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Verfahren zur Steuerung oder Regelung von Asynohronmaschinen Die vorliegende
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung von insbesondere umrichtergespeisten
Asynochronmaschinen, bei welchem das Ziel verwirklicht werden soll, eine drehzahlunabhängige
und voneinander ent,koppelte Eins teilbarkeit von Feldbetrag und Moment im Motorbetrieb
bzw. von Blind- und Wirkleistung im Generatorbetrieb zu erreichen.
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Man könnte daran denken, je einen Beld-betrags- und einen Momentenregler
vorzusehen, welche auf zwei Eingänge eines die Asynt chronmaschine mit Energie versorgenden
Stellgliedes einwirken: und beispielsweise den Betrag und die Frequenz des Ständerstromes
beeinflussen. Es könnte dabei der Feldregler im wesentlichen auf den Betrag und
der Momentenregler auf die Frequenz des Ständestromes einwirken. Dabei beeinflußt
aber der Betrag des Ständerstromes nicht nur den Feldbetrag, sondern auch das Drehmoment
und umgekehrt beeinflußt die Frequenz des Ständerstromes nicht nur das Moment, sondern
auch den Feldbetrag. Neben dieser Vorwärtsverkopplung führt die Vorgabe von Ständerspannung
bzw.
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Ständerstrom nach Betrag und Frequenz dazu, daß Feldbetrag und Moment
auch innerhalb der Maschine über dynamische Glieder sich im Sinne einer Rückwärteverkopplung
gegenseitig beeinflussen.
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Diese Verkoppelungen verschlechtern Stabilität und Führungsverhalten
gegenüber dem eingangs erwähnten Fall, der voneinander entkoppelten Einstellgrößen.
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Es ist der Vorschlag bekannt geworden, bei umrichtergespeisten Asynchronmaschinen
den Ständerstrom nach Betrag und Frequenz vorzugeben und durch speziell angepaßte,
mittels Funktionsgeneratoren realisierter Steuerkennlinien die zuvor erwähnten Verkopplungen
möglichst aufzuheben. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß eine Mehrzahl von
Funktionsgeneratoren genau aufeinander
abgestimmt sein muß und
eine Parameteränderung oder Einstellung sich daher überaus aufwendig und mühsam
gestaltet.
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Das erfindangsgemäße-Verfáhren-ist demgegenüber daduch gekennzeichnet,
daß 'der Ständerstrom in-Abhängigke-it gebracht wird von zwei veränderbaren Größen,
von denen die eine nur die Größe einer parallel und die eine nur die Größe einer
-senkrecht -zur momentanen Drehfeldachse liegenden Komponente des Ständerstromvektors
beeinflußt. Der Grundgedanke der Erfindung besteht also in einer feldorientierten
Vektorkomponentensteuerung bzw. Vektorkomponentenregelung, indem der Ständerstromvektor
der Asynchronmaschine mittels- einer feldsenkrechten undWeiner- feldpara-llelen
Komponente vorgegeben- wird, -wobei diXe feldpàrallele-'Strdmkomponente dann nur
auf den Feldbetrag, die feldsenkrechte Komponente nur auf das Moment der Maschine
wirkt. Die erwähnten Verkoppelungen sind damit aufgehoben; der Felabetrag folgt
der Vorgabe der feldparallelen Stromkomponente mit der Hauptfeldzeitkonstanten,
das Moment folgt der Vorgabe der feldsenkrechten Stromkomponente unmittelbar.
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Die Art und Weise, wie man die feldachsenbezogenen Größen in entsprechende
ständerbezogene Stromvektorkomponenten umsetzt, ist an sich beliebig. Eine besonders
übersichtliche und aufwandsarme Möglichkeit ergibt sich nach einem weiteren Merkmal
der Erfindung, wenn mit zwei ständerbezogenen Feldkomponenten und den beiden feldachsenbezogenen
Größen zwei diesen entsprechende ständerbezogene Vektorkomponenten gebildet wercden,
welche als Soll- oder Steuergrößen oder als Reglersollwerte den Ständerstrom beeinflussen.
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Als zwei derartige Vektorkomponenten eignen sich grundsätzlich zwei
Größen, durch die sich ein Vektor beschreiben -läß-t, -wdbe-idessen räumliche DarstelLung
in einem kartesischen, e}nemSse e winkeligen Koordinatensystem ode-r auch in ein
Polarkoordinatensystem in Frage kommen kann. Eine besonders einfache Ausführungsform
für das erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich, wenn sowohl die ständerbezogenen
Feldkomponenten als auch die den feldachsenbezogenen Größend entsprechenden ständerbezogenen
Vektorkomponenten
orthogonal zueinander sind.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden die feldachsenbezogenen'Größen als Stellgrößen in hbhängigkeit gebracht von
der Differenz zwischen Sollwerten und Istvierten für feldachsenbezogene Ständerstromkomponenten,
wodurch die Regelung auf die vorgegebenen Vektorkomponenten des Ständerstromes in
einem feldachsenbezogenen Koordinatensystem erfolgt, so daß hier die sich durch
eine hohe Genauigkeit aus zeichnenden Gleichstromregler verwendet werden können.
Wird weiterhin eine überlagerte Drehzahlregelung zur Lieferung der Sollwerte- für
die feldachsenbezogenen Ständerstromkomponenten vorgesehen, dann ergibt sich mit
der Erfindung ein'sowohl in statischer als auch in dynamischer Hinsicht überaus
hochwertiger Drehzahlregelantrieb.
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Zur Kompensation einer durch etwaige äußere oder innere Verzögerungsglieder
der Maschine bedingten Phasenwinkelabweichung zwischen dem Stell- oder Steuervektor
und dem Ständerstromvektor erweist es sich gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung
als vorteilhaft', wenn eine Drehstreckung des Stell- oder Steuervektors in Drehrichtung
des Feldes erfolgt, die abhängig ist vom Ständerstromvektor, von der Winkelgeschwindi'gkeit
der Drehfeldachse und von der jeweils zwischen dem den Ständerstrom beeinflussend?n
Stelleingang und dem Ständerstrom selbst wirksamen, Verzögerungszeitkonstanten,'
insbesondere der Streufeldzeitkonstanten der Asynchronmaschine. In ähnlicher Weise
kann die phasenverdrehende Wirkung der Hauptfeldzeitkonstanten dadurch vermindert
werden, wenn eine Drehstreckung des Stell- oder Steuervektors entgegengese-tzt zur
Drehrichtung des Feldes erfolgt, die abnangig ist vom Feldvektor, von der Winkelgeschwindigkeit
der Läufer-oder Drehfeldachse und von der Hauptfeldzeitkonstanten der Asynchronmaschine.
