DE3346807A1

DE3346807A1 - Regelvorrichtung fuer asynchronmotoren

Info

Publication number: DE3346807A1
Application number: DE19833346807
Authority: DE
Inventors: Sadayuki Funabashi Chiba Igarashi; Sumio Funagashi Chiba Kobayashi; Hiroshi Hitachi Ibaraki Nagase; Hisakazu Funabashi Chiba Ninomiya; Hiroyuki Funabashi Chiba Tomita
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Keiyo Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Keiyo Engineering Co Ltd
Priority date: 1982-12-27
Filing date: 1983-12-23
Publication date: 1984-07-12
Also published as: JPH0344508B2; DE3346807C2; GB2133234A; US4532464A; JPS59122392A; GB2133234B; GB8334386D0

Description

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1. HITACHI, LTD., Tokyo, Japan

2. Hitachi Keiyo Engineering Co., Ltd.,

Narashino-shi, Chiba-ken, Japan

Regelvorrichtung für Asynchronmotoren

Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung für Asynchronmotoren, die eine ein Drehmoment verursachende Stromkomponente und eine Magnetisierungsstromkomponente einzeln regeln kann.

Figur 1 zeigt ein Schaltungsäquivalent für eine Phase eines Asynchronmotors. .

Mit x. ist eine primäre Verlustreaktanz, mit τ* ein primärer Widerstand, mit r-' ein sekundärer Widerstand (in Termen eines Primärwerts) und mit χ eine Magnetisierungsreaktanz bezeichnet. Eine sekundäre Verlustreaktanz ist in diesem Schaltungsäquivalent vernachlässigbar, da diese aufgrund ihres kleinen Wertes keinen großen Einfluß ausübt.

Falls in einer solchen Schaltung der durch die Magnetisierungsreaktanz χ fließende Strom (dies ist eine Stromkomponente, die den Magnetfluß bewirkt und wird im folgenden Magnetisierungsström genannt und durch I bezeichnet) unabhängig von dem durch den Sekundärkreis r«¹ fließenden Strom (das ist eine ein Drehmoment bewirkende Stromkomponente und wird im folgenden Drehmomentstrom genannt und mit I. bezeichnet)

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geregelt wird, muß die Eingangsspannung (weiterhin als V, bezeichnet) eines Frequenzwandlers wie folgt bestimmt werden. Falls als Frequenzwandler ein Wechselrichter eingesetzt ist, ergibt sich für den Maximalwert der Ausgangsspannung des Wechselrichters die in Figur 2 dargestellte Wellenform und der Maximalwert der Grundschwingung wird (2 ν 3/ 7c ) ' V,

Die Grundschwingungsspannung muß größer als die Anschlußspannung des Asynchronmotors sein, falls ein Spannungsabfall am Wechselrichter, ein Spannungsabfall aufgrund eines Leitungswiderstandes, usw. in Betracht gezogen werden müssen. Die Nominalwerte der Stromkomponenten I und I. müssen in Anbetracht der größten Drehzahl mit der der Asynchronmotor bei einem nominellen Drehmoment drehen soll, folgende Gleichung erfüllen:

(2 /TA) iV_ic» i >

Wenn die Spannung V, bei dem durch die Gleichung (1) gegebenen Minimalwert gewählt wird, bei dem ein Ist-Primärstrom I₁ sich genau auf eine Führungs-Primärstromstärke einstellen kann (weiterhin wird dieser Minimalwert als Nominaleingangsspannung des Wechselrichters bezeichnet) ergibt sich im Hinblick auf die Durchbruchsspannungs-Kenngrößen der Hauptschaltelemente des Wechselrichters eine günstige Regelvorrichtung.

Falls jedoch die Stromkomponente I dauernd konstant gehalten wird und die Komponente I entsprechend einem Soll-Drehmoment geregelt wird, kann die Stromkomponente I sich nicht einstellen und wird kleiner, wenn die Spannung V. kleiner als die zuvor genannte Nominaleingangsspannung wird.

Bei vielen Vektorregelungen wird I konstant gehalten und die Stromkomponente I. entsprechend einem Soll-Drehmoment

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geregelt. Wenn die Führungsgröße der Stromkomponente I konstant gehalten wird, kann es vorkommen, daß,falls die Eingangsspannung des Frequenzwandlers absinkt, die eingestellte

Stromstärke I nicht fließen kann. Dies kann zu einer unm

stabilen Regelung, einer schlechten Drehmoment-Charakteristik und zu auftretenden Pendeln der Drehzahl usw. führen.

