CH638350A5 - METHOD FOR OPERATING AN ASYNCHRONOUS MACHINE FEEDED BY AN INTERMEDIATE CONVERTER. - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb einer Asynchronmaschine über einen Zwischenkreisumrichter, der aus einem Netzstromrichter, einem Zwischenkreis zum Einprägen des Stromes und einem selbstkommutierten Wech- 60 selrichter besteht. The invention relates to a method for operating an asynchronous machine via an intermediate circuit converter, which consists of a mains converter, an intermediate circuit for impressing the current and a self-commutated inverter.
Es ist bekannt, Asynchronmaschinen in ihrer Drehzahl über Zwischenkreisumrichter mit eingeprägtem Strom zu steuern oder zu regeln (H.Münzing: Für konstantes Drehmoment, ein Zwischenkreisumrichter mit eingeprägtem Strom, Elektro- 65 technik 57 (1975) 3, Seiten 10 bis 13). Mit einem solchen Umrichter wird der Maschine ein Strom mit gesteuerter Frequenz eingeprägt. Die Spannung an der Maschine stellt sich dann den Belastungsverhältnissen entsprechend ein. Über einen Spannungsregler lässt sich die Motorspannung U der Frequenz f anpassen, wobei in erster Näherung das Verhältnis U/f konstant gehalten wird. In einem solchen Steuerverfahren wird die Frequenz der Maschine also von aussen vorgegeben: man spricht von einem fremdgetakteten Betrieb der Maschine. It is known to control or regulate the speed of asynchronous machines via intermediate circuit converters with impressed current (H.Münzing: For constant torque, an intermediate circuit converter with impressed current, Elektro 65 Technik 57 (1975) 3, pages 10 to 13). With such a converter, a current with a controlled frequency is impressed on the machine. The voltage on the machine is then adjusted according to the load conditions. The motor voltage U can be adapted to the frequency f via a voltage regulator, the ratio U / f being kept constant in a first approximation. In such a control procedure, the frequency of the machine is thus specified from the outside: one speaks of an externally clocked operation of the machine.
Es sind weiterhin Lösungen bekannt, in denen die Statorfrequenz aus der mechanischen Rotationsfrequenz der Maschine und einer je nach den Betriebsverhältnissen vorgebbaren Rotorfrequenz berechnet wird, wobei im Motorbetrieb die Rotorfrequenz f2 zur mechanischen Frequenz fmech hinzuaddiert, im Generatorbetrieb von ihr abgezogen wird. Eine solche Steuerung verhindert ein Kippen der Maschine bei zu hohen Lasten, bedingt jedoch einen Geber an der Maschine, mit dem die Rotationsfrequenz erfasst wird. Solutions are also known in which the stator frequency is calculated from the mechanical rotation frequency of the machine and a rotor frequency which can be predetermined depending on the operating conditions, the rotor frequency f2 being added to the mechanical frequency fmech during motor operation and being subtracted from it in generator operation. Such a control prevents the machine from tipping over when the loads are too high, but requires an encoder on the machine with which the rotation frequency is recorded.
Ferner ist ein weiteres Verfahren bekannt (IEEE Transactions on Industry Appi., Vol. IA-11, No. 5, Sept./Oct. 1975, p. 483 ff), mit dem aus den elektrischen Grössen der Maschine, also Strom, Spannung, Ständerstreuung und -widerstand, der Schlupf der Maschine errechnet werden kann. Jedoch bedingt dieses Verfahren die Kenntnis der Maschinendaten. Furthermore, another method is known (IEEE Transactions on Industry Appi., Vol. IA-11, No. 5, Sept./Oct. 1975, p. 483 ff), with which the electrical variables of the machine, that is, current, voltage , Stator scatter and resistance, the slip of the machine can be calculated. However, this procedure requires knowledge of the machine data.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit welchem ohne Kenntnisse der Maschinendaten und ohne Geber am Rotor ein dynamischer Betrieb der Asynchronmaschine in einem weiten Drehzahlbereich ermöglicht und ihre Kippen bei Überlastung vermieden wird. The invention has for its object to provide a method with which, without knowledge of the machine data and without a sensor on the rotor, dynamic operation of the asynchronous machine in a wide speed range is possible and its tilting is avoided in the event of overload.
