DE2804050A1

DE2804050A1 - Verfahren zur steuerung und regelung einer ueber einen zwischenkreisumrichter gespeisten asynchronmaschine

Info

Publication number: DE2804050A1
Application number: DE19782804050
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr Putz
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1978-01-27
Filing date: 1978-01-27
Publication date: 1979-08-02
Also published as: ATA33979A; IT1109786B; SE433154B; GB2013429A; GB2013429B; CH638350A5; FR2415908A1; SE7900168L; AT366215B; IT7919666A0; DE2804050C2; FR2415908B1

Description

Licentia Patent-Verwaltungs-GmbK Theodor-Stern-Kai 1, 6000 Frankfurt/Main

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Verfahren zur Steuerung und Regelung einer über einen Zwischenkreisumrichter gespeisten Asynchronmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Asynchronmaschine über einen Zwischenkreisumrichter, der aus einem Netzstromrichter, einem Zwischenkreis zum Einprägen des Stromes und einem selbstkommutierten Wechselrichter besteht.

Es ist bekannt, Asynchronmaschinen in ihrer Drehzahl über Zwischenkreisumrichter mit eingeprägtem Strom zu steuern oder zu regeln (H. Münzing: Für konstantes Drehmoment, ein Zwischenkreisumrichter mit eingeprägtem Strom, Elektrotechnik 57 (1975) 3, Seiten 10 bis 13). Mit einem solchen Umrichter wird der Maschine ein Strom mit gesteuerter Frequenz eingeprägt. Die Spannung an der Maschine stellt sich dann den Belastungsverhältnissen entsprechend ein. Über einen Spannungsregler läßt sich die Motorspannung U der

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Frequenz f einpassen, wobei in erster Näherung das Verhältnis U/f konstant gehalten wird. In einem solchen Steuerverfahren wird die Frequenz der Maschine also von außen vorgegeben: man spricht von einem fremdgetakteten Betrieb der Maschine.

Es sind weiterhin Lösungen bekannt, in denen die Statorfrequenz aus der mechanischen Rotationsfrequenz der Maschine und einer je nach den Betriebsverhältnissen vorgebbaren Rotorfrequenz berechnet wird, wobei im Motorbetrieb die Rotorfrequenz fp zur mechanischen Frequenz f . hinzuaddiert, im Generatorbetrieb von ihr abgezogen wird. Eine solche Steuerung verhindert ein Kippen der Maschine bei zu hohen Lasten, bedingt jedoch einen Geber an der Maschine, mit dem die Rotationsfrequenz erfaßt wird.

Ferner ist ein weiteres Verfahren bekannt (IEEE Transactions on Industry Appl., Vol. IA-Il, No. 5, Sept./Oct. 1975, p.433 ff), mit dem aus den elektrischen Größen der Maschine, also Strom, Spannung, Ständerstreuung und -widerstand, der Schlupf der Maschine errechnet werden kann. Jedoch bedingt dieses Verfahren die Kenntnis der Maschinendaten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit welchem ohne Kenntnisse der Maschinendaten und ohne Geber am Rotor ein dynamischer Betrieb der Asynchronmaschine

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in einem weiten Drehzahlbereich ermöglicht und ihr Kippen bei Überlastung vermieden wird.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung für ein Verfahren der eingangs angegebenen Art dadurch gelöst, daß die Taktung des Wechselrichters in seinem oberen Frequenzbereich nach Frequenz und Zeitpunkt mit der Spannung der Asynchronmaschine als synchronisierendem Signal durchgeführt wird und daß eine Fremdtaktung des Wechselrichters in seinem unteren Frequenzbereich erfolgt, in dem keine ausreichend hohe Spannung zum Synchronisieren verfügbar ist.

