DE3426326A1 - Verfahren zum betrieb einer umrichtergespeisten synchronmaschine - Google Patents

Verfahren zum betrieb einer umrichtergespeisten synchronmaschine

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Description

Verfahren zum Betrieb einer umrichtergespeisten Synchronmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer umrichtergespeisten Synchronmaschine (DE-PS 21 32 178) sowie eine Vorrichtung hierzu.
In der DE-PS 21 32 178 ist der feldorientierte Betrieb einer Synchronmaschine beschrieben. Dabei wird in einem Flußrechner aus der Läuferstellung sowie elektrischen Größen der Synchronmaschine Richtung und Betrag des Magnetflusses erfaßt und der Synchronmaschine wird der Ständerstrom mittels eines steuerbaren Umrichters so eingeprägt, daß die zum Feld senkrechte Komponente ("drehmomentbildender Ständerstrom") von einer Führungsgröße bestimmt wird, die z.B. von einem Drehzahlregler gebildet wird und das Drehmoment der Maschine bestimmt, während die zum Feld parallele Ständerstromkomponente ("magnetisierender Ständerstrom") durch eine andere Führungsgröße vorgebbar ist.
Diese andere Führungsgröße kann insbesondere zu Null gesetzt werden, wenn Ständerstromachse und Flußachse orthogonal sein sollen, entsprechend einem feldorientierten Stromwinkel (Lastwinkel) ψί = 90° oder einem "inneren cos ψ " = cos ( ψΐ - 90°) = 1. In diesem Fall soll der Ständerstrom keinen Fluß induzieren, vielmehr wird das Feld der Synchronmaschine allein vom Erregerstrom erzeugt. In der Regel wird ein konstanter oder zumindest nur in Abhängigkeit von der Drehzahl geschwächter Fluß angestrebt, so daß der Erregerstrom dadurch bestimmt
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werden kann, daß der gemessene Fluß auf einen vom Lastmoment unabhängig und insbesondere konstant vorgegebenen Sollwert geregelt wird.
Soll dadgegen der Blindstrom der Synchronmaschine zu Null werden, entsprechend einem Winkel ψυ = 0 ("äußerer cos ψ " = 1) zwischen Stromachse und Spannungsachse, so ergibt sich, daß der Winkel zwischen Feldachse und Stromachse in Abhängigkeit vom Lastzustand der Maschine, also in Abhängigkeit vom drehmomentbildenden Ständerstrom, von 90° abweicht und daher der Ständerstrom eine magnetisierende Stromkomponente enthalten muß, die zur Bildung des gesamten Flusses beiträgt und somit einen Teil des gesamten Magnetisierungsstroms der Maschine darstellt.
Dieser gesamte Magnetisierungsstrom, der als Vektor in Richtung der Flußachse zeigt, ergibt sich dann als Summe der magnetisierenden Ständerstromkomponente und der feldparallelen Komponente des Erregerstromvektors, wobei der Erregerstromvektor in seinem Betrag durch den Erregerstrom und in seiner Richtung durch die Läuferachse gegeben ist. In diesem Fall sorgt also die den Erregerstrom bestimmende Flußregelung dafür, daß der Erregerstrom in dem Maße abnimmt, in dem die magnetisierende Ständerstromkomponente bereits einen merklichen Teil zum Aufbau des Flusses liefert. Ist die magnetisierende Ständerstromkomponente negativ, so führt sie zu einem Abbau des Flusses, auf den die Flußregelung mit einer Erhöhung des Erregerstroms antwortet.
Bei einer umrichtergespeisten Maschine treten stets Oberwellenmomente auf, die z.B. im Fall eines Direktumrichters auf die Spannungs- und Stromoberwellen zurückzuführen sind, die durch das Steuerverfahren des Stromrichters erzeugt werden. Bei normalen Betriebsströmen sind diese Oberwellenmomente verhältnismäßig klein. Bei sehr kleinen Lastmomenten und sehr kleinen Strömen und
insbesondere, wenn der Stromrichter überwiegend mit lükkendem Strom läuft, wachsen die Oberwellenmomente jedoch an und können störend wirken.
