DE2144422B1

DE2144422B1 - Einrichtung zum steuern oder regeln einer asynchronmaschine

Info

Publication number: DE2144422B1
Application number: DE19712144422
Authority: DE
Inventors: Felix Dipl Ing 8520 Erlangen Blaschke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-09-04
Filing date: 1971-09-04
Publication date: 1973-02-08
Also published as: CH612806A5; US3805135A; DE2144422C2; JPS4836620A; SE373707B; JPS5221683B2; FR2152074A6; DE2144422A1; GB1404657A

Description

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Die Hauptpatentanmeldung P 19 41 312.8-32 betrifft eine Einrichtung zum Steuern oder Regeln einer Asynchronmaschine, deren Ständerstrom in Abhängigkeit von zwei elektrischen drehfeldachsenbezogenen Größen gebracht ist, von welchen die eine nur die Größe einer parallel und die andere nur die Größe einer senkrecht zur momentanen Drehfeldachse liegenden Komponente des Ständerstromvektors beeinflußt, die in einer, dort in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildung von einem Zwischenkreisumrichter mit eingeprägtem Gleichstrom, mit einem auf die Steuerstrecke des Gleichrichters wirkenden Zwischenkreisstromregler und mit einem von den Komponenten eines Steuervektors beaufschlagten Winkelschalter für die Steuergitter des Wechselrichters gespeist ist. Dabei wird der Steuervektor und der Zwischenkreisgleichstrom bestimmt durch zwei Ständerstromsollwertkomponenten, von denen die eine parallel und die andere senkrecht zur momentanen Drehfeldachse vorgegeben wird. Phasenwinkel und Betrag des Ständerstromvektors sind hierbei die Stellgrößen.

Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, diese bekannte Einrichtung dahingehend zu verbessern, daß die feldorientierte Festlegung des Ständerstromvektors mit kopplungsfreier Verstellmöglichkeit von drehmoment- und feldbildenden Anteilen des Ständerstromes nicht nur bei stationären Betriebszuständen erreicht wird, sondern auch zu jedem Zeitpunkt während des Überganges von einem stationären Betriebszustand auf einen anderen. Dazu gehört, daß der Ständerstrom möglichst trägheitslos jeder Veränderung seiner feldorientiert vorgegebenen Steuer- bzw. Sollwerte folgen kann.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt bei Einrichtungen der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch einen Umformer zur gleitenden Vorgabe der feldorientierten Ständerstromkomponenten und einer die Steuerstrecken des Gleichrichters beaufschlagten Vorsteuergröße, welche abhängig ist vom Differentialquotienten des dem Zwischenkreisstromregler zugeführten Sollwertes. Grundgedanke der Erfindung ist es also, die Änderungsgeschwindigkeit der feldorientiert vorgegebenen Ständerstromkomponenten so zu verlangsamen, daß mit einer vorhaltbildenden Vorsteuergröße die der Steuerung des eingeprägten Zwischenkreisgleichstromes innewohnende Trägheit exakt kompensiert werden kann und dann die Verstellung von Phasenwinkel und Betrag des Ständerstromes gleich schnell, d. h. praktisch trägheitslos erfolgt.

Eine besonders einfache Ausbildung der Erfindung besteht darin, daß zur Vorgabe der beiden Ständerstromkomponenten je ein gegengekoppelter Integrator vorgesehen ist und zur Bildung der Vorsteuergröße jeweils die Eingangsspannung des einen Integrators und eine der Ausgangsspannung des anderen Integrators proportionale Größe den Eingängen zweier Multiplizierer zugeführt sind, deren Ausgänge mit dem Eingang eines Addierverstärkers verbunden sind, womit besondere Differenzierglieder für die Bildung der Vorsteuergröße entbehrlich werden.

Um lastbedingten Störungen schnell entgegenwirken zu können wird gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung eine zusätzliche Beaufschlagung der Steuerstrecken des Gleichrichters mit einer dem Mittelwert der Wechselrichtereingangsspannung entsprechenden Größe vorgesehen.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

In dem Vektorschaubild der Fig. 1 sind die bei einer dreiphasigen Asynchronmaschine in drei räumlich um 120° versetzten Achsen auftretenden Komponenten des mit der Winkelgeschwindigkeit dr//dt = r/ gegenüber dem Ständer umlaufenden Ständerstromvektors / mit I_R, I_s und I_T bezeichnet. Dieser Ständerstromvektor könnte auch in einem orthogonalen, ebenfalls ständerbezogenen Koordinatensystem mit den Achsen r und j beschrieben werden, dessen Ursprung in der Maschinendrehachse liegt. Die mit r

bezeichnete Achse dieses orthogonalen Koordinatensystems soll mit der Richtung der Wicklungsachse der Phase R zusammenfallen. Die feldorientierte Steuerung bzw. Regelung des Ständerstromvektors nach dem Hauptpatent besteht nun darin, diesen mittels zweier orthogonaler, auf die sich gegenüber dem ständerfesten Koordinatensystem )·, j mit der Winkelgeschwindigkeit dß/dt = β drehenden Drehfeldachse / bezogener Komponenten J₆ und I_w vorzugeben, wobei die Größe J₆ parallel und I_w senkrecht zur momentanen Drehfeldachse / liegt. Für jeden stationären Betriebszustand der Asynchronmaschine sind die Komponenten I_b und I_w Gleichgrößen; J₆ entspricht dabei dem Blindstrom, d. h. dem feldbildenden Anteil des Ständerstromes und I_w dem Wirkstrom, d. h. dem momentbildenden Anteil des Ständerstromes. Bei der durch vorliegende Erfindung weiterzubildende Variante des Hauptpatentes bestehen die Stellgrößen des Ständerstromvektors in dessem Betrag J und in dessen Winkellage ε bezüglich der Drehfeldachse /. Soll beispielsweise wie im Vektorschaubild der Fig. 1 dargestellt, die feldsenkrechte Komponente J_w durch Vorgabe eines neuen Sollwertes /** vergrößert werden, dann sollen sich die einzelnen Stellgrößenänderungen J ε und JI miteinander so verändern, daß die Spitze des Summenvektors J + J J sich stets nur in feldsenkrechter Richtung bewegt und daher keine Veränderung der feldparallelen Komponente I_b des Ständerstromvektors erfolgt. Dasselbe muß natürlich in analoger Weise für den Fall gelten, daß lediglich die feldparallele Ständerstromkomponente verändert wird. Allgemein soll sich die Spitze des Ständerstromvektors — betrachtet in einem feldachsenbezogenen Koordinatensystem — auf einer Geraden bewegen, für deren Neigungswinkel γ bezüglich der Drehfeldachse / gilt

γ = arc tg

η - j»

η - h

wobei /** und Jj** die gegenüber einem zuvor erreichten, durch J₆, J_w beschriebenen stationären Zustand neu vorgegebenen Sollwerte für den Ständerstrom bedeuten.

