DE19523302A1

DE19523302A1 - Verfahren zur Steuerung der Erregung eines Generators

Info

Publication number: DE19523302A1
Application number: DE1995123302
Authority: DE
Inventors: Frank Dipl Ing Hopfner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1995-06-27
Filing date: 1995-06-27
Publication date: 1997-01-02
Anticipated expiration: 2015-06-28
Also published as: DE19523302C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Erregung eines Generators, der von einem Dieselmotor ange trieben wird und der über wenigstens einen Antriebsstrom richter wenigstens einen Elektromotor speist.

Ein derartiges Verfahren ist in dem Aufsatz von H. Kellers und G. Roth "Steuerung und Regelung von dieselelektrischen Drehstromantrieben mit SIBAS® 16" in der Zeitschrift "ZEV + DET Glas. Ann. 117 (1993) Nr. 12 Dezember", Seiten 411 bis 418 beschrieben.

Im bekannten Fall wird auf eine konstante Spannung am Netz kondensator in Abhängigkeit von der Generatordrehzahl geregelt. Durch eine hohe verknüpfte Zeitkonstante zwischen dem Reglerausgang und der Detektion der Netzkondensator spannung ist die Regelung bei dynamischer Laständerung am Antrieb teilweise zu langsam, um die Generatorerregung vor der Entregung des Generators oder vor dem Auftreten von Über spannungen nachzuführen. Dieses Verhalten tritt vorrangig dann auf, wenn der Generator leistungsseitig minimiert projektiert wurde.

Die Auswertung des Pulsbreitensignals und die Umwandlung in ein Analogsignal im Erregergerät ist bei dem bekannten Steuer- und Regelverfahren mit großen Zeitkonstanten behaftet, wobei bei einem Erregergerat mit Spannungsausgang der Erregerstrom nur über eine Rückführung zum Regler eingestellt werden kann, so daß hierbei die Zeitkonstante des Regelkreises berücksichtigt werden muß. Technisch bedingt wild weiterhin der Istwert der Generatorerregung nicht direkt im Generator, sondern als Spannungssignal vor dem rotierenden Umformer gemessen. Dadurch können Zeitkonstanten des rotierenden Umformers und der Erregerwicklung nicht berücksichtigt werden. Ferner bleibt der Einfluß des Lastzustandes des Generators auf die Erregung unberück sichtigt, da die lastabhängige Gegeninduktion auf die Erregerwicklung zu einer nicht direkt er faßbaren Änderung des Erregerstromes führt.

Bei Umrichteranlagen puffert der Energiespeicher "Zwischen kreis" bzw. bei leistungsseitig reichlich projektierten Generatoren die zusätzliche Generatorinduktivität den Energiebedarf bei dynamischen Laständerungen im Antriebskreis und kompensiert so die Reaktionszeit der Regelstrecke (Generatorerregung).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das kurzzeitige Last wechsel am Antrieb schnell erfassen und aussteuern kann.

Die Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeich nenden Teil dieses Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestal tungen des Verfahrens nach Anspruch 1 sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung der Erre gung eines Generators, der von einem Dieselmotor angetrieben wird und der über wenigstens einen Antriebsstromrichter wenigstens einen Elektromotor speist, wird in Abhängigkeit von der aktuellen Generatorbelastung die Erregung des Generators kennlinienabhängig gesteuert.

Durch die schnelle lastdynamische Steuerung der Generator erregung gemäß Anspruch 1 können die eingesetzten Komponenten Dieselmotor und Generator leistungsseitig optimiert und mit weniger Leistungsreserve, also leichter, kleiner und kostengünstiger, projektiert werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird abhängig von der aktuellen Generatorbelastung die Erregung des Generators kennlinienabhängig gesteuert. Das erfindungsgemäße Steuer konzept der Generatorerregung basiert damit auf einer genera torlastabhängigen dynamischen Erregerstrombeeinflussung. Die Kennlinie des Generators kann hierbei aus den Angaben des Herstellers ermittelt oder selbst gemessen werden.

