DE19519238A1 - Verfahren zur Schwingungsdämpfung bei einer umrichtergespeisten Drehstrommaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur Dämpfung von niederfrequenten Schwingungen bei einer umrichtergespeisten n-phasigen Drehstrommaschine.

Beim Betrieb von Drehstrommaschinen an Umrichtern treten niederfrequente Schwingungen, auch Pendelungen genannt, auf, die sich am auffallendsten im Geräusch, der Stromamplitude und der Drehzahl der Maschine bemerkbar machen. Die Pendel­ neigung beginnt etwa bei einer Maschinenleistung von 4 kW und verstärkt sich zu größeren Leistungen hin. Die Pendelungen nehmen von ihrem Maximum im Leerlauf mit zunehmender motori­ scher oder generatorischer Belastung ab. Ihre Frequenz liegt im Bereich von etwa 5 bis 30 Hz bei einer 50-Hz-Maschine; sie sinkt mit zunehmender Maschinengröße und dem Schwungmoment.

Bei spannungsgespeisten (Speisung der Maschine mit konstanter Spannung und Frequenz) Drehstrommaschinen sind diese Schwin­ gungen besonders bei leerlaufenden Asynchronmotoren im Be­ reich mittlerer Ständerfrequenz (bezogen auf die Nennfre­ quenz) zu beobachten und führen zu unerwünschten Stromverläu­ fen, gekennzeichnet durch niederfrequente Schwingungen im Wirkstrom und in der Drehzahl. Diese Schwingungen treten bei Speisung der Maschine mit Pulswechselrichter mit Spannungs­ steuersatz auf, beispielsweise sind sie auch bei direkter Netzspeisung der Drehstrommaschine zu beobachten.

Bei stromgespeisten (Speisung mit konstantem Strom und Fre­ quenz) Drehstrommaschinen sind die Schwingungen vor allem bei großen Maschinen, beispielsweise größer 30 kW, mit entspre­ chend großen Rotorzeitkonstanten ausgeprägt. Die Schwingungen können hier an der Spannung der Maschine beobachtet werden und führen zu unerwünschten Pendelungen in der Drehzahl. Sie können auftreten bei Speisung der Maschine mit stromeinprä­ genden Umrichtern oder bei Speisung der Maschine mit Puls­ wechselrichter mit Spannungssteuersatz und Stromregelung.

In beiden Fällen bewirken die Schwingungen Veränderungen im abgegebenen Moment und in der Drehzahl, die den Produktions­ prozeß empfindlich stören können. Weiterhin entsteht durch die Schwingungen eine unnötig hohe mechanische Beanspruchung des Antriebs. Im Falle der Spannungsspeisung ergibt sich zu­ sätzlich eine hohe elektrische Beanspruchung. Bei Umrichter­ speisung kann der durch das beschriebene Phänomen entstehende Strom zum vorzeitigen Ausfall durch Ansprechen der Überstrom­ schwelle führen.

Diese Pendelungen, die im Ausgangsstrom des spannungseinprä­ genden Umrichters am auffälligsten zu beobachten sind, treten mit geringer Amplitude, auch im Zwischenkreisstrom, der Zwi­ schenkreisspannung und der Ausgangsspannungsamplitude auf.

Aus dem Aufsatz "Steady-state oscillation and stabilisation of variable-frequency invertor-fed induction-motor drives", abgedruckt in "PROC. IEE", Vol. 116, No. 6, June 1969, pp. 991-999, ist ein Verfahren zur Schwingungsdämpfung bei einer spannungsgespeisten Drehstrommaschine bekannt. Bei die­ sem Verfahren wird der gemessene Zwischenkreisstrom diffe­ renziert und dieser Wert als Korrekturgröße der Sollfrequenz des spannungseinprägenden Umrichters aufgeschaltet, d. h., diese gebildete Korrekturgröße wird vom Frequenz-Sollwert subtrahiert. Durch die Aufschaltung eines stromabhängigen Korrekturwertes auf den Sollwert der Umrichterspannung wird die Rückwirkung des Stromes auf die Spannung berücksichtigt. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß mit kleinerwerdenden Frequenzen die Korrekturgröße verschwindend klein wird.

Aus dem Aufsatz "Simulation of unstable oscillations in PWM variable-speed drives", abgedruckt in "IEEE Transactions on Industry Applications", Vol. 24, No. 1, January/February 1988, pp. 137-141, ist ein weiteres Verfahren zur Schwin­ gungsdämpfung bei einer spannungsgespeisten Drehstrommaschine bekannt. Bei diesem Verfahren wird die Istwert-Frequenz mit einer Korrekturgröße beaufschlagt, die proportional dem Zwi­ schenkreiskondensator-Ladestrom ist. Dies ist gleichbedeutend damit, daß die Zwischenkreisspannung differenziert und mit einer Konstante multipliziert wird. Auch dieses Verfahren ist bei kleinerwerdenden Frequenzen immer weniger brauchbar.

