AT397163B

AT397163B - Arrangement for measuring the stator currents and stator voltages in a three-phase machine supplied via a converter

Info

Publication number: AT397163B
Application number: AT139990A
Authority: AT
Inventors: Karl Dipl Ing Dr Tec Schiftner; Andreas Dipl Ing Dr Trenner; Michael Dipl Ing Wolfahrt; Karl Ing Divisch; Rainer Dipl Ing Dr Weinmann; Ludwig Dipl Ing Marvan; Karl Dipl Ing Dr Kaiser
Original assignee: Elin Energieanwendung
Priority date: 1990-06-29
Filing date: 1990-06-29
Publication date: 1994-02-25
Also published as: ATA139990A

Abstract

In an arrangement for measuring the stator currents and stator voltages in a three-phase machine supplied via a converter, the individual stator currents iR, iY, iB are detected by current transformers 1, 2, 3, and the line stator voltages are detected by voltage transformers. Each transformer 1, 2, 3 is connected to a synchronous voltage/frequency converter 8, 9, 10, each of which is followed by a counter (meter) 14, 15, 16. A microprocessor 28 is provided in order to regulate and control the converter, in which microprocessor a modelled subtractor 20, 21, 22 is provided for each counter 14, 15, 16, downstream of which a modelled coordinate former 26 is connected, which determines the stator-fixed voltage components and current components iSalpha, iSbeta. The analogue signal detected by the transformers is always measured digitally during one sampling interval. Brief voltage fluctuations in the analogue signal and superimposed disturbance voltages are in this case suppressed. <IMAGE>

Description

AT397163BAT397163B

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung der Statorströme und Statorspannungen bei einer über einen Umrichter gespeisten Drehstrommaschine, vorzugsweise Asynchronmaschine.The invention relates to an arrangement for measuring the stator currents and stator voltages in a three-phase machine fed by a converter, preferably an asynchronous machine.

Von großer technischer Bedeutung sind heute die Zwischenkreisumrichter in ihren verschiedenen Ausbildungsformen als unter- und übersynchrone Stromrichterkaskade und als Stromzwischenkreis- und 5 Spannungszwischenkreisumrichter. Im höchsten Leistungsbereich bei kleinen bis mittleren Ständerfrequenzen und Drehzahlen wird meist die direktumrichtergespeiste Asynchronmaschine eingesetzt.Of great technical importance today are the intermediate circuit converters in their various forms of training as undersynchronous and oversynchronous converter cascades and as current intermediate circuit and 5 voltage intermediate circuit converters. The direct converter-fed asynchronous machine is mostly used in the highest performance range with small to medium stator frequencies and speeds.

Auch bei den Bahnantrieben ist der Trend vom Kommutatormotor zum Drehstrommotor unverkennbar. Bei den Antrieben mit Kommutatormaschinen kommen der Emphasenreihenschlußmotor mit Hochspannungsschaltwerk, der Mischstrommotor mit Anschnittsteuerung bei der Vollbahn und der Gleichstrommotor mit 10 Niederspannungsschaltwerk oder Gleichstromsteller im Nahverkehr zur Anwendung. Die U-Bahn-Triebwagen im Nahverkehr werden in Drehstromtechnik mit Phasenfolgewechselrichter ausgeführt.The trend from commutator motors to three-phase motors is also unmistakable for rail drives. For drives with commutator machines, the single-phase series motor with high-voltage switchgear, the mixed-current motor with gate control for the full track and the DC motor with 10 low-voltage switchgear or DC controllers are used in local transport. The underground railcars in local transport are designed using three-phase technology with phase sequence inverters.

Die moderne Stromrichtertechnik wäre ohne die enormen Fortschritte in der Informationselektronik nicht denkbar. Analoge Schaltkreise, wie Verstärker, Multiplizierer, Dividierer und Komparatoren, aber auch die digitalen Logikbausteine, vor allem Zähler, Speicher und Multiplexer, wurden schon früh eingesetzt Mit den 15 Schaltkreisen und den Logikbausteinen konnten verhältnismäßig komplexe Stromrichterregelungen, wie z. B. für eine Drehstromasynchronmaschine, mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand verwirklicht werden..Modern converter technology would not be conceivable without the enormous advances in information electronics. Analog circuits, such as amplifiers, multipliers, dividers and comparators, but also the digital logic modules, especially counters, memories and multiplexers, were used at an early stage. With the 15 circuits and the logic modules, relatively complex converter regulations, such as e.g. B. for a three-phase asynchronous machine can be realized with economically justifiable effort.

