DE3149017A1

DE3149017A1 - "antriebssystem mit wechselrichtergespeistem elektromotor und verfahren zum ausdehnen des motordrehzahlbereiches"

Info

Publication number: DE3149017A1
Application number: DE19813149017
Authority: DE
Inventors: Herbert William Salem Va. Weiss
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1980-12-23
Filing date: 1981-12-11
Publication date: 1982-07-29
Also published as: AU7873581A; CA1183573A; GB2090085B; SE8107597L; IT8125536A0; GB2090085A; IT1140118B; DE3149017C2; FR2497026A1; US4349772A

Description

GENERAL ELECTRIC COMPANY 1 River Road

f ,Schenectady, N.Y./U.S.A.

Antriebssystem mit wechselrichtergespeistem Elektromotor und Verfahren zum Ausdehnen des Motordrehzahlbereiches

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die Steuerung eines Elektromotors und betrifft insbesondere die Steuerung eines Wechselstrommotors mit Hilfe von gesteuerten Wechselrichterschaltungen.

In einem üblicherweise benutzten Antriebssystem mit einem qesteuerten Wechselstrommotor wird ein selbstgeiührter oder zwangskommutierter Stromquellenwechselrichter verwendet, der häufig und üblicherweise als gesteuerter Wechselrichter bezeichnet wird. In einem solchen Antriebssystem speist eine in der Spannung veränderbare Gleichstromquelle eine gesteuerte, in der Frequenz veränderbare Wechselrichterschaltung über einen Gleichstromzwischenkreis. In einer Form einer Wechselrichterschaltung, die gegenwärtig üblicherweise verwendeL

wird, werden gesteuerte Gleichrichter (z.B. Thyristoren, deren üblichste Form der gesteuerte Siliciumgleichrichter ist) in einer mehrphasigen Brückenanordnung verwendet. Kondensatoren, an denen eine Spannung gebildet wird, werden benutzt, um die Thyristoren zu geeigneten Zeiten zu kommutieren (abzuschalten), so daß der Strom in der Wechselrichterschaltung (d. h. der Laststrom) von einem Thyristor auf den anderen übergehen kann, damit das Wechselstromausgangssignal geliefert wird. Eine gewisse endliche Zeit ist für die Thyristorkommutierung und die Stromübergabe erforderlich. Diese Zeit ist zwar von einer Anzahl von Systemkohstanten und -variablen abhängig, wie im folgenden kurz erläutert, großen Teils ist sie jedoch von der gegenseitigen Beziehung zwischen der Kapazität der Kommutierungskondensatoren und dem Wert des Wechselrichter- oder Laststroms abhängig.

Es ist bekannt, daß die maximale Frequenz, die ein gesteuertes Wechselrichtersystem erreichen kann, in Beziehung zu der Zeit steht, die für die Kommutierung des Stroms von einem Zweig der Wechselrichterschaltung zu dem anderen Zweig in der Kommutierungsgruppe des Wechselrichters erforderlich ist. Die Gesamtzeit, die für diese Kommutierung erforderlich ist, ist die Summe aus zwei Zeiten t₁ und t_/ wobei gilt:

C(V .- E sinoC)
t , _£i ^m und (1)

¹Cl

_{t =} ir Vlc ₍₂₎

² 2
worin:

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— ΊΟ. = Kapazität des Konunutierungskondensators

V . = Anfangsspannung auf dem Kondensator

; E_m = Scheitelwert der Motor-EMK

cC = Phasenwinkel für das Leitendmachen der Thyristoren ] (180° bis 270° für Motorbetrieb)

) I- = Strom, der kommutiert wird, und

L = Motorstreureaktanz.

/ Aus der obigen Gleichung (2) ist zu erkennen, daß die; Hi; it.

I /z*^ tj für einen bestimmten Motor eine Konstante ist, nachdem die Kommutierungskapazität gewählt worden ist. Die Zeit t₁ ist

,5 ■ '

3 eine Variable, die von den Spannungen und dem Strom abhängig

I ist, welche in dem System vorhanden sind, wie durch die

^! Gleichung (1) gezeigt. Aus diesen Gleichungen ist zu erken-

nen, daß die Frequenzgrenze für den Antrieb bei einem sehr

'!: niedrigen Drehmoment oder einem Drehmoment mit dem Wert null

jj am schwierigsten ist, wenn der von dem Motor aufgenommene

; Strom nur der Magnetisierungsstrom ist, der dem Motor zugeführt wird. Daher steigt die Zeit t., wenn das Glied I, im [ Nenner kleiner wird, und der Zähler wird größer, wenn °L

* gleich 270° ist und gilt sinoC = (-1). Das verbleibende

Glied im Zähler der Gleichung (1) ist die Kommutierumjsi ^** kapazität C. Dieser Wert wird üblicherweise gewählt, um

andere Entwurfskriterien innerhalb des Gesamtsystems zu "ι erfüllen, nämlich die Scheitel spannung in der Schaltung,

-i die gegeben ist durch:

V_c = I₀VTTc"- E_msinoL (3) litt normalen Entwurf wird der Wert von C bei dem Zustand maximalen Drehmoments gewählt, in welchem I, maximal ist, um den Wert von V_ auf einen Wert zu begrenzen, der mit den Leistungshalbleiterspannungsnennwerten und mit den Motorisolationswerten kompatibel ist. Ein Antriebssystem, das ein hohes maximales Drehmoment und ein niedriges Drehmoment. bei hoher Drehzahl erfordert, stellt daher ein Problem dar,

weil beide Kriterien durch denselben Wert C des Kondensators erfüllt werden müssen.