In Anbetracht dieser Erkenntnisse liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Regelvorrichtung für Asynchronmotoren zu ermöglichen, die eine stabile Regelung auch bei sich ändernder Eingangsspannung durchführen kann. Zur Lösung obiger Aufgabe ist eine Regelvorrichtung für einen Asynchronmotor mit einem Frequenzwandler ausgestattet und dadurch gekennzeichnet, daß die Stromkomponente I entsprechend der Größe der Eingangsspannung des Frequenzwandlers geregelt werden kann. Als Frequenzwandler kann ein Drehstromrichtsr oder ein Viechseirichter verwendet werden. Der Wechselrichter, der aus einer Eingangsgleichspannung eine Ausgangswechselspannung erzeugt, kann als eine Art Frequenzwandler betrachtet werden, der die Frequenz 0 in einen Wechselstrom vorgegebener Frequenz wandelt.

Figur 3 zeigt ein Zeigerdiagramm verschiedener Größen eines Asynchronmotors. In dieser Figur bezeichnet I einen Magnetisierungsstrom, der durch eine Magnetisierungsreaktanz

fließt, I. einen Drehmomentstrom der durch einen Sekundärkreis

fließt, I₁ einen Primärstrom und V eine in der Magnetisierungsreaktanz induzierte Spannung, die gleich χ χ I ist. Die Größe V bezeichnet einen Spannungsabfall der aufgrund des Primärstroms durch einen primären Widerstand hervorgerufen und gleich τ_Λ χ I₁ ist. Die Größe V bezeichnet einen Spannungsabfall, der vom Primärstrom und einer primären VerlHStreaktanz herrührt und gleich I₁ χ X₁ ist. D|e Größe V₁ bezeichnet eine Primärspannung.

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Hier ist ein Winkel zwischen I und I. 90 und wönn c*>

_x m . t

den zwischen den Zeigern I und I₊ liegenden Winkel definiert , gelten folgende Gleichungen:

T₁ = /(X₁ Ii₁I

1 ^

I-, cos <£ Y~ + (x I _ I¹ mm

I₁I cos Ci₁ +

sin

(2)

₌ tan

'¹

(3)

Wenn man die Gleichungen (3) und (4) in Gleichung (2) einsetzt, ergibt sich:

•(5.

Da hier

(6)

gilt, wird Gleichung (5)

ν, =

(7)

Bei gegebener Spannung V-, muß wegen den gleichen Vorbedingungen wie sie bei der Ableitung von Gleichung (1) galten, folgendes erfüllt sein:

(2 [J/ ) V_dc » i5 x /"2" V₁

(8)

-i-

I , T₁, χ. und χ sind durch die Kennwerte des Asynchronmotors bestimmt. Deshalb kann, nachdem der Wert von v. gefunden ist, I entsprechend Gleichung (9) berechnet werden

^m · Cx_n +

Nach der Berechnung von I kann aufgrund Gleichung (3) I^ bestimmt werden, indem I und I. in Gleichung (3) eingesetzt werden, so daß der Strom entsprechend dem eingestellten Wert in Anbetracht der Spannung V, fließen kann. Dabei wird die Spannung V, mittels einer Spannungserfassungseinrichtung erfaßt. Falls als Frequenzwandler ein PWM-Wechselrichter verwendet wird, kann die Größe der Spannung V, auch am Ausgang des Wechselrichters durch Erfassung des Crest-Faktors einer Impulsschwingung erfaßt werden. (PWM bedeutet Impulsdauermodulation.)
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltungsäquivalent eines Asynchronmotors;

Fig. 2 ein Diagramm mit einem Beispiel der Ausgangsspannungswellenform eines Wechselrichters;

Fig. 3 ein Zeigerdiagramm für die Spannungs- und Strom-Verhältnisse des Asynchronmotors;

Fig. 4 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung;

Fig. 5 ein Diagramm über die Beziehung zwischen einem Magnetisierungsstrom und einer Eingangsspannung;

Fig, 6 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels

gemäß der Erfindung; und

Fig. 7 ein Diagramm mit einer Beziehung zwischen einem Drehmomentstrom und einem Magnetisierungsstrom.

