DE2059468A1 - Circuit arrangement for medium-frequency energy supply of inductive loads - Google Patents

Description

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DORNIER AG
FriedrichshafenDORNIER AG
Friedrichshafen

Heg. 2285Heg. 2285

Schaltungsanordnung zur Mittelfrequenz· Energie-Versorgung von induktiven VerbrauchernCircuit arrangement for medium frequency · Energy supply of inductive loads

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Mittelfrequenz-Energie-Versorgungvon induktiven Verbrauchern, insbesonderevon Hysteresemotoren, Mittels eines lastgesteuerten Wechselrichters, der von eine« Gleichspannungsnetz versorgtwird. Es ist bekannt, den Hysteresemotoren zur KompensationKondensatoren entweder in Reihe oder parallel zur Ständerwicklung zuzuschalten, so daß der Wechselrichter lastgeführt betriebenwerden kann. Eine solche Anordnung wird als Schwingkreiswechselrichter bezeichnet. Unter der Bezeichnung "lastgeführt"soll hier verstanden werden, daβ die für den Wechselrichterbetrieberforderliche Blindleistung von der angeschalteten Last zur Verfügung gestellt wird.The invention relates to a device for medium-frequency energy supplyof inductive consumers, in particularof hysteresis motors, by means of a load-controlled inverter, which is supplied by a «DC voltage networkwill. It is known to use the hysteresis motors for compensationTo connect capacitors either in series or in parallel to the stator winding, so that the inverter is operated under load controlcan be. Such an arrangement is referred to as a resonant circuit inverter. Under the designation "load-guided"should be understood here that the for the inverter operationrequired reactive power is made available by the connected load.

Die bislang bekannten und vorgeschlagenen Einrichtungen zur Mittelfrequenz-Energie-Versorgung von Hysteresemotorη bestehenaus eine« fremdgesteuerten Wechselrichter, d. h. dieThe previously known and proposed devices for medium-frequency energy supply of Hysteresemotorη existfrom an “externally controlled inverter, d. H. the

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Arbeitsfrequenz des Wechselrichters wird von einer besonderenEinrichtung vorgeschrieben. Hierzu kann ein externer Frequenzgenerator, z. B. ein Quarzgenerator vorgesehen werden. BeIaBetrieb ist auBerdem eine Stabilisierung der durch den Hysteresemotorverursachten System-Pendelungen erforderlich. Sie kann durch einen Eingriff in den Energiekreis durchgeführt«erden. Da für die Bereitstellung der Versorgungsgleichspannung Üblicherweise Gleichrichter eingesetzt werden, die aus demWechselstrom- bzw. Drehstromnetz gespeist werden, sind zur oben genannten Stabilisierung der Hysteresemotoren Steuereingriffein den Gleichrichter erforderlich. Diese Mainahme hat aber eine Erhöhung des Oberwellengehaltes des speisendenNetzes zur Folge. Zusätzlich ergeben sich beim Anfahren des Wechselrichters mit passiver Last die bekannten Anfahrprobleme.Dazu kommt bei einem fremdgesteuerten Wechselrichter mit aktiver Last, z. B. Hysteresemotoren, als weiteres Problem dieNotwendigkeit, den Wechselrichter mit der Last synchronisieren zu müssen, um das störungsfreie Zuschalten der Last zu gewährleisten.Working frequency of the inverter is of a particular oneEstablishment required. For this purpose, an external frequency generator, e.g. B. a quartz generator can be provided. At aOperation is also a stabilization of the by the hysteresis motorcaused system oscillations are required. It can be carried out by intervening in the energy circuit"earth. Since rectifiers are usually used to provide the DC supply voltage, which are derived from theAC or three-phase network are fed, control interventions are to stabilize the hysteresis motors mentioned aboverequired in the rectifier. However, this main assumption has an increase in the harmonic content of the feedingNetwork. In addition, when starting up the inverter with a passive load, there are known start-up problems.In addition, an externally controlled inverter with an active load, e.g. B. hysteresis motors, the other problemNecessity to have to synchronize the inverter with the load in order to guarantee the trouble-free connection of the load.

