geliefert, wenn die Spannung an wenigstens einem der Thyristoren in der positiven Hälfte des Wechselrichters 10 größer als ein Referenzsignal ist.

Ein Operationsverstärker 66 herkömmlicher Bauart ist vorge­ sehen, um ein Differenzausgangssignal auf einer Ausgangs­ leitung 68 zu liefern, das zu der Spannung zwischen der Anode und der Kathode des Thyristors 22 proportional ist. Der Opera­ tionsverstärker 66 ist als Verstärker geschaltet und hat einen zwischen die Ausgangsleitung 68 und einen invertierenden Ein­ gang 72 geschalteten Rückkopplungswiderstand 70. Der nichtinver­ tierende Eingang 73 ist über einen Widerstand 74 mit Masse und über einen Skalierwiderstand 181 mit der Anode des Thyristors 22 verbunden. Die Kathode des Thyristors 22 ist über einen Skalierwiderstand 180 mit dem nichtinvertierenden Eingang 72 verbunden.

Entsprechende Operationsverstärker 76 und 88 sind für die Thyristoren 24 und 26 vorgesehen.

Die Differenzausgangssignale auf den Leitungen 68, 80 und 92 werden über Dioden 102, 104 bzw. 106 einem gemeinsamen Knoten­ punkt 100 zugeführt und an diesem miteinander verknüpft und einem nichtinvertierenden Eingang eines Vergleichers 108 herkömmlicher Bauart zugeführt. Ein Referenzsignal mit einem vorbestimmten Wert, das durch eine Referenzsignalquelle 110 erzeugt wird, wird dem invertierenden Eingang des Vergleichers 108 zugeführt. Der Vergleicher 108 liefert ein erstes Steuersignal auf einer Leitung 112, das in dem H-Zustand ist, wenn der Wert der Differenzausgangssignale an dem Knotenpunkt 100 größer als der des Referenzsignals ist, das von der Referenzsignalquelle 110 geliefert wird. Der Vergleicher 108 liefert somit das erste Steuer­ signal, wenn der Spannungsabfall an wenigstens einem der Thyri­ storen in der positiven Hälfte größer als das Referenzsignal aus der Referenzsignalquelle 110 ist.

Ein drittes Steuersignal wird vom Vergleicher 164 geliefert, wenn die Spannung an wenigstens einem der Kommutierungskonden­ satoren in der negativen Hälfte des Wechselrichters 10 größer als ein Referenzsignal ist. Wie in dem Fall der positiven Hälfte des Wechselrichters 60 stellt die in dem gestrichelten Kasten gezeigte Ausführungsform der Erfindung fest, ob Ladungen geeigneter Größe und Polarität vorhanden sind, indem die Spannungsabfälle zwischen der Anode und der Kathode der leitungs­ gesteuerten Gleichrichterelemente in der negativen Hälfte gemessen werden.

Das zweite Steuersignal auf der Leitung 194, das erste Steuersignal auf der Leitung 112 und das dritte Steuersignal auf der Leitung 168 werden einer Logikstufe 170 zugeführt. Die Logikstufe 170 erzeugt das Ausgangssignal auf einer Leitung 172 auf das erste, das zweite und das dritte Steuersignal hin.

Das Ausgangssignal auf der Leitung 172 gestattet dem Wechsel­ richter 10, den normalen Speisestrom zu erzeugen. Das Nicht­ vorhandensein des Ausgangssignals bewirkt, daß die Größe des Ausgangsgleichstroms unter einen Wert vorbestimmter Größe gezwungen wird und daß die Folgesteuerung des Frequenzsteuer­ signals verhindert wird. Beispiele für die Art und Weise, auf die die Erfindung benutzt werden kann, sind in den spezifi­ schen Ausführungsformen offenbart, die unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 beschrieben werden.

Fig. 2 ist ein Blockschaltbild eines geeigneten Wechsel­ strommotorantriebssystems, in welchem die Kommutierungskon­ densatorladungserkennungsschaltung und das entsprechende Verfahren nach der Erfindung benutzt werden können. Die Erkennungsschaltung nach der Erfindung in der Ausführungsform von Fig. 1 ist in Blockschaltbildform innerhalb eines gestrichelten Kastens 60 gezeigt; die Schaltung außerhalb des Kastens 60 ist ein Wechselstrommotorantriebssystem, das mit einer Drehzahlregelung arbeitet. Die Kommutierungskonden­ satorladungserkennungsschaltung und das Verfahren nach der Erfindung können auch bei anderen Arten von elektrischen Antriebs­ systemen benutzt werden.

