DE2447632C2

DE2447632C2 - Anordnung zur Drehzahl- und Drehmomentregelung bei mechanisch miteinander gekoppelten elektrischen Maschinen

Info

Publication number: DE2447632C2
Application number: DE19742447632
Authority: DE
Inventors: Ernst-Reinhard Dipl.-Ing. 6804 Ilvesheim Oberhaus; Hans-Jürgen von Dipl.-Ing. 6944 Hemsbach Thun
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1974-10-05
Filing date: 1974-10-05
Publication date: 1981-12-24
Also published as: DE2447632A1

Description

— bei einem 3-Maschinenprüfstand sind die elektrischen Maschinen (3,4,5) an die An- und Abtriebswellen eines Ausgleichsgetriebes (1) angekuppelt,

— die vorgebbare Regelgröße der Antriebsregelstrecke ist die Antriebsdrehzahl (n,J,

— die vorgebbare Regelgröße der zwei Abtriebsregelstrecken ist das Drehmoment (Ma),

— das Ausgangssignal des Drehzahlreglers (8) der Antriebsregelstrecke ist den Eingängen der Stromregler (9) der Abtriebsregelstrecke als Entkopplungssignal aufgeschaltet,

— zur Vorsteuerung ist die Regelgröße des Abtriebsdrehmoments (Md) allen Stromreglern (9) am Eingang zugeführt,

— zur Dämpfung sind Differenzsignale der Drehzahlen der Abtriebswellen (nn ι, π«2) unterem- ander und der Antriebs- und jeder Abtriebswelle (n_n πη\, nm) gebildet und den Stromregelkreisen (9, Kr) als iusatzstromsollwerte aufgeschaltet.

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2. Anordnung zur Drehzahl- und Drehmomentenregelung bei mechanisch miteinander gekoppelten elektrischen Maschinen, bei der die in mehreren miteinander gekoppelten Regelkreisen auftretenden Regelgrößen unabhängig voneinander einstellbar -to sind und jede Regelstrecke eine elektrische Maschine, der ein Stromregelkreis und einen diesem überlagerter Regelkreis für eine vorgebbare Regelgröße zugeordnet ist, enthält, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

— bei einem 3-Maschinenprüfstand sind die elektrischen Maschinen (3,4, 5) an die An- und Abtriebswellen eines Ausgleichsgetriebes (1) angekuppelt,

— die vorgebbare Regelgröße der Antriebsregelstrecke ist das Drehmoment (MdX

— die vorgebbaren Regelgrößen der zwei Abtriebsregelstrecken sind die Abtriebsdrehzahlen

— die Ausgangssignale der Drehzahlregler der Abtriebsregelstrecken sind dem Eingang des Stromreglers (9) der Antriebsregelstrecke als Entkopplungssignal aufgeschaltet,

— zur Vorsteuerung ist die Regelgröße des w> Antriebsdrehmomentes (Md) allen Stromreglern (9) am Eingang zugeführt,

— zur Dämpfung sind Differenzsignale der Drehzahlen der Abtriebswellen (nm, n_H2) untereinander und der Antriebs- und jeder Abtriebs- ^ welle (n_n n_H\, n_H 2) gebildet und den Stromregelkreisen (9, 10) als Zusatzstromsollwerte aufgeschaltet.

3. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Differenz der Drehzahlen fji„ /Jw 1, /Jw 3) gebildeten Signale mit vorgebbarer Verstärkung auf die Stromregelkreise (9, 10) als Zusatzstromsollwerte aufschaltbar sind.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Drehzahl- und Drehmomentregelung bei mechanisch miteinander gekoppelten elektrischen Maschinen, bei der die in mehreren miteinander gekoppelten Regelkreisen auftretenden Regelgrößen unabhängig voneinander einstellbar sind und jede Regelstrecke eine elektrische ivlischine, der ein Stromregelkreis und einen diesem überlagerter Regelkreis für eine vorgebbare Regelgröße zugeordnet ist, enthält (DE-AS 21 32 806).

