DE1265833B

DE1265833B - Method for speed control of an asynchronous motor fed by a pulse inverter

Info

Publication number: DE1265833B
Application number: DEL48795A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Floris Koppelmann; Erich Nagel
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1964-09-17
Filing date: 1964-09-17
Publication date: 1968-04-11
Also published as: CH422960A

Description

Verfahren zur Drehzahlregelung eines über einen Pulswechselrichter gespeisten Asynchronmotors Es wird von einer Anordnung ausgegangen, bei der ein Asynchronmotor über einen Pulswechselrichter aus einem Gleichstromnetz gespeist wird. In diesem Zusammenhang ist es bekannt, die Drehzahl des Asynchronmotors durch Veränderung der Frequenz des Pulswechsehichters zu steuern. Dies kann dadurch geschehen, daß die Pulswechselrichterfrequenz bestimmt wird durch die Summe einer Größe, die proportional der Motoristdrehzahl ist, und einer weiteren Größe, die aus der Abweichung zwischen einer vorgebbaren Solldrehzahl und der Istdrehzahl besteht und der Schlupffrequenz entspricht. Bekannte Anordnungen arbeiten auch in der Weise, daß der Ständerstrom des Motors gleichfalls über den Wechselrichter dadurch gesteuert wird, daß der Ständerstromsollwert proportional der Regelabweichung zwischen Ist- und Solldrehzahl des Motors bestimmt wird. In dem Bereich, in dem die dem Asynchronmotor zugeführte Spannung mit ihrer Frequenz proportional steigt, ergeben sich besonders günstige Betriebsbedingungen, wenn die Schlupffrequenzvorgabe und die Vorgabe des Sollwertes des Ständerstromes proportional ansteigen. Damit ist nicht zwangläufig ausgesagt, daß die dem Ständer zugeführte Spannung in gleicher Weise proportional bestimmt ist. Vielmehr ergibt sich diese in Anpassung an die Last durch die an sich bekannte Pulsaussteuerung des Wechselrichters. Dabei wird der Asynchronmotor im allgemeinen so ausgelegt, daß das zulässige Drehmoment des Motors bei Ständernennfrequenz, also im allgemeinen f 1 = 50 Hz, und bei hinsichtlich der Spannung voll ausgesteuertem Pulswechselrichter sowie bei maximaler Sollwertvorgabe des Ständerstromes erreicht ist. Diesem Zustand entspricht auch ein maximaler Schlupf als maximale Regelabweichung zwischen dem Drehzahlsoll- und dem Drehzahlistwert.Method for speed control of a pulse-controlled inverter fed asynchronous motor An arrangement is assumed in which a Asynchronous motor fed by a pulse inverter from a direct current network will. In this context it is known to adjust the speed of the asynchronous motor To control change in the frequency of the pulse changer. This can be done by that the pulse inverter frequency is determined by the sum of a variable that is proportional to the actual engine speed, and another variable resulting from the deviation exists between a specifiable target speed and the actual speed and the slip frequency is equivalent to. Known arrangements also work in such a way that the stator current of the motor is also controlled via the inverter in that the stator current setpoint determined proportionally to the control deviation between the actual and setpoint speed of the motor will. In the area in which the voltage supplied to the asynchronous motor with its Frequency increases proportionally, the operating conditions are particularly favorable, if the slip frequency specification and the specification of the setpoint of the stator current increase proportionally. This does not necessarily mean that the stand supplied voltage is determined proportionally in the same way. Rather, it results these adapt to the load by means of the pulse modulation, which is known per se of the inverter. The asynchronous motor is generally designed in such a way that that the permissible torque of the motor at the rated stator frequency, i.e. in general f 1 = 50 Hz, and with the pulse-controlled inverter fully controlled in terms of voltage as well as at the maximum setpoint specification of the stator current is reached. This condition also corresponds to a maximum slip as a maximum control deviation between the Speed setpoint and the actual speed value.

