CH665317A5 - Verfahren zur erhoehung der regeldynamik von frequenzgesteuerten asynchronmaschinen. - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Anordnungen bei denen die Asynchronmaschinen, die von Umrichtern mit Stromzwischenkreis (I-Umrichter) gespeist werden, wobei die Maschinenspannung über einen Spannungsregelkreis mit unterlagerter Stromregelung vorgegeben wird, sind seit langem bekannt und in der Literatur ausführlich beschrieben (z.B. Lit. 1 : Umrichter mit Gleichstromzwischenkreis für industrielle Antriebe, BBC-Nachrichten 1978, S. 485-495; Lit. 2: Monoverter — ein Umrichtersystem für den Betrieb von Asynchron-Normmotoren, Techn. Mitt. AEG 1979, S. 192-196). Der wesentliche Nachteil der beschriebenen Regelanordnung besteht darin, dass sie für höherwertige dynamische Anforderungen in der bisher bekannten Ausführung nicht geeignet ist (Lit. 1, S. 490; Lit. 2, S. 193 unten). Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dem bei geringem Aufwand die Regeldynamik der erwähnten Anordnung erhöht wird, ohne den wesentlichen Vorteil, nämlich die Unempfindlichkeit gegenüber Parameteränderungen der angeschlossenen Maschine, zu verlieren.

Im einzelnen werden folgende Massnahmen zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens vorgeschlagen:

1. Dynamisch schnelle Erfassung des Spannungsistwertes

Der Istwert der Maschinenspannung wird üblicherweise durch Gleichrichtung der Maschinenspannung erzeugt (z.B. Lit. 3: Offenlegungsschrift 2 804 050 vom 27.01.1978; Lit. 4: Offenlegungsschrift 2 806 535 vom 16.02.1978). Dieser Gleichspannung sind infolge der Wirkungsweise von Stromzwischenkreisumrichtern impulsartige Spannungsspitzen überlagert, die von den Kommutierungsvorgängen im Umrichter herrühren. Die Amplitude dieser Spannungsspitzen beträgt vor allem im unteren Frequenz- bzw. Spannungsbereich ein Mehrfaches des Gleichspannungsmittelwertes und ist stark stromabhängig. Es ist erforderlich, diese Spannungsspitzen zu unterdrücken, weil sie vor allem bei niedrigen Frequenzen eine Störung darstellen und wegen der Stromabhängigkeit den Istwert dahingehend verfälschen, dass mit steigenden Strömen der Istwert zunimmt. Infolge dieser Abbildungsfehler kann die Maschine im unteren Frequenzbereich nicht das technisch mögliche Maximalmoment abgeben. Üblicherweise werden deshalb die Spannungsspitzen mit Glättungsgliedern unterdrückt; um allerdings die störende Stromabhängigkeit des Spannungsistwertes zu beseitigen, sind sehr hohe Glättungszeitkonstanten notwendig. Dies stellt eine wesentliche Beeinträchtigung der Regeldynamik des Spannungsregelkreises dar.

In Literaturstelle 3 wird zur Unterdrückung der Kommutierungsspannungen ein Filter höherer Ordnung vorgeschlagen. Derartige Filter lassen zwar eine dynamisch gute Messung bei gleichzeitiger Unterdrückung der Kommutierungsspannungen zu, sind aber wegen der veränderbaren Grundschwingungsfrequenz aufwendig.

2. Vorsteuerung des Spannungsreglers

Nach dem bekannten Stand der Technik wird der Stromsollwert vom Spannungsregler vorgegeben (Lit. 1), d.h. eine Änderung des Stromsollwertes wird dann eingeleitet, wenn eine Soll-Istwertabweichung der Maschinenspannung vorliegt. Aufgrund der physikalischen Eigenschaften von Asynchronmaschinen sind Laständerungen vor allem vom Leerlauf in den Generatorbetrieb zunächst an der Klemmenspannung nicht sichtbar, so dass auch keine Erhöhung des Stromsollwertes erfolgt. Die Folge ist, dass der für den Momentanaufbau erforderliche Strom nicht fliesst und die Maschine entregt wird und abkippt. Deshalb sind bei dem beschriebenen Regelkonzept nur langsame Laständerungen zulässig. In Lit. 1 wird für dynamisch hochwertige Antriebe eine Vorgabe des Stromsollwertes über eine Last-Stromkennlinie vorgeschlagen. Dieses Verfahren ist zwar dynamisch gut, hat aber den für Industrieantriebe wesentlichen Nachteil, dass die Last-Stromkennlinie für jede Maschine neu justiert werden muss.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht bei geringem technischen Aufwand eine dynamisch hochwertige Messung des Spannungsistwertes, ohne dass eine Stromabhängigkeit gegeben ist.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angeführten Merkmale gekennzeichnet.

