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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustandsidentifikation und nachfolgenden Aufmagnetisierung einer wechselnchtergespeisten, vorzugsweise lagegeberlosen und drehzahigeberlosen, Asynchronmaschine mit unbekanntem Magnetisierungszustand, bei der im Normalbetrieb die Drehzahl entweder durch bekannte mathematische Modelle der Maschine ermittelt wird oder durch Drehfeldfrequenzvorgabe sich von selbst einstellt.
Asynchronmaschinen gewinnen durch die Fortschritte auf dem Sektor der Leistungs- und Informations- elektronik zunehmend an Bedeutung in der Antriebstechnik. Sie zeichnen sich gegenüber Synchron- und Gleichstrommaschinen durch höhere Robusthelt und geringere Herstellungskosten aus.
Bei wechselrichtergespeisten Asynchronmaschinen kann ein Betriebsfall auftreten, der ein besonderes Reagieren der Maschinenregelung erfordert. Beispielsweise kann nach einem Rechnerabsturz oder nach einem Sperren der Wechselrichter-Ansteuerung die Asynchronmaschine einen unbekannten Magnetisierungszustand aufweisen. Sehr schwierig gestaltet sich dieses Problem, wenn die Asynchronmaschine nur unter Verwendung einer Strommessung, also ohne Einsatz eines Tachos oder Lagegebers, geregelt wird, weil dann nicht nur der Magnetisierungszustand, sondern auch die Drehzahl unbekannt ist. Solche Regelungsverfahren sind beispielsweise jene mit "Spannungsmodell"-Flusserfassung sowie das INFORMVerfahren (dazu siehe "Sensorless Control of A. C. Machines" von M.
Schrödl, VDI Fortschrittberichte 21, Nr. 117, VDI-Verlag Düsseldorf, 1992).
Bisher waren für dieses Problem nur dann Lösungen gegeben, wenn die Asynchronmaschine mit einem mechanischen Geber ausgestattet war.
Die Patentpublikation DE-OS 3 341 952 befasst sich mit einem Verfahren und einer Vomchtung zum Betrieb einer über einen Stromzwischenkreisumrichter gespeisten Last, insbesondere einer Asynchrommaschine, bei Netzstörung.
Dabei wird bei Beginn der Netz-störung, um den Fluss in der Asynchronmaschine aufrechtzuerhalten, zunächst der Umrichter gesperrt. Zum synchronisierten Aufschalten des Umrichters auf das wiederkehrende Netz wird keine Tachomaschine verwendet. Zur Erzeugung eines Magnetisierungsstromes werden Ventile des Umrichters gezündet, wobei Betrag und Frequenz dieses Magnetisierungsstromes durch die Ansteuerung der Ventile vorgegeben werden können. Die zum Aufbau dieses Stromes nötige Energie wird der kinetischen Energie der noch laufenden Maschine entnommen.
Aus diesem Grund besteht die Aufgabe der Erfindung dann, ein Verfahren zu konzipieren, die es gestattet, eine wechselrichtergespeiste, vorzugsweise lagegeberlose und drehzahigeberlose Asynchronmaschine aus jedem beliebigen Betriebszustand aufzumagnetisieren und anschliessend den normalen Regelungsalgorithmus zu starten.
Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst. Diese ist dadurch gekennzeichnet, dass vor einer betriebsmässigen Aufschaltung eines Wechselrichters der aktuelle elektrische Betriebszustand der Asynchronmaschine durch Echtzeit-Auswertung der Strangstromverläufe bei Wechselrichterzustand "Kurz- schluss" In einem Rechnersystem ermittelt wird, wobei das Argument des Rotorflussraumzeigers der Asynchronmaschine gegenüber dem Argument des Statorstromänderungsraumzeigers der Asynchronmaschine um etwa 90 * in bezug auf die aktuelle Drehrichtung der Asynchronmaschine voreilt, und dass zur Bestimmung der Drehnchtung eine zweite Messung in einem Zeitabstand T", durchgeführt wird,
welche zur Ermittlung der Argumentdifferenzbildung des Stromänderungsraumzeigers zwischen erster und zweiter Messung herangezogen wird, wobei die Drehrichtung mit der Argumentänderung des Stromänderungsraumzeigers korrespondiert, und in die so bestimmte Rotorflussraumzeigerrichtung ein Statorstromraumzeiger mit bekannten Stromeinprägungsverfahren aufgebracht wird, wodurch dann in diese Richtung ein Flussanstieg stattfindet, und dass oben angeführte Schritte bis zur Erreichung des gewünschten Magnetisierungszustandes wiederholt werden.