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Eine einfache Realisierung des erfindungsgemäßen Verfanrens gelingt
mittels eines Komponentenwandlers, der zwei Addierverstärker und vier Multiplikatoren
enthält, denen von einem Vektoranalysator paarweise normierte, Ständerbezogene Feldkomponentenspannungen
sowie
feldachsenbezogene oder ständerbezogene Komponentenspannungen zugeführt sind, wobei
die Ausgänge eines jeden Paares mit jeweils einem Verstärkereingang ver@unden sind.
Den Vektoranalysator kann dabei gemäß einem weiteren Merkmal der @r@in@ung aus zwei
jeweils mittels eines Multiplikators egengekoppelten Verstärkern bestehen, deren'Eingängen
den orthogonalen ständerbezogenen Komponenten proportionale Spannungen zugeführt
sind und deren quadrierte Ausgangsspannungen addiert und mit einer konstanten Größe
im Eingang eines Reglers, vorzugsweise eines Integralreglers verglichen werden,
dessen Ausgangsgröße je einen Eingang der beiden Multiplikatoren beaufschlagt.
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Die auf diese Weise mittels eines Regelvergleiches herbeigeführte
Normierung zeichnet sich durch eine große Genauigkeit aus.
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Soll das erfindungsgemäße Verfahren bei Asynchronmaschinen angewendet
werden, welche von einem Zwischenkreisumrichter mit eingeprägtem Strom beaufschlagbarsind,
dann erweist es sich als vorteilhaft, daß der Komponentenwandler ausgangsseitig
mit einem weiteren Vektoranalysator verbunden ist, dessen Reglerausgang mit dem
Sollwerteingang eines Reglers für den Zwischenkreisgleichstrom verbunden ist und
dessen Verstärkerausgangsspannungen einen Winkalschalter für die Steuergitter des
Wechselrichters d-irekt und/oder über einen weiteren Regler beaufschlagen. Auf diese
Weise wird der Ständerstromvektor letztlich nach Betrag und Phase, d.h. in Polarkoordinaten,
vorgegeben.
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Die Erfindung samt ihren weiteren Ausgestaltungen soll im folgenden
anhand der Figuren näher veranschaulicht werden.
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In dem Vektorschaubild der Fig. 1 sind die bei einer dreiphasigen
Asynchronmaschine in drei räumlich um 1200 versetzten Achsen auftretenden Komponenten
des mit der Winkelgeschwindigkeit dß/dt = ß geg,enüber dem Ständer umlaufenden Ständerstromvektor
I mit IRi IS und IT bezeichnet. Dieser Ständerstromvektor könnte in einem orthogonalen,
ebenfalls ständerbezogenen Roordinatensystem mit den Achsen r und j beschrieben
werden, des-sen Ursprung in der Maschinendrehachse liegt. Die Komponenten des Ständerstromvektors
1 sind in diesem ständerbezogenen Koordinatensyste-m mit 1r und 1. bezeichnet. Die
mit r bezeichnete
Achse des orthogonalen Koordinatensystems soll
mit der Richtung der Wicklungsachse der Phase R zusammenfallen. Der'Ständerstrom,-vektor
I kann aber auch noch in einem orthogonalen Koordinatensystem beschrieben werden,
dessen Ursprung ebenfalls in der Maschinendrehachse liegt, dessen mit f bezeichnete
Achse jedoch stets in Richtung der momentanen Drehfeldachse zu denken ist und sich
daher gegenüber dem ständerfesten Koordinatensystem um den Winkels mit der'Winkelgeschwindigkeit
der Drehfeldachse d# /dt = # verdreht. Die den Ständerstromvektor I beschreibenden
Komponenten wären. in diesem Koordinatensystem die Größen 1b und Iw, wobei Ib stets
parallel und Iw stets senkrecht zur momentanen Drehfeldachse f liegt. Für jeden
stationären Betriebszustand der Asynchronmaschine sind die Komponenten 1b und Iw
Gleichgrößen, wobei Ib dem Blindstrom der Maschine, d.h. dem feldbildenden Anteil
des Ständerstromes und Iw dem Wirkstrom, d.h. dem momentbildenden Anteil des Ständerstromes,entspricht.
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Der Ständerstromvektor I könnte in dem feldachsenbezogenen Koordinatensystem
auch mittels Polarkoordinaten beschrieben werden, d.h. durch seinen Betrag und seine
Winkellage bezüglich der Achse f., welche der Differenz der Winkel / und # entspricht.
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In der Fig. 1- sind weiterhin noch ständerbezogene -orthogonale Feldkomponenten#r
und #j eingetragen, sowie ein in Richtung der Feldachse f liegender Einheitsvektor
# = ej# mit seinen im ständerbezogenen Koordinatensystem r, j auftretenden Komponenten
cos # und sin # .
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Das allgemeine Blockschaltbild der Fig. 2 zeigt die Grundzüge des
erfindungsgemäßen Verfahrens. Eine Asynchronmasc'h'ine 1 wird an ihren Ständerphasenklemmen
R, S, T über ein geeignetes Stellglied, welches die Phasenströme IR, IS und IT einzustellen
gestattet, aus einem Drehstromnetz gespeist. Ein derartiges Strom stellglied kann
beispielsweise ein Drehtransformator, ein Magnetverstärker oder ein Umrichter sein.
Von zwei um 90 elektrisch gegeneinander am Ankerumfang der Asynchronmaschine 1 versetzten
Hallsondenoder anderen magnetfeldempfindlichen Geberelementen wird das Luftspaltfeld
in zwei um 90° phasenverschobenen Spannungen abgebildet und mittels Korrekturglieder
4 daraus die entsprechenden Komponentenspannungen #r und #j des mit dem Läufer
verketteten
Drehfeidvektors gewonnen. Ein mit 5 bezeichneter Vektoranalysator (Vh) bildet aus
diesen zwei stänaerbezogene, den Einheitsvektor Y = ei beschreibende Komponenten,
welche einem mit 6 bezeichneten'Komponentenwandler (Kw) zugeführt sind.
