BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung eines ersten Wechselstromsignals in ein zweites Wechselstromsignal, in welchem, ausgehend vom ersten Wechselstromsignal, Schalter unter Berücksichtigung von Vorgaben sowie von während der Umwandlung festgestellten Messwerten aktiviert werden, sowie einen Umrichter zur Durchführung dieses Verfahrens.
Es ist bekannt, ein erstes Wechselstromsignal in ein zweites Wechselstromsignal umzuwandeln, indem Schalter in geeigneter Weise ausgebildet werden. Diese Umwandlung wird durch Umrichter durchgeführt, bei welchen das Verhältnis zwischen der Frequenz des ersten Wechselstromsignals und der Frequenz des zweiten Wechselstromsignals durch die Konstruktion des Umrichters gegeben ist.
Es gibt jedoch Fälle, in welchen der Umrichter in der Lage sein sollte, die Ausgangsfrequenz, d.h. die Frequenz des zweiten Wechselstromsignals, und gegebenenfalls auch die Amplitude desselben zu ändern. Einen dieser Fälle stellt die Speisung von Asynchronmotoren dar.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, den genannten Mangel des Standes der Technik zu beheben.
Diese Aufgabe wird beim Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäss so gelöst, wie dies im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 definiert ist.
Der erfindungsgemässe Umrichter zur Durchführung dieses Verfahrens ist im Anspruch 8 definiert.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 ein Blockschaltbild des Umrichters, der zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens dient,
Fig. 2 das Prinzip der Erreichung eines Signals mit einer gewünschten Amplitude, die konstant ist,
Fig. 3 das Prinzip der Erreichung eines Signals mit einer Amplitude, die veränderlich ist,
Fig. 4 das Prinzip der Erreichung eines Signals mit periodisch veränderlicher Amplitude und
Fig. 5 das Verhalten des Umrichters bei Überbelastung desselben.
Der in Fig. 1 dargestellte Umrichter weist einen Gleichrichter 1 sowie einen Wechselrichter 2 auf, wobei der Wechselrichter 2 an den Ausgang des Gleichrichters 1 angeschlossen ist.
Der Umrichter weist ferner eine Steuereinrichtung 3 auf, welche die Arbeitsweise des Wechselrichters 2 nach Massgabe von festen und einstellbaren Vorgaben sowie von während des Betriebes des Umrichters festgestellten Momentanwerten bzw. Messwerten steuert. Am Ausgang des Wechselrichters 2 ist ein Verbraucher 4 angeschlossen, der im vorliegenden Fall ein Asynchronmotor ist.
Im dargestellten Beispiel wird der Umrichter aus einem einphasigen Netz über eine Gleichrichterbrücke 6 gespeist. An den Ausgangsklemmen dieser Gleichrichterbrücke 6 steht eine Gleichspannung zur Verfügung, wobei auf der oben gezeichneten Ausgangsklemme der Brücke 6 der positive Pol + Uo und an der unten gezeichneten Ausgangsklemme der negative Pol -Uo der Gleichspannung liegt. An die Ausgangsklemmen + Uo und -Uo der Gleichrichterbrücke 6 ist unter anderem auch ein Glättungskondensator 7 angeschlossen.
Der Wechselrichter 2, der im vorliegenden Fall zur Lieferung eines dreiphasigen Wechselstromsignals ausgeführt ist, enthält für jede Phase des Ausgangssignals ein Paar von Schaltern all, 12; 13, 14; und 15, 16, wobei die Schalter des jeweiligen Paares in Serie geschaltet sind. Als Schalter dienen MOS FET. Da im dargestellten Beispiel ein dreiphasiges Wechselstromsignal erreicht werden soll, enthält der Wechselrichter 2 drei Paare von Schaltern 11 und 12, 13 und 14 sowie 15 und 16 und die Enden dieser seriellen Kombinationen von Schaltern 11 bis 16 sind an die Ausgangsklemmen + Uo und -Uo der Gleichrichterbrücke 6 angeschlossen. Der jeweilige Ausgangsleiter 17, 18 bzw. 19 des Wechselrichters 2 ist zwischen den Schaltern des entsprechenden Schalterpaares 11, 12; 13, 14; 15, 16 angeschlossen.
Die Steuereinheit 3 enthält einen Computer 5, welcher die für die Erzeugung des zweiten Wechselstromsignals massgebenden Signale empfängt, verarbeitet und hieraus Signale zur Steuerung des Wechselrichters 2 bildet.
