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Verfahren zur Zustandsreqelunq einer qeberlosen
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Synchronmaschine bei Umrichterspeisunq Die Erfindung bezieht sich
auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des vorliegenden Patentanspruches.
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Zweck der Erfindung ist es, daß das von einem Wechselrichter mit Gleichspannungseinprägung
erzeugte Drehspannungssystem zur Speisung der Synchronmaschine so nach Betrag und
Phasenlage gesteuert wird, daß das von der Maschine abgegebene Drehmoment im gesamten
Drehzahlstellbereich gleich dem Sollwert ist und insbesondere bei Ausgleichsvorgängen
möglichst schnell aperiodisch einschwingt.
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Es ist durch die DE-OS 29 09 434 eine Anordnung zur Steuerung und
Regelung einer Synchronmaschine mittels eines Wechselrichters bekannt, bei der einerseits
die Zündbefehle für die Thyristoren des Wechselrichters in Abhängigkeit der Regelabweichung
zwischen Ist- und Solldrehzahl und des gemessenen Drehwinkels der Läuferwelle der
Synchronmaschine bestimmt werden und andererseits der Strom-Sollwert für einen Zwischenkreisstrom
zwischen einem an ein Drehstrom-Netz angeschlossenen gesteuerten Gleichrichter und
dem Wechselrichter von einem Spannungsregler vorgegeben wird; die Eingangsgröße
dieses Spannungsreglers
besteht dabei aus der Differenz eines Spannungssollwertes,
der aus der Solldrehzahl über einen Hauptflußgeber hergeleitet wird, und des im
Zwischenkreis gemessenen Spannungswertes, wozu noch eine Korrekturgröße addiert
wird, die aus dem Strom, der durch einen parallel zum Wechselrichter geschalteten
Kondensator - an dem der Spannungs-Istwert gemessen - wird - fließt, hergeleitet
wird.
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Der Anlaufbereich, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Schwingneigung
der Zustandsgrößen - magnetische Flüsse bzw. Ströme - eine untergeordnete Bedeutung
haben oder die Totzeit des Wechselrichters so groß ist, daß der Wirk- und Blindstromregelkreis
instabil ist, sei hier ausgeschlossen.
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Im Falle der dämpferlosen Maschine, die bei Umrichterspeisung ein
besonders oberschwingungsarmes Drehmoment erzeugen kann, stören bisher die großen
induktiven Spannungsabfälle, die bei Änderungen des Ständerstromes auftreten sowie
die außerordentlich starke Schwingneigung der Zustandsgrößen.
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Soll der Wechselrichter aus einer Gleichstromquelle (z.B.
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Umkehr-Netzstromrichter mit Stromregelkreis) gespeist werden, muß,
wegen der Gleichspannungseinprägung am Wechselrichtereingang, dieser mit einer Kapazität
abgeschlossen werden; die Spannungsregelung kann mit Hilfe des Wechselrichters über
den entnommenen Gleichstrom erfolgen, so daß netzseitig nicht notwendig ein Umkehrstromrichter,
sondern nur ein Einfachstromrichter erforderlich ist.
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In der Patentanmeldung P 31 12 048.2 ist ein Verfahren zur Steuerung
und Regelung einer Synchronmaschine außerhalb des Anlaufbereichs angegeben, bei
dem der maschinenseitige Wechselrichter aus einer Gleichstromquelle für eine Stromrichtung
gespeist wird, bei dem die vorhergenannten Nach-
teile nicht auftreten.
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Die Lösung besteht darin, daß die Polradwinkelverstellung, die bei
Verwendung eines Pollagegebers identisch ist mit der Verstellung des Wechselrichter-SteuerwinkelsdS
bC , in Abhängigkeit von den Augenblickswerten der Kondensatorspannung und des Blindstromes,
erfolgt. Der wesentliche Nachteil dieser Lösung besteht darin, daß eine Messung
des Polradwinkels erforderlich ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Zustandsregelung
einer Synchronmaschine außerhalb des Anlaufbereiches anzugeben, bei dem der maschinenseitige
Wechselrichter aus einer Gleichstromquelle gespeist wird, bei dem der vorgenannte
Nachteil nicht auftritt.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des
Patentanspruches aufgeführten Merkmale gelöst.
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Die Lösung besteht also darin, daß das Steuergerät zur Vorgabe des
Wechselrichtersteuerwinkelsot mit den Ständerströmen ISist der Synchronmaschine
synchronisiert wird.
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Der Steuerwinkelot , der bei Vernachlässigung der durch Kommutierung
hervorgerufenen Stromüberlappung bis auf eine Konstante mit dem Phasenverschiebungswinkel
F zwischen Ständerstrom und -spannung übereinstimmt (α = # - #), wird von
einem Zustandsregler vorgegeben. Dieser ermittelt in Abhängigkeit von den drei gewählten
Zustands größen des Systems "Wirkstrom", "Blindstrom" und "Kondensatorspannung"
eine Stellgröße P , die dem Eingang des Steuergerätes aufgeschaltet wird.
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Im Fall der Speisung aus einer Gleichstromquelle wird der Betrag des
Quellenstromes drehmomentproportional verstellt. Die Größe der Kondensatorspannung
wird von einer Kennlinie mit der Drehzahl als Eingangsgröße (hier kann je nach Größe
des Massenträgheitsmomentes niSt oder n5011
verwendet werden) vorgegeben.
Die Kennlinie legt das Drehmoment-Drehzahl-Kennfeld des Antriebssystems fest.
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Mit ihrem Verlauf kann auf elektronischem Wege das von der Gleichstrommaschine
her bekannte Haupt-, Neben- oder Reihenschlußverhalten vorgegeben werden. Der Erregerstrom
wird entweder konstant gehalten oder zur Wirkungsgradoptimierung langsam, dem aktuellen
Betriebszustand entsprechend, nachgeführt.
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Zur Erläuterung des Grundgedankens der Erfindung ist in der Fig. 1
dargestellt, wie ein Gleichstrommaschinenantriebssystem in ein Synchronmaschinenantriebssystem
mit elektronischem Kommutator überführt werden kann. Die Regeleinrichtungen beider
Zwischenkreisumrichterteile sind vollständig getrennt. Die Steuer- und Regeleinrichtung
(A) des maschinenseitigen Wechselrichters (B) übernimmt die Führung der Synchronmaschine
(C), wobei die Drehzahlinformation mittels einer Tachomaschine (D) gemessen wird.
Frequenz und Phasenlage der Ausgangsspannung des Wechselrichters werden synchron
zum Ständerstrom, die Amplitude proportional zur Drehzahl der Synchronmaschine vorgegeben.
Die Steuer- und Regeleinrichtung (E) des Netzstromrichters (F) bleibt beim Vierquadrantenbetrieb
unverändert. Der Wechselrichter (B) kann selbstgeführt oder, wie hier dargestellt,
fremdgeführt (lastgeführt) arbeiten.
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Zur Verdeutlichung dieses Steuerverfahrens soll das Raumzeigerdiagramm
einer Vollpol-Synchronmaschine betrachtet werden, vgl. dazu Fig. 2: In der Fig.
2 sind die Ortskurven für Ständerstrom- und -spannungsverlauf bei Drehmomentverstellung
eingezeichnet.
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Der Raumzeiger des Magnetisierungsstromes i verläuft auf einem Kreisbogen
mit dem Radius ir . Dies ist das Merkmal für Flußkonstanz in der Maschine. Bei Vernachlässigung
von Sättigungseffekten bedeutet das im stationären Zustand auch einen konstanten
Betrag der Ständer-
spannung uS (vgl. Ortskurve für u5). Für die
zugeführte Leistung, die bei der verlustlosen Maschine gleich der inneren Leistung
P. ist, bedeutet dies eine lineare Verstellung der Wirkleistung mit dem Wirkstrom
iW. Wie sich weiterhin aus Fig. 2 ablesen läßt, gilt stationär unter den Voraussetzungen
Lhq = Lhd = Lh, rS = 0, iD = iQ = 0 für iW = i5 cos # = ## . iF . sin #s = ## .
iF . cos wobei d, der Steuerwinkel des Maschinenstromrichters und der Polradwinkel,
d.h. der Winkel zwischen der Polradspannung p und der Klemmenspannung u5 ist. Bei
konstantem iF ist das Luftspaltmoment dem Kosinus des SteuerwinkelsOC proportional,
so daß es mit α gesteuert werden kann.
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Wie die Untersuchung der Übertragungsfunktion # iW (S) = G (S).# #
S (s) gezeigt hat, kann bei genügend großem Kondensator die Kondensatorspannung
bei bekannter Pollage mit Hilfe des Polradwinkels gut geregelt werden, so daß der
Wirk- und Blindstromregler u.U. entfallen kann. Bei der vorliegenden Anordnung kann
der Polradwinkel # S nicht verstellt 5 werden, weil die Pollage wegen des fehlenden
Pollagegebers nicht bekannt ist.
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Erfindungsgemäß wird deshalb ein Zustandsregler benutzt, der aus drei
Teilreglern besteht, die ihre Ausgangsgrößen aus den Regelabweichungen der wesentlichen
Zustandsgrößen "Kondensatorspannung", "Wirkstrom" und "Blindstrom" ableiten. Die
Regler können durch herkömmliche realisiert werden.
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Die Ausgangsgröße des Zustandsreglers ist wegen der Synchronisation
des Steuergerätes mit dem Ständerstrom identisch mit dem Phasenverschiebungswinkel
t zwischen Ständerstrom und -spannung. Durch Vorgabe des Winkels F kann, wie in
der Literatur gezeigt (vgl. Beck, H.P., Fremdgeführter Zwischenkreisumrichter mit
Spannungsumrichter zur Speisung von Synchronmaschinen großer Leistung und hoher
Drehzahl, Dissertation TU-Berlin, 1981, Seiten 102 ff), die Luftspaltleistung Pi
bzw. der Wirkstrom iw der Synchronmaschine bei konstantem Verhältnis zwischen Polradspannung
ug und Ständerspannung US (>-= uP / us) gesteuert werden. Bei verlustloser Maschine
gilt im stationären Zustand in bezogenen Größen (Luftspalt-Nennleistung PiN = 1)
die Beziehung
Durch die Verwendung eines Zustandsreglers ist gewährleistet, daß die Regelkreise
bei y-Steuerung außerhalb des Anlaufbereiches auch im instationären Zustand stabil
bleiben.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung wird im nachstehend beschriebenen
Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung näher erläutert.
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In der Fig. 3 ist mit 1 eine Gleichstromquelle bezeichnet, die einen
Gleichstrom 1d einem Thyristor-Wechselrichter 2 mit den Thyristoren, antiparallel
geschalteten Rückstromdioden und einem eingangsseitigen Kondensator zuführt.
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Sie kann, wie in Fig. 1 dargestellt, durch einen Umkehrstromrichter
(dort mit F bezeichnet) mit Stromregelkreis (E) realisiert werden. Das Regelverfahren
kann aber auch bei Einfach-Stromrichtern (d.h. eine Stromrichtung) angewendet werden.
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Der Wechselrichter speist eine Synchronmaschine 3. Durch den Drehzahlmesser
4 wird die Drehzahl der Läuferwelle der Synchronmaschine gemessen. Dieser Drehzahlistwert
niSt wird mit einem Drehzahlsollwert soll, der an die Klemme 5 angelegt wird, verglichen;
die Regelabweichung wird einem Drehzahlregler 6 zugeführt. Der Ausgangsstrom dieses
Reglers wird als Wirkstrom-Sollwert Iol1 der Gleichstromquelle 1 zugeführt.
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Ferner wird noch der Drehzahlsollwert n5011 einem Kennliniengeber
12 zugeführt, der den zugeführten Drehzahlbeelsweise sollweriSbis zu einem bestimmten
Wert an konstant und von dort an proportional zum Drehzahlsollwert ausgibt.
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Vom Ausgangssignal des Kennliniengebers Ucsoll wird der Istwert einer
Gleichspannung Ucist subtrahiert und die Differenz auf einen Spannungsregler 7 gegeben;
dabei ist gleich die Gleichspannung uCistyner Kondensatorgleichspannung eines Kondensators
13, der dem Wechselrichter 2 gleichspannungsseitig parallel geschaltet ist.
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Weiterhin wird der Blindstromistwert IQist aus den Augenblickswerten
der gemessenen Maschinenständerströme ISist und dem Wirkstromistwert IWist in einem
Meßwertumformer 8 nach der Formel
gebildet. Der Ausgangswert des Meßwertumformers wird mit einem vorgegebenen, aus
dem stationären Maschinenmodell hergeleiteten Blindstromsollwert IQsoll (Klemme
9) verglichen; die Regelabweichung wird einem Blindstromregler 10 zugeführt.
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Als dritte Zustandsgröße wird der Istwert des Wirkstromes am Gleichstromeingang
des Wechselrichters gemessen. Dieser Istwert wird mit dem Sollwert IWsoll verglichen;
die Regelabweichung wird einem Wirkstromregler 14 zugeführt.
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Die Summe der Ausgangssignale des Gleichspannungsreglers 7, des Blindstromreglers
10 und des Wirkstromreglers 14 wird einer Steuereinrichtung 11 zugeführt. Dieser
Steuereinrichtung werden ferner die drei Ständerströme zugeleitet und aus beiden
der Steuerwinkel 05 bzw. Phasenverschiebungswinkel r gebildet, der dem Steuersatz
der hier nicht dargestellten Wechselrichtersteuerung zur Zündung der Thyristoren
zugeführt wird.