DE3021864C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum drehzahlregelbaren Betriebe eines bürstenlosen Mehrphasen-Synchronmotors mit netzgespeisten mehrphasigen netzgeführten Gleichrichtern, die über Glättungsdrosseln mit jeweils einem mehrphasigen, den Synchronmotor speisenden Wechselrichter verbunden sind, wobei die Gleichrichter in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Drehzahl des Synchronmotors geregelt werden und die Ausgänge der Wechselrichter zusammengefaßt den Synchronmotor speisen, wobei ferner die die Wechselrichter steuernden Einschaltsignale in ihrer Phasenlage gegeneinander um einen festen Winkel verschoben sind.

Für die Stromversorgung von Synchronmotoren sind zwei unterschiedliche Anordnungen allgemein bekannt. Bei der ersten dieser Anordnungen wird der Synchronmotor durch einen Sinuswellen- Zyklokonverter gespeist, der einen angenähert sinusförmigen Strom abgibt, so daß starke Schwankungen des vom Synchronmotor bewirkten Drehmomentes mit den nachteiligen Folgen zusätzlicher Geräusche und Vibrationen sowie zusätzlicher Beanspruchungen der angetriebenen Aggregate vermieden werden. Derartige Anordnungen werden insbesondere für Motoren relativ großer Leistung vorgesehen; sie weisen jedoch den Nachteil auf, daß die Drehzahlregelung nur innerhalb unerwünscht enger Grenzen möglich ist.

Die zweite bekannte Möglichkeit ist in der Zeitschrift "elektrotechnik", 1972, Heft 11, Seiten 16 bis 22, insbesondere mit Bild 6 in Verbindung mit dem zugehörigen Text auf den Seiten 21 und 22, als Regelung eines bürstenlosen Gleichstromantriebes (Stromrichtermotor) beschrieben. Von einem netzgeführten gesteuerten Gleichrichter wird über einen Gleichstrom-Zwischenkreis und einen maschinengetakteten Wechselrichter ein Drehstrom-Synchronmotor gespeist. Der Gleichrichtersteuersatz wird seinerseits gesteuert von einem Drehzahlregler, der einen Istwert von einer mit dem Synchronmotor gekoppelten Tachometermaschine erhält. Dem Drehzahlregler ist ein unterlagerter Stromregler für den Strom im Gleichstrom-Zwischenkreis nachgeordnet. Der Wechselrichter wird von einem Steuersatz getaktet, der von einem mit der Motorwelle gekuppelten Positionsgeber gesteuert wird. Der Positionsgeber besteht aus einem rotierenden Permanentmagneten und einem die Winkellage erfassenden Hallgenerator, kann aber auch als induktiv abgetastetes Zahnrad ausgeführt sein. Die Signale des Positionsgebers werden ausschließlich zur Steuerung des Wechselrichters herangezogen. Dabei können über eine elektronische Verschiebung der Steuerimpulse des Wechselrichters gegenüber der Stellung des Läufers sowohl die Maschinen- sowie die Umrichterausnutzung als auch das Drehmoment bei verschiedenen Last- und Drehzahlzuständen beeinflußt werden.

Der zur Speisung des Synchronmotors vorgesehene maschinengetaktete sechspulsige Wechselrichter gestattet zwar eine Regelung seiner Frequenz und damit der Drehzahl des gespeisten Synchronmotors innerhalb erwünscht weiter Grenzen. Als nachteilig erweist sich jedoch, daß der Synchronmotor hierbei durch sechspulsige steilflankige Rechteckimpulse betrieben wird, welche nicht das erwünschte annähernd konstante, sondern vielmehr ein nachteilig starken Schwankungen unterliegendes Drehmoment bewirken. Diese Drehmomentschwankungen erzeugen nicht nur unerwünschte Geräusche, auch das Fundament sowie die Lager des Synchronmotors werden zusätzlich nachteilig durch mechanische Impulse belastet wie auch das Moment übertragende Kupplungen und es aufnehmende angetriebene Aggregate, so daß deren Verschleiß nachteilig steigt.

Die die Gattung bestimmende DE-OS 23 48 157 geht von der Aufgabe aus, zum Betrieb von Drehfeldmaschinen eine Anordnung zu schaffen, die entweder einen zwölfpulsigen Ausgangsstrom oder aber eine zwölfpulsige Rückwirkung auf die angeschlossene Drehfeldmaschine bewirkt. Hierfür werden mittels eines netzgespeisten Gleichrichters zwei sechspulsige Wechselrichter betrieben, deren Ausgänge zusammengefaßt eine nachgeordnete Drehfeldmaschine betreiben. Die in den Ausführungsbeispielen dargestellte betriebene Asynchronmaschine ist mit einer Tachometermaschine verbunden, deren drehzahlabhängige Spannung sowohl zur Regelung der Gleichrichter als auch zur Frequenzsteuerung der Wechselrichter herangezogen wird, indem sie einem Spannungs-Frequenz-Wandler zugeführt wird, dessen Ausgänge mit den Steuereingängen zweier Steuersätze verbunden sind, deren Einschaltsignale um einen festen Winkel von 30° elektrisch gegeneinander verschoben wirksam werden und damit einen resultierenden zwölfpulsigen Betrieb der beiden sechspulsigen Wechselrichter ermöglicht. Zwar sind Hinweise zum Betrieb auch von Mehrphasen-Synchronmotoren gegeben, ohne daß jedoch Vorrichtungen zur Erfassung der Stellung ihrer Rotoren und die Ableitung steuernder Einschaltsignale aus diesen offenbart sind.