Mit der Erfindung ist es erstmals möglich, lagegeberlose und drehzahlgeberlose Asynchronmaschinen aufzumagnetisleren, wobei es bei ausreichend hoher Drehzahl irrelevant ist, ob die Asynchronmaschine anfänglich teilweise oder zur Gänze entmagnetisiert war. Zwar ist In letzterem Fall dadurch anfänglich eine grosse Unsicherheit in der Flussraumzeigerrichtungsbestimmung gegeben, jedoch wird bei fortwährender Anwendung der erfindungsgemässen Schritte die Flussbestimmung ständig verbessert. Weitere Vorteile bestehen darin, dass keine Spannungsmessung notwendig ist und dass eine Aufmagnetisierung in sehr kurzer Zeit (Grössenordnung Rotorzeitkonstante) durchgeführt werden kann. Es sind auch keine zusätzlichen Sensoren gegenüber dem Normalbetrieb notwendig.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Bestimmung der aktuellen Drehzahl der Asynchronmaschine der Quotient aus der Argumentdifferenz des Stromänderungsraumzeigers innerhalb eines Zeitabstandes , welcher ausreicht, eine hinreichend genaue Argumentdifferenzbildung des Stromänderungsraumzeigers zu ermöglichen, durch diesen Zeitabstand r., herangezogen wird.
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Dies ist vorteilhaft, weil damit eine einfache Drehzahlbestimmung ohne Drehzahlgeber möglich ist.
Diese Drehzahlbestimmung ist parameterunempfindlich.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der aktuelle Fiussbetrag aus dem Betrag des Stromänderungsraumzeigers multipliziert mit der Streuinduktivität und dividiert durch die aktuelle Drehzahl bestimmt wird.
Daraus ergibt sich der Vorteil, dass der Fluss ohne Flusssensoren und ohne Spannungsmessung innerhalb sehr kurzer Zeit bestimmt werden kann.
In einer weiteren erfindungsgemässen Ausbildung wird bei Vorhandensein eines Drehzahlgebers oder eines Lagegebers die zur Durchführung obiger Schritte nötige Drehzahlinformation direkt aus diesen Gebern gewonnen.
Dadurch ist eine Vereinfachung der erfindungsgemässen Aufmagnetisierungmethode möglich.
Im Rahmen der Erfindung ist eine Schaltungsanordnung vorgesehen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Anspeisung der Asynchronmaschine von einem Wechselrichter mittels einer Drehstromzuleitung erfolgt, welche über Strommesseinrichtungen geführt ist, aus deren Informationen in einem Stromerfassungsmodul die Berechnung des Stromraumzeigers erfolgt, und dass die Daten des Stromraumzeigers einer übergeordneten Steuerung sowie einem Stromraumzeigeränderungsrechner zugeführt sind, welcher, unter Verwendung von Informationen aus der übergeordneten Steuerung, die Berechnung des Stromänderungsraumzeigers durchführt, und dass ein Drehzahlrechner aus den Daten des Stromänderungsraumzeigers und dem aus der übergeordneten Steuerung zugeleiteten Zeitabstand T., die jeweils aktuelle Drehzahl der Asynchronmaschine errechnet,
und dass in einem Flussrechner aus dieser Drehzahl und den Daten des Stromänderungsraumzeigers die Berechnung des Flusses erfolgt und diese Information der übergeordneten Steuerung zugeleitet ist, welcher den von einem Wechselrichter-Brückensteuerungsmodul jeweils durchzuführenden Steuerungsmodus für den Wechselrichter entscheidet.
Mit dieser Schaltungsanordnung kann die erfindungsgemässe Methode auf einfache Weise auf handels- üblichen Signal- und Mikroprozessoren bzw. -controllern implementiert werden.
