CH616785A5

CH616785A5 - Method for controlling the motor current of a converter-supplied three-phase motor

Info

Publication number: CH616785A5
Application number: CH716077A
Authority: CH
Inventors: Edmund Mueller
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1976-06-19
Filing date: 1977-06-10
Publication date: 1980-04-15
Also published as: GB1584286A; AT355681B; DE2627537C2; ATA383577A; FR2355329A1; DE2627537A1; FR2355329B1

Description

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PATENTANSPRUCH Verfahren zur Regelung des Motorstromes eines umrichtergespeisten Drehstrommotors, dadurch gekennzeichnet, dass drei errechnete oder über Istwerterfassungseinrichtungen hergeleitete Spannungen (ZU1R, ZuiS, Zuit) gebildet werden, die in Frequenz, Amplitude und Phasenlage den Motorspeisespannungen entsprechen und die als Störgrösse zu den drei Spannungen hinzu addiert werden, die sich aus der Addition (in 9,10,11) der Soll-Istwert-Differenz (in 12,13,14) der drei Motorströme und einer dreieckförmigen Hilfsspannung (Yt) ergeben. PATENT CLAIM Process for controlling the motor current of an inverter-fed three-phase motor, characterized in that three calculated voltages (ZU1R, ZuiS, Zuit) or those derived from actual value detection devices are formed, which correspond to the motor supply voltages in frequency, amplitude and phase position and which add to the three voltages as a disturbance variable are added, which result from the addition (in 9, 10, 11) of the setpoint / actual value difference (in 12, 13, 14) of the three motor currents and a triangular auxiliary voltage (Yt).

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung des Motorstromes eines umrichtergespeisten Drehstrommotors. Vorwiegend wird die Erfindung bei Umrichteranlagen eingesetzt, bei denen der selbstgeführte Wechselrichter nach dem Unterschwingungsverfahren getaktet wird und die Gleichspan-nungszwischenkreisspannung konstant ist. The invention relates to a method for regulating the motor current of an inverter-fed three-phase motor. The invention is predominantly used in converter systems in which the self-commutated inverter is clocked using the undershoot method and the DC voltage intermediate circuit voltage is constant.

In der Vergangenheit wurden mit Rücksicht auf den Hardware-Aufwand in der elektronischen Steuer- und Regeleinrichtung von Konstantspannungs-Umrichtern bei umrichtergespeisten Drehstrommotoren Regelverfahren verwendet, welche die vom System her mögliche Regeldynamik des umrichtergespeisten Drehstrommotors nicht voll ausnutzten. In the past, with regard to the hardware complexity in the electronic control and regulating device of constant voltage converters, control methods were used in converter-fed three-phase motors, which did not fully utilize the system dynamics of the converter-fed three-phase motor.

Bei neueren Umrichterregeleinrichtungen treten die Kosten für die Hardware gegenüber den Forderungen nach grosser Regeldynamik in den Hintergrund. In newer converter control devices, the costs for the hardware take a back seat to the demands for high control dynamics.

Eine hohe Regeldynamik wird immer dann benötigt, wenn ein schnelles Reagieren des Drehstrommotors auf sporadische und nicht vorhersehbare Störgrössen, beispielsweise in der Traktion (Schleudern, Bügelspringen) notwendig ist A high level of control dynamics is always required when the three-phase motor is required to react quickly to sporadic and unforeseeable disturbance variables, for example in traction (skidding, ironing)

Um die Forderungen nach grosser Regeldynamik zu erfüllen, ist es notwendig, die dreiphasige Motorspannung bzw. den Motorstrom so einzustellen, dass der mit dem Läufer verkettete Flussvektor ¥2 nach Betrag und Phase unabhängig von der Drehzahl und der Belastung des Motors konstant bleibt. In order to meet the demands for high control dynamics, it is necessary to set the three-phase motor voltage or the motor current so that the flux vector ¥ 2 linked to the rotor remains constant in terms of amount and phase regardless of the speed and load of the motor.