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Der Komponentenwandler 6 formt zwei auf die Läuferdrehfeldachse bezogene
Eingangsgrößen b und w.um in zwei entsprechende ständerbezogene Vektorkomponenten
für den Ständerstrom, welche über ein Zwischenglied 7, beispielsweise zur Umwandlung
von zweiachsigen in dreiachsige Komponenten auf die Stelleingänge des Stellgliedes
2 wirken. Wesentlich ist, daß durch diese feldorientierte Vektorkomponentensteuerung
mit den feldachsenbezogenen Größen b und w die parallel und die senkrecht zur momentanen
L'äuferdrehfeldachse liegende Komponente des Ständerstromvektors, d.h. -Wirkstrom
und Feldbetrag unabhängig und entkoppelt voneinander beeinflußt werden können.
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Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Vektorkomponentenregelung
in orthogonalen Koordinatensystemen. Für gleichwirkende Elemente sind hier wie auch
in den folgenden Figuren die entsprechenden Bezugszeichen der vorigen Figuren beibehalten
worden.
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Die Asynchronmaschine 1 wird hier von einem Umrichter, beispielsweise
einem Direktumrichter gespeist, welcher drei mit UR, US und U be.zeichnete Spannungsstelleingänge
aufweist, welche T jeweils auf die Phasenströme IR, IS und IT wirken. In den Ständerstromzuleitungen.
sind Stromwandler angeordnet, deren Sekundärwicklungen mit einer Transformationsschaltung
8 zur Umwandlung der drei genannten Phasenströme in rechtwinklig auf einander stehende
Komponenten 1r und welche als istwerte den Stromreglern 9 zugeführt sind. Die Ausgangsspannungen
dieser Regler werden in einer Transformationsschaltung 10 in entsprechende dreiphasige
Komponentenspannungen umgewandelt und beaufsch'lagen- die Stelleingänge des Umrichters
g. Die Ausgangsgrößen Ir und Ij der Transformationsschaltung 8 werden über zwei
Proportionalglieder 4a von den Ausgangsspannungen der das Luftspaltfeld erfassenden
Geber in -zwei mit 4b bezeichneten Summierstellen subtrahiert, wobei der Proportionalitätsfaktor
K der beiden Proportionalglieder 4a im we.sentlichen proportional dem Verhältnis
von Läuferstreuinduktivität zu Hauptinduktivitat der
Asynchronmaschine
1 ist. Damit erscheinen an den Eingangsklemmen 11 und 12 des Vektoranalysators zwei
orthogonale Komponenten zur und + des Läuferdrehfeldes und an dessen Ausgangsklemmen
13 und 14 die entsprechenden normierten Komponentenspannungen, d.h.
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die Komponenten cosJ und sinS eines- stets in Richtung der momentanen
Läuferdrehfeldachse zeigenden Einheitsvektors # = ej# . Der Komponentenwandler 6
bildet aus den feldachsenbezogenen Eingangsgrößen b und w, welche an seinen Klemmen
17 unc 18 fliegen, sowie den im an den Klemmen 15 und 16 zugefünrten ständerbezogenen
Feldkomponenten cos# und sin# entsprechende ständerbezogene Ständerstromkomponentensollwerte
Ir* und I@* für die Stromregler 9.
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j Mit der bisher beschriebenen Anordnung der Fig. ') ist eine voneinander
entkoppelte Moment- und/oder Feldregelung der Asynchronmaschine 1 möglich. Zur Veränderung
der entsprechenden Sollwerte brauchen lediglich die mit b und w bezeichneten Eingangsgrößen
des Komponentenwandlers 6 verändert werden. Ist die Eingangsgröße w des Komponentenwandlers
- wie gestrichelt angedeutet - die Ausgangsgröße eines Drehzahlreglers 110, dem
eine der Solldrehzahl n* und eine der Istdrehzahl n der Asynchronmaschine 1 proportionale
Eingangsspannung-zugeführt ist, so wird aus der Anordnung der Fig. 3. eine Drehzahlregelung
mit unterlagerter Momentenregelung.
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Während bei der Anordnung nach der Fig. -'S aus den feldachsen-Bezogenen
Größen b, w ständerbezogene, a.h. bei -stationärer Maschinendrehzahl sinusförmig
verlaufende Sollwerte Ir* und Ij* erarbeitet wurden, zeigt Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel,
bei welchem feldachsenbezogene Istwerte gebildet werden und dann in Stromreglern
22 mit direkt diesen vorgebbaren Sollwerten Iw* und Ib* verglichen werden. Da es
sich bei feldachsenbezogenen Soll- und Istwerten des Ständerstromvektors bei jeder
stationären Maschinendrenzahl stets um Gleichstromgrößen handelt, wird hier der
Einsatz von Gleichstromreglern möglich, welche in dynamischer Hinsicht und auch
bezüglich ihrer Genauigkeit sich den Wechselstromreglern als überlegen erweisen.
Die feldachsenbezogenen Größen b, w ergeben sich bei der Anordnung nach Fig. 4
als
Ergebnis eines Regelvergleichs zwischen feldachsenbezogenen Sollwerten I und Ib*
und feldachsenbezogenen Istwerten 1w unn welche mittels eines zweiten Komponentenwandlers
21 in einer noch später zu erläuternden Weise aus orthogonalen, ständerbezogenen
Komponenten des Ständerstromvektors sowie aus den orthogonalen Komponenten des in
Richtung der Läuferdrehfeldachse zeigenden Einheitsvektors # = ej# gebildet werden.
