DE2551671C2

DE2551671C2 -

Info

Publication number: DE2551671C2
Application number: DE19752551671
Authority: DE
Inventors: Joseph Phillip Franz; Alan Barr Erie Pa. Us Plunkett
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1974-11-20
Filing date: 1975-11-18
Publication date: 1988-06-30
Also published as: DE2551671A1; FR2292369B1; JPS6099897U; JPS5175915A; CA1053321A; US4011489A; FR2292369A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Flußregeleinrichtung für einen Asynchronmotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspru ches. Eine derartige Flußregeleinrichtung ist aus der DE-AS 14 38 511 bekannt.

Bei der Steuerung der Drehzahl eines Traktionsfahrzeugs ist es erwünscht, das Drehmoment zu regeln und insbesondere ein vorge gebenes verfügbares Drehmoment an der Ausgangswelle des Motors aufrechtzuerhalten. Dies kann leicht bewerkstelligt werden, wenn die rotierende Magnetfeldstärke oder der Flußpegel im Luftspalt des Motors bestimmt werden. Im Falle eines Wechsel strom-Motors ist es bei einer Änderung der erforderlichen Dreh zahl des Motors notwendig, die Frequenz der Leistungsversorgung zu ändern, und dabei muß die Motorspannung entsprechend ver ändert werden, um den gewünschten Fluß aufrechtzuerhalten. Es gibt daher eine Anzahl von verschiedenen Arten von Spannungs steuersystemen zur Steuerung des Verhältnisses der Spannung zur Frequenz gemäß den bestimmten Erforder nissen eines Wechselstrom-Motors. Sie besitzen alle bestimmte Nachteile; hierzu gehört die Notwendigkeit für eine beträchtlich großen Flußspielraum, welcher den Drehmoment-Wirkungsgrad des Motors vermindert. Der Flußspielraum wird weiterhin vergrößert durch die Steuerfehler, welche durch Änderungen in den Parametern des Motors eingebracht werden (d. h. die Temperatur usw.). Bei spielsweise wird zur Aufrechterhaltung eines konstanten Flusses die Motorspannung unter Zuhilfenahme einer Bezugsmodellkennlinie des Motors gesteuert. Da alle Kenngrößen nicht genau in dem Modell enthalten sein können, wird hierdurch ein Fehlerspielraum einge bracht, und wenn sich die Motorparameter gegenüber den Kenngrößen des Modells ändern, dann wird der Fehlerspielraum vergrößert.

Aus der DE-AS 14 38 511 ist es bekannt, den Magnetisierungs strom als Maß für den Motorfluß mit Hilfe von Spulen zu messen und über einen Wechselrichter auf einen vorgegebenen Wert einzu regeln. Der Regelkreis wirkt auf die Frequenz des Wechselrich ters.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Flußregeleinrichtung der ein gangs genannten Gattung derart auszugestalten, daß mit einfachen Mitteln die Motorspannung von Änderungen der Betriebsparameter unabhängig wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs gelöst. Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der Multiplizierer eine konstante Schleifenverstärkung auch bei Änderung der Frequenz beibehält. Ferner beseitigt die erfindungs gemäß vorgesehene Teilerschaltung durch Gleichspannungsänderungen hervorgerufene Störungen, so daß insgesamt eine sehr stabile Flußregeleinrichtung erhalten wird.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Schaltzeichnung von einem bevorzugten Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 2 zeigt schematisch die Anordnung von Meßspulen in Sta tornuten.

Fig. 3 ist eine Schaltzeichnung und zeigt die bevorzugte Ausfüh rungsform der Schaltung zur Umwandlung der Ausgangssigna le der Meßfühler in einen Mittelwert für den Fluß.

Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht der Meßspule für den Fluß gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 5 ist eine Endansicht des Motorstators mit den angebrachten Flußmeßspulen.

Fig. 6 zeigt eine elektrische Schaltung eines Teils der Motor statorwicklungen mit eingefügten Meßfühlerwicklungen.

Fig. 7 ist eine Übersicht über das Wicklungsmuster des Motors mit den relativen Lagen der Meßfühlerspulen und der Hauptspulen.

Fig. 8 ist eine Schaltzeichnung der Flußmeßspulen bei der gegen seitigen Verbindung zwischen mehreren Motoren.

Es wird nunmehr Bezug genommen auf die Fig. 1, in der die Fluß regler-Steuerschaltung nach der vorliegenden Erfindung allgemein bei 10 gezeigt ist und einen Teil der Leistungssteuerschaltung eines typischen Antriebssystems mit einem Wechselstrom-Induktions motor M bildet.