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Anhand der Figur 4 wird im folgenden ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Die Ziffer 1 bezeichnet eine Dreiphasen-Wechselspannungsquelle und die Ziffer 2 einen Dreiphasen-Asynchronmotor. Ein Dreiphasen-Vollweggleichrichter 3 und ein vektorgesteuerter Wechselrichter dienen als Frequenzwandler und sind zwischen der Wechselspannungsstromversorgung 1 und dem Motor 2 eingeschaltet.' Der Wechselrichter 4 besteht aus sechs Transistoren 5a - 5f und sechs Rückkopplungsdioden 6a - 6f.

Die Ziffer 7 bezeichnet einen Drehzahlsteller, die Ziffer eine Drehzahlerfassungseinheit, die Impulse einer der Drehzahl des Motors 2 proportionalen Frequenz erzeugt und die Ziffer 9 eine Wandlerschaltung, die das Ausgangssignal der Drehzahlerfassungseinheit 8 in ein der Drehzahl des Motors proportionales Analogsignal umsetzt.

Ein Subtrahierer 10 subtrahiert das Ausgangssignal der Wandlerschaltung 9 vom Ausgangssignal des Drehzahlstellers 7, während eine Fehlerverstärkerschaltung 11 mit dem Ausgangssignal des Subtrahierers 10 eine Proportional/Integralberechnung durchführt. Damit ist das Ausgangssignal der Schaltung 11 eine Führungs-Drehzahlstromkomponente I , die einer Vektorrechenschaltung 12 und einer Schlupfwinkelfrequenz-Ausgangsschaltung 13 zugeführt wird.

Die Ziffer 14 bezeichnet einen Addierer, der das Ausgangssignal der Wandlerschaltung 9 , nämlich eine Ist-Winkelgeschwindigkeit,^- und das Ausgangssignal ur der Schlußwinkelfre-

X ο

quenz-Ausgangsschaltung 13 addiert und als Ausgangssignal die Summe (^₁= ^- + ^ liefert. ^₁ stellt eine Winkelfrequenz dar, auf die der Motor 2 eingestellt werden soll und die einer spannungsgesteuerten Oszillatorschaltung 15 zugeführt wird. Darin wird sie in ein sinusförmiges Signal sin ^ und ein Kosinussignal cos ^₁ , deren Winkelfrequenzen zu (^₁ synchron sind, umgesetzt und der Vektorrechenschaltung 12 zugeführt.

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Die Ziffer 16 bezeichnet einen Magnetisierungsstromsteller, der die Führungs-Magnetisierungsstromkomponente I für den Motor 2 abgibt. Der Steller 16 empfängt die Eingangsspannung Vj des Wechselrichters 4 von einer Spannungserfassungsein-. richtung 30 und berechnet V₁ aufgrund der durch Gleichung (8) gegebenen Beziehung und die Führungs-Magnetisierungsstromkomponente I durch Einsetzen von I für I_t in Gleichung (9). I*_max stellt den Maximalwert der Stromkomponente I. dar, der entsprechend den Geschwindigkeiten des Induktionsmotors und dem erlaubten Maximalstrom des Wechselrichters vereinbart wird.

In der Vektorrechenschaltung 12 ist die Phase der Führungs-Magnetisierungsstromkomponente I um 90 gegenüber der Führungs-Drehmomentstromkomponente I. versetzt, weshalb diese zweiphasige Wechselspannungssignale i ' und i ' mit der Winkelgeschwindigkeit «/i werden. Die zweiphasigen Wechselspannungssignale i ' und i ' werden in drei Phasen mittels einer Wandlerschaltung 17, die zwei Phasen in drei Phasen umsetzt, umgewandelt.

Eine Stromvergleicherschaltung 18 empfängt von Stromdetektoren 19 erfaßte Phasenströme und vergleicht deren Werte mit den Ausgangssignalen der Wandlerschaltung 17. Die Stromvergleicherschaltung 18 erzeugt "Ein" und "Aus"-Signale, so daß die sich ergebende Differenz einen vorgegebenen Wert ergibt und sendet diese Signale einer Transistortreiberschaltung 20. Die Transistortreiberschaltung 20 steuert die Transistoren 5a - 5f. Als Ergebnis wird der Motor 2 auf die am Drehzahlsteller ? eingestellte Geschwindigkeit mit einem günstigen Regelverhalten geregelt.

In Figur 4 sind Führungseinrichtungen für die Qrehmomentstromkomponente mit der Ziffer 40 und Regeleinrichtungen mit der Ziffer 50 allgemein bezeichnet. Der Buchstabe G bezeichnet einen Glättungskondensator.

