DE3039849A1

DE3039849A1 - Induktionsmotor-regelverfahren und -anordnung

Info

Publication number: DE3039849A1
Application number: DE19803039849
Authority: DE
Inventors: Mashiko Ibamoto; Hiroshi Narita; Shigetoshi Okamatsu; Takashi Tsuboi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-10-24
Filing date: 1980-10-22
Publication date: 1981-05-07
Also published as: JPS5662092A; US4338558A; CH663124A5; DE3039849C2

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Verbesserung in einer Regelan-Ordnung für einen Induktionsmotor, der über einen Wechselrichter vom Impulsbreitenmodulationstyp mit Strom versorgt wird.

Nach dem Stande der Technik erfolgt eine zunehmende Anwendung von Regelanordnungen für Induktionsmotoren mit einem Impulsbraitenmodulations-Wechselrichter auf dem Gebiet der Schienenfahrzeuge und dergleichen.

Ein Impulsbroitenmodulations-Wechselrichter ist ein solcher Wechselrichter, bei dem durch periodische Änderung der Breite von Impulsen der Mittelwert der Ausgangsspannung in Sinuswellenform erzeugt wird, während er mittels einer modulierten Welle geregelt wird, welche die Impulsbreiten verändert, so daß auf diese Weise eine Sinuswellenausgangsspannung entsprechend der modulierten Welle erzeugt wird. Ein solcher Wechselrichter ist mit einer Einrichtung zum Minimalisieren der hohen Harmonischen, die in der Ausgangsspannung während der Modulation enthalten sind, versehen.

In einem Modulator zum Erzeugen einer solchen Impulsfolge wird. üblicherweise eine Anordnung zum Vergleichen einer Sinuswelle mit einer Dreieckwelle verwendet. Im einzelnen werden eine Sinuswelle und eine Dreieckwelle, die eine höhere Frequenz als die Sinuswelle hat, einem Komparator zugeführt, aus dessen Ausgangssignal eine modulierte Impulsfolge erzeugt wird. Die mittlere Spannung jedes Impulses bildet eine Sinuswelle der gleichen Frequenz, wie sie das zugeführte Sinuswellensignal hat. Wenn der Wechselrichter mittels dieser modulierten Impulsfolge betrieben wird, nimmt, der mittlere Wert der Ausgangsspannung des Wechselrichters die Form einer Sinuswellenspannung an.

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Die Ausgangsspannung des Wechselrichters kann dadurch verändert werden, daß man das Verhältnis der Spitzenwerte der Sinuswelle und der Dreieckwelle verändert, die dem Komparator zugeführt v/erden. In diesem Impulsbreitenmodulations-" Wechselrichter werden mit der Zunahme des Frequenzverhältnisses N der Dreieckwelle zur Sinuswelle, die zur Modulation verwendet wird, die in der Ausgangsspannung enthaltenen Harmonischen niedrigerer Ordnung vermindert. In dem Fall, in dem ein Ausgangssignal sehr niedriger Frequenz zur Geschwindigkeitsregelung eines Induktionsmotors benötigt wird, wird daher das Frequenzverhältnis N erhöht, damit auf diese Weise jedes Pulsieren des Drehmoments verhindert wird, das anderenfalls durch die Harmonischen niedrigerer Ordnung auftreten würde.

Im Falle eines großen Frequenzverhältnisses N ergibt sich jedoch der Nachteil, daß der kontinuierlich regelbare Bereich der Ausgangsspannung sphmäler wird. Im einzelnen wird, wenn die Impulsbreite zur Erhöhung der Ausgangsspannung vergrößert wird, die Schlitzbreite, die der Zeitdauer entspricht, in der ein entsprechender Thyristor aus- und dann erneut eingeschaltet wird, verengt, und wenn diese Schlitzbreite so weit verengt wird, daß sie weniger als eine vorbestimmte Breite ist, welche der Abschaltzeit des Thyristors entspricht, kommt es zu Umpolungsfehlern, so daß es unmöglich wird, die Ausgangsspannung über ein bestimmtes Niveau hinaus zu erhöhen. Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist es wünschenswert, die Frequenz der Dreieckwelle umzuschalten, bevor die Ausgangsspannung das vorerwähnte Niveau erreicht. Bei der Geschwindigkeitsregelung eines Induktionsmotors mit einem Impulsbreitenmodulations-Wechselrichter wird die Ausgangsspannung im Verhältnis zur Frequenz erhöht, jedoch ist es innerhalb des Bereichs, in dem die Ausgangsspannung durch die Abschaltzeit des Thyristors beschränkt ist, unnötig, eine Dreieckwelle einer solchen hohen Frequenz wie zum Zeitpunkt des Startens zu verwenden, und zwar aus dem Gesichtspunkt der

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Drehmomentpulsationen heraus, da die Frequenz des Bereichs höher als diejenige zum Zeitpunkt des Startens ist. Demgemäß kann, wenn das Frequenzverhältnis N der Dreieckwelle zur Sinuswelle vermindert wird, die Schlitzbreite der Impulsfolge erhöht werden, so daß es auf diese Weise ermöglicht wird, die Ausgangsspannung des Wechselrichters weiter zu erhöhen.