Der Wirkungsgrad stromrichtergespeister Drehstromantriebe wird aufgrund des hohen Stromrichterwirkungsgrades, der zwischen 90 % und 95 % liegt vor allem durch den Motor bestimmtThe efficiency of converter-fed three-phase drives is mainly determined by the motor due to the high converter efficiency, which is between 90% and 95%

Durch geeignete Spannungspulsmuster ist es möglich, den Verlauf des Ständerflusses gut an die ideale 20 Kreisbahn anzunähem. Dadurch werden die Verzerrungsstreuflüsse und damit die Verzerrungsströme extrem klein gehalten.Suitable voltage pulse patterns make it possible to sew the stator flow well to the ideal circular path. As a result, the stray fluxes and thus the distortion currents are kept extremely small.

Allgemein kann gesagt werden, daß beim Spannungszwischenkieisumrichter noch einige Verbesserungen der heute üblichen Pulsverfahren vorgenommen werden müssen, um im Bereich der Nenndrehzahl bessere Gesamtwirkungsgrade zu erzielen als beim Stromzwischenkreisumrichter. 25 Bei hochdynamischen Antrieben kommen aufgrund der geforderten Reaktionszeiten nur Antriebe mit Spannungszwischenkreisumrichtem zur Anwendung.In general, it can be said that in the case of the intermediate voltage converter, some improvements to the pulse methods customary today have to be made in order to achieve better overall efficiencies in the range of the rated speed than in the case of the intermediate circuit converter. 25 In the case of highly dynamic drives, only drives with voltage intermediate circuit converters are used due to the required response times.

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 Istwerte im Umrichter und an der Maschine müssen dabei speziell aufbereitet werden, um sie im Mikroprozessor weiterverarbeiten zu 30 können. An entsprechende Schaltungen werden somit hohe Anforderungen gestellt, die aber meist nicht vollkommen erfüllt werden können.Around ten years ago it was shown that power converters can be controlled quite well with microprocessors. However, this technology has only become economically viable today. The actual values in the converter and on the machine must be specially prepared so that they can be further processed in the microprocessor. Corresponding circuits are therefore subject to high demands, but these can usually not be fully met.

In der DE-OS 31 35 032 ist eine Schaltungsanordnung zum Bestimmen von Netzgrößen, wie Leistung, Leistungsflußrichtung und/oder Leistungsfaktor in Gleich- und/oder Wechselstromnetzen mit beliebigen Stromformen beschrieben. Dabei werden Strom- und Spannungswandler verwendet, die nach dem 35 Kompensationsprinzip arbeiten und deren sekundäre Kompensationsströme das exakte, jedoch entsprechend dem Übersetzungsverhältnis reduzierte Abbild des Primärstromes sind. Die Kompensationsströme werden zunächst über je einen eigenen Widerstand und dann über einen gemeinsamen Widerstand geführt. Die in den drei Widerständen fließenden Ströme werden in einer Einrichtung gemessen, ausgewertet und zur Anzeige gebracht.DE-OS 31 35 032 describes a circuit arrangement for determining network variables, such as power, power flow direction and / or power factor in DC and / or AC networks with any current forms. Current and voltage transformers are used that work according to the 35 compensation principle and whose secondary compensation currents are the exact, but reduced according to the transformation ratio, image of the primary current. The compensation currents are first conducted through their own resistor and then through a common resistor. The currents flowing in the three resistors are measured in a device, evaluated and displayed.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine neuartige Meßanordnung zu schaffen, welche die erfaßten 40 Spannungen und Ströme zur Weiterverarbeitung in einem Mikroprozessor digital aufbereiten.The object of the invention is to create a new type of measurement arrangement which digitally process the detected 40 voltages and currents for further processing in a microprocessor.

Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst. Diese ist dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Statorströme mit Stromwandlem und die verketteten Statorspannungen mit Spannungswandlem erfaßbar sind, und daß jeder Wandler mit einem synchronen Spannungs-Frequenz-Umsetzer verbunden ist, dem je ein Zähler mit Zwischenspeicher folgt, und daß für die Regelung und Steuerung des Umrichters mindestens ein 45 Mikroprozessor vorgesehen ist, in dem für jeden Zähler ein softwaremäßig nachgebildeter Differenzbildner vorgesehen ist, und daß den Differenzbildnem für die Statorspannungen und denen für die Statorströme ein ebenfalls softwaremäßig nachgebildeter Koordinatenbildner nachgeschaltet ist, der die statorfesten Spannungskomponenten bzw. Stromkomponenten ermittelt und daß das Auslesen der Werte aus den Zwischenspeichern der Zähler über Signale vom Mikroprozessor steuerbar ist. Das mit den Wandlern erfaßte sich stetig 50 ändernde Analogsignal wird immer während eines Abtastintervalles digital gemessen. Kurzzeitige Spannungsschwankungen im Analogsignal, insbesondere auch überlagerte Störspannungen, werden hierbei unterdrückt.The object is achieved by the invention. This is characterized in that the individual stator currents with current transformers and the linked stator voltages with voltage transformers can be detected, and that each converter is connected to a synchronous voltage-frequency converter, which is followed by a counter with a buffer, and that for regulation and control of the converter, at least one 45 microprocessor is provided, in which a software-simulated difference generator is provided for each counter, and that the software also uses a coordinate generator, which simulates the stator-fixed voltage components and current components, for the stator voltages and those for the stator currents that the reading out of the values from the intermediate memories of the counters can be controlled via signals from the microprocessor. The constantly changing analog signal detected by the converters is always measured digitally during a sampling interval. Brief voltage fluctuations in the analog signal, in particular also superimposed interference voltages, are suppressed here.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Ausgangssignale der mit den Stromwandlem verbundenen Spannungs-Frequenz-Umsetzer einer Additionsstufe zuführbar, die mit einem Zähler mit Zwischenspeicher verbunden ist. Der Wert des Zwischenspeichers kann im Mikroprozessor zur Auswertung eines Erdschlusses 55 im Leistungsteil verwendet werden.According to one embodiment of the invention, the output signals of the voltage-frequency converters connected to the current transformers can be fed to an addition stage which is connected to a counter with a buffer. The value of the buffer can be used in the microprocessor to evaluate an earth fault 55 in the power section.

An Hand der in den Zeichnungen dargestellten Prinzipschaltbilder und eines Zeitdiagrammes wird die Erfindung nun noch näher erläutert. Die Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau zur Aufbereitung der Statorströme, die Fig. 2 stellt jenen für die Statorspannungen dar und in Fig. 3 sind die Spannungen und digitalen Werte an verschiedenen Stellen der Anordnung in Fig. 1 zu sehen. 60 Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung zur Messung der Statorströme (ijj), (ig), (iy) bei einer über einen Umrichter gespeisten Asynchronmaschine (4) ist für die Regelung und Steuerung des Umrichters ein -2-The invention will now be explained in more detail with the aid of the basic circuit diagrams shown in the drawings and a time diagram. FIG. 1 shows the basic structure for processing the stator currents, FIG. 2 shows that for the stator voltages and in FIG. 3 the voltages and digital values can be seen at various points in the arrangement in FIG. 1. 60 In the arrangement shown in FIG. 1 for measuring the stator currents (ijj), (ig), (iy) in an asynchronous machine (4) fed via a converter, a -2- is used for regulating and controlling the converter.

AT397163BAT397163B

Mikroprozessor (28) vorgesehen. Die einzelnen Statorströme (ir), (lg), (ij) werden mit Stromwandlem (1), (2), (3) erfaßt. Jeder Wandler (1), (2), (3) ist mit einem synchronen Spannungs-Frequenz-Umsetzer (8), (9), (10), der vom Mikroprozessor den benötigten Takt erhält, verbunden. Jedem Spannungs-Frequenz-Umsetzer (8), (9), (10) folgt ein 16 bit-Zähler (14), (15), (16) mit Zwischenspeicher. Die Zählerausgänge sind an den 5 Mikroprozessor (28) angeschlossen, in dem für jeden Zähler (14), (15), (16) ein softwaremäßig nachgebildeter Differenzbildner (20), (21), (22) vorgesehen ist. Die Ausgangssignäle (iRm), Osm^^Tm)061 Differenzbildner (20), (21), (22) werden einem ebenfalls softwaremäßig nachgebildeten Koordinatenbildner (26) zugeführt, der die statorfesten Stromkomponenten (iga), (igß) ermittelt Das Auslesen der Werte aus den Zwischenspeichern der Zähler (14), (15), (16) wird über Signale (29) vom Mikroprozessor (28) gesteuert 10 Weiters werden die Ausgangssignale der mit den Stromwandlem (1), (2), (3) verbundenen Spannungs-Frequenz-Umsetzer (8), (9), (10) einer Additionsstufe (30) zugeführt, die mit einem Zähler (31) mit Zwischenspeicher verbunden istMicroprocessor (28) provided. The individual stator currents (ir), (lg), (ij) are detected with current transformers (1), (2), (3). Each converter (1), (2), (3) is connected to a synchronous voltage-frequency converter (8), (9), (10), which receives the required clock from the microprocessor. Each voltage-frequency converter (8), (9), (10) is followed by a 16 bit counter (14), (15), (16) with a buffer. The counter outputs are connected to the 5 microprocessor (28), in which a software-simulated difference generator (20), (21), (22) is provided for each counter (14), (15), (16). The output signals (iRm), Osm ^^ Tm) 061 difference formers (20), (21), (22) are fed to a coordinate generator (26) which is also simulated by software and which determines the stator-fixed current components (iga), (igß) Values from the buffer stores of the counters (14), (15), (16) are controlled by signals (29) from the microprocessor (28) 10 Furthermore, the output signals of the current transformers (1), (2), (3) are connected Voltage-frequency converter (8), (9), (10) fed to an addition stage (30) which is connected to a counter (31) with a buffer

