CH664860A5

CH664860A5 - Verfahren und vorrichtung zum betrieb einer stromrichtergespeisten drehfeldmaschine mit stromeinpraegung und schlupfsteuerung.

Info

Publication number: CH664860A5
Application number: CH1614/84A
Authority: CH
Inventors: Guenther Roth; Christian Dr Urbanke
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 1983-05-11
Filing date: 1984-03-30
Publication date: 1988-03-31
Also published as: DE3317294A1; AT391964B; JPS59209096A; ATA126684A

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer stromrichtergespeisten Drehfeldmaschine, insbesondere einer Asynchronmaschine entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1. Die Erfindung betrifft ferner eine entsprechende Vorrichtung zum Betrieb einer Asynchronmaschine entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 5.

Bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung sind mit Stromeinprägung und Schlupfsteuerung betriebene Asynchronmaschinen als Antriebe für Fahrzeuge, bei denen die Gefahr besteht, dass das Fahrzeug beim Start oder bei niedrigen Antriebsmomenten auf einem Gefälle entgegen der gewünschten Fahrtrichtung rollt. In diesem Fall bewirkt der Hangabtrieb des Fahrzeuges auf den Läufer der Asynchronmaschine ein rückwärtsgerichtetes Drehmoment, zu dessen Kompensierung das Drehmoment der Maschine erst entsprechend erhöht werden muss.

Das elektrische Drehmoment bzw. die Drehzahl kann bei derartigen Asynchronmaschinen durch Sollwertvorgabe gesteuert oder mittels eines Momentreglers oder Drehzahlreglers geregelt werden, an dessen Ausgang ein Wirkstromsollwert abgegriffen wird, der bei gegebenem Fluss proportional dem aufzubringenden elektrischen Drehmoment ist. Der Fluss selbst kann durch Vorgabe eines Magnetisierungsstrom-Sollwertes gesteuert oder geregelt werden, wobei der Magnetisierungsstrom-Sollwert proportional dem Fluss ist. Die beiden Stromsollwerte bestimmen als feldparallele und feldsenkrechte Komponente eines Stromsollvektors den der Asynchronmaschine durch den Stromrichter einzuprägenden Ständerstrom. Für die Steuerung von Umrichter und Maschine ist daher eine Steuereinrichtung vorgesehen, die die Amplitude des Ausgangsstromes entsprechend diesen Sollwerten steuert, während die Frequenz des Umrichters, also die Frequenz des durch den Sollvektor gegebenen Ständerstromes, entsprechend der Summe aus der Läuferdrehzahl, der Schlupffrequenz, d.h. der Änderung des Winkels zwischen einer mit dem Läufer umlaufenden Bezugsachse und der Feldrichtung, und der Änderung des durch die beiden Stromsollwerte gegebenen Winkels («Lastwinkel») zwischen dem Sollvektor und der Feldachse gesteuert oder geregelt wird. Hierbei ergibt sich, dass die Schlupffrequenz (entsprechend dem Läuferwiderstand und dem Fluss der Maschine) proportional zum Wirkstrom ist.

Moderne hochwertige Antriebe enthalten in der Umrichtersteuerung eine Einrichtung zur Erfassung des Fluss-Istwertes, die aus zugänglichen Grössen, z.B. Ständerspannung und Ständerstrom, die Lage des Flussvektors errechnet, so dass zur Steuerung der Umrichterfrequenz nur noch zur Umlaufgeschwindigkeit des gemessenen Flusses die Änderung des zu den Sollwerten gehörenden Lastwinkels addiert werden muss. Zur Erhöhung des Dynamik ist dabei häufig eine Regelung der Stromamplitude und des Lastwinkels oder anderer, entsprechender Grössen vorgesehen. Für den Anlauf aus dem Stillstand oder bei niedrigen Drehzahlen wird jedoch häufig die Regelung abgeschaltet und die Maschine gesteuert betrieben, indem die Frequenz des Umrichters direkt durch die Summe des gemessenen Drehzahl-Istwertes und des dem Wirkstromsollwert proportionalen Schlupffrequenz-Sollwertes gesteuert wird, die

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

664 860

gegebenenfalls noch durch eine aus den Sollwerten berechnete Änderung des Lastwinkels korrigiert wird. Die gewünschte Fahrtrichtung wird dabei durch das Vorzeichen des Wirkstromsollwertes bzw. des Schlupffrequenz-Sollwertes bestimmt.

