DE3045032A1

DE3045032A1 - Synchronmaschinenfuehrung ueber ein aufgeteiltes maschinenmodell

Info

Publication number: DE3045032A1
Application number: DE19803045032
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: 1980-11-26
Filing date: 1980-11-26
Publication date: 1982-07-15
Also published as: DE3045032C2; ZA818205B

Description

Beschreibung
Synchronmaschinenführung über ein aufgeteiltes Maschinenmodell 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 anhand der Fig. 1 näher erläutert wird: eine Synchronmaschine SM wird über eine steuerbare Stromrichteranordnung ST am Netz N betrieben. Einer Maschinenführung MST werden dazu Vorgabewerte M für das Drehmoment, für den Phasenwinkel der Maschineneingangsgrößen und h h für den Hauptfluß zugeleitet.
Mit der Maschinenführung MST wird es ermöglicht, Ströme (Ständerstrom is, Feldstrom iF) und/oder Spannungen US zur Steuerung der Maschine vorzugeben.
Es ist bekannt, eine mehr oder minder detaillierte inverse Nachbildung der Maschine auf elektronischem Wege einzusetzen, vgl. Siemens-ZeitschriftBd, 45 (1971) Seiten 765 bis 768, Aufsatz: "Die TRANSVEKTOR-Regelung für den feldorientierten Betrieb einer Synchronmaschine" von Bayer, Waldmann und Weibelzahl.
Dazu werden die Ströme, Spannungen und Flüsse in Komponenten aufgeteilt, die in Polradgeometrie d, q orientiert sind. Daraus ergeben sich zum Teil sehr aufwendige Bestimmungsoperationen für die herzuleitenden Steuergrößen für die Stromrichter. Es ist bekannt, daß im ständerorientierten inversen Teilmodell eine Umsetzung aus dem zweisträngigen orthogonalen Strom iSα, iSß bzw. der Spannung US α, USß in die in der Maschine verwirklichten überlicherweise dreisträngigen Systeme iu, iv, iw bzw. uu, uv, Uw erfolgt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Führung einer Synchronmaschine anzugeben, das obengenannte 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 anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt die Fig. 2 eine Darstellung des Verfahrens gemäß der Erfindung, in der drei inverse Teilmodelle benutzt werden, die Fig. 3 ein Raumzeigerdiagramm zur Erläuterung dieses Verfahrens, die Fig. 4 das flußbezogene inverse Teilmodell gemäß der Darstellung des Verfahrens nach Fig. 2, die Fig. 4a - 4c den Aufbau der einzelnen Komponenten dieses Teilmodells, die Fig. 5 das läuferbezogene inverse Teilmodell gemäß der Darstellung des Verfahrens nach Fig. 2, die Fig. 4a - 4d den Aufbau der einzelnen Komponenten dieses Teilmodells.
In der Fig. 2 ist dargestellt, daß einem ersten flußorientierten Teilmodell 1 die Vorgabewerte für das Drehmoment M, für den Fluß Nrh und für den Phasenwinkel zwischen Maschineneingangsspannungen und Strömen zugeführt werden, in diesem die Stromkomponenten in flußorientierten Koordinaten iSl, iSm bestimmt und einerseits nach Koordinatendrehung mit Hilfe eines ersten Koordinatendrehers 4 aus flußorientierten in läuferorientierte Koordinaten einem läuferorientierten Teilmodell 2, andererseits nach Koordinatendrehung aus flußorientierten in ständerorientierte Koordinaten mit Hilfe eines zweiten Koordinatendrehers 5 einem ständerorientierten Teilmodell 3, in dem daraus ein dreisträngiges Maschinenstromsystem iu, iv, i w hergeleitet wird, zugeführt werden, daß im läuferorientierten Teilmodell 2, dem noch der Vorgabewert für den Fluß W h zugeleitet wird, der Feldstrom iF und die relative Verdrehung S zwischen der Flußlage # und der Läuferlage A bestimmt werden, und daß die Koordinatendrehung des ersten Koordinatendrehers 4 durch die relative Verdrehung f und Koordinatendrehung des zweiten Koordinatendrehers 5 entweder mit Hilfe des gemessenen Läuferstellungswinkels ?k oder aus der relativen Verdrehung grund der Flußlage bestimmt wird.