Aus der EP 0 354 411 A1 ist ein Verfahren zur Unterdrückung von mechanischen Schwingungen bekannt, die einem Drehzahl- Istwert überlagert sind. Bei diesem Verfahren wird durch Aus­ kopplung eines Gleichspannungsanteils des Drehzahl-Istwertes ein Wechselspannungsanteil erzeugt, der in eine Rechteckspan­ nung gewandelt wird, deren Polarität und Frequenz proportio­ nal zur Polarität und Frequenz des Wechselspannungsanteils des Drehzahl-Istwertes ist. An dem Wechselspannungsanteil wird eine Remanenzschwingung herausgefiltert und anschließend deren Betragsspannung gebildet. Diese Betragsspannung wird mittels der Rechtecksspannung zerhackt und proportional zu deren Polarität zu einem Zusatzstrom-Sollwert gewichtet zu­ sammengesetzt. Mittels diesem Verfahren kann man amplituden­ getreu gegen die mechanischen Schwingungen steuern, wodurch die Steuerung dieses Antriebs sich nicht aufschwingen kann.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Schwingungsdämpfung bei einer umrichtergespeisten Dreh­ strommaschine anzugeben, das die aufgeführten Nachteile nicht mehr aufweist und das antriebsunabhängig ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 2 bzw. 3.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird aus den n-1 zugängli­ chen Regelgrößen - Phasenstrom beim spannungseinprägenden Umrichter bzw. Phasenspannung beim stromeinprägenden Umrich­ ter - die niederfrequente Schwingung eliminiert und daraus ein Korrekturwert gebildet.

Da es sich bei den Regelgrößen der umrichtergespeisten Dreh­ strommaschine jedoch um Wechselgrößen handelt, denen jeweils eine niederfrequente Schwingung überlagert ist, kann man die bekannte Differenzierung nicht ohne weiteres anwenden.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die gemessenen Regelgrößen vor der Differenzierung zunächst in Gleichgrößen umgewandelt werden müssen, denen niederfrequente Schwingungen überlagert sind. Dies geschieht dadurch, daß aus den Regel­ größen zunächst ein Regelgrößen-Raumzeiger gebildet wird, der durch seine orthogonalen Komponenten angegeben wird, wobei jeweils eine orthogonale Regelgrößenkomponente mit einer Ach­ se eines ständerfesten α,β-Koordinatensystems zusammenfällt. Diese Regelgrößenkomponenten werden nun in ein mit der Stän­ derfrequenz umlaufendes orthogonales w,b-Koordinatensystem transformiert, wobei eine Achse, beispielsweise die w-Achse, mit dem Stellgrößen-Raumzeiger - Ständerspannungs-Raumzeiger beim spannungseinprägenden Umrichter bzw. Ständerstrom-Raum­ zeiger beim stromeinprägenden Umrichter - zusammenfällt. Durch die Transformation in dieses stellgrößenorientierte Ko­ ordinatensystem erhält man stellgrößenorientierte Regelgrö­ ßenkomponenten, wobei eine dieser orthogonalen Komponenten mit dem Stellgrößen-Raumzeiger zusammenfällt und eine andere orthogonale Komponente senkrecht auf dem Stellgrößen-Raum­ zeiger steht. Durch diese Vektor-Tranisformation erhält man zwei mit der Ständerfrequenz umlaufende Gleichgrößen, denen jeweils ein niederfrequenter Schwingungsanteil überlagert ist. Für die Transformation wird jeweils ein Winkel des Stellgrößen-Raumzeigers, der im Umrichter vorhanden ist, ver­ wendet. Durch Differenzierung dieser Größe entfällt der Gleichanteil, so daß man nun die niederfrequenten Schwin­ gungsanteile mit einer Phasenverschiebung von annähernd 90° el. erhält.

Somit erhält man ein Verfahren zur Schwingungsdämpfung bei einer umrichtergespeisten Drehstrommaschine, das vom Antrieb unabhängig ist und auch bei kleinerwerdenden Frequenzen des Antriebs noch voll funktionsfähig ist, da die gesamte Schwin­ gungsinformation in der Regelgröße erfaßt wird und nicht nur einen kleinen Teil, wie bei dem eingangs genannten Aufsatz.

