DE3319089A1

DE3319089A1 - Stromregelvorrichtung fuer elektrische leistungs- oder kraftanlagen

Info

Publication number: DE3319089A1
Application number: DE19833319089
Authority: DE
Inventors: Kenichi Otsuka; Takeo Shimamura
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1982-05-26
Filing date: 1983-05-26
Publication date: 1983-12-08
Also published as: US4482855A; KR860001242B1; KR840004631A; AU1465383A; DE3319089C2; JPS58205221A; AU547683B2

Description

Henkel, Pfenning, Feiler. Hänzel & Meinig Patentanwälte

EMP-57P1320-2

26. Mai 1983/wa

TOKYO SHIBAURA DENKI KABUSHIKI KAISHA, Kawasaki, Japan

Stromregelvorrichtung für elektrische Leistungs- oder Kraftanlagen

Die Erfindung betrifft eine Stromregelvorrichtung für elektrische Leistungs- oder Kraftanlagen/ z.B. einen Wechselrichter, Steuerumrichter o.dgl.. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Stromregelvorrichtung, bei welcher Phasen- und Amplitudenfehler zwischen Anweisungs- oder Befehlseingangsdaten für Mehrphasenströme und den einer Last zugeführten tatsächlichen bzw. Ist-Mehrphasenströmen vermieden werden.

Wenn einer Last ein frequenzveränderlicher Wechselstrom mittels einer elektrischen Leistungs- oder Kraftanlage, z.B. eines Wechselrichters oder Steuerumrichters, zugeführt wird, lassen sich bekanntlich Phasen- und Amplitudenfehler zwischen einer Regelsollgröße und einer Istgröße der Lastströme nicht vermeiden. Dieses bei den bisherigen Anlagen auftretende Problem ist im folgenden anhand von Fig. 1 im einzelnen erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Stromregelvorrichtung für einen üblichen Steuerumrichter, der eine Last mit Dreiphasen-Wechselstrom speist. Bei der Anordnung nach Fig. 1 liefert eine Stromaplituden-Befehlseinheit (instructor) 101 einen Amplitudenbefehl (-anweisung) 11*. Eine Frequenz-Befehlseinheit 103 liefert einen Frequenzbefehl Vf1 mit einer Spannung, die einer Ausgangsfrequenz für die Last entspricht. Ein Bezeichner (designator) 100 liefert

.Strombefehle für einen Strom-Umformer 10 nach Maßgabe der Befehle 11* und Vf1*. Eine Koeffizientenmultiplizierstufe 105 multipliziert den Amplitudenbefehl 11* mit einer Konstante K1. Ein Spannung/Frequenz- bzw. V/F-Wandler 106 spricht auf die Spannung des Frequenzbefehls Vf1* an und erzeugt Impulse einer Frequenz f1*°, welche einer Ziel- oder Sollausgangsfrequenz des Steuerumrichters proportional ist. Ein Zähler 109 zählt die Impulse der Frequenz f1*° zur Erzeugung eines digitalen Wechselstromphasensignals ΘΙ1*, dessen Inhalt periodisch zirkuliert oder in Umlauf gehalten wird. Hierbei bezeichnet der Inhalt ΘΙ1*' die Phasenwinkel der vom Steuerumrichter abzugebenden Ströme. Das Wechselstromphasensignal ΘΙ1* wird einer Funktionsschaltung 111 eingespeist, die Dreiphasen-Stromeinheitsbefehle TTU*, TTv* und TTw* liefert. Diese Befehle lassen sich wie folgt darstellen:

TUT* = cos ΘΙ1* . Ί

TTV* = cos(6Il*-2ir/3) [ ... (1)

ilW* = cos(eil*+2Tr/3)

Jeder Stromeinheitsbefehl i1U* - i1W* und das Ausgangssignal K111* der Koeffizientenmultiplizierstufe 105 werden unabhängig (getrennt) durch Multiplizierstufen oder -schaltungen 116 -'118 multipliziert, welche Wechselstrombefehle i1U*, HV* bzw. HW* liefern, die sich wiederum wie folgt darstellen lassen:

..ilü* = KlIl* cos ΘΙ1*

. ilV* = KlIl* οοε(ΘΙ1*-2τι/3) \ .... (2)

ilW* = KlIl* cos(6Il*+27i/3) . 35

• '■ ■·■ ·■■■·' 331SC89

Die Fig. 1A und 1B veranschaulichen typische Konfigurationen der Funktionsschaltung 111. Dabei zeigen Fig. 1A einen Dreiphasenaufbau und Fig.1B einen Zweiphasenaufbau. In Fig. 1A bezeichnet ein digitales Eingangssignal θ eine bestimmte Adresse von Festwertspeichern (ROM) 1-3, die jeweils Kosinus-Funktionsgrößen speichern. Je nach dem Inhalt des Eingangssignals θ werden von den Festwertspeichern 1-3 digitale Funktionsgrößen xD, yD bzw. zD ausgegeben, die mittels Digital/Analog- bzw. D/ΑΙ Ο Wandlern in Analogsignale cosö, cos (Θ-2/7/3) bzw. cos (θ"-2?//3) umgesetzt werden. In Fig. 1B bezeichnet ein digitales Eingangssignal θ eine bestimmte Adresse eines Festwertspeichers (ROM) 4, der Kosinus-Funktionsgrößen speichert, sowie eine bestimmte (specific) Adresse eines Festwertspeichers 5, der Sinus-Funktionsgrößen speichert. Die Festwertspeicher 4 und 5 liefern dann Ausgangs-Funktionsgrößen xD bzw. zD, die durch D/A-Wandler in ein analoges Kosinussignal bzw. ein Sinussignal umgesetzt werden.

Gemäß Fig. 1 speist der eine Regelschaltung 200 und einen Steuerumrichter 500 enthaltende Stromumformer 10 'eine Last 600 mit Wechselströmen i1U - i1W nach Maßgabe des Inhalts der Wechselstrombefehle i1U* - i1W*. Kompara-

2b toren 201, 202 und 203 vergleichen die Strombefehle iiu*, i1V* bzw. i1W* mit den Meßgrößen (s1U, s1V bzw. s1W) der Lastströme i1U, i1V bzw. i1W und erzeugen jeweils getrennte Fehlersignale £1U, £1V bzw. S1W, die durch Verstärker 207, 208 und 209 zur Lieferung von WechselspanrJngsbefehlen v1U*, v1V* bzw. v1W* verstärkt werden.

Der Steuerumrichter 500 erzeugt Dreiphasen-Wechselspannungen V1U, V1V und V1W entsprechend den Inhalten der Wechselspannungsbefehle v1U*, v1V* bzw. v1W*. Diese Wechselspannungen V1U - V1W werden an die Wicklungen U,

re.

V bzw. W eines Dreiphasen-Induktionsmotors bzw. einer Last 600 angelegt. Beim Anliegen der Spannungen V1U V1W an der Last 600 fließen Lastströme i1U - i1W entsprechend diesen Spannungen. Die Lastströme i1U, i1V und i1W werden durch Stromfühler 507, 508 bzw. 509 gemessen bzw. abgegriffen, die jeweils getrennt (isolatedly) die Lastströme iiU - i1W erfassen und Last(wechsel)-Stromsignale s1U - siW liefern. Letztere entsprechen jeweils den Lastströmen i1U, i1V bzw. i1W, und ihr Vorzeichen ist dem Vorzeichen jedes der Ströme i1U - i1W gleich. Die Laststromsignale s1U, s1V und s1W werden zu den Komparatoren 201, 202 bzw. 203 rückgekoppelt.

Bei der beschriebenen bisherigen Vorrichtung werden vom Bezeichner 100 ausgegebene Wechselstrombefehle i1ü* i1W* in einer geschlossenen Regelschleife mit Lastwechselstromsignalen s1ü - s1W verglichen; die Lastströme i1U - iiw der Last 600 hängen daher von der Größe der Wechselstrombefehle i1U* - i1W* ab (wobei vorliegend aus Vereinfachungsgründen etwaige Welligkeiten im Ausgangssignal des Steuerumrichters unberücksichtigt bleiben).

