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Phasenregelung der Ausgangsspannung eines Wechselrich-
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ters (Es wird die Priorität aus der Japanischen Anmeldung Nr. 81766/77
vom 8.7.1977 und die Priorität aus der Japanischen Anmeldung Nr. 81767/77 vom 8.7.1977
beansprucht) Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Phasenregelung der Ausgangsspannung
eines Wechselrichters bei einer Einrichtung zur Synchronisierung eines Wechselstrommotors,
der beim Anlauf über den Wechselrichter versorgt wird und nach dem Anlaufvorgang
über ein Stromnetz versorgt wird, wobei die Phasendifferenz zwischen der Ausgangsspannung
des Wechselrichters und der Netzspannung auf einen festgelegten, zulässigen Wert
reduziert wird.
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Es sind verschiedene Methoden zum Anlassen eines Wechselstromiotors
bekannt. Insbesondere Synchronmotoren werden im allgemeinen durch eine Speisequelle
mit variabler
Frequenz solange beschleunigt, bis die Frequenz des
Motors nahezu gleich der Netzfrequenz wird. Anschließend wird die Geschwindigkeit
des Motors auf diesen Wert gehalten, bis die Phasendifferenz zwischen der Netzspannung
und der Motorspannung Null wird. Sobald die Phasendifferenz Null ist, wird der Motor
mit dem Netz verbunden.
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Als Anl methode für Asynchronmotoren, speziell Käfigläufermotoren,
sind der Direktanlauf, der Anlauf über Drosselspulen, die Stern-Dreieckumschaltung
usw. bekannt.
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Diese Methoden sind Jedoch nicht für Motoren mit großer Leistung,
die häufig ein- und ausgeschaltet werden, geeignet, da bei Jeder dieser Methoden
Stromstöße auftreten.
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Neuerdings werden auch Wechselrichter zum Anlassen eines Asynchronmotors
benutzt. Auch in diesem Fall muß - wie bei Synchronmotoren - die Verbindung mit
dem Netz im synchronierten Zustand durchgeführt werden, um einen Stromstoß beim
Verbinden des Motors mit dem Netz zu vermeiden. Spannung, Frequenz und Phasenlage
müssen daher bei Motor und Netz Jeweils gleich sein. Es ist zu beachten, daß während
der Umschaltung der Energieversorgung vom Wechselrichter auf das Netz eine Uberlappungszeit
der Energieversorgung vorhanden sein muß, da der Asynchronmotor die induzierte Spannung
im Augenblick der Unterbrechung der Primärstrom-Versorgung verliert.
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D.h. also, daß man bei Synchronmotoren die synchronisierte Verbindung
auch nach dem Abschalten des Motors vom Wechselrichter durchführen kann, wobei der
Synchronmotor selbst nach der Verbindung mit dem Netz ein synchronisierendes Drehmoment
liefert, während dieses Betriebsverfahren bei asynchronen Motoren nicht möglich
ist.
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Da Ausgangs spannung und Ausgangsfrequenz unabhängig voneinander regelbar
sind, ist es mit der üblichen Technik einfach, diese Jeweils mit der Ausgangs spannung
und der
Ausgangsfrequenz des Netzes in Ubereinstimmung zu bringen.
Dagegen ist es im allgemeinen schwierig, Phase und Frequenz der Wechselrichter-Ausgangsspannung
unabhängig zu regeln. Die Frequenz des Wechselrichters ist durch die Frequenz der
Impulsfolge, die dem Impulsverteiler des Wechaarichters zugeführt wird, bestimmt.
Es ist daher möglich, durch Vorschalten eines Phasenschiebers vor den Impuls-Verteiler
die Phasenlage zu regeln, wobei die Frequenz auf dem Sollwert gehalten wird. Jedoch
ist bei einem solchen Verfahren der Regelbereich für den Phasenwinkel auf einen
Winkel begrenzt, der einer Periode der Impulsfolge entspricht (im Falle eines Wechselrichters
mit Dreiphasen-Brückenschaltung also 600). Um aber die Phasenlage der Ausgangsspannung
des Wechselrichters in Jedem Fall mit der Phasenlage des Netzes in Ubereinstimmung
bringen zu können, muß der Phasenregelbereich 3600 betragen.
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Um einen Phasenregelbereich von 3600 zu erreichen, könnte man auch
für die Steuerimpulse, die für die einzelnen Thyristoren im Wechselrichter durch
den Impulsverteiler erzeugt werden, Jeweils getrennte Phasenschieber einsetzen.
Bei Anwendung dieser Methode bräuchte man Jedoch z.B. bei Wechselrichtern mit Dreiphasen-Brückenschaltung
sechs Phasenschieber mit der entspnchenden zusätzlichen Schaltung. Daher wäre eine
sehr komplizierte und kostspielige Anordnung nötig.
