DE2909434C2

DE2909434C2 - Anordnung zur Steuerung und Regelung einer Stromrichter-Synchronmaschine

Info

Publication number: DE2909434C2
Application number: DE2909434A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Dipl.-Ing. 1000 Berlin Beck
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1979-03-07
Filing date: 1979-03-07
Publication date: 1985-10-24
Also published as: ES489206A1; DE2909434A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Steuerung und Regelung einer Stromrichter-Synchronmaschine, die ueber einen aus netz- und gleichspannungsseitig kommutierendem Maschinenstromrichter sowie einem ausgepraegten Gleichspannungszwischenkreis zusammengesetzten Umrichter gespeist wird. Es ist bekannt, dass bei der Regelung der Ausgangsgroessen eines gekoppelten Systems Koppelschwingungen auftreten. Die Verbesserung der Regeldynamik mittels vieler Regelschleifen sieht vor, dass jeder Kreis hoechstens eine grosse Zeitkonstante bzw. ein I-Glied und eine oder mehrere kleine Zeitkonstanten oder ein Totzeitglied enthaelt. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung zur Steuerung und Regelung einer Stromrichter-Synchronmaschine mit entkoppeltem Regelkreis fuer den Maschinen- und Netzstromrichter mit einem verbesserten Stoerverhalten bei Drehmomentenspruengen sowie einer moeglichst kleinen Zeitkonstanten bei Stromaenderungen zu schaffen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemaess dadurch geloest, dass der Sollwert des Zwischenkreisstromes von einem Spannungsregler abgegeben wird und dass dem Hauptflussgeber der Drehzahl-Sollwert eingegeben wird. Mit der erfindungsgemaessen Anordnung wird eine klare Trennung der Steuer- und Regeleinrichtung einer Stromrichter-Synchronmaschine im Netz- und Maschinenstromrichterteil erreicht. ...U.S.W

Description

den Maschinen- und Netzstromrichter mit einem möglichst guten Störverhalten bei Drehmomentensprüngen sowie einer möglichst kleinen Zeitkonstanten bei Stromänderungen zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird eine klare Trennung der Steuer- und Regeleinrichtung einer Stromrichter-Synchronmaschine im Netz- und Maschinenstromrichterteil erreicht Durch Verwendung eines gleichspannungsseitig kommutierenden Maschinenstromrichters wird die Wirkkomponente des Maschinenstromes und damit das Drehmoment der Synchronmaschine direkt über den Steuerwinkel eingestellt Die Entkopplung der Regeleinrichtung von Netzstromrichter und Maschinenstromrichter stellt außerdem ein verbessertes Störverhalten bei Drehmomentensprüngen bei gleichzeitiger Verringerung der Zeitkonstanten bei Stromänderungen sicher.

Anhand eines in der einzigen Figur der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles soll der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke näher erläutert werden.

Der in dieser Figur dargestellte Umrichter zur Speisung «iner Synchronmaschine 2 enthält einen an ein Dreiphasennetz angeschlossenen Netzstromrichter 4 sowie einen die Ständerwicklung der Synchronmaschine 2 speisenden Maschinenstromrichter 5 mit Thyristoren und antiparallelgeschalteten Rückstromdioden bzw. rückwärtsleitenden Thyristoren. Zwischen Netzstromrichter 4 und Maschinenstromrichter 5 ist ein ausgeprägter Gleichspannungszwischenkreis mit einer Glättungsinduktivität Ld sowie ein Gleichspannungskondensator Cd vorgesehen. Mit der Läuferwelle der Synchronmaschine 2 ist ein Impulsgeber 3 zur Erfassung des Polradwinkels i?5 bzw. der Drehzahl der Synchronmaschine 2 mechanisch verbunden. Zur Ansteuerung der Thyristoren des Netzstromrichters 4 ist ein netzorientiertes Steuergerät 6 vorgesehen, das einerseits mit dem speisenden Dreiphasennetz, andererseits mit einem Stromregler 10 verbunden ist Diesem Stromregler «0 wird die Differenz des von einem dem Stromregler 10 überlagerten Spannungsregler 9 abgegebenen Sollwert für den Zwischenkreisstrom Idsoii und des im Gleichspannungszwischenkreis erfaßten Istwertes des Zwischenkreisstromes ldat eingegeben. Der Spannungsregler 9 wird mit einer Regelabweichung beaufschlagt, die sich zusammensetzt aus den positiv bewerteten Größen für den Zwischenkreisspannungs-Sollwert Udsoii und dem Kondensatorgleichstrom Ic* sowie dem negativ bewerteten Zwischenkreisspannungs-Istwert Udia. der mil einer Erfassungseinrichtung 1 am Gleichspannungskondensator Cd des Gleichspannungszwischenkreises erfaßt wird. Der Sollwert des Zwischenspannungskreises Udsoii wird hierbei von einem Hauptflußgeber 11 abgegeben, der eingangsseitig den Drehzahl-Sollwert n_son erhält