Bei einem Verfahren nach Anspruch 2 wird die Generator belastung ausschließlich über den aktuellen Generatorbela stungsstrom bestimmt, der sich im unterschied zur Spannung schneller ändert und damit wesentlich schneller als bei dem bekannten Verfahren, bei der die Generatorbelastung über die Spannung bestimmt wird, detektierbar ist.

Bei einer Ausgestaltung gemäß Anspruch 3 wird der Belastungs strom über die Aussteuerung des Antriebsstromrichters zuzüg lich Verlust-, Hilfsbetriebe- und Ladestrom berechnet. Dadurch ergibt sich ein weiterer Zeitvorteil für die last dynamische Steuerung der Generatorerregung, da die Aus steuerung ursächlich für die Laststromänderung verantwortlich ist und die Zeitkonstante der Antriebsinduktivität entfällt.

Der so berechnete Erregerstromsollwert kann gemäß Anspruch 5 durch eine unterlagerte Regelschleife quasi-statisch korrigiert werden. Vorzugsweise erfolgt dies mittels der gemessenen Netzkondensatorspannung. Ausgangspunkt dafür ist die drehzahlabhängige Generatorklemmspannung, die mit dem zugehörigen Generatorkennlinienwert verglichen wird. Ist die Regelabweichung größer als eine einstellbare Grenze, wird der Erregerstromsollwert proportional korrigiert.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung und in Verbindung mit den weiteren Ansprüchen. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipstruktur einer lastdynamischen Steuerung und Regelung,

Fig. 2 eine Funktionsübersicht bei einer lastdynamischen Generatorerregung.

In Fig. 1 ist die lastdynamische Steuer- und Regelstruktur der Generatorerregung als Funktionsübersicht dargestellt.

Der Lastzustand des Generators ist prinzipiell durch die entnommene elektrische Leistung charakterisiert.

P_≈ = 1,05 · P₌
= 1,05 · U₌ · I₌ · cosϕ (1)
P_≈: Wechselstromwirkleistung
P₌: Gleichstromwirkleistung
U₌: Gleichrichtspannung (≡ U_C)
U_C: Netzkondensatorspannung
I₌: Gleichrichtstrom
cosϕ : Leistungsfaktor.

Als Kriterium für die Höhe des Erregerstromes wird der Gleichrichtstrom als Maß der Generatorbelastung verwendet. Eine Änderung des Gleichrichtstromes kann wesentlich früher erkannt werden, als eine Änderung der Spannung U_C am Netz kondensator (bedingt durch die Zeitkonstanten der Wirkungs kette). Insofern wird mit der Belastungsänderung die Ursache der Spannungsänderung für die Erregerstromregelung ausgewertet. Eine Änderung des Gleichrichtstromes führt dann zum Nachstellen des Erregerstromes, noch bevor eine Spannungsänderung erkennbar ist und sich dadurch eine Entregung oder Übererregung des Generators andeutet.

In Fig. 2 ist die lastdynamische Steuer- und Regelstruktur der Generatorerregung dargestellt. Es lassen sich fünf Funktionsgruppen I bis V einteilen.

In der Funktionsgruppe I wird die drehzahlvariable minimale und maximale Erregerstromgrenze berechnet.

Für den eingesetzten Generator existiert eine minimal bzw. maximal erforderliche Erregung laut dessen Kennlinie, um die drehzahlvariable Klemmennennspannung lastabhängig einzu stellen. Aus der Berechnung resultiert ein minimaler dreh zahlabhängiger Erregerstromgrenzwert für Generatorleerlauf und ein maximaler drehzahlabhängiger Erregerstromgrenzwert für maximal zulässige Generatorbelastung.

Die Berechnung der drehzahlvariablen maximal zulässigen Generatorbelastung erfolgt in der Funktionsgruppe II.

Der Generator hat eine drehzahlabhängige maximale Ausgangsleistung. Für Generatorklemmennennspannung und maximale Erregung wird der maximal mögliche Generator ausgangsstrom nach der Belastungskennlinie des Generators bestimmt.

