DE2819789A1 - Verfahren und vorrichtung variabler struktur zur steuerung von asynchronmaschinen - Google Patents

Description

ENEEGOINVEST, OOUR Institut za automatiku i racunarske nauke IRGA., Ilidzanska cesta 109, 71000 Sarajevo, Jugoslawien und

Institut problem upravleni, Ulica profsojuznaja 81, Moskau, ITdSSR

Verfahren und Vorrichtung variabler Struktur zur Steuerung von Asynchronmaschinen

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung variabler Struktur zur Steuerung von Asynchronmaschinen. Spezieller betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung des Flusses, des Drehmomentes, der Winkelbeschleunigung, der Winkelgeschwindigkeit.und/oder der Winkelstellung des Rotors einer Asynchronmaschine, die von einem Umformer mit Schaltelementen gespeist wird. Das Verfahren und die Vorrichtung basieren auf Steuersystemen variabler Struktur und insbesondere auf der Einführung des Schlupfes (sliding mode) in das System mit diskreten Steuersignalen. Die Einführung des Schlupfes in die Betriebsweise des Steuersystems für die Asynchronmaahine, die durch einen Schaltelemente enthaltenden Umformer gespeist wird, ist sinnvoll, da die Umformerausgangsspannung Diskontinuitäten enthält, die Steueraktionen für die Induktionsmaschine darstellen. Gleichzeitig ermöglicht ein solches Konzept die Einführung einer Folge neuer und nützlicher Größen in dasSteuersystem.

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Bekannte Steuersysteme hatten einen Segler für den magnetischen Fluß und einen Drehmomentregler, die die Amplitude und Frequenz der Ausgangsspannung oder des Speisestromes der Asynchronmaschine änderten und folglich die Amplitude und die Frequenz des Motorstatorstromes änderten (vgl. Abraham Ludvig, "Verfahren zur Steuerung des von einer Asynchronmaschine abgegebenen Drehmoments, Licentia-Patent-Verwaltungs GmbH kl 21 224/02 H02 ρ 7/42 2Tr. 15 65 228). Der Kegler des magnetischen Flusses war ein PI-Regler und beeinflußte die Komponente des Statorstromes, die orthogonal auf der Richtung des magnetischen Flusses des Asynchronmaschinenrotors stand.

Die Regelung bzw. Steuerung der Winkelgeschwindigkeit des Rotors war auf indirektem Wege über einen PI-Geschwindigkeitsregler möglich, der den Eingang des PI-Drehmomentreglers beeinflußte. Das Eingangssignal des Geschwindigkeitsreglers war die Differenz zwischen dem Sollwert und dem von einem Meßwertumformer erhaltenen Ist-Wert. Wenn Spannungsinverter verwendet wurden, so wurden zur Errechnung des effektiven Sollwertes der kontinuierlichen Ausgangsspannung des Inverters Punktionsgeneratoren verwendet, die gemäß den Parametern der Asynchronmaschine eingestellt wurden.

Das aus der US-PS 5 824 437 (Felix Blaschke, "Method for Controlling Asynchronous Machines") bekannte Verfahren und System zur Steuerung erläutert die Sollwertsteuerung der orthogonalen Projektionen desStromvektors in einem Koordinatensystem, das in der Richtung des Rotorflußvektors, der den Modulus des Rotorflußvektormomentes und die Drehgeschwindigkeit des Rotors bestimmt, ausgerichtet ist. Zur Messung des Vektors des Rotorflusses wurden Meßwertumformer (z.B. Hall-Generatoren) für den magnetischen Fluß verwendet, was eine Spezialmaschine mit eingebauten Meßwertumformern erfordert. Daneben erlaubt diese

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Art von Eeglern für den Hgnetischen Fluß, das Drehmoment und die Drehgeschwindigkeit des Botors keine direkte Regelung der Winkel stellung, der Geschwindigkeit und Beschleunigung des Botors und erlaubt keine Verbesserung der dynamischen Prozesse des Steuersystems.

Die bekannten Verfahren zur Berechnung der orthogonalen Projektionen des Kotorfluß- und Drehgeschwindigkeitsvektors (vgl. CH-PS 472 146, Eelix Blaschke, "Einrichtung zur Istwertbildung für die Eegelung einer Drehstromasynchronmaschine") "basieren auf der Verwendung eines dynamischen Modells des Eotor- und Statorkreises der Asynchronmaschine, das auf der Basis der elektrischen Werte arbeitet, die mit der Spannung und den Strömen der Asynchronmaschine übereinstimmen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung von Asynchronmasäiinen anzugeben, die durch einen Umformer mit Schaltelementen gespeist wird.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung von Asynchronmaschinen, die eine schnelle und unabhängige Steierung des magnetischen STusses, des Drehmomentes oder der Winkelbeschleunigung, der Winkelgeschwindigkeit und der Winkelstellung des Maschinenrotors ermöglicht, sowie eine vollständige Wiedergabe der Sollwerte dieser Größen. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung liegt darin, ein Verfahren und eine Vomehtungzur Steuerung von Asynchronmaschinen vorzuschlagen, das die Verwirklichung der direkten Steuerung der Winkelbeschleunigung, der Winkelgeschwindigkeit und der Winkelstellung des Maschinenrotors ermöglicht.

Weiterer Gegenstand der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Asynchronmaschine anzuge-

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ben, das statische mid dynamische Regelfehler vermeidet.

Weiterer Gegenstand der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Asynchronmaschine anzugeben, das eine Invarianz der Charakteristiken des Steuersystems in bezug auf die Parameter der verwendeten Asynchronmaschine und des sie speisenden Umformers ermöglicht. Weiterer Gegenstand der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Asynchronmaschine anzugeben, die die Verwendung von Dehnungsmeß- und mechanischen Meßwertumformern und Meßwertumformern für den magnetischen Fluß vermeiden.

Weiterer Gegenstand der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Schaltelemente enthaltenden Umformers, der die Asynchronmaschinen speist, anzugeben.

Weiterer Gegenstand der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Umformers mit Schaltelementen, der eine Asynchronmaschine speist, anzugeben, und die Schaltelemente so auszubilden, daß Leistungsverluste in dem Umformer und der Asynchronmaschine verringert werden.

Der Zweck der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur wirksamen und zuverlässigen Steuerung von Asynchronmaschinen anzugeben, die durch Umformer mit Schaltelementen gespeist werden.

Die obigen Gegenstände der Erfindung werden durch die Verwendung von Steuersystemen variabler Struktur ausgestaltet. Das dynamische Verhalten solcher Systeme wird durch (inhomogene) Differentialgleichungen mit diskontinuierlicher rechter Seite beschrieben. Die Diskontinuität kann auf einem Satz von Flächen in einem Zustandsraum auftreten. Der Satz der möglichen konti-

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nuierlichen recliten Seiten (der Differentialgleichungen) ist der Satz der möglichen Systemstrukturen, während der Bereich der Teile der diskontinuierlichen rechten Seiten (der Differentialgleichungen) der Bereich des Strukturumschaltens (Schlujfbereiche) ist.

Die Theorie der Steuerungssysteme variabler Struktur analysiert die Bewegungen in solchen Systemen, gibt die Existenzbedingungen der Bewegung entlang der Strukturumschal-Öaereicheoder in dem Abschnitt einiger Flächen des sogenannten Schlupfes (sliding mode) an, der neue Größen, die nicht in den Strukturen enthalten sind, aufweist und gibt die Gleichungen und Charakteristiken der Bewegung bei dem Schlupf an. Der Zustandsraum, in dem das System beschrieben wird, kann, in einem speziellen Fall, der Koordinatenraum des Fehlersignals des Steuersystems und seiner Ableitungen sein oder der Baum der physikalischen Koordinaten des . Steuersystems, d.h. der entsprechenden Spannungen und Ströme, während die Diskontinuitäten der rechten Seiten der Differentialgleichungen eine Folge des Schaltcharakters des Steue rsignales sein kann.

Eine Synthese des Systems zur Steuerung einer Asynchronmaschine, das auf der Theorie von Steuersystemen variabler Struktur basiert, ermöglicht es, dem System neue Charakteristiken, die kein anderes S/stem hat, zu geben, was sinnvoll ist, da Schaltsignale in dem Umformer mit Schaltelementen, die das Speisesystem für die Induktionsmaschine darstellen, vorhanden sind.

Das Verfahren zur Steuerung der durch einen Umformer gespeisten Asynchronmaschine wird erfindungsgemäß dadurch ausgeführt, daß ein Steuersignal aus einem Satz von zwei möglichen kontinuierlichen Werten ausgewählt wird, die von dem Vorzeichen der Linearkombination der Differenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert

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der Winkelbeschleunigung, der Winkelgeschwindigkeit unlder Winkelstellung des Rotors der Asynchronmaschine abhängen, oder von dem Vorzeichen der Differenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert des Drehmomentes und dem Vorzeichen der Linearkombination des Istwertes und des Sollwertes des Rotorflusses der Asynchronmaschine und dessen zeitlicher Ableitung. Wenn bestimmte Bedingungen erfüllt sind, so werden die obigen Linearkombinationen gleich WuIl (Schlupf, sliding mode), was ermöglicht, das Drehmoment oder die Winkelbeschleunigung, die Winkelgeschwindigkeit und die Winkelstellung, und den Rotorfluß der Asynchronmaschine auf einem Sollwert zu halten. Die zeitliche Änderung der Heßwerte (Istwerte) des Drehmomentes oder der Winkelbeschleunigung, Geschwindigkeit und Stellung und des Rotorflusses nach Auftreten des Schlupfes (sliding mode) hängt nicht von den Parametern der Asynchronmaschine und des sie speisenden Umformern ab, sondern ist vollständig durch die Koeffizienten der obigen Linearkombination und durch die zeitliche Änderung der entsprechenden Sollwerte bestimmt.

Ein vorgeschlagenes Verfahren zur Steuerung von Asynchronmaschinen wird erfindungsgemäß dadurch realisiert, daß die Spannung jeder Umformerphase von einem Satz von zwei möglichen Werten so ausgewählt wird, daß die Vorzeichen der oben erwähnten Linearkombination entgegengesetzt zu den Vorzeichen der Linearkombinationen selbst sind.

Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren wird durch die Auswahl einer solchen Bedingung für die Umformerschaltelemente zu Jedem Zeitpunkt verwirklicht, daß die Vorzeichen der zeitlichen Ableitungen der Statorstromkomponenten der Asynchronmaschine in einem in Richtung auf den Rotorfluß der Asynchronmaschine ausgerichteten Koordinatensystem durch die Vorzeichen der obigen Linearkombinationen bestimmt werden. Wenn dies durchgeführt

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wird, so werden die Werte der Ableitungen der Statorstromkomponenten aus einem Satz von zwei möglichen Werten für jede Komponente ausgewählt, um sicherzustellen, daß die Vorzeichen der obigen Linearkombinationen und die zeitlichen Ableitungen der Statorströme entgegengesetzt sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren ausführlicher erläutert. Es zeigt:

Figur 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Figur 2 ein Blockschaltbild einer weiteren erfindungsgemässen Vorrichtung;

Figur 3 ein detaillierteres Schaltbild eines Teiles der in Figur Λ und 2 dargestellten Vorrichtungen;

Figur 4 ein Diagramm, das die Funktion der in Figur Λ und 2 dargestellten Vorrichtungen erläutert;

Figur 5 ein detaillierteres Blockschaltbild eines Umformers und ein Diagramm, das die Funktion der in Figur i dargestellten Vorrichtung erläutert4

Figur 6 ein detaillierteres Blockschaltbild der in Figur Λ dargestellten Vorrichtung und ein Vektordiagramm zur Erläuterung deren Funktion;

Figur 7 ein detaillierteres Blockschaltbild eines Teiles der weiteren in Figur 1 dargestellten Vorrichtung;

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Figur 8 ein vergleichendes Vektordiagramm, das die Funktion der zwei in Figur 6 und 7 dargestellten Vorrichtungen erläutert;

Figur 9 ein Vektordiagramm, das die Funktion der in Figur 2 dargestellten Vorrichtung erläutert;

Figur 10 ein detaillierteres Blockschaltbild eines Teiles der in Figur 2 dargestellten Vorrichtung;

Figur 11 ein detaillierteres Blockschaltbild eines Teiles der in Figur 2 dargestellten Vorrichtung;

Figur 12. ein detaillierteres Blockschaltbild eines Teiles der weiteren in Figur 2 dargestellten Vorrichtung;

Figur 13 ein detaillierteres Blockschaltbild eines Teiles der in Figur 12 dargestellten Vorrichtung und ein Vektordiagramm, das die Funktion der Vorrichtung erläutert;

Figur 14 ein detaillierteres Blockschaltbild eines Teiles der in Figur 12 dargestellten Vorrichtung;

Figur 15 ein Vektor- und Zeitdiagramm, das die Funktion der in Figur 12 dargestellten Vcurichtung erläutert;

Figur 16 ein detaillierteres Blockschaltbild eines weiteren Teiles der in Figur 12 dargestellten Vorrichtung;

Figur 17 ein detaillierteres Blockschaltbild eines weiteren Teiles der in Figur 12 dargestellten Vorrichtung;

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Figur 18 ein detaillierteres Schaltbild eines weiteren Teiles der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Vorrichtungen und ein Zeitdiagramm, das die Funktion der vorgeschlagenen Vorrichtung erläutert;

Figur 19 ein detaillierteres Blockschaltbild eines weiteren Teiles der in Figur 1 und 2 dargestellten Vorrichtung;

Figur 20 ein Vektor- und Zeitdiagramm, das die Funktion der in Figur 19 dargestellten Vorrichtung erläutert;

Figur 21 ein detaillierteres Schaltbild eines Teiles der in Figur 19 dargestellten Vorrichtung;

Figur 22 ein detaillierteres Blockschaltbild eines Teiles der in Figur 10 dargestellten Vorrichtung;

Figur 23 ein detaillierteres Schaltbild der in den Figuren 10 und 22 dargestellten Vorrichtungen;

Figur 24 ein detaillierteres Blockschaltbild eines wäteren Teiles der in Figur 10 dargestellten Vorrichtung;

Figur 25 ein detaillierteres Blockschaltbild eines weiteren Teiles der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Vorrichtungen ;

Figur 26 ein detaillierteres Blockschaltbild eines weiteren Teiles der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Vorrichtungen;

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Figur 27 ein detaillierteres Schaltbild eines Teiles der in Figur 26 dargestellten Vorrichtung;

Figur 28 ein detaillierteres Blockschaltbild eines weiteren Teiles der in Figur 1 und 2 dargestellten Vorrichtungen;

Figur 29 ein detaillierteres Schaltbild eines Teiles der in Figur 28 dargestellten Vorrichtungj

Figur 30 ein Blockschaltbild einer vorgeschlagenen Korrekturvxrichtung;

Figur 31 ein detaillierteres Schaltbild der in Figur 30 dargestellten Korrekturvorrichtung und

Figur 32 ein detaillierteres Blockschaltbild einer weiteren in Figur 30 dargestellten Korrekturvorrichtung.

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Zum besseren Verständnis sind die Bezugs zeichen der in den aufgelisteten figuren dargestellten Blöcke durch den gesamten folgenden Text hindurch einheitlich beibehalten. Ebenso die Numerierung der Eingänge und Ausgänge der Blocks und die Buchstabenbezeichnung der Signale.

Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Steuerung einer Asynchronmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Ausgangsspannung eines Umformers 1 wird einem Block 2 zugeführt, der eine Breiphasenasynchronmaschine (Block 3) enthält und Blocks zur Erlangung von Informationen über das Drehmoment Π (Block 4), die Winkelstellung Q des Rotors (Block 5), die Geschwindigkeit H (Block 6), die Beschleunigung ε (Block 7), die Große dee magnetischen Flusses des Rotors (das Quadrat des Flußvektormodulus) §(Block 8) und dessen zeitliche Ableitung E (Block 9)t die Vektorkomponenten des magnetischen Flusses in einem stationären orthogonalen Koordinatensystem §^ und ia (Block 10). Die Blocks zum Erhalten der Information 4, 5, 6, 7, 8, 9* 10 können Meßwertumformer für korrespondierende Größen enthalten, z.B. Dehnungsmeßstreifen, Drehmomentwandler, Winkelgeschwindigkeitsmeßwertumformer, Hall-Generatoren, sonstige bekannte Vorrichtung zum Errechnen entsprechender Größen oder einen der nachfolgend beschriebenen Blocks zum Errechnen korrespondierender Größen.

Der Konverter 1 enthält Schaltelemente und kann ein Transistorleistungsechalter, ein Thyristorinverter, ein mechanischer oder sonstiger Umformer sein, der eine Spannung +Uo, -Uo in eine Dreiphasenwechselspannung U_ß, Ug, U₅, umwandelt, so daß zu Jedem Zeitpunkt eine der Ausgangsphasen des Umformers 1 mit einem der Anschlüsse +Uo oder -Uo der Eingangsspannung des Umformers verbunden ist und zwar abhängig von dem Vorzeichen von Ein-Aus-Steuersignalen U|, Ug, Ü*_T. Die Ein-Aus-Signale werden in einem Block 12 gebildet, in Abhängigkeit von der Stellung des Fluß-

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vektors des Rotors (Komponenten ^ und L·) und schalten Funktionen der Struktur S^ und S₂ um, die in einem Block 11 als Linearkombinationen der Differenzen zwischen gemessenen Werten und Sollwaben des Drehmomentes M und 11*, der Winkelstellung des Rotors θ und Θ*, der Winkelgeschwindigkeit des Rotors N und N*, der Winkelbeschleunigung des Rotors £ und £*, der Rotorflußgrößen § und §* und deren zeitlicher Ableitungen £ und E* gebildet werden.

