DE2345035B1

DE2345035B1 - Verfahren und Anordnung zur Steuerung oder Regelung der Drehzahl einer umrichtergespeisten dreiphasigen Drehfeldmaschine

Info

Publication number: DE2345035B1
Application number: DE2345035A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl-Ing Timpe; Manfred Dipl-Ing Weibelzahl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-09-06
Filing date: 1973-09-06
Publication date: 1975-03-13
Also published as: ATA665474A; IT1020408B; DE2345035C2; GB1477169A; CH577250A5; CA1029801A; AT335015B; JPS5444361B2; US3942091A; JPS5053818A; SE7410796L; FR2243546A1

Description

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Fig. 1 zeigt schematisch den Ständer einer Drehfeldmaschine mit den Ständerwicklungen W_R, W_s, W₁- und den Ständerströmen i_R, i_s, i_T. Bei Einspeisung mit einem dreiphasigen, symmetrischen Drehstromsystem mit sinusförmigen Phasenströmen mit der Amplitude/i ist deren zeitlicher Verlauf durch das Gleichungssystem (1) gegeben:

i_R = A ■ sin o>t ,

(D

i_s = A ■ sin \~'"^t'~-T-)'

• f 4.-A
i_T = A ■ sin ί tot r-1.

Zum Zeitpunkt «>t = 4" des Phasenstromes i_R ergibt

sich das in F i g. 2 dargestellte Vektordiagramm der Phasenströme, deren Beträge aus dem Gleichungssystem (2) zu entnehmen sind:

i_T = y ^-

(2)

(3)

j R = 'κ + li>
7s = 's + υ, Jt = 'V + υ·

(4)

JS = y + Z , (5)

IO

Zu jedem Phasenstrom ist ein Zusatzstrom Ii vektoriell addiert. Wenn der Zusatzstrom I i im Zeitpunkt ■=- des Phasenstroms i_R den Betrag Z hat, so

ergibt sich das Vektordiagramm der F i g. 3. Die Beträge der Stromvektoren sind

JR — ^Λ *■ » r

20

Der Betrag des resultierenden Durchflutungsvektors / ergibt sich durch vektorielle Addition der einzelnen Phasenströme zu

30

35

Erfindungsgemäß werden jedoch die Wicklungen der Drehfeldmaschine jedoch nicht mit sinusförmigen Phasenströmen nach dem Gleichungssystem (1) gespeist, sondern mit Phasenströmen nach dem Gleichungssystem (4), das die Überlagerung der Grundschwingungen mit einem Zusatzstrom ausdrückt:

45

55

6o

j_T = y + Z .
Der resultierende Durchflutungsvektor J ergibi sich

J = --A.

Es läßt sich zeigen, daß die Ergebnisse der Gleichungen (5) und (6) Tür jeden beliebigen Zeitpunkt gelten. Die Übereinstimmung der resultierenden Drehdurchflutungsvektoren der Gleichungen (3) und (6) beweist, daß bei der erfindungsgemäßen Speisung einer Drehfeldmaschine mit von der Sinusform abweichenden Phasenströmen ebenfalls ein gleichmäßig umlaufender Durchflutungsvektor konstanter Länge entsteht, so daß der magnetische Anteil und der momentbildende Anteil der Phasenströme ständig konstant gehalten werden kann. Auf Grund der symmetrischen Geometrie der Maschine kompensieren sich die aus den Zusatzströmen herrührenden Anteile der Durchflutungen, so daß die Zusatzströme keinen Einfluß auf den resultierenden Durchflutungsvektor haben und keinen Beitrag zur Magnetisierung und zum Drehmoment leisten.

Drehmoment und Leistung der Maschine werden daher nicht beeinflußt. Die Stromrichterventile der Umrichter zur Erzeugung der Phasenströme brauchen jedoch nicht mehr auf den Scheitelwert A der Phasenströme dimensioniert werden, sondern nur noch auf den kleineren Wert A — Z.

F i g. 4 zeigt bei einer wegen des geringen Oberschwingungsgehaltes der Phasenströme bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens den zeitlichen Verlauf der Phasenströme und des Stromes in der Sternpunktrückleitung. Die Phasenströme jjj, j_s, j_T sind als durchgezogene Linien gezeichnet, während die sinusförmigen Grundschwingungen strichliert dargestellt sind. Jeder Phasenstrom ist im mittleren Bereich einer Halbwelle auf einen vorgegebenen Maximalwert j_max reduziert, und zugleich sind die beiden übrigen Phasenströme in den Randbereichen der Halbwellen um den jeweiligen Differenzbetrag zwischen der sinusförmigen Grundschwingung und dem vorgegebenen Maximalwert j_max des anderen Phasenstromes verstärkt. Hierdurch werden bei der Abweichung eines jeden Phasenstromes von der Sinusform die beiden anderen Phasenströme um den gleichen Differenzbetrag verschoben. Dies kann als Einspeisung eines Null-Leiterstromes f₀ in die Sternpunktrückleitung angesehen werden.

