DE2414721C3

DE2414721C3 - Verfahren zur Steuerung der Drehzahl- bzw. Geschwindigkeit einer frequenzumrichtergespeisten Drehstrom-Asynchronmaschine

Info

Publication number: DE2414721C3
Application number: DE2414721A
Authority: DE
Inventors: Ansgar Dipl.-Ing. 6806 Viernheim John; Edmund 6941 Laudenbach Mueller; Fritz Ing.(Grad.) 6944 Hemsbach Tischler
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Priority date: 1974-03-27
Filing date: 1974-03-27
Publication date: 1980-06-19
Also published as: DE2414721A1; CA1030601A; DE2414721B2; CH589384A5

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Drehzahl bzw. Geschwindigkeit einer frequenzumrichtergespeisten Drehstrom-Asynchronmaschine gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der Zeitschrift »AEG-Mitteilungen«, 1965, Seiten 220 bis 226, ist eine Drehzahlsteuerung für einen Käfigläufermotor über einen Pulswechselrichter mit Ständerstromregelung und Schiupffrequenzvorgabe bekannt Dabei versorgt der Pulswechselrichter den Käfigläufermotor aus einer konstanten Gleichstromquelle mit veränderlicher Frequenz und veränderlicher Spannung, wobei der Motorstrom geregelt und die Läuferfrequenz /2 unabgängig von der Drehzahl vorgegeben wird. Hierzu werden die Ständerströme in den drei Motorzuleitungen mit Stromwandlern gemessen und als Istwert mit dem einstellbaren Stromsollwert verglichen. Die Augenblicksspannung des Pulswechselrichters wird abhängig vom Augenblickswert des Motorstromes gesteuert. Auf der Welle des Motors ist ein digitaler Geber angebracht, der die Frequenz der Drehung erfaßt. Zu dieser Drehfrequenz wird die gewünschte Läuferfrequenz h in einer statischen Modulationsstufe addiert (Fahrbetrieb) oder von ihr subtrahiert (Bremsbetrieb) und als Summe bzw. Differenz dem Wechselrichter als Taktfrequenz zugeführt.

Die Steuerung des Asynchronmotors erfolgt bei diesem bekannten Verfahren derart, daß bei Drehzahlen unterhalb des Typenpunktes der magnetische Fluß im Luftspalt der Maschine voll aufrechterhalten wird. Bei veränderlicher Belastung muß deshalb bei diesem Verfahren die Schlupffrequenz h abhängig von dem geregelten Motorstrom bzw. dem vorgegebenen Drehmoment verstellt werden. Zur Bildung der Führungsgrößen des Stromsollwertes und Schlupffrequenzsollwertes aus dem geforderten Drehmomentsollwert dient ein Funktionsgeber. Dieser Funktionsgeber muß deshalb an die jeweilige zu steuernde Maschine angepaßt werden.

Im älteren Patent DE-PS 24 12 486 ist ein Verfahren zur Steuerung der Geschwindigkeit eines frequenzumrichtergespeisten Asynchronmotors vorgeschlagen, welches gegenüber dem soeben beschriebenen Steuerverfahren ein besseres dynamisches Verhalten unabhängig von Speisespannungsschwankungen sowie im Teillastbereich einen höheren Wirkungsgrad erzielt. Um dies zu erreichen, wird der Asynchronmotor auch in dem Bereich unterhalb des Typenpunktes nicht mit konstantem magnetischem Luftspaltfluß, sondern mit der Belastung angepaßtem Fluß betrieben. Gleichzeitig wird hier der Schlupffrequenzwert in diesem unteren Geschwindigkeitsbereich als konstanter Wert, unabhängig von der momentanen Geschwindigkeit fest vorgegehen.

Bei dem älteren Verfahren werden alle Einzelgrößen dynamisch erfaßt und bearbeitet, insbesondere im Teillastbereich die Schlupffrequenz nur bis zu einem Mindestwert verringert, wodurch die elektrischen

Verluste verringert werden, und durch die gesteuerte Änderung des Einsatzpunktes für die Feldschwächung in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung des Umrichters unerwünschte Antriebskraltsprünge durch verfrüht oder verspätet einsetzende Schlupferhöhung sicher vermieden. Wird das ältere Verfahren bei einem einseitigen linearmotor angewendet, so werden zusätzlich die Temperatur der Reaktionsschiene, sowie die Luftspaltbuiite so berücksichtigt, daß auch hier die Dynamik verbessert wird, die Verluste klein bleiben und ι ο trotzdem die gewünschte Antriebskraft erreicht wird, ohne daß hohe Querkräfte auftreten, die durch das Trag- und Führungssystem kompensiert werden müßten.