Figur 2 zeigt ein Blockschaltbild einer weiteren Vorrichtung zur Steuerung einer Asynchronmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung. Im Gegensatz zu den oben erwähnten Blocks 1 bis 10 enthält die in Figur 2 dargestellte Vorrichtung zur Steuerung folgendes: einen Block zum Erhalten von Informationen über die Komponenten des gemessenen Statorstromes der Asynchronmaschine J_x^ und Iß in einem stationären Koordinatensystem(Block 13); einen Block 14, der die Komponenten des Stator-Soll-Stromvektors I£ und I£ in einem stationären System; einen Block 15, der Relais-Signale Ug, Ug, U£ bildet, wobei die Differenz zwischen den Sollwerten und den gemessenen Werten der Komponenten des Statorstromes der Asynchronmaschine der Umformer 1 gesteuert wird. Der Block 13 kann einen Meßumformer der Phasenströme R, S, 2? des Stators der Asynchronmaschine 3 enthalten, z.B. mit Widerständen, Hall-Generatoren oder bekannten Einrichtungen zur Bildung von Komponenten eines zweidimensional en Vektors des Statorstromes einer Asynchronmaschine in einem stationären Koordinatensystem· Die Blocks 15« 1« 3 und 13 bilden einen Regelkreis für nachfolgende Sollwerte I& und 1$ der Komponenten des Stromvektors der Asynchronmaschine.

Figur 3 zeigt eine detailliertere Ansicht des Blocks 11, der die Umschaltfunktionen der Struktur bildet. Der Block 11 enthält: einen Block 16, der die Umschaltfunktion der Struktur S^ bildet, die die Summe der Differenzen zwischen den gemessenen

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und den Sollwerten des magnetischen Flusses $ und φ* des Ro tors und deren zeitlichen Ableitungen E und E * ist; einen Block 17« der eine Linearkombinatiön der Differenzen zwischen dem gemessenen Vert und dem Sollwert der Winkelstellung θ und Θ* des Rotors, der Winkelgeschwindigkeit N und TS* und der Win kelbeschleunigung «£ und £* bildet; einen Block 18, der die Differenz zwischen dem gemessenen Wert und dem Sollwert des Drehmomentes H und H* bildet; einen Schalter S₁ der die Um- schaltfunktion der Struktur S₂ bildet, die gleich dem Ausgangssignal des Blockes 17 oder 18 ist in Abhängigkeit davon, welche Größe gesteuert wird, das Drehmoment, oder die Winkelparameter des Rotors der Asynchronmaschine · Auf diese Weise wird die Strukturumschaltefunktion S₁ und S₂ in dem Block 11 wie folgt gebildet:

S- £♦ + C₂ (H-N*) + C₅ (Θ - Θ*)

2 —j oder

M-M*

Figur 4 zeigt die Vektoren der Geschwindigkeitsänderung der Strukturumschaltfunktion ds/dt - (ds^/dt, dSg/dt) in der Ebene (S₁, S )· Es sei angenommen, daß die Ebene (S₁, S₂) ein Gebiet umgibt, das durch die Ungleichungen JS₁^A₂ oder JS^A₂ ge bildet ist und dass z.B, durch die Werte der Hysterese A₁ und Δ? der Elemente, die die Strukturen umschalten, begrenzt ist, wobei der Vektor der Geschwindigkeit ds/dt in Richtung auf den Ursprung des Koordinatensystems gerichtet ist, d.h.:

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^Ö1 SF" * ^υ

dS₂ (2)

S₀ < O

^d dt

Die Gleichung (2) ist die Bedingung für die Existenz einer Schlupf art (sliding mode) in den in den Figuren 1 und 2 dargestellten Steuersystemen. Wenn die Bedingung (2) in dem gesamten Bereich der Werte S^ und S₂ erfüllt ist, die bei dem Prozess des Funktionierens des Steuersystems realisiert sind, dann ist diese Bedingung ausreichend, daß ein Phasenpunkt in die Nähe des Ursprungs des Koordinatensystems (A₁, Δ₂) fällt, d.h. in den Bereich der "echten" Schlupfbewegung in dem Abschnitt der Ebenen S₁ = 0 und S₂ « O. Die Erfüllung der Gleichung (2) muß durch eine Änderung der Struktur des Steuersystems sichergestellt sein, d.h. durch ein entsprechendes Umschalten der Elemente des Umformers 1. Bei einem Schlupf kann der Punkt mit den Koordinaten(S₁, S₂) offensichtlich nicht in der Nähe des Koordinatenursprunges (S₁, S₂) bleiben, so daß die Größen S₁ und S gleich Null mit Sicherheit oberhalb der Größen A ₁ und A> bleiben. Das Gesetz der Änderung der gesteuerten Größen wird durch Differentialgleichungen angegeben in bezug auf die Differenzen zwischen den Meßwerten und den Sollwerten des Botorflusses, der Winkelstellung des Eotors und des Drehmoments:

S₀ β 0 = oder /^

M-M*

Die Gleichung (3) wird durch Nullsetzen der Ausdrücke für die Ums ehalt funkt ionen der Struktur (1) erhalten und durch eine

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Substitution E - df/dt, N = dö/dt, 6 - d^/dt². Es sei darauf Hingewiesen, daß die Bewegungsgleichungen des Steuersystems bei der Schlupfart nicht von Parametern der Asynchronmaschine und dem Leistungsumf ormer abhängen, aber daß sie durch die Koeffizienten Cj, C₂, Cz bestirnt wird, die entsprechend der gewünschten Eigenschaft des Prozesses in dem Steuersystem ausgewählt werden kann und entsprechend dem Umfang der zu lösenden Probleme· Beispielsweise wenn die Rotorwinkelparameter gesteuert werden, sofern C₂ » Q-, = 0 gewählt ist, erhält man ein System zur Steuerung der Hotorwinkelbeschleunigung, mit C₂ = 0, C, - 0 ein System zur Steuerung der Winkelgeschwindigkeit und mit C₂, Cz * 0 ein System zur Steuerung der Winkelstellung.

Bei Verwendung der bekannten Differentialgleichungen für eine ▲Synchronmaschine und mit zeitlicher Differenzierung der Gleichung (1) kann man erhalten:

$Ud

(4) $Uq

Ί 1 wobei fJ, fo stetige "Funktionen der Koordinaten des Systems sind: Stator-und Botorströme der Asynchronmaschine, Winkelgeschwindigkeit des Rotors, korrespondierende Soliwerte und Parameter der Maschine, Rs, Rr, Lr, Ls, Id, Lh, als reduzierte Stator- und Rotorwiderstände, Stator- und Rotorinduktivität und Gegeninduktivität, weiter das reduzierte Rotorträgheitsmoment und die Last J, der reduzierte Streukoeffizient

J, λ Lh^{2 1}

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Ud, Uq als Projektionen des Spannungsvektors der Asynchronmaschine in Richtung auf den Plußvektor des Rotors ±n orthogo-

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naler Richtung; K^, K₂, als konstante positive Koeffizienten, die durch die Parameter der verwendeten Asynchronmaschine bestimmt werden.

Es ist ersichtlich, daß zur Erfüllung der Bedingung der Existenz eines Schlupfes (2), es ausreichend ist, den Zustand von Schaltelementen des Leistungsumformers, der die Asynchronmaschine speist, so auszuwählen, daß die Vorzeichen der zeitlichen Ableitung der Strukturumschaltfunktionen dS^/dt und dSp/dt nicht von der Größe und den Vorzeichen der Funktionen ti und f₂ abhängen, die in den Gleichungen (4) enthalten sind, sondern nur von den Vorzeichen der Komponenten des Speisespannungsvek-

während tors Ud und Uq der Asynchronmaschine, / die Vorzeichen der Komponenten Ud und Uq mit den Vorzeichen der Strukturumschaltfunktionen S^ und S₂ übereinstimmen. D.h.:

sgn Ud a sgn S*

^η (5)

sgn Uq β sgn

Ud >\t\ \ /κ]

(6)

Auf düse Weise ist es zur Erfüllung der Bedingung der Existenz eines Schlupfes (2) in dem Steuersystem der Asynchronmaschine ausreichend, den Zustand von Schaltelementen des die Asynchronmaschine speisenden Umformers so zu wählen, daß die korrespondierenden Projektionen Ud, Uq des Speisespannungsvektors im Vorzeichen mit den Strukturumschaltfunktionen S^, S₂ (Gleichung 5) übereinstimmen. Die Werte der Projektionen des Speisespannungsvektors müssen die Ungleichung (6) erfüllen·

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Figur 5a zeigt ein konkreteres Blockschaltbild des die Asynchronmaschine speisenden Umformers. Schalter K^, K_p und K₃. verbinden die Ausgangsanschlüsse der Phasen R, S, Q? mit Eingangsanschlüssen +1S_Q oder -U in Abhängigkeit von den Vorzeichen von Steuersignalen U^, U| bzw. U£, so daß Aus gangs signale U_R, U_ß, U^ des Konverters als proportional mit den Steuersignalen angesehen werden können.

Figur 5b zeigt mögliche Lagen von Versorgngsspannungsvektoren U,p U₂, U₂., Üjp ÜV, Ug in einem stationären Koordinatensystem (0C,/3 ), die mit den möglichen Stellungen der Schalter K,., Kp, K? nnd mit Phasenrichtungsvektoren e_R, e_s, e^ der Maschine zusammenhängen. Figur 5b zeigt ebenso die momentane Lage des Rotorflußvektors $ und den hierzu senkrechten Vektor j$ , der mit dem umlaufenden Koordinatensystem (d, q) verbunden ist. Die beiden letzten Vektoren teilen die Ebenen Ο^,β) und (d, q) in vier Quadranten, die mit den möglichen Vorzeichenkombinationen der Strukturumschaltfunktionen S^ und Sp korrespondieren.

Zur Erfüllung der Bedingung der Existenz eines Schlupfes (5), ist es nötig, eine solche Kombination von Relais"Steuersignalen Ul, Ui, U£ so auszuwählen, daß der Vektor der Speisespannung in dem Quadranten liegt, der durch die Vorzeichen der Strukturumsehaltfunktionen S^ und Sp bestimmt ist, nämlich für S_/->0, So>0 ausgewählte Steuersignale Ui, U*_s, Ui, die mit dem Speisespannungsvektor U₂ korrespondieren; für S^<0, S₂> 0 die Speisespannungsvektoren U,- oder U^; mit S^<0, S₂<£0 der Speisespannungsvektor Uc, mit S^ 0, S₂ <0 die Speisespannungsvektoren Ug oder U^.

Figur 6a zeigt ein detaillierteres Blockschaltbild des Blocks 12 des in Figur 1 dargestellten Steuersystems für die Asynchronmaschine. Der Block 12 enthält einen Relaiselementeblock 19, an dessen Eingang die Ausgangssignale des Blocks 11, der

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die Strukturumschaltfunktionen S^ und S₂ bildet, angelegt werden. Weiterhin enthält der Block 12 einen Schaltelementeblock 20, dem an die nicht invertierenden und invertierenden Eingänge von Schaltelementen K₂, K₂, K* und K^ die Rotorflußvektorkomponenten <Pcg bzw. §p angelegt werden, wobei die Schalter durch Relaissignale von Ausgängen des Blocks 19 gesteuert werden. Ausgangssignale des Blocks 20 werden einem Block 21 zugeführt, der die Projektionen der beiden Eingangssignale als Komponenten eines zweidimensionalen Vektors in einem stationären Koordinatensystem senkrecht zu den Phasen e™, e_g, e_T der Asynchronmaschine errechnet. Drei Ausgangssignale des Blocks 21 werden Eingängen eines Relaiselementeblocks 22 zugeführt, deren Ausgangs signale gleichzeitig die Ausgangssignale des Blocks 12 sind, so daß sie als Steuersignale U^, Ug, U^ zur Steuerung des Umformers 1, der die Asynchronmaschine speist, dienen.

Figur 6b zeigt ein Diagramm der möglichen gleichzeitigen Spannungswerte an den Ausgängen 5 und 6 des Blocks 20, die mit U£ und UX bezeichnet sind und als Vektorkomponenten UJ, UX, Ui, Ui anzusehen sind, die mit den vier möglichen Vorzeichenkombinationen der Ausgangssignale des Relaiselementeblocks 19 übereinstimmen, zur Steuerung der Schalter K₁-, Kp, K^, K* des Blocks 20 in dem Orthogonal system e_R, e_s, e_T der Phasen E, S, 3? der Asynchronmaschine, die in dem Koeffizientenblock 21 errechnet wurden.

Ein Koeffizient K der Aus gangs signale der Schalter K und K_A sollte der Bedingung 1/ \/3 <K<|^3 genügen. Ist diese Bedingung zu irgendeinem Zeitpunkt erfüllt, so ändert eines der Eelaisausgangssignale des Blocks 12 sein Vorzeichen, wenn das Vorzeichen der Umschaltfunktion S,- geändert ist (unter Berücksichtigung der Hysterese der Relaiselemente des Blocks 19)» und die anderen beiden Ausgangsrelaissignale des Blocks 12 ändern ihre Vorzeichen mit dem Wechsel des Vorzeichens der Umschaltfunktion

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S2 (ebenfalls unter Berücksichtigung der Hysterese der Relaiselemente des Blocks 19)» oder entsprechend umgekehrt. Folglich wird, abhängig von der momentanen Lage des Rotorflußvektors der Schalter einer Phase des Umformers 1 durch das Vorzeichen der Strukturumsehaltfunktion S^ (oder S₂) gesteuert und der Schalter der beiden anderen Phasen durch das Vorzeichen der Strukturumschaltfunktion So (oder S^).

Figur 7 zeigt ein Blockschaltbild einer anderen Organisation des Blocks 12, die gemäß der Erfindung für das in Figur 1 dargestellte Steuersystem einer Asynchronmaschine vorgeschlagen wird. Der Block 12 besteht hierbei aus folgenden Teilen: zwei Blocks 21 zur Errechnung der Projektionen der Eingangs signal vektoren auf die Einheitsvektoren der Phasen e_fi, e_g* e^ der Asynchronmaschine, wobei die Komponenten des Rotorflußvektors J^ und §q den entsprechenden Eingängen eines der Blocks 2i zugeführt werden und die Signale ^a und -§£ den entsprechenden Eingängen des anderen Blocks 21; einen Block 25 mit Multiplizierern 1, 2, 3, 4, 5» O₁ deren Eingängen die Ausgangssignale von den zwei Blocks zur Errechnung der Projektionen auf den Phasensenkrechten e-o» eg, e™, zugeführt werden und Ausgangssignale des Blocks 11, die die Funktionen S^ und Sp bilden; die Ausgangssignale der Multiplizierer 1, 2, 3, 4, 5» 6 werden mit Eingangssignalen eines Blocks 24, der einen Integratorblock enthält, summiert; weiterhin enthält der Block 12 einen Block 23, der aus drei Relaiselementen mit Hysterese besteht, zu deren Eingänge Ausgangssignale eines Multipliziererblocks 25 geleitet werden. Die Ausgangssignale des Relaiselementeblocks 23 sind gleichzeitig Ausgangssignale des Blocks 12 und damit die Signale Ug, UjJj, U^ zur Steuerung des die Asynchronmaschine speisenden Umformers 1. An die Eingänge des Blocks 24, der einen Integrator enthält, wird die Summe der Relaissignale U|j, U^, und U^ zugeführt.