Die Aufgabe wird gemäss der Erfindung für ein Verfahren der eingangs angegebenen Art dadurch gelöst, dass die Taktung des Wechselrichters in seinem oberen Frequenzbereich nach Frequenz und Zeitpunkt mit der Spannung der Asynchronmaschine als synchronisierendem Signal durchgeführt wird und dass eine Fremdtaktung des Wechselrichters in seinem unteren Frequenzbereich erfolgt, in dem keine ausreichend hohe Spannung zum Synchronisieren verfügbar ist. According to the invention, the object is achieved for a method of the type specified in the introduction in that the clocking of the inverter in its upper frequency range is carried out as frequency and time with the voltage of the asynchronous machine as a synchronizing signal and that the inverter is clocked externally in its lower frequency range , in which a sufficiently high voltage is not available for synchronization.
Ein Kippen der Asynchronmaschine lässt sich also vorteilhaft dadurch umgehen, dass man nicht den Takt des Wechselrichters fremd vorgibt (also gesteuerten Betrieb realisiert), sondern den Takt von der Asynchronmaschine selbst herleitet (maschinengetakteter Betrieb). Als synchronisierende Grösse wird dafür die Maschinenspannung herangezogen. Der Antrieb erhält somit ein gänzlich anderes Verhalten : Die Maschine kann nicht mehr kippen, und sie lässt sich schnell regeln. Sie verhält sich ähnlich wie eine Gleichstrommaschine oder wie ein über einen Polradlagegeber getakteter Stromrichtermotor synchroner Bauart. Tilting of the asynchronous machine can thus advantageously be avoided by not specifying the clock of the inverter externally (i.e. realizing controlled operation), but rather deriving the clock from the asynchronous machine itself (machine-clocked operation). The machine voltage is used as the synchronizing variable. The drive thus has a completely different behavior: the machine can no longer tip over and it can be regulated quickly. It behaves similarly to a DC machine or like a synchronous converter motor clocked via a pole wheel position encoder.
Bei kleinen Drehzahlen, bei denen noch keine ausreichend hohe Spannung zum Synchronisieren zur Verfügung steht, muss die Maschine fremdgetaktet werden. Um den Übergang vom fremdgetakteten Betrieb in den maschinengetakteten möglichst kontinuierlich zu gestalten, müssen die Wechselrichterimpulse ohne Phasensprung umgeschaltet werden. Das lässt sich erreichen, indem man vor dem Umschalten die aus der Maschinenspannung abgeleiteten Impulse mit den fremdgetakteten synchronisiert und erst nach der Synchronisation umschaltet. At low speeds, at which there is still no sufficiently high voltage available for synchronization, the machine must be clocked externally. In order to make the transition from externally clocked operation to machine-clocked operation as continuous as possible, the inverter pulses must be switched without a phase jump. This can be achieved by synchronizing the pulses derived from the machine voltage with the externally clocked pulses before switching and only switching after the synchronization.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens nach der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und werden nachfolgend näher erläutert. Further advantageous embodiments of the method according to the invention are specified in the dependent claims and are explained in more detail below.
Anhand der Zeichnung soll die Erfindung für ein Ausführungsbeispiel nun beschrieben werden. Es zeigen: The invention will now be described for an exemplary embodiment with reference to the drawing. Show it:
Figur 1 ein vereinfachtes Kreisdiagramm einer Asynchronmaschine, FIG. 1 shows a simplified pie chart of an asynchronous machine,
Figur 2a bis 2d den idealisierten zeitlichen Verlauf des Statorstromes der Maschine bei motorischem Betrieb, im Leerlauf und im generatorischen Betrieb in der Zuordnung zur Klemmspannung und 2a to 2d the idealized time profile of the stator current of the machine in motor operation, in idle and in generator operation in the assignment to the clamping voltage and
Figur 3 ein Blockschaltbild zur Realisierung des Verfahrens nach der Erfindung. Figure 3 is a block diagram for implementing the method according to the invention.
