DE10213563C1

DE10213563C1 - Verfahren zur Ermittlung der Drehzahl einer austrudelnden Drehstrommaschine

Info

Publication number: DE10213563C1
Application number: DE2002113563
Authority: DE
Inventors: Christoph Brunotte; Michael Setznagel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-03-26
Filing date: 2002-03-26
Publication date: 2003-09-18
Anticipated expiration: 2022-03-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Drehzahl einer austrudelnden Drehstrommaschine, bei dem die Remanenzspannung der Drehstrommaschine gemessen wird, sowie eine Anordnung mit einem Prozessor, ein Computerprogramm-Erzeugnis und ein computerlesbares Speichermedium. DOLLAR A Hierzu ist vorgesehen, dass DOLLAR A È die Remanenzspannungen der Statorwicklungen in Bandpassfiltern mit einem nachführbaren Frequenzband auf Bandpassausgleichsspannungen in einem engen Frequenzband begrenzt werden, DOLLAR A È die Bandpassausgangsspannungen in einer ersten Verfahrensstufe einer Schaltung zugeführt werden, in der die Bandpassausgangsspannungen zu Werten integriert werden, die die Flussverkettung in der Drehstrommaschine repräsentieren, mit deren Hilfe ein angenäherter Wert für die Drehzahl der Drehstrommaschine gebildet wird, DOLLAR A È mit dem das Bandpassfilter nachgeführt wird, DOLLAR A È und die Bandpassausgangsspannungen in einer zweiten Verfahrensstufe einem Phasenregelkreis zur Feinbestimmung der Drehzahl der Drehstrommaschine zugeführt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Dreh zahl einer austrudelnden Drehstrommaschine, bei dem die Rema nenzspannung der Drehstrommaschine gemessen wird. Die Kennt nis der Drehzahl der austrudelnden Maschine ermöglicht das Wiederanlassen der Maschine.

Beispielsweise wird für einen Drehstromasynchronmotor, der über einen Frequenzumrichter durch Steuerung von dessen Aus gangsfrequenz und Ausgangsspannung gesteuert wird, zum Fangen die Drehzahl der Maschine als Ausgangsdrehzahl für den Fre quenzumrichter benötigt. Nach einem Netzausfall oder einem gewollten Ausschalten einer frequenzgesteuerten Asynchron maschine kann diese nicht sofort wieder eingeschaltet werden, sofern nicht ihre aktuelle Drehzahl bekannt ist, da die Um richterfrequenz beim Wiedereinschalten mit der Motorfrequenz übereinstimmen und der Motorfluss erst allmählich wieder auf gebaut werden muss.

Es sind Verfahren zum Wiederanlassen eines Induktionsmotors bekannt, bei denen an den Motor eine Suchspannung angelegt oder ein Strom eingeprägt wird. Gleichzeitig wird die Fre quenz des Umrichters variiert. Dabei wird der gesamte freige gebene Drehzahlbereich durchsucht. Stimmen Motorfrequenz und Suchfrequenz annähernd überein, baut sich ein Fluss auf. Die ses kann durch ein Minimum im eingeprägten Strom beziehungs weise durch ein Maximum der Statorspannung erkannt werden. Die so ermittelte Frequenz ist die Anfangsfrequenz des Um richters beim Wiederanlassen, von der ab zunächst die Span nung allmählich erhöht und dann Frequenz und Spannung auf ei nen vorgegebenen Wert, zum Beispiel den für die ursprüngliche Soll-Drehzahl des Motors, angehoben werden.

Das Verfahren hat den Nachteil, dass das Stromminimum und die dadurch gekennzeichnete Drehfrequenz der Maschine insbeson dere bei kleinen Drehzahlen oft nicht sicher erkannt werden kann. Es werden mehrere Parameter und Schwellen benötigt, die schwer einzustellen sind (Steilheit der Suchrampe, Höhe des Suchstromes, Schwellwerte für die Minimumerkennung usw.). Ferner kann der Suchvorgang sehr lange andauern, insbeson dere, wenn beide Drehrichtungen freigegeben sind. Bei der Lö sung kommt es oft zu Abschaltungen wegen einer Zwischenkreis überspannung, da wegen der unbekannten Drehzahl generatorisch zurückgespeist werden kann.

