<Desc/Clms Page number 1>
Das österr. Patent Nr. 301700 betrifft eine Schaltungsanordnung zur Steuerung oder Regelung von genera- torisch oder motorisch betriebenen, insbesondere umrichtergespeisten Drehfeldmaschinen mit zwei im Betrag voneinander unabhängig vorgebbaren und vektoriell aufeinanderstehenden, der Wirk- bzw. der Blindleistung der Maschine proportionalen Führungsgrössen, wobei zwei phasenverschobene, vom Maschinenläufer abgeleitete ständerbezogene Feldkomponentenspannungen als Messgrössen über einen Vektoranalysator mindestens einem Komponentenwandler zuführbar sind, dessen zwei weiteren Eingängen die zwei feldachsenbezogenen Führungsgrössen anliegen und an dessen Ausgänge Ständerstromsteller für die Drehfeldmaschine angeschlossen sind, wobei für Asynchronmaschinen,
welche von einem Zwischenkreisumrichter mit eingeprägtem Gleichstrom gespeist sind, der Komponentenwandler ausgangsseitig mit einem weiteren Vektoranalysator verbunden ist, dessen Reglerausgang mit dem Sollwerteingang eines Reglers für den Zwischenkreisgleichstrom verbunden ist und dessen Verstärkerausgangsspannungen einem Winkelschalter für die Steuergitter des Wechselrichters direkt und bzw. oder über einen weiteren Regler zuführbar sind.
Dabei wird der von den Verstärkerausgangsspannungen des weiteren Vektoranalysators gebildete Steuervektor und somit der Ständerstrom in Abhängigkeit gebracht von zwei Eingabewerten, von denen der einenur eine parallel und der andere nur eine senkrecht zur momentanen Drehfeldachse liegende Komponente des Ständerstromvektors beeinflusst.
Für eine betriebssichere Kommutierung bei derartigen Umrichtern ist es erforderlich, dass sich der Ständerstromvektor bzw. der Steuervektor immer in ein und derselben Drehrichtung bewegt. Eine auch nur kurzzeitige Drehrichtungsumkehr des vorgegebenen Steuervektors, wie sie beispielsweise beim Übergang vom generatorischen auf den motorischen Betrieb vorkommen kann, sollte vermieden werden, um eine einwandfreie Kommutierung sicherzustellen. Dies stellt die Aufgabe der Erfindung dar.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht für eine Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art nach Patent Nr. 301700 erfindungsgemäss darin, dass dem Winkelschalter die Serienschaltung eines PI-Reglers und eines Zweiphasengenerators vorgeschaltet ist, dessen Frequenz von einem Minimalwert an von der Stellgrösse des PI-Reglers einstellbar ist, dem eingangsseitig eine von dem Differenzwinkel zwischen dem Phasenwinkel des Steuervektors und dem Phasenwinkel des von dem Zweiphasengenerator abgeleiteten Vektors abhängige Regelgrösse zuführbar ist.
Grundgedanke der Erfindung ist es also, eine den Ständerstromvektor bestimmende Vektorgrösse dem vorgegebenen Steuervektor nachzuführen, wobei die Nachführbewegung stets in derselben Drehrichtung erfolgt, so dass die mit ihr verbundene cyclische Kommutierung in den einzelnen Maschinenphasen ebenfalls immer stets in derselben Reihenfolge von statten geht.
Kommutierungsbedingte Verzögerungen des Ständerstromvektors können vorteilhaft dadurch kompensiert werden, dass an den Eingang des dem Zweiphasengenerator zugeordneten PI-Reglers ein vorzugsweise mit der Maschinendrehzahl modulierter Phasenkorrekturregler für die Winkellage des Ständerstromvektors angeschlossen ist.
Im folgenden ist an Hand der Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigen hiebei im einzelnen Fig. 1 die durch die Erfindung zu verbessernde Anordnung, Fig. 2 ein die prinzipielle Wirkung der Erfindung erläuterndes Blockschaltbild, Fig. 3 ein Blockschaltbild zur gerätetechnischen Realisierung der Erfindung, Fig. 4 den gerätetechnischen Aufbau des hiebei verwendeten Vektordrehers, Fig. 5 eine Realisierungsmöglichkeit für einen Arcustangens-Funktionsgenerator, Fig.6 dessen Kennlinie und schliesslich Fig. 7 den Aufbau einer Transformationsschaltung zur Umwandlung von dreiphasigen in zweiphasige Ständerstromkomponenten.
