DD288707A5 - Verfahren zur feldorientierten regelung einer pulsspannungswechselrichtergespeisten asynchronmaschine im feldschwaechbereich - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein zur feldorientierten Regelung einer pulsspannungswechselrichtergespeisten Asynchronmaschine im Feldschwaechbereich. Sie dient der regelungstechnischen Beherrschung der Feldschwaechung bei einer feldorientiert geregelten Asynchronmaschine. Erfindungsgemaesz wird die bekannte Struktur der Zweikomponentenstromregelung mit ueberlagerter Flusz- und Drehzahlregelung im Feldschwaechbereich so veraendert, dasz eine Fluszselbststeuerung der Maschine eintritt. Dazu wird der geglaettete Stromistwert der fluszbildenden Stromkomponente aus die Reglerausgaenge von Flusz- und Stromregler der fluszbildenden Stromkomponente geschaltet. Das Verfahren sichert die staendige Ausnutzung des zulaessigen Spannungsbetrages auch im Feldschwaechbereich. Es eignet sich insbesondere fuer die Anwendung in Spannungswechselrichtern mit niedriger Pulsfrequenz.{Verfahren; feldorientierte Regelung; Asynchronmaschine; Feldschwaechung; Pulswechselrichter; Spannungswechselrichter}

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Das Verfahren ist einsetzbar zur feldorientierten Regelung von Asynchronmaschinen, die von einem Pulswechselrichter mit Spannungszwischenkreis angesteuert werden, insbesondere solchem mit niedriger Pulsfrequenz.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Das Prinzip der feldorientierten Regelung einer Asynchronmaschine (s. Siemens Forschungs- und Entwicklungsberichte [1971/ 72] S. 184-193) ermöglicht eine dynamisch hochwertige und entkoppelte Regelung von Fluß und Drehmoment der Maschine. Dabei wird im Grunddrehzahlbereich über die Flußregelung eine konstante Rotorflußverkettung erreicht, da der komplexe Raumvektor der Ständelspannung der Maschine sowohl im Betrag als auch im Winkel durch die Regelung beeinflußt werden kann. Im Nennarbeitspunkt der Maschine erreicht der Spannungsbetrag im allgemeinen den zulässigen Maximalwert. Eine Drehzahlerhöhung über Nenndrehzahl erfordert eine Verringerung des Maschinenflusses.

Zur segelungstechnischen Beherrschung der Feldschwächung bei einer feldorientiert geregelten Asynchronmaschine sind zwei verschiedene Verfahren bekannt, die beide von einer dynamischen Regelreserve im Spannungsbetrag und damit von der Funktionsfähigkeit des Flußregelkreises ausgehen.

In der DE OS 3332 567 (H02 P7/44) wird z. B. eine drehzahlabhängige Verännderung des Flußsollwertes über einen Kennnliniengeber vorgeschlagen. Diese Kennlinie wird so berechnet, daß stets der maximale drehmomentbildende Strom ohne eine Veränderung des Flusses erreicht werden kann.

Der Einsatz einer überlagerten Spannungsbetragsregelung zur Bildung des Flußsollwertes wird z. B. in IEEE transaction industry applications (1980) Nr. 2 „Field-oriented control of a standard AC motor using mikroprocessors" vorgeschlagen. Nachteilig ist bei beiden Varianten die notwendige Regelreserve des Spannungsbetrages, die insbesondere bei Antrieben größerer Leistung nicht gewährleistet werden kann.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung hat das Ziel, eine pulsspannungswechselrichtergeepelsto Asynchronmaschine Im Feldschwächborelch bei konstanter Spannungeamplitude, d.h. getakteter Arbeitsweise des Pulsspannungewechselrichters, so feldorientiert zu regeln, daß der maximal zulässige Spannungsbetrag ausgenutzt und ein einfacher Übergang zwischen don beiden Drehzahlberelchon ermöglicht wird.