Eine weitere Anordnung zum drehzahlgeregelten Betrieb eines bürstenlosen Mehrphasen-Synchronmotors ist aus der DE-OS 23 47 874 bekannt, die einen durch einen Gleichrichter über eine Drossel gespeisten Wechselrichter offenbart, welcher einen Mehrphasen-Synchronmotor speist. Der Rotor dieses Synchronmotors ist mit einem Positionsgeber verbunden, der optisch abgetastet drei gegeneinander um 120° elektrisch verschobene, sich jeweils über 180° elektrisch erstreckende Rechtecksignale abgibt. Aus diesen werden die Einschaltsignale des Wechselrichters durch zyklische Multiplikation gewonnen, wobei die Flanken der Rechtecksignale über einen Frequenz-Spannungs-Umsetzer eine drehzahlabhängige Spannung bewirken, welche nach für drei Phasen getrenntem Integrieren sowie Vergleich mit einer einstellbaren Vergleichsspannung die Zündsignale verschiebende Vergleichssignale ergibt, so daß der Polradsteuerwinkel einstellbar ist. Nach einer abgewandelten Vorrichtung soll der Positionsgeber zusätzlich eine hochpulsige Spur zur direkten Ansteuerung des Frequenz- Spannungs-Umsetzers aufweisen; in jedem Falle aber ergibt sich durch die Einschaltung dieses Frequenz-Spannungs-Umsetzers ein unerwünscht hoher Schaltungsaufwand mit nur analoger Genauigkeit sowie im Ausführungsbeispiel nur sechspulsigen Betrieb.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der bezeichneten Gattung zu schaffen, die nur eines einfach aufgebauten und leicht mit einer nur geringen Anzahl von Leitungen anzuschließenden Positionsgebers bedarf.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches. Sie erlauben die Bildung der Einschaltsignale des ersten der Wechselrichter durch zyklische Multiplikation der drei Rechtecksignale sowie die Ableitung der mit vorgesehener Phasenverschiebung bewirkten der folgenden Wechselrichter vermittels einer Folge weiterer Rechtecksignale D, die mit ihrer Periodendauer die Phasenverschiebung des Ansprechens des folgenden der Wechselrichter bestimmen.

Im einzelnen sind die Merkmale der Erfindung anhand der Beschreibung zweier Anordnungen in Verbindung mit diese darstellenden Zeichnungen erläutert. Es zeigt hierbei

Fig. 1 das schematische Schaltbild einer Anordnung zum drehzahlgeregelten Betreiben eines Synchronmotors,

Fig. 2 diagrammatisch den zeitlichen Verlauf von in der Schaltung nach der Fig. 1 auftretenden Spannungen bzw. Strömen und

Fig. 3 den zeitlichen Verlauf von Spannungen bei einer Steuerung mittels einer Folge D von Rechtecksignalen.

In der Fig. 1 ist ein Drehstromnetz 1 gezeigt, an das drei Konverterschaltungen angeschlossen sind, die jeweils aus einem netzgeführten Gleichrichter 2 A, 2 B bzw. 2 C, Glättungsdrosseln 3 A, 3 B bzw. 3 C sowie diesen nachgeordneten Wechselrichtern 4 A, 4 B bzw. 4 C bestehen. In jeder dieser Konverterschaltungen wird der aus dem Drehstromnetz 1 eingespeiste Strom im Gleichrichter 2 gleichgerichtet und vermittels der Glättungsdrossel 3 geglättet. Der geglättete, d. h. der keine wesentliche Welligkeit mehr aufweisende Gleichstrom wird dem folgenden Wechselrichter 4 aufgeschaltet, der, entsprechend angesteuert, Stromimpulse bewirkt, die sich jeweils über einen Phasenwinkel von 120° erstrecken und einen Drehstrom bilden, der dem Synchronmotor 6 über jeweils einen der Trenn-Transformatoren 5 A, 5 B bzw. 5 C zugeführt wird, indem deren einander parallelgeschaltete Sekundärwicklungen an Wicklungen des Synchronmotors 6 geschaltet sind.

