DE19846079A1

DE19846079A1 - Verfahren und Einrichtung zur Abbremsung eines Wechselstrommotors

Info

Publication number: DE19846079A1
Application number: DE19846079A
Authority: DE
Inventors: Gangolf Maiworm
Original assignee: Stromag GmbH
Current assignee: Stromag GmbH
Priority date: 1998-10-07
Filing date: 1998-10-07
Publication date: 2000-04-13

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur Abbremsung eines Wechselstrommotors durch entsprechende Steuerung wenigstens einer elektrischen Strom- oder Spannungsgröße des Motors. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird mittels einer Bremsregelungseinrichtung, die einen Brems-Magnetflußregler und einen überlagerten Zwischenkreisspannungsregler umfaßt, die Zwischenkreisspannung auf einen über der ideellen Versorgungsspannung liegenden Sollwert und die momentbildende Querstromkomponente unter Anpassung der magnetisierenden Längsstromkomponente auf einem vom Stellsignal des Zwischenkreisspannungsreglers bestimmten Sollwert geregelt. Dies erlaubt Bremsvorgänge ohne Bremswiderstand und Energieentnahme aus der Stromversorgung. DOLLAR A Verwendung für Asynchron- und Synchronmaschinen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Ein richtung zur Abbremsung eines Wechselstrommotors durch ent sprechende Steuerung wenigstens einer elektrischen Strom- oder Spannungsgröße des Motors. Ein solches Verfahren und ei ne solche Vorrichtung dienen dazu, die kinetische Energie ei nes Wechselstrommotors durch hauptsächlich elektrische Verlu ste in Wärme umzuwandeln und dadurch den Motor abzubremsen. Das Verfahren und die Einrichtung sind sowohl für Asynchron maschinen als auch für Synchronmaschinen anwendbar.

Es ist bekannt, bei hochdynamischen Bremsvorgängen, wie sie beispielsweise bei Servomotoren auftreten, die Bremsenergie über ein rückspeisefähiges Einspeisemodul in das Stromnetz zurückzuspeisen, an das der Wechselstrommotor angeschlossen ist, oder in einem Bremswiderstand in Wärme umzusetzen. Bei Standardanwendungen, bei denen die Abbremsung nicht mit einer hohen Dynamik erfolgen muß, wird die Bremsenergie herkömmli cherweise entweder über einen Bremswiderstand in Wärme umge wandelt oder, im Fall von Asynchronmaschinen, über Gleich strombremsung im Rotor der Asynchronmaschine vernichtet. Bei Gleichstrombremsung kann schon bisher auf den Bremswiderstand verzichtet werden, jedoch ist die Bremswirkung, abgesehen von mechanischen Verlusten, nur über Rotor- und Eisenverluste er zielbar. Bei Synchronmaschinen ist keine Gleichstrombremsung möglich.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstel lung eines Verfahrens und einer Einrichtung der eingangs ge nannten Art zugrunde, mit denen sich ein Wechselstrommotor mit relativ geringem Aufwand effektiv abbremsen läßt, ohne daß dazu zwingend ein Bremswiderstand benötigt wird.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie ei ner Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 2. Bei die sem Verfahren und dieser Vorrichtung wird zum einen mittels einer entsprechenden Bremsregelungseinheit, die einen Zwi schenkreisspannungsregler und einen Brems-Magnetflußregler umfaßt, zum einen die Zwischenkreisspannung auf einem über der ideellen Versorgungsspannung liegenden Sollwert geregelt, und zum anderen wird davon abhängig die momentbildende Quer stromkomponente bevorzugt auf einen unter diesen Bedingungen noch möglichst hohen Sollwert geregelt, wobei die magnetisie rende Längsstromkomponente entsprechend angepaßt werden kann.