Bisher werden bei umrichtergespeisten Drehstrommotoren hoher Regelgüte Umrichter mit konstanter Gleichspannungs-zwischenkreisspannung eingesetzt. Der selbstgeführte Wechselrichter wird dabei nach dem Unterschwingungsverfahren getaktet, das heisst, seine Taktfrequenz ist ein Vielfaches der gewünschten Frequenz der dreiphasigen Motorspannung bzw. des dreiphasigen Motorstromes. Bei kleiner Motorspeisefrequenz etwa von 0 bis 30 Hz wird der Motorstrom über eine Augenblickswertregelung vorgegeben. Bei Höherer Speisefrequenz wird die Motorspeisespannung eingeprägt. (Sonderdruck aus BBC-Mitteilungen, Bd. 60, Januar 1973.) So far, converters with constant DC link voltage have been used in converter-fed three-phase motors with high control quality. The self-commutated inverter is clocked according to the undershoot method, that is, its clock frequency is a multiple of the desired frequency of the three-phase motor voltage or the three-phase motor current. With a low motor supply frequency of around 0 to 30 Hz, the motor current is specified via an instantaneous value control. The motor supply voltage is impressed at a higher supply frequency. (Special print from BBC-Mitteilungen, Vol. 60, January 1973.)

Im Bereich eingeprägter Motorspannung können mit einfachen Mitteln sowohl Amplitude wie auch Phasenlage der Spannung last- und drehzahlunabhängig entsprechend den von der übergeordneten elektronischen Steuer- und Regeleinrichtung des Umrichters vorgegebenen Steuergrössen genau eingestellt werden. Im Bereich geregelten Motorstromes ist ein amplitu-den- und phasengetreues Regeln des Motorstromes mit Hilfe eines Stromzweipunktreglers ohne Zusatzmassnahme nicht möglich, da wegen der endlichen Taktfrequenz des selbstgeführten Wechselrichters bei den heutigen Anwendungen im Stromaugenblickswertregelkreis nur eine Verstärkung von etwa 0,5 eingestellt werden kann. In the area of the impressed motor voltage, both amplitude and phase position of the voltage can be set precisely, regardless of the load and speed, in accordance with the control variables specified by the higher-level electronic control and regulating device of the converter. In the area of regulated motor current, it is not possible to regulate the motor current according to the amplitude and phase with the aid of a current two-point controller without additional measures, since due to the finite clock frequency of the self-commutated inverter, only a gain of about 0.5 can be set in today's applications in the current instantaneous value control loop.

Die Amplituden-und Phasenabweichung zwischen Soll-und Istwert des Motorstromes ist dabei abhängig von der Belastung des Motors und von der erforderlichen Motorspannung, also von der Motordrehzahl. Die Amplitude des Motorstromes kann mit einfachen Mitteln über einen vorgeschalteten Strombetragsregler korrigiert werden. Soll ausser der Amplitude auch die Phasenlage des Motorstromes korrigiert werden, so ist dies bei den bisher bekannten Verfahren nur dadurch möglich, dass entweder Wirk- und Blindkomponente des Motorstromes erfasst und getrennt geregelt werden oder eine Phasenregelung vorgesehen wird. The amplitude and phase deviation between the setpoint and actual value of the motor current is dependent on the load on the motor and on the required motor voltage, that is to say on the motor speed. The amplitude of the motor current can be corrected with simple means using an upstream current amount regulator. If, in addition to the amplitude, the phase position of the motor current is also to be corrected, this is only possible with the previously known methods in that either the active and reactive components of the motor current are detected and regulated separately or a phase regulation is provided.

Um auch bei kleiner Frequenz der Motorströme noch gute Regeldynamik für die umrichtergespeisten Antriebe zu erreichen, ist jedoch dabei der Aufwand zum Messen der Wirk- und Blindstromkomponente bzw. der Phasenlage des Motorstromes sehr gross. In order to achieve good control dynamics for the converter-fed drives even at a low frequency of the motor currents, however, the effort for measuring the active and reactive current components or the phase position of the motor current is very great.

Aufgabe der Erfindung ist es, mit einfachen Mitteln den Motorstrom eines umrichtergespeisten Drehstrommotors über einen Zweipunktregelkreis einem errechneten Sollwert nach Betrag und Phase nachzuführen, ohne dass bei kleinen Motorfrequenzen die Regeldynamik des umrichtergespeisten Drehstrommotors kleiner wird als bei höheren Frequenzen. The object of the invention is to use simple means to track the motor current of an inverter-fed three-phase motor via a two-point control loop to a calculated setpoint according to amount and phase, without the control dynamics of the inverter-fed three-phase motor becoming smaller at low motor frequencies than at higher frequencies.

Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich durch die im Patentanspruch angegebenen Merkmale. The solution to this problem according to the invention is characterized by the features specified in the patent claim.

In vorteilhafter Weise werden bei niedriger Wechselrichter-Taktfrequenz sehr geringe Soll-Ist-Wertabweichungen des Motorstromes erzielt. Es können Werte von bisher nicht gekannter Genauigkeit erzielt werden. Durch die niedrig wählbare Taktfrequenz kann ausserdem die Ausnutzung des Wechselrichters bei sehr guter Dynamik des Gesamtantriebes verbessert werden. Diese Vorteile ergeben sich durch die erfindungsgemässe Addition der Störgrösse, wodurchder Stromistwert gleich dem für den konstanten Flussvektor1¥2 des Motors errechneten Stromsollwert wird. Advantageously, very low setpoint / actual value deviations of the motor current are achieved at a low inverter clock frequency. Values of unprecedented accuracy can be achieved. Due to the low selectable clock frequency, the utilization of the inverter can also be improved with very good dynamics of the overall drive. These advantages result from the addition of the disturbance variable according to the invention, as a result of which the actual current value becomes equal to the current setpoint value calculated for the constant flux vector 1 ¥ 2 of the motor.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. An embodiment of the method according to the invention is explained in more detail below with reference to the drawing.

Wie schon vorstehend erwähnt, werden in einer nicht dargestellten Steuer- und Regeleinrichtung folgende Steuergrössen gebildet: As already mentioned above, the following control variables are formed in a control and regulating device, not shown:

1. für die Frequenz der Motorspannung bzw. des Motorstromes Yfl 1. for the frequency of the motor voltage or motor current Yfl

2. für die Phasenverschiebung zwischen Motorspannung und Flussvektor Y^l 2. for the phase shift between motor voltage and flux vector Y ^ l

3. für die Amplitude der Mptorspannung ZU 1 3. for the amplitude of the MP voltage ZU 1

4. für die Phasenverschiebung zwischen Motorspannung und Motorstrom Y,p ty Uj 4. for the phase shift between motor voltage and motor current Y, p ty Uj

5. für die Amplitude des Motorstromes Yn als Funktion der Motordrehzahl, Motortemperatur und dem Sollwert für das Drehmoment des Motors. _ 5. for the amplitude of the motor current Yn as a function of the motor speed, motor temperature and the setpoint for the torque of the motor. _

Die Steuergrössen Yfj und Ypüi/ ^2 werden der Sollwertquelle 1 zugeführt. The control variables Yfj and Ypüi / ^ 2 are supplied to the setpoint source 1.

Die Steuergrössen für Frequenz, Phasenlage und Amplitude des Motorstromes bzw. der Motorspannung werden über Funktionsgeber in der nicht dargestellten übergeordneten Steuer- und Regeleinrichtung gebildet. Sie sind bei konstantem Flussvektor ¥2 eine Funktion des gewünschten Motordrehmomentes, der Motordrehzahl und der Motortemperatur. The control variables for frequency, phase position and amplitude of the motor current or the motor voltage are formed via function generators in the higher-level control and regulating device, not shown. With a constant flow vector ¥ 2, they are a function of the desired engine torque, engine speed and engine temperature.

Die Sollwertquelle 1 besteht beispielsweise aus einem Oszillator, der durch die Steuergrössen beeinflusst wird, einem Frequenzzähler und Digital-Analog-Wandlern. The setpoint source 1 consists, for example, of an oscillator which is influenced by the control variables, a frequency counter and digital-to-analog converters.

In der Sollwertquelle 1 werden drei um 120° verschobene Wechselspannungen R, S, T mit konstanter Amplitude gebildet. Die Frequenz dieser Spannungen ist gleich f t (Frequenz der Motorspannung bzw. des Motorstromes). Die Phasenlage dieser Spannungen ist gleich der Phasenlage der dreiphasigen Motorspannung. Die drei Spannungen R, S,T sind auf einen Sollwertbestimmer 2 geführt. Dieser besteht beispielsweise aus Sinus- und Cosinus-Funktionsgebern und Multiplikatoren. Als weitere Eingangsgrösse wird die Stellgrösse für die Phasenlage zwischen der Motorspannung und dem Motorstrom auf den Sollwertbestimmer 2 geführt. An seinem Ausgang stehen die drei um 120° versetzten Spannungen R', S', T als Sollwert für den Motorstrom an. In the setpoint source 1, three AC voltages R, S, T are shifted by 120 ° with constant amplitude. The frequency of these voltages is equal to f t (frequency of the motor voltage or the motor current). The phase position of these voltages is equal to the phase position of the three-phase motor voltage. The three voltages R, S, T are led to a setpoint determiner 2. This consists, for example, of sine and cosine function transmitters and multipliers. As a further input variable, the manipulated variable for the phase position between the motor voltage and the motor current is passed to the setpoint determiner 2. At its output, the three voltages R ', S', T offset by 120 ° are available as the setpoint for the motor current.

2 2nd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

»5 »5

50 50

65 65

60 60

65 65

3 3rd

Die Phasenlage zwischen den Spannungen R, S, T und R', S', T entspricht dem über Yp ~]/üi am Sollwertbestimmer 2 vorgegebenen Phasenwinkel. Die Amplituden dieser Spannungen R, S, T und R', S', T haben dagegen die gleiche Höhe. The phase position between the voltages R, S, T and R ', S', T corresponds to the phase angle specified via Yp ~] / üi on the setpoint determiner 2. The amplitudes of these voltages R, S, T and R ', S', T, however, have the same level.

Die dem Sollwertbestimmer 2 nachgeschalteten Multiplika- 5 toren 6,7,8 werden mit den in der Amplitude gleichen Spannungen R', S', T beaufschlagt. In den Multiplikatoren werden diese Spannungen mit dem Wert Yn multipliziert, die gewünschte Amplitude der Motorströme wird also stetig vorgegeben. An den Ausgängen der drei Multiplikatoren 6,7,8 10 sind die Sollwerte der Motorströme WilR, Wiis, WjiT abgreifbar. In den Summenpunkten 12,13," 14 wird der Sollwert des jeweiligen Motorstromes mit dem Istwert verglichen. Die zugeführten Istwerte der Ströme sind mit XilR, Xiis, XüT bezeichnet. The multipliers 6, 7, 8 connected downstream of the setpoint determiner 2 are acted upon with the same voltages R ', S', T in amplitude. These voltages are multiplied by the value Yn in the multipliers, so the desired amplitude of the motor currents is continuously specified. The setpoints of the motor currents WilR, Wiis, WjiT can be tapped at the outputs of the three multipliers 6,7,8 10. The setpoint of the respective motor current is compared with the actual value in the sum points 12, 13, "14. The actual values supplied for the currents are denoted by XilR, Xiis, XüT.

Die Soll-Ist-Diff erenz der Ströme wird auf die Summen- 15 punkte 9,10,11 geführt, auf die ebenfalls die in der Sollwertquelle 1 gebildete dreieckförmige Hilfsspannung YT gelegt wird und die somit eine Zweipunktregelung bewirken. Die dreieckförmige Hilfsspannung bestimmt dabei die Taktfrequenz des Wechselrichters. 20 The target-actual difference of the currents is guided to the sum points 15, 10, 10, 11, to which the triangular auxiliary voltage YT formed in the target value source 1 is also applied and which thus effect a two-point control. The triangular auxiliary voltage determines the clock frequency of the inverter. 20th

Die Ausgänge der Summenpunkte 9,10,11 werden auf Komparatoren 15,16,17 geführt. Hier wird erfasst, ob die Soll-Ist-Differenz der Motorströme plus dreieckförmige Hilfsspannung positives oder negatives Potential aufweist. The outputs of the sum points 9, 10, 11 are fed to comparators 15, 16, 17. Here it is recorded whether the target-actual difference of the motor currents plus the triangular auxiliary voltage has positive or negative potential.

Die mit steigender Motorspannung grösser werdende 25 Abweichung zwischen Stromsollwert und Stromistwert könnte zwar grundsätzlich über einen Strombetrags-Regelkreis und einen Phasen-Regelkreis kompensiert werden - sofern die Zusammenhänge bekannt sind, könnte eine Korrektur auch gesteuert erfolgen - beide Verfahren sind aber schwer hand- 30 habbar und mit Rücksicht auf die auch bei kleiner Motorfrequenz geforderte hohe Regeldynamik des Drehstrommotors sehr aufwendige The increasing deviation between the current setpoint and the actual current value, which increases with increasing motor voltage, could in principle be compensated for via a current amount control loop and a phase control loop - if the relationships are known, a correction could also be carried out in a controlled manner - but both methods are difficult to handle and taking into account the high control dynamics of the three-phase motor required even with a low motor frequency

