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DE3015109A1 - Wechselrichtersystem variabler frequenz mit kommutierungsfehlerabtastung und -korrektur sowie verfahren dafuer - Google Patents

Wechselrichtersystem variabler frequenz mit kommutierungsfehlerabtastung und -korrektur sowie verfahren dafuer

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Publication number
DE3015109A1
DE3015109A1 DE19803015109 DE3015109A DE3015109A1 DE 3015109 A1 DE3015109 A1 DE 3015109A1 DE 19803015109 DE19803015109 DE 19803015109 DE 3015109 A DE3015109 A DE 3015109A DE 3015109 A1 DE3015109 A1 DE 3015109A1
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DE
Germany
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direct current
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controlled
current
feedback signal
Prior art date
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Application number
DE19803015109
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English (en)
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DE3015109C2 (de
Inventor
Loren Haines Walker
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by General Electric Co filed Critical General Electric Co
Publication of DE3015109A1 publication Critical patent/DE3015109A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE3015109C2 publication Critical patent/DE3015109C2/de
Granted legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS 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
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/38—Means for preventing simultaneous conduction of switches
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS 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
    • H02M5/00—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/40—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into DC
    • H02M5/42—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into DC by static converters
    • H02M5/44—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into DC by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate DC into AC
    • H02M5/443—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into DC by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate DC into AC using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means
    • H02M5/45—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into DC by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate DC into AC using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only
    • H02M5/4505—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into DC by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate DC into AC using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only having a rectifier with controlled elements

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Description

Beschreibung
Wechselrichtersystem variabler Frequenz mit Kommutierungsfehlerabtastung und -korrektur sowie Verfahren dafür.
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Wechselrichtersysteme und betrifft insbesondere ein Wechselrichtersystem zum Abgeben von elektrischer Leistung an einen Motor, das eine neue Schaltungsanordnung für das Erkennen und Korrigieren von Kommut ierungs fehlem, die häufig und üblicher als "Durchschüsse" (Kurzschlüsse ) bezeichnet werden, enthält.
Die einstellbare Stromrichtereinheit, die gegenwärtig am populärsten ist, sei es zur Umformung von Gleichstrom in Wechselstrom oder von Wechselstrom in Gleichstrom, enthält eine Brückenanordnung von steuerbaren Gleichrichtern. Der heutzutage meistens verwendete gesteuerte Gleichrichter ist vom Halbleitertyp und unter der Gattungsbezeichnung "Thyristor" bekannt, wobei dessen üblichste Form der ge-
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steuerte Siliciumgleichrichter ist. In dem übrigen Teil der Beschreibung wird der Ausdruck "Thyristor" im Sinne dieses Gattungsbegriffes benutzt, der allgemein gesteuerte Gleichrichter umfassen soll. Die dreiphasige Version der Stromrichtereinheit enthält normalerweise sechs Thyristoren in der üblichen Brückenanordnung, so daß zwei in Reihe geschaltete Thyristoren in jedem der drei Zweige angeordnet sind. Diese Thyristoren werden in einer vorgeschriebenen Reihenfolge normalerweise leitend gemacht, um die Abgabe von Leistung aus der Quelle an die Belastung zu steuern. Es gibt jedoch Fälle, in denen ein oder mehrere Thyristoren nicht zur richtigen Zeit kommutieren oder abschalten, was zu einem unrichtigen leitenden Zustand führt. Von der Gleichstromseite der Brücke her betrachtet gibt es, wenn ein Thyristor nicht richtig kommutiert, einen direkten Kurzschluß an den Gleichstromsammelschienen, weil beide Thyristoren eines Zweiges in dem leitenden Zustand sind. Das ist als Kommutierungsfehler oder, üblicher, als Durchschuß bekannt.
Es gibt für Durchschüsse viele Ursachen, aber ungeachtet des Ursprungs ist die schließliche Ursache das Unvermögen des Thyristorstroms, auf einen Wert abzunehmen, bei dem der Thyristor zu leiten aufhört. Die Auswirkung des Durchschusses auf die Systemleistungsfähigkeit ändert sich mit dem verwendeten Wechselrichtertyp. In dem Fall eines Spannungsquellenwechselrichters erfordert ein Durchschuß im allgemeinen, daß der Wechselrichter abgeschaltet wird. In einem Stromquellenwechselrichter gibt es, solange der Durchschuß von kurzer Dauer ist, gewöhnlich keine nachteilige Auswirkung auf den Thyristor oder auf die Gesamtsteuerung der an die Belastung abgegebenen Leistung. Die Mehrzahl, wenn nicht gar die meisten Systeme, enthalten deshalb eine Art von Durchschußschutz, um einen Durchschuß zu erkennen und korrigierend einzugreifen, wenn dieser bevorsteht oder bereits erfolgt ist. Dieser schützende Eingriff
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kann auf -vielfältige Weise erfolgen, wobei der Endzweck aber immer darin besteht, den Thyristorstrom auf einen Punkt zu verringern, wo der Thyristor zu leiten aufhört. Die Form des besonderen Systems wird häufig in großem Ausmaß durch die Art der Umformbrücke und deren Steuerung sowie oder zusätzlich durch die Art der Belastung selbst festgelegt. Viele derartige Schutzanordnungen sind sehr kompliziert und damit teuer. Das gilt insbesondere in sehr eng oder sehr genau gesteuerten Systemen, in der Vorgriffsanordnungen benutzt werden, um zu versuchen, einen beginnenden Durchschuß zu erkennen und Gegenmaßnahmen zu ergreifen, bevor der Durchschuß tatsächlich erfolgt. In anderen Anwendungsfällen sind jedoch die Kosten einer sol-, chen Anordnung nicht gerechtfertigt, da das Vorhandensein eines Durchschusses, solange diesem nicht gestattet wird, fortzudauern, die Gesamtsystemleistungsfähigkeit nicht ernstlich beeinflußt. Beispielsweise beeinflussen in extrem großen Motorantrieben, in denen die Trägheit des Systems die Ansprechzeit desselben relativ groß macht, vorübergehende Durchschüsse, die innerhalb eines Teils des Zyklus korrigiert werden, die Gesamtsystemleistungsfähigkeit nicht ernstlich oder nachteilig.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Anordnung für ein frequenzveränderliches, d.h. in der Frequenz einstellbares Wechselrichtersystem zu schaffen, bei denen die Möglichkeit einer Kommutierungsfehlererkennung und -korrektur besteht.
