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Intearationsschaltunr für den KomDonenten eines umlau-
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fenden Vektors entsBrechende elektrische Größen (Es wird die Priorität
aus der Japanischen Anmeldung Sho T 23939 vom 2.3.78 beansprucht.) Die Erfindung
betrifft eine Integrationeschaltung für elektrische Größen, die den Komponenten
eines umlaufenden Vektors entsprechen. Die Schaltung enthält für Jede elektrische
Größe Je einen Integrator und Je eine die negative Ausgangsgrdße des Integrators
zum Integratoreingang rückführende Rückführungsleitung mit einem Nullpunktregler
mit PI-Verhalten.
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Eine derartige Schaltung ist vorzugsweise eingesetzt, um in einer
elektrischen Drehfeldmaschine aus EMK-Werten, die an Ständerwicklungen der Drehfeldmaschine
erfaßt werden, durch Integration die Komponenten des Magnetflußvektors zu ermitteln.
Die dadurch erhaltene Information über Lage und Größe des Magnetflußvektors ermöglicht
es, die Drehzahl mit hoher Genauigkeit zu regeln. Unter einer "Drehfeldmaschine"
wird dabei z.B. ein elektrischer Induktionsmotor, eine elektrische Synchronmasohine
oder ein Generator verstanden.
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Die in die Integrationsachaltung einzuspeisenden EMK-Werte können
aus der Spannung und dem Strom der Ständerwicklungen (Klemmengrößen oder Phasengrößen)
gewonnen werden. In der DE-AS 26 35 965 ist eine Anordnung mit einer dreiphasigen
Synchronmaschine beschrieben, bei der für zwei der drei Ständerwicklungen mittels
Stromwandlern die Phasenströme und mittels Spannungswandlern die Kleamenspannungen
ermittelt werden. Durch eine geeignete Schaltung werden in einer anschließenden
EMK-Erfassungseinrichtung aus den Kleimenspannungen die Phasenspannungen berechnet
und die EMK-derte für die beiden Ständerwicklungen gebildet. Durch Integrationen
in der anschliff ßenden Integrationsschaltung können aus diesen Werten die Anteile
des Magnetflußvektors in den beiden Ständerwicklungen ermittelt werden, wobei der
Magnetflußanteil für die dritte Ständerwicklung aus den beiden ermittelten Nagnetflußanteilen
berechnet werden kann. In eines anschließenden Koordinatenwandler (z.B. nach Bild
5 der DE-OS 23 53 594) können aus diesen Magnetflußanteilen die Komponenten des
Magnetflußvektors, z.B. bezüglich eines Koordinatensystems aus zwei rechtwinkligen,
zur Drehachse senkrechten Achsen, berechnet werden.
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Zum Fixieren des Nullpunktes der Integratoren der Integratorschaltung
und zum Festlegen der Integrationskonstante ist eine Nullpunktregelung erforderlich,
die alle Gleichanteile der Signale unterdrückt. Diese bekannte Anordnung hat Jedoch
den Nachteil, daß durch den Frequenzgang des Pl-Reglers ein zusätzlicher Fehler
bei der Ermittlung der Phase und des Betrages des Magnetflusses entsteht, der vor
allem bei niedrigen Frequenzen anwächst.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen vom Nullpunktregler
hervorgerufenen Fehler auszuschalten. Dadurch
soll insbesondere
eine Drehzahlregelung einer Drehfeldmaschine mit hoher Genauigkeit in einem größeren
Frequenzbereich, insbesondere bei niedrigen Frequenzen, ermöglicht werden.
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Genäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß bei der
eingangs genannten IntQgrationsrchaltung den Integratoren eine Kompensationsstufe
nachgeschaltet ist, die im eingeschwungenen Zustand die Abweichung der Integratorausgangssignale
von den Ausgangssignalen idealer Integratoren kompensiert.
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Durch den Frequenzgang von Integrator und Nullpunktregler wird der
Vektor, dessen Komponenten ermittelt werden sollen, gegenüber dem durch ideale Integration
zu ermittelnden Vektor einer Drehstreckung unterworfen. Im eingeschwungenen Zustand
ist diese Drehstreckung konstant und durch die Umlauffrequenz des Vektors und die
Zeitkonstanten des Frequenzganges bestimmt. Daher kann zumindest im eingeschwungenen
Zustand die gewünschte Kompensation vorteilhaft dadurch geschehen, daß die Ausgangssignale
der Integratoren in einem Vektordreher mit elektrischen Kompensationsgrößen beaufschlagt
werden, die diese Drehstrekkung rückgängig machen, d.h. eine inverse Drehstreckung
bewirken. Die Kompensationsgrößen ihrerseits können in einen Rechner aus den Zeitkonstanten
und der Frequenz des eingeschwungenen Zustandes berechnet werden. Dem Rechner nuß
hierzu lediglich die entsprechende Frequenz eingegeben werden. Diese Kompensation
gilt zunächst nur für stationäre ZustEnde.(eingeschwungener Zustand); wird Jedoch
z.B.