Darlegung des Wesens der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Feldschwächung einer feldorientiert geregelten Drehstromasynchronmaschine anzugeben, bei der die Maschine im Feldschwächbereich stets mit konstanter Spannungsamplitude angesteuert wird, aber dennoch eine vollständige Entkopplung der Steuerkanäle auch im dynamischen Betrieb gewährleistet ist. Grundlage ist ein Verfahren, bei dem über ein digital arbeitendes Flußmodell aus den Zustandsgrößen Ständerstrom und Drehwinkel die Lage und der Betrag der Rotorflußverkettung in der Maschine bestimmt wi d und der komplexe Raumvektor des Ständerstromes in das rotorflußfeste Koordinatensystem transformiert wird. Erfindungsgemäß wird die für den Betrieb im Grunddrehzahlbereich bekannte Struktur der unterlagerten Zweikomponentenstromregelung mit Entkopplungsnetzwerk und der überlagerten Fluß- und Drehzahlregelung mit Entkopplungsnetzwerk auf folgende Weise durch einen Zweipunktregler erweitert: Der Zweipunktregler nimmt nach Erreichen der Spannungsgrenze eine Strukturumschaltung im Fluß- und flußbildenden Stromregelkreis vor, die die Flußselbststeuerung der Maschine im Feldschwächbereich ermöglicht. Dabei wird der geglättete Stromistwert der flußbildenden Stromkomponente derart auf die Reglerausgänge von Fluß- und Stromregler der flußbildenden Stromkomponente geschaltet, daß die Entkopplungsstruktur !I im Arbeitspunkt gehalten wird und eine Steuerung der Maschine

über den drehmomentbildenden Steuerkanal möglich ist. Es stellt sich in jedem Arbeitspunkt der maximal mögliche Flußselbständig ein.

Die Erfindung funktioniert folgendermaßen: Ein positiver Drehzahlsollwertsprung im oberen Grunddrehzahlhereich bewirkt eine Erhöhung des Spannungsbetrages am Ausgang der Entkopplungsstruktur II. Dabei erreichtderSpannungsbetrag den Maximalwert, und der komplexe Raumvektor der Ständorspannung wird über eine winkelrichtige Begrenzung auf diesen Maximalwert begrenzt. Dadurch wird die Regelung in

einem Freiheitsgrad eingeschränkt, und der Strom in der Maschine kann den Sollwerten nicht mehr folgen. Insbesondere dieflußbildende Stromkomponente wird kleiner, wodurch der entsprechende Stromregler die Steuergröße weiter vergrößert undder eingestellte Hysteresewert im Zweipunktregler überschritten wird.

Es kommt zur Strukturumschaltung und damit zur Flußselbststeuerung im Feldschwächbereich. Das Drehmoment der Maschine

kann weiterhin gesteuert werden. Im Feldschwächbereich erfolgt dies über den Winkel des komplexen Raumvektors der

Ständerspannung. Ein negativer Drehzahlsollwertsprung im unteren Feldschwächbereich bewirkt wegen der abnehmenden Drehzahl und der Flußselbststeuerung bei konstanter Spannungsamplitude eine Flußerhöhung. Nach Erreichen des

eingestellten Flußsollwertes für den Grunddrehzahlbereich (im allgemeinen Nennfluß) schaltet der Zweipunktregler dieabgeschalteten und während der Feldschwächung mit dem flußbildenden Stromistwert geführten Regler wieder in die

Regelungsstruktur ein. Die Grundstruktur ist somit wieder hergestellt, und die Steuerung der Maschine über Betrag und Winkel

des komplexen Raumvektors der Ständerspannung ist möglich. Trifft die letztgenannte Bedingung nicht zu, erfolgt das

Zurückschalten beim Unterschreiten der durch den zweiten Hysteresewert des Zweipunktreglers festgelegten Spannungswertes, so daß z. B. beim Zuschalten der Maschine immer die Regelungsstruktur eingeschaltet ist. Die Verzögerungszeit der Entkopplungsstruktur Il wird im Feldschwächbereich auf Null gesetzt, damit die Spannungsgleichung

der Maschine erfüllt ist.

