DE3234603C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Bildung eines zweikomponentigen elektrischen Spannungssignals, das dem Maschinenfluß einer Drehfeldmaschine proportional ist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Dieses Spannungssignal dient als Istwert für indirekt flußorientierte Verfahren zur Führung von umrichtergespeisten Drehfeldmaschinen.

Wie es in der DE-OS 30 41 608 bereits ausführlich dargelegt wurde, muß zur Maschinenführung eine Orientierung an der Flußlage erfolgen. Diese muß aber nicht direkt erfaßt werden, sondern kann auch indirekt erfolgen, wie es zum Beispiel in der DE-OS 28 33 593 beschrieben ist.

In der DE-OS 30 45 032 wird eine Vorausberechnung der Flußlage für die Synchronmaschine mit Dämpferkäfig ausführlich erläutert. Dabei wird die Flußlage aus Läuferstellungssignal und den Stromsollwerten errechnet.

Die Problematik von Einrichtungen zur Schätzung des Maschinenflusses aus den Größen Klemmenspannung und Strom ist die den notwendigen Integratoren eigene Drift, die auch auf Meßfehler zurückzuführen ist. Eine einfache proportionale oder proportional-integrale Gegenkopplung begrenzt bzw. verhindert zwar diese Drift, erzeugt aber einen frequenzabhängigen Phasenfehler bei der geschätzten Flußlage.

Hierzu seien als Stand der Technik die EP-OS 00 68 394 genannt, bei der vor und nach die Integrationsstufen Filter geschaltet werden und die DE-OS 29 07 595, bei der empfohlen wird, den Fehler durch ein nachgeschaltetes Integrationsglied zu kompensieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Vorhandensein einer geschätzten oder errechneten Lageinformation des Flusses (cos ϑ, sin ϑ) den Istwert des Flusses zu ermitteln, wobei sowohl eine Drift als auch ein Phasenfehler weitgehend vermieden werden soll.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des vorliegenden Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Der errechnete Flußistwert hat eine Komponente in Richtung der gerechneten und vorgegebenen Flußrichtung ( ψ _m ), die seinen Betrag entspricht, und eine Komponente senkrecht dazu ( ψ _l ), die der Abweichung von der gerechneten Richtung entspricht. Diese Signale werden für eine Fehlerkorrektur bei Verfahren mit indirekter Flußorientierung gebraucht.

Der Vorteil der Anordnung gemäß der Erfindung besteht darin, daß ein Driften der Integratoren durch die Gegenkopplung, die sich zwangsweise durch die Rechnung mit den Soll-Fluß orientierten Komponenten von Strom- und Spannung ergibt (Ausnahme = Winkelgeschwindigkeit des geschätzten Flußzeigers), verhindert wird.

Bei lediglich zusätzlicher, direkter in gleicher Weise frequenzabhängiger Gegenkopplung ergibt sich ein frequenzabhängiger Phasenfehler.

Die zusätzliche Gegenkopplung nicht über Kreuz stellt die übliche Dämpfung dar, die nur notwendig ist, wenn der Flußrechner bei bereits Spannung führender Maschine eingeschaltet wird, so daß die Integratoren falsche Anfangswerte erhalten. Weiterhin muß die Verstärkung für Störfrequenzen der Kreisfrequenz begrenzt werden.

Zur bereits genannten DE-OS 28 33 593 sei mit Rücksicht auf die folgenden Ausführungen darauf hingewiesen, daß beim dort beschriebenen Flußrechner im wesentlichen die Klemmenspannungen komponentenweise integriert werden, und so der mit der Ständerwicklung verkettete Fluß errechnet wird. Es ergibt sich, wenn man eine Korrektur des Ständerwiderstandes R und der Streuung L _σ berücksichtigt,

ψ _α = ∫ (u _a - i _α R) dt - L _σ i _α
c _β = ∫ (u _β - i _β R) dt - L _σ i _β

Mit Hilfe von Koordinatendrehern werden dann die Komponenten oder Koordinaten der Meßwerte der Spannung bezüglich der vorausberechneten Flußlage (cos ϑ, sin ϑ) bestimmt. Diese werden mit u _m , u _l bezeichnet. Die m-Achse weist in Richtung des vorausberechneten Flusses.

