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Verfahren zur Steuerung einer Asynchronmaschine
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff
des vorliegenden. Patentanspruches.
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Wird eine Asynchronmaschine mit variabler Spannung und Frequenz betrieben,
kann ihre Drehzahl zwar verstellt werden, es entsteht aber nicht notwendigerweise
ein dynamischer Drehzahl-Verstellantrieb: ein Problem entsteht dabei hauptsächlich
durch die Eigenschaften der Asynchronmaschine, die sich regelungstechnisch wie ein
stark nichtlineares System höherer Ordnung mit mehrfacher Kopplung der Systemgrößen
verhält. Wird sie unter Verwendung vorhandener, einfacher Steuerverfahren an einem
Pulswechselrichter mit variabler Frequenz und frequenzproportionaler Spannung betrieben,
so neigt sie zu schwach gedämpften Schwingungen. Es fehlt die Mdglichkeit zur unabhängigen
und schwingungsfreien Verstellung von Drehmoment und Fluß, die das günstige Verhalten
des Gleichstrommaschinenantriebes kennzeichnet. Die dem System innewohnenden Möglichkeiten
können erst genutzt werden, wenn eine geeignete Steuerung und Regelung zur Maschinenführung
gefunden wird, die eine unabhängige Verstellung der genannten Größen ermöglicht.
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Durch die konsequente Anwendung der Zwei-Achsen-Theorie zur Darstellung
der elektrischen und magnetischen Vorgänge innerhalb der Asynchronmaschine mit der
Beschreibung der Systemgrößen durch Raumzeiger ist eine Reihe von Lösungsansätzen
bekannt geworden, vgl. Aufsatz von Hasse "Zur Dynamik drehzahlgeregelter Antriebe
mit stromrichtergespeisten Asynchron-Kurzschlußläufermaschinen" Dissertation Darmstadt
1969; gekürzte Ausgabe in "Regelungstechnik" 1972, Seite 60. Sie beruhen auf einer
läuferflußorientierten Vorgabe der Systemgröße Ständerstrom,
durch
die die notwendige Entkopplung von fluß- und drehmomentbildendem Stromanteil erreicht
werden kann (Strommodell).
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Ein derartiges Steuer- und Regel schema einer pulswechselrichtergespeisten
Asynchronmaschine mit indirekter Flußorientierung zeigt die Fig. 1: einem Pulsumrichter
1 wird eine dreiphasige Wechselspannung U mit konstantem Betrag und konstanter Frequenz
f zugeführt; die am Ausgang des Pulsumrichters erscheinende Wechselspannung ist,
bestimmt durch den Pulssteuersatz 2 für den Pulsumrichter, im Betrag und in der
Frequenz veränderbar; sie wird dem Ständer einer Asynchronmaschine AS zugeführt.
Einer Einrichtung zur indirekten Flußlageerfassung 3 wird die mittels eines Tachos
4 ermittelte Drehzahl der Asynchronmaschine zugeleitet.
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Die Führungsgrößen des Drehmoments M und des Flusses werden einem
Strommodell 5 zuaeleitet. das die Svstem--- läuferflußorientiert - ' größe Ständerstrbmvvorgibt.
Diese Größe wird einerseits der Einrichtung zur indirekten Flußlageerfassung 3,
andererseits einem Spannungsmodell 6 zugeführt.
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Die jeweilige Lage des (umlaufenden) Läuferflusses wird nicht direkt
in der Maschine gemessen, sondern in der Einrichtung 3 aus dem gewünschten Strom
und der Drehzahl errechnet (indirekte LäuferfluBorientierung).
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Um die beim Pulswechselrichter mit dessen schneller Schaltfähigkeit
gegebene Chance der Optimierung des Antriebs bezüglich der Maschinenverluste, der
Rüttelmomente und der Danamik im gesamten Frequenzbereich zu nutzen, werden Regeleinrichtungen
zur Führung der Asynchronmaschine verwendet, mit denen in jedem Betriebspunkt die
Ständerspannung so nach Betrag und Phasenlage vorgegeben
wird, daß
der gewünschte Stromverlauf auftritt.
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Dies geschieht in der Fig. 1 durch das Spannungsmodell 6, das auch
Stromregler enthalten kann. Die ermittelte läuferflußorientierte Spannung wird nun
mit Hilfe eines Koordinatenwandlers 6a um den Lagewinkel des Läuferflusses in ständerbezogene
Spannungsstellwerte transformiert und im Pulssteuersatz 2 in entsprechende Pulsmuster
gewandelt.
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Der speziell asynchronmaschinenbezogene Teil der gesamten Steuer-
und Regeleinrichtung wird als Maschinenführung 7 bezeichnet. Strom- und Spannungsmodell
stellen zusammen ein inverses Maschinenmodell 7a dar. Über dem Steuer- und Regelschema
gemäß der Fig.1 ist durch eine Klammer 8 angegeben, inwieweit dieses Schema läuferflußorientiert
ist und durch eine Klammer 9, inwieweit es ständerorientiert ist.
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Bei der geschilderten Steuerung bleiben jedoch Einflüsse der Läufertemperatur
und der Sättigung unberücksichtigt; ferner ist stets eine Drehzahlmessung notwendig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art anzugeben, bei dem sich die Asynchronmaschine stationär und dynamisch
wie eine stromrichtergespeiste Gleichstrommaschine verhält, wobei der Einfluß der
Sättigung und die Widerstandsänderung im Läufer, hervorgerufen durch Temperaturänderung
berücksichtigt wird und eine Drehzahlmessung höchstens nur dann erforderlich ist,
wenn höchste Anforderungen an die Drehzahlregeldynamik, insbesondere in-- Stillstandsnähe,
erfüllt werden müssen.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im
Kennzeichen
des vorliegenden Patentanspruchs aufgeführten Verfahrensschritte gelöst.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung wird im nachstehend beschriebenen
Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigt die Fig. 2 ein Steuer- und Regelschema für eine wechselrichterbetriebene
Asynchronmaschine gemäß der Erfindung; es zeigt die Fig. 3 den Aufbau einer verwendeten
Maschinenführung (MF) im einzelnen.
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In der Fig. 2 ist mit AS eine Asynchronmaschine und mit W ein Wechselrichter
bezeichnet, dem eine Gleichspannung zugeführt wird. Er wird von einem Steuersatz
27 mit vorgelagertem Gleichspannungskorrekturglied 27a gesteuert.
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Mit MA ist eine Meßwertaufbereitung bezeichnet, in der die Meßwerte
der Maschinenströme iAX iC und der verketteten Maschinenspannungen UAB, UBc zwischen
den entsprechenden Maschinenstrangspannungen UAt UB und UB, UC zunächst in den Gliedern
29a, 29b orthogonale Komponenten respektive UL gebildet werden. Die so gebildeten
Komponenten werden einem Flußrechner 29 zugeführt, der den Läuferfluß h in orthogonalen
ständerbezogenen Komponenten ermittelt. Ein derartiger Flußrechner ist in der Patentanmeldung
P 30 41 608.1 vom 01.11.80 beschrieben: dort ist eine Einrichtung zur Realisierung
eines zweiphasigen Flußmodells für eine Drehfeldmaschine, bei dem der Luftspaltfluß
in dieser Maschine als Istwert für die Regelung dient, und bei dem aus der Differenz
von Eingangsspannung und Spannungsabfall am Stnderwiderstand nach Integration und
Abzug des nachgebildeten Streuflusses eine dem Luftspaltfluß proportionale Größe
gebildet wird, dargestellt, bei der für zwei senkrecht aufeinanderste-
hende
Komponenten des Flusses ( Y, Y/A ) Schaltungen mittels Operationsverstärkern zur
Herleitung dieser Komponenten aus den verketteten Spannungen UR5, UTs bzw. Phasenspannungen
UR, UT und aus den Strangströmen 1R' iT in folgender Form aufgebaut werden: 1) es
werden die verketteten Spannungen URs und UTs oder die Phasenspannungen UR und UT
(respektive URs und -UTs oder UR und -UT) über Bewertungswiderstände (R1 und R2)
dem Eingang eines ersten Integrierverstärkers (1), der parallel zum rückkoppelnden
Kondensator (C1) ggf. einen Dämpfungswiderstand (8) enthält, zugeführt, 2) es werden
die Strangströme iR und iT (respektive iR und -iT) über Bewertungswiderstände (R5
und R6) dem Eingang eines ersten invertierenden Verstärkers (4) zugeführt, dessen
Ausgang einerseits über einen den Ständerspannungsabfall berücksichtigenden Bewertungswiderstand
(R3) auf den Eingang des ersten Integrierverstärkers (1) führt, andererseits mit
dem Eingang eines zweiten invertierenden Verstärkers (5) verbunden ist, dessen Ausgang
über den den Streufluß berücksichtigenden Bewertungswiderstand R7 zusammen mit dem
Ausgang des ersten Integrierverstärkers auf den Eingang eines dritten invertierenden
Verstärkers (2) führt, dessen Ausgang den Ausgang der Schaltung (REIZ bzw. RE2A)
bildet, an dem das Flußsignal% (respektive %») auftritt, 3) es wird der Ausgang
des dritten invertierenden Verstärkers über einen zweiten ggf. als VZ-1- oder PI-Glied
ausgeführten Integrierverstärker (3) mit nachgeschaltetem Bewertungswiderstand (R4)
auf den Eingang des ersten Integrierverstärkers (1) zurückgeführt.
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Der Ausgangswert des Flußrechners 29 wird einem Koordinatenwandler
26c zugeführt. Er wandelt die ständerbezogenen Komponenten des Flußmeßwertes durch
Drehung um die vorausberechnete Flußlage in flußbezogene Komponenten. Der Koor-
dinatenwandler
26c gehört mit weiteren Koordinatenwandlern 26a, 26b und einem Flußlagebildner 28
zu einer Koordinatentransformationseinheit TF. Dem Koordinatenwandler 26b wird der
Strom id,ß zugeführt und dort in läuferflußbezogene Stromwerte ií m umgeformt. In
einem l,m dritten Koordinatenwandler 26a wird ein in einer läuferorientierten Maschinenführung
MF hergeleiteter Spannungswert ul,m (d.h. in läuferflußbezogenen Koordinaten) in
einen Spannungswert ù d, 5 (d.h. in ständerbezogenen Koordinaten) umgewandelt, der
dann über das Gleichspannungskorrekturglied 27a dem Steuersatz zugeführt wird. Im
Glied 27a wird die Spannung Uα,ß (3 durch den Wert der Eingangsgleichspannung
des Wechselrichters dividiert, anschließend erfolgt noch eine Umwandlung in dreiphasige
Aussteuerungsgrößen im Glied 27b.
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Die Koordinatenwandlung in den Koordinatenwandlern 26a, 26b und 26c
erfolgt in Abhängigkeit von der durch im Flußlagebildner 28 bestimmten Flußlage
97 . Der Flußlagebildner 8 besteht zunächst aus einem Integrator 28a, dem eine in
der Maschinenführung MF hergeleitete Ständerfrequenz #1 als Analogwert zugeführt
wird; die Integration kann mit Hilfe eines Zählers erfolgen, der dann den Winkel
# in Bitdarstellung ausgibt; dieser wird einem sin/cos-Geber 28b zugeführt, der
eine Sinus- und eine Cosinus-Tabelle enthält; am Ausgang erscheint dann ein ständerfrequentes,
zweiphasiges normiertes Spannungssystem: cos (#1. t) + j sin (#1.t) = 1. ej#1.t
= 1.ej # (t), das die augenblickliche Lage des Läuferflusses darstellt.
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Die Koordinatenwandler 26a, 26b, 26c führen komponentenweise die komplexe
Multiplikation einer Eingangsgröße mit mit dem normierten System 1-ej cp (t) aus.
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Die Winkeladdition mit dem fortlaufenden Flußlagenwinkel y (t) führt
dabei zur gewünschten Koordinatentransformation von flußorientierten Koordinaten
in ständerbezogene Koordinaten (Wandler 26a). Umgekehrt ist diese Transformation
mit geändertem Winkelvorzeichen auch von ständerbezogenen in flußbezogene Koordinaten
möglich (Wandler 26b, 26c).
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Die der Maschinenführung MF zugeführten Führungsgrößen sind das gewünschte
Drehmoment M und der gewünschte Läuferfluß g. Das Drehmoment M kann hergeleitet
werden von einem Drehzahlregler 21 mit PI-Verhalten, dem die Differenz eines Drehzahl-Sollwerts
n-und dem über Drehzahlgeber G hergeleiteten Drehzahlistwert der Maschine zugeleitet
wIrd. Der Führungswert W des Flusses kann über eine Flußvorgabe 22 erfolgen, die
in Abhängigkeit des Drehzahl-Istwerts gesteuert wird u-nd zwar nach einer Kennlinie,
die bei wachsender Drehzahl zunächst einen konstanten, dann einen fallenden Führungswert
des Flusses ausgibt.
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Der Führungswert des Drehmoments M wird einem Dividierer 213 zugeführt
und dort durch den Fluß-Führungswert W dividiert; das Ergebnis ist die Stromkomponente
il (senkrecht zur Flußrichtung).
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Der Führungswert des Flusses y wird mit der vom Koordinatenwandler
26c hergeleiteten Flußkomponente Ym verglichen und die Differenz einem Flußregler
23 zugeführt.
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Dieser Regler ist ein PI-Regler; sein Ausgang liefert die flußgerichtete
Komponente im des Ständerstroms (in läuferbezogenen Koordinaten).
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Die beiden Stromkomponenten im, il werden einem Spannungsmodell 24
zugeführt, dem ferner noch die Ständerfrequenz Co 1 zugeführt wird. Ferner werden
die Strom-Sollwert-Komponenten im, il mit den aus dem Koordinaten-Wandler 26b hergeleiteten
Meßwerten des Ständerstroms im, il in flußorientierten Koordinaten verglichen und
die Abweichung zwei PI-Stromreglern 25 zugeführt. Die Ausgangssignale A U1,m dieses
Stromreglers werden zu den Ausgangssignalen des Spannungsmodells 24 addiert; ihre
Summe bildet die flußorientierten Spannungen U1>m' die dem Koordinatenwandler
26a zugeführt werden.
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Zur Ermittlung der Ständerfrequenz #1, die gleich der Winkelgeschwindigkeit
der Flußlage ist, wird die Summe der mechanischen Rotorfrequenz ctzn n (Tachomaschine)
und der errechneten Läuferfrequenz Co 2 gebildet. W2 wird aus der gewünschten Größe
des Läuferflusses und dem gewünschten, senkrecht zum Fluß liegenden Stromanteil
vorausberechnet. Es gilt in läuferflußbezogenen Koordinaten die Gleichung il = C)2
. 1 , die in einer Läuferfrequenzbilly R2 dungseinrichtung 210 realisiert wird,
il indem zunächst der Quotient # gebildet (Dividierglied 210a) und dann durch den
Parameter R2 bewertet wird (Bewertungsglied 210b). Der Wert enthält noch eine Unsicherheit,
weil durch die mögliche starke Temperaturschwankung im Läufer der Asynchronmaschine
der Läuferwiderstand R2 nur ungenau bekannt ist. Eine sättigungsabhängige Ungenauigkeit
kann nicht mehr auftreten, es sei denn, der Flußregelkreis fällt wegen des fehlenden
Flußmeßwertes im Anlaufbereich aus. Dann wird aber der für den Anlauf richtige Wert
gesteuert vorgegeben. Ist der Flußmeßkreis oberhalb der Anlaufdrehzahl betriebs-
fähig
und stimmen die errechnete und die gemessene Lage des Flusses überein, ist die gemessene
Querflußkomponente definitionsgemäß Null.
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Tritt bei einer Fehlorientierung der Meßwert eines Querflusses 1Cr1
auf, sorgt ein PI-Orientierregler 212 durch Integration dieses Fehlersignals für
eine Frequenzverstellung solange, bis die gewünschte Läuferflußorientierung wieder
erreicht wird. Das Ausgangssignal ß w des Orientierungsreglers 212 wird der Additionsstelle
211 von Cx) 2 und con n hinzugefügt.
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Dieser Orientierungsregler, als PI-Regler ausgeführt, ist nicht nur
in der Lage, geringe Frequenzfehler aufgrund veränderlicher Parameter auszugleichen,
er gleicht auch Meßfehler der Drehzahlmessung aus. Er ist, wenn auch bei geringen
Ansprüchen an die Drehzahlregelung, in der Lage, die Tachometermaschine ganz zu
ersetzen. Der Antrieb ist dann trotz fehlender Drehzahlmessung drehzahlgeregelt.
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Vorteilhaft ist dann eine Ausführung des Orientierungsreglers als
Doppel-PI-Regler 212, 212a, um die Maschine nicht nur bei stationären sondern auch
bei zeitlinear veränderlichen Drehzahlen ohne Regel fehler läuferflußorientiert
betreiben zu können (Fig. 3).
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Der gleichzeitig ermittelte Läufetfluß fm in Orientierungsrichtung
entspricht bei eingehaltener Läuferflußorientierung dem Flußbetrag W, Zum Ausgleich
der nichtlinearen Magnetisierungskennlinie der Maschine korrigiert der Flußregler
23 den Strom in Flußrichtung so, daß der geforderte Fluß eingehalten wird.
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Dabei ist durch den Regler durch über bzw. Gegenerregung eine schnelle
Flußverstellung möglich. Dem PI-Regler 23 kann ein Zweig 23a parallel geschaltet
werden, der den gewünschten Fluß durch Division durch den Nennwert der
Hauptinduktivität
L2N in einen Nennmagnetisierungsstrom i wandelt. Dadurch erhält der Regler eine
nur korrii/uN gierende Funktion. Beim Ausfall der Flußmessung im Anlaufbereich wird
dann durch Sperrung des Flußreglers ein gesteuerter Betrieb mit Nennfluß möglich
(Fig. 3).
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Durch den Flußregelkreis wird eine Magnetisierungskennlinie L2 = f(i/u)
auch bei extremem Feldschwächbereich nicht benötigt.
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Zum Aufbau des Spannungsmodells 24 sei an Hand der Fig. 3 folgendes
ergänzt: Das Spannungsmodell ist eine teilweise Nachbildung der Spannungsgleichungen
der Maschine in läuferflußorientierten Koordinaten:
(R1 Ständerwiderstand, L 62 Summe aus Ständer- und Läuferstreuung, Läuferfluß) Als
vorteilhaft hat es sich erwiesen, die direkten Spannungsanteile (ohmscher Abfall
und Spannung bei Stromänderungen (Streuung)) durch Stromregler bilden zu lassen,
vgl. den zweifachen Stromregler 25 in Fig. 3. Diese Anteile sind stationär relativ
klein (kleiner ohmscher Anteil), nur im Fall plötzlicher Stromänderungen entstehen
kurzzeitig (Streuzeitkonstanten) relativ hohe Werte. Die Stromregler werden beide
in gleicher Weise auf den ohmischinduktiven Streukreis optimiert.
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Für die rotatorischen Streuanteile werden die Stromkomponenten zunächst
mit der Gesamtstreuinduktivität Ld bewertet, so daß die Streuflußanteile entstehen.
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Durch die Multiplikation mit der Ständerfrequenz w1 und die kreuzweise
Vertauschung entstehen die Streuspannungsabfälle, die den Reglerausgängen vorzeichenrichtig
hinzugefügt werden.
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Der größte Spannungsanteil, die "EMK" der Maschine, ist #1.#2 , Aus
Stabilitätsgründen und wegen des Verhaltens des Flußrechners bei kleinen Drehzahlen
wird der verzögerte Flußsollwert yrv verwendet. Nach der Addition von Läuferfluß-
und Streuflußanteilen erfolgt die Multiplikation mit co 1 zur Berechnung der Spannung.
Das Verzögerungsglied 24a erzeugt die Zeitkonstante die dem Zeitverhalten des Flußregelkreises
angepaßt wird.
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Ein entsprechend verzögerter Wert von vv kann auch der Einrichtung
210 zugeführt werden.
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