AT397322B - Control system for an intermediate-circuit voltage converter - Google Patents
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Abstract
Description
AT 397 322 BAT 397 322 B
Die Erfindung betrifft ein Regelungssystem für einen Spannungszwischenkreisumrichter der eine Asynchronmaschine speist, bestehend aus Mikroprozessoren, wobei einer die Pulsmuster erzeugtThe invention relates to a control system for a voltage intermediate circuit converter which feeds an asynchronous machine, consisting of microprocessors, one of which generates the pulse pattern
Die bekannten Asynchronmaschinenantriebe mit Anschnittsteuerung sind aufgrund der im Läufer der Maschine anfallenden Verluste nur auf kleine Leistungen beschränkt. Die direktumrichtergespeiste Asynchronmaschine wird im höchsten Leistungsbereich bei kleinen bis mittleren Ständerfrequenzen und Drehzahlen eingesetzt Von groß» technischer Bedeutung sind die Zwischenkreisumrichter in ihren verschiedenen Ausbildungsformen als unter- und übersynchrone Stromrichterkaskade und als Stromzwischenkreis- und Spannungszwischenkreisumrichter.The known asynchronous machine drives with gate control are only limited to small outputs due to the losses occurring in the rotor of the machine. The direct converter-fed asynchronous machine is used in the highest performance range at low to medium stator frequencies and speeds. The intermediate circuit converters are of great technical importance in their various forms of training as an undersynchronous and oversynchronous converter cascade and as a DC link and voltage intermediate circuit converter.
Auch bei den Bahnantrieben ist der Trend vom Kommutatormotor zum Drehstrommotor unverkennbar. Bei den Antrieben mit Kommutatormaschinen kommen der Einphasenreihenschlußmotor mit Hochspannungsschaltwerk, der Mischstrommotor mit Anschnittsteuerung bei der Vollbahn und der Gleichstrommotor mit Niederspannungsschaltwerk oder Gleichstromsteller im Nahverkehr zur Anwendung. Die U-Bahn-Triebwagen im Nahverkehr weiden in Drehstromtechnik mit Phasenfolgewechselrichter ausgeführtThe 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 direct-current motor with low-voltage switchgear or direct current controller are used in local transport. The underground railcars in local traffic are designed using three-phase technology with phase sequence inverters
Der Wirkungsgrad stromrichtergespeister Drehstromantriebe wird aufgrund des hohen Stromrichterwirkungs-grades, der zwischen 90 % und 95 % liegt vor allem durch den Motor bestimmtThe efficiency of converter-fed three-phase drives is primarily determined by the motor due to the high converter efficiency, which is between 90% and 95%
Die moderne Stromrichtertechnik wäre ohne die enormen Fortschritte in der Informationselektronik nicht denkbar. Analoge Schaltkreise, wie Verstärker, Multiplizierer, Dividiererund Komparatoren, aber auch die digitalen Logikbausteine, vor allem Zähler, Speicher und Multiplexer, wurden schon früh eingesetzt Mit den 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. The circuits and logic modules enabled relatively complex converter regulations, such as e.g. B. for a three-phase asynchronous machine can be realized with economically justifiable effort.
Vor rund zehn Jahren wurde aufgezeigt, daß sich Stromrichter recht gut mit Mikroprozessoren steuern lassen. Diese Technik ist allerdings erst heute wirtschaftlich vertretbar geworden.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.
Durch geeignete Spannungspulsmuster ist es möglich, den Verlauf des Ständerflusses gut an die ideale Kreisbahn anzunähem. Dadurch werden die Verzerrungsstreuflüsse und damit die Verzerrungsströme extrem klein gehalten.Suitable voltage pulse patterns make it possible to sew the course of the stator flow well to the ideal circular path. As a result, the stray fluxes and thus the distortion currents are kept extremely small.
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 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 EP-OS erwähnte weitere Einrichtung 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.EP-OS 0 259 240 describes a method and a device for controlling a positively commutated converter. A signal processor is connected to a memory in which various patterns for generating pulse-width-modulated signal shapes are stored in a wide range for different frequencies. In this way, an advantageous cancellation of the harmonic vibrations can be achieved for each operating point. Another device mentioned in this EP-OS consists of three microprocessors for forming the pulse-width-modulated signal and a fourth one is provided for synchronizing the other three and generating a phase shift.
