DE2233848A1

DE2233848A1 - Verfahren und vorrichtung zur regelung eines antriebs mit einer elektrischen maschine

Info

Publication number: DE2233848A1
Application number: DE2233848A
Authority: DE
Inventors: Christian Dr Ing Bader; Helmut Dipl Ing Schmidt
Original assignee: Deutsche Automobil GmbH
Current assignee: Deutsche Automobil GmbH
Priority date: 1972-07-10
Filing date: 1972-07-10
Publication date: 1974-01-24
Also published as: FR2192410B1; IT986209B; GB1439372A; FR2192410A1

Description

DAUG 13 29. Juni 1972

Deutsche Automobilgesellschaft mit beschränkter Haftung Hannover

Verfahren und Vorrichtung zur Regelung eines Antriebs mit einer elektrischen Maschine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur fiegelung eines Antriebs alt einer elektrischen Maschine sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bs .ist bekannt, Regelungen von Antrieben ait elektrischen naschinen so auszulegen, daß sich in jedem Betriebszustand der elektrischen Maschine ein konstanter magnetischer FIuB in der Maschine einstellt, wenn man Ton der Feldschwächung im oberen Drehsahlbereich bei Gleichstrommaschinen bzw. bei Asynchronmaschinen absieht. Bei Drehfsldmasehinen wird dies beispielsweise dadurch erreicht, daß bei einer Drehzahländerung, die duroh die Änderung der Frequenz der speisenden Spannung herrorgerufen wird, auch die speisende Spannung selbst etwa proportional zur Frequenzänderung Terändert

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wird, ao daß das Verhältnis der Spannung zur Frequenz, das dem magnetischen Fluß proportional ist, stets konstant bleibt. Das von der elektrischen Maschine abzugebende Moment, das aus dem Zusammenwirken des magnetischen Flusses in der Haschine Bit der von den Strömen hervorgerufenen Durchflutung, entsteht, kann dann durch Änderung das Maschinenstromes beeinflußt werden.

Es ist ferner bekannt, daß durch konstruktive Maßnahmen ein· elektrische Maschine nur für eine bestimmte Drehzahl und eine bestimmte abgegebene Leistung optimal ausgelegt werden kann. Die Folge davon ist, daß die Maschine mit einem geringeren Wirkungsgrad arbeitet, wenn sich die tatsächliche Betriebsdrehzahl von der Henndrehzahl, für welche die Maschine konstruktiv ausgelegt ist, unterscheidet.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Regelung eines Antriebs mit einer elektrischen Maschine zu schaffen, das ein· Minimierung djer_elektrischen Verluste in einem r_f weiten Drehzahlbereich und damit eine wesentliche Erhöhung des Wirkungsgrades der Maschine ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß mit Hilf· eines Funktionsgebers der magnetische Fluß sowie die elektrische Durchflutung der elektrischen Maschine so eingestellt und aufeinander abgestimmt werden, daß die aus Eisen- und Kupferverlusten resultierenden elektrischen Ge-■amtverluste der Maschine auf ein Minimum gebracht werden.

Di· erfindungsgemäßen Maßnahmen wirken sich besonders dann vorteilhaft aus, wenn die den elektrischen Antrieb speisende Energiequelle einen nur beschränkten Xnergieinhalt aufweist, wi· dies bd den meisten galvanischen Energiequellen der Fall iet.

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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Zusammenhang mit Drehfeldmaschinen dadurch erhalten, daß der Funktionsgenerator feste Beziehungen zwischen Ständerfrequenz- und Lauferfrequenzwerten liefert, wobei in Abhängigkeit von der eingespeisten Ständerfrequenz ein fester.Lauferfrequenzwert derart vorgegeben wird, daß bei jedem Arbeitspunkt der magnetische Fluß sowie die elektrische Durchflutung derart aufeinander abgestimmt werden, daß die elektrischen GesamtVerluste der Maschine auf ein Minimum gebracht werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß durch den Funktionsgeber für die Größe des magnetischen Fasses obere und untere Grenzwerte vorgegeben werden, und daß die Einstellung des magnetischen Flussee innerhalb des durch diese Werte bestimmten Bereichs erfolgt. Dies führt zu dem Vorteil, daß auch bei stoßartigen Belastungen ein Kippen der Maschine verhindert bzw. ein Betreiben der Maschine in der Sättigung vermieden wird.

