AT396638B - Regelungssystem für einen spannungszwischenkreisumrichter der eine asynchronmaschine speist - Google Patents
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Description
AT 396 638 B
Die Erfindung betrifft ein Regelungssystem für einen Spannungszwischenkreisumrichter der eine Asynchronmaschine speist, bestehend ans Mikroprozessoren, wobei einer einen Pulsmustergenerator enthält
Die bekannten Asynchronmaschinenantriebe mit Anschnittsteuerung sind aufgrund der im Läufer der Maschine anfallenden Verluste nur auf kleine Leistungen beschränkt Die direktumrichtergespeiste Asynchronmaschine wird 5 im höchsten Leistungsbereich bei kleinen bis mittleren Ständerfrequenzen und Drehzahlen eingesetzt Von großer technischer Bedeutung sind die Zwischenkreisumrichter in ihren verschiedenen Ausbildungsformen als unter- und übersynchrone Stromrichterkaskade und als Strom- und Spannungszwischenkreisumrichter.
Bei hochdynamischen Antrieben kommen aufgrund der geforderten Reaktionszeiten nur Antriebe mit Spannungszwischenkreisumrichtern zur Anwendung. 10 Allgemein kann gesagt werden, daß beim Spannungszwischenkreisumrichter noch einige Verbesserungen der heute üblichen Pulsverfahren vorgenommen werden müssen, um im Bereich der Nenndrehzahl bessere Gesamtwirkungsgrade zu erzielen als beim S tromzwischenkreisumrichter.
Durch geeignete Spannungspulsmuster ist es z. B. möglich, den Verlauf des Ständerflusses gut an die ideale Kreisbahn anzunähem. Dadurch werden die Verzerrungsstreuflüsse und damit die Verzerrungsströme extrem klein 15 gehalten.
Die Entwicklung der Informationselektronik ist heute vom verstärkten bis ausschließlichen Einsatz von Mikroprozessoren gekennzeichnet Bereits vor rund zehn Jahren wurde aufgezeigt, daß sich Stromrichter recht gut mit Mikroprozessoren steuern lassen. Diese Technik ist allerdings erst heute wirtschaftlich vertretbar geworden.
Die derzeitige Entwicklung zielt auf einen Umschichtungsvorgang ab, bei dem Hardwarezusätze, z. B. vom 20 Mikroprozessor angesprochene Zählerbaugruppen zur Zündzeitpunktermittlung, von noch leistungsfähigeren
Mikroprozessoren verdrängt werden. Ein derartiges Beispiel sind Prozessoren der INTEL-Familie 8096, mit der so komplexe Steuerungsaufgäben wie die Pulsmusterbildung verwirklicht werden können.
Ein Stromrichterrechner ist meist so leistungsfähig, daß er auch die Maschinen- und Prozeßregelung, sowie die Bedienung, Einstellung und Wartung übernehmen kann. Derartig komplexe Systeme kommen gegenüber der 25 konventionellen Technik mit weniger Aufwand aus. Der Gesamtaufwand des Regelungssystems wird durch die Peripherie wesentlich beeinflußt, weshalb die notwendige Anzahl an Meßgrößen so weit wie nur möglich eingeschränkt wird.
In der EP-OS 0 259 240 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zur Steuerung eines zwangskommutierten Umrichters beschrieben. Dabei steht ein Signalprozessor in Verbindung mit einem Speicher in dem verschiedene 30 Muster zur Erzeugung von pulsbreitenmodulierten Signalformen in einem weiten Bereich für verschiedene Frequenzen abgespeichert sind. Dadurch kann für jeden Betriebspunkt eine vorteilhafte Aufhebung der harmonischen Schwingungen erreicht werden. Eine in dieser EPOS erwähnte weitere Anordnung besteht dabei aus drei Mikroprozessoren zur Bildung des pulsbreitenmodulierten Signales und ein vierter ist zur Synchronisation der drei anderen und der Erzeugung einer Phasenverschiebung vorgesehen. 35 Von einem Stützbetrieb für die Zwischenkreisspannung bei einem kurzzeitigen Netzausfall ist bei der Steuerung in dieser EP-OS nicht die Rede.
Wenn bei einem Zwischenkreisumrichter die Netzspannung ausfallen sollte, so hängt sich die Zwischenkreisspannung von der Netzspannung ab und die Maschine kann von der Regelung nicht mehr geführt werden. Weiters sinkt die Zwischenkreisspannung sehr rasch ab. Ohne Motorspannungsmessung müßte die Entregung der 40 Asynchronmaschine abgewartet werden, was ein Vielfaches der Rotorzeitkonstante dauert, bevorvon der Regelung wieder eine Eingriffsmöglichkeit besteht
Eine Einrichtung zur Überbrückung von kurzzeitigen Netzausfällen bei Spannungszwischenkreisumrichtem ist in der EP-PS 0 045 468 beschrieben. Bei dieser wird die Regelabweichung zwischen dem frequenzabhängig geführten Sollwert und dem Istwert derUmrichterausgangs- bzw. Zwischenkreisspannung einem Regler zugeführt, 45 der die Steuerfrequenz des Umrichters und den ihr zugeordneten Spannungssollwert im Sinne einer Verringerung der Regelabweichung fortlaufend vermindert
Die Aufgabe der Erfindung bestehtnun darin, dieBetriebssicheiheitbei einem neuartigenRegelungssystemauch in Ausnahmefällen, vor allem bei einem kurzzeitigen Netzspannungsausfall, zu gewährleisten. Es soll die Asynchronmaschine dabei nicht außer Kontrolle geraten. 50 Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst Diese ist dadurch gekennzeichnet, daß zwei Mikroprozessoren, von denen einer als Regelungsprozessor und der andere als Pulsmusterprozessor für zeitkritische Berechnungen arbeitet, mit dazwischen angeordneter Übergabeeinheit die vorzugsweise ein Dual-Port-RAM ist, vorgesehen sind, und daß im Pulsmusterprozessor eine Überwachungseinrichtung vorgesehen ist, der die Statorkreisfrequenz und die Zwischenkreisspannung zugeführt sind und die ausgangsseitig, sofeme die Statorkreisfrequenz über einem unteren 55 Grenzwert liegt bei Unterschreiten eines vorgegebenen Zwischenkreisspannungswertes ein Signal abgibt, welches den Eintritt eines Stützbetriebes für die Zwischenkreisspannung signalisiert, und daß dieses Signal einen Nullspannungszeiger im Pulsmusterprozessor aktiviert, der bewirkt, daß alle drei Phasen des Wechselrichters des Umrichters über eine Zeitdauer, die von der Statorkreisfrequenz und dem Erregungs- und Belastungszustand der -2- 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 AT 396 638 B Asynchronmaschine abhängig ist, auf gleichesPotenüal geschaltet werden, unddaßdieZeitdauer des Nullspannungszeigers entsprechend folgender Beziehung ^SZ^Sy^Sx'®^’ wobei (ψ§ ) den Belastungszustand, (ψ§χ) den Erregungszustand und (Cög) die Statorkreisfrequenz darstellt, in der Überwachungseinrichtung ermittelt wird, und daß ein Stützsignal, welches den Stützbetrieb signalisiert, und ein weiteres Signal, das anzeigt, daß die Statoikreisfrequenz über dem Grenzwert liegt von der Überwachungseinrichtung einer UND-Verknüpfung im Regelungsprozessor zugeffihrt sind, die bei Durchschaltung des Eingangssignales an den Ausgang eine Berechnung der dynamischen Komponenten im Regelungsprozessor unterdrückt. Durch Überwachung der Zwischenkreisspannung und die obige Maßnahme wird ein kurzzeitiger Netzspannungsausfall überbrückt und verhindert, daß der Pegel der Zwischerikreisgleichspannung unter einen für die Steuerungselektronik kritischen Wat absinkt. Da aufgrund des meist sehr kleinen Zwischenkreiskondensators die Zwischenkreisspannung rasch absinken würde, muß die Entlastung der Asynchronmaschine sehr rasch erfolgen. Dies wird durch Anlegen des Nullspannungszeigers erreicht. Allgemein kann somit gesagt werden, daß durch die Erfindung das Drehmoment in da kürzest möglichen Zeit abgeworfen wird. Dies ist vor allem bei großen Maschinen wichtig. Durch die Beziehung werden alle Größen von der die Zeitdauer des Nullspannungszeigers abhängig ist berücksichtigt. Die Ausschaltung der dynamischen Komponenten gewährleistet, daß nach demNullspannungszeiger bei der Asynchronmaschine und in der Regelung da gleiche Zustand harscht. Von Vorteil ist, daß im Regelungsprozessor ein Stützregler vorgesehen ist, da durch das Stützsignal aktiviert wird und im aktivierten Zustand bzw. im Stützbetrieb des Regelungssystems am Ausgang einen Stützmomentsollwert abgibt, der aus der Differenz zwischen einem Zwischenkreisspannungssollwert und der aktuellen Zwischenkreisspannung gebildet wird. Durch denStützreglawirddieZwischenkieisspannungsolange wiemöglich aufrecht erhalten. Wenn die Statoikreisfrequenz unter dem Grenzwat liegt, übanimmt der Stützregler auch den Lastabwurf, weil diesa mit dem Nullspannungszeiger zu lange dauern würde. Eine Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß im Regelungsprozessor eine Auswahlschaltung vorgesehen ist, da ein Drehmomentsollwert und ein Wert der Null entspricht zuführbar sind, und die über das Ausgangssignal der UND-Vaknüpfung gesteuat wird, wobei bei Unterdrückung der Berechnung da dynamischen Komponenten der Wat der Null entspricht durchgeschaltet wird und an den Stützregla als Setzwert gelangt Da Stützregler greift dadurch immer beim momentan richtigen Lastzustand ein, wodurch gewährleistet wird, daß keine Momenten-sprüngeauftreten. Nachstehend ofolgt noch eine weitere Erläutoung der Erfindung anhand da Zeichnungen. Die Fig. 1 zeigt sehr vaeinfacht das Blockschaltbild eines bekannten Umrichters mit Spannungszwischenkreis und Fig. 2 stellt ein Blockschaltbild des Teiles zum Stützen da Zwischenkreisspannung im Regelungssystems dar. Bei einem Spannungszwischenkreisumrichter entsprechend Fig. 1 wild die Netzspannung (a) mit einem Netzgleichrichter (b) in eine Gleichspannung (c) umgewandelL Diese wird mit einem Zwischenkreiskondensator (d) geglättet und dient als Eingangsspannung für den maschinenseitigen Wechselrichter (e), der vorzugsweise ein aus drei Schaltpolen bestehender Pulswechselrichter ist. Da mit der Asynchronmaschine (h) verbundene Wechselrichter (e) wird von einer Regelung (f) angesteuert, die die Verstellung der Maschinenspannung (g) nach Amplitude und Frequenz vomimmt. Die Fig. 2 zeigt die Überwachungseinrichtung (3) im Pulsmusterprozessor (1), der die Zwischenkreisspannung Ο14) oder ein Signal, welches bei Unterschreiten eines Zwischenkreisspannungspegels (udStütz^ tmd die Statorkreisfrequenz (<ög) zugeführt wird. Gelangt an die Überwachungseinrichtung (3) die Zwischenkreisspannung (ud), so muß ein Vagleich mit einem Zwischenkieisspannungspegel in diesa erfolgen. Warn die Statorfrequenz (fg) bzw. die Statorkreisfrequenz (tüg) übereinem gewissen Wert z. B. 10 Hz und die Zwischenkreisspannung (uj) unter dem Zwischenkreisspannungspegel (u,jgtfitz) liegt, so wird von da Überwachungseinrichtung (3) ein Signal (4) an den Pulsmustergenerator (12), da sich ebenfalls im Pulsmusterprozessor (1) befindet, abgegeben. Diesa erzeugt einen Nullspaimungszeiger (NSZ), der alle dreiPhasen (P^,Pg,Pj) des Wechselrichters im Umrichter üba eine Zeitdauer auf gleiches Potential, entweder auf positives +u^/2 oder negatives -u^/2 Zwischenkreispotential legt Dies entspricht einem Klemmenkurzschluß an da Asynchronmaschine, wobei die dabei erreichbare Entlastungszeit bei Nennlast und Nennfrequenz im Bereich einer Millisekunde liegt Die notwendige Dauer des Nullspannungszeigers (Tjgg^) ist vom abgegebenen Moment (mej) der Maschine und da aktuellen Statorkreisfrequenz (tög) abhängig, und wird auf folgende Weise in da Überwachungseinrichtung (3) berechnet, TNSZ=Vs/YSr-®s) -3- 55
Claims (3)
10 AT 396 638 B wobei (ψςχ) die feldbildende Komponente, die dem Erregungszustand der Maschine angibt und (ψς^ die momentenbildende Komponente ist, durch die der Belastungszustand festgelegt ist Die maßgebenden Werte (Y§x, 15 20 25 30 35 einrichtung (3) zugeführt. DieÜberwachungseinrichtung (3) gibt weiters noch zwei Signale (5,6) ab, von denen eines den Stützbetrieb signalisiert und das zweite anzeigt, ob die Statorkreisfrequenz (ως) über dem unteren Grenzwert liegt. Diese beiden Signale (5,6) werden einer UND-Verknüpfung (9) im Regelungsprozessor (2) zugeführt. Wenn beide Signale (5,6) vorhanden sind, d. h. der Nullspannungszeiger (NSZ) wird an den Wechselrichter gelegt, wird eine Berechnung der dynamischen Komponenten (ψςχ, ygy) im Regelungsprozessor (2) verhindert. Da das Ausgangssignal (10) der UND-Verknüpfung (9) auch einer Auswahlschaltung (11) zugefuhrt wird, gelangt gleichzeitig bei Ausschaltung der dynamischen Komponenten (ψςχ, ψ^) ein Wert 0 der Null entspricht an den Setzeingang (13) des Stützreglers (7), wodurch dessen Anfangswert festgelegt ist. Zur selben Zeit wird der Regler (7) durch das Stützsignal (5) freigegeben. Der Stützregler (7) vergleicht die Zwischenkreisspannung (u^) im Stützbetrieb mit einem Sollwert (u1d), der etwas kleiner als die Zwischenkreisspannung (ud) im Normalbetrieb ist Das Ausgangssignal wird als Stützmomentsollwert (m1Rt,-lfa) in der Regelung weiterverarbeitet Eine zweite Auswahlschaltung (14) wird vom Stützsignal (5) gesteuert und schaltet entweder den Momentensollwert im Stützbetrieb (m1§tütz^ oder im Normalbetrieb (m1), welcher z. B. beim Einsatz derRegelung in einem Traktionsantrieb das Signal eines Zugkraftschiebers ist durch. Dieser Auswahlschaltung (14) folgt noch ein vom Ausgangssignal der UND-Verknüpfung (9) gesteuerter Anstiegsbegrenzer (15), an dessen Ausgang (16) der jeweilige Momentensollwert (mgoij) auftritt der einer feldorientierten Regelung (17) im Regelungsprozessor (2) zugeführt wird. Diese ermittelt die Statorspannungskomponenten mit denen im Pulsmustergenerator (12) die Pulsmuster für die drei Phasen (PR, Ρς, Ργ) im Wechselrichter festgelegt werden. Die Auswahlschaltung (11) wählt über das Ausgangssignal der UND-Verknüpfung (9) das Setzsignal für den Stützregler (7) aus, u. zw. den Wert 0 der Null entspricht, wenn die Statorkreisfrequenz (ως) über dem Grenzwert ist, und den Momentensollwert im Normalbetrieb (m1), wenn die Statorkreisfrequenz (ως) unter dem Grenzwert ist Liegt die Statorkreisfrequenz (ως) unter dem Grenzwert, wird von der Überwachungseinrichtung (3) kein Signal (4) zum Anlegen des Nullspannungszeigers (NSZ) ausgegeben, da die Entlastung der Maschine zu lange dauern würde, sondern es greift nur der Stützregler (7) ein. SofemedieZwischenkreisspannungOi^bzw.dasUnterschreitendesZwischenkreisspannungspegelsOidsj^) und die Statorkreisfrequenz (ως) als Digitalwerte bzw. -Signale dem Pulsmusterpiozessor (1) zugeführt werden, kann die Überwachungseinrichtung (3) in einem Programm realisiert werden. Ebenso können auch der Stützregler (7), die UND-Verknüpfung (9), die beiden Auswahlschaltungen (11,14) und der Anstiegsbegrenzer (15) mit Algorithmen, die im Regelungsprozessor (2) abgesetzt sind, nachgebildet werden. Die Zwischenkreisspannung im Stützbetrieb (udj^) müßte dabei natürlich als Digitalwert dem Prozessor (2) zugeführt werden. Da der erfindungsgemäße Teil für ein Regelungssystem mit zwei Mikroprozessoren (1, 2) vorgesehen ist, wird dieser dabei vorteilhafterweise mit einzelnen Programmteilen realisiert. PATENTANSPRÜCHE 40 1. Regelungssystem für einen Spannungszwischenkreisumrichterder eine Asynchronmaschine speist, bestehend aus Mikroprozessoren, wobei einer einen Pulsmustergenerator enthält, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Mikropro-45 zessoren (1, 2), von denen einer als Regelungsprozessor (2) und der andere als Pulsmusterprozessor (1) für zeitkritische Berechnungen arbeitet, mit dazwischen angeordneter Übergabeeinheit, die vorzugsweise ein Dual-Port-RAM ist, vorgesehen sind, und daß im Pulsmusterprozessor (1) eine Überwachungseinrichtung (3) vorgesehen ist, der die Statorkreisfrequenz (ως) und die Zwischenkreisspannung (ud) zugeführt sind und die ausgangsseitig, sofeme die Statorkreisfrequenz (ως) über einem unteren Grenzwert liegt, bei Unterschreiten eines vorgegebenen 50 Zwischenkreisspannungswertes (ud) ein Signal (4) abgibt, welches den Eintritt eines Stützbetriebes für die Zwischenkreisspannung (ud) signalisiert, und daß dieses Signal (4) einen Nullspannungszeiger (NSZ) im Pulsmusterprozessor (1) aktiviert, der bewirkt, daß alle drei Phasen (PR, Ρς, Pj) des Wechselrichters (e) des Umrichters über eine Zeitdauer, die von der Statorkreisfrequenz (ως) und dem Erregungs- und Belastungszustand der Asynchronmaschine abhängig ist, auf gleiches Potential geschaltet werden, und daß die Zeitdauer (ΤΝςΖ) des 55 Nullspannungszeigers (NSZ) entsprechend folgender Beziehung -4- 1 NSZ = ^Sy^Sx · “S^’ AT 396 638 B wobei (ψ§γ) den Belastungszustand, (ψ5χ) den Eiregungszustand und (ω§) die Statorkreisfrequenz darstellt, in der Überwachungseinrichtung (3) ermittelt wird, und daß ein Stützsignal (5), welches den Stützbetrieb signalisiert, und ein weiteres S ignal (6), das anzeigt, daß die S tatorkreisfrequenz (<Bg) über dem Grenz wert liegt von der Überwachungseinrichtung (3) einer UND-Verknüpfung (9) im Regelungsprozessor (2) zugeführt sind, die bei Durchschaltung des Eingangssignales (5, 6) an den Ausgang (10) eine Berechnung der dynamischen Komponenten im Regelungs-Prozessor (2) unterdrückt.
2. Regelungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Regelungsprozessor (2) ein Stützregler (7) vorgesehen ist, der durch das Stützsignal (5) aktiviert wird und im aktivierten Zustand bzw. im Stützbetrieb des Regelungssystems am Ausgang (8) einen Stützmomentsollwert (n»*§tütz) abgibt, der aus der Differenz zwischen einem Zwischenkreisspannungssollwert (u*^) und der aktuellen Zwischenkreisspannung (u^) gebildet wird.
3. Regelungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Regelungsprozessor (2) eine Auswahlschaltung (11) vorgesehen ist, der ein Drehmomentsollwert (m*) und ein Wert (0) der Null entspricht zuföhrbar sind und die über das Ausgangssignal (10) der UND-Verknüpfung (9) gesteuert wird, wobei bei Unterdrückung der Berechnung der dynamischen Komponenten der Wat (0) der Null entspricht durchgeschaltet wird und an den Stützregler (7) als Setzwert gelangt. Hiezu 1 Blatt Zeichnung -5-
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