Grundsätzlich sind beim derartigen Betrieb eines Asynchronmotors zwei Bereiche zu unterscheiden. Der erste ist dadurch charakterisiert, daß die Ständerspannung proportional mit ihrer Frequenz wächst. In dem zweiten Bereich kann die Ständerspannung bei weiter steigender Frequenz wegen der bereits erreichten Vollaussteuerung nicht mehr folgen. Um aber auch dann noch die zulässige Leistung des Motors bei einer höheren Drehzahlsollwertvorgabe voll auszunutzen, muß eine weitere Erhöhung der Schlupffrequenzvorgabe proportional zur Istdrehzahl erfolgen.Basically there are two when an asynchronous motor is operated in this way Distinguish areas. The first is characterized by the fact that the stator voltage grows proportionally with its frequency. In the second area, the stator voltage if the frequency continues to rise, not because of the full modulation that has already been achieved more to follow. But in order to still check the permissible power of the engine for a To fully utilize the higher speed setpoint specification, a further increase in the The slip frequency is set proportionally to the actual speed.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Drehzahlregelung eines über einen Pulswechselrichter unter Schlupffrequenzvorgabe aus einem` Gleichstromnetz gespeisten Asynchronmotors. Erfindungsgemäß wird bei Solldrehzahlen über derjenigen Solldrehzahl, bei der der Pulswechselrichter auf volle Ständerspannung ausgesteuert ist, die Schlupffrequenzvorgabe zusätzlich um einen Betrag erhöht, der dem Produkt der Drehzahlregelabweichung und der Istdrehzahl des Motors entspricht.The invention relates to a method for speed control of a a pulse-controlled inverter with slip frequency specification from a direct current network powered asynchronous motor. According to the invention, at target speeds above that Target speed at which the pulse-controlled inverter is driven to full stator voltage is, the slip frequency specification is additionally increased by an amount that corresponds to the product corresponds to the speed control deviation and the actual speed of the motor.

An Hand der Zeichnung werden nun Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert; in F i g. 1 und 4 sind Regelanordnungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt; F i g. 2 und 3 zeigen Kennlinien des Asynchronmotors.Exemplary embodiments of the invention will now be described with reference to the drawing explained; in Fig. 1 and 4 are control arrangements for carrying out the invention Procedure shown; F i g. 2 and 3 show characteristics of the asynchronous motor.

Ein Drehstromasynchronmotor 1 wird gemäß F i g. 1 über einen Pulswechselrichter 2 aus einem Gleichstromnetz gespeist. Mit der Welle des Motors ist eine Last 21, eine Tachometermaschine 4 und ein Frequenzgeber 3 verbunden. Letzterer liefert eine der Istdrehzahl ntst proportionale Impulsfrequenz f". Die der Istdrehzahl proportionale Spannung der läehometermaschine 4 wird am Punkt 22 als Drehzahlistwert ntst mit der Spannung eines vorgebbaren Drehzahlsollwertes nsolt verglichen. Die Differenz dieser Spannungen wird als Regelabweichungsspannung einem Verstärker 15 zugeführt, dessen Ausgangsspannung erstens über einen Gleichrichter 16 als Sollwert für die Schlupffreqüenz f2 und zweitens zur Vorzeichenvorgabe über einen Kippschalter 17 einem an sich bekannten Steuerfrequenzgeber 6 des Pulswechselrichters 2 zugeführt wird. Der dritte Eingang des Steuerfrequenzgebers 6 wird vom Frequenzgeber 3 gespeist. Der Ausgangswert des Steuerfrequenzgebers 6 bestimmt . die. Ständerspannungsfrequenz f1 = f, ± f2 des Motors 1 am Pulswechselrichter 2. Vom Punkt 23 Wird .die gleichgerichtete Regelabweichungsspannung außerdem zum Punkt 24 geführt. Sie stellt dort den Sollwert des Ständerstromes des Motors 1 dar. Im Punkt 24 wird dieser Ständerstromsollwert J"ola mit dem Istwert J1 fsf des Ständerstromes verglichen. Letzterer wird als gleichgerichtete Ausgangsgröße eines Stromwandlers 5 gemessen. Die Differenz des Ständerstrom-Soll-Istwert-Vergleichs im Punkt 24 wird einem Zweipunktregler 7 zugeführt und bestimmt dadurch die Strompulsfrequenz des Pulswechselrichters 2.A three-phase asynchronous motor 1 is shown in FIG. 1 fed via a pulse-controlled inverter 2 from a direct current network. A load 21, a tachometer machine 4 and a frequency generator 3 are connected to the shaft of the motor. The latter supplies a pulse frequency f "proportional to the actual speed ntst. The voltage of the läehometer machine 4, which is proportional to the actual speed, is compared at point 22 as the actual speed value ntst with the voltage of a predeterminable speed setpoint value nsolt is fed via a rectifier 16 as the setpoint for the slip frequency f2 and secondly for specifying the sign via a toggle switch 17 to a known control frequency generator 6 of the pulse-controlled inverter 2. The third input of the control frequency generator 6 is fed by the frequency generator 3. The output value of the control frequency generator 6 determines the .Stator voltage frequency f1 = f, ± f2 of motor 1 on pulse-controlled inverter 2. From point 23, the rectified control deviation voltage is also routed to point 24. It represents the setpoint of the stator current of motor 1 there d this stator current setpoint J "ola is compared with the actual value J1 fsf of the stator current. The latter is measured as the rectified output variable of a current transformer 5. The difference in the stator current target / actual value comparison at point 24 is fed to a two-point controller 7 and thereby determines the current pulse frequency of the pulse-controlled inverter 2.