Allgemein kann gesagt werden, daß beim Spannungszwischenkreisumrichter noch einige Verbesserungen bei den heute üblichen Pulsverfahren vorgenommen werden müssen, um im Bereich der Nenndrehzahl bessere Gesamtwirkungsgrade zu erzielen als beim Stromzwischenkreisumrichter.In general, it can be said that in the case of the voltage intermediate circuit converter, some improvements still have to be made in the pulse methods customary today in order to achieve better overall efficiencies in the range of the rated speed than in the case of the current intermediate circuit converter.
Bei hochdynamischen Antrieben kommen aufgrund der geforderten Reaktionszeiten nur Antriebe mit Spannungszwischenkreisumrichtem und einer feldorientierten Regelung zur Anwendung.In the case of highly dynamic drives, only drives with voltage intermediate circuit converters and field-oriented control are used due to the required response times.
Sind die Parameter (Widerstände und Induktivitäten) einer Asynchronmaschine nicht genau bekannt, ist die erforderliche richtige Orientierung des Rotorflusses nicht mehr gewährleistet. Insbesondere die genaue Kenntnis der Rotorzeitkonstante Tr = 1r/tr ist Voraussetzung für die Entkopplung in feld- und momentenbildende Komponenten.If the parameters (resistances and inductances) of an asynchronous machine are not exactly known, the required correct orientation of the rotor flux can no longer be guaranteed. In particular, precise knowledge of the rotor time constant Tr = 1r / tr is a prerequisite for decoupling into field- and torque-forming components.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, bei einem Regelungssystem mit hoher Dynamik die dabei erforderlichen Parameter jederzeit zu jedem Betriebspunkt der Asynchronmaschine richtig zur Verfügung zu stellen.The object of the invention is to provide the necessary parameters for a control system with high dynamics at any time correctly for each operating point of the asynchronous machine.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß für eine feldorientierte Regelung zwei Mikroprozessor»!, von denen einer als Regelungsprozessor und der andere als Pulsmusterprozessor für zeitkritische Berechnungen arbeitet, mit dazwischen angeordneter Übergabeeinheit, vorzugsweise ein Dual-Port-RAM, vorgesehen sind, und daß im Regelungsprozessor die für die Regelung erforderlichen Parameter der Asynchronmaschine, welche der Statorwiderstand der Rotorwiderstand und die Statorinduktivität sind, nachgeführt sind. Die Induktivitäten der Asynchronmaschine sind abgesehen von der Sättigung kaum veränderlich. Mit der Betriebstemperatur der Asynchronmaschine ändern sich allerdings der Stator- und der Rotorwiderstand wesentlich, sodaß eine Nachführung der in der Regelung bekannten und eingestellten Werte für den Statorwiderstand (r§) und den Rotorwiderstand (rjj) notwendig ist. Für die verbleibenden Maschinenparameter empfiehlt sich eine automatische Erkennung, damit diese nicht erst vom Betreiber hündisch eingestellt werden müssen. Für die Statorinduktivität (lg) muß die Sättigung berücksichtigt werden. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist zur Nachführung des Statorwiderstandes eine nachgebildete Aktivierungseinrichtung vorhanden, der die Statorkreisffequenz, der Drehmomentsollwert und ein Impulsfreigabesignal zugeführt ist und diese Aktivierungseinrichtung ein Signal an eine nachgebildete Anordnung zur Behandlung des S tandardwertes des S tatorwiderstandes abgibt, und daß die feldbildende Statorspannungskomponente abzüglich der zeitlichen Ableitung der feldbildenden Statorflußkomponente mit der feldbildenden Statorstromkomponente multipliziert wird und dieser Wert einem Addierer zugeführt ist, und daß die drehmomentbildende Statorspannungskomponente abzüglich der zeitlichen Ableitung der drehmomentbildend»! -2-This object is achieved in that for a field-oriented control, two microprocessors, one of which works as a control processor and the other as a pulse pattern processor for time-critical