DE2804050C2

DE2804050C2 - Anordnung zur Steuerung und Regelung einer über einen Zwischenkreisumrichter gespeisten Asynchronmaschine

Info

Publication number: DE2804050C2
Application number: DE2804050A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr. 1000 Berlin 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: 1982-09-09
Also published as: DE2804050A1; SE433154B; CH638350A5; GB2013429A; IT7919666A0; FR2415908A1; FR2415908B1; SE7900168L; IT1109786B; AT366215B; GB2013429B; ATA33979A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Steuerung der Drehzahl einer Synchronmaschine entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs !

Fin solche Anordnung ist aus den IF t>I ransactions on Industry Applications 1975. Seilen 48 i bis 488 bekannt.

Bei der Asynchronmaschine, die m ihrer Drehzahl über den ZwischenkiCisumnchter mit eingeprägtem Strom zu steuern oder zu regeln ist, wird die Maschine ein Strom mit gesteuerter Frequenz eingeprägt Die Spannung an der Maschine stellt sich dann den Belastungsverhältriissen entsprechend ein* Über den Mäschinenspannungsreglef läßt sich die Motorspan·» nung U der Frequenz / anpassen, Wobei in erster Näherung das Verhältnis LW konstant gehalten wird.

Die Frequenz der Maschine wird also von außen vorgegeben: man spricht von einem fremdgetakteten Betrieb der Maschine, Ein fremdgetakteter Betrieb läßt einen dynamischen Betrieb der Asynchronmaschine in einem weiten Drehzahlbereich nicht zu. Bei Überlastung besteht die Gefahr des »Kippens« der Maschine. Im oberen Frequenzbereich wird deshalb für einen guten dynamischen Betrieb aus den elektrischen Größen der Maschine, also Strom, Spannung, Ständerstreuung und -widerstand, der Schlupf der Maschine errechnet Das bedingt jedoch die Kenntnis der Maschinendaten.

Durch die eingangs genannten IEEE Transactions sind auch 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 £ zur mechanischen Frequenz f_ma± 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 Rotaiionsfrequenz erfaßt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Anordnung der eingangs genannten Art weiterzubilden, damit ohne Geber am Rotor ein dynamischer Betrieb der Asynchronmaschine ohne »Kippen« bei Überlastung in einem weiten Drehzahlbereich r.iöglich ist
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst

Ein Kippen der Maschine läßt sich also vorteilhaft dadurch umgeher,, daß — außer bei sehr kleinen Drehzahlen — der Takt des Wechselrichters nicht fremd vorgegeben wird (also gesteuerter Betrieb realisiert wird), sondern der Takt von der Asynchronmaschine selbst hergeleitet ist (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 !aßt sich schnell regeln. Sie verhält sich ähnlich wie eine Gleichstrommaschine oder wie ein über einen Polraalagegeber getakteter Stromrichtermotor synchroner Bauart.

Bei kleinen Drehzahlen, bei denen noch keine ausreichend hohe Spannung zum Synchronisieren zur Verfügung steht, muß die Maschine in bekannter Weise fremdgetaktet werden. Um den Übergang vom fremdgetakteten Betrieb in den maschinengetakteten möglichst kontinuierlich zu gestalten, ist es erforderlich,

so die Wechselrichtenmpulse ohne Phasensprung umzu schalten. Das läßt sich erreichen, indem vor dem Umschalten die aus der Maschinenspannung abgeleiteten Impulse mit den fremdgetakteten synchronisiert werden und die Umschaltung erst nach der Synchronisa- « tion erfolgt

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung nach der Frfmdiing <· nd in den Unteranspruehen angegeben und werden narhfolgend näher erläutert.

■\nhand der Zeichnung soll die Erfindung für cm

h'i Ausiiihrun^sbeispiel nun beseht ieben werden. Rs /cii." f i n ' ein vereinfdchtfs Kreisdiag^ramm en '

Asynchiuninaidiine,

Fig. 2ä bis 2d den idealisierten zeillichen Verlauf des Statorstromes der Maschine bei motorischem Betrieb, im Leerlauf und im generatorischen Betrieb in der Zuordnung zur Klemmenspannung und

F ί g. 3 ein Blockschaltbild der Anordnung nach der Erfindung.