Bei einem vorteilhaften Verfahren setzt sich die Korrektur­ größe aus zwei Teilkorrekturgrößen zusammen, die jeweils aus einer orthogonalen stellgrößenorientierten Regelgrößenkompo­ nente erzeugt werden. Somit wird die gesamte Schwingungsin­ formation der Regelgröße für die Bestimmung der Korrektur­ größe verarbeitet, wodurch eine höhere Dämpfung erreicht wird.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel einer Vorrich­ tung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sche­ matisch veranschaulicht ist.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild der Vorrichtung zur Durch­ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem spannungseinprägenden Umrichter,

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild dieser Vorrichtung bei einem stromeinprägenden Umrichter, in

Fig. 3 ist in einem Zeigerdiagramm die Vektortransformation bei einem spannungseinprägenden Umrichter darge­ stellt, in

Fig. 4 ist in einem Zeigerdiagramm eine erste Vektortrans­ formation bei einem stromeinprägenden Umrichter dargestellt, wobei in

Fig. 5 eine zweite Vektortransformation dargestellt ist, in der

Fig. 6 ist der Phasenstromverlauf i_R ohne Schwingungsdämp­ fung bei einer spannungsgespeisten Maschine in einem Diagramm über der Zeit t dargestellt, wobei in

Fig. 7 der Phasenstromverlauf i_R mit Schwingungsdämpfung veranschaulicht ist, die

Fig. 8 zeigt die Drehzahl und den Phasenstrom i_R ohne Schwingungsdämpfung jeweils in einem Diagramm über der Zeit t bei einer stromgespeisten Maschine, wobei in

Fig. 9 diese Verläufe mit Schwingungsdämpfung dargestellt sind.

Die Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 2 zur Dämpfung von niederfrequenten Schwingungen bei einer umrich­ tergespeisten n-phasigen Drehstrommaschine 4. Als Umrichter ist ein spannungseinprägender Umrichter 6 vorgesehen. Dieser spannungseinprägende Umrichter 6 besteht aus einem netzsei­ tigen Stromrichter 8, einem Spannungszwischenkreis 10 und einem lastseitigen Stromrichter 12, auch Wechselrichter bzw. Pulswechselrichter genannt. Über den netzseitigen Stromrich­ ter 8, auch Gleichrichter genannt, wird die Netzspannung eines Netzes 14 gleichgerichtet. Der Pulswechselrichter 12 generiert aus der Gleichspannung des Spannungszwischenkreises 10 ein Drehspannungssystem mit variabler Frequenz und Span­ nung. Außerdem weist dieser Umrichter 6 noch eine Steuer- und Regeleinrichtung 16 auf, die voll digitalisiert ist. Alle Funktionen einschließlich Steuersatz, Bedienerführung und umfangreiche Schutzfunktionen werden über zwei 16-Bit-Mikro­ prozessoren abgearbeitet. Zur optimalen Anpassung an unter­ schiedliche Antriebsaufgaben sind vier Varianten der Steue­ rung und Regelung in der Grundgeräte-Software hinterlegt und können über ein Bediengerät oder eine serielle Schnittstelle aktiviert werden. Die Regelvariante "Frequenzsteuerung" ist als Blockschaltbild näher dargestellt. Dabei wird die Span­ nung |U| für den Steuersatz 18 mittels einer U/f-Kennlinie eines Gebers 20 in Abhängigkeit eines Frequenz-Sollwertes f* vorgegeben. Ein derartiger spannungseinprägender Umrichter 6 ist im Handel erhältlich. Dieser im Handel erhältliche Um­ richter 6 ist einerseits im Siemens-Prospekt "SIMOVERT P Spannungszwischenkreis-Umrichter 6SE35/36 und 6SC36/37 für Antriebe bis 900 kW", Bestell-Nr. A 19100-E319-A371, 1989, und andererseits in der Zeitschrift "Energie & Automation", Produktinformation 9, 1989, Heft 1, Seiten 4 bis 7, näher beschrieben.

Zur Erzeugung einer variablen Ausgangsspannung wird ein Puls­ breitenmodulations-Verfahren benutzt. Für einen bestimmten Betriebszustand (Drehzahl, Drehmoment) müssen Spannung und Frequenz in geeigneter Weise vorgegeben werden. Im idealen Fall entspricht dies einer Führung des Spannungszeigers U _S(ωt) auf einer Kreisbahn mit angepaßter Umlaufgeschwin­ digkeit ωt und angepaßtem Betrag |U|. Bei einem Pulswech­ selrichter 12 wird dies durch Modulation der tatsächlich einstellbaren Spannungsraumzeiger realisiert (Pulsbreiten­ modulation). So wird der Augenblickswert von U(ωt) durch Pulsen der benachbarten, tatsächlichen einstellbaren Span­ nungszeiger und der Spannung "Null" gebildet. Durch Variation des Verhältnisses der Einschaltdauer (Pulsbreite) von benach­ barten Spannungszeigern zueinander stellt man direkt den Raumwinkel γ ein, durch Variation der Einschaltdauer für Spannung "Null" den gewünschten Spannungsbetrag |U|. Dieses Pulsbreitenmodulations-Verfahren wird im Steuersatz 18, auch Modulator genannt, softwaremäßig abgearbeitet. In der DE- Zeitschrift "antriebstechnik", Band 27, 1988, Nr. 4, Seiten 38 bis 42, ist diese Raumzeiger-Modulation näher beschrieben und es ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Raumzeiger-Modulators angegeben. Am Ausgang dieses Modulators 18 stehen die Ansteuersignale S1, . . . , S6 für den Pulswechsel­ richter 12 an.