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Die Blocks 21 zur Errechntang der Projektionen der Eingangsvektoren auf die Einheitsvektoren e_R, eg, em realisieren zusammen mit dem Multiplxziererblock 25 und dem Block 24, dessen Ausgangssignal mit S, bezeichnet wird, eine kontinuierliche, nicht-singulare Transformation von Funktionen S_ß, Sg, S_m, die die Ausgangssignale des Blocks 25 darstellen. Sofern die Koeffizienten der Transformation so sind, wie in Figur 7 dargestellt, so erfüllen die Ausgangssignale des Blocks 25 die folgenden Differentialgleichungen:

RO O

dt ^Ί ^ ' ^K

ffs _{β f} 2 _K2

dt ²

^dsm ρ ρ . /"" "'

J· _ -pt- Tf-ci ι/τ τ» fn\

dt ⁵ M ^L

2 2 2 2

wobei f^, f₂, f, kontinuierliche Funktionen sind und Κξ ein von den Parametern der verwendeten Asynchronmaschine abhängender Koeffizient. Die Spannungen U_R, Ug, U_m sollten die Bedingung einer Schlupfexistenz erfüllen, d.h.:

Eine Koinzidenz der Vorzeichen der Spannungen U_R, U_g, U_T mit den Vorzeichen der relevanten Funktionen S_R, S_g, S_m wird durch den Relaiselementeblock 23 sichergestellt, der die Signale zur Steuerung des Umformers bildet. Auf diese Weise stellt der

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Block 12, der erfindungsgemäß vorgeschlagen und in Figur 7 dargestellt wurde, den Schlupf in dem Abschnitt der drei Strukturumschal t gebiete Sg=O, Sg=O, S^v=O sicher. Die Größen S , Sg, S^, sind "bei einem Schlupf (sliding mode) mit einer Genauigkeit bis zu der Strukturumschaltung des Steuersystems gleich Null (Umschalten der Ausgangsphasenspannungen des die Asynchronmaschine speisenden Umformers). Aufgrund des nicht-singularen Charakters der in den Blocks 21 und 25 ausgeführten Transformation sind die Punktionen S^, S₂, S^ ebenfalls mit einer Genauigkeit bis zu dem Wert der Hysterese gleich Null. Bei einem Schlupf wird die gewünschte Art des Prozesses der Steuerung der Asynchronmaschine durch Auswahl der Koeffizienten der Linearkombination (3) früher erreicht· Ein Gleichnullsetzen der Größe S, - dem Ausgangssignal des Blocks 24, der einen Integrator mit einer Genauigkeit bis zu dem Hysteresewert enthält - bedeutet Gleich nullsetzen der mittleren Summe (mit einer Genauigkeit bis zu Hochfrequenzkomponenten) der drei Signale zur Steuerung des Umformers Uj|, Ug, Ujjj oder der diesen proportionalen Signale, d.h. der Ausgangssignale der Phasen U_R, Ug, U^ des die Asynchronmaschine speisenden Umformers. Auf diese Weise sorgt der in Figur 7 dargestellte Block 12 für die gewünschte Art der Änderung des Rotorflusses der Asynchronmaschine, des Drehmomentes, oder der Winkelstellung, der Winkelgeschwindigkeit und der Winkelbeschleunigung des Rotors in dem in Figur 1 dargestellten System zur Steuerung einer Asynchronmaschine und stellt sicher, daß die Ausgangsspannung des die Asynchronmaschine speisenden Umformers im Mittel eine Dreiphasenspannung ist.

Figur 8 zeigt ein Diagramm der möglichen Effektiyspannungen, die die Asynchrofinaschine in dem in der Figur 1 dargestellten Steuersystem speisen» Wenn der in Figur 6 dargestellte Block 12 zum Bilden des Signals, das den Umformer 1 steuert, verwendet wird, dann kann der Vektor der effektiven Speisespannung der Asynchronmaschine einer der Vektoren in dem hexagonalen Gebiet U^, Up,

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^U3» ^U4» ^Ü5> % ^sein· ^{Wenn der in} ^igar 7 dargestellte Block 12 zur Bildung der den Umformer 1 steuernden Signale verwendet wird, so kann der Vektor der effektiven Speisespannung der Asynchronmaschine einer der Vektoren in dem Kreis mit dem Radius U

(schraffierter Kreis in Figur 8), der vollständig innerhall) des hexagonalen Gebietes U₁, U₂, U,, U^, U₁-, Ug liegt. Die Verkleinerung des möglichen Bereiches der Werte des Vektors der effektiven Speisespannung der Asynchronmaschine wird dadurch erklärt, daß die Bedingung der Dreiphasenausgangsspannungen des Umformers, die die Asynchronmaschine speisen, "im Mittel" erfüllt ist.

Es sei darauf hingewiesen, daß in einem stationären Zustand mit konstanter Winkelgeschwindigkeit/des Eotors und konstantem Lastdrehmoment M_T der Asynchronmaschine die in den Gleichungen (4)

1 1
enthaltenen Punktionen f J und 1~ konstant sind. Dementsprechend sind die Komponenten Ud und Uq des Spannungsvektors bei einem Schlupf (sliding mode) ebenfalls "im Mittel" konstant (mit einer Genauigkeit bis hin zu dem Wert der Hochfrequenzkomponente), während die Komponenten der Vektoren der Spannung Uq*. und U^,der Ströme I_a und Ιλ und des Flusses f_a und |a der Asynchronmaschine in einem stationären Koordinatensystem Sinusfunktionen sind. Allerdings weisen die "Mittelwerte" der Ausgangsphasenspannungen des die Asynchronmaschine speisenden Umformers bei Verwendung des Blockes 12 zum Bilden der Signale, die den in Figur 6a dargestellten Umformer steuern, keine harmonischen Funktionen auf. Gleichzeitig sind die in den Gleichungen (7) enthaltenen Funktionen fi, f|, ft unter den gleichen Bedingungen des stationären Zustandes wie die oben erwähnten Bedingungen, harmonische Funktionen. Also ist bei Verwendung des in Figur 7 dargestellten Blocks 12 zur Bildung der den Umformer steuernden Signale bei einem Schlupf "der Mittelwert" (mit einer Genauigkeit bis zu dem Wert der Hochfrequenzkompönente) der Ausgangsphasenspannungen des Umformers U_ßj U_ß, U^, ebenfalls eine harmonische Funk-

0O985O/O6aO

Venn die geregelte Energieversorgung zum Speisen der Asynchronmaschine verwendet wird oder eine Spannungsversorgung mit einer Rückkopplung zur Steuerung des Statorstromes der Asynchronmaschine, so kann der Schlupf (sliding mode) des Steuersystems durch Auswahl der Ableitung der korrespondierenden Statorstromkomponenten der Asynchronmaschine aus zwei Sätzen möglicher Verte sichergestellt werden.

Bei Verwendung der bekannten Differentialgleichungen der Asynchronmaschine und Differenzieren der Gleichung (1) erhält man:

dS. , , dl*
^dt dt

^2 _f5 _K3 ^dId

dt ^{2 1} dV (9)

wobei f^ und f~ kontinuierliche Funktionen der Bedingungen der

5 5

Asynchronmaschine sind und die Systemstörgrößen K^, K~ konstante positive Koeffizienten sind, die durch die Parameter der Asynchronmaschine bestimmt werden. dl|/dt und dl*/dt sind Ableitungen der Komponenten des Statorstromes der Asynchronmaschine in einem orthogonalen Koordinatensystem, das in der Richtung des Rotorflußvektors ausgerichtet ist. Aus den Gleichungen (9) folgt, daß die Bedingung/für die Existenz eines Schlupfes in dem Steuersystem der Asynchronmaschine in Abhängigkeit von dem Vorzeichen der Strukturumschaltfunktionen S* und Sg erfüllt werden kann, wenn die Komponenten dl^/dt und dl*/dt folgende Bedingungen eafiillen:

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- 41 -

dlt

sgn = sgn S^,

dt ^Ί

dl*

sgn —3· = sgn S_P (10)

dt ^

dt

(11)

Zur Erläuterung der Arbeitsweise der Vorrichtung zur Steuerung der Asynchronmaschine, die in Figur 2 dargestellt ist, zeigt Figur 9 ein Diagramm der möglichen Lagen der Vektoren dIVdt, dlVdt, die aus den zeitlichen Ableitungen der Komponenten der Statorströme der Asynchronmaschine in einem Koordinatensystem bestehen, das an den Rotorflußvektor §gebunden ist, der mit den möglichen Vorzeichenkombinationen der Strukturumschaltfunktionen S^ und Sp zusammenhängt.

Figur 10 zeigt ein weiter ausgeführtes Blockschaltbild des Blocks 14 der Vorrichtung zur Maschinensteuerung, mit einer inneren Schleife für die Statorströme, die in Figur 2 dargestellt ist. Der Block 14 zum Bilden der Sollwerte der Statorströme der Asynchronmaschine enthält folgendes: einen Block 19 oder Relaiselemente mit Hysterese, an deren Eingang das Ausgangssignal des Blocks 11, der die Strukturumschaltfunktionen S^j und S₂ bildet, angelegt ist; zwei Blocks mit Integriere relementen 26 und 27, an deren Eingänge die Ausgangssignale des Relaiselementeblocks 19 gelegt werden; einen Multipliziererblock 28, an dessen Eingänge die Ausgangssignale der Integriererelementeblocks 26 und 27 und die Rotorflußvektorkompo-

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nenten φ^ und $a in einem stationären Koordinatensystem gelegt werden; die Ausgangssignale des Multipliziererblocks 28 sind die Komponenten ]£ und I* des Sollstrome* des Stators der Asynchronmaschine in einem stationären Koordinatensystem und werden dem Block15 zugeführt, der in der Vorrichtung für die Statorströme der Asynchronmaschine enthalten ist. (Vgl. Figur 2.) Die Ausgangssignale der Integriererelementeblocks 26 und 27 sind die Komponenten IS bzw. I* des Statorsollstromes in einem Koordinatensystem, das sich mit dem Eotorflußvektor der Asynchronmaschine zusammen dreht. Der Multiplizierdblock 28 verwirklicht die Transformation der Komponenten I£ und I* in das stationäre Koordinatensystem (pc,^S), mit einer Genauigkeit bis zu dem Multiplikator des Modulus des Rotorflußvektors der Asynchronmaschine. Da der Eotorfluß der Asynchronmaschine in der Praxis in einigen Fällen auf dem Sollwert $* = konst. gehalten wird, ist diese Multiplikation nicht notwendig und kann durch Auswahl der Verstärkungskoeffizieten für korrespondierende Grossen berücksichtigt werden.

Figur 11 zeigt ein detailliertes Blockschaltbild des Blocks 15, der die Signale U|, Ug", U^ zur Steueiung des Umformers in dem in Figur 2 dargestellten Steuersystem zeigt. Der Block 15 besteht aus folgenden Teilen: einem Block 21 zum Errechnen der Projektionen V₀₀ und V^ des Vektors, der aus der Differenz zwischen den Komponenten der gemessenen Werte und der Sollwerte des Statorstromes der Asynchronmaschine in einem stationären Koordinatensystem aus den Einheitsvektoren β_ρ, e«, e™ der Asynchronmaschine zusammengesetzt ist. Ein Block 23 von Relaiselementen mit Hysterese, an dessen Eingänge die Differenzen zwischen den entsprechenden Ausgangssignalen des Blocks 21 zum Errechnen der Vektorprojektionen und des Ausgangssignals eines Blocks 24- angelegt werden. Der Block 24 besteht aus einem Integriererelement, an dessen Eingang die Summe der Ausgangssignale U£, Ujt, Um angelegt werden. Die Aus gangs signale des Blocks

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15, d.h. die Signale, die den die Asynchronmaschine speisenden Umformer steuern, sind die Ausgangssignale des Relaiselementeblocks 23.

Die Eingangs signale des Relaiselementeblocks 23» die mit S,,, S_{ Sm bezeichnet sind, wenn die Werte der Koeffizienten so sind, wie in Figur 11 dargestellt, werden durch die folgenden Differentialgleichungen bestimmt:

dS_p 4 ₄ dt \ έ Ά

^ - 4 - 4 *s

dt 22s

-£ = ά - 4 υ_φ (12)

dt ° * ^L

wobei fλ , f ο und f? kontinuierliche Funktionen sind und die Größe Kp ein konstanter positiver Koeffizient, der durch die Parameter der Asynchronmaschine bestimmt ist. Unter diskreter Variation der Größen U_R, U_g, U^, wird in dem Gleichungssystem (12) ein Schlupf (sliding mode) in dem Abschnitt der Gebiete Sj, = 0, So = 0, Sg, = 0, sofern die folgenden Bedingungen für dessen Existenz erfüllt sind:

sgn U_R = sgn S_R sgn Ug = sgn Sg sgn ϋ_φ = sgn S,p (13)

8098&0/06JO

1*1/4

A 1 y^4

/4

Bei einem stationären Zustand, bei dem die Winkeldrehgeschwindigkeit des Rotors und das Lastdrehmoment der Asynchronmaschine kon-

4 4 4

stant ist, sind die Funktionen f^, f2» f*, die in den Gleichungen (12) enthalten sind, sinusförmige Punktionen. Polglich gehorchen bei einem Schlupf (sliding mode) die Ausgangsphasenspannungen des die Asynchronmaschine speisenden Umformers ebenfalls dem sinusförmigen Gesetz (sofern der in Figur 11 dargestellte Block 15 zur Bildung der Signale zur Steuerung der Änderung des Umformers "im Mittel" verwendet wird, mit einer Präzision bis hinauf zu der Hochfrequenzkomponente). Wenn die Sinusförmigkeit der "Mittelwerte" der Umformerphasenspannungen nicht obligatorisch ist (z.B. wenn die MascÜnenwicklungen ohne den Nulleiter verbunden sind),dann können, unter Weglassen der Integralbedingung der ein Dreiphasensystem bildenden Ausgangsspannungen des Umformers, die Leistungsindizes des gesteuerten elektrischen Antriebes durch Verringerung der Anzahl der Kommutierungen des Umformerschalters verbessert werden. Die anderen iunktionalen Charakteristiken des Steuersystems bleiben gleichwohl erhalten.

Figur 12 zeigt ein Blockschaltbild eines anderen in Figur 2 dargestellten Blocks 15, der die Signale UÄ, US, UÄ für das Umformersteuersystem bildet. Dieser Block realisiert den Steueralgorhythmus mit einer minimalen Anzahl von Umformerkommutierungen· Der Block 15 besteht aus folgenden Teilen: einem Block 29» der die Steuersignale U^, Ug, U£ bildet, an dessen Eingang die Signale der Differenz zwischen den Komponenten der gemessenen Werte und der Solwerte der Statoeströme der Asynchronmaschine in einem stationären Koordinatenystem und Relaissignalen A, B,

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C, D, E, F (die in einem Block 30 gebildet werden), die die Phase des Umformers bestimmen, wenn der Schalter in einer festen Stellung ist. Der Block 15 besteht weiterhin aus einem Block 30, der die Signale zur Auswahl derjenigen Umformerphase bildet, bei der zu einem vorgegebenen Zeitpunkt kein Umschalten erfolgt, wobei an den Eingang des Blocks 30 Signale von einem Block 31 angelegt werden. Der Block 15 enthält weiterhin einen Block 31, der die Komponenten U^ und Ui der effektiven Speisespannung der Asynchronmaschine in einem stationären Koordinatensystem berechnet, wobei an Eingänge des Blockes 31 die Signale U£, US, U^ zur Steuerung des in Figur 12 dargestellten, die Asynchronmaschine speisenden Umformers zugeführt werden, wobei der Block 31 in einem offenen Steuerkreis verwendet werden kann. In diesem Falle müssen die Ausgangssignale U£ und U| des Blocks 30 die Komponenten der gewünschten Speisespannung der Asynchronmaschine sein, die von der Einrichtung zur Festlegung der Spannung erhalten werden. Weiterhin enthält der Block 15 Eingangssignale eines Blocks 32, der den Integralfehler des Sollwertes und des gemessenen Wertes der Speisespannung der Asynchronmaschine berechnet, die in Figur 12 in gestrichelten Linien dargestellt ist.

Figur 13a zeigt ein detaillierteres Blockschaltbild des Blocks 30, der in dem in Figur 12 dargestellten Block 15 enthalten ist, der die Signale zur Auswahl der nicht kommutierten Phase des die Asynchronmaschine speisenden Umformers bildet. Der Block 30 besteht aus folgenden Geilen: einem Block 21, der die Projektionen des Vektors U* der effektiven Speisespannung der Asynchronmaschine errechnet, deren Komponenten U^ und Ug in einem stationären Koordinatensystem die Eingangssignale.des Blocks 21 sind in bezug auf die Phasenorthogonalen £g, £„, £^ der Asynchronmaschine. Weiterhin enthält der Block 30 einen Relaiselementeblock 22, an dessen Eingang die Ausgangssignale des Slocks 21 angelegt werden, sowie einen Block von Logik-

B09850/0630

elementen E^₁ E₂, E^, an deren Eingänge die Ausgangssignale des Eelaiselementeblocks angelegt werden. Ausgangssignale A, C, E und B, D, F aus dem Block 30 sind gleichzeitig Aus gangs signale des Eelaiselementeblocks 22 bzw. eines Blocks 33 der Logikelemente. Die Logik, d.h. die Schaltfunktionen der Elemente E^., E₂ E, wird durch die folgende Beziehung gegeben:

X	T	Z
+1	+1	+1
-1	+1	-1
+1	-1	-1

-1 -1 +1

wobei X und Y die Eingangssignale der Logikelemente sind und Z das Ausgangssignal·

Figur 13b zeigt ein Vektordiagramm der möglichen Werte der Ausgangssignale des Logikblocks 33 «(für alle möglichen Lagen des Vektors U*), das die Funktion des Blocks 30 erläutert. Wie aus Figur 13b zu sehen ist, ist die Ebene (ce,ß) in sechs Teile geteilt, so, daß der Vektor U* einen minimalen Winkel mit den Phasenorthogonalen £g, £g, £ij der Asynchronmaschine bildet, wobei die Signale F, D oder B gleich +1 sind. Im umgekehrten Pail sind die Signale F, D oder B gleich -1.