calculations, with a transfer unit, preferably a dual-port RAM, arranged in between, and that The parameters of the asynchronous machine, which are the stator resistance, the rotor resistance and the stator inductance, are tracked in the control processor. Apart from the saturation, the inductances of the asynchronous machine can hardly be changed. However, the stator and rotor resistance change significantly with the operating temperature of the asynchronous machine, so that it is necessary to adjust the values for the stator resistance (r§) and the rotor resistance (rjj) known and set in the control system. Automatic detection is recommended for the remaining machine parameters so that they do not have to be set by the operator. The saturation must be taken into account for the stator inductance (lg). According to one embodiment of the invention, a simulated activation device is provided for tracking the stator resistance, to which the stator circuit frequency, the torque setpoint and a pulse enable signal are fed and this activation device emits a signal to a simulated arrangement for treating the standard value of the stator resistance, and that the field-forming stator voltage component minus the time derivative of the field-forming stator flux component is multiplied by the field-forming stator current component and this value is fed to an adder, and that the torque-generating stator voltage component minus the time derivative of the torque-generating »! -2-
AT 397 322 BAT 397 322 B
Statorflußkomponente mit der drehmomentbildenden Statorstromkomponente und einem Streuungsfaktor multipliziert wird und dieser Wert ebenfalls dem Addierer zugeführt ist, und daß der Ausgangswert des Addierers durch die Addition der quadrierten feldbildenden Statorstromkomponente mit der quadrierten und mit dem Streuungsfaktor multiplizierten drehmomentbildenden Statarstromkomponente dividiert wird, und daß dieser Wert der nachgebildeten Anordnung zur Behandlung des Standardwertes des Statorwiderstandes zugeführt ist, an die weiters auch der Standardwert des Statorwiderstandes und ein Aktivierungssignal für diesen Standardwert gelangt und daß das Ausgangssignal der Anordnung zur Behandlung des Standardwertes des Statorwiderstandes einem einstellbaren Begrenzer zugeführt ist dessen Ausgangssignal den Statorwiderstand darstellt Dadurch isteine vom Rotorwiderstand unabhängige Ermittlung des Statorwiderstandes möglich. Die Nachführung des Statorwiderstandes wird im Betrieb ab einer Belastung von 20 % des Nennmomentes und beikleinen Statorfrequenzen (unter 15 Hz) durchgefuhrt Beim Ausschalten der Nachführung wird der Regler auf den zuletzt ermittelten Wert gesetzt. Um die Einstellbarkeit des Statorwiderstandes auf einen bestimmten Bereich zu beschränken wird dieser noch begrenzt.The stator flux component is multiplied by the torque-generating stator current component and a scattering factor and this value is also fed to the adder, and that the output value of the adder is divided by the addition of the squared field-forming stator current component by the squared torque-generating stator current component multiplied by the scattering factor, and this value is divided simulated arrangement for the treatment of the standard value of the stator resistor is supplied, to which the standard value of the stator resistor and an activation signal for this standard value also arrives and that the output signal of the arrangement for the treatment of the standard value of the stator resistor is supplied to an adjustable limiter whose output signal represents the stator resistance The stator resistance can be determined independently of the rotor resistance. The stator resistance is tracked during operation from a load of 20% of the nominal torque and at low stator frequencies (below 15 Hz). When the tracking is switched off, the controller is set to the last determined value. In order to limit the adjustability of the stator resistance to a certain range, this is still limited.