Eine Erweiterung dieses Verfahrens besteht darin, daß dem flußorientierten Teilmodell 1 zusätzlich der Flußlagewert e oder dessen zeitliche Änderung zugeführt wird und durch dieses Modell auch die flußorientierten Spannungswerte usl, uSm bestimmt werden, die über einen dritten Koordinatendreher 6, der in gleicher Weise wie der bisher beschriebene zweite Koordinatendreher 5 gesteuert wird, dem ständerorientierten Teilmodell 3 zugeführt werden, in welchem ein dreiphasiges Maschinenspannungssystem uu, uv, u hergeleitet wird.
w Die kunktionellen Zusammenhänge, die in den einzelnen inversen Teilmodellen realisiert sind, können dem Zeigerdiagramm gemäß Fig. 3 entnommen werden: hierin erkennt man drei gegeneinander verdrehte Koordinatensysteme: das ständerfeste 0C, n ,- das läuferfeste d, q - und das flußbezogene 1, m-Koordinatensystem.
In dieser Darstellung ist der Ständerstrom i5 sowohl in seine Komponenten i Sd und i isq bezüglich der Flußlage aufgeteilt. Der Hauptfluß # h und seine läuferstellungsbezogenen Komponenten sind jeweils auf die Induktivität Lhd bezogen dargestellt. Die Größe von t h ergibt sich aus der resultierenden Durchflutung aus dem Ständerstrom is (dem nicht dargestellten und in stationärem Fall nicht vorhandenen Dämpferstrom i ) und dem Feldstrom iF. Der Reluktanzkreis gibt die flußreduzierte Wirkung in q-Richtung an.
Aus dem Hauptfluß W h wird über den Ständerstreufluß der Ständerfluß #S ermittelt. Näherungsweise senkrecht auf ihm steht die Spannung us.
In der Fig. 4 ist-das flußbezogene inverse Teilmodell 1 dargestellt.
Es enthält einen ersten und zweiten Strombildner 11 und 12 zur Bildung der flußorientierten Stromkomponenten iSl und iSm des Ständerstromes sowie einen Spannungsbildner 13 zur Bildung der flußorientierten Ständerspannungskomponenten u51 und uSm. Dabei bestimmen die Führungswerte von Drehmoment M und Hauptfluß # h die Laststromkomponente iSl des Ständerstromes (Strombildner 11). Die Magnetisierungskomponente iSm des Ständerstromes wird aus i51 und Yh sowie dem Führungswert des Phasenwinkels f bestimmt (Strombildner 12). Hauptfluß # h und zeitliche Ableitung des Flußlagewinkels 3 bestimmen unter Berucksichtigung der Ständerspannungsabfälle, die durch iSl und ist verursacht werden, im Spannungsbildner 13 die Ständerspannungskomponenten uSl und uSm.
Im folgenden werden die einzelnen Komponenten des flußorientierten Teilmodells 1 beschrieben: Es zeigt die Fig. 4a den Aufbau des Strombildners 11: die Führungsgröße M für das Drehmoment wird über eine Bewertungsschaltung 111, in der er mit dem Wert 2/3Zp multipliziert wird, wobei Z die Polpaarzahl darstellt, p einer Divisionsschaltung 112 als Dividend zugeführt, dem der Hauptfluß # h als Divisor zugeleitet wird. Die Division ergibt i51 = 32 ~ M Diese einfache Operation ist p auch bei dynamischen Vorgängen gültig.
Die Fig. 4b zeigt den Aufbau des Strombildners 12; diese Anordnung dient zur näherungsweisen Bestimmung der Ständerstromkomponente in Magnetisierungsrichtung iSm aus iSl und # h bei Berficksichtigung des Führungsphasenwinkels P Es wird die Ständerstromkomponente iSl nach Multiplikation (Multiplikationsglied 122) mit -L g (Streuinduktivität) einer Divisionsschaltung 123 als Dividend zugeführt und dort durch den Hauptfluß W h dividiert. Der Quotient aus der Ständerstreuflußkomponente iSl. L # und dem Hauptfluß # h liefert näherungsweise den Tangens des Winkels #u zwischen uS und der l-Achse. Durch Addition mit dem Tangens # (dieser wird im Glied 121 gebildet) erhält man näherungsweise den Tangens des Winkels # i, zwischen iS und l-Achse, aus dem durch Multiplikation mit i51 im Multiplizierer 124 der Wert für i Sm hervorgeht. Die Beziehung lautet also insgesamt Die Fig. 4c erläutert die Schitung 13, mit der die flußorientierten Spannungskomponenten ermittelt werden. Im wesentlichen wird aus dem Hauptfluß # h und aus der zeitlichen Ableitung des Drehwinkels # im Multiplizierer 135 die senkrecht zur Fluß achse stehende Spannungskomponente u51 gebildet. Bei genauerer Ausgestaltung kann hierbei noch der Streufluß L # . iSm (Bildung im Glied 132) und der ohmsche Ständerspannungsabfall RS . i51 (Bildung im Glied 131) berücksichtigt werden.
