DE1613776B2

DE1613776B2 - PROCEDURE FOR THE SPEED AND VOLTAGE CONTROL OF AN AC MOTOR IN PARTICULAR THREE-PHASE AC MOTORS

Info

Publication number: DE1613776B2
Application number: DE19681613776
Authority: DE
Inventors: Arne Havnbjerg Nordborg Jensen (Dänemark). H02h 7-08
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1968-03-16
Filing date: 1968-03-16
Publication date: 1971-11-25
Also published as: CH497079A; GB1255040A; SE360957B; DE1613776A1; FR2004061A1; SE360957C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Drehzahl- und Spannungssteuerung eines Wechselstrommotors, insbesondere Drehstrommotors, bei dem eine regelbare Gleichspannung über einen, mindestens einen Kondensator aufweiserden Zwischenkreis einem den Motor speisenden Wechselrichter zugeführt ist, der mindestens zwei Zweige mit zwei in Reihe liegenden steuerbaren Gleichrichtern und diesen zugeordneten Feilaufdioden aufweist, wobei die Frequenz der an den Wechselrichter gegebenen Steuerimpulse und die Motorspannung in einem vorgegebenen Verhältnis zueinander stehen.The invention relates to a method for speed and voltage control of an AC motor, in particular three-phase motor, in which a controllable DC voltage via one, at least a capacitor having an intermediate circuit to an inverter feeding the motor is fed to the at least two branches with two controllable rectifiers in series and having these associated filing diodes, the frequency being given to the inverter Control pulses and the motor voltage are in a predetermined ratio to one another.

Um die Drehzahl des Motors zu steuern, wird die Frequenz der dem Motor zugeführten Spannung durch die Frequenz der an den Wechselrichter gegebenen Steuerimpulse geändert. Eine Erhöhung der Frequenz führt aber zu einer Erhöhung des induktiven Widerstandes. Um die Magnetisierung des Motors auf der entsprechenden Höhe zu halten, ist es daher notwendig, die Spannung anzuheben. Gewöhnlieh wird dafür gesorgt, daß die Spannung der Frequenz linear folgt.To control the speed of the motor, the Frequency of the voltage supplied to the motor by the frequency given to the inverter Control impulses changed. However, an increase in the frequency leads to an increase in the inductive Resistance. In order to keep the magnetization of the motor at the appropriate level, it is therefore necessary to raise the tension. Usually it is ensured that the voltage of the frequency linearly follows.

Es sind Wechselrichterschaltungen bekannt, bei denen eine Wechselspannung gleichgerichtet, in ihrer Größe geregelt und anschließend durch einen Zwischenkreis geglättet wird, de? aus einer Längsdrossel und einem Querkondensator besteht. Freilaufdioden dienen dazu, die wegen der vorhandenen Induktivitäten auch nach dem Abschalten der steuerbaren Gleichrichfrventile noch fließenden Ströme zu führen (AEG-Mitteilunsen 56 (1966) 2. S. 105 bis 109).Inverter circuits are known in which an AC voltage is rectified in their Size is regulated and then smoothed by an intermediate circuit, de? from a longitudinal throttle and a shunt capacitor. Free-wheeling diodes are used because of the existing Inductivities continue to flow even after the controllable rectifying valves have been switched off lead (AEG-Mitteilunsen 56 (1966) 2nd pp. 105 to 109).

