DE2615744B2

DE2615744B2 - Anordnung zur steuerung der drehzahl eines ueber einen zwischenkreisumrichter mit spannungen veraenderbarer amplitude und frequenz gespeisten drehmotors

Info

Publication number: DE2615744B2
Application number: DE19762615744
Authority: DE
Inventors: Christian Ing.(grad.) 2083 Halstenbek Blöcher
Original assignee: Demag AG
Current assignee: Mannesmann Demag AG
Priority date: 1976-04-10
Filing date: 1976-04-10
Publication date: 1978-02-02
Also published as: DE2615744A1

Description

gebildet ist, wobei U\ die Motor-Klemmenspannung, R\ der ohmsche Ständerwiderstand, I\ der Motorstrom und φι der Winkel zwischen Motor-Klemmspannung und Ständerstrom bedeutet.

2. Anordnung zur Steuerung der Drehzahl eines über einen Zwischenkreisumrichter mit Spannungen veränderbarer Amplitude und Frequenz gespeisten Drehstrommotors mit einem Sollwertgeber, dessen jo Signal einerseits über einen Spannungs-Frequenz-Umsetzer dem Frequenzsteuereingang des Wechselrichters und andererseits als Sollwert einem über einen unterlagerten Stromregelkreis den netzgeführten Gleichrichter steuernden Spannungsregler J5 vorgegeben ist, dem ein von der Motor-Klemmenspannung abhängiger Wert als Istwert zugeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Zwischenkreisumrichter mit Gleichspannungszwischenkreis der Istwert (Uh) in einem aus elektronischen Elementen aufgebauten Rechenwerk (11 — 18) nach der Formel

|/l/, -(U₁ -2R, I₁ ■ cos φι) + (R₁

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gebildet ist, wobei U\ die Motorklemmenspannung, R\ der ohmsche Ständerwiderstand, I\ der Motorstrom und φι der Winkel zwischen Motor-Klemmenspannung und Ständerstrom bedeutet.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- so zeichnet, daß in dem Rechenwerk in einem ersten Vergleichsglied (14) eine Differenz aus zur Zwischenkreisspannung (Ud) und zum ohmschen Ständerspannungsabfall proportionalen Spannungswerten gebildet ist, daß das Ausgangssignal dieses Vergleichsgliedes (14) in einem ersten Multiplizierer

(15) mit dem zum ohmschen Ständerspannungsabfall proportionalen Spannungswert multipliziert ist und daß aus diesem Wert in einem zweiten Vergleichsglied (17) mit dem in einem zweiten Multiplizierer t,o

(16) quadrierten Klemmenspannungswert die Differenz gebildet ist, die dann über einen Radizierer (18) als Istwert dem Spannungsregler (2) zugeführt ist (F ig. 3).

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn- t>5 zeichnet, daß in dem Rechenwerk in einem ersten Vergleichsglied (14) eine Differenz aus zur Motorklemmenspannung und zum Strom im Gleichstromzwischenkreis proportionaler. Spannungswerten gebildet ist, daß das Ausgangssignal dieses Vergleichsgliedes (14) in einem ersten Multiplizierer (15) mit dem zur Motorklemmenspannung proportionalen Wert multipliziert ist und daß aus diesem Wert in einem zweiten Vergleichsglied (17) mit einem zum ohmschen Ständerspannungsabfall proportionalen und in einem zweiten Multiplizierer (16) quadrierten Wert die Summe gebildet ist, die dann über einen Radizierer (18) als Istwert dem Spannungsregler (2) zugeführt ist (F ig. 4).

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Steuerung der Drehzahl eines über einen Zwischenkreisumrichter mit Spannungen veränderbarer Amplitude und Frequenzgespeisten Drehstrommotors mit einem Sollwertgeber, dessen Signal einerseits über einen Spannungsfrequenz-Umsetzer dem Frequenzsteuereingang des Wechselrichters und andererseits als Sollwert einem über einen unterlagerten Stromregelkreis den netzgeführten Gleichrichter steuernden Spannungsregler vorgegeben ist, dem ein von der Motor-Klemmenspannung abhängiger Wert als Istwert zugeführt ist.

Umrichter der oben beschriebenen Art sind z. B. aus Elektronik, 1968, Heft 4, Seite 122, Bild 2, bekannt. Diese bekannten Umrichter besitzen neben einem Spannungs-Frequenz-Umsetzer für den selbstgeführten Wechselrichterteil auch noch einen Sollwertgeber für die Spannung am Drehstrommotor und eine Vergleichseinrichtung für den Soll- und Istwert derselben.

Zur Erreichung eines einwandfreien Betriebs bei Drehzahlstellung ist hierzu bekannt, dem Kurzschlußankermotor eine in erster Näherung proportional der Speisefrequenz sich ändernde Ständerklemmenspannung U\ zuzuführen (vergl. Heimann-Stumpe, Thyristoren, 1969, S. 249, Absatz 7 und Fig. 250.1). Zu diesem Zweck wird der Istwert der Motorklemmenspannung direkt erfaßt. Daß es sich hierbei nur um eine grobe Annäherung an die wirklichen Spannungs-Fluß-Verhältnisse handeln kann, geht daraus hervor, daß für das auf den Läufer übertragene Drehmoment der Luftspaltfluß Φλ maßgebend ist, und für den Luftspaltfluß nicht die Klemmenspannung, sondern die EMK verantwortlich ist. — Durch Elektronik, 1968, H. 4, S. 121 /122, Bild 3 ist eine IR-Aufschaltung im Summationspunkt 7 zum Ausgangs des Kennliniengliedes 6 bekannt. Hierbei wird aber nur IR algebraisch addiert. Es findet keine vektorielle Addition statt.

Dies bedeutet eine grobe Abweichung des erfaßten EMK-Ist-Wertes von dem tatsächlich vorhandenen.

Zur Verbesserung solcher groben Näherungen wurde durch DT-AS 21 44 422 bekannt, den Ständerstrom in Abhängigkeit von 2 elektronischen feldachsenbezogenen Größen zu bringen, parallel und senkrecht zur momentanen Drehfeldachse. Der elektronische Aufwand ist aber hierbei sehr groß.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Anordnung der eingangs beschriebenen Art derart auszugestalten, daß ohne großen elektronischen Aufwand der Luftspaltfluß des Drehstrommotors unabhängig von Belastung und Drehzahl bei allen Frequenzen mit großer Genauigkeit konstantgehalten wird.

Dies gelingt nach der Erfindung dadurch, daß bei einem Zwischenkreisumrichter mit Gleichstromzwi-

schenkreis der Istwert in einem aus elektronischen Elementen aufgebauten Rechenwerk (11 — 18) nach der Formel

U„ * \U'i -R₁I₁ ■ [2U₁

-Ri I₁)

gebildet ist, wobei U] die Motor-Klemmenspannung, R] der ohmsche Ständerwiderstand, l\ der Motorstrom und φι der Winkel zwischen Motor-Klemmenspannung und Ständerstrom bedeutet. iu

Bei einem Zwischenkreisumrichter mit Gleichspannungszwischenkreis gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, daß der Istwert in einem aus elektronischen Elementen aufgebauten Rechenwerk (11 — 18) nach der Formel ι -,

U_h * [ι/, · (U₁ -2R₁I₁ -COSn) ₊ (R₁I₁Y

gebildet ist, wobei U₁ die Motorklemmenspannung, R] der ohmsche Ständerwiderstand, I] der Motorstrom ?_u und ψ] der Winkel zwischen Motor-Klemmenspannung und Ständerstrom bedeutet.