Bei eng miteinander gekoppelten Regelkreisen eines mechanisch miteinander gekoppelte elektrische Maschinen aufweisenden 3-Maschinenprüfstandes findet eine große gegenseitige Beeinflussung bei Änderung des Sollwertes für eine Regelgröße statt, welches sich darin äußert, daß bt't Änderung einer Regelgröße die anderen Regelgrößen ebenfalls in unerwünschter Weise geändert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Anordnung zur Drehzahl- und Drehmomentregelung bei mechanisch miteinander gekoppelten elektrischen Maschinen eines 3-Maschinenprüfstandes zu schaffen, bei der die Regelung der Drehzahl- und Drehmomentenregelkreise unabhängig voneinander bei guter Systemdämpfung erfolgt und die Kopplung der Regelkreise stark reduziert wird, bei der ferner die Dynamik der Regelkreise erhöht wird, die für eine gute Dämpfung des Gesamtsystems sorgt

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung mit den folgenden Merkmalen gelöst:

— bei einem 3-Maschinenprüfstand sind die elektrischen Maschinen an die An- und Abtriebswellen eines Ausgleichsgetriebes angekuppelt,

— die vorgebbare Regelgröße der Antriebsregelstrecke ist die Antriebsdrehzahl,

— die vorgebbare Regelgröße der zwei Abtriebsregelstrecken ist das Drehmoment,

— das Ausgangssignal des Drehzahlreglers der Antriebsregelstrecke ist den Eingängen der Stromregler der Abtriebsregelstrecke als Entkopplungssignal aufgeschaltet,

— zur Vorsteuerung ist die Regelgröße des Abtriebsdrehmoments allen Stromreglern am Eingang zugeführt,

— zur Dämpfung sind Differenzsignale der Drehzahlen der Abtriebswellen untereinander und der Antriebs- und jeder Abtriebswelle gebildet und den Stromregelkreisen als Zusatzstromsollwerte aufgeschaltet.

Eine hierzu alternative Anordnung ist durch folgende Merkmale gekennzeichnet:

— die vorgebbare Regelgröße der Antriebsregelstrecke ist das Drehmoment,

— die vorgebbaren Regelgrößen der zwei Abtriebsregelstrecken sind die Abtriebsdrehzahlen,

— die Ausgangssignale der Drehzahlregler der Abtriebsregelstrecken sind dem Eingang des Stromreglers der Antriebsregelstrecke als Entkoppiungssignal aufgeschaltet,

— zur Vorsteuerung ist die Regelgröße des Antriebsdrehmomentes allen Stromreglern am Eingang zugeführt,

— zur Dämpfung sind Differenzsignale der Drehzahlen der AbtriebsweHen untereinander und der Antriebs- und jeder Abtriebswelle gebildet und den Stromregelkreisen als Zusatzstromsollwerte aufge- , schaltet

Die Eiitkopplungsschaltung verändert vorteilhafterweise die dynamischen Eigenschaften der miteinander gekoppelten Regelkreise, so daß eine erhebliche Dynamikverbesserung erreicht wird. Eine weitere Verbesserung des Regelverhaltens wird ^rber eine Vorsteuerung der überlagerten Regelkreise ermöglicht, so daß ebenfalls die Änderung der einen Regelgröße andere Regelgrößen nicht beeinträchtigt Mit Hilfe der Zusatzdämpfung kann die Systemdämpfung soweit erhöht werden, daß die Schwingungsanregung des Systems durch einem hochdynamischen Drehmoment-Regelkreis mit Vorsteuerung nicht unzulässig wird und daß dem eindampfenden Verhalten der Entkopplung der Drehzahl-Regelkreise zu den Drehmoment-Regelkreisen entgegengewirkt wird. Dadurch ist eine stabile Einstellung des 3-Maschinenprüfstandes möglich.

Die Erfindung wird an Hand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen Signalflußplan von drei miteinander vermaschten Regelkreisen in P-kanonischer Darstellung,

Fig.2 den prinzipiellen Aufbau eines Hinterachsgetriebeprüfstandes, für den Regelkreise nach F i g. 1 vorgesehen sind,

F i g. 3a, 3b, 3c Frequenzgänge und Phasenwinkel für das Entkopplungsnetzwerk, berechnet für ein LKW-Hinterachsgetriebe,

Fig.4 den Regelungsaufbau mit Entkopplung und Vorsteuerungseinrichtung am Beispiel von Pegel- ^

kreisen für einen Hinterachsgetriebepriifstand, '

F i g. 5 Regelkreise für dnen Hinterachsgetriebepriifstand mh Zusatzdämpfung.