üLne bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist gekennzeichnet durch eine über einen Wechselrichter gespeiste Asynchronmaschine, ein Summierorgan zur Bestimmung der Ständerfrequenz W^.aus der mechanischen Drehzahl η und der Läuferfrequenz (J₂' einen mit dem Summierglied verbundenen Funktionsgenerator mit einer vorgegebenen Läuferfrequenz/ Ständerfrequenz-Kennlinie, sowie einem Stromsollwertgeber, der ebenso wie der Ausgang des Summierorgans mit dem Wechselrichter verbunden i^%st.

Vorteilhafterweise liefert der Funktionsgenerator Grenzwertsignale zur Beeinflussung der Arbeitspunkteinstellung der Maschine mittels des Stromsollwertgebers.

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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeiapiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in der Zeichnung seigts

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer herkömmlichen Regelung einer Asynchronmaschine, die

Fig. 2 und 3 Kennlinienverläufe zur Erläuterung der Erfindung, und

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Segelung einer Asynchronmaschine gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt das Prinzip einer herkömmlichen Regelung einer Asynchronmaschine. Eine galvanische Energiequelle 1 speist über einen zwangekomautierten Wechselrichter 2 eine Asynchronmaschine 3· Im Summierglied 4- wird aus dem vorgegebenen Sollwert (j ₂ der Läuferfrequenz der Asynchronmaschine und aus ihrer mechanischen Drehzahl η die primäre Frequenz bzw. Ständerfrequenz ij* der Asynchronmaschine gebildet, und zwar nach der bekannten Gleichung Q^ ■ 2*Fn +U)₂ (^daß Vorzeichen bestimmt sich aus der gewünschten motorischen oder generatorischen Betriebsart). Der Sollwert des Primärstromes I,. der Asynchronmaschine 3 wird in einem Tunktionsgeber 5 so aus dem vorgegebenen Sollwert , ~ der Läuferfrequenz bestimmt, daß der magnetische Fluß in der Asynchronmaschine stets seinen Nennwert beibehält. Ein Stromregler 6 regelt den Wechselrichter 2 so, daß dieser Sollwert des Maschinenstromes eingehalten wird.

Wenn bei einer derartigen Regelung beispielsweise der Haschine nur ein kleines !foment abverlangt wird, so behalten der magnetische Fluß und daait die von ihm hervorgerufenen Eisen- und Kupferverluste den Wert, den sie auch bei Abgabe des ITennmomente annehmen würden. Bei dem hier angenommenen kleinen

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abverlangten Moment verringern sich lediglich die durch die geringen Wicklungsströme bedingten Kupferverluste.

Die im Funktionsgeber 5 der Tig. Λ angedeutete Kennlinie für konstanten Luftepaltfluß zeigt Fig. 2. Dabei soll §~ den magnetischen Fluß der Haschine angeben, der einen Nennwert ^ besitzt. Liegen die Randbedingungen für den maximal und minimal zulässigen Luftspaltfluß JT max. bzw. § min. fest, so läßt sich ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitender Hegelkreis aufbauen, welcher im Zusammenwirken mit entsprechenden Funktionsgeneratoren die in Fig. 3 dargestellten Kennlinienscharen mit dem Parameter <*»,. durchfahren kann.

Fig. 3 zeigt den sobmffierten Betriebsbereich, welcher durch die vorgegebenen Bandwerte des Flusses begrenzt wird. Für eine bestimmte vorgegebene Ständerfrequenz ^* verläuft die Kennlinie für kleine Momente entlang dem vorgegebenen minimalen Luftspaltfluß, wechselt dann bei dem theoretisch oder experimentell zu ermittelnden Wert ■■..·.-£ und steigendem !foment über auf den maximalen Luftspaltfluß und verläuft dann entlang diesem Bandwert.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform einer Torrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei dieser Vorrichtung wird in, gleicher Weise wie bei der Vorrichtung nach Fig. 1 eine Asynchronmaschine 3 über einen mit einer galvanischen Energiequelle 1 verbundenen Wechselrichter gesteuert. In einem Summierglied 4- wird aus der Läuferfrequenz u> 2 und der mechanischen Drehzahl η der Haschine die Ständerfrequenz co* gebildet. Diese Ständerfrequenz wird einerseits dem Wechselrichter 2 und andererseits einem Funktionsgenerator 7 zugeführt, der eine Läuferfrequenz/ ötändarfrequeaz-Kennlinie besitzt» d.h. in Abhängigkeit

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von der zugeführten Ständerfrequenz ^j eine Läuferfrequenz U>2 liefert, welche dem Summierglied.4 zugeführt wird.

