DE10327615A1

DE10327615A1 - Verfahren zur Ermittlung der Sättigungscharakteristik einer Streuinduktivität einer Asynchronmaschine

Info

Publication number: DE10327615A1
Application number: DE10327615A
Authority: DE
Inventors: Lutz Namyslo; Viktor Dr. Wesselak
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-06-18
Filing date: 2003-06-18
Publication date: 2005-02-03
Anticipated expiration: 2023-06-19
Also published as: DE10327615B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung einer Sättigungscharakteristik einer Streuinduktivität (L¶sigma¶') einer stromrichtergespeisten Asynchronmaschine (10), insbesondere mit geschlossenen Läufernuten. Erfindungsgemäß wird ein angehobener sinusförmiger Ständerstrom (i¶s¶(t)) in die Asynchronmaschine (10) eingeprägt, wird anhand des GAMMA-Ersatzschaltbildes einer Asynchronmaschine (10) im Stillstand und einem Integral einer Wirkleistungsbilanz für den Rotorzweig ein Rotorwiderstand (R¶r¶'') und die Streuinduktivität (L¶sigma¶') als Funktion über der Zeit (t) ermittelt, aus denen die Sättigungscharakteristik der Streuinduktivität (L¶sigma¶') gebildet wird, aus der ein gesättigter Streuinduktivitätswert (L¶sigma¶') für die Rückrechnung auf das inverse GAMMA-Ersatzschaltbild einer Asynchronmaschine (10) im Stillstand ausgelesen wird. Somit erhält man ein Verfahren, mit dem es möglich wird, die Sättigungscharakteristik einer Streuinduktivität (L¶sigma¶') einer Asynchronmaschine (10), insbesondere mit geschlossenen Läufernuten, zu ermitteln.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung einer Sättigungscharakteristik einer Streuinduktivität einer stromrichtergespeisten Asynchronmaschine, insbesondere mit geschlossenen Läufernuten, und einer Verwendung dieses Verfahrens bei einem Verfahren zur Selbstinbetriebnahme.
Der Einzug der Mikrorechnertechnik in der Antriebstechnik hat dem Anwender neben den komfortableren Bedien- und Diagnosemöglichkeiten noch viele weitere Vorteile gebracht. Bei den Pulsumrichtern für Drehstromantriebe ermöglicht sie z.B. eine kostengünstige Implementierung moderner Regelverfahren, die beispielsweise auf dem Prinzip der Feldorientierung beruhen. Zahlreiche Funktionen, die bisher zusätzliche Baugruppen erforderten, können jetzt als Softwareoption angeboten werden.
Der Mikrorechner kann darüber hinaus sogar Aufgaben übernehmen, die sich in konventioneller Technik überhaupt nicht lösen ließen. Dazu gehört z.B. die Selbstinbetriebnahme.
Die Selbstinbetriebnahme ist ein automatisch ablaufendes Test- und Messprogramm, das das Leistungsteil und die Messglieder prüft, die elektrischen Parameter einer angeschlossenen Maschine bestimmt und aufgrund dieser Messdaten beispielsweise eine Momentenregelung einstellt.
Die Selbstinbetriebnahme ermöglicht damit eine schnelle und sichere Inbetriebnahme von Antrieben. Sie kommt ohne langwierige Testläufe und ohne spezielle Messgeräte aus und kann auch ohne spezielle Kenntnisse über Struktur und Funktion der Vektorregelung durchgeführt werden.
In der 1 ist ein Ersatzschaltbild eines bekannten Spannungszwischenkreis-Umrichters dargestellt, der aus einer Gleichspannungsquelle 1, die auch rückspeisefähig ausgeführt sein kann, und einem Pulswechselrichter 2 besteht. Gleichspannungsseitig sind diese mittels eines Spannungszwischenkreises miteinander gekoppelt. Ein Mikrorechnersystem 4 bearbeitet alle Regelfunktionen, berechnet die Ansteuerimpulse S_v für den Pulswechselrichter 2 und bedient die Kundenschnittstelle 6 und die Bedieneinheit 8, die beispielsweise als Drucktastenfeld mit einer zweizeiligen LCD-Anzeige ausgeführt sein kann.