Gemäß Fig. 2 gibt ein in der Frequenz variabler Wechsel­ richter 214 einen Speisestrom variabler Größe und Frequenz über eine Leitung 216 an eine Last, wie einen Wechselstrom­ motor 218, ab. Der Wechselstrommotor 218 kann von irgendeinem geeigneten Typ sein, vorzugsweise ist es aber ein Wechselstrom­ induktionsmotor oder Asynchronmotor.

Der dem Wechselrichter 214 (Fig. 2) zugeführte Gleich­ strom I _DC kann von irgendeiner geeigneten veränderlichen Gleichstromquelle geliefert werden. Eine bevorzugte Ausführungs­ form für die veränderliche Gleichstromquelle ist ein Gleich­ richter 222, der den Gleichstrom I _DC veränderlicher Größe über einen Gleichstromzwischenkreis 224 an den Eingang des Wechselrichters 214 abgibt. Der Gleichrichter 222 wandelt Wechselstrom aus einer Quelle 228 unter der Steuerung eines Stromsteuersignals auf einer Leitung 226 in einen Gleichstrom I _DC veränderlicher Größe um. Der Gleichrichter 222 kann von irgend­ einem geeigneten Typ sein, im typischten Fall wird es aber ein phasenanschnittgesteuerter 6-Thyristor-Stromrichter sein, dessen Thyristoren auf das Stromsteuersignal auf der Leitung 226 hin mit Steuerimpulsen versorgt werden.

Der Gleichstrom I _DC veränderlicher Größe wird dem Wechsel­ richter 214 über den Gleichstromzwischenkreis 224 zugeführt. Der Gleichstromzwischenkreis 224 enthält eine Drossel 230, die in Reihe zwischen den Gleichrichter 222 und den Wechsel­ richter 214 geschaltet ist. Die Drossel 230 dient als Filter.

Das Elektromotorantriebssystem, das in Fig. 2 gezeigt ist, ist ein als geschlossener Regelkreis ausgebildetes System mit folgenden Rückführungswegen. Der Drehzahlistwert erscheint auf einer Leitung 234 eines Tachometers 232.

Ein Drehzahlsollwert wird z. B. durch einen Drehwiderstand 238 mit einem Schleiferarm 240 eingestellt.

Der Drehzahlsollwert wird an einen ersten Eingang eines Summier­ punktes 242 abgegeben. Der Drehzahlistwert wird negativ rück­ geführt und an einen zweiten Eingang des Summierpunktes 242 angelegt. Das Ausgangssignal des Summierpunktes 242 wird an den Eingang eines Drehzahlreglers 244 abgegeben, der auf einer Leitung 246 eine Drehmomentführungsgröße abgibt.

Die Drehmomentführungsgröße dient zur Regelung des vom Gleich­ richter abgegebenen Stroms.

Der elektronische Schalter 282 ist Teil der Erfindung und verbindet normalerweise einen Ausgangskontakt 284 mit einem Eingangskontakt 280 an dem die Drehmomentführungsgröße liegt. Ein weiterer Eingangskontakt 286 ist mit einer Quelle 287 verbunden, die ein Stromsignal mit vorbestimmtem Wert liefert, welches bewirkt, daß der Wert des Ausgangsgleichstroms I _DC , der durch den Gleichrichter 222 geliefert wird, unter einen vorbestimmten Wert gezwungen wird. Der elektronische Schalter 282 kann den Ausgangskontakt 284 auf den Kontakt 280 umschalten, wenn das Ausgangssignal aus der erfindungsgemäßen Schaltung über die Leitung 172 an einen Umschalteingang 288 angelegt wird. Der elektronische Schalter 282 kann von irgendeinem geeigneten Typ sein, beispielsweise ein Bipolartransistor- oder Feldeffekttransistorschalter oder ein elektromechanisches Relais.

