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Verfahren zur Regelung der optimalen Schlupffrequenz von umrichtergespeisten
asynchronen Drehstrommaschinen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur
Regelung der optimalen Schlupffrequenz von umrichtergespeisten asynchronen Drehstrommaschinen,
insbesondere Linearmotoren und findet vorwiegend Anwendung zum Antrieb von Fahrzeugen.
Es ist jedoch auch für rotierende Asynchronmotoren einsetzbar.
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Es ist für die Regelung von asynchronen Linearmotoren ein Verfahren
vorgeschlagen worden (Patentanineldung P 24 14 721.5), bei dem im Grundbereich die
Schlupffrequenz konstant auf einem optimalen Wert gehalten wird. Dieser Wert wird
entsprechend gegebenen Genauigkeitsanforderungen durch folgende Meßgrößen korrigiert.
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Schienentemperatur #, Luftspalt # und Geschwindigkeit fv.
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Im Feldschwächbereich wird dabei der Strom über die Änderung der Schlupffrequenz.
eingestellt. Fehler durch die erwähnten Störgrößen werden im Feldschwächbereich
teilweise ausgeregelt.
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Bei einseitigen linearen Asynchronmotoren wachsen die Querkräfte mit
abnehmender Schlupffrequenz stark an, deshalb wird die Schubkraft nicht mit Hilfe
der Schlupffrequenz, sondern über den Strom eingestellt.
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Nachteile dieses Verfahrens sind, daß das essen und Verarbeiten der
genannten Größen mit einem erheblichen Aufwand verbunden ist. insbesondere an die
Genauigkeit der Geschwindigkeitsmessung werden hohe Anforderungen gestellt. Selbst
kleine Fehler bei der Ertn-ittlung der optimalen Schlupffrequenz aus den Meßwerten
bewirken, daß nicht die mögliche Schubkraft bei einem gegebenen Strom erreicht wird.
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Es ist deshalb Aufgabe der Erfin,dung, die jeweils größtmögliche Schubkraft
bei gegebenem Strom zu erreichen und dabei die Kombination Linearmotor Wechselrichter
gut auszunutzen.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß in einem Regelkreis
das Vorzeichen- bzw. Analogprodukt aus der zeitlichen Änderung der Schlupffrequenz
und der zeitlichen Änderung der Schubkraft zur optimalen Schlupffrequenzeinstellung
verwendet wird. In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt ohne eine
Geschwindigkeitsmessung unter Beachtung von Zeitbedingungen die Umschaltung zwischen
motorischem und generatorischem Betrieb durch ein Impulssignal.
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Vorteilhaft ist, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren als Meßgrößen
nur die Schubkraft und die Geschwindigkeit verarbeitet werden. Vorteilhaft ist weiter,
daß von der Schubkraft nicht der Absolutwert, sondern nur ihre seitliche Änderung
ermittelt werden muß. Die Geschwindigkeits- bzw. Drehzahlmessung kann gemäß dem
erfindungsgemäßen Verfahren bei Linearmotoren, bei denen die Schlupffrequenz wesentlich
größere Werte als bei rotierenden Maschinen vergleichbarer Leistung besitzt, relativ
ungenau sein - unter bestimmten Bedingungen kann auf die Geschwindigkeitsmessung
sogar verzichtet werden. Weitere Meßgrößen, wie Linearmotorschienentemperatur, Luftspalt,
die verfügbare Wechselrichterspannung und der Einfluß der Endeffekte, werden in
vorteilhafter Weise nicht mehr benötigt, da deren Einfluß ausgeregelt wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in vorteilhafter Weise die
Schlupffrequenz so geregelt, daß bei sämtlichen Betriebszuständen unabhängig von
den Störgrößen stationär die jeweils größtmögliche Schubkraft bei gegebenem Strom
erreichbar ist.
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Es stellt sich also immer die Schlupffrequenz für die Maximalkraft
ein. Diese Schlupffrequenz wird optimale Schlupffrequenz genannt.
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Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist nachstehend
anhand des in Fig. 1 beschriebenen Blockschaltbildes näher erläutert. Vorteilhafte
Ausgestaltungen werden in den Figuren 2 und 3 gezeigt.