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der Istwert oder der Sollwert der Drehfrequenz ein6rDrehfeldiaschine
eingegeben, so entsteht zumindest bei langsamen Drehzahländerungen nur ein geringer
Fehler und es ist eine Drehzahlregelung auch bei niedrigen Frequenzen mit großer
Genauigkeit möglich.
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Anhand eines Ausführungsbeispiels und zweier Figuren wird das Wesen
der Erfindung näher erläutert.
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Das Ausführungsbeispiel betrifft eine Integrationsschaltung zur Magnetflußerfassung
bei eines Zweiphasen-Induktionsmotor. Es zeigt Figur 1 schematisch die gegenseitige
Lage der interessierenden Achsen und Vektoren, Figur 2 schematisch den Aufbau der
Magnetflußerfassungseinrichtung.
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Figur 1 zeigt zwei orthogonale Achsen d und g des entsprechenden Zweiphasenelektromotors
und die Vektoren des magnetischen Ständerflusses 1 einen eingeprägten Spannungsvektor
v1 und einen Ständerstromvektor i1. In dieser Stellung fällt die Achse d mit der
Ständerwicklungsachse, die der einen Phase des Ständers des Elektromotors entspricht,
die Achse g mit der anderen Phase des Ständers zusammen.
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Die Indizes d und g an den Vektorsymbolen zeigen die entsprechenden
Komponenten der Vektoren in diesen Achsen an.
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Bei Verwendung des eingeprägten Spannungsvektors v1 und des Ständerflußvektors
i1 kann, unter Berücksichtigung des Primärwiderstandes R1 des Induktionsmotors,
der Magnetflußvektor 1 des Induktionsmotors durch folgende Gleichungen ausgedrückt
werden: d#1/dt =v/1 -R1i=1 d#1d/dt =v1d -R1i1d =EMKd d#1g/dt =v1g -R1i1g -EMKg Folglich
werden entsprechend Figur 2 durch Subtraktion entsprechender Größen für Rlild und
vld bzw. R1i1g und
V1g an entsprechenden Additionsgliedern 2 des
EMK-Detektors 1 und durch anschließende Integration in den Integratoren 3 und 4
elektrische Größen #1d und 1g für die Magnetflußkomponenten bezüglich der entsprechenden
Achsen gebildet. Rückführungsleitungen 5 und 6 mit Tiefpaßfiltern 7 und 8 bewirken
eine PI-Regelung, um zur Nullpunktregelung Gleichkomponenten in den Integratorausgängen
zu unterdrücken, die von den Driften der Integratoren hervorgerufen werden könnten.
Diese Magnetflußkoaponenten 1d und q entsprechen Jedoch wegen des Pl-Verhaltens
der Tiefpaßfilter 7 und 8 nicht direkt den gesuchten Koaponenten des tatsächlichen
Magnetflußvektors #1 . Bei idealer Integration ergäbe sich ein Zeitverhalten R-
für die Grö-Sen 1d und 1g Tatsächlich ergibt sich f B die von den Integratoren gelieferten
Komponeuten 1d und 1g Jedoch das Zeitverhalten zu KzS . Es gilt also folgende S²+aS=b
Beziehung: = cS2 S@=aS=b CS²/@ S +aS+b Hierbei bezeichnen a, b und c Konstante,
S den komplexen Operator der Laplace-Transformation.
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Der auf diese Weise aus den Komponenten #1d und 1g gebildete Magnetflußvektor
soll nun so kompensiert werden, daß der tatsächliche momentane Magnetflußvektor
ermittelt werden kann. Zu diesem Zweck wird die Winkelgeschwindigkeit w1 der Größe
d/dt als Eingang in eine den Indikatoren nachgeordnete Kompensationsstufe gegeben,
die zunächst einen Rechner 9 enthält, der aus einfachen Multiplizierern Dividieran
und Subtrahierern auf die in der Figur.2 ange-
gebenen Weise zusammengesetzt
sein kann und aus dieser Winkelgeschwindigkeit und einstellbaren oder fest vorgegebenen
Werten für die Konstanten a, b, c und 1 die Kompensationsgrößen c . (1-b) (Rechnerausgang
11) und ca (Rechnerw1 wi ausgang 12) berechnet.
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Mit diesen Größen werden in der Kompensationsstufe die Ausgänge der
Integratoren 3 und 4 mittels eines Vektordrehers 13 beaufschlagt. Selbst wenn in
diesem Fall die Drehgeschwindigkeit w1, die dem Eingang des Kompensationsrechners
9 zugeführt werden soll, durch eine Größe ersetzt wird, die der tatsächlichen Umdrehungsgeschwindigkeit
des Induktionamotors entspricht, so ist der entstehende Fehler so klein, daß in
der praktischen Anwendung keine Schwierigkeiten entstehen.