Wird aber zur Erfassung des Drehzahlistwertes ein einfacher Drehgeber verwendet oder ein anderes Messglied, das die Drehzahl nur betragsmässig zu erfassen gestattet, so kann die Steuerung zunächst nicht erkennen, ob sich der mit dem Fahrzeug bewegende Läufer in der gewünschten Drehrichtung bewegt, also die Summe aus dem Drehzahlbetrag und dem Schlupffrequenzsollwert die tatsächliche Drehrichtung des Feldes ergibt. Rollt das Fahrzeug rückwärts, so ergibt die für die Frequenzsteuerung gebildete Summe, dass der Ständerstrom mit einer Frequenz gesteuert wird, die sich von der Umlaufgeschwindigkeit des tatsächlichen Feldes um den doppelten Betrag der erfassten Drehzahl unterscheidet. Die Folge ist, dass die zum tatsächlichen Feld senkrechte und parallele Komponente des durch die Sollwerte vorgegebenen Stromvektors sich von den dazugehörigen Sollwerten erheblich unterscheiden. Es bildet sich dann der gegebene Flusssollwert nicht aus und wegen der durch die Physik der Asynchronmaschine gegebenen Schlupf/Drehmoment-Kennlinie stellt die Maschine auch nur ein kleines Drehmoment zur Verfügung. Das Fahrzeug kann daher nicht wunschgemäss anfahren.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer Drehfeldmaschine, deren mechanische Messeinrichtungen möglichst einfach ausgebildet sind, beim Stillstand oder bei niedrigen Drehzahlen auch dann ein vorgegebenen Sollwerten für Magnetisierungsstrom und Wirkstrom entsprechendes Antriebsmoment zu erreichen, wenn der Läufer der Maschine aufgrund eines an ihm angreifenden äusseren Drehmomentes entgegen der gewünschten Drehrichtung bewegt ist. Während manche Drehgeber z.B. doppelt ausgeführt sind, um aus der Reihenfolge der beiden Teilimpulsfolgen auf die Drehzahl zu schliessen, oder auch Tachomaschinen zur Drehzahlerfassung bekannt sind, wird bei der Erfindung eine solche, verhältnismässig aufwendige Mechnik nicht benötigt. Vielmehr geschieht die Berücksichtigung einer der gewünschten Drehrichtung entgegengesetzten Läuferdrehung auf andere Weise.

Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1.

Für die Erfassung des Fluss-Istwertes ist in der Regel kein weiterer Aufwand erforderlich, da die Steuereinrichtung von Asynchronmaschinen, die eine den Erfordernissen eines Bahnantriebes entsprechende Dynamik aufweisen, meist bereits eine derartige Flusserfassungseinrichtung besitzen. Vielmehr ist lediglich ein vom Flusssollwert und dem Flussistwert beaufschlagtes Vergleichsglied erforderlich, das aus der Differenz des Flusssollwertes und des Istwertes ein Richtungssignal ableitet, das anzeigt, dass der Flussistwert deutlich, d.h. um mehr als die Ansprechgrenze des Vergleichsgliedes, unterhalb des Flusssollwertes liegt. Dieses Richtungssignal gibt dann an, dass die Drehrichtung des Läufers dem durch den Schlupfsollwert gegebenen Soll-Drehsinn (also der gewünschten Drehrichtung) entgegengesetzt ist. Das Richtungssignal kann dann direkt oder, sofern bestimmte Nebenbedingungen eingehalten werden, nach logischer Verknüpfung mit anderen Überwachungssignalen als Umschaltbefehl für einen Umschalter vorgegeben werden, der in der Summe aus Schlupffrequenz und Drehzahl dem betragsmässig erfassten Drehzahlistwert das zum Schlupffrequenz-Sollwert entgegengesetzte Vorzeichen zuordnet. Dadurch wird erreicht, dass in der die Läuferfrequenz steuernden Summe aus Schlupffrequenz-Sollwert und Drehzahlistwert der nur betragsmässig erfasste Läuferdrehzahl-Istwert negativ bewertet wird.

Wird zum Anlassen der Maschine die Erregung eingeschaltet, so baut sich der Flussigwert erst innerhalb einer durch die Dimensionierung der Maschine bestimmten Zeit auf. Die aus dem Vergleich von Flusssollwert und Flussistwert abgeleitete

Drehrichtungsbestimmung wird also vorteilhaft erst nach der zum Aufbau des Flusses benötigten Zeit vorgenommen und die gemessene Läuferdrehzahl bleibt nach Aufschalten der Erregung noch für eine bestimmte Zeit, die durchaus fest eingestellt sein kann (z.B. mittels einer monostabilen Kippstufe), positiv bewertet. Für das Richtungssignal ist daher ein Übertragungsglied vorteilhaft, das den Umschaltbefehl erst eine vorgegebene Zeit nach der Erregung der Maschine freigibt.

Ein zurückrollendes Fahrzeug besitzt zunächst eine kinetische Energie, die erst vernichtet werden muss, bevor das Fahrzeug zum Stillstand kommt und in der gewünschten Fahrtrichtung beschleunigt werden kann. Die Asynchronmaschine wirkt daher zunächst generatorisch und ein die Maschine speisender Wechselrichter gibt daher zunächst Leistung auf seinen Gleichspannungseingangskreis ab. Wird der Wechselrichter aber z.B. von einem Dieselmotor gespeist, so ist dieser Motor nur in sehr begrenztem Masse in der Lage, Leistung aufzunehmen. Dies ist noch schwieriger, wenn die Eingangsgleichspannung des Wechselrichters mittels eines Gleichstromstellers aus einem Gleichspannungsnetz entnommen wird. Ist im Eingangskreis des Wechselrichters entsprechend einem vorgegebenen Fahrbefehl eine Fahrschaltung aufgebaut, durch die elektrische Leistung aus dem Gleichspannungsnetz in den Umrichter-Eingangskreis eingespeist werden kann, so ist eine an sich für eine evtl. elektrische Bremse vorgesehene Bremsschaltung aufgelöst. Der Umrichter-Eingangskreis kann daher aus der Maschine höchstens soviel generatorische Leistung bzw. kinetische Energie des zurückrollenden Fahrzeuges entnehmen, wie zur Deckung seiner eigenen elektrischen Verluste erforderlich ist. Übersteigt die rückwärts gerichtete Drehbewegung des Läufers einen bestimmten Grenzwert, so kann daher in diesem Betriebszustand das zum Abbremsen des Läufers erforderliche Bremsmoment nicht mehr bzw. nur über einen erheblich überhöhten Motorstrom aufgebracht werden. Es ist daher in vielen Fällen vorteilhaft, wenn der Umschaltbefehl nur bei Drehzahlistwerten unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes freigegeben, d.h. die negative Bewertung der Läuferdrehzahl nur für niedrige Läuferdrehzahlen vorgenommen wird. Für höhere Läuferdrehzahlen muss dann der Läufer z.B. mechanisch oder durch Aufbau einer Bremsschaltung gebremst werden.