ί Die Eingangs/Ausgangskennwerte des Magnetisierungsstromstellers 16 haben ein Verhalten_fwie es in Figur 5 dargestellt ist, um die Gleichungen (8) und (9) zu erfüllen. In Figur 5 ist auf der Abszissenachse die Spannung V, und auf der Ordinatenachse die Führungs-Magnetisierungsstromkomponente I aufgetragen. Ziffer 81 bezeichnet eine Eingangs/Ausgangskennlinie, Ziffer 82 den Betriebsbereich des Induktionsmotors 2 , Ziffer 83 einen Nominal-Drehmomentbereich, Ziffer 84 einen Bereich verringerten Drehmoments, in dem der Motor mit einem unterhalb des Nominaldrehmoments liegenden Drehmoment betrieben wird, Ziffer 85 die Eingangsgleichspannung des Wechselrichters, bei der das Nominaldrehmoment und das verringerte Drehmoment ineinander übergehen und die der zuvor erwähnten Nominal-Eingangsspannung des Wechselrichters entspricht, und Ziffer 86 den Nominalwert der Führungs-Magnetisierungsstromkomponente.

Solange der Motor in dem Nominal-Drehmomentbereich betrieben wird, bei dem die Eingangsspannung des Wechselrichters mindestens gleich dem Nominalwert 85 ist, erreicht die Führungs-Magnetisierungsstromkomponente i in Figur 4 ihren Nominalwert und ebenfalls der Ausgang eines Flußmessers 65. Andererseits wird mit folgender Gleichung (10) die Schlupfwinkelfrequenz ^s berechnet, worin 0 den Nominalwert eines Magnetflusses, I. die Drehmomentstromkomponente und K. eine Proportionalitätskonstante darstellen:

Das Berechnungsergebnis y,- wird vom Schlupfwinkelfrequenzausgangskreis 13 geleitet . Diese Winkelfrequenz ^- und die Ist-Winkelfrequenz &- des Induktionsmotors werden addiert und ergeben die Primärwinkelfrequenz u/ λ· Mittels der Führungs-Magnetisierungsstromkomponente i , der Führungs-Drehmomentstromkomponente i. und der zuvor genannten Primärwinkelfrequenz

ür « werden Primärströme in drei Phasen eingestellt. Nach .einer Leistungsverstärkung durch den Wechselrichter 4 dienen die Primärströme in drei Phasen zur Drehzahlregelung des Asynchronmotor 2. Dadurch wird das vom Asynchronmotor erzeugte Drehmoment *χ :

worin K₂ eine Proportionalitätskonstante ist.

Falls die Wechselrichter-Eingangsgleichspannung unter den Nominalwert 85 absinkt, wird die Führungs-Magnetisierungs-Stromstärke entsprechend gemäß der Kennlinie in Figur 5 abgesenkt und bewirkt, daß der eingestellte Magnetisierungsstrom fließen kann.

Nach Änderung von I läßt sich der Magnetfluß 0 durch

folgende Gleichung (12) angeben, worin 1 die Magnetisierungsinduktivität der in Figur 1 dargestellten Äquivalenzschaltung des Asynchronmotor ist und S einen LaPlace-Operator darstellen:

^+S <m^/r2^f>l C12)

Diese Berechnung wird durch die Flußberechnungsschaltung durchgeführt. Die Berechnung der Schlupfwinkelfrequenz wird durch Einsetzen von 0 für 0 in gleicher Weise wie zuvor durchgeführt. Das vom Asynchronmotor in diesem Fall erzeugte Drehmoment ¹X ist durch T = K₂ χ 0 χ L· gegeben. Wenn K- das Verhältnis von 0 zum berechneten Wert 0 des magnetischen Flusses angibt, gilt "C = K₂ χ K₃ 0_R I = K₃ χ X_n

und ein kleineres Drehmoment als das für die Nominaleingangsspannung berechnete Drehmoment wird erzeugt. Jedoch bleibt die lineare Beziehung des erzeugten Drehmoments zur Führungs-

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Drehmomentstromkomponente erhalten, weshalb eine günstige Drehzahlcharakteristik erreicht wurde.

In Figur 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel enthält zusätzlich eine Schaltung 91, die die maximale Stromstärke I ' der Drehmomentstromkomponente entsprechend Gleichung (13) berechnet, wenn die Führungs-Magnetisierungsstromkomponente I gegeben ist:

Vmax

I bezeichnet darin den nominalen Primärstrom, bei dem die Führungs-Magnetisierungsstromkomponente die im Abschnitt in Figur 5 gezeigte Stromstärke annimmt.

