DE3112047A1

DE3112047A1 - Verfahren zur steuerung undregelung einer synchronmaschine bei umrichterspeisung

Info

Publication number: DE3112047A1
Application number: DE3112047A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Dipl.-Ing. 1000 Berlin Beck
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1981-03-24
Filing date: 1981-03-24
Publication date: 1982-10-07
Also published as: DE3112047C2

Description

Licentia Patent-Verwaltungs-G.m.b.H. Theodor-Stern-Kai 1, D-6000 Prankfurt 70

Kronacher/schb B 81/10

Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Synchronmaschine bei Umrichterspeisung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff der vorliegenden Patentanmeldung.

Zweck der Erfindung ist es» daß das von einem Wechselrichter mit Gleichspannungseinprägung erzeugte Drehspannungssystem zur Speisung der Synchronmaschine so nach Betrag und Phasenlage gesteuert wird, daß das von der Maschine abgegebene Drehmoment im gesamten Drehzahlstellbereich gleich dem Sollwert ist und insbesondere bei Ausgleichsvorgängen möglichst schnell aperiodisch einschwingt.

Es ist durch die DE-OS 29 09 4-34- eine Anordnung zur Steuerung und Regelung einer Synchronmaschine mittels eines

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Wechselrichters bekannt, bei der einerseits die Zündbefehle für die Thyristoren des Wechselrichters in Abhängigkeit der Regelabweichung zwischen Ist- und Solldrehzahl und des gemessenen Drehwinkels der Läuferwelle der Synchronmaschine bestimmt werden und andererseits der Strom-Sollwert für einen Zwischenkreisstrom zwischen einem an ein Drehstrom- _ Netz angeschlossenen gesteuerten Gleichrichter und dem Wechselrichter von einem Spannungsregler vorgegeben wird;, die Eingangsgröße dieses Spannungsreglers besteht dabei aus der Differenz eines Spannungssollwertes, der aus der Solldrehzahl über einen Hauptflußgeber hergeleitet wird, und. des im Zwischenkreis gemessenen Spannungswertes, wozu noch eine Korrekturgröße addiert wird, die aus dem Strom, der durch einen parallel zum Wechselrichter geschalteten Kondensator von dem der Spannungs-Istwert hergeleitet wird - fließt, hergeleitet wird.

Der Anlaufbereich, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Schwingneigung der Zustandsgrößen - magnetische Flüsse bzw. Ströme - eine untergeordnete Bedeutung haben oder die Totzeit des Wechselrichters so groß ist, daß der Wirk- und Blindstromregelkreis instabil ist, sei hier ausgeschlossen.

Im Falle der dgunpferlosen Maschine, die trotz Umrichterspeisung ein besonderes oberschwingungsarmes Drehmoment erzeugen kann, stören bisher die großen induktiven Spannungsabfälle, die bei Änderungen des Ständerstromes auftreten sowie die

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außerordentlich starke Schwingneigung der Zustandsgrößen.

Es liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, gegenüber der Regelung gemäß der genannten DE-OS eine Lösung anzugeben, bei der die Schwingneigung der Zustandsgrößen, insbesondere bei dämpferloser Maschine, beseitigt werden.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs aufgeführten Merkmale gelöst.

Die Lösung besteht also darin,

daß die Polradwinkelverstellung, die bei Verwendung eines Pollagegebers identisch ist mit der Verstellung des Wechselrichter-Steuerwinkels ⁰^ , in Abhängigkeit von den Augenblickswerten des Wirk- und Blindstromes, erfolgt. Im Fall der Zwischenkreisgleichspannungsquelle wird der Betrag drehzahlproportional verstellt und die Drehmomentverstellung ausschließlich über den Steuerwinkel <*· durchgeführt. Der Errecerstrom wird entweder konstant gehalten oder zur Wirkungsgradoptimierung langsam, dem aktuellen Betriebszustand entsprechend, nachgeführt·