Ein Kippen der Asynchronmaschine läßt sich also vorteilhaft dadurch umgehen, daß man nicht den Takt des Wechselrichters fremd vorgibt (also gesteuerten Betrieb realisiert), sondern den Takt von der Asynchronmaschine selbst herleitet (maschinengetakteter Betrieb). Als synchronisierende Größe wird dafür die Maschinenspannung herangezogen. Der Antrieb erhält somit ein gänzlich anderes Verhalten: Die Maschine kann nicht mehr kippen, und sie läßt sich schnell regeln. Sie verhält sich ähnlich wie eine Gleichstrommaschine oder wie ein über einen Polradlagegeber getakteter Stromrichtermotor synchroner Bauart.

Bei kleinen Drehzahlen, bei denen noch keine ausreichend hohe Spannung zum Synchronisieren zur Verfügung steht, muß die Ma-

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schine fremdgetaktet werden. Um den Übergang vom fremdgetakteten Betrieb in den maschinengetakteten möglichst kontinuierlich zu gestalten, müssen die Wechselrichterimpulse ohne Phasensprung umgeschaltet werden. Das läßt sich erreichen, indem man vor dem Umschalten die aus der Maschinenspannung abgeleiteten Impulse mit den fremdgetakteten synchronisiert und erst nach der Synchronisation umschaltet.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und werden nachfolgend näher erläutert.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung für ein Ausführungsbeispiel nun beschrieben werden. Es zeigen

Figur 1 ein vereinfachtes Kreisdiagramm einer Asynchronmaschine,

Figur 2a bis 2d den idealisierten zeitlichen Verlauf des Statorstromes der Maschine bei motorischem Betrieb, im Leerlauf und im generatorischen Betrieb in der Zuordnung zur Klemmenspannung und

Figur 3 ein Blockschaltbild zur Realisierung des Verfahrens nach der Erfindung.

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Gemäß dem in Figur 1 dargestellten, vereinfachten Kreisdiagramm einer Asynchronmaschine stellt sich bei einer festen Frequenz f^ und einer gegebenen Ständer-Spannung Vl^ für einen Lastpunkt P der entsprechende Strom J^ und der Verschiebungswinkel ψ zwischen Spannung und Strom ein. Mit dem Index "mot" ist die Zeigerzuordnung bei motorischem Betrieb, mit "o" im Leerlauf und mit "gen" bei generatorischem Betrieb der Asynchronmaschine gekennzeichnet.

In Figur 2 sind die Spannungen und der Strom J.. der Asynchronmaschine als zeitliche Liniendiagramme mit den für eine als Beispiel gewählte 6-pulsige Stromrichterschaltung charakteristischen 120 el-langen Stromblöcken aufgetragen. Man erkennt deutlich den Phasenversatz f zwischen Spannung und Strom der Maschine beim Übergang vom motorischen Betrieb über Leerlauf in den generatorischen Betrieb. Dieser Phasenversatz stellt sich bei rein frequenzgesteuertem Betrieb der Maschine selbsttätig ein. Jedoch erfolgt das mit einer begrenzten Geschwindigkeit, da sich hierbei die Lage des Flusses der Maschine in bezug auf den Stromzeiger neu einstellen muß, was nur mit der Zeitkonstante ^L _h/^R ₂ erfolgen kann. (L. » Hauptinduktivität, Rp - Rotorwiderstand der Maschine). Diese Zeitkonstanten liegen zwischen ca. 100 ms bei kleineren Maschinen (ca. 5 kW) und 0,5 -1,5s bei größeren (200-500 kW). Steuert man nun die Phasenlage zwischen Strom und (Rotor-) Fluß

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oder, was in erster Näherung gleich kommt, zwischen Strom und Ständerspannung mit Hilfe des Umrichters, so lassen sich diese Zeikonstanten überwinden. Es braucht nur die Totzeit von 1 '. 1 ^ 60 (bei einer Frequenz f und einer 6-pulsigen

Schaltung des Stromrichters) abgewartet zu werden, bis der Phasenversatz der neuen Belastung entsprechend eingestellt ist.