Die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung wird im nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Lage des Spannungszeigers bzgl. der α, β- und m, l-Koordinaten,

Fig. 2 die Struktur eines komplexen Multiplizierers, der in der erfindungsgemäßen Anordnung Verwendung findet, und

Fig. 3 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung.

Ferner zeigen die Fig. 4 bis 6 Schaltungen zur Dämpfung durch besondere Arten der Gegenkopplung.

In der Fig. 1 liegen der Spannungszeiger u in Form der Komponenten oder Koordinaten u _α , u _β (orthogonales Koordinatensystem), d. h. ständerorientierte Koordinaten ( α, β ), vor. Auf Spannung u und Strom i werden die Rechenregeln der komplexen Zahlen angewendet.

Durch eine Koordinatendrehung um die vorausberechnete oder geschätzte Lage des Flusses (cos ϑ, sin j) erhält man die Spannungskomponenten u _m , u _l bzw. flußorientierten Koordinaten u _m , u _l .

In der Fig. 2 ist ein komplexer Multiplizierer KM dargestellt, der in der an Hand der Fig. 3 beschriebenen Ausführungsform benutzt wird. Er wird dort zunächst zur Koordinatendrehung der Spannung, wie gerade angegeben, dann zur entsprechenden Koordinatendrehung für den Strom und schließlich auch zur Gegenkopplung der Integratoren benutzt, wie noch näher beschrieben wird.

Er enthält vier Multiplizierer 1, 2, 3, 4, durch die aus einer ersten komplexen Größe A e ^{j ϕ 1 und einer zweiten komplexen Größe ej ϕ ⁰ folgende Größen gebildet werden: Im Multiplizierer 1:A cos ϕ₁ · cos ϕ₀, Im Multiplizierer 2:A sin ϕ₁ · sin ϕ₀, Im Multiplizierer 3:A sin d₁ · cos ϕ₀, Im Multiplizierer 4:A cos ϕ₁ · sin ϕ₀, wobei Acos ϕ₁ = R [A e j ϕ₁], cos ϕ₀ = R [ej d₀], Asin ϕ₁ = lm [A e j ϕ₁], sin ϕ₀ = lm [ej ϕ₀]. Der Ausgangswert des Multiplizierers 2 wird vom Ausgangswert des Multiplizierers 1 abgezogen; das Ergebnis ist A cos (ϕ₁+ϕ₀) = R [A j(ϕ ₁ + ϕ ₀)]. Die Ausgangswerte der Multiplizierer 3 und 4 werden addiert; das Ergebnis ist A sin (ϕ₁ + ϕ₀) = lm [A e j( ϕ 1+ϕ 0)]. Die Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung. Hier wird zunächst die ständerorientierte Spannung u mit den beiden Komponenten u _α , u _β einem ersten komplexen Multiplizierer KM 1 zugeführt, ferner der ständerorientierte Strom i mit den beiden Komponenten i _α , i _b einem zweiten komplexen Multiplizierer KM 2. Beiden komplexen Multiplizierern werden ferner die Komponenten cos ϕ, sin ϕ der Flußlage ϕ zugeführt und dort mit den Komponenten von u _α , u _β sowie i _α , i _β gemäß der oben angegebenen Wirkungsweise des komplexen Multiplizierers verknüpft. Die Ausgangswerte des komplexen Multiplizierers KM 1 sind dann u _m , u _l (die in der Fig. 3 gezeichneten Doppelpfeile sollen immer Doppelleitungen für die Komponenten darstellen) und die Ausgangswerte des komplexen Multiplizierers KM 2 die Komponenten i _m , i _l . Die Komponente u _m wird nun einem Integrator I 1, die Komponente u _l einem Integrator I 2 zugeführt. Die Ausgangssignale der Integratoren - das sind die Ständerfluß-Komponenten ψ _sm , ψ _sl des Flusses ψ _s - werden einem dritten komplexen Multiplizierers KM 3 zugeführt und zwar so, daß der von u _m hergeleitete Wert ψ _sm dem Realteil-Eingang (vgl. Fig. 2) und der von u _l hergeleitete Wert ψ _sl dem Imaginärteil-Eingang zugeführt wird. Dem komplexen Multiplizierer 3 wird als zweite Größe, mit der zu multiplizieren ist, ein Wert zugeführt, wobei als Realteil, als Imaginärteil geleitet wird. Der Wert am Realteil-Ausgang des komplexen Multiplizierers wird von der Komponente u _m , der Wert am Imaginärteil- Ausgang von der Komponente u _l subtrahiert. Es erfolgt so eine Gegenkopplung der Integratoren direkt und über Kreuz, und zwar frequenzproportional, da die dem Multiplizierer zugeleitete Komponente j die Rotation des Koordinatensystems mit der Winkelgeschwindigkeit berücksichtigt. Damit verbleibt als Integratoreingangsspannung nur noch der Teil, der der Bewegungsgeschwindigkeit des Flußzeigers im m, l-Koordinatensystem proportional ist. Da der komplexe Multiplizierer KM 3 in der Gegenkopplung mit den Integratoren (gestrichelte Anordnung 5) einen Oszillator mit der Schwingfrequenz bildet, wird zwecks Dämpfung desselben der bereits erwähnte Wert , vergebbarer Dämpfungsfaktor, dem Multiplizierer in der angegebenen Weise zugeführt. Der Ständerwiderstand R wird dadurch berücksichtigt, daß i _m · R von u _m und i _l · R von u _l abgezogen wird. Ferner wird die Streuung L _σ dadurch berücksichtigt, daß i _m · L _σ von der Ständerflußkomponente c _sm und i _l · L _σ von der Ständerflußkomponente ψ _sl abgezogen wird. Die so erhaltenen Werte stellen die Komponenten ψ _m , ψ _l des Haupt- (oder Dämpferflusses ψ dar (bei der Asynchronmaschine wird der Dämpferfluß Läuferfluß genannt). Aufgrund der bisher gemachten Darlegungen ergeben sich diese Komponenten mit Man erkennt an diesen Gleichungen unmittelbar, daß durch die Glieder mit eine Gegenkopplung über Kreuz vorliegt, während die Dämpfungsglieder mit eine direkte Kopplung darstellen. Zu der direkten Kopplung durch die Dämpfungsglieder ist noch folgendes zu bemerken: damit Störungen mit Frequenzen in der Umgebung von nicht zu hoch verstärkt werden, müssen für relativ hohe Werte eingesetzt werden, so daß die Winkelabweichung vom idealen Integrator mehrere Winkelgrade beträgt. Man kann dieser Schwierigkeit begegnen, wenn man die Dämp­ fungskomponenten nicht an den Summenpunkten der Integratoreingänge addiert. Eine Schaltung, die dies berücksichtigt, ist in Fig. 4 dargestellt: hier sind gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 3 gewählt. Vom Ausgang des Integrators I 2 (ψ _sl ) führt eine Leitung über einen Multiplizierer 6 mit dem Faktor K auf eine Summationsstelle 9, die vor den Zuleitungen zum komplexen Multiplizierer KM 3 liegt. Das Ausgangssignal des Multiplizierers 6 wird dort von _sm subtrahiert. Ferner führt vom Ausgang des Integrators I 1 ( _sm ) eine Leitung über einen Multiplizierer 7 mit dem Faktor K und folgender Negationsstufe 8 ebenfalls auf die Summationsstelle 9. Dort wird das Ausgangssignal der Negationsstufe von _sl subtrahiert. Dem komplexen Multiplizierer KM 3 wird anstelle des Wertes nur der Wert jzugeführt. Die Fig. 5 und 6, die ebenfalls der zuletzt genannten Schwierigkeit entgegenwirken, zeigen Anordnungen, bei denen jeweils nur die m- bzw. l-Koordinate des Ständerflusses ψ _s fehlerhaft ist. Dem komplexen Multiplizierer KM 3 wird auch hier wieder nur der Wert j zugeführt. In der Fig. 5 wird der Wert ψ _sl auf einen Multiplizierer 10 mit dem Faktor K geführt, dessen Ausgangssignal zusammen mit dem Imaginärteil- Ausgangswert vom KM 3 vom Wert u _l -i _l · R abgezogen wird, in der Fig. 6 wird der Wert ψ _sm auf einen Multiplizierer 10 a mit dem Faktor K geführt, dessen Ausgangssignal, zusammen mit Realteil-Ausgangswert von KM 3 vom Wert u _m -i _m · R abgezogen wird. Es sei bemerkt, daß die nicht kreuzweise Gegenkopplung nicht frequenzabhängig sein muß.}