Fig. 2 veranschaulicht die Beziehung(en) zwischen einem Eingangssignal des Bezeichners 100 (Befehlsvektor 11*) und den einzelnen Wechselstrombefehlen HU* - i1W*. Dabei bezeichnen die Symbole U, V und W die geometrischen Phasenlagen der Wicklungen der Last 600. Wenn tatsächlich Ströme i1ü - iiw entsprechend den Befehlen i1U* - i1W* (Gleichung (2)) in die Wicklungen U-W der Last 600 fließen, wird in letzterer ein durch Zusammensetzen (composing) der Vektorkomponenten der Ströme i1U - iiw erhaltener Stromvektor 11 erzeugt. Der Stromvektor 11 wird entsprechend einer Rückkopplungsoperation mit einem Befehlsvektor 11* identisch,

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der durch Zusammensetzen der Befehle i1U* und i1W* erhalten wird.

Der Stromvektor 11* besitzt eine konstante Amplitude (=11*) und einen variablen Phasenwinkel ΘΙ1*, der in bezug auf die Phasenachse der Wicklung U festgelegt bzw. definiert ist und welcher dem Freguenzbefehl Vf1* entspricht. Die Änderungsgröße des Phasenwinkels dei1*/dt oder die Winkelfrequenz von ΘΙ1* ist konstant, sofern sich der Befehl (Anweisung) Vf1* nicht ändert. Die Aktivierung der Last 600 hängt vom Stromvektor 11* ab, der auf seine Vektorkomponenten i1U* - i1W* reduziert werden kann. Dies bedeutet, daß die Aktivierung (actuation) der Last 600 durch Strombefehle i1U* - iiW* gesteuert oder geregelt werden kann. Der Befehl 11* gemäß Fig. 1 bezeichnet mithin die Amplitude des Stromvektors 11* gemäß Fig. 2, und das Phasensignal ΘΙ1* nach Fig. 1 bezeichnet den Phasenwinkel ΘΙ1* des Vektors 11*. Dreiphasige (mehrphasige) Wechselstrombefehle i1U* - i1W* gemäß Gleichung (2) werden in der Weise erzeugt, daß zunächst Winkeldaten ΘΙ1* von den Elementen 106 und 109 nach Maßgabe des Frequenzbefehls Vf1* erzeugt oder geliefert werden, sodann mehrphasige Stromeinheitsbefehle i1U* - i1W* von der Funktionsschaltung 111 nach Maßgabe der Winkeldaten ΘΙ1* erzeugt werden und schließlich die Amplituden der Befehle i1U* - i1W* durch die Multiplizierstufen 116· nach Maßgabe der Amplitudendaten 11* geregelt werden.

Die Anordnung nach Fig. 1 ist mit einem erheblichen Nachteil behaftet. Die Stromregelvorrichtung nach Fig. 1 stützt sich auf ein Wechselstrom-Rückkopplungsregelsystem, in welchem Wechselstrombefehle i1U* - iiW* und Lastwechselstromsignale s1U - s1W jeweils miteinander

verglichen werden, tun Wechselstrom-Fehlersignale E.1U - £1W zu liefernv Bekanntlich enthält ein Wechselstrom-Rückkopplungsregelsystem ein Phasenverzögerungselement. Der Frequenzgang einer (geschlossenen) Regelschleife eines solchen Systems zeigt dann einen Pegelabfall (level down) und eine Phasenverzögerung im Hochfrequenzbereich in bezug auf einen an das Regelsystem angelegten Wechselstrombefehl, wobei dieser Pegelabfall und die Phasenverzögerung mit zunehmender Signalfrequenz immer auffälliger bzw. stärker werden, Demzufolge vergrößern sich stationäre bzw. Dauer-Amplituden- und Phasenfehler im Wechselstrom-Pückkopplungsregelsystem, wenn die durch den Befehl Vf1* bezeichnete Frequenz ansteigt.

Bei Verwendung eines Steuerumrichters in der Stromregelanlage, wie in Fig. 1, erzeugt dieser Ausgangsströme mit großer Welligkeit, wobei die Verstärker 207 - 209 durch die Welligkeit der Ausgangsströme nachteilig beeinflußt werden. Große Welligkeit ruft einen instabilen Rückkopplungsbetrieb hervor. Die Verstärker 207 - 209 müssen daher Filterelemente zur wirksamen Stabilisierung der Stromregelbarkeit des Steuerumrichters enthalten. Wegen der erheblichen Phasenverzögerungs- und Hochschnitt-Frequenzeigenschaften von Filterelementen werden dann, wenn die Ausgangsstromfrequenz hoch wird, Phasen- und Amplitudenfehler zwischen den Wechselstrombefehlen und den tatsächlichen oder Ist-Lastströ- - men"sehr groß. Dieses Problem ist in "National Convention Records of the Institute of Electrical Engineers of Japan", 1981, Nr. 563, S. 685-686, im einzelnen erörtert.

Derzeit wird versucht, eine Vektorsteuerung oder -regelung des Betriebs eines Induktionsmotors mittels einer

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frequenzveränderlichen Stromquelle, z.B. eines Stromumforrners unter Verwendung eines Steuerumrichters, durchzuführen. Bei einem solchen Stromumformer muß jeder seiner Ausgangsströme sowohl im Dauer- als auch im b Einschwingzustand ohne Phasen- und Amplitudenfehler genau einem Strombefehl entsprechen. Infolgedessen besteht ein großer Bedarf nach einer speziellen Stromregelvorrichtung, die frei ist von Phasen- und Amplitudenfehlern zwischen einem Strombefehl und jedem der mehrphasigen Ist-Wechselströme, die einer Last eingespeist werden.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer Stromregelvorrichtung für elektrische Leistungs- oder Kraftanlagen, bei welcher stationäre bzw. Dauer-Phasen- und Amplitudenfehler zwischen einem Strombefehlseingang und jedem der mehrphasigen tatsächlichen bzw. Ist-Lastwechselströme ausgeschaltet sind.

Diese Stromregelvorrichtung soll nicht nur frei sein von stationären bzw. Dauer-Phasen- und Amplitudenfehlern, sondern auch ein gutes Einschwingvermögen besitzen.

Die Erfindung beruht auf dem folgenden Grundgedanken:

Eine Wechselstrom-Rückkopplungsregelanlage besitzt auch in einem stationären bzw. Dauerzustand allgemein einen gewissen Phasenfehler zwischen einer Regelbefehlsgröße und einer Ist-Regelgröße. Andererseits kann mit einer bestimmten Gleichstrom-Rückkopplungsregelanlage der Phasenfehler einer Wechselstrom-Regelanlage vollständig vermieden werden, weil bei ersterer ein Regelbefehlseingang und ein einen Ist-Laststrom darstellendes Rückkopplungssignal beide ein Gleichstrom bzw. eine Gleichspannung sind und mithin ein erfaßtes oder Meß-Fehler-

signal für die Rückkopplungsregelung ebenfalls ein Gleichstrom bzw. eine Gleichspannung ist, der bzw. die nicht von der Frequenz des Laststroms abhängt.

Wenn weiterhin die Gleichstrom-Rückkopplungsschleife ein Integrationselement enthält, kann auch ein stationärer bzw. Dauer-Amplitudenfehler zwischen dem Regelbefehlseingang und dem Ist-Laststrom vermieden werden.

1Ö Frequenzfreie oder -unabhängige Gleichstromdalen für die Gleichstrom-Rückkopplungsregelung werden r.ach folgender Beziehung erhalten:

A²sin²(üt + A²COS²HJt = A²(constant) 15

Darin bedeuten: ω = Winkelfrequenz des Lastwechsel-Stroms (AC load current) und t = Zeit. Daten A(= V/A²) bezeichnen die Amplitude eines Lastwechselstroms, sind jedoch von der Wechselstrom- oder Zeitkomponente unab-

2 hängig. Dies bedeutet, daß die Daten A und A eine Art Gleichstrom darstellen. Frequenzfreie Gleichstrom-Phasenfehlerdaten werden anhand des Phasenunterschieds zwischen einem Lastwechselstrom und einem Wechselstrom-Regelbefehl erhalten, dessen Winkelfrequenz derjenigen des Lastwechselstroms entspricht. Die frequenzfreien Gleichstrom-Amplitudendaten (Gleichung (12)) können von den frequenzfreien Gleichstrom-Phasenfehlerdaten (Gleichung (3)) unabhängig sein.