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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand von Figuren beispielsweise näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 Signalflussplan der Einrichtung zur schnellen Messung der Amplitude der Maschinenspannung,

Fig. 2 Signalflussplan der Regelanordnung mit Vorsteuerung des Stromsollwertes,

Fig. 3 Prinzipieller Verlauf von normiertem Maschinenstrom Im/Imn und Vorsteuersignal | cos v|/1 in Abhängigkeit vom normierten Drehmoment M/Mn,

Fig. 4 Zeitlicher Verlauf von Zwischenkreisgleichspannung Ud, Korrekturspannung Uk und korrigierter Spannung UdK für drei Belastungsfälle bei kleinen Frequenzen,

Fig. 5 Prinzipieller Verlauf von cos \|/ und cos <p in Abhängigkeit vom Drehmoment bei kleinen Frequenzen.

Nach Fig. 1 entspricht die 3-phasige Ausgangsspannung des Umrichters 1 der Klemmspannung der Maschine 2. Die Maschinenspannung wird in einem Gleichrichter 3 gleichgerichtet und auf Signalniveau herabgesetzt. Der prinzipielle Verlauf dieser Spannung UiSt i ist aus Fig. 1 ersichtlich. In der Begrenzerschaltung 4 werden die impulsartigen Kommutierungsspannungen abgeschnitten. Diese begrenzte Spannung U,st 2 wird im Glät-tungsglied 5 geglättet. Die Ausgangsspannung UiSt ist der endgültige Istwert der Maschinenspannung. Durch Addition einer kleinen Schwelle A U zu dieser Istwertspannung gewinnt man ein Mass für den jeweiligen arbeitspunktabhängigen Grenzwert.

Der Signalflussplan für die Regelanordnung mit Vorsteuerung ist in Fig. 2 wiedergegeben. Der Drehzahlsollwert Ufx wird in einem U/F-Wandler 6 und einem Ringzähler 7 in die Zündimpulse für den Wechselrichter 8 so umgesetzt, dass der Strom Im der Asynchronmaschine 9 die gewünschte Frequenz aufweist. Gleichzeitig wird aus Ufx in einer Kennlinienschaltung 10 der Sollwert Ux für die Maschinenspannungh Um gebildet. Der Istwert U,st der Maschinenspannung wird über die Istwerterfassung 11 aus den drei Meschinenspannungen erzeugt. Der Spannungsregler 12 gibt an seinem Ausgang einen reduzierten Sollstrom Ix, vor, der zusammen mit dem Vorsteuersignal I cos v I den tatsächlichen Sollstrom I* bildet. Der Stromregler 13 gibt über den Steuersatz 14 die Zündimpulse für den Netzstromrichter 15 vor. Es genügt, den Maschinenstrom mit der Iststromerfassung 16 auf der Netzseite zu messen, da die Amplituden von Netzstrom und Maschinenstrom näherungsweise gleich sind und Fehler durch den überlagerten Spannungsregler korrigiert werden. In einem Spannungswandler 17 wird die Zwischenkreisgleichspannung Ud auf Signalniveau umgesetzt.

Durch Vergleich dieser Spannung mit der Spannung Null bildet man im Komparator 18 ein pulsbreitenmoduliertes Korrektursignal Uk. Das Korrektursignal wird im Widerstand 19 bewertet und ergibt zusammen mit Ud die korrigierte Zwischenkreisspan-nung UdK- Durch Division von UdK mit der Maschinenspannung Um in der Divisionsschaltung 20 erhält man den cos des Phasenwinkels \|/ zwischen Maschinenstrom und Ständerflussspannung U \|/. In der Betragsbildung 21 wird aus cos y das Vorsteuersignal I cos y I erzeugt.

In Fig. 3 ist der Verlauf des Vorsteuersignals | cos \\i | und des normierten Maschinenstromes Im/Imn in Abhängigkeit vom normierten Drehmoment M/Mn aufgetragen. Die Differenz zwischen Vorsteuersignal | cos i|/1 uns tatsächlich benötigtem Strom wird vom Spannungsregler ausgeglichen. Man sieht, dass das Vorsteuersignal grundsätzlich die richtige Tendenz aufweist.

Zur weiteren Erläuterung ist in Fig. 4 der zeitliche Verlauf von Ud, Uk und korrigierter Spannung UdK für Generator-, Leerlauf- und Motorbetrieb bei kleinen Frequenzen aufgezeigt. Man sieht, dass der Mittelwert von UdK mit zunehmenden Generatorbetrieb durch das Korrektursignal angehoben wird.

Weiterhin zeigt Fig. 5 den prinzipiellen Verlauf von cos \|/ und cos <p in Abhängigkeit vom normierten Moment bei kleinen Frequenzen. Es ist ersichtlich, dass der cos i|/ vom cos <p im Generatorbetrieb abweicht. Diese Anhebung muss das Korrektursignal ausgleichen. Bei grossen Frequenzen unterscheiden sich cos y und cos cp praktisch nicht. Das ist bei der Korrekturschaltung automatisch dadurch berücksichtigt, dass das konstante Korrektursignal gegenüber den wachsenden Signalen Ud und Um immer weniger ins Gewicht fällt.

Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäs-sen Verfahren wird erreicht, dass man sämtliche Spannungsspitzen, die den Gleichspannungsmittelwert um ein bestimmtes Mass überschreiten, in einer Begrenzungsschaltung unterdrückt («abschneidet»). Der Begrenzungseingriff wird dabei so gelegt, dass die Arbeitbewegungen des Spannungsistwertes innerhalb des Schlupfbereiches durch die Begrenzung nicht beeinträchtigt werden. Für übliche Maschinendaten genügt ein Arbeitsbereich von ca. 5% bezogen auf die Maschinennennspannung.

Die vor allem im unteren Frequenzbereich störende Stromabhängigkeit des Spannungsistwertes ist bei der erfindungsge-mässen Anordnung nicht mehr gegeben, weil der gewählte 5%-Wert von der Kommutierungsspannung immer wesentlich überschritten wird. Der Istwert ist zwar geringfügig verfälscht, weil der Begrenzungsabstand nicht unendlich klein ist, aber die Verfälschung bleibt konstant, so dass jegliche Mitkopplung durch den Strom entfällt. Ein derartiges Verhalten lässt sich mit den üblichen Glättungsgliedern nur bei sehr hohem Glättungs-aufwand erreichen.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin, dass auch bei Änderung der max. Arbeitsfrequenzen oder der Maschine keinerlei Abstimmarbeiten notwendig sind. Derartige Abstimmarbeiten sind beispielsweise erforderlich, wenn die Kommutierungsspannungen mit Glättungsein-richtungen unterdrückt werden, weil die Amplitude und die Dauer der Kommutierungsspannungen in hohem Masse von der Auslegung des Umrichters und den Maschinendaten abhängen.

Für die begrenzte Gleichspannung genügt ein Glättungsglied mit einer Zeitkonstante im ms-Bereich, um die noch vorhandenen höherfrequenten Störspannungen zu verhindern. Nach der erfindungsgemässen Ausführung wird ein Filter 2. Ordnung mit zwei gleichen Zeitkonstanten verwendet. Wegen der kleinen Zeitkonstanten ist eine für Regelvorgänge ausreichend schnelle Messung der Maschinenspannung möglich. Nach dem erfindungsgemässen Gedanken muss die Begrenzungseinrichtung immer ca. 5% über dem aktuellen Spannungsmittelwert eingreifen. Dies wird dadurch erreicht, dass der Begrenzungseingriff von der begrenzten und geglätteten Spannung mitgeführt wird. Da grosse Spannungshübe nur mit einer endlichen Verstellgeschwindigkeit durchgeführt werden können, ist sichergestellt, dass die begrenzende Spannung auch bei Ausgleichsvorgängen immer schnell genug erfolgt.

Mit dem erfindungsgemässen Verfahren werden die beschriebenen Nachteile dadurch vermieden, dass man

— den Spannungsregler mit einem dynamisch schnellen Signal vorsteuert, so dass sich der Stromsollwert sofort auf den neuen Lastzustand einstellen kann,

— für die Vorsteuerung ein Signal verwendet, das unabhängig von den Parametern der Maschine einen näherungsweise richtigen Stromsollwert vorgibt,

— bei dem gewählten Prinzip nur mit der richtigen Tendenz vorsteuern muss, d.h. Stromsollwerte erhöhen oder erniedrigen, weil absolute Fehler durch den überlagerten Spannungsregler ausgeglichen werden.

Nach dem erfindungsgemässen Gedanken wird der Spannungsregler mit einem Signal vorgesteuert, das porportional zum Betrag des cos des Phasenwinkels v|/ zwischen Maschinenstrom und der vom Ständerfluss der Maschine erzeugten Gegenspannung U \}/ ist. Dieses Signal ist besonders geeignet, weil es

— leicht messbar ist

— dynamisch schnell die richtige Tendenz der notwendigen Stromänderung vorgibt,

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— weitgehend unabhängig von Maschinenparametern und der Speisefrequenz ist.

Der cos i)/ als Vorsteuersignal wird aus dem Verschiebefaktor cos cp zwischen Maschinenstrom und Maschinenspannung ermittelt. Den Verschiebefaktor kann man auf einfache Art durch Division von Zwischenkreisgleichspannung Ud und Amplitude der Maschinenspannung Um berechnen. Der Unterschied zwischen cos \|/ und cos <p ist vor allem durch die Spannungsabfälle am Ständerwiderstand Ri der Maschine bedingt. Infolge dieser Spannungsabfälle weicht der cos \j/ im Bereich kleiner Frequenzen vom cos <p ab und ist nicht mehr symmetrisch zum Lastnullpunkt. Nach dem erfindungsgemässen Gedanken wird diese Abweichung durch ein Korrektursignal ausgeglichen, wobei dieses Korrektursignal von der Zwischen-s kreisgleichspannung abgeleitet wird. Eine Abstimmung des Korrektursignals ist normalerweise nicht erforderlich, weil sich geringe Verfälschungen durch das Prinzip der dynamischen Vorsteuerung nicht auswirken und die Abweichungen zwischen cos y und cos <p nur im untersten Frequenzbereich io auftreten.

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4 Blätter Zeichnungen

Claims (5)

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1. Verfahren zur Erhöhung der Regeldynamik von frequenzgesteuerten Asynchronmaschinen, bei denen die Maschinenspannung über einen Spannungsregler (12) mit unterlagerter Stromregelung vorgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsregler (12) ausgangsseitig mit einem Signal vorgesteuert wird, das proportional zum Betrag des cos y des Phasenwinkels zwischen Maschinenstrom Im und der vom Ständer-fluss der Maschine (9) erzeugten Gegenspannung U y ist, und das bei Änderung des Arbeitspunktes den neuen Stromsollwert vorgibt, auch wenn am Spannungsistwert noch keine Veränderungen ersichtlich sind, so dass die Anregelzeit des Spannungsregelkreises durch diese Vorsteuerung wesentlich verringert wird, wobei das zur Vorsteuerung verwendete Signal weitgehend unabhängig von den Parametern der angeschlossenen Maschine und vom Arbeitspunkt zumindest näherungsweise den richtigen Stromsollwert vorgibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Betrages von cos \j/ durch Division von Zwischenkreisgleichspannung Ud des speisenden Stromzwischenkreisumrichters (15) und Amplitude Um der Maschinenspannung der cos des Phasenwinkels <p zwischen Maschinenstrom und Maschinenspannung ermittelt wird und der gegenüber dem gewünschten Signal cos vjf verfälschende Einfluss des Spannungsabfalles am Ständerwiderstand Ri der Maschine (9) im Bereich kleiner Frequenzen dadurch kompensiert wird, dass zur Zwischenkreisgleichspannung Ud ein Korrektursignal Uk addiert wird, das im Generatorbetrieb einen Maximalwert aufweist und mit zunehmender motorischer Belastung näherungsweise linear bis Null abnimmt.

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PATENTANSPRÜCHE.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Korrektursignals Uk für das Signal cos V die oberschwingungsbehaftete Zwischenkreisgleichspannung Ud in einem Komparator (18) mit dem Spannungswert Null verglichen wird und dass das Ausgangssignal Uk des Komparators (18) für Spannungen Ud < 0 einen konstanten positiven Wert und für Spannungen Ud > 0 den Wert Null aufweist, so dass für Spannungsmittelwerte Ud < 0, d.h. generatorische Last, das Ausgangssignal des Komparators (18) positiv und konstant ist, für Spannungmittelwerte Ud = 0, d.h. Leerlauf, der Komparator (18) im Takt der Oberschwingungen in der Zwischenkreisgleichspannung Ud schaltet, so dass das mittlere Ausgangssignal des Komparators (18) einen Mittelwert annimmt und für Spannungsmittelwerte Ud §> 0, d.h. motorische Last, der Komparator (18) nicht schaltet und sein Ausgangssignal Null ist.

4. verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung der veränderlichen Grundschwingungsamplitude Um der Maschinenspannung die Maschinenspannungen in einer Brückenschaltung gleichergerichtet werden und dass sämtliche Spannungsspitzen, die den Mittelwert UiSt der gleichgerichteten Maschinenspannung um ein vorgebbares Mass A U überschreiten, in einer Begrenzungsschaltung (4) unterdrückt werden (Fig. 1).

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die begrenzte Gleichspannung mit einem Filter zweiter Ordnung (5) mit zwei gleichen Zeitkonstanten im ms-Bereich geglättet wird (Fig. 1).