Die Ausgänge der Gleichstromregler 2, welche vorteilhaft zur Erzielung einer großen
Genauigkeit als IP-Regler ausgeführt werden, bilden die zwei feldachsenbezogenen
Komponenten eines Stellvektors, welche den Eingängen des Komponentenwandlers 6 zugeführt
sind, der in der bereits beschriebenen Weise die entsprechenden stänaerbezogenen
Stellbefehle erarbeitet. Auch hier ist - wie gestrichelt 110 angedeutet - die Überlagerung
eines Drehzahlreglers möglich, dessen Ausgangsgröße den Sollwert I 1w* eines der
Stromregler 22 bildet.Wenn die Komponenten des Steuervektors auf Spannungsstelleingänge
UR, US und UT des Umrichters 2 wirkens,dann tritt durch die Wirkung etwaiger Verzögerungsglieder,
insbesondere durch die Wirkung der Streufeldzeitkonstanten der Asynchronmaschine
eine Phasendrehung zwischen dem Steuervektor und dem Ständerstromvektor auf. Einer
Veränderung des Steuervektors würde der Ständerstromvektor daher nicht sofort in
der beabsichtigten Richtung, folgen. Ausgehend von einem stationären Zustand würaen
bei Verstellung nur eines'Sollwertes zur Ausregelung dieser Regelabweichung beide
Regler 22 arbeiten müssen, wodurch vorübergegend eine gewisse dynamische Verkoppelung
und damit eine Verminderung der an sich möglichen Regelgeschwindigkeit eintritt.
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Um auch dieser.Verkoppelung zu begegnen, wird daher dem durch die
Ausgangsspannungen der Regler 22 gebildeten Steuervektor ein zu diesem senkrecht
stehender Vektor so hinzuaddiert, daß der Summenvektor dem ursprünglichen Steuervektor
in Drehrichtung des Feldes voreilt. Dem Betrag dieses zusätzlich aufgeschalteten,
eine Drehstreckung des Steuervektors bewirkenden Vektors soll dabei bezüglich seines
Betrages proportional dem Produkt aus der Winkelgeschwindigkeit der Drehfeldachse,
dem Betrag des Stänaerstromes sowie der Streufeldzeitkonstanten der Asynchronmaschine
sein. Die zuvor erwähnte Drehstreckung des Steuervektors wird bei der Anordnung
nach Fig. 4 bewirkt durch zwei Multipliktoren
23 und-24, deren
Eingangsklemmen 25 und 26 die Istwertkomponentenspannungen Iw und'Ib zugeführt sind
und an deren anderen Eingängen eine der Winkelgeschwindigkeit des Feldes# # entsprechende
Größe zugeführt ist, welche von einem an die Ausgangsklemmen des Vektoranalysators
5 angeschlossenen Meßglied 27 stammt. Die Ausgangsgrößen des Multiplikatoren 23
und 24 werden in Summierstellen 52 und 55, mit dem dort vermerkten Wirkungssinn
und dem Gewicht T behaftet, addiert. T entspricht dabei der Streufeldzeitkonstanten.
Es ist prinzipiell gleichgültig, an welcher Stelle zwischen Reglerausgang und den
dem Stellglied 2 zugeordneten Eingängen die kompensierende Drehstreckung des Steuer
vektors erfolgt; d.h. an welcher Stelle die Summierstellen 52 und 53 angeordnet
werden. Sie können beispielsweise, wie gestrichelt angedeutet, auch zwischen den
Klemmen 19 und 20 des Komponentenwandlers 6 und den Eingängen der Transformationsschaltung
10 vorgesehen werden, wobei dann natürlich die entsprechenden ständerbezogenen Komponentenistwerte
Ir und Ij des Ständerstromes als Eingangsgrößen für die Multiplikatoren dienen.
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In analoger Weise kann an dieser Stelle auch einer dynamischen Verkoppelung
der feldachsenbezogenen Stellgrößen begegnet werden, welche auf Grund der Hauptfeldzeitkonstanten
der Asynchronmaschine bedingt ist. Da hierbei eine Drehstreckung entgegeng-esetzt
zur Drehrichtung des Feldes erfolgen muß, sind die entsprechenden omponentenspannungen
des Feldvektors den Eingangsklemmen 25' und 26' mit negativen Vorzeichen zugeführt.
Es ist noch zu bemerken, daß dieses Prinzip der dynamischen Entkoppelung durch Drehstreckung
des Steuervektors selbstverständlich auch bei jeder anderen Verzögerung angewendet
werden kann, welche jeweils zwischen dem den Ständerstrom beeinflussenden Stelleingang
und dem Ständerstrom selbst wirksam ist. Entsprechend der Größe der Zeitkonstanten,
deren phasendrehende Wirkung kompensiert werden soll, ändern Sich lediglich die
Gewichte, d,h, die Faktoren, mit welchen die Ausgangsgrößen der Multiplikatoren
summiert werden Fig. 5. zeigt ein Beispiel für die Realisierung des jn Fig. 1 -bis
3 mit 5 bezeichneten Vektoranalysators. Zwei orthogonale Kommponentenspannungen
r
und #j des Drehfeldvektors liegen an den Eingangsklemmen 11 und 12 der jeweils mittels
Multiplikatoren 28 und 29 gegengekoppelten Verstärker 30 und 31. Die Ausgangsspannungen
der Verstärker 30 und 51 werden in zwei weiteren Multi plikatoren 32 und 33 quadriert
und im Eingang eines Summierverstärker mit einer negativen Spannung -N2 verglichen0
Die Ausgangsspannung des Summierverstärkers 34 beaufschlagt den Eingang eines Integrators
35, dessen durch einen Begrenzungsanschlag36, beispielsweise in Form an sich bekannter
Begrenzerdioden, einseitig auf Null begrenzte Ausgangs spannung auf die beiden anderen
Eingänge der Multiplikatoren 28 und 29 wirkt. Bezeichnet man die Ausgangsspannung
des Integrators 35 mit A, dann treten auf Grund der gegenkoppelnden Wirkung der
Multiplikatoren 28 und 29 am Ausgang des Verstärkers 50 die Spannungen-#r/A und
am Ausgang des Verstärkers 31 die Spannung - #j/A auf. Der Integrator verändert
dann seine Ausgangsspannung A nicht mehr, wenn seine Eingangsspannung Null ist,-
d.h. die Beziehung gilt
An der Ausgangsklemme 37 des Vektoranalysators tritt daher eine Spannung auf, welche
proportional dem Betrag aus den Komponenten spannungen #r und #j gebildeten Vektors
ist. Werden die Ausgangsspannungen der Verstärker 30 und 31, wie in Fig. 5 dargestellt,
zwei gegengekoppelten Umkehrverstärkern
zugeführt, deren Gegenkopplungswiderstände sich zu ihren Eingangswiderständen verhalten
wie 1 : N, dann treten an den Klemmen 13 und 14 die Komponenten cOßY und sinus eine
Einheitsvektors auf, welcher stets in Richtung des Feldvektors zeigt.