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Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten, vereinfachten Kreisdiagramm einer Asynchronmaschine stellt sich bei einer festen Frequenz /J und einer gegebenen Ständer-Spannung Ui für einen Lastpunkt Pder entsprechende Strom /ι und der Verschiebungswinkel φ zwischen Spannung und Strom ein. Mit dem Index »mot« ist die Zeigerzuordnung bei motorischem Betrieb, mit »0« im Leerlauf und mit »gen« bei genpratorischem Betrieb der Asynchronmaschine gekennzeichnet

In Fig.2 sind die Spannungen und der Strom J\ der Asynchronmaschine als zeitliche Liniendiagramrne mit den für eine als Beispiel gewählte 6pulsige Stromrichterschaltung charakteristischen 120°eI-langen Stromblökken aufgstragen. Man erkannt deutlich den Phasenversatz ψ 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 L₁₁ZR₂ erfolgen kann (Lt,= Hauptinduktivität, R₂ = Rotorwiderstand der Maschine). Diese Zeitkonstanten liegen zwischen ca. 100 ms bei kleineren Maschinen (ca. 5 kW) und 03-1,5 s bei größeren (200-500 kW). Steuert man nun die Phasenlage zwischen Strom und (Rotor-)Fluß oder, was in erster Näherung gleich kommt, zwischen Strom und Ständerspannung mit Hilfe des Umrichters, so lassen sich diese Zeitkonstanten überwinden. Es

braucht nur die Totzeit von — . — ^60° (bei einer

Frequenz f und einer 6pulsigen Schaltung des Stromrichters) abgewartet zu werden, bis der Phasenversatz der neuen Belastung entsprechend eingestellt ist.

In der F i g. 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 4. Es können jedoch auch mehrere para!';lgeschaltete 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 /i umgeformt wird. Im Spannungs-Frequenzumsetzer sei auci. die Impulsformung enthalten.

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

Die Vorrichtung zur Taktung des Wechselrichters 3 von der Maschine is· in F-" i g. 3 in der unleren Hälfte daigesiclli: Die Spannung der Maschine wird über den M) Trennwand^ 1 ? a'-!gegriffen, in einem Tilter 14 geglättet und ,ι.,' fin Niilldiirchgangserfassungsglied 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 zweitar Ordnung mit einem Phasenver* satz von ca. 0° für die Grundschwingung und nahezu

65 !80" für die Oberschv/ingungen 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 16 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 in dem Frequenzregler 7 nachgeschalteten Steuersatz IZ die Phasenlage der Wechselrichterimpulse verschieben. Diese Impulse können dann im oberen Drehzahlbereich der Asynchronmaschine über einen elektronisch Jn Umschalter 22 auf die Ziindanschlüsse der Wechserichterthyristoren geschaltet wei den.

Die Verschiebung der Impulse, also die Einstellung des Phasenwinkels φ erfolgt in Abhängigkeit sowohl von der Ausgangsspannung des Frequenzreglers 7 als auch des Spannungsreglers 6, wobei der Winkel φ in den Grenzen ψΝ_ίπηη,_οι und tpNemgcn begrenzt werden sollte (cpNennmot und ψΝεηηge* = natürliche Nennverschiebungswinkel der Maschine). Der Stromreg'er 9 erhält ebenfalls einen Anteil seines Sollwertes vom Frequenzregler 7. Direkt hinter dem Frequenzregler 7 kann auch ein Drehmomentenregler 25 geschaltet werden (gestrichelt angedeutet), wobei für das Drehmoment in erster Näherung das Produkt aus Stromistwert und dem cos (f der Maschine herangezogen wird, wenn sie mit konstantem Spannungs-Frequenz-Verhältnis betrieben wird.