Für die Ständerspannungskomponente in Magnetisierungsrichtung uSm wird der Streufluß L # . iSl im Glied 133 gebildet, mit 3 im Multiplizierer 136 multipliziert und - invertiert - mit dem ohmschen Ständerspannungsabfall RS . iSm (Bildung im Glied 134) summiert.
Es gilt also uSl = RS . iSl + # (# h + L # iSm), uSm = RS . iSm - # (L # . iSl).
Die Struktur des läuferbezogenen inversen Teilmodells 2 ist in Fig. 5 dargestellt.
Die Ständerstromkomponenten iSd, iSq durchlaufen zunächst ein Dämpfermodell 21 und liefern die resultierende Ankerrückwirkung (isd + iDd, iSq + iDq = ihq). Mit einer Kennlinie, die im einfachsten Fall eine Gerade sein kann, wird aus dem HauptfluB # h im Kennliniengeber 23 der Magnetisierungsstrom ih ermittelt. Aus diesem Gesamtmagnetisie rungsstrom und der bereits bestimmten Komponente in Querrichtung ihq wird im Glied 24 die Magnetisierungskomponente in d-Richtung und der Winkel # bestimmt. Der Feldstrom iF folgt aus der Magnetisierungsstromkomponente ihd und der entsprechenden Ankerrückwirkungskomponente iSd + iDd im Additionsglied 22.
Im folgenden wird der Aufbau der einzelnen Komponenten des läuferorientierten Teilmodells 2 näher beschrieben: Die Fig. 5a zeigt den Aufbau des Dämpferkreises 21. Über zwei VZ-1-Glieder 211 und 212 wird die Auswirkung des Dämpferstromes auf die Magnetisierung nachgebildet. Eine Ständerstromänderung wirkt sich hierdurch nur verzögert auf die Magnetisierung aus.
Es gilt iSd + iDd = 1 . iSd , Td = Lhd / RDd, 1 + pTd ihq = 1 . isq , Tq =Lhq / RDq .
1 + pTq Soll die Läuferstreuung mit berücksichtigt werden, kann ein modifiziertes VZ-1-Glied mit einem zusätzlichen Proportionalanteil verwendet werden.
In der Fig. 5b wifd der Feldstrom iF aus der Längsmagnetisierung ihd und der resultierenden Ankerrückwirkung in d-Richtung durch Subtraktion bestimmt (Additionsglied 22).
In Fig. 5c ist dargestellt, wie über die Magnetisierungskennlinie (Kennliniengeber 231) der Zusammenhang zwischen Magnetisierungsstrom und dem Fluß hergestellt wird. Dieser Zusammenhang kann im einfachsten Fall linear sein und ist dann durch den festen Faktor Lhd gegeben.
Die Fig. 5d zeigt, wie im Glied 24 aus dem Magnetisierungsstrom ih und seiner Querkomponente ihq die Längskomponente ihd, sin # und cos # gebildet werden. Durch Bewertung von ihq mit Lhq/Lhd im Glied 241 reduziert sich die Aufgabe auf Berechnung des rechtwinkligen Stromdreiecks mit den Seiten # h / Lhd - ih s f hq / Lhd ihq hq Lhd und # hd / Lhd ihd aus Fig. 3. Die Division beider Komponenten durch ih muß sin C(und cos # als normierte Werte liefern; dieses wird über einen Regelkreis erreicht, der die zunächst unbekannte Komponente ihd dahingehend verändert, daß die Normierung erreicht wird. Im einzelnen ist die Schaltung folgendermaßen aufgebaut. Im Divisionsglied 242 wird ihq durch ih dividiert, das Ausgangssignal wirdim Quadrierer 243 quadriert, das Ergebnis einem Summationspunkt 244 zugeführt, wo er mit dem Ergebnis eines zweiten Quadrierers 245 addiert wird und von der Summe 1 abgezogen wird. Dieses Ergebnis wird über einen Regler bzw. Operationsverstärker 246 mit hoher Verstärkung einem Divisionsglied 247 zugeführt, wo es durch ih dividiert wird. Der Ausgang des Divisionsgliedes 247 ist der Wert cos # und führt auf den Eingang des Quadrierers 245. Der Ausgang des Divisionsgliedes 242 liefert den Wert sin S . Am Ausgang des Reglers bzw. Operationsverstärkers 246 erscheint der Wert ihd. Es gilt: sin # = (tq 1 Lhd) ihq / ih cos # = ihd / ih

Claims