Es kann nun auch der Fall auftreten, dass ein bereits in der gewünschten Fahrtrichtung rollendes Fahrzeug bei einer Bergfahrt seine Fahrtrichtung umkehrt und trotz vorgegebener Fahrtrichtung rückwärts zu rollen beginnt. Auch in diesem Fall muss das Vorzeichen der betragsmässig erfassten Läuferdrehzahl umgekehrt werden. Dabei kann es vorteilhaft sein, jeweils eine einmal entsprechend dieser Rückwärtsbewegung vorgenommene negative Bewertung der Läuferdrehzahl beizubehalten und die Läuferdrehzahl nur dann neu zu bewerten, sobald die betragsmässig erfasste Läuferdrehzahl praktisch Null wird, d.h. einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet.

Anhand von fünf Figuren eines bevorzugten Ausführungsbeispieles wird die Erfindung näher erläutert.

Mit der von einem Stromabnehmer 1 (Fig. 1) abgegriffenen Versorgungsspannung wird eine als Antrieb eines Bahnfahrzeuges dienende Asynchronmaschine 2 mittels eines aus einer Gleichstromstelleranordnung 3 und einem Wechselrichter 4 bestehenden Stromrichters gespeist. Im Fahrbetrieb, der durch ein Steuersignal F angesteuert wird, wird der Bremsschalter 5 geschlossen und durch Takten des Fahrthyristors 6 der Stelleranordnung wird ein gepulster Strom entsprechend einem Sollwert i* in den den Eingängen 7 und 8 des Umrichters 4 vorgelagerten Eingangskreis eingespeist. Der Umrichter 4 wird mit der Umrichterfrequenz f* gesteuert, so dass der Gleichstrom mit vorgegebenen Phasenlagen bezüglich der mittels eines Drehzahlgebers 9 abgegriffenen Polradlage auf die einzelnen Anschlüsse der Ständerwicklung der Asynchronmaschine 2 verteilt wird.

Im Fahrbetrieb vermag der Steller nur Leistung in den Ein5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

664 860

4

gangskreis des Wechselrichters 4 einzuspeisen. Während der Sperrzeiten des Fahrthyristos 6 fliesst der Motorstrom über die Fahr-Freilaufdiode 10 weiter. Wird durch Umschalten des Fahrbefehls F auf Bremsbetrieb übergegangen, so wird der Bremsschalter 5 geöffnet und der dann vom Motor generatorisch erzeugte Bremsstrom fliesst über die Brems-Freilaufdiode 11 und einen mittels des Bremsthyristors 12 der Stelleranordnung 3 eingeschalteten Brems widerstand. Bei Leerlauf der Maschine 2 entstehen wegen der Schwellspannungen und anderer Spannungsabfälle des Stromrichters gewisse Leistungsverluste, die aus dem Versorgungsnetz gedeckt werden müssen, so dass zur Aufrechterhaltung des Leerlaufes über die Fahrschaltung noch elektrische Leistung aus dem Netz entnommen werden muss. Geht die Maschine in generatorischen Betrieb über, so ist der Stromrichter zunächst noch in der Lage, einen geringen Bremsstrom zur Deckung seiner Verluste aufzunehmen. Steigt jedoch die generatorisch erzeugte Leistung über die Leistungsverluste des Stromrichters an, ohne dass auf Bremsbetrieb übergangen wird, so steigt der Zwischenkreisstrom (selbst wenn der Fahrthyristor 6 ganz geschlossen wird) steil an und fliesst über die Freilaufdiode 10. Die Maschine kann in diesem Betriebszustand nicht mehr ausreichend gebremst werden, vielmehr muss auf Bremsbetrieb übergegangen werden.