Die Regelung basiert beispielsweise auf dem Prinzip der Feldorientierung, mit dessen Hilfe Drehmoment und Fluss einer Asynchronmaschine 10 wie bei der Gleichstrommaschine unabhängig voneinander geregelt werden können. Für die Regelungs- und Überwachungsfunktionen werden eine Zwischenkreisspannung U_d gemessen und die Maschinenströme i_R, i_S, i_T erfasst, von denen nur zwei gemessen werden. Die feldorientierte Regelung ist mit und ohne Drehzahlgeber 12 möglich.
Bei den bekannten Verfahren zur Selbstinbetriebnahme werden elektrische Maschinenparameter einer Asynchronmaschine identifiziert. Diese Maschinenparameter werden mit Hilfe eines Prozessmoduls des pulswechselrichtergespeisten Asynchronmotors im Stillstand mittels eines dreistufigen Verfahrens identifiziert.
Bei Auslieferung eines derartigen handelsüblichen Spannungszwischenkreis-Umrichters befindet sich dieser Umrichter im Inbetriebnahmemodus, in dem er die Eingabe von für den Betrieb wichtigen Daten erwartet.
Es müssen die Daten des Typenschilds der Asynchronmaschine 10, wichtige Grenzwerte für die Regelung und Informationen über die gewünschte Regelungsart, wie z.B. Drehzahl- oder Momentenregelung mit oder ohne Drehzahlgeber, eingegeben wer den. Die Eingabe geschieht in einem Inbetriebnahmemenü. Hier werden auch die weiteren Inbetriebnahmeschritte, nämlich die Messung bei stillstehendem Motor und einer Drehzahlregleroptimierung aktiviert.
Für einen effizienten und sicheren Betrieb von Asynchronmotoren an Stromrichtern müssen zur Parametrierung der Regelung die Nenndaten des Motors bekannt sein. Insbesondere betrifft das die Nenndaten Nenn-Strom I_N, Nenn-Spannung U_N und Nenn-Frequenz f_N.
Wie bereits erwähnt, werden mit einem Selbstinbetriebnahme-Verfahren die vier Parameter "Ständerwiderstand", "Ständerinduktivität", "Streuinduktivität" und "Rotorwiderstand" in drei Schritten ermittelt. Grundlage der bekannten Selbstinbetriebnahme-Verfahren ist das inverse Γ-Ersatzschaltbild der Asynchronmaschine 10. Dieses Ersatzschaltbild entsteht aus den folgenden Maschinengleichungen einer Asynchronmaschine 10 im Stillstand US = RsIs + ∂Ψs/∂t (1) 0 = RrIr + ∂Ψr/∂t (2) Ψs = LsIs + LmIr (3) Ψr = LmIs + LrIr (4)über eine Elimination des Ständerflusses Ψ_s und durch Einführung eines Magnetisierungsstromes I_m mit
und des Streukoeffizienten σ mit
Ein derartiges inverses Γ-Ersatzschaltbild einer Asynchronmaschine 10 im Stillstand zeigt die 2.
In einem ersten Schritt wird in Abhängigkeit einer Einprägung eines ständerseitigen Gleichstromes der Parameter "Ständerwiderstand" berechnet. In einem zweiten Schritt wird der Parameter "Ständerinduktivität" bestimmt, indem wieder ein Gleichstrom in die Maschine 10 eingeprägt wird. In einem dritten Schritt, der sogenannten Frequenzgangmessung, werden die beiden noch fehlenden Parameter "Streuinduktivität" und Rotorwiderstand" ermittelt. Dazu wird die Maschine 10 einphasig mit einem angehobenen Sinussignal angeregt, dessen Frequenz in der Nähe der Schlupffrequenz der Maschine 10 liegt. Diese Frequenzgangmessung zur Ermittlung der Parameter "Rotorwiderstand" und "Streuinduktivität" geht dabei von konstanten Parametern aus.
