DE19615095C1

DE19615095C1 - Verfahren zur Flußsollwertführung von Drehstrom-Asynchronmotoren

Info

Publication number: DE19615095C1
Application number: DE19615095A
Authority: DE
Inventors: Martin Dipl Ing Riese; Peter Dipl Ing Rieger
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 1996-04-17
Filing date: 1996-04-17
Publication date: 1997-08-21
Anticipated expiration: 2016-04-18

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur drehmomentabhängigen Flußsollwertführung im Teillastbereich für eine Gruppe von parallel geschalteten Drehstrom-Asynchronmotoren, die von einem Umrichter gespeist werden, insbesondere von schienengeführten Fahrzeugen.

Die Parallelschaltung von Drehstrom-Asynchronmotoren an einem Wechselrichter ist möglich, wenn die Drehzahlen aller Motoren gleich sind, was bei einer starren Kopplung der Fall ist, oder nur unwesentlich, d. h. um deutlich weniger als den Bemessungsschlupf, differieren. Letzteres gilt z. B. für Lüfter, Pumpen etc. aber auch für Traktionsantriebe, insbesondere für schienengeführte Fahrzeuge. Typischerweise werden solche Mehrmotorenantriebe mit dem Verfahren der U/f-Steuerung betrieben. Das Ziel dieses Verfahrens liegt darin, den Gesamtfluß bis zum Bemessungspunkt konstant zu halten. Anstelle der U/f-Steuerung ist jedoch auch eine feldorientierte Regelung eines Mehrmotorenantriebes möglich. Die feldorientierte Regelung entspricht dem Stand der Technik und ist in verschiedenen Koordinationssystemen und Regelverfahren möglich (rotorfeldorientierte Regelung - Blaschke, F.; "Das Prinzip der Feldorientierung, die Grundlage für die Transvector-Regelung von Drehfeldmaschinen". Siemens-Z. 4f (1971), S. 757-760, direkte Selbstregelung - Depenbrock, M.; "Direkte Selbstregelung (DSR) für hochdynamische Drehfeldantriebe mit Stromrichterspeisung" Etz Archiv BD 7 (1985), H. 7, S. 211-218, Direct Torque Control - Pekka Tiitinen Msc, Pasi Pohjalainen Msc, Jarkko Lalu Msc; "The Next Generation Motor Control Method, Direct Torque Control (DTC)", EPE Journal Vol. 5 no. 1 March 1995). Dadurch ist es möglich, Fluß und Moment der Maschine auch im dynamischen Zustand unabhängig voneinander regeln zu können. Üblicherweise wird, um ein gutes Regelverhalten und eine gute Dynamik zu erreichen, der Fluß (Ständer- bzw. Rotorfluß) auch im Teillastbereich auf seinem Bemessungswert gehalten.

Das grundsätzliche Problem beim Parallelbetrieb mehrerer Motoren an einem Umrichter besteht darin, daß die einzelnen Maschinenströme ohne zusätzlichen Aufwand nicht meß- und auswertbar sind. Standard-Industrieumrichter messen die Ströme am Ausgang des Umrichters, d. h. für den Wechselrichter stellt sich die Motorgruppe wie ein großer Motor dar. Beim Betrieb mehrerer Maschinen an einem Umrichter kommt es bei differierenden Drehzahlen zu Momentendifferenzen zwischen den einzelnen Motoren.

In der DE 31 10 244 wird ein Verfahren zum Betrieb mehrerer Asynchronmotoren an einem Umrichter beschrieben, wobei der Strom jeder einzelnen Maschine gemessen und dem Umrichter zur Regelung zur Verfügung gestellt wird. Ziel dieser Regelung ist es, das Kippen der am stärksten belasteten Maschine zu verhindern.

Die DE 40 11 319 beschreibt ein Verfahren zum Betrieb von zwei Motoren an einem Umrichter, wobei durch pauschale Spannungsabsenkung eine Abflachung der Motorkennlinien erfolgt.

Aus Weinmann: "Spezielle Vorkehrungen bei der Vorgabe des Statorflusses für die hochdynamische Regelung eines Traktionsantriebes" in Elin-Zeitschrift, 1993, H. 3/4, S. 116-123 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Eisenbahn-Elektrofahrzeuges bekannt, bei dem im sogenannten "Economy-Betrieb" der Flußsollwert im Teillastbereich in Abhängigkeit vom Drehmonent-Sollwert vorgegeben wird. Diese Technik findet auch bei Lokomotiven und Straßenbahnen Verwendung, bei denen üblicher Weise eine Gruppe von Motoren parallel geschaltet, und von einem Umrichter gespeist werden. Ziel dieser Lösung ist die Erhöhung des Wirkungsgrades.

Ein gleichartiger Antrieb ist auch aus der EP 437 669 A1 bekannt, wobei ebenfalls die Erhöhung des Wirkungsgrades im Mittelpunkt steht.

Aus der DE 32 12 263 A1 ist eine Flußsollwertführung bekannt, die abhängig vom Lastsignal arbeitet. Die Abhängigkeit ist hier linear. Das beschriebene System ist besonders stromsparend.