Gemäß einem wesentlichen Merkmal der Erfindung wird weiterhin ein Regelbefehl in einen Wechselstrom-Phasenbefehl ΘΙ1* und einen Gleichstrom-Amplitudenbefehl 11*

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unterteilt. Sodann werden die Wechselstromphasenkomponente ΘΙ1 des gemessenen Ist-Laststroms und dessen Gleichstroinarnplitudenkomponente II jeweils unabhängig (getrennt) mit dem Wechselstrom-Phasenbefehl ΘΙ1* und dem Gleichstrom-Amplitudenbefehl 11* verglichen. Auf diese Weise ist es möglich, eine Übertragungsfunktion (transfer function) des Phasenfehlers vollkommen von einer Übertragungsfunktion des Amplitudenfehlers zu trennen. Dies eröffnet unabhängige Möglichkeiten für die Verbesserung eines Amplitudenregel Verhaltens bzw. -gangs sowie eines Phasenregel Verhaltens bzw. -gangs, so daß vergleichsweise einfache Konfigurationen für ausgezeichnete Laststromregelung realisiert werden können.

Gegenstand der Erfindung ist somit eine Stromregelvorrichtang für elektrische Leistungs- oder Kraftanlagen, mit einer ersten Einheit zur Lieferung eines Amplitudenbefehls (oder -anweisung) und eines Phasenbefehls, einer zweiten, auf Spannungsbefehle ansprechenden Einheit zur Beschickung einer Last mit Lastwechselströmen, einer an erste und zweite Einheit angeschlossenen dritten Einheit zur Lieferung eines Phasenfehlersignals nach Maßgabe des Phasenbefehls und eines Amplitudensignals nach Maßgabe der Lastwechselströme, einer mit erster und dritter Einheit verbundenen vierten Einheit zur Erzeugung oder Lieferung eines ersten Spannungsbefehls, welcher der Differenz zwischen dem Amplitudenbefehl und dem Amjilitudensignal entspricht, und zur Lieferung eines dem Phasenfehlersignal entsprechenden zweiten Spannungsbefehls sowie einer mit zweiter und vierter Einheit verbundenen fünften Einheit zur Lieferung des Spannungsbefehls nach Maßgabe von erstem und zweitem Spannungsbefehl, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Amplitudenbefehl eine Gleichspannung und der Phasenbefehl eine Wechselspannung

ft ύ OO OA (ί *

β O Q O 3 ¹P

ΰ β * Q P »f-t

ist, daß das Phasenfehlersignal der Phasendifferenz zwischen einem Phasenwinkel eines zusammengesetzten (composed) Vektors der Lastströme und des Phasenbefehls entspricht und daß das Amplitudensignal der Stimme aus dem Quadrat einer Kosinuskomponente der Lastwechselströme und dem Quadrat einer Sinuskomponente der Lastwechselströme entspricht»

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Er-1Ö findung im Vergleich zum Stand der Technik anfand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Aufbau einer bisherigen Stromrege]vorrichtung unter Verwendung einer Wechselstrom-Ruckkopplungsregelanlage,

Fig. 1A den Aufbau einer dreiphasigen Funktionsschaltung nach Fig. 1,

Fig. IB den Aufbau einer zweiphasigen Funktionsschaltung nach Fig. 1,

Fig. 2 ein Vektordiagramm zur Verdeutlichung der Beziehung zwischen mehrphasigen Stromvektoren und dem aus diesen zusammengesetzten Vektor bei der

Anordnung nach Fig. 1,

Fig. 3 den Aufbau bzw. ein Schaltbild einer Stromregelvorrichtung gemäß der Erfindung unter Verwendung einer Gleichstrom-Rückkopplungsregelanlage,

Fig. 3A ein Schaltbild eines Digitalbezeichners bei der Vorrichtung nach Fig. 3,

Fig. 3B ein Schaltbild eines digitalen Komparatorkrei-

ses bei der Vorrichtung nach Fig. 3,

Fig. 4 ein detailliertes Schaltbild einer Regelschaltung (Analog/Digital-Hybridtyp) bei der Vorrichtung nach Fig. 3,

Fig. 4A eine Abwandlung (Digitaltyp) der Regelschaltung nach Fig. 4,

Fig. 5 ein detailliertes Schaltbild eines Detektors

(Analogtyp) bei der Vorrichtung nach Fig. 3,

Fig. 5A ein Schaltbild einer arithmetischen oder Rechen-Operationsschaltung nach Fig. 5,

Fig. 5B ein Schaltbild einer Funktionsschaltung nach Fig. 5,

Fig. 5C eine Abwandlung (Digitaltyp) des Detektors gemäß Fig. 5,

Fig. 6 ein Vektordiagramm zur Erläuterung der Beziehung zwischen einem Strombefehlsvektor (11*), einem zusammengesetzten Vektor (11) aus mehrphasigen Laststromvektoren, einem ersten Spannungsbe

fehlsvektor (VIr*), einem zweiten Spannüngsbefehlsvektor (V^φ*) und dem aus diesen Spannungsbefehlsvektoren zusammengesetzten Vektor (vT*),

Fig. 7 eine Anordnung zur Betätigung bzw. Aktivierung eines Induktionsmotors mittels einer Vektorregelung gemäß der Erfindung,

Fig. 8 ein Schaltbild eines Vektorreglers nach Fig. 7,

Fig. 9 den Aufbau eines Zählers bei der Vorrichtung nach Fig. 3 und

Fig. 1.0 graphische Darstellungen von Wellenformen der vom Zähler nach Fig. 9 abgegebenen Signale.

Die Fig. 1 bis 2 sind eingangs bereits erläutert worden.

Die in Fig. 3 dargestellte Stromregelvorrichtung gemäß der Erfindung dient zur Stromversorgung einer Dreiphasen-Last 600 mit Dreiphasen-Wechselströmen. Die Anordnung nach Fig. 3 stellt eine spezielle Vorrichtung für elektrische Leistungs- bzw. Kraftanlagen unter Anwendung des Vektorregelverfahrens dar; eine derartige Regelvorrichtung kann sich in Zukunft als höchst vorteilhaft erweisen.

Ein Stromamplituden-Bezeichner (designator) 101 liefert einen analogen Amplitudenbefehl (Bezugsgröße für Amplitude) 11*. Ein Frequenz-Bezeichner 103 liefert eine Analogspannung Vf* entsprechend der Ausgangsfrequenz der Stromregelvorrichtung. Die Spannung Vf* wird über eine Signalleitung 104 einem Strom/Frequenz- bzw. \/F-Wandler 157 eingespeist, der auf einer vorgegebenen Frequenz gleich f1*° entsprechend dem Gleichstrompotential der Spannung Vf1* schwingt. Ein Impuls mit der Frequenz f1*° wird über eine Signalleitung 158 an einen Zähler 159 angelegt, der die eingegebenen Impulse zur Erzeugung eines digitalen Phasenbefehls (Bezugsgröße der Phase) ΘΙ1* zählt, dessen Inhalt periodisch zirkuliert bzw. umgewälzt wird, was bedeutet, daß der Befehl ΘΙ1* eine Art Wechselstrom ist. Der Zähler 159 kann gemäß Fig. 9 ein 8-Bit-Binärzähler sein, dessen acht Ausgänge QO - Q7 den Wechselstrom-Phasenbefehl ©11* liefern. Gemäß Fig.10 ist somit das Pegeländerungsmuster des Befehls ΘΙ1* ein

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Stuferiinaster mit 2 Arten von Pegelstufen, wobei eine Umlaufperiode der Stufenform 2 Perioden der Frequenz f1*° gleich ist.

Die Elemente 157 und 159 bilden eine Befehlseinheit (instructor) 150 zur Lieferung eines Gleichstrom-Amplitudenbefehls 11* und eines Wechselstrom-Phasenbefehls eil*.