Anhand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung, unter Verwendung einer dreisträngigen Asynchronmaschine, näher erläutert werden. Dieselbe erfindungsgemässe Methode ist für Asynchronmaschinen mit anderen Strangzahlen in gleicher Weise anwendbar.
Mathematische Beschreibung der Asynchronmaschine
Eine elegante Beschreibung des transienten Verhaltens der Asynchronmaschine ist mittels des Raumzeigerkalküls möglich. Dabei wird mit normierten Grössen kalkuliert. Der Raumzeiger wird aus Stranggrö- ssen I'i = 1, 2, 3 (dreiphasige Asynchronmaschine) gemäss der Definition
EMI2.1
gebildet. Die Grösse e steht dabei für Spannung u, Strom i oder Flussverkettung .
Verwendete Gleichungen
EMI2.2
EMI2.3
EMI2.4
EMI2.5
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Wird die gesamte Streuung rechnerisch dem Stator zugeschlagen (wobei diese Definition nicht bedeutet, dass die Rotorstreuung vernachlässigt wird), d. h.
XR = XSR (6) und wird in bekannter Weise der Streukoeffizient 0 definiert :
EMI3.1
so erhalten die Flussverkettungsgleichungen (4), (5) folgendes Aussehen :
EMI3.2
Die mathematische Beschreibung des mechanischen Systems wird hier nicht benötigt, da die Drehzahl während des Aufsynchronisiervorganges als konstant angesehen werden kann.
Aufbau des Flusses und des Drehmomentes in der Asynchronmaschine
Wenn die Asynchronmaschine mit (direkten) feldorientierten Verfahren geregelt wird, ist die Kenntnis des Flussverkettungsraumzeigers, üblicherweise jenes der Rotorflussverkettung, nötig. Wird die Regelung am
EMI3.3
betragR in die reelle Achse x des Koordinatensystems zeigen möge) :
EMI3.4
Dabei ist Tu = xR/rR die Rotorzeitkonstante.
Der Imaginärteil von Gleichung (10) beschreibt bei gegebenem Flussbetrag die Bildung der Schlupffrequenz
EMI3.5
Die Stromkomponente @Sy stellt also verzögerungsfrei die Schlupffrequenz bzw. auch das innere Drehmoment ein :
EMI3.6
Der Realteil von Gleichung (10) gibt Auskunft über die Bildung des Betrages der Flussverkettung :
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EMI4.1
Die rotorflussparallele Statorstromkomponente steuert also über ein Verzögerungsglied 1. Ordnung mit der Rotorzeitkonstanten TR den Flussbetrag. Diese Tatsache ist ein massgeblicher Aspekt der vorgestellten erfindungsgemässen Methode.
Bestimmung des momentanen Betriebszustandes der Asynchronmaschine
Als Indikator des aktuellen Maschinenbetriebszustandes wird der Stromanstieg bei Wechselrichterzu- stand "Kurzschluss" (d. h. alle Brückenzweige auf gleichem-positivem oder negativem - Zwischenkreispo- tential, d. h. us = 0) herangezogen. Zur Einleitung der Testmessung werden also, ausgehend vom Zustand
EMI4.2
auf gleiches Potential gelegt.
Aus den Gleichungen (2), (8) und (9) folgt :
EMI4.3
Die Änderung des Rotorflusses folgt anderseits aus der Rotorspannungsgleichung (3), wobei mit der Flussverkettungsgleichung (9) der Rotorstrom eliminiert wurde :
EMI4.4
Mit Gleichung (14) ergibt sich daraus die für die erfindungsgemässe Methode wichtige Beziehung zwischen Statorstrom und Rotorfluss bei kurzgeschlossener Asynchronmaschine :
EMI4.5
Aus Gleichung (15) ist ersichtlich, dass bei nicht zu kleinen Drehzahlen (etwa über 10 % Nenndrehzahl) der Term 1/, R gegenüber jwm vernachlässigbar ist (1/, R liegt typischerweise in der Grössenordnung von 0, 01).