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Darüber hinaus wird auch die Anwendung des PLL (Phase locked loop
- Phasenregelkreis)-Prinzips als Verfahren zur gleichzeitigen Regelung von Frequenz
und Phasenlage in Erwägung gezogen. Nach diesem Verfahren wird der Eingangsspannung
des Spannungs-Frequenz-Umsetzers, der die Impulsfolge, die dem Impulsverteiler des
Wechselrichter zugeführt wird, erzeugt, eine Hilfs-Eingangsspannung überlagert,
die der Phasendifferenz zwischen der Aus-
gangsspannung des Wechselrichters
und der Netzspannung entspricht. Bei diesem Verfahren müßten Jedoch die Parameter
des Phasenregelkreises von Fall zu Fall an die Charakteristik der Regelstrecke in
Übereinstimmung angepaßt werden, um sowohl ausreichende Empfindlichkeit ale auch
Stabilität zu erreichen, da die Phasenregelung mit der Änderung der Frequenz in
einem geschlossenen Kreis erreicht wird. Die Anwendung dieser Methode ist daher
nicht einfach.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Phasenregelung
eo auszugestalten, daß die Phasendifferenz zwischen der Wechselrichter-Ausgangsspannung
und der Netzspannung durch eine Phasenregelung der Wechselrichterausgangsspannung
unter der Bedingung, daß die Wechselrichter-Ausgangsfrequenz mit der Netzfrequenz
übereinstimmt, auf einen vorgegebenen, zulässigen Wert gebracht werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß von der Impulsfolge,
die einem Impulsverteiler des Wechselrichters zugeführt wird, einzelne Impulse unterdrückt
werden, sobald die Frequenz der Iipulsfolge einen solchen Wert erreicht, daß die
Ausgangsfrequenz des Wechselrichters mit der Netzfrequenz Übereinstimmt.
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Durch die Unterdrückung eines Impulses aus der Impulsfolge wird die
Ausgangs spannung des Wechselrichters nacheilen verschoben. Durch dieses Verfahren
wird die Phasenregelwi mit sicherer Stabilität und hoher Geschwindigkeit bei Anwendung
einfaches'Mittel durchgeführt.
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Vorteilhafterweise kann deg Wechselrichter die Impulsfolge über einen
den Wechselrichter vorgeßchalteten Frequenzteiler zugeführt werden. Da die Frequenz
der Impulsfolge damit ein ganzzahliges Vielfaches der Wechselrichter-Ausgangsfrequenz
fl, nämlich nf1 ist, wird die
Ausgangs spannung des Wechselrichters
durch Unterdrückung eines Impuls es aus der Impulsfolge um 3600/n nacheilend verschoben.
Unter der Annahme, daß der zulässige Wert der Phas endifferenz
ist, kann die Bedingung
stets erfüllt werden, wenn der Wert n so gewählt ist.
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daß er der Bedingung
genügt.
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Die Unterdrückung einzelner Impulse kann so durchgeführt werden, daß
periodisch nach Jeweils einem vorgegebenen Intervall ein Impuls aus der Impulsfolge
unterdrückt wird. Durch Veränderung dieses vorgegebenen Intervalls kann man die
Geschwindigkeit der Phasen-Änderung beeinflussen. Wenn nach Jedem vorgegebenem Zeitintervall
T ein Impuls unterdrückt wird, erreicht die Phasenregel-Geschwindigkeit einen Wert
von 3600/nT.
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Die Impulsfolge kann während des Startvorgangs durch einen Spannungs-Frequenzumsetzer
vorgegeben sein und, sobald die Impulafolge des Spannungs-Frequenzumsetzers einen
solchen Wert erreicht hat, daß die Frequenz der Wechselrichter-Ausgangsspannung
mit der Netzfrequenz übereinstimmt, von einem Frequenz-Vervielfacher, dem die Netzspannung
zugeführt wird, vorgegeben sein, wobei der Vervielfachungsfaktor der Frequenzvervielfacherstute
so gewählt wird, daß die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters mit der Netzfrequenz
übereinstimmt, wenn dem Wechaelrichter die Impuls folge dieses Frequenzvervielfachers
zugeführt wird. Dadurch wird auf einfache Weise die Frequenz des Wechselrichters
an die Nctzfrequenz herangeführt.
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Das obengenannte Verfahren kann durch folgende Merkmale erweitert
werden: 1) Die Impuisfolge wird einem Impulsverteiler für den Wechselrichter nach
einer Phasenverschiebung der Impulsfolge
mit Hilfe einer Phasenregelschaltung
unter Durchführung folgender Verfahrensschritte zugeführt: 1.1 Ein Steuersignal
der Phasenregelschaltung wird nach einer vorgegebenen Kennlinie von einem Steuerwert
für einen minimalen Phasenverschiebungs-Winkel zu einem anderen Steuerwert für einen
maximalen Phasenverschiebungs-Winkel, der annähernd der Periode der Impulsfolge
entspricht, verändert, 1.2 das Steuersignal wird auf den Steuerwert für den minimalen
Phasenverschiebungs-Winkel zurückgeführt, nachdem einer der Impulse, die der Phasenregelschaltung
zugeführt werden, unterdrückt ist, sobald der Wert des Eingangs-Steuersignals den
Steuerwert für den maximalen Phasenverschiebungs-Winkel erreicht hat, 1.3 das Steuersignal
wird wieder in Richtung auf den Steuerwert für den maximalen Phasenverschiebungs-Winkel
geändert, und 2. sobald die Phaeendifferenz durch diese wiederholten Verfahrensschritte
auf einen zulässigen Wert reduziert ist, wird das Eingangs-Steuersignal auf den
Wert bei Erreichen dieser zulässigen Phasendifferenz festgehalten.
