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Verfahren zur Steuerung und Regelung einer
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direktumrichtergespeisten Synchronmaschine Die Erfindung bezieht sich
auf ein Verfahren zur Steuerung und Regelung einer direktumrichtergespeisten Synchronmaschine
gemäß dem Oberbegriff des vorliegenden Haupt an spruches.
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Der Direktumrichter in Verbindung mit der Synchronmaschine ist ein
Antrieb für hohe Leistungen und niedrige Drehzahlen. Die Steuerung erlaubt nahezu
sinusförmige Ströme, so daß auch bei Schleichdrehzahlen nur sehr geringe Drehmomentpulsationen
verursacht werden.
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Durch die hohe Schaltfrequenz des Direktumrichters im Verhältnis zur
Ausgangsfrequenz ermöglicht er eine quasistetige
Verstellung des
Augenblickwerts seiner drei Ausgangsspannungen. Eine ähnliche quasistetige Verstellmöglichkeit
besteht sonst nur noch beim selbstgefiihrten Pulswechselrichter.
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Das speisende Netz wird von jedem Umkehrstromrichter durch mit doppelter
Maschinenfrequenz pulsierende Steuerblindleistung belastet. Aus der dreiphasigen
Anordnung ergibt sich eine Steuerblindleistung, die mit der sechsfachen Maschinenfrequenz
f pulsiert. Ein Minimum der Blindleistung liegt bei reirlem Wirkleistungsbetrieb
der Last, weil dann kleine Stromrichteraussteuerungen mit kleinen Strömen zusammenfallen.
Ein blindleistungsarmer Betrieb des Direktumrichters ist daher nur mit einer Synchronmaschine
möglich, bei der der Lastwinkel durch den Erregerstrom eingestellt werden kann.
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Wegen der Vorteile des Betriebs mit reiner Wirkleistung wird der Direktumrichter
in Verbindung mit einer Synchronmaschine betrieben.
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Der Zweck der Erfindung besteht aufgrund dieser Ausführungen darin,
ein Steuerungs- und Regelungsverfahren mit guten dynamischen Verhalten zu erreichen,
wobei der Leistungsfaktor der Maschine bei 1 liegen soll, um Netzrückwirkungen des
Umrichters zu minimieren. Drehmomentverstellungen über den Ständerstrom der Maschine
sollen zur Verbesserung der
Dynamik nicht mit Flußänderungen verbunden
sein.
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Es ist eine feldorientierte Regelung mit Hilfe eines Direktumrichters
durch den Aufsatz von Th. Salzmann "Direktumrichter und Regelkonzept für getriebelosen
Antrieb von Rohrmühlen" aus der " 'BSiemens-Zeitschrift"51 (197?) Heft 5, Seiten
416 bis 422 bekannt.
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Hierbei ist die Steuerung und Regelung jedoch sehr kompliziert und
erfordert eine extrem genaue Analogtechnik oder einen sehr großen Aufwand an Digitaltechnik.
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Es liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den oben genannten Zweck
mit weniger Aufwand zu erreichen.
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Diese Aufgabe wird durch die Erfindung durch die im Kennzeichen des
Hauptanspruches angegebenen Verfahrensschritte gelöst.
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Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine einfache Steuerung
und Regelung ohne Komponentenauflösung möglich ist. Die Steuerung ist im gesamten
Drehzahlbereich, also auch im Stillstand, einsetzbar.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bestehen in den in den
Kennzeichen der Unteransprüche aufgeführten Verfahrensschritten.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung wird in dem nachstehend beschriebenen
Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigt die Fig.1 den grundsätzlichen Ablauf des Steuerungs- und
Regelungsverfahrens gemäß der Erfindung, die Fig. 2 eine vereinfachte Ersatz schaltung
einer Synchronmaschine, die Fig. 3a-3c Zeigerdiagramme für die Synchronmaschine
im Motorbetrieb, die Fig. 4a-4c Zeigerdiagramme für die Synchronmaschine im Generatorbetrieb,
Üie Fig. 5 den Aufbau eines Maschinenmodells mit Korrekturregelkreisen und die Fig.
6 den Aufbau eines Sollwertbildner-.
