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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum drehgeberlosen, feldorientierten
Betrieb einer Asynchronmaschine.
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Zur
Steuerung von Asynchronmaschinen hat sich der feldorientierte Betrieb
durchgesetzt. Ziel der Feldorientierung ist die Entkopplung von
drehmoment- und flußbildender
Stromkomponente des Statorstromvektors der Asynchronmaschine, nämlich die Zerlegung
dieses Vektors parallel und senkrecht zum Vektor des Rotorflußes, mit
dem Ziel, einen direkten Zugriff auf das Drehmoment zu erhalten.
Mit einer Drehzahl- oder Winkelrückführung ist
eine ausreichende Entkopplung zwischen drehmoment- und flußbildender
Stromkomponente für
einen vollständigen
4-Quadranten-Betrieb gegeben, jedoch sind hierfür zusätzliche Einrichtungen und/oder
Eingriffe an der Maschine, wie Drehzahl- oder Rotorwinkelgeschwindigkeitsgeber
oder andererseits Sensoren, erforderlich.
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Ohne
Drehzahlgeber dagegen arbeiten bekannte Feldorientierungen nur in
einem eingeschränkten
Drehmoment/Drehzahlbereich. Da physikalisch bedingt bei Drehfeldfrequenz
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 Rotor fluß geht verloren, als Folge
ist das Drehmoment der Asynchronmaschine nicht mehr bestimmbar.
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Die
DE 44 33 551 C2 beschreibt
ein Verfahren für
den drehzahlgeberlosen Betrieb von Asynchronmotoren, bei dem bei
kleinen Drehzahlen eine gesteuerte Drehzahlschätzung vorgenommen wird. Kurzfristig
kann man einen solchen Asynchronmotor für kurze Zeit bei Drehfeldfrequenz
Null betreiben, was für
einen Reversierbetrieb reicht. Über
eine längere
Zeit bei Drehfeldfrequenz Null geht auch hier die Orientierung auf
das Feld verloren, die Asynchronmaschine kippt folglich.
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Aus
der DE-Z: ETEP, Vol. 6, 1996, Nr. 1, S. 47 bis 51, "High Dynamic AC Machine
Control without Speed oder Position Sensor", ist ein Verfahren bekannt, bei dem
bei Drehfeldfrequenz Null nach einiger Zeit eine zusätzliche
Steuerung die drehmomentbildende Stromkomponente zu Null regelt,
um die Feldorientierung nicht zu verlieren. Um aus diesem Zustand
heraus wieder ein Drehmoment bilden zu können, wird die Drehfeldfrequenz
auf die Nennschlupffrequenz eingestellt. Auf diese Weise können nur
passive (bremsende) Lasten angetrieben werden, die ohne ein Antriebsdrehmoment
im Stillstand verharren. Ähnlich
verhält
es sich mit dem Verfahren zur sensorlosen Regelung einer Asynchronmaschine,
welches in der
EP 0
780 967 A2 beschreiben ist.
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Aus
der
EP 0 575 140 A1 geht
ein Verfahren hervor, bei dem nach einem sensorlosen Aufzugmotor
der Drehzahlfehler bei Kriechgeschwindigkeit vermindert werden soll.
Hierzu wird die Drehfeldfrequenz abhängig von einer erfaßten, drehmo mentbildenden
Stromkomponente korrigiert, um die Geschoßpositionen mit konstanter,
lastunabhängiger Kriechgeschwindigkeit
anfahren zu können.
Aufgrund der verwendeten U/f-Kennlinie
ist das Verhältnis
der Statorspannung zur Drehfeldfrequenz des Motors lastunabhängig. Deshalb
muß bei
Kriechgeschwindigkeit die Spannung so hoch eingestellt werden, daß die größte zu erwartende
Last noch gehalten werden kann. Bei Leerlauf oder generatorischen Lasten
führt dies
zu einer starken Sättigung
der Maschine, der Wirkungsgrad verschlechtert sich, und es muß entweder
eine erhebliche Verlustwärme
abgeführt
oder die Asynchronmaschine überdimensioniert werden.
Immerhin können
auf diese Weise aktive Lasten bewältigt werden.
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Aus
der DE-Z "etz" Heft 21/1995, Seiten
14 bis 23 ist aus dem Aufsatz "Feldorientierung
der geberlosen Drehfeldmaschine" ein
Verfahren bekannt, das auch bei Drehfeldfrequenz Null die Feldorientierung
nicht verliert. Hierzu wird die Maschine im Sättigungszustand betrieben und
mit Stromtestsignalen beaufschlagt, um Testbewegungen des Statorstromvektors
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 Drehfeldfrequenz Null erhalten bleibt.