Aus obigen Darlegungen ist zu erkennen, daß grundsätzlich die erforderliche Kapazität um so größer ist, je größer der maximale Strom ist, der kommutiert werden muß. Außerdem ist die Kommutierungszeitspanne um so größer, je größer die Kapazität ist. Da jedoch, wie angegeben, die Kondensatoren festgelegt sind, nachdem der Entwurf des Wechselrichters feststeht, ist leicht einzusehen, daß das System in seiner maximalen Frequenz insbesondere während Perioden geringer Motorbelastungen, wenn der Strom auf einem relativ niedrigen Wert ist, begrenzt werden kann. Die Verwendung von größeren Kondensatoren, die für Zustände starker Belastungen erforderlich sind, begrenzt die Betriebsfrequenz des Systems insbesondere bei geringen Belastungen. Da die Größe der Kondensatoren außerdem die zulässige Scheitelspannung des Systems begrenzt, beinhaltet die Wahl der Kondensatoren normalerweise einen gewissen Kompromiß zwischen der maximalen Betriebsfrequenz und den Scheitelspannungen. Dieses Problem ist in der Industrie bereits erkannt worden und ist viel ausführlicher in der Literatur erläutert. Als Beispiele dafür seien genannt "Transfer Function of a Controlled-Current Inverter With Purely Inductive Load", William McMurray, Konferenzbericht, Industry Applications Society, IEEE-IAS-1978, Jahrestreffen, S. 546 - 549, und "Commutation Modes of a Current-Source Inverter", W. Lienau, Control in Electronics and Electrical Drives, 2. IFAC-Symposium, Copyright 1977, S. 219 - 299 (Pergamon Press).

Im Stand der Technik ist eine Anzahl von Schemata vorgeschlagen und benutzt worden, um die maximale Betriebsfrequenz eines Antriebssystems mit gesteuertem Wechselrichter zu vergrößern. Zumindest in der Mehrzahl dieser Fälle be-

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stand die Gesamtauswirkung darin, das Ausmaß an für die Kommutierung erforderlicher Zeit zu verringern. Bekannte Verfahren zum Erzielen dieser Funktion beinhalten Rücksetzschaltungen, die benutzt werden, um einen zusätzlichen Strom während des Kommutierungsintervalls zu erzeugen, wobei dieser Strom nicht über den Motor fließt. Dieses Verfahren erfordert zusätzliche Schaltungskomponenten, um die Rücksetzströme zu handhaben, und ein Beispiel dieses Verfahrens findet sich in der US-PS 3 733 543 aus dem Jahre 1973. Ein weiteres Verfahren besteht darin, die Spannung an den Kommutierungskondensatoren zu klemmen oder zu begrenzen. Das ermöglicht, den Kommutierungskondensator relativ klein zu machen, um die Kommutierungszeit zu verkürzen, es erfordert aber auch zusätzliche Schaltungskomponenten zum Absorbieren der Kommutierungsenergie, wenn die Kondensatorspannung begrenzt wird. Es ist außerdem bekannt, eine induktive Last parallel zu dem Motor während Perioden hoher Drehzahl und geringer Belastung vorzusehen, um so den Wechselrichterstrom zu vergrößern und damit die Kommutierungszeit zu verkürzen. Wiederum sind zusätzliche Schaltungskomponenten erforder lieh, um die zusätzliche Last zu geeigneten Zeiten in den Stromkreis zu schalten und wieder wegzuschalten.

Es ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung und ein Verfahren zum Steuern eines Wechselstrommotors durch die Verwendung von parallel geschalteten, gesteuerten Wechselrichterschaltungen zu schaffen.

Es soll weiter ein Antriebssystem mit einem über gesteuerte Wechselrichter gespeisten Elektromotor geschaffen werden, bei dem ein Betrieb mit hoher Motordrehzahl bei niedriger Belastung möglich ist.

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- ίο -

Die Anordnung und das Verfahren nach der Erfindung sollen in Fällen verwendbar sein, in denen der Lastbedarf mehrere Wechselrichter erfordert, sie sollen aber auch bei sämtlichen Antrieben mit über gesteuerte Wechselrichter gespeisten Motoren verwendbar sein.