Figur 14 zeigt ein detaillierteres Blockschaltbild des Blocks 29, der in dem in Figur 12 dargestellten Block 15 enthalten ist. Der Block 29 bildet die Signale U^, Ug, UjJ zur Steuerung des die Asynchronmaschine steuernden ÜBformers und besteht aus folgenden Teilen: einem Block 21, der die Projektionen des Vektors berechnet, dessen Komponenten die Differenzen zwischen den Kompo-

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nenten Y^ und "V^ der gemessenen Werte und der Sollwerte des stationären Stromes der Asynchronmaschine in einem stationären Koordinatensystem sind, und zwar auf den Einheitsvektoren der Phasen e_R, e_ß, e_T der Asynchronmaschine. Weiterhin enthält der Block 29 einen Block 34, der Schalter K^, K₂, K, und K^, K₁-, Kg enthält, wobei die Ausgangssignale des Blocks 21 den Eingängen der Schalter K^, K₂, K^ zugeführt werden. Die Differenzen zwischen den korrespondierenden Ausgangssignalen des Blocks 21 und der Summe der Aus gangs signale der Schalter K^, K₂, K^ werden den oberen Eingängen der Schalter K^, Kj-, Kg zugeführt, während die Ausgangsrelaissignale A, C, E, des Blocks 30, der in dem in Figur 12 dargestellten Block 15 enthalten ist, den unteren Eingängen der Schalter K^, K,-, Kg zugeführt werden und die Ausgangsrelaissignale F, D, B des oben erwähnten Blocks 30 den Steuereingängen der Schalter K,,, K^, K₂ und K₁-, K, und Kg zugeführt werden. Weiterhin enthält der Block 29 einen Block 23 von Relaiselementen mit Hysterese, deren Eingängen die Ausgangssignale des Blocks 34 zugeführt werden. Die Ausgangssignale des Blocks 29, d.h. die Signale zur Steuerung des die Asynchronmaschine speisenden Umformers, sind die Ausgangsrelaissignale des Blocks 23.

Entsprechend der Funktionslogik des Blocks 30 ist nur eines der Ausgangssignale B, D, F des Blocks 30 zu irgendeinem Zeitpunkt gleich +1. Folglich ist zu irgendeinem Zeitpunkt nur einer der Schalter K_-1, K₂, K, des Blocks 34- (der in dem Block 29 enthalten ist) eingeschaltet und nur einer der Schalter K^, K,-, Kg läßt die Relaissignale E, C oder A, die von dem Ausgang des Blocks 30 zugeführt werden, durch, während die Schalter K^, K₂, K^, K^, Kc, Kg in dem Zeitintervall, währenddessen der Vektor der effektiven Spannung sich in einem der sechs schraffierten Gebiete in Figur 13b befindet, in einer festen Stellung bleiben. Auf diese Weise ändert eines der Signale Up, Ug₁ Um, die den Umformer steuern, während dieses Zeitintervalles nicht sein Vor-

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zeichen. Die Ausgangsspannung, die mit der relevanten Phase des die Asynchronmaschine speisenden Umformers ändert sich ebenfalls nicht. Die Eingangssignale des Blocks 23, der in dem Block 29 enthalten ist, und die mit £Lj, S_g "bzw. S™ bezeichnet sind und die in Figur 14 gezeigten Koeffizientenwerte haben, erfüllen die folgenden Differentialgleichungen:

^QOi _f5 _£5
dt ^{1 1}

dt <: ι ι

= O

(15)

1	R	oder	S	oder	T
J =	S		T		R
k	T	R	S

wobei f^ und f| Funktionen sind, die in dem vorgegebenen Intervall kontinuierlich sind. Auf diese Weise wird, vorausgesetzt, daß die Existenzbedingungen (15) erfüllt sind, ein Schlupf (sliding mode) mit S. = 0, S. = 0 in dem System errichtet und zwar mit einer Genauigkeit bis zur Hysterese der in dem Block 23 enthaltenen Relaiselemente. Folglich sind die Signale V₀₀ und Vo des Blocks 29 gleich Null mit einer Genauigkeit bis zur Hysterese.

Figur 15a zeigt ein Vektordiagramm, das die Wirkungsweise des in Figur 12 dargestellten Blocks 15 erläutert, der in dem in Figur 2 dargestellten Steuersystem für die Asynchronmaschine enthalten ist. Sofern der Sffektivspannungsvektor U* in dem schaffierten Bereich der Figur 15a liegt, ändert sich die Ausgangsspannung der Umformerphase R nicht und ist gleich +U_Q. Bei

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einem Schlupf (sliding mode) verändert sich die Spannung der Umformerphasen S und T derart, daß die effektive Sollwertspeisespannung der Asynchronmaschine vorhanden ist. In diesem Falle sind vier Vektoren der Speisespannung möglich: 0, TJ^, Up, U₆ und deren korrespondierende Zustände des Umformerschalters.

Figur 15b zeigt einen Verlauf der Ausgangsspannungen des !informers über der Zeit, unter der Bedingung, daß die effektive Speisespannung der Asynchronmaschine sich sinusförmig verändert. Die Intervalle, in denen die Ausgangsspannung der Phase R des die Asynchronmaschine speisenden Umformers ihr Vorzeichen nicht ändert, sind in Figur 15b besonders bezeichnet. Wie aus Figur 15b zu ersehen ist, ändert die Ausgangsspannung jeder der Phasen Up, Ug, υ™ des die Asynchronmaschine speisenden Umformers während einem Drittel der Periodendauer der harmonischen effektiven Spannung nicht ihr Vorzeichen, und zwar unabhängig von der Amplitude der sich sinusförmig ändernden effektiven Speisespannung der Asynchronmaschine. Die Änderung der "mittleren"(mit einer Genauigkeit bis zu der Hochfrequenzkomponente) Ausgangsphasenspannung des Umformers weicht in diesem Falle von der sinusförmigen Form ab und sogar auch in dem stationären Zustand des Betriebes der Asynchronmaschine.

Figur 16 zeigt ein detaillierteres Blockschaltbild des Blocks 31, der in dem in Figur 12 dargestellten Block 15 enthiten ist, und der die effektive Speisespannung der Asynchronmaschine errechnet. Der Block 31 besteht aus folgenden Teilen: zwei Blocks 21 zur Errechnung der Vektorprojektionen auf die Einheitsvektoren der Phasen e_ß, eg, e^ der Asynchronmaschine, wobei die Komponenten $_K und |L des Eotorflußvektors der Asynchronmaschine an die Eingänge eines der Blocks 21 angelegt werden, während die Komponenten $λ und §_OCt des Vektors j φ , die senkrecht auf dem Rotorflußvektor der Asynchronmaschine stehen, den Eingängen des anderen Blocks 21 zugeführt werden. Weiterhin besteht

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der Block 31 aus zwei Blocks 35» deren jeder drei Schaltelemente enthält, an die die Ausgangssignale von den entsprechenden "beiden Blocks 21 an die nicht invertierenden und invertierenden Eingänge der Schalter K^, K , K, jedes der Bocks 35 angelegt werden. Die Relaissignale U_ß* Ug, U^,, die den die Asynchronmaschine speisenden Schalter steuern, werden den Steuereingängen der Schalter K₁, Kg» K, "beider Blocks 35 zugeführt, während die Ausgänge der Schalter K₁, IL,, K, jedes der Blocks 35 auf summiert werden. Der Block 31 enthält weiterhin zwei Blocks 24, die jeweils aus einem Trägheitsmomentblock bestehen, deren Ausgangssignale die Ausgangssignale des Blocks 35 bilden. Weiterhin enthält der Block 31 einen Block 28, der die Transformation des Vektors, dessen KomponentenAusgangssignale des Blocks 24 sind, von einem Koordinatensystem (d, q), das sich zusammen mit dem Rotorfluß dreht, in ein stationäres Koordinatensystem (oc,|3) durchführt.

Die Eingänge des Blocks 28 sind Ausgänge des Trägheitsmomentblocks 24 und die Komponenten $_K und Φα des Rotorflußvektors der Asynchronmaschine. Die Ausgangssignale des Blocks 28 sind die Komponenten t[* und Ui der Versorgungsspannung der Asynchronmaschine (mit einer Genauigkeit, die durch den Multiplikator bestimmt wird). Seinem Vfeen nach ist der Block 31 ein Vektorfilter, der die Errechnung des Effektivwertes der Speisespannung der Asynchronmaschine ohne eine Phasenverschiebung ermöglicht, wobei insbesondere der Schaltcharakter der Ausgangsspannung des die Asynchronmaschine speisenden Umformers berücksichtigt ist.

Figur 17 zeigt ein weiter ausgeführtes Blockschaltbild des Blocks 32, der in den ii Figur 12 dargestellten Blocks enthalten ist, und der den Integralfehler des gemessenen Wertes und des Sollwertes der Speisespannung der Asynchronmaschine errechnet. Der Block 32 besteht aus folgenden Teilen: einem Block 36, der aus den Signalen Ug, U|, U£ einen zweidimensionalen Vektor der

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Spannung berechnet zur Steuerung des Umformers, der die Differenz zwischen den gemessenen Werten und den Sollwerten der Komponenten des Speisespannungsvektors der Asynchronmaschine errechnet. Weiterhin enthält der Block 32 zwei Integriererblocks 26, deren Eingangssignale die Differenzen zwischen den Komponenten des gemessenen Wertes und des Sollwertes der Speisespannung der Asynchronmaschine sind und deren Ausgänge der Integralfehler der Speisespannung der Asynchronmaschine ist.

Im bisherigen Text wurden die grundlegenden Methoden des Zusammensetzens des Steuersystems der Asynchronmaschine aufgrund theoretischer Grundlagen des Steuersystems mit variabler Struktur beschrieben und insbesondere auf der Grundlage der Einführung des Schlupfes (sliding mode) der Betriebsweise des Steuersystems. Die Frequenz des Vorzeichenwechsels der Umschaltfunktionen und die Arbeitsfrequenz des Schalters des die Asynchronmaschine speisenden Umformers kann in einem realisierten System hundert Hz bis zwei KHz liegen und wird durch das minimal zugelassene Zeitintervall zwischen zwei Umschaltvorgängen (jedes Leistungsschalters des Umformers bestimmt. Um die gewünschte Umschaltfrequenz auszuwählen, könnte man die entsprechende Frequenz des Umschaltens der Hysterese von Eelaiselementen auswählen, die die Vorzeichen der Strukturumschaltfunktion bestimmen und die Signale zur ümformersteuerung oder einen Block 37 verwenden, der in Figur 18a dargestellt ist, zur automatischen Festlegung der Arbeitsfrequenz der Schaltelemente. Der Block 37 enthält drei identische Einrichtungen, deren jede mit entsprechenden Ausgängen einer der Einrichtungen zur Bildung der ten beschriebenen Signale U£, Ug, U^ verbunden ist oder mit den Eingängen von Einrichtungen, die die Eingangs signale der Kelaiselemente von Einrichtungen zur Bildung der Signale UÄ, UX, U£, wobei die Ausgangsrelaissignale des Blocks 37 Signale für die Steuerung der Schalter des die Asynchronmaschine steuernden Umformers sind.

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Jede der drei Einrichtungen des Blocks 37 enthält zwei Verstärker 1 und 2 mit positiver Eückkopplung: ein passives Trägheitsmomentnetzwerk, das aus den Widerständen R und (1 + ») R und einem Kondensator C "besteht, wobei die Widerstände mit den Ausgangsanschlüssen der entsprechenden Verstärker verbunden sind. Die Spannung des Kondensators C wird dem invertierenden Eingang

+ 1 des Verstärkers 2 zugeführt, während die Ausgangsspannung -U des Verstärkers 2 über einen Widerstand K₁R₁ dem nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 1 zugeführt wird. Das Eingangssignal des Blocks 37 wird dem invertierenden Eingang des Ver-

+ 1

stärkers 1 zugeführt, die Aufgangs spannung U .. = - U des Verstärkers 1 ist das Ausgangssignal des Blocks 37· Die Betriebsweise des Blocks 37 wird durch die Größe der Hysterese in Beziehung auf das Eingangssignal bestimmt und durch das Zeitintervall T zwischen zwei aufeinanderfolgenden Vorzeichenwechseln des Ausgangssignales:

- 1

1 + K₁

2 + K

2 (1+K)

ρ
RG ln(1+§) (16)

Figur 18h zeigt ein Diagramm der Spannungsänderung an einigen Punkten des Blocks 371 die dessen Funktionsweise erläutert. Nachdem das Vorzeichen des Ausgangssignals des Umformern 1 gewechselt hat,ändert si±i die Spannung U₁ des Kondensators exponentiell mit der Zeitkonstanten ^²+K; ^q _m^ _der

2(1+K)

bedingung - U'/(1+K), deren Wert gleich der Hysterese des Verstärkers 2 ist. Die exponentielle Spannungsänderung an dem Kondensator 2 hat eine Dauer T bis zum Erreichen des Wertes

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- U₀/(i+K). In diesem Intervall ändert die Ausgangsspannung des Verstärkers 1 nicht ihr Vorzeichen ohne Rücksicht auf mögliche Änderungen des Vorzeichens und des Wertes der Eingangsspannung des Blocks 37· Ist dieses Intervall verstrichen, so ändert die Ausgangsspannung des Verstärkers 2 ihr Vorzeichen. Das Vorzeichen der Ausgangs spannung des Verstärkeis 1 wird danach durch das Vorzeichen des Eingangssignales des Blocks 37 unter Berücksichtigung des Hysteresewertes Δ bestimmt.

Bei Realisierung der Systeme zur Steuerung der Asynchronmaschine, die erfindungsgemäß vorgeschlagen und in den Figuren 1 und 2 dargestellt sind, kann es nötig sein, eine Einrichtung zur Begrenzung des Statorstromes der Asynchronmaschine zu: verwenden, der z.B. durch die maximal zulässigen Werte der Schalterströme in dem die Asynchronmaschine speisenden Umformers erklärbar sind oder durch die maximal zulässige Leistungsstreuung in den Statorwindungen usw. Ein Blockschaltbild der Einrichtung zur Begrenzung des Stromes in den in Figur 1 und 2 dargestellten Steuersystemen ist in Figur 19 dargestellt. Die Einrichtung zur Begrenzung des Stromes besteht aus folgenden Teilen: einem Block 38, der zwischen den Blocks 11 und 12 des in Figur 1 dargestellten Systems angeordnet ist ode^zwischen den Blocks 11 und 14 des in Figur 2 dargestellten Steuersystems und der aus Schaltern IL, und IL-, besteht, die die Strukturumschaltfunktionen S2j und Si bilden, die den Funktionen S^ und V bzw. S2 oder M¹ gleich sind. Weiterhin ist ein Block 39 vorgesehen, der aus dem oben beschriebenen Block 28 besteht und der die Größen V und M¹ bildet, die den Größen I_a$oc + 1«$» bzw. 1^$^ - IgI₀₀ sind. Weiterhin ist ein Block 40 vorgesehen, der Relaissignale O₁ und O₂ zur Steuerung der Schalter K₂ und K^ des Blocks 38 bildet aufgrund von Eingangs signal en, die Komponenten der Statorströme I_a und I₅ der Asynchronmaschine sind. Die Größe M¹ ist proportional zu dem Drehmoment der Asynchronmaschine und die Größe V ist gleich dem Skalarprodukt des Statorstromvektors

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und des Maschinenrotorflueses, wobei es die Stromkomponente I, bfflfcimmt, die den magnetischen Fluß bildet. Die Eelaissignale 0_Λ und O₀ zur Steuerung der Schalter K und K₀ gehorchen dem folgenden Gesetz:

f+1 wenn
O₁ = ,

-1 wenn

C+Λ wenn

_v-1 wenn τ. /ρ C7)

wobei I Jj₁₈I- - max {|I_RI> IIgI , |l,jj j , der Maximalwert des Fhasenstromes des die Asynchronmaschine speisenden Umformers. P,, und Pp sind die zugelassenen Sollwerte der Umformerphasenströme. Die Werte von P^. und P~ müssen kleiner sein als der maximal zugelassene Wert der Umformerphasenströme und P^ < P₂-Sofern O^ « O₂ = -1, d.h., wenn der Statorstrom der Asynchronmaschine die Werte P^ und P₂ nicht überschreitet, so sind die Schalter K^ und K₂ des Blocks 38, die in Figur 19 dargestellt sind, in ihrer oberen Stellung, d.h. Sl" - Sp und SJ = S_-..

