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"Regelverfahren für umrichtergespeiste asynchrone Drehstrom maschinen,
insbesondere Linearmotoren" Die Erfindung bezieht sich auf ein Regelverfahren für
umrich= tergespeiste asynchrone Drehstrommaschinen, insbesondere Linear= motoren
und ist auch verwendbar für rotierende Kurzschlußläufer= motoren.
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Aus der deutschen Patentanmeldung P 23 63 068.4 ist ein Ver fahren
zur Steuerung eines umrichtergespeisten einseitigen Linearmotors bekannt. Danach
läßt sich folgendes Prinzip für die Steuerung eines Linearmotors ableiten.
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Solange im unteren Geschwindigkeitsbereich die maximale Um richterausgangsspannung
noch nicht erreicht ist, wird der Linearmotor mit konstanter Schlupffrequenz 9 gefahren.
Die | Schlupffrequenz f2 wird dabei so eingestellt, daß sich beim jeweils geforderten
Schub F ein minimaler Strom I einstellt, d.h. der Quotient F/I wird ein Maximum.
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Bei Erreichen der maximalen Umrichterausgangsspannung im oberen Geschwindigkeitsbereich
wird die Schlupffrequenz f2 mit steigen= der Geschwindigkeit statig bis auf einen
Wart f2 max vergrößert.
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Der Wert f2max ist der Kippschlupf im Schub-Geschwindigkeits= Kennlinienfeld
des Linearmotors für konstante Motorspannung.
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Bei noch höheren Geschwindigkeiten wird dann die Schlupffrequenz f2
auf dem Wert 2 max konstant gehalten.
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Durch diese Vorgehensweise wird der Linearmotor jeweils mit höchsünöglichem
Quotienten F/I gefahren, die Querkräfte, die bei Linearmotoren mit abnehmender Schlupffrequenz
stark 'anwachsen und bei Schwebefahrzeugen, die durch einseitige Linearmotoren angetrieben
werden, durch'das Trag- und Führungssystem kompen= siert werden müssen, bleiben
begrenzt und der Wirkungsgrad des Linearmotors bleibt auch bei Teillast in der Nähe
des für die jeweilige Geschwindigkeit geltenden Wirkungsgrad-Maximums. Das bekannt
Verfahren ist sowohl für einseitige als auch für zwei seitige- Linearmqtoren geeignet.
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Bei der Realisierung muß beachtet werden, daß sich die Dynamik der
Regelstrecke "Umrichter plus Linearmotor" arbeitspunktabhän= gig ändert und daß
die Temperatur der Reaktionsschiene, sowie der bei Schwebefahrzeugen mit einseitigen
Linearmotoren schwan= kende Luftspalt# erheblichen Einfluß auf das stationäre Verhal=
ten des Linearmotors haben.
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Bekannt ist (deutsche Patentanmeldung P 24 12 486.5) ein Steuer= verfahren,
bei dem die bekannten Einflußgrößen Schubkraft, Luft= spalt, Versorgungsspannung,
Istgeschwindigkeit und Temperatur -der Linearreaktionsschiene derart miteinander
verknüpft werden, daß die drei Eingangs größen für den Umrichter Betrag der Umrich=
teraus gangsspannung, Drehrichtung und Betrag der Umrichterfre= quer: optimal gesteuert
werden. Nachteilig ist hierbei aller= dings-daß der Linearmotor sehr genau in seinem
Verhalten bekannt Wein muß und daß der Aufwand für die Steuerung recht erheblich
ist.
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Es war Aufgabe der Erfindung ein Regelverfahren zu entwickeln, das
unter Beibehaltung des oben beschriebenen vorteilhaften Prinzips zur Ansteuerung
eines Linearmotors die genannten Nach= teile des rein gesteuerten Verfahrens verrsidet.
-Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, daß der Schubsollwert die Führungsgröße
der Regelung ist, daß der Stromsollwert in einem Schubregelkreis gebildet wird und
daß der Motorstrom in einem Stromregeikreis derart geregelt wird, daß vorwiegend
im unteren Geschwindigkeitsbereich, solange die maximale Umrich terausgangsspannung
noch nicht erreicht ist, der Motorstrom durch Verstellen der Umrichterausgangsspannung
geregelt wird und daß im oberen Geschi7indigheitsbereich nach Erreichen der maximalen
Umrichterausgangsspannung der Motorstrom durch Ver= stellen der Schlupffrequenz
geregelt wird und daß die Frequenz der Umrichterausgangsspannung durch Addition
von Geschwindig= keits-Istwert und Schlupffrequenzsollwert entsteht.