Das Ausführungsbeispiel in Figur 6 enthält ebenfalls eine zusätzliche Wählschaltung 93 für die Führungs-Drehmoment-Stromkomponente. Diese Wählschaltung 93 schaltet das Ausgangssignal des Fehlerverstärkers 11 durch , falls dieses kleiner oder gleich dem Ausgangssignal der Schaltung 91 ist und gibt das Ausgangssignal der Schaltung 91 weiter, falls das Ausgangssignal des Fehlerverstärkers 11 größer als das Ausgangssignal der Schaltung 91 ist. Die anderen Schaltungsteile sind gleich wie beim Ausführungsbeispiel in Figur 4 ausgeführt und haben deshalb dieselben Bezugszeichen.

In Figur 7 ist die Kennlinie der Schaltung 91 dargestellt, die das Verhältnis des Stromes I.' zum Führungs-Magnetisierungsstromkomponente I wiedergibt.

Die Erfindung ist auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele nicht beschränkt, sondern erlaubt

verschiedene Modifikationen. Beispielsweise verwenden die beschriebenen Ausführungsbeispiele die Bezugsstrom-Wechselrichtersteuerung, jedoch kann in der Erfindung auch eine Bezugsspannungs-Wechselrichtersteuerung verwendet werden.

Ebenfalls kann mittels des Spannungsdetektors eine Spannung am Eingang der Gleichrichterschaltung erfaßt werden.

Claims

OOHDOU / Patentanwälte BEETZ & PARTNER 68o-35.689P 23. Dez. 1983 3teinsdorfs.tr, 1.0, .8.0.0.0 München 22 Patentansprüche

1.y Regelvorrichtung für Asynchronmotoren mit einem Frequenzwandler, der zwischen einer Versorgungsquelle und dem Asynchronmotor eingeschaltet ist und den Asynchronmotor speist,

gekennzeichnet durch

eine Spannungserfassungs-Einrichtung (30), die eine Spannungshöhe einer Eingangs- oder Ausgangsspannung des Frequenzwandlers (4) erfaßt,

eine Führungseinrichtung (16, 65; 91, 93) für eine Magnetisierungsstromkomponente, die auf der Basis der von der Spannungserfassungs-Einrichtung (30) erfaßten Größe eine Führungs-Magnetisierungsstromkomponente des Asynchronmotors (2) einstellt,

eine Führungseinrichtung (40, 93) für eine Drehmoment-Stromkomponente, die auf der Basis der von der Spannungserfassungs-Einrichtung (30) erfaßten Größe eine Führungs-Drehzahlstromkomponente des Asynchronmotors einstellt, und

eine Steuereinrichtung (12, 13, 14, 15, 17, 18, 20), die den Frequenzwandler (4) ansteuert, so daß der Frequenzwandler (4) den Primärstrom des Induktionsmotors (2) entsprechend den durch die Führungseinrichtung (40; 93) für die Drehmomentstromkomponente und der Führungseinrichtung (16, 65; 91, 93) für die Magnetisierungs-Stromkomponente gegebenen Werte regelt.

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2. Regelvorrichtung für Asynchronmotoren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Führungseinrichtung (16, 65; 91, 93) die Magnetisierungsstromkomponente des Asynchronmotors verringert, wenn die Spannungserfassungseinrichtung (30) ein Absinken der erfaßten Spannung ermittelt, und

die Führungseinrichtung (40; 93) die Drehmomentstromkomponente des Asynchronmotors (2) erhöht,wenn die Spannungs-Erfassungseinrichtung (30) ein Absinken der erfaßten Spannung ermittelt und daß

die Spannungserfassungseinrichtung (30) die Eingangsspannung des Frequenzwandlers (4) erfasst.

3. Regelvorrichtung für Asynchronmotoren nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß

zwischen der Versorgungsquelle (1, 3) und dem Asynchronmotor (2) ein Wechselrichter (4) eingeschaltet ist, der den Asynchronmotor (2) speist und daß

die Spannungserfassungseinrichtung (30) die Eingangsspannung des Wechselrichters (4) erfasst.

4. Regelvorrichtung für Asynchronmotoren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

zwischen der Versorgungsquelle (1, 3) und dem Asynchronmotor (2) ein Impulsdauermodulations-Wechselrichter eingeschaltet ist, der den Asynchronmotor (2) speist, und daß

die Spannungserfassungseinrichtung einen Crest-Faktor einer von dem Impulsdauermodulations-Wechselrichter abgegebenen Ausgangsspannung erfasst.

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