Die Funktionsgruppe III dient zur Berechnung des aktuellen Summenlastgleichstromes.

Das geforderte Fahrmoment wird abhängig von der Fahrzeug geschwindigkeit (Motordrehzahl) aus veränderlichen Anker strömen bestimmt. Steht - wie im Ausführungsbeispiel - kein Netzstromwandler zur Verfügung, kann der aktuelle Generator laststrom aus den Einschaltzeiten der Gleichstromsteller und den zugehörigen Ankerströmen berechnet werden. Zusätzlich fließt ein Strom für die Verluste, Hilfsbetriebe und Kondensatorladung als Konstante ein. Die Berechnung des Generatorlaststromes aus den Einschaltzeiten ist nur bei Gleichstromstellern sinnvoll. Bei umrichtergespeisten Wechselstromantrieben (ein- und mehrphasig) ist aufgrund des erhöhten Berechnungsaufwandes ggf. eine Messung vorzuziehen.

Im Gegensatz zu dem in der Funktionsgruppe II berechneten generatorseitigen maximal zulässigen Laststrom wird hier der derzeitige antriebsseitige Laststrom berechnet. Eine übergeordnete Lastregelung sorgt dafür, daß dieser Strom den maximal zulässigen Generatorlaststrom nicht übersteigt.

Die Berechnung des Erregerstromsollwertes wird in der Funktionsgruppe IV vorgenommen.

Aus den Berechnungen in den Funktionsgruppen II und III wird die aktuelle Generatorbelastung (Strom) bestimmt. Abhängig davon wird der Erregerstrom in den Grenzen zwischen Minimum und Maximum (aus Funktionsgruppe I) berechnet.

Die Funktionsgruppe V ist für die spannungsabhängige Steuerung und die unterlagerte Erregerstromregelung verantwortlich.

Das Kriterium Generatorausgangsspannung wurde für die bisherige Erregerstromberechnung (Funktionsgruppen I-V), begründet durch das Spannungs-Zeit-Verhalten, nicht berücksichtigt. Die Spannung ist jedoch ein Indikator für die aktuellen Energieverhältnisse zwischen Generator und Antrieb.

Überschreitet die Klemmenspannung die drehzahlabhängige Generatorklemmennennspannung um einen Grenzwert, wird der Erregerstromsollwert proportional dazu reduziert. Unterschreitet die Klemmenspannung die drehzahlabhängige Generatorklemmennennspannung um einen Grenzwert, wird der Erregerstromsollwert proportional dazu erhöht (langsamer Regelkreis). Die Höhe des Korrekturwertes wird zur Kennlinienoptimierung verwendet.

Nach einer Erregerstromgrenzwertüberwachung sorgt ein unterlagerter Erregerstromregler mit limitierten Aussteuer grenzen für den Soll-Ist-Abgleich des Erregerstromes.

Nachfolgend wird das Verfahren am Beispiel eines Gleich stromstellers beschrieben.

Der Gleichrichtstrom wird aus den Einschaltzeiten der beiden Steller und den gemessenen Ankerstromistwerten berechnet. Hilfsbetriebe, Verluste und Kondensatorladung werden vereinfacht als konstant betrachtet und berücksichtigt.

α₁, α₂: relative Aussteuerung der Ankersteller 1/2
I_A1, I_A2: Ankerstromistwerte Steller 1/2
I_V+HB: Verlust-, Hilfsbetriebe- und Ladestrom (drehzahlkonstant)
t_EIN₁, t_EIN₂: Einschaltzeiten Steller 1/2
T₁, T₂: Taktperiode Steller 1/2.

Der berechnete Gleichrichtstrom wird mit dem maximal zulässigen Generatorgleichstrom für die entsprechende Generatordrehzahl verglichen. Der drehzahlabhängige maximal zulässige Generatorgleichstrom wird aus der Kennlinie S = f(n) des Generators ermittelt. Vom Generatorhersteller ist für diese Scheinausgangsleistung S eine zugehörige Erregung angegeben. Die aufgenommene Antriebsleistung darf die maximal zulässige Generatorausgangsleistung für die entsprechende Drehzahl nicht überschreiten.