Der feldorientierte Betrieb der Maschine erlaubt eine annähernd optimale Ausnutzung der installierten Leistung von Umrichter und Maschine, wenn für den inneren oder äußeren Winkel ψ der Wert Null eingehalten wird. Dabei ergibt sich, daß bei einem Lastspiel, d.h. bei periodisehen Änderungen der Last, wie sie z.B. bei Drahtziehwerken oder Walzwerken auftreten, der Effektivwert des Erregerstroms nach seiner Umrechnung auf die Ständerseite stets größer ist als der Effektivwert des Ständerstroms. Für die Synchronmaschine entstehen dabei Schwierigkeiten durch die thermische Belastung im Läufer, man sagt, die Maschine ist "läuferkritisch" und im Läufer entstehen höhere Verluste.
Ferner nimmt die Maschine in einem lastspezifischen Lastspiel häufig eine Blindleistung aus dem Netz auf, die für das Netz störend ist.
Die Auswirkungen des höheren Effektivwertes des Läuferstroms können entweder durch einen geringeren Wicklungswiderstand beherrscht werden, was aber einen höheren Aufwand an Kupfer bedeutet, oder es werden konstruktive Maßnahmen getroffen, die z.B. durch stärkere Belüftung für bessere Kühlbedingungen sorgen. Beides ist verhältnismäßig aufwendig. Die trotzdem in einem Lastspiel bei niedrigen Strömen auftretenden größeren Oberwellenmomente und die schlechtere Ausnutzung der installierten Leistung erscheinen unvermeidlich und sind möglicherweise der Grund, warum derartige Antriebe bisher bei Drahtziehwerken, Kaltwalzwerken und anderen sehr sensiblen Arbeitsmaschinen nicht eingesetzt werden, obwohl sie
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gegenüber dem Gleichstromantrieb oftmals hinsichtlich der Kosten sowie Wartung, Wirkungsgrad und anderen Betriebsbedingungen Vorteile bieten.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, den Betrieb der umrichtergespeisten Synchronmaschine so zu verbessern, daß die Oberwellenmomente bei kleineren Strömen verringert werden. Dadurch lassen sich auch die anderen erwähnten Nachteile verringern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens und eine geeingete Vorrichtung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Anhand von η Figuren und einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert.
Gemäß Figur 1 wird dem Ständer einer Synchronmaschine 1 über einen steuerbaren Umrichter 2 ein hinsichtlich Amplitude und Frequenz veränderlicher Ständerstrom eingeprägt, während eine Erregerstromversorgung 3 die Läuferwicklung der Synchronmaschine 1 mit einem steuerbaren Erregerstrom ie speist. Ein Läuferstellungsdetektor 4 liefert den Polradwinkel Λ sowie die Drehzahl η = dX/dt, was durch den Differenzierer 41 angedeutet ist. Ein Drehzahlregler 5 bestimmt aus der Drehzahlabweichung n* - n, welches Drehmoment die Synchronmaschine zur Aufrechterhaltung des Drehzahlsollwertes η* aufbringen nuß.
Dieses Soll-Drehmoment bestimmt den drehmomentbildenden Ständerstrom der Synchronmaschine und wird als entsprechende "feldorientierte" Führungsgröße i2* einer Regel- und Steuereinrichtung 6 zugeführt. Ein Kennlinienbildner 7 ermittelt ferner die Führungsgröße il* für die magnetisierende Ständerstromkomponente auf eine Weise, die noch erläutert wird.
Bei höheren Werten von i2* gibt il* allein den Sollwert
für aiese magnetisierende Ständerstromkomponente an, wobei die Regel- und Steuereinrichtung 6 die beiden Führungsgrößen il* und i2* entsprechend den feldachsenbezogenen orthogonalen Komponenten eines Vektors zu einem
Soll-Stromvektor zusammensetzt. Die Regel- und Steuereinrichtung 6 ermittelt ferner aus den elektrischen Größen, z.B. den Istwerten für den Ständerstrom is und den
Erregerstrom ie und evt. auch der Ständerspannung, sowie aus dem Läuferstellungswinkel X die Richtung des Flusses und transformiert den feldorientierten Soll-Ständerstromvektor in entsprechende, auf den Ständer bezogene Steuergrößen für den Umrichter 2.