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In der Fig. 1 ist der grundsätzliche Ablauf des Steuerung und Regelungsverfahrens
gemäß der Erfindung dargestellt: der die Synchronmaschine SM speisende Direktumrichter
ist mit DU bezeichnet. Mit einem Winkelmeßgerät 6 wird der Drehwinkel Wen * t der
Synchronmaschine gemessen und durch Differenzierung im Differenzierglied 7 die Ist-Drehzahl
gewonnen. Diese Ist-Drehzahl wird zusammen mit einem Führungswert nw einem Drehzahlregler
8 zugeführt, der aus der Regelabweichung Vorzeichen und Amplitude des Ständerstromwertes
11w herleitet. Dieser Wert wird einem Sollwertbildner 3 zugeführt, der ein Sollwertsystem
iRWs iSw, iTw für
die Augenblickswerte der drei Ständerströme erzeugt.
Diese werden mit den gemessenen Ständerstrom-Istwerten IRx, iSx, iTX im - dreiphasig
aufgebauten- Stromregler 9 verglichen; wegen der Rückwirkung der sich mit Maschinenfrequenz
ändernden induzierten Maschinenspannung werden in vereinfachter Weise die Elemmenspannungen
URx, USx' UTx auf den Stromreglerausgang als Störgrößenaufschaltung zurückgeführt.
Nach einer Trapezkorrektur werden die Ausgangssignale cC S' °CS a, des Stromreglers
den drei Steuersätzen der Stromrichtersteuerung 10 zugeführt, wobei der Umschaltvorrichtung
zwischen den Stromrichtern noch die Soll- und Istwerte der Ständerströme zugeführt
werden.
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Der gemessene Erregerstrom 1px wird in einem Erregerstromregler 11
mit einem Erregerstromführungswert Ipw, dessen Herleitung anschließend näher beschrieben
wird, verglichen; sein Ausgangssignal steuert über einen Steuersatz 12 den Erregerstromrichter
13.
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Mit 1 ist ein Maschinenmodell bezeichnet; diesem wird der Ständerstromsollwert
11w und die resultierende Magnetisierung Ihw zugeleitet, wobei diese aus einem vorgegebenen
Wert Ihwo, ggf.
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nach Begrenzung durch einen von der Drehzahl nx gesteuerten Kennliniengf
r 2, abgeleitet wird. Dieser Kennliniengeber 2 nimmt abhängig von der Drehzahl nx
durch Begrenzung unterhalb I die Feldschwächung vor.
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In dem Maschinenmodell werden in der weiter unten geschilderten Weise
der Steuerwinkel te zwischen fiktiver Polradspannung und Eingangs strom sowie der
Erregerstromführungswert Ipw für den Erregerstrom bestimmt.
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Mit 4 ist eine Korrekturschaltung für den im Maschinenmodell 1 bestimmten
Führungswert des Erregerstroms 1 bepw zeichnet; dieser Korrekturschaltung werden
die Klemmenspannungen URx, Usx, UTx zugeführt. Mit 5 ist eine weitere Korrekturschaltung
für den im Maschinenmodell 1 bestimmten Steuerwinkel z bezeichnet; ihm werden neben
den Klemmenspannungen noch die Ständerstrom-Istwerte iRx' iSx' iTx zugeführt. Beide
Korrekturschaltungen werden weiter unten näher erläutert.
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Um die Ausgestaltung des Maschinenmodells 1 verständlich zu machen,
seien zunächst einige Überlegungen an Hand von Zeigerdiagrammen gemacht.
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Es zeigt die Fig. 2 ein vereinfachtes Ersatzbild einer Synchronmaschine.
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Es zeigen die Figuren 3a, 3b, 3c die Zeigerdiagramme für die Synchronmaschine
im Motorbetris (Vollast) und zwar die Fig. 3a für kapazitive, die Fig. 3b für ohmsche
und Fig. 3c für induktive Belastung.
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Es zeigen die Figuren 4a, 4b, 4c die Zeigerdiagramme für die Synchronmaschine
im Generatorbetrieb (Vollast) und zwar die Fig. 4a für kapazitive, die Fig. 4b für
ohmsche und die Fig. 4c für induktive Belastung.
