DE3149402C2

DE3149402C2 -

Info

Publication number: DE3149402C2
Application number: DE3149402A
Authority: DE
Inventors: Ruediger Dipl.-Ing. Fink; Peter Dipl.-Ing. Grumbrecht; Peter Dipl.-Ing. Hussels; Joachim 1000 Berlin De Weidemann
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1980-11-26
Filing date: 1981-12-10
Publication date: 1988-06-01
Also published as: DE3149402A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Betrieb einer über steuerbare Stromrichter betriebenen Synchronmaschine gemäß den im Oberbegriff des Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmalen nach Pa tent 30 45 032.

Die Anordung gemäß dem Hauptpatent 30 45 032 findet eine Anwendung bei einem Antriebskonzept, das anhand der Fig. 1 näher erläutert wird:
eine Synchronmaschine SM wird über eine steuerbare Stromrichteranord nung ST am Netz N betrieben. Einer Maschinenführung MST werden dazu Vorgabewerte M für das Drehmoment, d für den Phasenwinkel der Maschi neneingangsgrößen und Ψ _h für den Hauptfluß zugeleitet.

Mit der Maschinenführung MST wird es ermöglicht, Ströme (Ständer strom i _S, Feldstrom i _F) und/oder Spannungen u _S zur Steuerung der Ma schine vorzugeben.

Durch die DE-OS 21 32 178 sowie durch den Aufsatz K. H. Bayer, H. Wald mann und M. Weibelzahl "Die Transvektorregelung für den feldorientier ten Betrieb einer Synchronmaschine", Siemens-Zeitschrift 45 (1971) Heft 10, Seiten 765 bis 768 ist es bekannt, eine Nachbildung der Syn chronmaschine zu ihrer Steuerung bzw. Regelung einzusetzen. In der DE-OS 21 32 178 werden zwei, die momentane Lage der Drehfeldachse (Ver kettungsflußachse) bestimmende Komponenten unmittelbar oder mit einer Feld(Fluß-)Nachbildung erfaßt, und der Ständerdurchflutungszeiger (Stromzeiger) mittels zweier unabhängig voneinander veränderbarer Soll wertkomponenten vorgegeben, von denen die eine stets senkrecht und die zweite stets parallel zur Drehfeldachse ist. Eine solche Vorgehens weise hat sich bei Asynchronmaschinenantrieben bewährt (Hierzu: K. Hasse "Zur Dynamik drehzahlgeregelter Antriebe mit stromrichtergespeisten Asynchron-Kurzschlußläufermaschinen", Dissertation, TH Darmstadt 1969). Bei Synchronmaschinen kann jedoch auf diese Weise der Betriebszustand nicht eindeutig vorgegeben werden, da als Eingangsgröße der Erreger strom hinzukommt. Die Sollwerte für die beiden Ständerstromkomponenten und den Erregerstrom dürfen also nicht unabhängig voneinander vorge geben werden.

In den genannten Schriften wird die flußbildende Ständerkomponente sta tionär null gesetzt und ein zusätzlicher Flußregelkreis angewendet, um den Erregerstromsollwert vorzugeben. Die Regeldifferenz des Flußreglers wird zur Verbesserung der Dynamik der flußbildenden Ständerstromkompo nente (stationär null) aufgeschaltet (Bilder 2, 8 der genannten DE-OS, Bilder 2, 7 des genannten Aufsatzes von K. H. Bayer, H. Waldmann und M. Weibelzahl "Die Transvektorregelung . . ."). Eine elektronische Nach bildung der Maschinengleichungen, einschließlich der Wirkung des Dämpfers und eine Winkelbestimmungsschaltung zur Bestimmung der Flußlage sind ebenfalls aus der genannten DE-OS (Bilder 6, 7) und aus dem Auf satz von K. H. Bayer, H. Waldmann und M. Weibelzahl "Die Transvektor regelung . . ." (Bild 3) bekannt. Trotz des großen Modellierungsaufwan des kann so jedoch der Erregerzustand nicht vorgegeben werden.

Die Anordnung nach dem Hauptpatent, die auf einfache Weise eine koordi nierte Vorgabe von drehmomentbildender und magnetisierender Ständerstrom komponente sowie des Erregerstromes ermöglicht, so daß die Führungs größen für Drehmoment, Fluß und Phasenwinkel der Maschineneingangsgrö ßen (Erregungszustand: kapazitiver, ohmscher oder induktiver Betrieb) eingehalten werden, zeigt Fig. 2; die Fig. 3 zeigt ein Raumzeigerdiagramm zur Erläuterung.

In der Fig. 2 ist dargestellt, daß einem ersten flußorientierten Teil modell 1 die Vorgabewerte für das Drehmoment M, für den Fluß c _h und für den Phasenwinkel ϕ zwischen Maschineneingangsspannungen und Strömen zugeführt werden, in diesem die Stromkomponenten in flußorientierten Koordinaten i _Sl, i _Sm bestimmt und einerseits nach Koordinaten drehung mit Hilfe eines ersten Koordinatendrehers 4 aus flußorientierten in läuferorientierte Koordinaten einem läuferorientierten Teilmodell 2, andererseits nach Koordinatendrehung aus flußorientierten in ständer orientierte Koordinaten mit Hilfe eines zweiten Koordinatendrehers 5 einem ständerorientierten Teilmodell 3, in dem daraus ein dreisträn giges Maschinenstromsystem i _u, i _v, i _w hergeleitet wird, zugeführt werden, daß im läuferorientierten Teilmodell 2, dem noch der Vorgabewert für den Fluß ψ _h zugeleitet wird, der Feldstrom i _F und die relative Verdrehung δ zwischen der Flußlage ϑ und der Läuferlage λ bestimmt werden, und daß die Koordinatendrehung des ersten Koordinatendrehers 4 durch die relative Verdrehung δ und Koordinatendrehung des zweiten Koordina tendrehers 5 entweder mit Hilfe des gemessenen Läuferstellungswinkels λ oder aus der relativen Verdrehung δ und der Flußlage ϑ bestimmt wird.

Eine Erweiterung besteht darin, daß dem flußorientierten Teilmodell 1 zusätzlich der Flußlagewert ϑ oder dessen zeitliche Änderung zugeführt wird und durch dieses Modell auch die flußorientierten Spannungswerte u _Sl, u _Sm bestimmt werden, die über einen dritten Koordinatendreher 6, der in gleicher Weise wie der bisher beschriebene zweite Koordinaten dreher 5 gesteuert wird, dem ständerorientierten Teilmodell 3 zuge führt werden, in welchem ein dreiphasiges Maschinenspannungssystem u _u, u _v, u _w hergeleitet wird.

Die funktionellen z. T. inversen Zusammenhänge, die in den einzelnen Teilmodellen realisiert sind, können dem Zeigerdiagramm gemäß Fig. 3 entnommen werden: hierin erkennt man drei gegeneinander verdrehte Koor dinatensysteme: das ständerfeste a,β-, das läuferfeste d,q- und das flußbezogene l,m-Koordiatensystem.

In dieser Darstellung ist der Ständerstrom i _S sowohl in seine Komponenten i _Sd und i _Sq bezüglich der Flußlage aufgeteilt. Der Hauptfluß ψ _h und seine läuferstellungsbezogenen Komponenten sind jeweils auf die Induk tivität L _hd bezogen dargestellt. Die Größe von ψ _h ergibt sich aus der resultierenden Durchflutung aus dem Ständerstrom i _S (dem nicht dargestellten und in stationärem Fall nicht vorhandenen Dämpferstrom i _D) und dem Feldstrom i _F. Der Reluktanzkreis gibt die flußreduzierte Wirkung in q-Richtung an.

Aus dem Hauptfluß ψ _h wird über den Ständerstreufluß der Ständerfluß ψ _S ermittelt. Näherungsweise senkrecht auf ihm steht die Spannung u _S.

Bei der Strukturierung des läuferbezogenen Teilmodells (2) wird ange strebt, daß die Maschine im Feldschwächbereich schnellen Änderungen des Hauptflusses ψ _h gehorcht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorausgesetzte Maschinen führung derart weiterzubilden, daß die Synchronmaschine auf Änderungen des Führungswertes für den Hauptfluß schneller reagiert.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentan spruchs gelöst.

Die Anordnung gemäß der Erfindung wird im nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt die Fig. 4 die Struktur des läuferbezogenen Teilmodells (2) gemäß der Erfindung; die Fig. 4a bis 4d zeigen den Aufbau der ein zelnen Komponenten dieses Teilmodells.

In der Fig. 4 durchläuft die Ständerstromkomponente i _Sq zunächst ein Dämpfermodell 21 und liefert die resultierende Ankerrückwirkung (i _Sq + i _Dq = i _hq).

Mit einer Kennlinie, die im einfachsten Fall eine Gerade sein kann, wird aus dem Hauptfluß ψ _h im Kennliniengeber 23 der Magnetisierungs strom i _h ermittelt. Aus diesem Gesamtmagnetisierungsstrom und der be reits bestimmten Komponente in Querrichtung i _hq wird im Glied 24 die Hauptstromkomponente i _hd in d-Richtung und der Winkel δ bestimmt. Der Feldstrom i _F wird aus der Magnetisierungsstromkomponente i _hd und der entsprechenden Ankerrückwirkungskomponente i _Sd gebildet (Addierglied 22). Um eine schnelle Verstellung der d-Komponente des Hauptflusses zu ermöglichen, ist es wegen der flußerhaltenden Wirkung des Dämpfers not wendig, die Magnetisierungsstromkomponente zusätzlich einem VD-Glied 25 zuzuführen, und ebenfalls dem Additionsglied 22 zuzuführen. Im folgenden wird der Aufbau der einzelnen Komponenten des läuferorientierten Teil modells (2) näher beschrieben:

Die Fig. 4a zeigt den Aufbau des Dämpferkreises 21. Über das VZ-1- Glied 211 wird die Auswirkung des Dämpferstromes auf die Magnetisie rung nachgebildet. Eine Ständerstromänderung wirkt sich hierdurch nur verzögert auf die Magnetisierung aus.