Mit der Welle des Synchronmotors 6 ist ein Positionsgeber 7 gekoppelt, der für vorgegebene Winkellagen des Rotors des Synchronmotors 6 Signale abgibt. Diese Signale entsprechen in ihrer Häufigkeit der Drehzahl des Synchronmotors 6; sie werden daher auch dem Digital-Analog-Umsetzer 9 zugeführt, an dessen Ausgang damit ein der Ist-Drehzahl entsprechendes analoges Signal auftritt.

Die Vorgabe der gewünschten Drehzahl erfolgt durch Spannungsabgriff an einem Drehzahlsteller 8. Das Sollwertsignal des Drehzahlstellers 8 und das Istwert-Signal des Digital- Analog-Umsetzers 9 werden mit umgekehrter Polarität einem Meßverstärker 10 zugeführt, so daß am Ausgang dieses Meßverstärkers ein der Differenz der beiden zugeführten Signale entsprechendes Signal ansteht. Vermittels von Stromwandlern 12 a bis 12 C wird der Istwert der Stromaufnahme der Gleichrichter 2 bestimmt, und mittels eines Strom-Meßgliedes 13 wird deren Mittelwert bestimmt. Dieser wird mit dem Ausgang des Meßverstärkers 10 einem Signalverstärker 11 zur Regelung des Speisestromes zugeführt, und dessen Ausgang steuert einen Phasenschieber 14, dessen Ausgänge den jeweiligen Steuerungsanschlüssen der Gleichrichter 2 aufgeschaltet sind und damit den Anschaltwinkel der steuerbaren Halbleiterelemente der Gleichrichter 2 bestimmen. Das bedeutet aber, daß in Abhängigkeit von der Drehzahlregelung die das Drehmoment des Synchronmotors 6 und damit auch dessen Beschleunigung bzw. Verzögerung bestimmende, über die Glättungsdrosseln 3 abgegebene Gleichstromleistung geregelt wird.

Die Steuerung der Wechselrichter 4 erfolgt in Abhängigkeit der jeweils erreichten Winkelposition des Rotors des Synchronmotors 6 und damit des mit ihm gekuppelten Positionsgebers 7. Die von diesem abgegebenen Recktecksignale werden in Schaltverstärkern 15 A, 15 b bzw. 15 C verstärkt und bewirken die Steuerung der Halbleiterelemente der Wechselrichter 4 derart, daß sie um einen Winkel R gegeneinander phasenverschoben nacheinander wirksam werden.

Erläutert wird dies anhand der Diagramme der Fig. 2, bei denen eine Zeilenlänge sich jeweils über eine Periode erstreckt.

Die Zeilen A, B und C zeigen die Lage der Zündsignale für die Wechselrichter 4 A, 4 B und 4 C der Fig. 1 an. Hierbei sind die Zündsignale WPB, UPB usf. des Wechselrichters 4 B gegenüber den Zündsignalen WPA, UPA usf. des Wechselrichters 4 A um einen Phasenwinkel R verzögert, wie auch die Zündsignale WPC usf. des Wechselrichters 4 C gegenüber denen des Wechselrichters 4 B wiederum um einen Phasenwinkel R verzögert sind. In den Zeilen AA, BB und CC sind die hierbei sich ergebenden Ströme der drei Wechselrichter 4 A bis 4 C dargestellt, die entsprechend gegeneinander jeweils um einen Phasenwinkel R versetzt sind. Werden diese Ströme über die Trenn-Transformatoren 5 dem entsprechenden Anschluß U des Synchronmotors 6 zugeführt, so ergibt sich dort ein resultierender Strom IU, der treppenartig mit einer Vielzahl von Stufen einer Sinusschwingung angenähert ist. Hierdurch werden nicht nur die Oberwellen der Grundschwingung weitgehend vermieden, es werden auch schädliche Schwankungen des vom Synchronmotor bewirkten Drehmomentes ebenso behoben, wie unerwünschte Schwingungen, insbesondere Resonanzen, zwischen dem Synchronmotor und seiner Halterung sowie gegebenenfalls angetriebenen Aggregaten unterbunden werden.