Die Sollwerte, mit denen Amplitude und Frequenz des Ausgangsstromes des Stromrichters gesteuert werden, werden von einer Steuereinrichtung geliefert, die in Fig. 1 nur schematisch durch die beiden Baugruppen 15 und 16 dargestellt ist. Diese Steuerung kann z.B. von einem übergeordneten Geschwindigkeitsregler des Fahrzeuges einen Sollwert Iw* erhalten, mit dem die zum Maschinenfluss senkrechte Komponente («Wirkstrom») des Ständerstromes beeinflusst werden kann. Bei gegebenem Fluss ist der Wirkstrom aufgrund der Physik der Asynchronmaschine proportional dem elektrischen Moment der Maschine bzw. der Schlupffrequenz; der Wirkstromsollwert kann daher bei Kenntnis des Läuferwiderstandes xL und des Maschinenflusses \|/ gleichzeitig als Schlupffrequenz-Sollwert fs* = tl/\ji ■ Iw* dienen. Der Fluss vj/ kann bei Kenntniss der Hauptfeldinduktivität xh durch einen Sollwert 1^* für die zum Fluss parallele Komponente des Ständerstromes vorgegeben werden, wobei dieser Flusssollwert intern in der Steuerung eingestellt oder als eigene Steuergrösse extern vorgegeben sein kann.

Die beiden Sollwerte Iw* und 1^* bestimmen die beiden kar-tesischen Komponenten eines Sollstromvektors in einem synchron mit der Flussachse rotierenden («feldorientierten») Bezugssystem. Entsprechend wird die Amplitude des Ausgangs-stromes nach der Sollamplitude i* = 1/IW*2 + In*2 gesteuert. Die Frequenz des Umrichters muss entsprechend der Richtung dieses Sollstromvektors gesteuert werden, die durch 6* + fs* + fi gegeben ist, wobei mit 8* = arc tg (Iw*/I^*) die feldorientierte Richtung des Sollvektors («Soll-Lastwinkel»), mit fs die Schlupffrequenz und mit fi die Frequenz der mechanischen Läuferdrehung bezeichnet ist. Es können der Steuerung nun die Istwerte für Strom, Spannung und Läuferdrehzahl zugeführt werden, um durch besondere Regelungen aus geeigneten Regelabweichungen die entsprechenden Sollwerte i* und f* oder andere Steuergrössen zu bilden, mit denen der Stromrichter so gesteuert wird, dass sich ein diesen Sollwerten i*, f* entsprechender Ausgangsstrom einstellt. Insbesondere für den Anlauf und den Betrieb bei niedrigen Frequenzen ist es jedoch häufig vorgesehen, eine reine Steuerung mit den Sollwerten vorzunehmen. Auch für diesen Fall enthält jedoch die Steuerung eine Einrichtung, die es gestattet, aus gemessenen Werten des Umrichters und der Maschine, insbesondere die Klemmspannung u und den Strom i, den Istwert des Flusses zu erfassen.

Die Steuerung der Frequenz erfolgt demnach entsprechend der Summe f* = fs* + fi + d 5*/dt, wobei das letzte Glied bei stationären Vorgängen oder bei Steuerungen mit geringen dynamischen Anforderungen nicht unbedingt erforderlich ist. Der Drehzahlgeber 9 müsste folglich die Läuferdrehzahl fi hinsichtlich Betrag und Vorzeichen erfassen, um zu einer richtigen Steuerung des Umrichters zu führen. Wird aber die Läuferdrehzahl nur betragsmässig erfasst und dieser Betrag zur Bildung der Summe (Additionsstelle 17) herangezogen, so wird durch den Frequenzsollwert f* das Ständerstromsystem schneller gedreht, als an sich durch die Vorgabe der Strom-Sollwerte gewünscht ist. Die Richtung des tatsächlichen Flusses bleibt also hinter der Richtung des den Sollwerten zugrunde gelegten Flusses zurück, was zu einer Vergrösserung des Lastwinkels ô und damit zu einer Verkleinerung des tatsächlichen Flusses \|/ führt. Die Folge dieses zu kleinen tatsächlichen Flusses ist, dass auch das gewünschte Drehmoment nicht erreicht wird.

Gemäss der Erfindung wird nun der sich aufbauende Fluss mit dem dem Magnetisierungsstromsollwert proportionalen Flusssollwert \|/* = xh • 1^* verglichen . Rollt nun das Fahrzeug rückwärts zur gewünschten Fahrtrichtung, so müsste an sich die Frequenzsteuergrösse f* durch fs* - fi vorgegeben werden; es ist also erforderlich, den betragsmässig erfassten Drehzahlistwert bei der Steuerung negativ zu bewerten. Diese Bewertung hat dann zu erfolgen, wenn der aufgebaute Flussistwert y deutlich kleiner als \|i* ist.

Gemäss Fig. 1 wird daher die Differenz y* - \|/ gebildet und einem Grenzwertmelder 18 zugeführt. Stimmen Istwert und Sollwert des Flusses hinreichend überein, so ist diese Differenz jedenfalls kleiner als eine vorgegebene Ansprechgrenze. Der gemessene Drehzahlbetrag wird dann entsprechend einer positiven Bewertung unverändert auf die Additionsstelle 17 gegeben. Im anderen Fall jedoch muss eine negative Bewertung vorgenommen werden. Hierzu kann der Grenzwertmelder 18 einen Umschalter 19 betätigen, mit dessen Hilfe nunmehr der gemessene Drehzahlistwert über ein Glied 20 zur Vorzeichenumkehr der Additionsstelle 17 aufgeschaltet wird.