Es ist weiter Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Anordnung zum Erkennen und Korrigieren von Durchschüssen in einem Wechselrichtersystem zu schaffen.
Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Anordnung für das Erkennen und Korrigieren von Kommu-
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tierungsfehlern oder Durchschüssen zur Verwendung bei einem gesteuerten Wechselrichterantrieb für einen Wechselstrommotor zu schaffen.
Ferner sollen ein Verfahren und eine Anordnung für das Erkennen und Korrigieren von Durchschüssen zur Verwendung bei gesteuerten Wechselrichterantrieben für einen Wechselstrommotor geschaffen werden, wobei das Erkennen und Korrigieren durch das Abfühlen der leicht erzielbaren Systembetriebsparameter erfolgen.
Diese Aufgabenstellung sowie die Erzielung weiterer Merkmale werden gemäß der Erfindung durch Schaffung eines Wechselrichtersystems gelöst, das eine gesteuerte Gleichstromquelle enthält, die über einen geeigneten Gleichstromzwischenkreis einen variablen Gleichstrom an eine Wechselrichterschaltung mit variabler Ausgangsfrequenz abgibt. Das System enthält weiter eine Schaltungsanordnung für das Erkennen eines Kommutierungsfehlers oder Durchschusses innerhalb der Wechselrichterschaltung und zum Ergreifen von Abhilf emaßnahmen, um einen solchen Zustand zu korrigieren. Die Schaltungsanordnung und das angewandte Verfahren bestimmen zuerst den Wert des Gleichstroms in dem Zwischenkreis und den Wert des Ausgangsstroms der Wechselrichterschaltung, um zwei Stromrückführungssignale zu liefern, die unter normalen Betriebsumständen des Systems im Absolutwert ungefähr gleich sind. Diese beiden Rückführungssignale werden in einem festen, von eins verschiedenen Verhältnis miteinander verknüpft und dienen zum Erzeugen eines Korrektursignals, wenn sie eine vorgeschriebene Beziehung erreichen, die einen Durchschuß bedeutet. Dieses Korrektursignal wird benutzt, um den Gleichstrom in dem verbindenden Zwischenkreis zu verringern. In der bevorzugten Ausführungsform wird außerdem ein Vorspannungssignal fester Größe mit den beiden Rückführungssignalen verknüpft, um einen
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Rausch- oder tibergangstoleranzbereich zu schaffen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 ein Schaltbild, das die grundlegenden
Schaltungselemente eines Systems zur Umformung von elektrischer Energie zeigt, welches gesteuerte Halbleitergleichrichter oder Thyristoren in bekannter Weise enthält,
Fig. 2 ein Schaltbild, das die grundlegenden
Schaltungselemente eines bekannten gesteuerten Wechselrichters, der bei der Implementierung der Erfindung benutzt werden kann, zeigt,
Fig. 3 ein Schaltbild, teilweise in Form eines
Blockschaltbildes, das die Erfindung in ihrer bevorzugten Ausführungsform zeigt,
Fig. 4 ein Diagramm, das ein bekanntes Ver
fahren der Durchschußerkennung zeigt, und
Fig. 5 ein Diagramm, welches das erfindungsge
mäße Verfahren zur Durchschußerkennung zeigt.
Bevor mit der Beschreibung der Erfindung begonnen wird, erscheint es geeignet, kurz die bekannten Anordnungen zu erläutern, die bei der Erfindung Anwendung finden. Fig. 1 zeigt die grundlegende Form der dreiphasigen Gleichstromenergieumformeinheit 10. Die Einheit 10 hat Gleichstrom-
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Sammelschienen 11 und 12, an denen die Gleichspannung entweder abgegeben oder empfangen wird. Ebenso liefern oder empfangen Wechselstromsammelschienen 13 Wechselstromenergie, je nach der Umformrichtung. Die grundlegende Umformeinheit besteht aus sechs Thyristoren 14 bis 19, die in einer Brückenschaltung angeordnet sind. Bekanntlich bewirkt, wenn Gleichstrom den Sammelschienen 11 und 12 zugeführt wird, das geeignete Zünden oder Leitendmachen der Thyristoren der Brücke, daß eine Wechselspannung an den Samme1schienen 13 erscheint. Umgekehrt, wenn ein Wechselstrom den Sammelschienen 13 zugeführt wird, kann durch geeignete Steuerung der Thyristoren 14 bis 19 der Brücke 10 die Größe der an den Samme1schienen 11 und 12 erscheinenden Gleichspannung gesteuert werden. Diese Steuerung wird normalerweise durch die sogenannte "Phasensteuerung" erzielt, die auf das Leitendmachen der Thyristoren der Brükke zu einem variablen Zeitpunkt innerhalb der angelegten Wechselspannungssinuswelle hinausläuft und durch die die Ausgangsspannung verändert wird.