In den Verbindungsleitungen, die den n-phasigen Drehstrom­ motor 4 mit diesem spannungseinprägenden Umrichter 6 verbin­ det, sind Meßwertaufnehmer 22, 24 und 26 zur Ermittlung der Istwerte der Phasenströme i_R, i_S und i_T angeordnet. Bei einer n-phasigen Drehstrommaschine 4 genügen n-1 Meßwertaufnehmer. Diese Meßwerte der Phasenströme i_R und i_S und der Raumwinkel γ des Spannungs-Raumzeigers U _S aus dem Steuersatz 18 werden der Vorrichtung 2 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zugeführt.

Diese Vorrichtung 2 besteht aus einem Koordinatenwandler 28 mit nachgeschaltetem Vektordreher 30, zwei Differenzierern 32 und 34, zwei Multiplizierern 36 und 38 und einem Summenbild­ ner 40. Die Phasenstrom-Istwerte i_R und i_S sind dem Koordina­ tenwandler 28 zugeführt, wobei der Raumwinkel γ des Ständer­ spannungs-Raumzeigers U _S dem Vektordreher 30 zugeführt ist. Dieser Koordinatenwandler 28 und dieser Vektordreher 30 sind aus der feldorientierten Regelung hinlänglich bekannt. In dem Buch "Stromrichter zur Drehzahlsteuerung von Drehfeldmaschi­ nen", Teil 3: Umrichter, von Erich Eder, sind im Kapitel 3 mit dem Titel "Ausgeführte Umrichterschaltungen", Seite 102 bis 111, diese Transformationen näher beschrieben und es ist jeweils ein Ausführungsbeispiel angegeben. Jeder Ausgang des Vektordrehers 30 ist mit einem Differenzierer 32 bzw. 34 ver­ bunden. Ausgangsseitig ist jeder Differenzierer 32 bzw. 34 mit einem Multiplizierer 36 bzw. 38 verknüpft, wobei an einem zweiten Eingang des Multiplizierers 36 bzw. 38 ein Faktor K_w bzw. K_b ansteht. Ausgangsseitig sind diese Multiplizierer 36 und 38 mit dem Summenbildner 40 verbunden, dessen Ausgang mit einem Subtrahierer 42 der Steuer- und Regeleinrichtung 16 des Umrichters 6 verknüpft ist, an dessen positiven Eingang ein Frequenz-Sollwert f* ansteht. Bei einer vorteilhaften Ausfüh­ rungsform der Vorrichtung 2 ist für diese Vorrichtung 2 ein Mikroprozessor vorgesehen. Falls die beiden Prozessoren der Steuer- und Regeleinrichtung 16 des spannungseinprägenden Umrichters 6 noch nicht ausgelastet sind, kann die Vorrich­ tung 2 auch softwaremäßig in die bestehende Steuer- und Regeleinrichtung 16 integriert werden.

Anhand des Zeiger-Diagramms nach Fig. 3 wird die Funktions­ weise der Vorrichtung 2 näher erläutert:

Der Koordinatenwandler 28 erzeugt aus den Phasenstrom-Istwer­ ten i_R und i_S einen Ständerstrom-Raumzeiger I _S (Regelgröße des spannungseinprägenden Umrichters 6), dessen orthogonale Stromkomponenten i_α und i_β am Ausgang des Koordinatenwandlers 28 anstehen. Somit werden die Phasenstrom-Istwerte i_R und i_S eines Drehstromsystems in Komponenten i_α und i_β eines karte­ sischen Koordinatensystems α, β gewandelt. Diese orthogonalen Stromkomponenten i_α und i_β werden mittels des Vektordrehers 30 in orthogonale Stromkomponenten i_w und i_b eines mit der Ständerfrequenz ω₁ umlaufenden kartesischen Koordinatensy­ stems w, b gedreht, wobei durch die Verwendung des Raumwin­ kels γ des Ständerspannungs-Raumzeigers U _S (Stellgröße des spannungseinprägenden Umrichters 6) die w-Achse dieses um­ laufenden Koordinatensystems w, b mit dem Ständerspannungs- Raumzeiger U _S zusammenfällt. Somit werden aus Drehstromgrößen i_α und i_β Gleichstromgrößen i_w und i_b, die auf den Ständer­ spannungs-Raumzeiger U _S orientiert sind, wodurch diese umlau­ fenden Gleichstromgrößen i_w und i_b auch als ständerspannungs­ orientierte Stromkomponenten i_w und i_b bezeichnet werden. Die ständerspannungsorientierte Stromkomponente i_w fällt mit dem Ständerspannungs-Raumzeiger U _S zusammen, wogegen die ständer­ spannungsorientierte Stromkomponente i_b senkrecht auf den Ständerspannungs-Raumzeiger U _S steht. Sind die Phasenströme i_R und i_S mit niederfrequenten Schwingungen überlagert, wobei in der Fig. 6 der zeitliche Verlauf des Phasenstromes i_R in einem Diagramm über der Zeit t dargestellt ist, so erhält man an den Ausgängen des Vektordrehers 30 Gleichgrößen i_w und i_b, denen Anteile der niederfrequenten Schwingungen überlagert sind. Durch die anschließende Differenzierung erhält man die­ se Anteile der niederfrequenten Schwingungen _w und _b. Diese niederfrequenten Schwingungen _w und _b werden jeweils mit einem Faktor K_w und K_b gewichtet, so daß an den Ausgängen der beiden Multiplizierer 36 und 38 jeweils eine Teilkorrektur­ größe Δf_w und Δf_b anstehen, die zu einer Korrekturgröße Δf addiert werden. Durch die Wahl der Faktoren K_w und K_b kann man beide Schwingungsanteile _w und _b oder nur einen Schwin­ gungsanteil _w berücksichtigen. Da sich bei einer spannungsgespeisten Maschine 4 die niederfrequenten Pendel­ ungen im Wirkstrom bzw. in der Drehzahl besonders bemerkbar machen, erhält man bereits eine sehr hohe Dämpfung dieser Pendelungen, wenn nur die ständerspannungsorientierte Strom­ komponente i_w bei der Erzeugung einer Korrekturgröße Δf ver­ wendet wird. Werden beide ständerspannungsorientierten Strom­ komponenten i_w und i_b zur Erzeugung der Korrekturgröße Δf verwendet, so erhalt man eine annähernd hundertprozentige Dämpfung der niederfrequenten Pendelungen. In der Fig. 7 ist einem Diagramm über der Zeit t der zeitliche Verlauf des Phasenstromes i_R dargestellt, der sich einstellt, wenn die Vorrichtung 2 bei einer spannungsgespeisten n-phasigen Drehstrommaschine 4 verwendet wird.