Der in F! g. 1 gezeigte vermaschte Regelkreis für die K₂-

Regelung von Drehzahl und Drehmoment mittels der Regler 6, Ta, Tb und den unterlagerten Stromregelkreisen Fiv, Fihx und Fm! ist nur beispielhaft für die Regelung an Prüfständen dargestellt; es können auch beliebig andere Regelgrößen mit Hilfe von mehreren miteinander vermaschten Regelkreisen geregelt werden.

Am Beispiel eines Hinterachsgetriebeprüfstandes wie t>o er in F i g. 2 gezeigt ist, wird das regelungstechnische Signalflußbild nach F i g. 1 später erläutert. Vorauszuschicken ist, daß ein Hinterachsgetriebeprüfstand einen Prüfling I (Fig.2) aufnimmt, der über eine Antriebswelle und ein Schaltgetriebe 2 von einer elektrischen Maschine, gewöhnlich einer Gleichstrommaschine, der sogenannten Vordermas^'iine 3 angetrieben wird.

An den AbtriebsweHen des Prüflings 1 sind weitere

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45 elektrische Maschinen, sogenannte Hintermaschinen 4, 5 angeschlossen, welche ein vorgebbares Antriebs- oder Bremsmoment auf die Abtriebswelle ausüben. Sowohl Vordermaschine 3 als auch die Hintermaschinen 4, 5 sind gewöhnlich mit Stromregelkreisen ausgerüstet, denen Regelkreise zur Drehzahlregelung bzw. zur Momentenregelung überlagert sind.

In F i g. 1 ist mit 6 der überlagerte Drehzahlregler bezeichnet, (nv= Drehzahl der Vordermaschine) dem ein Stromregelkreis F_/v unterlagert ist Der Stromregelkreis Fiv ist der Vordermaschine 3 zugeordnet (Fi= Übertragungsfunktion der Stromregelkreise, V= Vordermaschine), während die beiden Momentenregler Ta und Tb (MdH= Drehmomente der Hintermaschinen) mit ihren unterlagerten Stromregelkreisen FiHu F/H 2 den Hintermaschinen 4, 5 zugeordnet sind (H 1 = Hintermaschine 4, H 2 = Hinte.rmaschine 5). Zwischen den einzelnen Regelkreisen 6, Ta, Tb bestehen Kopplungen, die mit Hilfe der mit Kk i\. Km, Km, Kn, K\3, K₂₃ bezeichneten Entkopplungs.'-'ieder aufgehoben werden können. Am Ausgang cer unterlagerten Stromregelkreke (MdV= Drehmoment der Vordermaschine) treten Kopplungsnetzwerke auf, welche die Regelgrößen der anderen Regelkreise beeinflussen. Die ihnen zugrunde liegenden Kopplungsfaktoren sind mit Su, S₂U S₃U S₁₂, S₂₂, S₃₂, S₁₃, S₂₃, S33 bezeichnet Regelungstechnisch stellt der Prüfstand ein gekoppeltes Drei-Größen-Regelsystem dar, für das folgende Entkopplungsbedingungen abzuleiten sind, unter der Voraussetzung gleicher Stromregelkreise.

S₂,	*-Sj₃*	*+ S₂₃*	■ 531
5₂₂	*■in*	*-S₂₃*	■5₃₂
*S₃₁*	*-S₁₂*	*+ S₃₂*	•5₂,
*S₂₁*	*-S₃₃*	*-S₂₃*	•5₃₂
_ 5,₂	*-S₃₃*	*+ Su*	•5₃₂
5,,	*S₃₃*	+ 5,3	*Sj]*
5,,	*■s₃₂*	-5,2	*Sj]*
5,3	*-S₃]*	+ S_n	*S₃₃*
_ 5,3	*-S₂₂*	+ 5,2	*-S₂₃*
*S]]*	*-S₂₂*	+ 5,₂	-S₂]
Sn	-S₂,	-5,3	■5_2I