3 3rd
638 350 638 350
Gemäss dem in Figur 1 dargestellten, vereinfachten Kreisdiagramm einer Asynchronmaschine stellt sich bei einer festen Frequenz f, und einer gegebenen Ständer-Spannung Vi, für einen Lastpunkt P der entsprechende Strom J| und der Verschiebungswinkel <p zwischen Spannung und Strom ein. Mit dem 5 Index «mot» ist die Zeigerzuordnung bei motorischem Betrieb, mit «0» im Leerlauf und mit «gen» bei generatorischem Betrieb der Asynchronmaschine gekennzeichnet. According to the simplified pie chart of an asynchronous machine shown in FIG. 1, the corresponding current J | for a load point P is established at a fixed frequency f and a given stator voltage Vi and the displacement angle <p between voltage and current. The 5 index “mot” indicates the pointer assignment during motor operation, with “0” when idling and with “gen” when the asynchronous machine is operating in generator mode.
In Figur 2 sind die Spannungen und der Strom J, der Asynchronmaschine als zeitliche Liniendiagramme mit den für10 eine als Beispiel gewählte ópulsige Stromrichterschaltung charakteristischen 102°el-langen Stromblöcken aufgetragen. Man erkennt deutlich den Phasenversatz (p zwischen Spannung und Strom der Maschine beim Übergang vom motorischen Betrieb über Leerlauf in den generatorischen Betrieb. Dieser 15 Phasenversatz stellt sich bei rein frequenzgesteuertem Betrieb der Maschine selbsttätig ein. Jedoch erfolgt das mit einer begrenzten Geschwindigkeit, da sich hierbei die Lage des Flusses der Maschine in bezug auf den Stromzeiger neu einstellen muss, was nur mit der Zeitkonstante Lh/R2 erfolgen 20 kann (Lh = Hauptinduktivität, R2 = Rotorwiderstand der Maschine). Diese Zeitkonstanten liegen zwischen ca. 100 ms bei kleineren Maschinen (ca. 5 kW) und 0,5-1,5 s bei grösseren (200-500 kW). Steuert man nun die Phasenlage zwischen Strom und (Rotor-)Fluss oder, was in erster Näherung gleich- 23 kommt, zwischen Strom und Ständerspannung mit Hilfe des Umrichters, so lassen sich diese Zeitkonstanten überwinden. Es braucht nur die Totzeit von 1/6 • 1/f = 60° (bei einer Frequenz f und einer öpulsigen Schaltung des Stromrichters) abgewartet zu werden, bis der Phasenversatz der neuen Bela-stung entsprechend eingestellt ist. In FIG. 2, the voltages and the current J of the asynchronous machine are plotted as time-line diagrams with the 102 ° el-long current blocks which are characteristic of a pulsed converter circuit selected as an example. One can clearly see the phase offset (p between the voltage and current of the machine when changing from motor operation to idling to generator operation. This 15 phase offset occurs automatically when the machine is operated in a purely frequency-controlled manner. However, this takes place at a limited speed because this the position of the flow of the machine in relation to the current pointer must be reset, which can only be done with the time constant Lh / R2 (Lh = main inductance, R2 = rotor resistance of the machine). These time constants are between approx. 100 ms for smaller machines ( 5 kW) and 0.5-1.5 s for larger ones (200-500 kW) If you now control the phase position between current and (rotor) flux or, which in a first approximation is equivalent to 23, between current and Stator voltage with the help of the converter, these time constants can be overcome. Only the dead time of 1/6 • 1 / f = 60 ° is required (at a frequency f and an open-circuit switching of the current rectifier rs) to be waited until the phase shift of the new load is set accordingly.