In diesem Zusammenhang ist es notwendig, den Fall zu betrachten, in dem N gleich 1 ist, in welchem der Induktionsmotor mit hoher Geschwindigkeit läuft. In diesem Zustand haben die Dreiackwelle und die Sinuswelle die gleiche Frequenz, und daher ist während der Halbperiode der Impulsfolge kein Schlitz zum Regeln des Wechselrichters vorhanden, so daß die Ausgangsspannung des Wechselrichters unkontrollierbar wird. Trotzdem stellt das keine Schwierigkeit in allen Fällen dar, in denen der Induktionsmotor in einer Antriebs- oder in einer Regenerativbetriebsweise betrieben wird, Wenn begonnen wird, dem Induktionsmotor Leistung zuzuführen, oder wenn der Induktionsmotor in die Regenerativbetriebsweise übergeht, während er infolge des Beharrungsvermögens mit hoher Geschwindigkeit läuft (in einem solchen Fall, in dem beispielsweise ein elektrisches Eisenbahnbetriebsmittel, z. B.ein elektrischer Triebwagen, infolge der Trägheit mit hoher Geschwindigkeit läuft), wird an den Induktionsmotor vom Beginn an die maximale Ausgangsspannung des Wechselrichters angelegt.

Jedoch hat der Induktionsmotor nur vor der Erzeugung einer induzierten Spannung eine Reaktanz, und infolgedessen fließt ein Stromstoß in den Induktionsmotor, wenn die maximale Spannung an denselben angelegt wird, während er durch die Trägheits- bzw. Beharrungskraft läuft, so daß es infolgedessen oft zu Umpolungsfehlern bzw. -ausfällen des Wechselrichters kommt. Diese Erscheinung konnte durch entsprechende Untersuchungen bestätigt werden, und es wurde ein

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Umpolungsauöfall im Falle einer an Wechselrichtern durchgeführten Untersuchung festgestellt.

Kurz zusammengefaßt soll mit der νorIiegenden Erfindung eine Regelanordnung für einen Induktionsmotor zur Verfügung gestellt werden, in der der Stromstoß unterdrückt wird, so daß ein Umpolungsausfall des Wechselrichters verhindert wird, wenn der Induktionsmotor, der von einem Impulsbreitenmodulations-Wechselrichter mit Strom versorgt wird, aus einem Zustand, in dem er durch Beharrungsvermögen mit hoher Geschwindigkeit läuft, entweder in eine Antriebs- oder in eine Regenerativbetriebsweise eintritt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Regelanordnung für einen Induktionsmotor zur Verfügung gestellt, in der verhindert wird, daß das Frequenzverhältnis N zwischen einer Dreieckwelle und einer Sinuswelle wenigstens während einer vorbestimmten Zeitdauer des Übergangs des Impulsbreitenmodulations-Uechselrichters von einem Leerlaufzustand in einen Laufzustand zu 1 wird.

Genauer gesagt befindet sich der Impulsbreitenmodulations-Wechselrichter in dem Fall in einem Leerlaufzustand, in dem der Induktionsmotor durch eine Trägheits- bzw. Beharrungskraft läuft und keine induzierte Spannung erzeugt wird. Wenn der Motor in diesem Zustand mit hoher Geschwindigkeit läuft, wird aus dem oben erwähnten Grund nur ein Impuls der modulierten Welle für jeden Halbzyklus (N = 1) ausgewählt. Wenn der Wechselrichter in diesem Zustand gestartet wird, wird die höchste Ausgangsspannung erzeugt, so daß der Wechselrichter unkontrollierbar bzw. nichtregelbar wird, was zur Folge hat, daß ein Stromstoß im Motor fließt. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird verhindert, daß das Verhältnis N während einer vorbestimmten Zeitdauer nach dem Starten des Wechselrichters, wenn dieser von einem Leerlaufzustand in eine Antriebsbetriebsweise übergeht, zu 1 wird. Infolgedes-

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sen nimmt N beispielsweise den Wert 3 an, wodurch es möglich wird, die Ausgangsspannung des Wechselrichters zu steuern bzw. zu regeln. Infolgedessen kann die Ausgangsspannung des Wechselrichters durch die Wirkung eines Stromregel- bzw. -Steuersystems oder eines anderen Regel- bzw. Steuersystems unterdrückt werden, so daß dadurch ein Stromstoß des Motors und ein Umpolungsausfall des Wechselrichters verhindert werden. Die oben erwähnte vorbestimmte Zeitdauer ist eine kurze Zeitdauer bevor eine elektromotorische Gegenkraft des Induktionsmotors erzeugt wird, und sie kann etwa 1 Sekunde betragen. Diese Sperrzeit wird natürlich nicht durch Zeitmessung ausgeschaltet, sondern dadurch, daß man direkt oder indirekt das Erzeugen der elektromotorischen Gegenkraft durch den Motor feststellt. Beispielsweise kann diese Sperrzeit durch Feststellen eines vorbestimmten Modulationsgrads einer Modulatorschaltung und einer vorbestimmten Ausgangsspannung des Wechselrichters beendet werden.

Die Erfindung sei nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 der Zeichnung anhand einiger, besonders bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform einer Induktionsmotor-Regel- bzw. Steueran-Ordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein Schaltbild eines speziellen Beispiels einer Geschwindigkeits-Festlegungs- bzw. Entscheidungsschaltung und einer ümschaltschaltung, die in der Anordnung nach Fig. 1 vorgesehen sind;

Fig. 3A bis 3E Spannungswellenformen zur Erläuterung der Betriebsweise eines Impulsbreitenmodulations— Wechselrichters; und
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Fig. 4 ein Blockschaltbild einer anderen Ausführungsform

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einer Induktionsmotor-Regel- bzw. Steueranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung in ihrer Anwendung bei einem Induktionsmotor dargestellt, der ein Fahrzeugmotor eines Eisenbahnbetriebsmittels, beispielsweise eines elektrischen Triebwagens ist.

Ein VJechselrichter 3, dem über einen Gleitbügel 2 Strom von einer Gleichstromleitung 1 zugeführt wird, treibt einen Induktionsmotor 4 durch Wechselstrom an seinem Ausgang an, dessen Spannung und Frequenz veränderbar sind. Das Tor des Wechselrichters 3 wird mittels des oben erwähnten Impulsbreiteniaodulationssystems gesteuert.

Die Frequenz f. (die das n-fache der Rotationsfrequenz f des Induktionsmotors 4 beträgt, wobei η eine ganze Zahl ist) welche mittels eines direkt mit dem Induktionsmotor 4 verbundenen Impulsgenerators 5 erzeugt wird, wird mittels eines Frequenz-Analog-Wandlers 6 in eine Analogspannung V umgewandelt.

Auf den Anschluß 7 wird eine Spannung ΔV (xn-A-f) gegeben, die dem η-fachen einer gewählten Schlupffrequenz Δf äquivalent ist. Mit 8 ist ein Antriebs/Regenerativ-Betriebsweisen-Umschalter bezeichnet, der sich in Fig. 1 in der Antriebsbetriebsweise befindet. In der Antriebsbetriebsweise werden eine Analogspannung V , die der Geschwindigkeit f des Motors 4 proportional ist, und eine Analogspannung Δν, die der gewählten Schlupffrequenz Af proportional ist, mittels eines Addierers-Subtrahierers 9 addiert oder voneinander subtrahiert. In der Regenerativbetriebsweise wird dagegen die Spannung Δν, die der Schlupffrequenz proportional ist, von der Spannung V., die der Motorgeschwindigkeit proportional ist, subtrahiert. Diese Spannung V₁ + Δν wird einem Spannungs-Frequenz-Wandler 1o zugeführt, so daß der Wandler

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1o mit der Frequenz f„ schwingt. Dieser Vorgang läßt sich ausdrücken durch die Gleichung:

f₂ = f₁ + n-/\f = n(f_Q + Af) . 5

Das Rechteckwellenausgangssignal des Wandlers 1o wird mittels eines Frequenzteilers 11 um das Verhältnis 1/n in seiner Frequenz untersetzt und mittels eines Dreiphasenverteilers 12 in Dreiphasensignale umgewandelt, die in ihrer Phase gegeneinander um 12o° versetzt sind. Infolgedessen wird eine Dreiphasensinuswelle durch einen nachgeschalteten Sinuswellengenerator 13 erzeugt. Das Rechteckwellenausgangssignal des Wandlers 1o wird, außer daß es dem Frequenzteiler 11 zugeführt wird, weiterhin vier Frequenzteilern 141, 142, 143 und 144 zugeführt. Auf diese Weise wird das Ausgangssignal des Wandlers 1o in seiner Frequenz um beispielsweise jeweils 1/9, 1/15, 1/45 und 1/135 mittels der jeweiligen Frequenzteiler untersetzt, und die Ausgancrssignale dieser Frequenzteiler werden jeweils auf einen Dreieckwellensignalgenerator 151, 152, 153 und 154 gegeben. Infolgedessen erzeugen die Dreieckwellensignalgeneratoren 151, 152, 153 und Dreieckwellensignale, deren Frequenz jeweils f_/9, f_/15, f₂/45 und f /135 beträgt. Es sei nun angenommen, daß η gleich 135 ist. Dann betragen die Ausgangsfrequenzen der Dreieckwellensignalgeneratoren 151 bis 154 jeweils das 15-, 9-, 3- und 1-fache der Ausgangssignalsinuswelle des Sinuswellensignalgenerators 13, wie entsprechend in der Zeichnung (am Ausgang der Dreieckwellensignalgeneratoren) angegeben. Diese Dreieckwellen werden über jeweilige Verstärker 161, 162, 163 und 164 auf eine Umschaltschaltung 17 gegeben.

Weiter unten wird ein spezieller Schaltungsaufbau jedes Blocks näher beschrieben. Der Frequenz-Spannungs-Wandler 6 und der Spannungs-Frequenz-Wandler 1o können aus einer kommerziell erhältlichen integrierten Schaltung bestehen. Die Frequenzteiler 11 und 141 bis 144 lassen sich leicht von

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einem an si ^h bekannten Zähler bilden. Als Dreiphasenverteiler 12 kann ein Ringzähler verwendet werden. Der Sinuswellengenerator 13 und die Dreieckwellengeneratoren 151 bis 154 können eine an sich bekannte Impulsweichenschleifenschaltung ("pulse lock loop"-Schaltung) ^um Erzeugen von Sinuswellen- und Dreieckwellensignalen umfassen oder sein.

Die Umschaltschaltung 17 gibt in Ansprechung auf das Ausgangssignal einer Geschwindigkeits-Entscheidungsschaltung 18 eines der vier Dreieckwellensignale an eine Modulatorschaltung 19 weiter. Die Modulatorschaltung 19 weist drei Operationsverstärker 191 bis 193 auf, die schematisch dargestellt sind und jeweils eine Sinuswellenspannung von jeder der drei Phasen mit einer ausgewählten Dreieckwellenspannung vergleichen, so da" sie auf diese Weise für jede Phase eine modulierte Impulsfolge erzeugen. Dieser Vorgang wird unter Benzugnahme auf die Fig. 3A bis 3u näher erläutert. Die in Fig. 3A dargestellte Dreieckwelle hat eine Frequenz, die das 9-fache der Sinuswelle beträgt. Mit anderen Worten bedeutet das, daß die Sinuswellenspannung und die Dreieckwellenspannung (eine Phase) den Fall darstellen, in dem das Ausgangssignal des Verstärkers 162 von der Umschaltschaltung 17 ausgewählt worden ist. Wenn die Operationsverstärker 191 bis 193 ein positives Sättigungsausgangssignal erzeugen, und wenn die Sinuswellenspannung höher als die Dreieckwellenspannung ist, dann erhält man eine Impulsfolge, wie sie in Fig. 3B dargestellt ist. Wenn der Wechselrichter mittels dieser Impulsfolge gesteuert wird, dann nimmt dessen mittlere Ausgangsspannung die Form einer Sinuswelle an, die die gleiche Frequenz wie die Sinuswelle hat, welche von dem Sinuswellengenerator 13 erzeugt worden ist, wie durch die gestrichelte Linie angedeutet ist.

Die Ausgangsspannung dieses Wechselrichters kann durch Änderung des Verhältnisses zwischen den Spitzenwerten der Sinuswelle und der Dreieckwelle, die in die Modulatorschaltung

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19 eingegeben v/erden, verändert werden. Wenn der Spitzenwert der Sinuswelle beispielsweise erhöht wird, dann werden die Schlitze S und S„ verengt, wodurch die Ausgangsspannung des Wechselrichters erhöht wird.
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Auf diese Weise werden die an den Induktionsmotor 4 angelegte Spannung und Frequenz in Abhängigkeit von der Motorgeschwindigkeit erhöht. Wenn die Frequenz in Abhängigkeit von der Motorgeschwindigkeit zunimmt, wird die Periode der Ausgangsspannung des Wechselrichters verkürzt. Außerdem ist eine hohe Spannung erforderlich, um die Breite der Schlitze S₁ und S„ bis zu einem solchen Grad zu verengen, daß die Grenze erreicht wird, die sich aufgrund der Abschaltzeit des Thyristors im Wechselrichter 3 ergibt.

Wenn die Geschwindigkeit des Induktionsmotors 4 einen-vorbestimmten Wert erreicht, dann stellt die Geschwindigkeits-Entscheidungsschaltung 18 den vorbestimmten Wert fest, und die Frequenz der Dreieckwelle wird mittels der Umschaltschaltung 17 auf eine Frequenz umgeschaltet, die das 3-fache derjenigen der Sinuswelle beträgt.

Die Modulation, die sich bei dieser Betriebsweise ergibt, ist in den Fig. 3C und 3D veranschaulicht. X\7ie man aus diesen Figuren ersieht, wird trotz breiterer Schlitze S₃ und S. eine höhere Wechselrichterspannung erzeugt.

Bei einem weiteren Zunehmen der Geschwindigkeit des Induktionsmotors 4 wird die Frequenz der Dreieckwelle mittels der Geschwindigkeits-Entscheidungsschaltung 18 und der Umschaltschaltung 17 auf die gleiche Frequenz umgeschaltet, wie sie die Sinuswelle hat. Die modulierte Welle und die mittlere Ausgangsspannung des Wechselrichters sind für diese Betriebsweise in Fig. 3E dargestellt.

Die so erhaltene modulierte Sinuswelle wird über eine Tor-

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schaltung 2o, einen Verstärker 21 und einen Impulstransformator 22 je einem Thyristor im Wechselrichter 3 zugeführt.

Die Ausgangsspannung des Wechselrichters wird durch ein Konstantstromregelsystem geregelt. Im einzelnen wird der Strom des Motors 4 von einem Stromtransformator 23 abgetastet und mittels einer Gleichrichterschaltung 24 gleichgerichtet. Dem Anschluß 25 wird das voreingestellte Strombefehlssignal Is zugeführt, das mittels eines Komparators 26 mit dem ermittelten Stromwert verglichen wird, so daß der Spitzenwert der Sinuswelle, die im Sinuswellengenerator 13 erzeugt wird, entsprechend dem Unterschied zwischen dem Strombefehlssignal Is und dem ermittelten Stromwert eingestellt wird. Wenn sich der Spitzenwert der Sinuswelle ändert, dann ändert sich die Ausgangsspannung des Wechselrichters 3, und schließlich folgt der Strom des Induktionsmotors 4 dem Befehlssignalwert Is.

Wie man aus Fig. 3E ersieht, kann die Ausgangsspannung des Wechselrichters in dem Fall, in dem das Frequenzverhältnis N zwischen der Dreieckwelle und der Sinuswelle gleich 1 ist, nicht geregelt werden. Wenn das mit hoher Geschwindigkeit laufende elektrische Eisenbahnbetriebsmittel, z. B. ein elektrischer Triebwagen, über den Wechselrichter 3 entweder in die Antriebsbetriebsweise oder in die Regenerativbetriebsweise eintritt, dann wird von dem Wechselrichter 3 eine hohe Spannung erzeugt, so daß in dem Motor 4 ein Stromstoß fließt und auf diese Weise ein Umpolungsversagen des Wechselrichters 3 bewirkt wird.

Um diese Schwierigkeit zu vermeiden, ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß dann, wenn an den Anschluß 27 ein Wechselrichter-Betriebsbefehlssignal angelegt wird, die Torschaltung 2o geöffnet und über eine Univibratorschaltung 28 ein Signal an die Geschwindigkeits-Entscheidungsschaltung 18 gegeben wird, das das Umschalten auf N = 1 verhindert.

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Ein spezielles Beispiel der ümschaltschaltung 17 und der Geschwindigkeits-Entscheidungsschaltung 18 ist in Fig. 2 dargestellt. Die Geschwindigkeits-Entscheidungsschaltung umfaßt Widerstände R1 bis R5 zum Erzeugen einer Geschwindigkeitsbezugsspannung aus einer Spannungsquelle (+) an der Verbindungsstelle je zweier Widerstände. Diese Bezugsspannungen werden mit der Spannung V verglichen, die die Geschwindigkeit des elektrischen Eisenbahnbetriebsmittels repräsentiert, und zwar erfolgt der Vergleich in Operationsverstärkern 01 bis 04, und nur dann, wenn die Geschwindigkeitsspannung V. des elektrischen Eisenbahnbetriebsmittels höher als die Bezugsspannung ist, wird von den Operationsverstärkern ein Ausgangssignal erzeugt. NICHT-Schaltungen N1 bis N3 sowie UND-Schaltungen A1 bis A3 dienen dazu, das Geschwindigkeits-Entscheidungssignal niedrigerer Ordnung durch das Geschwindigkeits-Entscheidungssignal höherer Ordnung zu löschen.

Während des normalen Betriebs des elektrischen Eisenbahnbetriebsmittels wird dem Anschluß 27 ein Wechselrichter-Betriebsbefehlssignal zugeführt, und das Ausgangssignal der Univibratorschaltung 28 ist bereits verschwunden, so daß die Sperrschaltung IN unwirksam ist. Infolgedessen wird ein Niedriggeschwindigkeitssignal 1, ein Mittelgeschwindigkeitssignal m, ein Hochgeschwindigkeitssignal h oder ein Höchstgeschwindigkeitssignal t entsprechend der tatsächlichen Geschwindigkeit des elektrischen Eisenbahnbetriebsmittels erzeugt.

In der Umschaltschaltung 17 öffnet eines der Analogtore AG1 bis AG4, denen diese Geschwindigkeits-Entscheidungssignale zugeführt werden, so daß infolgedessen eine Dreieckwelle zur Modulatorschaltung 19 durchlaufen kann.

Es sei angenommen, daß das elektrische Eisenbahnbetriebsmittel infolge seines Beharrungsvermögens im Höchstgeschwin-

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digkeitsboreich läuft. Der Wechselrichter 3 wird nicht betätigt , und der Induktionsmotor 4 läuft infolge seines Beharrungsvermögens. Mit anderen Worten bedeutet das, daß weder das Wechselrichtor-Eetriebsbefehlssignal am Anschluß 27 noch das Strombefehlssignal Is am Anschluß 25 anliegt, so daß die Torschaltung 2o geschlossen ist und der Wechselrichter 3 nicht betätigt wird. Im Hinblick auf die Tatsache, daß es sich um die Höchstgeschwindigkeit handelt, ist jedoch die Spannung V₁ des elektrischen Eisenbahnbetriebsmittels hoch, und die Geschwindigkeits-Entscheidungsschaltung 18 erzeugt das Iiöchstgeschwindigkeitssignal t. Infolgedessen wird über das Analogtor AG4 in der Umschaltschaltung 17 eine Dreieckwelle an die Modulatorschaltung 19 abgegeben, die die gleiche Frequenz wie die Sinuswelle hat. Als Ergebnis hiervon befindet sich die Modulatorschaltung 19 im Bereitschaftszustand, wobei sie die in Pig. 3E gezeigte modulierte Welle erzeugt.

Es sei nun angenoirjnen, daß die Bedienungsperson ein Wechselrichter-Betriebssignal auf den Anschluß 27 gibt, damit das System entweder in die Antriebs- oder die Regenerativbetriebsweise übergeht. Das Strombefehlssignal Is steigt in Abhängigkeit von der Zeit T langsam an, wie Fig. 1 zeigt. Die nachstehend dargelegte Betriebsweise ist unabhängig davon, ob sich der Umschalter 8 in der Position der Antriebsoder der Regenerativbetriebsweise befindet, dieselbe. Die Univibratorschaltung 28 erzeugt in Ansprechung auf das Wechselrichter-Betriebsbefehlssignal während einer vorbestimmten Zeitdauer ein Ausgangssignal. Dieses Ausgangssignal wird auf den Sperranschluß der Sperrschaltung IN in der Geschwindigkeits-Entscheidungsschaltung 18 gegeben, so daß das HÖchstgeschwindigkeits-Entscheidungssignal t gelöscht wird, während die Löschung des Signals niedrigerer Ordnung, nämlich des Hochgeschwindigkeits-Entscheidungssignals h, verhindert wird. Infolgedessen wird das Analogtor AG4 der Umschaltschaltung 17 geschlossen, während das Tor AG3 geöffnet wird, so

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daß infolgedessen der Modulatorschaltung 19 das Dreieckwellensignal der Frequenz von 3 in N zugeführt wird.

Als Ergebnis hiervon wird die Modulatorschaltung 19'in den Betriebszustand umgeschaltet, der in den Fig. 3C und 3D veranschaulicht ist. Die hierbei erhaltene modulierte Welle wird aufgrund des Wechselrichter-Betriebsbefehlssignals dem Viechseirichter 3 durch die offene Torschaltung 2o zugeführt, so daß der Wechselrichter in einer Betriebsweise zu arbeiten beginnt, in der sein Ausgangssignal Steuer- bzw. regelbar ist. Infolgedessen erzeugt der Wechselrichter 3 eine Wechselspannung einer Frequenz, die sich aus einer Addition (während der Antriebsbetriebsweise) oder einer Subtraktion (während der Regenerativbetriebsweise) der Schlupffrequenz Af zur bzw. von der Frequenz f , die der Geschwindigkeit des Motors 4 entspricht, ergibt- In diesem Zustand wird die Spannung durch das obige Spannungsregelsystem geregelt. Im einzelnen wird, wenn der Motorstrom voraussichtlich den Befehlssignalwert Is überschreitet bzw. im Begriff ist, diesen Befehlssignalwert zu überschreiten, das Ausgangssinuswellensignal des Sinuswellengenerators 13 herabgesetzt, so daß dadurch die Ausgangsspannung des Wechselrichters 3 vermindert wird. Der Motorstrom folgt dem Befehlssignalwert Is, und infolgedessen wird verhindert, daß er ansteigt. Dadurch wird auch ein Umpolungsausfall des Wechselrichters 3 verhindert.

Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 4 gezeigt, worin mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 die gleichen bzw. die gleichartigen Bauelemente wie in Fig. 1 bezeichnet sind. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 1 insofern, als hier das Stromregelsystem der Fig. 1 durch ein Spannungsregelsystem zum Konstanthalten des Spannungs-zu-Frequenz-Verhältnisses ersetzt ist. Die Ausgangsspannung V₁ + Δν des Addierers-Subtrahierers ist ein Analogsignal, das dem Frequenz-

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befehlssignal f +Af des Wechselrichters proportional ist. Wenn eine der Spannung V + /yv proportionale Spannung im Wechselrichter 3 erzeugt wird, kann der Wechselrichter in einer solchen Weise geregelt v/erden, daß das Spannungs-Frequenz-Verhältnis konstant ist. Die Ausgangsspannung des Addierers-Subtrahierers 9 wird mit dem Ausgangssignal des Ausgangsspannungsdetektors 29 des Wechselrichters 3 im Komparator 3o verglichen, und der Spitzenwert des Sinuswellenausgangssignals des Sinuswellengenerators 13 wird entsprechend dem Fehler bzw. der Abweichung zwischen beiden eingestellt, so daß dadurch die Betriebsweise des Spannungsregelsystems vervollständigt wird.

Wegen des Fehlens des Konstantstromsystems wird der Stromstoß zum Zeitpunkt des Beginns des Wechselrichterbetriebs nicht vermieden. Um diese Schwierigkeit zu überwinden, ist es notwendig, die Amplitude der Ausgangsspannung des Spannungsregelsystems während einer vorbestimmten Zeitdauer zu beschränken. In der Zeichnung ist in das System ein Transistör 31 in der Weise eingefügt, daß er das Spannungsbefehlssignal V + Δν des Spannungsregelsystems beschränkt, indem die Leitfähigkeit des Transistors während der Zeitdauer vermindert wird, während welcher die Univibratorschaltung 28 ein Ausgangssignal erzeugt. Es ist auch einfach, die Ausgangsspannung des Wechselrichters im bzw. durch den Sinuswellengenerator 13 oder im bzw. durch die Modulatorschaltung 19 zu beschränken.

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Claims

Patentansprüche

f 1. jVerfahren zum Regeln eines Induktionsmotors, bei dem ein —Frequenzbefehlssignal für einen Wechselrichter erzeugt wird, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte des Erzeugens einer Sinuswelle einer Frequenz

1ο (f +Δ f)» die dem Frequenzbefehlssignal entspricht; des Erzeugens einer Dreieckwelle von einer Frequenz, die das N-fache (N: 1 oder eine größere ganze Zahl) der Frequenz (f +Af) der Sinuswelle ist; des Festlegens eines Geschwindigkeitsbereichs (t, h, m, 1) aus einer Mehrzahl von Geschwindigkeitsbereichen entsprechend der Geschwindigkeit des Motors (4); des Auswählens einer Frequenz der Dreieckswelle durch einen Schaltvorgang, um den Wert N zu vermindern, in Abhängigkeit von der Zunahme in dem Geschwindigkeitsbereich (t, h, m, 1), der durch eine Entscheidungseinrichtung (18) festgelegt worden ist; des Vergleichens der Dreieckwelle mit der Sinuswelle; des Regeins des Wechselrichters (3) entsprechend einer Ausgangsimpulsfolge der den Vergleich ausführenden Komparä-

toreinrichtung (191-193); und des Verhinderns, daß der Wert N wenigstens während einer Zeitdauer, während der der Wechselrichter (3) von einem Leerlaufzustand in einen aktiven Zustand übergeht, zu 1 wird.