Die Synchronisierung der Impulse vor dem Überfang von dem fremdgetakteten Betrieb in den maschinengetakteten Betrieb erfolgt durch einen Regler 19, der den Phasenfehler zwischen den beiden Impulsfolgen auf ein Minimum ausregelt. Das wird erreicht, indem der Ausgang des Reglers 19 auf den Steuersatz 12 zurückwirkt. Ist der Phasenfehler unter einem Maximalbetrag dm*, ausgeregelt, und liegt die Ausgangsspannung und Ausgangsfrequenz über einem einstellbaren Grenzwert (erfaßt durch die Kippstufen 20 und 23), so wird von der Synchronisierstufe 21 mittels des elektronischen Umschalters 22 auf den maschinengetakteten Betrieb umgeschaltet. Nach erfolgter Umschaltung wird der Einfluß dev Phasenreglers 19 auf den Steuersatz 12 abgeschaltet. Das erfolgt durch einen elektronischen Schalter 24. der von der Synchronisierstufe 21 betätigt wird.

Legende/u I'i ρ t

1 Net/Stromrichter

2 Zwischenkreisilr )ssrI

3 Maschinenstrom ,eh.rt-r

4 Asynchronmaschine

5 Sollwertpoteniiometer

6 Spannungsregler

7 Frequenzregler

8 Spannungsistwertgleichrichtef

9 Stromregler

Steuersatz für Netzstromrichter

11 Gleichstromistwerterfassung

12 Steuersatz für Maschinenstromrichter

13 Trennwandler

14 Filter

15 Spannungsnulldurchgangserfassurig

16 Dreiecksbildnef .

17 Ffequenz/Spännungsümsetzef

18 Spannungs/Frequenzumsetzer

19 Phasenregler

20 Kippstufe

21 Synchronisierstufe

22 Elektronischer Umschalter 23 Kippstufe

24 Elektronischer Schalter

25 Drehmofnentenregler

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Steuerung der Drehzahl einer Asynchronmaschine über einen Gleichstrom-Zwischenkreisumrichter, bestehend aus einem netzseitigen und einem maschinenseitigen, zwangskommutierten Stromrichter, mit einem Maschinenspannungsregler und einem diesem unterlagerten, den netzseitigen Stromrichter beeinflussenden Zwischenkreisstromregler, wobei die Asynchronmaschine mit einem angenähert konstanten Spannungs-Frequenzverhältnis betrieben ist und in einem unteren Frequenzbereich der maschinenseitige Stromrichter über seinen Steuersatz fremdgetaktet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in einem oberen Frequenzbereich die Taktung nach Frequenz und Zeitpunkt abhängig von der Spannung der Asynchronmaschine (4) als synchronisierendes Signal durchgeführt ist, wobei dieses Signal dem Steuersatz (12) vorgegeben ist und seine Phasenlage zur Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung der Asynchronmaschine (4) von den Ausgangssignalen eines Frequenzreglers (7) oder eines Frequenzreglers (7) mit nachgeschaltetem Drehmomentregler (25) und des Maschinenspannungsreglers

(6) bestimmt ist

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Zwischenkreisstromregler (9) zusätzlich das Ausgangssignal des Frequenzreglers

(7) oder des Drehmomentregiers (25) aufgeschaltet ist.

3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daC zum Synchronisieren die Spannung der Asynchronmaschine (4) mit einem Filter 2., 4. oder höherer ürdnf g (14) gefiltert wird und daß im gesamten oberen Frequenzbereich, die durch das Filter (14) bewirkte Phasenverschiebung für die Oberschwingungen entsprechend deren Ordnungszahl 180° oder ein Vielfaches von 180°, für die Grundschwingung jedoch 0° beträgt.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenwinke! zwischen Strom und Spannung der Asynchronmaschine (4) im Falle eines Überstromes im Zwischenkreis mit Hilfe des Steuersatzes (12) des maschinenseitigen Stromrichters (3) derart gesteuert wird, daß die maximal mögliche Gegenspannung des maschinenseitigen Stromrichters (3) auftritt.