Weisen die Parameter "Streuinduktivität" und "Rotorwiderstand" nun eine Abhängigkeit, beispielsweise von der Ständerspannung der stromrichtergespeisten Asynchronmaschine 10 auf, liefern die bekannten Selbstinbetriebnahme-Verfahren keine zuverlässigen Werte mehr. Besonders deutlich wird dieses Problem bei Asynchronmaschinen größerer Leistung, insbesondere mit geschlossenen Läufernuten.
Die 3 zeigt einen zeitlichen Verlauf einer gemessenen Ständerspannung U_s eines 63 kW Hauptspindelmotors, wobei in der 4 über der Zeit t der zugehörige Ständerstrom I_s dieses Motors veranschaulicht ist. Die ausgeprägten "Spitzen" im Verlauf der gemessenen Ständerspannung U_s entstehen im Nulldurchgang des Rotorstromes und sind auf einer Entsättigung der Läuferstreuinduktivität zurückzuführen. Diese Nichtlinearität führt zu einem Grundschwingungsfehler, der die aus der Frequenzgangmessung gewonnenen Werte für die Parameter "Rotorwiderstand" und "Streuinduktivität" zum Teil massiv verfälscht.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Sättigungscharakteristik einer Streuinduktivität einer Asynchronmaschine, insbesondere eine Asynchronmaschine mit geschlossenen Läufernuten, ermittelt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Dadurch, dass anstelle des inversen Γ-Ersatzschaltbildes ein Γ-Ersatzschaltbildes des Asynchronmaschine im Stillstand und dass ein Integral einer Energiebetrachtung für den Läufer verwendet werden, besteht erst überhaupt die Möglichkeit, eine Sättigungscharakteristik der Streuinduktivität einer Asynchronmaschine in Abhängigkeit des durch sie fließenden Stroms zu ermitteln. Die Speisung der Asynchronmaschine entspricht dem Sinussignal bei der Frequenzgangmessung des bekannten Selbstinbetriebnahme-Verfahrens. Bei dieser läuferseitigen Energiebetrachtung wird davon ausgegangen, dass die gesamte zugeführte Wirkleistung in den ohmschen Widerständen der Asynchronmaschine umgesetzt wird. Integriert man im stationären Zustand über eine Periodendauer die zugeführte und die im Rotorwiderstand umgesetzte Wirkleistung, die gemäß Leistungsbilanz gleich ist, erhält man eine Gleichung zur Bestimmung des Rotorwiderstandes. Mit diesen berechneten Werten kann dann in Verbindung mit dem Γ-Ersatzschaltbild der Asynchronmaschine im Stillstand die Streuinduktivität zunächst als Funktion über der Zeit berechnet werden. Da auch der Strom im Rotorzweig als eine Funktion der Zeit bestimmt werden kann, lässt sich nun die Streuinduktivität als eine Funktion des Stroms darstellen, indem die Abhängigkeit von der Zeit eliminiert wird.

Aus dem Verlauf der Streuinduktivität wird nun ein Wert für den gesättigten Zustand abgeleitet, der als Parameterwert für die Streuinduktivität verwendet wird. Parallel dazu kann auch eine Ablage der Sättigungscharakteristik der Streuinduktivi tät in ausgewählten Punkten zur weiteren Verwendung in einem Regelalgorithmus erfolgen.

Da bei der Ermittlung der Sättigungscharakteristik der Streuinduktivität ebenfalls der Rotorwiderstand ermittelt wird, kann dieser auch als Parameterwert für den Rotorwiderstand bei dem bekannten Selbstinbetriebnahme-Verfahren verwendet werden.