Mit der bisher beschriebenen Anordnung wird erreicht, daß sowohl der Ständerstrom h als auch die Schlupffrequenz f2 proportional zur Drehzahlregelabweichung und damit auch zueinander proportional abhängig von der Last eingestellt werden.With the arrangement described so far it is achieved that both the Stator current h as well as the slip frequency f2 proportional to the speed control deviation and thus can also be set proportionally to one another as a function of the load.

F i g. 2 stellt zwei Kurvenscharen dar. Zum einen ist die relative Belastung, d. h. das Verhältnis des Lastmomentes M zum Nennmoment Mn, in Abhängigkeit von der Ständerspannungsfrequenz f 1 für verschiedene Vielfache des Ständemennstromes J1,, als Parameter aufgetragen. Zum anderen zeigt F i g. 2 den Verlauf der Schlupffrequenz f2 bei den gleichen verschiedenen Parameterwerten des Ständerstromes über der Ständerspannungsfrequenz f l. F i g. 2 shows two sets of curves. On the one hand, the relative load, ie the ratio of the load torque M to the nominal torque Mn, is plotted as a parameter as a function of the stator voltage frequency f 1 for various multiples of the nominal stator current J1 ,,. On the other hand, FIG. 2 shows the course of the slip frequency f2 with the same different parameter values of the stator current versus the stator voltage frequency f l.

F i g. 3 entsteht aus einer Umzeichnung der F i g. 2. In F i g. 3 ist der Verlauf der Schlupffrequenz f.. über dem relativen Ständerstrom, d. h. dem Verhältnis Ständerstrom zu Ständernenistrom Jl/Jln, für verschiedene Werte der Ständerspannungsfrequenz f1 als Parameter aufgetragen. Deutlich läßt sich hier erkennen, daß die Schlupffrequenz f2 für den Bereich der Ständerspannungsfrequenz f l von 0 bis 50 Hz proportional zum Ständerstrom J1 durch die Regelanordnung eingestellt werden muß.F i g. 3 arises from a redrawing of FIG. 2. In Fig. 3 is the course of the slip frequency f .. over the relative stator current, d. H. to the Ratio of stator current to stator net current Jl / Jln, for different values of the stator voltage frequency f1 plotted as a parameter. It can be clearly seen here that the slip frequency f2 is proportional for the range of the stator voltage frequency f l from 0 to 50 Hz must be set to the stator current J1 by the control arrangement.

Bei Einstellung des Drehzahlsollwertes auf einen Betrag, der eine Ständerfrequenz größer als 50 Hz erfordert, muß, wie sich nach F i g, 2 ergibt, die Schlupffrequenz f2 um einen Betrag erhöht werden, der sowohl von dem der Lastentsprechenden Ständerstrom f1 als auch von der der gewünschten Drehzahl entsprechenden Ständerspannungsfrequenz f1 abhängig ist. Um dieser Forderung zu entsprechen, wird dem Verstärker 15 ein weiteres Verstärkerelement 19 derart parallel geschaltet, daß die Ausgangswerte beider ohne gegenseitige Rückwirkung im Punkt 25 vor dem Eingang des Steuerfrequenzgebers 6 addiert werden. Das Verstärkerelement 19 erhält als erste Eingangsgröße @x die der Drehzahlregelabweichung proportionale gleichgerichtete Ausgangsgröße des Verstärkers 15 und multipliziert diese erste Eingangsgröße a mit einer zweiten Eingangsgröße ß, die der gleichgerichteten Istdrehzahlspannung der Tachometermaschine 4, abzüglich eines Festwertes y im Gleichrichterelement 18, proportional ist. Außerdem wird der Arbeitspunkt des Verstärkerelementes 19 um ein Betrag ü derart negativ verschoben, daß sich nach Addition im Punkt 25 die in F i g. 3 eingetragenen. Kennlinien der Schlupffrequenz f2 in Abhängigkeit vom StändersollstromJl(gofi) und von der Ständerspannungsfrequenz f l ergeben.When the speed setpoint is set to an amount that requires a stator frequency greater than 50 Hz, the slip frequency f2 must be increased by an amount, as can be seen from FIG desired speed is dependent on the corresponding stator voltage frequency f1. In order to meet this requirement, a further amplifier element 19 is connected in parallel to the amplifier 15 in such a way that the output values of both are added without mutual feedback at point 25 before the input of the control frequency generator 6. The amplifier element 19 receives as the first input variable @x the rectified output variable of the amplifier 15, which is proportional to the speed control deviation, and multiplies this first input variable a by a second input variable β which is proportional to the rectified actual speed voltage of the tachometer machine 4, minus a fixed value y in the rectifier element 18. In addition, the operating point of the amplifier element 19 is negatively shifted by an amount ü such that, after addition at point 25, the values shown in FIG. 3 registered. Characteristic curves of the slip frequency f2 as a function of the stator nominal current Jl (gofi) and of the stator voltage frequency fl.