Der Amplitudenbefehl 11* wird über eine Signalleitung 102 an den positiven Eingang eines Komparators 251 angelegt, dessen negativer Eingang ein Rückkopplungssignal (Gleichstrom-Amplitudensignal) 11 abnimmt. Das Signal 11 ist ein Gleichstrom bzw. eine Gleichspannung, und sein Gleichstrompotential gibt die Amplitude der Wechselspannung-Lastströme an. Der Komparator 251 vergleicht das Potential des Signals Π mit dem des Befehls 11* und erzeugt ein Gleichstrom-Phasenfehlersignal £1r, welches dem Gleichstrompotentialunterschied von 11* und 11 entspricht. Das Signal fc1r wird über eine Signalleitung 253 an einen Verstärker 255 angelegt, der eine Übertragungsfunktion G1r besitzt und das Signal t1r um G1r verstärkt und damit einen ersten Spannungsbefehl V1r* liefert. Letzterer bildet mit dem zweiten Spannungsbefehl Vl^* ein Signalpaar. Der Befehl V10* wird von einem Verstärker 256 durch eine übertragungsfunktion G1$ erhalten. Die Verstärker 255 und 256 können vom PI- bzw. Proportion/Integrations-Typ sein. Der Verstärker 256 verstärkt das Gleichstrom-Phasenfehlersignal £10 um G10 zur Lieferung des Befehls V1<z5*. Hierbei sei angenommen, daß ΘΙ1 einen Phasenwinkel eines zusammengesetzten Stromvektors 11 aus den tatsächlichen bzw. Ist-Lastströmen (Fig. 6) darstellt. In diesem Fall gilt die folgende Beziehung:

··■"" ·· ■ ' ■" ■ 3319039

ι _ει<ζ5 = en* - en ... (3)

In Gleichung (3) enthalten die Daten ΘΙ1* und ΘΙ1 eine Zeitkomponente und stellen daher eine Art Wechselstrom bzw. Wechselspannung dar. Wenn jedoch die Winkelfrequenz der Daten ΘΙ1* dieselbe ist wie diejenige der Daten ΘΙ1, zeigt die Differenz zwischen ΘΙ1* und ΘΙ1 keine Frequenzabhängigkeit. Die Dateneinheit ΐ,λφ ist daher eine Art Gleichstrom bzw. Gleichspannung. Die Dateneinheit £10 variiert mit einer Änderung der Dateneinheit ΘΙ1. Die Dateneinheit ίΐφ ist somit eine Gleichspannungsinformation, die eine Änderung der Dateneinheit ΘΙ1 anzeigt. Die Signale 11 und ΪΛφ werden über Signalleitungen 252 und 254 von einem Detektor 450 geliefert, der später noch näher erläutert werden wird.

Die Elemente 251, 255 und 256 bilden einen Komparatorkreis 250 zur Erzeugung oder Lieferung erster und zweiter Spannungsbefehle V1r* und V1<z5* nach Maßgabe des Befehls 11* und der Signale 11 und

Die Spannungsbefehle V1r* und V1{zS* werden über Signalleitungen 257 und 258 einer Steuer- oder Regelschaltung 350 eingespeist, welche den Phasenbefehl ΘΙ1* über eine Datenleitung 160 abnimmt und Befehle v1U*, v1V* und v1W* für Dreiphasen-Wechselstrom nach Maßgabe der Befehle ΘΙ1*, V1r* und V10* erzeugt. Die Schaltungseinzelheiten der Schaltung 350 werden später noch näher erläutert werden.

Die Spannungsbefehle v1ü*, v1V* und v1W* werden über Signalleitungen 210, 211 bzw. 212 einem Dreiphasen-Steuerumrichter 500 eingegeben, der Dreiphasen-Wechselspannungen V1U, V1V und V1W erzeugt, die wiederum über

Stromleitungen 504, 505 bzw. 506 an die Klemmen U, V bzw. W eines Induktionsmotors (Last) 600 angelegt werden. Die vom Steuerumrichter 500 gelieferten und an die Klemmen U, V und W des Motors 600 angelegten Wechselspannung-Lastströme i1U, iiV bzw. iiW werden durch Stromfühler 507, 508 bzw. 509 abgegriffen, die Ausgangssignale s1ü, s1V bzw. s1W liefern. Diese Signale s1U - siW werden über Signalleitungen 510 - 512 dem Detektor eingespeist, welcher den Amplitudenbefehl ΘΙ1* abnimmt und die Wechsel- IQ Spannungssignale £1$ und 11 nach Maßgabe der Signale s1U s1W und des Befehls ΘΙ1* erzeugt.

Die Elemente 250, 350, 500, 507 - 509 und 450 bilden einen Hauptregelteil 20 gemäß der Erfindung.

Die Befehlseinheit 150 und der Komparator 250 gemäß Fig.3 sind vom Analog/Digital-Typ. Die Fig. 3A und 3B veranschaulichen eine Digitalkonfiguration der Befehlseinheit 150 und des Komparators 250. Gemäß Fig.3A wird eine analöge Gleichspannung 11* durch einen A/D-Wandler 108 in einen digitalen Gleichstrom- oder Gleichspannungsbefehl 11* umgesetzt, während eine analoge Gleichspannung Vf1* durch einen Spannungs/Frequenz-Wandler 157 und einen Zähler 159 in einen digitalen Gleichstrom-Phasenbefehl ΘΙ1* umgesetzt wird. Gemäß Fig. 3 wird der digitale Gleichspannungsbefehl 11* durch einen digitalen Komparator 251 mit einem digitalen Gleichstrom-Rückkopplungssignal 11 verglichen, wobei der Komparator 251 eine digital'3 Multiplizierstufe 255 mit einem digitalen Gleichstrom-Fehlersignal £1r speist. Die Multiplizierstufe 255 gibt einen digitalen Befehl Vir* entsprechend £irG1r ab. Auf ähnliche Weise wird ein digitales Gleichstrom-Phasenfehlersignal 61 φ durch eine digitale Multiplizierstufe 256 multipliziert und zu einem digitalen Gleichspannungsbefehl V1 ςζ5 entsprechend $.\φΟ>Λφ geändert. Bei Verwendung

der Anordnungen nach Fig. 3A und 3B sind die Regelschaltungen 350 und der Detektor 450 gemäß Fig. 3 selbstverständlich vom Digital-Typ.

Fig. 4 veranschaulicht die Einzelheiten einer Analog/-Digital-Hybrid-·Regelschaltung 350. Der erste Spannungsbefehl Vir* wird einer Quadratmultiplizierstufe (square multiplier) 352 eingespeist, und der zweite Spannungsbefehl V10* wird einer (anderen) Quadratmultiplizier- ^q stufe 353 eingegeben. Die Multiplizierstufe 352 quadriert die eingegebene Spannung zur Lieferung eines ersten quadrierten Befehls V1r* , während die Multiplizierstufe 353 die eingespeiste Spannung zur Lieferung eines

zweiten quadrierten Befehls VIςζί* quadriert. Die Befehle

2 2

2g VIr* und V1$* werden durch eine Addierstufe 356 addiert Letztere speist eine Wurzelfunktionsschaltung 358 mit

2 einem addierten, quadrierten Signal V1* . Die Schaltung

358 zieht die Quadratwurzel des Signals V1* zur Gewinnung einer Amplitudenkomponente V1* des Spannungsbefehlsvektor V1*.. Infolgedessen gilt die folgende Beziehung:

Vl* = /vlr*² + Vl ψ*² .... (4)

Die Komponente V1* wird durch eine Koeffizientenmultiplizierstufe 372 mit K2 multipliziert. Die Multiplizierstufe 372 gibt eine multiplizierte Komponente K2V1* (Gleichspannung) aus.

Die Befehle V1r* und V10* werden einer Dividierstufe eingegeben, welche den Befehl V10* durch den Befehl V1r* dividiert und damit einen dividierten Befehl V1<z$*/V1r* liefert. Letzterer wird durch eine Bogentangenten-Schaltung (arctangent circuit) 362 in eine Winkelkomponente </>W\* des Spannungsbefehlsvektors V1 * umgesetzt.