Diese Aufgabe wird bei der Anordnung und dem Verfahren nach der Erfindung mit Hilfe der Verwendung eines Antriebssystems mit einem Motor, dessen Strom gesteuert wird, gelöst, das eine erste und eine zweite parallel geschaltete Wechselrichterschaltung hat, die an einen einzelnen Elektromotor elektrische Leistung steuerbarer Frequenz und Größe abgeben. Gemäß der Erfindung werden die Wechselrichterschaltungen auf passende Eingangssignale hin, die den Sollwert des Motorbetriebes darstellen, einzeln gesteuert, und es wird abgefühlt, wann die Motordrehmomenterfordernisse unter einem vorbestimmten Wert und über einer vorbestimmten Drehzahl liegen. Auf dieses Abfühlen hin wird ein Signal geliefert, welches die Erwünschtheit des Umschaltens der Systembetriebsart anzeigt, und auf das Vorhandensein dieses Betriebsartumschaltsignals hin wird eine der Wechselrichterschaltungen unwirksam gemacht, wodurch der gesamte Leistungsbedarf des Motors durch weniger als die gesamte Anzahl von Wechselrichtern innerhalb des Gesamtsystems gedeckt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines typischen Antriebssystems mit einem gesteuerten Wechselrichter, das bekannt ist und das Verständnis der Erfindung erleichtert,

Fig. 2 ein Schaltbild, das die Speisung eines ein-

3 1 A O O 1 7

zelnen Motors mittels parallel geschalteter, gesteuerter Wechselrichterschaltungen veranschaulicht, und

Fig. 3 ein Schaltbild, teilweise in Blockform, das

die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.

Zunächst wird auf Fig. 1 Bezug genommen, die ein typisches bekanntes Antriebssystem mit einem gesteuerten Wechselrichter zeigt. Gemäß Fig. 1 enthält das System eine Que]]e 12 veränderbaren Gleichstroms, die einen Stromrichter 11 unter der Steuerung einer geeigneten Steuereinrichtung 13 enthält. Ein Strom I_D_ wird von der Quelle 12 über einen Gleichstromzwischenkreis, der ein geeignetes Filter (z.B. eine Drossel 17) zum Glätten des Gleichstroms aus der Quelle 12 enthält, an eine geeignete Wechselrichterschaltung 14 abgegeben, die einen Stromrichter 15 enthält, der unter der Steuerung einer Wechselrichtersteuereinrichtung 16 steht. Das Ausgangssignal der Wechselrichterschaltung 14 wird an eine Last abgegeben, die in Fig. 1 als ein Motor 18 dargestellt ist.

Die Gleichstromquelle 12 kann irgendeine von mehreren verfügbaren Gleichstromquellen sein, beispielsweise ein lUeichstromzerhacker, dessen Eingangsklemmen an eine nichtgesLeuerte Gleichstromquelle angeschlossen sind. In diesem Fall wäre dio Steuerung eine Zeitverhältnissteuerung. Die Quelle 12 könnte auch irgendeine andere Einrichtung zum Verändern des von einer Gleichstromquelle abgegebenen Stroms enthalten. Üblicherweise wird jedoch die Quelle 12 von dem in Fig. 1 allgemein dargestellten Typ sein, bei dem die Umwandlungseinheit eine phasengesteuerte mehrzweigige Brücke ist, beispielsweise eine 6-Thyristor-Brücke, deren Eingang mit einer dreiphasigen Wechselstromquelle verbunden ist, die durch die Klemmen L-, L₂ und L₃ dargestellt ist. In 1 el/.Lorem

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Fall ist die Steuerung der bekannte Typ von Steuerung, die mit der Netzspannung synchronisiert ist und unter der Steuerung eines Eingangssignals das Ausgangssignal durch Verändern der Zünd- oder Leitungswinkel der Brückengleichrichter auf Eingangssignale an deren Steuerelektroden hin verändert, um dadurch das Quellenausgangssignal zu verändern.

Die Wechselrichterschaltung 14 enthält eine geeignete Umwandlungseinheit 15, die auch von jedem .geeigneten Typ sein kann, bei der es sich aber üblicherweise gegenwärtig ebenfalls um eine bekannte 6-Thyristor-Brücke der in Fig. 2 dargestellten Art handeln wird. Die Betriebsfrequenz der Einheit 15 steht unter der Steuerung der Wechselrichtersteuereinrichtung 16. Eine bekannte Implementierung der Steuereinrichtung 16 würde einen spannungsgesteuerten Oszillator beinhalten, welcher einen Ringzähler speist, dessen Ausgangssignale benutzt werden, um das Zünden (Leitendmachen) der Thyristoren der Brücke einzuleiten. In dieser bekannten Steuerung steuert die Größe des Eingangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators das Wechselrichterfrequenzausgangssignal·.

Das Ausgangssignal der Wechseirichterschaltung 14 wird als ein mehrphasiges Eingangssignal an den Motor 18 angelegt, bei dem es sich vorzugsweise um einen Wechselstrominduktionsmotor handelt. Der Motor 18 empfängt Eingangsleistung mit einer Frequenz gemäß dem Betrieb der Wechselrichterumwandlungseinheit 15 und mit einer Größe, die der Größe des Gleichstromzwischenkreisstroms I, entspricht.

Die Drehzahl des Motors 18 wird durch irgendeine geeignete Einrichtung abgefühlt, wie durch ein Tachometer 20, das, wie durch eine gestrichelte Linie 22 dargestellt, mit dem Motoranker mechanisch verbunden ist. Das Ausgangssignal des Tachometers 20 auf einer Leitung 23 ist ein Signal N, wel-

Oi / q η ι

O I -;· J U I /

- 13 -

ches die Motordrehzahl angibt. Dieses Signal, bildet ein Eingangssignal für andere Teile der im folgenden beschriebenen Steueruchal Lung.