Die Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 2 zur Dämpfung von niederfrequenten Schwingungen bei einer umrich­ tergespeisten n-phasigen Drehstrommaschine 4. Als Umrichter ist ein stromeinprägender Umrichter 44 vorgesehen. Dieser stromeinprägende Umrichter 44 besteht aus einem netzgeführten netzseitigen Stromrichter 46, einer Zwischenkreisdrossel 48 und einem selbstgeführten maschinenseitigen Stromrichter 50. Dieser Umrichter 44 enthält neben dem Leistungsteil einen Regelungs- und Steuerungsteil 52 sowie alle für den Betrieb eines drehzahlveränderbaren Drehstromantriebs erforderlichen Komponenten. Bei Stromzwischenkreis-Umrichtern 44 wird die Amplitude des Stromes im netzseitigen und die Frequenz im maschinenseitigen Stromrichter 46 und 50 eingestellt. Über eine Zwischenkreisdrossel 48 sind netz- und maschinenseitige Stromrichter 46 und 50 miteinander verbunden. Der netzseitige Stromrichter 46 besteht aus einer vollgesteuerten Drehstrom- Brückenschaltung. Durch eine zeitliche Verschiebung der Steu­ erimpulse SG1, . . . , SG6 für die Stromrichterventile relativ zur Netzspannung lassen sich Größe und Polarität der Ausgangs­ gleichspannung des Stromrichters ändern. Die Zwischenkreis­ drossel 48 prägt einen dem Lastzustand der Maschine 4 ent­ sprechenden Gleichstrom I ein und entkoppelt den netz- und maschinenseitigen Stromrichter 46 und 50. Der maschinensei­ tige Stromrichter 50 ist selbstgeführt und arbeitet nach dem Kommutierungsverfahren der Phasenfolgelöschung. Die Maschine wird mit annähernd blockförmigen Strömen gespeist, wobei in der Ständerwicklung eine annähernd sinusförmige Spannung in­ duziert wird.

Die Regelung 52 des Stromzwischenkreis-Umrichters 44 ist als kippsichere, feldorientierte Lastwinkelregelung ausgeführt, die wahlweise als Frequenz-, Drehzahl- oder Momentenregelung betrieben werden kann. Die für die Regelung notwendigen Grö­ ßen werden aus den Klemmgrößen - Spannung und Strom - der angeschlossenen Maschine 4 ermittelt. Die Regelung hat die Aufgabe, Strom und Frequenz so vorzugeben, daß die ange­ schlossene Maschine 4 das erforderliche Moment und die ge­ wünschte Leistung erreicht. Ein Strukturbild der eingesetzten Regelung ist in dem Siemens-Prospekt "SIMOVERT A Stromzwi­ schenkreis-Umrichter 6SC23 für Antriebe bis 2600 kW", Bestell-Nr. A19100-E319-A375, 1989, bzw. in der DE-Zeit­ schrift "Energie & Automation" Produktinformation 9, 1989, Heft 1, Seiten 20 bis 22, angegeben und im einzelnen be­ schrieben. Diese Regelung besteht aus einem Stromregelkreis und einem Frequenzregelkreis. Die feldorientierte Lastwin­ kelregelung ermöglicht einen entkoppelten Eingriff auf die fluß- und momentenbildende Größe der angeschlossenen Dreh­ strom-Asynchronmaschine 4. Der Regelungs- und Steuerungsteil 52 enthält ebenfalls einen Istwertrechner, dessen Aufbau der EP 0 335 180 A1 im einzelnen zu entnehmen ist. Dieser Ist­ wertrechner erzeugt aus den Klemmgrößen Ständerspannung u_s und Ständerstrom i_s einen Lastwinkel-Istwert. Als Zwischen­ ergebnis erhält man den Raumwinkel ε_s des Ständerstrom- Raumzeigers U _S und den Feldwinkel ϕ des Fluß-Raumzeigers Ψ. Dieser Winkel ε_s bzw. ϕ wird der Vorrichtung zugeführt. Die Signale, die in Abhängigkeit des Feldwinkels ϕ des Fluß- Raumzeigers Ψ erzeugt werden, sind in dem Blockschaltbild der Vorrichtung 2 jeweils in Klammern angegeben.