Da meist an einen Wechselrichter eine ganze Anzahl von Motoren angeschlossen ist, ergibt sich bei der Verwendungeines fremdgesteuerten SchwlngkreiswechoeIrichters durch dasAbschalten einzelner Motoren eine Verstimmung des zum Wechselrichtergehörenden und aus Kapazität und MotorinduktivitätSince a large number of motors are usually connected to an inverter, this results in their useof an externally controlled oscillation circuit inverter through theSwitching off individual motors causes the inverter to be detunedbelonging and from capacitance and motor inductance

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gebildeten Schwingkreises. Es let daher erforderlich, in entsprechendenMade steuerbare Blindleistung zur Verfügung su haben, u« ausreichende Freiwerdezeit für die Thyristoren desWechselrichters zu gewährleisten, bzw. u« den Klirrfaktor desAusgangestroaes Möglichst gering zu halten.formed oscillating circuit. Let it therefore be necessary in appropriateMade controllable reactive power available so that there is sufficient free time for the thyristors of theInverter, or u «the distortion factor of theExit routes to be kept as low as possible.

Es sind lastgeführte und lastgesteuerte Wechselrichter,d. h. Wechselrichter die ihre erforderliche Blindleistung von der angeschlossenen Last zur Verfügung gestellt erhalten unddenen auch die Arbeitsfrequenz von der Last vorgeschrieben wird, an sich bekannt. Wegen der störenden Verquickung zwischenBlindleistung und Frequenz sind aber derartige Wechselrichter in der Praxis nicht eingesetzt worden. Dieser Nachteil(Verquickung von Blindleistung und Frequenz) ist besonders störend, wenn an den Wechselrichter Motoren angeschaltet werdensollen, die eine hohe Frequenzgenauigkeit erfordern. Bei Verwendung eines lastgesteuerten und lastgeftthrten Schwingkreiswechselrichtern ergibt sich durch das Abschalten von einzelnenMotoren auch eine Änderung der Lastiapedanz und daait verbundeneine Änderung der Betriebsfrequenz. Dies au β als wesentlicher Mangel angesehen werden.There are load-controlled and load-controlled inverters,d. H. Inverters that receive their required reactive power from the connected load andwhich also the working frequency is prescribed by the load, known per se. Because of the annoying amalgamation betweenHowever, such inverters have not been used in practice for reactive power and frequency. This disadvantage(Amalgamation of reactive power and frequency) is particularly disruptive when motors are connected to the inverterthat require high frequency accuracy. When using a load-controlled and load-controlled oscillating circuitinverters results from switching off individualMotors also have a change in the Lastiapedanz and daait connecteda change in the operating frequency. This can also be viewed as a major deficiency.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei Möglichst einfachem Aufbau eine Mittelfrequenz-Energie-Versorgungfür induktive Verbraucher mittels eines von eine« Gleichspannungsnetz gespeisten Wechselrichters zu schaffen, wobei dieThe invention is therefore based on the object of providing a medium-frequency energy supply with the simplest possible structureto create for inductive consumers by means of an inverter fed by a «DC voltage network, whereby the

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Anordnung ein· höh« Frequenzkonetanz aufweisen und auüerdemauch noch die Anfahr- und Synchronisierproblese losen soll.Das Ziel wird erfindungsgemäB dadurch erreicht, daß der Wechselrichterin an sich bekannter Weise lastgeftthrt und lastgesteuertausgebildet, Jedoch zusätzlich den Verbrauchern eine steuerbare Impedanz parallel geschaltet ist, wobei der Wertder Impedanz in Abhängigkeit von der la Verbraucherkreis festgestelltenFrequenzänderung beeinflüftbar ist. Der wesentlicheErfindungsgedanke besteht also darin, die bein lastgeführtenund lastgesteuerten Wechselrichter sonst störende Verquickungzwischen Blindleistung und Frequenz über eine der Last parallelgeschaltetesteuerbare Impedanz auszuregeln. Für die Ausbildungdieser Impedanz ergeben eich verschiedene Möglichkeiten. Essind z. B. sohaltbare oder verstellbare Kondensatoren, Stelldrosseln oder über Drehtransformatoren angeschlossene Kondensatorenverwendbar. Eine besonders vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ergibt sich durch die Verwendung eines Blindetromrichtersals steuerbare Impedanz. Die Vorteile der Erfindung lassen sich alt gutem Erfolg sofort bei der Speisung passiverinduktiver Verbraucher, z. B. bei Induktiven Erwärmungseinrichtungennutzen. Hierbei wird der Wechselrichter fremd angefahren und die Synchronlsierungsprobleme entfallen naturgemäß voneelbst.Arrangement have a "high" frequency constancy and moreovershould also solve the start-up and synchronization problems.The aim is achieved according to the invention in that the inverterload guided and load controlled in a manner known per seHowever, a controllable impedance is also connected in parallel to the consumers, with the valuethe impedance determined as a function of the la consumer circuitFrequency change can be influenced. The essential oneThe idea of the invention consists in the leg load-guidedand load-controlled inverters otherwise disruptive amalgamationbetween reactive power and frequency via one connected in parallel to the loadto regulate controllable impedance. For trainingthis impedance gives various possibilities. Itare z. B. adjustable or adjustable capacitors, regulating throttles or capacitors connected via rotary transformersusable. A particularly advantageous embodiment of the invention results from the use of a blind electric converteras controllable impedance. The advantages of the invention can be seen from good old success immediately when feeding passiveinductive consumer, e.g. B. with inductive heating devicesto use. In this case, the inverter is started up externally and the synchronization problems naturally do not occurself.

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Für den schwierigeren Fall, daft eine aktive Last, z. B. die erwähnten Hysteresemotoren vorgesehen sind, wird gemäß weitererAusbildung der Erfindung die steuerbare Impedanz nicht nur durch die im Verbraucherkreis festgestellten Frequenzänderungensondern auch noch durch die von den Verbrauchern verursachten Rückwirkungen auf eine Systemkenngröfte, z. B. Wirkleistungsschwankungen,beeinflußt. Dadurch erhält man auch für den Fall der aktiven Last eine hohe Frequenzkonetanz und vermeldetAnfahr- und Synchronisierprobleme. Eine Stabilisierung über den vorgeschaltenen Gleichrichter ist nicht mehr erforderlich,so daft vorzugsweise einfache ungesteuerte Gleichrichter eingesetzt werden können. Der Oberwellengehalt des speisendenNetzes wird daduroh reduziert. Für den speziellen Fall, daß als steuerbare Impedanz ein an sich bekannter Blindetromrichter eingesetztwird, ergibt sich noch der wesentliche Vorteil, daft die erforderlichen Regeleingriffe auf niedrigem Energieniveau, z. B.durch Veränderung des Zündverzögerung»winkela des Blindstromrichters,durchgeführt werden. Dadurch, daß die Stabilisierung der durch den Hysteresemotor hervorgerufenen Pendelungen mitihren Rückwirkungen auf eine Systemkenngröße, z. B. die Schwankungender GesamtWirkleistung, und die Einstellung der genauenArbeltsfrequenz durch ein gemeinsames Gerät erreichbar ist,wird die Steuerung und Regelung der Mittelfrequenz-Energie-Vereorgungsehr einfach.In the more difficult case, there is an active load, e.g. B. the mentioned hysteresis motors are provided, according to furtherFormation of the invention the controllable impedance not only through the frequency changes determined in the consumer circuitbut also due to the repercussions caused by the consumers on a system parameter, e.g. B. Active power fluctuations,influenced. In this way, a high frequency constant is obtained and reported in the event of an active loadStart-up and synchronization problems. Stabilization via the upstream rectifier is no longer necessary,so that simple uncontrolled rectifiers can preferably be used. The harmonic content of the feedingNetwork is then reduced. For the special case that a known blind electric converter is used as the controllable impedancethere is still the essential advantage that the necessary control interventions at a low energy level, z. B.by changing the ignition delay »anglea of the reactive power converter,be performed. Because the stabilization of the oscillations caused by the hysteresis motor withtheir repercussions on a system parameter, e.g. B. the fluctuationsthe total active power, and the setting of the exactWorking frequency can be reached by a shared device,is the control and regulation of the medium-frequency energy supplyvery easy.

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Di· Erfindung wird nachstehend anhand eines vereinfachtenBlockschaltbildes erläutert:The invention is simplified below with the aid of aBlock diagram explained:

Als Ausftthrungsbeisplel ist die Mittelfrequenz-Energie-Versorgungfür Hyeteresemotoren, d. h. für eine aktive induktiveLast gewählt.The medium-frequency energy supply is an example of executionfor Hyeteresemotoren, d. H. for an active inductiveLoad chosen.

Der EnergiefIuβ erfolgt dabei vom 50 Hs-Drehstroanetsüber einen ungesteuerten Gleichrichter 1 und den Wechselrichter 2 zu der Gruppe von Hysteresemotoren M. Den Motoren istzur Kompensation ihrer Induktivität eine Kapasität 11 zugeschaltet.Dabei ist hier die Anordnung so gewählt, daft ein Teil der sur Kompensation vorgesehenen Kapasität nicht unmittelbarparallel zur Motorwicklung, sondern zentral am Wechselrichter,aber ebenfalls parallel zum Verbraucher angordnet ist. Diese Tei!kompensation ist mit 4 bezeichnet. Als steuerbareImpedanz 1st ein Blindstromrichter 3 vorgesehen und ebenfalls parallel zur Last geschaltet.The energy flow occurs from the 50 Hs rotating currentsvia an uncontrolled rectifier 1 and the inverter 2 to the group of hysteresis motors M. The motors isa capacitor 11 is connected to compensate for its inductance.Here, the arrangement is chosen so that part of the capacity provided for compensation is not directlyparallel to the motor winding, but centrally on the inverter,but is also arranged parallel to the consumer. This partial compensation is denoted by 4. As a controllableImpedance a reactive converter 3 is provided and also connected in parallel to the load.

Der Wechselrichter 2 wird Über sein zugehörendes Steuergerät5 in bekannter Weise lastgesteuert und mit konstantemZttndverfrühungswinkel β betrieben. Dabei kann ft so gewählt werden,daß stets genügend Freiwerdezeit sur Verfügung steht, und daft keine teuren Thyristoren mit speziell kurzer Freiwerdezeiteingesetzt werden müssen. Bei β - 30° ergibt sich daraus ein extrem einfaches Gittersteuergerät, da die Impulse direkt vonden Nulldurchgängen der Ftthrungsspannung abgeleitet werdenThe inverter 2 is via its associated control unit5 load-controlled in a known manner and with a constantFiring advance angle β operated. Ft can be chosen so thatthat there is always enough free time available, and no expensive thyristors with a particularly short free timemust be used. At β - 30 ° the result is an extremely simple grid control device, as the pulses are sent directly fromcan be derived from the zero crossings of the line voltage

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können. Der parallel zur Last liegend· Blindstromrichter 3 wird In entsprechender Welse auch vom Motorspannungenetz, d. h.von der Last, über ein zugehöriges Steuergerät 6 gesteuert, auch er 1st also lastgeführt und lastgesteuert.can. The reactive power converter 3, which is parallel to the load, is correspondingly also powered by the motor voltage network, i.e. H.controlled by the load via an associated control device 6, so it is also load-controlled and load-controlled.

Über ein Frequenz««Bglled 7 wird die Frequenz f desMotorspannungsnetzee, also die im Verbraucherkreis auftretendeFrequenz erfaßt. Von hler aus wird Über einen Regler 8 dasSteuergerät 6 des Blindstromrichters 3 so ausgesteuert, daß Frequenzänderungen, die durch Abschaltung von Motoren M oderÄnderung der Motorbelastung hervorgerufen werden, Über dieBllndleistungsaufnahM des Blindstromrichters 3 ausregelbarsind. Diesem Regelkreis überlagert 1st die Stabilisierung der von den Hysteresesotoren hervorgerufenen System-Pendelungen.Die Pendelungen verursachen Rückwirkungen auf andere SystemkenngröHen.Zur Durchführung der Stabilisierung wird eine der betroffenen Systemkenngröüen, hier z. B. die aufgenommene WirkleistungP_w, Über ein Meßglied 9 erfaßt und Über einen Regler10 wiederum dem Regler 8 als Sollwert des unterlagerten Regelkreisesvorgegeben. Solcher Art kann eine praktisch beliebige, z. B. auch aperiodische Dämpfung von Schwingungen der vom Wechselrichtergespeisten Motor-Kondensator-Kombinationen erzieltwerden.The frequency f of the motor voltage network, that is to say the frequency occurring in the consumer circuit, is recorded via a frequency "Bglled 7". From here, the control unit 6 of the reactive converter 3 is controlled via a controller 8 so that frequency changes caused by switching off motors M or changing the motor load can be regulated via the reactive power consumption of the reactive converter 3. The stabilization of the system oscillations caused by the hysteresis motors is superimposed on this control loop. The oscillations cause repercussions on other system parameters. To carry out the stabilization, one of the system parameters concerned, here z. B. the absorbed active power P_w , detected via a measuring element 9 and again given to the controller 8 via a controller 10 as the setpoint value of the subordinate control circuit. Such a type can be practically any, e.g. B. aperiodic damping of vibrations of the inverter fed motor-capacitor combinations can be achieved.

Die Verwendung von Blindstromrichtern 1st an sich bekannt . Sie stößt jedoch auf beträchtliche Schwierigkeiten, daim allgemeinen Blindstromrichter fUr kapazitiven BlindstromThe use of reactive power converters is known per se. However, it encounters considerable difficulty in thatGenerally reactive power converters for capacitive reactive current

gefordert werden und diese wegen der erforderlichen Zwangskommutierung teuer und daher nicht konkurrenzfähig gegenüberden einfacheren Kondensatoranlagen sind. Bei der Erfindung wird durch Zuschalten von zusätzlichen Kondensatoren parallelzu der Konpensation des induktiven Verbrauchers erreicht, daß als zusätzliche Blindlast nur induktive Blindleistung erfordertwird, die mit Hilfe eines Blindstromrichters von einfacher und billiger Bauart zur Verfugung gestellt werden kann. DerBlindstromrichter hat hler gegenüber geschalteten Kondensatoren und Stelldrosseln überdies den Vorteil, daß er auf Grundseiner günstigen dynamischen Eigenschaften als Stellglied für die Frequenzregelung verwendet werden kann, denn mit ihm läßtsich eine sehr schnelle und stetige Frequenzregelung erreichen. Für einzeln kompensierte Hysteresemotoren ergibt sich der Vorteil,daß die steuerbare Impedanz als Wirkstromrichter ausgebildet sein kann.are required and because of the necessary forced commutation expensive and therefore not competitivethe simpler condenser systems are. In the invention, additional capacitors are connected in parallelto the compensation of the inductive consumer achieved that only inductive reactive power is required as an additional reactive loadwhich can be made available with the help of a reactive power converter of simple and inexpensive design. Of theReactive power converter has the advantage over switched capacitors and regulating chokes that it is based onits favorable dynamic properties can be used as an actuator for frequency control, because with it letsA very fast and constant frequency control can be achieved. For individually compensated hysteresis motors there is the advantage thatthat the controllable impedance can be designed as an active converter.

24. November 1970
ET 10/Bau/knNovember 24, 1970
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Claims (1)

Translated fromGerman

Beg. 2285 ftBeg. 2285 ftPatentanspruch·Claim1.JSchaItungsanordnung xur Mittelfrequenz-Inergie-Versorgungvon induktiven Verbrauchern mittels eines Wechselrichters,der von eine· Gleichspannungsnetz gespeist wird, dadurchgekennzeichnet, daα der Wechselrichter (2) in an sich bekannterWeise lastgeführt und lastgesteuert ausgebildet und zusätzlich den Verbraucher (M) eine steuerbare Impedanz(3) parallel geschaltet ist, wobei der Wert der Impedanz in Abhängigkeit von der im Verbraucherkreis festgestelltenFrequenzänderungen (Meßglied 7) beeinflußbar ist.1. Circuit arrangement for medium-frequency inergy supplyof inductive loads by means of an inverter,which is fed by a · DC voltage network, therebycharacterized in that the inverter (2) is known per seWay load-guided and load-controlled and in addition the consumer (M) a controllable impedance(3) is connected in parallel, the value of the impedance depending on that determined in the consumer circuitFrequency changes (measuring element 7) can be influenced.2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durchdie Verwendung verstellbarer Kondensatoren als steuerbare Impedanz.2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized bythe use of adjustable capacitors as controllable impedance.3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbare Impedanz als Blindstromrichter (3) ausgebildetist.3. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the controllable impedance is designed as a reactive power converter (3)is.4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 für Hystereeemotorenals induktive Verbraucher, dadurch gekennzeichnet, daß die4. Circuit arrangement according to claim 1 for hysteresis motorsas inductive loads, characterized in that the20987Λ/043020987Λ / 0430steuerbare Impedanz (3) durch die von den Hysteresemotoren (M) verursachten Rückwirkungen auf eine Systemkenngröfte,z. B. Schwankungen der Wirkleistung (Ρ_γ)>beeinflüftbar ist.controllable impedance (3) caused by the hysteresis motors (M) repercussions on a system parameter, e.g. B. Fluctuations in active power (Ρ_γ )> can be influenced.5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 für einzeln kompensiert·Hysteresemotoren, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbar«Impedanz (3) als Wirkleistungestromrichter ausgebildet 1st.5. Circuit arrangement according to claim 4 for individually compensatedHysteresis motors, characterized in that the controllable «Impedance (3) designed as an active power converter 1st.24. November 1970
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