F i g. 2 zeigt hierzu zwei Realisierungsmöglichkeiten. Gestrichelt umrandet sind dabei jeweils die Elemente, welche zusätzlich zu denen der Einrichtung nach dem Hauptpatent getreten sind. Eine Asynchronmaschine 1 wird an ihren Ständerphasenklemmen R, S, T über einen Zwischenkreisumrichter 2, bestehend aus einem Gleichrichter la und einem Wechselrichter 2b mit eingeprägten Ständerströmen I_R, I_s und I_T aus einem Drehstromnetz gespeist. Von zwei 90° elektrisch gegeneinander am Ankerumfang der Asynchronmaschine versetzten Hallsonden 3 wird das Luftspaltfeld in zwei um 90° phasenverschobenen Spannungen f_r, ψ j abgebildet und einem mit 4 bezeichneten Komponentenrechner zugeführt. Dieser besteht aus zwei Vektoranalysatoren und einem Vektordreher — in der Hauptanmeldung mit Komponenten wandler bezeichnet — und hat die Aufgabe, aus zwei feldachsenbezogenen, d. h. feldorientierten Ständerstromkomponenten J* und If und der von den Spannungen ψ_τ, ψ j gewonnenen Information über die Winkellage des Drehfeldes im ständerbezogenen Koordinatensystem r, j zwei entsprechende normierte, ständerbezogene Komponentenspannungen cos ß* und sin ß* eines Steuervektors zu bilden, sowie an der Ausgangsklemme 9 eine dem Betrag des von den Komponenten J* und If gebildeten Ständerstromvektors proportionale Größe J*, welche als Sollwert für den Zwischenkreisstromregler 10 dient. Sein Ausgangssignal wirkt auf die Eingangsklemme 43 eines zur Verstellung der Gleichrichterausgangsspannung U₁ vorgesehenen, jedoch nicht näher dargestellten Steuersatzes. Aus den Komponentenspannungen cos ß*, sin ß* wird in einem Winkelschalter WS eine Information über sechs diskrete Winkelstellungen pro Umdrehung des Steuervektors erarbeitet und in entsprechende Stellbefehle für die Zündung der Ventile des Wechselrichters 2b umgeformt. An den Ausgangsklemmen des Winkelschalters WS entstehen Zündimpulse, welche die Ventile des Wechselrichters 2 b derartig steuern, daß der Ständerstromvektor jeweils sechs diskreten Winkelstellungen des von den Komponentenspannungen cos ß* und sin ß* beschriebenen Steuervektors praktisch trägheitslos folgt. Ausgehend von den feldsenkrecht, bzw. feldparallel vorgegebenen Komponenten J* und If des Ständerstromes, wird dieser also nach Betrag (J*) und Phasenlage (ß*) verstellt.

Da es sich bei der in F i g. 2 dargestellten Anordnung um einen Umrichter mit eingeprägtem Zwischenkreisgleichstrom handelt, in dessem Gleichstromzwischenkreis eine Glättungsdrossel 12 angeordnet ist, wird sich eine Verstellung der Ausgangsspannung U₁ des Gleichrichters 2 a erst nach einer gewissen Verzögerung voll in einer entsprechenden Änderung des Zwischenkreisgleichstromes J₉; auswirken, während eine solche Verzögerung bei der Winkelverstellung des Ständerstromvektors bei Änderung der Steuergrößen cos ß* und sin ß* nicht besteht. Mit der bisher beschriebenen Anordnung würde dies dazu führen, daß prinzipiell bei jeder Änderung der den Ständerstromvektor vorgegebenen Komponenten der entsprechende Winkelwert stets früher erreicht wird als der dazugehörige Betragswert. Während des Überganges auf den neuen Vorgabewert wäre daher also eine unerwünschte Verkopplung zwischen feldbildendem und drehmomentbildendem Anteil des Ständerstromes vorhanden. Um dies zu vermeiden wird der Steuersatz des Gleichrichters 2 nun unmittelbar mit einer Vorsteuergröße J* beaufschlagt, welche in dem Ausgangssignal eines an die Ausgangsklemme 9 des Komponentenrechners 4 angeschlossenen Differenziergliedes 13 besteht und in einer Mischstelle 14 zum Ausgangssignal des Zwischenkreisstromreglers 10 addiert wird. Die Vorsteuergröße ist proportional dem zeitlichen Differentialquotienten —r— des Betragssollwertes J*. Die Induktivität 12 entspricht regelungstechnisch gesehen einem Integrierglied mit der treibenden Spannung als Eingangsgröße und dem Strom als Ausgangsgröße. Da sie mit dem differenzierten Betragssollwert beaufschlagt ist, wird dadurch sofort ein dem jeweiligen Betragssollwert J* entsprechender Zwischenkreisgleichstrom erzwungen und stationär durch die Wirkung des Zwischenkreisstromreglers 10 aufrechterhalten.