Die Gesamtsteuerung der Gleichstromquelle 12 und der Wechselrichter schaltung 14 erfolgt über eine Systemsteueischaltung, die insgesamt als ein Block 24 dargestellt ist und Signale an die Stromrichtersteuereinrichtung 13 und die Wechselrichtersteuereinrichtung 16 über Leitungen 26 bzw. 28 abgibt. Die Systemsteuerschaltung 24 empfängt mehrere Signale, zu denen diejenigen gehören, die gemäß der Darstellung von einem Parameterblock 30 über eine Leitung 32 geliefert werden und bei denen es sich um die Wechselrichterspannung V , den Motorstrom I , den Fluß Y zwischen dem Ständer und dem Läufer des Motors, das Motordrehmoment T und den Winkel θ zwischen dem Motorfluß und dem Motorstrom handelt. Darüber hinaus empfängt die Systemsteuerschaltung 24 das Drehzahlsignal N, das an dem Ausgang des Tachometers 20 auf der Leitung 23 erscheint, über eine Leitung 33.

Die Systemsteuerschaltung 24 empfängt außerdem ein Drehzahlbezugssignal oder eine Drehzahlführungsgröße T* über eine Leitung 35, wobei es sich um das Ausgangssignal eines Summierpunktes 38 handelt. Eingangssignale des Summierpunktes 38 sind das Ausgangssignal einer geeigneten betätigbaren Steuervorrichtung, die insgesamt mit 36 bezeichnet ist und an den Summierpunkt 38 ein Eingangssignal abgibt, das den Sollwert des Betriebes,beispielsweise die Solldrehzahl,darstellt. Das zweite Eingangssignal des Summierpunktes 38, das an diesen über eine Leitung 34 angelegt wird, ist das Drehzahl signal N. Daß das Signal, das auf der Leitung 35 erscheint, eine gewünschte Änderung im Drehmoment darstellt, ist klar, wenn man sich vergegenwärtigt, daß bezüglich der Drehzahl das

ijignal aus dem Potentiometer 36 die Solldrehzahl und da« Signal N auf der Leitung 34 die Istdrehzahl darstellt, und daß/ wenn die Istdrehzahl unter der Solldrehzahl liegt, zusätzliches Drehmoment erforderlich ist, um den Motor auf die Solldrehzahl zu bringen.

Das in Fig. 1 gezeigte System ist bekannt und in der US-PS 4 230 979 aus dem Jahre 1980 ausführlich beschrieben. Bezüglich einer besonderen Einrichtung zum Erzeugen der Signale ψ, Τ und θ wird auf die US-PS 4 088 934 aus dem Jahre 1978 verwiesen. Zum besseren Verständnis des Gesamtsystems und insbesondere bezüglich Einzelheiten dessen, was insgesamt als Systemsteuerschaltung 24 und als Parameterblock 3 0 dargestellt ist, wird auf diese Patentschriften verwiesen.

Fig. 2 zeigt ein typisches Schema, in welchem mehrere, in vorliegendem Fall zwei, gesteuerte Wechselrichterschaltungen benutzt werden, um eine Last in Form eines einzelnen Motors zu speisen. Die in Fig. 2 dargestellte Schaltungsanordnung ist dem Fachmann geläufig und wird deshalb nur kurz beschrieben. Da die obere und die untere Wechselrichterschaltung den gleichen Aufbau haben, wird nur die obere Schaltung ausführlich beschrieben; die untere Schaltung ist im wesentlichen gleich, was an den mit einem hochgesetzten Strich versehenen Bezugszahlen zu erkennen ist. Gemäß Fig. 2 gibt eine einstellbare Gleichspannungsquelle oder ein Stromrichter 40 (z.B. der in Fig. 1 mit der Bezugszahl 12 bezeichnete) einen Strom I über einen Gleichstromzwischenkreis mit Samme1schienen 45 und 46 und einer Drossel 44 an eine dreiphasige Brückenschaltung ab, die aus der ersten Wechselrichterschaltung besteht, welche innerhalb des gestrichelten Blockes 42 gezeigt ist. Das

ι 4 CJ υ I 7

Ausgangssignal der ersten Wechselrichterschaltung 4 2 bildeL ein Eingangssignal einer Last in Form eines Motors 49, wie dargestellt. Die Wechselrichterschaltung 4 2 enthält drei gesteuerte Gleichrichter 50, 52 und 54 im positiven Zweig, deren Anoden mit der Sammelschiene 45 und deren Katoden mit den Anoden von drei Dioden 56, 58 bzw. 60 verbunden sind, von welch letzteren die Katoden mit drei Ausgangsschaltuncjspunkten 80, 82 bzw. 84 verbunden sind. Außerdem sind mit den Ausgangsschaltungspunkten 80, 82 und 84 die Anoden von drei Dioden 68, 70 bzw. 72 verbunden, von welchen die Katoden mit den Anoden von drei gesteuerten Gleichrichtern 62, 64 bzw. 66 im negativen Zweig verbunden sind. Die Katoden der letztgenannten drei Gleichrichter sind mit der anderen Gleichstromsammelschiene 46 verbunden.