Figur 20a zeigt ein Vektordiagramm, das die Auswahl der zugelassenen Werte der Phasenstöme P_-1. und P₂ erläutert. Die Einführung der zwei Vergleichspegel von P^ und P₂ und der zwei Signale O^ und Op zur Schaltersteuerung ermöglichen das Einzufügen der folgenden Funkt ions größen zu dem Steuersystem: Ist der Phasenpunkt S » (S^, S₂) außerhalb des Schlupfbereiches j S^A₁ und IS Ni^₂, und ist der magnetische Kreis durch den maximal möglichen Strom I^ » ^inst * ^P2 ^mae^neti^si^ert» ^so

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wird der Maschinenrotorfluß dazu neigen, den Sollwert $* "bei der maximal möglichen Geschwindigkeit zu erreichen. Ist ein Schlupf in dem Gebiet S- = 0 (insbesondere der Maschinenrotor ist ausreichend magnetisiert) errichtet, jedoch|sJ>Ap* ^{so is-fc I}inst^=I>1' wobei die Statorstromkomponente I^, die den Maschinenrotor magnetisiert, in Übereinstimmung mit der geforderten Ändernng des Rotorflusses φ und der Statorstromkomponente I , die das Drehmoment M bildet, so groß wie möglich gehalten, unter Berücksichtigung der Grenzbedingungen des Umformerphasenstromes ^inst'^i* ^{In anderen} fällen beeinflußt die Einrichtung zur Begrenzung der Ströme die Funktion der oben beschriebenen Systeme zur Steuerung der Asynchronmaschine nicht.

Figur 20b zeigt ein Diagranm des Startens einer nicht magnetisierten Asynchronmaschine und dessen Umkehrung unter Verwendung des Systems zur Steuerung der Winkelgeschwindigkeit der Rotordrehung, das die Funktion zur Begrenzung des Phasenstromes des die Asynchronmaschine speisenden Umformers erläutert. Es sei angenommen, daß der Sollwert des Rotorflusses der Asynchronmaschine konstant sei, φ* = const, das Lastdrehmoment nicht vorhanden sei, Mj-pO und der Sollwert der Drehgeschwindigkeit N* zum Zeitpunkt t-, in einer stufigen Änderung heruntergeht. Während des Startzeitintervalles 0 bis t,, ist der Umformerphasenstrom auf. den Pegel P₂ begrenzt, wobei der Maschinenrotorfluß bei der maximal möglichen Geschwindigkeit unter der Begrenzung des Sollstromes anwächst. Zum Zeitpunkt t = t^ ist ein Schlupf (sliding mode) auf der Strukturschlupfebene. S^=O, wobei dann bei einem Start der Rotorfluß sich in Übereinstimmung mit der Schlupfgleichung (3) exponentiell verändert. In dem Intervall t- bis tp ist der Umformerphasenstrom auf den Pegel P^ begrenzt, wobei die Rotorwinkelgeschwindigkeit der Rotation N sich auf die maximal mögliche Geschwindigkeit verändert. Zum Zeitpunkt t = to ist ein Schlupf (sliding mode) auf der Schlupfebene der Struktur Sp=O errichtet. Bei einem Start

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ändert sich dann die Rotorwinkelgeschwindigkeit exponentiell in Abhängigkeit von der Schlupf gleichung (3). Venn der Sollwert der Rotorwinkelgeschwindigkeit N* in einer Stufe heruntergeht (umgekehrtes Kommando), so sind zum Zeitpunkt t = t, weitere Schritte analog zu den Schritten des Anwachsens und der Stabilisierung der Winkelgeschwindigkeit in den Intervallen t* bis t~, ■^2 "bis t,.

Figur 21 zeigt ein detaillierteres Blockschaltbild des Blocks 4O₁ der erfindungsgemäß vorgeschlagen wurde und der in Figur dargestellt ist. Der Block 40 besteht aus folgenden Teilen: einem Block 21, der die Projektionen des Maschinenvektorstromes (SoIl- und Istwerte) auf den Einheitsvektoren e^, e«» e™ der Phasen der Asynchronmaschine, d.h. der Strom der Phasen I_ß, Ig, 1™ des Umformers bildet. Weiterhin enthält der Block 40 zwei gleiche Elektronikanordnungen, die aus Verstärkers 1 bis 7» Dioden D1 bis D6 und Widerständen bestehen, wobei jede dieser Anordnung ein Relaissignal O_-1 und O^ zur Steuerung der Schalter K₂ und K^ des Blocks 38 zur Begrenzung des Stromes, der in Figur 19 dargestellt ist, bildet. Die Verstärker 1 bis 6 sind Komparatoren, die die Größen I_R, Ig, I^ der Umformerphasenströme mit den Werten - P^ oder - Pp vergleichen, die von Potentiometern und dem invertierenden Verstärker 7 vorgegeben sind. Die Dioden D1 bis D6 sind in der Schaltanordnung verbunden zum Auswählen des maximalen Signals an den Ausgängen der Komparator-Verstärker 1 bis 6.

Wie weiter oben erläutert, genügt es zur Errichtung eines Schlupfes (sliding mode) in der Strukturschlupfebene S^»0, Sp-O bei einem Steuersystem mit einer inneren Kontur aufgrund des Maschinenstatorstromes (dargestellt in Figur 2) die Komponenten dl?/dt und dlVdt aus zwei möglichen Werten auszuwählen, wobei beide Komponenten die Gleichungen (10) und (11) erfüllen. Die Funktionen f^ und f|, die in den Gleichungen (9) und den Un-

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gleichungen (11) angeführt sind, werden beim stationären Zustand des Betriebes der Asynchronmaschine gleich Null, wobei die Winkelgeschwindigkeit des Eotors N und das Lastdrehmoment KL- konstant sind. Dies rührt insbesondere aus der Tatsache, daß die Komponenten des Statorstromes I£ und I* im stationären Zustand konstant sind. Daher ist es in diesem Falle ausreichend, um die Bedingung der Existenz eines Schlupfes (11) sicherzustellen, die Komponenten dli/dt und dl*/dt aus einem Satz willkürlicher, kleiner Werte auszuwählen. Andererseits wachsen die Punktionen £1 und f~ bei flüchtigen dynamischen Betriebsbedingungen an und es ist zur Erfüllung der Schlupfexistenzbedingungen notwendig, die Komponenten dl^/dt so auszuwählen, daß sie in ihrem Absolutwert ausreichend groß sind. Es tritt also die Möglichkeit auf, die Werte der Komponenten der Ableitungen der Statorströme der Asynchronmaschine in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Steuersystems der Asynchronmaschine zu verändern. Die Tatsache, daß eine solche Veränderung wünschenswert ist, ist daraus zu ersehen, daß bei einer begrenzten und im Normalfalle festen Effektivfrequenz der Umschaltung der Elemente, die die Auswahl der SteuerungsSystemstruktur bestimmen, die Amplitude der Abweichung der Maschinenstatorstromkomponenten It und I* proportional dem Wert der Unterbrechungen der korrespondierenden Komponenten der Stromableitungen dlt/dt und dl*/dt ist. Eine Verringerung der Amplitude der Abweichung der Stromkomponenten auf minimal mögliche Werte ermöglicht eine Vergrößerung der Betriebsgenauigkeit des Steuersystems, da die Betriebsbedingungen der inneren Kontur aufgrund des Statorstromes der Asynchronmaschine einfacher werden.

Figur 22 zeigt ein Blockschaltbild des Blocks 19 zur automatischen Festlegung der Werte der Diskontinuitäten der Ableitungen der Maschinenstafcorstromkomponenten, der erfindungsgemäß vorgesdiLagen wird. Der Block 19 zur automatischen Festlegung der Werte besteht aus folgenden Teilen: einem Relaisele-

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ment 1 mit Hysterese, das das Vorzeichen der Strukturumschaltfunktion S,. und Sp bildet; aus zwei Integriererelementen 2 und 3, jeweils mit zweiseitiger Begrenzung, wobei der untere Grenzwert des Integrators 2 und der obere Grenzwert des Integrators 3 gleich Null sind, während der obere Grenzwert des Integrators 2 und der untere Grenzwert des Integrators 3 gleich dem Maximalwert der Ableitungen der Statorstromkomponenten, mit denen der Betrieb der inneren Kontur aufgrund des Statorstromes möglich ist. An die Eingänge der Integratoren 2 und 3 wird die Summe der Ausgangssignale des Relaiselementes 1 und den konstanten Signalen + or bzw. -α angelegt. Die Differenz zwischen den Ausgangssignalen der Integratoren 2 und 3 wird dem invertierenden und nicht invertierenden Eingang des Schalters zugeführt, der von den AusgangsSignalen des Relaiselementes 1 gesteuert wird. Das Ausgangssignal dieses Schalters K ist auch das Ausgangssignal des Blocks 19. Folglich ist das Ausgangssignal des Blocks 19 gleich A s-, i = 1»2, wobei A die Differenz zwischen den AusgangsSignalen der Integratoren 2 und 3 ist, die den Wert der Diskontinuität der Ableitung der Statorstromkomponenten der Asynchronmaschine bestimmen. Bei einem Schlupf ist die Größe A automatisch so gesetzt (in den Bereich der festgelegten Grenzwerte der Integratoren 2 und 3), daß der zeitliche Mittelwert des Ausgangssignals des Relaiselementes 1 konstant ist und gleich +cc oder - α . Die Zeitkonstanten 0? der Integratoren 2 und 3 bestimmen die Geschwindigkeit des automatischen Setzens der Größe A und sind in Beziehung zu der realisierten Frequenz f des Vorzeichenwechsels des Ausgangselementes 1 auszuwählen, insbesondere T Ä * .

Figur 23 zeigt ein detaillierteres Blockschaltbild der Einrichtung 41 zum automatischen Setzen der Werte der Diskontinuitäten der Ableitung der Statorstromkomponenten, die in Figur 22 dargestellt ist und der Einrichtung zur Begrenzung des Statorstro— mes, die in Figur 19 dargestellt ist. Die Einrichtung 41 be-

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steht aus folgenden Teilen: zwei Integriererelementen mit Begrenzung, die durch Verstärker 1 und 2 verwirklicht sind, wobei zur Polaritätsbegrenzung der Ausgangssignale der Verstärker Dioden D_x, und D_p verwendet sind, die in einem Rückkopplungsschaltkreis des Verstärkers verbunden sind. Der Grenzwert des Ausgangssignales wird durch die natürliche Begrenzung der Verstärkerspannung erreicht. An die Eingänge der Verstärker 1 und 2 wird die Summe der Relaissignale sgn S^ oder sgn Sp und den Größen ex und - oc zugeführt. Weiterhin enthält die Einrichtung zwei Summierer der Ausgangssignale der Integrierer 1 und 2, die in Verstärkern 3 und 4 verwirklicht sind, wobei das Ausgangssignal des Summierers 3 positiv ist und sein Wert gleich dem negativen Ausgangssignal des Summierers 4 ist. Weiteihin enthält die Einrichtung 41 einen Schalter, der durch Transistoren T,- und Tp verwirklicht ist, die den Eingang eines Integrierers 5 mit den Ausgängen der Summierer 3 oder 4 verbinden und die durch das Ausgangs signal sgn S^ oder sgn Sp der Einrichtung 41 gesteuert werden. Der Integrator 5 ist in einem Rückkopplungskreis über Relaiselemente 6 rückgekoppelt und bildet das Vorzeichen des Ausgangssignals des Integrierers 5· Weiterhin enthält die Einrichtung 41 einen Schalter, der durch einen FET-Transistor T^, verwirklicht wird und durch ein Signal der Strombegrenzung 0 und 0 gesteuert wird. Das Ausgangssignal des

1 ρ

Integrierers 5 ist eine Komponente It oder I* des Sollstatorstromes der Asynchronmaschine und wird der Einrichtung zur Bildung der Koordinaten 28 des Blocks 14 zugeführt, die den Sollstatorstrom Tj^ und IS in einem stationären Koordinatensystem bildet.

Es sei darauf hingewiesen, daß in manchen Fällen der Steuerung einer Asynchronmaschine es ausreichend ist, den Rotorfluß konstant zu halten oder während der Zeit des Betriebes des Steuersystems langsam zu verändern und daß die Flußregelkontur nicht irgendwelche genauen Bedingungen für die Qualität des Folgens

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des gegebenen Eotorflußwertes $· erfüllen muß. Das in Figur 2 dargestellte Maschinensteuersystem kann vereinfacht werden. Die Vereinfachung der Schaltkreismittel, die die Statorstromkomponente I£ bilden, die den Hotorfluß bestimmt, erfolgt auf folgen de Weise:

wobei §, der Rotorflußmodulus (in dem Koordinatensystem (d,q)) der Asynchronmaschine ist, der mit dem HotorfIuB φ = ($, _t o) verknüpft ist. K ist ein konstanter Koeffizient. Mit Einsetzen der Gleichung (18) in die Differentialgleichungen des Hotorflusses der Asynchronmaschine erhält man:

dt L_r

Sofern die Differenz φ-φ* klein ist oder exakter, wenn ($-$*)/$ <<1, so ändert sich der Koeffizient auf der rechten Seite der Gleichung(19)vor der Differenz zwischen dem gemessenen und dem Sollrotorfluß vernachläßigbar und kann als konstant angesehen werden. Das Änderungsgesetz des gemessenen Rotorflußwertes wird etwa exponentiell sein mit der Zeitkonstanten Lj/2 $ *R Lj₁K. Es sei darauf hingewiesen, daß, wenn die Differenz zwischen dem gemessenen und dem Sollflußwert groß genug ist, die Statorstromkomponente I^ der Asynchronmaschine durch die Wirkung der Einrichtung zur Strombegrenzung begrenzt wird. Folglich ist das Gesetz zur Bildung der Komponente I? (18) gerade für kleine Werte der Differenz zwischen dem gemessenen und dem Sollflußwert anwendbar.

Ein Blockschaltbild einer vereinfachten Einrichtung zur Rotor-

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flußsteuerung,die in dem oben beschriebenen Steuersystem beschrieben wurde, ist in Figur 24 dargestellt. Biese Vereinfachte Einrichtung besteht aus folgenden Teilen: einem Block 42, der ein Signal proportional der Differenz $-$♦ bildet oder ein Signal, das zur Erfüllung der Bedingung für die Strombegrenzung I.. ^=Pp ausreichend ist. Das Ausgangssignal des Blocks 42 wird den Eingängen von Multiplizierern 1 und 2 zugeführt, die in dem Block 28 der Einrichtung 14 zur Bildung des Stromsollwertes enthalten sind, der in Figur 10 dargestellt ist. Die Statorstromkomponente der Asynchronmaschine, die dem Rotorfluß (zweiter Ausdruck auf der rechten Seite der Gleichung (18)) proportional ist, wird durch Auf summieren der Komponenten J₀₀ und <L gebildet, mit den Ausgangssignalen der Multiplizierer 1 und 2 des Blocks 28. Der Block 42 besteht aus Multiplizierern 1 und 2, die ein Signal proportional der Differenz zwischen dem gemessenen und dem Sollrotorflußwert bilden, wobei der Verstärker 2 in einem dynamischen Schaltkreis mit Rückkopplung eingeschlossen ist, der aus einem Komparator 3, einem durch einen FET-Transistor T verwirklichten Schalter besteht und durch das Relaisausgangssignal Oo der Einrichtung zur Strombegrenzung, die in Figur 21 dargestellt ist, geregelt wird und weiterhin aus einem Trägheitsmomentblock, der durch einen Verstärker 4 verwirklicht ist. Die Zeitkonstante des Trägheitsmomentblocks 4 wird durch die effektive Arbeitsfrequenz f ausgewählt, die die Struktur des Steuersystems umschaltet, wobei Τ»τ ist.

Weiter oben wurde angenommen, daß die Systeme zur Steuerung der Asynchronmaschine, die erfindungsgemäß vorgeschlagen wurden und in den Figuren 1 und 2 dargestellt sind, Blocks 4, 5, 6, 7, 8, 9» 10 enthalten, zur Erlangung der Information über das Drehmoment M, die Winkelstellung des Rotors Θ, die Winkelgeschwindigkeit des Rotors N, die Winkelbeschleunigung £, den magnetischen Fluß des Rotors Φ, die zeitliche Ableitung/des Rotorflußwertes und der Rotorflußkomponenten Φ_α und §>_g.

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Im folgenden sollen nun detaillierter die Informationsblocks 4 bis 10, in den Fällen, wenn sie tatächlich Blocks zur Errechnung korrespondierender Größen sind, betrachtet werden. Das Problem der Errechnung der benötigten Größen für die Synthese des Asynchronmaschinensteuerungssystems wurde bereib erwähnt, als die Einrichtung zur Begrenzung des Asynchronmaschinenstatorstromes erläutert wurde. Beispielsweise die Einrichtung zur Statorstrombegrenzung,die in Figur 19 dargestellt und im Block 39 enthalten ist, die die Größe 1" = I^Φα - *a$cc Proportional zu dem Drehmoment M der Asynchronmaschine bildet (mit dem Proportionalitätsfaktor Ϊ·=) und die Größe V, die gleich dem Skalarprodukt des Rotorflußvektors $ und des Statorstromesfder Asynchronmaschine ist, also V = I₀^ + !giflc·

Figur 25 zeigt ein Blockschaltbild des Blocks 43, der das Quadrat des Rotorflußmodolus $ bildet und die Größe deren Zeitableitung E. Der Block 43 besteht aus zwei Multiplizieren 1 und 2, die

ρ ρ

das Quadrat der Komponenten φ£ und $r des Rotorflußvektors bilden und aus zwei Summierern. Die Summe der Ausgangssignale der Multiplizierer 1 und 2 des Blocks 43 ist das Quadrat des Rotor-Il

flußmodolus φ. Die Summe der Größen φ und V, die in dem in Figur 19 dargestellten Block der Einrichtung zur Strombegrenzung errechnet werden, ist die zeitliche Ableitung E der Größe φ. in diesen Fällen sind die Summationskoeffizienten gleich j^· , R γ— und werden durch die Parameter der verwendeten ^r Asynchronmaschine bestimmt. Die Wirkungsweise des Blocks 43 basiert auf der Differentialgleichung des Asynchronmaschinenrotorkreises:

RL,

^ ⁽²⁰⁾

Die Komponenten ^₀₄ und φ« des Rotorflusses können unter Verwendung des Modells des Asynchronmaschinenrotorkreises berechnet

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werden. Die Differentialgleichungen des Rotorkreises sind in Beziehung auf die Rotorflußkomponenten φ^ und $_θ in einem stationären Koordinatensystem beschrieben und haben folgende Formen:

d$„. R^ EL.
dt L_r ^α L_r

I^^H Q (22)

P =

Auf diese Weise kann man auf der Basis der bekannten (d.h. gemessenen) Winkelgeschwindigkeit/des Rotors und der Stromkomponenten I_a und I- die Komponenten ^₀₆ und § des Asynchronmaschinenrotorflusses berechnen.