Yf

Demzufolge gilt die folgende Beziehung:

ψνΐ* = tarT^V^VVlr*) (5)

Die analoge Winkelkomponente (Zivi * wird durch einen A/D-Wandler 364 in eine digitale Winkelkomponente $V1* umgesetzt, die zusammen mit dem digitalen Phasenbefehl ΘΙ1* durch eine digitale Addierstufe 366 addiert wird. Die Addierstufe 366 gibt einen digitalen Phasenwinkelbefehl 6V1* ab, welcher den Phasenwinkel des Spannungsbefehlsvektors VI* anzeigt. Damit gilt folgende Beziehung:

6V1* = ΘΙ1* + φνΐ* (₆)

Der Befehl 6V1* wird einer Funktionsschaltung 368 eingegeben, die den in Fig. 1A dargestellten Aufbau besitzen kann und die Wechselspannungsbefehlseinheiten v1U*, v1V* und v1W* erzeugt. Hierbei lassen sich diese Befehle wie folgt definieren:

vllJ* = cos evi*

vlV* = cos(6V1*-2tt/3) \ ... (7)

ν IVv* = cos(8V1*+2tt/3)

Die Befehle v1ü*, v1V* und v1W* werden Multiplizierstufen 374, 375 bzw. 376 eingegeben, die jeweils die multiplizierte Komponente K2V1* von der Multiplizierstufe 372 abnehmen. Die Multiplizierstufen 374 - 376 erzeuge:, oder liefern daraufhin Wechselspannungsbefehle v1ü* - v1W*. Diese Befehle lassen sich hierbei wie folgt definieren:

viu* ~ K2vi*cos evi*

vlV* = K2V1*cos(9V1*-2tt/3) > ... (8)

vlW* = K2Vl*cos(0Vl* + 2ir/3) )
ο

Fig. 4A veranschaulicht eine vollständige Digital-Regelschal tung 350. Die digitalen Ausgangsdaten Vir*
der Multiplizierstufe 255 (Fig. 3B) werden einer digitalen Quadratmultiplizierstufe 352 eingegeben, während die digitalen Ausgangsdaten V1$* der Multiplizierstufe 256 (Fig. 3B) einer digitalen Quadratmultiplizierstufe 353 eingegeben werden. Die Multiplizierstufen 352 und
353 speisen eine digitale Addierstufe 356 mit den

quadrierten Daten V1r* bzw. V\</>* . Die Addierstufe beschickt eine digitale Wurzelfunktionsschaltung 358 mit

den addierten, quadrierten Daten V1* . Die Schaltung

zieht die Quadratwurzel aus den Daten V1* und liefert Daten V1*, welche die Amplitudenkomponente des Vektors VT* (Fig. 6) darstellen. Die Daten (einheit) V1* werden (wird) einer digitalen Koeffizientenmultiplizierstufe
372 eingegeben und mit der Konstante K2 multipliziert. Die Multiplizierstufe 372 beschickt drei digitale Multiplizierstufen 374, 375 und 376 mit den multiplizierten Daten K2V1*.

Daten Vir* und νίφ* werden einer digitalen Dividierstufe 360 eingegeben, die ihrerseits eine digitale
Bogentangentenschaltung 362 mit einer dividierten Dateneinheit Vi0*/VTr* beschickt. Die Schaltung 362 liefert ihrerseits Winkeldaten 0V1*. Wenn die Schaltung 362 aus einem Festwertspeicher (ROM) besteht, bezeichnet die
Dateneinheit V1?5*/V1r* eine bestimmte (specific) Adresse des Festwertspeichers, wobei die entsprechende Winkeldateneinheit 0V1* aus der bezeichneten, bestimmten

Adresse ausgelesen wird. Die Dateneinheit $V1* wird einer digitalen Addierstufe 366 eingegeben, welche die digitale Ausgangsdateneinheit ΘΙ1* vom Zähler 159 (Fig. 3A) abnimmt und digitale Phasenwinkeldaten 9V1 * liefert, welche den Phasenwinkel des Vektors V1* (Fig. 6) angeben. Die Daten ©V1 * werden einer digitalen Funktionsschaltung 368 zugeführt, die aus drei Festwertspeichern 368A, 368B und 368C besteht. Jede Adresse der Festwertspeicher 368A - 368C wird durch die Daten-(einheit) ÖV1* bezeichnet.

Der Festwertspeicher 368A wandelt die Daten Θ\Π * entsprechend der Beziehung "f(x) = cos x" in Spannungseinheitsdaten bzw. eine Spannungsdateneinheit (unit voltage data) v1U* um. Der Festwertspeicher 368B wandelt die Daten 6V1* entsprechend der Beziehung "f(x) = cos (x-2^/3)" in Einheitsdaten v1V* um. Der Festwertspeicher 368C wandelt die Daten ÖV1* entsprechend einer Beziehung ⁿf(x) = cos (x+2«73) " in Spannungs

;,0 einheitsdaten v1W* um. Diese Daten v1U*, v1V* und v1W* werden den Multiplizierstufen 374, 375 bzw. 376 eingegeben, die daraufhin digitale Wechselspannungsdaten v1U*, v1V* bzw. v1W* liefern.

Fig. 5 veranschaulicht die Einzelheiten eines analogen Detektors 450 gemäß Fig. 3. Analogsignale s1U, siV und s1W von den Stromfühlern 507, 508 bzw. 509 (Fig. 3) werden einer arithmetischen bzw. Recheneinheit 451 mit dem Aufbau gemäß Fig. 5A eingegeben. Gemäß Fig. 5A werden das Signal s1U an eine Subtrahierstufe 451A, das Signal s1V an eine Addierstufe 451B und eine Subtrahierstufe 451C und das Signal siW an eine Addierstufe 451B und eine Subtrahierstufe 451C angelegt. Die Addierstufe 451B gibt ein Signal /siV+s1W/ ab, das durch die Dividierstufe 451D durch 2 dividiert wird,

3 319G8Ü

wobei ein Signal /~(s1V+siW) /2J als Subtrahiersignal der Subtrahierstufe 451A eingegeben wird. Letztere liefert ein Signal /s1U-(s1V+s1W)/2], das in einer Multiplizierstufe 451E mit \/2/3 multipliziert wird und zu einer ersten Achsenkomponente (Cosinuskomponente) i1d des gemessenen Laststroms IM der Last 600 wird. Die Subtrahierstufe 451C liefert ein Signal /"s1V- iVi7. Letzteres wird in einer Dividierstufe 451F dutch i/2~ dividiert und wird damit zur zweiten Achsenkoiaponente (Sinuskomponente) i1q des Laststroms IM.

Die gemessenen Signale bzw. Meßsignale s1U, s1V und s1W lassen sich wie folgt darstellen:

slU == IM cos ΘΙ1

SlV = IM cos(9Il-2Tr/3) / ... (9)

s IW = IM cos<8I1 + 2tt/3) /

Die Komponenten iid und i1q lassen sich dann wie folgt ausdrücken:

ild '= /271 [slU - (slV+slW)/2] "\

= /3/2 IM cos ΘΙ1 /

) ... (10) ilq = 1//2 [slV - slW]

= /Ί/2 IM sin θIl
30

Gemäß Fig. 5 wird der Phasenbefehl ΘΙ1* vom Zähler (Fig. 3) einer Funktionsschaltung 4 54 mit dem Aufbau gemäß Fig. 5B eingegeben. In der Schaltung 4 54 wird der

" '- ·-* '···'··" 331S089

Befehl ΘΙ1* als Adressendaten(einheit) an Festwertspeicher 4 54A und 4 54B angelegt. Der Festwertspeicher 454A wandelt die Daten(einheit) ΘΙ1* in digitale Cosinuseinheitsdaten i1d* entsprechend der Beziehung "f(x) = cos x" um. Der Festwertspeicher 454B wandelt die eingegebenen Daten ΘΙ1* nach der Beziehung "f(x) = sin x" in digitale Sinuseinheitsdaten i1q* um. Damit gilt folgende Beziehung:

ild* = cos ΘΙ1*

ilq* = sin ΘΙ1*

Die Digitaldaten ild* und i1q* werden jeweils durch D/A-Wandler 454C und 454D in Analogsignale ild* una i.1q* umgesetzt.