Da das bekannte Selbstinbetriebnahme-Verfahren auf dem inversen Γ-Ersatzschaltbild der Asynchronmaschine im Stillstand beruht, müssen der Rotorwiderstand und die Streuinduktivität bei der Verwendung als Maschinenparameter auf dieses inverse Γ-Ersatzschaltbild zurückgerechnet werden.

Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein verbessertes Selbstinbetriebnahme-Verfahren erzeugt werden, in dem das erfindungsgemäße Verfahren als dritter Schritt des Selbstinbetriebnahme-Verfahrens in diesem Verfahren integriert wird. Dadurch ist sichergestellt, dass unabhängig von einer Abhängigkeit des Parameters "Streuinduktivität" vom Strom ein erfindungsgemäß modifiziertes Selbstinbetriebnahme-Verfahren immer zuverlässige Werte für den Parameter "Streuinduktivität" liefert.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert, wobei die
1 ein Ersatzschaltbild eines bekannten Spannungszwischenkreis-Umrichter zeigt,
2 ein inverses Γ-Ersatzschaltbild einer Asynchronmaschine im Stillstand zeigt, in der
3 ein zeitlicher Verlauf einer gemessenen Ständerspannung einer stromrichtergespeisten Asynchronmaschine größerer Leistung dargestellt ist, in der
4 ein zeitlicher Verlauf eines gemessenen Ständerstromes einer stromrichtergespeisten Asynchronmaschine größerer Leistung dargestellt ist, die
5 ein Γ-Ersatzschaltbild einer Asynchronmaschine im Stillstand zeigt, in der
6 in einem Diagramm über der Zeit t ein tatsächlicher und ein geschätzter Verlauf einer Streuinduktivität einer stromrichtergespeisten Asynchronmaschine größerer Leistung veranschaulicht ist und die
7 in einem Diagramm die ermittelte Streuinduktivität über den Strom im Rotorzweig zeigt.
In der 5 ist ein an sich bekanntes Γ-Ersatzschaltbild einer Asynchronmaschine 10 im Stillstand dargestellt. Dieses Γ-Ersatzschaltbild der Asynchronmaschine 10 im Stillstand kann mittels äquivalenter Umformungen aus dem inversen Γ-Ersatzschaltbild der Asynchronmaschine 10 im Stillstand erzeugt werden. Mit diesem Γ-Ersatzschaltbild können die Maschinenparameter im Stillstand nicht identifiziert werden. Dieses Γ-Ersatzschaltbild einer Asynchronmaschine im Stillstand weist die Parameter "Induktivität L_σ'" und "Widerstand R_r" des Rotorzweiges der Asynchronmaschine 10 auf. Anhand des Ersatzschaltbildes eines bekannten Spannungszwischenkreis-Umrichters gemäß 1 und des Γ-Ersatzschaltbildes gemäß 5 wird im folgenden das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert:
Zu Beginn des Verfahrens wird in die Asynchronmaschine 10 einphasig ein Ständerstrom i_S(t) folgender Form: iS(t) = M + Isin(ωt) mit M,I > 0 und M > I (7)eingeprägt. Durch die Wahl der Anhebung M und der Amplitude I des Sinussignals wird sichergestellt, dass kein Stromnulldurchgang und damit kein Wechsel im Vorzeichen der Ventilspannungsabfälle auftritt. Die Frequenz ω dieses Sinussignals wird im Bereich der Schlupffrequenz der Asynchronmaschi ne 10 so gewählt, dass die Periodendauer T der Ständerspannung u_S(t) ein ganzzeiliges Vielfaches einer gewählten Abtastzeit ist. Damit ein derartiges angehobenes Sinussignal als Ständerstrom i_S(t) eingeprägt werden kann, muss die Ständerspannung u_S(t) entsprechend gewählt werden. Mit diesen zeitlichen Verläufen der Ständerspannung u_S(t) und des Ständerstromes i_S(t) kann unter Kenntnis des Ständerwiderstandes R_S und der Ständerinduktivität L_S in Verbindung mit dem Γ-Ersatzschaltbild der Asynchronmaschine 10 im Stillstand ein an dieser Ständerinduktivität L_S abfallende Spannung u_S'(t) berechnet werden. Die Werte für den Ständerwiderstand R_S und der Ständerinduktivität L_S können beispielsweise von einem Selbstinbetriebnahme-Verfahren ermittelt und bereit gestellt werden. Gemäß Knotenpunktregel ist die Summe von Ständer- und Rotorstrom I_S und –I_X gleich einem umgerechneten Magnetisierungsstrom I_ms. Für den Strom i_X(t) im Rotorzweig gilt somit: iX(t) = iS(t) – ∫uS'(t)dt/LS (8)
Anschließend wird über eine Energiebetrachtung der Rotorwiderstand R_r'' ermittelt. Gemäß dieser Energiebetrachtung kann die dem Läufer der Asynchronmaschine 10 zugeführte Wirkleistung nur in den Rotorwiderstand R_r'' umgesetzt werden. Integriert man über eine Periodendauer T die Leistungen der Energiebilanz, so gilt:
Somit kann nun die Induktivität L_σ' des Rotorzweiges als Funktion über der Zeit berechnet werden. Mit Hilfe des Γ-Ersatzschaltbildes der Asynchronmaschine 10 im Stillstand ergibt sich folgende Gleichung:
für die Ermittlung der Induktivität L_σ' des Rotorzweiges als Funktion über der Zeit t.
In der 6 sind in einem Diagramm über der Zeit t der Zeitverlauf der berechneten Streuinduktivität L_σ' und der Zeitverlauf einer gemessenen Streuinduktivität L_σm' dargestellt. Diese beiden Zeitverläufe zeigen, dass die Streuinduktivität L_σ' und L_σm' nicht konstant sind, sondern innerhalb einer Periode des Ständerstroms i_S(t) zwischen gesättigt und entsättigt wechselt.
In der 7 ist eine weitere Darstellung der ermittelten Streuinduktivität L_σ' dargestellt. Da die Streuinduktivität L_σ' und der Strom i_X im Rotorzweig als Funktion über der Zeit t berechnet worden sind, kann man die Streuinduktivität L_σ' auch über den Strom i_X auftragen, wie in der 7 dargestellt. Aus dieser Darstellung, die auch als Sättigungscharakteristik bezeichnet wird, kann auf einfacher Weise ein stationärer Wert für den Maschinenparameter L_σ' abgelesen werden.
Da die Maschinenparameter R_S, L_S, R_r' und L_σ mittels des inversen Γ-Ersatzschaltbildes der Asynchronmaschine 10 im Stillstand ermittelt werden, müssen nun die ermittelten Maschinenparameter R_r'' und L_σ', die auf das Γ-Ersatzschaltbild der Asynchronmaschine 10 im Stillstand bezogen sind, auf die Maschinenparameter R_r' und L_σ zurückgerechnet werden. Dazu werden die folgenden Gleichungen:
verwendet.
Wird dieses erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung der Sättigungscharakteristik einer Streuinduktivität L_σ einer Asynchronmaschine 10 bei einen Selbstinbetriebnahme-Verfahren verwendet, so erhält man unabhängig von einer Abhängigkeit der Streuinduktivität L_σ von einem Strom im Rotorzweig immer einen zuverlässigen Wert für die Streuinduktivität L_σ. Dieses erfindungsgemäße Verfahren lässt sich auch sehr einfach in ein dreistufiges Selbstinbetriebnahme-Verfahren integrieren, indem nur die Frequenzgangmessung des Selbstinbetriebnahme-Verfahrens gegen das erfindungsgemäße Verfahren ausgetauscht werden braucht.