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2. Verfahren nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch die weiteren Verfahrensschritte des Erzeugens eines StrombefehIssignals für den Motor (4); des Feststellens des Stroms des Motors (4); des Vergleichens- des Strombefehlssignals mit einem festgestellten Stromwert; und des Regeins der Ausgangsspannung des Wechselrichters (3) entsprechend dem Vergleichsergebnis.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η ~

zeichnet, daß der Verfahrensschritt der Spannungsregelung einen Verfahrensschritt des Einsteilens des Spitzenwerts der Sinuswelle entsprechend dem Vergleichsergebnis umfaßt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Verfahrensschritt des Erzeugens eines Frequenzbefehlssignals die Verfahrensschritte des Feststeilens der Geschwindigkeit (f ) des Motors (4), des Einstellens der Schlupffrequenz (Af) des Motors (4) und des Ausführens einer ausgewählten Additions- oder Subtraktionsoperation zwischen der ermittelten Geschwindigkeit (f ) und der Schlupffrequenz (Af) umfaßt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die weiteren Verfahrensschritte des Erzeugens eines Spannungsbefehlssignals (V + AV) , das dem Frequenzbefehlssignal (f +Af) proportional ist; des Feststellens der Ausgangsspannung des Wechselrichters (3); des Vergleichens des Spannungsbefehlssignals (V. +Δν) mit einer festgestellten Spannung; des Regeins der Ausgangsspannung des Wechselrichters (3) entsprechend dem Vergleichsergebnis; und des ünterdrückens der Ausgangsspannung des Wechselrichters (3) während einer vorbestimmten Zeitdauer.

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6. Verfahren nach einem dor vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Dreieckwellenerzeugungs-Verfahrensschritt des Erzeugens einer Mehrzahl von Dreieckwellen unterschiedlicher Frequenzen, von denen jecL- ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz (f +Af) jeder der Sinuswellen ist, umfaßt, und daß der Frequenzumschaltungs-Verfahrensschritt einen Verfahrensschritt des Auswählens einer der Dreieckwellen gemäß der Festlegung umfaßt.
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7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Dreieckwellenlängenerzeugungs-Verfahrensschritt die Verfahrensschritte der Frequenzteilung einer Eingangsimpulsfolge mit unterschiedlichen Teilungsverhältnissen umfaßt, wobei die bingangsimpulsfolge eine Frequenz (f„) hat, die proportional dem Ergebnis einer ausgewählten Additionsoder Subtraktionsoperation zwischen der Geschwindigkeit (f ) des Motors (4) und der Schlupffrequenz (Δ f) ist; sowie weiter des Erzeugens einer Mehrzahl von Dreieckwellen von Frequenzen, die den Ausgangsimpulsfolgen entsprechen, welche in dem Frequenzteilungs-Verfahrenscchritt erzeugen worden sind.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Sinuswellenerzeugungs-Verfahrensschritt die folgenden Verfahrensschritte umfaßt: Aufnehmen einer Eingangsimpulsfolge einer Frequenz, die zu dem Ergebnis einer ausgewählte Additions- oder Subtraktionsoperation zwischen der Geschwindigkeit (f ) des Motors (4) und der Schlupffrequenz (Δ f) proportional ist; und Auftrennen der Eingangsimpulsfolge in Dreiphasen-Impulsfolgen, von denen jede sich in gleichen Intervallen wiederholende Impulse hat; und Erzeugen von Dreiphasen-Sinuswellen von Frequenzen (f +Af), die jeweils denjenigen der Dreiphasen-Impulsfolgen entsprechen.

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9. Induktionsmotor-Eegelunordnung mit einem Induktionsmotor, einem Wechselrichter für die Stromversorgung des Induktionsmotors und einer Regeleinrichtung vom Impulsbreit enmodulations typ zum Regeln des Wechselrichters, dadurch gekennzeichnet , daß die Regeleinrichtung folgendes umfaßt: eine Frequenzbefehlssignal-Erzeugungseinrichtung für den Wechselrichter (3); eine Einrichtung (13) zum Erzeugen einer Sinuswelle einer Frequenz (f +Af), die dem Frequenzbefehlssignal entspricht; eine Einrichtung (151-154) zum Erzeugen einer Dreieckwelle einer Frequenz, die das N-fache der Frequenz (f +Af) der Sinuswelle beträgt (N: 1 oder eine größere ganze Zahl); eine Einrichtung (18) zum Festlegen eines Gc3clr.\'indigkeitsbereichs (t, h, m, 1) aus einer Mehrzahl von Geschwindigkeitsbereichen entsprechend der Geschwindigkeit (f ) des Motors (4); eine Einrichtung (17) zum Auswählen einer Frequenz der Dreieckwelle durch einen Schaltvorgang, so daß der Wert N in Abhängigkeit von der Zunahme in dem Geschwindigkeitsbereich (t, h, m, 1), der durch die Festlegungseinrichtung (18) festgelegt worden ist, vermindert wird; eine Einrichtung (191-193) zum Vergleichen der Dreieckwelle mit der Sinuswelle; und eine Einrichtung (21) zum Regeln des Wechselrichters (3) entsprechend einer Ausgangsimpulsfolge der Vergleichseinrichtung (191-193); und weiterhin eine Einrichtung

(28) zum Verhindern, daß wenigstens während einer vorbestimmten Zeitdauer, während der Wechselrichter (3) von einem Leerlaufzustand in einen aktiven Zustand übergeht, der Wert N zu 1 wird.