Da auch bei dem älteren Verfahren die Führungsgrö-Ben für den Wechselrichter mit Hilfe von Funktionsgebern aus den Meßgrößen ermittelt werden, muß der Asynchronmotor sehr genau in seinem Verhalten bekannt sein. Außerdem ist der Aufwand für die Realisierung einer derartigen Steuerung recht erheblich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das im Oberbegriff vorausgesetzte Verfahren so auszubilden, daß ohne individuelle Anpassung der Verfahrensparameter an die gesteuerte Maschine ein gutes dynamisches Verhalten und ein hoher Wirkungsgrad auch im Teillastbereich erzielt wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1.

Damit ergeben sich die Vorteile, daß sich ein gutes dynamisches Verhalten bei hohem Wirkungsgrad trotz jo verringertem Geräteaufwand ergibt, daß eine Anpassung der Steuerung an den jeweils zu steuernden Asynchronmotor nicht erforderlich ist und daß die sich arbeitspunktabhängig ändernde Dynamik der Regelstrecke »Umrichter + Asynchronmotor« sofort ausgeregelt wird. Handelt es sich bei dem Asynchronmotor um einen Linearmotor, bei dem die Temperatur der Reaktionsschiene sowie der stark schwankende Luftspalt erheblichen Einfluß auf das stationäre Verhalten haben, so können auch diese Einflußgrößen auf einfache Weise berücksichtigt und ausgeglichen werden.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sowie deren Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen in Verbindung mit der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.

F i g. 1 zeigt das Blockschaltbild einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Schubkraftregelung;

F i g. 2,3a und 3b zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung nach F i g. 1.

Bei der dargestellten Schaltungsanordnung unterscheidet man einen Schubregelkreis, bestehend aus den Blöcken 1 und 2, einen Stromregelkreis, bestehend aus den Blöcken 3,4,5 und 6, sowie einen Frequenzsteuerkreis, bestehend aus den Blöcken 8,9,10,11 und 12.

Block 13 bezeichnet einen Frequenzumrichter, einschließlich Umrichtersteuerung, und Block 13a eine Drehstrom-Asynchron-Maschine, hier einen Linearmotor. Die Schalter 5 und 10 ürgen in der Stellung »Anfahren«. e>o

Der vorgegebene Schubsollwert wywird im Summenpunkt 1 mit dem Schubistwert x_F verglichen. Aus der Regelabweichung wr— xf bildet der Schubregler 2, der aus der Eingangsgröße die Wurzel zieht, um den quadratischen Zusammenhang zwischen Schubsollwert b5 wf und Stromsollwert wi zu linearieren, und zusätzlich eine PI-Regelcharakteristik aufweist, den Stromsollwert wi. Die Regeldifferenz wi—x/ wird im Summenpunkt 3 gebildet Aus der Differenz erhält man schließlich über einen Stromregler 4, z. B. einen PI-Regler, den Schalter

5 und einen Addierer 6 die Stellgröße y\ für den Betrag der Umrichterausgangsspannung u\.

An einem Summierer 8 wird der Schlupffrequenzwert Wf 2 opi, der konstant vorgegeben wird, eingespeist und in einem Block 11, der aus einem Verstärker und einem Multiplizierer besteht, abhängig von der von außen gemessenen Reaktionsschienentemperatur z& zu dem Schlupffrequenzsollwert tvy-2 korrigiert Durch Addition des geschwindigkeitsproportionalen Frequenzistwertes Xf, erhält man in einem Summierer 12 die Stellgröße yt \ für die Umrichterausgangsfrequenz f\.

Im Stillstand des Linearmotors 13a liegt der Ausgang des Stromreglers 4 auf dem Wert

ui = —y\m ■ y\m

ist dabei der negative Wert des maximalen Stellbereichs der Stellgröße y\, so daß nach der Summation im Punkt

6 von + y\mdie Stellgrößey\ fürdie Umrichterausgangsspannung Ui gleich Null ist

Wird eine Schubkraft wf vorgegeben, so steigt mit wachsender Istgeschwindigkeit Xf_V die Ausgangsspannung Ui des Stromreglers 4 und damit die Umrichterausgangsspannung Ui.