Bisher betrafen die Ausführungen den Fall, dass eine positive Fahrtrichtung gewünscht ist. Die Vorwahl dieser positiven Fahrtrichtung kann bei Maschinen, deren Drehrichtung umkehrbar ist, durch ein entsprechendes Signal (z.B. ein logisches «1») am Eingang V* für die Fahrtrichtung-Vorwahl geschehen. Bei Umkehrung der Fahrtrichtung (V* = 0) wäre durch eine Umkehrung des Vorzeichens der Steuergrösse f* dafür zu sorgen, dass sich die Drehrichtung des Stromsystems in den Ständerzuleitungen, also die Zuordnung der Ständerzuleitungen zu den Ausgängen des mit f* gesteuerten Wechselrichters 4 vertauscht. Eine derartige Vorrichtung, die eine Umkehr der Gewünschten Drehrichtung gestattet, ist in Fig. 2 dargestellt.

Bei einem Fahrbefehl F = 1 erzeugt ein von dem Fahrbefehlsignal F und dem Richtungsvorwahlsignal V* beaufschlagtes EXKLUSIV-ODER-Glied 21 ein Signal, das invers zur vorgegebenen Fahrtrichtung V* ist. Bei V* = 1 (d.h. S = 0) bleibt ein Umschalter 22 in der in Fig. 2 gezeigten Stellung, bei der der Betrag [ fs*| des Schlupffrequenzsollwertes entsprechend f* = |fs*| + fi unverändert auf die Additionsstelle 17 aufgeschaltet wird. Soll rückwärts gefahren werden (V* = 0), so wird entsprechend f* = — | fs*! - f! der Umschalter 22 umgelegt und in die Schlupfsollwertleitung ein Invertierer 23 eingeschaltet. Das gleiche geschieht, wenn bei gewünschter positiver Fahrtrichtung (V* = 1) durch Erzeugen eines rückwärts gerichteten Momentes gebremst werden soll (F = 0). Das Ausgangssignal D des Gatters 21 gibt also an, ob das zu erzeugende Drehmoment in Vorwärtsrichtung (S = 0) oder Rückwärtsrichtung (S = 1) gerichtet sein soll.

In analoger Weise ist der Drehzahlbetrag |fi| über einen Umschalter 19' zur Additionsstelle 17 geführt, wobei bei Ansteue-rung des Umschalters mittels eines die tatsächliche Drehrichtung («Richtungsistwert») angebenden Richtungssignal V der Drehzahlbetrag entveder positiv (V = 0) oder mittels eines Invertierers 24 negativ (V = 1) bewertet ist.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

5

664 860

Die Ermittlung des Richtungsistwertes V kann beispielsweise entsprechend Fig. 3 erfolgen. Dort ist schematisch eine Einrichtung 30 zur Erfassung des Flussistwertes angedeutet. Eine derartige Einrichtung kann davon ausgehen, dass in Vektorschreibweise die im Ständer induzierte EMK bei gegebenen Parametern für den Läuferwiderstand rL und die Streuinduktivität x° durch u - rL • i_- x° • di/dt gegeben und aus den Messwerten der Ständerspannung und des Ständerstromes erfassbar ist. Die für die einzelnen Ständerwicklungen erfassten EMK-Werte können dann zu einem gemeinsamen EMK-Vektor zusammengesetzt werden, dessen Integral den Flussvektor \j/ = /(u - i rL) • dt -x° • i bildet. Der Betrag i|/ dieses Flussvektors stellt den Istfluss dar, wobei Einzelheiten der Flusserfassungseinrichtung 30 dem Fachmann z.B. aus der feldorientierten Regelung bekannt sind und hier nicht dargestellt werden müssen.

Die Differenz y* - \j/ zwischen dem so ermittelten Flussistwert ij; und dem dem Magnetisierungsstrom 1^* proportionalen Flusssollwert \|/* = xh • 1^* ist dem Grenzwertmelder 18 zugeführt, der als Vergleichsglied ein Signal H' für die hinreichende Übereinstimmung (H' = 0) der beiden Flusswerte liefert. Dieses Signal kann an sich als Umschaltbefehl für die negative Bewertung des Drehzahlistwertes verwendet werden.

Beim Aufschalten der Erregung baut sich jedoch der Fluss zunächst erst langsam auf und es liegt daher zunächst H' = 1 vor, selbst wenn das Fahrzeug bereits in der gewünschten Drehrichtung rollt. Daher ist es vorteilhaft, einen Umschaltbefehl erst dann freizugeben, wenn der Aufbau des Flusses abgeschlossen ist, z.B. eine vorgegebene Zeit ATi verstrichen ist. Dem Vergleichsglied ist daher ein Übertragungsglied nachgeschaltet, das nach dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 ein negierendes UND-Gatter 33 enthält, dessen anderem Eingang der Ausgang einer monostabilen Kippstufe 31 aufgeschaltet ist. Solange der Stromrichter gesperrt ist, was durch ein Signal G = 1 angezeigt ist, ist der Ausgang G' der Kippstufe 31 «0» und der Ausgang H des Gatters 33 «1». Ein dem Gatter 33 nachgeschaltetes negierendes UND-Gatter 34 erzeugt daraus das Signal V' = 0, das angibt, dass auch bei an sich falscher Drehrichtung, d.h. H' = 1, keine negative Bewertung des Drehzahlistwertes vorgenommen werden soll. Ein von diesem Signal und dem Fahrtrichtungsvorwahlsignal V* beaufschlagtes EXKLUSIV-ODER-Gatter 35 erzeugt daraus das Richtungssignal V, das bei freigegebener Fahrschaltung (F = 1) den gleichen Signalzustand wie das Fahrtrichtungsvorwahlsignal V* besitzt, so dass die beiden Schalter 19' und 22 in Fig. 2 in der gleichen Schalterstellung liegen. Die Steuersignale fs* und fL werden also an der Additionsstelle 17 mit gleichem Vorzeichen addiert (f* = ± (]fs*| + |fij). Erst nach Aufbau (Dauer ATi) des Flusses wird mit G' = 1 der Flussvergleich zur Identifizierung einer falschen Drehrichtung wirksam.

Andererseits ist es in vielen Anwendungsfällen erforderlich, dass die Umschaltung nur dann erfolgt, wenn der Antrieb nur schwach generatorisch wirkt und der Stromrichter in der Lage ist, aufgrund seiner Leistungsverluste im Schwachgeneratorischen Betrieb den rückgespeisten Bremsstrom zur Deckung seiner Verluste aufzunehmen. Zur Überwachung des schwachgene-ratorischen Betriebes ist es daher vorteilhaft, wenn ein dem Vergleichsglied 18 nachgeschaltetes Übertragungsglied den Umschaltbefehl H' nur dann weitergibt, wenn der Drehzahlistwert unterhalb einer fest vorgegebenen Grenzdrehzahl liegt.

Beim Ausführungsbeispiel wird die Drehzahl als Impulsfolge nL mit drehzahlproportionaler Frequenz erfasst. Ein Digital/Analog-Wandler 36 bildet daraus das Analogsignal fi, das einerseits als Drehzahlistwert für die Additionsstelle 17 verwendet ist, andererseits einem zweiten Vergleichsglied 37 zugeführt wird, das als Grenzwertmelder z.B. ein logisches Signal «1» liefert, wenn die Drehzahl unter dem eingestellten Drehzahlgrenzwert liegt. Durch logische Verknüpfung dieses Signals mit dem Signal H', zu der wiederum vorteilhaft das Gatter 33 verwendet werden kann, wird nunmehr der Umschaltbefehl H' nur freigegeben, wenn diese Drehzahlbedingung eingehalten ist.

Wird also infolge eines äusseren Drehmomentes beim Einschalten der Erregung der Läufer entgegen der gewünschten Fahrtrichtung gedreht, so entsteht mit der Zeitverzögerung ATi der entsprechende Umschaltbefehl V' für die drehzahlgerechte Bewertung des Drehzahlistwertes. Es baut sich jetzt der gewünschte Fluss auf und das Signal H' des ersten Vergleichsgliedes 18 kehrt sich schliesslich um. Um nun zu vermeiden, dass sich dadurch auch die Signale V' und V umkehren und die jetzt richtige Bewertung des Drehzahlistwertes geändert wird, bevor der Läufer zum Stillstand gekommen ist und seine Drehrichtung umgekehrt hat, wird nun der einmal erzeugte Umschaltbefehl V' = 1 solange gespeichert, bis die Drehzahl praktisch Null geworden ist. Zu disem Zweck enthält das Übertragungsglied einen Speicher, d.h. im konkreten Fall ist das Gatter 34 als Teil eines Set-Reset-Gedächtnisses 38 ausgebildet. Diesem Speicher wird der entsprechende Rücksetzimpuls dann eingegeben, wenn praktisch die Drehzahl Null erreicht ist. Ein gespeicherter Umschaltbefehl wird dadurch gelöscht und vom Speicher ein Signal V' = 0 solange abgegeben, bis nach dem Nulldurchgang der Drehzahl wieder ein Umschaltbefehl H = 0 bzw. V' = 1 erzeugt wird. Dieser erneut auftretende Umschaltbefehl wird dann wiederum bis zum nächsten Nulldurchgang der Drehzahl gespeichert.

Zur Erfassung des Nulldurchganges ist eine nachtriggerbare monostabile Kippstufe 39 vorgesehen, die jeweils von einem Impuls der Impulsfolge hl angestossen wird. Sie erzeugt für eine eingegebene Zeitdauer AT2 ein «1 »-Signal, kippt aber nur dann in den «Null»-Zustand zurück, wenn innerhalb der Zeit AT2 kein erneuter Impuls der Impulsfolge nL ankommt. Die Kippstufe 39 setzt somit jeweils einen Impulsabstand, der grösser als AT2 ist, dem Drehzahlnullpunkt gleich und gibt damit das gewünschte Rücksetzsignal auf den Speicher 38. Dieser Speicher 38 enthält neben dem Gatter 34 ein weiteres negierendes UND-Gatter 40, dessen Ausgang mit dem anderen Eingang des Gatters 34 und dessen Eingänge mit dem Ausgang des Gatters 34 und des Kippgliedes 39 in der angegebenen Weise verbunden ist. Ein weiterer Eingang des Gatters 40 ist über ein In-verterglied 41 mit dem Sperrsignal G des Umrichters verbunden und bewirkt, dass sowohl bei gesperrter Erregung sowie während der Dauer ATi, während der nach Aufschalten der Erregung der Umschaltbefehl H' des Vergleichsgliedes 16 gesperrt ist, der Ausgang des Speichers 38 auf den Wert V' = 0 rückgesetzt ist.

In Fig. 4 ist der Vorgang beim Anlauf der Maschine dargestellt für den Fall, dass ein Fahrbefehl in Vorwärtsrichtung (F = 1, V* = 1) oder ein Bremsbefehl bei vorgewählter Rückwärtsrichtung (F = 0, V* = 0) vorgegeben ist. Fig. 4 zeigt zunächst den Messwert y des Flusses sowie einen durch i|/* - At|/* bei konstant vorgegebenem Magnetisierungsstromwert I,,* und einer gerätemässig eingestellten Ansprechgrenze Ai|/* des Vergleichsgliedes 37 angebenen Vergleichswert *j/*grenz > ferner die digitale Impulsfolge nL des Drehzahlgebers und den dazugehörigen analogen Wert des Drehzahlbetrages |fi|.

Vor dem Zeitpunkt der Erregung to ist durch das Signal G = 1 der Stromrichter gesperrt. Die Kippstufe 31 liefert zu diesem Zeitpunkt das Signal G' = 0 und es folgt V' = 0. Dies bedeutet, dass bei der Bildung der Stromrichterfrequenz der Drehzahlbetrag I fi| positiv (genauer: im gleichen Sinne wie der Schlupffrequenzsollwert) bewertet wird.

Mit Einschalten der Erregung liefert zwar der Invertierer 41 nunmehr das Signal C} = 1, jedoch ändert sich das Ausgangssignal des Speichers 38 nicht, bis nach Ablauf von ATi nun-_ mehr mit G' = 1 das Gatter 33 freigegeben wird und H = H' = 0, V' =1 gilt. Nunmehr ist das vom Vergleichsglied 16 aus der Abweichung der Flusswerte gebildete Signal auf den Ausgang V' gegeben. Der Speicher 40 speichert nun diesen Wert

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

664 860

6

V' = 1, auch wenn zum Zeitpunkt t2 der gemessene Fluss sich nunmehr über die Ansprechgrenze hinaus dem Flusssollwert sich nähert und daher H' und H ihren Zustand ändern. Erst zum Zeitpunkt t3 wird durch Kippen der Kippstufe 39 der Nulldurchgang der Drehzahl erkannt und von diesem Zeitpunkt t3 bis zum Auftreten des nächsten Impulses nL durch ein Signal T = 0 der Speicher 38 auf den Wert V' = 0 rückgesetzt. Da von nun an der Flussistwert praktisch dem Flusssollwert entspricht, bleibt der Zustand V' = 0 auch dann erhalten, wenn mit dem nächsten Impuls nL das signal T = 0 den Speicher wieder freigibt.

Aus der gestrichelten Kurve für ± |fj| ergibt sich nun, wie entsprechend der durch V' gegebenen Bewertung die betragsmässig erfasste Drehzahl in die Frequenzsteuergrösse f* eingeht. Bei dieser Betrachtung ist stets davon ausgegangen, dass die Läuferdrehzahl in Rückwärtsrichtung unterhalb eines gegeben Drehzahlgrenzwertes liegt.

In Fig. 5 ist vom Ausgangszustand der Fig. 4 ausgegangen, bei dem z.B. ein Fahrzeug mit vorgegebener Geschwindigkeit rollt. Vom Zeitpunkt t4 ab wirkt jedoch auf den Läufer ein entgegengerichtetes äusseres Drehmoment, z.B. der Hangabtrieb des Fahrzeugs bei einer Bergfahrt. Die sich langsam vermindernde Geschwindigkeit führt zum Zeitpunkt ts dazu, dass der Drehzahlgeber den Nulldurchgang der Drehzahl erkennt. Die Kippstufe 39 gibt dann bis zum Auftreten des nächsten Impulses nL das Signal T = 1 ab, mit dem der Speicher auf den (in diesem Fall bereits vorher vorhandenen) Wert V' = 0 gesetzt wird. Zum Zeitpunkt t6 gibt die Kippstufe 39 den Speicher wieder frei, der zum Zeitpunkt t7, an dem Flussistwert \|/ den s Grenzwert unterschreitet, auf den Wert V' = 1 gesetzt wird. Zum Zeitpunkt t8 ist wieder H' = H = 0 erreicht, jedoch behält der Speicher den gespeicherten Wert V' = 1. Die Maschine erzeugt nun ein vorwärtsgerichtetes Drehmoment der gewünschten Grösse, durch das das rückwärts rollende Fahrzeug io gebremst wird.

Erst zum Zeitpunkt t9 wird wieder ein Nulldurchgang der Drehzahl erkannt und der Speicher auf den Wert V' = 0 gesetzt. Da jetzt das Fahrzeug wieder ungestört vorwärts bewegt wird, bleibt dieser Zustand für die weitere Fahrtdauer erhalten. 15 Die hier am Beispiel eines Fahrzeuges mit einer aus einem Gleichstromnetz mittels eines Stellers gesteuerten Asynchronmaschine dargestellte Erfindung lässt sich auch für andere Umrichter und andere Antriebe anwenden. Obwohl bei Synchronmaschinen nur während eines instationären Vorganges die 20 Feldachse von der Läuferachse abweicht und somit eine von Null abweichende Schlupffrequenz vorliegt, kann die Erfindung auch bei Synchronmaschinen angewendet werden, da für die Steuerung oder Regelung der Synchronmaschine in der Regel ebenfalls eine vorzeichenrichtige Erfassung des Drehzahlistwer-25 tes benötigt wird.

v

4 Blätter Zeichnungen

Claims

664 860

1. Verfahren zum Betrieb einer stromrichtergespeisten Drehfeldmaschine bei Anlauf oder bei niedrigen Drehzahlen, bei dem durch Vorgabe eines einem Flusssollwert (\|/*) proportionalen Magnetisierungstrom-Sollwertes (In*) und eines einem Schlupffrequenz-Sollwert (fs*) proportionalen Wirkstromsollwertes (Iw*) der Ausgangsstrom des Stromrichters in seiner Amplitude (i*) entsprechend den Stromsollwerten und in seiner Frequenz entsprechend der Summe aus dem Schlupffrequenz-Sollwert und der nur betragsmässig erfassten Läuferdrehzahl (fi) gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Istwert des Flusses erfasst und bei einem unterhalb eines durch den Flusssollwert bestimmten Grenzwert liegenden Flussistwertes die nur betragsmässig erfasste Läuferdrehzahl negativ bewertet wird (Fig. 1).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die negative Bewertung nur für eine unter einem vorgegebenen Grenzwert liegende Läuferdrehzahl vorgenommen wird (Fig. 3).

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Start (Zeitpunkt to) der Maschine nach dem Aufschalten der Erregung für eine zum Aufbau des Flusses benötigte Zeitspanne (ATi) die betragsmässig erfasste Läuferdrehzahl (] fij) positiv bewertet bleibt (Fig. 4).

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine einmal vorgenommene negative Bewertung (Zeitpunkt ti) jeweils solange beibehalten wird, bis die Läuferdrehzahl einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet (Zeitpunkt t3), (Fig. 4).

5. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach Patentanspruch 1 beim Betrieb einer Asynchronmaschine (2) mit einem die Maschine speisenden Stromrichter (3, 4) und einer Steuereinrichtung (15, 16), der ein einem Flusssollwert (\|/*) proportionaler Magnetisierungsstrom-Sollwert (1^*) und ein einem Schlupffrequenz-Sollwert (fs*) proprotionaler Wirkstromsollwert (Iw*), sowie ein nur betragsmässig erfasster Dreh-zahlistwert (|fi|) zugeführt sind und die die Amplitude des Stromrichter-Ausgangsstromes entsprechend der Amplitude (i*) des durch die Sollwerte gegebenen Soll-Stromvektors und die Frequenz (f*) des Stromrichters entsprechend der Summe des Schlupffrequenzsollwertes und des betragsmässig erfassten Drehzahlistweres steuert, wobei die Steuereinrichtung auch eine Einrichtung zur Bestimmung des Flussistwertes enthält, dadurch gekennzeichnet, dass ein vom Flusssollwert und Flussistwert beaufschlagtes erstes Vergleichsglied (18) vorgesehen ist, das aus der Differenz der Flusswerte ein Richtungssignal ableitet, das eine der Drehrichtung der durch die Steuereinrichtung gesteuerten Schlupffrequenz entgegengesetzte Läuferdrehrichtung anzeigt, und dass ein Umschalter (19) vorgesehen ist, der bei einem aus dem Richtungssignal gebildeten Umschaltbefehl das Vorzeichen des betragsmässig erfassten Drehzahlistwertes in der Summe aus Schlupffrequenzsollwert und Drehzahlistwert ändert (Fig. 1).

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Übergangsglied (33, 40) vorgesehen ist, das den Umschaltbefehl (V' ) erst eine vorgegebene Zeit (ATi) nach der Erregung der Asynchronmaschine freigibt (Fig. 3).

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Übertragungsglied (33, 40) vorgesehen ist, das den Umschaltbefehl (V' ) nur bei Drehzahlistwerten unterhalb einer vorgegebenen Grenzdrehzahl freigibt (Fig. 3).

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Freigabesignal (G) für den Stromrichter über eine Kippstufe (31) einem logischen Verknüpfungsglied (33) zur Bildung eines dem Umschaltbefehl entsprechenden Signals (H) zugeführt ist, dass die anderen Eingänge des Verknüpfungsgliedes (33) vom Ausgangssignal (H' ) des ersten Vergleichsgliedes (18) und vom Ausgangssignal eines zweiten, vom

Drehzahlistwert beaufschlagten Vergleichsgliedes (37) gespeist sind, und dass dem Verknüpfungsglied (33) ein Speicher (40) nachgeschaltet ist, der vom Freigabesignal (G) und einem aus dem Drehzahlistwert abgeleiteten Signal (T) für den Nulldurchgang der Drehzahl rücksetzbar ist und einen Umschaltbefehl jeweils bis zum Auftreten des nächsten Nulldurchganges speichert.