Gemäß Fig. 5 werden die Komponenten ild und i1q wieder den quadrierenden bzw. Quadratmultiplizierstufen 457 bzw. 4 58 eingegeben, die eine Addierstufe 465 mit

2 2

quadrierten Signalen ild und i1q beschicken. Die Addierstufe 465 beschickt eine Wurzelfunktionsschal-

tung 469 mit einem quadrierten Signal 11 entsprechend

2 2

ild +i1q . Die Wurzelfunktionsschaltung 469 zieht die

Quadratwurzel aus dem Signal 11 zur Lieferung einer

tatsächlichen bzw. Ist-Amplitudenkomponente 11. Anhand der Gleichung (10) und der Beziehung ¹¹H² = i1d²+i1q²" läßt sich somit die folgende Beziehung oder Gleichung

ableiten:
30

Il = /ild²+ilq² = ^3/2 IM ₍₁₂₎

Die Komponente ilq und die Daten(einheit) TTd* werden einer Multiplizierstufe 459, die Komponente ild und die Daten(einheit) ilq* einer Multiplizierstufe 460 einge-

geben. Die Multiplizierstufe 459 liefert multiplizierte Daten i1d*i1q, während die Multiplizierstufe 460 multiplizierte Daten i1q*i1d liefert. Die Daten i1d*i1q werden durch eine Subtahierstufe 467 von den Daten g i1q*i1d subtrahiert. Die Subtrahierstufe 467 beschickt eine Dividierstufe 471 mit subtrahierten Daten i2q entsprechend "i1q*i1d - i1d*i1q". Die Dividierstufe 471 nimmt die Komponente 11 von der Schaltung 469 ab und gibt Daten i2q entsprechend i2q/I1 aus.

Anhand der Gleichungen (10) bis (12) lassen sich die Daten i2q wie folgt ausdrucken:

i2q = ilq*ild - ild*ilq
= /3/2 IM sin(6Il*-eil)

= Il sin εΐφ ... (13)

Darin bedeuten: ε1$ = ΘΙ1* - ΘΙ1 (vgl. Fig. 6). Anhand von Gleichung (13) sowie der Beziehung "x2q = i2q/I1" lassen sich somit die Daten i2q ausdrücken als:

i2q s sin 11 φ ... (14)

oder

£10 = sin"¹ i2q ... (15) .

Die Daten i2q werden durch eine Bogensinusschaltung (arcsine circuit) 4 73 in das Phasenfehlersxgnal £isS umgewandelt. Die Komponente 11 und das so erhaltene Signal €1$ werden dem Komparator 250 gemäß Fig. 3 eingegeben.

Wenn, nebenbei bemerkt, die Absolutgröße eines

331S089

Parameters χ sehr klein ist, wird die Annäherung "sin χ « x" aufgestellt. Wenn das Phasenfehlersignal Ζ\φ sehr klein ist, entspricht dieses Signal daher nahezu i2q, so daß die Bogensinusschaltung 473 weggelassen werden kann.

Fig. 5C veranschaulicht den digitalen Detektor bzw. Digital-Detektor 450. Erste und zweite Achsenkomponenten iid und i1q (analog) von der arithmetischen bzw. Rechen- IQ einheit 451 werden durch A/D-Wandler 452 bzw. 453 in Digitaldaten i1d bzw. i1g umgesetzt. Die Dateneinheit i1d wird durch eine digitale Multiplizierstufe 457 quadriert, während die Dateneinheit i1q durch eine digitale Multiplizierstufe 458 quadriert wird. Die Ausgangs-

2 2

5 daten i1d und i1q der Multiplizierstufen 457 bzw. werden in einer digitalen Addierstufe 465 addiert.

2 2

Letztere liefert Daten i1d +i1q , welche durch eine digitale Wurzelfunktionsschaltung 469 (ROM bzw. Festwertspeicher) in Amplitudenkomponentendaten 11 umgewandelt werden.

Die vom Festwertspeicher 454A gelieferten Daten TTd* werden durch eine digitale Multiplizierstufe 459 mit den Daten i1q multipliziert. Die Daten i1q* vom Festwertspeicher 454B werden durch eine digitale Multiplizierstufe 460 mit den Daten i1d multipliziert. Die Ausgangsdaten i1d*i1q von der Multiplizierstufe 459 werden in einer digitalen Sub.trahierstufe 467 von den Ausgangsdaten i1q*i1d der Multiplizierstufe 460 subtrahiert. Die Subtrahierstufe 467 liefert Daten 11 sin ΙΛφ {= i1q*i1d - i1d*i1q). Die Daten 11 sin werden in einer digitalen Dividierstufe 471 durch die Daten 11 dividiert. Die Ausgangsdaten sin ΪΛΦ der Dividierstufe 471 werden durch eine digitale Bogensinusschaltung 473 in Phasenfehlerdaten ίΛφ umgesetzt.

Die Stromregelvorrichtung mit dem Aufbau gemäß Fig. 3 bis 5 arbeitet wie folgt:

Die Befehlseinheit 15Q liefert einen Amplitudenbefehl § 11* und einen Phäsenbefehl ΘΙ1*. Der Befehl 11* wird als Bezugsgröße der Amplitude benutzt, welche die Amplitude eines Strombefehlsvektors II* bezeichnet. Der Befehl ΘΙ1* wird als Bezugsgröße einer Phase benutzt, welche den Phasenwinkel des Stromvektors 11 * bezeichnet. Der Hauptregelteil 20 regelt die Dreiphasenwechselströme des Induktionsmotors bzw. der Last 600. Wenn die Lastströme i1U - i1W als Signale s1U - s1W erfaßt oder gemessen werden (Gleichung (9)), werden im Detektor 450 Operationen auf der Grundlage von Gleichungen (10) bis (15) ausgeführt, 5 wobei ein Ist-Amplitudensignal 11 des LastStroms und ein Ist-Phasenfehlersignal £ΐφ erhalten werden. Diese beiden Signale sind in Fig. 6 dargestellt.

Fig. 6 ist ein Vektordiagramm zur Veranschaulichung der Beziehung von Phase und Amplitude unter den Strom- und Spannungsvektoren bei der Anordnung gemäß Fig. 3. In Fig. 6 stehen die Symbole U, V und W für die geometrischen Positionen der Wicklungen der Last 600. Achsen ds und qs bezeichnen feste Rechteckkoordinaten. Die Strom- und Spannungsvektoren sind durch Polarkoordinaten definiert, deren Ursprungspunkt mit dem der Rechteckkoordinaten identisch ist. Die Achse ds gibt die Bezugsachse (Ausgangslinie) der Polarkoordinaten an. Jeder Vektor ist somit durch seine Absolutgröße und den zwischen dem betreffenden Vektor und der Bezugsachse gebildeten Winkel definiert. Wie aus Fig. 6 hervorgeht, kann ein Strombefehlsvektor 11* zu einer Bezugsamplitude 11* (d.h. Länge von 1.1*) und einem Bezugsphasenwinkel ΘΙ1* reduziert werden.

331SÜ89

Der Stromvektor 11* wird durch Zusammensetzen (composing) der Dreiphasen-Wechselstrombefehle i1U* - i1W* (vgl. Fig. 2) erhalten. Der Vektor 11* besitzt eine gegebene Länge 11* und dreht sich um den Ursprung der Polarkoordinaten mit einem gegebenen Phasenwinkel ΘΙ1*. Eine Regelung von mehrphasigen Wechselströmen kann somit lediglich durch Vorgabe (instructing) des Stromvektors 11* erfolgen. Es ist dabei nicht nötig, die einzelnen Strombefehle i1U* - i1W* getrennt zu bezeichnen. Wenn der IQ Vektor 11* auf den Achsen der Wicklungen U, V und W projiziert wird bzw. ist, entsprechen die Abbildungen auf diesen Achsen i1U*, iiv* und i1W* gemäß Fig. 2 (vgl. Gleichung (2)).

Die beiden Signale 11 und Ζλφ sind jeweils Gleichspannungssignale, die der Komparatorschaltung 250 eingegeben werden. In letzterer wird die Absolutgröße 11* des

Befehlsstromvektors bzw. Strombefehlsvektors 11* mit der Absolutgröße 11 des Ist-Laststromvektors 11 am Komparator 251 verglichen, wobei ein Gleichstrom-Amplitudenfehlersignal £1r erzeugt. Die Gleichstrom- oder Gleichspannungs-Fehlersignale £1r und £1$ werden in Spannungsbefehle V1r* und Vi<zS* umgewandelt. Gemäß Fig.6 ist der Befehl Vir* in Phase mit dem Stromvektor 11*, und der Befehl ν\φ* liegt orthogonal bzw. senkrecht zum Vektor 11*. Der aus den Befehlen V1r* und V1$* zusammengesetzte Vektor entspricht dem Spannungsbefehlsvektor vT*.

Die Befehle V1r* und V10* werden durch die Elemente 352, 353, 356 und 358 gemäß Fig. 4 der funktionellen Umwandlung gemäß Gleichung (4) unterworfen, wobei die Amplitudengröße V1* des Vektors V1* bestimmt wird. Die Befehle Vir* und Ίλφ* werden ebenfalls durch die Elemente 360, 362 und 364 gemäß Fig. 4 der funktionellen Um-

Wandlung nach Gleichung (5) unterworfen, wobei den zwischen den Vektoren V1* und 11* gebildeten Winkel angebenden Winkeldaten C$V1* erhalten werden. Die Daten #V1* werden in der Addierstufe 366 zu den Phasenwinkeldaten ΘΙ1* addiert, wobei gemäß Gleichung (6) ein Spannungsphasenbefehl ΘΥ1* erhalten wird. Der Befehl K2V1* und die Spannungseinheitsbefehle v1U* - viw* werden multipliziert, und die Wechselspannungsbefehle v1U* - v1W* werden gemäß Gleichung (8) geliefert bzw. erzeugt.

Die Befehle v1U*, v1V* und v1W* entsprechen jeweils einer U-, V- bzw. W-Wicklungskomponente der Last 600. Diese Befehle v1U* - viw* sind somit Dreiphasen-Wechselstrombefehle, die zur Ansteuerung oder Regelung des Steuerumrichters 500 benutzt werden. Letzterer erzeugt Dreiphasen-Wechselspannungen v1U - v1W nach Maßgabe der Befehle v1U* - viw*, wobei die Dreiphasen-Wechselströme i1U - iiW zur Last 600 fließen.

Wenn bei der Anordnung nach Fig. 3 11* φ 11 und/oder ΘΙ1* φ ΘΙ1 gilt, erscheint der Amplitudenfehler ΙΛχ und/oder der Phasenfehler £10. Wenn jeder Verstärker 255 und 256 ein Integrationselement enthält, bewirkt die Gleichstrom- oder Gleichspannungs-Rückkopplungsregelung die Verkleinerung der Fehler £1r und £10, so daß sich 11* = 11 und ΘΙ1* = ΘΙ1 ergibt. Dar tatsächliehe bzw. Ist-Stromvektor 11 wird nämlich identisch mit dem Strombefehlsvektor 11*, ohne stationären Amplitudenfehler £ir und ohne stationären Phasenfehler £10. Mit anderen Worten: die tatsächlichen oder Ist-Lastwechselströme i1ü - iiW werden so geregelt, daß sie vollständig und ohne jeden Fehler, unabhängig von der Frequenz der Lastwechselströme, den eingegebenen Befehlen 11* und ΘΙ1* (oder Vf1*) folgen. Mit der erfindungsgemäßen Stromregelvorrichtung können somit die

bisher auf eine Wechselstrom-Rückkopplungsregelung zurückzuführenden Probleme vollständig vermieden werden.

Bei der erfindungsgemäßen Stromregelvorrichtung ist eine Amplitudenregelschleife, in welcher ein Amplitudenfehler £1r durch Vergleich der Daten 11* und 11 abgeleitet wird, von einer Phasenregelschleife getrennt, in welcher ein Phasenfehler £1?5 durch Vergleich der Daten ΘΙ1* und ΘΙ1 ermittelt wird. Eine Übertragungsfunktion (transfer function) der Amplitudenregelschleife kann somit von einer Übertragungsfunktion der Phasenregelschleife vollständig unabhängig sein. Wenn somit die Nachführbarkeit oder Verfolgbarkeit (traceability) der Phase der Lastwechselströme in bezug auf den Regel-

Ib befehl Vf1* oder ΘΙ1* im Hinblick auf das Einschwingverhalten verbessert werden soll, wird die Charakteristik des Phasenfehlerverstärkers 256 unabhängig von der Einstellung des Amplitudenfehlerverstärkers 255 eingestellt. Wenn andererseits die Nachführbarkeit oder Verfolgbarkeit der Amplitude der Lastwechselströme in bezug auf den Steuerbefehl 11* als am wichtigsten angesehen wird, wird bevorzugt der Amplitudenfehlerverstärker 255 eingestellt oder justiert. Dieses Merkmal (unabhängige Einstellung von Phase und Amplitude) ist von besonderer Bedeutung.

Fig. 7 veranschaulicht ein Anwendungsbeispiel des Hauptregelteils 20 gemäß Fig. 3, bei dem ein induktionsmotor 600 auf erfindungsgemäße Weise vektorgeregelt wird. Gemaß Fig.7 liefert ein Drehzahlbezeichner 30 einem Vektorregler 31 einen Drehzahlbefehl ur*. Die tatsächliche bzw. Ist-Drehzahl des Motors 60 wird durch einen Tachometer bzw. Drehzahlgeber 601 als Drehzahlsignal wr gemessen oder abgegriffen. Der Regler 31 liefert den Gleichstrom-Amplitudenbefehl 11* und den Gleichstrom-Phasenbefehl ΘΙ1*

nach Maßgabe des Befehls (or* und des Signals tor. Die Befehle (Anweisungen) 11* und ΘΙ1* bestimmen einen Zielbzw. Soll-Stromvektor 11* gemäß Fig. 6. Ein Schlüsselpunkt der Rückkoppelungsregelung ist, wie ein Ahkerstromvektor 11 des Motors 600 dem Soll-Vektor 11* genau nachfolgt. Die Einzelheiten dieses Systems sind in IEEE, Band IA-16, Nr.3, Mai/Juni 1980, S₁ 342-350, erörtert. Fig. 8 veranschaulicht die Einzelheiten des .Vektorreglers 31 gemäß Fig. 7. Jig. 7 entspricht dabei einer Kombination von Fig. 1 und 2 der Schrift R. Kurosawa u.a. "A MICROCOMPUTER-BASED HIGH POWER CYCLOCONVERTER-FED INDUCTION MOTOR DRIVE", Industry Applications Society, IEEE -JAS-1972, Annual Meeting, S,462-463. Auf eine nähere Erläuterung der Anordnung gemäß Fig. 8 kann daher verzichtet werden.

Obgleich vorstehend spezielle Anordnungen bzw. Schaltungen beschrieben und dargestellt sind, ist die Erfindung keineswegs hierauf beschränkt. Für den Fachmann ist es ersichtlich, daß innerhalb des Erfindungsrahmens auch andere spezielle Bauteile oder Kombinationen verwendet werden können. Beispielsweise ist die Erfindung auf die Schaltungen 44, 46,. 62 - 66 der US-PS 4 259 629 anwendbar. Auf diese US-PS wird daher Bezug genommen.

Die Erfindung ist nicht nur auf eine einphasige Last, sondern auf beliebige mehrphasige Lasten mit zwei oder mehr Phasen anwendbar.

Wenn eine tatsächliche oder Ist-Information der Last 600, z.B. eine gegenelektromotorische Kraft, vorherbestimmbar oder erfaßbar ist, kann eine solche Ist-Information zu einer axialen Komponente eines Anweisungs- oder Befehlsvektors 11* entsprechend dem Befehl Vir* sowie zu einer orthogonalen Komponente derselben entsprechend dem Befehl

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νίφ* reduziert werden. Diese reduzierten Komponenten können zu den Befehlen V1r* und V10* hinzuaddiert oder von ihnen subtrahiert werden. Diese Befehle V1r* und V1$* mit den reduzierten Komponenten können dann als Eingangsdaten für die Regelschaltung 350 benutzt werden.

Wie erwähnt, können erfindungsgemäß etwaige stationäre Fehler von Phase und Amplitude zwischen Soll-Regelgroßen und Ist-Größen mehrphasiger Lastströme vollständig vermieden werden. Weiterhin können Übergangs- oder Einschwingfehler von Phase und Amplitude der Lastströme merklich vermindert werden. Dies beruht darauf, daß die Übertragungsfunktion einer Phasenregelschleife von derjenigen einer Amplitudenregelschleife unabhängig ist und die Phaseneinstellung unabhängig von der Amplitudeneinstellung erfolgen kann. Die Erfindung bietet somit die beste Möglichkeit zur Verbesserung nicht nur stationärer bzw. Dauer- und Einschwingregelcharakteristika, sondern auch zur Verbesserung der Stabilität der Regelschleife.

, 3S.

Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Stromregelvorrichtung für elektrische Leistungs- oder Kraftanlagen, mit einer ersten Einheit (150) zur Lieferung eines Amplitudenbefehls (oder -anweisung) (11*) und eines Phasenbefehls (ΘΙ1*), einer zweiten, auf Spannungsbefehle (v1U*- v1W*) ansprechenden Einheit (500) zur Beschickung einer Last (600) mit Lastwechselströmen (HU - i1W) , einer an erste und zweite Einheit (150; 500) angeschlossenen dritten Einheit (450, 507 - 509) zur Lieferung eines Phasenfehlersignals (610) nach Maßgabe des Phasenbefehls (ΘΙ1*) und eines Amplitudensignals (11) nach Maßgabe der Lastwechselströme (HU - ilW), einer mit erster und dritter Einheit (150; 450) verbundenen vierten Einheit (250) zur Erzeugung oder Lieferung eines ersten Spannungsbefehls (Vir*), welcher der Differenz zwischen dem Amplitudenbefehl (11*) und dem Amplitudensignal (.11) entspricht, und zur Lieferung eines dem Phasenfehlersignal (£10) entsprechenden zweiten Spannungsbefehls (V10*) sowie einer mit zweiter und vierter Einheit (500; 250) verbundenen fünften Einheit (350) zur Lieferung des Spannungsbefehls (v1U* - v1W*) nach Maßgabe von erstem und zweitem Spannungsbefehl (V1r* bzw. V10*) , dadurch gekennzeichnet , daß der Amplitudenbefehl (11*) eine Gleichspannung und der Phasenbefehl (ΘΙ1*) eine Wechselspannung ist, daß das Phasenfehlersignal (£10) der Phasendifferenz zwischen einem Phasenwinkel (ΘΙ1) eines zusammengesetzten

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(composed) Vektors (11) der Lastwechselströme (i1U - i1W) und des Phasenbefehls (ΘΙ1*) entspricht und daß das

2 2

Amplitudensignal (11) der Summe (Hd +i1g ) aus dem Quadrat einer Kosinuskomponente (i1d) der Last-Wechselströme (i1ü - i1W) und dem Quadrat einer Sinuskomponente (i1q) der Lastwechselströme (i1U - HW) entspricht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Einheit (450, 507 - 509) (Strom-)Fühler (507 - 509) zur Messung der Lastwechselströme (HU - HW) und zur Umsetzung der gemessenen Lastströme in Meßsignale (s1U - s1W), eine mit den Fühlern (507 - 509) verbundene erste arithmetische bzw. Recheneinrichtung (451) zur Umwandlung der Meßsignale (siU - s1W) in die Kosinuskomponente (i1d) und die Sinuskomponente (i1q) sowie eine mit der ersten Recheneinrichtung (451) und der vierten Einheit (250) verbundene zweite arithmetische oder Recheneinrichtung (451, 457, 458, 465, 469) zur Umwandlung der Kosinus- und Sinus(achsen)komponenten (i1d, i1q) in das GleichstEom-Aplitudensignal (11), welches der Wurzel ( \/i1d +i1q ) aus der Summe der quadrierten Kosinuskomponente (i1d ) und der quadrier-

2
ten Sinuskomponente (i1q ) entspricht, umfaßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Einheit (450) weiterhin eine mit der ersten Einheit (150) verbundene erste Funktionseinrichtung (454) zur Umwandlung des Wechselstrom-Phasenbefehls (ΘΙ1*) in ein Einheitskosinussignal oder Kosinuseinheitssignal (i1d*) und ein Einheitssinus- oder Sinuseinheitssignal (i1q*), eine mit der ersten Recheneinrichtung (451) und der ersten Funktionseinrichtung (454) verbundene dritte arith-

metische oder Recheneinrichtung (459, 460, 467) zur Lieferung eines ersten Signals (i2q) aus Kosinus- und Sinuseinheitssignal (iid*, i1q*) sowie aus Sinus- und Kosinuskomponente (i1q, i1d), wobei das erste Signal (i2g) der Differenz (Gleichung (13)) zwischen dem Produkt aus dem Sinuseinheitssignal (TTq*) und der Kosinuskomponente (i1d) sowie dem Produkt aus dem Kosinuseinheitssignal (i1d*) und der Sinuskomponente (i1q) entspricht, und eine mit der vierten Einheit (250), der zweiten Recheneinrichtung (469) und der dritten Recheneinrichtung (467) verbundene zweite Funktionseinrichtung (471, 473) zur Umwandlung des Gleichstrom-Amplitudensignals (11) und des ersten Signals (i1q) in das Gleichstrom-Phasenfehlersignal (£10), welches dem Bogensinus (arcsine) des Quotienten (i1q/I1) des ersten Signals (12q) zum Gleichstrom-Amplitudensignal (11) entspricht, aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Einheit (250) einen mit erster Einheit (150) und dritter Einheit (450) verbundenen Komparator (251), der auf den Gleichstrom-Amplitudenbefehl (11*) und das Gleichstrom-Amplitudensignal (11) anspricht und ein Gleichstrom-Amplitudenfehlersignal (£1r) liefert, das der Differenz zwischen dem Gleichstrom-Amplitudenbefehl (11*) und dem Gleichstrom-Amplitudensignal (11) entspricht, sowie einen mit dem Komparator (251) und der fünften Einheit (350) verbundenen ersten Verstärker (255) zum Verstärken des Gleichstrom-.Amplitudenfehlersignals (£1r) zwecks Lieferung des ersten Spannungsbefehls (V1r*) aufweist, wobei der erste Verstärker (255) ein Integrationselement zur Beseitigung eines stationären oder Dauer-Amplituden-

fehlers der Gleichstrom-Rückkopplungsregelung der Stromregelvorrichtung aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Einheit (250) einen mit dritter und fünfter Einheit (450; 350) verbundenen, zum Verstärken des Gleichstrom-Phasenfehlersignals (£10) zwecks Lieferung des zweiten Spannungsbefehls (V10*) dienenden zweiten Verstärker (256) mit einem Integrationselement zur Beseitigung eines stationären bzw. Dauer-Phasenfehlers der Gleichst rom-Rückkopplungsregelung der Stromregelvorrichtung aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die fünfte Einheit (350) eine mit der vierten Einheit (250) verbundene vierte arithmetische bzw. Recheneinrichtung (352, 353, 356, 358,

372) zur Lieferung eines der Wurzel aus der Summe

des quadrierten ersten Spannungsbefehls (V1r* ) und

des quadrierten zweiten Spannungsbefehls (V10* ) entsprechenden zweiten Signals (VT*K2) aus erstem und zv.-eitem Spannangsbefehl (V1r*, V10*), eine mit der vierten Einheit (250) verbundene fünfte arithmetisehe bzw. Recheneinrichtung (360, 362, 364) zur Lieferung eines Spannungswinkelsignals (0V1*), das dem Bogentangens (arctangent) des Quotienten (V10*/V1r*) des zweiten Spannungsbefehls (V10*) zum ersten Spannungsbefehl (V1r*) entspricht, und eine mit erster, zweiter, vierter und fünfter Einheit (150; 500; 372; 364) verbundene, auf das zweite Signal (V1*K2), das Spannungswinkelsignal (0V1*) und den Phasenbefehl (ΘΙ1*) ansprechende dritte Funktionseinrichtung (366, 368, 374 - 376) zur Lieferung der Spannungsbefehle (viU* - v1W*) aufweist.