Die Anordnung in Fig. 2 zur Messung der verketteten Statorspannungen (ugg), (ugj), (ujr) ist genauso aufgebaut wie jene für die Statorströme 0r), (ig), (ΐχ), nur werden an Stelle der Stromwandler (1), (2), (3) 15 Spannungswandler (5), (6), (7) verwendet und am Ausgang des Koordinatenbildners (27) treten die statorfesten Spannungskomponenten (ug^, (ugß) auf.The arrangement in FIG. 2 for measuring the chained stator voltages (ugg), (ugj), (ujr) has the same structure as that for the stator currents 0r), (ig), (ΐχ), except that instead of the current transformers (1) , (2), (3) 15 voltage transformers (5), (6), (7) are used and at the output of the coordinate generator (27) the stator-fixed voltage components (ug ^, (ugß) occur.

Bei den Zeitdiagrammen in Fig. 3 ist das oberste Signal das analoge Ausgangssignal (ig) des Stromwandlers (1).3, the uppermost signal is the analog output signal (ig) of the current transformer (1).

Darunter sind schematisch die digitalen Ausgangswerte des Zählers (14) dargestellt, wobei bei der 20 gewählten analogen Darstellung eine Phasenverschiebung des Signales von 90°, die einer Integration des mit dem Stromwandler (1) erfaßten Analogsignales entspricht, erkennbar ist. Der Zählerstand des Zählers (14) wird am Anfang jedes Abtastintervalles (T^) ausgelesen. Durch Differenzenbildung im Mikroprozessor (28) von aufeinanderfolgenden Abtastwerten (A) ergibt sich die Zahl der Impulse im vergangenen Abtastintervall (T^). Das daraus resultierende Signal, welches in dieser Fig. als Unterstes zu sehen ist, ist zum tatsächlichen 25 Analogsignal um (Tv) phasenverschoben.Below this, the digital output values of the counter (14) are shown schematically, with the 20 selected analog display showing a phase shift of the signal of 90 °, which corresponds to an integration of the analog signal detected with the current transformer (1). The counter reading of the counter (14) is read out at the beginning of each sampling interval (T ^). By forming differences in the microprocessor (28) of successive samples (A), the number of pulses in the past sampling interval (T ^) results. The resulting signal, which can be seen at the bottom in this figure, is out of phase with the actual analog signal by (Tv).