Die Drehmomentführungsgröße auf der Leitung 246 wird außer­ dem an den ersten Eingang eines Summierers 260 herkömmlicher Bauart angelegt. Der Drehzahlistwert wird positiv rückge­ führt und an einen zweiten Eingang des Summierers 260 ange­ legt. Das Ausgangssignal des Summierers 260, das ein zu der Summe der Drehmomentführungsgröße und des Istdrehungssignals proportionales Signal ist, wird an einen Kontakt 290 eines elektronischen Schalters 292 angelegt.

Der elektronische Schalter 292 ist Teil der Erfindung und verbindet normalerweise einen Ausgangskontakt 294 mit dem Kontakt 290. Der Kontakt 296 ist mit einer Quelle 297 verbunden, die ein Signal mit vorbestimmtem Frequenzwert liefert, das bewirkt, daß ein Frequenzsteuersignal erzeugt wird, das gleich null ist, d. h., daß keine Änderung in den Steuersignalen auf der zu dem Wechselrichter 214 führenden Leitung 220 erfolgt. Der Kontakt 296 kann beispielsweise mit der Systemmasse verbunden sein. Der elektronische Schalter 292 ist so ausgebildet, daß er den Ausgangskontakt 294 auf den Kontakt 290 umschaltet, wenn das Ausgangssignal gemäß der Erfindung über die Leitung 172 an einen Umschalteingang 298 angelegt wird.

Das Signal am Ausgangskontakt 294 steuert die Frequenz des Wechselrichters 214.

Fig. 3 zeigt in Blockform in einem gestrichelten Kasten 60 eine bevorzugte Ausführungsform der Kommutierungskondensator­ ladungserkennungsschaltung und des Verfahrens nach der Erfindung zur Verwendung in einem Wechselstrommotorantriebs­ system, bei welchem mit einer Drehmomentsteuerung gearbeitet wird.

Bis auf den fehlenden Drehzahlregler entspricht dieses Ausführungs­ beispiel der Fig. 2.

Claims (7)

1. Umrichter mit eingeprägtem Zwischenkreisstrom mit mindestens einem Kommutierungskondensator und mit einer Überwachungseinrichtung, die den mindestens einen Kommutierungskondensator auf eine Mindestspannung hin überwacht und weitere Kommutierungen so lange verhindert, bis die Spannung am Kommutierungskondensator für eine wei­ tere Kommutierung ausreicht, dadurch gekennzeichnet, daß der Umrichter eine Phasenfolgelöscheinrichtung aufweist und daß bei Ansprechen der Überwachungs­ einrichtung der Zwischenkreisstrom auf einen Minimalwert abgesenkt wird.

2. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Überwachungseinrichtung die Spannung an den Elektroden der gesteuerten Ventile (22, 24 usw.) des Wechselrichters (10) mißt und eine ODER-Schaltung (102-106, 158-162) enthält, die ein Steuersignal erzeugt, wenn die Spannung zwischen den Leistungselektroden wenigstens eines der Ventile größer als ein Referenzsignal ist.

3. Umrichter nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Differenz der Spannungen zwischen den Elektroden der Ventile (22 usw.) bildende Einrichtungen (66, 76, 88) vorgesehen sind, denen nur die positiven Zyklen jedes Differenzsignals durchlassende Dioden (102, 104, 106) nach­ geschaltet sind.

4. Umrichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungseinrichtung auch anspricht, wenn der Zwischenkreis­ strom einen Grenzwert unterschreitet.

5. Umrichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen elektronischen Schalter (282), durch den die Zwischenkreisstrom-Führungsgröße bei Ansprechen der Überwachungseinrichtung auf den vorbestimmten Minimalwert umgeschaltet wird.

6. Umrichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen elektronischen Schalter (292), durch den die Frequenz bei Ansprechen der Überwa­ chungseinrichtung auf den Wert Null umgeschaltet wird.

7. Verfahren zum Steuern des einem Wechselstrommotor zugeführten Speisestroms variabler Größe und Frequenz unter Verwendung eines Umrichters nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgangssteuersignal erzeugt wird, wenn die Spannung zwischen den Leistungselektroden wenigstens eines der gesteuer­ ten Ventile des Wechselrichters das Spannungsreferenzsignal übersteigt, und bei Fehlen des Ausgangssteuersignals der Zwischenkreis­ strom unter einen vorgegebenen Wert gezwungen und das Frequenzsteuersignal auf Null gesetzt wird.