Ferner kann vorgesehen sein, daß in der Einrichtung 6
auch der Flußbetrag errechnet wird, um durch Regelvergleich mit einem vorgegebenen Flußsollwert Ψ * und gegebenenfalls einen unterlagerten Erregerstrom-Regelkreis die Steuergröße für die Erregerstromversorgung 3 zu liefern. Es kann aber auch vorgesehen sein, daß die Einheit 6 die entsprechende Erregerstrom-Steuergröße aus oem
Flußsollwert ψ* und dem Läuferwinkel unter Zuhilfenahme der errechenbaren Werte für die magnetisierende Ständerstromkomponente errechnet, ohne daß eine eigene Flußre-
gelung vorgesehen ist.
Ebenso kann je nach Bedarf eine Ständerstromregelung
vorgesehen sein, die im ständerorientierten Koordinatensystem den zu den Ständerstrom-Istwerten gehörenden
Stromistvektor auf den ins Ständersystem transformierten Soll-Stromvektor einregelt oder die in einem anderen Koordinatensystem die entsprechend transformierten SoIl-
und Ist-Vektoren abgleicht. Im Falle eines Zwischenkreisumrichters kann z.B. vorgesehen sein, den Zwischenkreisstrom über eine Gleichrichtersteuerung auf die Amplitude des Sollstromvektors und die Phase des Ständerstroms über
eine Phasen- und/oder Frequenzregelung auf die Phase des Sollstromvektors einzuregeln.
In Fig. 2 ist in einem Koordinatensystem, dessen Achsen V7I und ψ! parallel und senkrecht zur FluGachse ausgerichtet sind, die Ortskurve des Ständerstromvektors i_s für den Fall dargestellt, da die Maschine bei höheren Lastmomenten mit dem Lastwinkel <j?i = 90° betrieben wird. Demnach ist die magnetisierende Ständerstromkomponente il
IC. auf den Wert Null gesteuert oder geregelt und die Komponente i2 ist proportional dem aufzubringenden Lastmoment. Im Nennzustand, der mit dem Index N gekennzeichnet ist, zeigt somit der Ständerstromvektor in Richtung der Achse W2 und weist den Betrag iN = i2N auf, während bei maximaler Last der Strom i2 durch den maximalen Umrichterstrom i begrenzt ist. Der Kennliniengeber 7 in Fiq. 1 max a nd
erzeugt für diesen Spezialfall ( J^i* = 90°) den Wert Ϊ2* = Ü, d.h. er ist nicht vorhanden.
Mit geringerer Last nimmt der Strom i2 entlang der Achse ψ2 ab und würde schließlich einen Minimalwert i . unterschreiten, wobei der Strom zu lücken beginnt. Um dies zu vermeiden, wird der Umrichter so gesteuert, daß seine
V 2 ο1
il + i2 den Wert im4n nicht unterschreitet, d.h. es muß gelten:
11
In der Vorrichtung nach Fig. 1 wird der Wert imin an einer Einstellvorrichtung (Potentiometer 8) eingestellt und einem Kennlinienglied 9 eingegeben. Unterschreitet somit 12* den vorgegebenen Grenzwert im*n' was z.B. durch den Gleichrichter 10 und die Begrenzungsschaltung 11 überwacht wird, so wird das Kennlinienglied 9 aktiviert und
liefert den Zusatzsollwert AiI* = /i^2 _ i2*2 , der im Ausführungsbeispiel über das Additionsglied 12 der Einrichtung 6 zur Vorgabe des Sollwertes il* + Δ ü* für die magnetisierende Ständerstromkomponente vorgegeben wird.
Für 12* ^ imin ergibt sich daher in Fig. 2 die Komponente i2 = i2* und die magnetisierende Ständerstromomponente il = Δίΐ*, die als orthogonale feldorientierte Ständer-Stromkomponenten den Ständerstromvektor ij3 mit dem Betrag Y ilz+ i2 = imin festlegen. Der Strom beginnt also nicht zu lücken. Die jetzt vorliegende magnetisierende Ständerstromkomponente erzeugt in der Synchronmaschine einen Anteil zum Gesamtfluß ψ , so daß sich der dem Gesamtfluß proportionale und mit im bezeichnete Magnetisierungsstrom nunmehr als Summe aus der magnetisierenden Ständerstromkomponente il = AiI* und dem feldparallelen Anteil ie . cos ψ L des Erregerstroms ie ergibt, wobei mit ^f L der läuferorientierte Flußwinkel (d.h. der Winkel zwischen Läuferachse und Flußachse) bezeichnet ist.