Die Leistung zu dem Dreiphasen-Wechselstrominduktionsmotor wird von einer Gleichspannungsquelle 11 über ein Tiefpaß-Leitungsfil ter 12 und einen Wechselrichter 13 geliefert. Die Gleichstrom leistungsquelle ist typischerweise eine dritte Schiene, welche von Teilstationen versorgt wird, die eine im wesentlichen kon stante Gleichspannung mit vorübergehenden Spannungsspitzen liefern. Das Leitungsfilter 12 wird benutzt, um eine etwaige Inteferenz mit einem Signalsystem auf ein Minimum zu bringen, vorübergehende Gleichspannungsschwankungen der Quelle an der In verterseite des Filters zu unterdrücken und eine "steife" Gleich spannungsquelle für den Betrieb des Inverters zu erhalten.

Selbstverständlich ist die Erfindung auch anwendbar für die Ver wendung mit einem Umrichter. In einer solchen Schaltung werden die Gleichspannungsleistungsquelle 11, das Filter 12 und der Wechselrichter 13 durch eine Wechselspannungsquelle und den Um richter ersetzt.

Die Frequenz- und Spannungssteuerung des Wechselrichters wird durch einen Wellenformgenerator 14, welcher Eingangssignale für die gewünschte Statorfrequenz f _STATOR von einer Frequenzsteuer schaltung 16 und Eingangssignale für eine gewünschte Spannung V von der Spannungssteuerschaltung 10 erhält, durchgeführt. Das Ausgangssignal desselben ist vorzugsweise eine Sinuswelle, deren Amplitude durch das Eingangssignal V bestimmt wird und deren Frequenz durch das Eingangssignal f _STATOR bestimmt wird. Es kön nen jedoch verschiedenartige andere Wellenformen ebenfalls er zeugt werden, beispielsweise Reckteckwellen oder Sägezahnwellen.

Eines der Eingangssignale zur Frequenzsteuerschaltung 16 ist die Soll-Motorstromstärke I _CALL. Die Größe I _CALL ist ein positives Signal beim Fahrbetrieb und ein negatives Signal beim Bremsbe trieb. Weitere Eingangssignale zur Frequenzsteuerschaltung ent halten ein Rückkopplungssignal I _MOTOR, das proportional der Mo torstromstärke ist und die Drehzahl f _SHAFT, welche vom Motor durch das Tachometer 18 zurückgekoppelt wird. Ein Rückkopplungselement 20 wandelt die drei Leitungswechselströme des Motors in den Rückkopplungsgleichstrom I _MOTOR um.

In der Frequenzsteuerschaltung 16 werden das Signal I _CALL für die Soll-Stromstärke und das Signal I _MOTOR für die Ist-Strom stärke des Motors Gleichspannungssignale in einem Addierglied 21 verglichen, wobei die Differenz über die Leitung 22 dem PT-Regler 24 zugeführt wird. Der Regler 24 umfaßt einen Opera tionsverstärker 26 mit Eingangswiderstand 23, besitzt als Rück kopplungselemente den Widerstand 27 und den Kondensator 28 und stellt den Schlupf auf den Wert ein, welcher für die gewünschte Motorstromstärke und damit das Drehmoment erforderlich ist. Die Soll-Schlupffrequenz oder gewünschte Schlupffrequenz F _SLIP wird auf der Leitung 29 als ein positives Signal aufgeprägt beim Fahrbetrieb und als ein negatives Signal beim Bremsbetrieb.

Das Addierglied 31 summiert die Eingangssignale vom Sollwert der Schlupffrequenz F _SLIP und der Drehzahl. Diese Funktion kann entweder digital oder durch analoge Einrichtungen ausgeführt werden. Es ist zu beachten, daß bei der Addition des Schlupfes kein hohes Maß der Genauigkeit erforderlich ist, da die Strom rückkopplungsschaltung Fehler in der Frequenz-Addiereinrichtung kompensieren wird. Unter Umständen kann sogar das Tachometer 18 ganz weggelassen werden, ohne die Steuergenauigkeit wesent lich zu beeinträchtigen. Das Frequenzsignal f _STATOR wird dann über die Leitung 33 an den Wellenformgenerator 14 weitergegeben. Bei der Erzeugung des Spannungssignals V zum Wellenformgenera tor 14 sei nun im folgenden die Flußsteuerschaltung 10 betrach tet. Eine Flußmeßspule 44 wird um einen oder mehrere Zähne des Motorstators gewickelt, so daß die Änderung des Flusses dort erfaßt wird. Das Ausgangssignal der Spule ist dann eine Spannung proportional der Änderungsgeschwindigkeit des Flusses in dem Zahn. Die Spule nimmt die Stelle des Streifens 45 ein, der in allen anderen Nuten verwendet wird. Die Meßspule 44 wird in die Nuten über die Hauptspulen 39 eingefügt und dann wird der Nuten keil 41 eingeführt, um die Spulen in den Nuten zu halten und einen mechanischen Schutz zu erhalten (Fig. 2).