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In Fig. 6 ist ein Ausführungsbeispiel für die mit 6 bzw. 21 bezeichneten
Komponentenwandler gezeigt.5 Es besteht aus zwei Addierverstärkern 38 und 39, denen
die Ausgangsspannungen von vier Multiplikatoren zugeführt sind. Sämtliche der mit
den' jeweils mit - und + bezeichneten Eingängen der Verstärker" 38 und 39 verbundenen
Widerstände sind von gleicher Größe. Mit den an den Eingangsklemmen 15 und 15 zugeführten
ständerbezogenen, normierten Feldkomponentenspannungen gestattet die in Fig. 6
dargestellte
Schaltung entweder aus den an den weiteren Eingangsklemmen 17 und 18 zugeführten
feldachsenbezogenen Größen b, w, welche den feldachsenbezogenen Ständerkomponenten
Iw und Ib entsprechen, die entsprechenden ständerbezogenen Ständerstromkomponenten
1r und ij zu bilden oder, wie bei dem Komponentenwandler 21 der Anordnung nach Fig.
4, aus normierten ständerbezogenen Feldkomponenten cos# und sin#
ständerbezogenen Ständerstromkomponenten Ir und Ij die entsprechenden feldachsenbezogenen
Ständerstromkomponenten Iw und Ib zu bilden. Dies läßt sich zeigen, indem die aus
Fig. 1 entnehmbaren Beziehungen Ib = Ir/cos# + Iw . tg# (1) Ij = Ir . tg# + Iw/cos#
(2) nach 1r und Ij oder nach 1w und Ib aufgelöst werden.
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Fig". 7 zeigt den Aufbau der Transformationsschaltung 10 zur Umwandlung
zweier orthogonaler Vektorkomponentenspannungen in entsprechende, d.h. denselben
Vektor beschreibende -Komponentenspannungen eines dreiphasigen Systems. Die Transformationsschaltung
besteht aus drei Verstärkern, denen die beiden mit Ur und U. bezeichneten Komponentenspannungen
zugeführt sind. Wie bei j dem Diagramm der Sig. 1 soll dabei die der Komponente
Ur zugeordnete Achse-mit-der der Komponente UR des Dreiphasensystems zugeordneten
Achse zusammenfallen. Die Umwandlung erfolgt mittels an sich bekannter Transformationsregeln
, wozu die Beschaltungswiderstände der Addierverstärker 44 bis 46 die in Fig.. 7
angegebenen Widerstandsverhältnisse aufweisen.
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Fig. 8 zeigt die entsprechende Schaltung für die Transformation.
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eines dreiphasigen Komponentensystems UR, US und UT in ein zweiphasiges,
orthogonales Komponentensystem mittels zwei Addierverstärker 47 und 48. Eine'derartige
Transformationsschaltung kann bei den Anordnungen der Fig. 3 und 4 eingesetzt werden
und ist dort mit 8 bezeichnet.
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Die Fig. 9 und 10 dienen. zur näheren Erläuterung der phasenverdrehenden
Wirkung von Verzögerungsgliedern und deren Kompensation. Ein mit 49 bezeichnetes
Verzogerungsglien erster Ordnung
liegt beispielsweise im Ständerkreis
an beliebiger Stelle zwischen den Stelleingängen für den Ständerstrom und dem Ständerstrom
selbst, und ist als rückgekoppelter Integrator mit der Integrierzeit T dargestellt.
Die Verzögerungszeitkonstante dieses Gliedes 49 entspricht.der Zeit T und wäre beispielsweise
repräsentativ für die Streufeldieitkonstante der Asynchronmaschine. Es könnte sich
jedoch hierbei auch um ein anderes Verzögerungsglied handeln, welcher'beispielsweise
zum Zwecke der Istwertgläuttung des Ständerstromes manchmal erforderlich wird.
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Es soll zunächst nur der-vollumrandete Teil des Verzögerungsgliedes
49 im Ständerkoordinatensystem betrachtet werden. Zwischen der vektoriellen Eingangsgröße
E und der vektoriellen Ausgangsgröße A, symbolisch dargestellt durch jeweils zwei
Signalflußwege für die diese Vektoren beschreibenden Yektorkomponenten, besteht
d'ann folgende Vektorgleichung E - A = T (3) dt Die Lösung dieser Vektorgleichung
ergibt, daß bei einer Veränderung des Eingangsvektors E um einen Differenzvektor
#E der ursprüngliche Ausgangsvektor A um einen Differenzvektor #A ,verändert wird,
welcher genau in Richtung des Vektors au liegt und dessen Betrag mit der Verzögerungszeitkonstanten
T auf den Betrag des Differenzvektors #E anwächst. Der Ausgangsvektor folgt damit
phasentreu jeder Verstellung des Eingangsvektors E.
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Wird das Verzögerungsglied 49 jedoch in einem feldachsenbezogenen
Koordinatensystem betrachtet, wobei die Winkelgeschwindigkeit des Drehfeldes # beträgt,
dann ergibt sich zwischen der Einganggröße E# und A# folgende Differentialgleichung
dA# E# - A# - j# TA#= T (4).
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dt In dem Blockschaltbild der' Fig. 9 äußert sich dies darin, daß
zusätzlich noch ein fiktives Gegenkopplungsglied 50 auftritt, wodurch der Ausgang
Au nicht mehr gleichphasig dem Eingang E folgt und darüber hinaus auch noch ein
Betragsfehler verursacht wird. Dieser Einfluß kann dadurch kompensiert werden, daß
ein Korrekturglied 51 mit-umgekehrtem Einfluß wie der des Gegenkopplungsgliedes
50 vorgesehen wird. Dieses Korrekturglied 51
muß also eine Drehstreckung
des Eingangsvektors in Abhängigkeit vom Ausgangsvektor, der Winkelgeschwindigkeit
der Drehfeldachse# und der wirksamen Zeitkonstante T bewirken. Da sich die Wirkungen
der Glieder 50 und 51 gegenseitig aufheben, gilt zwischen dem Eingangsvek'tor E#
und dem Ausgangsvektor A # eine der Gleichung (3) entsprechende Beziehung. Wenn
also eine Komponente des Vektors E , z.B. E1 senkrecht zum Feld verstellt wird,
dann erfolgt auch eine Verstellung des Ausgangsvektors A in derselben Richtung.
