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Steuerung eines Phasenfolgewechselrichters an
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einer umrichtergespeisten Asynchronmaschine Beschreibung Die Erfindung
bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine derartige Schaltungsanordnung ist durch die"Siemens-Zeitschrift" 45 (1971)
Heft 10, Seiten 753 bis 757 bekannt.
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Umrichter mit Gleichstrom-Zwischenkreis stellen eine preisgünstige
Speisemöglichkeit für Asynchronmaschinen dar. Analog zur Gleiclistrommaschine, bei
der der Anker-und der Erregerstrom ohne gegenseitige Beeinflussung das Maschinenmoment
bestimmen, ist es über die Steuerung des Netz- und des Phasenfolgevechselrichters
möglich, auch bei der Asynchronmaschine eine entkoppelte Beeinflussung der drehmoment-
und flussbildenden Ständerstromkomponenten zu erreichen. Der Netzstromrichter dient
dabei als Stellglied für den mit Hilfe einer Glättungsdrossel im Zwischenkreis eingeprägten
Gleichstrom. Der Phasenfolgewechselrichter schaltet diesen Gleichstrom zyklisch
mit einer vorgegebenen Frequenz auf die Wicklungstränge der Asynchronmaschine.
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Bei der eingangs angegebenen bekannten Schaltungsanordnung wird zum
Betrieb des Umrichters der Maschinenstrom in eine Komponente in Richtung des Feldes
und in eine Komponente senkrecht dazu zerlegt. Einem Stellgrössenrechner werden
von einem Fluss- bzw.
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Drehzahlregler diese beiden Komponenten und von einem Istwertrechner
die Winkellage des umlaufenden Feldvektors zugeführt. Die Erfassung der Winkellage
des
Feldvektors wird entweder direkt mit eingebauten Hallsonden gemessen oder aber aus
den Augenblickswerten des Maschinenstroms und der Maschinenspannung, die über Mess
wertumformer erfasst werden, errechnet. Der Stellgrössenrechner ermittelt aus den
ihm zugeführten Grö-ssen den Betrag des Ständerstroms als Sollwert für die Stromregelung
des Netzstromrichters. Ausserdem bildet er den erforderlichen Winkel des Ständerstromvektors
bezogen auf das Ständerkoordinatensystem und gibt diesen Winkel als Stellgrösse
für den Phasenfolgewechselrichter vor.
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Bei der bekannten Anordnung sind also zumindest ein, vorzugsweise
aber zwei Rechner notwendig, um die Stellgrössen für die Stromrichter zu bilden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
der eingangs beschriebenen Art zu geben, mit der ohne Verwendung von komplizierten
Rechnern eine einfache und genaue Steuerung der Frequenz des Phasenfolgewechselrichters
möglich ist.
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Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten
Merkmale gelöst.
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Die Erfindung macht sich auf vorteilhafte Weise die Erkenntnis zu
Nutze, dass das Verhalten der Asynchronmaschine neben der Nagnetisierungskennlinie
in erster Linie durch die Hauptinduktivität, den Ijäuferwiderstand und die Frequenz
des Läuferstroms, die sogenannte Schlupffrequenz, bestimmt wird. Der Spannungsabfall
am Ständerwiderstand und an der Ständerstreureaktanz kann zunächst unberücksichtigt
bleiben. Im Ständer der Asynchronmaschine fliesst nämlich bedingt durch das Betriebsverhalten
det Phasenfolgewechselrichters ein blockförmiger Strom, so dass an der Induktivität
in den Zeitabschnitten, in denen er konstant ist, keine Spannung abfallen kann.
Die Vorgänge während
der Wechselrichterkommutierung und der Einfluss
der Stromwelligkeit sollen hier vernachlässi sein.
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Der Ständerwiderstand wird gedanklich in den Zwischenkreis verlegt.
Da die für den Betrieb an Phasenfolgewechselrichtern vorgesehenen Maschinen streuarm
ausgelegt werden, ist der Einfluss der sekundären Streureaktanz bei den betriebsmässig
auftretenden kleinen Schlupffrequenzen vernachlässigbar klein. Der Phasenwinkel
zwischen der EMK der Asynchronmaschine und der Grundschwingung des Maschinenstroms
kann daher mit guter Näherungnach der Gleichung R'2 . 1 # = arc tan-2 # Lh f2 bestimmt
werden. Diese Gleichung enthält neben den unbeeinflussbaren Maschinengrössen (Läuferwiderstand
R'2 und Hauptinduktivität ) als einzig beeinflussbare Grösse die Schlupffrequenz
f2.
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Um eine bestimmte, gedanklich in den Zwischenkreis transformierte
EMK der Maschine zu erzielen, muss also eine definierte Schlupffrequenz eingestellt
werden. Dazu ist der zusätzliche Regelkreis mit dem Spannungsregler vorgesehen.
Dieser Kreis ist zweckmässigerweise so konstruiert, dass er dem inneren Verhalten
einer Gleichstrom-Reihenschlussmaschine entspricht. Die zwangsweise Abhängigkeit
des magnetischen Flusses vom Strom wird vom Kennliniengeber vorgegeben, der in Abhängigkeit
von der Strom-Regelgrösse die Fluss-Führungsgrösse abgibt. Zu allen bisher in der
Gleichstrommaschinen-Antriebstechnik angewendeten Feldschwächschaltungen analoge
Eingriffe sind an dieser Stelle mit geringem Aufwand möglich. Darüber hinaus können
mit geringen Mitteln
Feldschwächfunktionen verwirklicht werden,
die sich bei Gleichstrom-Reihenschlussmotoren wegen des zu hohen Aufwands verbieten.
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Da der magnetische Fluss der Maschine nur schwierig zu erfassen ist,
bildet er keine geeignete Regelgrösse. Deshalb schliesst sich an den Flusskennliniengeber
der Multiplizierer an, der aus der Fluss-Führungsgrösse und der Maschinenfrequenz
die EMK-Führungsgrösse bildet. Die Maschinen-EME ist zwar grundsätzlich durch Messwicklungen
im Ständer messbar; weniger aufwendig ist es jedoch, die Klemmenspannung über normale
Wechselspannungswandler in die Regelung einzuführen (Spannungs-Regelgrösse) und
sie stromabhängig zu korrigieren, um die EMK-Regelgrösse zu erhalten. Der Spannungsregler
führt die Maschinen-EMK der Führungsgrösse nach. Seine Ausgangsgrösse ist ein Maß
für die den Betriebspunkt der Maschine bestimmende Schlupffrequenz.
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Der Spannungsregler beseitigt zusätzlich die ungünstigen Auswirkungen
auf die infolge der Schwankungen der Läufertemperatur auftretenden Verluste der
Maschine.
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Der Läuferwiderstand ist nämlich keine konstante Maschinengrösse.
Durch Änderungen der Läufertemperatur ist dieser Widerstand starken Schwankungen
unterworfen (Verhältnis Warmwiderstand:Ealtwiderstand fast 1,5 : 1).
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Bei konstanter Schlupffrequenz würde die temperaturbedingte -Widerstandsänderung
stark auf die EME-Bildung durchschlagen. Mit ansteigender EMK müsste auch der magnetische
Fluss wachsen, was zu einer erheblichen Erhöhung der Eisenverluste führen würde.
Der Spannungsregler verhindert jedoch die änderung der EMK, indem er die Schlupffrequenz
so nachstellt, dass der
Quotient aus Läuferwiderstand (R'2) und
Schlupffrequenz (f2) temperaturunabhängig konstant bleibt.
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Der Naschinenstromrichter wird derart mit der Ständer frequenz der
Maschine gesteuert, dass die vom Spannungsregler eingestellte Schlupffrequenz erhalten
wird. Auf einfachste und exakte Weise erfolgt zu diesem Zweck die Addition der Schlupffrequenz
zur Rotationsfrequenz.
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Unter Rotationsfrequenz wird hier die in eine Frequenz umgerechnete
Läuferdrehzahl verstanden. Die Rotationsfrequenz wird zweckmässigerweise durch einen
Geber in oder an der Maschine ermittelt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung nach der Erfindung
sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die Erfindung soll im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der
Schaltungsanordnung nach der Erfindung und Fig. 2 Einzelheiten der Schaltung zur
Bildung der Schlupffrequenz.