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Der Vektordreher 13 ist dabei so aufgebaut, daß mit Hilfe der Kompensationsgrößen
der Frequenzgang der Größen #1d und #1q kompensiert wird. Aus den oben aufgeführten
Beziehungen folgt nämlich #1=S²=aS+b/cS² #1.
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Gemäß der Erfindung soll der Einfluß des Pl-Reglers nur bei stationärem
oder quasi-stationärem Betrieb kompensiert werden. Es kann also gesetzt werden:
S - J w1 und die letztgenannte Gleichung wird hiermit zu
Wenn der Magnetflußvektor 1 in dieser Gleichung in seine beiden
Komponenten bezüglich der d- und g-Achsen aufgespalten wird, so werden folgende
Gleichungen erhalten:
Im Ausführungsbeispiel werden entsprechenden Eingängen des Vektordrehers 13 die
Größen 1d und #1g von den Integratoren 3 und 4 und die Größen 1 (1 - b) vom Rechnerausgang
11 und die Grjöße 1/w1 von Rechnerausgang 12 so zugeführt und miteinander vervunden,
daß die den letztgenannten Gleichungen entsprechenden Rechenoperationen durchgeführt
und die entsprechenden Komponenten des Magnetflußvektors erhalten werden, wobei
diese Komponenten den momentanen Integralen der Größen d 1d/dt und d 1g/dt entsprechen
und ohne Störung durch die Eingangsfrequenz ermittelt werden.
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Darüber hinaus kann die Winkelgeschwindigkeit w1 am entsprechenden
Rechnereingang mit einer Konstanten K multipliziert werden, die so gewählt wird,
daß das Dividierglied im Kompensationsrechner auch bei kleinen Frequenzen nicht
übersteuert wird. Dies bedeutet ein Ersatz der Winkelfrequenz durch einen Wert K
. w1, der durch eine entsprechende Multiplikation mit der Konstanten K an anderer
Stelle des Kompensationsgliedes, z.B. an den Ausgängen 14 und 15, wieder rückgängig
gemacht werden kann. Der Arbeitsbereich der Magnetflußeinrichtung kann dadurch noch
weiter zu niedrigeren Frequenzen ausgeweitet werden.
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Darüber hinaus kann die Streuung des Ständermagnetflusses in einer
Magnetfluß-Vektordreherstufe 16 von dem auf diese Weise erhaltenen Ständermagnetfluß
abgezogen werden.
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Dadurch kann der Momentanwert des Magnetflußvektors, insbesondere
auch des Rotormagnetflusses 2' ohne Schwierigkeiten ermittelt werden.
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Dies ermöglicht es, zur genauen Regelung eines Induktionsmotors den
Momentanwert des Magnetflußvektors aus den leicht zugänglichen Größen Spannung,
Strom und Rotationsgeschwindigkeit ohne Verwendung einer Hall-Sonde zu ermitteln.
Dieser Momentanwert wird einem Vektoranalysator 17 zugeführt, der die Größe und
die Richtung des Moxentanwertes des Magnetflußvektors ermitteln kann, z.B. den Betrag
##2## und die Winkellage - entsprechend cos4 =v2g/##2@@ und sin4 =v2d/##2# -des
Rotormagnetflusses.
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Entsprechend diesen Erläuterungen kann die Integrationsschaltung gemäß
der Erfindung zur Magnetflußerfassung bei allen Arten rotierender elektrischer Maschinen
mit magnetisches Drehfeld verwendet werden, die eine Information über die genaue
Größe und Lage des Magnetflußvektors benötigen. Die Einrichtung kann auch für eine
Magnetflußerfassung verwendet werden, die nicht nur für eine Uberwachung des Magnetflußvektors,
sondern auch für eine Schlupfkontrolle eines bekannten Induktionsmotors und für
die Regelung einer Synchronmaschine und eines Generators erforderlich ist. Ferner
kann die Integrationsschaltung gemäß der Erfindung auch wirkungsvoll auf anderen
Gebieten verwendet werden, bei denen eine Integration eines rotierenden Vektors
und eine hohe Genauigkeit der Integration auch bei niedrigen Frequenzen erforderlich
ist.
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Insbesondere ist es ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung,
daß diese Schaltung für eine Drehfeldmaschine so ausgebildet werden kann, daß sie
den Magnetfluß der Drehfeldmaschine mit großer Genauigkeit über einen großen Frequenzbereich
erfaßt, insbesondere bei niedrigen Frequenzen.
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2 Figuren 3 Patentansprüche