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Fig. 10 zeigt den näheren Schaltungsaufbau dieser Kompensationsschaltung.
Das in Fig. 9 mit 49 bezeichnete Verzögerungsglied ist in der Fig. 10. in Signalflußrichtung
rechts der Linie 1-1 angeordnet und besteht in einer RO-Schaltung aus den Kondensatoren
C1 und den Widerständen 2R1, so daß sich dessen Zeitkonstante mit T = R1 . C1 ergibt.
In jedem der den Eingängen E1 und E2 des Verzögerungsgliedes zugeordneten Signalflußwegen
wird ein Addierverstärker 52 bzw. 53 angeordnet, dessen Eingangsspannungen mit und
E2 bezeichnet sind. Ei und 4 sollen dabei Komponentenspannungen eines Vektors bedeuten,
wobei die Komponentenrichtungen aufeinander'senkrecht stehen und die Komponent,enrichtung
von in Riohtung.'d'er Drehung des Feldes um 900 gegenüber der Richtung der Komp,onente
E2 verdreht ist. Entsprechendes gilt. für die Richtungen der Ausgangskomponenten
A1 und A2.Die Ausgangsgröße A2 ist mit einem Eingang eines Multiplikators 55 verbunden,
dessen Ausgang subtraktiv dem Addierverstärker 52 zugeführt ist, während die Ausgangsgröße
A1 der Eingangsklemme 26 des Multiplikators 54 zugeführt ist und additiv auf den
Eingang des Addierverstärkers 53 wirk't.' Da die mit den Ausgängen der Multiplikatoren
54 und 55 verbundenen Eingangswiderstände der Verstärker 52 und 53 sich zu deren
Gegenkopplungswiderständen verhalten wie @ @ T, wird bei Anlegen einer der Winkelgeschwindigkeit
der Dr@hfeldachse proportionalen Spannung an der Klemme 28 eine Dreh-@@@@@kung d@@
durch d@@ Komponenten E1 und E2 bostimmten Eingangsvektors E#erreicht, welche abhängig
ist vom Ausgangsvektor, der Winkelgeschwindigkeit der Drehfeldachse# und der Zeitkonstante
des Verzögerungsgliedes, Es ist noch zu bemerken, daß die durch das Korrekturglied
51 bewirkte Kompensation grundsätzlich an beliebiger
Stelle längs
des Signalflußweges durchgeführt werden kann, sofern diese Stelle in Signalflußrichtung
nur vor dem Verzöge rungsglied liegt und es gleichermaßen auch keine Rolle spielt
ob diese Kompensation in einem feldachsenbezogenen oder in einem ständerbezogenen
Koordinatensystem stattfindet, wie dies auch bereits bei der Beschreibung der Anordnung
nach, Fig. 4 angedeutet worden ist.
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Fig. 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung zur Erfassung
der Winkelgeschwindigkeit der Drehfeldachse, die bei der Anordnung der Fig: 4 mit
27 bezeichnet wurde. An ihren Eingangsklemmen 57 und 58 liegen die zwei normierten,
orthogonalen Feldkomponentenspannungen. Diese Klemmen sind mit zwei Differensiergliedern
59 und sowie mit diesen nachgeordneten Multiplikatoren 61 und 62 verbunden, deren
Ausgangsspannungen in einem Addierverstärker 63 subtrahiert werden. Auf Grund der
Differentiationswirkung erscheint am Ausgang des Differenziergliedes 59 die Spannung
- # sin# und am Ausgang des Differenziergliedes 60 die Spannung #cos # , so daß
damit an der Ausgangsklemme 56 eine Spannung 9 # erscheint, welche der Winkelgeschwindigkeit
des Läuferdrehfeldes entspricht.
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Während bei den Anordnungen gemäß Fig. 3 und 4 der Stell- oder Steuervektor
in Form von orthogonalen Vektorkomponenten dem Stellglied vorgegeben wurde, zeigt
Fig. 12 ein Beispiel, bei dem der Stellvektor nicht mittels orthogonaler Komponenten
sondern nach Betrag und Phasenlage vorgegeben wird; die Verstellung des'Vektors~-Xelbst
erfolgt dabei nach wie vor in festgelegten Richtungen parallel und senkrecht zur
momentanen Dreh--sollwerte werden feldachse. Die Vektorkomponenten des Ständerstromvektors
# feldachsenbezogen als orthogonale
Sollwerte Iw*.
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und 1b* in einen Komponentenwandler 6 -eingegeben und wie schon im
Zusammenhang mit Fig. 3 erläutert, mittels der Ausgangsspannungen eines Vektoranalysators
5 als entsprechende ständerbezogene Vektorkomponentensollwerte 1r* und 1 von diesem
ausergeben. Selbstverständlich könnte such hier - wie in der Fig. 4 dargestellt
- zum Zwecke der Drehzahlregelung ein Drehzahlregler überlagert werden, dessen Ausgangsgröße
den Vektorkomponentensollwet
I 1w* liefert. Das Stellglied 2a
und 2b besteht hier in einem Zwischenkreisumrichter, in dessen Zwischenkreis ein
mittels eines Stromreglers 64 eingeprägter Gleichstrom Igl erzwungen wird. Hierzu
wirkt der Ausgang des Stromreglers auf den Stromstelleingang des GleichrichterS
2a in der Weise, daß dauernd im Gleichstromzwischenkreis ein Strom Igl fließt, der
genauso so groß ist wie die dem Regler 64 am Sollwerteingang zugeführt Größe |I*|
. Diese Größe wird der Ausgangsklemme 37 eines Vektoranalysators 5' entnommen, welcher
den gleichen Innenaufbau wie die in Fig. 5 dargestellte Schaltung aufweist.