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Mit diesem erweiterten Verfahren wird es möglich, die entrsite Phasenlage
der Wechselrichter-Ausgangsspannung ohne Begrenzung unter Anwendung nur einer Einrichtung
zur Phasenverschiebung zu erreichen, und zwar geschieht das, indem man den Wert
des Steuersignals für den Phasenschieber vom Steuerwert für den minimalen Phasenverschiebungs-Winkel
zu einem anderen Steuerwert für einen maximalen Phasenverschiebungs-Winkel führt
und einen Impuls unterdrückt, sobald der maximale Phasenverschiebungs-
Winkel
erreicht ist. Der beschriebene Vorgang wird wiederholt durchgeführt. Gegenüber der
stufenweisen Phasenregelung allein mit der Impulsunterunterdrückung weist dieses
Verfahren den Vorteil auf, daß die Phasenregelung kontinuierlich und stetig durchgeführt
werden kann und daß der zulässige Wert für die Phasendifferenz zwischen der Wechselrichter-Ausgangsspannung
und der Netzspannung unbegrenzt erniedrigt werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden beispielhaft anhand
der Figuren 1 bis 7 erläutert.
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Figur 1 zeigt beispielhaft ein schematisches Schaltbild einer Schaltungsanordnung
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. Dabei wird ein Wechselstrommotor M, z.B. ein
Dreiphasen-Asynchronmotor zunächst mit Hilfe eines Zwiachenkrei8-Umrichters, der
mit dem Hochspannungs-Wechselstromnetz N verbunden ist, angefahren und dann synchron
mit dem Netz N verbunden. Der Zwischenkreis-Umrichter enthält einen steuerbaren
Gleichrichter REC, einen selbstgeführten Wechselrichter INV und einen Gleichstrom-Zwischenkreis
mit einer Glechstromdrossel DCL. Ferner enthält der Zwischenkreis-Umrichter einen
Transformator TR1 und einen Ausgangstransformator TR2. In diesem AusfUhrungsbeispiel
ist der Wechselrichter mit einem Gleichstromzwischenkreis ausgeführt. 51 und S2
stellen Schalter dar.
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Als Steuereinheit für den Wechselrichter INV sind ein Taktgenerator
1, eine Impulsunterdrückungsstufe 2, ein Frequenzteiler 3, ein Impulsverteiler 4
und ein Impulsverstärker 5 vorgesehen. Als Steuereinheit, für den Gleichrichter
REC sind ein Referenzspannungsgeber 6, ein Spannungsregler 7, eine Zündwinkel-Steuereinheit
8 und ein Impulaverstärker 9 vorgeßehen.
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Die Eingangsspannung E, die dem Taktgeber 1 und dem
Sollspannungsgeber
6 zugeführt wird, steigt während des Anlaufvorgangs nach einer vorgegebenen Kennlinie,
z.B.
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linear an. Der 100 -Wert dieser Spannung E entspricht den Nennwerten
von Spannung und Frequenz des Netzes N.
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Dadurch werden die Werte der Ausgangs frequenz fI und der Ausgangsspannung
des Wechselrichters V gesteuert. Sobald die Eingangsspannung E ihren 100 Wert erreicht
hat, stimmt die Ausgangsfrequenz fI des Wechselrichters INV mit der Netzfrequenz
fN und die Ausgangs spannung V des Wechselrichters INV (die Sekundärspannung des
Transformators TR2) mit der Nennspannung des Netzes N überein.
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Der Sollspannungs-aeber 6 kann z.B. aus einem Schalter bestehen. Als
Sollspannung V* wird während des Anlaufvorgangs die Eingangaspannung E direkt auf
den Regler 7 gegeben. Sobald die Eingangsspannung E ihren 100 -Wert erreicht hat,
wird der Istwert VN der Netzspannung durch Umschalten des obengenannten Schalters
als Spannungs-Sollwert V* auf den Regler 7 gegeben. Der Wert der Netzspannung VN
wird mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten Spannungs-Meßeinrichtung erfaßt.
Der Spannungsregler 7 steuert den Gleichrichter REC entsprechen dem ao vorgegebenen
Spannungssollwert V* über die Zündwinkel-Steuereinheit 8 und den Impulsverstärker
9, bis die Wechselrichter-Ausgangsspannung V mit dem Spannungssollwert V* übereinstimmt.
Dadurch wird nach Abschluß des Anlaufvorgangs die Ausgangsspannung V des Wechselrichters
in Übereinstimmung mit' der Netzspannung VN gebracht. Wenn Jedoch die Abweichung
der Netzspannung VN von ihrem Nennwert ausreichend klein ist, kann der Sollspannungs-Geber
6 weggelassen und die Eingangs spannung E direkt als Spannungnsollwert V* verwendet
werden.
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Der Taktgenerator 1 ist mit einem Spannungs-Frequenzumsetzer 11 versehen,
mit dem die Eingangsspannung E in ine Impulsfolge mit zur Eingangsspannung E proportionaler
Frequenz
nfI umgesetzt wird. Diese Impulsfolge wird über einen Schaltkreis 2 dem Eingang
eines Frequenzteilers 3 zugeführt. Nachdem die Eingangsspannung E ihren 100 Wert
erreicht hat, nimmt die Takttrequenz des Taktgenerators 1 einen solchen Wert an,
daß die Ausgangsfrequenz fI des Wechselrichters mit der Netzfrequenz fN übereinstimmt.
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Figur 2 zeigt ein Ausführung sbei spiel des Taktgenerators im Detail.
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Wie Figur 2 zeigt, besteht der Taktgenerator 1 aus einem Spannungs-Frequenz-Umsetzer
11, einem Frequenzvervielfacher 12, einem Frequenzvergleicher 13,UND-Gattern 14,
15, einer Inverterstufe 16, einem Oder-Gatter 17 und einer Unterdrückungsschaltung
für zu schmale Impulsabstände 18.