Fig. 2 zeigt die grundlegende Form eines typischen gesteuerten Wechselrichters, der eine Leistung mit veränderlichem Strom und veränderlicher Frequenz an eine Belastung abgibt. In Fig. 2 wird eine veränderliche Gleichspannung (und somit ein veränderlicher Gleichstrom) über Sammelschienen 21 und 22 (von denen erstere eine Drossel 23 enthält) an die insgesamt mit 20 bezeichnete Wechselrichterschaltung angelegt, die ihrerseits eine veränderliche elektrische Leistung an eine Belastung 26 abgibt, welche, wie dargestellt und wie häufig der Fall, ein Wechselstrominduktionsmotor sein kann. Die Wechselrichterschaltung 20 besteht in der dargestellten dreiphasigen Ausfuhrungsform aus sechs Thyristoren 30 bis 35, welche in einer Grundbrückenschaltung angeordnet sind. Die Thyristoren 30, 31 und 32 bilden den grundlegenden Teil dessen, was üblicherweise als die positive Hälfte der Brücke betrachtet wird, während
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die Thyristoren 33, 34 und 35 den grundlegenden Teil der negativen Seite der Wechselrichterbrücke bilden. Die in Fig. 2 gezeigte Brücke hat drei Zweige, wobei der erste Zweig die Thyristoren 30 und 33 und weiter zwei in Reihe geschaltete Dioden 36 und 39 enthält. In gleicher Weise enthält der zweite Zweig die Thyristoren 31 und 34 und zwei in Reihe geschaltete Dioden 37 und 40, während der dritte Zweig die Thyristoren 32 und 35 und in Reihe geschaltete Dioden 38 und 41 enthält. Kommutierungskondensatoren sind zwischen jedes Diodenpaar geschaltet. Das heißt ein erster Koirunutierungskondensator 44 ist zwischen die Katoden der Thyristoren 30 und 31 geschaltet, während ein Kondensator 45 zwischen die Kathoden der Thyristoren 31 und 32 geschaltet ist. Der dritte Kommutierungskondensator 46 in dem positiven Teil der Wechselrichterschaltung ist zwischen die Katoden der Thyristoren 30 und 32 geschaltet. In gleicher Weise sind Kommutierungskondensatoren 47, 48 und 49 zwischen Paare der Anoden der Thyristoren 33, 34 und 35 geschaltet. Das Durchschalten (Leitendmachen) der Thyristoren 30 bis 35 der grundlegenden Wechselrichterschaltung 2 0 ist eine Funktion von Steuersignalen, die an die Steuerelektroden derselben über geeignete Leitungen angelegt werden, die Signale führen, welche aus einer in Fig. 2 nicht gezeigten Steuerschaltung stammen.
Fig. 3 zeigt die Erfindung in ihrer bevorzugten Ausführungsform. Gemäß Fig. 3 ist eine veränderliche Gleichspannungsquelle 50 vorgesehen, die von dem grundlegenden Typ sein kann, der mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben worden ist. Demnach wird die veränderliche Gleichstromquelle 50 aus einer durch Leitungen L1, L„ und L- dargestellten Wechselstromquelle gespeist. Die Steuerung der Quelle 50 erfolgt über geeignete Eingangsleitungen 52 von einer Gleichstromquellensteuerschaltung 54 aus. Die Art der Gleichstromquellensteuerschaltung 54 wird selbstverständlich von dem Typ der veränderlichen Gleichstromquelle 50 abhängig sein. In dem Fall
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beispielsweise, in welchem die Quelle 50 von dem in Fig. 1 gezeigten Typ ist, sind die Leitungen 52 zu den Steuerelektroden führende Leitungen und die Gleichstromquellensteuerschaltung 54 könnte eine Rampen- und Sockel(ramp and pedestal) -Steuerung sein, so daß die Quelle 50 ein veränderliches Ausgangssignal gemäß dem Wert eines Eingangssignals auf einer Eingangsleitung 56 der Steuerschaltung 54 abgibt. (Es ist selbstverständlich klar, daß andere Arten von Gleichspannungs- oder Gleichstromquellen benutzt werden können, solange sie auf ein Eingangssteuersignal ansprechen und gemäß diesem einstellbar sind.) Die veränderliche Gleichstromquelle 50 ist mit einer dreiphasigen Wechselrichterschaltung 5 8 über einen Gleichstromzwischenkreis verbunden, der Leiter 60 und 62 und eine Drossel 64 sowie einen einen geringen Widerstandswert aufweisenden Shunt 66 aufweist. Der Wechselrichter 58 ist vorzugsweise ein gesteuerter Wechselrichter, wie er mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben worden ist, und steht unter der Steuerung von geeigneten Steuersignalen, die über Leitungen geliefert werden und aus einer Wechselrichtersteuerschaltung stammen. Die Wechselrichtersteuerschaltung 70 empfängt einen Steuerbefehl oder ein Steuersignal über eine Eingangsleitung 72. Wenn angenommen wird, daß der Wechselrichter 58 von dem weiter oben beschriebenen Typ ist, dienen die Signale auf der Leitung 68 zum Durchschalten der Thyristoren der Wechselrichterbrücke, um eine Ausgangsleistung über Leitungen 74 an eine geeignete Belastung abzugeben, die als ein Motor 76 dargestellt ist. Die genaue Art der Steuerschaltung 70 ist nicht von großer Bedeutung für die Erfindung, in einem typischen System könnte sie aber einen Ringzähler enthalten, der mit Impulsen aus einer geeigneten Quelle, wie einem spannungsgeregelten Oszillator, versorgt wird, welche als ein Eingangssignal ein Spannungssignal auf der Leitung 7 2 empfängt, das die Sollbetriebsfrequenz des Wechselrichters 58 darstellt oder zu dieser proportional ist. Jeweils einen geringen Widerstandswert aufweisende Shunts
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80 sind jeweils in den Leitungen 74, die der Belastung elektrischen Strom zuführen, für im folgenden erläuterte Zwecke angeordnet.