Patentansprüche Verfahren zur Führung einer über steuerbare Stromrichter am Netz betriebenen Synchronmaschine, bei dem aus Vorgabewerten, wie Drehmoment, Phasenwinkel der Maschineneingangsgrößen und Fluß die Sollwerte für die Steuerung und Regelung der Stromrichter mittels eines inversen Maschinenmodells ermittelt werden, dadurch aekennzeichnet, daß das gesamte Maschinenmodell in mehrere inverse Teilmodelle aufgeteilt ist, wobei neben die Orientierung eines oder mehrerer Teilmodelle nach Ständer- (d , (3 ) oder Läufer- (d,q)-Geometrie die Orientierung "mindestens eines Teilmodells nach Fluß-(m,l)-Geometrie tritt, wobei die Teilmodelle unterschiedlicher Geometrie über Koordinatendreher miteinander verbunden sind, und wobei mindestens ein flußorientiertes Teilmodell mit einem läuferorientierten Teilmodell über einen solchen Koordinatendreher verbunden ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einem ersten flußorientierten Teilmodell (1) die Vorgabewerte für das Drehmoment (M), für den Fluß ( h) und für den Phasenwinkel (jod) zwischen Maschineneingangsspannungen und Strömen zugeführt werden, in diesem die Stromkomponenten in flußorientierten Koordinaten (iSl, iSm) bestimmt und einerseits nach Koordinatendrehung mit Hilfe eines ersten Koordinatendrehers (4) aus flußorientierten in läuferorientierte Koordinaten einem läuferorientierten Teilmodell (2), andererseits nach Koordinatendrehung aus flußorientierten in ständerorientierte Koordinaten mit Hilfe eines zweiten Koordinatendrehers (5) einem ständerorientierten Teilmodell (3), in dem daraus ein dreisträngiges Maschinenstromsystem (iu, iv, iw) hergeleitet wird, zugeführt werden, daß im läuferorientierten Teilmodell (2), dem noch der Vorgabewert für den Fluß (# h) zugeleitet wird, der Feldstrom (iF) und die relative Verdrehung (#) zwischen der Flußlage (#) und der Läuferlage (#) bestimmt werden, und daß die Koordinatendrehung des ersten Koordinatendrehers (4) durch die relative Verdrehung (Cf) und Koordinatendrehung des zweiten Koordinatendrehers (5) entweder mit Hilfe des gemessenen Läuferstellungwinkels (#) oder aus der relativen Verdrehung (#) und der Flußlage (#) bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem flußorientierten Teilmodell (1) zusätzlich der Flußlagewert (#) oder dessen zeitliche Änderung zugeführt wird und durch dieses Modell auch die flußorientierten Spannungswerte (uSl, uSm) bestimmt werden, die über einen dritten Koordinatendreher (6), der in gleicher Weise wie der bisher beschriebene zweite Koordinatendreher (5) gesteuert wird, dem ständerorientierten Teilmodell (3) zugeführt werden, in welchem ein dreiphasiges Maschinenspannungssystem (uu, uv, u ) hergeleitet w wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 2 und Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die inversen Teilmodelle in einfacher Ausführung in der Nachbildung der Maschinenströme und -flüsse bestehen.
5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2 oder Anspruch 2 und Anspruch 3, dadurch qekennzeichnet, daß im flußbezogenen inversen Teilmodell (1) aus den Führungswerten für das Drehmoment (M) und dem Führungswert für den Hauptfluß (# h) in einem ersten Strombildner (11) die flußorientierte Laststromkomponente (ist) des Ständerstromes gebildet wird, daß in einem zweiten Strombildner G12), dem die zuletzt genannte Stromkomponente (iSl), der Führungswert des Phasenwinkels () zwischen Maschineneingangsspannungen und -strömen und der Führungswert für den Hauptfluß (#h) zugeführt werden die Komponente (ism) des Ständerstromes in Magnetisierungsrichtung bestimmt wird, und daß bei einer Anordnung nach Anspruch 2 und Anspruch 3 einem Spannungsbildner (13) die beiden Ständerstromkomponenten (iSl, ism), der Führungswert für den Hauptfluß und die zeitliche Ableitung des Flußlagewinkels ( zugeführt werden und dort die flußorientierten Ständerspannungskomponenten (uSl, usm) bestimmt werden.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch qekennzeichnet, daß der erste Strombildner (ai) aus einer Bewertungsschaltung (111) besteht, die den Führungswert für das Drehmoment (M) mit dem Faktor 2 , Z 3Z p Polpaarzahl, multipliziert und aus einer Divisions- P schaltung (112) besteht, der als Dividend diesen Wert und als Divisor der Führungswert des Hauptflusses ( h) zugeführt werden, wobei am Ausgang der Divisionsschaltung die flußorientierte Laststromkomponente (ist) des Ständerstromes erscheint.