Weiters ist der Term is (rs + rR) in Gleichung (16) vernachlässigbar, da kurze Zeit nach der Wechselrichtersperre der Statorstrom verschwunden ist. Damit ergibt die Betrachtung der Argumente in Gleichung (16) :
EMI4.6
Der Stromänderungsraumzeiger wird bestimmt durch zwei im Abstand T, durchgeführte Strommessungen :
EMI4.7
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Der aktuelle Rotorflussraumzeiger steht also zum aktuellen Statorstromänderungsraumzeiger im rechten Winkel, und zwar voreilend in bezug auf die momentane Drehrichtung. Anderseits bedeutet dies, dass sich der Rotorflussraumzeiger nur eindeutig feststellen lässt, wenn die Drehrichtung bekannt ist. Zur Bestimmung der Drehrichtung wird eine zweite Flussrichtungsmessung nach einer gewissen Messzeit T., angeschlossen.
Die Argumentdifferenz der beiden gemäss Gleichung (17) bestimmten Flussraumzeigerargumente hängt nicht von der Drehzahl ab und ergibt in eindeutiger Weise die Flussdrehzahl. Damit ist die 180 -Unsicherheit aufgrund der bisher unbekannten Drehrchtung in Gleichung (17) beseitigt. Zu klären ist noch das Verhalten des Rotorflusses relativ zum Rotor bei gesperrtem Wechselrichter (is = 0). Dies ergibt sich aus der Rotorgleichung (3) mit Rotorflussverkettungsgleichung (9) in einem rotorfesten Koordinatensystem
EMI5.1
Dabei handelt es sich um eine homogene lineare Differentialgleichung 1. Ordnung mit der Lösung (rotorfestes Koordinatensystem)
EMI5.2
Gleichung (20) zeigt, daS das Argument des Rotorflussraumzeigers relativ zum Rotor konstant bleibt, sein Betrag hingegen mit der Rotorzeitkonstanten TR abklingt (im magnetisch ungesättigten Zustand).
Da der zeitliche Argumentenverlauf des Rotorflussraumzeigers offensichtlich das Verhalten des Rotors exakt widerspiegelt, folgt für die Rotordrehzahl :
EMI5.3
bzw. mit Gleichung (17) :
EMI5.4
Allgemein formuliert, stimmt die Flussdrehzahl dann mit der Rotordrehzahl sehr genau überein, wenn die Asynchronmaschine wenig Drehmoment entwickelt, was bei der erfindungsgemässen Methode ständig der Fall ist. Wenn also die induzierte Spannung ein gewisses Mass übersteigt, ist sowohl die mechanische Drehzahl als auch der Rotorflussraumzeiger nach Betrag und Richtung feststellbar. Wenn die induzierte Spannung dieses gewisse Mass nicht übersteigt, ist entweder die Drehzahl oder der Flussbetrag oder beide etwa Null.
Aufmagnetisierung
Unter der Annahme, dass die mechanische Drehzahl so hoch ist, dass die aufmagnetisferte Asynchronmaschine ein auswertbares Messsignal erzeugt, kann der Aufmagnetisierungsvorgang sofort gestartet werden. Dies ist auch dann möglich, wenn die Asynchronmaschine vollkommen entmagnetisiert oder teilweise magnetisiert ist. Zu Beginn werden Testmessungen gemäss Gleichungen (17) und (22) durchgeführt, wodurch die Fussachse bestimmt wird. Für eine weitgehend bzw. vollständig entmagnetisierte Asynchronmaschine wird diese Auswertung ein fast nicht auswertbares Signal liefern.
Nichtsdestoweniger wird in die so (möglicherweise sehr fehlerhaft) bestimmte Flussrichtung eine Stromkomponente mit bekannten Stromeinprägungsmethoden aufgebracht, wodurch dann in diese Richtung gemäss Gleichung (13) ein Flussanstieg
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stattfindet. Nach einer gewissen Zeit (Grössenordnung Millisekunden) wird die Flussrichtung neuerlich bestimmt und wieder in diese neu bestimmte Richtung Strom eingeprägt. Diese Flussrichtung konvergiert immer, sofern die mechanische Drehzahl einen gewissen Mindestwert (etwa 10 % der Nenndrehzahl) übersteigt.