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Die Zeigerdarstellungen gelten genau für Trommelläufer, können jedoch
auch für Näherungsberechnungen an Einzelpolmaschinen herangezogen werden.
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Im Ersatzschaltbild ist mit Ip der Erregerstrom, mit U1 die Klemmenspannung,
mit I1 der Ständerstrom, mit X# die Ständerstreureaktanz mit Uh die Magnetisierungsspannung,
mit 1h der Magnetisierungsstrom und mit Xh die Hauptreaktanz bezeichnet.
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Die Zeigerdiagramme bestehen aus dem Durchflutungsdreieck (Ip,I1,Ih)
und dem hiervon über die Hauptreaktanz linear abhängigen Spannungsdreieck (Up I1Xh,Uh)
und einem Zusatz zur Ermittlung der Klemmenspannung U1 aus dem Ständerspannungsabfall
11 . X# (R1 vernachlässigt). Eingetragen ist der Phasenwinkel # 1 zwischen Eingangsspannung
und Strom, die Verschiebung g zwischen Hauptspannung und Eingangsspannung und der
Steuerwinkel Z zwischen fiktiver Polradspannung und Eingangsstrom. Diese Winkel
finden sich auch im Durchflutungsdreieck wieder und können zu dessen Bestimmung
herangezogen werden.
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Aus dem Durchflutungsdreieck folgt nach dem Sinussatz die Beziehung
Ih I1 sin(#/2 - @) = sin(@ - # - #1) .
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Für den beabsichtigten Betrieb mit reiner Wirkleistung
wird
im Motorbetrieb # 1 = 0 und damit Ih I1 cos @m = sin(@m - # ) Unter Vernachlassigung
der Streuung ( g = 0) ergibt sich: #m = arc tan I1 . (1) Ih Im Generatorbetrieb
ist mit # 1 = # und # = O arc tan (- I1 ) . ( 2) Ih Dem Zeigerdiagramm gemäß den
Fig. 4a-4c kann man entnehmen, daß der Steuerwinkel nicht dem Hauptwert æG der arctan-Funktion
entspricht sondern um # verdreht ist: #G = #G' + # ( 3) Mit einer Steuerung des
Ständerstromes nach den Gleichungen ( 1), ( 2), ( 3) ist eine Voraussetzung für
den reinen Wirkleistungsbetrieb gegeben. Die weitere Voraussetzung ist die Einhaltung
des richtigen Magnetisierungsstromes Ih.
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Der notwendige Erregerstrom Ip ist im Durchflutungsdreieck durch den
gewünschten Magnetisierungsstrom Ih und die Ankerrückwirkung I1 bestimmt.
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Aus der Figur 3a folgt Ip² = Ih'² + I1'² mit den fiktiven Strömen
Ih und I'1 .
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Mit I1' = I1 . cos ( # + # 1) Ih' = I1 . sin ( # + # 1) + Ih ergibt
sich Ip² = Ih² + I1² + 2 Ih . I1 . sin ( # + #1) Für reine Wirkleistung (#1 = 0
; # ) und vernachlässigter Streuung (# = 0) ergibt sich
Diese Überlegungen sind Anlaß, das bisher beschriebene Verfahren zur Steuerung und
Regelung einer direktumrichtergespeisten Synchronmaschine mit Hilfe eines Maschinenmodells
1 durchzuführen: es wird diesem Maschinenmodell, wie bereits dargelegt, sowohl der
Ständerstromführungswert 11w als erster Führungswert als auch der drehzahlabhängig
über einen Kennliniengeber 2 hergeleitete Führungswert der resultierenden Magnetisierung
IhW als zweiter Führungswert z- geführt.
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Anstelle der Herleitung dieses Führungswerts aus der Drehzahl kann
auch eine Herleitung aus Strom und Spannung treten.
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Dieses Maschinenmodell liefert, wie ebenfalls bereits dargelegt, den
Steuerwinkel æ , der dem Sollwertbildner 3 zugeführt wird, und den Erregerstromführungswert
Ipw.
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Der Aufbau des Maschinenmodells 1 ist in der Fig. 5 näher
dargestellt:
in den Quadrierern 1a und 1b werden die Quadrate der beiden Führungswerte gebildet,
dann die Summe gebildet und das Ergebnis einem Hadizierer 1c zugeführt.