Die Ausgangssignale der Meßspulen werden über Leitungen 46, 47 und 48 auf Integratoren 51, 52 und 53 übertragen. Die Integrato ren sind jeweils mit dem neutralen Punkt der Spule durch die Leitung 50 verbunden. Auf diese Weise wird der Flußpegel in jeder Phase durch Integration der Spannungssignale gefunden nach der folgenden Beziehung:

n ψ = ∫ EMK dt = ∫ _S · ·

Hierin bedeutet die vom Linienintegral des elektrischen Feldes umschlossene Fläche, und bedeutet den Vektor für die magneti sche Flußdichte. Nach der Integration erhält man den Gesamtfluß für jede der Phasen, welche nachstehend als Flußsignale F 1, F 2 und F 3 bezeichnet werden. Diese werden den entsprechenden Gleichrichterschaltungen 56, 57 und 58 zugeführt, und die re sultierenden absoluten Werte werden in einem Summierer 59 ad diert, um einen Mittelwert für das Motorflußsignal F zu erhal ten. Es ist zu erwähnen, daß für das obige Verfahren folgende Annahmen getroffen sind:

(a) Es besteht ein vernachlässigbarer Streufluß über dem Schlitz zwischen der Flußmeßspule und dem Luftspalt und
(b) praktisch der gesamte Zahnfluß durchquert den Luftspalt.

Diese Annahmen gelten praktisch genau in dem Falle eines Stators mit offener Nut. Sie können jedoch nicht mit Sicherheit gemacht werden im Falle eines Motors mit verschlossenen Nuten oder einem großen Luftspalt relativ zur Nutenbreite. Im Falle eines Auf baus der Nut in verschlossener oder halbverschlossener Form sollte die Meßspule in enger Nachbarschaft zum Luftspalt ange ordnet sein.

Der Mittelwert für das Motorflußsignal F wird einer Summierungs schaltung 61 zugeführt, wo es mit einem konstanten Wert, dem Sollwert-Flußsignal, verglichen wird, und die Differenz wird dem Eingang eines integrierenden Feldreglers 62 zugeführt. Das Flußsollwertsignal (Volt pro Hertz) wird dann über die Leitung 64 einem Multiplikator 66 zugeführt, wo es mit der Frequenz f _STATOR multipliziert wird. Der Multiplikator 66 gestattet, daß die Schaltung eine konstante Schleifenverstärkung mit Änderung der Drehzahl aufrechterhält. Er verbessert den Betrieb beträcht lich.

Ein Teiler 67 ist zu der Inverter-Spannungssteuerschleife zuge fügt, um sofort Spannungsänderungen auf der Gleichspannungslei tung zu kompensieren, wenn die Einrichtung im PWM-Betrieb ar beitet. Die am Motor zugeführte Wechselspannung ist das Produkt des Spannungssignals V und der Versorgungsgleichspannung. Daher wird der Teiler verwendet, um das Spannungssteuersignal durch die Versorgungsgleichspannung zu teilen und die Wechselspannung zum Motor konstant zu halten. Der Teiler 67 kann entweder vor oder nach dem Multiplikator eingefügt sein und besitzt einen standardmäßigen Aufbau.