In der Figur 3 ist als Blockschaltbild dargestellt, wie sich das oben geschilderte Verfahren realisieren lässt. Ein Netzstromrichter 1 speist über eine Zwischenkreisdrossel 2 und einen selbstgeführten Wechselrichter 3 eine Asynchronmaschine 35 4. Es können jedoch auch mehrere parallelgeschaltete derartige Maschinen sein. An einem Sollwertpotentiometer 5 wird eine Spannung abgegriffen, die sowohl als Führungsgrösse für einen Spannungsregler 6 dient als auch in einem Spannungs-Frequenzumsetzer 18 in eine angenähert spannungsproportio- 40 naie Ständerfrequenz fi umgeformt wird. Im Spannungs-Frequenzumsetzer sei auch die Impulsformung enthalten. FIG. 3 shows a block diagram of how the method described above can be implemented. A line converter 1 feeds an asynchronous machine 35 via an intermediate circuit choke 2 and a self-commutated inverter 3. However, several machines of this type can also be connected in parallel. A voltage is tapped at a setpoint potentiometer 5, which serves both as a reference variable for a voltage regulator 6 and is also converted in a voltage-frequency converter 18 into an approximately voltage-proportional stator frequency fi. Pulse shaping is also included in the voltage-frequency converter.
Dem Spannungsregler 6 wird die aus der Maschinenspannung hergeleitete Regelgrösse über einen Trennwandler 13 und eine Gleichrichtung 8 zugeführt; dem Spannungsregler 6 « unterlagert ist ein Stromregler 9 mit seiner Regelgrössenerfas-sung 11 im Gleichstromzwischenkreis. In einem Steuersatz 10 werden die Impulse für die Ventile des Netzstromrichters 1 gebildet und in ihrer Phasenlage verstellt. The control variable derived from the machine voltage is fed to the voltage regulator 6 via a isolating converter 13 and a rectifier 8; Underlying the voltage regulator 6 'is a current regulator 9 with its controlled variable detection 11 in the DC link. The pulses for the valves of the line converter 1 are formed in a control set 10 and their phase position is adjusted.
Die Vorrichtung zur Taktung des Wechselrichters 3 von 5<> der Maschine ist in Figur 3 in der unteren Hälfte dargestellt: Die Spannung der Maschine wird über den Trennwandler 13 abgegriffen, in einem Filter 14 geglättet und auf ein Null-durchgangserfassungsglied 15 gegeben. Die Glättung durch das Filter 14 ist zweckmässig, da die Maschinenspannung infolge der Kommutierung des Wechselrichters 3 oberschwin-gungshaltig ist. Es empfiehlt sich eine starke Filterung von mindestens zweiter Ordnung mit einem Phasenversatz von ca. 0° für die Grundschwingung und nahezu 180° für die Oberschwingungen im gesamten maschinengetakteten Drehzahlbereich zu wählen, um drehzahlbedingte Phasenfehler von vornherein zu umgehen. Am Ausgang des Nulldurchgangserfas-sungsgliedes 15 ist ein Frequenz-Spannungsumsetzer 17 bzw. ein Dreiecksgenerator 16 geschaltet. Der Frequenz-Spannungsumsetzer 17 dient zur Umwandlung der Ständerfrequenz in eine frequenzproportionale Spannung, die als Regelgrösse für einen nachgeschalteten Frequenzregler 7 dient. Der Dreiecksgenerator 16 liefert sechs von der jeweiligen Frequenz in der Amplitude unabhängige Dreiecke mit 180° Fussbreite. Durch Vergleich der Ausgangsspannung des Frequenzreglers 7 mit diesen in der Basis 180°el langen Dreiecken lässt sich eine Phasenlage der Wechselrichterimpulse an den Schnittpunkten zwischen Dreieck und Ausgangsspannung einstellen. In Abhängigkeit von der Frequenzreglerausgangsspannung lässt sich also im dem Frequenzregler 7 nachgeschalteten Steuersatz 12 die Phasenlage der Wechselrichterimpulse verschieben. Diese Impulse können dann im oberen Drehzahlbereich der Asynchronmaschine über einen elektronischen Umschalter 22 auf die Zündanschlüsse der Wechselrichterthyristoren geschaltet werden. The device for clocking the inverter 3 of 5 <> of the machine is shown in FIG. 3 in the lower half: the voltage of the machine is tapped via the isolating converter 13, smoothed in a filter 14 and applied to a zero-crossing detection element 15. The smoothing by the filter 14 is expedient since the machine voltage contains harmonics due to the commutation of the inverter 3. It is advisable to choose a strong filtering of at least second order with a phase offset of approx. 0 ° for the fundamental and almost 180 ° for the harmonics in the entire machine-clocked speed range in order to avoid speed-related phase errors from the outset. A frequency-voltage converter 17 or a delta generator 16 is connected at the output of the zero crossing detection element 15. The frequency-voltage converter 17 is used to convert the stator frequency into a frequency-proportional voltage, which serves as a controlled variable for a frequency regulator 7 connected downstream. The triangle generator 16 supplies six triangles with a foot width that are independent of the respective frequency. By comparing the output voltage of the frequency regulator 7 with these triangles with a base of 180 ° el, a phase position of the inverter pulses can be set at the intersection between the triangle and the output voltage. Depending on the frequency controller output voltage, the phase position of the inverter pulses can thus be shifted in the control set 12 connected downstream of the frequency controller 7. These pulses can then be switched to the ignition connections of the inverter thyristors in the upper speed range of the asynchronous machine via an electronic switch 22.
