DE2321941A1 - Verfahren und anordnung zur steuerung und regelung einer stromrichtermaschine synchroner bauart - Google Patents

Description

Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH 6 Frankfurt/Main, Theodor-Stern-Kai 1

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Verfahren und Anordnung zur Steuerung und Regelung einer Stromrichtermaschi— ne synchroner Bauart

Die Erfindung betrifft ein Verfahren -und eine Anordnung zur Steuerung und Regelung des Polradsteuerwinkels einer Stroinrichtermaschine synchroner Bauart, deren Ankerwicklungen von einein Umrichter gespeist werden und deren Rotor mit einem Polradlagegeber fest verbunden ist.

Mit Hilfe der Stromrichtertechnik lassen sich Synchronmaschinen bis zu den höchsten Typenleistungen drehzahlstcuern. Dabei werden die Ständerwicklungen der Synchronmaschine aus einem Drehstromnetz konstanter Spannung und

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Frequenz über einen Umrichter mit Gleichstrom—Zwischenkreis gespeist. Eine derartige- Anordnung ist beispielsweise dem Bild lder Siemens-Zeitschrift 45 (1971) Heft auf der Seite 180 zu entnehmen. Die Gleichspannung im Zwischenkreis wird dort in Abhängigkeit von der Stellung eines mit der Rotorwelle des Stromrichtermotors starr verbundenen Polradlagegebers über einen Impulsverteiler zur Aussteuerung der Thyristoren des Umrichters auf die Ständerwicklungen des Stromrichtermotors geschaltet.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 2 134 909 ist eine Anordnung zur digitalen Steuerung der Stromzufuhr eines Motors mit feststehenden Ankerwicklungen und einem mit der Motorwelle umlaufenden Feld aus einem mehrphasigen Wechselstromnetz bekannt. Diese bekannte Anordnung enthält eine die Ankerwicklungen des Motors speisende Stromrichter— anordnung mit Thyristoren, die jeweils über einen Steueranschluß in den leitenden Zustand steuerbar sind. Die Zündsignale für die Thyristoren der Stromrichteranordnung werden von einem Schaltwerk abgegeben, das mit den Ausgängen eines mit der Motorwelle verbundenen Drehwinkelfühlers gekoppelt ist. Dieser Drehwinkelfühler stellt den jeweiligen Augenblickswert des Drehwinkels der Motorwelle fest und kann z. B. eine Drei-Spur-Information für das Schaltwerk abgeben. Das Schaltwerk enthält Drehwinkel-Logikstufen die aus der vom Drehwinkelfühler gelieferten Drei—Spur—Information

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Sechs—Spur—Informationen erzeugen. Die Ausgangssignale der Drehwinkel-Logikstufen werden einer Tor-Logikstufe zugeführt. Das von der Tor-Logikstufe erzeugte Freigabesignal für die Thyristoren wird der Stromrichteranordnung zur Zündung der Thyristoren in der richtigen Reihenfolge über Tor-Treiber zugeführt. Die Tor-Treiber erhalten neben dem Freigabesignal der Tor-Logikstufe noch das Ausgangssignal eines Oszillators und das Ausgangssignal von zu einer Phasensteuereinrichtung gehörenden Phasensteuerringen, wobei zur Phasensteuereinrichtung noch zusätzlich Phasentransformatoren und eine Zeitgeberstufe-gehören. Die Phasensteuereinrichtung gewährleistet, daß die Auslöseimpulse der gewünschten Betriebsreihenfolge folgen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zur analogen Steuerung und Regelung des Polradsteuerwinkels einer Stromrichtermaschine synchroner Bauart zu schaffen, bei dem eine beliebige, stufenlose Vorgabe des Polradsteuerwinkeis

a) Freizügigkeit in der Wahl der Betriebsart von Stromrichtermaschinen cure h angepaßte Vorgabe des Polradsteuerwinkels (z.B. Konstantflußbetrieb, Feldschwächbetrieb, Betrieb mit konstanter Erregung usw.)

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b) eine Löschzeitüberwachung der Thyristoren des die Strornrichtermaschine speisenden Umrichters

c) einen Betrieb der Stromrichtermaschine mit optimalem Leistungsfaktor

d) die Ausnutzung hoher Anlaufmomente durch Unterscheidung der Betriebsbereiche in netzkommutierten oder zwangskommutierten Anlaufbereich und maschinenkommutierten Betriebsbereich mit freier Vorgabe des Polradsteuerwinkels

ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Gebersignale des Polradlagegebers sowohl einer Auswahllogik als auch einer Meßeinrichtung zugeführt werden, ein von der Meßeinrichtung gebildeter Istwert des Polradsteuerwinkels mit einem beliebig vorgebbaren Sollwert des Polradsteuerwinkels verglichen wird, daß von einem durch diesen Vergleich synchronisierten Impulsgenerator Impulse an einen Ringzähler abgegeben werden, dessen Ausgangssignale sowohl der Meßeinrichtung als auch der Auswahllogik im Anlaufbereich unterhalb einer vorgebbaren ■ Drehzahl die Gebersignale und im maschinenkommutierten j Betriebsbereich oberhalb der vorgegebenen Drehzahl die ; Ausgangssignale des Ringzählers über ein Zündbefehl-Verknüpfungsglied und einen Zündverstärker an den Umrichter weitergeleitet werden.