Gemäß der Erfindung wird ein erstes Stromrückführungssignal geliefert, das in Fig. 3 mit I bezeichnet ist und aus dem in dem Gleichstromzwischenkreis angeordneten Shunt 66 stammt. Der Shunt 66 hat, wie weiter oben erläutert, einen niedrigen Wert und wird deshalb eine Spannung bilden, die zu dem Wert des in diesem Gleichstromzwischenkreis fließenden Stroms proportional ist. Diese Spannung wird über irgendeine geeignete Gleichstromtrennschaltung 82 abgegriffen, so daß an deren Ausgang (Leitung 86) das Rückführungssignal Inr erscheint, bei dem es sich um ein Signal handelt, dessen Wert zu dem Strom in dem Gleichstromzwischenkreis proportional ist.
Das zweite Rückführungssignal, das in dem System nach der Erfindung benutzt wird, ist ebenfalls ein Stromrückführungssignal, welches mit IM bezeichnet ist und einen zu dem Belastungsstrom (Motorstrom) proportionalen Wert hat. Zu diesem Zweck sind die drei Shunts 80 in den Leitungen 74 so angeordnet, daß an den drei Shunts Spannungssignale gebildet werden, die zu den in diesen Leitungen fließenden Augenblicksströmen proportional sind. Diese Signale werden an eine geeignete dreiphasige Gleichrichterbrücken- und Trennschaltung 84 angelegt, deren Ausgangssignal das Signal IM (Leitung 88) ist.
Die normale Schaltungstheorie würde besagen, daß, wenn das System, das den Motor speist, richtig arbeitet, die beiden Signale IDC und I gleich sind, sofern eine geeignete Kompensation für verschiedene Schaltungsverluste vorgenommen worden ist. Dieselbe Theorie würde besagen, daß, wenn ein Kommutierungsfehler oder ein Durchschuß in dem Wechselrichter auftritt, der Strom In durch den Wechselrichter neben-
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geschlossen und den Motor umgehen würde. Das Signal I„ würde bestrebt sein, auf null mit einer Geschwindigkeit abzufallen, die weitgehend von dem gesamten induktiven Blindwiderstand des Belastungskreises abhängig ist. Der Durchschuß könnte somit erkannt werden, indem die Differenz zwischen I „ und I abgefühlt wird. Diese normale Theorie ist grundsätzlich richtig und wird bei der Erfindung angewandt. Es sei jedoch angemerkt, daß es in vielen Systemen erwünscht ist, in dem Motor zu allen Zeiten einen kleinen Strom am Fließen zu halten, selbst wenn der Motor sich nicht dreht (Ijeerlauf zustand oder idle condition), so daß in dem Motor ein Fluß aufrechterhalten wird, um eine kürzere Ansprechzeit zu gewährleisten. Wenn ein Durchschuß im Leerlauf auftritt, würde deshalb, weil der Strom I einen sehr kleinen Wert haben kann, eine relativ kleine Differenz zwischen dem I_ -Stromrückführungssignal und dem I-Stromrückführungssignal vorhanden sein. Diese kleine Differenz zwischen I r und I braucht jedoch nicht in allen Fällen einen Durchschuß zu bedeuten, da es sich gezeigt hat, daß, wenn der Wechselrichter bei höheren Frequenzen betrieben wird, die Differenz zwischen den beiden Rückführungssignalen IQr und IM während des richtigen Betriebes ansteigt. Das hat seinen Grund darin, daß die Kommutierungskondensatoren in der gesteuerten Wechselrichterschaltung beginnen, einen Teil des Stroms In-, zu absorbieren, der dann nicht in die Motorbelastung geschaltet wird. Das ist eine Erscheinung, die mit zunehmender Betriebsfrequenz stärker wird.
Somit kann ein Durchschuß erkannt werden, indem eine Differenz zwischen I und I.. abgefühlt wird, wobei aber die Erkennung für kleine Differenzen unempfindlich sein muß, die bei einem Betrieb des Wechselrichters mit hoher Frequenz auftreten. Wenn jedoch der gewünschte Betriebsstrom des Motors sehr klein ist, wie es im Stillstand ("Ruhe- oder Leerlauf-Betrieb der Motoren der Fall sein kann, wird ein Durch-
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schuß, der auftritt, bewirken, daß der Strom I„ auf null abfällt, wobei aber die Differenz zwischen den Strömen
Ir. und I,. sehr klein sein kann. Um in diesem Fall einen DC M
Durchschuß feststellen zu können, muß der Detektor für sehr kleine Differenzen in Inr, und I empfindlich sein. Zur Berücksichtigung des Zustandes mit hoher Drehzahl und des Ruhe- oder Leerlauf zustandes mit niedrigem Strom muß der Durchschußdetektor in der Lage sein, zwischen den Werten der Stromdifferenz in diesen beiden grundsätzlichen Betriebszuständen zu unterscheiden.
Das wird gemäß der Erfindung erreicht, indem mit Rückführungssignalen Inp und I begonnen wird, die während normaler Betriebszustände ungefähr gleich sind, und indem diese beiden Signale mit einem festen relativen Prozentsatz oder mit einem festen Verhältnis verknüpft (z.B. verglichen) werden, wodurch an dem Vergleichspunkt das !„-Rückführungssignal unter diesen normalen Bedingungen größer als das !-.-,-Rückführungssignal erscheint. Vorzugsweise wird außerdem eine Rauschbereichsvorspannung addiert, um das System stabil zu machen.