Eine Weiterbildung der Erfindung liegt darin, daß zur Nachführung des Rotorwiderstandes ein Regler mit Begrenzung vorhanden ist, dem das Ausgangssignal bzw. das Reglerfreigabesignal einer zweiten nachgebildeten Aktivierungseinrichtung zugeführt ist, an die die Statorkreisfrequenz, der Drehmomentsollwert, ein Impulsfreigabesignal und die mechanische Kreisfrequenz gelangt, und daß dem Regio: die Soll-Istwert-Differenz der drehmomentbildenden Statorstromkomponente multipliziert mit der drehmomentbildenden Statorflußkomponente zugeführt ist, und daß zum Reglerausgangssignal ein konstanter Wert addiert wird und danach eine Multiplikation mit dem Standardwert des Rotorwiderstandes erfolgt und dieser Wert den Rotorwiderstand darstellt, und daß in einer nachgebildeten Anordnung aus dem Rotorwiderstand der Rotorinduktivität bzw. der dieser gleichgesetzten Statorinduktivität und dem Streuungsfaktor die subtransiente Rotorzeitkonstante ermittelt wird. Die Nachführung des Rotorwiderstandes wird nur unter Belastung bei höheren Statorfrequenzen aktiviert. Der Regler wird beim Ausschalten auf den zuletzt berechneten Wert gesetzt Bei raschen Drehzahländerungen wird die Nachführung deaktiviert Bei einer Statorflußänderung erreicht der Rotorfluß nach der subtransienten Rotorzeitkonstante dm neuen WertA further development of the invention is that a controller with limitation is provided for tracking the rotor resistance, to which the output signal or the controller enable signal of a second simulated activation device is fed, to which the stator circuit frequency, the torque setpoint, a pulse enable signal and the mechanical angular frequency arrive, and that the Regio: the setpoint-actual value difference of the torque-generating stator current component multiplied by the torque-generating stator flux component is supplied, and that a constant value is added to the controller output signal and then multiplied by the standard value of the rotor resistance and this value represents the rotor resistance, and that in a simulated arrangement of the rotor resistance of the rotor inductance or the stator inductance equivalent to this and the scattering factor, the subtransient rotor time constant is determined. The tracking of the rotor resistance is only activated under load at higher stator frequencies. The controller is set to the last calculated value when it is switched off. If the speed changes rapidly, tracking is deactivated. If the stator flux changes, the rotor flux reaches the new value after the subtransient rotor time constant dm
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß zur Nachführung der Statorinduktivität ein Regler mit Begrenzung vorhanden ist, dem das Ausgangssignal bzw. das Reglerfreigabesignal einer dritten nachgebildeten Aküvierungseinrichtung zugeführt ist, an die die Statorkreisfrequenz, dm Drehmomentsollwert und ein Impulsfreigabesignal gelangt, und daß dem Regler die Soll-Istwert-Differenz der feldbildenden Staiorstromkomponente zugeführt ist, und daß zum Reglerausgangssignal ein konstanter Wert addiert wird und danach eine Multiplikation mit der über einen nachgebildeten Magnetisierungskennlinienbildner geführten und mit einem Standardwert der Statorinduktivität multiplizierten feldbildenden Statorflußkomponente erfolgt und dieser Wert die Statorinduktivität darstellt. Die Nachführung der Statorinduktivität erfolgt einmalig im Nennpunkt (Nennfrequenz,NennspannungundNennfluß) der leerlaufenden Asynchronmaschine.EineNachführungim Betrieb ist nicht vorgesehen.In a further embodiment of the invention, it is provided that a controller with limitation is provided for tracking the stator inductance, to which the output signal or the controller enable signal of a third simulated activation device is supplied, to which the stator circuit frequency, the torque setpoint and a pulse enable signal is applied, and that The setpoint-actual value difference of the field-forming stator current component is fed to the controller, and that a constant value is added to the controller output signal and then a multiplication is carried out with the field-forming stator flux component, which is conducted via a simulated magnetization characteristic and multiplied by a standard value of the stator inductance, and this value represents the stator inductance. The stator inductance is tracked once at the nominal point (nominal frequency, nominal voltage and nominal flux) of the idling asynchronous machine.
Der Begriff "Standardwert" stellt einen Grundwert dar, wobei im Falle des Statorwiderstandes dies dm Widerstandswert im Stillstand der Asynchronmaschine ist Für den Standardwert des Rotorwiderstandes und jenen für die Statorinduktivität trifft das ebenfalls zu.The term " default value " represents a basic value, whereby in the case of the stator resistance this is the resistance value when the asynchronous machine is at a standstill. This also applies to the standard value of the rotor resistance and that for the stator inductance.