Mit diesem Verfahren sind hohe Verluste verbunden, die durch den
Betrieb der Maschine im Sättigungsbereich
bedingt sind. Ein weiterer erheblicher Nachteil ist der Einfluß der Stromtestsignale
auf das Drehmoment und damit auf den Rundlauf des Antriebs. Wenn
auch behauptet wird, im eingeschwungenen Zu stand 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 vielmehr eine ruckende
Drehbewegung, die bei Hubwerken mit an Seilen aufgehängten Lasten,
wie bei Kränen,
die Seile zu unerwünschten
Schwingungen anregen würden.
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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,
feldorientierten Regelung nicht zufriedenstellend lösbar gewesen.
Bei einem Hubwerk tritt Drehfeldfrequenz null bei geringer Senkgeschwindigkeit
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.
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Folglich
wird im orientierungskritischen Arbeitsbereich eines solchen Antriebs
für ein
Hubwerk die Drehzahl nicht mehr von der Maschine sondern von der
Last bestimmt. Hierzu zeigt
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1 ein
Drehmoment/Drehzahl-Diagramm, in welchem die orientierungskritischen
Arbeitsbereiche durch dunkle Felder dargestellt sind.
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Werden
diese Bereiche mit einer aktiven Last drehzahlgeregelt durchfahren,
verliert die Regelung die Orientierung auf das Feld, wie erwähnt.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für den feldorientierten
Betrieb einer Asynchronmaschine ohne Drehgeber vorzuschlagen, welches
auch den statischen Betrieb bei Drehfeldfrequenz null mit aktiver
Last dauerhaft gestattet. Vor allem soll dieses 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.
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Die
Lösung
der vorgenannten Aufgabe erfolgt bei einem Verfahren nach der Erfindung
durch die Merkmale des Patentanspruchs.
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Für die Merkmale
der Erfindung insgesamt ist maßgeblich,
daß die
Asynchronmaschine mittels eines mathematischen Motormodells geregelt
und die Istdrehzahl des Rotors berechnet wird. Die Istdrehzahl wird
in dem Drehzahlregler mit einer vorgegebenen Solldrehzahl verglichen,
und dieser Drehzahlregler beeinflußt die Vorgabe der drehmomentenbildenden
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 Drehfrequenz 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 innerhalb des
festgelegten Arbeitsbereichs nicht mehr durch den Drehmomentregler,
sondern wird direkt von dem Drehzahlsollwert abgeleitet, der sich
entsprechend der jeweiligen Vorgabe ändert. Für ein Hubwerk oder einen Kran
bedeutet dies, daß im
jeweils generatorischen Betrieb der Asynchronmaschine bei kleinen Drehzahlen
die Senkgeschwindigkeit unmittelbar über das äußere, von der betreffenden
Bedienungsperson betätigte
Steuerorgan eingestellt wird. Es kann ohne Bremseingriff von langsamem
Senkbetrieb auf Hubbetrieb umgesteuert 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 ausgegangen werden, weil die angehobene
Last auch wieder unverändert
abgesenkt wird. Für
die verbleibenden Ausnahmefälle
können
zusätzliche
Sicherungen vorgesehen werden, um ein Durchgehen der Last zu vermeiden.
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Der
kritische Arbeitsbereich der Asynchronmaschine, nämlich der
Zustand der nicht mehr vorhandenen Feldorientierung, wird empirisch
ermittelt. Der Umfang dieses kritischen Bereichs ist von mehreren
Faktoren abhängig,
so von der Genauigkeit und Auflösung
der Strom- und Spannungsmessungen, von der zeitlichen Auflösung des
Modulators und vor allem auch von der Genauigkeit und der Übereinstimmung
von Maschinen- und Modellparametern. Hierzu zeigt
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2 beispielhaft
die Größe des kritischen Arbeitsbereichs
der Asynchronmaschine bei unterschiedlichen Genauigkeiten des Modell-Ständerwiderstandes.
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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 möglich.
Hat dagegen der Modellwiderstand eine Abweichung von 15% zum Ständerwiderstand der
Maschine, so ist der Betrieb mit Drehfeldfrequenz null nur noch
mit etwa halbem Motornennmoment möglich. So kann bei gegebenen,
bekannten Auflösungen
und Genauigkeiten der orientierungskritische Arbeitsbereich vorbestimmt
werden. Im übrigen
sei erwähnt,
daß außerhalb
des kritischen Arbeitsbereichs die drehgeberlose feldorientierte
Regelung ein stabiles Regelverhalten ermöglicht.