Indem die Zwischenkreisspannung über der ideellen Versor gungsspannung gehalten wird, ist sichergestellt, daß keine Energie aus dem energieversorgenden Stromnetz entnommen wird. Durch das Regeln der Zwischenkreisspannung läßt sich zudem ein Ansprechen eines eventuell vorhandenen Bremswiderstandes in einem gewünschten Umfang verhindern. Durch das erfindungs gemäße Verfahren und die zu dessen Durchführung geeignete Einrichtung können alle im Motorantriebsstrang auftretenden Verluste in Bremsmoment umgesetzt werden. Die optimale Auf teilung des gesamten Motorstroms in geeignete Quer- und Längsstromkomponenten mittels der Bremsregelungseinheit lie fert automatisch eine maximal mögliche Bremsleistung ohne Bremswiderstand und ohne Energiezufuhr aus dem Stromnetz.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Motorregeleinrichtung,

Fig. 2 ein Schaltbild eines Spannungszwischenkreis-Umrich ters, wie er in der Motorregeleinrichtung von Fig. 1 verwendbar ist, und

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Bremsregelungseinheit für die Motorregeleinrichtung von Fig. 1.

Fig. 1 zeigt in einem im wesentlichen selbsterklärenden Blockschaltbild eine herkömmliche Regeleinrichtung für einen als Asynchronmaschine ausgelegten Drehstrommotor 1. Die Asyn chronmaschine 1 ist über einen Spannungszwischenkreisumrich ter 2, der eine Zwischenkreisspannung Uzk erzeugt, an ein energieversorgendes Stromnetz 3 angeschlossen. Der Umrichter 2 arbeitet beispielsweise in herkömmlicher Weise mit Vektor regelung und ist durch Pulsweitenmodulation von einem Steuer teil 4 der Motorregeleinrichtung ansteuerbar, der einen Dreh zahlregler 5 mit Begrenzerstufe 6 und nachgeschaltet einen Querstromregler 7 mit Begrenzerstufe 8 zur Generierung einer Querspannung Usq sowie parallel dazu einen Magnetflußregler 9 mit Begrenzerstufe 10 und nachgeschaltet einem Längsstromreg ler 11 mit Begrenzerstufe 12 zur Erzeugung einer Längsspan nung Usd umfaßt und den Umrichter 2 unter Verwendung der ge nerierten Quer- und Längsspannung Usq, Usd und des Feldwin kels pulsweitenmoduliert ansteuert. Von einem Sensorteil 13 der Motorregeleinrichtung werden die relevanten Kenngrößen ermittelt, insbesondere der motormomentbildende Querstrom Isq bzw. Imr, der magnetisierende Längsstrom Isd, der Feldwinkel und die Motordrehzahl n_ist. Steuerteil 4 und Sensorteil 13 so wie die darin verwendeten Komponenten sind herkömmlicher Na tur und bedürfen daher vorliegend keiner näheren Erläuterung.

Fig. 2 zeigt eine herkömmliche Schaltungsauslegung für den Umrichter 2 aus geeignet verschalteten Transistorschaltern T₁ bis T₆ und zugehörigen Dioden D₁ bis D₆ zur Erzeugung der ein zelnen Phasenströme i_S1, i_S2, i_S3, wobei in dieser Figur die Zwischenkreisspannung mit U_D bezeichnet ist. Gestrichelt ge zeichnet ist die herkömmliche Option der Einbringung eines Bremswiderstandes R_B als sogenannter Brems-Chopper, der durch einen zugehörigen Transistorschalter T_B bei Überschreiten ei ner maximalen Zwischenkreisspannung mit Hysterese eingeschal tet wird, wonach die Bremsenergie im Widerstand R_B in Wärme umgesetzt wird. Die Bremsleistung ist in diesem Fall durch die Auslegung des Brems-Choppers vorgegeben.

Fig. 3 zeigt eine Bremsregelungseinheit, die als Zusatz zur Motorregeleinrichtung von Fig. 1 verwendet werden kann und ein Abbremsen der Asynchronmaschine 1 auch ohne einen solchen Brems-Chopper ermöglicht bzw. bei Vorhandensein desselben ein Ansprechen dieses Brems-Choppers verhindert, jedenfalls so lange kein hochdynamischer Bremsvorgang gefordert ist.