Die bevorzugte Ausführungsform zum Erzielen dieser Funktion ist in Fig. 3 gezeigt. Das IDC-Signal, das auf der Leitung 86 erscheint, liegt über einen Eingangswiderstand 90 als ein Eingangssignal an dem invertierenden Eingang (Knotenpunkt 104) eines geeigneten Vergleichsoperationsverstärkers 92 an, dessen nichtinvertierender Eingang über einen Widerstand 94 mit Masse verbunden ist. Für die Zwecke dieser Darstellung wird angenommen, daß das I -Signal, das von der Gleichstromtrennschaltung 82 geliefert wird, ein negatives Signal ist, dessen Absolutgröße sich direkt proportional zu der Größe des Gleichstroms ändert, der durch den Shunt 66 abgefühlt wird, wie es weiter oben erläutert wurde (eine gleich zuverlässige, bekannte Methode des Abfühlens eines Gleichstroms besteht darin, das Gleichstrom-
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signal mittels Stromwandlern zu bilden, die in den Leitungen L.. , Lp und L angeordnet sind.) Das zweite Stromrückführungssignal, das zu dem Motorstrom IM proportional ist, erscheint auf der Leitung 88 als ein positives Signal und bildet ein zweites Eingangssignal an dem invertierenden Eingang des Verstärkers 92 über einen geeigneten Eingangswiderstand 96. Der Absolutwert des I -Signals wird, wie weiter oben erwähnt, unter normalen Betriebsbedingungen in derselben Größenordnung wie der Absolutwert des Signals IDfl liegen und normalerweise etwas kleiner sein,und das Ausmaß der Differenz ist von dem Betriebszustand der Belastung oder des Motors 76 abhängig. Wenn ein Durchschuß oder ein Kommutierungsfehler vorhanden ist, wird diese Differenz beträchtlich größer sein. Das Referenz- oder Vorspannungssignal, das weiter oben erwähnt wurde, wird von einer geeigneten Quelle geliefert, die als ein Potentiometer 108 dargestellt ist, das zwischen eine Quelle positiven Potentials und Masse geschaltet ist. Die Einstellung eines Schleiferarms 109 des Potentiometers 108 legt den Wert des Vorspannungssignals fest, und dieses Signal wird über eine Leitung 102 und einen Widerstand 100 an den invertierenden Eingang des Verstärkers 92 an dem Knotenpunkt 104 angelegt.
Gemäß der Erfindung erscheinen die beiden Rückführungssignale ID„ und I , was die folgende Beschreibung(einschließlich der folgenden Erläuterung der Fig. 4 und 5)noch deutlicher zeigen wird, an dem Knotenpunkt 104 und damit an dem invertierenden Eingang des Verstärkers 92 mit einem festen Prozentsatz oder Verhältnis in bezug aufeinander. Ein typisches Verhältnis von I zu IM würde 7 zu 10 sein (d.h. I würde 70% der Auswirkung von IM bei Signalen derselben Größe haben). Das wird in der Darstellung von Fig. 3 erreicht, indem die Widerstände 90 und 96 in umgekehrtem Verhältnis bemessen werden. Das heißt, wenn beispielsweise der Widerstand 96 einen Wert von 70 Ohm hat, hat der
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Widerstand 90 einen Wert von 100 Ohm. Das Ausgangssignal des Verstärkers 92 wird daher seinen Zustand in Abhängigkeit von dem Prozentsatz der Differenz zwischen den beiden Rückführungssignalen und nicht in Abhängigkeit von der Absolutgröße dieser Differenz ändern.
Beispielsweise sei für den Augenblick das Vorspannungssignal außer Betracht gelassen und angenommen, daß ein normaler Betriebszustand herrscht, in welchem der volle Nennstrom in dem System vorhanden ist und zu einem I -Signal von (-) 100 Einheiten und einem I -Signal von (+) 100 Einheiten führt. An dem Knotenpunkt 104 wird der Strom IDC als (-) 70 Einheiten und der Strom I als (+) 100 Einheiten erscheinen, was eine Differenz von (+) 30 Einheiten ausmacht, und das Ausgangssignal des Verstärkers 92 wird negativ sein. Es sei nun angenommen, daß ein Durchschußzustand in dem Wechselrichter vorhanden ist, welcher der Einfachheit halber nicht den Gleichstromzwischenkreisstrom beeinflußt, sondern einen plötzlichen Abfall in dem Belastungsstrom und damit in dem I -Rückführungssignal· verursacht. Sobald der Strom I,. um mehr als 30 Einheiten abfällt, beispielsweise auf (+) 69 Einheiten, wird in diesem Beispiel die Gesamtspannung an dem Knotenpunkt 104 negativ sein und der Verstärker wird sein Ausgangssignal auf den positiven Zustand umschalten, um die im folgenden zu beschreibende Abhilfemaßnahme einzuleiten.
Als zweiter Teil dieses Beispiels sei nun angenommen, daß das System in einem Betriebszustand mit sehr niedriger Leistung ist und daß die beiden Rückführungssignale Ι~Γ und IM (-) 10 Einheiten bzw. (+) 10 Einheiten betragen. Aus vorstehenden Darlegungen ist zu erkennen, daß ein Abfall von 3 Einheiten in I„ eine Änderung in dem Ausgangssignal des Verstärkers 92 auslösen wird. Daher ist das gewünschte Ziel erreicht worden, das niedrige Differenzen bei niedrigen Betriebswerten und hohe Differenzen bei hohen Betriebswerten
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verlangt.