In Fig. 1 ist die durch die Erfindung zu verbessernde Anordnung dargestellt, wie sie prinzipiell auchindem österr. Patent Nr. 301700 beschrieben ist.
Eine Asynchronmaschine-l-wird an ihren Ständerphasenklemmen --R, S, T- über einen Zwischen-
EMI1.1
um 900 phasenverschobenen Spannungen abgebildet, welche einem mit -5-- bezeichneten Vektoranalysator --VA-- zugeführt werden. Dieser bildet aus seinen Eingangsgrössen zwei normierte, ständerbezogene Kompo- nenten--sin, cos -, welche einen mit der Winkelgeschwindigkeit des Luftspaltfeldes rotierenden Einheitsvektor beschreiben.
EMI1.2
portionale Grösse ausgibt, welche als Sollwert für einen Stromregler-10-- dient, der im Gleichstromzwischenkreis den konstanten Strom-"-lol"erzwingt.
Aus den Komponentenspannungen --sinss , cosss -- werden in einem Winkelschalter --11-- Steuerspannun-
<Desc/Clms Page number 2>
gen über sechs diskrete Winkelstellungen pro Umdrehung des Steuervektors abgeleitet und in entsprechende Stellbefehle für die Zündung der Ventile des Wechselrichters --2b-- umgeformt.
An den Ausgangsklemmen des Winkelschalters --11-- entstehen Zündimpulse, welche die Ventile des
EMI2.1
der Steuervektor und mit ihm der Ständerstromvektor nach Betrag und Phasenlage vorgegeben, die Verstellung des Ständerstromvektors selbst erfolgt dabei in festgelegten Richtungen parallel und senkrecht zur momentanen Drehfeldachse.
Fig. 2 zeigt ein schematisiertesBlockschaltbild zur Verdeutlichung der prinzipiellen Wirkungsweise der erfindungsgemässen Zusatzeinrichtung, welche bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung zwischen den Klemmen --7, 8 und 12, 13-- anzuordnen wäre. Der Steuervektor sei durch eine seiner Winkelkoordinate entsprechende Grösse --ss -- beschrieben.
Diese wird dem Eingangskreis eines PI-Reglers --14-- zugeführt, dessen mittels eines Anschlags --15-auf positive Werte begrenzte Ausgangsgrösse auf eineIntergrationseinrichtung --16-- wirkt, deren Ausgangsgrösse - auf den Eingang des PI-Reglers-14-- rückgeführt ist und sich daher im Sinne einer Annäherung an die Grösse verändern wird.
Eine konstante positive Zusatzeinspeisung --B-- in die Integrationseinrichtung --16-- sorgt dafür, dass stets eine geringe Änderung des Ausgangssignals-ss-in festgelegter Richtung stattfindet, so dass die Übereinstimmung des Winkels-ss-mit dem Sollwertwinkel-ss*-auch für die Fälle herbeigeführt wird, in denen das
EMI2.2
aufKommutierung des von dem Winkelschalter gesteuerten Wechselrichters gewährleistet ist.
Dieser Ständerstromvektorsteuerung ist eine Winkel-Korrekturregelung in Form des mit --17-- bezeichneten Phasenkorrekturreglers unterlagert, welcher aus einem Vergleich zwischen der Winkellage --ss -- des vorgegebenen Steuervektors und dem tatsächlich auftretenden Ständerstromvektor--ssist-- ein Korrektursignal - bildet, welches zusätzlich auf den Eingangskreis des PI-Reglers --14- wirkt. Dadurch wird erreicht, dass der Ständerstromvektor überaus schnell und exakt dem Wert des vorgegebenen Steuervektors folgt.
Fig. 3 zeigt eine gerätetechnische Realisierung des in Fig. 2 dargestellten Steuerungssystems in blockschaltbildlicher Darstellung. Die an die Klemmen-7 und 8-angelegten normierten Komponentenspannungen
EMI2.3
phasengenerator als Integrationseinrichtung --16-- gebildeten Drehvektors zwei Grössen ausgibt, welche dem Kosinus und dem Sinus des Differenzwinkels --ss bis ss-- zwischen den ihm eingegebenen Vektoren entsprechen.