Ausfuhrungtibeisplel Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und den Fig. 1-3 erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen Fig. 1: das Blockschaltbild der Gesamtanordnung Fig. 2: die Darstellung der vorgeschlagenen Ablöseregelung zur Flußselbststeuerung Fig. 3: die Umschaltbedingungen des hysteresebehafteten Zweipunktreglers.

Die in Fig. 1 dargestellte Gesamtanordnung zeigt die Hauptbestandteile zur Zweikomponentenstromregelung einer pulsspannungswechselrichtergespeisten Drehstromasynchronmaschine DASM nach dem Prinzip der Orientierung auf die Rotorflußverkettung. Es wird davon ausgegangen, daß die Rotorflußverkettung mit einem digital arbeitenden Flußmodell 11 aus gemessenen Zustandsgrößen {Strangströme i„ ib, i_c, mittels inkrementalem Geber IGR ermittelte Drehzahl γ und Drehwinkel γ) berechnet und der komplexe Raumvektor des Ständerstrcms IJ im ständerfesten Koordinationssystem in den Vektor des Ständerstroms IJ' im rotorflußfeste η Koordinatensystem transformiert wird. Der Betrag des Rotormagnstisierungsstroms ί_μ und dessen Winkel φ, werden nach den Beziehungen

i_M = 1/T_r (L_ha/L_hu i?i - ί_μ) dt (1)

φ, = Y + «ί?ί L_h0)/(T, L_hu ί_μ)) dt (2)

/ cos (φ,) \ •M sin (φ,) j Ο)

berechnet.

Darin sind

T, die Rotorzeitkonstante, L_h, die Hauptinduktivität (gesättigt) L_hu die Hauptinduktivität (ungesättigt) IJJ der Istwert des Stroms in Flußrichtung und

i|{ der Istwert des Strom j senkrecht zur Flußrichtung Im rotorflußfesten Koordinatensystem.

Die Hauptinduktivität L_h, und die Rotorzeitkonstante T₁ sindeättigungsabänglg und werden als Funktion des Rotormagnetisierungsstroms Ι_μ in Tabellen abgelegt und nachgeführt. Der komplexe Raumvektor des Ständorstromee IJ wird mit dem berechneten Richtungsvektor d¹ durch den Vektordreher 12 in

den rotorflußfesten Vektor des Ständerstromes if gedreht.

Die sich anschließende unterlagerte Stromregelung besteht aus den digitalen Stromreglern 131,132, der Entkopplungsstruktur Il 142 zur Berechnung der Sollspannungskomponenten in Feldrichtung UJi sowie senkrecht zur Feldrichtung UIfJ und des Richtungsvektors dJon, der winkelrichtigen Spannungcbetragsbegrenzung 16 und dem Vektordreher 16. Der komplexe Raumvektor des Sollwertes der Ständerspannung U! wird mittels des Koordinatenwandlers 221 auf die drei Phasen verteilt und

mittels eines Ansteuerautomaten in Zündimpulse für den Pulsspannungswechselrichter umgewandelt. Die Sollwerte für die

Stromregelung werden durch die überlagerte Regelung im Flußregler 17 und Drehzahlregler 18 mit Entkopplungsstruktur

gebildet.

Zur Realisierung der erfindungsgemäßen Strukturumschaltung ist zusätzlich ein hysteresbehafteter Zweipunktregler

vorhanden.