Die Ständerstrom-Pulsregelung über den Puls, wechselrichter 2 hat den Vorteil, daß das in Verbindung mit Einstromrichter-Gleichstromumkehrantrieben bekannte Stromleitverfahren in der Zusammenarbeit des Verstärkers 15 mit dem Zweipunktregler 7 bei einem Asynchronmotorantrieb verwirklicht wird.The stator current pulse control via the pulse inverter 2 has the advantage that this can be used in conjunction with single-converter direct current reversing drives known Stromleitverfahren in the cooperation of the amplifier 15 with the two-point controller 7 is realized in an asynchronous motor drive.

In manchen Fällen ist es jedoch sinnvoll, für den Asynchronmotor eine Ständerspannungsregelung mit Hilfe eines Pulsbreitenmodulators anzuwenden, weil eine derartige Anordnung die Parallelschaltung mehrerer Motoren, von denen einer die Frequenzführang übernimmt, ermöglicht, und weil es außerdem Aufgaben gibt, für die die Ständerstromregelung allein nicht ausreicht.In some cases, however, it makes sense to use a To apply stator voltage regulation with the help of a pulse width modulator because Such an arrangement enables the parallel connection of several motors, one of which who takes over frequency management, enables, and because there are also tasks for which the stator current control alone is not sufficient.