Erfindungsgemäss wird deshalb eine Störgrössenaufschal-tung vorgenommen. Im dargelegten Beispiel werden hierzu die 35 According to the invention, a disturbance variable is therefore carried out. In the example shown, 35

616 785 616 785

drei um 120° verschobenen Wechselspannungen R, S, T, die in der Sollwertquelle 1 gebildet werden, mit der Rechengrösse Störgrössenamplitude Zm beaufschlagt. Dies erfolgt für die Phasen R, S, T sinngemäss in den Multiplikatoren 3,4,5. Die Störgrössenamplitude Zu, wird in einem in der Figur nicht dargestellten Block gebildet, und zwar aus der gewünschten Motorspannung und anderen Motorgrössen für ein bestimmtes Drehmoment. Diese Grösse Zui wird in dem nicht dargestellten Block aus den Motorgrössen errechnet und den Multiplikatoren 3,4,5 zugeführt. Aus den Istwerten der Motorspeisespan? nung R, S, T, die in der Sollwertquelle 1 nachgebildet werden und in Frequenz und Phasenlage mit den echten Motorspannungen übereinstimmen, aber eine konstante Amplitude aufweisen, werden durch Multiplikation mit der errechneten Amplitude der Motorspeisespannung (Störgrössenamplitude Zut) am Ausgang der Multiplikatoren 3,4,5 drei um 120° phasenverschobene Spannungen gebildet, die in Frequenz und Phasenlage mit den messbaren Motorspeisespannungen übereinstimmen und deren Amplitude bei Soll-Ist-Wert-Differenz des Motorstromes gleich Null über den Wechselrichter die für die Drehzahl und die Belastung des Motors (für W2 = konstant) erforderliche Motorspannung einstellt. Diese drei Spannungen sind mit ZU1R, ZU1S, ZU1T bezeichnet. Diese Spannungen werden als Störgrössen dem Stromzweipunktregler in den Summenpunkten 9,10,11 zugeführt. Nach den Summenpunkten sind, wie bereits oben beschrieben, die Komparatoren 15,16,17 angeordnet, in denen eine Bewertung des Potentials vorgenommen wird. Die Ausgänge der Komparatoren werden auf den in der Figur nicht gezeigten Wechselrichter geführt. three AC voltages R, S, T, which are shifted by 120 ° and which are formed in the setpoint source 1, are subjected to the arithmetic parameter interference magnitude amplitude Zm. This is done for the phases R, S, T in the multipliers 3, 4, 5. The disturbance variable amplitude Zu is formed in a block (not shown in the figure), specifically from the desired motor voltage and other motor variables for a specific torque. This quantity Zui is calculated in the block (not shown) from the motor sizes and fed to the multipliers 3, 4, 5. From the actual values of the motor feed chip? voltage R, S, T, which are simulated in the setpoint source 1 and correspond in frequency and phase to the real motor voltages, but have a constant amplitude, are obtained by multiplication with the calculated amplitude of the motor supply voltage (disturbance variable amplitude Zut) at the output of the multipliers 3, 4.5 three 120 ° phase-shifted voltages are formed, which correspond in frequency and phase position to the measurable motor supply voltages and whose amplitude is zero when the setpoint / actual value difference of the motor current is zero via the inverter for the speed and the load on the motor (for W2 = constant) sets the required motor voltage. These three voltages are designated ZU1R, ZU1S, ZU1T. These voltages are fed as disturbance variables to the current two-point controller in the sum points 9, 10, 11. As already described above, the comparators 15, 16, 17 are arranged after the sum points, in which the potential is assessed. The outputs of the comparators are fed to the inverter, not shown in the figure.

Es wird erreicht, dass stationär die Abweichung zwischen Motorstromsollwert und -istwert sehr klein wird und damit eine optimale Regeldynamik des Antriebes erzielt wird. Eine Begrenzung der Regeldynamik des Antriebes erfolgt nur noch durch die Totzeiten, die durch die endliche Wechselrichtertaktfrequenz hervorgerufen werden. What is achieved is that the deviation between the motor current setpoint and actual value becomes very small, and thus an optimal control dynamic of the drive is achieved. The control dynamics of the drive are only limited by the dead times caused by the finite inverter clock frequency.

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1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings