CS223604B1

CS223604B1 - Connection for the control of semiconductor converters of frequency feeding synchronnous motors

Info

Publication number: CS223604B1
Application number: CS558981A
Authority: CS
Inventors: Vaclav Kopriva; Jan Dadek
Original assignee: Vaclav Kopriva; Jan Dadek
Priority date: 1981-07-22
Filing date: 1981-07-22
Publication date: 1983-11-25

Description

Vynález se týká energetických zařízení a řeší problém protáčení turbosoustrojí nebo jeho roztáčení z klidové polohy na požadovanou minimální rychlost otáčení.The invention relates to power devices and solves the problem of turning the turbine set or turning it from a rest position to a desired minimum rotation speed.

Řízení proudu tyristorových měničů kmitočtu napájejících synchronní motor je odvozeno od polohy rotoru stroje, která je určena v číslicové formě pomocí absolutního snímače polohy. Údaje o poloze jsou korigovány vzhledem k hodnotě magnetického pole statorového vinutí, respektive velikosti statorových proudů tak, aby byla umožněna regulace na minimální účinník stroje. Každému korigovanému údaji o poloze odpovídá trojice diskrétních analogových signálů, vytvořených v generátoru třífázového sinusového průběhu, které pak tvoří zadané hodnoty pro proudy jednotlivých fází statoru. Soustava uvedených analogových signálů splňuje pro všechny vyhodnocené polohy podmínky souměrné třífázové soustavy, takže skutečné proudy statoru mají stupňovité průběhy blízké sinusovým se vzájemným posuvem 120°, když amplitudy všeoh proudů jsou stejné a jsou úměrný požadovanému momentu stroje. Počet rozlišovaných poloh rotoru pak určuje přesnost přiblížení stupňovitého průběhu k sinusovému.The current control of the thyristor frequency converters supplying the synchronous motor is derived from the position of the machine rotor, which is determined in digital form by an absolute encoder. The position data are corrected for the magnetic field value of the stator winding, or the magnitude of the stator currents, respectively, so as to allow regulation to the minimum power factor of the machine. Each corrected position data corresponds to three discrete analog signals generated in the three-phase sine wave generator, which then form the setpoint values for the stator phase currents. The set of analog signals fulfills the conditions of a symmetrical three-phase system for all evaluated positions, so that the actual stator currents have a staggered waveform close to a sinusoidal offset of 120 ° when the amplitudes of all the currents are equal and proportional to the desired machine torque. The number of differentiated positions of the rotor then determines the accuracy of the step approach to the sine wave.

Další využití vynálezu je možné u všech pohonů.Further applications of the invention are possible with all drives.

i___________ii___________i

Obr. 1Giant. 1

Vynález se týká zapojení pro řízení polovodičových měničů kmitočtu napájejících synchronní motory v pohonech s regulací rychlosti, složeného z absolutního snímače polohy s diskrétním vyhodnocením polohy v číslicovém tvaru, převodníku napětí-číslo, sčítacího členu dvou číslicových hodnot a generátoru třífázového sinusového průběhu. Jedná se o takzvané přímé měniče kmitočtu neboli cyklokonvertory.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a circuit for the control of semiconductor frequency converters supplying synchronous motors in speed controlled drives, comprising an absolute position encoder with a discrete digital evaluation, a voltage-to-number converter, a two-digit summation and a three-phase sine wave generator. These are the so-called direct frequency converters or cyclo converters.

Způsoby řízení těchto měničů kmitočtu jsou založeny na použití řídicího generátoru kmitočtu, přičemž u prvého takzvaného nezávislého způsobu je řízení kmitočtu motoru nezávislé na vzájemné poloze magnetických os statorového a rotorového vinutí. Tento způsob je nevýhodný v tom, že motor si zachovává vlastnosti stroje synchronního i se všemi jeho známými nevýhodami, jako je možnost vypadnutí ze synchronismu, sklon ke kývání a podobně.The methods of controlling these frequency converters are based on the use of a control frequency generator, wherein in the first so-called independent method the control of the motor frequency is independent of the relative position of the magnetic axes of the stator and rotor windings. This method is disadvantageous in that the motor retains the characteristics of the machine synchronous with all its known disadvantages, such as the possibility of falling out of synchronism, the tendency to rock and the like.

U druhého závislého způsobu je řídicí a tedy i napájecí kmitočet stroje určen vzájemnou polohou magnetických os statorového a rotorového vinutí a synchronní motor získává výhodné vlastnosti stroje stejnosměrného. Dosud známé aplikace závislého řízení využívají k tvorbě řídicího kmitočtu buď napětí z pomocného stroje typu selsynu s buzením ze sítě 50 Hz nebo číslicového údaje z inkrementálního čidla polohy.In the second dependent method, the control and hence the supply frequency of the machine is determined by the relative position of the magnetic axes of the stator and rotor windings, and the synchronous motor acquires the advantageous properties of the DC machine. The prior art dependent control applications use either a voltage from a 50 Hz mains selector or a digital data from an incremental encoder to generate a control frequency.

Nevýhodou prvé aplikace je složité zpracování přivedených signálů sestávajících z provedení řady matematických operací a omezené použití při vyšších frekvencích, srovnatelných s frekvencí buzení pomocného stroje. Použití inkrementálního čidla polohy nezaručuje přesné vyhodnocení polohy magnetické osy rotorového vinutí, což snižuje momentové využití stroje. Problémem je pak zejména rozběh z klidu.The disadvantage of the first application is the complex processing of the applied signals consisting of performing a number of mathematical operations and the limited use at higher frequencies comparable to the excitation frequency of the auxiliary machine. The use of an incremental encoder does not guarantee an accurate evaluation of the magnetic axis position of the rotor winding, which reduces the torque utilization of the machine. The problem then is especially starting from calm.

Uvedené nedostatky odstraňuje zapojení podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že výstup absolutního snímače polohy, mechanicky spojeného s rotorem synchranního motru je spojen s prvním vstupem sčítacího členu. Druhý vstup sčítacího členu je spojen s výstupem převodníku napětí-číslo, jehož vstup, který je vstupem zapojení, je připojen na první vstup generátoru třífázového sinusového průběhu je připojen výstup sčítacího členu. Výstupy generátoru třífázového sinusového průběhu jsou připojeny na vstupy příslušných regulátorů proudu, které jsou součástí tyristorového měniče připojeného ke statorovému vinutí synchronního motoru.These drawbacks are eliminated by the circuit according to the invention, which is characterized in that the output of an absolute encoder mechanically connected to the rotor of the synchronous motor is connected to the first input of the adder. The second input of the adder is connected to the output of the voltage-number converter, whose input, which is the input of the wiring, is connected to the first input of the three-phase sine wave generator, the output of the adder is connected. The outputs of the three-phase sine wave generator are connected to the inputs of the respective current regulators that are part of the thyristor converter connected to the stator winding of the synchronous motor.

Praktické provedení předmětu vynálezu je na obrázcích výkresů. Na obr. 1 je blokové schéma zapojení pro řízení polovodičových měničů kmitočtu napájejících synchronní motory, na obr. 2 průběhy vstupních signálů v ustáleném stavu a na obr. 3 průběhy odpovídajících signálů v ustáleném stavu.A practical embodiment of the invention is shown in the drawings. Fig. 1 is a block diagram for controlling the semiconductor frequency converters feeding synchronous motors; Fig. 2 shows the waveforms of the input signals at steady state and Fig. 3 shows the waveforms of the corresponding signals at steady state.

Na obr. 1 je výstup 11 absolutního snímače polohy ASP, mechanicky spojeného s rotorem synchronního stroje SM, spojen s prvním vstupem 21 sčítacího členu SC. Druhý vstup 22 sčítacího členu SC je spojen s výstupem 32 převodníku PNC napětí-číslo. Na jeho vstup 31, který je vstupem zapojení, je připojen první vstup 41 generátoru GSP třífázového sinusového průběhu, na jehož druhý vstup 42 je připojen výstup 23 sčítacího členu SC. Výstupy 43, 44, 45 generátoru GSP třífázového sinusového průběhu jsou připojeny na vstupy 51, 52, 53 příslušných regulátorů proudu, které jsou součástí tyristorového měniče TM připojeného ke statorovému vinutí synchronního motoru SM.In Fig. 1, the output 11 of the absolute encoder ASP, mechanically coupled to the rotor of the synchronous machine SM, is coupled to the first input 21 of the adder SC. The second input 22 of the adder SC is connected to the output 32 of the PNC voltage-number converter. Its input 31, which is the wiring input, is connected to the first input 41 of the three-phase sinusoidal GSP generator, to whose second input 42 the output 23 of the adder SC is connected. The three-phase sinusoidal GSP generator outputs 43, 44, 45 are connected to inputs 51, 52, 53 of the respective current regulators that are part of a thyristor converter TM connected to the stator windings of the synchronous SM motor.

Na obr. 2a je průběh výstupního signálu d z absolutního snímače polohy ASP v závislosti na čase ωί. Výstupní signál d má stupňovitý průběh a nabývá postupně číslicových hodnot od 0 do 23. Jednotlivé časové úseky mají velikost ^π . Časového úseku až π,?dpovídá číslicová hodnota výstupního signálu d rovná 0 = 24.Fig. 2a shows the waveform of the output signal dz of the absolute encoder ASP as a function of time ωί. The output signal d has a stepwise waveform and takes incrementally the numerical values from 0 to 23. The individual time slots have the size ^π . The time interval up to π, σd corresponds to the digital value of the output signal d equal to 0 = 24.

Na obr. 2b je průběh posunu φι z převodníku PNC napětí-číslo v závislosti na čase <yt, který má konstantní hodnotu rovnou číslu 2.Fig. 2b shows the waveform φι from the PNC voltage-number converter versus time <yt, which has a constant value equal to number 2.

Na obr. 2c je průběh výstupního údaje $ sčítacího členu SC. Výstupní údaj & má stupňovitý průběh, který je určen součtem výstupního signálu d a posnu <pi a nabývá postupně číslicových hodnot od 0 do 23. Jednotlivé časové úseky mají velikostFig. 2c shows the waveform of the summation data SC of the addition member SC. The output value & has a stepped waveform, which is determined by the sum of the output signal d and the shift <pi, and takes incrementally the numerical values from 0 to 23.

Časovému úseku 0 ažTime period 0 to

12~odpovídá číslicová hodnota výstupního signálu d rovná 2.12 ~ corresponds to a digital value of the output signal d equal to 2.

Na obr. 3 jsou průběhy diskrétních výstupních analogových signálů Ir*, Is*, It* z generátoru GSP třífázového sinusového průběhu v závislosti na čase ωί. Průběhy mají stupňovitý charakter a jejich amplituda má hodnotu Ui. Časové úseky jednotlivých stupňů mají velikost Diskrétní výstupní analogové signály I_R*, I_s*, I_T* jsou stejné, liší se pouze fázovým posunem vůči časuFig. 3 shows the waveforms of discrete analog output signals Ir *, Is *, It * from the GSP generator of the three-phase sine waveform as a function of time ωί. The waveforms are of stepped character and their amplitude is Ui. Discrete output analog signals I _R *, I _s *, I _T * are the same, they differ only by phase shift relative to time

2π 3 ‘ ωί. Posun mezi nimi je2π 3 ‘ωί. The shift between them is

Diskrétní hodnoty jednotlivých stupňů jsou voleny tak, aby výsledný průběh byl blízký sinusovému.Discrete values of individual stages are chosen so that the resulting waveform is close to sinusoidal.

Funkce zapojení podle vynálezu je s přihlédnutím na výkresy následující:The function of the circuit according to the invention is as follows with reference to the drawings:

Poloha rotoru stroje, která vyjadřuje i polohu magnetické osy rotorového vinutí je určena v číslicové formě pomocí absolutního snímače ASP polohy, na jehož výstupu 11 je výstupní signál d. Počet rozlišovaných poloh rotoru „n“ je nutno volit podle toho, v jaké míře je požadována přesnost náhrady sinusového průběhu stupňovitým. Tato okolnost má pak vliv na velikost kolísání vyvozeného momentu stroje v ustáleném stavu.The position of the rotor of the machine, which expresses also the position of the magnetic axis of the rotor winding, is determined in digital form by an absolute encoder of ASP position, whose output 11 is output signal d. The number of differentiated positions of rotor "n" must be selected according to accuracy of sinusoidal waveform replacement. This circumstance then affects the magnitude of the variation of the applied torque of the machine at steady state.

Pro účel popisu funkce podle výkresů byly průběhy na obr. 2 a obr. 3 zakresleny pro n = 24. Na prvním vstupu 21 do sčítacího členu SC je výstupní signál d z absolutního snímače ASP polohy, určující polohu rotoru, jehož průběh v ustáleném stavu a v závislosti na čase je na obr. 2a. Výstupní signál d nabývá pro uvedený příklad číslicové hodnoty od 0 do 23, když číslo 24 je totožné s_0. Výstupní signál d je ve sčítacím členu SC sečten s posuvem <pi, výsledkem součtu je výstupní údaj ř>. Provedený posuv φι, který je v příkladu na obr. 2b roven číslu 2, , zabezpečuje korekci vyhodnocení polohy magnetické osy rotorového vinutí s přihlédnutím na pole statorového vinutí, což má r význam pro dosažení provozu stroje s maximálním účinkem.For the purpose of describing the function of the drawings, the waveforms in Fig. 2 and Fig. 3 have been plotted for n = 24. At the first input 21 to the summation member SC, the output signal dz of the absolute position sensor ASP determines the rotor position. as a function of time is shown in FIG. 2a. For example, the output signal d has a digital value from 0 to 23 when the number 24 is identical to s_0. The output signal d is summed in the adder SC with a displacement <pi, the result of which is the output value údaj>. The displacement φι, which in the example in Fig. 2b equals the number 2, provides a correction of the evaluation of the position of the magnetic axis of the rotor winding with respect to the stator winding field, which is important for achieving machine operation with maximum effect.

Převodník PNC napětí-číslo mimo převodu analogového údaje na číslicový, musí dále splňovat požadovanou závislost posunu g»i na zatěžovacím momentu, respektive statorovém proudu stroje, který je vyjádřen hodnotou U,. V ustáleném stavu je tedy i posun φ_τ konstantní. Pro výstup 23 sčítacího členu SC platí stejně jako pro jeho první vstup 21, že výstupní údaj í> nabývá číslicových hodnot od 0 do 23; 24 = 0. Posunutí výstupního údaje & vůči výstupnímu signálu d je patrno z jeho průběhu v závislostí na čase podle obr. 2c.The PNC voltage-to-digital converter, in addition to the conversion of the analogue data to the digital one, must also satisfy the required dependence of the displacement g »i on the load torque or the stator current of the machine, which is expressed by U value. In steady state, the displacement φ _τ is therefore constant. As with the first input 21 of the adder SC, the output data> has the numerical values from 0 to 23; 24 = 0. The displacement of the output data ' relative to the output signal d is evident from its course as a function of time according to FIG. 2c.

Každému číslicovému výstupnímu údaji &For each digital &

odpovídá trojice diskrétních výstupních analogových signálů I_R*, I_s*, I_T’, které jsou vytvořeny v generátoru GSP třífázového průběhu. Jak je zřejmé z obr. 3 mají diskrétní výstupní analogové signály I_R, I_s*, I_T* pro statorový proud stupňovitý průběh, když velikost jednotlivých stupňů je volena tak, aby průběhy byly blízké sinusovým. Soustava diskrétních výstupních analogových signálů I_R*, V, I_t*, které jsou vyjádřeny napětími ve voltech, je zobrazena na obr. 3a, 3b, 3c, když časové měřítko odpovídá obr. 2. Tato soustava splňuje podmínky souměrné třífázové soustavy, posun mezi jednotlivými diskrétními výstupními analogovými signály I_R*, I_s‘, I_T* je tedy—, respektive 120°, amplitudy všech průběhů jsou stejné a jejich velikost je rovna hodnotě Uj. Přiřazení velikosti skutečných statorových proudů I_R, I_s, I_t k jejich diskrétním výstupním analogovým signálům I_R*, I_s\ ϊτ* lze pak snadno určit volbou vstupních odporů regulátorů proudu v tyristorovém měniči TM.corresponds to three discrete analog output signals I _R *, I _s *, I _T ', which are generated in a three-phase GSP generator. As shown in FIG. 3, the discrete analog output signals I _R , I _s *, I _T * for the stator current have a step waveform when the magnitude of the individual stages is selected to be close to the sine waveform. A set of discrete analog output signals I _R *, V, I _t *, which are expressed in voltages, is shown in Figs. 3a, 3b, 3c when the time scale corresponds to Fig. 2. thus, between individual discrete analog output signals I _R *, I _s ', I _T * is— and 120 ° respectively, the amplitudes of all waveforms are the same and their magnitude is equal to Uj. The assignment of the actual stator currents I _R , I _s , I _t to their discrete analog output signals I _R *, I _s \ ϊτ * can then be easily determined by selecting the input resistors of the current regulators in the thyristor TM.

Výhodou tohoto zapojení je jeho snadná realizace při maximálním využití moderních elektronických součástí, možnost plného momentového využití stroje jak při rozběhu, tak při libovolné rychlosti a možnosti použití v celém rychlostním rozsahu, určeném zapojením výkonového obvodu polovodičového měniče kmitočtu.The advantage of this circuit is its easy realization with maximum utilization of modern electronic components, the possibility of full torque utilization of the machine both during start up and at any speed and the possibility of use in the whole speed range determined by wiring the power circuit of the semiconductor frequency converter.

Claims

Wiring for the control of semiconductor frequency converters supplying synchronous motors in speed-controlled drives, consisting of an absolute position encoder with a discrete digital evaluation, a voltage-to-number converter, a two-digit addition and a three-phase sine wave generator, 11) an absolute position sensor (ASP), mechanically coupled to the synchronous motor (SM) rotor, is coupled to a first input (21j of the adder (SC), the second input (22) of which is connected to

SUMMARY OF THE INVENTION An output (32) of a voltage-number converter (PNJJ) whose input (31J, which is the wiring input) is connected to a first input (41) of a three-phase sinusoidal waveform generator (GSPJ). of a three-phase sinusoidal generator (GSP) outputs (43, 44, 45) are connected to inputs (51, 52, 53) of the respective current regulators that are part of a thyristor converter (TM) connected to the stator winding of the synchronous Engine (SM).

3 sheets of drawings