DE2361339A1

DE2361339A1 - Verfahren zur regelung des drehmomentes einer asynchronmaschine

Info

Publication number: DE2361339A1
Application number: DE2361339A
Authority: DE
Inventors: Erhard Dipl Ing Futterlieb; Manfred Schulz
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany; BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1973-12-08
Filing date: 1973-12-08
Publication date: 1975-06-19
Also published as: CH576208A5; DE2361339B2; DE2361339C3; FR2254147A1; SE7415241L; AT338940B; GB1490740A; FR2254147B1; SE407880B; ATA960274A

Description

BROWN, BOVERt & CIE . AKTIENGESELLSCHAFT [έ)[""^Ν^'

MAN NHEiM BROWN BOVERI

Mp.-Nr. 682/73 Mannheim, den 29. Nov. 1973

PAT-H/Bt

Mi ]_ Cl*,?et τ 2361339

Terfahren zur Rebelling des Drehmomentes einer Asynchronmaschine.

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Dreh- ; momentes einer Asynchronmaschine, welche aus einem Gleichstrom- oder Wechselstromnetz über einen in Abhängigkeit von Steuer- : größen für die Ständerspannung und die Ständerfrequenz ge- · steuerten Wechselrichter oder Umrichter mit veränderbarer !

Spannung und Frequenz gespeist wird, wobei eine bestimmte . ' lauferfrequenz vorgegeben und durch Änderung der Ständerfrequenz eingestellt wird. Drehmomentgeregelte Antriebe werden im wesentlichen für aus einer Fahrleitung oder aus einer mitgeführten Energiequelle gespeiste Triebfahrzeuge,' aber auch für Industrie antriebe mit einer Zugregelung angewandt.

Bei Antrieben mit drehsahlgesteuerten, umrichtergespeisten Asynchronmaschinen wird zwecks Beeinflussung der Drehzahl sowohl die Frequenz der Ständerspannung als auch diese selbst proportional zur Drehzahl verändert, womit sich ein konstanter Fluß einstellt. Bei dieser Art von Steuerung treten Schwierigkeiten bei konstant bleibendem Drehmoment nicht auf, jedoch bei Änderungen des Drehmomentes, insbesondere bei stoßartigen Drehmomentänderungen. Diese Schwierigkeiten lassen sich zum Teil

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Mannheim, den 5. Dez. 1974 _n

Patentanmeldung P 23 61 339.0

durch eine Drehzahlregelung mit einer unterlagerten Schlupfregelung beheben. Bei diesem Regelverfahren ist jedoch der Einfluß der in einer bestimmten Zeitspanne auf eine. Beharrungstemperatur ansteigenden Erwärmung der läuferwick-3-ung, die eine Veränderung des Ohmschen Widerstandes bei den üblichen zugelassenen vficklungserwärmungen bis zu SO fo ergibt, nicht berücksichtigt.

Bei Steuerungen für Triebfahrzeuge, aber auch für Industrieantriebe mit einer -Zugregelung wird im Gegensatz zur oben geschilderten Drehzahlregelung ein Drehmomentsollwert vorgegeben. Bei solchen Antrieben treten die gleichen, wie bei Antrieben mit Drehzahlregelung geschilderten Schwierigkeiten auf.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Regelverfahren für drehmomentgeregelte, umrichtergespeiste Asynchronmaschinen zu schaffen, bei dem sich unabhängig von der Motorwicklungstemperatur für jeden Wert des Drehmomentsollwertgebers das geforderte Drehmoment einstellt.

Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß darin, daß ein Sollwertgeber für das Drehmoment vorgesehen ist, von dem einerseits zur Ermittlung der Ständerspannungssteuergröße IL der Drehmomentsollwert einem ersten Funktionsbildner zugeführt wird, der den Strom 11 in Abhängigkeit vom Drehmoment M abbildet und die Führungsgröße für den Strom 11 direkt ermittelt und diese dem einen Eingang eines Stromreglers zuführt, dessen zweitem Eingang der Stromistv/ert 11.:,,+. zugeführt wird, und daß die

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Ausgangsgröße dieses Stromreglers einem Rechengerät zugeführt wird,· dessen zweitem Eingang eine der Ständerfrequenz f1 proportionale Spannung zugeführt wird," wobei die "beiden eingegebenen Größen multipliziert werden und am Ausgang des Rechengerätes die Ständerspannungssteuergröße für die Steuerung des Wechselrichters bzw. Umrichters ansteht, und daß andererseits j zur Ermittlung der Ständerfrequenzsteuergröße f1 zuerst aus einer in einem zweiten Funktionsbildner eingespeicherten Eurve für die Funktion f2 = f (M) für den eingestellten Drehmomentsollwert die zugehörige Läuferfrequenz f2 abgegriffen und einem weiteren Rechengerät zugeführt und in diesem anschließend eine Multiplikation des Läuferfrequenzsollwertes ΐ2_σΛΊΊ mit

Λ, SOJLX

einer der Läufertemperatur Af R proportionalen Größe erfolgt und dieses Produkt in einem Addiergerät zu der Größe des Istwertes einer der Läuferdrehzahl proportionalen Frequenz f_n:?_S4-addiert wird, und daß schließlich aus der so ermittelten Steuergröße für die Ständerfrequenz f1 und der Steuergröße für j die Ständerspannung U1 ein Drehspannungssystem gebildet und dem Steuersatz des Wechselrichters bzw. Umrichters zugeführt wird. Bei diesem Verfahren wird durch das vorgegebene Moment die Führungsgröße für .den Ständerstrom 11 direkt vorgegeben. Der im ersten Stromkreis für die Ermittlung der Ständerspannungssteuergröße angeordnete, erstgFunktionsbildner entnimmt aus einer· in diesem gespeicherten Kurve 11 = f (M) zu dem eingestellten Drehmomentsollwert direkt den zugehörigen Stromwert und führt diesen als Führungsgröße für den Strom dem einen Eingang des Strom- . reglers zu. Die Ausgangsgröße des Stromreglers wird mit einer der Ständerfrequenzsteuergröße proportionalen Spannung multipliziert, womit sich die Steuergröße für die Ständerspannung U1 ergibt. ' -

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In dem zweiten, im Stromkreis für die Ermittlung der Steuergröße für die Ständerfrequenz f 1 angeordneten Funktionsbildner ist eine Kurve eingespeichert, die die Verbindung der Maxima einer Kurvenschar der Funktion M = f (f2) für verschiedene Stromwerte darstellt. Eine solche Kurve bzw. Kurvenschar ist in der Figur 1 dargestellt. Ausgezogen sind Kurven k1 und k2 für die Funktion ; M =■ f (f2) gezeichnet, und zwar die Kurve k1 für einen Strom 111 und k2 für einen Strom 112 bei kalter Maschine (Temperaturwert (u R1). Weiter sind gestrichelt die entsprechenden Kurven w1 und w2 für die gleichen Stromwerte 111 und 112, jedoch für die ' warme Maschine dargestellt (Temperaturwert Λ/ R2). Die Maxima der Kurven k1 und k2 sind mit A1 und A2 bezeichnet. Die mit A | bezeichnete Verbindungslinie der mit A1 und A2 bezeichneten ^! Maxima stellt dann die oben erwähnte Kurve für die Ermittlung ^: der zum jeweiligen Drehmomentsollwert gehörigen Steuergröße für die Schlupffrequenz f2 dar. In der genannten Kurvenschar sind in^: den Kurven k1 und k2 weiterhin Punkte B1 und B2 markiert, die den Drehmomentwerten bei Einhaltung eines Flusses gleicher Größe entsprechen. Die Verbindungskurve dieser Punkte ist mit B bezeichnet. Wie man ohne weiteres erkennt, weicht die Kurve A von der Kurve B der Werte für konstante Ständerflußwerte in der vorerwähnten Kurvenschar ab. Für den Nennwert des Stromes 11 ergeben sich gegenüber der üblichen Ausführung mit konstantem Fluß bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens merklich größere Drehmomentwerte, die eine bessere Ausnützung sowohl der Asynchronmaschine als auch des Wechsel- bzw. Umrichters erlauben. Wie aus der Kurvenschar w1, w2 zu ersehen ist, ergibt sich bei warmer Maschine eine Verschiebung der Kurve zu größeren f2—Werten hin. Zum Ausgleich der durch die Temperatur änderung der Motorwicklung zwischen kalter und v/armer Maschine entstehenden Einwirkung auf die Steuergröße für die Schlupffrequenz f2 wird daher die Ausgangsgröße des Funktionsbildners einer der Temperatur fls R des