Bei sprunghaften Veränderungen der Sollwerte J* und J* und damit auch des Betragssollwertes J* wäre dessen Differentiation technisch nicht möglich, weshalb ein Umformer zur gleitenden Vorgabe dieser Sollwerte vorgesehen ist. Eine derartige Einrichtung zur gleitenden Sollwertvorgabe ist an sich bekannt und z. B. entsprechend der deutschen Patentschrift 1 126 487 zum Anlassen und Bremsen drehzahlgere-

gelter Elektromotoren vorgeschlagen worden. Sie hat den Charakter eines Verzögerungsgliedes, gestattet in vorliegendem Falle also insbesondere, sprunghafte Sollwertbefehle /** und If*, wie sie von den überlagertem Drehzahlregler 18 bzw. Feldregler 19 ausgegeben werden können, in die sich stetig verändernden Ständerstromsollwerte /*, If umformen, welche den Eingangsklemmen 20 und 21 des Komponentenrechners 4 zugeführt sind.

Eine zweite Variante zur Bildung der Vorsteuergröße /* ergibt sich bei der Anordnung nach F i g. 2, wenn die mit 22 bezeichnete Schaltbrücke in ihre untere Lage gebracht wird, so daß die Mischstelle 14 mit der Ausgangsklemme 23 einer Multipliziereinrichtung 24 verbunden ist. Diese Multipliziereinrichtung bildet in einer später noch zu erläuternden Weise die Vorsteuergröße /* aus den differenzierten Ständerstromsollwertkomponenten /* und J* sowie aus zwei feldachsenbezogenen Komponenten cos ι* und sin /■■* eines in Richtung des Ständerstromvektors zeigenden Einheitsvektors, welche an den Klemmen 27 und 28 des Komponentenrechners 4 ausgegeben werden. Für den Fall, daß der Umformer 15 zur gleitenden Sollwertvorgabe gegengekoppelte Integratoren enthält, deren Ausgangssignale die Sollwerte /* und If sind, werden bei dieser Variante keine besonderen Differenzierglieder erforderlich, da dann die benötigten differenzierten Werte der Ständerstromsollwertkomponenten /*. und If bereits als Eingangsgrößen dieser gegengekoppelten Integratoren dann zur Verfügung stehen. Auch wird hierbei eine überaus exakte Differentiation erreicht, da die bei sonst üblichen Differentiationsgliedern in Kauf zu nehmende parasitäre Zeitkonstante nicht vorhanden ist.

Um lastbedingten Störungen schnell entgegenwirken zu können, wird die Spannung U₁ an dem dem netzseitigen Stromrichter zugeordneten Ende der Glättungsdrossel 12 der an ihrem anderen Ende auftretenden Spannung U₂ nachgeführt. Durch eine solche Entkopplung des der Glättungsdrossel 12 nachgeschalteten Stromkreisteiles bekommt diese den Charakter eines rückwirkungsfrei arbeitenden Integrators mit der Folge, daß ihr Strom ausschließlich von ihrer Eingangsgröße bestimmt, d. h. eingeprägt werden kann. Dies erfolgt durch Aufschaltung einer der Eingangsspannung des Wechselrichters Ib entsprechenden Spannung U₂', welche nun aber nicht aus der sehr oberwellenhaltigen Eingangsgleichspannung des Wechselrichters Ib genommen wird, sondern mittels zwei hintereinander angeordneten Multiplizierer 30 und 31 errechnet wird aus dem an der Ausgangsklemme 29 des Sollwertrechners 4 ausgegebenen Betrag Φ des Feldvektors, der drehzahlproportionalen Spannung η einer mit der Drehstrommaschine 1 gekuppelten Tachodynamo 32 sowie aus einer Spannung, welche der feldachsenbezogenen Komponente sin f * des in Richtung des Ständerstromvektors zeigenden Einheitsvektors entspricht. Es wurde nämlich erkannt, daß unter der Voraussetzung einer hinreichend schnellen Winkelsteuerung, d. h. einer praktisch trägheitslosen Übereinstimmung des jeweiligen vorgeschriebenen Winkelsollwert mit dem tatsächlich vom Ständerstrom eingenommenen Winkelwert der Ansatz gilt U₂ * U₂ - η ■ Φ ■ sin ε*, wobei die Größe U₂ im Gegensatz zu der Eingangsspannung U₂ des Wechselrichters Ib praktisch oberwellenfrei ist und deshalb keiner die Ausregelgeschwindigkeit prinzipiell verzögernden Glättung mehr bedarf.