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung zur Bildung eines zweikomponentigen elektrischen Spannungssignals, das dem Maschinenfluß (Ständer-, Haupt- oder Dämpfer- bzw. Läuferfluß) einer Drehfeldmaschine proportional ist mittels Integratoren, wobei die zweikomponentigen Meßwerte von Ständerstrom (i _α , i _β ) und -spannung (u _α , u _β ) der Maschine mit Hilfe von Koordinatendrehern um die vorausberechnete oder geschätzte Lage des Flusses (cos j, sin ϑ ) zurückgedreht werden (zurückgedrehte Komponenten: i _m , i _l , u _m , u _l ), dadurch gekennzeichnet, daß der Ständerfluß ( ψ _sm , c _sl ) aus den so ermittelten Komponenten der Spannung (u _m , u _l ) durch komponentenweise Integration der Spannungssignale (u _m , u _l ) mittels Integratoren (I 1, I 2) gebildet wird, die frequenzproportional über Kreuz und direkt gegengekoppelt sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Ständerwiderstand (R) multiplizierten Stromkomponenten (i _m , i _l ) von den zugehörigen Spannungssignalen (u _m , u _l ) subtrahiert werden.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Subtraktion eines dem Strom proportionalen Streuflusses (L _σ i _m , L _σ i _l ) aus dem Ständerfluß ( ψ _sm , ψ _sl ) der Haupt- oder Dämpferfluß (bei der Asynchronmaschine der Läuferfluß) ermittelt werden.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die frequenzproportionale Gegenkopplung der Integratoren (I 1, I 2) mittels eines komplexen Multiplizierers (KM 3) erfolgt, dem als Multiplikand die Ausgangssginale der Integratoren ( ψ _sm +j ψ _sl ) und als Multiplikator die Größe K = Dämpfungsfaktor, ϑ = Flußlage,
zugeführt wird, wobei die Ausgangswerte des Multiplizierers von den Eingangswerten der Integratoren subtrahiert werden.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die frequenzproportionale Gegenkopplung der Integratoren (I 1, I 2) mittels eines komplexen Multiplizierers (KM 3) erfolgt, dem als Multiplikand der Wert _sm - K · _sl + j ( _sl + K _sm ), _sm , _sl = Ausgangssignale der Integratoren I 1, I 2,K= Dämpfungsfaktor und als Multiplikator j,
δ= Flußlage,zugeführt wird, wobei die Ausgangswerte des Multiplizierers von den Eingangswerten der Integratoren subtrahiert werden.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die frequenzproportionale Gegenkopplung der Integratoren (I 1, I 2) mittels eines komplexen Multiplizierers (KM 3) erfolgt, dem als Multiplikand die Ausgangssignale der Integratoren ( c _sm +j ψ _sl ), als Multiplikator die Größe j, ϑ=Flußlage,
zugeführt wird und mittels der Subtraktion des K-fachen (K = Dämpfungsfaktor) Ausgangswerts des ersten (oder zweiten) Integrators von dem Eingangssignal des ersten (oder zweiten) Integrators, wobei die Ausgangswerte des Multiplizierers von den Eingangswerten der Integratoren subtrahiert werden.