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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 hinreichend genau abgebildet wird. Wird
ein Arbeitspunkt innerhalb 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 Feldorientierung 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 konstant bleibenden Last (Gewichtskraft)
in dem kritischen Arbeitsbereich konstant gehalten. Da nunmehr die
Drehfeldfrequenz nicht mehr durch die Drehmomentenregelung bestimmt
werden kann, wird erfindungsgemäß die Drehfeldfrequenz
innerhalb 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 Antrieben, bei denen innerhalb der orientierungskritischen
Arbeitsbereiche der Asynchronmaschine wesentliche Laständerungen
nicht auftreten, ein Verfahren zur Verfügung, welches den vollständigen 4-Quadrantenantrieb
ohne Einschränkungen
gestattet.
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3 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
anhand einer Blockstruktur für
eine Feldorientierung einer geberlosen Asynchronmaschine.
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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 Stromkomponente, hierzu wird der Istwert iqist von einer
Koordinatentransformation 8 geliefert. Am Ausgang des Drehmoment reglers 3 wird
die Drehfeldfrequenz fd vorgegeben. In einem Ständerspannungsmodell 4 wird
aus der Vorgabe der feldorientieren Stromkomponenten iqsoll und
idsoll, des Flusses Φ und
der Parameter für
den Ständerwiderstand
Rs und die Ständerinduktivität Ls der
Ständerspannungsvektor
berechnet, welcher aus den Komponenten Uq und Ud besteht. Mithilfe
eines Winkelintegrators 5 wird aus der Drehfeldfrequenz
fd der Winkel φ gebildet.
Mit dem Winkel φ werden
in einer weiteren Koordinatentransformation 6 die Dreiphasenspannungen
für eine
Asynchronmaschine 7 gebildet, des weiteren werden, wie
erwähnt,
in der Koordinatentransformation 8 aus den gemessenen Phasenströmen die
feldorientierten Iststromkomponenten 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.
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Ein
weiterer Block 11 ist für
Lastführung
vorgesehen. Aus den Eingangsgrößen der
berechneten Drehzahl nist und der drehmomentbestimmenden Stromsollkomponente
iqsoll wird erkannt, ob der momentane Drehzahl/Drehmoment-Arbeitspunkt
innerhalb oder außerhalb
vorgegebener, als kritisch bewertete Arbeitsbereiche liegt, in denen
die Feldorientierung verschwindet, also ein feldorientierungsloser Zustand
herrscht.
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4 zeigt
solche vorgegebenen, kritischen Arbeitsbereiche, die hier durch
schraffierte Flächen deutlich
gemacht sind.
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Befindet
sich der momentane Arbeitspunkt außerhalb dieser Arbeitsbereiche,
ist die Drehzahlregelung mit unterlagerter Drehmomentregelung wirksam.
Werden hingegen Arbeitspunkte angefahren, die innerhalb der vorgegebenen,
kritischen Arbeitsbereiche liegen, wird nach einer vorgebbaren Zeit
der Ausgang des Drehzahlreglers 1 mittels eines Signals hold
angehalten. Dadurch bleibt die Stromkomponente iqsoll konstant.
Der Lastführungs-Block 11 erkennt über einen
Eingang Änderungen
des Drehzahlsollwertes nsoll, welche zu einer entsprechenden Änderung
des Frequenzsollwertes fsoll führen.
Mit dem Frequenzsollwert fsoll wird direkt der Integralanteil des
Drehmomentreglers 3 beeinflußt. Der Ausgang des Drehmomentreglers 3,
also das Signal für
die Drehfeldfrequenz fd, wird somit von der Änderung des Drehzahlsollwertes
nsoll geführt.
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Wird
der vorgegebene kritische Arbeitsbereich wieder verlassen, wird
der Drehmomentregler 3 wieder freigegeben. Wegen der Nachführung des
Integralanteils setzt die Drehmomentregelung ohne Ausgleichsvorgang
wieder ein. Der Drehzahlregler 1 wird durch Wegnahme des
Signals hold freigegeben und bestimmt nun wieder die drehmomentbildende Stromkomponente.
Der Lastführungs-Block 11 verhindert
folglich, daß innerhalb
der kritischen Arbeitsbereiche ein falsch berechneter Drehzahlistwert
nist oder eine ungenau berechnete drehmomentbildende Iststromkomponente
iqist zu einer Fehlorientierung führt und es damit beim Antrieb
eines Hubwerks oder Krans mit einer derart geregelten Asynchronmaschine
zu einem Lastabwurf führt.