In der Figur 3 ist als Blockschaltbild dargestellt, wie sich das oben geschilderte Verfahren realisieren läßt. Ein Netzstromrichter 1 speist über eine Zwischenkreisdrossel 2 und einen selbstgeführten Wechselrichter 3 eine Asynchronmaschine Es können jedoch auch mehrere parallelgeschaltete derartige Maschinen sein. An einem Sollwertpotentiometer 5 wird eine Spannung abgegriffen, die sowohl als Führungsgröße für einen Spannungsregler 6 dient als auch in einem Spannungs-Frequenzumsetzer 18 in eine angenähert spannungsproportionale Ständerfrequenz f., umgeformt wird. Im Spannungs-Frequenzumsetzer sei auch die Impulsformung enthalten.

Dem Spannungregler 6 wird die aus der Maschinenspannung hergeleitete Regelgröße über einen Trennwandler 13 und eine Gleichrichtung 8 zugeführt; dem Spannungsregler 6 unterlagert ist ein Stromregler 9 mit seiner Regelgrößenerfassung 11 im Gleichstromzwischenkreis. In einem Steuersatz 10 werden die Impulse für die' Ventile des Netzstromrichters 1 gebildet und in ihrer Phasenlage verstellt.

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Die Vorrichtung zur Taktung des Wechselrichters 3 von der Maschine ist in Figur 3 in der unteren Hälfte dargestellt: Die Spannung der Maschine wird über den Trennwandler 13 abgegriffen, in einem Filter 14 geglättet und auf ein NuIldurchgangserfassungsglied 15 gegeben. Die Glättung durch das Filter 14 ist zweckmäßig, da die Maschinenspannung infolge der Kommutierung des Wechselrichters 3 oberschwingungshaltig ist. Es empfiehlt sich eine starke Filterung von mindestens zweiter Ordnung mit einem Phasenversatz von ca. 0° für die Grundschwingung und nahezu 180 für die Oberschwingungen im gesamten maschinengetakteten Drehzahlbereich zu wählen, um drehzahlbedingte Phasenfehler von vornherein zu umgehen. Am Ausgang des Nulldurchgangserfassungsgliedes 15 ist ein Frequenz-Spannungsumsetzer 17 bzw. ein Dreiecksgenerator geschaltet. Der Frequenz-Spannungsumsetzer 17 dient zur Umwandlung der Ständerfrequenz in eine frequenzproportionale Spannung, die als Regelgröße für einen nachgeschalteten Frequenzregler 7 dient. Der Dreiecksgenerator 16 liefert sechs von der jeweiligen Frequenz in der Amplitude unabhängige Dreiecke mit 180° Fußbreite. Durch Vergleich der Ausgangsspannung des Frequenzreglers 7 mit diesen in der Basis 180 el langen Dreiecken läßt sich eine Phasenlage der Wechselrichterimpulse an den Schnittpunkten zwischen Dreieck und Ausgangsspannung einstellen. In Abhängigkeit von der Frequenzreglerausgangsspannung läßt sich also im'dem Frequenzregler 7

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nachgeschalteten Steuersatz 12 die Phasenlage der Wechselrichterimpulse verschieben. Diese Impulse können dann im oberen Drehzahlbereich der Asynchronmaschine über einen elektronischen Umschalter 22 auf die Zündanschlüsse der Wechselrichterthyristoren geschaltet werden.

Die Verschiebung der Impulse, also die Einstellung des Phasenwinkels ψ erfolgt in Abhängigkeit sowohl von der Ausgangsspannung des Frequenzreglers 7 als auch des Spannungsreglers 6, wobei der Winkel ψ in den Grenzen ψ_Ν ^undPNenn gen ^beS^{renzt werden} sollte. C ? _{Nenn mot} und φ^_ηη _gen natürliche Nennverschiebungswinkel der Maschine). Der Stromregler 9 erhält ebenfalls einen Anteil seines Sollwertes vom Drehzahlregler 7. Direkt hinter dem Frequenzregler 7 kann auch ein Drehmomenten-regler 25 geschaltet werden (gestrichelt angedeutet), wobei für das Drehmoment in erster Näherung das Produkt aus Stromistwert und dem cos ψ der Maschine herangezogen wird, wenn sie mit konstantem Spannungs-Frequenz-Verhältnis betrieben wird.

Die Synchronisierung der Impulse vor dem Übergang von dem fremdgetakteten Betrieb in den maschinengetakteten Betrieb erfolgt durch einen Regler 19, der den Phasenfehler 5 zwischen den beiden Impulsfolgen auf ein Minimum ausregelt. Das wird erreicht, indem der Ausgang des Reglers 19 auf den Steuersatz

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zurückwirkt. Ist der Phasenfehler unter einem Maximalbetrag £ ausgeregelt, und liegt die Ausgangsspannung und Ausgangsfrequenz über einem einstellbaren Grenzwert (erfaßt durch die Kippstufen 20 und 23), so wird von der Synchronisierstufe mittels des elektronischen Umschalters 22 auf den maschinengetakteten Betrieb umgeschaltet. Nach erfolgter Umschaltung wird der Einfluß des Phasenreglers 19 auf den Steuersatz 12 abgeschaltet. Das erfolgt durch einen elektronischen Schalter 24, der von der Synchronisierstufe 21 betätigt wird.

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Claims

Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH Theodor-Stern-Kai 1, 6000 Frankfurt/Main

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Patentansprüche

( l,j Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Asynchronmaschine über einen Zwischenkreisumrichter, der aus einem Netzstromrichter, einem Zwischenkreis zum Einprägen des Stromes und einem selbstkommutierten Wechselrichter besteht, dadurch gekennzeichnt, daß die Taktung des Wechselrichters in seinem oberen Frequenzbereich nach Frequenz und Zeitpunkt mit der Spannung der Asynchronmaschine als synchronisierendem Signal durchgeführt wird und daß eine Fremdtaktung des Wechselrichters in seinem unteren Frequenzbereich erfolgt, in dem keine ausreichend hohe Spannung zum Synchronisieren verfügbar ist.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeicnet, daß vor dem Umschalten von einer Art der Taktung auf die andere die Impulse beider Steuerungskanäle über einen Phasenregler synchronisiert werden.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß während des maschinengetakteten Betriebes die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung der Asynchronmaschine durch den Wechselrichter gesteuert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung der Asynchronmaschine sowohl von einem Frequenzregler oder einem Frequenzregler mit nachgeschaltetem Drehmomentenregler als auch von einem Spannungsregler vorgegeben wird, wobei die Nennphasenwinkel bei Motoe- und Generatorbetrieb als Regelgrenzen eingestellt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Asynchronmaschine auf ein angenähert konstantes Spannungs-Frequenz-Verhältnis geregelt wird, wobei der Spannungsregelkreis einen Spannungsregler aufweist, der

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sowohl auf einen unterlagerten Zwischenkreisstromregler als auch auf den Steuersatz des Wechselrichters wirkt, und die Führungsgröße für den Zwischenkreisstromregler sowohl aus der Ausgangsspannung des Spannungsreglers als auch aus der Ausgangsspannung des Frequenzreglers oder des diesem nachgeschalteten Drehmomentenreglers gebildet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Synchronisieren die Spannung der Asynchronmaschine mit einem Filter 2.,4. oder höherer Ordnung gefiltert wird und daß im gesamten oberen Frequenzbereich, die durch das Filter bewirkte Phasenverschiebung für die Oberschwingungen entsprechend deren Ordnungszahl 180°el oder ein Vielfaches von 180°el, für die Grundschwingung jedoch 0°el beträgt.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung der Asynchronmaschine im Falle eines Überstromes im Zwischenkreis mit Hilfe des Steuersatzes des Wechselrichters derart gesteuert wird, daß die maximal mögliche Wechselrichtergegenspannung auftritt.

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