DE19916774A1 - Verfahren zum drehgeberlosen, feldorientierten 4-Quadranten-Betrieb einer Asynchronmaschine - Google Patents

Abstract

Bei einem solchen Verfahren wird die Istdrehzahl des Rotors berechnet und eine Drehzahlregelung erzeugt im Vergleich mit einem vorgegebenen Drehzahlsollwert einen Drehmomentsollwert für eine unterlagerte Drehmomentregelung. Dieser Drehmomentsollwert besteht aus dem Sollwert einer quer zur Flußrichtung liegenden Stromkomponente oder bestimmt diese. Damit dieses Verfahren auch in feldorientierungslosen Bereichen bei Drehfeldfrequenz null oder nahe null durchgeführt werden kann, wird in diesem Zustand des Feldorientierungsverlustes ein kritischer Arbeitsbereich festgelegt und beim Betrieb innerhalb dieses Arbeitsbereichs der Sollwert der quer zur Flußrichtung liegenden Stromkomponente konstant gehalten sowie über den Drehzahlsollwert die Drehfeldfrequenz geführt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum drehgeber­ losen, feldorientierten Betrieb einer Asynchronmaschine der im Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 näher bezeichneten Art.

Zur Steuerung von Asynchronmaschinen hat sich der feldori­ entierte Betrieb durchgesetzt. Ziel der Feldorientierung ist die Entkopplung von drehmoment- und flußbildender Stromkomponente des Statorstromvektors der Asynchronmaschi­ ne, nämlich die Zerlegung dieses Vektors parallel und senk­ recht zum Vektor des Rotorflußes, mit dem Ziel, einen di­ rekten Zugriff auf das Drehmoment zu erhalten. Mit einer Drehzahl- oder Winkelrückführung ist eine ausreichende Ent­ kopplung zwischen drehmoment- und flußbildender Stromkompo­ nente für einen vollständigen 4-Quadranten-Betrieb gegeben, jedoch sind hierfür zusätzliche Einrichtungen und/oder Ein­ griffe an der Maschine, wie Drehzahl- oder Rotorwinkelge­ schwindigkeitsgeber oder andererseits Sensoren, erforder­ lich.

Ohne Drehzahlgeber dagegen arbeiten bekannte Feldorientie­ rungen nur in einem eingeschränkten Drehmo­ ment/Drehzahlbereich. Da physikalisch bedingt bei Drehfeld­ frequenz Null die Kopplung zwischen Rotor und Stator nicht mehr gegeben ist, ist bei diesem Zustand der Rotor von der Ständerseite aus nicht mehr beobachtbar. Die Orientierung auf den Rotorfluß geht verloren, als Folge ist das Drehmo­ ment der Asynchronmaschine nicht mehr bestimmbar.

Es gibt eine Reihe von Einsatzfällen, die trotz des einge­ schränkten Arbeitsbereiches mit den bekannten, drehzahlge­ berlosen sowie feldorientierten Regelungen gelöst werden können. Bei diesen Einsatzfällen tritt Drehfeldfrequenz null nicht auf, man beschränkt sich auf den 1- oder 2- Quadrantenbetrieb, oder es wird Drehfeldfrequenz null nur dynamisch durchfahren.

Einsatzfälle mit aktiven Lasten im 4-Quadrantenbetrieb und einem statischen Betrieb bei Drehfeldfrequenz null, wie beides bei Hubwerken oder Kränen vorkommt, sind bisher mit einer Asynchronmaschine mit einer drehzahlgeberlosen, feld­ orientierten Regelung nicht lösbar gewesen. Bei einem Hub­ werk tritt Drehfeldfrequenz null bei geringer Senkgeschwin­ digkeit ein. Wird diese geringe Senkgeschwindigkeit über längere Zeit, wie einige Sekunden, beibehalten, geht die Orientierung auf den Rotorfluß verloren, das Drehmoment ist nicht mehr bestimm- und vorgebbar, die Asynchronmaschine "kippt" und die Last stürzt ab.

Folglich wird im orientierungskritischen Arbeitsbereich ei­ nes solchen Antriebs für ein Hubwerk die Drehzahl nicht mehr von der Maschine sondern von der Last bestimmt. Hierzu zeigt

Fig. 1 ein Drehmoment/Drehzahl-Diagramm, in welchem die orientierungskritischen Arbeitsbereiche durch dunkle Felder dargestellt sind.

Werden diese Bereiche mit einer aktiven Last drehzahlgere­ gelt durchfahren, verliert die Regelung die Orientierung auf das Feld, wie erwähnt.