Es hat sich gezeigt, daß der Positionsgeber 7 auf unterschiedliche Weise aufbaubar ist. So können Hall-Meßfühler eingesetzt werden, und es können elektrooptische Meßfühler ebenso benutzt werden wie induktiv wirksame. Als nachteilig wird aber jene Vielzahl von Leitungen bzw. Anschlüssen empfunden, die bei getrennter Ansteuerung der Schaltverstärker 15 bei der Anordnung einer Mehrzahl von zeitlich versetzt arbeitenden Wechselrichtern 4 sich ergeben würde. Gemäß der Erfindung wird der Positionsgeber daher so ausgebildet, daß er zusätzlich zu den in Fig. 3 dargestellten Rechtecksignalen X, Y und Z eine Reihe von in Zeile D dargestellten Positionssignalen erzeugt, die bspw. im Abstande der gewünschten Phasenverschiebung R auftreten. Damit werden den auswertenden Schaltverstärkern vom Positionsgeber 7 nur vier unterschiedliche Signale zugeführt, die in den ersten vier Zeilen der Fig. 3 unter X, Y, Z sowie D dargestellt sind. Die Einschaltsignale für die sechs Phasen des Wechselrichters 4 A lassen sich aus diesen Signalen leicht durch zyklische Multiplikation ermitteln und sind in den sechs folgenden Zeilen dargestellt:

UP = X · , VP = Y · , WP = Z · , UN = · Y, VN = · Z und
WN = · X.

In der Fig. 3 sind diese Signale in zeitlicher Folge über eine Periode dargestellt. Sie können bereits dem ersten Wechselrichter 4 A zugeführt werden. Durch Verschieben dieser Signale UP bis WN um einen Phasenwinkel R lassen sich dann die Steuersignale UPB und folgende für den zweiten der Wechselrichter 4 B sowie durch eine nochmalige Verschiebung die Signale UPC und folgende für den dritten der Wechselrichter 4 C erlangen. Da eine Periode des Signals D einen Phasenwinkel O überdeckt, ist es nur erforderlich, jedes der Signale UP bis WN des ersten Wechselrichters 4 A um eine bzw. zwei Perioden der Signalfolge D zu verzögern. Ebenso lassen sich, um steilere Flanken zu erhalten, anstelle der Signale D Signale höherer Frequenz in Verbindung mit einem Frequenzteiler verwenden. Es ist also nur erforderlich, aus den gegeneinander um 120° elektrisch verschobenen und sich jeweils über 180° elektrisch erstreckenden Rechteckimpulsen X, Y und Z des Positionsgebers 7 durch zyklische Multiplikation die Einschaltsignale UP bis WN des ersten Wechselrichters 4 A zu gewinnen und diese dann jeweils um eine Periode der Folge von Rechtecksignalen D zu verzögern, um die Einschaltsignale UPB usf. des zweiten Wechselrichters 4 B zu erhalten und durch eine weitere Verzögerung wiederum der Rechtecksignale D dann die Einschaltsignale UPC usf. des dritten der Wechselrichter 4 C.

Damit lassen sich durch die Phasenverschiebung der Ausgänge einer Mehrzahl von Wechselrichtern vielstufig treppenförmig ansteigende Stromimpulse bewirken, deren Resultierende annähernd Sinusform hat, so daß sich ein Synchronmotor über einen großen Frequenzbereich ruhig und ohne sich unliebsam bemerkbar machende Drehmomentschwankungen betreiben läßt. In der Praxis hat sich gezeigt, daß hierfür bereits drei Konverterschaltungen ausreichen, ohne, daß ihre Anzahl auf diese Zahl beschränkt ist, oder bei der Erhöhung der Anzahl kompliziertere oder zusätzliche Anschlüsse benötigende Positionsgeber erforderlich würden.

Claims (1)

1. Anordnung zum drehzahlregelbaren Betrieb eines bürstenlosen Mehrphasen-Synchronmotors mit netzgespeisten mehrphasigen netzgeführten Gleichrichtern, die über Glättungsdrosseln mit jeweils einen mehrphasigen, den Synchronmotor speisenden Wechselrichter verbunden sind, wobei die Gleichrichter in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Drehzahl des Synchronmotors geregelt werden und die Ausgänge der Wechselrichter zusammengefaßt den Synchronmotor speisen, wobei ferner die die Wechselrichter steuernden Einschaltsignale in ihrer Phasenlage gegeneinander um einen festen Winkel verschoben sind, dadurch gekennzeichnet,
   daß ein Positionsgeber (7) vorgesehen ist, der in Abhängigkeit von der Rotorstellung des Synchronmotors (6) drei gegeneinander um 120° elektrisch verschobene, sich jeweils über 180° elektrisch erstreckende Rechtecksignale X, Y, Z abgibt, aus denen die Einschaltsignale UP, VP, WP, UN, VN, WN des ersten Wechselrichters (4 A) durch zyklische Multiplikation wie folgt gewonnen werden: UP = X · , VP = Y · , WP = Z · , UN = · Y, VN = · Z,
   WN = · X,daß der Positionsgeber weiterhin eine Folge von Rechtecksignalen (D) abgibt, deren Periodendauer der vorgesehenen Phasenverschiebung um den festen Winkel (R) entspricht, und
   daß die Einschaltsignale UPB bzw. UPC des jeweils folgenden Wechselrichters (4 B bzw. 4 C) durch Phasenverschiebung der Einschaltsignale UP, VP, WP, UN, VN, WN um den festen Winkel (R) erzeugt werden.