Die dargestellten Schalter 11 bis 16 sind n-Kanal-MOS-FET.
Die Drain-Elektrode 8 des ersten Transistors 11 ist an die positive Klemme +Uo der Gleichrichterbrücke 6 angeschlossen. Die Source-Elektrode 9 dieses Schalters 11 ist mit der Drain-Elektrode 8 des zweiten, mit diesem ersten Schalter 11 in Serie geschalteten Transistors 12 verbunden, wobei hier auch der Ausgangsleiter 17 dieses Schalterpaares 11, 12 angeschlossen ist.
Die Source-Elektrode 9 des zweiten Schalters 12 ist an die negative Klemme -Uo der Gleichrichterbrücke 6 angeschlossen. Die Gate-Elektroden 10 dieser Schalter 11 und 12 sind über Einheiten 25 an den jeweiligen Ausgang des Computers 5 angeschlossen. Dementsprechend sind auch die übrigen Schalterpaare 13 und 14 bzw. 15 und 16 untereinander verbunden und an den Computer 5 angeschlossen. Am Knotenpunkt zwischen Transistoren dieser weiteren Schalterpaare sind die übrigen Ausgangsleiter 18 bzw. 19 angeschlossen.
An die Eingänge des Computers 5 sind im dargestellten Beispiel Mittel 20 zur Einstellung der Frequenz des Ausgangssignals, Mittel 21 zur Einstellung der Amplitude des Ausgangssignals, Mittel 22 zur Einstellung des Drehsinnes des Motors 4, Mittel 23 zur Programmwahl sowie zur Wahl von Einstellwerten und Mittel 24 zur Wahl von Optionen angeschlossen. Überwachungssignale, beispielsweise bei Überlastung des Umrichters, gelangen von einer Überwachungseinheit 26 im Gleichrichterkreis 1 an weitere Eingänge des Computers 5. Für die jeweilige Kontrolleinheit 25 der Schalter 11 bis 16 gibt es einen Ausgang am Computer 5, über den das Schliessen und Öffnen der Schalter 11 bis 16 gesteuert wird. An wenigstens einem weiteren Ausgang des Computers 5 sind Mittel 27 zur optischen Anzeige der eingestellten oder/und gemessenen Werte angeschlossen.
Während des Betriebes dieses Umrichters wird die einphasige Wechselspannung durch die Gleichrichterbrücke 6 in eine Gleichspannung umgewandelt, die an den Klemmen + Uo, -Uo zur Verfügung steht. Je nach der Betätigung der Schalter 11 bis 16 durch den Computer 5 wird Strom in die Ausgangsleiter 17 bis 19 durch einen dieser Schalter des jeweiligen Schalterpaares durchgelassen, was sich als Signale mit entsprechender Polarität in den Ausgangsleitern 17 bis 19 und somit auch als eine Wechselspannung am Ausgang des Wechselrichters 2 auswirkt.
Fig. 2 zeigt das Prinzip, wie ein Signal 31 mit konstanter Amplitude an einem der Leiter 17 bis 19 mit Hilfe dieses Umrichters erzeugt wird. Bei der Beschreibung dieses Prinzips werden wir nur das erste Schalterpaar 11 und 12 beobachten, an den der Ausgangsleiter 17 angeschlossen ist. Denn die Wirkungsweise der übrigen Schalterpaare ist, bis auf eine entsprechende Phasenverschiebung, praktisch dieselbe.
Auf der waagrechten Achse in Fig. 2 sind Zeitabschnitte aufgetragen. Der vorliegende Umrichter arbeitet mit einem Grundintervall, das mit T bezeichnet ist und das beispielsweise 10 Mikrosekunden beträgt. Die kürzeste mögliche Dauer des Grundintervalls T ist durch die Taktfrequenz des Computers 5 gegeben. Auf der lotrechten Achse sind die Werte der durch die Gleichrichterbrücke 6 gelieferten Gleichspannung + Uo und -Uo aufgetragen.