Bei der Stellgröße yi = y\_m ist die maximale Umrichterausgangsspannung u/ = U]_m erreicht. Dabei ist die Reglerausgangsspannung u/ = 0.

In diesem Augenblick legt eine nicht dargestellte Nullerfassungslogik den Schalter 5 um. Der Motoriststrom χι wird nun nicht mehr über die Stellgröße y_]r sondern über die Schlupffrequenzkorrektur wn" geregelt.

Bei weiter steigender Geschwindigkeit Xf_V gehen schließlich Stromregler 4 und Schubregler 2 an ihre positive Begrenzung, wenn die Schlupffrequenz Wf₂ den maximalen Wert Wf2 max erreicht hat. Der Motorstrom Xi und damit der Istschub xf können nicht mehr ausgeregelt werden und gehen wegen der mit steigender Geschwindigkeit Xf_V anwachsenden Motorimpedanzen zurück.

In vorteilhafter Weise sind Schubregler 2 und Stromregler 4 adaptierbar ausgeführt, da sich die Dynamik der Regelstrecke Umrichter 13 plus Linearmotor 13a arbeitspunktabhängig ändert. Block 14 gibt dazu die Adaptiersignale an die Regler.

Die Luftspaltabhängigkeit Zt, der Schub-Schlupffrequenzkennlinien des Linearmotors 13a wird durch ein Kennlinienglied 7 berücksichtigt.

Eine generatorische Bremsung des Antriebes kann durch eine einfache Vorzeichenumkehr von Schubsollwert Wf und Schlupffrequenz Wf2 erreicht werden. Hierzu wird der Schalter 10, abhängig vom Vorzeichen des Schubes wf, umgelegt.

Im Ausführungsbeispiel ist der Schubsollwert wf die Führungsgröße. Dieser Sollwert Wf kann seinerseits durch überlagerte Beschleunigungs- und/oder Geschwindigkeits- und/oder Ortsregelkreise vorgeben sein.

Ό'·.". Messung des Schubistwertes xf ist schwierig. In der Schaltungsanordnung nach F i g. 2 wird daher der Schubistwert xpaus Motorstrom x/und Schlupf frequenz Wf 2 nach folgender Beziehung im Block 21 berechnet:

Xr = ■*/

Α·> + (uv-.,)² ■ A,

Die Konstanten k\, k₂, kj ergeben sich aus der Zeitschrift »AEG-Mitteilungen« 1964, Seite 107 bis 116, Gleichung 11 auf Seite 113 in Verbindung mit Seite 107, rechts unten zu

k\ = ρ ■ m\ · 2 - π ■ Lu,² ■ R'r, k₂ = R₂ ²; k₃ = (2 · π ■ U₂)²

mit ρ = Polzahl, mr. = Ständerstrangzahl, Li λ: Hauptinduktivität, R'₂: transformierter elektrischer Widerstand des Läufers bzw. der Reaktionsschiene, L 2 = transformierte Induktivität des Läufers bzw. der Reaktionsschiene. Es ist vorteilhaft, den nicht temperaturkorrigierten Wert Wf₂ zu verwenden, weil dann die Konstanten k_u k₂, Ar₃ temperaturunabhängig sind und auf der Basis des bekannten Kaltwiderstandes R₂ der Reaktionsschiene berechnet werden können. Die drei Konstanten sind dann nur noch luftspaltabhängig und können über ein Kennlinienglied 22 beeinflußt werden.

F i g. 3a zeigt einen Ausschnitt aus F i g. 1 bei Anwendung eines Umrichters mit Zwischentaktverschiebung. Bei Erreichen der maximalen Stellgröße y\ schaltet, wie bereits oben beschrieben, der Schalter 5 um. Der Stromregler 4 vergrößert nun zunächst über die Stellgröße γφ, die die Zwischentaktimpulse im Umrichter 13 verschiebt, die Ausgangsspannung u\ des Umrichters weiter. Erst wenn diese zusätzliche Spannungserhöhung voll ausgenutzt ist, schaltet ein weiterer Schalter 16 um. Über dessen Kontakt 16a wird der maximale Wert y^, gehalten und über Kontakt 16£> und einen Block 15, in dessen Kennlinie der Nullpunkt unterdrückt ist, der Korrekturwert Wf₂" vergrößert.

F i g. 3b zeigt eine Ablöseregelung für das erweiterte Umschalt-Verfahren mit Zwischentaktverschiebung der F i g. 3a, die die Schalter 5 und 16, die zugehörige (nicht dargestellte) Umschaltlogik sowie den Summierer 6 ersetzt. Die Regler 17 und 19 haben jeweils eine untere Begrenzung der Ausgangsspannung beim Pegel Null. Solange die maximale Umrichterausgangsspannung u\„, nicht erreicht und y\ < y\„, ist befinden sie; beide Regler in Nullstellung. Bei Erreichen der maximalen Spannung y\ = y\_m beginnt zunächst Regler 17 über die Stellgröße y_v die Zwischentaktung zu verschieben und bei/,, = JVmkommt zusätzlich Regler 19 in Eingriff. Der Vorteil dieser Ablöseregelung besteht darin, daß der Ablösevorgang stetig erfolgt und daß die Schaltung unempfindlich gegen Störungen durch vorzeitiges öffnen des Schalters 5 bei Defekt in der Nullerfassungslogik ist.

Wird das Regelverfahren bei rotierenden Kurzschlußläufermotoren angewendet, so entfallen die gestrichelt gezeichneten Blöcke 7 und 22 zur Berücksichtigung der Luftspaltänderungen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Steuerung der Drehzahl bzw. Geschwindigkeit einer frequenzumrichtergespeisten s Drehstrom-Asynchronmaschine, bei dem die Führungsgröße für die Frequenz durch Addition des Drehzahl- bzw. Geschwindigkeitsistwertes und eines Schlupffrequenzwertes gebildet ist, und der Motorstrom durch Vorgabe eines von der gewünschten Antriebskraft abhängigen Sollwertes in einem Stromregelkreis geregelt ist, dessen Ausgangssignal im unteren Geschwindigkeitsbereich, solange die maximale Umrichterausgangsspannung noch nicht erreicht ist, bei vorgegebenem Schlupffrequenzwert die Spannung des Umrichters verstellt, und bei dem im oberen Geschwindigkeitsbereich bei fester, maximaler Umrichterausgangsspannung der Schlupffrequenzwert erhöht wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromsollwert (wi) in einem Antriebskraftregelkreis, dem ein der gewünschten Antriebskraft entsprechender Sollwert (wpjund ein Antriebskraftistwert fx^ zugeführt sind, gebildet wird und daß das Ausgangssignal (w) des Stromregelkreises im oberen Drehzahl- bzw. Geschwindigkeitsbereich bei fest vorgegebener Umrichterausgangsspannung den Schlupffrequenzwert (V/2) beeinflußt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Regelabweichung (wf— xf) des jo Antriebskraftregelkreises durch Wurzelziehung der Stromsollwert (wi) gebildet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebskraftistwert (xf) aus dem Stromistwert (χι) und dem nichttemperaturkompensierten Schlupffrequenzistwert (wi2) berechnet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Linearmotors der Schlupffrequenzwert in beiden Geschwindigkeitsbereichen luftspaltabhängig derart korrigiert wird, daß er mit zunehmender Luftspaltbreite (Z)₁) erhöht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Linearmotors der Schlupffrequenzwert in beiden Geschwindigkeitsbereichen in Abhängigkeit von der Temperatur (z#) der Reaktionsschiene derart korrigiert wird, daß er mit zunehmender Temperatur erhöht wird. so

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausgangssignal (ui) des Stromregelkreises zur Bildung einer Stellgröße (y\) für die Umrichterausgangsspannungsamplitude eine konstante Spannung (y\ _m) addiert wird, die so groß ist, daß sie am Ausgang des Umrichters (13) die maximale Spannungsamplitude hervorruft, wenn das Ausgangssignal des Stromregelkreises zu Null wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wi nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schalter (5) vorgesehen ist, der das Ausgangssignal (ui) des Stromregelkreises im unteren Geschwindigkeitsbereich an den Amplitudensteuereingang des Umrichters (13) und im oberen h. Geschwindigkeitsbereich an den Eingang des Schlupffrequenzsteuerkreises führt.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine stetig arbeitende Ablöseregelung (17, 18) vorgesehen ist, die das Ausgangssignal (ui) des Stromregelkreises im unteren Geschwindigkeitsbereich an den Amplitudensteuereingang des Umrichters (13) und im oberen Geschwindigkeitsbereich an den Eingang des Schlupffrequenzsteuerkreises führt