Der Aufbau eines derartigen Zweiphasengenerators ist an sich bekannt, er besteht im wesentlichen aus zwei hintereinandergeschalteten Integratoren, denen jeweils ein Multiplizierer vorgeordnet ist, wobei das Ausgangssignal des zweiten Integrators auf den Eingang des ersten Integrators rückgekoppelt ist
Wird ein derartiger statischer Zweiphasengenerator mit einer Eingangsspannung beaufschlagt, so tritt an seinen beiden Ausgängen ein Sinus-Kosinus-Paar auf, dessen Argument jeweils das Zeitintegral der Eingangsgrösse ist. Vom Zeitverhalten her gesehen entspricht somit ein solcher Zweiphasengenerator der in Fig. 2 mit --16-- bezeichneten Integrationseinrichtung.
Die Ausgangsspannung (ss*-S)-des Vektordrehers-18--wird direkt dem Dividendeneingang eines
EMI2.4
EMI2.5
EMI2.6
zugeführt,ferenz --ss - ss-- direkt proportional ist.
Eine dieser Winkeldifferenz proportionale Steuerspannung wird dem Eingang des PI-Reglers --14-- zugeführt, dessen Ausgangsgrösse die Frequenz des Zweiphasengenerators und damit die Phasenlage des von ihm ausgegebenen Vektors in dem Sinne verändert, dass die Eingangsspannung des PI-Reglers verschwindet.
EMI2.7
tet werden und infolgedessen sich der mit den Komponentenspannungen --cosss und sinss--beschriebene Vektor stets nur in einer Richtung zu drehen vermag. Die konstante positive Zusatzeinspeisung --B-- ermöglicht dabei
<Desc/Clms Page number 3>
eineMindestfrequenz für den Fall, dass bei negativen Ausgangssignalen des PI-Reglers-14-- die Diode-15'- gesperrt ist.
Die bisher beschriebene Art der Vorgabe für den den Winkelschalter beaufschlagenden Vektor besteht in einer reinen Steuerung und kann daher grundsätzlich keine Gewähr dafür bieten, dass der Ständerstromvektor auch wirklich genau dem vorgegebenen Steuervektor folgen wird.
Insbesondere bei höheren Frequenzen istbei dieser Art der Steuerung grundsätzlich zu befürchten, dass die durch die Kommutierung bedingten Verzögerungen - regelungstechnisch gesehen Totzeiten - dazu führen, dass der Ständerstromvektor in nicht mehr zu vertretbarer Weise dem Steuervektor nacheilt und damit die mit der feldorientierten Vorgabe des Ständerstromvektors erzielbaren Vorteile mindert.
Zur Kompensation dieser und anderer Störeinflüsse ist ein Phasenkorrekturregler-n-vorgesehen, dessen Eingangsgrösse aus dem Sinuswert des Differenzwinkels zwischen dem Steuervektor und dem Ständerstromvektor besteht. Gebildet wird diese Eingangsgrösse mittels zweier Multiplizierer-23 und 24--, einem Addierglied - sowie einem Messumformer --26--. Die Multiplizierer sind eingangsseitig mit den Klemmen --7 und 8-und den Ausgangsklemmen-27 und 28-- einer Transformationsschaltung --29-- verbunden, die aus drei
EMI3.1
--30Ständerspannungsvektors bildet, der in einem orthogonalen Koordinatensystem den Phasenwinkel--ssist-- aufweist.
In dem Addierglied --25- wird die Ausgangsspannung des Multiplikators --23-- von der des Multiplizie- rers-24-substrahiert und die so erhaltene Grösse in dem Messumformer-26-durch den Betrag des Ständer- stromvektors-I*-dividiert, welche an der Klemme --9-- des Vektoranalysators --5'-- verfügbar ist. Damit ist das Eingangssignal des Phasenkorrekturreglers --17-- proportional dem Sinuswert der Winkeldifferenz zwischen dem Steuervektor und dem Ständerstromvektor und die Ausgangsgrösse dieses Reglers wird nun so lange einen Korrektureinfluss --K-- ausüben, bis die Eingangsgrösse des Reglers-17-zu Null wird, d. h. bis tat- sächlich Übereinstimmung besteht, zwischen dem vorgegebenen Steuervektor und dem Ständerstromvektor.