Bei einem asynchronen dreieckmodulierten Pulsmuster (DMA) bietet sich die Abtastung mit der doppelten Taktfrequenz (fabt = 2*ίχ) des Mikroprozessors (28) an. Bei der synchronen Dreiecksmodulation (DM15) und bei der Schaltwinkelsteuerung - (SM9) bis (SM3) - ist das Abtastintervall abhängig von der Grundschwingungsfrequenz. 30 Für die verschiedenen Maschinenfrequenzen (fm) ergeben sich bei einer bestimmten Taktfrequenz (ίχ) die Abtastfrequenzen (fabt)> Abtastzeiten (¼^) und die Abtastwinkel (aabt) nach folgender Tabelle: fm Hz Muster fT kHz fabt kHz labt ms aabt • 1...50 DMA 1 2 03 0,18...9 50...66,7 DM15 0,75...1 1,5...2 03-0,67 12 50...111 SM9 0,45...1 0,6...133 0,75...1,67 30 111...143 SM7 0,78...1 133-1,72 038-0,75 30 143...200 SM5 0,72...1 0,86—13 0,83...1,17 60 200...333 SM3 0,6...1 13-2 03-0,83 60 45In the case of an asynchronous triangular-modulated pulse pattern (DMA), sampling with twice the clock frequency (fabt = 2 * ίχ) of the microprocessor (28) is appropriate. With synchronous triangular modulation (DM15) and with switching angle control - (SM9) to (SM3) - the sampling interval depends on the fundamental frequency. 30 For the different machine frequencies (fm), the sampling frequencies (fabt) > Sampling times (¼ ^) and the scanning angles (aabt) according to the following table: fm Hz pattern fT kHz fabt kHz labt ms aabt • 1 ... 50 DMA 1 2 03 0.18 ... 9 50 ... 66.7 DM15 0.75 ... 1 1.5 ... 2 03-0.67 12 50 ... 111 SM9 0.45 ... 1 0.6 ... 133 0.75 ... 1.67 30 111 ... 143 SM7 0.78 ... 1 133-1.72 038-0.75 30 143 ... 200 SM5 0.72 ... 1 0.86—13 0.83 ... 1, 17 60 200 ... 333 SM3 0.6 ... 1 13-2 03-0.83 60 45

Die geringste Genauigkeit tritt bei der maximalen Abtastfrequenz von 2 kHz und die größte Genauigkeit bei der minimalen Abtastfrequenz von 0,6 kHz auf.The lowest accuracy occurs at the maximum sampling frequency of 2 kHz and the greatest accuracy at the minimum sampling frequency of 0.6 kHz.

Die Ausgangsgrößen der Differenzenbildner (20), (21), (22), (23), (24), (25) werden im Mikroprozessor (28) nach folgender Formel berechnet: 50 Μ’ = (Ζ-Ζ·)*Κ^3ΐ)1·-Μο M'---Meßgröße bezogen auf die Mitte des vergangenen Abtastintervalles Z__..... Zählerstand am Ende des Abtastintervalles 55 Z'--Zählerstand am Anfang des Abtastintervalles K____MaßstabsfaktorThe output variables of the difference formers (20), (21), (22), (23), (24), (25) are calculated in the microprocessor (28) according to the following formula: 50 Μ '= (Ζ-Ζ ·) * Κ ^ 3ΐ) 1 · -Μο M '--- Measured variable based on the middle of the past sampling interval Z __..... Counter reading at the end of the sampling interval 55 Z' - Counter reading at the beginning of the sampling interval K ____ Scale factor

Zgjyi — vergangenes Abtastintervall als Vielfaches der Systemtakt-Periode des Mikroprozessors (28) Mio--------- Offsetwert - dieser wird durch selbsttätigen Nullabgleich ermittelt -3-Zgjyi - past sampling interval as a multiple of the system clock period of the microprocessor (28) million --------- offset value - this is determined by automatic zero adjustment -3-

Claims

AT 397163 B PATENT CLAIMS 1. Arrangement for measuring the stator currents and stator voltages in a three-phase machine fed by a converter, preferably an asynchronous machine, characterized in that the individual stator currents (iß, i§, ij) with current transformers (1,2,3) and the concatenated stator voltages (ur§ > ust * uTR) with voltage converters (5,6,7) are detectable, and that each converter (1,2,3,5,6,7) with a synchronous voltage-frequency converter (8 , 9, 10, 11, 12, 13), which is followed by a counter (14, 15, 16, 17, 18, 19) with a buffer, and that at least one microprocessor (28) for regulating and controlling the converter is provided, in which a software-simulated difference generator (20, 21, 22, 23, 24, 25) is provided for each counter (14, 15, 16, 17, 18, 19), and in that the difference generator (20, 21, 22,23,24,25) for the stator voltages (ur§, ugj, u ^ r) and those for the stator currents (ig, i§, ij) is also a software simulation Coordinate generator (26, 27) is connected downstream, which determines the stator-fixed voltage components (u§a, ugß) or current components (iga, igß) and that the values are read out from the intermediate memories of the counters (14, 15, 16, 17, 18 , 19) can be controlled by signals (29) from the microprocessor (28)

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the output signals of the voltage-frequency converter (8, 9, 10) connected to the current transformers (1, 2, 3) can be fed to an addition stage (30), which can be read with a counter ( 31) is connected to the buffer. Add 2 sheets of drawings -4-