Aus DE 35 43 941 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl einer noch drehenden Drehstrommaschine bekannt, bei dem die Remanenzspannung der Drehstrommaschine gemessen wird. Es wird die Remanenzspannung wenigstens einer der Wicklungen ausgewertet, indem diese in eine Rechteckspannung umgewandelt und daraus ein der Frequenz der Maschine proportionales Sig nal gebildet wird. Die Geschwindigkeit der Drehzahlbestimmung ist gegenüber dem oben genannten Verfahren zwar höher, das Verfahren versagt jedoch bei kleinen Drehzahlen (unter 1 Hz), da die Remanenzspannung hier nur noch sehr gering ist.

Ein weiteres Verfahren zum Wiederanlassen eines Induktions motors ist aus der EP 0 469 177 A1 bekannt, bei dem ebenfalls die Remanenzspannung der Maschine zur Bestimmung der aktuel len Drehzahl ausgenutzt wird. Es werden mindestens zwei Rema nenzspannungswerte zu unterschiedlichen Zeiten gemessen, aus denen ein Beschleunigungswert der Maschine bestimmt wird. In einer anschließenden Erregungszeit wird die Maschine auf den Umrichter geschaltet, wobei die Ausgangsfrequenz des Umrich ters durch Interpolation des ermittelten Beschleunigungswer tes dem Ist-Frequenzwert der Maschine nachgeführt wird. Wäh rend der Erregungszeit wird gleichzeitig die Ausgangsspannung des Umrichters hochgesteuert. Nach Ablauf der eingestellten Erregungszeit ist die Maschine gefangen und kann wieder auf die vorbestimmte Drehzahl hochgesteuert werden.

Das Verfahren hat den Nachteil, dass die Messung der Be schleunigung bei kleinen Motordrehzahlen eine gewisse Zeit dauert, da mehrere Perioden der Remanenzspannung erfasst wer den müssen und bei einer Motorfrequenz unter 1 Hz ebenfalls keine Messung mehr möglich ist.

Aus der DE 31 11 819 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrich tung zur Ermittlung einer Drehzahl eines Asynchronmotors be kannt, das das im Motorstrom vorhandene Spektrum von Harmo nischen ausnutzt. Diesem Verfahren liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass unter jeder Harmonischen ein Spektrum vorhanden ist, die von nichtlinearen magnetischen Eigenschaften des Eisens erzeugt werden. Diese Harmonische und das zugehörige Spektrum wird hinsichtlich eines Frequenzunterschiedes ausge wertet. Aus dem Frequenzunterschied wird ein Schupf bestimmt, wodurch die gesuchte Drehzahl gegeben ist. Eine Vorrichtung zu Ermittlung einer Drehzahl weist einen Bandpassfilter mit nachgeschalteten Phasenregelkreis auf. Mittels des Bandpass filters wird das Spektrum unterhalb einer Harmonischen höhe rer Ordnung ermittelt, das auf den nachgeschalteten Phasen regelkreis gegeben wird. Dieser Phasenregelkreis liefert die Frequenz der höchsten auftretenden Amplitude dieses Spek trums. Mit dieser Frequenz hat man in Abhängigkeit der Grund frequenz und der synchrone Drehzahl die gesuchte Drehzahl. Da bei diesem Verfahren ein Spektrum unterhalb einer Harmoni schen hoher Ordnung ausgewertet wird, ist dieses Verfahren zur Ermittlung kleiner Drehzahlzahlen wegen zu geringer Am plituden nicht verwendbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem sichere Werte für die Drehzahl auch noch bei Drehfrequenzen unter 1 Hz zu bestimmen sind.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 7. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Danach wird die Drehzahl der austrudelnden Maschine über die Restspannung (Remanenzspannungen) in der Maschine bestimmt. Dazu ist eine motorseitige Spannungsmessung erforderlich. Da die Restspannungen sehr klein sind und mit der sinkenden Drehzahl gegen Null gehen, sind Aufbereitungsverfahren not wendig, die nachfolgend beschrieben werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht in der Aufbereitung und Auswertung der sehr kleinen, stark verrauschten und mit einem Gleichanteil behafteten Spannungssignale. Im Einzelnen sind dies:

- Adaptive Bandpassfilter, die in Abhängigkeit der Motor frequenz nachgeführt werden. Dadurch werden mögliche Gleichanteile im Messsignal herausgefiltert und das Mess- und Quantisierungsrauschen kann stark vermindert werden.
- Ein ungenaues, aber sehr robustes Verfahren zur Fre quenzbestimmung. Die so gewonnene Frequenz wird zur Nachführung der Bandpassfilter genutzt. Bei dieser Ver fahrensstufe können insbesondere bei hohen Frequenzen größere Abweichungen auftreten. Für die Nachführung ist dies aber nicht relevant.
- Die Ergänzung des robusten Verfahrens mit einem genaue ren Verfahren mit Hilfe eines Phasenregelkreises (PLL). Der Phasenregelkreis liefert sehr genaue Drehzahlwerte. Er ist aber auch anfälliger gegen Störungen. Die von der PLL bestimmte Frequenz wird daher zweckmäßig über das robuste Verfahren nochmals auf Plausibilität geprüft, indem sich die PLL-Frequenz nur innerhalb eines vorgege benen Bandes ändern darf.

Gegebenenfalls reicht es, nur die Remanenzspannung in einem Maschinenstrang zu messen und die benötigte zweite Spannung durch Phasendrehung oder Integration zu gewinnen.

Das Verfahren arbeitet sehr robust und es werden keine Ein stellparameter benötigt. Trotz Gleichanteil in den Messwerten und Messwertquantisierung, die deutlich größer als das Nutz signal ist, ist es möglich, eine Drehzahl aus den Spannungen zu ermitteln. Messungen an einer Versuchsanlage haben ge zeigt, dass mit dem Verfahren Frequenzen bis unter 1 Hz ge messen werden können.

Das Verfahren kann vollständig in digitaler Technik reali siert werden. Die Erfindung umfasst auch entsprechende Pro grammträger, auf denen Programme zur Durchführung des Verfah rens gespeichert sind.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Die Zeichnung zeigt ein Blockschaltbild zur Bestimmung der aktuellen Drehzahl ei ner Asynchronmaschine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Zunächst soll auf das Funktionsprinzip eingegangen werden. Die Remanenzspannungen, die sich bei einer austrudelnden Ma schine aufgrund des Remanenzflusses einstellen, sind sehr klein und nehmen mit der Drehfrequenz linear ab (rotatorische Induktion). Im Stillstand werden folglich keine Nutzspannun gen mehr gemessen, aus denen sich eine Drehfrequenz ableiten ließe. Es verbleibt lediglich das Rauschen der Spannungs wandler. Dieses Rauschen darf zu keinen größeren Schwankungen der geschätzten Drehzahl beziehungsweise Frequenz führen. Au ßerdem sollte die Frequenz möglichst nahe an der tatsächli chen Drehfrequenz des Motors liegen. Um dies gewährleisten zu können, ist das Verfahren zweistufig ausgelegt. Die erste Stufe ist sehr robust gegen Rauscheinflüsse und liefert einen guten Schätzwert für die tatsächliche Frequenz (Blockschalt bild Punkte 2, 3 und 4). Bei hohen Frequenzen stehen größere Spannungspegel zur Verfügung und die Frequenz wird mit einem Phasenregelkreis (PLL) ermittelt (Punkte 6 und 7). Die Her leitung beider Verfahrensstufen wird unten näher beschrieben.

Beide Verfahrensstufen arbeiten nur zuverlässig, wenn kein Gleichanteil auf den Messsignalen ist. Die Eingangsspannungen werden daher zunächst über einen Hochpass geführt. Außerdem ist es ratsam, den Rauschpegel auf den Spannungssignalen durch einen Tiefpass zu glätten. Hintereinander geschaltet bilden beide Filter einen Bandpass (Punkt 1), dessen Durch lassfrequenz genau auf die elektrische Drehfrequenz des Mo tors abgestimmt wird. Die Nachführung der Filterzeitkonstante T_BP des Bandpasses wird mit der geschätzten Frequenz w_L nach der ersten Verfahrensstufe durchgeführt, weil diese Frequenz w_L robust gegenüber Störungen ist. Die Nachführung wird auf eine maximale und eine minimale Frequenz begrenzt.

Um ein sicheres Einschwingen der Anordnung gewährleisten zu können, wird das Bandpassfilter während der Hochaufphase durch eine langsame Rampe geführt. Die Eckfrequenz 1/T_BP der Filter wird beginnend mit 1/(5.Abtastzeit) langsam herunter gefahren. Dieser Vorgang ist beendet, sobald die Frequenz ω_L größer als die Suchfrequenz ist. Danach gibt die Frequenz ω_L wieder die Eckfrequenz des Bandpasses vor.