Die Verschiebung der Impulse, also die Einstellung des Phasenwinkels (p erfolgt in Abhängigkeit sowohl von der Ausgangsspannung des Frequenzreglers 7 als auch des Spannungsreglers 6, wobei der Winkel <p in den Grenzen (pNenn mot und cpNenn gen begrenzt werden sollte (cpNenn mot und <pNenn gen = natürliche Nennverschiebungswinkel der Maschine). Der Stromregler 9 erhält ebenfalls einen Anteil seines Sollwertes vom Drehzahlregler 7. Direkt hinter dem Frequenzregler 7 kann auch ein Drehmomentenregler 25 geschaltet werden (gestrichelt angedeutet), wobei für das Drehmoment in erster Näherung das Produkt aus Stromistwert und dem cos <p der Maschine herangezogen wird, wenn sie mit konstantem Span-nungs-Frequenz-Verhältnis betrieben wird. The shifting of the pulses, i.e. the setting of the phase angle (p takes place depending on both the output voltage of the frequency regulator 7 and of the voltage regulator 6, the angle <p being limited within the limits (pNom mot and cpNom gen (cpNom mot and < pNom gen = natural nominal displacement angle of the machine) The current controller 9 likewise receives a portion of its setpoint from the speed controller 7. A torque controller 25 can also be connected directly behind the frequency controller 7 (indicated by dashed lines), the torque being the product of the current actual value and the cos <p of the machine is used if it is operated with a constant voltage-frequency ratio.
Die Synchronisierung der Impulse vor dem Übergang von dem fremdgetakteten Betrieb in den maschinengetakteten Betrieb erfolgt durch einen Regler 19, der den Phasenfehler zwischen den beiden Impulsfolgen auf ein Minimum ausregelt. Das wird erreicht, indem der Ausgang des Reglers 19 auf den Steuersatz 12 zurückwirkt. Ist der Phasenfehler unter einem Maximalbetrag 8max ausgeregelt und liegen die Ausgangsspannung und Ausgangsfrequenz über einem einstellbaren Grenzwert (erfasst durch die Kippstufen 20 und 23), so wird von der Synchronisierstufe 21 mittels des elektronischen Umschalters 22 auf den maschinengetakteten Betrieb umgeschaltet. Nach erfolgter Umschaltung wird der Einfluss des Phasenreglers 19 auf den Steuersatz 12 abgeschaltet. Das erfolgt durch einen elektronischen Schalter 24, der von der Synchronisierstufe 21 betätigt wird. The pulses are synchronized before the transition from the externally clocked operation to the machine-clocked operation by a controller 19 which regulates the phase error between the two pulse sequences to a minimum. This is achieved in that the output of the controller 19 affects the tax rate 12. If the phase error is corrected below a maximum amount 8max and the output voltage and output frequency are above an adjustable limit value (detected by flip-flops 20 and 23), the synchronization stage 21 switches over to machine-clocked operation by means of the electronic switch 22. After the changeover, the influence of the phase controller 19 on the tax rate 12 is switched off. This is done by an electronic switch 24, which is operated by the synchronization stage 21.
2 Blatt Zeichnungen 2 sheets of drawings
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