Mit diesem Umrichter sind diskrete Amplitudenstufen des zweiten Signals 31 zwischen + Uo und -Uo erreichbar. Zu diesem Zweck ist der erste Schalter 11 an die positive Klemme + Uo und der zweite Schalter 12 an die negative Klemme -Uo der Brücke 6 angeschlossen. Wenn der erste Schalter 11 leitend und der zweite Schalter 12 geschlossen ist, dann erscheint auf dem Ausgangsleiter 17 eine positive Gleichspannung, und zwar während einer Zeitspanne tl, die durch die Dauer der Öffnung des Schalters 11 gegeben ist. Wenn umgekehrt der zweite Schalter 12 leitend ist, dann erscheint auf dem Ausgangsleiter 17 eine negative Spannung während einer Zeitspanne t2. Die in dieser Weise zeitlich begrenzten Spannungen können als Impulse betrachtet werden, wobei mit 28 ein positiver Impuls und mit 29 ein negativer Impuls bezeichnet wird. Ein Schalterpaar, z.B.
das Paar 11 und 12, erzeugt somit ein Impulspaar 28, 29 von entgegengesetzter Polarität.
Im unteren Abschnitt von Fig. 2 befindet sich eine Skala, auf der die Längen tl und t2 bzw. Breiten der Impulse 28 und 29 eingezeichnet sind. Der Buchstabe n bezeichnet hier die Anzahl der Wiederholungen der Impulspaare 28, 29 mit der Dauer von tl bzw. t2, welche während der Energieübertragung zwischen dem speisenden Netz und dem Verbraucher 4 erschienen sind. Die Länge bzw. Breite tl, t2 der Impulse 28, 29, die bei der Umwandlung zur Anwendung kommen, ist ein ganzes Vielfaches des Grundintervalls T.
Aus Fig. 2 geht hervor, dass zunächst der zweite Schalter 12 durch den Computer 5 geschlossen worden ist und dass dieser Schalter 12 während einer Zeitspanne t2 geschlossen blieb, so dass ein negativer Impuls 29 entstand, dessen Länge sechs Grundintervalle T betrug. Auf dem Ausgangsleiter 17 erschien somit zuerst die Spannung mit negativer Polarität, die zu diesem Leiter 17 über den zweiten Schalter 12 gelangte. Nach dem Ablauf der Zeitspanne t2 ist der zweite Schalter 12 geschlossen und der erste Schalter 11 geöffnet worden. Dieser blieb während einer Zeitspanne tl geöffnet, die zwei Grundintervalle T betrug. Danach ist dieser erste Schalter 11 geschlossen und der zweite Schalter 12 für eine Zeitspanne t2 von sechs Grundintervallen wieder geöffnet, usw. Der Verlauf der Spannung auf dem Leiter 17 ist durch die voll ausgezogene Linie 30 in Fig. 2 dargestellt.
Diese Linie 30 kann auch als der Verlauf der Steuerspannung für die Schalter 11 und 12 betrachtet werden.
Für den an den Leiter 17 angeschlossenen Verbraucher 4 ist allerdings der Mittelwert der ihm zugeführten elektrischen Energie entscheidend. Weil die negative Energie während einer Gesamtzeitspanne n mal t2 zugeführt worden ist, welche länger war als die Gesamtzeitspanne n mal tl für die Zuführung der positiven Energie, ist der Mittelwert des resultierenden Signals 31 auf dem Leiter 17 aus der Sicht des Verbrauchers 4 negativ. Da sich das Verhältnis zwischen tl und t2 während der Energiezufuhr nicht geändert hat, hat das resultierende Signal 31 eine konstante Amplitude. Das resultierende Signal des Wechselrichters 2 ist in Fig. 2 durch eine strichpunktierte, waagrechte Linie angegeben, um anzudeuten, dass das Ausgangssignal 31 eine negative Gleichspannung von konstanter Grösse ist.
Wenn man das Verhältnis zwischen tl und t2 während des Betriebes des Umrichters ändert, wie dies beispielsweise in Fig.
3 dargestellt ist, so ändert sich der Mittelwert, d.h. die Amplitude des Ausgangssignals 31. Gemäss Fig. 3 beträgt die Zeitspanne t21 für das negative Signal zunächst etwa 7T und die Zeitspanne tll für das positive Signal bloss 1T. Die Länge der Zeitspanne tl, d.h. die Breite des positiven Impulses 28, ist während des Betriebes des Umrichters in Schritten von T ständig vergrössert worden. Bei einem späteren in Fig. 3 ebenfalls dargestellten Zahlenwert beträgt die Zeitspanne t12 bereits 3T und die Zeitspanne t22 nur 5T. Da das Verhältnis zwischen den Breiten der Impulse 28, 29 (Breitenmodulation derselben) laufend geändert wurde, änderte sich auch der Mittelwert der dem Verbraucher 4 zugeführten Energie. Dies hat zur Folge, dass die Amplitude des Ausgangssignals 31 geändert wird. In diesem Fall steigt der Mittelwert an.