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Anhand 'eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels soll der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Steuerung und Regelung.

In den Figuren 2a und 2b sind die zeitlichen Verläufe -. einiger Spannungen und Signale aus dem Blockschaltbild nach Fig. 1 wiedergegeben.

Das in Fig. 1 dargestellte, prinzipielle Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Steuerung und Regelung zeigt eine Stromrichtermaschine synchroner Bauart 5, deren Ständerwicklunc von einem mit einem Di.d^stromnetz U, V, W verbundenen Umrichter 4 gespeist werden. Mit der Läuferwelle der Stromrichtermaschine synchroner Bauart 5 ist ein Polradlagegeber 6 fest verbunden, der den jeweiligen Augenblickswert des Drehwinkels der Läuferwelle feststellt. Er kann beispielsweise aus einer Anordnung von Lichtquellen, Lampen oder lichtemittierenden Halbleitern, und ihnen gegenüberliegenden Lichtempfängern, z. B. Phototransistoren, mit dazwischenliegender Blendenscheibe aufgebaut sein. Diese Blendenscheibe hat die Form einer runden Scheibe, die mit Löchern' oder Schlitzen versehen ist und die von der Läuferwelle gedreht wird. Sie liefert für dreiphasige Maschinen die erforderliche statische Information zum Anfahren durch ein ebenfalls dreiphasiges Geberausgangssignalsystem"A, B, C, dessen Pulszahl pro Umdrehung der Polpaarzahl der Strom— richtermaschine synchroner Bauart 5 entspricht. Die gün-

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stigste WinkelZuordnung zwischen der Ständerdurchflutung und dem Läufer muß durch Justieren des Polradlagegebers .im Stillstand bestimmt werden. Der Polradlagegeber 6 liefert jedesmal dann ein Ausgangssignal, wenn ein Loch oder Schlitz in der Blendenscheibe dem zugehörigen Lichtempfänger gegenüberliegt, so daß bei einem dreiphasigen Geberausgangssignalsystem A, B, C zur statischen Messung der Läuferstellung ein Auflösungsvermögen von 6o el erreicht wird. Der Polradlagegeber wird im Stillstand für Umkehrantriebe auf einen Polradsteuerwinkel von e£ = 0 und für Einrichtungsantriebe nach optimalem Anfahrmcment einjustiert und gestatten bei Drehung eine feinfühlige elektronische Verstellung des mittleren Polradsteuerwinkels S£ . Unter

dem PolradsteuerwinkelaS- wird in diesem'Zusammenhang der Winkel zwischen der Grundschwingung des Ständerstromes und der d-Achse des Läufers der .Stromrichtermaschine synchroner Bauart unter Vernachlässigung der Überlappung verstanden. Der Polradsteuerwinkel aC = 0 entspricht dabei jener Zuordnung von Ständer- und Läuferfeld, bei der die Grundwelle der Ständerdurchflutung 0. senkrecht auf der Grundwelle der Lauferdurchflutung ö steht, also der optimalen Lage für das Drehmoment der Maschine. Aus Gründen der Kommutierung der Stromrichteranordnung wird abweichend vom Polradsteuerwinkel af = 0 für die optimale Lage der Durchflutungen ein Polradsteuerwinkel'Sf eingestellt, damit die Stromrichtermaschine kapazitives Verhalten zeigt. Die Ausgangssignale A, 3, C des Polradlagegebers werden einer Auswahllogik 1 und einer Meßeinrichtung 7 zugeführt. Die Auswahllogik 1 ent-