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Die Eingangsklemme 11 und 12 dieses Vektoranalysators 5' sind mit
den Ausgangsklemmen 19 und 20 des Komponentenwandlers 6 verbunden, an denen die
ständerbezogenen Sollwerte Ir* und Ij* der Komponenten des Steuervektors für den
Ständerstrom erscheinen.
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Der Betrag dieses Steuervektors erscheint somit an der Ausgangsklemme
37, während analog wie bei dem Vektoranalysator 5 an den Ausgangsklemmen 13 und
14 normierte ständerbezogene Steuerkomponentenspannungen cos ß* und sin/6* liegen,
wobei der Winkel ß* jeweils die Sollwinkellage des Ständerstromvektors bezüglich
der Ständerachse R bedeuten soll; der Winkel ß würd.e der tatsächlichen Istlage
des Ständerstromvektors entsprechen. Aus den Komponentenspannungen cos ß* und sin
ß* wird in einem Winkelschalter diskrete 65 eine Information über sechs
Winkelstellungen pro Umdrehung dieses Steuervektors erarbeitet und in entsprechende
Stellbefehle für'die'Zündung d.er Ventile des Wechselrichters 2b umgeformt. An den
mit' 68 bis, 73 bezeichneten Ausgangsklemmen des Winkelschalters 65 erscheinen Zündimpulse,
welche die Ven,-tile des Wechselrichters 2b derartig steuern, daß der Ständerstromvektor
jeweils sechs diskreten Winkelstellungen des mit deneKomponentenspannungen cos *
und sin ß* beschriebenen Steuervektors folgt.
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Zusätzlich zu dieser Steuerung der, Phasenlage des. Ständerstronvektors
kann ein Phasenkorrekturregler 74 vorgesehen werden, welcher jede Abweichung des
Ständerstromvektors von den jeweiligen vorgeschriebenen .sechs diskreten Winkelwerten
feststellt und eine ,dementsprechende Vordrehung der von dem Winkelschalter 65 ausgegebenen
Steuerimpulse bewirkt. Damit können durch Kommutierung
bedingte
Verzögerungen bei der Wechselrichteransteuerung und etwaige sonstige Verzögerungen
kompensiert werden.
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Die Fig. 13 bis 16 zeige,n Einzelheiten zur Ansteuerung des Wechselrichters
eines Umrichters mit Gleichstromzwischenkreis.
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Dieser Wechselrichter besteht nach Fig. 13 aus sechs gesteuerten Hauptventilen
S1 bis S6 in Drehstrombrückenschaltung, welche jeweils durch positive Zündimpulse
anihren Steuerstrecken g1 bis g6 durchlässig gesteuert werden können sowie aus sechs,
den Hauptventilen über Kommutierungskondensatoren parallel angeordnete, gesteuerte
Kommutierungsventile S7 bis S12 mit den ihnen zugeordneten Steuerstrecken g7 bis
g12. Durch Zündung eines Kommutierungsv.entils wird jeweils das ihm parallel angeordnete
Hauptventil gelöscht. Die hierzu erforderlichen Kommutierungsspannungen werden von
den Kommutierungskondensatoren bereitgestellt, welche mit den ihnen zugeordneten
Ständerphasenwicklungen der Asynchronmaschine 1 Schwingkreis bilden. Es ist jeweils
eines der Ventile 1 bis S3 und gleichzeStig eines der Ventile S4 bis S6 durchlässig
gesteuert, so daß der eingeprägte Gleichstrom 1g1 jeweils zwei Phasenwicklungen
durchfließt.
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Aus Fig. 14 geht die Zündreihenfolge der einzelnen Hauptventile hervor.
Es sind dort sechs diskrete Lagen des resultierenden Ständerstromvektors dargestellt,
welche sich jeweils bei Zündung er an den einzelnen Vektorpfeilen vermerkten Ventile
ergeben.
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Damit sich der Ständerstromvektor im Uhrzeigersinn in Sprüngen von
jeweils 600 bewegt, wären also zunächst beispielsweise die Ventile S1 und S6 im
durchlässigen Zustand zu halten, sodann die Ventile S2 und S6, sodann die Ventile
S2 und S4 usf. Steht ein kontinuierlich umlaufender Steuervektor zur Verfügung,
so bieten sich aus Symmetriegründen die mit I bis VI bezeichneten Winkelbereiche
an, in denen die Hauptventile in der in Fig. 1,4 angegebenen Weise zu zünden sind.
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Fig. 15 zeigt den Innenaufbau des in Fig. 12 mit 65 bezeichneten Winkels,chalters,
der die Aufgabe erfüllt, aus den Komponentenspannungen cos ß* und sin ß* des kontinuierlich
umlaufenden
Steuervektors w'ährend'derWinkelbereiche I bis VI die
vorstehend erwähnten Zündimpulse für die Haupt- und Kommutierungsventile des Wechselrichters
2b zu erzeugen. Die an den Eingangsklemmen 66 und 67 anliegenden Komponentenspannungen
cos p* und sin p* * werden in sechs Verstärkern 83 bis 88 mit verschiedenen Gewichten
so addiert, daß an den Verstärkerausgängen sechs jeweils um 3 gegeneinander versetzte
Sinusspannungen austretens Hierzu weisen die Beschaltungswiderstände der einzelnen
Verstärker die in Fig. 15 angegebenen Widerstandsverhältnisse auf. Den Ausgängen
der Verstärker 83 bis 88 ist jeweils ein Grenzwertmelder, beispielsweise in Gestalt
eine an sich bekannten Schmitt-Triggers, nachgeschaltet, der bei einem von Null
verschiedenen Eingangssignal E ein konstantes positives Ausgangssignal A abgibt0
An den Ausgängen dieser Grenzwertmelder entstehen daher um #/3 gegeneinander versetzte
Impulszüge, deren Dauer jeweils einer Halbperiode der sie beaufschlagenden Wechselspannungen
bzw. einem halben Umlauf des Steuervektors- entspricht. Diese Impulszüge sind im
einzelnen in Fig. 16 dargestellt. Es sind weiterhin sechs Undgatter 89 bis 94 vorgesehen,
welche jeweils von zwei Grenzwertmeldern beaufschlagt sind und an ihrem Ausgang
dann ein Signal erscheinen lassen, wenn die Ausgangsspannungen der beiden sie beaufschlagenden
Grenzwertmelder einen von Null verschiedenen Wert aufweisen.