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Im oberen und unteren Geschwindigkeitsbereich wird der Motor= strom
mit denselben Regler durch Umschalten des Reglerausgangs von Verstellen der rnricterausgangsspannung
auf Verstellen der Schlupffrequenz geregelt. Zur StronreglerauscJangsspannung wird
eine konstante positive Spannung derart addiert, daß bei Reglerausgangsspannung
Null die maximale Umrichterausgangsspan= nung erreicht wird, so daß ohne Snderung
der Amplitudenansteue= rung der Schalter auf Beeinflussung der Schlupffrequenz umgelegt
wird. Die Regelabweichung wird radizierend bewertet-und die Reglerkennwerte des
Schubreglers und Stromreglers, abhängig vom Arbeitspunkt der Antriebsmaschine, selbsttätig
verstellt.
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Luftspalteinfluß und Temperatureinfluß werden durch Bewertung über
entsprechende Rennlinien berücksichtigt. Beim generatori= schen Bremsen wird bei
Änderung des Vorzeichens des Schubsoll= wertes auch das Vorzeichen der Schlupffrequenz
verändert. Der Schubistwert wird aus Stromistwert und dem nichttemperaturkom= pensierten
Schlupffrequenzistwert berechnet. Anstelle des Schal= ters und des Summationspunktos
ist eine stetig arheitende Ablöst regelung vorgesehen.
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Vorteilhaft ist, daß das erfindungsgemäße Regelverfahren nicht nur
für einseitige oder zweiseitige Linearmotoren, sondern auch für rotierende Asynchronmaschinen
mit Kurzschlußläufer einge= setzt werden kann. Gegenüber bekannten Lösungen konnte
bei gleichguter Motorausnutzung der gerätemäßige Aufwand und damit die Fehlermöglichkeit
reduziert werden.
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Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend anhand der Zeichnungen näher
erläutert.
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Fig. 1 zeigt das ausgeführte Regelverfahren mit einem ge= strichelt
gezeichneten Schubregelkreis, Fig 2 zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen.
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Fig. 3a und 3b Nach Fig. 1 sind bei dem erfindungsgemäßen Regelverfahren
die Kreise aufgeteilt in: |Schubregelkreis 1, 2, |Stromregelkreis 3, 4, 5, 6 und
den Frequenzsteuerkreis 8, 9, lo, 11, 12.
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Block 13 ist der Umrichter, einschließlich Umrichtersteuerung, und
Block 13a die Drehstrommaschine, hier ein Linearmotor. Die Schalter 5 und lo lieyen
in der Stellung "Anfahren".
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Der vorgegebene Schubsollwert wF wird im Summenpunkt 1 mit dem |Schubistwert
xF verglichen. Aus der Regelabweichung wi'i - XF bil= det der Schubregler 2, der
beispielsweise ein PI-Regler ist, den -Strornsollwert wI. Die Regeldifferenz wI-
xI wird im Summenpunkt 3 gebildet. Aus der Differenz erhält man schließlich über.
den Stromregler 4, z.B. ein PI-Regler, Schalter 5 und Addierer 6 |die Stellgröße
y1 für den Betrag der Umrichterausgangsspannung u1.
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|Am Summierer 8 wird der Schlupffrequenzwert wf2 opt' der konstant
vorgegeben wird, eingespeist und im Block 11, der z.B aus be wertetem Verstärker
und Multiplizierer besteht, abhängig von der
von außen gemessenen
Reaktionsschienentemperatur zzu dem Schlupffrequenzsollwert wf2 korrigiert. Durch
Addition der ge= schwindigkeitsproportionalen Frequenz xfv, die der Istgeschwin=
digkeit des Motors entspricht, erhält man im Summierer 12 die Steltgröße Yfl für
die Umrichterausgangsfrequenz fl.
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Im Stillstand des Linearmotors 13a liegt der Ausgang des Strom= reglers
4 auf dem Wert u1 = - ylm, - Ylm ist dabei der negative Wert des maximalen Stellbereichs
der Stellgröße yl - so daß nach der Summation im Punkt 6 von plus ylm die Stellgröße
yl für die Umrichterausgangsspannung ul gleich Null ist.
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Wird eine Schubkraft wF vorgegeben, so steigt mit wachsender Istgeschwindigkeit
xfv die Ausgangsspannung uI des Stromreglers 4 und damit die Umrichterausgangsspannung
ul.
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Bei der Stellgröße Y1 im ist die maximale Umrichterausgangsspannung
ul = ulm erreicht. Dabei ist die Reglerausgangsspannung ur = o.
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In diesem Augenblick legt eine nicht dargestellte Nullerfassungs=
logik den Schalter 5 um. Der Motoriststrom x1 wird nun nicht mehr über die Stellgröße
Y1, sondern über die Schlupffrequenzkorrektur Wf211 geregelt.
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Bei weiter steigender Geschwindigkeit xfv gehen schließlich Strom=
regler 4 und Schubregler 2 an ihre positive Begrenzung, wenn die Schlupf frequenz
wf2 den maximalen Wert wf2 max erreicht hat. Mo= torstrom xI und damit der Istschub
xF können nicht mehr ausge= regelt werden und gehen wegen der mit steigender Geschwindigkeit
xfv anwachsenden Motorimpedanzen zurück.