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scheidet in Abhängigkeit von der Drehzahl der Stromrichtermaschine synchroner Bauart 5 zwischen einem Anfahr— und einem maschinenkommutierten Betriebsbereich. Ihre Ausgangssignale Z - Z entsprechen also entweder den Ausgangssignalen T - T des noch zu beschreibenden erfindungsgemäßen Regelkreises oder den Ausgangssignalen A, B, C des Polradlagegebers 6. Eine logische Verknüpfung der Signale Z — Z findet in einem Zündbefehls-Verknüpfungsglied 2 statt, dessen Ausgangssignale a - f über einen Zündverstärker 3 als Zündimpulse a_z - f_z dem Umrichter 4 zur Zündung der einzelnen Thyristoren zugeführt v/erden. Die der Meßeinrichtung 7 zugeführten digitalen Ausgangssignale A, B, C des Polradlagegebers 6 werden mit den Ausgangssignalen T - T der noch zu beschrei-

a χ

benden Steuerung und Regelung digital verglichen und in einen aus dem Vergleich resultierenden analogen Istwert (£. ,, i. a. einem analogen Spannungswert umgeformt. Nach einem Vergleich des analogen Istwertes 3£ , mit einem analogen Sollwert ^t .., des Polradsteuerwinkels 3t- wird die Regelabweichung A <£ einem dt -Regler 8 eingegeben. Die der Regelabweichung^?£ proportionale Ausgangsspannung ^f_R Sw-Reglers 8 wird zusammen mit einer von einer übergeordneten Steuerung und Regelung 10 gelieferten frequenzproportionalen Spannung Udie der jeweiligen Betriebsfrecuenz der Stromrichtermaschine synchroner Bauart 5 entspricht

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einem Integrator 91 zugeführt, der zusammen mit einem nachgeschalteten Spannungskomparator 92 einen Impulsgenerator 9 bildet. Der am Ausgang des Integrators 91 anstehende

Sollwert ae -. ·, des Polradsteuerwinkels a£ v/ird sowohl zum soll

beschriebenen Soll-Istwertvergleich des Polradsteuerwinkels a? als auch zu einem Vergleich mit einer dem gewünschten Wert des Polradsteuerwinkels <£ entsprechenden Steuerspannung U_,, die von der übergeordneten Steuerung und Regelung 10 geliefert wird, geführt. Die Spannungsdifferenz U„ wirkt auf den nachgeschalteten Spannungskomparator 92, der oberhalb einer einstellbaren Spannungsdifferenz U,, einen Impuls U abgibt. Dieser Impuls U dient einerseits der Rückstellung des Integrators 91 und wird andererseits an einen Ringzähler 11 weitergeleitet, der die Impulse U auf die Betriebsfreguenz reduziert und an seinem Ausgang die Zündimpulse T - T für die einzelnen Thyristoren abgibt, die sowohl der Auswahllogik 1 als auch der Meßeinrichtung für den Polrads teuer winkelt zugeführt v/erden. Die Aufladezeit des Integrators 91 wird durch die ihm zugeführte Spannung bestimmt, während die Integrationsdauer durch die Impulsabgabe des Spannungskomparators 92 bestimmt ist. Der Integrator 91 kann z. B. in bekannter Weise aus einer "spannungsgesteuerten Stromquelle aufgebaut sein, die zur Aufladung eines nachgeschalteten Kondensators dient, der von einem durch die Impulsabgabe des Spannungskomparators 92 angesteuerten Kondensator-Entladekreis entladen wird.

Zwei die Betriebsweise des erfindungsgemassen Verfahrens

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erläuternde zeitliche Darstellungen der einzelnen Signale und Spannungen sind in den Figuren 2a und 2b wiedergegeben. Während in Fig. 2a von einer zeitlich konstanten, der jeweiligen Betriebsfrequenz der Stomrichtermaschine proportionalen Spannung U-aber einer Veränderung des Wertes der Sheuerspannung U ausgegangen wird, zeigt Fig. 2b die zeitliche Lage der Ausgangsimpulse U des Impulsgenerators 92 bzw. der Zündimpulse T - T_ bei konstanter Steuerspannung U aber variabler frequenzproportionaler. Spannung TJ_.

V7ie in Fig. 2a dargestellt, erfolgt zum Zeitpunkt t ein Sprung der Steuerspannung υ_ς, um einen BetragtU„,, während die frequenzproportionale Spannung''als konstant vorausgesetzt wurde. Die dem Sollwert ^l ,, des Polradsteuerwinkels dt entsprechende Ausgangs spannung des Integrators 91 steigt wegen des konstanten Wertes der frequenzproportionalen Spannung U linear an, bis infolge der Abgabe eines Impulses U am Ausgang des Komparators 92 der Rücksetzbefehl dem Integrator zugeführt wird. Die Komparator-Eingangsspannung U wird um den Betrag des Steuerspannungssprungs ■■■-.■Δ U_. reduziert, so daß der im Komparator 92 eingestellte Spannungsbetrag /±U_K zur Auslösung des Impulses U erst nach einer Zeitspann-e ^ t erreicht wird und zur Rücksetzung des Integrators 91 führt. Die vom Komparator

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abgegebenen Impulse werden im Ringzähler 11, i- a. •einem Vorwärts-Rückwärts-Zähler, in längere, zur Zündung der Thyristoren des. Umrichters 4 geeignete Impulse T -

T₄. umgeformt.

In Fig. 2b v;ird von einer'zeitlich konstanten Steuerspannung U-, aber einer veränderlichen frequenzproportionalen Spannung U^ ausgegangen. Wie dem Blockschaltbild nach Fig. 1 zu entnehmen ist, bedeutet eine Erhöhung der frequenzproportionalen Spannung U_f ein Anwachsen der Eingangsspannung des Integrators 91. Da der Integrator 91 bei größerer Eingangsspannung aber eine kürzere Aufladezeit aufweist, wächst die Steilheit der ansteigenden Spannung und der zur Auslösung des Ausgangsimpulses U des Spannungskomparators 92 und damit des Rücksetzsignals für den Integrator führende, im Spannungskomparator 92 eingestellte Spannungsbetrag Δ U-, wird früher erreicht. Diese Verhältnisse sind in den zeitlichen Darstellungen von ae , ', U-, und U , dessen Impulsfolge dichter wird, wiedergegeben. Entsprechend der dichteren Impulsfolge wird die Impulslänge der am Ausgang des Ringzählers anstehenden Signale T - T^ kurzer. Zur Verdeutlichung des· beschriebenen Prinzips der erfingsgemäßen Steuerung und Regelung würde auf die zeitliche Darstellung der s£-Regler-Ausgangsspannung a£L

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verzichtet, da der^f-Regler 8 Ohnehin erst oberhalb einer bestimmten Regelabweichung .4 ä£ eingreift.-

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Claims (7)

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   Patentansprüche

   / 1. JVerfahren zur Steuerung und Regelung des Polradsteuerwinkels einer Stromrichtermaschine synchroner Bauart,< deren Ankerwicklungen von'einem Umrichter gespeist werden und deren Rotor mit einem Polradlagegeber fest verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Gebersignale (A, B, C) des Polradlagegebers (6) sowohl einer Auswahllogik (1) als auch einer Meßeinrichtung (7) zugeführt werden, ein von der Meßeinrichtung (7) gebildeter Istwert (³⁶V₅*-) des Polradsteüerwinkels (se) mit einem beliebig vorgebbaren Sollwert (as ., ) des Polradsteüerwinkels (aC) verglichen wird, daß von einem durch diesen Vergleich synchronisierten Impulsgenerator (9) Impulse an einen Ringzähler (11) abgegeben werden,dessen

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   Ausgangssignale (T bis T_f) sowohl der Meßeinrichtung (6) als auch der Auswahllogik (l) zugeführt werden, wobei von der Auswahllogik (1) im AnIaufbereich unterhalb einer vorgebbaren Drehzahl die Gebersignale (A, B, C) und ira maschinenkommutierten Betriebsbereich oberh alb der vorgegebenen "Drehzahl die Ausgangssignale (T bis T_f) des Ringzählers (11) über ein Zündbefehl-Verknüpfungsglied (2) und einen Zündverstärker (3) an den -Umrichter (4) weitergeleitet werden. "
2. 2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Polradlagegebers (6) sowohl mit der Reihenschaltung des Meßgliedes (7) des 36-Reglers (8), des Impulsgenerators (9) und des Ringzählers (11) als auch der Auswahl-logik (1) und daß, der Ausgang des·Ringzählers (11) mit der Auswahllogik (l) und dem:Eingang des Meßgliedes (7) verbunden ist. ._""..·
3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator (9) aus der Reihenschaltung eines Integrators (91) und eines Spannungskomparators (92) besteht, wobei der Ausgang des Spannungskomparators (92) zur Rückstellung des Integrators (91) mit dem Integrator (91) verbunden ist. -

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4. 4. Anordnung nach Anspruch 2 und Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Integrators (91) mit einem zwischen Keßglied (7) und ^-Regler (8) befindlichen Summierungspunkt verbunden ist.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 2 und Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem 2β—Regler (8) und dem Integrator (91) sowie zwischen dem Integrator (91) und dem Spannungskomparator (92) je ein Sumrnierungs — punkt vorgesehen ist, die mit einer übergeordneten Steuerung und Regelung (10) verbunden sind.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator eine spannungsgesteuerte Stromquelle zur Aufladung eines nachgeschalteten Kondensators, dem eine mit dem Ausgang des Spannungskomparators (92) verbundene Entladungseinrichtung parallelgeschaltet ist, enthält.
7. 7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daßdie übergeordnete Steuerung und Regelung (10) Kennlinienbildner zur Nachbildung bestimmter Betriebsarten der Stromrichtermaschine synchroner Bauart (5) enthalten kann.

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