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Dem Spannungs-Frequenz-Umsetzer 1 wird die bereits anhand von Figur
1 erläuterte Eingangsspannung E zugeführt. Dieser erzeugt daher eine Impulsfolge,
deren Frequenz der Eingangsspannung E proportional ist. Dem Frequenzvervielfacher
12 wird der Momentanwert der Dreiphasen-Netzspannung VN zugeführt. Die Frequenz
der vom Spannungs-Frequenz-Umsetzer 11 erzeugten Impulsfolge ist ein ganzzahliges
Vielfaches der Frequenz fI des mit dieser Impulsfolge betriebenen Wechselrichters,
nämlich nfI. Dagegen hat die vom Frequenzvervielfacher 12 erzeugte Impulsfolge die
Frequenz nfN, also die n-fache Frequenz der Netzfrequenz fN. Der Frequenzvergleicher
t liefert an seinem Ausgang ein 1n-Signal, wenn fI <fN7nefn On-Signal, wenn fI>fN.
Daher erfolgt der Übergang so, daß während des Anlaufs des Wechselrichters, solange
also fI kleiner als fN ist, dem Frequenzteiler 3 die Impulsfolge des Spannungs-Frequenz-Umsetzers
11 zugeführt wird, während dem Frequenzteiler 3 die Impulsfolge des Frequenzvervielfachers
12 zugeführt wird, sobald die Ausgangsfrequenz fI des Wechselrichters gleich der
Netzfrequenz fN ist.
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Sobald der Abstand zwischen dem letzten Impuls vor dem Übergang und
dem ersten Impuls nach dem Übergang zu schmal ist, wird mit der Schaltung 18 der
letztere unterdrückt.
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Damit wird ein Stromstoß auf den Wechselrichter verhindert. Wenn Jedoch
- wie in Figur 1 gezeigt - ein Frequenzteiler 3 vorgesehen ist und n genügend groß
gewählt wird, wird der Einfluß eines zu schmalen Abstands zwischen zwei Impulsen
beim Übergang vernalässigbar gering, so daß die Schaltung 18 weggelassen werden
kann. Ein "l"-Signal der Inverterstufe 16, die mit dem Ausgang des Frequenzvergleichers
13 verbunden ist, kann als Start-Signal für die Impuls-Unterdrückungsstufe 2 in
Figur 1 verwendet werden.
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Figur 3 zeigt ein Ausfuhrungsbeispiel der Impulsunterdrükkungsstufe
2. Dabei stellt das Element 20 einen Zähler, 21 einen Taktgeber, 22 einen Phasendifferenzdetektor,
23 einen Komparator, 24 - 27 UND-Gatter und 28, 29 Inverter dar.
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Die Impulsfolge des Taktgenerators 1 in Figur 1 bzw.
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Figur 2 wird Jeweils einem Eingang der UND-Gatter 24, 25 zugeführt.
Der Ausgang des UND-Gatters 24 wird mit dem Frequenzteiler 3 in Figur 1 verbunden.
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Der Ausgang des UND-Gatters 25 ist mit dem Eingang a des Zählers 20
und der Ausgang b des Zählers 20, der einem Zählerstand von 20 a 1 entspricht, ist
mit dem anderen Eingang des UND-Gatters 24 über einen Inverter 28 verbunden. Der
andere Ausgang c des Zählers 20, der einem Zählerstand von 21 1 2 entspricht, ist
mit dem anderen Eingang des UND-Gatters 25 über einen Inverter 29 verbunden. Der
Rücksetzeingang d des Zählers 20 ist mit dem Ausgang des UND-Gatters 27 verbunden,
dem das Ausgangsaignal des UND-Gatters 26 und das Startsignal für die Impulsunterdrückung
zugeführt werden. Als Schalt-
signal für die Impulsunterdrückung
kann z.B. das Ausgangssignal des Inverters 16 des in Figur 2 gezeigten Taktgenerators
1 verwendet werden. Dem UND-Gatter 26 werden die Impulse des Taktgebers 21, der
die Periode T hat und die Ausgangs impulse des Komparators 23 zugeführt. Der Phasen-Differenz-Detektor
spricht auf die Phasendifferenz Af zwischen der Wechselrichterausgangsspannung V
und der Netzspannung VN an. Der Komparator 23 vergleicht diese Phasen-Differenz
§ mit dem vorgegebenen zulässigen Wert yO und liefert "1"-Slgnal, wenn f größer
als So ist. Der Zähler 20 ist so ausgeführt, daß er während des Startvorgangs "O"-Signal
am Ausgang b und "1n-Signal am Ausgang c liefert. Entsprechend ist ein Eingang des
UND-Gatters 24 mit "1"verbunden und die Impulsfolge des Taktgenerators 1 wird über
den Schaltkreis 2 dem Frequenzteiler 3 zugeführt. Dagegen ist das UND-Gatter 25
gesperrt und daher wird der Inhalt des Zählers 20 nicht verändert. Sobald nach Beendigung
des Startvorgangs die Ausgangsfrequenz fI des Wechselrichters die Netzfrequenz fN
erreicht hat, wechselt das Ausgangssignal, das vom Inverter 16 dem UND-Gatter 27
zugeführt wird, in den 7-Zustand. Falls zu diesem Zeitpunkt die Phasendifferenz
AS nicht innerhalb ihres erlaubten Bereichs yO liegt, werden die Ausgangsimpulse
des Taktgenerators 21 über die UND-Gatter 26 und 27 übertragen, da der Komparator
23 Signal liefert. Nach Durchlaufen der UND-Gatter werden diese Impulse auf den
Rücksetzeingang d des Zählers 20 geschaltet. Dadurch werden die Signale beider Ausgänge
b und c Null. Das Signal am Ausgang b war von Anfang an Null, während das Signal
am Ausgang c von Eins nach Null wechselt una damit das UND-Gatter 25 entriegelt.