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Aus einer nicht gezeichneten, beispielsweise überlagerten Regelung,
kommt ein Schubsollwert wF, der mit einem gemessenen Schub-Istwert xF in dem Summenpunkt
1 verglichen wird. Die Regelabweichung wird in dem Schubregler 2, der das Zeitverhaiten
eines PI-Reglers besitzen kann, verarbeitet. Wegen des 2 prinzipiellen Zussmmenhanges
XFxI wird aus dem Schubregierausgangs signal YF aus Linearisierungsgründen in einer
Vorrichtung 3 die Quadratwurzel gezogen. Der Stromsollwert wI wird mit dem Stromistwert
xI in dem Summenpunkt 4 verglichen und dem Stromregler 5 zugeführt, dessen Ausgangssignal
yI das Stellsignal für den Umrichter 21 bedeutet. Parallel zu den beiden genannten
Regelkreisen ist der Schlupffrequenz-Regelkreis ange--ordnet, der die optimale Schlupffrequenz
ermittelt.
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Die Differenzierer 6 und 7 bilden die zeitlichen Ableitungen des gemessenen
Schubistwertes xF und des Schlupffrequenzsignales xf2. Die Geräte 8 und 9 sind Komparatoren,
die das jeweilige Vorzeichen des Differentialquotienten ermitteln. Die logischen
Elemente 10, 11 und 12 bilden das Vorzeichenprodukt C aus den Signalen A und B.
Der Integrator 13 bewirkt die Verstellung der Schlupffrequenz. Das Korrektursignal
wird im Summenpunkt 14 zu einem Nennsignal Xf2nenn addiert und im Gerät 15 invertiert.
Je nach Stellung des Schalters 16 wird daspositive oder negative Schlupifrequenzsignal
xf2 zum geschwin digkeitsproportionalet Signal Xfv in Summenpunkt 17 addiert
und
als Motorfrequenzsignal xf1 in den Umrichter 21 eingespeist.
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Die motorische oder generatorische Betriebsweise wird durch die Stellung
des Schalters 16 gesteuert. Dieser Schalter wird durch das Ausgangssignal des Komparators
18 gesteuert, welches vom Vorzeichen des Schubsollwertes wF bestimmt wird.
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Für die Einstellung des Reglers sind Zeitbedingungen zu beachten:
1. Der Schlupffrequenzregelkreis, der aus den Blöcken 6 bis 17 und 21 gebildet wird,
muß eine größere Einstellgeschwindigkeit als der Schubregeikreis, gebildet aus den
Blöcken 1 bis 5 und 21, besitzen, sollte jedoch langsamer als die Stromregelung,
gebildet aus 4, 5 und 21, sein.
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2. Geschwindigkeitsänderungen Xfv müssen langsamer als die Verstellgeschwindigkeit
für die Schiupffrequenz xf2 sein.
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Dynamisch treten Abweichungen vom Schlupffrequenzoptimum auf; statisch
werden Fehler vollkommen ausgeregelt.
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Wenn der Schlupffrequellzregelkreis, gebildet durch die Schaltelemente
6 bis 17, schneller ist als mögliche Geschwindigkeitsänderungen, so kann auf eine
Geschwindigkeitsmessung verzichtet werden. Die dargestellte Anordnung ermittelt
dann direkt die Motorfrequenz Yf 1. Die Blöcke 14 bis 17 können dann entfallen.
Um in diesem Fall vom motorischen in generatorischen Betrieb umschalten zu können,
muß die zweifache Schlupffrequenz von der gerade anstehenden Motorfrequenz abgezogen
werden. Dies geschieht durch einen Impuls mit entsprechender Amplitude, wie er z.B.
in einer RC-Schaltung im Block 19 in Figur 2 aus einer Sprungfunktion gebildet wird.
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Fig. 2 zeigt den geänderten Schaltungsteil gegenüber Fig. 1.
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In die bestehende Schaltung ist nur zwischen dem Komparator 18 und
dem Summenpunkt 14 der Block 19 eingefügt.
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Um eine ordnungsgemäße Umschaltung von dem motorischen in den generatorischen
Betrieb und umgekehrt zu erzielen, sind drei
Bedingungen zu beachten:
1. Zum Wechsel der Betriebsart muß die Impulshöhe größer sein als die Spannung,
die der größten vorkommenden Schlup£-frequenz entspricht.
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2. Der Schlupffrequenz-Regelkreis 6 bis 17 und 21 muß schneller sein
als das verschwindende Impulssignal.
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3. Eine Änderung des Schubsollwertvorzeichens darf erst nach Ablauf
mehrerer Zeitkonstanten des Impulses erfolgen. Der Arbeitspunkt hat dann wieder
ein Schlupffrequenzoptimum erreicht.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden gemäß Fig. 3 die Bauelemente 8 bis 12 durch einen Analogmultiplizierer 20
ersetzt. Dies hat den Vorteil, daß die Nachstellgeschwindigkeit der Schlupffrequenz
proportional zur Abweichung vom optimalen Arbeitspunkt erfolgt. Das Analogprodukt
ist mit D bezeichnet.