Als zusätzliche Störgröße wird der Stromregler 10 mit dem aus der Summe des Glättungsinduktivitätsstromes und des Zwischenkreiskondensatorstromes gewonnenen Stromes /_Λ(Λ. beaufschlagt Damit wird erreicht daß die Zwischenkreisspannungsregelung ein besseres Störverhalten aufweist was sich insbesondere bei schnelleren Drehmomentverstellungen günstig auswirkt o5

Die Thyristoren des ffleichspannungsseitig kommutierenden Maschinenstromrichters 5 erhalten ihre Zündbefehle von einem polradorientierten Steuergerät 7, an dessen Eingängen der Polradwinkel bzw. sin i?_ft der vom Impulsgeber 3 abgegeben wird, und der von einem Drehzahlregler 8 abgegebene Sollwert für das innere Drehmoment Mi₅₀H ansteht Dem Drehzahlregler 8 wird dabei die Regelabweichung von Drehzahl-Sollwert /J₅₀;; und dem von einem mit dem Impulsgeber 3 verbundenen Digital-Analogglied 12 abgegebenen Drehzahl-Istwert Πά, eingegeben.

Der Läufer der Synchronmaschine 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit einer Drehstrombrückenschaltung 14 zur Feldregelung verbunden.

Bei entsprechender Aussteuerung des Stromrichters für den Erregerstrom der Synchronmaschine kann die Überlappung des Ständerstromes bei der Kommutierung zu Null gemacht und damit die Frequenzgrenze erhöht werden. Hieraus ergibt sich als besonders geeignetes Steuerverfahren, daß der Stromrichter für den Erregerstrom der Synchronmaschine so ausgesteuert wird, daß der Ständerstrom der Synchronmaschine gerade nicht lückt d. h. an der Lückgrer/.«; betrieben wird. Entsprechend steigt die obere Frequenzb^grenzung des Maschinenstromrichters auf etwa 200 bis 250 Hz. Bei Beibehaltung des bisherigen Frequenzbereiches ergibt sich eine vorteilhafte Verbesserung des Leistungsfaktors.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 sache ausgenutzt, daß das innere Moment der Syn- Patentansprüche: chronmascbine vom Winkel as zwischen Polradlage und Ständerstrombelag der Synchronmaschine abhängt, der

1. Anordnung zur Steuerung und Regelung einer Ständerstrombelag durch den Maschinenstromrichter Stromrichter-Synchronmaschine, die über einen 5 von Wicklung zu Wicklung trägheitslos weitergeschal-Zwischenkreisumrichter mit Netzstromrichter und tet wird und somit eine sprungartige Änderung des Win-Maschinenstromrichter gespeist wird und an deren kels as direkt eine Änderung des Drehmoments zur FoI-Läuferwelle ein Polradlagegeber angeschlossen ist, ge hat Dieses bekannte Regelverfahren besteht aus eiwobei ein Hauptfluß bei konstantem Erregerfluß ner Flußregelung mit unterlagerter Stromregelung für vorgegeben ist und der Netzstromrichter über ein 10 den Netzstromrichter und einer Drehzahlregelung, die netzorientiertes Steuergerät mit einem Stromregler, mit dem Winkel as als Stellgröße über den Maschinendem als Istwert der Zwischenkreisstrom zugeführt stromrichter auf das Moment der Synchronmaschine ist, und der Maschinenstromrichter mit einem pol- einwirkt. Auf diese Weise wird die Flußregelung der radorientierten Steuergerät verbunden ist, dessen Synchronmaschine dynamisch hochwertiger, da sie mit Eingang sowohl an den Polradgeber als auch an ei- 15 dem Zwischenkreisstrom /</ als Stellgröße nicht mehr nen Drehmomentsollwert bildenden Drehzahlreg- von der großen Erregerkreis-Zeitkonstanten abhängt ler, dem die Drehzahl-Regelabweichung eingegeben Als zusätzlicher Vorteil wird erreicht, daß eine konstanwird, angeschlossen sind, wobei das polradorientier- te Polradregelung ermöglicht wird.