Da der Einfluss der durch die Kommutierung hervorgerufenen Totzeit sich umso störender bemerkbar macht, je grösser dieMaschinendrehzahl ist, hat es sich als zweckmässig erwiesen, das Ausgangssignal des Korrekturreglers mittels eines Multiplikators --33-- in Abhängigkeit von einer von der Maschinendrehzahl --n-- abhängigen Grösse so zu modulieren, dass dieses mit steigender Drehzahl wächst. Damit kann die Geschwindigkeit, mit welcher der Phasenkorrekturregler einewinkelabweichung auszuregeln in der Lage ist, den tatsächlichen Erfordernissen angepasst werden.
Da der Steuervektor kontinuierlich umläuft, auf der Maschinenseite - bedingt durch das schrittweise Arbeiten des Winkelschalters - eine entsprechende schrittweise Weiterbewegung des Ständerstromvektors erfolgt, wäre im Bereich sehr kleiner Drehzahlen eine erhebliche Ungenauigkeit des Ausgangssignals des Phasenkorrekturreglers --17-- hinzunehmen. Daher wird der drehzahlmodulierende Einfluss durch dievonderMaschinendrehzahl abhängige Grösse-n-auf den Multiplizierer -33-- diesem über ein Schwellwertglied zugeführt, welches im Bereich kleiner Drehzahlen das Ausgangssignal Null aufweist und daher den Korrektureinfluss-Kunterdrückt. Dieses Schwellwertglied kann z.
B. in einer vorgespannten Diode bestehen oder wie im Beispiel der Fig. 3 in einem Verstärker-34-, welcher eine festgelegte Ansprechschwelle aufweist.
Fig. 4 zeigt Einzelheiten des in Fig. 3 mit --18-- bezeichneten Vektordrehers, der im Prinzip dem in Fig. 1 mit -6-- bezeichneten Komponentenwandler entspricht. Es besteht aus zwei Addierverstärkem --35 und 36-, denen die Ausgangsspannungen von vier Multiplizierern --45, 46,47, 48-zugeführt sind. Sämtliche der mit den jeweils mit - und + bezeichneten Eingängen der Verstärker --35 und 36-verbundenen Widerstände sind von gleicher Grösse.
Die Multiplizierer-45, 46,47, 48-- sind jeweils paarweise mit den Eingangsklemmen-7 und 8-- und den Eingangsklemmen --19 und 20-- verbunden. Werden an die Eingangsklemmen-7 und 8-die Komponentenspannungen des Steuervektors-cosss* und sinss"--angelegt und an die Eingangsklemmen --19 und 20-die Komponentenspannunge --sinss und cosss-- des von dem Zweiphasengenerator --16-- gebildeten Vektors, dann ist ersichtlich, dass an den Ausgangsklemmen-37 und 38-- Spannungen auftreten, welche proportional sind dem Kosinus und dem Sinus des Differenzwinkels --ss* - ss--.
Fig. 5 zeigt einen besonders einfachen Aufbau des in Fig. 3 mit-22-bezeichneten Arcustangens-Funk- tionsgenerators. Im Eingangskreis eines über einen Widerstand gegengekoppelten Verstärkers --39-- ist ein hochohmiger Widerstand --40-- und parallel zu diesem die Reihenschaltung zweier relativ niederohmiger Wi- derstände-41 und 42-- angeordnet. Zwischen dem Verbindungspunkt der Widerstände --41 und 42-und dem Bezugspotential des Verstärkers --39 -- liegt die Reihenschaltung zweier entgegengesetzt gerichteter Zenerdioden-ZI und Z2-- gleicher Durchbruchsspannung.