P, P_≈: Wirkleistung, Wirkleistung wechselstromseitig
S, S_××: Scheinleistung, Scheinleistung wechselstromseitig
cosϕ: Leistungsfaktor
U_≈, U₌: Generatorausgangsspannung wechselstromseitig/gleichstromseitig
I₌: Gleichrichtstrom
GEN_zuI: generatorseitig zulässig.

Aus dem Verhältnis von berechnetem Gleichrichtstrom (lastseitig) zu generatordrehzahlabhängig zulässigem Gleichrichtstrom wird die erforderliche Generatorerregung berechnet.

I_E: Erregerstrom
(n): Funktion der Generatordrehzahl
_SOLL,IST: Sollwert, Istwert
_GENzuI: generatorseitig zulässig
GEN_max,GEN_min: maximal, minimal generatorseitig möglich

Die Netzkondensatorspannung charakterisiert über die Leistungsgleichung (1) die Lastverhältnisse am Generator. Sie ist ein Indikator für die Energieverhältnisse zwischen Generator und Antrieb.

Weicht die Ausgangsspannung des Generators um mehr als einen einstellbaren drehzahlabhängigen Betrag nach oben oder unten von der Nennspannungskennlinie des Generators ab, wird der Erregerstromsollwert nach oben bzw. unten korrigiert (unterspannungsabhängige Erregerstromerhöhung bzw. überspannungsabhängige Erregerstromreduzierung). Die Rückführung kompensiert Abweichungen zwischen Generatorkennlinie und eingesetztem Generator (Exemplarstreuung). Die Höhe des rückgeführten Wertes (U_{GENsoll (nGEN)} - U_{C ist} in Fig. 1) korrigiert die Generatorleistungskennlinie proportional. Dadurch wird eine langfristige Selbstoptimierung des Regelaussteuerung realisiert:

- Einteilung des Generatordrehzahlbereiches in diskrete Abschnitte (z. B. 20)
- Erfassen der durchschnittlichen Höhe des Rückführungswertes pro Zeit in einem Drehzahlabschnitt
- Integration der Rückführungswerte in einem Drehzahlabschnitt über einen längeren Zeitraum (z. B. 200 Betriebsstunden)
- proportional zum Integrationsergebnis wird die Leistungskennlinie im entsprechenden Drehzahlabschnitt näherungsweise linear korrigiert (maximal ± 10%).

In Fig. 2 ist zu erkennen, daß abschließend ein unterlagerter Erregerstromregler (PI) mit limitierten Regelgrenzen für die Einstellung des Erregerstromsollwertes über einen Soll-Ist- Vergleich sorgt.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung der Erregung eines Generators, der von einem Dieselmotor angetrieben wird und der über wenig stens einen Antriebsstromrichter wenigstens einen Elektro motor speist, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der aktuellen Generatorbelastung die Erregung des Generators kennlinienabhängig gesteuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aktuelle Generatorbelastung über den Generator belastungsstrom ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Belastungsstrom des Generators aus der Ansteuerung des Antriebsstromrichters und dem Summenlast-Gleichstrom berechnet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Belastungsstrom direkt am Generator gemessen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Erregerstrom in Abhängigkeit vom ermittelten Belastungsstrom in den Grenzen zwischen dem minimalen dreh zahlabhängigen Erregerstrom-Grenzwert bei Generatorleerlauf und dem maximalen drehzahlabhängigen Erregerstrom-Grenzwert bei maximal zulässiger Generatorbelastung durch eine unter lagerte Regelschleife quasi-statisch korrigiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gemessene Generatorspannung mit der Generatorspannung gemäß Kennlinie verglichen wird und über eine unterlagerte Regelung eine unterspannungsabhängige Erregerstrom-Erhöhung oder eine überspannungsabhängige Erregerstrom-Reduzierung erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung eine Selbstoptimierung der Kennlinie des Generators umfaßt.