Fig. 3 zeigt nähere Einzelheiten zum gerätetechnischen Aufbau der in F i g. 2 mit 4,10,14,15 und 24 bezeichneten Funktionsgruppen. Der Sollwertumformer 15 besteht aus zwei Integratoren 34 und 35 in Form von kapazitiv gegengekoppelten Verstärkern, denen Verzögerungsglieder 36 und 37 vorgeordnet sind. Die Ausgangssignale der beiden Integratoren 34 und 35 sind jeweils über Umkehrverstärker 38 bzw. 39 auf den Eingang der Verzögerungsglieder 36 und 37 gegengekoppelt. Insgesamt stellen die Anordnungen, bestehend aus den Elementen 34,36,38 bzw. 35,37,39 Verzögerungsglieder zweiter Ordnung dar.

Der Komponentenrechner 4 enthält zwei Vektoranalysatoren VA1 und VA 2 sowie einen Vektordreher VD. Innenschaltung und Wirkungsweise dieser Baugruppen gehen aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 941 312 hervor. Werden also dem Vektoranalysator VA1 an seinen Eingangsklemmen 5 und 6 Spannungen ψ_τ und ψ j zugeführt, welche den in die Achsen r,j des ständerbezogenen Koordinatensystems (Fig. 1)fallenden Komponenten des Drehfeldvektors proportional sind, dann entsteht in an sich bekannter Weise an der Ausgangsklemme 29 eine dem Betrag Φ des Drehfeldvektors proportionale Größe und an den f beiden anderen Ausgängen des Vektoranalysators VA1 zwei den ständerbezogenen Komponenten eines in Richtung der momentanen Drehfeldachse zeigenden Einheitsvektors proportionale Spannungen cos 7 und sin 7, wobei gilt 7 = arc tg i/'/w ^ⁿ analoger Weise erscheint an der Ausgangsklemme 9 des Vektoranalysators VA 2 eine Größe, welche dem Betragssollwert /* des Ständerstromes / proportional ist und an seinen Ausgangsklemmen 27 und 28 zwei Spannungen cos e* und sin ε*, welche den Komponenten eines Einheitsvektors entsprechen, der im umlaufenden, feldachsenbezogenen Koordinatensystem stets in Richtung des Ständerstromvektors zeigt, wobei gilt:

F* = arc tg/·//?.

Für einen stationären Betriebszustand der Asynchronmaschine sind /*, /,*, /* cos e* und sin e* Gleichgrößen. Die Größen cos f■*, sin ,· *, cos 7 und sin 7 werden dem Vektordreher VD, welcher in bekannter Weise aus vier Multiplizierern und zwei Addierverstärkern besteht, so zugeführt, daß an den Ausgangs- ύ klemmen 7 und 8 des Vektordrehers VD zwei Spannungen cos ß* bzw. sin ß* erscheinen, welche die Winkellage des feldorientiert vorgegebenen Ständerstromvektors im ständerbezogenen Koordinatensystem angeben, wobei gilt: ß* = 7 + ;* die Komponentenspannungen cos ß* und sin ß* stellen einen Steuervektor dar und können entweder, wie in F i g. 2 dargestellt, direkt auf den Winkelschalter 11 wirken oder, wie bereits an anderer Stelle vorgeschlagen, unter Zwischenschaltung eines Winkelregelkreises.

