DE3043058A1

DE3043058A1 - Verfahren zur fuehrung einer synchronmaschine

Info

Publication number: DE3043058A1
Application number: DE19803043058
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Dipl.-Ing. Fink; Peter Dipl.-Ing. Grumbrecht; Peter Dipl.-Ing. Hussels; Joachim 1000 Berlin Weidemann
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1980-11-12
Filing date: 1980-11-12
Publication date: 1982-06-16
Also published as: ZA817864B; DE3043058C2

Description

Verfahren zur Führung einer Synchronmaschine
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß den im Oberbegriff des Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmalen.
Das Verfahren findet eine Anwendung bei einem Antriebskonzept, das an Hand der Fig. 1 näher erläutert wird: eine Synchronmaschine SM wird über eine steuerbare Stromrichteranordnung ST am Netz N betrieben. Einer Maschinenführung M werden dazu Vorgabewerte Nw für das Drehmoment, y w für den Phasenwinkel der Maschineneingangsgrößen und Çuhw für den Fluß zugeleitet. An die Stelle des Vorgabewertes A kann auch bei sehr hohen Drehzahlen ein Vorgabewert für die Maschivenspannung treten, so daß bei steigender @rehzahl ein Betrieb mit konstanter Spannung möglich ist, ohne den Fluß abzusenken. Mit der Maschinenführung M wird es ermöglicht, Strom (Ständerstrom iSw Feldstrom iFw) und/oder Spannungen (Usw) zur Steuerung der Maschine vorzugeben.
Es ist bekannt, eine mehr oder minder detaillierte inverse Nachbildung der Maschine auf elektronischem Wege einzusetzen, vgl. "Siemens-Zeitschrift" Bd. 45 (1971) Seiten 765 bis 768, Aufsatz: "Die TRANSVEETOR-Regelung für den feldorientierten Betrieb einer Synchronmaschine von Bayer, Waldmann und Weibelzahl.
Diese inverse Nachbildung ist wegen der erforderlichAn Auflösung der Systemgleichungen meist aufwendig und unübersichtlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Führung einer Synchronmaschine anzugeben, das diese Schwierigkeiten nicht aufweist.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Verfahrensschritte gelöst. Ausgestaltungen des Verfahrens gemäß der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das Verfahren gemäß der Erfindung wird im nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichm mg näher erläutert.
Es zeigt: -die Fig. 2 eine Darstellung des Verfahrens gemäß der Erfindung, die Fig. 3 ein Raumzeigerdiagramm zur Erläuterung dieses Verfahrens, die Fig. 4 eine innere Strukturierung des Maschinenmodells, die Fig. 4a - 4h den Aufbau der einzelnen Komponenten des Maschinenkreises, dabei insbesondere Fig. 4b die Bestimmung der Längsmagnetisierung aus Feldstrom und Rückwirkung aus Ständer- und Dämpferstrom, Fig. 4c den Zusammenhang zwischen Magnetisierung und Flußkomponenten, Fig. 4d die Bestimmung der Lage des Flusses gegenüber der Läuferlängsachse, Fig. 4e die Bestimmung des Maschinendrehmoments, Fig. 4f die Bestimmung des Ständerflusses, Fig. 4g die Bestimmung des Phasenwinkels, Fig. 4h die Herleitung der Spannungskomponenten USd und Usq.
In der Fig. 2 ist dargestellt, daß ein nicht inverses Maschinenmodell 1 in der Rückführung von Pührungsgrößenreglern 2,3,4 angeordnet ist, wobei einem ersten Regler ein Vorgabewert M für das Drehmoment und ein vom Modell bestimmter Modellistwert X , einem zweiten Regler ein Vorgabewert y w für den Phasenwinkel der Maschineneingangsgrößen und ein vom Modell bestimmter Modellistwert #x oder VorZabewert für die Spannung Uw und Modellistwert Ux, einem dritten Regler ein Vorgabewert \g für den Fluß und ein vom Modell bestimmter Modellistwert #hx zugeführt werden, und die Ausgangsgrößen der drei Regler, nämlich die Ständerstromkomponenten iSd, isq, in läuferbezogene Koordinaten, und der Feldstrom iF dem Maschinenmodell 1 als Eingangsgrößen zugeführt werden.
Ferner ist dargestellt, daß die läuferbezogenen Ständerstromkomponenten iSd, isq einem Koordinatendreher 5 zugeführt werden, in dem sie in ständerbezogene Größen isα, iSß dadurch umgeformt werden, daß entweder die Läuferlage # direkt gemessen oder aus der Fluß lage und der im Maschinenmodell bestimmten relativen Verdrehung CC zwischen der Flußlage und der Läuferlage # hergeleitet wird und diese direkt oder indirekt bestimmte Läuferlage die Drehung des Koordinatendrehers 5 bestimmt.
Eine Erweiterung des bisher beschriebenen Verfahrens besteht darin, daß zusätzlich ein Spannungsmodell 6 vorgesehen ist, dem die Ständerstromkomponenten isd, isq, vom Maschinenmodell 1 die Ständer-Flußkomponenten #1d, #1q und die zeitliche Anderung der Fluß lage zugeführt werden und daß aus diesen Größen die Ständerspannungskomponenten USd, Usq bestimmt werden.
Es ist ferner dargestellt, daß die Ständerspannungskomponenten Usd, Usq einem weiteren Koordinatendreher 7 zugeführt werden, der in gleicher Weise wie der erste Koordinatendreher gesteuert wird und an dessen Ausgang die ständerbezogenen Spannungskomponenten USoc, USß auftreten.
Schließlich ist noch dargestellt, daß die Ausgangsgrößen des Koordinatendrehers 5 oder der Koordinatendreher 5 und 7 einem ständerorientierten Modell 8 zugeführt werden, indem die Umsetzung aus dem zwei-strängigen orthogonalen Strom-/Spannungssystem in das in der Maschine verwirklichte, üblicherweise dreisträngig symmetrische Strom-/Spannungssystem umgesetzt wird.
Zur Erläuterung des verwendeten Maschinenmodells dient das Raumzeigerdiagramm in Fig. 3. In den läuferbezogenen d,q - Koordinaten, in denen auch das Maschinenmodell aufgebaut ist, sind der Feldstrom iF und die Ständerstromkomponenten isd und ist dargestellt.
Die Flußkomponenten \hdz # hq können hieraus über die Hauptinduktivitäten Lhd und Lhq ermittelt werden. Dieser Zusammenhang kann auch über Kennlinien gegeben werden. Man kann erkennen, daß der resultierende Hauptfluß # h damit um den Winkelch gegenüber der leicht zu magnetisierenden Läuferachse d verdreht ist. Silber den Ständerstreuabfall erhält man den Ständerfluß Y5. Dieser dient als Grundlage zur Ermittlung der Ständerspannung U3. Hiermit kann der Phasenwinkel ç zwischen den Eingangsgrößen der Maschine i5 und U5 ermittelt werden.
Die Winkellage des Läufers (d,q System) gegenüber dem Ständer (oc, /3-System) wird mit ;Lbezeichnet.
Diese funktionalen Zusammenhänge sind Grundlage für die Realisierung des Maschinenmodells.
Das nicht inverse Maschinenmodell besteht in einfacher Ausführung nur aus der Nachbildung der Maschinenströme und -flüsse.
Einzelne Kanäle wie z.B. die Ermittlung von iSq aus Mw und f'hw' können über ein inverses Teilmodell aufgebaut sein.
Den Führungsgrößenreglern können statt einer oder mehrerer Ausgangsgrößen des Maschinenmodells auch entsprechende Meßwerte von der Maschine zugeführt werden.
Fig. 4 zeigt eine innere Strukturierung des Maschinenmodells.
Man erkennt, daß wiederum die Ströme iFs ist und iSd als Eingänge benutzt werden und daß Mx, F hx die Ausgänge dieser Anordnung sind. Die Anknüpfung des Spannungsmodells entspricht Fig. 2.
Die Ständerstromkomponenten durchlaufen zunächst ein Dämpfermodell 11, danach wird unter Einbeziehung des Feldstromes die Längsmagnetisierung im Glied 12 bestimmt. Aus den nun vorliegenden Nagnetisierungsstromkomponenten ihd und ihq können die Flußkomponenten RtJhds t{Jhq über Kennlinien im Kennliniengeber 13 ermittelt werden. Durch Koordinatenwandlung (Wandler 14) erhält man hieraus den Hauptflußbetrag 5'hx und seinen Verdrehwinkel g gegenüber der Längsachse d. Darüber hinaus bieten die Flußkomponenten zusammen mit den Ständerstromkomponenten die Möglichkeit, zum einen das Buftspaltdrehmoment Nx der Maschine im Drehmomentgeber 15 nachzubilden und zum anderen die Ständerflußkomponenten über den Ständerflußbildner 16. Hieraus kann zusammen mit den Ständerstromkomponenten im Phasenwinkelbildner 17 der Phasenwinkel fx errechnet werden.
Die Ausgänge des Ständerflußbildners 16 werden zusammen mit den Ständerstromkomponenten sowie der zeitlichen Änderung der Flußlage f einem Spannungsbildner 18 zugeführt, der die Ausgangssignale USd und Usq liefert.
Im folgenden wird der Aufbau der einzelnen Komponenten des Maschinenmodells beschrieben.
Fig. 4a zeigt die Nachbildung des Dämpferkreises 11. Über zwei VZ1-Glieder 111, 112 wird die Auswirkung des Dämpferstromes auf die Magnetisierung nachgebildet. Eine Ständerstromänderung wirkt sich hierdurch nur verzögert auf die Magnetisierung aus. Es gilt bei Vernachlässigung der Läuferstreuung Soll die Läuferstreuung mit berücksichtigt werden, kann ein modifiziertes VZl-Glied mit einem zusätzlichen Proportionalanteil verwendet werden.
In Fig. 4b wird die Längsmagnetisierung aus Feldstrom und Rückwirkung von Ständer- und Dämpferstrom bestimmt (Glied 12).
Dies geschieht durch eine einfache Additionsschaltung: ihd =iF - (isd + iDd).
Über Magnetisierungskennlinien (Geber 131, 132) wird in Fig. 4c im Kennliniengeber 13 der Zusammenhang zwischen Magnetisierungsstrom-Eomponenten (Magnetisierung) und den Flußkomponenten hergestellt. Dieser Zusammenhang kann im einfachsten Fall linear sein und ist dann durch die festen Faktoren Lhd und Lhq gegeben. An den Ausgangsklemmen 133 und 134 erscheinen die FluBkomponenten 9 hd und # hq.
Durch Betragsbildung und Division wird in Fig. 4d die Lage g des Flusses gegenüber der Läuferlängsachse ermittelt. Dies geschieht im einzelnen dadurch, daß im Koordinatenwandler 14 zwei Dividierer 141, 142 vorgesehen sind, denen die Flußkomponenten T hdX #hq als Dividend zugeführt werden und deren Ausgänge auf zwei Quadrierer 143, 144 führen, deren Ausgangssignale addiert und um 1 verringert werden, worauf das Ergebnis über einem Regler 145 bzw. einem Operationsverstärker mit hoher Verstärkung den Dividierern als Divisor zugeführt wird. Am Ausgang der Dividierer erscheinen damit die Werte sin # und cos & und nach dem Verstärker 145 der Wert Es gilt In Fig. 4e wird aus den Flußkomponenten und den Ständerkomponenten durch Multiplikation (Multiplizierer 151, 152) und Addition das Naschinendrehmoment (nach Multiplikation mit 3/2 Zp) nachgebildet; es gilt Mx(Drehmoment) = g Zp (3hd.iSq - #hd.iSd) , Z = Polpaarzahl.
p Ebenfalls aus den Flußkomponenten und den Ständerstromkomponenten wird in Fig. 4f der Ständerfluß errechnet. Hierzu wird zunächst aus den Strömen über die Ständerstreuinduktivität L (7 der Ständerstreufluß ermittelt, der zum Hauptfluß addiert wird.
In Fig. 4g wird aus dem Ständerfluß und dem Ständerstrom näherungsweise der Phasenwinkel #x zwischen Ständerstrom und Ständerspannung bestimmt. Hierbei wird von der Tatsache ausgegangen, daß der Ständerfluß näherungsweise senkrecht auf der Ständerspannung steht. Im Eingangsteil dieser Schaltung wird åede Komponente des Flusses mit jeder Komponente des Stromes multipliziert (Multiplizierer 161, 162, 163, 164), sodann wird das Produkt der ersten Komponenten mit dem Produkt der zweiten Komponenten und das Produkt der zweiten Flußkomponente mit der ersten Stromkomponente und das Produkt der ersten Flußkomponente mit der zweiten Stromkomponente addiert. -An den Summenpunkten entstehen Zwischengrößen, die proportional sind dem cos bzw. sin des zwischen Strom und Spannung eingeschlossenen Winkels. Durch eine nachgeschaltete Eoordinatenwandlung wird die Amplitudenabhängigkeit eliminiert und eine Normierung auf sin #x und cos px erreicht. Die Koordinatenwandlung wird mit einer Schaltung gemäß Fig. 4d durchgeführt.
Durch Multiplikation (Multiplizierer 181, 182) der Ständerfluß-Komponenten mit der Winkelgeschwindigkeit des Flußzeigers # und der Addition der ohmschen Ständerspannung@abfälle (Widerstand Rs) entstehen gemäß Fig. 4h die Spannungskomponenten. Es gilt USd = iSd . RS - #Sq #, Sq = Sq R5 + tSd #.

Claims

Patentansprüche: Verfahren zur Führung einer über steuerbare Stromrichter am Netz betriebenen Synchronmaschine, bei dem aus Vorgabewerten, wie Drehmoment, Phasenwinkel der Naschineneingangsgrößen oder ein Grenzwert für die Spannung und Fluß die Sollwerte für die Steuerung und Regelung der Stromrichter ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein nicht inverses Maschinenmodell (1) in der Rückführung von Führungsgrößenreglern (2,3,4) angeordnet ist, wobei einem ersten Regler ein Vorgabewert Nw für das Drehmoment und ein vom Modell bestimmter Modellistwert Mx, einem zweiten Regler ein Vorgabewert f w für den Phasenwinkel der Naschineneingangsgrößen und ein vom Modell bestimmter Modellistwert oder Vorgabewert für die Spannung Uv und Modellist- wert Ux,einem dritten Regler (3) ein Vorgabewert für den Fluß und ein vom Modell bestimmter Modellistwert zugeführt werden, und die Ausgangsgrößen der drei Regler, nämlich die Ständerstromkomponenten in läuferbezogene Koordinaten (iSd, Iq) und der Feldstrom (iF)dem Maschinenmodell (1) als Eingangsgrößen zugeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnetq daß die läuferbezogenen Ständerstromkomponenten (iSd' isq) einem Koordinatendreher (5) zugeführt werden, in dem sie in ständerbezogene Größen (isα, is ß) dadurch umgeformt werden, daß entweder die Läuferlage (#) direkt gemessen oder aus der Flußlage (#) und der im Maschinenmodell bestimmten relativen Verdrehung (cF) zwischen der Flußlage (ist) und der Läuferlage ()v) hergeleitet wird und diese direkt oder indirekt bestimmte Läuferlage die Drehung des Xoordinatendrehers (5) bestimmt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Spannungsmodell (6) vorgesehen ist, dem die Ständerstromkomponenten (isd, iSq), vom Maschinenmodell (1) die Ständerflußkomponenten (#1d, #1q) und die zeitliche Änderung der Flußlage (#) zugeführt werden und daß aus diesen Größen die Ständerspannungskomponenten (Usd, Usq) bestimmt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3 in Verbindung mit Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ständerspannungskomponenten (Usd, Usq) einem weiteren Koordinatendreher (7) zugeführt werden, der in gleicher Weise wie der erste Koordinatendreher gesteuert wird und an dessen Ausgang die ständerbezogenen Spannungskompoenten (vsoC ' Usß ) auftreten.
5. Verfahren nach Anspruch 2 oder Ansprüchen 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsgrößen des Koordinatendrehers (5) oder der Koordinatendreher (5 und 7) einem ständerorientierten Modell (8) zugeführt werden, indem die Umsetzung aus dem zwei-strängigen orthogonalen Strom-/Spannungssystem in das in der Maschine verwirklichte, üblicherweise dreisträngig symmetrische Strom-/Spannungssystem umgesetzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht-inverse Maschinenmodell (1) nur aus der Nachbildung der Maschinenströme und -flüsse besteht.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Kanäle, z.B. die Ermittlung einer Ständerstromkomponente (ist) aus dem Drehmoment-Vorgabewert Nw und dem Vorgabewert thw über ein inversen Teilmodell aufgebaut sind.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Führungsgrößenreglern (2,3,4) statt einer oder mehrerer Ausgangsgrößen des Maschinenmodells entsprechende Meßwerte von der Maschine zugeführt werden.
9. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die läuferbezogenen Ständerstromkomponenten (iSd' isq) ein Dämpfermodell (11) durchlaufen, danach unter Einbeziehung des Feldstromes (iF) die Längsmagnetisierung (Glied 12) bestimmt wird, daß aus den nun vorliegenden Magnetisierungskomponentenhd ihq) ) über Kennlinien im Kennliniengeber (13) die Flußkomponenten (Yhd' 9 hq) ermittelt werden, aus denen d ) durch Koordinatenwandlung (Wandler 14) der Hauptflußbetrag (#hx) und sein Verdrehwinkel (cis) gegenüber der Längsachse (d) hergeleitet wird, 3) zusammen mit den Ständerstromkomponenten in einem Drehmomentbildner (15) das Luftspaltdrehmoment (M) und über einen Ständerflußbildner (16) die Ständerflußkomponenten 1d s ß+ ) hergeleitet werden, die zusammen mit den Ständerstromkomponenten in einem Phasenwinkelbildner (17) zur Bildung des Phasenwinkels #x benutzt werden.
10. Anordnung Jur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 3 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Ständerflußbildner (16) gebildeten Ständerflußkomponenten zusammen mit den Ständerstromkomponenten sowie der zeitlichen änderung der Flußlage ( ) einem Spannungsbildner (18) zugeführt werden, der die Ständerspannungskomponenten (Usa, Usq) liefert.
11. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfermodell (11) aus zwei VZ-1-Gliedern oder zur Berücksichtigung der Dämpferstreuung modifizierten VZ-1-Gliedern (111, 112) besteht, von denen dem ersten (111) die eine Ständerstromkomponente (iSd), dem zweiten die andere Ständerstromkomponente (isq) zugeführt wird.
12. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Glied (12) zur Längsmagnetisierungsbestimmung aus einer Additionsschaltung besteht, das den Feldstrom (iF) mit dem Ausgangssignal (isd + iDd) des ersten VZ-1-Gliedes (111) des Dämpfermodells addiert.
13. Anspruch nach dem Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Kennliniengeber (13) aus zwei getrennten Nagnetisierungskennliniengebern (131, 132> besteht, wobei dem ersten (131) das Ausgangssignal (ihd) des Längsmagnetisierungsgliedes (12) dem zweiten (132) das Ausgangssignal (ihq) des zweiten VZ1-Gliedes (112) zugeleitet wird, so daß am Ausgang (Klemme 133) des ersten Magnetisierungskennliniengebers (1-31) die eine Komponente (\hd) am Ausgang (Klemme 134) des zweiten Magnetisierungskennliniengebers (132) die andere Komponente (#hq) des Hauptflusses erscheint.
14. Anspruch nach dem Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Koordinatenwandler (14) zwei Dividierer (141, 142) vorgesehen sind, denen die FluRkomponenten (t lfIhq) als Dividend zugeführt werden und deren Ausgänge auf zwei Quadrierer (143, 144) führen, deren Ausgangssignale addiert und um 1 verringert werden, worauf das Ergebnis einem Regler (145) z.B. einem Operationsverstärker mit hoher Verstärkung den Dividierern als Divisor zugeführt wird.
15. Anspruch nach dem Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehmomentgeber (15) zwei Multiplizierer (151, 152) enthält, durch die die Flußkomponenten mit den Ständerstromkomponenten multipliziert we en, worauf die Ergebnisse anschließend addiert und mit Bewertungsfaktor bewertet werden.
16. Anspruch nach dem Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Ständerflußgeber (16) komponentenweise aus dem Ständerstrom über die Ständerstreuinduktivität L6 der Ständerstreufluß ermittelt wird, der zum Hauptfluß addiert wird.
17. Anspruch nach dem Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Phasenwinkelbildner (17) zunächst jede Komponente des Ständerflusses mit jeder Standerstromkomponente multipliziert wird (Multiplizierer 161, 162, 163, 164), sodann das Produkt der ersten Komponenten (iSd' pSd) mit dem Produkt der zweiten Komponenten (iSd, #Sq) und das Produkt der zweiten Flußkomponente ( bUsq) mit der ersten Stromkomponente (iSd) und das Produkt der ersten Flußkomponente ( # Sd) mit der zweiten Stromkomponente (ist) addiert werden und den Ausgangsgrößen an den Additionsstellen eine Koordinatenwandlerschaltung mit einem Aufbau entsprechend dem Aufbau des beschriebenen Koordinatenwandlers (14) nachgeschaltet ist.
18. Anspruch nach dem Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Spannungsbildner (18) die Ständerflußkomponenten mit der Winkelgeschwindigkeit des Flußzeigers ( #) multipliziert werden (Multiplizierer 181, 182) und mit den ohmschen Ständerspannungsabfällen (Widerstand R5) der einzelnen Ständerstromkomponenten komponentenweise addiert werden.