Die Funktion U₂ = f (tj ) des Funktionsgebers 7 kann sowohl auf theoretischem als auch auf experimentellem Wege ermittelt werden, muß jedoch so geartet sein, daß ein verlust-optimaler Betrieb, d.h." ein Betrieb gewährleistet ist, bei dem in jedem Arbeitspunkt der Maschine die Summe der Eisen- und Kupferverluste ein Minimum ist.

Der Stromsollwert I wird durch einen Sollwertgeber 8 vorgegeben, welcher über einen Stromregler 6 mit dem Wechselrichter 2 verbunden ist.

Solange sich der Arbeitspunkt im schraffierten Bereich der Fig. J befindet, kann der Stromsollwert I direkt vorgegeben werden, wobei gegenüber der Anordnung nach Fig. 1 der in der herkömmlichen Regelvorrichtung erforderliche Funktionsgeber 5 entfällt.

Liegt der Arbeitspunkt auf der Randlinie, so muß ein zusätzlich vorgegebener Zusammenhang zwischen dem Strom I und der LauferfrequenzLOo berücksichtigt werden.

Wird bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ι bzw. bei Verwendung einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Regelanordnung beispielsweise der Maschine ein kleines Moment abverlangt, so wird aufgrund der vorgegebenen Funktionszusammenhänge der magnetische Fluß etwas verkleinert und dafür werden die Wicklungsströme etwas vergrößert. Die Folge davon ist, daß die Eisenverluste in einem höheren Maße sinken als die R*upferverluste steigen, wodurch im Vergleich zu bekannten Regelverfahren ein wesentlich besserer Wirkungsgrad erhalten wird.

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Claims

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Patentansprüche

Verfahren zur Regelung eines Antriebe mit einer elektrischen Maschine, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe eines Funktionsgebers der magnetische Fluß sowie die elektrische Durchflutung der elektrischen Maschine so eingestellt und aufeinander abgestimmt/ werden, daß die aus Eisen- und Kupferverlusten resultierenden elektrischen Gesamtverluste der Maschine auf ein Minimum gebracht werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichn et, daß der Funktionsgeber eine von den elektrischen Daten der Maschine abhängige Funktion, die auf theoretischem oder experimentellem Wege gewonnen werden kann, zur verlustoptimalen Regelung verwirklicht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, angewendet bei Drehfeldmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß der Funktionsgenerator feste Beziehungen zwischen Ständerfrequenz- und Läuferfrequenzwerten liefert, wobei in Abhängigkeit von der eingespeisten Ständerfrequenz ein fester Läuferfrequenzwert derart vorgegeben wird, daß bei Jedem Arbeitspunkt der magnetische Fluß sowie die elektrische Durchflutung derart aufeinander abgestimmt werden, daß die elektrischen Gesamtverluste der Maschine auf ein Minimum gebracht werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2," dadurch gekennzeichnet, daß durch den Funktionsgeber für die Größe des magnetischen Flusses obere und untere Grenzwerte vorgegeben werden, und daß die Einstellung des magnetischen Flusses innerhalb dee durch diese Werte bestimmten Bereichs erfolgt.

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5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine über einen Wechselrichter (2) gespeiste Asynchronmaschine (3)i ein Summierorgan (k) zur Bestimmung der Ständerfrequenz iyß .) aus der mechanischen Drehzahl η und der Läuferfrequenz (u)_o), einen mit dem Summierglied (k) verbündeneu Funktionsgenerator (7) mit einer vorgegebenen Liiuferfrequenz/Ständerfrequenz-Kennlinie, sowie einem Stromsollwertgeber (8), der über einen Stromregler (6) ebenso wie der Ausgang des Summierorgans (k) mit dem Wechselrichter

(2) verbunden ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß

der Funktionsgenerator (7) Grenzwertsignale zur Beeinflussung der Arbeitspunkteinstellung der Maschine mittels des Stromsollwertgebers (8) liefert.

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