Ein wesentlicher Vorteil dieses Regelkonzeptes besteht darin, daß die Drehmomentverstellung über den Steuerwinkel oL ohne Spannungserhöhung am Eingang der Synchronmaschine erfolgen kann_? weil die Erregerspannung dynamisch konstant gehalten wird und dadurch die Blindstromänderung ebenso wie die Wirk-

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Stromänderung einen induktiven Spannungsabfall erzeugt. Diese transienten induktiven Spannungsabfälle werden, wie sich mit Hilfe der Raumzeigertheorie zeigen läßt, durch transiente, induktive Spannungsabfalle weitgehend kompensiert, die durch die Polradwinkeländerungen hervorgerufen werden. Das Verfahren der Drehmomentverstellung mittels Polradwinkel eignet sich besonders dann, wenn eine schnelle Änderung der Maschinenklemmenspannung nicht möglich ist, weil die Spannungsreserve der Gleichspannungsquelle zu gering ist.

Zur Verdeutlichung dieses Steuerverfahrens soll das Raumzeigerdiagramm einer Vollpol-Synchronmschine betrachtet werden, vgl. dazu Fig. 1:

In der Fig. 1 sind die Ortskurven für Ständerstrom- und -Spannungsverlauf bei Drehmomentverstellung eingezeichnet. Der Raumzeiger des Magnetisierungsstromes jL· verläuft auf einem Kreisbogen mit dem Radius i. Dies ist das Merkmal für Flußkonstanz in der Maschine. Bei Vernachlässigung von Sättigungseffekten bedeutet das im stationären Zustand auch einen konstanten Betrag der Ständerspannung u (vgl. Ortskurve für u ). Für die zugeführte Leistung, die bei der verlustlosen Maschine gleich der inneren Leistung P. ist, bedeutet dies eine lineare Verstellung der Wirkleistung mit dem Wirkstrom i . Wie sich weiterhin aus Fig. 1 ablesen läßt, gilt stationär unter den Voraussetzungen

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q ^{= L}hd ^{= L}h' ^rs * °» ¹
für

^{= 1}S ^cos f ⁼ 7" ' ¹R. "^βΐΛ s = — · i_F · cos

wobei cC- der Steuerwinkel des Maschinenstromrichters und ^f der Polradwinkel, d.h. der Winkel zwischen der ,Polradspannung und der Klemmenspannung ist. Bei konstantem ij, ist das Luftspaltmoment dem Kosinus des Steuerwinkels cC proportional, so daß es mit oC gesteuert werden kann.

Wie die Untersuchung der Übertragungsfunktion Δ i_w (S) = G (S) ·Δ^₃ (S)

gezeigt hat, kann auch der Wirkstrom mit Hilfe des Polradwinkels dynamisch gut verstellt werden, so daß der Blindstromregler u.U. entfallen kann. Bei der vorliegenden Anordnung wird der Polradwinkel ^_s erfindungsgemäß von zwei Reglern verstellt, die ihre Ausgangsgrößen aus den Regelabweichungen der wesentlichen Zustandsgrößen "Wirk-" und "Blindstrom" ableiten. Die Regler können durch herkömmliche P-, PI- oder PID-Regler realisiert werden.

Das Verfahren gemäß der Erfindung wird im nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung näher erläutert.

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In der Fig. 2 ist mit 1a eine GIeichspannungsquelle bezeichnet, die eine Gleichspannung U, einem Thyristor-Wechselrichter 2 mit den Thyristoren antiparallel geschalteten Rückstromdioden zuführt. Der Wechselrichter speist eine Synchronmaschine 3· Durch den Drehwinkelgeber 4 wird der Drehwinkel co · t der Läuferwelle der Synchronmaschine digital gemessen (gj!Winkelgeschwindigkeit). In dem Differenzierglied 4a wird hieraus ein digitaler Drehzahlwert und daraus nach D/A-Wandlung im D/A-Wandler 4b ein analoger Drehzahlistwert η . . gebildet. Dieser Drehzahlistwert wird mit einem Drehzahlsollwert n^on» ^{der 2}^¹ ^^e ^Klemme 5 angelegt wird, verglichen; die Regelabweichung wird einem Drehzahlregler 6 zugeführt. Der Ausgangsstrom dieses Reglers wird als Wirkstrom-Sollwert I ,, mit dem Wirkstromistwert I . . , der in der Zuleitung der Gleichspannungsquelle 1 zum Wechselrichter 2 gemessen wird, verglichen und die Regelabweichung einem Wirkstromregler 7 zugeführt.

Weiterhin wird der Blindstromistwert I_Q. . aus dem Betrag des gemessenen Maschinenstromes ^a-jot ^un<3· ^dem Wirkstromistwert I . . in einem Meßwertumformer 8 gebildet. Der Ausgangswert des Meßwertumformers wird mit einem vorgegebenen, aus dem stationären Maschinenmodell hergeleiteten Blindstroms ollwert Iq ·,-■ (Klemme 9) verglichen; die Regelabweichung wird einem Blindstromregler 10 zugeführt.

Die Summe der Ausgangs signale des Wirkstromreglers 7a und

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des Blindstromrf'^lers 10 wird einer Steuereinrichtung 11 zugeführt. Dieser .!Steuereinrichtung wird ferner der gemessene Drehwinkel co. t zugeleitet und aus beiden der Steuerwinkel gebildet, der dem Steuersatz in der Wechselrichtersteuerung zur Zündung der Thyristoren zugeführt wird.

Ferner wird noch der Drehzahlsollwert η _son einem Kennliniengeber 12 zugeführt, der den zugeführten Drehzahlsollwert bis zu einem bestimmten Wert an konstant und von dort an proportional zum Drehzahlsollwert ausgibt. Das Ausgangssignal des Kennliniengebers wird der Gleichspannungsquelle 1 zugeführt und verstellt mit seinem Wert die erzeugte Gleichspannung; dies in der Weise, daß mit steigendem Ausgangswert des Kennliniengebers eine steigende Gleichspannung erzeugt wird.

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Claims

Licentia Patent-Verwaltungs-G.m.b.H. Theodor-Stern-Kai 1, D-6000 Frankfurt 70

Kronacher/schb B 81/1.0

25.02.81

Pat ent anspruch ;

Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Synchronmaschine außerhalb des Anlaufbereichs mittels eines selbst- oder maschinengeführten, von einer variablen Gleichspannung gespeisten Wechselrichters mit Thyristoren und antiparallel geschalteten Rückstromdioden in den Hauptzweigen, bei dem der Drehwinkel des Polrades laufend gemessen und daraus der Istwert der Drehzahl hergeleitet wird, und wobei der Drehzahlistwert mit einem vorgegebenen Drehzahlsollwert verglichen und die Regelabweichung einem Drehzahlregler zugeführt wird,

dadurch ggkennzeichnet, daß der den Wirkstromsollwert (I, qt-i) darstellende Ausgangsstrom des Drehzahlreglers (6) mit dem im Eingangskreis des Wechselrichters (2)

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gemessenen Wirkstromistwerts (I . . ) verglichen und die Re gel ab weichiing einem Wirkstromregler (7) zugeführt wird,

daß der Blindstromistwert (Iq. _t) aus dem Betrag des gemessenen Maschinenständerstromes (Ig. . ) und dem Wirkstromistwert "(¹^₈-J;) i*¹ einem Meßwertumformer (8) gebildet, mit einem vorgegebenen, aus dem stationären Maschinenmodell hergeleiteten Blindstromsollwert (Ig η) verglichen wird und die Regelabweichung einem Blindstromregler (10) zugeführt wird, daß die Summe der "Ausgangssignale des Wirkstromreglers und des Blindstromreglers als Steuerwinkel ( cC ) eine mit dem Drehwinkel (cj t ) synchronisierten Steuersatz (11) zur Zündung der Thyristoren zugeführt wird, und daß die Gleichspannung, mit der der Wechselrichter gespeist wird, so über eine Kennlinie in Abhängigkeit vom Drehzahlsollwert verstellt wird, daß der magnetische Fluß in die Maschine konstant bleibt bzw. im Feldschwächbereich hyperbolisch mit der Drehzahlerhöhung abnimmt.