7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch qekennzeichnet, daß im zweiten Strombildner (12) in einer Bewertungsschaltung (122) das Produkt der flußorientierten Laststromkomponente (ist) des Ständerstromes mit der negativen Streuinduktlvltdt (-L6) gebildet und das Ergebnis in einer Divisionsschaltung (123) durch den Führungswert des Hauptflusses tv h) dividiert wird, und daß dieser Quotient, zum Tangens des Führungswert-Phasenwinkels, addiert, einem Multiplizierer (124) zugeführt wird, in dem diese Summe mit der Laststromkomponente Ci51) des Ständerstromes multipliziert wird, wobei am Ausgang des Multiplizierers (124) die Ständerstromkomponente (ism) in Magnetisierungsrichtung erscheint.
8. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch qekennzeichnet, daß im Spannungsbildner (13), die flußorientierten Ständerstromkomponenten (iSl, iSm) über Bewertungsglieder (131, 134), in denen sie mit ohmschen Ständer-Widerstand (RS) multipliziert werden, über Summierstellen Ausgängen zugeführt werden, an denen die flußorientierten Ständerspannungskomponenten (uSl, uSm) erscheinen, und daß den Summierstellen jeweils das Produkt (Multiplizierer 135, 136) der mit der Ständer-Streuinduktivität (L ) bewerteten flußorientierten Ständerstromkomponenten (iSl, iSm) - und zwar mit vertauschten Komponenten -mit der zeitlichen Ableitung des Flußlagewinkels ( zugeführt wird, wobei vor der Produktbildung für die quer zur Magnetisierungsrichtung liegende Spannungskomponente der Hauptfluß ( h) addiert wird.
9. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im läuferbezogenen inversen Teilmodell (2) die läuferbezogenen Ständerstromkomponenten (iSd, iSq) zunächst einem Dämpfermodell (21) zugeführt werden, deren erster Ausgang (StAnderstromkomponente in d-Richtung) auf eine Additionsschaltung (22) und deren zweiter Ausgang (Ständerstromkomponente in q-Richtung) einem Glied (24) zugeführt wird, dem außerdem der aus dem Hauptfluß ( # h) über einen Kennliniengeber (23) hergeleitete Hauptstrom (ih) zugeleitet wird und in dem die Stromkomponente (ihd) des Hauptstromes in d-Richtung und der Winkel (#) bestimmt werden, und daß die letztgenannte Stromkomponente (ihq) in der Additionsschaltung (22) zum negativen Wert der vom Dämpfermodell (21) zugeführten Stromkomponente (isd + iDd) addiert wird und so den Feldstrom (iF) ergibt.
10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfermodell (21) aus zwei VZ-1-Gliedern oder modifizierten VZ-1-Gliedern mit einem zusätzlichen Proportionalanteil (211, 212) besteht, wobei jedem Glied eine läuferbezogene Ständerstromkomponente (isd, i ) zugeführt wird.
Sq 11. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Kennliniengeber (23) eine Magnetisierungskennlinie (231) vorgegeben wird, die den Zusammenhang zwischen dem Magnetisierungsstrom (ih) und dem Fluß ( h) herstellen.
12. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Querkomponente des Nagnetisierungsstromes (iç nach Bewertung mit einem Faktor (Lhq) oder Lhd

mit einer Kennlinie, einer ersten Divisionsschaltung (242) zugeführt und dort durch den Magnetisierungsstrom (ih) dividiert wird und das Ergebnis (sind einem ersten Quadrierer (243) zugeleitet wird, daß das Ausgangssignal dieses Quadrierers mit dem Ausgangssignal eines zweiten Quadrierers (245) addiert und davon der Wert 1 abgezogen und der resultierende Wert einem Regler oder Operationsverstärker hoher Verstärkung zugeführt wird, dessen Ausgangssignal (ihd) einer zweiten Divisionsschaltung (247) als Dividend zugeführt und dort durch den Magnetisierungsstrom (ih) dividiert wird, und daß der Ausgang der zweiten Divisionsschaltung (cos C) auf das zweite Quadrierglied (245) geführt wird.