Geeignete Kommutierungskondensatoren sind zwischen die Thyristoren innerhalb der Wechselrichterschaltung geschaltet. Gemäß Fig. 2 ist ein Kommutierungskondensator 70 zwischen die Katoden der Thyristoren 50 und 52 geschaltet, während ein zweiter Kommutierungskondensator 72 zwischen die Katoden der Thyristoren 52 und 54 geschaltet ist. Ein dritter Kommutierungskondensator 74 ist zwischen die Katoden der Thyristoren 50 und 54 geschaltet. Auf gleiche Weise sind Kommutierungskondensatoren 76, 78 und 79 zwischen die Anoden der Thyristoren 62, 64 bzw. 66 des negativen Zweiges geschaltet. Der Einfachheit halber sind die Steuereinrichtungen der verschiedenen Thyristoren der Schaltung 42 nicht dargestellt worden, weil sie bekannt und in Fig. 1 allgemein dargestellt sind. Die erste Wechselrichterschaltung 42 gibt ein Ausgangssignal an den Schaltungspunkten 80, 82 und 84 über Leitungen 90, 92 bzw. 94 an den Motor 49 ab. Ebenso gibt die zweite Wechselrichterschaltung 42' Ausgangssignale über Leitungen 90', 92' bzw. 94' an denselben Motor 49 ab. Die Darstellung in Fig. 2 ist bekannt, weshalb sich eine weitere Beschreibung erübrigt. Es

sei jedoch angemerkt, daß es auch bekannt ist, daß die beiden Wechselrichterschaltungen synchron oder mit gegenseitiger Phasenverschiebung betrieben werden können, um eine Leistungsfaktorsteuerung vorzunehmen, was ebenfalls bekannt ist. Als letzter Punkt sei angemerkt, daß zwar nur "IiinzGlmotoren" (49 in Fig. 2 und 18 in Fig. 1) dargestellt sind, daß jedoch darunter in allen Fällen einschließlich des unten erläuterten Falles in Fig. 3 allgemein eine Last in Form eines oder mehrerer Motoren verstanden werden soll. Bei dieser Last kann es sich nämlich in Wirklichkeit um einen Einzelmotor mit einer einzelnen Gruppe von Wicklungen, um einen Motor mit mehreren Gruppen von Wicklungen oder um mehrere einzelne Motoren irgendeines Typs handeln kann, die mit den Ausgängen der Wechselrichterschaltungen verbunden sind.

Es wird nun auf Fig. 3 Bezug genommen, die die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeigt. Es ist unmittelbar ersichtlich, daß zwischen Fig. 3 und Fig. 1 viel Ähnlichkeit besteht, insbesondere unter Berücksichtigung der Erläuterung von Fig. 2. Es werden deshalb, soweit praktisch möglich, die in Fig. 1 benutzten Bezugszahlen auch in Fig. 3 benutzt. Ebenso werden wie in Fig. 2 auch Bezugszahlen mit einem hochgesetzten Strich benutzt, wenn es sich um die gleichen Schaltungsanordnungen handelt. In Fig. wird wieder ein Motor 18 mit elektrischer Energie aus einer We-'hselrichteranordnung gespeist, die (wie in Fig. 1) eine veränderbare Gleichstromquelle 12 aufweist, welche über einen Gleichstromzwischenkreis, der eine Drossel. 17 enthält, mit einer Wechselrichterschaltung 14 verbunden ist. Auf die oben mit Bezug auf Fig. 2 beschriebene Weise enthält eine zweite Speiseeinrichtung des Motors 18 eine veränderbare Gleichspannungsquelle 12', die eine geeignete Wechselrichterschaltung 14' über einen Gleichstromzwischen-

Q 1 O ι

1 / η η 1

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- 17 -

kreis 17" speist. Die beiden Wechselrichterschaltungen können entweder synchron oder phasenverschoben gesteuert werden, wie oben mit Bezug auf Fig. 2 erläutert. Die Motordrehzahl wird durch eine geeignete Einrichtung erfaßt, bei der es sich im vorliegenden Fall um ein Tachometer 20 handelt, welches ein Drehzahlsignal N auf einer Leitung 2 3 liefert, das über die Leitung 21 an den Systemparameterblock 30 und über die Leitung 33 an die Systemsteuerschaltuny 24 abgegeben wird. Darüber hinaus wird das Drehzahlsiynal über die Leitung 34 an den Summierpunkt 38 abcjegeben, dor außerdem ein Eingangssteuersignal aus einer geeigneten sieuerquelle 36, beispielsweise einem Potentiometer, emplriincji., wie weiter oben beschrieben. Das Ausgangssignal des Summierpunktes 38, ein Drehmomentbezugssignal oder eine Drehmomentführungsgröße T*, wird über die Leitung 35 an die Systemsteuerschaltung 24 angelegt, welche Ausgangssignale über die Leitungen 26 und 28 jeweils an eine von mehreren Stromquellen für den Motor auf die angegebene Weise abgibt. In dieser Beziehung ist die Steuerung der ersten Stromquelle für den Motor 18, die die Quelle 12 und die Wechselrichterschaltung 14 enthält, mit der oben mit Bezug auf Fig. 1 beschriebenen identisch. Ebenso liefert, wenn sich der Molorbetrieb in dem normalen Bereich befindet, d.h. wenn fin beträchtliches Drehmoment bei Drehzahlen verlangt wird, die nicht zu groß sind, die Systemsteuerschaltung 24 Ausgangssignale über Leitungen 100 und 103 zu der Stromrichtersteuereinrichtung 13' und der Wechselrichtersteuereinrichtung 16', um die zweite Stromquelle für den Motor auf mit Bezug auf Fig. 2 beschriebene Weise zu steuern (d.h. entweder in Synchron- oder in Phasenverschiebungsbetriebsart) . Bei der Stromrichtersteuereinrichtung 13' wird das Signal auf der Leitung 100 über ein Niedrigstwertgatter 102 angelegt, das für den Augenblick so betrachtet werden kann, als ließe es lediglich das Signal auf der Leitung

durch; weiter unten wird auf dieses Gatter noch näher eingegangen .