In dem Beispiel ist bis hierher das Referenz- oder Vorspannungssignal, das über den Widerstand 100 angelegt wird, außer Betracht gelassen worden. Aus vorstehenden Erläuterungen ist zu erkennen, daß, wenn sich der Systemstrom dem Wert null nähert, die erforderliche Differenz zum Hervorrufen einer Änderung in dem Ausgangssignal des Verstärkers 92 sich ebenfalls null nähert. Da kein System der hier beschriebenen Art frei von unregelmäßigen Abweichungen aufgrund von Temperaturänderungen, Alterung, usw. ist und da insbesondere keine in einer praktischen Ausführungsform gegen elektrisches Rauschen und andere Einschwing- und Ausgleichsvorgänge immun ist, ist klar, daß ein gewisser Spielraum erwünscht ist, um einen "gestörten" Betrieb des Korrektursystems zu verhindern. Das ist die Funktion des Vorspannungssignals. Dadurch, daß diesem Vorspannungssignal ein konstanter positiver Wert gegeben wird, ist selbst bei einem Systemstrom von null eine endliche Differenz erforderlich, um den Ausgangszustand des Verstärkers 92 umzuschalten. Da das Vorspannungssignal eine Konstante ist, wird dessen Auswirkung bei höheren Betriebsleistungswerten relativ gering sein. Der Wert des Vorspannungssignals ist zv. r, in einem Sinn, beliebig oder von den Systemkomponenten und Betriebserfordernissen abhängig, ein zu verwendender typischer Wert trägt jedoch 5% des vollen Systemnennwertes. In dem obigen Beispiel, das zu einem I -Signal von (+) 100 Einheiten an dem Knotenpunkt 104 führt, wird das Vorspannungssignal diesem Knotenpunkt (+) 5 Einheiten zuführen. Das ändert dann die Differenzen, die in den obigen Beispielen erforderlich sind, von 30 und 3 auf 35 und 8.
Die Fig. 4 und 5 zeigen graphisch ein bekanntes System bzw. das System nach der Erfindung. In beiden Fällen bildet der Gleichstromzwischenkreisstrom I die Abszisse, während die
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an einem Summierpunkt erscheinenden Signaleinheiten die Ordinate bilden. Außerdem sind in beiden Fällen sämtliche Signale zum leichteren Verständnis im positiven Sinne gezeigt worden. Es wird vorausgesetzt, daß Fig. 4, die das bekannte System veranschaulicht, aus einer physikalischen Anordnung ähnlich der in Fig. 3 gezeigten gewonnen worden ist, aber ohne die Verhältnisbemessung der Signale, die gemäß der Erfindung erfolgt. Zur Erleichterung des Vergleiches werden die dem erfindungsgemäßen System entsprechenden Bezeichnungen jeweils mit einem hochgesetzten Strich benutzt. In Fig. 4 zeigt die Linie I .'/Rn ' die Einheitenzunahme an dem Knotenpunkt mit einer Zunahme des Zwischenkreisstroms. Eine konstante Versetzung oder Vorspannung wird durch den vertikalen Abstand I '/R.,,, ' veranschaulicht. Die
Jd IUU
Linie I '/Rn ' + 1'/R1n ' stellt die Summe der Einheiten μ yb d ιuu
aus der Vorspannung und dem Wechselrichterausgangsstrom dar, die, wie gezeigt, mit dem Zwischenkreisstrom und parallel zur Linie 1QQVRn0 1 ansteigt. Da die Vorspannung ausreichend groß sein muß, um Rauschauswirkungen bei allen Betriebswerten zu unterdrücken, und da diese Auswirkungen bei hohen Leistungswerten ziemlich groß sein können, muß der Abstand oder der Spielraum zwischen den Linien (d.h. der Vorspannungswert) ziemlich groß sein. Das ist bei niedrigen Leistungswerten kein erwünschtes Merkmal, da bei diesen niedrigeren Rückführungssignalwerten das Rauschen zu niedrigen Werten tendiert. Wenn in dieser Darstellung ein Durchschuß auftritt, der das IM '-Signal verringert, könnte die obere Linie auf der vertikalen Skala abfallen und, wenn sie unter die IDC '/Rg0 1 -Linie fällt, ändert der Verstärker seinen Ausgangszustand.
Fig. 5 zeigt im Vergleich mit Fig. 4 deutlich die Vorteile der Erfindung. Zuerst sei die Divergenz der beiden Linien beachtet, wenn der Gleichstromzwischenkreisstrom zunimmt. Das ist, wie weiter oben erwähnt, auf das Prozentsatz- oder Verhältnismerkmal der Erfindung zurückzuführen. Es sei außerdem
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beachtet, daß das Vorspannungssignal I /R100 nicht so groß zusein braucht, da die Divergenz des Systems automatisch einen breiteren "Spielraum" bei höheren Leistungswerten liefert, bei denen das Rauschen größere Werte haben kann. Durch das Verhältnismerkmal ist die Erfindung somit in der Lage, genauer auf Fehlerzustände bei niedrigen Leistungswerten anzusprechen und trotzdem einen ausreichenden Spielraum bei hohen Leistungswerten beizubehalten, so daß scheinbare Fehler aufgrund von Faktoren, wie elektrischem Rauschen, usw., vermieden werden.