Die Fourier-Analyse der Phasenströme zeigt, daß deren zeitlicher Verlauf aus einer sinusförmigen Grundschwingung und einer allen Grundschwingungen gemeinsam überlagerten Oberschwingung mit 3n-facher Frequenz gebildet ist, wobei η die Werte 1, 2, 3... annehmen kann.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile werden optimal genutzt, wenn jeder Phasenstrom jeweils im Bereich von 4- bis ^r- einer Halbwelle auf den

¹J—fachen Scheitelwert der Grundschwingung reduziert ist und die beiden übrigen Phasenströme zugleich um den jeweiligen Differenzbetrag verstärkt sind.

Der zeitliche Verlauf derartiger Phasenströme und des Zusatzstromes auf dem Sternpunktrückleiter ist in Fig. 5 veranschaulicht. Die Phasenströme sind wiederum als durchgezogene Linien dargestellt und mit j'_R, j'_s, }'j bezeichnet, während die sinusförmigen Grundschwingungen strichliert eingezeichnet sind.

An Hand der zu einem beliebigen Zeitpunkt T₁ eingezeichneten punktierten Linie läßt sich erkennen, wie die Kurvenform der Phasenströme gewonnen wird. Der Differenzbetrag D zwischen dem Maximalwert j,',,,,, und der entsprechenden sinusförmigen

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Grundschwingung der Phase S wird sowohl zur Grundschwingung der Phase R wie auch zur Grundschwingung der Phase T hinzuaddiert.

Die Einschränkung der Begrenzung eines Phasenstromes auf den Maximalwert j'_max im mittleren Bereich

_T -> .j
einer Halbwelle von -j- bis ^j- folgt daraus, daß zu diesen Zeitpunkten die beiden übrigen Phasenströme ihre Nulldurchgänge haben. Bei einer-zu einem früheren oder späteren Zeitpunkt einsetzenden Begrenzung könnte der Differenzbetrag nicht vorzeichenrichtig zu den übrigen Phasenströmen addiert werden. Der Betrag des Maximalwertes f_max folgt aus dem Momentanwert der sinusförmigen Grundschwingung zu dem Zeitpunkt, in dem die Begrenzung einsetzt:

A · sin

= H.. A = 0,866· A.

Die Stromkurve eines Phasenstroms j'_R wird somit beschrieben:

im Bereich

tot = O bis -ir-:

Jk = "τ.Α·\1

im Bereich

30

35

n_u. 2.-τ
ω t = — bis -γ-

Jr — ~2 ' A ·

In den übrigen Bereichen ist die Stromkurve entsprechend symmetrisch aufgebaut.

Eine Fourier-Analyse dieser Stromkurve ergibt, daß der Zusatzstrom ΐ'ό im Sternpunktrückleiter im wesentlichen aus der dritten Oberwelle der Grundschwingung besteht. Die Anteile der 6. und 9. und der höheren Oberwellen sind vernachlässigbar klein. Die Abweichung des Effektivwertes der Stromkurve vom Effektivwert eines sinusförmigen Stromverlaufs ist ebenfalls vernachlässigbar klein.

Die bessere Ausnutzung der Stromrichterventile ergibt sich aus dem Verhältnis der Amplitude der sinusförmigen Grundschwingung zum Maximalwert der Phasenströme nach Gleichung (7):

F i g. 6 zeigt eine derartige Anlage mit einer Drehfeldmaschine 1, der Phasen R, S, T von den Umrichtergruppen 2, 3, 4 gespeist werden und die eine Sternpunktrückleitung 5 aufweist. Die Umrichtergruppen sind von Sollwertgebern 6, 7, 8 mit zugehörigen Kommandostufen angesteuert. Die Sollwertgeber bilden ein dreiphasiges Sollwertsystem, wobei die Sollwerte jedoch keine Sinusform, sondern erfindungsgemäß eine Kurvenform aufweisen, deren Verlauf der überlagerung einer sinusförmigen Grundschwingung mit einer Oberschwingung entspricht.

F i g. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Umrichtergruppen 2, 3, 4 von Stromreglern 12, 13, 14 mit zugeordneten Sollwertgebern 15, 16, 17 angesteuert sind. Die Stromregler werten die Regeldifferenzen aus den Sollwerten und den Istwerten der Phasenströme aus. Auch in diesem Falle weisen die Sollwerte eine Kurvenform auf, deren Verlauf der überlagerung einer sinusförmigen Grundschwingung mit einer Oberschwingung entspricht.

Bekannte Sollwertgeber zur Steuerung von Direktumrichtern ermöglichen die Bildung eines dreiphasigen Systems mit sinusförmigen Führungsgrößen. Derartige Sollwertgeber können zur Steuerung von Phasenströmen mit erfindungsgemäßem Verlauf verwendet werden, wenn ihnen die in Fig. 8 dargestellten Umformerstufen nachgeschaltet werden. Die Umformerstufen 2Oi?, 2OS, 2OT enthalten jeweils einen Summierverstärker 21 und einen Differenzverstärker 22. Das Eingangssignal des Summierverstärkers 21R ist aus der sinusförmigen Führungsgröße /Jj des Sollwertgebers 23 R und den Differenzsignalen d_s, d_T der beiden übrigen Umformerstufen gebildet. Das Ausgangssignal des Summierverstärkers 21R ist als Phasenstromsollwert j% auf einen Werty*_ax begrenzt, der dem Maximalwert des Phasenstromes entspricht. Der Differenzverstärker 22 R bildet das Differenzsignal i)_R aus dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal des Summierverstärkers. Die Summierverstärker 21 und die Differenzverstärker 22 haben jeweils den Verstärkungsgrad 1.

Für die Stromsollwerte gilt das Gleichungssystem (10), solange die Begrenzung auf j£_ax nicht wirksam wird:

J max

= 1,15.

(9)

Die mit dieser Ausführungsform der Erfindung erzielbare größtmögliche Verbesserung der Ausnutzung der Stromrichterventile bei gleichbleibender Maschinenleistung beträgt also etwa 15%.

Die Erfindung kann bei allen Umrichtern angewandt werden, bei denen man die Augenblickswerte der Phasenströme regeln kann. Besonders einfach ist dies bei Verwendung von Direktumrichtern (Netzgeführte Stromrichter mit Thyristoren, !Auflage, 1970. S. 315, 316).

Ji =

J*s =

(10)

Ein Differenzsignal ό entsteht nur dann, wenn der zugehörige Summierverstärker 21 in die Begrenzung gegangen ist. In diesem Falle ergeben sich die Differenzsignale nach dem Gleichungssystem (11):

55 ^ = 7H - («Ϊ

ds = y? - (S ^ = y? - Ο?

•St),

(H)

Zum Zeitpunkt i, in Fig. 5 ist in der Umformerstufe 205 der Summierverstärker 215 in die Begrenzung gegangen. Der Sollwert /J entspricht daher dem Maximalwert des Phasenstromesj_max. Dementsprechend steht auch ein Ausgangssignal <)_s an.

Die Verstärker 21R und 21 Γ sind nicht in der Begrenzung. Ihre Eingangssignale stimmen mit dem Ausgangssignal überein, da der Verstärkungsgrad 1 ist. Die Differenzverstärker 22R und 22T liefern kleine Differenzsignale, also b_R = <)_T = 0.

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Die Stromsollwertc für die Pliascn R und T ergehen sich somit:

Jh = '« + '\v
Jr = i* + 'Is ·

Die Anwendung der Erfindung isi nichl auf von Direktumriclilcrn gespeiste Drehfeldmasehinen beschränkt. Voraussetzung für ihre Anwendung bei anderen Umrichtern ist lediglich die Möglichkeit einer Stromregelung.

Hierzu 3 Blatt Zeicliiiunaen

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Steuerung oder Regelung der Drehzahl einer dreiphasigen Drehfeldmaschine mit Sternpunktrückleitung, deren Wicklungen über Umrichter mit Phasenströmen gespeist werden, dadurch gekennzeichnet, daß den sinusförmigen Grundschwingungen der Phasenströme eine Oberschwingung derart überlagert wird, daß jeweils ein Phasenstrom im mittleren Bereich einer Halbwelle auf einen vorgegebenen Maximalwert reduziert wird und daß zugleich die beiden übrigen Phasenströme in den Randbereichen der Halbwellen um einen bestimmten Betrag verstärkt werden. «

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden übrigen Phasenströme in den Randbereichen der · Halbwellen um den jeweiligen Differenzbetrag zwischen der sinusförmigen Grundschwingung und dem vorgegebenen Maximalwert des anderen Phasenstromes verstärkt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitliche Verlauf der Phasenströme aus der sinusförmigen Grundschwingung und einer allen Grundschwingungen gemeinsam überlagerten Oberwelle mit 3n-facher Frequenz gebildet ist, wobei π die Werte 1, 2, 3 ... annehmen kann.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Bereich eines

Phasenstromes jeweils von y bis -y- einer HaIbwelle_reicht und daß der vorgegebene Maximalwert das L -fache des Scheitelwertes der sinusförmigen

Grundschwingung beträgt.

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit von Umrichtern erzeugten' Phasenströmen, deren Steuerung über Stromregler mit zugeordneten Sollwertgebern zur Bildung eines dreiphasigen Sollwertsystems erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromsollwerte eine Kurvenform aufweisen, deren Verlauf der überlagerung einer sinusförmigen Grundschwingung mit einer Oberschwingung entspricht.

6. Anordnung nach Anspruch 5 mit Sollwertgebern zur Bildung eines dreiphasigen Systems von sinusförmigen Führungsgrößen, dadurch gekennzeichnet, daß den Sollwertgebern (23 R, 23 S, 23T) Umformerstufen (2OR, 2OS, 20T) mit jeweils einem Summierverstärker (21R, 21S, 21T) und einem Differenzverstärker (22 R, 22 S, 22T) nachgeschaltet sind, wobei jeweils das Eingangssignal des Summierverstärkers (z. B. 21 R) aus der zugehörigen sinusförmigen Führungsgröße (φ und den Ausgangs-Differenzsignalen (<5_S, δ_τ) der Differenzverstärker (22 S, 22T) der beiden übrigen Umformerstufen (2OS, 20T) gebildet ist und sein Ausgangssignal (j%) als Phasenstromsollwert auf einen dem Maximalwert des Phasenstromes entsprechenden Wert (/*„) begrenzt ist und wobei jeweils der Differenzverstärker (ζ. B. 22R) ein Ausgangs-Differenzsignal (<i_R) aus dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal des zugehörigen Summierverstärkers (21 R) bildet.

³⁵ Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung der Drehzahl einer dreiphasigen Drehfeldmaschine mit Sternpunktrückleitung, deren Wicklungen über Umrichter mit Phasenströmen gespeist werden und auf Anordnungen zur Durchführung dieses Verfahrens.

Ein derartiges Verfahren ist bekannt (ETZ-A, Bd. 84 [1963], S. 374 bis 376, insbesondere Bild 6). Diese bekannte Art der Speisung mit sinusförmigen Phasenströmen bedingt eine auf die Scheitelwerte von Strom und Spannung abgestimmte Dimensionierung der Stromrichterventile. Es läßt sich zeigen, daß bei der Speisung der Wicklungen mit sinusförmigen Phasenströmen jeweils ein Stromrichterventil beim Maximum einer Halbwelle den Scheitelwert eines Phasenstromes führen muß, während die beiden anderen Stromrichterventile nur mit der halben Stromstärke belastet sind. Da alle Stromrichterventile jedoch nach den jeweils nur kurzzeitig auftretenden Scheitelwerten der Phasenströme dimensioniert werden müssen, sind die Stromrichterventile strommäßig schlecht ausgenutzt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für eine bessere Ausnutzung der Stromrichterventile anzugeben, bei dem Leistung und Drehmoment einer umrichtergespeisten Drehfeldmaschine nicht verschlechtert werden.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß den sinusförmigen Grundschwingungen der Phasenströme eine Oberschwingung derart überlagert wird, daß jeweils ein Phasenstrom im mittleren Bereich einer Halbwelle auf einen vorgegebenen Maximalwert reduziert wird und daß zugleich die beiden übrigen Phasenströme in den Randbereichen der Halbwellen um einen bestimmten Betrag verstärkt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, daß die Wicklungen einer dreiphasigen Drehfeldmaschine nicht mit sinusförmigen Phasenströmen gespeist werden, sondern mit Phasenströmen, die im mittleren Bereich einer Halbwelle auf einen Wert reduziert sind, der unter dem Scheitelwert von sinusförmigen Phasenströmen liegt, während die verbleibenden Randbereiche der Halbwellen entsprechend verstärkt sind. Die Stromrichterventile der Umrichter zur Erzeugung der Phasenströme können daher für kleinere Stromstärken dimensioniert werden als bei einer Speisung mit sinusförmigen Phasenströmen. Leistung und Drehmoment der Maschine werden hierdurch nicht beeinträchtigt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß die beiden übrigen Phasenströme in den Randbereichen der Halbwellen um den jeweiligen Differenzbetrag zwischen der sinusförmigen Grundschwingung und dem vorgegebenen Maximalwert des anderen Phasenstromes verstärkt werden. Die auf diese Weise gebildeten Phasenströme weisen einen besonders geringen Oberwellengehalt auf.

Eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit von Umrichtern erzeugten Phasenströmen, deren Steuerung über Stromregler mit zugeordneten Sollwertgebern zur Bildung eines dreiphasigen Sollwertsystems erfolgt, sieht vor, daß die Stromsollwerte eine Kurvenform aufweisen, deren Verlauf der überlagerung einer sinusförmigen Grundschwingung mit einer Oberschwingung entspricht.

Zur Erläuterung der Erfindung werden die Fig. 1, 2 und 3 betrachtet.