Fig. 2 zeigt die Details der beschriebenen Regelungsstruktur. Alle verwendeten Regler sind digitale PI-Regler, deren Reglei ausgänge und Integratoren separat Degrenzt werden können. In der Entkopplungsstruktur Il 142 werden die Sollspannungskomponenten nach den Gleichungen U?i = R.f_a-Lo<i>..o„-y(1+pT₀) (4) U|p" = R · fp + L₀(P.,.,, · f_G/(1 + pT₀) + γ!_μ L_hu [.„,/ι, (5)

EMK

berechnet.

Der Winkel φ? für die Rücktransformation des komplexen Raumvektors der Ständerspannung uf vom rotorflußfesten ins Ständerkoordinatensystem wird entsprechend

<p!=Y + (ifp.-L_hg/T_tL_hui_M)dt (6)

\ βιηφ, /

gebildet.

Hierin bedeuteten R der Gesamtwiderstand der Asynchronmaschine, L₀ die Ständerstreuinduktivität,

f„ die Stellgröße des Stromreglers in Feldrichtung,

fp die Stellgröße des Stromreglers senkrecht zur Feldrichtung,

ρ derLaplace-Operator,

'Vat, i?p. verzögerte Stellgrößen der Stromregler,

T₀ die Streuzeitkonstante und

φ, der Sollwert der Ständerfrequenz.

Im Block Spannungsbetragsbegrenzung 15 wird der Betrag des Sollwerts der Ständerspannung UJ' gebildet und dessen Sollspannungskomponenten UJO, U|p bei Überschreiten des maximal zulässigen Spannur.gsbetrages /U/_mlx winkelrichtig nach folgendem Algorithmus auf die korrigierten Sollspannungskomponenten UJi₁₀,,, UJJi₁₀,, begrenzt:

(8)

O)

Der im Betragsbilder 21 ermittelte Betrag /U/i,, wird als Istwert für die Bildung einer ersten Schaltbedingung im Zweipunktregler 19 verwendet. Die zweite Schaltbedingung wird aus der Regelabweichung des Flußreglers 17 gebildet. Eine weitere Eingangsgröße für den Zweipunktregler 19 bildet der über einen digitalen Filter 20 mit der Glättungszeit T_g geglättete Istwert des Ständerstromes in Flußrichtung iJi.

Fig. 3 zeigt die erfindungsgernSß realisierten Umschaltbedingungen. Vom Zustand 1 (Grunddrehzahlbereich) in den Zustand 2 {Feldschwächbereich) wird bei der Bedingung

umgeschalten, d.h. wenn der Betrag des errechneten Sollwerte der Ständerspannung die maximal zulässige Spannung der Asynchronmaschine um den Hysteresewert H1 übersteigt. In umgekehrter Richtung wird in den Zustand 1 zurückgeschaltet, wenn

{μ·οΙΙ - 'μ!« ^ 0

wird, d. h„ wenn der Rotormagnetisierungsstrom i_Mseinen Sollwert wieder erreicht. Trifft diese Bedingung nicht zu, so gilt die weitere

/U/_m.x-/U/,._t>H2,

d. h„ es erfolgt die Umschaltung bei einer Spannungshöhe, dio durch den Hysteresewert H 2 bestimmt ist. Hiermit wird gewährleistet, daß sich beim Zuschalten der Maschine stets die Struktur für den Grunddrehzahlbereich einstellt. Der Hystereswert H 2 wird so hoch eingestellt, daß ein Ansprechen dieser Schaltschwelle bei dynamischen Vorgängen im Feldschwächbereich verhindert wird.

Ausgangsgrößen des Zweipunktreglers 19 sind die Begrenzungswerte des Flußreglers 17, des Stromreglers 131 für die Stellgröße des flußbildenden Stroms und für die Verzögerunoszeit T_v in der Entkopplungsstruktur Il 141. Diese Größen werden durch den Zweipunktregler 19 wie folgt eingestellt:

Zustand 1 (Grunddrehzahlbereich):

- Flußregler 17 Grenzwert Integrator = maximale Stellgröße e_omiX

Grenzwert Stellgröße = θ_αη,κ

- Stromregler 131 Grenzwert Integrator = maximale Stellgröße f_amix

Grenzwert Stellgröße =· f_Q,_n·*

-. Entkopplungsstruktur Il 142 VerzögerungszeitT_v = StreuzeitkonstanteT₀ Zustand 2 (Feldschwächboreich):

- Flußregler 17 Grenzwert Integrator = ij£/(1 + pTg)

Grenzwert Stellgröße = ifi/(1 + pTg)

- Stromregler 131 Grenzwert Integrator = i?J/(1 + pTg)

Grenzwert Stellgröße = i?i/(1 + pTg)

- Entkopplungsstruktur Il 142 Verzögerungszeit T_v = 0

Im Grunddrehzahlbereich sind die Begrenzungswerte des Stromreglers 131 und des Flußreglers 17 so eingestellt, daß der vorgegebene Flußsollwert über die Regelstrecke eingestellt werden kann. Die Verzögerungszeit T_v in der Entkopplungsstruktur Il 142 ist gleich der Streuzeitkonstante T₀ der Maschine entsprechend Gl. (4) und GL. (5). Bei Erreichen der durch die Spannungsbetragsbegrenzung ¹IZ vorgegebenen maximalen Spannungsamplitude /U/_mi* wiid der Sollwert der Ständerspannung uf' winkelrichtig nach Gl. (8) und Gl. (9) begrenzt, wodurch der flußbildende Strom in Ger Maschine automatisch zurückgeht. Über die Stellgrößen der Stromregler f_a und fp wird der Spannungsbetrag am Ausgang der Entkopplungsstruktur Il ' 42 weiter erhöht, so daß die Umschaltbedingung/U/_mu - /U/i,_t < H1 erreicht wird. Der Zweipunktregler 19 schalcet vom Zustand 1 in den Zustand 2 um. Die jetzt auf die Regler geschalteten Grenzwerte bewirken, daß sich der Betrag der Stand srspannung u*,' nicht mehr erhöht und etwa gleich der eingestellten maximalen Spannungsamplitude bleibt. Der Flußregelkreis und der Stromregelkieis wirken durch diese Umschaltung und Führung der Regelausgänge nicht mehr, die Stellgröße f_a wird gesteuert vorgegeben. Der Fluß in der Maschine stallt sich entsprechend der Drehzahl γ und des Belastungszustandes ein. Da durch die Führung des Ausganges des Stromreglors 131 die Steuergröße f_Q = i?£ /(1 + ρTg) ist, muß die Verzögerungszeit T_v = 0 gesetzt werden, damit die Spannunpsgleichung der Maschine erfüllt ist. Die drehmomentbildende Stromkomponente ijp kann im Feldschwächbereich bei konstanter Spannungsamplitude weiterhin über den Winkel der Ständerspannung u?' geregelt werden, die Feldorientierung bleibt erhalten. Wenn die Drehzahl der Maschine durch den Drehzahlregelkreis im Feldschwächbereich abgesenkt wird, steigt die flußbildende Stromkomponente \Va und damit der Fluß in der Maschine aufgrund der konstanten Spannungsamplitude an. Erreicht der Fluß seinen vorgegebenen Sollwert, so schaltet der Zweipunktregler 19 vom Zustand 2 in den Zustand 1 um. Dadurch werden größere Stellgrößensprünge in den nun wieder v. irksamen Regelkreisen vermieden.

Zur Ermittlung des Richtüngsvektors d»u für die Rücktransformation wird die verzögerte Stellgröße i?p« des Stromreglers 132 herangezogen. Sie ergibt mit dem sättigungsabhängig korrigierten Kehrwert der Rotorzeitkonstante K multipliziert und durch den Istwert des Magnetisierungsstroms i_p!„ geteilt die elektrische Rotorfrequenz <p_M. Nach Integration zum elektrischen Rotorwinkel <p„ und Addition mit dem elektrischen Drehwinkel Yf₁, ergibt sich der zur Rücktransformation benutzte Rotorflußwinkel. Üblich war bisher die Verwendung des im Feldmodell ermittelten Rotorflußwinkels zur Rücktransforrnation ins Ständerkoordinatensystem.

Durch diese Maßnahme ist es möglich, die im System auftretenden Totzeiten durch die Regler voll zu kompensieren. Die Verwendung des Winkels φ, führt bei größeren Totzeiten, d.h. bei niedriger Pulsfrequenz, wie sie bei Thyrfctorwechselrichtern auftritt, zur Verdopplung der Steuerkanäle.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist gegenüber bekannten Lösungen folgende Vorteile auf.

Es sichert die ständige Ausnutzung des maximal zulässigen Spannungsbetrages im Feldschwächbereich unter Beibehaltung der Vorteile der feldorie.itierten Regelung, wobei sich der Fiuß automatisch auf den für den konkreten Arbeitspunkt maximal möglichen Wert ei isteilt.

Das Verfahren kann insbesondere bei Anwendung von Thyristorspannungswechselrichtern mit niedriger Pulsfrequenz eingesetzt werden, da es eine getaktete Arbeitsweise des Pulsspannungswechselrichters oberhalb der Nennfrequenz der Maschine ermöglicht und Totzeiteinflüsse durch die Regler kompensiert werden.

Es orfordert einen minimalen rechentechnischen Mehraufwand zur Erhöhung des Drehzahlstellbereiches und ermöglicht ein gutes stationäres und dynamisches Verhalten des Antriebes.

Claims (6)

1. Verfahren zur feldorientierten Regelung einer pulsspannungswechselrichtergespeisten Asynchronmaschine im Feldschwächbereich, bei dem die Istwerte mittels eines digitalen Flußmodelles in das rotorflußfeste Koordinatensystem transformiert, einer Fluß- und Drehzahlregelung mit Entkopplungsnetzwerk sowie einer unterlagerten Zweikomponentenstromregelung mit Entkopplungsnetzwerk zugeführt und mittels Vektordrehung in den komplexen Raumvektor der Ständerspannung zurücktransformiert wird, gekennzeichnet dadurch, daß bei Erreichen der Aussteuergrenze des Wechselrichters mittels eines hysteresebehafteten Zweipunktreglers (19) eine Strukturumschaltung im Flußsteuerkanal in der Art vorgenommen wird, daß der geglättete Istwert der flußbildenden Stromkomponente (i£a) auf die Reglerausgänge vom Fluß- (17) und Stromregler (131) der flußbildonden Stromkomponente (f_Q) geschaltet wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die von der Entkopplungsstruktur ausgegebenen Sollspannungskomponenten (u?i_;u?p) winkelrichtig begrenzt werden.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Strukturumschaltung vom Normal- in den Feldschwächbereich bei Überschreiten des unbegrenzten Betrags des Spannungsvektors (/U/ ist) über den maximal zulässigen Spannungsbetrag (/U/ max) vorgenommen wird.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Strukturumschaltung vom Feldschwäch- in den Normalbereich vorgenommen wird, wenn der Istwert des Magnetisierungsstroms (ί μ ist) größer als der Sollwert des Magnetisierungsstroms (i μ soll) wird oder wenn der Betrag des Spannun&svektors (/U/ ist) einen festgelegten Betrag unterschreitet.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß bei der Strukturumschaltung vom Normal- in den Feldschwächbereich die Verzögerungszeit (TJ der Entkopplungsstruktur Il (142) zu Null gesetzt wird.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur Ermittlung des Richtungsvektors (d^s*8oii) für dio Rücktransformation des komplexen Raumvektors der Ständerspannung (U⁸ _S) im Ständerkoordinatensystem die verzögerte Stellgröße (if ^) im drehmomentbildenden Stromsteuerkanal (fp) benutzt wird.