Zur Minimierung von Momentendifferenzen mehrerer parallel laufender Motoren wird in der DE 40 11 319 A1 vorgeschlagen, die Kennlinien weich zu gestalten. Der Fluß wird dazu auf einem reduzierten Wert konstant gehalten. Eine proportionale Regelung erfolgt bei dieser Lösung nicht.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Momentendifferenzen zwischen an einem Umrichter parallel betriebenen Motoren im Teillastbereich zu minimieren.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Verfahrensmerkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Wesentlich an der Erfindung ist, daß den Drehstrom-Asynchronmotoren ein entsprechend dem Moment veränderlicher Fluß geregelt oder gesteuert eingeprägt wird.

Der Sollwert für den einzuprägenden Fluß wird, in Abhängigkeit des extern oder von einem übergeordneten Drehzahlregler vorgegebenen Momenten-Sollwertes oder des berechneten aktuellen Istmomentes, vorgegeben.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens werden in den Unteransprüchen 2 bis 5 angegeben.

Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Momentendifferenzen einer Gruppe von Motoren, die an einem Umrichter betrieben werden, im Teillastbereich vermindert werden können. Dabei werden die Verluste im Rotor jedes Motors nicht größer als im Bemessungspunkt und der Gesamtwirkungsgrad des Antriebs verbessert sich.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung des Verfahrens

Fig. 2 ein Signalflußplan entsprechend der Fig. 1

Fig. 3 einen an sich bekannten Signalflußplan eines feldorientierten geregelten Mehrmotorenantriebes

Fig. 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der praktischen Ausführung des Verfahrens im rotorflußorientierten Koordinatensystem.

Der prinzipielle Ablauf des Verfahrens wird an Hand der Fig. 1 dargestellt. Aus dem extern oder von einem übergeordneten Regler 1 (Drehzahlregler) vorgegebenen Moment-Sollwert 2 wird in einem Flußsollwertgeber 3 ein Signal für den Flußsollwert ψ_soll 4 gebildet. Sollfluß- und Moment werden der Motorgruppe 6 dann durch eine entsprechende Steuerung oder Regelung 5 eingeprägt.

Die Generierung des Flußsollwertes erfolgt so, daß das Verhältnis von Fluß und Moment der Asynchronmaschine auch im Teillastbereich dem Verhältnis von Fluß und Moment am Nennpunkt der Maschine bzw. Motorgruppe entspricht:

Der Schlupf ω_r einer Asynchronmaschine ergibt sich als Quotient aus momentbildendem Strom und Fluß wie folgt:

wobei K ein vom gewählten Koordinatensystem abhängiger Faktor ist. Daraus ist zu ersehen, daß bei geringerem Fluß ein größerer Schlupf und ein größerer momentbildender Strom notwendig sind, um das gleiche Moment zu erzeugen. Ist der Schlupf der Maschinen größer, wirken sich Drehzahldifferenzen bei Mehrmotorenantrieben weniger stark aus. Eine beliebige Flußabsenkung ist jedoch nicht möglich, da die thermische Belastung der Motoren beachtet werden muß und der Kippschlupf nicht überschritten werden darf. Eine Führung des Flußsollwertes entsprechend des erfindungsgemäßen Verfahrens gewährleistet jedoch, daß die Verluste im Rotor jedes Motors nicht größer sind als im Bemessungspunkt, d. h. das Verfahren auf jeden Motor auch ohne Kenntnisse der motorspezifischen thermischen Verhältnisse angewandt werden kann.

Fig. 3 zeigt einen an sich bekannten Signalflußplan eines feldorientierten geregelten Mehrmotorenantriebes. Dabei erfolgt die Regelung der elektrischen Größen im rotorflußorientierten Koordinatensystem.

Die Stromkomponenten i_sd bzw. i_sq, welche aus der Vektordrehung des Gesamtständerstromes i_sa und i_sb mit dem berechneten Rotorflußwinkel resultieren, sind Rotorfluß bzw. drehmomentproportionalen Größen. Mit diesen Größen wird damit das Gesamtfluß bzw. Gesamtmomentenverhalten der parallelgeschalteten Drehstrom-Asynchronmotoren beschrieben.

Aufgrund der magnetischen Sättigung des Drehstrom-Asynchronmotors ist es nicht sinnvoll, die rotorflußproportionale Stromkomponente i_sd* über den Nennmagnetisierungsstrom hinaus zu erhöhen. Aus diesem Grund sollte diese Stromkomponente bei einer größeren Belastung als dem Bemessungsmoment den Bemessungswert nicht wesentlich überschreiten.

Claims

1. Verfahren zur drehmomentabhängigen Flußsollwertführung im Teillastbereich für eine Gruppe von parallel geschalteten Drehstrom-Asynchronmotoren, die von einem Umrichter gespeist werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Flußsollwert ψ_soll so gebildet wird, daß das Verhältnis von Sollmoment M_soll bzw. Istmoment M_ist der Motorgruppe und Flußsollwert ψ_soll dem Verhältnis von Bemessungsmoment und Bemessungsfluß entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Berechnung des Flußsollwertes ψ_soll der Maximalwert mehrerer zurückliegender Momentenwerte benutzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flußsollwert ψ_soll dem Momentenist- bzw. Sollwert verzögert nachgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerung betriebspunktabhängig erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachführung des Flußsollwertes ψ_soll nur innerhalb bestimmter, festgelegter Mindest- und/oder Maximalwerte erfolgt.