DE2344124C2 - Anordnung zur Steuerung der Drehzahl einer Stromrichtermaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Steuerung der Drehzahl einer Stromrichtermaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Mit Hilfe der Stromrichtertechnik lassen sich Synchronmaschinen bis zu den höchsten Typenleistungen drehzahlsteuern. Dabei werden die Ankerwicklungen der Synchronmaschine aus einem Drehstromnetz konstanter Spannung und Frequenz über einen Umrichter mit Gleichstrom-Zwischenkreis gespeist. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise den Technischen Mitteilungen AEG-Telefunken 63 (1973) Heft 4 auf den Seiten 141 bis 148 insbesondere dem Bild 12 auf Seite 147 zu entnehmen. Der Gleichstrom im Zwischenkreis wird in Abhängigkeit von der Stellung eines mit der Rotorwelle des Stromrichtermotors starr verbundenen Polradlagegebers über einen Impulsverteiler zur Ansteuerung der Thyristoren des Umrichters auf die Ständerwicklungen des Stromrichtermotors geschaltet. Ein derartiger Polradlagegeber 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 dessen Pulszahl pro Umdrehung der Polpaarzahl der Stromrichtermaschine synchroner Bauart entspricht. Die günstigste Winkelzuordnung zwischen der Ständerdurchflutung und dem Läufer muß durch Justieren des Polradlagegebers im Stillstand bestimmt werden. Der Polradlagegeber liefert jedesmal dann ein Ausgangssignal, wenn ein Loch oder Schlitz in der Blendenscheibe dem zugehörigen Lichtempfänger gegenüberliegt, so daß bei einem dreiphasigen Geberausgangssignalsystem zur statischen Messung der Läuferstellung ein Auflösungsvermögen von 60°el erreicht wird. Der Polradlagegeber wird im Stillstand für Umkehrantriebe auf einen Polradsteuerwinkel von κ = 0 und für Einrichtungsantriebe nach optimalem Anfahrmoment einjustiert und gestattet bei

Drehung eine feinfühlige elektronische Verstellung des mittleren Polradsteuerwinkels y._nh Unter dem Polradsteuerwinkel χ wird in diesem Zusammenhang der Winkel zwischen der Grundschwingung des Ständer-Stromes und der q-Achse, senkrecht zur d-Achse des Läufers der Stromrichtermaschine synchroner Bauart unter Vernachlässigung der Überlap-uing verstanden. Der Polradsteuerwinkel x=0 entspricht dabei jener Zuordnung von Ständer- und Läuferfeld, bei der die Grundwelle der Ständerdurchfiutung Θα senkrecht auf der Grundwelle der Läuferdurchflutung θρ steht, also der optimakri) Lage für das Drehmoment der Maschine. Aus Gründen der Kommutierung der Stromrichteranordnung wird abweichend vom Polradsteuerwinkel κ = 0 für die optimal Lage der Durchflutungen ein Polradsteuerwinkel eingestellt, damit die Stromrichtermaschine kapazitives Verhalten zeigt Wegen der Drehzahlverstellbarkeit von stromrichtergespeisten, wellengesteuerten Synchronmaschinen ist die aus der Literatur bekannte Definition einer Typendrehzahl zweckmäßig. Unter Typendrehzahl ist dabei die Grenzdrehzahl für den möglichen Betrieb mit maximal zulässigem Hauptfluß im Übergang auf Feldschwächung zu verstehen.

Es ist durch die DE-OS 21 41 622 eine Anordnung zur Steuerung einer Stromrichtermaschine synchroner Bauart bekannt, bei der eine die Zündimpulse für den motorseitigen Stromrichter bildenden Steuereinrichtung vorhanden ist, der die Ausgangssignale eines Polradlagegebers sowie ein Signal zur Einstellung des Polradsteuerwinkejs zugeführt sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung der vorausgesetzten Art derart auszubilden, daß die Stromrichtermaschine die Umrichteranordnung Motor- und Generatorbetrieb einen hohen Wirkungsgrad aufweisen, wobei im Motorbetrieb ein maximal möglicher Grundschwingungsverschiebungsfaktor cos φ erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Die Vorteile der Anordnung gemäß der Erfindung sind darin zu sehen, daß die Stromrichtermaschine und die Umrichteranordnung im Motor- und Generatorbetrieb einen hohen Wirkungsgrad erreichen. Im Motorbetrieb ergibt sich ein maximal möglicher Grundschwingungsverschiebungsfaktor cos φ. Diese Vorteile bleiben auch im Betrieb mit Feldschwächung.