Fig. 3 zeigt, daß das Ausgangssignal des Verstärkers 92 als ein Eingangssignal an einen Funktionsgenerator 112 angelegt wird, der in der bevorzugten Ausführungsform ein negatives Sägezahnwellenausgangssignal liefert. Das heißt, auf ein positives Eingangssignal aus dem Verstärker 92 hin, das einen Durchschußzustand anzeigt, fällt das Ausgangssignal des Generators 112 (Leitung 113) plötzlich von seinem Ruhewert ab und beginnt dann langsam wieder auf seinen Ruhewert anzusteigen. Das Ausgangssignal des Funktionsgenerators
112 wird als ein Eingangssignal an ein Minimalwertgatter angelegt, an das außerdem das normale Steuersignal (Leitung 115) für die variable Gleichspannungsquelle angelegt wird. Das Minimalwertgatter 114 kann von irgendeiner geeigneten Form sein, beispielsweise zwei parallel geschaltete Dioden, von denen jede eines der Signale auf den Leitungen 115 und
113 empfängt und deren Anoden über einen Widerstand mit einem positiven Potential verbunden sind, so daß das Ausgangssignal des Minimalwertgatters 114, das auf der Leitung 56 erscheint, negativer oder kleiner als dessen beide Eingangssignale ist. Da die Gleichstromquellen steuerschaltung 54 auf den Wert seines Eingangssignals auf der Leitung 56 anspricht und da die Steuerschaltung 54 bewirkt, daß die variable Gleichstromquelle 5 0 auf ein negativeres Signal hin eine kleinere Ausgangsspannung abgibt, ist zu erkennen, daß durch richtiges Bemessen der Werte der Signale auf den Leitungen 113 und 115, wenn das Ausgangssignal des Verstärkers 92 einen Fehler-
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oder Durchschußzustand anzeigt, das Minimalwertgatter 114 die Steuerung auf das Signal aus dem Funktionsgenerator 112 (Leitung 113) überträgt, um auf diese Weise die von der Gleichstromquelle 50 abgegebene Spannung zu verringern und so den Strom in dem Gleichstromzwischenkreis auf null zu verringern. Die Verringerung des Gleichstromzwischenkreisstroms, der zu der Wechselrichterschaltung 58 fließt, bewirkt eine entsprechende Verringerung des Wechselrichterstroms auf null und gestattet dem unrichtig leitenden Thyristor der Wechselrichterschaltung, das Leiten zu beenden.
Das normale Steuersignal auf der Leitung 115 ist das Ausgangssignal eines Summierpunktes 116, der als ein Eingangssignal das negative IDC-Signal (Leitung 86') empfängt, um eine Stromrückführungsschleife zu bilden, und als ein zweites Eingangssignal ein positives Signal aus einer geeigneten Steuereinrichtung 117, die durch eine Bedienungsperson zu betätigen ist. Die Steuereinrichtung 117 wird so eingestellt, daß die gewünschte Systemleistung erzielt wird, und liefert ein Signal T*, das zu dem Sollausgangsdrehmoment des Motors proportional ist.
Es ist somit zu erkennen, daß ein System zur Korrektur eines Kommutierungsfehlers oder Durchschusses geschaffen worden ist, das durch Bildung des richtigen Prozentsatzes oder Verhältnisses von leicht erhältlichen Rückführungssignalen für eine wirksame und schnelle Fehlererkennung und -korrektur in dem gesamten Bereich von Betriebszuständen sorgt.
Vorstehend ist zwar die gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gezeigt und beschrieben worden, es sind jedoch Modifizierungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Könnens liegen. Beispielsweise ist zwar eine Belastung in Form eines Motors gezeigt worden, die Erfindung ist jedoch allgemein bei Systemen anwendbar, in denen unge-
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achtet des Belastungstyps eine Änderung im Betriebsbelastungszustand auftritt. Wenn andere Typen von Belastungen benutzt werden, kann es offensichtlich erforderlich sein, andere Formen der Zustandsabfühlung zu benutzen. Es ist außerdem zu erkennen, daß die spezifischen Verhältniswerte und der Relativwert für das Vorspannungssignal in Übereinstimmung mit der Gesamtsystemauslegung und den gewünschten Betriebsmerkmalen geändert werden können.
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Claims (14)

  1. Patentansprüche :
    Wechselrichtersystem zum Abgeben von elektrischer Leistung an eine Belastung mit gesteuerter Spannung, gesteuertem Strom und gesteuerter Frequenz, mit einer steuerbaren Gleichstromquelle zum Liefern eines Ausgangsgleichstroms;
    mit einer Steuereinrichtung zum Steuern des Ausgangsgleichstroms der Gleichstromquelle;
    mit einer Wechselrichterschaltung, die den Ausgangsgleichstrom empfängt und einen Ausgangswechselstrom mit gesteuerter Frequenz, gesteuerter Spannung und gesteuerter Stromstärke an die Belastung abgibt; und mit einem Gleichstromzwischenkreis, welcher den Ausgangsgleichstrom der Gleichstromquelle der Wechselrichterschaltung zuführt;
    gekennzeichnet durch eine Schaltungsanordnung zum Erkennen eines Kommutierungsfehlerzustandes in der Wechselrichterschaltung,
    mit einer Einrichtung (66) zum Erzeugen eines ersten Rückführungssignals (Inr,) ι das zu der Größe des Gleichstroms im Gleichstromzwischenkreis (60, 62, 64) proportional ist,
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    mit Einrichtungen (80) zum Erzeugen eines zweiten Rückführungssignals (I), das zu der Größe des Ausgangswechselstroms der Wechselrichterschaltung (58) proportional ist, mit einer Vergleichseinrichtung (92) zum Vergleichen des ersten und des zweiten Rückführungssignals in einem von eins verschiedenen, fr jten Verhältnis in bezug auf deren Absolutgrößen, um auf eine vorgeschriebene Beziehung zwischen denselben hin ein Korrektursignal zu liefern, und mit Einrichtungen (112, 114) zum Anlegen des Korrektursignals an die Steuereinrichtung (54) , um die Größe des Ausgangsgleichstroms der Gleichstromquelle (50) zu verringern.