Die Funktion dieser Schaltung wird im Zusammenhang mit der in Fig. 6 dargestellten Kennlinie erläutert : Hat der Betrag der Eingangsspannung --UE-- den Wert der Durchbruchsspannungen --UZ1 bzw. Ut2-- der Zenerdioden-Zl bzw. Z2-- noch nicht erreicht, dann sperrt jeweils eine dieser Zenerdioden und der Eingangswiderstand des Verstärkers-39-- ist im wesentlichen durch die niederohmigen Widerstände-41 und 42-be-
<Desc/Clms Page number 4>
stimmt. Es ergibt sich damit eine relativ grosse Verstärkung entsprechend dem mit-I-bezeichneten Kurvenast.
Übersteigt die Eingangsspannung die Werte --UZ1 bzw. UZ2-, dann sind beide Zenerdioden durchlässig und über den Widerstand -42-- speist eine konstante Spannung ein, deren Wert durch die Durchbruchsspannung der Zenerdioden festgelegt ist, während die Spannung-UE-- über den hochohmigen Widerstand --40-- auf den Verstärkereingang wirkt. Damit wird ab dem Spannungswert-UZ1 und UZ2-der Eingangsspannung-Ug- der Verstärkungsgrad der Gesamtanordnung herabgesetzt und es gibt sich ein Verlauf entsprechend den in Fig. 6 mit-II-bezeichneten Kurvenästen.
Durch die Bemessung der Zenerdioden und der Widerstände kann damit die festgelegte Arcustangens-Funktion mit hinreichender Annäherung nachgebildet werden, wobei hier noch begünstigend hinzukommt, dass der Einsatzpunkt der Zenerdurchbruchspannung bei besonderen Exemplaren nicht schlagartig stattfindet, so dass sich tatsächlich ein allmählicher Übergang vom Kurvenast --1- in die Kurvenäste --II-- ergibt.
Fig. 7 zeigt den Aufbau der Transformationsschaltung zur Umwandlung der Phasenwerte IS und IT-des Ständerstromes in entsprechende orthogonaleständerstromkomponenten-Ir und Ij--. An den dreiEingangsklemmen --30, 31 und 32-liegen drei Spannungen, welche mittels in den Ständerzuleitungen angeordneten Stromwandlern gewonnen werden und somit den Phasenströmen proportional sind.
Die Eingangsklemmen-30, 31 und 32-- sind mit zwei Verstärkern-43 und 44-- über Widerstände, wel-
EMI4.1
EMI4.2
7PATENTANSPRÜCHE :
1. Schaltungsanordnung zur Steuerung oder Regelung von generatorisch oder motorisch betriebenen, insbesondere umrichtergespeisten Drehfeldmaschinen mit zwei im Betrag voneinander unabhängig vorgebbaren und vektorielle aufeinanderstehenden, der Wirk- bzw. der Blindleistung der Maschine proportionalen Führungsgrö- ssen, wobei zwei phasenverschobene, vom Maschinenläufer abgeleitete ständerbezogene Feldkomponentenspannungen als Messgrössen über einen Vektoranalysator mindestens einem Komponentenwandler zuführbar sind, dessen zwei weiteren Eingängen die zwei feldachsenbezogenen Führungsgrössen anliegen und an dessen Ausgänge Ständerstromsteller für die Drehfeldmaschine angeschlossen sind, wobei für Asynchronmaschinen,
welche von einem Zwischenkreisumrichter mit eingeprägtem Gleichstrom gespeist sind, der Komponentenwandler ausgangsseitig mit einem weiteren Vektoranalysator verbunden ist, dessen Reglerausgang mit dem Sollwerteingang eines Reglers für den Zwischenkreisgleichstrom verbunden ist und dessen Verstärkerausgangsspannungen einem Winkelschalter für die Steuergitter des Wechselrichters direkt und bzw. oder über einen weiteren Regler zuführbar sind, nachPatentNr.
301700, dadurch gekennzeichnet, dassdemWinkelschalter (ll) dieSerien- schaltung eines PI-Reglers (14) und eines Zweiphasengenerators (16) vorgeschaltet ist, dessen Frequenz von einem Minimalwert an von der Stellgrösse des PI-Reglers (14) einstellbar ist, dem eingangsseitig eine von dem Differenzwinkel zwischen dem Phasenwinkel (ss*) des Steuervektors und dem Phasenwinkel (ss) des von dem Zweiphasengenerator (16) abgeleiteten Vektors abhängige Regelgrösse zuführbar ist.