Es gilt

Soll die Läuferstreuung mit berücksichtigt werden, kann ein modifi ziertes VZ-1-Glied mit einem zusätzlichen Proportionalanteil verwen det werden.

In Fig. 4d wird aus der Magnetisierungsstromkomponente i _hd durch das VD-Glied

der bei der vorgegebenen Änderung der Stromkomponente i _hd zu erwartende Dämpferstrom i _Dd ermittelt.

In der Fig. 4b wird der Feldstrom i _F aus der Längsmagnetisierung i _hd und der Ankerrückwirkung in d-Richtung i _Sd und dem Ausgang des VD- Gliedes i _Dd bestimmt (Additionsglied 22).

In Fig. 4c ist dargestellt, wie über die Magnetisierungskennlinie (Kenn liniengeber 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 L _hd gegeben.

Die Schaltung Glied 24, vgl. Fig. 4, ist im Hauptpatent beschrieben und dort in Fig. 5d dargestellt.

Claims

Anordnung zum Betrieb einer über steuerbare Stromrichter am Netz betriebenen Synchronmaschine mit Vorgabewerten Drehmoment, Phasenwinkel der Maschineneingangsgrößen und Hauptfluß als Führungswerte mit einer die Läuferlage λ erfassenden Einrichtung mit einem flußorientierten Teilmodell (1) mit in diesem rechtwinklig flußorientierten Ständer stromkomponenten [i _Sm, i _Sl], mit einem ersten Koordinatendreher (4), mit einem läuferorientierten Teilmodell (2), dem läuferbezogenen Ständerstromkomponenten zugeführt sind und das zur Ermittlung der rela tiven Verdrehung δ zwischen Flußlage ϑ und Läuferlage λ eine Winkelbe stimmungsschaltung (24), einen Magnetisierungskennliniengeber (23) und ein aus einem VZ1-Glied (211) bestehendes Dämpfermodell (21) enthält, wobei im läuferorientierten Teilmodell (2) die Ständerkomponente in q-Richtung dem VZ1-Glied (211) zugeführt ist, mit einem zweiten Koordinatendreher (5), dem die flußorientierten Ständerkomponen ten [i _Sm, i _Sl] zugeführt sind, und einem die Momentanwerte der Ständer ströme bildendes ständerorientiertes Teilmodell (3), wobei dem zweiten Koordinatendreher (5) die Summe ϑ aus Läuferstellung λ und rela tiver Verdrehung δ zugeführt ist und die im ständerorientierten Teilmo dell (3) bestimmten Größen die Ansteuerung der Stromrichter bewirken, wobei im flußorientierten Teilmodell (1) aus den Führungswerten für das Drehmoment (M) und dem Hauptfluß ( Ψ _h) in einem ersten Strombildner die flußorientierte Ständerkomponente i _Sl gebildet wird,
- - in einem zweiten Strombildner in einer Bewertungsschaltung das Produkt der flußorientierten Ständerstromkomponente i _Sl mit der negativen Streuinduktivität (-L _σ) gebildet und das Ergebnis in einer Divi sionsschaltung durch den Führungswert des Hauptflusses ( Ψ _h) dividiert wird, und daß dieser Quotient, zum Tangens des Führungswert-Phasenwin kels ( ϕ) addiert, einem Multiplizierer zugeführt wird, in dem diese Summe mit der flußorientierten Ständerstromkomponente i _Sl multipliziert wird, und so die flußorientierte Ständerstromkomponente i _Sm ergibt,
- - das läuferorientierte Teilmodell (2) eine Additionsschaltung (22) enthält,
- - dem ersten Koordinatendreher (4) die flußorientierten Ständer stromkomponenten [i _Sm, i _Sl] und die relative Verdrehung δ zugeführt werden, der die läuferbezogenen Ständerstromkomponenten in d- und in q-Rich tung [i _Sd, i _Sq] ermittelt,
- - der Ausgang des VZ1-Gliedes (211) mit Stromkomponenten in q-Richtung gleich der Querkomponente des Hauptstromes i _hq der Winkelbestim mungsschaltung (24) zugeführt sind, der außerdem der aus dem Haupt fluß ( Ψ _h) über den Magnetisierungskennliniengeber (23) hergeleitete Hauptstrom i _h zugeleitet ist und in der die Stromkomponente i _hd des Hauptstromes in d-Richtung und die relative Verdrehung δ gemäß bestimmt sind, wobei L _hd die Hauptinduktivität in d- und L _hq die Hauptinduktivität in q-Richtung sind, und
- - ein Feldstrom für die Ansteuerung bestimmt ist, nach Pa tent 30 45 032,
dadurch gekennzeichnet, daß die Stromkomponente i _hd des Haupt stromes in d-Richtung einem Vorhalteglied (25) zugeführt ist, daß dessen Ausgangswert und die Stromkomponente i _hd des Hauptstromes in d-Richtung in der Additionsschaltung (22) zum negativen Wert der läuferbezogenen Ständerstromkomponente in d-Richtung i _Sd addiert sind und sich so der Feldstrom (i _F) ergibt.