Als Vorteile der Erfindung ergeben sich die folgenden: Der Istwert U/, der EMK und dadurch der Luftspaltfluß Φ/, wird dadurch viel genauer erfaßt als durch die Berücksichtigung lediglich des ohmschen Spannungsabfall in der Motorstatorwicklung, wie er durch den technischen Stand bekannt ist. — Gleichzeitig erreicht die Erfindung ein sehr einfaches Rechenwerk zur Ermittlung der EMK lediglich aus der Zwischen- _3(l kreisspannung, der Motorklemmenspannung, und einer dem ohmschen Spannungsabfall in der Motorwicklung proportionalen Spannung. Der Aufwand an Elektronik für das Rechenwerk wird durch die von der Erfindung getroffene Auswahl ein Minimum. — Durch die von der ^₁ Belastung und der Frequenz unabhängige Erfassung der EMK und des Luftspaltflusses wird eine genaue Steuerung der Drehzahl möglich.

Die Erfindung wird im folgenden genauer beschrieben und durch die Fig. 1—4 erläutert. Im einzelnen _4U bedeutet

F i g. 1 das bekannte Ersatzschema für einen Drehstrommotor,

Fig.2 das bekannte vollständige zeitliche Spannungsdiagramm (Vektordiagramm) für einen Drehstrommotor nach Fig. 1, für beide Energieflußrichtungen,

Fig.3 ein Beispiel für die Schaltung zur Durchführung der Erfindung, bezogen auf einen Umrichter mit Stromzwischenkreis,

Fig.4 ein Beispiel für die Schaltung zur Durchführung der Erfindung, bezogen auf einen Umrichter mit Spannungszwischenkreis.

Anhand von Fig. 1 und 2 ergibt sich zwischen der EMK Uh an der Hauptinduktivität Lh, die den Luftspaltfluß bildet, und den . Eingangsgrößen U] ( = t/i/phase), I], ω = 2 πf, L]j, = gesamte Streuinduktivität für die Ständerwicklung, ψ]= ·$ (U], I]) folgender Zusammenhang:

cos,, - Ri I₁Y + (U₁

■ I_xY . (O

bO

Der ohmsche Ständerspannungsabfall R] l\ ist unabhängig von der Frequenz und vermindert bei den bekannten Einrichtungen den Luftspaltfluß bei Verstellung der Frequenz zu niederen Werten erheblich. Bei abnehmender Drehzahl und Frequenz f tritt so der ohmsche Spannungsabfall zunehmend in Erscheinung. — Andererseits kann man für mittlere und größere Motorleistungen, für welche die Verwendung eines Umrichters sowieso nur wirtschaftlich ist, aussagen, daß die Näherung, insbesondere bei den kleineren Polzahlen,

ω L]j, I] < U] sin ψ\,

und zwar über den ganzen Frequenzbereich bis zum Nennpunkt, so daß unter beiden Voraussetzungen ω L].,, I] vernachlässigt werden kann. Damit ergibt sich die vereinfachte Gleichung:

U_h κ \tÜ\^Zr2 U₁ R₁1₁ cos _Ψι +RlP₁. (2)

Gemäß der Erfindung läßt sich diese Gleichung mit wesentlich weniger Aufwand an Funktionsbausteinen als Gleichung 1, aber mit ausreichender Genauigkeit, die größer ist als beim bekannten Stand, realisieren. Dies gilt sowohl für einen Stromzwischenkreis als auch für einen Spannungszwischenkreis. Deshalb wird gemäß der Erfindung die Formel (2) sowohl für einen Stromzwischenkreis als auch für einen Spannungszwischenkreis weiterverarbeitet, um für beide Kreise einfache Rechenwerke zur Umrechnung der Klemmenspannung auf die EMK zu erhalten.