Ein Blockschaltbild einer Einrichtung 44 zur Errechnung der Komponenten φ_α und §_ß des Rotorflusses ist in Figur 26 dargestellt. Die Einrichtung 44 besteht aus folgenden Teilen: zwei Multiplizierern 1 und 2, die die Größen P und Q bilden und aus einem Block 45, der die dynamischen Verbindungen der Gleichung (21) verwirklichen.

Figur 27 zeigt ein weiter ausgeführtes Schaltbild des Blocks 45, der in dem Block 44 zur Errechnung der Asynchronmaschinenrotorflußkomponenten φ^ und φ enthalten ist. Der Block 45 besteht aus folgenden Teilen: Verstärkern 1 bis 6, die den ersten (Verstärker Λ bis 5) und zväten (Verstärker 4 bis 6) Teil der Differentialgleichung (21) verwirklichen. Für die Realisierung der

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Einrichtung zur Errechnung der Rotorflußkomponenten $_α und $_Λ , die in Figur 26 dargestellt ist, wird die Information der Winkelgeschwindigkeit N benötigt. Wenn die Verwendung eines Meßumformers, der die Botorwinkelgeschwindigkeit miß$, nicht erwünscht ist, kann die Einrichtung zur Errechnung der Rotorflußkomponenten $_tt und §. , der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors N, basierend auf den bekannten (gemessenen) Komponenten I_ft und I- des Statorstromes und der Komponenten ü_a und U_ß der Asynchronmaschinenspeisespannung, die in Figur 28 dargestellt ist, verwendet werden. Die Wirkungsweise der Einrichtung 46 zur Errechnung der Komponenten § und * des Rotorflusses und der Geschwindigkeit der Rotordrehung N basiert auf dem Einbringen des Schlupfes (sliding mode) in das System, das aus einer Asynchronmaschine und den Modellen der Rotor- und Statorkreise der Maschine besteht. Der Statorkreis wird durch folgende Differentialgleichung beschrieben:

dt <SL_a L dt S α oc

Die Differentialgleichungen des Asynchronmaschinenrotorkreises (21) wurden oben angegeben. Die Einrichtung 46 besteht aus einem Block 45, der den Asynchronmaschinenrotorkreis nachbildet und in Figur 27 dargestellt ist. Ein Block 47 bildet den Maschinenstatorkreis nach, wobei an dessen Eingänge die Komponenten U₀. und Ug des Asynchronmaschinenspannungsvektors angelegt werden. Ein Block 48 besteht aus Multiplizierern 1 und 2, dessen Eingänge die Differenzen zwischen den Modell- ( Ausgange von Block 47) und Meß-Werten der Statorstromkomponenten und

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den Komponenten des Maschinenrotorflusses (Ausgangssignale des Blocks 45) darstellen. Weiterhin ist ein Eelaiselement vorgesellen, dessen Eingang die Größe S ist, d.h. die Differenz zwischen den Ausgangssignalen der Multiplizierer 1 und 2. Weiterhin sind Schalter K^ und Kg vorhanden, an deren invertierende Eingänge die Ausgangssignale des Modells dss Rotorschaltkreises 45 zugeführt werden, d.h. die Komponenten $_a und f des Asynchronmas chinenrotorflusses. Ausgangssignale P und Q der Schalter K^ und Kg werden den Eingängen des Rotorkreismodelles 45 zugeführt. Die Ausgangssignale der Einrichtung 46 sind die Komponenten f_ft und $„ des Asynchronmaschinenrotorflusses, der in dem Block 45 errechnet wurde und weiterhin die Ausgangssignale des Eelaiselementes N¹, das die Information über die Rotationsgeschwindigkeit der Asynchronmaschine enthält.

Ein detaillierteres Schaltbild, d.h. ein generelles elektrisches Schaltbild des Blocks 47, der den Asynchronmaschinenstatorkreis nachbildet, ist in Figur 29 dargestellt. Die Struktur des Blocks 47 ist in Übereinstimmung mit den Differentialgleichungen des Statorkreises (23) und ist identisch mit der Struktur des Blocks 45, also des Modells des Asynchronmaschinenrotorkreises.

Die Größe S wird in dem Block 46 erzeugt zur Errechnung der Komponenten ^und |L des Flusses und der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors N. Die Größe S ist in Figur 28 in folgender Form dargestellt:

S -ΔΙ_β^-^#_β (24)

wobei AI_ft und ΔI₀ die Differenz zwischen den errechneten (im Block 47) und gemessenen Komponenten des Asynchronmas chinenstatorstromes in einem stationären Koordinatensystem ist. <f_a undjL

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sind die Ausgangssignale des Blocks 45. Durch Differenzieren der Gleichung (24) nach der Zeit und Verwendung der bekannten Differentialgleichungen des Modells des Rotorkreises (21) und Statorkreises (22) der Asynchronmaschine kann man erhalten:

^ds f. A

— = f? + (N - sgnS) K^ . § (25)

dt ' '

wobei f^ eine kontinuierliche Funktion ist, K^ ein konstanter Koeffizient, der durch die Parameter der verwendeten Asynchronmaschine bestimmt wird. Um die Gleichung (25) zu erhalten, werden Verbindungen zwischen Eingangssignalen P und Q des Blocks und Ausgangssignalen sgn S des Relaiselementes und der Schalter K^. und K~ des Blocks 48, der in dem Block 46 enthalten ist, verwendet.

Aus Gleichung (25) folgt, daß, wenn die Bedingung ⁶ 4 > |fij

K⁶, 4 > |fij + HK^iI (26)

erfüllt ist, ein Schlupf in der Strukturumschaltebene S = O möglich ist. Ist ein Schlupf errichtet, so streben die Komponenten des Statorstromes und des Rotorflusses, die in den in dem Block 46 enthaltenen Blocks 47 und 45 errechnet wurden, zu den gemessenen Werten hin, wobei die Funktion f^ gegen Null strebt, und das Ausgangssignal N¹ = sgn S des Relaiselementes gleich dem gemessenen Wert der Rotordrehgeschwindigkeit ist. (mit einer Genauigkeit, die durch die Hochfrequenzkomponente bestimmt wird).

Die Information über die Geschwindigkeit der Rotordrehung N kann durch Verwendung eines Filters erhalten werden, das die Mittelkomponente des Ausgangssignals N* auswählt. Ein Analogfilter

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kann zum Erhalten der Information über die Geschwindigkeit der Rotordrehung N verwendet werden, wenn ein Geschwindigkeitsimpulsgenerator oder ein Tachogenerator verwendet wird. Wenn ein adäquat differenzierendes Filter verwendet wird, so kann die Information über die WinkeltEschleunigung des Asynchronmaschinenrotors erhalten werden. Allerdings verformt ein reales Filter in signifikanter V/eise die Information über die Winkelgeschwindigkeit und die Winkelbeschleunigung des Hotors im Bereich der Hochfrequenzkomponenten des Spektrums. Diese Tatsache nacht die Synthese von sehr schnellen Systemen zur Steuerung von Asynchronmaschinen schwieriger, indem z.B. ein Stabilitätsverlust des Steuersystems bei hohen Werten der Verstärkung des entsprechenden Reglers auftritt. Gleichzeitig müssen für die Synthese des oben beschriebenen Asynchronmasehinensteuersystems, das in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist, die Informationsteile über die Winkelgeschwindigkeit und die Winkelbeschleunigung des Rotors von einer ausreichend hohen Qualität sein, da die dynamische Sicht-Idealität der unterschiedlichen Teile, die in dem verwendeten mathematischen Modell des System-prozesses nicht berücksichtigt wurden, vor allem die Langsamkeit der Filter, zu einem unzulässigen Absinken der Arbeitsfrequenz der Relais- und Schaltelemente, die die Struktur des Steuersystems bestimmen, resultieren kann.

Zur Kompensation der dynamischen Nicht-Idealität der Einrichtungen zum Filtern und Differenzieren wird die Verwendung eines Verfahrens zur Parallelkorrektur vorgeschlagen. Zur Erläuterung dieses Verfahrens zeigt Figur 30a einen Teil eines Strukturschaltbildes einer Asynchronmaschine, das mit der mechanischen Zeitkonstante des Rotors, des verringerten Trägheitsmomentes J der Asynchronmaschinenrotorlast, übereinstimmt und mit der gewünschten (vom Gesichtspunkt der Synthese des Steuersystems) "idealen" Übertragungsfunktion des Filters W₀ (das möglicherweise nicht realisiert werden kann). Die Ausgangskoor-

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dinate y des Filters kann "beispielsweise die Drehgeschwindigkeit oder die Rotorwinkelbeschleunigung sein. In diesen Fällen ist W_Q = Λ bzw. W_Q = p.

Figur 30 zeigt den gleichen Teil des Strukturschaltbildes mit einem realisierbaren Filter, dessen übertragungsfunktion mit W^ bezeichnet ist. Neben der Forderung der physikalischen Realisierbarkeit können an die Filterübertragungsfunktion zusätzliche Bedingungen geknüpft werden, als Folge der Besonderheit der in dem Steuersystem verwendeten Elemente. Beispielsweise, wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Maschinenrotors N durch einen Geschwindigkeitsimpulsgenerator gemessen wird, oder wenn sie in der Information über den Mittelwert des Ausgangssignales des Relaiselementes enthalten ist, das aus der Einrichtung 46 zum Errechnen der Komponenten des Rotorflusses und der Geschwindigkeit der Maschinendrehung enthalten ist, (dargestellt in Figur 28) dann sollte das Filter W_-1 die Impulse des Ausgangssignales filtern, wobei es die Komponenten des Ausgangssignales trennt. Folglich sollte die Differenz zwischen der Potenz der Größe (power of denomination) und dem Zählerpolynom der Übertragungsfunktion W^. mindestens Λ sein. Zur Kompensation der vorhandenen dynamischen Nicht-Idealität wird die Verwendung eines Filters mit einer Übertragungsfunktion Wg vorgeschlagen, das physikalisch realisiert werden kann und an dessen Eingang die Differenz zwischen dem elektrischen Moment M und dem Lastmoment M^ der Asynchronmaschine angelegt ist. Wenn die Bedingungen der Kompensation der dynamischen Nicht-Idealität erfüllt sind, so ist

Wo (p) - W₁ (p)
W (p) » 2 (27)

² Jp

die totale Übertragungsfunktion des Schaltkreises, dLe in Figur 30b dargestellt ist. Diese Funktion stimmt mit der idealen Übertragungsfunktion des Kreises überein, die in Figur 30a darge-

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stellt ist. Die Ausgangssignale der oben beschriebenen Schaltkreise werden übereinstimmen,mit einer Genauigkeit bis zu, z.B., der Dämpfungskomponente des Einschwingvorganges, die aufgrund der unterschiedlichen Anfangsbedingungen der Ausgangssignale des Filters auftreten kann.

Wenn das Lastdrehmoment Mj- der Asynchronmaschine nicht gemessen wird, so kann der Eingang des Filters W^ ein Signal sein, das dem Drehmoment M der Asynchronmaschine proportional ist und von einem Meßwertumformer gemessen wird oder von den oben beschriebenen Einrechnungen zur Drehmomentberechnung. In diesem Falle sollte die Übertragungsfunktion der folgenden zusätzlichen Bedingung gehorchen:

Q(p)

Eine Erfüllung dieser Gleichung (28) wird durch eine adäquate Auswahl der Übertragungsfunktion W^ erreicht, die der Bedingung der Möglichkeit ihrer physikalischen Realisation genügt und der Bedingung zur Kompensation der dynamischen Nicht-Idealität (27). Wenn die durch die Gleichung (28) bestimmte Übertragungsfunktion W2 die Bedingung der Kompensation der Nicht-Idealität (27) erfüllt und wenn m = 1 die Filter-verstärkung ist und weiterhin die Übertragungsfunktion W2 eine konstante Komponente des Eingangssignals gleich Null ist, dann sind die beiden diskutierten Fälle der Verwendung des Filters W2 äquivalent, sofern das Lastdrehmoment M^ der Asynchronmaschine konstant ist oder sich langsam genug ändert.

Figur 31 zeigt ein Schaltbild der Einrichtung 49 zur Berechnung der Winkelgeschwindigkeit M des Rotors und der Winkelbeschleunigung £, wobei das Verfahren der Parallelkorrektur an-

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gewandt wird. Der Eingang der Einrichtung 49 ist das Ausgangssignal des Geschwindigkeitsfiltergenerators, der die Zeitkonstante T hat und der die Trägheit des Generators beschreibt, oder der Eingang der Einrichtung 49 ist der Trägheitsmomentblock zur Filterung des Hochfrequenz signal es des Winkelgeschwindigkeitsmeßwertumformers (von Störungen oder Hochfrequenzimpulsen) und das Signal, das dem Asynchronmaschinendrehmoment M proportional ist. Die Einrichtung 49 "besteht aus Filtern, die von Verstärkern 1, 2, 4 verwirklicht werden und aus Summierern, die in Verstärkern 3, 5 verwirklicht werden, die die Filterung und die Zorrektur der Übertragungsfunktion des Filters durchführen.

Die Zeitkonstanten der Filter der Einrichtung 49, die in den Verstärkern 1 und 4 realisiert sind, müssen einander gleich sein und die Zeitkonstante des in dem Verstärker 2 realisierten Filters muß gleich sein der Zeitkonstante T des Filters, das die Trägheit des Meßwertumformers charakterisiert oder des Umformers, der Winkelgeschwindigkeit der Meßwertumformerimpulse. Die Bedingung der Gleichheit der korrespondierenden Zeitkonstanten folgt aus der Gleichung (27). Bei Realisierung der Einrichtung 49 können die technischen Schwierigkeiten bei der Auswahl der gleichen Zeitkonstanten der korrespondierenden Filter auftreten und die Schwierigkeiten der exakten Messung dieser Grossen, was zum Beispiel durch die signifikanten Differenzen zwischen den Parameterwerten der verwendeten Kapazitäten erklärbar ist.

Figur 32 zeigt ein Blockschaltbild einer Einrichtung 50 zur Errechnung der Rotorwinkelgeschwindigkeit N und der Winkelbeschleunigung f , die das Verfahren der Parallelkorrektur verwendet, das keine exakte Auswahl der Werte der Filterzeitkonstanten erfordert. Die in Figur 32 dargestellte Einrichtung 50 besteht aus folgenden Teilen: zwei Trägheitsmomenteblocks mit Zeitkonstanten T^. und Tp, einem Summierer, wobei das Dämpfen,

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Differenzieren und Korrigieren der Signale durch dieselben Filter T^, 5?2 durchgeführt wird, woraus sich die Freiheit bei der Auswahl der Zeitkonstanten ergibt. Die Eingangssignale der Einrichtung 50 sind die direkten Signale von dem Meßwertumforaier der RotorwinkelgBchwindigkeit (wenn ein Impulsgenerator verwendet wird, so ist der Eingang der Einrichtung 50 z.B. das Impulsausgangssignal der Einrichtung zur Bildung von Impulsen mit einer Standardlänge), oder das Ausgangssignal des Helaiselementes N' = sgn S der Einrichtung 46 zur Errechnung der Komponenten des Rotorflusses und der Winkelgeschwindigkeit des Rotors, dargestellt in Figur 28, und das Signal K¹, das dem Drehmoment der Asynchronmaschine proportional ist und beispielsweise unter Verwendung des in Figur 19 dargestellten Blocks 39 errechnet wurde. Die Ausgangssignale der Einrichtung 50 sind die Rotorwinkelgeschwindigkeit Ή und die Winkerbeschleunigung des Asynchronmaschinenrotors .

Alle in der Beschreibung erwähnten und in den Figuren dargestellten technischen Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutung.