Die anfängliche Unsicherheit der Flussachsenbestimmung verschwindet zusehends, da im statistischen Mittel über ausreichend viele Flussbestimmungvorgänge der Strom doch überwiegend flussparailel eingeprägt wird und somit eine positive Rückkopplung einsetzt (flussparalleler Strom bewirkt mehr Fluss, dieser bewirkt eine höhere Genauigkeit der Flusserfassung usw.). Selbstverständlich funktioniert diese Methode auch bei teilmagnetisierter Asynchronmaschine. Um einen schnelleren Flussaufbau zu bewirken, kann mit hohen Stromwerten, beispielsweise mit Maximalstrom, aufmagnetisiert werden. Wird der Flusssoll- betrag erreicht, so erfolgt eine Absenkung der flussparallelen Stromkomponente auf ihren Nennwert.
Dieser beträgt gemäss Gleichung (13) :
EMI6.1
Der aktuelle Flussbetrag kann mit guter Näherung laut Gleichung (16) aus dem Kurzschlusstest bei bereits bekannter mechanischer Drehzahl bestimmt werden :
EMI6.2
Nun kann die Asynchronmaschine in den Normalbetriebszustand übergeführt werden (Initialisieren und Starten des betriebsmässigen Flussmodells, Zuschalten der Drehzahlregelung bzw. Momentensteuerung, etc.
)
In Gleichung (24) wurde die mechanische Drehzahl gemäss Gleichung (22) bestimmt. Zwecks Genauigkeitserhöhung der Drehzahlbestimmung kann die Messzeit in Gleichung (22) entsprechend gross gewählt werden, da sich die mechanische Drehzahl nur sehr langsam ändert. Natürlich wird auch die Drehzahlbestimmung bei weitgehend entmagnetisierter Asynchronmaschine höchst ungenau sein. Als Indikator, inwieweit der Drehzahibestimmung vertraut werden kann, wird der Betrag des Stromänderungsraumzeigers herangezogen. Dieser wachst laut Gleichung (24) weitgehend proportional mit dem Flussraumzeiger an.
Die Fig. zeigt die zwei Adern 1 a, 1 b einer Gleichstromzuleitung 1, mit welcher ein Wechselrichter 2 von einem Gleichrichter oder einem Gleichstromnetz angespeist wird. Über die Adern 3a, 3b, 3c einer Drehstromzuleitung 3 erfolgt die Anspeisung einer dreisträngigen Asynchronmaschine 5 vom Wechselrichter 2. Diese Drehstromleitung 3 ist über Strommesseinrichtungen 4a, 4b (gegebenenfalls auch 4c) geführt.
Die Strommesseinrichtungen 4a, 4b (4c) liefern, über die Verbindungsleitungen Ba, 8b (8c) einem Stromerfassungsmodul 9 die zur Berechnung des Stromraumzeigers nötigen Informationen. Die Daten des Stromraumzeigers werden einem Funktionsblock "übergeordnete Steuerung" 13 sowie einem Stromraumzeiger- änderungsrechner 10 zugeführt, welcher, unter Verwendung von Informationen aus dem Funktionsblock "übergeordnete Steuerung" 13, den Stromänderungsraumzeiger ermittelt. Weiters errechnet ein Drehzahlrechner 11 aus den Daten des Stromraumänderungszeigers und dem aus dem Funktionsblock "übergeord- nete Steuerung"13 zugeleiteten Zeitabstand r. die jeweils aktuelle Drehzahl der Asynchronmaschine 5.
Die Berechnung des Flusses erfolgt in einem Flussrechner 12 aus dieser Drehzahl und den Daten des Stromänderungsraumzeigers. Diese errechneten Daten werden dem Funktionsblock "übergeordneten Steuerung"13 zugeleitet, der sodann entscheidet, welchen Steuerungsmodus (Betriebsart "normal"/Betriebsart "Zustandsidentifikation und Aufmagnetisierung") ein Brückensteuerungs-Modul 7 dem Wechselrichter 2 vorzugeben hat. Die hiezu nötigen Informationen vom Brückensteuerungsmodul 7 werden dem Wechselrichter 2 über Verbindungsleitungen 6a, 6b, 6c zugeführt.
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