Genau genommen ändert sich die Amplitude des resultierenden Signals 31 stufenweise, wobei die Stufen einer solchen Treppe in Fig. 3 mit S bezeichnet sind. Die Länge einer Stufe S ist durch die Gesamtlänge der Zeitspannen tl und t2 jener aufeinanderfolgenden Impulspaare 28, 29 gegeben, bei welchen das Verhältnis ihrer Breiten tl und t2 unverändert blieb.
Die Änderung der Amplitude des Ausgangssignals 31 kann allmählich sein, wie dem gemäss Fig. 3 der Fall ist, oder diese Änderung kann verhältnismässig rasch erfolgen. In Fig. 4 ist als Beispiel ein Fall dargestellt, in dem das Verhältnis zwischen den Zeitspannen tl und t2 verhältnismässig rasch und zugleich derart geändert wird, dass ein resultierendes Signal 31 mit zunehmender und abnehmender Amplitude entsteht. Durch eine ge eignete Steuerung, z.B. der Schalter 11 und 12, kann man Stufen S erreichen, deren Höhe und Länge es möglich macht, praktisch jedes beliebige zweite Wechselstromsignal 32 zu approximieren, im speziellen die in Fig. 4 dargestellte Sinuskurve.
Bei Kurven 32, deren Amplitude rasch wechselt, müsste der Computer 5 sehr schnell arbeiten. Denn er müsste, unter der Berücksichtigung der seine Arbeitsweise beeinflussenden Daten, während der Dauer eines Impulspaares 28,29 die jeweils angepassten Steuersignale für die Zeitspanne des nächsten Impulspaares 28, 29 an die Schalter 11 bis 16 liefern. Da dies sehr hohe Ansprüche an die Rechengeschwindigkeit des Computers 5 stellen würde, werden die zur Steuerung der Schalter 11 bis 16 erforderlichen Signale nur in Zeitabständen A (Fig. 4) berechnet, die grösser sind als die Dauer eines Impulspaares, d.h.
grösser als tl + t2. Zwischen den Zeitpunkten zweier Berechnungen werden die Schalter 11 bis 16 anhand von Sequenzen Q1, Q2, Q3 usw. gesteuert, welche von im Computer 5 gespeicherten Mustern abgeleitet werden. Während der jeweiligen Berechnung wählt der Computer 5 aus den gespeicherten Mustern jenes aus, welches der Steuerung der Schalter 11 bis 16 zur nächsten Berechnung zugrundegelegt werden soll.
Der Zeitabstand A zwischen zwei Berechnungen kann sogar länger sein als mehrere Stufen S des Ausgangssignals 31, wenn das Ausgangssignal 31 rasch ändert. Gemäss Fig. 4 umfasst der genannte Zeitabstand A drei Stufen S. Die Berechnung und Auswahl der gespeicherten Muster erfolgt somit immer vorausschauend für den nächsten Zeitabschnitt A.
Die Muster sind beispielsweise in Form von Tabellen im Speicher des Computers 5 gespeichert. Im Speicher des Computers 5 ist eine grosse Anzahl solcher Impulsmuster bzw. Tabellen gespeichert. Ausgehend von den Vorgaben für die Frequenz und die Amplitude der Ausgangskurve 32 und unter Berücksichtigung der ermittelten Messwerte im Umrichter wird durch den Computer 5 jenes der gespeicherten Muster ausgewählt, das ermöglicht, einen Abschnitt des Ausgangssignals 31 während des nächsten Zeitabstandes A zu erreichen, der die gewünschte Kurve 32 in diesem Bereich maximal approximiert. Vom ausgewählten Muster wird eine Steuersequenz durch den Computer 5 abgeleitet, die zur Steuerung der Schalter 11 bis 16 dient.
Am Ende der jeweiligen Steuersequenz wird unter Berücksichtigung des momentanen Zustandes des Umrichters eine weitere Berechnung durchgeführt und anschliessend, wenn erforderlich, ein anderes Muster ausgewählt, usw.
Die Frequenz des Steuersignals 30 ist höher gewählt als die Frequenz des Ausgangssignals 31 bzw. 32, damit das Ausgangssignal überhaupt approximiert werden kann.
Durch abwechselndes Schliessen der Schalter 11 und 12 usw.
für die Dauer tl bzw. t2 entsteht das Signal 30, bei welchem die Breite der Impulse 28 und 29 desselben wie erforderlich moduliert wird. Dadurch entsteht eine scheinbare Motorspannung Um = Uo(tl-t2). Die Umschaltung der Schalter 11 bis 16 erfolgt in einem festen Zeitraster, von beispielsweise 20 Mikrosekunden. Die daraus sich ergebende Quantisierung der Amplitude wird fortwährend erfasst und in späteren Steuersequenzen mitberücksichtigt.
Der vorliegende Umrichter ist auch so ausgelegt, dass er in Abhängigkeit von seiner Belastung sein Verhalten ändern kann.
Ein von der Überwachungseinheit 26 dem Computer 5 zugeführtes Signal orientiert diesen beispielsweise über den momentan auftretenden Ausgangsstrom des Umrichters und somit über die Belastung des Verbrauchers 4. Wenn eine erhöhte Belastung auftritt, dann werden Muster für Steuersequenzen Q1, Q2, Q3 usw. dem Computerspeicher entnommen, welche die Frequenz des Ausgangssignals 31 und somit auch die Drehzahl des Motors 4 senken. Bei einer übermässigen Belastung wird die Speisung des Verbrauchers 4 abgebrochen. Das Programm des Computers kann im einzelnen so ausgelegt sein, dass das Überstromsignal als prozentuale Grösse ausgewertet wird. Das heisst, es wird ermittelt, ob das Überstromsignal selten, oft oder dauernd ansteht. Diese Ausführung des Umrichters betrifft Fig. 5. Abhängig vom prozentualen Auftreten des Überlastsignals wird die Abschaltzeit geändert, wie dies aus Fig. 5 hervorgeht.
Die optische Anzeige 27 wird bei verschiedenen Überlastungen stärker oder schwächer leuchten und es wird ein Absenken der Frequenz vorgenommen, bis die Überlastbedingungen wieder beseitigt sind. Bleibt eine Überlastbedingung über eine längere Zeit bestehen, so wird nach einer bestimmten Zeit, die vom prozentualen Auftreten des Überlastsignals ist, eine Überlastabschaltung vorgenommen. Die Abschaltung kann in verschiedenen Stufen eingestellt werden. Gleiche Verfahren werden auch zur Auswertung einer Über- oder Unterspannung im Zwischenkreis und bei Übertemperatur der elektronischen Bauelemente angewendet.
Das Programm des Computers 5 enthält zwei Abschnitte.
Der erste Abschnitt des Programms dient zur Berechnung von Frequenz und Amplitude des Ausgangssignals 32, und zwar unter Berücksichtigung von Vorgaben und von während des Betriebes des Umrichters festgestellten Umständen. Dazu erhält der Computer über einen Analog-Digital-Umsetzer- ein Sollwert Signal für die Frequenz des Ausgangssignals 32. Diese Frequenz wird abhängig von den gewählten Einstellungen für die Hochlaufzeit und Tieflaufzeit dem Sollwert entsprechend verändert.
Eine spezielle Hysterese in der Frequenznachführung verhindert ein Pendeln zwischen den einzelnen annehmbaren Frequenzen.
Die Frequenzberechnung wird unterbrochen, wenn die Steuersignale Vorwärts und Rückwärts beide ausgeschaltet sind.
Mit Hilfe des bzw. der Optionseingänge lässt sich der Umrichter an oft vorkommende Anwendungsfälle anpassen, etwa doppelte Frequenz der Motorsignale usw.
Die Berechnung der Amplitude Um des Ausgangssignals 32 erfolgt üblich nach einem linearen Gesetz Um = a f+ Ul, wobei f die Frequenz, a und Ul Konstanten sind. Sowohl a als auch U1 lassen sich am Umrichter als Analogwert einstellen. Im Bereich niederer Frequenzen wird vom linearen Gesetzt abgewichen, abhängig von der Wahl der Optionen.
Der zweite Teil des Computerprogramms verwaltet die Muster, welche den Steuersequenzen zugrundeliegen.