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: _: ; 682/73 ,^

Rotors proportionalen Größe multipliziert, womit sich der Wert ; für die Steuergröße für die Frequenz f2 ergibt.

Bei diesem Regel-verfahren wird durch die Multiplikation der
Steuergröße für f 2 mit dem Temperaturwert As R und der Addition
j von f2 mit fn, die Verstärkung von Drehmoment nach Ständerfrequenz f1 also nicht von (Vr R beeinflußt. Außerdem
! bleibt durch geeignete Wahl des Funktionsbildners für 11-Soll
ι und die nachfolgende Multiplikation der Ausgangsgröße des Stromreglers mit f 1 die Verstärkung von Drehmoment nach U1 unabhängig

von f 1. Bei dem Yerfahren nach der Erfindung wird somit der

Fluß in der Maschine in Abhängigkeit vom Drehmoment nicht

j konstant gehalten. Der Fluß wird so verstellt, daß -sich für einen gegebenen Stromwert das jeweils maximale Drehmoment

ergibt.

j Bei Triebfahrzeugen wird .der Asynchronmotor im Anfahrbereich _i ·■ kurzzeitig mit höherem Strom als im Dauerbetrieb gefahren. Bei '■ j - - ' i

; diesem Verfahren geht mit abnehmendem Drehmoment der Ständer- j strom schneller zurück als bei Verfahren mit konstantem Fluß. '

Bei einer weiteren Ausführungs^orm der Erfindung ist vorgesehen, daß als Sollwert für das Drehmoment die. Ausgangsgröße eines j Drehzahlreglers dient« Entsprechend einem weiteren Merkmal der j Erfindung ist vorgesehen, daß eine mittels Widerstandsthermo- ; j meter gemessene, der Läufertemperatur proportionale elektrische Spannung mittels induktiver Übertragung zur elektrischen Steuereinrichtung übertragen wird.

Bei einer Weiterbildung einer Anordnung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß zur Ermittlung; eines der Läufertemperatur äquivalenten Temperaturwertes im

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Ständerblechpaket ein Widerstandsthermometer nahe am Luftspalt angeordnet ist. Im Gegensatz zu einer mit konstanter Frequenz betriebenen Asynchronmaschine, bei der beim Anlauf zuerst der Schlupf 1 eintritt und damit ein sehr großer Läuferstrom fließt, der'wenig zur Beschleunigung der Masse des Rotors beiträgt, '■ erfolgt bei einer Wechsel- bzw. Umrichtergespeisten Asynchron-I maschine mit Frequenzhochlauf der Verlauf der Läufertemperatur j in gleicher Weise wie die Temperatur des Ständers. Bei Verwendung dieses Meßwertes auftretende Fehler .sind relativ gering.

Bei höheren Ansprüchen an die Genauigkeit ist entsprechend einer! Weiterentwicklung der Erfindung vorgesehen, daß als der Läufer- ! temperatur äquivalenter Temperaturwert eine mittels Widerstands-' thermometer gemessene, der Ständertemperatur proportionale elek-; trische Spannung an die Steuereinrichtung übertragen wird, wobei; diese Spannung durch eine thermische Nachbildung des Wärmeflus- j ses vom Läufer zum Ständer korrigiert wird.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel. Es zeigen:

Die Fig. 1 eine Kurvenschar für das Drehmoment in Abhängigkeit der Läuferfrequenz mit Ständerstrom als Parameter für verschiedene Läuferwicklungstemperaturen und

die Fig. 2 eine Prinzipschaltskizze der Regeleinrichtung.

In dem Schaltschema Fig. 2 ist mit 1 der Sollwertgeber für das ! Drehmoment, mit 2 ein Funktionsbildner für die Abbildung des j jeweiligen Drehmomentes als Führungsgröße für den Strom ~be-

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zeichnet, während mit 3 ein Stromregler, mit 4 ein Rechengerät zur Multiplikation der Ausgangsgröße des Stromreglers 3 mit der der Ständerfrequenz f1 entsprechenden elektrischen Größe bezeichnet ist.

Weiter ist mit 5 ein Funktionsbildner bezeichnet, in dem eine Kurve, welche die Verbindung der Maxima einer Kurvenschar der Funktion M = f (f2) für verschiedene Stromwerte 111, 112 .., darstellt, eingespeichert ist, wie bereits oben beschrieben. Mit 6 ist ein Rechengerät für die Multiplikation des Ausgangswertes des Funktionsbildners 5 mit einer der Rotortemperatur proportionalen Größe und mit 7 ein Addiergerät zur Addition der Ausgangsgröße des Rechengerätes 6 mit der der Läuferdreh-" zahl entsprechenden Frequenz fn. . = η · ρ bezeichnet ist.

Bei Geräten mit mehr als 2 Eingängen sind die Ein- bzw. Ausgänge mit 31, 32, 33 bzw. 41, 42, 43 bzw. 61, 62, 63 bzw. 71, 72, 73 bezeichnet. Die Yerbindungsleitungen zwischen den einzelnen Geräten sind mit 11, 12, ..... bis 19 bezeichnet.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden, wie bereits oben ausgeführt, aus dem Drehmoment soliwert durch Umformung bzw. Einwirkung von anderen physikalischen Größen die für die Steuerung des Wechsel- bzw. Umrichters erforderlichen physikalischen Größen für die Einstellung der Statorspannung U1 und der Statorfrequenz; f1 gebildet. Zu diesem Zweck wird der als elektrische Größe dargestellte Drehmomentsoliwert über die J Leitungen 11* und 12 dem Funktionsbildner 2 zugeführt und die an; dessen Ausgang anstehende Größe als Stromsollwert dem Eingang j 32 des Reglers 3 zugeführt, dem der in einem Stromwandler gemessene Stromistwert I-jjLst über den Eingang 31 zugeführt wird. Bei Abweichung von Stromistwert und Stromsollwert wird das dann

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am Ausgang 33 anstehende Signal über die Leitung 1 4 dem Eingang 41 des Rechengerätes 4 zugeführt, dessen zweitem Eingang 42 eine im Addiergerät 7 gebildete elektrische Größe über die Leitung 19 zugeführt wird. Diese Größe ist der korrigierte Läuferfrequenzsollwert, der im Rechengerät 4 mit dem Ausgangswert des Stromreglers 3 multipliziert wird. Am Ausgang 43 steht dann die Steuergröße für die Ständerspannung U1 an, die dem Umrichter, der in dem Schema nicht dargestellt ist, zugeführt wird.

Das Aus gang s signal des Sollwertgebers 1 wird weiterhin über die Leitungen 11 und 15 dem Funktionsbildner 5, in dem eine Kurve für die Funktion f2 = f(M) eingespeichert ist, zugeführt. Das Ausgangssignal des Funktionsbildners 5 ist der Sollwert für die Schlupffrequenz f2. Dieser Wert wird dem Eingang 61 des Rechengerätes 6 eingegeben, dessen weiterem Eingang 62 ein der Läufertemperatur (\/ R proportionaler Spannungswert zugeführt wird. Durch Multiplikation dieser beiden Vierte wird ein korrigierter Wert für die Schlupffrequenz f2 errechnet, der am Ausgang 63 ansteht und über die Leitung 17 dem Eingang 71 des Addiergerätes 7 zugeführt wird, dessen zweitem Eingang 72 eine elektrische Größe fn. ., die der Rotordrehzahl proportional ist, zugeführt wird. Durch Addition dieser Werte im Addiergerät 7 ergibt sich dann die Steuergröße für die Ständerfrequenz f1, die einerseits über die Leitung 19 dem Eingang 42 des Rechengerätes 4 zugeführt und andererseits nach Bildung eines· Drehspannungssystems dem in der Zeichnung nicht dargestellten Steuergerät des Umrichters bzw. Wechselrichters zugeführt wird.

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Regelung des Drehmomentes einer Asynchronmaschine, welche aus einem Gleichstrom- oder Wechselstromnetz über einen in Abhängigkeit von Steuergrößen für die Ständerspannung und die Ständerfrequenz gesteuerten Wechsel-; riehter oder Umrichter mit veränderbarer Spannung und Frequenz gespeist wird, wobei eine bestimmte Läuferfrequenz vorgegeben und durch Änderung der Ständerfrequenz eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sollwertgeber (1) für das Drehmoment vorgesehen ist, von dem einerseits zur Ermittlung der StanderspannungsSteuergröße (U1) der Drehmoment soliwert einem ersten Funktionsbildner (2) zugeführt wird, der den Strom (11) in Abhängigkeit vom Drehmoment (M) abbildet und die Führungsgröße für den Strom (H); direkt ermittelt und diese dem einen Eingang (31) eines Stromreglers (3) zuführt^ dessen zweitem Eingang (32) der Stromistwert (11. .) zugeführt wird, und daß die Ausgangsgröße dieses Stromreglers einem Rechengerät (4) zugeführt wirdj, dessen zweitem Eingang eine der Ständerfrequenz (f1) proportionale Spannung zugeführt wird₉ wobei die beiden eingegebenen Größen multipliziert werden und am Ausgang des Rechengerätes die Ständerspannungssteuergröße für die Steuerung des Wechselrichters bzw«, Umrichters ansteht und daß andererseits zur Ermittlung der Ständerfrequenzsteuergröße (f1) zuerst aus einer in einem zweiten Funktions« bildner (5·) eingespeicherten Kurve für die Funktion f2 = f (M) für den eingestellten Drehmomentsollwert die ■ zugehörige Läuferfrequenz f2 abgegriffen und einem weiteren Rechengerät (6) zugeführt und in diesem anschließend eine Multiplikation des Lauferfrequenzsollwert.es (f2

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mit einer der Läufertemperatur ( Λ/κ) proportionalen Größe erfolgt und dieses Produkt in einem Addiergerät (7) zu der Größe des Istwertes einer der Läuferdrehzahl proportionalen Frequenz Cf_n^₃-(J addiert wird, und daß schließlich aus der so ermittelten Steuergröße für die Ständerfrequenz (fi) und der Steuergröße für die Stähderspannung (U1) ein Drehspannungssystem gebildet und dem Steuersatz des Wechselrichters bzw. Umrichters zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Sollwert für das Drehmoment die Ausgangsgröße eines Drehzahlreglers dient.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine mittels Widerstandsthermometer gemessene, der Läufertemperatur proportionale elektrische Spannung mittels induktiver Übertragung zur elektrischen Steuereinrichtung übertragen wird.

4· Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung eines der Läufertemperatur äquivalenten Temperaturwertes im Ständerblechpaket ein Widerstandsthermometer nahe am Luftspalt angeordnet ist«

5· Verfahren nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3* dadurch | gekennzeichnet, daß als der Läufertemperatur äquivalenter Temperaturwert eine mittels Widerstandsthermometer gemessene, der Ständertemperatur proportionale elektrische Spannung an die Steuereinrichtung übertragen wird, wobei diese Spannung '. durch eine thermische Nachbildung des Wärmeflusses vom Läufer zum Ständer korrigiert wird.

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