Die Bremsregelungseinheit 14 gemäß Fig. 3 beinhaltet einen Brems-Magnetflußregelkreis und einen diesem überlagerten Zwi schenkreisspannungs-Regelkreis. Der Zwischenkreisspannungs- Regelkreis besteht aus einem Zwischenkreisspannungsregler 15 und einer diesem nachgeschalteten Begrenzungsstufe 16. Im ak tiven Betrieb der Bremsregelungseinheit 14, d. h. während ei nes Motorbremsvorgangs, regelt der Zwischenkreisspannungsreg ler 15 die Zwischenkreisspannung Uzk auf einen Sollwert Uzk_ref ein, der über der ideellen Netz-Gleichspannung des energie versorgenden Stromnetzes 3 liegt. Dazu gibt der Zwischen kreisspannungsregler 15 ausgangsseitig ein Stromstellsignal ab, das von der Begrenzerstufe 16 auf einen Maximalstrom I_max begrenzt gehalten wird und einem unter den gegebenen Bedin gungen maximal möglichen Querstrom Isq_max in die Asynchronma schine 1 entspricht. Der unterlagerte Brems-Magnetflußregel kreis beinhaltet einen Brems-Flußregler 17 und eine diesem nachgeschaltete Begrenzerstufe 18 und bewirkt eine geeignete Magnetfluß-Stromsollwertnachführung. Dazu regelt der Brems- Flußregler 17 den Querstrom Isq auf einen Sollwert ein, der dem vom überlagerten Zwischenkreisspannungs-Regelkreis abge gebenen Maximalquerstrom-Stellsignal Isq_max entspricht oder jedenfalls nur wenig unter diesem Wert liegt. Im gezeigten Beispiel ist der Sollwert zu 0,95.Isq_max gewählt. Das vom Brems-Flußregler 17 abgegebene Magnetfluß-Stromsignal wird von der nachgeschalteten Begrenzerstufe 18 auf höchstens den Magnetfluß-Nennstrom Imr_nenn begrenzt und bildet dann den für die Flußregelung innerhalb der Motorregeleinrichtung von Fig. 1 verwendeten Magnetfluß-Stromsollwert Imr_soll.

Auf diese Weise ermöglicht die Bremsregelungseinheit 14 selbsttätig eine maximale Bremsleistung ohne Verwendung eines Bremswiderstandes und ohne Energieentnahme aus dem Stromnetz. Der Motorstrom wird optimal in seine Quer- und Längskomponen te aufgeteilt, und die Zwischenkreisspannung wird auf einem festen Wert Uzk_ref oberhalb der ideellen Versorgungsspannung gehalten. Letzteres gewährleistet, daß keine Energieentnahme aus dem Stromnetz erfolgt. Die Zwischenkreisspannung Uzk wirkt dabei als Regelgröße auf den Längs- und Querstrom zu rück.

Im gezeigten Fall der Realisierung des Wechselstrommotors 1 als Asynchronmaschine wird durch diese Bremsregelung die Längsstromkomponente und damit das Magnetfeld des Motors 1 so stark geschwächt, daß zum Aufbringen des Drehmomentes eine sehr große Querstromkomponente benötigt wird. Der resultie rende Stromzeiger wird auf Motorspitzenstrom oder Umrichter spitzenstrom begrenzt. Wenn der Zwischenkreis zusätzlich be lastet ist, z. B. mit einem Schaltnetzteil zur Elektronikver sorgung, steigt die Bremsleistung um diesen Betrag an. Für das Beispiel der Asynchronmaschine ergeben sich mit der Ver einfachung, daß der Umrichterbemessungsstrom gleich dem Ma schinenbemessungsstrom gesetzt sei, folgende Verhältnisse. Der Wirkungsgrad des Motors 1 werde bei Drehzahlen über der Nenndrehzahl als konstant und die Verlustleistung als allein vom Strombetrag abhängig angenommen. Dann gilt für die Ver lustleistung P die Beziehung

P = (r_s+r_r).(Isd²+Isq²)

mit dem Statorwiderstand r_s und dem Rotorwiderstand r_r, wäh rend für das Motorbremsdrehmoment M gilt:

M = k.Isd.Isq

mit einer Konstante k. Der Umrichter-/Maschinenstrom wird auf Bemessungsstrom I_r eingestellt, indem der Magnetisierungs strom so stark reduziert wird, daß folgende Bedingungen er füllt sind:

P/ω = k.Isd.Isq und

I_r ² = Isd²+Isq²,

wobei ω die Motorwinkelgeschwindigkeit bezeichnet. Unter der Annahme, daß die Verlustleistung des Umrichters 2 gleich null ist, kann dann mit der Gleichung für die mechanische Leistung die Bremswirkung berechnet werden, wobei sich für das Bremsmoment M ergibt:

M = P/ω = [{1-η}.P_r]/ω

wobei P_r die Bemessungsleistung des Motors und η den Wir kungsgrad des Motors bezeichnen. Unter Berücksichtigung zu sätzlicher Verlustanteile P_zus, wie Eisen-, Reibungs-, Lüf ter-, Umrichter- und Leitungsverluste, steigt die Gesamtver lustleistung entsprechend an, so daß für das gesamte Bremsmo ment gilt:

M = {P+P_zus}/ω.

Alle im Antriebsstrang auftretenden Verluste können somit in Bremsmoment umgesetzt werden.

Die Erfindung ist in analoger Weise auch für permanent erreg te Synchronmaschinen anwendbar. In diesem Fall wird die Feld schwächung durch Einprägen einer Gegen-Längsstromkomponente erzeugt. Im übrigen erfolgt die Aufteilung der Stromkomponen ten wie im oben erläuterten Beispiel der Asynchronmaschine. Bei der Synchronmaschine ist die Bremsleistung um die Rotor verluste geringer.

Insgesamt ergeben sich, wie die obige Beschreibung eines vor teilhaften Ausführungsbeispiels zeigt, durch das erfindungs gemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Einrichtung mehrere Vorteile bei der Abbremsung eines Wechselstrommotors. So kann in vielen Fällen ein Bremswiderstand eingespart werden. Die gesamte Bremsleistung berücksichtigt alle im Motorstromkreis liegenden Verlustanteile, wie Motorwicklung, Leitungen, Halb leiter und mechanische Verluste, sowie die eventuellen zu sätzlichen Zwischenkreisbelastungen, d. h. alle diese Verluste werden in Bremsmoment umgewandelt. Bei gleichem Strombelag liegt die erfindungsgemäß erzielbare Bremsleistung wesentlich höher als bei einer Gleichstrombremsung, wobei zudem zu be achten ist, daß bei Synchronmaschinen keine Gleichstrombrem sung anwendbar ist.

Claims

1. Verfahren zur Abbremsung eines Wechselstrommotors durch entsprechende Steuerung wenigstens einer elektrischen Strom- oder Spannungsgröße des Motors, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenkreisspannung (Uzk) einer Umrichterstufe (2), über die der Wechselstrommotor (1) an eine Versorgungsspan nungsquelle (3) angeschlossen ist, auf einen über der ideel len Versorgungsspannung liegenden Sollwert (Uzk_ref) und die momentbildende Querstromkomponente (Isq) für den Wechsel strommotor unter Anpassung der magnetisierenden Längsstrom komponente (Isd) auf einen vom Maximalquerstrom-Stellsignal der Zwischenkreisspannungsregelung bestimmten Sollwert (0,95 .Isq_max) geregelt werden.

2. Einrichtung zur Abbremsung eines Wechselstrommotors durch entsprechende Steuerung wenigstens einer elektrischen Strom- oder Spannungsgröße des Motors, gekennzeichnet durch eine Bremsregelungseinheit (14), die einen Zwischenkreisspan nungsregler (15), der die Zwischenkreisspannung (Uzk) einer Umrichterstufe (2), über die der Motor (1) an eine Versor gungsspannungsquelle (3) angeschlossen ist, auf einen über der ideellen Versorgungsspannung liegenden Sollwert (Uzk_ref) regelt und ein entsprechendes Maximalquerstrom-Stellsignal (Isq_max) abgibt, und einen Brems-Magnetflußregler (17) umfaßt, der die momentbildende Querstromkomponente (Isq) für den Mo tor auf einen vom Maximalquerstrom-Stellsignal des Zwischen kreisspannungsreglers bestimmten Sollwert (0,95.Isq_max) re gelt.