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Wie sich anhand -der, Fig. 16 leicht verfolgen läßt, erscheinen auf
diese Weise an den Ausgangsklemmen 68 bis 73 des Winkelschalters 65 sechs Impulszüge,
welche jeweils gegeneinander um #/3 versetzt sind und eine Dauer von 2 #/3 aufweisen
und welche in der in Fig. 15 angegebenen Verbindung mit den Steuergittern g1 bis
g12 eine Zündung der Haupt- und Kommutierungsventile S1 bis S12 nach dem aus Fig.
14 ersichtlichen Schema ermöglichen.
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Fig. 17 zeigt den Aufbau des in Fig. 12. mit 74 bezeichneten Phasenkorrekturreglers,
welcher an seinen Ausgangsklemmen 81 und 82 einen den. Steuervektor vordrehenden
Zusatzeinfluß bewirken soll Die Eingangsklemmen 75 und 76 werden von den normierten
Komponentenspannungen cosß * und sin ß* des kontinuierlich umlaufenden Steuervektors
beaufschlagt und sind mit den Eingangsklemmen 66' und 67' eines weiteren Winkelschalters
95 verbunden, dessen Schaltungsaufbau einem Teil des Winkelschalters 65 gleicht
und
demzufolge auch ähnliche Ausgangsklemmenbezeichnungen aufweist.
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Die an den Ausgangsklemmen 73' und 70' sowie an den Ausgangsklemmen
69' und'-72' auftretenden Impulsspannungen werden in je einem Addierverstärker 96
bzw. 97 subtrahiert. Der Verlauf der Ständerphasenströme IR und IS sollte nun dem
Verlauf der an Ausgängen der Verstärker 96 und 97 auftretenden Spannungen IR* und
IS* entsprechen, d.h. der Phasenwinkel zwischenIR* und IR@ bzw. IS* und IS sollte
zu, Null werden. Mit den Komponentenspannungen IR* und I* des Steuervektors und
den Komponentenspannungen IR und IS des Ständerstromvektors wird mittels zweier
Wiultiplikatoren 98 und 99 sowie einem Addierverstärker 100 das äußere (-vektorielle)
Produkt dieser beiden Vektoren gebildet. Erfolgt nun durch einen nachgeordneten
Quotientenbildner 101 eine Normiez rung mit dem-Betrag des Ständerstromvektors 11*1,,
welche, wie in Fig. 12 dargestellt', vom Ausgang des Vektoranalysators 5' geliefert
werden kann, so erscheint am Ausgang des Quotientenbildners 101 eine Größe, die
proportional ist dem Sinus des Winkels zwischen dem vorgegebenen Steuervektor und
dem Ständerstromvektor. Diese Größe wirkt auf den' Eingang eines, Integrators 102,
welcher mit den Eingängen zweier Multiplikatoren 103 und .104 verbunden ist. Wird
die Eingangsklemme 75 mit dem zweiten Engang des Multiplikators 104 direk,t.,und
die Eingangsklemme 76 mit dem zweiten Eingang des Multiplikators 103 über einen
Umkehrverstärker 1.0-7 verbunden und berücksichtigt man, daß die Ausgangsgrößen
an den Klemmen 82 und 81 des Phasenkorrekturreglers 74, wie in Fig. 12 dargestellt,
additiv auf die Eingänge 66 und 67 des Winkelschalters 65 wirken, dann wird durch
die Ausgangsspannung des Integrators. der am Eingang des Winkelschalters 65 wirksame
Steuervektor in Drehrichtung des Feldes solange vorgedreht, bis die Eingangsgröße
des Integrators 102, d.h. aber di-e Winkeldifferenz zwischen dem Steuervektor und
dem Istwert des Ständestromvektors zu Null geworden ist.
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Fig. 17 zeigt noch eine Möglichkeit zur direkten Ermittlung des Phasenwinkels
zwischen dem Steuervektor und dem Ständerstromvektor. Diese besteht darin, daß ein
beispielsweise nach der DAS 1 179 634 bekanntes P',hasenwinkel-Meßgerät mit der
Ausgang.sspannung des Verstärkers 96 sowie der Sekundärwicklung des den Phasenstrom
IR
erfassenden Stromwandlers eingangsseitig beaufschlagt wird und die in.Fig. 17 mit
108 bezeichnete Schaltbrücke in ihre gestrichelt angedeutete, senkrechte Stellung
gebracht wird. In der Anordnung nach Fig. 17 werden dann die Ausgangsklemmen 69'
und 72' samt den ihnen vorgeordneten Elementen entbehrlich sowie die Elemente 97,,
98, 99 und 100 und 101. An der grundsätzlichen Wirkungsweise ändert 8ich dadurch
nichts; der einzige Unterschied ist der, daß.der-Eingang des Integrators 102 nun
mit einer Größe beaufschlagt wird, welche direkt dem Phasenwinkel zwischen Steuervektor
und Ständerstromvektor proportional ist.
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Zur Anpassung der Regelgeschwindigkeit des Integralreglers 102 an
die jeweilige Winkelgeschwindigkeit kann im Eingangskreis desselben ein Multiplikator
105 vorgesehen werden, der mit einer der Winkelgeschwindigkeit des Läuferfeldes
proportionalen Gro-?,ße an seiner Eingangsklemme 80 beaufschlagt wird.
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Die vorstehend beschriebene Erfindung ermöglicht es bei einem asynchronmaschinenbetrieb,
die Forderung der schnellen und entkoppelten Verstellbarkeit der drehmomentbildenden
Größen mindestens genau so gut und, ebenso einfach zu erfüllen wie bisher bei Gleichstrommaschinenantrieben.
Mit dem Ersatz einer Gleichstrommaschine durch eine Asynchronmaschine ergeben sich
aber erhebliche Vorteile, bedingt durch eine erhöhte Betriebssicherheit' und die
Wartungsfreiheit der Asynchronmaschine.
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17 Figuren 19 Patentansprüche,