An Hand der Zeichnungen wird die Erfindung nun noch näher erläutert Die Fig. 1 zeigt die Nachführung für den Statorwiderstand, Fig. 2 jene für den Rotorwiderstand, Fig. 3 die Nachführung für die Statorindüktivität und Fig. 4 stellt das Raumzeigerdiagramm einer Asynchronmaschine dar.The invention will now be explained in more detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows the tracking for the stator resistance, FIG. 2 shows that for the rotor resistance, FIG. 3 shows the tracking for the stator inductance and FIG. 4 shows the space vector diagram of an asynchronous machine.
Die Nachführung des Statorwiderstandes (rg) in Fig. 1 besteht aus einer nachgebildeten Aktivierungseinrichtung (2), welcher die Statorkreisfrequenz (mg), der Drehmomentsollwert (m*) und ein Impulsfreigabesignal (IFG) zugeführt ist Weiters gibt diese Aküvierungseinrichtung (2) ein Signal an eine nachgebildete Anordnung (4) zur Behandlung des Standardwertes des Statorwidmstandes (rg*) ab. Bei der Nachführung des Statorwiderstandes (rg) wird auch die feldbildende Statorspannungskomponente (ugy) abzüglich der zeitlichen Ableitung der feldbildenden Statorflußkomponente (ψ§χ) mit der feldbildenden Statorstromkomponente (igx) multipliziert, wobei dieser Wert einem Addierer (5) zugeführt wird. Ebenso wird die drehmomentbildende S tatorspannungskomponente (ugy) abzüglich der zeitlichen Ableitung dm drehmomentbildenden Statorflußkomponente (ψ5γ) mit dm drehmoment-bildenden Statorstromkomponente (igy) und einem Streuungsfaktor (σ) multipliziert, wobei dieser Wert ebenfalls an den Addierer (5) gelangt. Der Ausgangswert des Addierers (5) wird durch die Addition aus der quadrierten feldbildenden Statorstromkomponente (igx) und dm quadrierten mit dem Streuungsfaktor (σ) multiplizierten drehmomentbildenden Statorstromkomponente (igy) dividiert. Dm Quotient wird dm nachgebildeten Anordnung (4) zur Behandlung des Standardwertes des Statorwiderstandes (rg*) zugeführt, an die weiters auch der Standardwert des Statorwiderstandes (rg*) und ein Aktivierungssignal (6) für diesen Standardwert gelangt Das Ausgangssignal der Anordnung (4) wird einem einstellbaren Begrenzer (20) zugeführt, dessen Ausgangssignal den Statorwiderstand (rg) darstellt Mit den Signalen rg* »kj undrg* k2 kann der obere und untere Grenzwert des Begrenzers eingestellt -3-The tracking of the stator resistance (rg) in FIG. 1 consists of a simulated activation device (2), which is supplied with the stator circuit frequency (mg), the torque setpoint (m *) and a pulse enable signal (IFG). Furthermore, this activation device (2) gives a signal to a replicated arrangement (4) for treating the standard value of the stator resistance (rg *). When tracking the stator resistance (rg), the field-forming stator voltage component (ugy) minus the time derivative of the field-forming stator flux component (ψ§χ) is also multiplied by the field-forming stator current component (igx), this value being fed to an adder (5). Likewise, the torque-generating stator voltage component (ugy) minus the time derivative dm torque-generating stator flux component (ψ5γ) is multiplied by dm torque-generating stator current component (igy) and a scattering factor (σ), this value also reaching the adder (5). The output value of the adder (5) is divided by the addition of the squared field-forming stator current component (igx) and the squared torque-forming stator current component (igy) multiplied by the scattering factor (σ). The quotient is fed to the replicated arrangement (4) for treating the standard value of the stator resistance (rg *), to which the standard value of the stator resistance (rg *) and an activation signal (6) for this standard value also arrive. The output signal of the arrangement (4) is fed to an adjustable limiter (20), the output signal of which represents the stator resistance (rg). With the signals rg * »kj undrg * k2, the upper and lower limit value of the limiter can be set -3-
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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REN | Ceased due to non-payment of the annual fee | ||
ELA | Expired due to lapse of time |