Claims

Verfahren zur Ermittlung der Sättigungscharakteristik einer Streuinduktivität (L_σ') einer stromrichtergespeisten Asynchronmaschine (10), insbesondere mit geschlossenen Läufernuten, unter Verwendung des Γ-Ersatzschaltbildes einer Asynchronmaschine (10) im Stillstand und unter Kenntnis eines Ständerwiderstandes (R_S) und einer Ständerinduktivität (L_S) dieser stromrichtergespeisten Asynchronmaschine (10) mit folgenden Verfahrensschritten: a) Einprägung eines einphasigen, angehobenen sinusförmigen Ständerstroms (i_S(t)) in die Asynchronmaschine (10), b) Berechnung einer an der Ständerinduktivität (L_S) abfallenden Spannung (u_S'(t)) in Abhängigkeit des eingeprägten Ständerstroms (i_S(t)), einer anstehenden Ständerspannung (u_S(t)) und des Ständerwiderstandes (R_S), c) Berechnung eines Stromes (i_X(t)) im Rotorzweig der Asynchronmaschine (10) in Abhängigkeit des eingeprägten Ständerstroms (i_S(t)), der unter b) berechneten Spannung (u_S'(t)) und der Ständerinduktivität (L_S), d) Berechnung eines Rotorwiderstandes (R_r'') in Abhängigkeit einer Integration einer Wirkleistungsbilanz der Asynchronmaschine (10) über eine Periodendauer (T), e) Ermittlung einer Induktivität (L_σ'(t)) des Rotorzweiges als Funktion über der Zeit (t) in Abhängigkeit der zuvor berechneten Werten und f) Ermittlung der Sättigungscharakteristik der Streuinduktivität (L_σ'(i_x)) in Abhängigkeit der berechneten Zeitfunktionen von der Induktivität (L_σ'(t)) des Rotorzweiges und des Stromes (i_x(t)) im Rotorzweig.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das einphasige, angehobene Sinussignal (i_S(t)) folgende Form: iS(t) = M + Isin(ωt)mit M, I > 0 und M > I aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz (ω) des Sinussignals im Bereich der Schlupffrequenz der Asynchronmaschine (10) liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, ddadurch gekennzeichnet, dass die an der Ständerinduktivität (L_S) abfallende Spannung (u_S'(t)) gemäß folgender Gleichung: uS'(t) = uS(t) – RSiS(t)berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom (i_x(t)) im Rotorzweig der Asynchronmaschine (10) gemäß folgender Gleichung: iX(t) = iS(t) – ∫uS'(t)dt/LS berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorwiderstand (R_r'') gemäß folgender Gleichung:
berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität (L_σ'(t)) des Rotorzweiges gemäß folgender Gleichung:
berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert der berechneten Zeitfunktionen der Streuinduktivität (L_σ'(t)) und des Rotorstromes (i_x(t)) gemeinsamer Zeitpunkte abgelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wert bei hohem Rotorstrom (i_x) aus der ermittelten Sättigungscharakteristik als gesättigter Streuinduktivitätswert (L_σ') abgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Streuinduktivität (L_σ) gemäß folgender Gleichung:
berechnet wird.
Verwendung des Verfahrens zur Ermittlung einer Streuinduktivität (L_σ(t)) als Funktion über der Zeit (t) nach den Ansprüchen 1 bis 8 bei einem Verfahren zur Selbstinbetriebnahme einer stromrichtergespeisten Asynchronmaschine (10), wobei vom zeitlichen Verlauf der Streuinduktivität (L_σ(t)) ein stationärer Wert (L_σ) als Parameter verwendet wird, und wobei der Parameter Rotorwiderstand (R_r') in Abhängigkeit des berechneten Rotorwiderstandes (R_r''), des stationären Wertes (L_σ), des zeitlichen Verlaufes der Streuinduktivität (L_σ(t))und der Ständerinduktivität (L_S) berechnet wird.
Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorwiderstand (R_r') gemäß folgender Gleichung:
berechnet wird.