Durch den symmetrischen Aufbau der Hinterachsen und deren Antriebe lassen sich diese Entkopplungsbedingungen vereinfachen. Aus Symmetriegründen ist jetzt

S22 ~
5,2 =
S32 =

Fs ergibt sich dadurch

A>i = A,ι - — —

' Sy ι + Λ ι 3 " .Si

S_S\ ■ S₂₁ Sp ■ S₂₁

'12 ''2I ^h ''Il ^12

Die Entkopplungsglieder enthalten Polynome höherer Ordnung, deren Frequenzgänge mit einem Digitalrechner in einfacher Weise ausgerechnet werden können. Die Ergebnisse der numerischen Auswertung mit Parametern eines ausgeführten Prüfstandes sind in π F i g. 3 gezeigt, wo die Frequenzgänge | C | und Phasenwinkel^ G von Kn. Ku sowie K\₂. /Cn und K₂), Kn nach Amplitude und Phasenwinkel aufgezeichnet sind.

Die Entkopplungsnetzwerke zwischen den Regel- >o kreisen können unter dem Gesichtspunkt vereinfacht werden, daß der starken Kopplung von Drehzahl-Drehmomentregelkreis (Sprünge von 5% der Nenndrehzahl bewirken Moment-Einbrüche von 40% des Nenndrehmoments) die schwache Kopplung des Dreh- >■> moment-Drehzahlregelkreises gegenüber steht (Sprünge von 50% den Nenndrehmoments bewirken einen Nenndrehzahleinbruch von 3% der Nenndrehzahl). Eine Vereinfachung der Kopplungsnetzwerke ist dann möglich, wenn mehr Gewicht darauf gelegt wird, den Einfluß des Drehzahlregelkreises auf die Momentenregelkreise zu kompensieren.

Eine weitere Vereinfachung ist möglich, wenn von den Entkopplungsgliedern K₂\ bzw. K_n lediglich die Verstärkungen im stationären Zustand realisiert wer- r> den, die in einem Frequenzgang nach Fig. 3a ziemlich konstant sind.

Die Hohe der Verstärkung ist aus Symmetriegründen gegeben durch

■10 λ_:ι = λ; ι = J₁₁₁H

7„„.

hierbei bedeuten T_mn die mechanische Konstante der Hintermaschine 4 bzw. 5 (F i g. 2). T_m\ die mechanische ·»> Zeitkonstante der Vordermaschine und T_mC, die mechanische Zeitkonstante des Getriebes.

Da die Entkopplungsglieder Kn und Kj₂ sich im stationären Zustand nicht auswirken, können diese entfallen. ,0

Durch zusätzliches Einführen von dynamisch wirksamen Entkopplungsgliedern Kt₂ und K]] wird eine entdämpfende Wirkung der Glieder K₂\ und ACj, kompensiert.

Am Beispiel von Fig.4 wird gezeigt, wie die « Dynamik der Regelkreise durch Einsatz einer Vorsteuerung neben der Verwendung des Entkopplungsnetzwerkes verbessert werden kann. Hierbei stellt 8 den PI-Regler für den Geschwindigkeitsregelkreis dar, dem ein Stromregler 9 mit nachgeschaltetem Stromsteller 10 unterlagen ist. Die Stromregelgröße wird in den Eingang 11 des unterlagerten Stromregelkreises 9, 10 zurückgeführt und zugleich die Drehzahl n\r_a, der Vordermaschine 3 in den Eingang 12 des überlagerten Drehzahlregelkreises zurückgegeben. Am Eingang 12 Hegt desweiteren der Drehzahl-Sollwert πι/™«. Weitere, entsprechend ausgebildete unterlagerte Stromregelkreise 9, 10 sind für den Antrieb der Maschinen 4, 5 vorgesehen, wobei an diesen Maschinen 4, 5 im vorliegenden Fall das Drehmoment Mdin bzw. Mdin gemessen und zum Eingang 13 bzw. 14 zurückgeführt wird.