Bei dem Hauptverwendungszweck der Erfindung handelt es sich, wie weiter oben angegeben, um diejenigen Fälle, in denen der Motor 18 gering belastet ist (d.h. ein niedriges Drehmoment liefert und deshalb einen niedrigen Strom benötigt) und die erforderliche Drehzahl hoch ist. Dieser Zustand kann, wie eingangs erläutert, ernste Probleme hinsichtlich der wirksamen Kommutierung der Thyristoren innerhalb der Wechselrichterschaltungen 15 und 15' schaffen.

Es ist, wie oben dargelegt, Zweck der Erfindung, dieses Kommutierungsproblem zu mildern, indem eine der den Motor 18 speisenden Wechselrichterschaltungen unwirksam gemacht wird, so daß weniger als die Gesamtzahl der für die Deckung des gesamten Motorbedarfes verfügbaren Schaltungen wirksam ist, um so die Stromwerte in den wirksamen Wechselrichterschaltungen zur effizienteren Kommutierung zu vergrößern. Zu diesem Zweck wird gemäß Fig. 3 das aus dem Summierpunkt 38 kommende Signal T* an eine Absolutwertschaltung 104 angelegt, so daß deren Ausgangssignal J T*J , das die Absolutgröße des Drehmomentbezugssignals darstellt, über eine Leitung 106 als ein Eingangssignal an eine geeignete Vergleicherschaltung 108 angelegt wird. Das zweite Eingangssignal der Vergleicherschaltung 108 ist ein Bezugswert-Nr.-2-Spannungssignal, welches einen vorbestimmten Mindestdrehmomentwert darstellt. Der Vergleicher 108 wird daher ein Ausgangssignal (ein "verringertes Drehmomenf-Signal) an seinem Ausgang 110 liefern, wenn der Drehmomentbedarf des Systems unter einen vorbestimmten Wert fällt. Das "verringertes Drehmomenf-Signal auf der Ausgangsleitung 110 bildet ein Eingangssignal eines UND-Gatters 112. Das zweite Eingangssignal des UND-Gatters 112 ist

:": : 3U9017

das Ausgangssignal (ein Uberdrehzahl-Signal) eines zweiten Vergleichers 114, welcher als ein Eingangssignal ein Bezugswert-Nr.-1-Spannungssignal hat, welches eine vorbostimmte Motordrehzahl darstellt, bei welcher Konunut.icruiHjwpi ob I (.-im* bei geringen Motorbelastungen aufzutreten beginnen könnten. Das zweite Eingangssignal des Vergleichers 114 ist das Ausgangssignal einer zweiten Absolutwertschaltung 116, deren Eingangssignal das Drehzahlsignal N ist. Das Ausgangssignal JN| der Absolutwertschaltung 116 stellt die absolute Drehzahl des Motors ohne Rücksicht auf die Drehrichtung dar. Dieses Signal erscheint auf einer Leitung 118 als zweites Eingangssignal des Vergleichers 114.

Das Ausgangssignal des UND-Gatters 112 wird hier als Betriebsartumschaltsignal bezeichnet, weil es eine Umschaltung der Betriebsart des Systems bewirkt und erstens ein Eingangssignal eines geeigneten Ubergangsfunktionsblockes 120 bildet, dessen Ausgangssignal, wie dargestellt, sofort von einem gewissen hohen Wert auf einen niedrigen Wert abnehmen wird, wenn das Betriebsartumschaltsignal aus dem UND-Gatter 112 beispielsweise von einem Binärwert 0 auf einen Binärwert 1 geht. Wenn das Betriebsartumschaltsignal in der entgegengesetzten Richtung geht, d.h. von einem Binärwert 1 auf einen Binärwert O, wird das Ausgangssignal des Blockes 120 auf einen vorgeschriebenen Wert linear ansteigen. Das Ausgangssignal des Blockes 120 bildet ein zweites Eingangssignal an dem oben erwähnten Niedrigstwertgatter 102. Das Niedrigstwertgatter 102 ist eine bekannte Schaltung, die den niedrigeren Wert der beiden an sie angelegten Eingangssignale durchlassen wird, in diesem Fall den niedrigeren von den über die Leitungen 100 und 122 angelegten Werten.