Weiterhin ist eine Senkung des Oberschwingungsanteils im Drehmoment auf einen minimal möglichen Wert zu erzielen und die Überlastbarkeit von Synchronmaschine und Umrichter wird nicht durch die Kommutierungsgrenze der Umrichter-Ventile beschränkt, sondern nur durch die thermischen Eigenschaften. Schließlich erfolgt der Übergang vom Motor- in den Gencratorbetrieb der Synchronmaschine stetig ohne Unterbrechung des Stromflusses im Gleichstromzwischenkreis, was eine stetige Momentenumkehr ohne Momentensprung erlaubt.

Ein Ausführungsbeispiel der Anordnung gemäß der Erfindung wird an Hand der Zeichnung anschließend näher erläutert.

Die Figur zeigt als Starkstromteil den mit den Phasenanschlüssen R, S, T verbundenen Umrichter 1, der aus einem Netzstromrichter la und einem maschinenseitigen Stromrichter 16 sowie einem Gleichstrom-Zwischenkreis mit induktivem Speicher besteht, und die Stromrichtermaschine synchroner Bauart 2,

deren Ankerwicklungen mit dem maschinenseitigen Stromrichter \b verbunden sind und deren Rotor über eine mechanische Welle mit einem Pciradlagegeber 3 und einem Tachometergenerator 4 verbunden isL

Die Ansteuerung der Thyristoren des Netzstromrichters la erfolgt über auch bei Gleichstrommaschinenantrieben bekannte und angewandte Regel- und Steuerkreise. Sie seien der Vollständigkeit halber kurz skizziert: sie bestehen aus einem Drehzahlregler 26, dem die Differenz eines von einem Dreiizahl-Sollwertgeber 25 abgegebenen Sollwertes /w und eines vom Tachometergenerator 4 abgegebenen Istwertes n,₅, der Drehzahl η zugeführt wird und an dessen Ausgang ein Strom-Sollwert I_soii abgreifbar ist. Dieser Strom-Sollwert hon wird über ein Proportionalglied mit Begrenzung 27 zum Soll-lstwertvergleich mit einem von einem Gleichrichter 30, der an Stromwandler in den Phasen R, S, T angeschlossen ist, gelieferten Strom-Istwert /,>, geführt. Die Differenz von Sollwert und Istwert wird einem Stromregler 28 zugeführt, der ein nachgeschaltetes Netz-, Steuer- und Zündgerät 29 ansteuert.

Bei der vorliegenden Anordnung erfolgt ein Konstantflußbetrieb bei Nennfluß unterhalb und ein Feldschwächbetrieb mit drehzahlreziprokem Fluß oberhalb der Typendrehzahl. Auf eine direkte Messung des Maschinenhauptflusses, die nur bei extremen Anforderungen an die Dynamik erforderlich werden könnte, kann unter der Voraussetzung, daß die Kommutierungsreaktanzen der Synchronmaschine so angeordnet sind, daß die Maschinenhauptspannung Ua sinusförmig verläuft, verzichtet werden. Dann ist unter Berücksichtigung der Drehzahlproportionalität die Größe der Maschinenhauptspannung Uj₁' ein Maß für den Maschinenhauptfluß. Damit wird eine indirekte Führung der Amplitude des Maschinenhauptflusses durch eine Regelung des Betrages der Maschinenhauptspannung möglich.

Der Sollwert \U\;_soi\ der Maschinenhauptspannung wird über einen Proportionalverstärker mit Begrenzung 8, dem eingangsseitig die vom Tachometergenerator 4 abgegebene, der Drehzahl der Synchronmaschine proportionale Spannung U_n zugeführt wird, vorgegeben. Der Istwert L//i'/_s, der Maschinenhauptspannung wird von einem Istwert-Bildner 13 durch Addition der drei gleichgerichteten Phasenspannungen der Synchronmaschine, wodurch Kommutierungseinbrüche in der Klemmenspannung eliminiert werden, vorgegeben. Die Differenz Δ ίΛ'νοη Soll- und Istwert der Maschinenhauptspannung wird einem Maschinenhauptspannungs-Regler 9 zugeführt, an dessen Ausgang ein Erregerstrom-Sollwert Ip₅ abgegeben wird. Nach Vergleich mit dem Erregerstrom-Istwert /_p, wird die Soll-Istwert-Dilferenz einem Feldstromregler 10 zugeführt, dessen Ausgang mit einem nachgeschalteten Steuer- und Zündgerät 11 das zur Ansteuerung der Thyristoren des Stromrichters oder Drehstromstellers 12 dient, verbunden ist. Mit Hilfe dieser Anordnung ist es somit möglich, den Maschinenfluß im Motor- und Generatorbetrieb unterhalb der Typendrehzahl konstant zu halten. Bei Überschreitung der Typendrehzahl wird wegen der Sollwertbegrenzung von UKsoii durch den Proportionalverstärker mit Begrenzung 8 die von den Thyristoren des Umrichters 1 begrenzte Sperrspannung durch Feldschwächung konstant gehalten. Der sich dann einstellende Fluß ist der Drehzahl umgekehrt proportional und unabhängig von der Belastung.

Die Lösung der Teilaufgabe, im gesamten motorischen Betriebsbereich einen maximal möglichen Grund-

schwingungsverschiebungsfaktor cos φ zu erhalten, wird durch eine Regelung minimaler Schonzeit für die Thyristoren des maschinenseitigen Stromrichters Xb erreicht. Hierzu ist eine stufenlose Verstellung des Polradsteuerwinkels y. erforderlich, was in der Anord- ί nur." nach F i g. 1 durch ein in den weiteren Figuren zu beschreibendes Schaltwerk 7 erzielt wird. Zur Optimierung de.- Grundschwingungsverschiebungsfaktors cos φ liefert dn Schonzeitregler 5 im Motorbetrieb der Stromrich ermaschine 2 die Steuerspannung für das ι» Schaltwerk 7. Der Sollwert der Schonzeit t_SSoii wird in Abhäng'gi·«=' · von den Eigenschaften des Umrichters 1, wie FreiwerG'zeit der Thyristoren, Oberschwingungseinflüsse, Uns'rnmetrien und Stabilitätsgründe, an einem Sollwertgeber 15 eingestellt. Die Ermittlung des r> Istwertes r_J;s, a*r Schonzeit geschieht durch eine Messung der Zed zwischen dem Nulldurchgang des Maschinen-Phasens romes über eine Wandlerschaltung mit Auswertlogik unt dem Nulldurchgang der zugehörigen verketteten Masc.iinenspannung. Hierzu dient eine 2» Schonzeit-Meßeinrichu-ng 14, deren Ausgang mit dem Soll-Istwert-Vergleichsp.inkt verbunden ist. Die Differenz von Sollwert t_ssoii u.id Istwert t_sisl der Schonzeit, wird dem Schonzeitregler 5 zugeführt.

Im Generatorbetrieb de- Stromrichtermaschine 2 r> wird der Schonzeitregler 5 enmdungsgemäß unwirksam und durch einen Gleichspannui gsregler 6 ersetzt. Durch diese Maßnahme wird im Bereich unterhalb der Typendrehzahl eine von der Vorgabe eines Sollwertes Udsoii für die Zwischenkreisspannung Ua abhängige Verstellung des Aussteuerungsgrades des maschinenseitigen Stromrichters \b vorgenommen, so daß die maximal erreichbare Gleichspannung des Netzstromrichters la nicht überschritten wird oder der maschinenseitige Stromrichter voll ausgenutzt wird. Während die Vorgabe des Sollwertes U_dsou für die Zwischenkreisspannung durch einen Sollwertgeber 17 erfolgt, wird der Istwert Ud,si der Zwischenkreisspannung Ud durch ein Spannungsmeßgerät 18 erfaßt. Die Ablösung des Schonzeit- und des Gleichspannungsreglers beim Übergang vom Motor- auf den Generatorbetrieb oder umgekehrt erfolgt über einen Summierer 31. der die Ausgangsspannungen des Gleichspannungsreglers 6 und des Schonzeitreglers 5 sowie eine an einem Potentiometer 16 einstellbare konstante Spannung LO ^ addiert. Zur Umschaltung von dem einen Reglerbetrieb auf den anderen dient eine Ablöseschaltung, die aus einem Betriebsindikator 23 und einer elektronischen Reglersperre 24 besteht. Gibt der Betriebsindikator 23 einen Umsteuerungsbefehl an die elektronische Reglersperre 24, so werden sowohl der Schonzeitregler 5 als auch der Gleichspannungsregler 6 durch Eingriff der elektronischen Reglersperre 24 gesperrt. Durch den Anteil der konstanten Spannung LO des Summierers 31 wird das Schaltwerk 7 auf eine Einstellung des Polradsteuerwinkels κ von ca. 90°el gebracht. Nach Aufheben der Sperre wird der vom Betriebsindikator 23 ausgewählte Regler, also entweder der Schonzeitregler 5 oder der Gleichspannungsregler 6, freigegeben und durch Vorgabe bestimmter Spannungswerte der Polradsteuerwinkel κ vom Schaltwerk 7 erneut vorgegeben. Gleichzeitig führt der Betriebsindikator 23 dem Schaltwerk 7 für den ungeregelten Anlaufbetrieb die Entscheidung zu, ob Motor- oder Generatorbetrieb vorliegt. Diese Entscheidung kann beispielsweise in digitaler Form geschehen (Motorbetrieb C, Generatorbetrieb G). Zur Auswahl des jeweiligen Betriebszustandes werden dem Betriebsindikator 23 neben dem Istwert der Drehzahl n,_s, auch die jeweilige Drehrichtung IR und die Regelabweichung des Drehzahlreglers 26 über einen Trigger 22, der die gewünschte Drehmomentenrichtung vorgibt, zugeführt. Die Drehrichtungserfassung erfolgt durch einen Drehrichtungsfühler 20, dem die Ausgangssignale A, B, C des Polradlagegebers 3 zugeführt werden. Durch Auswertung der Reihenfolge des Auftretens der Ausgangssignale A, B, Cist diese Drehrichtungserfassung mit der Hilfe digitaler Schaltungen leicht zu bewerkstelligen.

Die Einstellung des jeweiligen, für einen optimalen Betrieb der Stromrichtermaschine synchroner Bauart erforderlichen Polradsteuerwinkel κ erfolgt nach Maßgabe der Ausgangsspannungen des Schonzeitreglers 5 bzw. des_GIeichspannungsreglers 6 je nach Betriebszustand G oder C, sowie der Ausgangssignale A, B, Cdes Poiradlagegebers 3 und der Drehrichtung IR durch das Schaltwerk 7, das alle diese Werte erfaßt, verarbeitet und über einen Zündverstärker 19 die Thyristoren des maschinenseitigen Stromrichters \b ansteuert.

Mögliche Gestaltungen des Schaltwerks 7 sind in der DE-OS 23 17 503 und der DE-OS 23 21 941 beschrieben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Steuerung der Drehzahl einer Stromrichtermaschine synchroner Bauart, deren "> Ankerwicklungen von einem Gleichstrom-Zwischenkreis-Umrichter, bestehend aus einem netz- und einem motorseitigen Stromrichter mit induktivem Speicher im Zwischenkreis, gespeist sind, mit einer, die Zündimpulse für den motorseitigen w Stromrichter bildenden Steuereinrichtung, der die Ausgangssignale eines Polradlagegcbers sowie ein Signal zur Einstellung des Polradsteuerwinkels zugeführt sind, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: '⁵

a) Einen den Erregerstrom einstellenden Maschinenhauptspannungsresler (9), dem als Istwert die Maschinenhauptspannung (U'h,_s,), gebildet aus der Summe der drei gleichgerichteten, den Ankerwicklungen der Stromrichtermaschine -° zugeführten Phasenspannungen, und als Sollwert unterhalb der Typendrehzahl der Maschine ein zur Drehzahl proportionaler Wert und oberhalb der Typendrehzahl ein konstanter, auf die Sperrspannung der Thyristoren des Umrich- -⁵ ters abgestimmter Wert vorgegeben sind,

b) ein Schonzeitregler (5) für den motorseitigen Stromrichter (Ib)

c) ein Zwischenkreis-Gleichspannungsregler (6), dem ein konstanter, auf den maximal zulässigen ^i(l Wert des netzseitigen Stromrichters abgestimmter Sollwert (U_dsou) vorgegeben ist,

d) ein Summierglied (31), dem die Ausgangssignale des Schonzeit- und des Zwischenkreisgleichspannungsreglers als Eingangssignale zugeführt ^Γι sind und dessen Ausgangssignal das Polradwinkelsteuersignal abgibt,

e) ein Reglersperrglied (24), das im Motorbetrieb den Ausgang des Schonzeitreglers und im Generatorbetrieb den Ausgang des Zwischen- ^w kreisgleichspannungsreglers freigibt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß zur Regelung des Betrages der Maschinenhauptspannung (Uh) als Sollwert (UXsoii) eine von ^A"' einem Tachometergenerator (4) abgegebene drehzahlproportionale Spannung über einen Proportionalverstärker mit Begrenzung (8) vorgegeben wird, und daß nach erfolgtem Soll-Istwert-Vergleich die Regelabweichung als Erregerstromsollwert (Ι_ρ$οιι) einem Stromregler (10) des Feldstromrichters (12) der Stromrichtermaschine (2) vorgegeben wird.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß für die Schonzeitregelung der Sollwert der " Schonzeit (U_soii) in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Umrichters (1) fest vorgegeben und mit einem Istwert der Schonzeit (Uai) verglichen wird, dessen Wert durch eine Messung der Zeit zwischen dem Nulldurchgang des Phasenstromes und dem ^bn Nulldurchgang der zugehörigen verketteten Maschinenspannung ermittelt wird,

und daß die Regelabweichung dem Schonzeitregler (5) zugeführt wird.

4. Anordnung nach Anspruch 1, *' dadurch gekennzeichnet,

daß die Umschaltung vom Motorbetrieb in den Generatorbetrieb der Stromrichtermaschine durch eine Ablöseschaltung erfolgt, die aus der Reihenschaltung eines Betriebsindikators (23) und einer elektronischen Reglersperre (24) besieht, wobei auf einen Umsteuerungsbefehl des Betriebsindikators (23) die elektronische Reglersperre (24) sowohl den Schonzeitregler (5) als auch den Gleichspannungsregler (6) sperrt,

so daß eine an einem Potentiometer (16) einstellbare konstante Spannung LO, die neben den Ausgangsspannungen des Schonzeitreglers (5) oder des Gleichspannungsreglers (6) dem Summierer (31) zugeführt wird, an einem die Thyristoren des maschinenseitigen Stromrichters (\b)ansteuerndem Schaltwerk (7) anliegt und eine Einstellung des Polradsteuerwinkels r. von ca. 90° el bewirkt und nach Aufheben der Sperre der vom Betriebsindikator (23) ausgewählte Regler freigegeben und durch Vorgabe bestimmter Spannungswerte vom Schonzeitregler (5) oder Gleichspannungsregler (6) der jeweilige Polradsteuerwinkel y. vom Schaltwerk (7) erneut vorgegeben wird.