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Claims (28)

mim \AUWAUE ^BRQSEDK* BROSE D-8023 München-Pullach, Wiener Str. 2; Tel. (08S.) 7 &3 30 7,; 1 elnx 5/-12147 bros d: Cables: -Patentibus» München Diplom Ingenieure 281978S Ihr Zeichen: r... Tag: 5. Mai 1978 Your ref.: 2Ml Date: B{j/ EKERGOINVESO?, OOÜS Institut za automatiku i racunarske nauke IHOA, Ilidzanska cesta 109, 7IOOO Sarajevo, Jugoslawien Institut problem upravleni, Ulica profsojuznaja 81, Moskau, UdSSR Patentansprüche

1. JVerfahren zur Steuerung von Asynchronmaschinen, die durch einen gesteuerten Frequenzumformer (Bansistor-, Thyristor-Stromrichtergruppe, Steuerumrichter, Elektro-Maschinenumformer, oder mechanischen Umformer) gespeist wird, dadurch gekennzeicnnet, daß eine Versorgungsspannung der Asynchronmaschine aus zwei Größen (S1 und S2) gebildet wird, wobei das Vorzeichen der einen Größe die Amplitude des Quadrats des Rotor-Fluß-Vektors beeinflußt und das Vorzeichen der anderen Größe den Verschiebungswinkel, die Geschwindigkeit, die Beschleunigung des Rotors oder das Drehmoment der Maschine beeinflußt.

2. Verfahren zur Steuerung von Asynchronmaschinen, die durch einen gesteuerten Frequenzumformer (Transistor-, Thy-

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ristor-Stromrichtergruppe, Steuerumrichter, Elektro-Maschinenumformer oder mechanische Umformer) gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Speisestrom der Maschine aus zwei Größen (S1 und S2) gebildet wird, wobei das Vorzeichen der einen Grösse den Wert des Quadrats der Rotorflußamplitude beeinflußt und das Vorzeichen der anderen Größe den Verschiebungswinkel, die Geschwindigkeit oder Beschleunigung des Rotors oder das elektromagnetische Drehmoment der Maschine beeinflußt.

3. Vorrichtung nach Anspruch.1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (11) zur Bildung der Größeres,, und S₂)vorgesehen ist (Umsehaltfunktionen), die Xinearkombinationen der Differenzen zwischen gewünschten und tatsächlichen Werten der geregelten Größen und ihrer Ableitungen darstellen.

4·. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umformer (12) für die Umschaltfunktionen vorgesehen ist, der die GrOBeIi(S^ und Sp) in Größen umformt, die direkt die Ausgangsspannung des Frequenzumformers (1) bestimmen.

5- Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3» dadurch gekennzeichnet, daß ein Umformer (14) für die Umsehaltfunktionen (S^ und S^) vorgesehen ist, der diese Größen unter Berücksichtigung der Solwerte des Speisestromes (I£ , I*) des Maschinenstators umformt, wobei das Vorzeichen der einen Umschaltfunktion die Ableitung der Stromkomponente kolinear zu dem Vektor des Rotorflusses (<$„,$„) bestimmt und das Vorzeichen der Ableitung der

Oi β

Stromkomponenten senkrecht auf dem Vektor des Rotorflusses steht.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2, 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (15) vorgesehen ist, zur BiI-

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dung eines Signals zur Steuerung des Umformers auf der Grundlage der Information über die Sollwerte und gemessenen Werte des Stromes oder auf der Grundlage der Spannung des Statorkreises der Maschine.

7· Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 "bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtving (11) vorgesehen ist, zur Bildung der im Anspruch 3 definierten Umschaltfunktionen, wobei die Einrichtung (11) sechs Summierer (vgl. Figur 3) mit jeweils zwei Eingängen enthält, an die die Meßwerte des Drehmomentes (M) des Verschiebungswinkels (θ), der Geschwindigkeit (N) und der Beschleunigung (g) des Rotors, der Quadratmodolus des Flusses (φ) des Rotorkreises und dessen zeitliche Ableitung (E) an die nicht invertierenden Eingänge gelegt ist, und wobei die Sollwerte der obigen Größen (M*, Θ*, N*, <£% §*, E*) den investierenden Eingängen zugeführt sind, daß zwei Summierer mit zwei bzw. drei Eingängen vorhanden sind, wobei die Ausgangssignale (Φ ~ Φ * > E ~ E-*) des fünften und sechsten Summierers dem Eingang des einen Summierers zugeführt werden, wobei dessen Ausgang, die Größe S^, zur Steuerung des magnetischen Flusses der Asynchronmaschine verwendet wird, daß an die Eingänge des achten Summierers die Signale des zweiten (Θ - Θ*), des dritten (N - N*) und des vierten (£-£*) Summierers zugeführt werden, daß ein Schalter (K) mit zwei nicht invertierenden Eingängen vorgesehen ist, dem die AusgangssLgnale von dem achten und dem ersten Summierer zugeführt werden, wobei das Ausgangssignal (Sp) des Schalters (K) gleich dem Signal des achten Summierers ist, wenn die Rotorwinkelcharakteristik gesteuert wird oder gleich dem Ausgang des ersten Summierers ist, wenn das Drehmoment der Asynchronmaschine gesteuert wird (vgl. Figur 3)·

8. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß ein Umformer (12) für die Umschaltfunktionen (S^, Sp) vorgesehen

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ist, mit vier Eingängen, an die die Teile der Information über die Funktionen (S^, S₂) des Umschaltens und über die Komponenten (Φ_α, $>„) des Rotorflußvektors angelegt werden, wobei drei Ausgänge vorgesehen sind, die den gewünschten Werten der Asynchronmaschinenspeisespannung (UÄ, U£, U£) entsprechen, welche sicherstellen, daß die Spannungskomponente, die kolinear zu dem Vektor des Flusses des Rotorkreises ist, von dem Vorzeichen der Umsehaltfunktion abhängt, wobei die Spannungskomponente senkrecht zu dem Rotorflußvektor von dem Vorzeichen der anderen Ums ehaltfunktion abhängt,(vgl. Figur 6a).

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Umformer der Umschalt-(Schlupf-funktionen aus zwei Relais (19) mit Hysterese besteht, wobei der Eingang des ersten Relais das Signal(S-)von dem Umformer (11) der Umschaltfunktionen ist und an den Eingang des anderen Relais das Signal(Sp)von demselben Umformer angelegt wird, daß vier Schalter (K,., K₂, K₃,, K^.) vorgesehen sind, die je einen invertierenden und einen nicht invertierenden Eingang aufweisen, wobei der Ausgang des ersten Relais (Signal S^) den Zustand der Schalter (K^ und K₂) steuert und der Ausgang des zweiten Relais (Signal S₂) den Zustand der Schalter (K, und K.) steuert, daß an die Eingänge der Schalter (K^ und K.) eine Komponente (φ_α) des Rotorflußvektors zugeführt wird und daß an die Schalter (K₂ und K^) die andere Komponente (£j angelegt wird, daß die Ausgänge der Schalter (K^ und K,) mit den Eingängen eines ersten Summierers verbunden sind, und daß die Ausgänge der Schalter (K₂ und K^.) mit den Eingängen eines zweiten Summierers verbunden sind, daß die Ausgange dieser beiden Summierer einem Dreiphasenumformer (21).zugeführt werden, der drei Summierer mit jeweils zwei Eingängen enthält, und daß die Summationskoeffizienten gleich den Projektionen der Qrthogonalen auf die Phasen(R, S, T) der Asynchronmaschine auf die Koordinaten eines orthogonalen Koordinatensystems sind, wobei

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die Ausgänge dieser Summierer jeweils mit einem Relais (22) verbunden sind, (vgl. Figur 6a).

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Umformer der Umschaltfunktionen aus den zwei Dreiphasenumformern (21) "besteht, deren Ausgänge mit den Eingängen von sechs Multiplizierern (25) verbunden sind, deren Ausgange mit drei Summierern verbunden sind, die mit den Eingängen von drei Relaiselementen (23) mit Hysterese verbunden sind, die über eine Rückkopplung, die aus einem weiteren Summierer und einem dynamischen Element (24) "besteht,mit den obigen Summierern verbunden sind (vgl. Figur 7).

1"3. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das dynamische Element (24) ein Integrierer oder ein dynamisches Element erster Ordnung ist.

12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 5i dadurch gekennzeichnet, daß ein Umformer (14) für die Umschaltfunfctionen vorgesehen ist, der vier Eingänge (S,., Sp, φ , φ ) und zwei Ausgänge (lot, If) aufweist, wobei letztere die gewünschten Werte der Komponenten des Asynchronmaschine^tatorstromes in einem stationären Koordinatensystem sind (vgl. Figur 10).

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Umformer (14) für die Ums ehaltfunktionen einen Block (19) enthält, zur Bildung des Vorzeichens der Umsehaltfunktionen, dessen Ausgang mit zwei Integrierern (26, 27) verbunden ist, die mit den Eingängen eines Blocks (28) verbunden sind, der aus vier Multiplizierern und zwei Summierern besteht, wobei an die Eingänge der ßultiplizierer (28) die Signale von den Ausgängen der Integrierer (26, 27) und eine Komponente des Flußvektors (§£ ,φ_β ) in einem stationären Koordinatensystem zuge-

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führt werden, während deren Ausgänge (von 28) mit den Eingängen der zwei Summierer (im Block 28) verbunden sind (vgl. Figur 10).

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Block (19) zur Bildung des Vorzeichens der Umsehaltfunktionen eine konstante oder eine variable Ausgangsamplitude aufweist.

15· Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Block (19) zur Bildung des Vorzeichens der Umschaltfunktionen aus zwei Eelaiselementen mit Hysteresecharakteristik besteht (vgl. Figur 10 und 22).

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Bbck (19) zur Bildung des Vorzeichens der Umschaltfunktionen aus einer oder zwei gleichen Vomchtungen besteht, die jeweils aus einem Relais bestehen, deren Ausgang zwei Summierern zugeführt wird, die mit den Eingängen eines Integrierers verbunden sind, dessen Ausgänge in einem einzigen Quadranten liegen, wobei die Ausgänge des Integrierers mit verschiedenen Vorzeichen einem Summierer zugeführt werden, der mit dem Eingang eines Schaltelementes (K) mit positivem und negativem Eingang verbunden sind, der durch das Signal von dem obigen Helaiselement gesteuert wird (vgl. Figur 22).

17· Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Funktionsumformer (15) für den Fehler der Ist-Komponenten der Ströme vorgesehen ist und diese in Phasenspannungen des Spannungsumformers umwandelt, wobei dieser Umformer (15) aus dem Dreiphasenumformer (21) besteht, an dessen Eingängen Signale (V₀₁. und Vj₃), d.h. die Differenzen zwischen den gemessenen Werten und den Sollwerten des Statorstromes der Asynchronmaschine, zugeführt werden, wobei die Ausgänge des

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Dreiphasenumformers (21) mit den Eingängen von Summierern verbunden sind, an deren zweite Eingänge die Ausgänge eines dynamischen Blocks (24) gelegt sind, der den Mittelwert der Ausgangssignale der Relais (23 in Figur 7) errechnet, die mit den Ausgängen eines Summierers verbunden sind*(vgl. Figur 11).

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der dynamische Block (24) ein Integrierer oder ein dynamischer Block erster Ordnung ist.

19· Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Funktionsumformer (29) folgende Einrichtungenmthält: den Dreiphasenumformer (21) der Signale V₀. und V« , die die Differenzen zwischen den gemessenen Werten und den Sollwerten der Komponenten des Asynchronmaschinenstatorstromes in einem festen Koordinatensystem sind (Figur 14), drei Schalter (K^, Kg, K, in Figur 14), deren Eingängen jeweils ein entsprechendes Ausgangssignal von dem Dreiphasenumformer (21) zugeführt werden, während die Ausgänge der Schalter (K^, Kg, K, in Figur 14) mit negativem Vorzeichen summiert werden, wobei drei Signale der Differenz zwischen den Signalen des Dreiphasenumformers (21) und des summierten Schalterausgangs den entsprechenden Eingängen/drei weiteren? Schaltern (K^, K₁-, Kg- des Blocks .34 in Figur 14) mit jeweils zwei Eingängen zugeführt werden und den anderen Eingängen der Schalter (K^,, K₁-, K^-) die entsprechenden Relaisausgangssignale (A, C, E) von einer Einrichtung (30 in Figur 13a) zur Bildung von Relaissignalen zugeführt werden, daß an die Steuereingänge der Schalter (K^bis Kg in Figur 14) entsprechende Relaisausgangssignale (B, D, F) von der Einrichtung (30 in Figur 13a) zur Bildung der Relaissignale zugeführt werden, caß die Aus gangs signale der Schalter (K^, K₁-, Kg) den entsprechenden Eingängen von drei Relaiselementen ^23), die jeweils eine Hysteresecharakteristik aufweisen, zugeführt werden,

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daß die Ausgangssignale (U^, U^, U|) der Relaiselemente (23) die Steuersignale für den Leistungsschalter der drei Phasen (R, S, T) des die Asynchronmaschine speisenden Umformers (1) sind, daß die Einrichtung zur Bildung der die Asynchronmaschine speisenden Spannung die zwei obigen Dreiphasenumformer (21 in Figur 16) enthalten, wobei an die Eingänge des ersten Dreiphasenumf ormers die entsprechenden Komponenten ($_α und Φ_β ) des Rotorflußvektors in einem festen Koordinatensystem zugeführt werden, daß an die Eingänge des zweiten Dreiphasenumformers (21 in Figur 16) die entsprechenden Komponenten ($_ß und -$„) des Rotorflußvektors zugeführt weiden, daß die Ausgangssignale des ersten Dreiphasenumformers (21) jeweils zu entsprechenden invertierenden und nicht invertierenden Eingängen von drei Schaltern (K^ bis TL-, im Block 35 in Figur 16) zugeführt werden, an deren Steuereingänge die entsprechenden Relaisausgangssignale (Up, ^UÜl· ^U!p ^{des I<unk}'^fc:J-^{onsumfori!iers} O²) zugeführt werden, daß die Ausgangssignale der Schalter (K^ bis K^ im Block 35 in Figur 16) aufsummiert werden, daß die Ausgangssignale des zweiten Phasenumformers (21) den entsprechenden invertierenden Eingängen von weiteren drei Schaltern (35) zugeführt werden, deren Steuereingänge die Relaisausgangssignale (TJ^, U^, U£) des Funktionsumformers sind, daß die Ausgangssignale der Schalter aufsummiert werden, daß das summierte Ausgangssignal der ersten drei Schalter (E^, K£, K, im Block 35 in Figur 16) den ersten Eingängen von zwei Multiplizierern (28), die jeweils zwei Eingänge aufweisen, zugeführt werden, wobei die Komponente (φ^.) des Rotorflußvektors dem ersten Eingang der Multiplizierer zugeführt wird, daß das summierte Aus gangssignal der zweiten drei Schalter den£rsten Eingängen des anderen der beiden Multiplizierer (28), die Jeweils zwei Eingänge aufweisen, zugeführt werden, wobei die Komponente ($_a ) des Rotorflußvektors dem zweiten Eingang de£ Multiplizierens zugeführt wird, daß die Differenz zwischen den AusgangsSignalen des ersten und des dritten Multipli--

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zierers (28) das Ausgangssignal (U£) der Einrichtung zur Bildung des Vektors der Speisespannung der Asynchronmaschine ist, wobei die Summe der Ausgangssignale des zweiten und vierten Multiplizierers das Ausgangssignal (U£) der Einrichtung zur Bildung des Vektors der Speisespannung der Asynchronmaschine ist, daß eine Einrichtung (30 in Figur 13a) zur Bildung des Relaissignals vorgesehen ist, die den Dreiphasenumformer (21) enthält, an dessen Eingänge die entsprechenden Komponenten (U£ und U£), d.h. die Ausgangssignale der Einrichtung zur Bildung des Vektors der Speisespannung der Asynchronmaschine, zugeführt werden, daß die Ausgangsdgnale des Dreiphasenumformers den entsprechenden Eingängen von drei Relaiselementen (22 in Figur 6a und 13a) zugeführt werden, wobei die Ausgangssignale des Relais (22) die Ausgangssignale (A, C, E) der Einrichtung zur Bildung der Relaissignale sind, daß die Ausgangssignale (A und C) einem ersten Logikelement (E in Block 33 in Figur 13a) zur Vorzeichen-

kongruenz zugeführt werden, dessen Ausgangesignal das Ausgangssignal (B) der Einrichtung (30) zur Bildung der Relaissignale ist, daß die Ausgangssignale (A und E) den Eingängen eines weiteren Logikelementes (E^! in Block 33 in Figur 13a) zur Vorzeichenkongruenz zugeführt werden, deren Ausgangssignal das Ausgangssignal (D) der Einrichtung (30) zur Bildung der Relaissignale ist,/aaß die Aus gangs signale (C und E) den Eingängen eines dritten. Logikelements (E^ in Block 33 in Figur 13a) zur Vorzeichenkongruenz zugeführt werden, dessen Ausgangs signal das Ausgangssignal (F) der Einrichtung (30) zur Bildung der Relaissignale ist (vgl. Figur 12, 13a, 14, 16).