Da Strom und Drehmoment in elektrischen Maschinen einander proportional sind, wird zur Realisierung der Vorsteuerung der Sollwert Μ,ι*,« für das Drehmoment zusätzlich mit positivem Vorzeichen in die Eingänge 15 bzw. 16 der Stromregelkreise 9, 10 für die Hintermaschine 4, 5 eingegeben und mit negativem Vorzeichen in den Eingang 11 des Stromregelkreises 9, 10 für die Vordermaschine 3.

Die sich nun am Eingang 11 einstellende Regelabweichung Xu wird über das Entkopplungsnetzwerk 17 in den Eingang 15 bzw. 16 der unterlagerlen Stromregelkreise für die Hintermaschine 4, 5 eingegeben. Das Entkopplungsnetzwerk 17 kann als Verstärker mit einem Verstärkungsfaktor kleiner I ausgebildet sein.

Durch die Vorsteuerung wird die erheblich bessere Dynamik der unterlagerten Stromregelkreise ausgenutzt und der Drehmomentregler 18 bzw. 19 hat nur noch die Aufgabe, stationär entstehende Abweichungen auszuregeln.

An Stelle des in Fig.4 gezeigten Regelkreises für eine Drehzahlregelung der Vordermaschine 3 und einer Momentenregelung der Hintermaschinen 4, 5 ist auch eine Umschaltung in der Weise möglich, daß die Vordermischine 3 auf Drehmoment und die Hintermaschinen 4,5 auf Drehzahl geregelt werden.

Eine weitere Verbesserung des Regelverhaltens bringt eine Zusatzdämpfung im Bereich der Stromregelkreise wie sie in Fig.5 gezeigt ist. Gleiche bzw. gleichwirkende Teile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Als zusätzliche Maßnahme ist eine Zusatzdämpfung 20 vorgesehen, in welcher aus den Drehzahlen der Vordermaschine 3 nvki und denen der Hintermaschinen 4 und 5 (nn\, Π//2) ein Signal gewonnen wird, das in den Eingang 11 bzw. 15 und 16 der unterlagerten Stromregelkreise mit positivem Vorzeichen eingegeben wird und in den Stromregelkreisen eine Dämpfung verursacht, die proportional der Abweichungen der Drehzahlen der Hintermaschinen untereinander bzw. der Drehzahlen zwischen Vordermaschine und Hintermaschinen ist, und die mit einer vorgebbaren Verstärkung auf die Stromregler als Zusatzsollwert aufgeschaltet wird. Die dämpfende Wirkung der Zusatzdämpfung 20 ist abhängig von der Verstärkung, mit der die Differenz der Drehgeschwindigkeiten aufgeschaltet wird. Es ist demnach erforderlich, einmal die Differenz der Drehgeschwindigkeiten der beiden Hintermaschinen 4, 5 zu erfassen und ium anderen die Differenz der Drehgeschwindigkeiten von Vordermaschine 3 zu Hintermaschinen 4, 5 zu bilden. Mit der Differenz zwischen den Drehzahlen der beiden Hintermaschinen 4, 5 werden die Schwingungen dieser Maschinen gegeneinander gedämpft, mit der Differenz von Drehzahl der Vordermaschine 3 zu den Drehzahlen der Hintermaschinen 4, 5 lassen sich zusätzlich die Schwingungen dämpfen, die stetig von dem Getriebe 1 angeregt werden und zusätzlich das Obergangsverhalten der beteiligten Regelkreise beeinflussen.

Die Vorteile, die sich aus der elektrischen Zusatzdämpfung über die Stromregelkreise, eine Teilentkopplung der Regelkreise und einer Momentenvorsteuerung ergeben, bestehen darin, daß eine erhebliche Dynamikverbesserung erreicht wird und die schwache Dämpfung von Regelstrecken und die vage Verkopplung der Regelkreise über die Regelstrecke ausgeglichen wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Drehzahl- und Drehmomentregelung bei mechanisch miteinander gekoppelten elektrischen Maschinen, bei der die in mehreren miteinander gekoppelten Regelkreisen auftretenden Regelgrößen unabhängig voneinander einstellbar sind und jede Regelstrecke eine elektrische Maschine, der ein Stromregelkreis und einen diesem überlagerter Regelkreis für eine vorgebbare Regelgröße zugeordnet ist, enthält, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: