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Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb einer stromrichter-
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gespeisten Drehfeldmaschine mit Stromeinprägung und Schlupfsteuerunq
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer stromrichtergespeisten Drehfeldmaschine,
insbesondere einer Asynchronmaschine entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches
1. Die Erfindung betrifft ferner eine entsprechende Vorrichtung zum Betrieb einer
Asynchronmaschine entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 5.
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Bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung sind mit Stromeinprägung
und Schlupfsteuerung betriebene Asynchronmaschinen als Antriebe für Fahrzeuge, bei
denen die Gefahr besteht, daß das Fahrzeug beim Start oder bei niedrigen Antriebsmomenten
auf einem Gefälle entgegen der gewünschten Fahrtrichtung rollt. In diesem Fall bewirkt
der Hangabtrieb des Fahrzeuges auf den Läufer der Asynchronmaschine ein rückwärtsgerichtetes
Drehmoment, zu dessen Kompensierung das Drehmoment der Maschine erst entsprechend
erhöht werden muß.
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Das elektrische Drehmoment bzw. die Drehzahl kann bei derartigen Asynchronmaschinen
durch Sollwertvorgabe gesteuert oder mittels eines Momentenreglers oder Drehzahlreglers
geregelt werden, an dessen Ausgang ein Wirkstromsollwert abgegriffen wird, der bei
gegebenem Fluß proportional dem aufzubringenden elektrischen Drehmoment ist. Der
Fluß selbst kann durch Vorgabe eines Magnetisierungsstrom-Sollwertes gesteuert oder
geregelt werden, wobei der MagnetisierungsstromSollwert proportional dem Fluß ist.
Die beiden Stromsollwerte bestimmen als feldparallele und feldsenkrechte Komponente
eines Stromsollvektors den der Asynchronmaschine
durch den Stromrichter
einzuprägenden Ständerstrom. Für die Steuerung von Umrichter und Maschine ist daher
eine Steuereinrichtung vorgesehen, die die Amplitude des Ausgangsstromes entsprechend
diesen Sollwerten steuert, während die Frequenz des Umrichters, also die Frequenz
des durch den Sollvektor gegebenen Ständerstromes, entsprechend der Summe aus der
Läuferdrehzahl, der Schlupf frequenz, d.h. der Änderung des Winkels zwlschen einer
mit dem Läufer umlaufenden Bezugsachse und der Feldrichtung, und der Änderung des
durch die beiden Stromsollwerte gegebenen Winkels ("Lastwinkel") zwischen dem Sollvektor
und der Feldachse gesteuert oder geregelt wird. Hierbei ergibt sich, daß die Schlupffrequenz
(entsprechend dem Läuferwiderstand und dem Fluß der Maschine) proportional zum Wirkstrom
ist.
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Moderne hochwertige Antriebe enthalten in der Umrichtersteuerung eine
Einrichtung zur Erfassung des Fluß-Istwertes, die aus zugänglichen Größen, z.B.
Ständerspannung und Ständerstrom, die Lage des Flußvektors errechnet, so daß zur
Steuerung der Umrichterfrequenz nur noch zur Umlaufgeschwindigkeit des gemessenen
Flusses die Änderung des zu den Sollwerten gehörenden Lastwinkels addiert werden
muß. Zur Erhöhung der Dynamik ist dabei häufig eine Regelung der Stromamplitude
und des Lastwinkels oder anderer, entsprechender Größen vorgesehen. Für den Anlauf
aus dem Stillstand oder bei niedrigen Drehzahlen wird jedoch häufig die Regelung
abgeschaltet und die Maschine gesteuert betrieben, indem die Frequenz des Umrichters
direkt durch die Summe des gemessenen Drehzahl-Istwertes und des dem Wirkstromsollwert
proportionalen Schlupffrequenz-Sollwertes gesteuert wird, die gegebenenfalls noch
durch eine aus den Sollwerten berechnete Änderung des Lastwinkels korrigiert wird.
Die gewünschte Fahrtrichtung wird dabei durch das Vorzeichen des Wirkstromsollwertes
bzw. des Schlupffrequenz-Sollwertes bestimmt.
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Wird aber zur Erfassung des Drehzahlistwertes ein einfacher Drehgeber
verwendet oder ein anderes Meßglied, das die Drehzahl nur betragsmäßig zu erfassen
gestattet, so kann die Steuerung zunächst nicht erkennen, ob sich der mit dem Fahrzeug
bewegende Läufer in der gewünschten Drehrichtung bewegt, also die Summe aus dem
Drehzahlbetrag und dem Schlupffrequenzsollwert die tatsächliche Drehrichtung des
Feldes ergibt. Rollt das Fahrzeug rückwärts, so ergibt die für die Frequenzsteuerung
gebildete Summe, daß der Ständerstrom mit einer Frequenz gesteuert wird, die sich
von der Umlaufgeschwindigkeit des tatsächlichen Feldes um den doppelten Betrag der
erfaßten Drehzahl unterscheidet. Die Folge ist, daß die zum tatsächlichen Feld senkrechte
und parallele Komponente des durch die Sollwerte vorgegebenen Stromvektors sich
von den dazugehörigen Sollwerten erheblich unterscheiden. Es bildet sich dann der
gegebene Flußsollwert nicht aus und wegen der durch die Physik der Asynchronmaschine
gegebenen Schlupf/Drehmoment-Kennlinie stellt die Maschine auch nur ein kleines
Drehmoment zur Verfügung. Das Fahrzeug kann daher nicht wunschgemäß anfahren.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer Drehfeldmaschine,
deren mechanische Meßeinrichtungen möglichst einfach ausgebildet sind, beim Stillstand
oder bei niedrigen Drehzahlen auch dann ein vorgegebenen Sollwerten für Magnetisierungsstrom
und Wirkstrom entsprechendes Antriebsmoment zu erreichen, wenn der Läufer der Maschine
aufgrund eines an ihm angreifenden äußeren Drehmomentes entgegen der gewünschten
Drehrichtung bewegt ist. Während manche Drehgeber z.B. doppelt ausgeführt sind,
um aus der Reihenfolge der beiden Teilimpulsfolgen auf die Drehzahl zu schließen,
oder auch Tachomaschinen zur Drehzahlerfassung bekannt sind, wird bei der Erfindung
eine solche, verhältnismäßig aufwendige Mechanik nicht benötigt. Vielmehr geschieht
die Berücksichtigung einer der gewünschten
Drehrichtung entgegengesetzten
Läuferdrehung auf andere Weise.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfahren
mit den Merkmalen des Anspruches 1.
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Für die Erfassung des Fluß-Istwertes ist in der Regel kein weiterer
Aufwand erforderlich, da die Steuereinrichtung von Asynchronmaschinen, die eine
den Erfordernissen eines Bahnantriebes entsprechende Dynamik aufweisen, meist bereits
eine derartige Flußerfassungseinrichtung besitzen.
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Vielmehr ist lediglichein vom Flußsollwert und dem Flußistwert beaufschlagtes
Vergleichsglied erforderlich, das aus der Differenz des Flußsollwertes und des Istwertes
ein Richtungssignal ableitet, das
der Flußistwert deutlich, d.h. um mehr als die Ansprechgrenze des Vergleichsgliedes,
unterhalb des Flußsollwertes liegt.
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Dieses Richtungssignal gibt dann an, daß die Drehrichtung des Läufers
dem durch den Schlupfsollwert gegebenen Soll-Drehsinn (also der gewünschten Drehrichtung)
entgegengesetzt ist. Das Richtungssignal kann dann direkt oder, sofern bestimmte
Nebenbedingungen eingehalten werden, nach logischer Verknüpfung mit anderen Überwachungssignalen
als Umschaltbefehl für einen Umschalter vorgegeben werden, der in der Summe aus
Schlupf frequenz und Drehzahl dem betragsmäßig erfaßten Drehzahlistwert das zum
Schlupffrequenz-Sollwert entegegengesetzte Vorzeichen zuordnet. Dadurch wird erreicht,
daß in der die Läuferfrequenz steuernden Summe aus Schlupffrequenz-Sollwert und
Drehzahlistwert der nur betragsmäßig erfaßte Läuferdrehzahl-Istwert negativ bewertet
wird.
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Wird zum Anlassen der Maschine die Erregung eingeschaltet, so baut
sich der Flußistwert erst innerhalb einer durch die Dimensionierung der Maschine
bestimmten Zeit auf. Die aus dem Vergleich von Flußsollwert und Flußistwert
abgeleitete
Drehrichtungsbestimmung wird also vorteilhaft erst nach der zum Aufbau des Flusses
benötigten Zeit vorgenommen und die gemessene Läuferdrehzahl bleibt nach Aufschalten
der Erregung noch für eine bestimmte Zeit, die durchaus fest eingestellt sein kann
(z.B. mittels einer monostabilen Kippstufe), positiv bewertet. Für das Richtungssignal
ist daher ein Übertragungsglied vorteilhaft, das den Umschaltbefehl erst eine vorgegebene
Zeit nach der Erregung der Maschine freigibt.
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Ein zurückrollendes Fahrzeug besitzt zunächst eine kinetische Energie,
die erst vernichtet werden muß, bevor das Fahrzeug zum Stillstand kommt und in der
gewünschten Fahrtrichtung beschleunigt werden kann. Die Asynchronmaschine wirkt
daher zunächst generatorisch und ein die Maschine speisender Wechselrichter gibt
daher zunächst Leistung auf seinen Gleichspannungseingangskreis ab. Wird der Wechselrichter
aber z.B. von einem Dieselmotor gespeist, so ist dieser Motor nur in sehr begrenztem
Maße in der Lage, Leistung aufzunehmen. Dies ist noch schwieriger, wenn die Eingangsgleichspannung
des Wechselrichters mittels eines Gleichstromstellers aus einem Gleichspannungsnetz
entnommen wird. Ist im Eingangskreis des Wechselrichters entsprechend einem vorgegebenen
Fahrbefehl eine Fahrschaltung aufgebaut, durch die elektrische Leistung aus dem
Gleichspannungsnetz in den Umrichter-Eingangskreis eingespeist werden kann, so ist
eine an sich für eine evtl. elektrische Bremse vorgesehene Bremsschaltung aufgelöst.
Der Umrichter-Eingangskreis kann daher aus der Maschine höchstens soviel generatorische
Leistung bzw. kinetische Energie des zurückrollenden Fahrzeuges entnehmen, wie zur
Deckung seiner eigenen elektrischen Verluste erforderlich ist. Übersteigt die rückwärts
gerichtete Drehbewegung des Läufers einen bestimmten Grenzwert, so kann daher in
diesem Betriebszustand das zum Abbremsen des Läufers erforderliche Bremsmoment nicht
mehr bzw. nur über einen
erheblich überhöhten Motorstrom aufgebracht
werden. Es ist daher in vielen Fällen vorteilhaft, wenn der Umschaltbefehl nur bei
Drehzahlistwerten unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes freigegeben, d.h. die
negative Bewertung der Läuferdrehzahl nur für niedrige Läuferdrehzahlen vorgenommen
wird. Für höhere Läuferdrehzahlen muß dann der Läufer z.B. mechanisch oder durch
Aufbau einer Bremsschaltung gebremst werden.
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Es kann nun auch der Fall auftreten, daß ein bereits in der gewünschten
Fahrtrichtung rollendes Fahrzeug bei einer Bergfahrt seine Fahrtrichtung umkehrt
und trotz vorgegebener Fahrtrichtung rückwärts zu rollen beginnt. Auch in diesem
Fall muß das Vorzeichen der betragsmäßig erfaßten Läuferdrehzahl umgekehrt werden.
Dabei kann es vorteilhaft sein, jeweils eine einmal entsprechend dieser Rückwärtsbewegung
vorgenommene negative Bewertung der Läuferdrehzahl beizubehalten und die Läuferdrehzahl
nur dann neu zu bewerten, sobald die betragsmäßig erfaßte Läufer drehzahl praktisch
Null wird, d.h. einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet.
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Anhand von fünf Figuren und eines bevorzugten Ausführungsbeispieles
wird die Erfindung näher erläutert.
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Mit der von einem Stromabnehmer 1 (Fig. 1) abgegriffenen Versorgungsspannung
wird eine als Antrieb eines Bahnfahrzeuges dienende Asynchronmaschine 2 mittels
eines aus einer Gleichstromstelleranordnung 3 und einem Wechselrichter 4 bestehenden
Stromrichters gespeist. Im Fahrbetrieb, der durch ein Steuersignal F angesteuert
wird, wird der Bremsschalter 5 geschlossen und durch Takten des Fahrthyristors 6
der Stelleranordnung wird ein gepulster Strom entsprechend einem Sollwert i* in
den den Eingängen 7 und 8 des Umrichters 4 vorgelagerten Eingangskreis eingespeist.
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Der Umrichter 4 wird mit der Umrichterfrequenz f* ge-
steuert,
so daß der Gleichstrom mit vorgegebenen Phasenlagen bezüglich der mittels eines
Drehzahlgebers 9 abgegriffenen Polradlage auf die einzelnen Anschlüsse der Ständerwicklung
der Asynchronmaschine 2 verteilt wird.
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Im Fahrbetrieb vermag der Steller nur Leistung in den Eingangskreis
des Wechselrichters 4 einzuspeisen. Während der Sperrzeiten des Fahrthyristors 6
fließt der Motorstrom über die Fahr-Freilaufdiode 10 weiter. Wird durch Umschalten
des Fahrbefehls F auf Bremsbetrieb übergegangen, so wird der Bremsschalter 5 geöffnet
und der dann vom Motor generatorisch erzeugte Bremsstrom fließt über die Brems-Freilaufdiode
11 und einen mittels des Bremsthyristors 12 der Stelleranordnung 3 eingeschalteten
Bremswiderstand. Bei Leerlauf der Maschine 2 entstehen wegen der Schwellspannungen
und anderer Spannungsabfälle des Stromrichters gewisse Leistungsverluste, die aus
dem Versorgungsnetz gedeckt werden müssen, so daß zur Aufrechterhaltung des Leerlaufes
über die Fahrschaltung noch elektrische Leistung aus dem Netz entnommen werden muß.
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Geht die Maschine in generatorischen Betrieb über, so ist der Stromrichter
zunächst noch in der Lage, einen geringen Bremsstrom zur Deckung seiner Verluste
aufzunehmen. Steigt jedoch die generatorisch erzeugte Leistung über die Leistungsverluste
des Stromrichters an, ohne daß auf Bremsbetrieb übergegangen wird, so steigt der
Zwischenkreisstrom (selbst wenn der Fahrthyristor 6 ganz geschlossen wird) steil
an und fließt über die Freilaufdiode 10. Die Maschine kann in diesem Betriebszustand
nicht mehr ausreichend gebremst werden, vielmehr muß auf Bremsbetrieb übergegangen
werden.
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Die Sollwerte, mit denen Amplitude und Frequenz des Ausgangsstromes
des Stromrichters gesteuert werden, werden von einer Steuereinrichtung geliefert,
die in Fig. 1 nur schematisch durch die beiden Baugruppen 15 und 16 dargestellt
ist.
Diese Steuerung kann z.B. von einem übergeordneten Geschwindigkeitsregler des Fahrzeuges
einen Sollwert 1 erhalten, mit dem die zum Maschinenfluß w senkrechte Komponente
("Wirkstrom") des Ständerstromes beeinfluß werden kann. Bei gegebenem Fluß ist der
Wirkstrom aufgrund der Physik der Asynchronmaschine proportional dem elektrischen
Moment der Maschine bzw. der Schlupf frequenz; der Wirkstromsollwert kann daher
bei Kenntnis des Läuferwiderstandes ot und des Maschinenflusses t gleichzeitig als
Schlupffrequenz-Sollwert fs* = #L / # . Iw * dienen. Der Fluß # kann bei Kenntnis
der Hauptfeldinduktivität x durch einen Sollwert Io * für die zum Fluß parallele
Komponente des Ständerstromes vorgegeben werden, wobei dieser Flußsollwert intern
in der Steuerung eingestellt oder als eigene Steuergröße extern vorgegeben sein
kann.
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* * Die beiden Sollwerte 1 und in bestimmen die beiden w kartesischen
Komponenten eines Sollstromvektors in einem synchron mit der Flußachse rotierenden
("feldorientierten") Bezuqssvstem. EntsPrechend wird die Amplitude des Ausgangsstromes
nach der Sollamplitude
gesteuert. Die Frequenz des Umrichters muß entsprechend der Richtung dieses Sollstromvektors
gesteuert werden, die durch 69+ fs* + fl gegeben ist, wobei mit #* = arc tg (Iw*/I#
*) die feldorientierte Richtung des Sollvektors ("Soll-Lastwinkel"), mit f die Schlupffre-5
quenz und mit f1 die Frequenz der mechanischen Läufer drehung bezeichnet ist. Es
können der Steuerung nun die Istwerte für Strom, Spannung und Läuferdrehzahl zugeführt
werden, um durch besondere Regelungen aus geeigneten Regelabweichungen die entsprechenden
Sollwerte i* und f* oder andere Steuergrößenzu bilden ., mit denen der Stromrichter
so gesteuert wird, daß sich ein diesen Sollwerten i*, f* entsprechender Ausgangsstrom
einstellt.
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Insbesondere für den Anlauf und den Betrieb bei niedrigen
Frequenzen
ist es jedoch häufig vorgesehen, eine reine Steuerung mit den Sollwerten vorzunehmen.
Auch für diesen Fall enthält jedoch die Steuerung eine Einrichtung, die es gestattet,
aus gemessenen Werten des Umrichters und der Maschine, insbesondere die Klemmenspannung
u und den Strom i, den Istwert des Flusses zu erfassen.
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Die Steuerung der Frequenz erfolgt demnach entsprechend der Summe
f* = fs * + f1 + d 6 */dt, wobei das letzte Glied bei stationären Vorgängen oder
bei Steuerungen mit geringen dynamischen Anforderungen nicht unbedingt erforderlich
ist. Der Drehzahlgeber 9 müßte folglich die Läuferdrehzahl fl hinsichtlich Betrag
und Vorzeichen erfassen, um zu einer richtigen Steuerung des Umrichters zu führen.
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Wird aber die Läuferdrehzahl nur betragsmäßig erfaßt und dieser Betrag
zur Bildung der Summe (Additionsstelle 17) herangezogen, so wird durch den Frequenzsollwert
f* das Ständerstromsystem schneller gedreht, als an sich durch die Vorgabe der Strom-Sollwerte
gewünscht ist. Die Richtung des tatsächlichen Flusses bleibt also hinter der Richtung
des den Sollwerten zugrunde gelegten Flusses zurück, was zu einer Vergrößerung des
Lastwinkels 8 und damit zu einer Verkleinerung des tatsächlichen Flusses Y führt.
Die Folge dieses zu kleinen tatsächlichen Flusses ist, daß auch das gewünschte Drehmoment
nicht erreicht wird.
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Gemäß der Erfindung wird nun der sich aufbauende Fluß mit dem dem
Magnetisierungsstromsollwert Ie * proportionalen Flußsollwert * = xh. * verglichen.
Rollt nun das Fahrzeug rückwärts zur gewünschten Fahrtrichtung, so müßte an sich
die Frequenzsteuergröße f* durch f * - fl vorgegeben werden; es ist also erforderlich,
den betragsmäßig erfaßten Drehzahlistwert bei der Steuerung negativ zu bewerten.
Diese Bewertung hat dann zu erfolgen, wenn der aufgebaute Flußistwert Y deutlich
kleiner als Y * ist.
Gemäß Fig. 1 wird daher die Differenz Y* -
t gebildet und einem Grenzwertmelder 18
Stimmen Istwert und Sollwert des Flusses hinreichend überein, so ist diese Differenz
jedenfalls kleiner als eine vorgegebene Ansprechgrenze. Der gemessene Drehzahlbetrag
wird dann entsprechend einer positiven Bewertung unverändert auf die Additionsstelle
17 gegeben. Im anderen Fall jedoch muß eine negative Bewertung vorgenommen werden.
Hierzu kann der Grenzwertmelder 18 einen Umschalter 19 betätigen, mit dessen Hilfe
nunmehr der gemessene Drehzahlistwert über ein Glied 20 zur Vorzeichenumkehr der
Additionsstelle 17 aufgeschaltet wird.
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Bisher betrafen die Ausführungen den Fall, daß eine positive Fahrtrichtung
gewünscht ist. Die Vorwahl dieser positiven Fahrtrichtung kann bei Maschinen, deren
Drehrichtung umkehrbar ist, durch ein entsprechendes Signal (z.B. ein logisches
"1") am Eingang V* für die Fahrtrichtung-Vorwahl geschehen. Bei Umkehrung der Fahrtrichtung
(V* = 0) wäre durch eine Umkehrung des Vorzeichens der Steuergröße f* dafür zu sorgen,
daß sich die Drehrichtung des Stromsystems in den Ständerzuleitungen, also die Zuordnung
der Ständerzuleitungen zu den Ausgängen des mit f* gesteuerten Wechselrichters 4
vertauscht Eine derartige Vorrichtung, die eine Umkehr der ?wünschten Drehrichtung
gestattet, ist in Fig. 2 dargestellt.
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Bei einem Fahrbefehl F = 1 erzeugt ein von dem Fahrbefehlsignal F
und dem Richtungsvorwahlsignal V* beaufschlagtes EXKLUSIV-ODER-Glied 21 ein Signal,
das invers zur vorgegebenen Fahrtrichtung V* ist. Bei V* = 1 (cl.l,.S'o) bleibt
ein Umschalter 22 in der in Fig. 2 gezeigten Stellung, bei der der Betraglfs*ldes
Schlupffrequenzsollwertes entsprechend f* = in *( + f1 unverändert auf die Additionsstelle
17 aufgeschaltet wird. Soll rückwärts gefahren werden (V* = 0), so wird entsprechend
=
= - tf5*1 *l - f1 der Umschalter 22 umgelegt und in die Schlupfsollwertleitung ein
Invertierer 23 eingeschaltet.
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Das gleiche geschieht, wenn bei gewünschter positiver Fahrtrichtung
(V* = 1) durch Erzeugen eines rückwärts gerichteten Momentes gebremst werden soll
(F = 0). Das Ausgangssignal S des Gatters 21 gibt also an, ob das zu erzeugende
Drehmoment in Vorwärtsrichtung (S = 0) oder Rückwärtsrichtung (S = 1) gerichtet
sein soll.
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In analoger Weise ist der Drehzahlbetrag 1f11 über einen Umschalter
19' zur Additionsstelle 17 geführt, wobei bei Ansteuerung des Umschalters mittels
eines die tatsächliche Drehrichtung ("Richtungsistwert") angebenden Richtungssignals
V der Drehzahlbetrag entweder positiv (V = 0) oder mittels eines Invertierers 24
negativ (V = 1) bewertet ist.
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Die Ermittlung des Richtungsistwertes V kann beispielsweise entsprechend
Fig. 3 erfolgen. Dort ist schematisch eine Einrichtung 30 zur Erfassung des Flußistwertes
angedeutet. Eine derartige Einrichtung kann davon ausgehen, daß in Vektorschreibweise
die im Ständer induzierte EMK L bei gegebenen Parametern für den Läuferwiderstand
r und die Streuinduktivität durch u - rL. i - x ¢. di/dt gegeben und aus den Meßwerten
der Ständerspannung und des Ständerstromes erfaßbar ist. Die für die einzelnen Ständerwicklungen
erfaßten EMK-Werte können dann zu einem gemeinsamen EMK-Vektor zusammengesetzt werden,
dessen Integral den Flußvektor # = #(u -irL).dt - x # . i bildet.
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Der Betrag W dieses Flußvektors stellt den Istfluß dar, wobei Einzelheiten
der Flußerfassungseinrichtung 30 dem Fachmann z.B. aus der feldorientierten Regelung
bekannt sind und hier nicht dargestellt werden müssen.
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Die Differenz t* -W zwischen dem so ermittelten Flußistwert") und
dem dem Magnetisierungsstrom IML * proportiona-
len Flußsollwert
t* = xh Ie * ist dem Gr-enzwertmelder 18 zugeführt, der als Vergleichsglied ein
Signal H' für die hinreichende Übereinstimmung (H' = 0) der beiden Flußwerte liefert.
Dieses Signal kann an sich als Umschaltbefehl für die negative Bewertung des Drehzahlistwertes
verwendet werden.
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Beim Auf schalten der Erregung baut sich jedoch der Fluß zunächst
erst langsam auf und es liegt daher zunächst = t = 1 vor, selbst wenn das Fahrzeug
bereits in der gewünschten Drehrichtung rollt. Daher ist es vorteilhaft, einen Umschaltbefehl
erst dann freizugeben, wenn der Aufbau des Flusses abgeschlossen ist, z.B. eine
vorgegebene Zeit AT1 verstrichen ist. Dem Vergleichsglied ist daher ein Übertragungsglied
nachgeschaltet, das nach dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 ein negierendes UND-Gatter
33 enthält, dessen anderem Eingang der Ausgang einer monostabilen Kippstufe 31 aufgeschaltet
ist. Solange der Stromrichter gesperrt ist, was durch ein Signal G = 1 angezeigt
ist, ist der Ausgang G' der Kippstufe 31 "0" und der Ausgang H des Gatters 33 "1".
Ein dem Gatter 33 nachgeschaltetes negierendes UND-Gatter 34 erzeugt daraus das
Signal V' = 0, das angibt, daß auch bei an sich falscher Drehrichtung, d.h. H' =
l,keine negative Bewertung des Drehzahlistwertes vorgenommen werden soll. Ein von
diesem Signal und dem Fahrtrichtugsvorwahlsinal V* beaufschlagtes EXKLUSIV-ODER-GatterEerzeugt
daraus das Richtungssignal V, das bei freigegebener Fahrschaltung (F=l) den gleichen
Signal zustand wie das Fahrtrichtungsvorwahlsignal V* besitzt, so daß die beiden
Schalter 19' und 22 in Fig. 2 in der gleichen Schalterstellung liegen. Die Steuersignale
f * und fL werden also an der Additions-5 stelle 17 mit gleichem Vorzeichen addiert
(f*=-(lfs*l+lfLl).
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Erst nach Aufbau (Dauer # T1) des Flusses wird mit G' = 1 der Flußvergleich
zur Identifizierung einer falschen Drehrichtung wirksam.
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Andererseits ist es in vielen Anwendungsfällen erforderlich, daß die
Umschaltung nur dann erfolgt, wenn der Antrieb nur schwach generatorisch wirkt und
der Stromrichter in der Lage ist, aufgrund seiner Leistungsverluste im schwachgeneratorischen
Betrieb den rückgespeisten Bremsstrom zur Deckung seiner Verluste aufzunehmen. Zur
Überwachung des schwachgeneratorischen Betriebes ist es daher vorteilhaft, wenn
ein dem Vergleichsglied 16 nachgeschaltetes Übertragungsglied den Umschaltbefehl
H' nur dann weitergibt, wenn der Drehzahlistwert unterhalb einer fest vorgegebenen
Grenzdrehzahl liegt.
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Beim Ausführungsbeispiel wird die Drehzahl als Impulsfolge nL mit
drehzahlproportionaler Frequenz erfaßt. Ein Digital/Analog-Wandler 36 bildet daraus
das Analogsignal fl, das einerseits als Drehzahlistwert für die Additionsstelle
17 verwendet ist, andererseits einem zweiten Vergleichsglied 37 zugeführt wird,
das als Grenzwertmelder z.B. ein logisches Signal "1" liefert, wenn die Drehzahl
unter dem eingestellten Drehzahlgrenzwert liegt. Durch logische Verknüpfung dieses
Signals mit dem Signal H', zu der wiederum vorteilhaft das Gatter 33 verwendet werden
kann, wird nunmehr der Umschaltbefehl H' nur freigegeben, wenn diese Drehzahlbedingung
eingehalten ist.
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Wird also infolge eines äußeren Drehmomentes beim Einschalten der
Erregung der Läufer entgegen der gewünschten Fahrtrichtung gedreht, so entsteht
mit der Zeitverzögerung AT1 der entsprechende Umschaltbefehl V' für die drehzahlgerechte
Bewertung des Drehzahlistwertes. Es baut sich jetzt der gewünschte Fluß auf und
das Signal H' des ersten Vergleichsgliedes 16 kehrt sich schließlich um. Um nun
zu vermeiden, daß sich dadurch auch die Signale V' und V umkehren und die jetzt
richtige Bewertung des Drehzahlistwertes geändert wird, bevor der Läufer zum Stillstand
gekommen ist und seine Drehrichtung
umgekehrt hat, wird nun der
einmal erzeugte Umschaltbefehl Vi = 1 solange gespeichert, bis die Drehzahl praktisch
Null geworden ist. Zu diesem Zweck enthält das Übertragungsglied einen Speicher,
d.h. im konkreten Fall ist das Gatter 34 als Teil eines Set-Reset-Gedächtnisses
38 ausgebildet. Diesem Speicher wird der entsprechende Rücksetzimpuls dann eingegeben,
wenn praktisch die Drehzahl Null erreicht ist. Ein gespeicherter Umschaltbefehl
wird dadurch gelöscht und vom Speicher ein Signal V' = 0 solange abgegeben, bis
nach dem Nulldurchgang der Drehzahl wieder ein Umschaltbefehl H = 0 bzw. V' = 1
erzeugt wird. Dieser erneut auftretende Umschaltbefehl wird dann wiederum bis zum
nächsten Nulldurchgang der Drehzahl gespeichert.
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Zur Erfassung des Nulldurchganges ist eine nachtriggerbare monostabile
Kippstufe 39 vorgesehen, die jeweils von einem Impuls der Impulsfolge nL angestoßen
wird. Sie erzeugt für eine eingegebene Zeitdauer AT2 ein "1"-Signal, kippt aber
nur dann in den "Null"-Zustand zurück, wenn innerhalb der Zeit AT2 kein erneuter
Impuls der Impulsfolge nL ankommt. Die Kippstufe 39 setzt somit jeweils einen Impulsabstand,
der größer als A T2 ist, dem Drehzahlnullpunkt gleich und gibt damit das gewünschte
Rücksetzsignal auf den Speicher 38. Dieser Speicher 38 enthält neben dem Gatter
34 ein weiteres negierendes UND-Gatter 40, dessen Ausgang mit dem anderen Eingang
des Gatters 34 und dessen Eingänge mit dem Ausgang des Gatters 34 und des Kippgliedes
39 in der angegebenen Weise verbunden ist. Ein weiterer Eingang des Gatters 40 ist
über ein Invertierglied 41 mit dem Sperrsignal G des Umrichters verbunden und bewirkt,
daß sowohl bei gesperrter Erregung sowie während der Dauer hat1, während der nach
Aufschalten der Erregung der Umschaltbefehl H' des Vergleichsgliedes 16 gesperrt
ist, der Ausgang des Spei chers 38 auf den Wert V' = 0 rückgesetzt ist.
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In Fig. 4 ist der Vorgang beim Anlauf der Maschine dargestellt für
den Fall, daß ein Fahrbefehl in Vorwärtsrichtung (F = 1, V* = 1) oder ein Bremsbefehl
bei vorgewählter Rückwärtsrichtung (F = 0, V* = 0) vorgegeben ist.
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Fig. 4 zeigt zunächst den Meßwert t des Flusses sowie einen durch
Y * - ß 9* bei konstant vorgegebenem Magnetisierungsstromwert Ie * und einer gerätemäßig
eingestellten Ansprechgrenze t des Vergleichsgliedes 37 gegebenen Vergleichswert
t (P* , ferner die digitale Impulsfolge grenz nL des Drehzahlgebers und den dazugehörigen
analogen Wert des Drehzahlbetrages { Vor dem Zeitpunkt der Erregung t0 ist durch
das Signal G = 1 der Stromrichter gesperrt. Die Kippstufe 31 liefert zu diesem Zeitpunkt
das Signal G' = 0 und es folgt V' = 0.
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Dies bedeutet, daß bei der Bildung der Stromrichterfrequenz der Drehzahlbetrag
|fell positiv (genauer: im gleichen Sinne wie der Schlupffrequenzsollwert) bewertet
wird.
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Mit Einschalten der Erregung liefert zwar der Invertierer 41 nunmehr
das Signal G = 1, jedoch ändert sich das Ausgangssignal des Speichers 38 nicht,
bis nach Ablauf von AT1 nunmehr mit G' = 1 das Gatter 33 freigegeben wird und H
= H' = 0, V' = 1 gilt. Nunmehr ist das vom Vergleichsglied 16 aus der Abweichung
der Flußwerte gebildete Signal auf den Ausgang V' gegeben. Der Speicher 40 speichert
nun diesen Wert V' = 1, auch wenn zum Zeitpunkt t2 der gemessene Fluß sich nunmehr
über die Ansprechgrenze hinaus dem Flußsollwert sich nähert und daher H' und H ihren
Zustand ändern. Erst zum Zeitpunkt t3 wird durch Kippen der Kippstufe 39 der Nulldurchgang
der Drehzahl erkannt und von diesem Zeitpunkt t3 bis zum Auftreten des nächsten
Impulses nL durch ein Signal T = 0 der Speicher 38 auf den Wert V' = 0 rückgesetzt.
Da von nunan der Flußistwert praktisch dem Flußsollwert entspricht, bleibt der Zustand
V' = 0 auch dann erhalten, wenn mit dem nächsten
Impuls nL das
Signal T = 0 den Speicher wieder freigibt.
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Aus der gestrichelten Kurve für f If 1 ergibt 1 gibt sich nun, wie
entsprechend der durch V' gegebenen Bewertung die betragsmäßig erfaßte Drehzahl
in die Frequenzsteuergröße f* eingeht. Bei dieser Betrachtung ist stets davon ausgegangen,
daß die Läuferdrehzahl in Rückwärtsrichtung unterhalb eines gegebenen Drehzahlgrenzwertes
liegt.
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In Fig. 5 ist vom Ausgangszustand der Fig. 4 ausgegangen, bei dem
z.B. ein Fahrzeug mit vorgegebener Geschwindigkeit rollt. Vom Zeitpunkt t4 ab wirkt
jedoch auf den Läufer ein entgegengerichtetes äußeres Drehmoment, z.B. der Hangabtrieb
des Fahrzeugs bei einer Bergfahrt. Die sich langsam vermindernde Geschwindigkeit
führt zum Zeitpunkt t dazu, daß der Drehzahlgeber den Nulldurchgang der Drehzahl
erkennt. Die Kippstufe 39 gibt dann bis zum Auftreten des nächsten Impulses nL das
Signal T = 1 ab, mit dem der Speicher auf den (in diesem Fall bereits vorher vorhandenen)
Wert V' = 0 gesetzt wird. Zum Zeitpunkt t6 gibt die Kippstufe 39 den Speicher wieder
frei, der zum Zeitpunkt t7, an dem der Flußistwert F den Grenzwert unterschreitet,
auf den Wert V' = 1 gesetzt wird. Zum Zeitpunkt t8 ist wieder H' = H = 0 erreicht,
jedoch behält der Speicher den gespeicherten Wert V' = 1. Die Maschine erzeugt nun
ein vorwärtsgerichtetes Drehmoment der gewünschten Größe, durch das das rückwärts
rollende Fahrzeug gebremst wird.
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Erst zum Zeitpunkt tg wird wieder ein Nulldurchgang der Drehzahl erkannt
und der Speicher auf den Wert V' = 0 gesetzt. Da jetzt das Fahrzeug wieder ungestört
vorwärts bewegt wird, bleibt dieser Zustand für die weitere Fahrtdauer erhalten.
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Die hier am Beispiel eines Fahrzeuges mit einer aus einem Gleichstromnetz
mittels eines Stellers gesteuerten.Asynchronmaschine dargestellten Erfindung läßt
sich auch für andere Umrichter und andere Antriebe anwenden. Obwohl bei Synchronmaschinen
nur während eines instationären Vorganges die Feldachse von der Läuferachse abweicht
und somit eine von Null abweichende Schlupffrequenz vorliegt, kann die Erfindung
auch bei Synchronmaschinen angewendet werden, da für die Steuerung oder Regelung
der Synchronmaschine in der Regel ebenfalls eine vorzeichenrichtige Erfassung des
Drehzahlistwertes benötigt wird.
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- Lees'eite -