In F i g. 4 ist eine derartige Regelanordnung ge# zeigt, die sich von derjenigen der F i g. 1 im wesentlichen dadurch unterscheidet, daß ein Pulsbreitenmodulator 10 an Stelle des Zweipunktreglers 7 der F i g. 1 von der Tachometermaschine 4 auf der Welle des Motors 1 gesteuert wird. Dazu kommt, wirkend im Punkt 26, für den Anlauf bei Einschaltung des Drehzahlsollwertes der Einfluß eines Verstärkerteiles 11 mit begrenzter Ausgangsgröße und im Punkt 24 der Istwert Ui fsf der Ständerspannungs gemessen in einem Spannungswandler 8, und. ein dem Ständer- strom f1 proportionaler Einfluß zur JR-Kpmpen- sation durch einen Kompensator 28. Da in dir An- ordnung die Regelung des Ständerstromes über denn Pulswechselrichter fortfällt, muß die Anpassung de» Ständerstromes an die Last allein durch dis SchImpf- regelung erfolgen. Hierzu ist ein zusätzlicher @Reghsr 13 erforderlich, dessen Eingang mit der Au$ggllgß- größe des Verstärkers 15 abzüglich dem Ständur- strom J1 (Punkt 27) gespeist wird und dessen Aus- gangsgröße über den Gleichrichter 16 in der gWchen Anordnung wie in F i g, 1 die Schlupffrequenz fp, bis zur Grunddrehzahl bei 50 Hz vorgibt. Die Wirkungsweise der Anordnung mit Spanmllgs- regelung nach F i g. 4 ist folgende: Beim Einschalten des Dreluhlsollwertss wird zu- nächst der Verstärkerteil 11 auf einen Gramwut ausgesteuert, der über den Pulsbreitenmodulator 10 die Ständerspannung auf einen solchen Mittelwert pulst, daß der im Stillstand (zunächst MotordrW gleich Null) zulässige Ständmtrom J1 sui ficht wird. Gleichzeitig wird der Verstärker 1<S au6gest- ert, der über den Regler 13 und den Gleichrichter 16 dem Steuerfrequenzgeber 6 eine Spannung zuführt, mit der der Ausgangswert das Steuerfrequenzgpl6 auf einen Betrag gebracht wird, bei dem der zu14$ Ständerstrom mit einer Frequenz f1 -= to im Upfer das für das Anfahren aus dem Stillstand erfordmlishe Moment aufbringt. Nach dem Ansteigen der Ständmpannungsfra- quenz f1 bis zur NenufTSquenz 50 Rz und darübe hinaus, mit dem zusätzlichen Eingreifen des Vetot4r- kerelemantes 19 in dex glehen Weise wie für F't g.1 beschrieben, bleibt die Spannung am Punkt 25 und dementsprechend die Schlupffrequenz f. des Motors in stetem Gleichgewicht mit der Last. Während in der Regelanordnung nach F i g, 1. dies Zweipunkt-Grenzstroznregelung bei trbarlut sofort wirksam wird, geschieht in der Regelanordnung nasä F i g. 4 die Strombegrenzung dadurch, daß W Über- schreitung von J, 1"f der Ausgangswert des R 1.3 verkleinert und daduch die Schlupffrequem f. dee Motors 1 verringert wird. Dies hat zur Folge, daß dio Ständerspannungsfrequenz 1l und damit die Dahzahl der Last angepaßt wird. In Fig. FIG. 4 shows such a control arrangement which differs from that of FIG. 1 essentially differs in that a pulse width modulator 10 instead of the two-point controller 7 of FIG. 1 is controlled by the tachometer machine 4 on the shaft of the motor 1. In addition, there is the influence of an amplifier part 11 with a limited output variable and in point 24 for the start-up when the speed setpoint is switched on, acting in point 26 the actual value Ui fsf of the stator voltage measured in a voltage converter 8, and. a stand current f1 proportional influence to the JR-Kpmpen- sation through a compensator 28. Since there is an order the regulation of the stator current over then Pulse-controlled inverter is omitted, the adaptation of the » Stator current to the load solely through the shock regulation take place. For this an additional @Reghsr 13 is required, the receipt of which with the size of the amplifier 15 minus the sta- current J1 (point 27) is fed and its output output variable via the rectifier 16 in the gWchen Arrangement as in Fig. 1, the slip frequency fp, bis for the basic speed at 50 Hz. The mode of operation of the arrangement with chip garbage regulation according to fig. 4 is the following: When the drill setpoint is switched on, next the amplifier part 11 to a rage controlled via the pulse width modulator 10 the stator voltage to such an average value pulses that the motor is at a standstill (initially MotorrW equal to zero) permissible standing current J1 sui ficht will. At the same time, the amplifier 1 <S is ert, the controller 13 and the rectifier 16 the control frequency generator 6 supplies a voltage, with which the output value controls the control frequency gpl6 is brought to an amount where the $ 14 Stator current with a frequency f1 - = to in the Upfer that is required for starting from a standstill Moment. After the increase in the stator voltage sequence f1 up to the NenufTSquence 50 Rz and above with the additional intervention of the Vetot4r- kerelemantes 19 in dex glehen manner as for F't g.1 described, the voltage remains at point 25 and accordingly the slip frequency f. of the motor in constant equilibrium with the load. While in the rule arrangement according to Fig. 1. this Two-point limit current regulation at trbarlut immediately becomes effective, happens in the rule arrangement nasä F i g. 4 the current limitation by the fact that W over- exceeding J, 1 "f the output value of the R 1.3 and therefore the slip comfort f. Dee Motor 1 is reduced. As a result, dio Stator voltage frequency 1l and thus the number of turns is adapted to the load.

Claims

Patent claims: 1. Procedure for speed control of a ü ' a pulse inverter under slip frequency specification from a direct current network gn Asynchronous motors, thereby gekeunzs 1 h - net that at target speeds above that 411 < speed at which the pulse changer is set to full

Stator voltage is controlled, the slip frequency specification is additionally increased by an amount that corresponds to the product of the speed control deviation and the actual speed of the motor.

2. The method according to claim 1, characterized in that that the product is counteracted by a threshold value (e).

3. The method according to claim 1, characterized in that a voltage proportional to the actual speed (ntst) and the stator actual voltage (u 1 ist) are compared with each other after rectification and their voltage difference produces a proportional dependence on the actual speed and stator actual voltage by pulse width modulation of the pulse-controlled inverter (2) (Fig. 4).

4. The method according to claim 3, characterized in that the voltage difference a quantity proportional to the stator current (J1) is superimposed, which is the ohmic Voltage drop in the stator circuit compensated.

5. The method according to claim 3, characterized in that the voltage proportional to the actual speed (ntst) a fixed basic voltage is added, which when specifying a rotary. number setpoint when the motor is at a standstill represents the stator voltage setpoint (u1 Sott), which together specifies the maximum starting torque of the motor with a limit value of the slip, whereby the specified slip value counteracts the stator current and thus when it is too high Stator current reduces the specified slip value. Considered publications: AEG-Mitteilungen, 1960, p. 286; AEG-Mitteilungen, 1964, pp. 89 to 106.