Die Flußmeßschaltung 10 ist mit weiteren Einzelheiten in Fig. 3 gezeigt mit Integratoren 51, 52 und 53, welche Gleichrichter schaltungen 56, 57 und 58 speisen. Die Ergebnisse werden in einer Summierschaltung 59 summiert und anschließend gefiltert, um ein Mittelwert-Flußsignal F zu erhalten. Da die Integrations- und Gleichrichterschaltungen identisch sind, werden nur die Schaltungen in einer Phase beschrieben. In der Phase A wird das Flußsignal von der Spule dem negativen Eingangsanschluß eines Operationsverstärkers 71 über Eingangswiderstände 72 und 73 zu geführt. Der positive Eingangsanschluß ist über einen Widerstand 74 zum Abgleich des Vorspannungsstroms geerdet. Der Operations verstärker 71 besitzt einen Rückkopplungswiderstand 76 und einen Rückkopplungskondensator 77. Das Ausgangssignal des Integrators wird über die Leitung 46 und einen Widerstand 80 zum negativen Eingangsanschluß eines Operationsverstärkers 78 zugeführt, des sen positiver Eingangsanschluß über einen Widerstand 79 zum Ab gleich des Vorspannungsstroms geerdet ist. Zwischen den negativen Eingang und den Ausgangsanschluß ist eine Diode 81 mit Kathode benachbart zum Ausgangsanschluß und eine Diode 82 mit Anode be nachbart zum Ausgangsanschluß geschaltet, wobei deren Kathode mit dem Eingangsanschluß über einen Widerstand 83 verbunden ist. Ein Widerstand 84 ist zwischen die Kathode der Diode 82 und einen Verzweigungspunkt 85 geschaltet, der seinerseits mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 71 über einen Widerstand 86 verbunden ist.

Die Ausgangssignale der drei Schaltungen werden dem Summierer 59 zugeführt, der einen Operationsverstärker 89 mit einem Ab gleichwiderstand 91 und Rückkopplungswiderständen 92 und 93 zur Einstellung des Verstärkungsgrades umfaßt. Das Ausgangs signal des Summierers geht dann durch einen Widerstand 94 zu einem aktiven Filter 96, welches den Mittelwert der Summe bil det, um das Mittelwert-Flußsignal F zu erhalten. Das Filter umfaßt einen Operationsverstärker 97, einen Eingangswiderstand 98, einen Widerstand 99 zum Abgleich des Vorspannungsstroms, einen Rückkopplungskondensator 101 und einen Kondensator 102 zwischen dem positiven Eingangsanschluß der Erde. Der Mittel wert des Ausgangssignals F des Filters wird der Summierungs schaltung 61 zum Vergleich mit einem Bezugswertsignal zugeführt, wie dies zuvor erwähnt wurde.

Es wird nunmehr besonders Bezug genommen auf die Halterung der Flußmeßspule 41. Fig. 4 zeigt die Spule selbst, welche eine Vielzahl von Windungen 103 umfaßt, die in Rechteckform gebildet sind und in zwei Leitungen 104 und 106 an einem Ende derselben enden. Es wurde gefunden, daß mit einem einzigen Paar von Win dungen ein Pufferverstärker erforderlich ist, um bei geringen Drehzahlen ein Signal mit einem ausreichend hohen Pegel zu er halten. Wenn jedoch die Anzahl der Windungen ausreichend ist (beispielsweise 10 Windungen), dann erhält man ein Signal mit höherem Pegel ohne den Pufferverstärker. Die maximale Ausgangs spannung hängt ab von der Zahnquerschnittfläche, welche von der Meßspule umschlossen ist. Die Windungen sind an jeder Seite durch dünne Schichten 107 und 108 aus Isolationsmaterial bedeckt, in denen eine rechteckförmige Öffnung 109 ausgebildet ist, in die ein Statorzahn 37 gemäß der Darstellung in Fig. 2 hineinpaßt.

Claims

Flußregeleinrichtung für einen Asynchronmotor mit Meßspulen im Stator, in denen ein Istwert der Spannung induzierbar ist, die zum Fluß im Luftspalt des Motors im wesentlichen propor tional ist, und mit einem Regler, der den Istwert mit einem vorgegebenen Sollwert für den Luftspaltfluß vergleicht und ein Fehlersignal liefert, das zur Aufrechterhaltung eines im wesentlichen konstanten Luftspaltflusses einem Wechselrichter mit eingeprägter Versorgungsgleichspannung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein integrierender Regler (62, 63) eingesetzt wird, dessen Aus gangssignal über eine Multiplizierschaltung (66), die das Reglerausgangssignal mit einem dem Frequenzsteuereingang des Wechselrichters zugeführten Statorfrequenzsignal multipli ziert, und eine Teilerschaltung (67), die das Ausgangssignal der Multiplizierschaltung durch einen der Versorgungsgleich spannung proportionalen Wert dividiert, dem Amplitudensteuereingang des Wechselrichters (13, 14) zugeführt ist.