Funktion der ersten Verfahrensstufe

Die bereits durch den Bandpass (Punkt 1) aufbereiteten Stän derspannungen im a/b-System lauten;

UA = u_α = -ωΨ₀ sin(ωt)

UB = u_β = ωΨ₀ sin(ωt)

Dabei ist Ψ₀ die Flussverkettung in der Maschine (auch Rema nenzfluss Φ). Werden diese Spannungen jeweils über ein Fil ter erster Ordnung (PT1) mit der Zeitkonstante T geglättet, dann stellen sich näherungsweise die a/b-Flüsse ein (Punkt 2). Bei dieser Näherung wird zunächst davon ausgegangen, dass die Rotorfrequenz ω_L groß gegenüber der inversen PT1-Zeit konstante 1/T ist. In diesem Fall wirkt das PT1 wie ein rei ner Integrator. Stationär erhält man nach der Glättung die kartesischen Ständerflüsse Ψ_a und Ψ_b:

Die Flussverkettungen Ψ_a und Ψ_b sind gegenüber den Spannungen u_a/u_b gedämpft und phasenverschoben. Die stationäre Dämpfung des PT1 wird durch den Wurzelausdruck im Nenner beschrieben. Die stationäre Phasenverschiebung wird durch den arctan(wT)- Ausdruck im Zähler berücksichtigt. Es handelt sich also um quasi-stationäre Betrachtungen, weil sich die Drehzahl nur sehr langsam ändert (austrudelnde Maschine). Werden Flüsse und Spannungen kreuzweise korreliert und addiert (Punkt 4), erhält man:

u_korr = -u_αΨ_β + u_βΨ_α

Einsetzen obiger Flussgleichungen und anschließende Mittel wertbildung über eine oder auch mehrere ganzzahlige Perioden von ω (ω_L) führt auf (Punkt 3):

Das Quadrat des Flussbetrages lautet:

Ψ² = Ψ_α ² + Ψ_β ²

Das Verhältnis der Mittelwerte von u_korr und |Ψ| ist nun:

Aus diesem Messwert kann unmittelbar die Kreisfrequenz ω_L be stimmt werden, da die Zeitkonstante T des PT1 bekannt ist. Erstaunlicherweise kann auf diese Weise immer die richtige Frequenz berechnet werden, auch wenn die Spannungsintegration über das PT₁ nicht exakt ist.

Funktion der zweiten Verfahrensstufe

Der Phasenregelkreis (PLL - Punkt 7) verarbeitet ebenfalls die gefilterten a/b-Spannungen:

UA = u_α = -ωΨ₀ sin(ωt)

UB = u_β = ωΨ₀ cos(ωt)

Nach der Normierung mit dem Spannungsbetrag

stehen Sinus und Kosinus des Spannungswinkels zur Verfügung. Die Transformation in ein rotierendes Koordinatensystem mit dem Winkel ε liefert folgende Regelabweichung:

Multipliziert mit der P-Verstärkung 2/T₀ (T₀ ist die Abtast zeit) ergibt sich Kreisfrequenz ω, die anschließend zum Win kel integriert wird:

Die eigentliche Nutzfrequenz wird somit aus dem Phasenregel kreis abgeleitet. Der Eingang des Winkelintegrators ist dann die gesuchte Kreisfrequenz ω, die nach Glättung zu ω_P und Normierung ausgegeben wird. Der Phasenregelkreis (Punkt 7) besitzt nur einen einfachen P-Regler. Damit die Kreisverstär kung des Phasenregelkreises bei niedrigen Frequenzen nicht abnimmt, müssen die Eingangssignale U_aBP und U_bBP vor Zuführung an einen Phasendreher PD des Phasenregelkreises (Punkt 7) durch ihren Betrag geteilt werden (Punkt 6). Der Ausgang des P-Reglers des Phasenregelkreises, der gleichbedeutend mit ω ist, wird ferner in seiner Schwankungsbreite begrenzt. Das erlaubte Frequenzfenster für Frequenzsprünge wird von der ro busten Frequenz ω_L abgeleitet (Punkt 5). Bei kleinen Frequen zen ist somit im Wesentlichen die robuste Frequenz ω_L wirk sam. Die obere Grenze ist mit 1,4 ω_L deutlich größer als die untere Grenze mit 0,9 ω_L. Dies liegt daran, dass das robuste Verfahren bei hohen Frequenzen immer ungenauer wird und zu kleine Frequenzen anzeigt (dies ist ein systematischer Feh ler, der durch die zeitdiskrete Signalverarbeitung hervorge rufen wird). Es ist folglich ein ausreichend großer Freiraum nach oben offen zu lassen. Das Verfahren arbeitet mit diesen Einstellungen bis zu einer Frequenz von 1/(5.Abtastzeit).

Versuche haben gezeigt, dass der Phasenregelkreis die aufbe reiteten Spannungssignale bis zirka 1% Drehzahl noch sauber verwerten kann. Danach greift die robuste Verfahrensstufe über den Begrenzungsmechanismus ein. Dadurch kann das Fre quenzrauschen auf ca. +/-½ Hz reduziert werden. Letztlich ist dieser Bereich noch weiter einzuschränken, wenn die Fil terzeitkonstanten entsprechend hochgesetzt werden.

Bei 5% Drehzahl betrug die Remanenzspannung im Versuch nur noch zirka ¼ Volt. Dies reichte aber aus, um einen exakten Drehzahlwert bestimmen zu können.

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung der Drehzahl einer austrudelnden Drehstrommaschine, bei dem die Remanenzspannung der Dreh strommaschine gemessen wird, dadurch ge kennzeichnet, dass
die Remanenzspannungen der Statorwicklungen in Bandpass filtern mit einem nachführbaren Frequenzband auf Band passausgangsspannungen in einem engen Frequenzband be grenzt werden,
die Bandpassausgangsspannungen in einer ersten Verfah rensstufe einer Schaltung zugeführt werden, in der die Bandpassausgangsspannungen zu Werten integriert werden, die die Flussverkettung in der Drehstrommaschine reprä sentieren, mit deren Hilfe ein angenäherter Wert für die Drehzahl der Drehstrommaschine gebildet wird,
mit dem die Bandpassfilter nachgeführt werden,
und die Bandpassausgangsspannungen in einer zweiten Ver fahrensstufe einem Phasenregelkreis zur Feinbestimmung der Drehzahl der Drehstrommaschine zugeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass in der Schaltung für die erste Verfahrensstufe die integrierten Werte der Bandpassausgangsspannungen mit sich selbst und kreuzweise mit den Bandpassausgangsspannungen multipliziert und die Produkt werte im ersten Pfad summiert, im zweiten Pfad subtrahiert, das Verhältnis der resultierenden Differenz zur Summe gebil det wird, und der Ausgangswert als angenäherter Drehzahlwert der Drehstrommaschine verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Aus gang des Phasenregelkreises entsprechende Drehzahlwert mit einem aus dem angenäherten Drehzahlwert der ersten Verfah rensstufe hergeleiteten oberen und unteren Begrenzungswert gefenstert wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Bandpassausgangsspannungen vor Übergabe an den Phasenregelkreis durch ihren Betrag dividiert werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Bandpassfilter in der Hochlaufphase über eine Rampe ge führt werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass eine der Remanenzspannungen durch Phasendrehung oder Inte gration aus einer in einem Maschinenstrang gemessenen Rema nenzspannung gebildet wird.

7. Anordnung zur Ermittlung der Drehzahl einer austrudelnden Drehstrommaschine, deren Remanenzspannung gemessen wird, mit einem Prozessor, der derart eingerichtet ist, dass er
die Werte für die gemessenen Remanenzspannungen der Sta torwicklungen in Bandpassfiltern mit einem nachführbaren Frequenzband auf Bandpassausgangswerte in einem engen Frequenzband begrenzt,
die Bandpassausgangswerte in einer ersten Verfahrens stufe zu Werten integriert, die die Flussverkettung in der Drehstrommaschine repräsentieren, und mit deren Hilfe einen angenäherten Wert für die Drehzahl der Dreh strommaschine bildet,
mit dem angenäherten Wert für die Drehzahl das Bandpass filter nachführt,
und die Bandpassausgangswerte in einer zweiten Verfah rensstufe einem Phasenregelkreis zur Feinbestimmung der Drehzahl der Drehstrommaschine zuführt.