Die Vorrichtung 2 für den stromeinprägenden Umrichter 44 und die Vorrichtung 2 für den spannungseinprägenden Umrichter 6 sind identisch. Anhand der Zeigerdiagramme nach den Fig. 4 und 5 wird die Funktionsweise der Vorrichtung für den strom­ einprägenden Umrichter 44 näher erläutert:

Der Koordinatenwandler 28 erzeugt aus den Phasenspannungs- Istwerten u_R und u_S einen Ständerspannungs-Raumzeiger U _S (Regelgröße des stromeinprägenden Umrichters 44), dessen orthogonale Spannungskomponenten u_α und u_β am Ausgang des Koordinatenwandlers 28 anstehen. Somit werden die Phasen­ spannungs-Istwerte u_R und u_S eines Drehstromsystems in Kompo­ nenten u_α und u_β eines kartesischen Koordinatensystems α, β gewandelt. Diese orthogonalen Spannungskomponenten u_α und u_β werden mittels des Vektordrehers 30 in orthogonale Spannungs­ komponenten u_w und u_b eines mit der Ständerfrequenz ω₁ um­ laufenden kartesischen Koordinatensystems w, b gedreht, wobei durch die Verwendung des Raumwinkels ε_S des Ständerstrom- Raumzeigers I _S (Stellgröße des stromeinprägenden Umrichters 44) die w-Achse dieses umlaufenden Koordinatensystems w, b mit dem Ständerstrom-Raumzeiger I _S zusammenfällt. Somit wer­ den aus Wechselspannungsgrößen u_α und u_β Gleichspannungs­ größen u_w und u_b, die auf den Ständerstrom-Raumzeiger I _S orientiert sind, wodurch diese umlaufenden Gleichgrößen u_w und u_b auch als ständerstromorientierte Spannungskomponenten u_w und u_b bezeichnet werden. Die ständerstromorientierte Spannungskomponente u_w fällt mit dem Ständerstrom-Raumzeiger I _S zusammen, wogegen die ständerstromorientierte Spannungs­ komponente u_b senkrecht auf den Ständerstrom-Raumzeiger I _S steht. Wird als Drehwinkel des Vektordrehers 30 der Feld­ winkel ω des Fluß-Raumzeigers Ψ genommen, wobei dieser Raum­ winkel ω vom Fluß-Raumzeiger Ψ und der α-Achse des kartesi­ schen Koordinatensystems α, β eingeschlossen wird, so erhält man mittels der Transformation aus den Wechselspannungskom­ ponenten u_α und u_β feldorientierte Spannungskomponenten u_{w ϕ} und u_{b ϕ}. Diese umlaufenden Gleichgrößen u_w, u_b bzw. u_{w ϕ} und u_{b ϕ} werden anschließend differenziert und mit einem Faktor K_w, K_b gewichtet. Die an den Multiplizierern 36 und 38 an­ stehenden Teilkorrekturgrößen Δf_w und Δf_b werden zu einer Korrekturgröße Δf addiert. Auch diese Korrekturgröße Δf wird auf einen Frequenzwert f der Steuerungs- und Regelungsein­ richtung 52 des stromeinprägenden Umrichters 44 aufgeschal­ tet, wobei der Korrekturwert Δf vom Frequenzwert f subtra­ hiert wird.

Mit der Vorrichtung 2 werden niederfrequente Schwingungen bei einem stromeinprägenden Umrichter 44 gedämpft. In der Fig. 8 ist ein Phasenstrom i_R und die Drehzahl n der Maschine 4 jeweils in einem Diagramm über der Zeit t dargestellt. Dem Drehzahlverlauf ist entnehmbar, daß bei Drehzahländerungen bzw. -sprüngen eine Schwingung entsteht, die sich dem Dreh­ zahlwert überlagert. Ist die Vorrichtung 2 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Steuerungs- und Re­ gelungseinrichtung 52 integriert, werden diese Schwingungen gedämpft (Fig. 9).

Somit kann man mit der Vorrichtung 2 niederfrequente Schwing­ ungen bei einem spannungseinprägenden bzw. einem stromein­ prägenden Stromrichter 6 bzw. 44 dämpfen, indem aus Regel­ größen (Phasenstrom bei spannungseinprägendem Umrichter 6 und Phasenspannung bei stromeinprägendem Umrichter 44) zunächst ein Regelgrößen-Raumzeiger (Ständerstrom-Raumzeiger I _S bei Spannungsspeisung und Ständerspannungs-Raumzeiger U _S bei Stromspeisung) gebildet wird, dessen Regelgrößenkomponenten (i_α und i_β bzw. u_α und u_β) in umlaufende stellgrößenorien­ tierte Regelgrößenkomponenten (i_w, i_b bzw. u_w, u_b bzw. u_{w ϕ}, u_{b ϕ}) gewandelt werden. Diese stellgrößenorientierten Re­ gelgrößenkomponenten werden dann differenziert und gewichtet, wobei die gewichteten Werte einzeln oder als Summenwert als Korrekturgröße auf die Frequenz der Stellgröße (Ständerspan­ nungs-Raumzeiger U _S bzw. Ständerstrom-Raumzeiger I _S) des spannungseinprägenden bzw. stromeinprägenden Stromrichters 6 bzw. 44 geschaltet wird.

Claims (13)

1. Verfahren zur Dämpfung von niederfrequenten Schwingungen (_w und _b) bei einer spannungsgespeisten n-phasigen Dreh­ strommaschine (4), wobei aus einem aus n-1 Phasenströmen (i_R, i_S) bestimmten Ständerstrom-Raumzeiger (I _S) eine Korrek­ turgröße (Δf) bestimmt wird, die auf einen Frequenz-Sollwert (f*) der spannungsgespeisten Drehstrommaschine (4) aufge­ schaltet wird, wobei zur Ermittlung dieser Korrekturgröße (Δf) der gebildete Ständerstrom-Raumzeiger (I _S) in seine orthogonalen Stromkomponenten (i_α, i_β) zerlegt wird, die in orthogonale mit Ständerfrequenz (ω₁) umlaufende ständerspan­ nungsorientierte Stromkomponenten (i_w, i_b) transformiert wer­ den, von denen wenigstens eine ständerspannungsorientierte Stromkomponente (i_w bzw. i_b) differenziert und anschließend mit einem Gewichtungsfaktor (K_w bzw. K_b) multipliziert wird.

2. Verfahren zur Dämpfung von niederfrequenten Schwingungen (_w und _b) bei einer stromgespeisten n-phasigen Drehstromma­ schine (4), wobei aus einem aus n-1 Phasenspannungen (U_R, U_S) bestimmten Ständerspannungs-Raumzeiger (U _S) eine Korrektur­ größe (Δf) bestimmt wird, die auf einen Frequenz-Sollwert (f*) der stromgespeisten Drehstrommaschine (4) aufgeschaltet wird, wobei zur Ermittlung dieser Korrekturgröße (Δf) der gebildete Ständerspannungs-Raumzeiger (U _S) in seine orthogo­ nalen Spannungskomponenten (u_α, u_β) zerlegt wird, die in orthogonale mit Ständerfrequenz (ω₁) umlaufende ständer­ stromorientierte Spannungskomponenten (u_w, u_b) transformiert werden, von denen wenigstens eine ständerstromorientierte Spannungskomponente (u_w bzw. u_b) differenziert und anschlie­ ßend mit einem Gewichtungsfaktor (K_w bzw. K_b) multipliziert wird.

3. Verfahren zur Dämpfung von niederfrequenten Schwingungen (_w und _b) bei einer stromgespeisten n-phasigen Drehstrom­ maschine (4), wobei aus einem aus n-1 Phasenspannungen (U_R, U_S) bestimmten Ständerspannungs-Raumzeiger (U _S) eine Kor­ rekturgröße (Δf) bestimmt wird, die auf einen Frequenz-Soll­ wert (f*) der stromgespeisten Drehstrommaschine (4) aufge­ schaltet wird, wobei zur Ermittlung dieser Korrekturgröße (Δf) der gebildete Ständerspannungs-Raumzeiger (U _S) in seine orthogonalen Spannungskomponenten (u_α, u_β) zerlegt wird, die in orthogonale mit Ständerfrequenz (ω₁) umlaufende feld­ orientierte Spannungskomponenten (u_{w, ϕ}, u_{b, ϕ}) transformiert werden, von denen wenigstens eine feldorientierte Spannungs­ komponente (u_{w, ϕ} bzw. u_{b, ϕ}) differenziert und anschließend mit einem Gewichtungsfaktor (K_w bzw. K_b) multipliziert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Korrekturgröße (Δf) als Summe zweier Teilkorrekturgrößen (Δf_w, Δf_b) bestimmt wird, wobei die Teilkorrekturgrößen (Δf_w, Δf_b) dadurch be­ stimmt werden, daß die orthogonalen ständerspannungsorien­ tierten Stromkomponenten (i_w, i_b) differenziert und anschlie­ ßend mit einem Gewichtungsfaktor (K_w, K_b) multipliziert wer­ den.

5. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Korrekturgröße (Δf) als Summe zweier Teilkorrekturgrößen (Δf_w, Δf_b) bestimmt wird, wobei die Teilkorrekturgrößen (Δf_w, Δf_b) dadurch be­ stimmt werden, daß die orthogonalen ständerstromorientierten Spannungskomponenten (u_w, u_b) differenziert und anschließend mit einem Gewichtungsfaktor (K_w, K_b) multipliziert werden.

6. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Korrekturgröße (Δf) als Summe zweier Teilkorrekturgrößen (Δf_w, Δf_b) bestimmt wird, wobei die Teilkorrekturgrößen (Δf_w, Δf_b) dadurch be­ stimmt werden, daß die orthogonalen feldorientierten Span­ nungskomponenten (u_{w, ϕ} u_{b, ϕ}) differenziert und anschließend mit einem Gewichtungsfaktor (K_w, K_b) multipliziert werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zur Transformation der orthogonalen Stromkomponenten (i_α, i_β) in die orthogonalen ständerspannungsorientierten Stromkomponenten (i_w, i_b) ein Winkel (γ) verwendet wird, der vom Ständerspannungs-Raum­ zeiger (U _S) und der α-Achse des orthogonalen Ständerkoordi­ natensystems eingeschlossen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 2, wobei zur Transformation der orthogonalen Spannungskomponenten (u_a, u_β) in die orthogonalen ständerstromorientierten Spannungskomponenten (u_w, u_b) ein Winkel (ε_S) verwendet wird, der vom Ständerstrom-Raumzeiger (I _S) und der α-Achse des orthogonalen Ständerkoordinaten­ systems eingeschlossen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 3, wobei zur Transformation der orthogonalen Spannungskomponenten (u_a, u_β) in die orthogonalen feldorientierten Spannungskomponenten (u_{w, ϕ}, u_{b, ϕ}) ein Winkel (ϕ) verwendet wird, der vom Fluß-Raumzeiger (ψ) und der α- Achse des orthogonalen Ständerkoordinatensystems eingeschlos­ sen wird.

10. Vorrichtung (2) zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1 mit einem spannungseinprägenden Umrichter (6) mit einer nachgeschalteten n-phasigen Drehstrommaschine (4), bestehend aus einem Koordinatenwandler (28) mit nachgeschal­ tetem Vektordreher (30) und wenigstens einem Differenzierer (32, 34) mit nachgeschaltetem Multiplizierer (36, 38), dessen Ausgang auf einen Frequenzeingang einer Regelung (16) des Umrichters (6) gegengekoppelt ist, wobei der Differenzierer (32, 34) eingangsseitig mit einem Ausgang des Vektordrehers (30) verknüpft ist, an dessen Winkeleingang ein Winkelsignal (γ) ansteht, und wobei der Koordinatenwandler (28) eingangs­ seitig mit n-1 Meßwertaufnehmern (22, 24) verbunden ist, die jeweils in einer Verbindungsleitung zwischen Umrichter (6) und Drehstrommaschine (4) angeordnet sind.

11. Vorrichtung (2) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2 oder 3 mit einem stromeinprägenden Umrichter (44) mit einer nachgeschalteten n-phasigen Drehstrommaschine (4), bestehend aus einem Koordinatenwandler (28) mit nachgeschal­ tetem Vektordreher (30) und wenigstens einem Differenzie­ rer (32, 34) mit nachgeschaltetem Multiplizierer (36, 38), dessen Ausgang auf einen Frequenzeingang einer Regelung (52) des Umrichters (44) gegengekoppelt ist, wobei der Differenzierer (32, 34) eingangsseitig mit einem Ausgang des Vektordrehers (30) verknüpft ist, an dessen Winkeleingang ein Winkelsignal (ε_{S, ϕ}) ansteht, und wobei der Koordinatenwandler (28) ein­ gangsseitig mit n-1 Meßwertaufnehmern verbunden ist, die jeweils in einer Verbindungsleitung zwischen Umrichter (44) und Drehstrommaschine (4) angeordnet sind.

12. Vorrichtung (2) nach Anspruch 10 oder 11, wobei dem Vek­ tordreher (30) zwei Differenzierer (32, 34) jeweils mit einem nachgeschalteten Multiplizierer (36, 38) nachgeschaltet sind, wobei die Ausgänge der Multiplizierer (36, 38) mit einem Sum­ menbildner (40) verknüpft sind, an dessen Ausgang eine Kor­ rekturgröße (Δf) ansteht.

13. Vorrichtung (2) nach Anspruch 10 oder 11, wobei für die Vorrichtung (2) ein Mikroprozessor vorgesehen ist.