Aus der DE-Z "etz" Heft 21/1995, Seiten 14-23 ist aus dem Aufsatz "Feldorientierung der geberlosen Drehfeldmaschine" ein Verfahren bekannt, das auch bei Drehfeldfrequenz null die Feldorientierung nicht verliert. Hierzu wird die Ma­ schine im Sättigungszustand betrieben und mit Stromtestsig­ nalen beaufschlagt, um Testbewegungen des Statorstromvek­ tors auf dazugehörige Bewegungen des Rotorstromvektors zu übertragen. Der Stromübertragungsfaktor ist hierbei bedingt durch die Sättigung in Flußrichtung geringer als quer zur Flußrichtung. Eine Auswerteschaltung nutzt diesen Effekt und gewinnt damit eine Feldorientierung, die auch bei Dreh­ feldfrequenz null erhalten bleibt. Mit diesem Verfahren sind hohe Verluste verbunden, die durch den Betrieb der Ma­ schine im Sättigungsbereich bedingt sind. Ein weiterer er­ heblicher Nachteil ist der Einfluß der Stromtestsignale auf das Drehmoment und damit auf den Rundlauf des Antriebs. Wenn auch behauptet wird, im eingeschwungenen Zustand übten die Stromtestsignale einen Einfluß auf das Drehmoment nicht aus, so wird dies durch die Praxis nicht bestätigt. Denn der eingeschwungene Zustand ohne Rückwirkung auf das Drehmoment wird so gut wie nie erreicht, es entsteht viel­ mehr eine ruckende Drehbewegung, die bei Hubwerken mit an Seilen aufgehängten Lasten, wie bei Kränen, die Seile zu unerwünschten Schwingungen anregen würden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren für den feldorientierten Betrieb einer Asynchronma­ schine ohne Drehgeber der gattungsgemäßen Art vorzuschla­ gen, welches auch den statischen Betrieb bei Drehfeldfre­ quenz null mit aktiver Last gestattet. Vor allem soll die­ ses Verfahren zur Steuerung von Asynchronmaschinen geeignet sein, die für den Antrieb von Hubwerken und Kränen bestimmt sind und ein hierzu passendes Drehzahlverhalten und eine hohe Rundlaufgüte aufweisen.

Die Lösung der vorgenannten Aufgabe erfolgt bei einem Ver­ fahren der gattungsbildenden Art nach der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs.

Für die Merkmale der Erfindung insgesamt ist maßgeblich, daß die Asynchronmaschine mittels eines mathematischen Mo­ tormodells geregelt und die Istdrehzahl des Rotors berech­ net wird. Die Istdrehzahl wird in dem Drehzahlregler mit einer vorgegebenen Solldrehzahl verglichen, und dieser Drehzahlregler beeinflußt die Vorgabe der drehmomentenbil­ denden Stromkomponente des feldorientierten Stromvektors. Der Drehmomentenregler vergleicht die drehmomentbildende Stromsoll- mit der Stromistkomponente und regelt das Drehmoment, was durch Verstellung der Drehfeldfrequenz oder Änderung der Speisespannung geschehen kann. Innerhalb eines festgelegten Drehmoment/Drehzahl-Arbeitsbereiches bei Dreh­ frequenz null oder nahe null wird die drehmomentbildende Stromkomponente unabhängig von der berechneten Istdrehzahl mit demjenigen Wert konstant gehalten, der zuletzt beim Eintritt in diesen kritischen Arbeitsbereich auftritt. Von da ab erfolgt die Verstellung der Drehfeldfrequenz inner­ halb des festgelegten Arbeitsbereichs nicht mehr durch den Drehmomentregler, sondern wird direkt von dem Drehzahlsoll­ wert abgeleitet, der sich entsprechend der jeweiligen Vor­ gabe ändert. Für ein Hubwerk oder einen Kran bedeutet dies, daß im jeweils generatorischen Betrieb der Asynchronmaschi­ ne bei kleinen Drehzahlen die Senkgeschwindigkeit unmittel­ bar über das äußere, von der betreffenden Bedienungsperson betätigte Steuerorgan eingestellt wird. Es kann ohne Brem­ seingriff von langsamem Senkbetrieb auf Hubbetrieb umge­ steuert werden, Voraussetzung dafür ist lediglich, daß sich die Last, solange die Asynchronmaschine des Hubwerks- oder Kranantriebs im kritischen Arbeitsbereich betrieben wird, nicht ändert. Davon kann im Regelfall im Kranbetrieb ausge­ gangen werden, weil die angehobene Last auch wieder unver­ ändert abgesenkt wird. Für die verbleibenden Ausnahmefälle können zusätzliche Sicherungen vorgesehen werden, um ein Durchgehen der Last zu vermeiden.