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Fig. 1 zeigt eine umrichtergespeiste, dreiphasige Asynchronmaschine
4. Der Umrichter besteht aus einem Netzstromrichter 1, einer Zwischenkreisdrossel
2 und einem Phasenfolgewechselrichter 3. Der Netzstromrichter 1 liegt an einem Netz
mit der Spannung Un, das z.B. ein Bahn-Netz sein kann. Das Bahn-Netz kann sowohl
ein Wechselspannungs- als auch ein Gleichspannungsnetz sein.
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Im zweiten Fall besteht der Netzstromrichter 1 dana aus einem Gleichstromsteller
mit vorgeschaltetem Netzfilter.
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Durch die Drossel 2 wird im Zwischenkreis ein Strom eingeprägt, dessen
Höhe durch die Ansteuerung des Netzstrom-
richters 1 bestimmt wird.
Der Phasenfolgewechselrichter 3 schaltet diesen Strom blockweise mit gewünschter
Steuerfrequenz f1 auf die drei Stränge der Asynchroniiiaschine 4+ die somit mit
einem Klemmenstrom IM gespeist wird. Mit Ed ist die auf den Zwischenkreis umgerechnete
EMK der Asynchronmaschine 4 bezeichnet.
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Der Klemmenstrom 1M der Asynchronmaschine wird über einen Messwertumformer
7 in ein Istwertsignal xI umgeformt.
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Entsprechend wird über einen Messwertumformer 8 die Elemmenspannung
der Asynchronmaschine 4 in ein Istwert-Signal XU umgewandelt. Ober einen an der
Maschine 4 angeordneten Messwertumformer 9 wird ein Signal frot als istwert der
Rotationsfrequenz der Asynchronmaschine 4 bereitgestellt.
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In üblicher Weise erfolgt die Aussteuerung des Netzstromrichters 1
über einen Steuersatz 6 durch einen Stromregler 5, der die Regelabweichung der Regelgrösse
x1 von einer Führungsgrösse w1 für den Strom ausregelt.
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Die Frequenz steuerung des Phasenfolgewechselrichters 3 erfolgt über
einen Steuersatz 15, dem ein der Steuerfrequenz f1 proportionales Signal von einem
Summierglied 14 zugeführt wird. An die Eingänge des Summierglieds 14 ist zum einen
die vom Messwertumformer 9 bereitgestellte Rotationsfrequenz frot und zum anderen
eine vorzeichenbehaftete Schlupffrequenz f2 gelegt.
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Die Erstellung des der Schlupffrequenz f2 proportionalen Signals ist
in Fig. 2 in Einzelheiten dargestellt.
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Dazu ist ein Summierpunkt 19 vorgesehen, der mit den Ausgangen eines
Spannungsreglers 13 und eines ersten Kennliniengebers 20 verbunden ist. Der Kennliniengeber
20 bestimmt den Grundwert der Schlupffrequenz abhängig von der Regelgrösse xI des
Klemmenstroms. Der Spannungsregler 13
korrigiert diese Kennlinie
in Abhangigkeit der Regelabweichung der EME-Regelgrösse xE von einer EMK-Führungsgrösse
WE. Diese Regelabweichung wird am Punkt 16 gebildet.
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Die EME-Regelgrösse XE für den Spannungsregler 13 wird über eine Messwicklung
am Ständer der Asynchronmaschine 4 oder über Spannungswandler erfasst. Die dort
abgegriffenen Spannungen UMR bzw. UMT sind einer Einrichtung 10 zugeführt, die die
Spannungen gleichrichtet und die EME-Regelgrösse xE abgibt. Vor der Gleichrichtung
werden über eine Rechenschaltung 25 die Spannungsabfälle an den Ständerstreureaktanzen
und den ohmschen Widerständen der Ständerwicklung der Asynchronmaschine 4 kompensiert.
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Zu diesem Zweck sind der Rechenschaltung 25 die Phasenströme iMR und
iMT der Maschine 4 zugeführt.
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Die EMK-Führungsgrösse wE für den Spannungsregler 13 entsteht durch
Multiplikation einer Fluss-Führungs grösse W mit der Ständerfrequenz f1 in einem
Multiplizierer 11.
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Die EMK-Führungsgrösse wE wird mit Rücksicht auf den Phasenfolgewechselrichter
3 begrenzt. Dazu dient ein Kleinstwert-Auswahlglied 18, das an den Ausgang des Multiplizierers
11 angeschlossen ist und dessen anderer Eingang mit einem einen Höchstwert für die
EMK der Maschine 4 abgebenden Glied 17 verbunden ist. Das Kleinstwert-Auswahlglied
18 wählt den kleineren Wert zwischen dem vom Glied 17 bereitgestellten Wert und
dem vom Multiplizierer 11 abgegebenen Signal wtE aus.
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Das den Höchstwert für die EMK der Maschine 4 abgebende Glied 17 kann
für den Fahr- und den Bremsbetrieb der Maschine 4 unterschiedliche Werte bereitstellen.
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Um die Regelkreise einfacher stabilisieren zu können, und die Schaltung
übersichtlicher aufzubauen, ist der Spannungsregler 13 für Fahr- und Bremsbetrieb
ebenfalls getrennt ausgeführt.
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Die Fluss-Führungsgrösse we wird in Abhängigkeit davon festgelegt,
ob sich der Betrieb der Asynchronmaschine 4 oberhalb oder unterhalb des Typenpunkts
-der Maschine befindet. Als Drehzahl im Typenpunkt-soll hier analog zur Definition
bei der Gleichstrommaschine die Drehzahl verstanden werden, bei der die Zwischenkreis-EMK
bei Nennfluss der Maschine die maximale vom Netzstromrichter 1 einstellbare Ausgangsspannung
erreicht. Unterhalb der Drehzahl im Typenpunkt lassen sich Nennfluss und Nennmoment
der Maschine einstellen. Bei Drehzahlen oberhalb des Typenpunkts kann beispielsweise
die Zwischenkreisleistung konstant gehalten werden, indem der Fluss der Maschine
abgesenkt wird. Die Flussabsenkung soll wie bei der Gleichstrommaschine als Feldschwächung
bezeichnet werden.
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Unterhalb -des Typenpunkts wird die Fluss-Fuhrungsgrösse w' H so festgelegt,
dass sie beim durch den Phasenfolgewechselrichter 3 bestimmten Minimalstrom die
Megnetisierungskennlinie der Maschine schneidet und bei Nennstrom der Nennfluss
der Maschine erreicht wird. Das erfolgt mittels eines weiteren Kenn- -liniengebers
12 in Abhängigkeit von der Regelgrösse XI des Maschinenstroms. Ein wesentlicher
Vorteil des geringeren Flusses bei geringerem Maschinenstrom liegt in der geringen
thermischen Belastung des Umrichters und der Asynchronmaschine 4 bei Teillast. Da
auch der flussbildende Anteil des Klemmenstroms
reduziert wird,
bleibt trotzdem der Leistungsfaktor relativ hoch. Die Flussfuhrungsgrösse für den
Fahr- und den Bremsbetrieb der Asynchronmaschine 4 ist unterhalb des Typenpunkts
in den meisten Anwendungsfällen gleich. Sie kann aber auch je nach Anforderung an
den Antrieb unterschiedlich sein.
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Oberhalb des Typenpunktes ist der Drehmomentenverlauf nur durch Feldschwächung
zu beeinflussen. Dazu wird von einer Feldschwächschaltung 22, 23, 24 eine Zusatz-Führungsgrösse
d wç bereitgestellt. Für die Bildung der Zusatz-FuhrungsgrösseAvçim Feldschwächbereich
der Maschine gibt es verschiedene Möglichkeiten: Die Feldschwächschaltung 22 bildet
die Zusatz-Führungsgrösse Q wo in Abhängigkeit von der Aussteuerung Ust des Netzstromrichters
1. Beim Fahrbetrieb senkt sazu ein Kennliniengeber bei Aussteuerungsgraden Ust des
Netzstromrichters 1 nahe der Vollaussteuerung die sonst nur stromabhängige Fluss-Führungsgrösse
w' ansteuerungsmässig ab. Die Feldschwächung beginnt hier also schon bei Drehzahlen
unterhalb des Typenpunkts. Im Bremsbetrieb kann der Fluss im Bereich kleiner Aussteuerung
aussteuerungsabhängig reduziert werden, um damit die Zwischenkreis-EMK bei hohen
Drehzahlen' abzusenken.