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An seinem Ausgang erscheint die Führungsgröße Ipw für den Erregerstrom.
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Ferner wird durch die Division des ersten Führungswerts 11w durch
den zweiten Führungswert Ihw in der Divisonsschaltung 1d mit nachfolgender arc tan-Bildung
in dem Glied le der Steuerwinkel æ bestimmt.
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Dieser Steuerwinkel g wird dem Sollwertbildner 3, der in der Fig.
6 dargestellt ist, zugeführt. Er besteht aus zwei Verknüpfungsteilen 3a und 3b.
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Dem ersten Verknüpfungsteil 3a wird neben dem Steuerwinkel e der gemessene
Drehwinkel W n n t zugeführt.
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Es wird dort ein um den Winkel de gegenüber der Läuferstellung Wn
. t verschobener Win-0 kelwert erzeugt, aus dem drei um 120 gegeneinander verschobene
Normsinuswerte (Bildner 3c, 3d, 3e) gebildet werden.
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Die nachfolgende Stromsollwertbildung im Verknüpfungsteil 3b bewertet
diese Normsinuswerte mit dem Amplitudenwert I1W (Bewertungsglieder 3f, 3g, 3h).
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Die Vorzeichenumkehr von 11w bewirkt hier die Sollwertverschiebung
um
1S bei Wechsel der Drehmomentrichtung. Im bisher beschriebenen Steuer- und Regelverfahren
sind bis auf die erwähnten Vernachlässigungen die Voraussetzungen für den reinen
Wirkleistungsbetrieb als Motor und als Generator bei gleichem Maschinenfluß erfüllt.
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Dieses Steuer- und Regelverfahren erfordert die Messung der Polradlage
und des Erregerstroms. Es arbeitet auch im Stillstand und bei extrem niedrigen Drehzahlen
einwandfrei.
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Bei höheren Drehzahlen ffihrendie getroffenen Vernachlässigungen zu
Abweichungen, die durch zusätzliche Korrekturregelkreise vermieden werden: Diese
Korrekturregelkreise sind, mit 4 und 5 bezeichnet, in der Figur 5 dargestellt.
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In dem Korrekturregelkreis 4 wird der Führungswerit für den Erregerstrom
Ipw durch eine Magnetisierungs-Regelung dadurch korrigiert, daß der tatsächlich
wirksame Magnetisierungstrom durch Integration der Maschinenspannungen (Integrierglied
4a) festgestellt, mit dem zweiten Führungswert IhW verglichen und die Regelabweichung
einem Magnetisierungsregler 4b zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Reglers 4b
wird zur zweiten Führungsgröße Ihw addiert. Durch die untere Grenzfrequenz der Messung
und eine Begrenzung des Reglers auf ca. 10 ß des Magnetisierungsstroms
läßt
sich die Unwirksamkeit des Reglers bei niedrigen Drehzahlen erreichen.
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In dem zweiten Korrekturregelkreis 5 wird der Steuerwinkel durch eine
Lastwinkelregelung mit der Absicht korrigiert, daß der reine Wirkleistungsbetrieb
der Maschine sichergestellt wird.
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Dazu wird die Aussteuerung des Stromrichters bei Laststromrichtungswechsel
ermittelt (Ermittlungsglied 5a)und mit dem Sollwert UBw = 0 verglichen.
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An die Stelle der Ermittlung der Aussteuerung des Stromrichters kann
auch eine ermittlung des Lastwinkels oder eine Blindleistungsmessung treten.
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Die Regelabweichung wird einem Regler 5b zugeführt. Der Reglerausgang
darf hier nicht allein additiv eingeführt werden, da er bei 11w - O unwirksam sein
soll. Sein Ausgangssignal wird daher im Bewertungsglied 5c mit 11w multiplikativ
bewertet. Das Ergebnis wird zu dem Führungswert 11w addiert.
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Der Einfluß des Reglers 5b beträgt nur ca. 10 % des Ständerstroms.
Daher bleibt er bei niedrigen Drehzahlen unwirksam.
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Die Korrekturregelkreise 4 und 5 verstellen jeweils nur eine der beiden
Ausgangsgrößen 1 und --P . Sie sind daher weitpw gehend entkoppelt.
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