Die Ausgangsklemme 9 des Sollwertrechners 4 ist mit dem Sollwerteingang des Zwischenkreisstromreglers 10 verbunden, welcher aus einem ohmisch kapazitiv gegengekoppelten Verstärker besteht. An dessen Eingangsklemme 11 liegt der von einem in Gleichstromzwischenkreis angeordneten Gleichstromwandler gelieferte Istwert des Zwischenkreisgleichstromes /

β'·

Die Vorsteuergröße /*, welche wie bereits erwähnt, dem zeitlichen Differentialquotienten des Betragssollwertes I* entsprechen soll, wird nun in der Einrichtung 24 gebildet, welche zwei Multiplizierer 40 und 41 sowie einen Addierverstärker 42 enthält. Die Multi-

plizicrer40 und 41 sind eingangsseitig mit den Klemmen 28 und 27 sowie mit den Ausgangsklemmen 25 und 26 des Sollwertumformers 15 verbunden, an welchen die Eingangsspannungen der Integratoren 34 und 35, d. h. die differenzierten Ausgangsgrößen /*. und /* erscheinen. Die Addition der Ausgangsgrößen der Multiplizierer 40 und 41 ergibt am Ausgang 23 des Addierverstärkers eine Größe der Form

/Jf · cos ι··* + /* sin f * ,

welche, wie sich zeigen läßt, genau dem zeitlichen Differentialquotienten des Betragssollwertes /* entspricht. Diese Vorsteuergröße ist einem Eingang des Mischglicdes 14 — in Form eines Addierverstärkers zugeführt, dessen weitere Eingänge mit dem Ausgang des Zwischcnkreisstromreglcrs 10 und mit der Klemme 33 verbunden sind. Der Ausgang des Addierverstärkers 14 ist mit der Eingangsklemme 43 eines den Steuerstrecken des Gleichrichters la zugeordneten Steuersatzes verbunden.

Insgesamt gesehen stellt die vorliegende Erfindung einen vorteilhaften Weg dar. um bei feldorientierter Sollwertvorgabe die entsprechenden Istwerte zu jedem Zeitpunkt exakt und unter weitgehender Kompensation von durch die Struktur der Regelstrecke bedingten Störeinflüssen ihren Sollwerten folgen zu lassen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

COPY

209 586/388

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Steuern oder Regeln einer Asynchronmaschine, deren Ständerstrom in Abhängigkeit von zwei elektrischen drehfeldachsenbezogenen Größen gebracht ist, von welchen die eine nur die Größe einer parallel und die andere nur die Größe einer senkrecht zur momentanen Drehfeldachse liegenden Komponente des Ständerstromvektors beeinflußt, die von einem Zwischenkreisumrichter mit eingeprägtem Gleichstrom, mit einem auf die Steuerstrecke des Gleichrichters wirkenden Zwischenkreisstromregler und mit einem von den Komponenten eines Steuervektors beaufschlagten Winkelschalter für die Steuergitter des Wechselrichters gespeist ist, nach Patentanmeldung P 19 41 312.8-32, gekennzeichnet durch einen Umformer zur gleitenden Vorgabe der feldorientierten Ständerstromkomponenten (/*, /jf) und einer die Steuerstrecken des Gleichrichters (2 α) beaufschlagenden Vorsteuergröße, welche abhängig ist vom Differentialquotienten des dem Zwischenkreisstromregler (10) zugeführten Sollwertes (/*).

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorgabe der beiden Ständerstromkomponenten (/*, If) je ein gegengekoppelter Integrator (34, 35) vorgesehen ist und zur Bildung der Vorsteuergröße jeweils die Eingangsspannung des einen Integrators und eine der Ausgangsspannung des anderen Integrators proportionale Größe den Eingängen zweier Multiplizierer (40,41) zugeführt sind, deren Ausgänge mit dem Eingang eines Addierverstärkers (42) verbunden sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Integrator (34, 35) ein Verzögerungsglied (36, 37) vorgeordnet ist, auf dessen Eingang das Ausgangssignal des Integrators gegengekoppelt ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Beaufschlagung der Steuerstrecken des Gleichrichters (2a) mit einer dem Mittelwert der Wechselrichtereingangsspannung (U₂) entsprechenden Größe vorgesehen ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch zwei hintereinander angeordnete Multiplizierer (31, 32) zur Bildung einer Größe, welche proportional dem Produkt des Betrags des Feldvektors (Φ), der Drehzahl (n) sowie des Sinus des Winkels zwischen Ständerstromvektor und Drehfeldachse (/) ist.