Das von dem UND-Gatter 112 abgegebene Betriebsartumschaltsignal dient außerdem als ein Eingangssignal eines Funkti-

onsblockes 124, der ein Ausgangssignal entsprechend seinem Eingangssignal liefert, aber eine Verzögerung erzeugt, wenn der Wert des Eingangssignals fällt. Das heißt, wenn das Ausgangssignal des Gatters 112 auf einen Binärwert 1 geht, wird das Signal sofort durchgelassen, aber, wenn es von einem Binärwert 1 auf einen Binärwert O geht, wird das Ausgangssignal verzögert. Das Ausgangssignal des Blockes 124 wird über eine Leitung 126 an die Wechselrichtersteuereinrichtung 16" angelegt und dient dazu, wenn es in seinem Binärzustand 1 ist, den Betrieb der Wechselrichterschaltung 15' auf geeig-. nete Weise zu blockieren, beispielsweise durch Wegschalten der Steuersignale von den Thyristoren dieser Schaltung.

Vorstehende Beschreibung zeigt, daß das UND-Gatter 112 ein Ausgangssignal mit dem Binärwert O so lange liefern wird, wie das Drehmomentsignal auf der Leitung 106 und das Drehzahlsignal aus dem Tachometer 20, welches auf der Leitung 34 erscheint, oberhalb bzw. unterhalb von vorbestimmten Werten sind. Wenn diese Signale entgegengesetzte Erfordernisse darstellen, d.h. ein niedriges Drehmoment und eine hohe Drehzahl, wird das Ausgangssignal des UND-Gatters 112 einen Binärwert 1 haben. Wenn das von dem UND-Gatter 112 abgegebene Betriebsartumschaltsignal auf einen Binärwert 1 geht, der das Erfordernis eines niedrigen Drehmoments und einer hohen Drehzahl anzeigt, wird die erste Auswirkung für den eine Verzögerung beim Abfall erzeugenden Block 124 darin bestehen, daß er ein Signal mit dem Binärwert 1 über die Leitung 126 zu der Wechselrichtersteuereinrichtung 16' durchläßt, um sofort zu bewirken, daß diese Steuereinrichtung das Ansteuern der Thyristoren der Wechselrichterschaltung 15' stoppt. Gleichzeitig wird das Ausgangssignal des UND-Gatters 112 über den Übergangsblock 120 bewirken, daß ein Niedrigstwertsignal auf der Leitung 122 von dem Niedrigstwertgatter 102 durchgelassen wird, damit die Stromrichter-

einrichtung 13' sofort in einen voll negativen Betrieb geht, um den Strom I _ in der Drossel 17' schnell auf null zu verringern. Es ist somit zu erkennen, daß, wenn eine Betriebsart mit niedrigem Drehmoment und hoher Drehzahl für den Motor 18 erforderlich ist, das dargestellte zweite Sys Loin, das mit einem hochgesetzten Strich versehene Bezugszahlen tiäijl, unwirksam gemacht wird und der gesamte Leistungsbedarf des Motors 18 durch die übrigen Stromquellen innerhalb des Gesamtsystems gedeckt wird.

Wenn der Systemdrehmomentbedarf zugenommen hat und/oder der Drehzahlbedarf abgenommen hat und eine wirksame Kommutierung der Thyristoren der inaktivierten Systeme möglich ist, wird das Ausgangssignal des UND-Gatters auf einen Binärwert O gehen. Dieser Wert des Betriebsartumschaltsignals wird an den Übergangsfunktionsblock 120 angelegt und wird bewirken, daß das Ausgangssignal dieses Blockes linear anzusteigen beginnen wird, wie dargestellt. Wenn das Signal auf der Leitung 122 das auf der Leitung 100 übersteigt, wird die Steuerung der Gleichspannungsversorgung 11' wieder an die Systemsteuer schaltung 24 übergeben, wie zuvor. Nach einer kurzen Verzögerung wird dasselbe Signal mit dem Binärwert O aus dem UND-Gatter 112 von dem Block 124 durchgelassen und wird auf der Leitung 26 erscheinen, um so zu gestatten, daß die Steuerung der Wechselrichterschaltung 14' wieder an die Systemsteuerschaltung 24 in Abhängigkeit von dem Steuersignal auf der Leitung 103 übergeben wird.

Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß, wenn der Drehmomentbedarf und der Drehzahlbedarf des Motors 18 innerhalb vorgeschriebener Grenzen liegen, die Systemsteuerschaltung 24 die Steuerung des Motors auf der Basis der mehreren Versorgungssysteme vornehmen wird, und daß, wenn der Drehmoment-

bedarf und der Drehzahlbedarf außerhalb dieser vorgeschriebenen Grenzen liegen, weniger als die Gesamtzahl von Systemen wirksam sein wird.

Es sind zwar nur zwei parallel geschaltete Motorversorgungen dargestellt worden, es ist jedoch ohne weiteres klar, daß weitere Versorgungen gleichermaßen verwendet werden könnten und daß die Versorgungen nacheinander unwirksam gemacht werden könnten, indem die Bezugswerte, die den das verringerte Drehmoment und die überdrehzahl angebenden Signalen entsprechen, geeignet skaliert werden. Die Veränderung in den möglichen Motorbelastungen ist erläutert worden.