Bei derartigen Steuerschütungen tritt jedoch ein Nachteil auf. Wenn zur Absenkung der Motordrehzahl die Frequenz der Steuerimpulse und in Abhängigkeit davon die dem Motor zugeführte Spannung herabgesetzt wird, folgt der Motor infolge seiner Massenträgheit diesem Befehl nicht sofort. Vielmehr sinkt seine Drehzahl nur langsam ab. Das bedeutet, daß er — bezogen auf die neu eingestellte Frcquenz — noch eine Zeit lang mit übersynchronc Drehzahl läuft und daher als Generator arbeitet. Dieser Generator speist daher über die Freilaufdioden einen Strum in den Zwischenkreis, wo er den Kondensator oder die Kondensatoren auflädt. Da der Zwischenkreis mit der Frequenz auf eine kleinere Spannung geregelt war. kann dieser Strom sehr hohe Werte annehmen. Die Aufladung des Kondensators führt zu Überspannungen. Beides kann sehr schädliche Auswirkungen auf die Elemente des Wechselrichters oder der Spannungsversorgung haben.In the case of such tax subsidies, however, occurs Disadvantage on. When to lower the engine speed the frequency of the control pulses and depending of which the voltage supplied to the motor is reduced, the motor follows as a result of it Inertia does not immediately respond to this command. Rather, its speed drops only slowly. That means, that he - based on the newly set frequency - runs at oversynchronous speed for a while and therefore works as a generator. This generator therefore feeds a current into the intermediate circuit via the freewheeling diodes, where it does the Capacitor or capacitors is charging. Since the intermediate circuit decreases with the frequency Voltage was regulated. this current can reach very high values. The charging of the capacitor leads to overvoltages. Both of these can have very damaging effects on the elements of the inverter or the power supply.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Drehzahl- und Spannungssteuerung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, bei dem die Gefahr von Rückströmen und Überspannungen wesentlich geringer ist.The invention is therefore based on the object specify a method for speed and voltage control of the type described above, in which the risk of reverse currents and overvoltages is much lower.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Sollwert der Gleichspannung als unabhängige Variable und die Frequenz in Abhängigkeit vom Istwert der Gleichspannung am Kondensator oder am Wechselrichtereingang gesteuert wird.According to the invention, this object is achieved by that the setpoint of the direct voltage as an independent variable and the frequency as a function is controlled by the actual value of the DC voltage at the capacitor or at the inverter input.

Bei diesem Vorgehen wird die gewünschte Drehzahl mit Hilfe der Spannung eingestellt. Dies bringt für den Normalbetrieb keinen Nachteil mit sich, weil sich der Spannungs-tstwert nach dem eingestellten Sollwert richtet und daher auch die vom Istwert abhängige Frequenz der Spannungs-Sollwert-Einstellung folgt. Dagegen ergeben sich große Vorteile, wenn zum Zweck der Drehzahlabsenkung der Spannungssollwert herabgesetzt wird. Zwar arbeitet auch in diesem Fall der Motor als Generator. Die Frequenz der Steuerimpulse folgt aber nicht der Sollwert-Einstellung, sondern bleibt an den Spannungs-Istwert gekettet, der im wesentlichen durch die Generatorspannung bestimmt wird. Infolgedessen läuft der Generator — bezogen auf die Frequenz der ihm zugeführten Wechselspannung — mit einer Drehzahl, die nur geringfügig über der Synchrondrehzahl liegt. Daher fließen auch nur sehr kleine Ströme, die ohne Schwierigkeiten vom Kondensator im Zwischenkreis aufgenommen werden können. Die Drehzahl der elektrischen Maschine vermindert sich allmählich auf Grund der Eigenverluste und der Verluste der angeschlossenen Belastung. Der Istwert der Spannung (und damit die Frequenz) folgt der Drehzahlabsenkung, bis der eingestellte Spannungs-Sollwert erreicht ist.With this procedure, the desired speed is set with the help of the voltage. This brings no disadvantage for normal operation, because the voltage tstwert is after the set The setpoint is directed and therefore also the one that is dependent on the actual value The frequency of the voltage setpoint setting follows. On the other hand, there are great advantages if the voltage setpoint is reduced for the purpose of reducing the speed. Although also works in this Case of the engine as a generator. However, the frequency of the control pulses does not follow the setpoint setting, but remains chained to the actual voltage value, which is essentially due to the generator voltage is determined. As a result, the generator runs - based on the frequency of the one supplied to it AC voltage - with a speed that is only slightly above the synchronous speed. Therefore only very small currents flow, which are taken up by the capacitor in the intermediate circuit without difficulty can be. The speed of the electric machine gradually decreases Reason for the internal losses and the losses of the connected load. The actual value of the voltage (and thus the frequency) follows the reduction in speed until the set voltage value is reached is.

Rein theoretisch könnte man die störende Spannungserhöhung durch Aufladung des Kondensators im Zwischenkreis auch dadurch beseitigen, daß man dem Kondensator eine entsprechend große Kapazität gibt. Ein solcher Kondensator wäre aber groß und teuer. Bei Anwendung der Erfindung kann man dagegen mit sehr kleinen und billigen Kondensatoren auskommen.Theoretically, one could reduce the disturbing voltage increase by charging the capacitor Eliminate in the intermediate circuit by giving the capacitor a correspondingly large capacitance gives. However, such a capacitor would be large and expensive. When applying the invention, however, one can with very small and cheap capacitors get along.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der Zeichnung" dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigtThe invention is described below with reference to an exemplary embodiment shown in the drawing " explained in more detail. It shows

Fig. 1 in einem Diagramm die Abhängigkeit der Spannung von der Frequenz und des Drehmoment; von der Drehzahl bei den hier betrachteten Schaltungen. Fig. 1 in a diagram the dependence of Voltage on frequency and torque; on the speed in the circuits considered here.

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Frequenz, der Spannung und des Stromes bei den bekannten Steuerschaltungen, 2 shows the time course of the frequency, the voltage and the current in the known control circuits,

Fig. 3 den zeitlichen Verlau'" der Frequenz, der Spannung und des Stromes bei der erfindungsgemäßen Schaltung.Fig. 3 the temporal course '"of the frequency, the Voltage and current in the circuit according to the invention.

F ie. 4 in einem schematischen Schaltbild ein j Ausführungsform der erlindungsgemäßen Schaltung.F ie. 4 in a schematic circuit diagram a j Embodiment of the circuit according to the invention.

Fig. 5 eine Ausführungsform des elektronischen Schalters im Spannungsregler.5 shows an embodiment of the electronic switch in the voltage regulator.

F i g. 6 ein Schaubild der vom elektronischen Schalter durchgelassenen Impulse.F i g. 6 is a diagram of the electronic switch transmitted impulses.

In dem Diagramm der F i g. 1 zeigt die Kennlinie 1 die erstrebte lineare Abhängigkeit zwischen der Spannung i.' am Eingang des Wechselrichters und der Frequenz / der dem Wechselrichter zugeführten Steuerimpulse. Die Kurven 2 und 3 zeigen das Drehmoment Md in Abhängigkeit von der Drehzahl η eines angetriebenen Asynchronmotors. Die Arbcitspunkte ergeben sich für jede einzelne Drehzahl durch den Schnittpunkt mit einer von der anzutreibenden Belastung abhängigen Kennlinie 4. Wird die Frequenz, von /, auf /., herabgeregdi. so behält der Motor zunächst noch seine Ausgangsdrehzahl bei. Er arbeitet daher, wie der Kurvenasl: 3' zeigt, bezüglich der nunmehr zugefiihrten Frequenz J₂ im übersynchronen Bereich, d. h. als Generator.In the diagram of FIG. 1, the characteristic curve 1 shows the desired linear dependence between the voltage i. ' at the input of the inverter and the frequency / the control pulses fed to the inverter. Curves 2 and 3 show the torque Md as a function of the speed η of a driven asynchronous motor. The working points result for each individual speed through the point of intersection with a characteristic curve 4 that is dependent on the load to be driven. If the frequency is reduced from / to /. so the motor initially retains its output speed. It therefore works, as shown by curve 3 ', with respect to the frequency J ₂ now supplied in the oversynchronous range, ie as a generator.

In F i g. 2 ist der zeilliche Verlauf eines solchen Umschaltvorganges veranschaulicht. Die Frequenz wird im Zeitpunkt I₁ von /, auf /₃ herabgesetzt (Kurve 5). Der Strom I geht hierbei längs der Kurve 6 in den generatorischen Bereich. Der Generatorstrom lädt den Kondensator im Zwischenkreis auf, so daß die Spannung V₁ am Eingang des WechselrichtersIn Fig. 2 shows the progression of such a switchover process over time. The frequency is reduced from / to / ₃ at time I ₁ (curve 5). The current I here goes along curve 6 into the generator range. The generator current charges the capacitor in the intermediate circuit, so that the voltage V ₁ at the input of the inverter

gemäß der Kurve 7 stark ansteigt, ehe sie auf den dem Wert ;_s zugehörigen Wert U₃ absinkt.according to curve 7 rises sharply before it reaches the value; _s associated value U ₃ decreases.

Gemäß Fi g, 3 wird erfindungsgemäß nicht die Frequenz sondern der Sollwert £/, im Zeitpunkt I₁ längs der Linie 8 vom Spannungswert U₁ auf U., verstellt. Infolgedessen geht wiederum der Motorstrom längs der Kurve 9 in den generatorischen Bereich, wobei aber der Generatorstrom wesentlich kleiner ist als im Fall der F i g. 2, da die Frequenz der Steuerimpulse für den Wechselrichter ihren Ausgangswert noch fast unverändert beibehalten hat. Diese Frequenz wird vom Spannungs-Istwert U₁ am Eingang des Wechselrichters gesteuert, die entsprechend der Drehzahlabnahme der elektrischen Maschine gemäß der Kurve 10 abnimmt. Dementsprechend ergibt sich ein Fre- »5 quenzverlauf längs der Kurve 11. Im Zeitpunkt r., ist dann der gewünschte neue Zustand erreicht. Die Zeitspanne zwischen i, und r_:! hängt davon ab, wie schnell die Maschine Energie abgibt, nämlich von ihren eigenen Verlusten und denjenigen der angeschlossenen Belastung.According to FIG. 3, according to the invention, it is not the frequency but rather the setpoint value £ / that is adjusted at time I ₁ along line 8 from voltage value U ₁ to U. As a result, the motor current again goes into the generator range along curve 9, but the generator current is significantly smaller than in the case of FIG. 2, because the frequency of the control impulses for the inverter has remained almost unchanged at its initial value. This frequency is controlled by the actual voltage value U ₁ at the input of the inverter, which decreases in accordance with the decrease in speed of the electrical machine according to curve 10. Accordingly, there is a frequency profile along the curve 11. At the point in time r., The desired new state is then reached. The time between i, and r _:! depends on how quickly the machine releases energy, namely on its own losses and those of the connected load.

In Fig. 4 ist eine Schaltung gezeigt, bei der die Phasen R, S und T eines Dreiistromnetzes einen Gleichrichter 12 speisen, an dessen beiden Ausgangs-Jeitungen 13, 14 eine konstante Gleichspannung zur Verfugung steht. Diese wird einem Reihen-Spannungsregler 15 zugeführt, den ein batteriegespeister Einstellwiderstand 16 mit Abgriff 17 zur Festlegung des Sollwertes und ein nachgeschalteter Spannungsteiler mit den Widerständen 18 und 19 zum Abgriff des Spannungs-Istwertes am Punkt 20 zugeordnet ist. Hauptbestandteil des Spannungsreglers 15 ist ein elektronischer Schalter, der die konstante Gleichspannung nur abschnittsweise in Impulsform durchläßt, wie nachstehend noch genauer beschrieben wird. Dem Spannungsregler ist ein Zwischenkreis, bestehend aus einer Längsdrossel 21 und einem Querkondensator 22. nat-hgeschaltet. die einen geglätteten Spannungsmittelwert aus den vom elektrischen Schalter durchgelassenen Impulsen bilden.4 shows a circuit in which the phases R, S and T of a three-current network feed a rectifier 12, at the two output lines 13, 14 of which a constant DC voltage is available. This is fed to a series voltage regulator 15, which is assigned a battery-powered setting resistor 16 with tap 17 for setting the setpoint value and a downstream voltage divider with resistors 18 and 19 for tapping the actual voltage value at point 20. The main component of the voltage regulator 15 is an electronic switch which only allows sections of the constant DC voltage to pass through in pulse form, as will be described in more detail below. An intermediate circuit consisting of a series choke 21 and a shunt capacitor 22 is connected to the voltage regulator. which form a smoothed mean voltage value from the pulses allowed through by the electrical switch.

Der Spannungs-Istwert U₁ am Ausgang dieses Zwischenkreises wird über eine KurzschlußimpedanzThe actual voltage value U ₁ at the output of this intermediate circuit is via a short-circuit impedance

23 einem dreiphasigen Wechselrichter zugeführt, der in Briickcnschaltungö steuerbare Gleichrichterventile23 is fed to a three-phase inverter with rectifier valves that can be controlled in a bridge circuit

24 und andparallel dazu 6 Freilaufdioden 25 auf-Weist. Die drei Alisgangsleitungen U. V und W spciten einen Dreiphasen-Asynchronmotor 26. Zum Wechselrichter gehört ferner ein gemeinsamer Lösclikreis 27. Die Schaltung des Wechselrichters ist nur schematisch zu verstehen. Er kann einen belietiigen bekannten Aufbau haben, statt der Gcmeintcliaftslöschung Finzellöschung besitzen. Kommuticrunaskondcnsatoren aufweisen usw.24 and parallel to this 6 free-wheeling diodes 25 on. The three output lines U, V and W spciten a three-phase asynchronous motor 26. The inverter also has a common release circuit 27. The circuit of the inverter is only to be understood schematically. It can have any known structure, instead of having a common deletion, a finite deletion. Have commutation capacitors, etc.

An der gleichen Spannung U, liegt die Reihentchaltung eines Widerstandes 28 und eines FrequenzfegIcrs 29. Dieser gibt Impulse an ein Steuergerät 30 üb, welches den Löschkreis 27 mit Impulsen vor. der sechsfachen Frequenz der im Dreiphasennetz U, V, W gewünschten Frequenz speist und die steuerbaren Gluichrichterventile 24 während derjenigen Zeit, in der sie leitend sein sollen, mit Zündimpulsen versorgt.The series connection of a resistor 28 and a frequency converter 29 is connected to the same voltage U. This sends pulses to a control unit 30, which supplies the extinguishing circuit 27 with pulses. of six times the frequency of the frequency desired in the three-phase network U, V, W and supplies the controllable rectifier valves 24 with ignition pulses during the time in which they are to be conductive.

Der Spannungsregler 15 kann beispielsweise die in F i g. 5 veranschaulichte Schaltung haben. In der Leitung 13 liegt v'in steuerbares Gleichrichterventil 31. Diesem ist eine Diode 32, ein steuerbares Löschgleichrichterventi! 33 und die Reihenschaltung einer Umladedrossel 34 und eines Kommutierungskondensators 35 parallelgeschaltet. Zwischen dem Loschuieichrichterventil 33 und der Diode 32 ist noch eine weitere Diode 36 gelegt. In Abhängigkeit von der über den Abgriff 17 zugeführten Spannung gibt ein Steueraerät 37 Zündimpulse an die beiden steuerbaren "Gleichrichterventile 31 und 33. Der Kondensator 35 lädt sich bei gesperrtem Gleichrichterventil 31 auf die vom Gleichrichter 12 zur Verfügung gestellte Gleichspannung auf. Erhält das Gleichricliterventil 31 einen Zündimpuls, so wird es leitend. Dieser Zustand ist stabil, bis ein Zündimpuls an das Gleichrichterventil 33 gegeben wird. Sobald dieses leitend wird, lädt sich der*Kondensator 35 über die Umladedrossel 34 um und erzeugt eine Gegenspannung, die über das Gleichrichterventil 31 wirkt und dieses sperrt. Gleichzeitig wird auch das Löschgleichrichterventil 33 gesperrt. Der Kondensator 35 kann sich anschließend über die Gleichrichterventile 36 und 32 erneut umladen und gegebenenfalls vom Gleichrichter 12 her etwas nachladen. *o daß er erneut einsatzbereit ist.The voltage regulator 15 can, for example, be the one shown in FIG. 5 have illustrated circuit. In the line 13 there is a controllable rectifier valve 31. This is a diode 32, a controllable quenching rectifier valve! 33 and the series connection of a recharging choke 34 and a commutation capacitor 35 are connected in parallel. Another diode 36 is placed between the Loschuieichrichterventil 33 and the diode 32. Depending on the voltage supplied via the tap 17, a control unit 37 sends ignition pulses to the two controllable rectifier valves 31 and 33. When the rectifier valve 31 is blocked, the capacitor 35 charges to the DC voltage made available by the rectifier 12. If the rectifier valve 31 receives a This state is stable until an ignition pulse is sent to the rectifier valve 33. As soon as this becomes conductive, the capacitor 35 is recharged via the recharge throttle 34 and generates a counter voltage that acts via the rectifier valve 31 and At the same time, the extinguishing rectifier valve 33 is also blocked. The capacitor 35 can then recharge via the rectifier valves 36 and 32 and, if necessary, recharge something from the rectifier 12. * o that it is ready for use again.

Das Steuergerät 37 gibt Zündimpulse mit gleichmäßigem zeitlichen Abstand α an den Gleichrichter 31. so daß die auf der Leitung 13 durchgelassenen Spannungsimpulse eine vorbestimmte Frequenz haben. Die Zündimpulse 33 werden jedoch in Abhängigkeit \on der gewünschten Spannung mit unterschiedlichen Abständen b, c, d, e abgegeben, so daß die hinuurchgelassenen Spannungsimpulse unterschiedliche Breite haben, wie es F i g. 6 zeigt. Der glättende Zwischenkreis 21. 22 ist auf die Repititionsfrequenz dieser Impulse, z. B. 1000 Hz, ausgelegt, so daß am Ausgang des Zwischenkreises eine den Mittelwert der Impulse darstellende Spannung abgenommen werden Kami.The control unit 37 sends ignition pulses with a uniform time interval α to the rectifier 31, so that the voltage pulses transmitted on the line 13 have a predetermined frequency. The ignition pulses 33 are, however, emitted depending on the desired voltage at different intervals b, c, d, e , so that the voltage pulses allowed through have different widths, as shown in FIG. 6 shows. The smoothing intermediate circuit 21. 22 is to the repetition frequency of these pulses, z. B. 1000 Hz, designed so that a voltage representing the mean value of the pulses can be taken from the output of the intermediate circuit Kami.

Das Schaltbild der Fig. 4 läßt deutlich erkennen. daß die Frequenz vom Istwert U₁ der Spannung am Eingang des Wechselrichters beherrscht wird. Sie ist also eine abhängige Variable. Die unabhängige Variable zur Änderung der Motordrehzahl ist ujt Spannung^ Sollwert, der mit Hilfe des Abgriffs 17 verstellt wird.The circuit diagram of FIG. 4 can be clearly seen. that the frequency is controlled by the actual value U _{1 of} the voltage at the input of the inverter. So it is a dependent variable. The independent variable for changing the motor speed is ujt voltage ^ setpoint, which is adjusted with the aid of tap 17.

Es ist natürlich nicht zwingend notwendig, daß die Frequenz und die Spannung in einem linearen Abhängigkeitsverhältnis stehen. Außerdem kann es manchmal zweckmäßig sein, die Frequenz nicht nur in Abhängigkeit von der Spannung, sondern auch vom Motorslrom zu beeinflussen.It is of course not absolutely necessary for the frequency and the voltage to be in a linear relationship stand. Also, it can sometimes be useful not just the frequency depending on the voltage, but also on the motor current.

Claims

Claim:

Method for speed and voltage control of an AC motor, in particular Three-phase motor, at üem a controllable DC voltage via one, at least one Capacitor having intermediate circuit, one of the. f.iotor feeding inverter is, the at least two branches with two controllable rectifiers in series and these has associated freewheeling diodes, the frequency being given to the inverter Control pulses and the motor voltage are in a predetermined relationship to one another, characterized in that the setpoint the DC voltage as an independent variable and the frequency as a function of the actual value the DC voltage at the capacitor or at the AC adapter input is controlled.

1 sheet of drawings