te Steuergerät aus einem Polradlagewinkel und dem Für den Maschinenstromrichter ist deshalb ein pol-Drehmo«5nt-SoUwert gebildeten Steuerwinkel das 20 radorientiertes Steuergerät mit verstellbarem Steuervon der Synchronmaschine abgegebene Drehmo- winkel as vorgesehen. Zur Regelung des Zwischenkreismentvorgibt, dadurch gekennzeichnet, stromes ist die meßtechnische Erfassung oder Berechdaß der Zwischenkreisumrichter ein mit einem Zwi- nung des Betrages des Hauptflusses der Synchronmaschenkreiskondensator (Cd) ausgestatteter Zwi- schine erforderlich. Zusätzlich muß zur Entkopplung schenkreisumrichter mit eingeprägter Spannung ist 25 der Regelkreise des Netzstromrichters und des Maschidessen Maschinenstromrichtar gleichspannungssei- nenstromrichters die vom Drehzahlregler abgegebene tig kommutiert, Ausgangsgröße durch den Wert des Gleichstromzwidaß der Sollwert des Zwischenstromkreises (idmn) schenkreisstromes U dividiert werden, um so eine Einvon einem Spannungsregler (9) abgegeben wird, gangsgröße für das polradorientierte Steuergerät zu erdessen Eingang mit der Differenz der Summe des 30 halten, die dem ircfieren Moment der Synchronmaschine Kondensatorgleichstrom-Istwertes (last) sowie des proportional ist

von einem den Hauprfluß ve gegebenen Hauptfluß- Es ist durch die DE-OS 27 38 562 ein Umrichter mit

geber (11) abgegebenen Zwischenkreisspannungs- Gleichspannungszwischenkreis zur Speisung von Syn-

Sollwertes (Udsoii) und des at dem Zwischenkreis- chronmaschinen mit gleichspannungsseitiger Kommu-

kondensatorfCy erfaßten Zwischenkreisspannungs- 35 tierung auf der Maschinenseite bekannt Dadurch kann

Istwertes (U₁Bn) beaufschlagt ist und die reine, durch den physikalischen Aufbau der Strom·

daß dem Hauptflußgeber (11) der Drehzahl-Sollwert richterventile sich ergebende Löschzeit zum Tragen

(n_xa) eingegeben wird. kommen. Es wird der Frequenzbereich des maschinen-

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- seitigen Stromrichters erweitert so daß die Synchronzeichnet daß der Stromregler (10) als zusätzliche 40 maschine mit hohen Drehzahlen betrieben werden Störgrößenaufschaltung mit dem aus der Summe kann.

des Stromes der Glättungsinduktivität und des Zwi- Aus der Regelungstechnik ist bekannt daß bei der

schenkreiskondensatorstromes gebildeten Strom (U Regelung der Ausgangsgrößen eines gekoppelten Sy-

_stur) beaufschlagt wird. stems ein charakteristisches Problem auftritt das es bei

45 Einzelregelungen nicht gibt da es ausschließlich durch

die Kopplung bedingt ist Regelt man nämlich jede einzelne Größe ohne Rücksicht auf die andere und legt dazu jeden einzelnen Regelkreis so aus, daß er für sich

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Steuerung allein ein gutes dynamisches Verhalten zeigt würde und Regelung einer Stromrichter-Synchronmaschine 50 dennoch das Gesamtsystem dynamisch schlecht sein, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. zum Schwingen neigen und möglicherweise sogar un-Es ist bekannt das innere Moment einer umrichterge- stabil werden. Denn es handelt sich um mehrere schwinspeisten Synchronmaschine über den Strom im Gleich- gungsfähige Gebilde, die zwar einzeln gut stabilisiert stromzwischenkreis zu regeln. Bei diesem Regelverfah- sein mögen, aber miteinander verbunden Koppelren wird der Aufbau des inneren Moments im wesentli- 55 schwingungen liefern. Zur Verbesserung der Regeldychen durch die Zeitkonstanten des Gleichstromzwi- namik ist man daher bestrebt, so viele Regelschleifen schenkreises, & h. durch die Glättungsinduktivität und vorzusehen, daß jeder Kreis höchstens eine große Zeitdie im Kreis vorhandenen Widerstände bestimmt. konstante bzw. ein/-Glied und eine oder mehrere kleine Durch diese Glättungsinduktivität bedingt nimmt die Zeitkonstanten oder ein Totzeitglied enthält. Damit Zeitkonstante im Vergleich zu den Transientenkonstan· so kann jede Regelschleife mit einem PI-Regler ausgerüten der Synchronmaschine erhebliche Werte an. stet werden, und der jeweils überlagerte Regelkreis gibt Aus der Literaturstelle »ETZ-A, Band 98 (1977), die Führungsgröße für den ihm unterlagerten Regel-Heft 9, Seite 624, 625« ist eine Anordnung zur Steue- kreis vor. Durch Begrenzung der einzelnen Führungsrung und Regelung eines fremdgeführten Stromrichter- größen können zusätzlich noch die in der Regelstrecke Synchronmotors bekannt die ein dynamisch günstiges 65 auftretenden Größen begrenzt werden.
Störverhalten durch eine weitgehend direkte Beeinflus- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Ansung des inneren Moments der Synchronmaschine be- Ordnung zur Steuerung und Regelung einer Stromrichwerkstelligt Bei diesem Regelverfahren wird die Tat- ter-Synchronmaschine mit entkoppeltem Regelkreis für