  2. 2. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (90, 96) zum Bilden des Verhältnisses des ersten Rückführungssignals (Inr,) zu dem zweiten Rückführungssignal (I.,) von ungefähr 7 zu 10.
  3. 3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung (92) einen Operationsverstärker enthält und daß das erste und das zweite Rückführungssignal als Eingangssignale des Verstärkers dienen und in einem Absolutgrößenverhältnis von ungefähr 7 zu 10 angelegt werden.
  4. 4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die letztgenannten Einrichtungen (112, 114) eine Generatorschaltung (112) zum Erzeugen eines Steuerimpulses vorgeschriebener Dauer und Form sowie eine Gatterschaltung (114) enthalten zum wahlweisen Anlegen des Steuerimpulses an die Steuereinrichtung (54), um dadurch eine Verringerung der Größe des Ausgangsgleichstroms der Gleichstromquelle (50) zu bewirken.
  5. 5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Generatorschaltung (112) einen Funktionsgenerator zum Erzeugen eines im wesentlichen sägezahnförmigen Steuerimpul-
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    ses enthält.
  6. 6. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vorspannungseinrichtung (100) zum Abgeben eines Vorspannungssignals an die Vergleichseinrichtung (94) , durch das die vorgeschriebene Beziehung zum Erzeugen des Korrektursignals auf einem Mindestwert gehalten wird, der zu dem Wert des Vorspannungssignals proportional ist.
  7. 7. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (90, 96) zum Bilden des Verhältnisses des ersten Rückführungssignals zu dem zweiten Rückführungssignal von ungefähr 7 zu 10 und durch eine Vorspannungseinrichtung
    (100) zum Abgeben eines Vorspannungssignals an die Vergleichseinrichtung (92), wodurch die vorgeschriebene Beziehung zum Erzeugen der Korrektursignale auf einem Mindestwert gehalten wird, der zu dem Wert des Vorspannungsignals proportional ist und bei dem Verhältnis 7 zu 10 ungefähr 0,5 beträgt.
  8. 8. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselrichterschaltung (58) eine mehrphasige, gesteuerte Wechselrichterschaltung ist, die gesteuerte Gleichrichter und Kommutierungskondensatoren, welche zwischen ausgewählte Paare der Gleichrichter geschaltet sind, enthält.
  9. 9. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Verwendung bei einem mehrphasigen Wechselstrommotorantriebssystem vorgesehen ist, in welchem ein Wechselstrommotor (76) mit Wechselstrom mit gesteuerter Frequenz aus einer Wechselrichterschaltung (58) gespeist wird.
  10. 10. Verfahren zum Abgeben von elektrischer Leistung an eine Belastung mit gesteuerter Spannung, gesteuertem Strom und
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    gesteuerter Frequenz, das folgende Schritte umfaßt: Bilden eines variablen Gleichstroms in Abhängigkeit von einem steuerbaren Eingangssignal;
    Abgeben des Gleichstroms über einen Gleichstromzwischenkreis an eine Wechselrichterschaltung; Betreiben der Wechselrichterschaltung in einer gesteuerten Ausgangsbetriebsart auf ein Eingangssteuersignal hin, um Leistung mit gesteuerter Frequenz, gesteuerter Spannung und gesteuertem Strom an die Belastung abzugeben; gekennzeichnet durch folgende weitere Schritte zum Erkennen und Korrigieren von Kommutierungsfehlern, die in der Wechselrichterschaltung auftreten:
    Erzeugen eines ersten Rückführungssignals, das zu der Größe des der Wechselrichterschaltung zugeführten Gleichstroms proportional ist,
    Erzeugen eines zweiten Rückführungssignals, das zu der Größe des Ausgangsstroms der Wechselrichterschaltung proportional ist,
    Verknüpfen des ersten Rückführungssignals und des zweiten Rückführungssignals mit einem festen, von eins verschiedenen Verhältniswert bezüglich ihrer Augenblicksabsolutgröße, um ein Korrektursignal auf eine vorgeschriebene Beziehung zwischen denselben hin zu erzeugen, und Verringern des Gleichstromsignals in Abhängigkeit von dem Vorhandensein des Korrektursignals.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß es in einem mehrphasigen Wechselstrommotorantriebssystem angewandt wird, in welchem ein Wechselstrommotor mit einem Wechselstrom mit gesteuerter Frequenz aus einem gesteuerten Wechselrichter gespeist wird, der Gleichstrom aus einer steuerbaren Gleichstromquelle über einen Gleichstromzwischenkreis empfängt.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch folgenden weiteren Schritt:
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    _ 5 —
    Bilden eines Vorspannungssignals zum Verknüpfen mit dem ersten und dem zweiten Rückführungssignal, das dazu dient, die vorgeschriebene Beziehung auf einem Mindestwert zu halten.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Verknüpfens des ersten und des zweiten Rückführungssignals bei einem Verhältniswert von ungefähr 7 zu 10 ausgeführt wird.
  14. 14. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Verknüpfens des ersten und des zweiten Rückführungssignals bei einem Verhältniswert von ungefähr 7 zu 10 ausgeführt wird und daß in einem weiteren Schritt ein Vorspannungssignal zum Verknüpfen mit dem ersten und dem zweiten Rückführungssignal erzeugt wird, das in bezug auf das Verhältnis von 7 zu 10 ungefähr 0,5 beträgt.
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