Claims

Patentansprüche :

^^Antriebssystem mit einem über mehrere parallele Wechselrichterschaltungen mit elektrischer Leistung steuerbarer Frequenz und Größe gespeisten Elektromotor, gekennzeichnet durch:

Einrichtungen (16, 16') zum individuellen Steuern der Wechselrichterschaltungen (15, 15') auf Eingangssignale hin, die einen Sollwert des Motorbetriebes darstellen;

Einrichtungen (20, 108, 112, 114) zum Abfühlen, wann der Motorleistungsbedarf unter einer vorbestimmten Belastung und über einer vorbestimmten Drehzahl j st, um daraufhin ein Betriebsartumschaltsignal abzugeben ; und

Steuereinrichtungen (24, 120, 124), die auf das Betriebsartumschaltsignal hin weniger als die Gesamtzahl der

Wechselrichterschaltungen während des Vorhandenseins
des Betriebsartumschaltsignals wirksam machen, wodurch
der gesamte Motorleistungsbedarf durch weniger als die
Gesamtzahl der Wechselrichterschaltungen (15, 15') gedeckt wird.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Antrieb nur zwei Wechselrichterschaltungen (15, 15") enthält und daß das Betriebsartumschaltsignal bewirkt, daß nur \ eine der Wechselrichterschaltungen unwirksam gemacht wird. i
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, ! daß die Steuereinrichtungen (24, 12Q, 124) weiter auf das : Nichtvorhandensein des Betriebsartumschaltsignals anspre- _t chen, um zu gestatten, daß die Gesamtzahl der Wechselrich-

terschaltungen (15, 15') wirksam ist und elektrische Leistung an den Motor (18, 49) abgibt. \
4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, in welchem der \ Motor (18, 49) ein mehrphasiger Wechselstrommotor ist, da- ? durch gekennzeichnet, \ daß die parallel geschalteten, gesteuerten Wechselrich- ^f terschaltungen (15, 15') jeweils mehrere elektrischen

Strom leitende Zweige haben, wobei jeder Zweig eine |

gesteuerte Gleichrichtervorrichtung (50-66, 50'-66') ϊ

und wenigstens einen zugeordneten Kommutierungskon- \

densator (70-78, 70'-78') enthält und wobei die Wech- f

selrichterschaltungen an den Motor (18, 49) während (

einer ersten Motorbetriebsart gemeinsam elektrische
Leistung abgeben;

daß Einrichtungen (4 0, 40') vorgesehen sind, die an
jede der Wechselrichterschaltungen Gleichstromleistung veränderbarer Größe abgeben; { daß die Einrichtungen (20, 108, 112, 114) zum Ab-

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fühlen, wann der Motor mit einer Drehzahl arbeitet, die über einem vorbestimmten Wert liegt, ein dazu proportionales Überdrehzahlsignal liefern und Einrichtungen enthalten zum Abfühlen, wann das erforderliche Drehmoment, welches der Motor abgibt, unter einem vorbestimmten Wert liegt, um ein dazu proportionales "verringertes Drehmoment"-Signal abzugeben; und eine Einrichtung, die auf das überdrehzahlsignal und das "verringertes Drehmoment"-Signal anspricht und ein Betriebsartumschaltsignal abgibt, welches bewirkt, daß weniger als die gesamte verfügbare Zahl der Wechselrichterschaltungen an den Motor elektrische Leistung während einer zweiten Motorbetriebsart abgibt.
5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (112), die das Betriebsartumschaltsignal liefert, weiter bewirkt, daß das System bei NichtVorhandensein entweder des Uberdrehzahlsignals oder des "verringertes Drehmoment "-Signals in die erste Betriebsart versetzt wird.
6. Verfahren zum Ausdehnen des Drehzahlbereiches des Motors in einem Wechselstrommotorsteuersystem, in welchem mehrere einzeln betreibbare, gesteuerte Wechselrichterschaltungen benutzt werden, auf höhere als normale Werte bei niedrigen Motorbelastungen, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Abgeben von elektrischer Leistung an den Motor unter Verwendung der Wechselrichterschaltunqen während einer ersten Betriebsart;

Abfühlen, wann das erforderliche Drehmoment und die erforderliche Drehzahl des Motors so sind, daß der Motor in eine potentiell instabile Betriebsart versetzt wird, um daraufhin ein Betriebsartumschaltsignal zu liefern; und
Unwirksammachen wenigstens einer der Wechselrichter-

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schaltungen auf das Betriebsartumschaltsignal hin, wodurch der Gesamtleistungsbedarf des Motors durch weniger als die gesamte verfügbare Anzahl von Wechselrichterschaltungen in einer zweiten Betriebsart gedeckt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet_r daß der Schritt des Abfühlens und Lieferns eines Betriebsartumschaltsignals folgende Schritte beinhaltet:

Abfühlen, wann die erforderliche Drehzahl höher als ein vorbestiminter Wert ist, um ein Überdrehzahlsignal zu bilden;

Abfühlen, wann das erforderliche Drehmoment unter einem vorbestimmten Wert ist, um ein "verringertes Drehmoment "-Signal zu bilden; iind Liefern des Betriebsartumschaltsignals, wenn das Uberdrehzahlsignal und das "verringertes Drehnioment"-Signal gleichzeitig auftreten-
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor durch zwei Wechselrichterschaltungen gespeist wird und daß auf das Betriebsartumschaltsignal hin eine der Wechselrichterschaltungen unwirksam gemacht wird, wodurch der Gesamtleistungsbedarf des Motors durch die andere Wechselrichterschaltung gedeckt wird.