Der kritische Arbeitsbereich der Asynchronmaschine, nämlich der Zustand der nicht mehr vorhandenen Feldorientierung, wird empirisch ermittelt. Der Umfang dieses kritischen Be­ reichs ist von mehreren Faktoren abhängig, so von der Ge­ nauigkeit und Auflösung der Strom- und Spannungsmessungen, von der zeitlichen Auflösung des Modulators und vor allem auch von der Genauigkeit und der Übereinstimmung von Ma­ schinen- und Modellparametern. Hierzu zeigt

Fig. 2 beispielhaft die Größe des kritischen Arbeits­ bereichs der Asynchronmaschine bei unterschied­ lichen Genauigkeiten des Modell-Ständerwider­ standes.

Es ist ersichtlich, daß die Größe des kritischen Bereichs mit der Größe des Fehlers des Modell-Ständerwiderstandes zunimmt. Weist der Modellwiderstand eine Abweichung von 5% zum Ständerwiderstand der Maschine auf, so ist der Betrieb mit Drehfeldfrequenz null maximal mit Motornennmoment mög­ lich. Hat dagegen der Modellwiderstand eine Abweichung von 15% zum Ständerwiderstand der Maschine, so ist der Betrieb mit Drehfeldfrequenz null nur noch mit etwa halbem Motor­ nennmoment möglich. So kann bei gegebenen, bekannten Auflö­ sungen und Genauigkeiten der orientierungskritische Ar­ beitsbereich vorbestimmt werden. Im übrigen sei erwähnt, daß außerhalb des kritischen Arbeitsbereichs die drehgeber­ lose feldorientierte Regelung ein stabiles Regelverhalten ermöglicht.

Bezogen auf den Betrieb eines Hubwerks oder eines Krans mit einer Asynchronmaschine bedeutet dies, daß außerhalb des orientierungskritischen Arbeitsbereichs die Last, die sich als zu hebendes oder abzusenkendes Gewicht darstellt, durch die quer zur Flußrichtung liegende Stromkomponente hinrei­ chend genau abgebildet wird. Wird ein Arbeitspunkt inner­ halb des kritischen Arbeitsbereichs im Senkbetrieb, also im generatorischen Bereich der Asynchronmaschine, angefahren, wird die Abbildung der Last durch die quer zur Flußrichtung liegende Stromkomponente so ungenau, daß eine Feldorientie­ rung verlorengeht, es würde - wie erwähnt - die Last ab­ stürzen. Erfindungsgemäß wird nunmehr die außerhalb des kritischen Arbeitsbereichs zuletzt auftretende, quer zur Flußrichtung liegende Stromkomponente entsprechend der kon­ stant bleibenden Last (Gewichtskraft) in dem kritischen Ar­ beitsbereich konstant gehalten. Da nunmehr die Drehfeldfre­ quenz nicht mehr durch die Drehmomentenregelung bestimmt werden kann, wird erfindungsgemäß die Drehfeldfrequenz in­ nerhalb des kritischen Arbeitsbereichs unmittelbar vom Drehzahlsollwert geführt. Wird der kritische Arbeitsbereich wieder verlassen, wird die quer zur Flußrichtung liegende Stromkomponente wieder für die Regelung freigegeben und die Drehfeldfrequenz wird wieder durch die Drehmomentenregelung bestimmt. Grundsätzlich steht damit für alle Arten von An­ trieben, bei denen innerhalb der orientierungskritischen Arbeitsbereiche der Asynchronmaschine wesentliche Lastände­ rungen nicht auftreten, ein Verfahren zur Verfügung, wel­ ches den vollständigen 4-Quadrantenantrieb ohne Einschrän­ kungen gestattet.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel anhand einer Blockstruktur für eine Feldorientierung einer geberlosen Asynchronmaschine.