Für einen Umrichter mit Stromzwischenkreis ergibt sich anhand von Fig. 3 die folgende Schaltung zur Auswertung der Gleichung (2):

Es bedeuten die Bezugszahlen 1 bis 6,8 bis 12 und 19 bis 21 diejenigen Schaltungsbausteine, die auch nach dem bekannten Stand der Erfassung eines Istwerts aus der Klemmenspannung erforderlich wären. Es ist bekannterweise:

1 der Frequenz- und Spannungs-Sollwertsteller;

2 der Spannungsregler, der den Istwert gleich dem Sollwert regelt;

3 der in bekannter Weise unterlagerte Stromregler;

4 der bekannte Zündimpulssteuersatz;

5 der netzgeführte Gleichrichter;

6 die Glättungs-Drosselspule für den Gleichstromzwischenkreis (Stromzwischenkreis);

8 der selbstgeführte Wechselrichter;

9 der in der Drehzahl zu steuernde Motor;

10 der für die Messung des Zwischenkreisstroms erforderliche Gleichrichter;

11 der Potentialtrennverstärker;

12 der Drehstrom-Gleichstrom-Umsetzer für die Messung der Motorklemmenspannung;

19 der bekannte Mischpunkt für die Spannungsregelung;

20 der Spannungs-Frequenz-Umsetzer für die Steuerung von Wechselrichter 8;

21 der Zündimpulssteuersatz für den Wechselrichter 8.

Die übrigen Hinweiszahien 13—18 sind die zu einer bevorzugten Variante der Erfindung bei einem

Stromzwischenkreis

erforderlichen Schaltungsbausteine. Diese als Beispiel in F i g. 3 dargestellte Variante entsteht nach der nachfolgenden Überlegung. Sie liefert ein besonders einfaches Rechenwerk zur Erfassung der EMK aus der Klemmenspannung:

Die Wirkleistungsbilanz des Zwischenkreises bei Vernachlässigung der Wechselrichter-Wirkungsgrads Für einen

= 3IZ₁/, cos v,

(3)

Der Grundschwingungsanleil /| des Ständerstromes, der ein Rechteckstrom mit einer zeitlichen Dauer von 120° elektrisch je Halbwelle und der Amplitude /,/ ist, ergibt sich aus der Beziehung:

Λ =

(4)

Damit erhält man aus der Wirkleistungsbilanz:

V₁ cos </! = -γτπζ- V_d

Aus Gleichung (2) wird dann

\'Ui

(5)

(6)

Diese Gleichung ist in Fig.3 schaltungstechnisch realisiert. — Evtl. Umformung der Gleichung (6) ist möglich; diese anderen Umformungen führen aber zu mehr elektronischen Bausteinen für das Rechenwerk.

Gemäß F i g. 3 wird im Mischpunkt 14 der Klammerausdruck des Radikanden gebildet, wobei 2 U\ cos φι entsprechend Gleichung (5) aus der Zwischenkreisspannung Ud gewonnen wird. Der Potentialtrennverstärker 11 filtert die Oberwellen und Kommutierungssprünge aus der Zwischenkreisspannung. 13 ist die einstellbare Nachbildung des ohmschen Ständerwiderstands. Der Multiplizierer 15 bildet das Produkt R\ I\ mit dem Klammerausdruck und leitet es mit negativem Vorzeichen zum Mischpunkt 17. Die Motorklemmenspannung wird in 12 gleichgerichtet, geglättet und als Größe U\ dem Multiplizierer 16 zugeführt, der sie quadriert und mit positivem Vorzeichen an den Mischpunkt 17 leitet. Die Summe der beiden Signale im Mischpunkt 17 ist der Radikand. Im Radizierer 18 wird daraus die Wurzel gezogen und somit der Istwert Uh für die Spannungsregelung gewonnen. Der Sollwert Uh* wird mit dem Istwert Ui, im Mischpunkt 19 verglichen, die Differenz dem Spannungsregler 2 zugeführt. Gleichzeitig wird der Sollwert Uh* im Spannungs-Frequenz-Umsetzer 20 in eine proportionale Frequenz umgewandelt, die über den Zündimpulssteuersatz 21 den Wechselrichter 8 aussteuert und damit die Ständerfrequenz /"bildet. Mit der in dem ins Auge gefaßten Leistungs- und Polzahlbereich weitgehendst erfüllten Voraussetzung