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In vorteilhafter Weise werden Schubresler 2 und Stromregler 4 adaptierbar
ausgeführt, da sich die Dynamik der Regelstrecke Umrichter 13 plus Linearmotor 13a
arbeitspunktabhängig ändert.
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Block 14 gibt dazu die Adaptiersignale an die Regler. Der Sclluh=
regler 2 bildet aus dem Eingangswert die Wurzel, um den quadra= tischen Zusammenhang
zwischen Schubsollwert wF und Stromsollwert wI zu linearisieren.
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In vorteilhafter Erweiterung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann
die Luftspaltabhängigkeit z# der Schub-Schlupffrequenz= kennlinien des Linearmotors
13a durch das Kennlinienclied 7 berücksichtigt werden.
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Eine generatorische Bremsung des Antriebes kann durch eine einfache
Vorzeichenumkehr von Schubsollwert wF und Schlupffrequenz 1f2', erreicht werden.
hierzu wird der Schalter lo, abhängig vom Vorzeichen des Schubes wF, umgelegt.
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In der gezeichneten Anordnung ist der Schubsollwert wF die Führungsgröße.
Es ist vorteilhaft, daß dieser Sollwert wF durch weitero überlagerte Beschleunigungs-und
/ oder Geschwindigkeits-und/oder Ortsregelkreise vorgegeben wird.
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Die Messung des Schubistwertes xF ist schwierig. In einer vor= teilhaften
Ausweitung der Erfindung nach Fig. 2 wird daher der Schubistwert xF aus Motorstrom
xI und Schlupffrequenz wf2' nach folgender Beziehung im Block 21 berechnet: w xF
= xI2 . k1 k2 #(@f2')2 . k3 Die Konstanten k1, k2, k3 ergeben sich aus den Motordaten.
Es ist vorteilhaft, den nicht temperaturkorrigierten Wert wf2' zu Verwenden, weil
dann die Konstanten k1, k2, k3 temperaturunab= hängig sind. Die drei Konstanten
sind dann nur noch luftspalt= abhängig und können über ein Kennlinienglied 22 beeinflußt
wer= den.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird bei Erreichen
der maximalen Stellgröße yl = y ylm eine weitere Erhöhung der Umrichterausgangsspannung
ul durch Verschieben der Zwischentakt= impulse erzielt. Fig. 3a zeigt einen Ausschnitt
aus Fis.l bei Anwendung dieser Zwischentaktverschiebung. Bei Erreichen der maximalen
Stellgröße yl schaltet, wie bereits oben beschrieben, der Schalter 5 um. Der Stromregler
4 vergrößert nun zunächst über die Stellgröße yy , die die zwischentaktung im Umrichter
13 verschiebt, die Ausgangsspannung ul des Umrichters weiter.
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Erst wenn diese zusätzliche Spannungserhöhung voll ausgenutzt ist,
schaltet Schalter 16 um. Über den Kontakt 16a wird der maximale Wert ypm gehalten
und über Kontakt 16b und einen Block 15 mit Nullpunktunterdrückung wird, wie in
Fig. 1, der Korrek= turwert wf2'' vergrössert.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung nach Fig. 3a geht schließlich
dahin, daß die nicht darciestellte Umschaltlogik, die den Schalter 5 oder die erweiterte
Logik nach Fig.3a an steuert, sowie die Schalter 5 und 16 und den Summierer 6 durch
eine Ablöseregelung ersetzt werden.Fig. 3b zeigt diese Ablöst regelung für das erweiterte
Umschalt-Verfahren mit zwischentakt-Verschiebung. Die. Regler 17 und 19 haben jeweils
eine untere Begrenzung der Ausgangsspannung bein Pegel Null. Solange die maximale
Umrichterausgangsspannung ulm nicht erreicht ist -y1 < y1m - befinden sich beide
Regler auf Null-Stellung. Bei Er= reichen der maximalen Spannung - Y1 = y1@ - beginnt
zunächst Regler 17 über die Stellgröße y f die Zwischentaktung zu ver= schieben
und bei y#= y#m kommt zusätzlich Regler 19 in Einqriff.
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Der Vorteil dieser Ablöseregelung besteht darin, daß der Ab= lösevorgang
stetig erfolgt und daß die Schaltung unempfindlich gehen vorzeitiges Öffnen des
Schalters 5 bei Störungen in der Nullerfassungslogik ist.
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In vorteilhafter Weise kann das beschriebene Regelverfahren auch
für rotierende Kurzschlußläufermotoren angewandt werden. Es entfallen dann lediglich
die in Fig.1 gestrichelt eingezeichne= ten Blöcke 7 und 22 zur Berücksichtigung
der Luftspaltänderungen.