Ein Drehzahlregler 1 vergleicht den Drehzahlsollwert nsoll mit einem in einem Block 2 berechneten Drehzahlistwert nist. Der Ausgang des Drehzahlreglers 1 gibt den Sollwert iqsoll der quer zum Fluß liegenden. Stromkomponente vor. Ein Drehmomentregler 3 vergleicht den Sollwert iqsoll und den Istwert iqist der quer zur Flußrichtung liegenden Stromkom­ ponente, hierzu wird der Istwert iqist von einer Koordina­ tentransformation 8 geliefert. Am Ausgang des Drehmoment­ reglers 3 wird die Drehfeldfrequenz fd vorgegeben. In einem Ständerspannungsmodell 4 wird aus der Vorgabe der feldori­ entieren Stromkomponenten iqsoll und idsoll, des Flusses Φ und der Parameter für den Ständerwiderstand Rs und die Ständerinduktivität Ls der Ständerspannungsvektor berech­ net, welcher aus den Komponenten Uq und Ud besteht. Mithil­ fe eines Winkelintegrators 5 wird aus der Drehfeldfrequenz fd der Winkel ϕ gebildet. Mit dem Winkel ϕ werden in einer weiteren Koordinatentransformation 6 die Dreiphasenspannun­ gen für eine Asynchronmaschine 7 gebildet, des weiteren werden, wie erwähnt, in der Koordinatentransformation 8 aus den gemessenen Phasenströmen die feldorientierten Iststrom­ komponenten iqist gebildet. Der Rotorfluß wird in einem Block 9, einem Rotorflußmodell, aus der Ständerinduktivität Ls, aus einer Streuziffer σ, aus dem Rotorwiderstand Rr und aus der Vorgabe der flußbildenden Stromkomponente idsoll berechnet.

Ein weiterer Block 11 ist für Lastführung vorgesehen. Aus den Eingangsgrößen der berechneten Drehzahl nist und der drehmomentbestimmenden Stromsollkomponente iqsoll wird er­ kannt, ob der momentane Drehzahl/Drehmoment-Arbeitspunkt innerhalb oder außerhalb vorgegebener, als kritisch bewer­ tete Arbeitsbereiche liegt, in denen die Feldorientierung verschwindet, also ein feldorientierungsloser Zustand herrscht.

Fig. 4 zeigt solche vorgegebenen, kritischen Arbeits­ bereiche, die hier durch schraffierte Flächen deutlich gemacht sind.

Befindet sich der momentane Arbeitspunkt außerhalb dieser Arbeitsbereiche, ist die Drehzahlregelung mit unterlagerter Drehmomentregelung wirksam. Werden hingegen Arbeitspunkte angefahren, die innerhalb der vorgegebenen, kritischen Ar­ beitsbereiche liegen, wird nach einer vorgebbaren Zeit der Ausgang des Drehzahlreglers 1 mittels eines Signals hold angehalten. Dadurch bleibt die Stromkomponente iqsoll kon­ stant. Der Lastführungs-Block 11 Erkennt über einen Eingang Änderungen des Drehzahlsollwertes nsoll, welche zu einer entsprechenden Änderung des Frequenzsollwertes fsoll füh­ ren. Mit dem Frequenzsollwert fsoll wird direkt der Inte­ gralanteil des Drehmomentreglers 3 beeinflußt. Der Ausgang des Drehmomentreglers 3, also das Signal für die Drehfeld­ frequenz fd, wird somit von der Änderung des Drehzahlsoll­ wertes nsoll geführt.

Wird der vorgegebene kritische Arbeitsbereich wieder ver­ lassen, wird der Drehmomentregler 3 wieder freigegeben. We­ gen der Nachführung des Integralanteils setzt die Drehmo­ mentregelung ohne Ausgleichsvorgang wieder ein. Der Dreh­ zahlregler 1 wird durch Wegnahme des Signals hold freigege­ ben und bestimmt nun wieder die drehmomentbildende Strom­ komponente. Der Lastführungs-Block 11 verhindert folglich, daß innerhalb der kritischen Arbeitsbereiche ein falsch be­ rechneter Drehzahlistwert nist oder eine ungenau berechnete drehmomentbildende Iststromkomponente iqist zu einer Fehlo­ rientierung führt und es damit beim Antrieb eines Hubwerks oder Krans mit einer derart geregelten Asynchronmaschine zu einem Lastabwurf führt.

Claims (1)

1. Verfahren zum drehgeberlosen, feldorientierten Betrieb einer Asynchronmaschine, bei dem die Istdrehzahl des Ro­ tors berechnet wird, eine Drehzahlregelung im Vergleich mit einem vorgegebenen Drehzahlsollwert einen Drehmo­ mentsollwert für eine unterlagerte Drehmomentregelung erzeugt und der Drehmomentsollwert aus dem Sollwert ei­ ner quer zur Flußrichtung liegenden Stromkomponente be­ steht oder diesen bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß für den Zustand des Feldorientierungsverlustes bei Drehfeldfrequenz null oder nahe null ein kritischer Ar­ beitsbereich festgelegt, wird und beim Betrieb innerhalb dieses Arbeitsbereichs der Sollwert der quer zur Fluß­ richtung liegenden Stromkomponente konstant gehalten und über den Drehzahlsollwert die Drehfeldfrequenz geführt wird.