(ο L\,„ l\ < U\ si

gilt also die Beziehung:

Vh = V% -/und Luftspaltfluß <l>_h = konstant.(7)

Damit ist, angewandt zunächst auf einem Stromzwischenkreis, für den Frequenzbereich bis zum Nennpunkt eine wesentliche Gcnauigkcitsvcrbcsserung gegenüber dem bekannten Stand und gleichzeitig eine Begrenzung des Aufwands an Elektronik erzielt.

Spannungszwischenkreis

ist die Erfindung ebenso anwendhar. Als Beispiel für die Auswertung der Formel (2) wird ein solches gewählt, bei welchem sich der Aufwand an Elektronik günstigst ergibt, obwohl auch hierbei andere Umformungen dieser Grundformel möglich sind, die etwas größeren Umfang an Elektronik erfordern. Für diese vorzugsweise empfohlene Schaltung ergibt sich F i g. 4.

Anstelle von Gleichung (4) ergibt sich für den Spannungszwischenkreis die Gleichung

I verkettet = —

V₁, =

/2 "Ι/η··· (10)

Damit erhält man aus der Wirkleistungsbilanz:
P_d = U_d-Ii = 3 [/,/Ph. ■ 7, cos <n .

Id- (H)

Z₁ COSy₁ =
j

Die Umrechungsformel für die EMK aus der Klemmenspannung für einen Spannungszwischenkreis lautet damit:

V_h w 1'V₁ ■ (U₁ -2R₁I₁ cos _Ψι) + (R₁ I₁)² . (12)

Sie ist in F i g. 4 schaltungstechnisch realisiert.
In Fi g. 4 ist:

7 der für einen Spannungszwischenkreis erforderliehe Kondensator;

13a die einstellbare Nachbildung des ohmschen

Ständerwiderstands für das Glied (/?i /ι)²;
13£> die einstellbare Nachbildung, des ohmschen Ständerwiderstands für das Glied 2 R\ 1\ cos φι;
14 der Mischpunkt für die Bildung des Klammerausdrucks;

15 der Multiplizierer für den ersten Summanden des Radiakenden;

16 der Multiplizierer für die Bildung des zweiten Summandendes Radikanden;

17 der Mischpunkt für die Bildung des Radikanden aus seinen Summanden;

18 der Radizierer;

19 der Mischpunkt für den Vergleich des Istwerts Ui, mit dem Sollwert L//,*;

20 der Spannung-Frequenz-Umsetzer zur Umsetzung des Sollwerts Ui* in eine proportionale Frequenz;

21 der Zündimpulssteuersatz zur Aussteuerung des Wechselrichters 8 und zur Bildung der Ständerfrequenz f.

Durch diese Anordnung gemäß der Erfindung werden auch für einen Spannungszwischenkreis eine große Genauigkeit für die Frequenz und den Luflspaltfluß und dazu eine Elektronik mit möglichst wenig Bausteinen erreicht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Steuerung der Drehzahl eines über einen Zwischenkreisumrichter mit Spannungen veränderbarer Amplitude und Frequenz gespeisten Drehstrommotors mit einem Sollwertgeber, dessen Signal einerseits über einen Spannungs-Frequenz-Umsetzer dem Frequenzsteuereingang des Wechselrichters und andererseits als Sollwert einem über ι ο einen unterlagerten Stromregelkreis den netzgeführten Gleichrichter steuernden Spannungsregler vorgegeben ist, dem ein von der Motor-Klemmspannung abhängiger Wert als Istwert zugeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Zwischenkreisumrichter mit Gleichstromzwischenkreis der Istwert (Uh) in einem aus elektrischen Elementen aufgebauten Rechenwerk (12 — 18) nach der Formel

20

U_h »

-(2 U₁ cos η -R₁Z₁)