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Durch das entriegelte UND-Gatter 25 wird der erste nachfolgende Impuls
des Taktgenerators 1 auf den Eingang a des Zählers 20 gegeben und im Zähler 20 gezählt.
Ent-
sprechend wechselt das Signal am Ausgang b des Zählers 20
auf 1" und dadurch wird das UND-Gatter 24 verriegelt.
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Damit wird die Übertragung dieses ersten Impulses auf den Frequenzteiler
3 verhindert. Um eine zuverlässige Impulsunterdrükung zu gewährleisten, ist es in
diesem Fall notwendig, daß der Signalwechsel am Ausgang b des Zählers 20 früher
erfolgt als der erste Impuls das UND-Gatter 24 erreicht. Daher sollte dem Eingang
des UND-Gatters 24, der mit dem Ausgang des Taktgebers 1 verbunden ist, eine Impulsverzögerungsstufe
vorgeschaltet werden. Durch den auf den ersten Impuls folgenden zweiten Impuls wird
das Signal an Ausgang b des Zählers 20 auf "0" zurückgesetzt, das UND-Gatter 24
wird daher wieder entriegelt und der zweite Impuls wird durchgelassen.
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Gleichzeitig wechselt das Signal am Ausgang c des Zählers 20 auf 1
und verriegelt das UND-Gatter 25. Damit kehrt der Zähler 20 in seinen ursprUnglichen
Zustand zurück.
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Nach einem Zeitintervall T liefert der Taktgeber 21 erneut einen Impuls
und damit wird die vorstehend erläuterte Impulsunterdrückung wiederholt. Diese Impulsunterdrükkung
wird solange wiederholt, bis die Bedingung ng< 90 erreicht ißt.
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Die Frequenz, mit der die ImpulsunterdrUcklmg wiederholt wird, kann
mit der Frequenz des Taktgebers 21 eingestellt werden. Durch Unterdrückung eines
Impulses wird die Ausgangsspannung des Wechselrichters um 3600/n nacheilend verschoben.
Der Wechselrichter INV kann z.B. ein Thyristorwechselrichter mit Dreiphasen-Brückenschaltung
sein.
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Die Frequenz der Impulsfolge, die dem Eingang des Impulsverteilers
4 zugeführt wird, ist dann 6 fI für eine Wechselrichterfrequenz fI. Wenn man weiterhin
davon ausgeht, daß der Teilungsfaktor des Frequenzteilers 3 1/8 ist, hat die Frequenz
der dem Eingang dieses Frequenzteilers 3 zugeführten Impulsfolge den Wert 48 fI.
Daher hat in diesem Fall n den Wert 48 und die Phasenverschiebung
durch
Unterdrückung eines Impulses beträgt 7,50. Wechselrichter und Motor können dieser
stufenweisen Phasenverschiebung der Wechselrichterausgangsspannung ausreichend folgen.
In diesem Beispiel wird als Referenzwert am am Komparator 23 der Wert 7,50 oder
etwas größer gewählt. Daher beträgt die Phasendifferenz der Synchronisierung maximal
7,50 und ist innerhalb des erlaubten Bereichs. Selbstverständlich kann man die Phasenverschiebung
in kleineren Stufen durchführen und den maximalen Wert der verbleibenden Phasendifferenz
reduzieren, wenn man n größer als im obengenannten Beispiel wählt. Die Geschwindigkeit
der Phasenregelung beträgt 360oft und wird durch die Impulsfolge-Periode T des Taktgebers
21 festgelegt.
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Mit dem beschriebenen Verfahren zur Phasenregelung kann die Phasendifferenz
stabil und schnell auf einen zulässigen Wert gebracht werden.
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Sobald mit dieser Phasenregelung durch Impulsunterdrückung die Bedingung
A erreicht ist, wird das Ausgangssignal des Komparators 23 "O" und die Impulsunterdrückung
wird beendet. Dieses Signal "O" des Komparators 23 kann als Signal für die Übereinstimmung
der Phasenlage verwendet werden. Durch dieses Signal wird das Synchronisiersignal,
also das Signal zum Schließen des Schalters S2 gegeben, da Spannungs- und Frequenzübereinstimmung
bereits festgestellt sind. Sobald der Schalter S2 geschlossen ist, wird der Umrichter
ausgeschaltet und der Schalter S1 geöffnet (in manchen Fällen kann der Schalter
S1 auch geschlossen bleiben). Durch diese Synchronisierung kann der Stromstoß bei
Verbindung mit dem Netz auf einen Wert reduziert werden, der keine Probleme verursacht.
Das beschriebene Verfahren ist auch auf einen Synchronmotor anwendbar, der mit einem
fremdgeführten Wechselrichter angefahren wird.
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Als Wechselrichter ist ein selbstgeführter Wechselrichter geeignet,
wobei der Regeleinrichtung nach Figur 1 eine bekannte Stromregelung in geeigneter
Weise hinzugefügt werden kann.
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Mit der vorstehend erläuterten Anordnung ist es möglich, die Phasenlage
der Wechselrichter-Ausgangsspannung in Stufen zu ändern. Diese stufenartige Änderung
ist in vielen Anwendungsfällen ausreichend, insbesondere da man die Stufen durch
Erhöhung des Multiplikationsfaktors n des Frequenzvervielfaches 12 nahezu beliebig
klein machen kann.
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Für Anwendungsfälle, bei denen die stufenartige Änderung der Phasenlage
unerwünscht ist, kann man das bereits erläuterte Verfahren durch das nachstehend
beschrjebene Verfahren erweitern.
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Das erweiterte Verfahren wird im folgenden beispielhaft anhand der
Figuren 4 bis 8 erläutert.
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Die für das erweiterte Verfahren verwendete Schaltungsanordnung nach
Figur 4 unterscheidet sich im Umralterteil und im Ansteuerteil für den Gleichrichter
REC nicht von der Schaltungsanordnung nach Figur 1. Unterschiede sind lediglich
in der Ansteuereinheit des Wechselrichten vorhanden, die in Figur 4 schematisch
dargestellt ist und im folgenden näher erläutert wird. Die Steuereinrichtung für
den Inverter INV besteht in diesem Fall aus einem Taktgenerator 51, einem Frequenzteiler
X, einer Phasenregelschaltung 53 und, wie auch bei Figur 1, einem Impulsverteiler
4 und einem Impulsverstärker 5.
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wie Dem Taktgenerator 51 wird/bei der Schaltung nach Figur 1 die
bereits besprochene, nach einem vorgegebenen Verlauf ansteigende Eingangsspannung
E zugeführt, die auch dem
Referenzspannungsgeber 6 zugeführt wird.
Der Taktgenerator 51 erzeugt eine Impulsfolge, die der Eingangsspannung E proportional
ist. Die Frequenz dieser Impulsfolge wird mit dem Frequenzteiler 52 herabgesetzt
und dann über die Phaeenregelschaltung 53 dem Impulsverteiler 4 zugeführt. Während
des Anlaufvorgangs ist die Phasenverschiebung der Phasenregelschaltung 53 gesperrt
und die Phasenregelschaltung 3 überträgt die Eingangsimpulse direkt auf den bereits
beschriebenen Impulsverteiler 4.
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Wie bei der Schaltungsanordnung nach Figur 1, besteht der Impulsverteiler
4 aus einem Ringzähler, der über einen Impulsverstärker 5 die Zündwinkel der einzelnen
Thyristoren im Wechselrichter INV in vorgegebener Folge steuert. Wenn ein Wechselrichter
in Dreiphasen-BrUckenschaltung verwendet wird, beträgt bei einer Wechselrichter-Ausgangsfrequenz
fI die Frequenz am Eingang des Impulsverteilers 4 6fI und die Frequenz der Taktfolge
des Taktgenerators nfI. Dabei ist n ein Vielfaches von 6.
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Sobald die Ausgangsfrequenz fI des Wechselrichters mit der Netzfrequenz
fN übereinstimmt beginnt der Impulsgenerator 1 eine Impulsfolge mit der Frequenz
nfN zu erzeugen und so die Wechselrichterausgangsfrequenz fI auf der Netzfrequenz
fN zu halten.
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Der Taktgenerator 51 nach Figur 5 unterscheidet sich vom Taktgenerator
1 nach Figur 1 lediglich dadurch, daß nicht das invertierte Signal nach dem Inverter
16, sondern direkt das Ausgangssignal des Komparators 13 an die Phasenregelstufe
weitergeführt wird. Auf den Taktgeber 51 wird daher niht mehr näher eingegangen.
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Figur 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Phasenregelschaltung
53 aus Figur 5. In dieser Figur ist mit dem Bezugszeichen 300 ein Phasenschieber
bezeichnet. Dieser Phasenschieber 300 verschiebt einen Impuls, der ihm vom
Frequenzteiler
2 über ein UND-Gatter 301 zugeführt wird, um einen Phasenwinkel, der durch ein Steuersignal
S gesteuert wird. Die Impulsfolge des Frequenzteilers 2 wird auch dem UND-Gatter
302 zugeführt. Der Ausgang des UND-Gatters 302 ist mit dem Zähleingang a eines Zählers
303 verbunden. Ein Ausgang b des Zählers 303, der einem Zählerstand von "1" entspricht,
ist über einen Inverter 304 mit dem anderen Eingang des UND-Gatters 301 verbunden.
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Ein Ausgang c des Zählers 303, der einem Zählerstand "2" entspricht,
ist mit dem anderen Eingang des UND-Gatters 302 über einen Inverter 305 verbunden.
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Das Steuersignal S zur Steuerung des Phasenverschiebungs-Winkels des
Phasenschiebers 300 wird in einer Schaltung 306 gebildet, die aus einem Integrator
besteht, der einen Operationsverstärker OP, einen Integrations-Kondensator C, Eingangswiderstände
R1, R2, elektronische Schalter T1 bis T3 und eine Diode D enthält. +K1 ist eine
positive Konstantspannung und -K2 ist eine negative Konstantspannung. Der Schalter
T1 wird mit einem Komparator 307 angesteuert.
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Der Komparator 307 vergleicht die Phasendifferenz A f zwischen der
Phase yl der Wechselrichter Ausgangsspannung und der Phase f # der Netzspannung
mit einem vorgegebenen zulässigen Wert So und hält den Schalter T1 im geöffneten
Zustand, wenn a9 >SPo bzw. im geschlossenen Zustand, wenn A < 0. Die Phasendifferenz
A 9 wird mit dem Phasendifferenz-Detektor 308 erfaßt. Der Schalter T2 wird durch
ein Signal des Ausgangs b des Zählers 303 über den Inverter 304 und die Zeitstufe
309 gesteuert.
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Sobald das Signal des Ausgangs b des Zählers 303 von "1t' nach "O"
wechselt, wird der Schalter T2 von "Aus" nach nEin" umgeschaltet. Der Schalter T3
wird vom Frequenzvergleicher 13 nach Figur 5 gesteuert. Sobald fI = fN, liefert
der Frequenzvergleicher 13 ein "1"-Signal, das den Schalter T3 von Ein nach Aus
umschaltet.
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Das von der Schaltung 306 erzeugte Steuersignal S wird auch dem Komparator
310 zugeführt und mit einer Konstantspannung A verglichen. Sobald die Steuerspannung
S den Wert A erreicht, gibt der Vergleicher 310 einen Rücksetzbefehl auf den Rücksetzeingang
d des Zählers 303. Dieser Wert A ist so eingestellt, daß er annähernd dem maximalen
Phasenverschiebungs-Winkel des Phasenschiebers 300 entspricht, nämlich der Periode
der Impulsfolge des Frequenzteilers S. Bei einem Wechselrichter mit Dreiphasen-BrUckenschaltung
ist diese Periode z.B. 600 Die Schaltung arbeitet entsprechend der folgenden Beschreibung.
Während des Anlaufvorgangs wird der Inhalt des Zählers 303 auf dem Zählerstand 2
gehalten. D.h.
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also, daß am Ausgang b "O"-Signal ansteht und am Ausgang c "1"-Signal
ansteht. Damit ist das UND-Gatter 301 entriegelt und das UND-Gatter 302 verriegelt.
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Daher wird die Impulsfolge des Frequenzteilers 2 über das UND-Gatter
301 dem Phasenschieber 300 zugeführt. Obwohl der Schalter T3 der Schaltung 306 im
eingeschalteten Zustand ist, kann eine negative Eingangsspannung K2 durch den Integrator
nicht integriert werden, da die Ausgangsspannung S des Integrators wegen der Diode
D nicht positiv werden kann. Daher wird die Steuerspannung S auf Null gehalten.
In diesem Fall wird, solange der Schalter T3 eingeschaltet ist, die Steuerspannung
S unabhängig von der Schaltstellung des Schalters T2 auf Null gehalten, da die Spannung
K2 höher als die Spannung K1 ist. Der Schalter T2 wird durch das "O"-Signal am Ausgang
b des Zählers 304 im ausgeschalteten Zustand gehalten. Der Wert Null des Steuersignals
S entspricht dem kleinsten Wert als Sollwert der Phasenverschiebung, also 00. Daher
wird während des Anlaufvorgangs im Phasenschieber 300 keine Phasenverschiebung durchgeführt.
Der Phasenschieber 300 überträgt die ankommenden Impulse direkt auf den Impulsverteiler
4.
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Sobald die Wechselrichter-Ausgangsfrequenz fI nach dem Anlaufvorgang
mit der Netzfrequenz fN übereinstimmt, wird der Schalter T3 durch das Ausgangssignal
des Frequenzvergleichers 13 in Figur 2 ausgeschaltet. Falls zu diesem Zeitpunkt
die Phasendifferenz A 9 nicht innerhalb des erlaubten Bereichs 0 ist, wird die Integration
der konstanten Spannung +K1 gestartet, da der Schalter T1 eingeschaltet ist. Dadurch
steigt das Steuersignal S linear in negativer Richtung. Entsprechend verschiebt
der Phasenschieber 300 die Eingangsimpulse in nacheilender Richtung um einen Winkel,
der vom Wert des Steuersignals S zum jeweiligen Zeitpunkt abhängt. Daher nähert
sich die Phasendifferenz A f allmählich dem zulässigen Wert go . Sobald A! kleiner
als YD wird, erzeugt der Komparator 307 ein Signal, das den Schalter T1 öffnet.
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Damit ist die Bedingung für die Ankopplung des Motors M an das Netz
erfüllt und auf den Schalter S2 wird ein Einschaltkommando gegeben.
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Wenn jedoch die Bedingung Ai nicht erfüllt ist, obwohl die Steuerspannung
des Steuerwerts für den maximalen Phasenverschiebungs-Winkel erreicht hat, nämlich
den Wert A, der nahezu 600 entspricht, gibt der Komparator 310 ein Rücksetzsignal
auf den Zähler 303. Daher werden die Ausgangssignale der Ausgänge b und c Null.
Das UND-Gatter 301 bleibt dadurch weiterhin entriegelt, da das Ausgangssignal am
Ausgang b von Anfang an auf Null war.
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Dagegen wird das UND-Gatter 302, das verriegelt war, entriegelt, da
das Ausgangssignal am Ausgang c von 1 nach 0 wechselt. Der erste Impuls nach dem
Rücksetzen des Zählers 303 erreicht den Zähleingang a durch das UND-Gatter 302.