1o. Induktionsmotor-Regelanordnung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (25) zum Erzeugen eines Strombefehlssignals (Is) für den Motor (4); eine Einrichtung (23, 24) zum Feststellen des Stroms des Motors (4); eine Einrichtung (26) zum Vergleichen des Strombefehlssignals (Is) mit einem festge-

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stellten Stromwert; eine Stromrege!anordnung (13, 19-22) zum Regeln der Ausgangsspannung des Wechselrichters (3) entsprechend dem Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung (26) .
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11. Induktionsmotor-Regelanordnung nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet , daß die Stromregelanordnung eine Einrichtung (13) zum Einstellen des Spitzenwerts der Sinuswelle entsprechend dem Ausgangs-Ίο signal der Vergleichseinrichtung (26) umfaßt.

12. Induktionsmohor-Regelanordnung nach einem der vorhergehenden Anordnungsansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Frequenzbefehlssignal-Er- Zeugungseinrichtung (5, 7, 9) eine Einrichtung (5) zum Feststellen der Geschwindigkeit (f ) des Motors (4) umfaßt; sowie eine Einrichtung (7) zum Einstellen einer Schlupf frequenz (Af) des Motors (4) ; und eine Additions-Subtraktions-Einrichtung (9) zum Ausführen einer Additions- und Subtraktionsoperation zwischen der Schlupffrequenz (Af) und der festgestellten Geschwindigkeit

13. Induktionsmotor-Regelanordnung nach einem der vorhergehenden Anordnungsansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Erzeugen eines Spannungsbefehlssignals, das dem Frequenzbefehlssignal proportional ist; eine Einrichtung (29) zum Feststellen der Ausgangsspannung des Wechselrichters (3) ; eine Einrichtung (3o) zum Vergleichen des Spannungsbefehlssignals mit der festgestellten Spannung; eine Spannungsregelanordnung (13, 19-22) zum Regeln der Ausgangsspannung des Wechselrichters (3) entsprechend dem Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung (3o); und eine Einrichtung (31) zum Unterdrücken der Ausgangsspannung des Wechselrichters (3) für die vorbestimmte Zeitdauer.

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14. Induktionsmotor-Regelanordnung nach einem der vorhergehenden Anordnungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dreieckwellen-Erzeugungseinrichtung eine Einrichtung (151-154) zum Erzeugen einer Mehrzahl von Dreieckwellen unterschiedlicher Frequenzen umfaßt, wobei diese Frequenzen ganzzahlige Mehrfache der Frequenz (f + Δί) der Sinuswelle sind; und daß die Umschalteinrichtung (17) eine ümschaltschaltung zum Auswählen einer der Dreieckwellen in Ansprechung auf das Ausgangssignal der den Geschwindigkeitsbereich festlegenden Einrichtung bzw. der Geschwindigkeits-Entscheidungseinrichtung (18) umfaßt.

15. Induktionsmotor-Regelanordnung nach einem der vohergehenden Anordnungsansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Dreieckwellen-Erzeugungseinrichtung eine Mehrzahl von Frequenzteilereinrichtungen (141-144) umfaßt, die eine Impulsfolge aufnehmen, deren Frequenz dem Ergebnis einer ausgewählten Addition oder Subtraktion der Geschwindigkeit (f ) des Motors (4) und der Schlupffrequenz (i\£) proportional ist, und die die Frequenz der Impulsfolge mittels unterschiedlicher frequenzverhältnisse untersetzen; sowie eine Mehrzahl von Dreieckwellengeneratoreinrichtungen (151-154) zum Erzeugen von Dreieckwellen, deren Frequenzen den Ausgangsimpulsfolgen entsprechen, die je von den Frequenzteilereinrichtungen (141-144) erzeugt worden sind.

16. Induktionsmotor-Regelanordnung nach einem der vorhergehenden Anordnungsansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Sinuswellen-Erzeugungseinrichtung eine Dreiphasenverteilereinrichtung (12) umfaßt, die eine Impulsfolge aufnimmt, deren Frequenz proportional dem Ergebnis einer ausgewählten Addition oder Subtraktion der Geschwindigkeit (f ) des Motors (4) und der Schlupffrequenz (Af) ist, und die Dreiphasenimpuls-

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folgen, deren Impulse sich in gleichen Intervallen wiederholen, verteilt ; sowie eine Dreiphasensinuswellen-Erzeugungseinrichtung (13) zum Erzeugen von Dreiphasensinuswellen, deren Frequenzen jeweils denjenigen' der
Dreiphasenimpulsfolgen entsprechen.

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