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Die Feldschwächschaltung 23 dagegen stellt die Zusatz-Führungsgrösse
.d w ç für den Feldschwächbetrieb mittels eines Feldschwächreglers ein. Diese Schaltung
gibt ihr Ausgangssignal in Abhängigkeit von der Regelabweichung der Regelgrösse
x1 des Maschinenstroms von der Führungsgrösse w1 ab. Die Feldschwächung setzt hier
bei Vollaussteuerung des Netzstromrichters 1 ein. Der Feldschwächregler übernimmt
die Aufgabe des Stromreglers.
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Er senkt den Fluss ab und hält damit den Strom konstant.
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Dieses Verhalten ist jedoch nur für den Fahrbetrieb der Asynchronmaschine
4 geeignet.
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Die Feldschwächschaltung 24 schließlich gibt eine Zusatz-Führungsgrößew
im Feldschwächbetrieb der Asynchronmaschine 4 drehzahlabhängig ab. Bei diesem Feldschwächverfahren
wird eine drehzahl- und stromabhängige Kennlinie gebildet, mit der die Fluss-Führungsgröße
w j abgesenkt wird. Im Gegensatz zu den vorher beschriebenen Möglich keiten setzt
hier die Feldschwächung immer bei der gleichen Drehzahl unabhängig von dem Aussteuerungsgrad
des Netzstromrichters 1 und der Netzspannung ein. Diese Art der Feldschwächung läßt
sich für Fahr- und Bremsbetrieb der Asynchronmaschine 4 einsetzen.
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Die bisher beschriebene Schaltungsanordnung betrachtet die Frequenzsteuerung
des Phasenfolgewechselrichters nur unter dem Gesichtspunkt des Fahr- und des Bremsbetriebes
der Asynchronmaschine 4. Es gibt aber auch noch einen weiteren Betriebszustand,
wenn z.B. die Asynchronmaschine 4 als Drehstrommaschinen-Antrieb in einem Fahrzeug
verwendet wird, und das Fahrzeug frei ohne Triebkraft oder Bremskraft rollt. Auch
dieser Betriebszustand erfordert regelungs- und steuerungstechnische Maßnahmen.
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Dabei kann der Auslauf der Asynchronmaschine 4 mit oder ohne Strom
erfolgen. Um bremsen zu können, muß beim Auslauf ohne Strom die Asynchronmaschine
4 durch Einschalten des Netzstromrichters 1 und des Phasenfolgewechselrichters 3
erregt werden. Die Bremskonfiguration wird dann hergestellt, nachdem der Zwischenkreisstrom
einen bestimmten Mindeststrom erreicht hat.
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Beim Auslauf mit Strom ist entsprechend Fig. 2 ein Stromerhaltungsregler
21 vorgesehen, der die Erregung der Asynchronmaschine 4 aufrechterhält. In dieser
Phase ist der Netzstromrichter 1 gesperrt und ein FreilauSkreis für den Maschinenstrom
geschaltet. In diesem Freilaufkreis fliesst ein Minreststrom, der vom Stromerhaltungsregler
21 entsprechend der Führungsgrösse Wlmin bestimmt wird.
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Die vom Stromerhaltungsregler 21 abgegebene Ausgangsgrösse ist dem
Summierunkt 19 zugeführt.
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Die vom Stromerhaltungsregler 21 bestimmte Schlupffrequenz ist leicht
negativ, d.h. der Phasenfolgewechselrichter 3 wird in den Gleichrichterbetrieb umgesteuert
und die Asynchronmaschine 4 arbeitet generatorisch,.lm die Verluste im Stromkreis
zu decken.
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