Dadurch wechselt das Ausgangssignal am Ausgang b nach 1 und verriegelt damit das
UND-Gatter 301.
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Damit wird die Übertragung dieses ersten Impulses nach dem Rücksetzen
des Zählers 303 über das UND-Gatter 301 verhindert. Um eine zuverlässige Impulsunterdrückung
zu
gewährleisten, sollte in der tatsächlich ausgeführten Schaltung
dem Eingang des UND-Gatters 301, dem die Impulsfolge zugeführt wird, eine Impulsverzögerungsstufe
vorgeschaltet werden, die die Impulse etwas verzögert.
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Sobald der Zähler 303 den zweiten Impuls nach Rücksetzen des Zählers
303 zählt, wechselt das Ausgangssignal des Ausgangs b von "1" nach "0" und das Ausgangssignal
des Ausgangs c von "O" nach "1". Dadurch wird das UND-Gatter 301 wieder entriegelt
und das UND-Gatter 302 wieder verriegelt. Daher werden der zwete Impuls und die
folgenden Impulse huber das UND-Gatter 301 übertragen und der Zählerstand auf 2
festgehi ten.
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Das Ausgangssignal am Ausgang b des Zählers 303 wird nur in einer
Zeitspanne zwischen dem Auftreten des ersten Impuls es nach dem Rücksetzen und dem
Auftreten des zweiten Impulses "1". Sobald am Ausgang b mit dem ersten Impuls ein
''7"-Signal erscheint, wechselt das Ausgangssignal des Inverters X4 auf "O" und
das Zeitglied 309 beginnt die Zeitbegrenzung. Nach Ablauf der eingestellten Zeit
wechselt das Ausgangssignal des Zeitglieds 309 auf 0 und schließt damit den Schalter
T2 der Schaltung 306.
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Damit wird der Integrationskondensator C entladen und die Steuerspannung
S bekommt wieder den Wert 0, also den Steuerwert für minimalen Phasenwinkel. Sobald
das Ausgangssignal am Ausgang b mit dem zweiten Impuls auf "O" zurückgeht, also
sobald das Eingangssignal des Zeitglieds 309 auf 1 geht, wechselt das Ausgangssignal
des Zeitglieds 309 sofort auf 1 und öffnet damit wieder den Schalter T2. Damit wird
die Integration erneut gestartet und das Steuersignal S steigt wieder zum Steuerwert
für maximalen Phasenwinkel an. Weiterhin wird die eingestellte Zeitbegrenzung des
Zeitglieds 309 etwas länger als die Breite eines einzelnen Impulses gewählt, der
vom Frequenzteiler 2 dem UND-Gatter 301 zugeführt wird, wodurch das Steuersignal
S nach Beendigung der Impulsunterdrückung zurückgesetzt werden kann.
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In dem Zeitintervall zwischen dem Beginn der Phasenverschiebung und
dem Zeitpunkt, in dem das Steuersignal S zum ersten Mal zurückgesetzt wird, wird
die Phasenlage der Wechselrichterausgangsspannung kontinuierlich um 600 nacheilend
verschoben. Da das SteuersignalS wiederum zum Steuerwert für den maximalen Phasenverschiebungswinkel
ansteigt, kann die PhasendifferenzE f reduziert werden. Sobald A f kleiner wird
als go / wird der Anstieg des Steuersignals S unterbrochen, da der Schalter Tl geöffnet
ist. Wenn jedoch die Bedingung ##### nicht erfüllt ist, obwohl das Steuersignal
S den Steuerwert für den maximalen Phasenverschiebungswinkel erreicht hat, wird
der Zähler 303 erneut zurückgesetzt. Damit wird erneut ein Impuls unterdrückt und
das Steuersignal S auf 0 zurücksetzt. Der obengenannte Vorgang wird solange wiederholt,
bis die Bedingung ty<oerfUllt ist.
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Figur 4 zeigt ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf des Steuersignals
S, der Impulsfolge Pl des Frequenzteilers 2, der Impulsfolge P2, die dem Phasenschieber
300 über das UND-Gatter 301 zugeführt wird, und des gesamten PhasenverschiebungswinkeD
e des Wechselrichters. Im Zeitpunkt tl erreicht das Steuersignal S den Wert A, so
daß der Komparator 310 den Zähler 303 zurücksetzt. Im Zeitpunkt t2 wird der Schalter
T2 durch das Ausgangssignal des Zeitglieds 309 geschlossen. Im Zeitpunkt t3 öffnet
der Schalter T2 wieder. Die einzelnen Impulse beider Impulsfolgen P1 und P2 sind
mit Bezugszeichen versehen, wobei gleiche Bezugszeichen einander entsprechende Impulse
bezeichnen, Wie die Impulsfolge P2 nach Figur 4 zeigt, wird der erste Impuls nach
der Zeit tl, nämlich der m-te Impuls, blockiert und geht somit nicht durch den Phasenschieber
300. Der Anstieg des gesamten Phasenverschiebungswinkels e des Wechselrichters nach
dem beschriebenen Verfahren zur Phasenregelung kann als kontinuierlich angesehen
werden, wie Figur 7 zeigt.
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Nach dem beschriebenen Verfahren kann die Phasendifferenz zwischen
der Ausgangs spannung des Wechselrichters und der Netzspannung gleichmäßig und stufenlos
auf einen zulässigen Wert gebracht werden, ohne Stromstöße im Wechselrichter und
in der Last zu verursachen.
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7 Figuren 5 Patentansprüche