Während z.B. im Nennzustand der Erregerstrom ie entsprechend dem konstant vorgegebenen Flußsoliwert Ψ* (d.h. einem konstant vorgegebenen Erregerstrom-Sollwert im*) auf den Wert ie = im*/cos y?L gesteuert oder geregelt ist, liefert die Einheit 6 nunmehr bei kleinen Lasten nur noch den Erregerstrom ie = (im* - &il*)/cos ψ\_.
In Fig. 3 ist das Diagramm der Fig. 2 für den Fall aufgetragen, daß mit einem Winkel ^u = 0 gefahren wird. In diesem Fall zeigt der Ständerstromvektor O1S nicht mehr genau in Richtung der Achse (^2, vielmehr ist der Winkel (^i zwischen Strom und Feld jetzt eine Funktion u3 i (12*) des Sollwertes für i2 und wird entsprechend der Bedingung f u = O vorgegeben. Der Ständerstromvektor besitzt also
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neben der feldsenkrechten vorgegebenen Komponente 12* die magnetisierende Komponente il = i * . cot Mi* (i2*), während der Erregerstrom durch (im + |il|)/cos^L gegeben ist, wobei der Magnetisierungsstrom wiederum proportional dem konstant zu haltenden Fluß vorgegeben ist. Dem Zustand mit maximalem Drehmoment entspricht dabei der Ständerstromvektor ismax· Folglich gilt für die magnetisierende Ständerstromkomponente ein funktionaler Zusammenhang mit dem durch die drehmomentbildende Stromkomponente (i2 bzw. i2*) gegebenen Lastzustand, der in Fig. 1 von dem Kennliniengeber 7 erfaßt ist.
Sinkt nun entsprechend der Vorgabe durch den Drehzahlregler 5 die Komponente i2 unter den Minimalwert im4n, so kann durch Aktivierung des Kennliniengliedes 9 entsprechend Fig. 2 ein Zusatzsollwert Äil* vorgegeben werden, der verhindert, daß die Ausgangsamplitude des Umrichters (d.h. der Betrag des Ständerstromvektors) in den Lückbereich gerät. Dabei ist es unwesentlich, ob der
2C Kennliniengeber 9 den Zusatzwert A.il* entsprechend dem in Fig. 2 dargestellten Kreissegment vorgibt oder als eine Näherungsfunktion, z.B. als der in Fig. 3 dargestellte und elektronisch leichter realisierbare Polygonzug. In jedem Fall erhöht der Kennliniengeber 9 durch Vorgabe des Zusatzsollwertes A1U* den Sollwert für die magnetisierende Ständerstromkomponente, während die in der Steuer- und Regeleinrichtung 6 vorgesehene Regelung oder Steuerung des Flusses dafür sorgt, daß der Erregerstrom entsprechend abnimmt und trotzdem der gewünschte Fluß eingehalten wird.
Im Extremfall der leerlaufenden Maschine wird also der Ständerstrom als reiner Magnetisierungsstrom vorgegeben und die Synchronmaschine wird teilweise vom Ständer, teilweise von einem entsprechend verringerten Erregerstrom so
gesteuert, daß der gewünschte FIuB, insbesondere ein konstanter Fluß, eingehalten wird. Erst mit steigender Belastung wird die magnetisierende Ständerstromkomponente allmählich bis auf die normalen, vom Kennliniengeber 7 vorgegebenen Werte reduziert und der Magnetisierungsstrom in zunehmendem Maße von der Erregerwicklung aufgebracht. Die Dynamik der Regelung, d.h. die Eigenschaften der feldorientiert betriebenen Steuer- und Regeleinheit 6 wird durch diese Maßnahme nicht beeinflußt, da die Stromregelkreise für die drehmomentbildende Ständerstromkomponente und die magnetisierende Ständerstromkomponente entkoppelt sind.
Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme läßt sich auch die Maschine insgesamt besser ausnutzen. Figur 4 zeigt ein Lastspiel, bei dem das Drehmoment M z.B. zwischen einem Maximalwert (z.B. dem doppelten Nennmoment) und dem Leerlauf mehrfach umgesteuert wird. Ohne die erfindungsgemäße Maßnahme würde bei einem Lastwinkel ψί = 90° im Leerlauf (Intervall T1 - T2) die Flußachse parallel zur Läuferachse gesteuert (d.h. ψ L = 0), was zu einer Ausgangsamplitude IIs I= 0 und einem Erregerstrom führen würde, der praktisch dem zum vorgegebenen Fluß ψ* proportionalen Magnetisierungsstrom (im) gleich würde. Im Leerlauf treten daher zwar keine Ständerverluste, aber hohe Läuferverluste auf. Bei hohem Moment wächst zwar der Ständerstrom mit dem Moment, dagegen enthält auch der Erregerstrom einen wachsenden Anteil zur Kompensation der Ankerrückwirkung und wächst daher mit wachsendem Winkel (fL auf Werte an, die - nach Umrechnung auf den Ständer größer bleiben als die Amplitude IjlsJ des Ständerstroms. Das bedeutet, daß bei gleichen Widerständen in Ständer und Läufer stets im Läufer die höheren Verluste auftreten.
Durch die erfindungsgemäße Maßnahme jedoch wird während des Leerlaufs der magnetisierende Ständerstromanteil soweit angehoben, daß der Strom nicht in den Lückbereich eintritt. Dadurch wird ein vom Lückbetrieb bedingtes Anwachsen der Oberwellenmomente verhindert. Gleichzeitig wird aber der Erregerstrom gegenüber dem gesamten Magnetisierungsstrom im verringert, so daß sich die Werte für ie und is einander angleichen. Insgesamt wird also Effektivwert des Läuferstroms auf Kosten des Effektivwerts des Ständerstroms geringer und auch die Verluste sind gleichmäßiger verteilt. Daher kann die Maschine besser ausgenutzt werden. Ferner ergibt sich bei Mittelung über ein derartiges lastspezifisches Lastspiel eine geringere Blindleistungsaufnahme aus dem Netz, was ebenfalls häufig sehr vorteilhaft sein kann.
4 Patentansprüche
3 Figuren
-η-
Leerseite -

Claims (4)

  1. Patentansprüche
    l.jverfahren zum Betrieb einer umrichtergespeisten SyncTironmaschine, wobei
    5
    a) Führungsgrößen (il*, i2*) für die feldsenkrechte und die feldparallele Ständerstromkomponente der Synchronmaschine gebildet werden,
    b) aus den Führungsgrößen und dem Feldwinkel Steuergrößen für den Umrichter gebildet werden, und
    c) der Erregerstrom entsprechend der feldparallelen Ständerstromkomponente und einem vorgegebenen Feld-Sollwert (ψ*) geregelt oder gesteuert wird,
    dadurch gekennzeichnet, daß ein Mindestbetrag für den Ständerstrom eingehalten wird, indem bei Absinken der Last die Führungsgröße der feldparallelen Ständerstromkomponente auf Kosten des Erregerstroms erhöht wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Betriebszuständen, bei denen die Führungsgröße i2* der feldsenkrechten Ständerstromkomponente unter einem Minimaiwert imin liegt,
    die Führungsgröße der feldparallelen Stromkomponente nach _
    (i . ) - i2* oder einer Näherungsfunktion bestimmt wird.
  3. 3. Vorrichtung zum Betrieb einer umrichtergespeisten Synchronmachine, mit einer Steuer- und Regeleinrichtung (6), die der Synchronmaschine (1) durch Führungsgrößen (il*, i2*) gegebene Werte für die feldparallele Ständerstromkomponente, die feldsenkrechte Ständerstromkomponente und den Erregerstrom einprägt, gekennzeichnet durch einen Sollwertgeber (5 - 12),
    - J* - VPA W P 3 2 6 2 DE
    der bei absinkendem Drehmoment der Last den Sollwert für die feldparallele Ständerstromkomponente erhöht und den Sollwert für den Erregerstrom so erniedrigt, daß ein vorgegebener Fluß eingehalten wird. 5
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Drehzahlregler (5) zur Bildung der Führungsgröße (i2*) für die feldsenkrechte Ständerstromkomponente, Mittel (7) zur Bildung der Führungsgröße für die feldparallele Ständerstromkomponente (il*), ein Kennlinienglied (9), das bei Absinken der Führungsgröße für die feldsenkrechte Ständerstromkomponente einen Zusatzsollwert ( Δίΐ*) erzeugt, ein Additionsglied (12) für den Zusatzsollwert und die Führungsgröße für die feldparallele Ständerstromkomponente, und Mitteln, die den Erregerstrom in Abhängigkeit von dem vom Ständerstrom induzierten Feld auf einen vorgegebenen, insbesondere konstanten Fluß regeln.
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