20. Vorrichtung nach den Ansprüchen Ί und 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (32 in Figur 17) zur Bildung des Integralfehlers des Asynchronmaschinenspeisespannungsvektors vorgesehen ist, die aus folgenden Teilen besteht: zwei Summierern (Block 36 in Figur 17) mit jeweils drei Eingängen,wobei an

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die Eingänge des ersten und zweiten Summierers die entsprechenden Relaissignale (Uj|, U^, Urfp, die die Leistungsschalter der Phasen (R, S, T) des die Asynchronmaschine speisenden Umformers steuern, angelegt werden, wobei die Summationskoeffizienten gleich den Projektionen des Einheitsvektors der Phasen (R, S, T) der Asynchronmaschine auf die Achsen des stationären Koordinatensystems (pe, β ) für den ersten und zweiten Summierer sind, daß zwei Elemente zur Differenzbildung (im Block 32 der Figur 17) vorgesehen sind, deren Eingänge die entsprechenden Ausgänge der beiden Summierer (36) und die entsprechenden Sollwerte der Vektorkpmponenten der die Asynchronmaschine speisenden Spannung sind,/daß zwei Integrierer (26) vorgesehen sind, deren Eingänge die Ausgangssignale der die Differenz bildenden Elemente sind, und daß die Ausgangssignale (V₀- und V^ ) der Integrierer der Integralfehler des Speisespannungsvektors der AsynchronmaschiiE sind (vgl. Figur 17)·

21. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (37 in. Figur 18a) vorgesehen ist, zur Verhinderung schneller Änderungen der Vorzeichen des Relaissignals zur Steuerung der Leistungsschalter des die Asynchronmaschine speisenden Umformers, mit folgenden Elementen: zwei Verstärker (1, 2 An 61^5^37)» die beide eine positive

IK-I, KMJ

Widerstandsrückkopplung/aufweisen, wobei die Ausgänge der beiden Verstärker (1, 2 in Block 37) über einen Schaltkreis aus zwei Widerständen verbunden sind, deren gemeinsamer Punkt mit einem Kondensator (C in Block 37) und dem invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers (2) verbunden ist, daß der nicht investierende Eingang des ersten Verstärkers (1) über Widerstände (R) mit dem Ausgang des zweiten Verstärkers (2) verbunden ist, daß der zweite Verstärker (2) weiterhin über einen Wideisband mit Masse verbunden ist und nicht mit dem Kondensator (C) verbunden ist, wobei das Eingangssignal über Widerstände

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dem invertierenden Eingang des ersten Verstärkers (1) zugeführt wird und das Ausgangs signal der Einridtung (37) zur Verhinderung schneller Vorzeichenwechsel das Ausgangssignal des ersten Verstärkers (1) ist (vgl. Figur 18a).

22. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Begrenzer für den Asynchronmaschinenstatorstrom und den die Asynchronmaschine speisenden Umformerstrom vorgesehen ist und folgende Elemente enthält: zwei Schalter (K,,, K_p in Block 38) mit jeweils zwei Eingängen, wobei ein oberer Eingang der Schalter die entsprechenden Ausgangssignale (S^ und Sp) der Einrichtung zur Bildung der Ums chali; funkt ionen (11) erhält, und die unteren Eingänge der Schalter (K_xJ, K₂ in Block 38) die entsprechenden Signale (M¹, V),die der Projektion der Statorstromvektors auf die Richtung des Rotorstromvektors und auf die orthogonale Richtung proportional sind, zugeführt erhält, daß an die Steuereingänge der Schalter (K_x,, K₂ in Block 38) die Relaissignale (O_x. bzw. O₂) zugeführt werden, die die AusgangSr signale einer Einrichtung (40 in Figur 19) zur Bildung der Strombegrenzungsrelaissxgnale zugeführt werden, daß die Ausgangssignale des Strombegrenzers die Ausgangssignale der obigen Schalter (K_x,, K₂ in Block 38) sind, daß die Einrichtung (40) zur Bildung der Strombegrenzungsrelaissignale zwei identische Einrichtungen (vgl. Figur 21) enthält, die aus sechs Komparatoren (1 bis 6 in Block 40 in Figur 21) und sechs Dioden (D1 bis D6 in Block 40 in Figur 21) enthält, wobei an die nicht invertierenden Eingänge von drei Komparatoren (1, 2, 3 in Block 40) jeder Einrichtung die Signale zugeführt werden, die den entsprechenden Strömen der Phasen (R, S, T) des die Asynchronmaschine speisenden Umformers zugeführt werden und Signale (PU) für die erste Einrichtung und (P₂) für die zweite Einrichtung, wobei die Vergleichsschwelle des Signales (P^) niedriger ist als die des Signales (P₂)* daß an die invertierenden Eingänge der wei-

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teren drei Komparatoren (3, 4, 5 in Block 40 in Figur 21) jeder Einrichtung die Signale zugeführt werden, die den korrespondierenden Phasenströmen des die Asynchronmaschine speisenden Umformers zugeführt werden und Signale (-P^ "bzw. -P₂)» cLaß die Ausgänge aller sechs Komparatoren (1 bis 6 in Block 40) über sechs Dioden (D1 bis D6 in Block 40) miteinander so verbunden sind, daß eine Auswahl des Maximalsignalwertes durch-führbar ist, wobei der gemeinsame Verbindungspunkt der Dioden (D1 bis D6) über Widerstände mit einem Anschluß für die negative Speisespannung verbunden ist, und daß das Ausgangsrelaissignal, das von dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Dioden abgreifbar ist, das Relaisbegrenzungssignal (Oy.) für die erste Einrichtung und das Relaisbegrenzungssignal (Op) für die zweite Einrichtung/ast (vgl. Figur 19 und 21).

23. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 4, 5, 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Bildung des Sollstatorstromes der Asynchronmaschine vorgesehen ist, die aus zwei gleichen Einrichtungen von sechs Verstärkers (1 bis 6 in Block 41 in Figur 23) besteht, wobei an die Eingänge des ersten und zweiten Verstärkers (1, 2 in Block 41 in Figuj? 23) die Summe der Ausgangssignale des Relais angelegt werden, an dessen Eingang die Ausgangssignale (S^ oder Sg) der obigen Einrichtung zur Bildung der Funktionen und der konstanten Größen (ot bzw. -cc) zugeführt werden, daß ein Rückkopplungskreis der ersten beiden Verstärker (1, 2) aus einer Parallelschaltung aus Kondensatoren (C|) und Dioden (D1) besteht, wobei die Dioden des ersten und zweiten Verstärkers mit entgegengesetzter Polarität verschaltet sind, daß der dritte und vierte Verstärker (3, 4 in Block 41 in Figur 23) die Differenzen zwischen den Ausgangssxgnalen des ersten und zweiten Verstärkers (1, 2) bzw. des zweiten und ersten Verstärkers (2, 1) bildet, daß die Ausgangssignale des dritten und vierten Verstärkers (3, 4) an die Eingänge des dritten

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und

und vierten Verstärkers/über zwei Schalter (T^., Tp) an den Eingang des fünften Verstärkers (5) gelegt werden, wobei jeder Schalter durch einen Transistor realisiert wird, wobei bade Schalter über Ausgangsignale des Relais gesteuert werden, deren Eingang die Signale (S^ und Sg) der Einrichtung (11) zur Bildung der Umschaltfunktionen zugeführt werden, daß der Eingang des fünften Verstärkers (5) das Ausgangssignal eines durch einen Feldeffekttransistor realisierten Schalters ist, an dessen Eingang das Aus gangs signal eines !Comparators gelegt ist, der durch den sechsten Verstärker (6) realisiert ist und in einem Rückkopplungskreis des fünften Verstärkers (5) enthäten ist, daß in dem gleichen Rückkopplungskreis ein Kondensator (C) enthalten ist, und daß der durch den Feldeffekttransistor realisierte Schalter über das Ausgangssignal der Einrichtung zur Bildung der Komponenten des Sollstatorstromes der Asynchronmaschine gesteuert ist (vgl. Figur 23).

24. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 4, 5, 10, dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung (42 und 28 in Figur 24) zur Bildung der Statorstromkomponente, die den Rotor der Asynchronmaschine magnetisiert, vorhanden ist, wobei diese Einrichtung aus vier Verstärkern (1 bis 4 in Block 42) und Feldeffekttransistorschaltern (T in Block 42) besteht, wobei die Differenz zwischen dem gemessenen Wert und dem Sollwert des Quadrates des Modulus des Flußvektors (§,φ*) der Asynchronmaschine an den Eingang des ersten Verstärkers (1 in Block 42) gelegt ist, daß das Ausgangssignal des ersten Verstärkers (1 in Block 42) an den Eingang des zweiten Verstärkers (2 in Block 42) gelegt ist, daß ein Rückkopplitngskreis des zweiten Verstärkers aus einem parallelverschalteten Widerstand (R), einem Schaltkreis aus einem in Serie verbundenen Komparator, der durch den dritten Verstärker (3) verwirklicht ist, einem Feldeffekttransistor (T) und einem Trägheitsmomentblock, der durch den vierten Verstär-

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ker realisiert ist, besteht, wobei der Feldeffekttransistorschalter (T) über das Relaxsausgangssignal (O₂) der Einrichtung (40 in Figur 21) zur Bildung des Relaissignals zur Strombegrenzung gesteuert wird, und daß das Aus gangs signal des zweiten Verstärkers (2) das Ausgangssignal der Einrichtung (42) zur Bildung der Komponente des Statorstromes, die den Rotor der Asynchronmaschine magnetisiert, ist (vgl. Figur 24).

25. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Errechnung des Quadrates des Modulus des Rotorflußvektors (φ) und dessen zeitlicher Ableitung (E) vorhanden ist, die aus zwei Blocks (1, 2 in Block 43 in Figur 25) zur Quadrierung und aus zwei Summierern besteht, wobei an die Eingänge der Quadrierungsblocks die entsprechenden Komponenten des Rotorflußvektors (Iq-, §„ ) der Asynchronmaschine in einem stationären Koordiatensystem zugeführt werden, daß die Summe der Ausgangssignale der Quadrierungblocks, die in einem ersten Summierer gebildet ist, das Quadrat des Modulus des Rotorflußvektors ist, daß der Eingang des zweiten Summierers das Signal von dem ersten Summierer und das dem Skalarprodukt aus Rotorflußvektor und Statorstrom der Asynchronmaschine proportionale Signal ist (von Block 39 in Figur 19) und daß das Ausgangs signal des zweiten Summierers die zeitliche Ableitung (E) des Quadratmoduius des Rotorflußvektors der Asynchronmaschine ist (vgl. Figur 25).

26. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (46 in Figur 28) zur Errechnung der Komponenten der Vektoren des Rotorflusses (Φ_α , φ ) und der Rotationsgeschwindigkeit (N') des Asynchronmaschinenrotors vorgesehen ist, die aus zwei Multiplizierern (1,2 in Block 48 in Figur 28) mit jeweils zwei Eingängen besteht, weiterhin aus zwei Schaltern (K^, K₂ in Block 48 in Figur 28), die jeweils

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einen invertierenden und einen nicht invertierenden Eingang aufweisen, weiterhin aus einem Rotorkreismodell und einem Statco* kreismodell, daß den Eingängen des ersten und zweiten Multiplizierers (1, 2 in Block 48) die entsprechenden Differenzen zwischen den Komponenten des Asynchronmaschinenstatorstromes in einem stationären Koordinatensystem, das in dem Statorstrommodell (47) errechnet wird, und die Komponenten des gemessenen Statorstromes der Asynchronmaschine zugeführt werden, daß den Eingängen des zweiten und ersten Multiplizierers die entsprechenden Komponenten des Asynchronmaschinenrotorflusses (§_a» Φ») in einem stationären Koordinatensystem, die in dem Modell (45)^ des Rotorflußvektors errechnet werden, zugdührt werden, daß die Differenz zwischen den Ausgangssignalen des ersten und zweiten Multiplizierers (1, 2 in Block 48) an den Eingang des Relaiselementes (in Block 48) gelegt wird, das an den invertierenden und nicht invertierenden Eingang eines ersten Schalters (K^ in Block 48) die erste Komponente (§J des Rotorflusses, die in dem Rotorflußmodell (45) errechnet wurde, angelegt wird, das an den invertierenden und den nicht invertierenden Eingang eines zweiten Schalters (K₂ in Block 48) die zweite Komponente (Φ^·) des Rotorflusses, die in dem Asynchronmaschinenrotorkreismodell (45) errechnet wurde, zugeführt wird, dass der erste und der zweite Schalter (K,. und K₂) über das Ausgangs signal des Relaiselementes (in Block 48) gesteuert werden, daß die Modelle des Rotor- und Statorkreises der Asynchronmaschine (45, 47; vgl. Figur 27 und 29) identisch s ind und aus zwei identischen Einrichtungen "bestehen, die jeweils aus drei Verstärkern bestehen, wobei an die Eingänge des ersten Verstärkers, der einen Summierer darstellt, die entsprechenden Komponenten des Statorstromes oder der Speisespannung der Asynchronmaschine und Ausgangssignale des dritten Verstärkers zugeführt werden, daß an die Eingänge des zweiten Verstärkers, der ,einen Summierer darstellt, die Ausgangssignale des ersten Verstärkers und entsprechende Ausgangs-

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signale der Schalter (K^, K^ in Figur 28) oder entsprechende Komponenten des Vektors der Ableitungen des Rotorflusses, d.h. das Ausgangssignal des zweiten Verstärkers des Rotorkreismodelles, zugeführt werden, daß an den Eingang des dritten Verstärkers, der einen Integrierer darstellt, das Ausgangssignal des zweiten Verstärkers zugeführt wird, daß das Ausgangssignal des dritten Verstärkers die entsprechende Komponente des Rotorflusses (Φ^, φ_β j vgl. Block 45 in Figur 27) in einem stationären Koordinatensystem ist oder die Statorströme (I_a , I_; vgl. Block 47 in Figur 29),die in dem Eotorkreismodell errechnet wurdeaoder dem Statorkreis der Asynchronmaschine, ist, daß das Ausgangssignal des Relaiselementes (Block 48 in Figur 28) gleich der Rotationsgeschwindigkeit (H"' ) des Rotors ist, mit einer Genauigkeit "bis zur Hochfrequenzkomponente, und dieses Signal das Ausgangssignal der Einrichtung (46 in Figur 28) zur Errechnung der Komponente des Rotorflusses und der Drehgeschwindigkeit des Rotors der Maschine ist (vgl. Figur 26, 27, 28).

27· Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Filterung und Korrektur vorgesehen ist, die aus einem Basisfilter (W1)und einem zusätzlichen Filter (W2) besteht, wobei an den Eingang des Basisfilters (WI in Figur 30b) ein Signal gelegt wird, das der Drehgeschwindigkeit (N¹ ) des Rotors, das von einem Meßwertumformer oder der obigen Einrichtung zur Errechnung der Rotationsgeschwindigkeit erhalten wird, daß an den Eingang des zusätzlichen Filters (W2) ein Signal gelegt wird, das dem Asynchronmaschinendrehmoment (M) proportional ist und von einem Meßwertumformer erhalten wird oder durch Multiplizieren der entsprechenden Komponenten des Maschinenstatotstromes und des Rotorflusses erhalten w4-rd, daß die Aus gangs signale der Filter summiert werden, daß das summierte Signal (y) beider Filter (W1, W2) das Ausgangssignal der Einrichtung zur Filterung und Korrektur der Rotations-

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geschwindigkeit oder der Winkelgescliwindigkeit des Maschinenrotors ist, daß die Übertragungsfunktionen des Basisfilters (W1) und des zusätzlichen Filters (W2) die Bedingungen der physikalischen Realisierbarkeit erfüllen und die dynamische ühvollkommenheit der Filterung,bezogen auf die Übertragungsfunktion eines idealen Filters, das nicht realisierbar ist, kompensieren, und.daß das zusätzliche Filter (W2) ein Hochfrequenzfilter ist, dessen Übertragungsfunktion eine Anzahl von Polstellen (zero root of multiplicity) größer gleich eins hat (vgl. Figur 30).

28. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 14, 15» dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (49 in Figur 31) zur Filterung und Korrektur vorgesehen ist, die aus Trägheitsmomentblocks (T^, 0?2 in Block 50 in Figur 32) besteht, wobei an den Eingang des ersten Trägheitsmomentblocks (T^ in Block 50) die Summe der Ausgangssignale des Meßwertumformers der Rotordrehgeschwindigkeit oder das Ausgangssignal der Einrichtung zur Berechnung der Rotordrehgeschwindigkeit (N) und das dem Maschinendrehmoment (M¹) proportionale Signal angelegt wird, daß an den Eingang des zweiten Trägheitsmomentblocks (T₂ in Block 50) die Differenz der Ausgangs signale des Meßwertumformers der Rotordrehgeschwindigkeit (N) oder des Ausgangssignals der Einrichtung zur Errechnung der Rotordrehgeschwindigkeit und des Ausgangssignals des ersten Trägheitsmomentblocks (T, in Block 50) angelegt wird, und daß das summierte Ausgangssignal des zweiten Trägheitsmomentblocks und des dem Maschinendrehmoment proportionalen Signals das Ausgangssignal der Einrichtung (50) zur Filterung und Korrektur ist, wobei dieses Signal der Winkelbeschleunigung (ε) des Maschinenrotors proportional ist (vgl. Figur 3^,32).

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