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Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen des Läuferwider-
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standes einer Drehfeldmaschine sowie deren Anwendung Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zum Ermitteln des Läuferwiderstandes einer Drehfeldmaschine,
insbesondere im Stillstand oder bei niedriger Last (z.B. Leerlauf), mit den Merkmalen
des Oberbegriffs des Anspruchs 1 (DE-OS 30 34 251 - VPA 80 P 3166).
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Um die rechnerische Behandlung vektorieller Größen sowie die entsprechenden
Rechenelemente zu erläutern, wird im folgenden eine den Erfordernissen der Drucktechnik
und der Datenverarbeitung angemessene Nomenklatur eingeführt und anhand von Figur
1 erläutert.
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Ausgangspunkt ist eine Behandlung einer Drehfeldmaschine, an der zwei
aufeinander und auf der Rotationsachse senkrechte, raumfeste Bezugsachse S1 und
S2 ausgezeichnet sind. Die Läuferachse oder irgendeine andere Größe, die nur durch
Angabe einer Richtung und ohne Rücksicht auf einen Betrag gegeben ist, wird dann
durch einen Winkel A(S) bezüglich der Achse S1 angegeben, der die polare Richtungskomponente
des in diese Richtung zeigenden Einheitsvektors EA(S) oder in mathematisch gleichwertiger
Weise über die Winkel funktionen EA(S1) = cos A (S) (1) EA(S2) = sin A (S) die "S-bezogenen
kartesischen Komponenten" von EA(S) bestimmt. Die Umrechnung der polaren Richtungskomponente
("Winkel") A(S) in EA(S1) und EA(S2) geschieht über einen "p/K"-Wandler, der im
einfachsten Fall aus einem Sinus/ Cosinus-Funktionsgenerator besteht, während die
inverse
Umrechnung durch einen "K/p"-Wandler gemäß EA(S2) A(S) =
arc tan EA(S2) geschieht.
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Allgemein steht EA(S) auch als Abkürzung für eine auf ihren mit A
bezeichneten Betrag (Al normierte vektorielle Größe A (d.h. für den Vektor A/IAI),
deren Richtung in einem polaren, auf Sl bezogenen Koordinatensystem durch die Winkelkoordinate
A(S) und in einem durch zwei Achsen S1 und S2 gegebenen kartesischen Koordinatensystem
durch die beiden Komponenten gemäß (1) gegeben sind.
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Muß auch der Betrag A der vektoriellen physikalischen Größe berücksichtigt
werden, so ist die entsprechende S-bezogene vektorielle Größe durch ein Wertepaar
zu erfassen, das als VA(S) bezeichnet und über Signal-Doppelleitungen (in Schaltbildern
als Doppelpfeile dargestellt) zu übertragen und bei Additionen, Integrationen, Differentiationen,
Multiplikationen, Glättungen etc. entsprechend der Vektorrechnung komponentenweise
ist.
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zu verarbeiten} Bei Polardarstellung ist VA(S) durch A und A(S) und
bei kartesischer Darstellung durch A(Sl) = A . cos A(S), A(S2) = A . sin A(S) gegeben,
wobei gilt: VA(S) = A . EA(S) mit: A(Sl) = A . EA(Sl) = A . cos A(S) (2) A(S2) =
A . EA(S2) = A . sin A(S).
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Werden die Komponenten A(Sl) und A(S2) des Vektors VA(S) einem (auf
kartesische Ausgangsgrößen arbeitenden) Vektor analysator" eingegeben, so bildet
dieser daraus den Betrag A und den Einheitsvektor EA(S) gemäß
während umgekehrt aus A und EA(S) der Vektor VA(S) durch einfache
Multiplikation der Komponenten EA(Sl), EA(S2) mit A entsteht.
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Wird dem das EA(S)-Signal liefernden Ausgang ("Vektorausgang") des
Vektoranalysators ein K/p-Wandler nachgeschaltet, so entsteht der allgemeine Fall
des K/p-Wandlers für den Übergang kartesisch > polar, während ein allgemeiner
p/K-Wandler aus der (polaren) Betragskomponente A und (polaren) Richtungskomponente
A(S) die kartesischen Komponenten A(Sl) und A(S2) nach der Beziehung (2) liefert.
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Da der Winkel A(S) und der Einheitsvektor EA(S) mathematisch äquivalent
sind, handelt es sich also bei einem K/p-Wandler um einen "auf polare Ausgangsgrößen
arbeitenden Vektoranalysator".
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Werden bei Vorgabe eines Dreh-Winkels, z.B. L(S) in Fig.l, die Achsen
Sl und S2 um L(S) gedreht, so ergeben sich die Achsen Ll und L2, die ein gedrehtes
Koordinatensystem festlegen. Die vektorielle Größe VA(S) geht dann bezüglich der
Achsen L1, L2 in die vektorielle Größe VA(L) mit der neuen, "L-bezogenen" polaren
Richtungskomponente A(L) = A(S) - L(S) (3) und unverändertem Betrag über. Die entsprechende
Transformation VA(S)-*VA(L) der kartesischen Komponenten A(S1) und A(S2) in die
kartesischen Komponenten A(Ll) und A(L2) kann durch Hintereinanderschaltung von
K/P-Wandlung, Winkelsubtraktion gemäß (3) und P/K-Wandlung, oder - einfacher - einen
"Vektordreher" erfolgen, dem an einem Vektorsignaleingang VA(S) in Form von A(Sl)
und A(S2) und an einem Winkelsignaleingang der Drehwinkel als EL(S), d.h.
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als cos L(S) und sin L(S) zugeführt sind.
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Physikalische Größen sind unabhängig vom zu ihrer mathematischen Darstellung
benötigten Koordinatensystem, so daß die physikalische Größe in Beziehungen, bei
denen es auf ihre Darstellung nicht ankommt und die wahlweise in einem beliebigen
Bezugssystem mathematisch dargestellt werden können, häufig auf das in Klammern
gesetzte Bezugssystem verzichtet wird. Ist also z.B. bezüglich einer raumfesten
Achse Sl mit L(S) der Läuferstellungswinkel, mit F(S) den Drehfeldachsen-Lagewinkel
und mit F der Betrag des Drehfeldes einer Drehfeldmaschine bezeichnet, so gibt gemäß
Fig. 1 also der Vektor EL die d-Achse des Läufers, der Einheitsvektor EF die Drehfeldachse
und der Vektor VF das Drehfeld selbst an. Mit F (L1) und F (L2) sind die Feldstärke
in der d- und q-Achse entsprechend den Projektionen des Vektors VF auf L1 und L2
und mit F(Sl) und F(S2) sind die Feldstärken in der Sl- und S2-Achse des Ständers
entsprechend den jeweiligen Projektionen bestimmt.
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Moderne, hochdynamische Vierquadrantenantriebe mit Drehfeldmaschinen
arbeiten häufig mit feldorientierter Regelung, d.h. die Sollwerte für die Phasenströme
in den Ständerwicklungen, die zu einem Ständerstromvektor VI(S) zusammengesetzt
werden können, werden so vorgegeben, daß der Vektor des Soll-Ständerstromes einen
vorgegebenen Winkel I(F) mit der Achse EF(S) des magnetischen Feldes der Drehfeldmaschine
einschließt. Benutzt man zur Beschreibung des magnetischen Feldes den Vektor VF(S)des
magnetischen Flusses, so ermöglicht die feldorientierte Regelung bei Kenntnis der
Winkellage des Flußvektors, die zum Flußvektor parallele Komponente I(F1) des Ständerstromes
(Magnetisierungsstrom) und die zum Flußvektor senkrechte Komponente I(F2) (Wirkstrom)
unabhängig voneinander so vorzugeben, daß über den Magnetisierungsstrom die Stärke
des Feldes und über den Wirkstrom das Drehmoment bzw. die Drehzahl eingestellt werden
können.
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Eine auf diese Weise gesteuerte oder geregelte Drehfeldmaschine ist
in der DE-OS 30 26 202 (VPA 80 P 3107) beschrieben. Die für die Feldorientierung
nötige Information über den Flußvektor wird dabei von einer Detektorschaltung geliefert,
der Meßwerte für den Ständerstrom und die Ständer spannung zugeführt sind und die
daraus den EMK-Vektor und durch Integration den Flußvektor der Maschine ermittelt.
Da jedoch die für die Integration erforderlichen Integratoren eine Nullpunktdrift
aufweisen und außerdem bei niedrigen Frequenzen die Meßwerte für die Ständerspannung
nur ungenau sind, führt ein derartiges,"Spannungs-Fluß-Modell" oder "Spannungsmodell"
genanntes Rechenmodell nur zu einer ungenauen Bestimmung des Flußvektors.
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Daher ist in dieser Offenlegungsschrift eine Rechenmodellschaltung
("Strom-Fluß-Modell" oder "Strommodell" genannt) vorgesehen, der Meßwerte für den
Ständerstrom und die Läuferstellung der Maschine zugeführt sind und die unter Berücksichtigung
eines Parameterwertes für den Läuferwiderstand einen zusätzlichen Modellvektor für
den Flußvektor errechnet. Diese Berechnung bildet die Entstehung des Flusses aus
Strom und Spannung in einem dynamischen Rechenmodell nach.
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Da sowohl der Flußvektor wie dessen Modellvektor jeweils zwei Bestimmungsgrößen
(z.B. Betrag und Winkel oder kartesische Komponenten des Vektors in einem geeigneten
Bezugssystem) aufweisen, wird jeder Vektor durch zwei Bestimmungsgrößen dargestellt.
Aus jeweils einer Bestimmungsgröße des Flußvektors und des Modellvektors wird die
Differenz gebildet und einem Nullpunktregler zugeführt, so daß die Ausgangsgrößen
der beiden Nullpunktregler einen Korrekturvektor darstellen, der nun im EMK-Detektor
dem EMK-Vektor bei der zum Flußvektor führenden Integration aufgeschaltet wird.
Dadurch wird erreicht, daß die Abweichung zwischen dem im Spannungsmodell (EMK-Detektor)
gebildeten
Flußvektor und dem im Strommodell errechneten Modellvektor
des Flußvektors stationär auf den Wert Null ausgeregelt wird. Es wird also sowohl
eine Nullpunktdrift der Integratoren wie auch eine bei niedrigen Frequenzen durch
die niedrigen Eingangspegel der Spannungsmeßwerte verursachte begrenzte Verarbeitungsgenauigkeit
des Spannungsmodells korrigiert. Bei niedrigen Frequenzen bestimmt somit der Modellwert
des Flußvektors im wesentlichen die Richtung des im EMK-Detektor ermittelten Flußvektors,
während jedoch bei höheren Frequenzen der Einfluß des (dynamisch ungenaueren) Strommodells
geringer wird.
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Dieses bekannte "adaptive Spannungs-Flußmodell" arbeitet mit den kartesischen
Komponenten des Flußvektors. Es ist aber auch ein adaptives Spannungsmodell vorgeschlagen
worden, das mit den Polarkoordinaten der Vektoren als Bestimmungsgrößen arbeitet
(nicht vorveröffentlichte deutsche Patentanmeldung P 33 19 350.9).
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Für die Richtungsbestimmung des Flußvektors ist demnach zumindest
bei niedrigen Frequenzen erforderlich, daß das Strommodell den tatsächlichen Flußvektor
hinreichend genau abbildet, was aber nur möglich ist, wenn die dazu verwendete dynamische
Rechenschaltung einen hinreichend genauen Parameterwert für den tatsächlichen Läuferwiderstand
der Maschine verarbeitet. Dieser Läuferwiderstand ist einer direkten Messung nicht
zugänglich und außerdem während des Betriebs infolge seiner Abhängigkeit von der
stark veränderlichen Läufertemperatur nicht konstant. Man benötigt daher eine Information
über den Läuferwiderstand.
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Dies ist nicht nur bei Verwendung eines adaptiven Spannungsmodells,
sondern insbesondere auch bei Verwendung eines nichtadaptierten Strommodells nötig.
Auch bei anderen Steuerverfahren, z .B. einerSchlupffrequenzsteuerung einer Asynchronmaschine
mit einer vom Schlupffrequenz-
sollwert abhängigen Amplitude des
Stromes, ist eine Kenntnis des Läuferwiderstandes wünschenswert oder erforderlich.
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In der DE-OS 30 34 251 ist eine Ermittlung des Läuferwiderstandes
einer Asynchronmaschine beschrieben, die zunächst auch aus den Ständerströmen (Stromvektor
VI) und den Ständerspannungen (Spannungsvektor VU) sowie Parametern für den Ständerwiderstand
RS und die Streuinduktivität LST den EMK-Vektor VE = VU - RS . VI - LST d VI und
ggf.
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dt daraus den Flußvektor VF =fVI dt ermittelt (Spannungsmodell).
Ferner ist ebenfalls eine Rechenschaltung vorgesehen, die aus der Läuferstellung
(Vektor EL) dem Ständerstromvektor VI und einem einstellbaren Läuferwiderstand-Parameter
RL einen Modell-Flußvektor VF und ggf. einen Modell-EMK-Vektor VE = d/dt VF berechnet.
Sind die Parameter RS und LST des Spannungsmodells hinreichend genau justiert, so
weichen die vergleichbarenVektoren VE und VE bzw. VF und VF nicht voneinander ab.
Daher kann die Abweichung zweier einander entsprechender Bestimmungsgrößen (also
z.B. Betrag, Winkel oder eine kartesische Komponente) der vergleichbaren Vektoren
dazu verwendet werden, um den Läuferwiderstandsparameter RL in der Rechenschaltung
(Strommodell) solange nachzustellen, bis die Differenz verschwindet und beide Vektoren
deckungsgleich werden.
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Dieses bekannte Verfahren ist eine statische Methode, da die stationären
Abweichungen zwischen den beiden Vektoren ausgeregelt werden. Es arbeitet nur dann
mit hoher Genauigkeit, wenn die Drehfeldmaschine belastet ist und mit höheren Frequenzen
betrieben wird, da die im Spannungsmodell verarbeitete EMK die wesentliche Information
für den richtigen Abgleich des Läuferwiderstands-Parameters liefert. Insbesondere
für das Anfahren aus dem Stillstand und für niedrige Frequenzen ist es daher wünschenswert,
den Läuferwiderstand nach einem anderen Verfahren zu bestimmen.
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In der DE-OS 30 34 252 (VPA 80 P 3167) ist in Figur 7 ein weiteres
Verfahren beschrieben, das unter Verwendung eines EMK-Detektors (Spannungsmodell)
und eines Strommodells auf ähnliche Weise eine Bestimmung des Läuferwiderstands-Parameters
durch Abgleich der beiden Modelle zu berechnen gestattet. Dieses Verfahren benutzt
daneben noch ein drittes Modell, das den Flußvektor aus dem Ständerspannungsvektor
und dem Läuferwinkel berechnet. Dieses Verfahren beruht darauf, daß die Blindkomponente
der jeweiligen EMK-Vektoren durch Veränderung des Läuferwiderstandsparameters abgeglichen
wird, während eine Differenz der Wirk-EMK-Komponenten zur Ausregelung des Ständerwiderstands-Parameters
RS im EMK-Detektor verwendet wird. Auch dieses Verfahren ist jedoch im Leerlauf
bzw. in der Nähe des Stillstandes der Maschine nicht hinreichend genau.
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Ein weiteres Abgleichverfahren ist in der DE-OS 30 34 275 beschrieben
und dient zur Bestimmung der Parameterwerte für Ständerwiderstand, Hauptinduktivität
und Streuinduktivität einer Asynchronmaschine. Für das erfindungsgemäße Verfahren
kann davon ausgegangen werden, daß der Ständerwiderstandsparameter RS und der Streuinduktivitätsparameter
LST hinreichend genau bekannt sind.
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Schließlich sei darauf hingewiesen, daß die im folgenden am Beispiel
einer Asynchronmaschine beschriebene Erfindung allgemein für Drehfeldmaschinen verwendbar
ist, da sich der EMK-Detektor zur Erfassung der EMK bzw. des Flusses bei einer Synchronmaschine
nicht von dem entsprechenden Spannungsmodell einer Asynchronmaschine unterscheidet,
während entsprechende Strommodellschaltungen, die den Fluß bei Kenntnis des Läuferwiderstandes
aus dem Spannungsvektor und der Läuferstellung durch Nachbildung der dynamischen
Vorgänge der Maschine ermitteln, sowohl für Synchronmaschinen wie für Asynchronmaschinen
bekannt sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weitere Möglichkeit
zur Bestimmung des Läuferwiderstandes anzugeben. Diese Läuferwiderstandsbestimmung
ist nicht auf einen Betrieb bei höheren Frequenzen oder bei nennenswerter Last beschränkt,
insbesondere kann sie im Stillstand oder im Leerlauf angewendet werden. Ferner handelt
es sich dabei um eine dynamische Methode, die für die Bestimmung des Läuferwiderstandes
nicht von einer Ausregelung stationärer oder quasi-stationärer Zustände ausgeht,
sondern vielmehr nur die Unterschiede auswertet, die sich bei einem dynamischen
Aufbau des Flusses ergeben, d.h. bei Änderung des Magnetisierungsstroms der Drehfeldmaschine.
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Dies wird erreicht durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1. Eine entsprechende Vorrichtung ist im Anspruch 7 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten. Insbesondere ergibt sich dabei
die Möglichkeit, die Erfindung gemäß Anspruch 6 bei einer feldorientierten Steuerung
oder Regelung einer Drehfeldmaschine mit einem eingangs erläuterten adaptiven Spannungsmodell
anzuwenden.
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Anhand eines Ausführungsbeispieles und zweier weiterer Figuren ist
die Erfindung näher erläutert. Figur 2 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens und ihre Anwendung bei der Steuerung einer Drehfeldmaschine. Figur
3 zeigt den Verlauf des Flußbetrages und des Modell-Flußbetrages sowie die zur Justierung
des Läuferwiderstands-Parameters herangezogenen Integrale.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 wird eine Asynchronmaschine 1
über einen Zwischenkreisumrichter gespeist, dessen netzseitiger Stromrichter 2 die
Einstellung der Stromamplitude I ermöglicht, während durch den lastseitigen Stromrichter
3 Frequenz und Phase (also der Vektor EI(S)) des Ständerstroms vorgegeben wird.
Die Steuer-
größen für die Steuersätze 10 und 12 bestimmen somit
den ständerorientierten Vektor VI(S) des Ständerstroms, der der Umrichterregelung
als feldorientierter Sollvektor VI(F)* zugeführt wird. Die in der Teilfigur 2a gezeigte,
bekannte feldorientierte Anordnung ist mit entsprechender Abwandlung selbstverständlich
auch für andere Umrichter, z.B. Pulsumrichter oder Direktumrichter, anwendbar, wobei
gegebenenfalls im Vektordreher 8 die Koordinatentransformation VI(F)* bVI(S)* durchgeführt
und der Stromvektor VI(S)* einer Stromregelung unterzogen wird.
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Die feldparallele Komponente I(F1)* bestimmt dabei als Magnetisierungsstrom
den Betrag F des Flusses und kann daher mittels eines Flußreglers 4 aus der entsprechenden
Regelabweichung (F* - F) gebildet werden. Die feldsenkrechte Komponente I(F2)* des
Sollstromvektors wirkt als Wirkstrom linear auf die Bildung des Drehmomentes und
kann mittels eines Drehzahlreglers 5 aus der Abweichung der Umlaufgeschwindigkeit
d/dtL(S), die mittels eines entsprechenden Läuferstellungsdetektors 6 an der Asynchronmaschine
1 abgegriffen wird, von einem entsprechenden Sollwert ddtL(S)* bestimmt werden.
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dt Der durch die beiden feldorientierten kartesischen Komponenten
I(Fl)* und I(F2)* vorgegebene feldorientierte Sollvektor VI(F)* wird mittels eines
Vektoranalysators 7 in den Sollstrom-Betrag I* und den Soll-Einheitsvektor EI(F)*
aufgespalten. Ein Vektordreher 8 transformiert diesen feldorientierten Strom-Einheitsvektor
mittels des die Feldachse festlegenden ständerorientierten Einheitsvektors EF(S)
in seine beiden ständerorientierten Komponenten EI(S1), EI(S2), aus denen ein 2/3-Wandler
9 die entsprechenden Einzel-Phasensteuersignale für den Steuersatz 10 liefert. Der
Sollbetrag I* dagegen wird mit dem entsprechenden Ist-Strombetrag I verglichen,
um mittels eines Stromreglers 11 die Steuergröße für den Steuersatz 12 zu bilden.
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Diese feldorientierte Umrichterregelung, die natürlich auch auf andere
Weise vorgenommen werden kann, benötigt neben dem Betrag F des Flusses insbesondere
die Information über die Feldachse EF(S). Diese Größen werden in diesem Beispiel
von einem Vektoranalysator 13 aus einem errechneten ständerorientierten Vektor VF(S)
für den Fluß bestimmt.
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Dieser Flußvektor VF(S) ist an einer Detektorschaltung 14 abgegriffen,
der Meßwerte für den Ständerstromvektor VI(S) und den Ständerspannungsvektor VU(S)
zugeführt sind.
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Diese Vektoren können mittels entsprechender 3/2-Wandler an den Klemmen
der Maschine 1 abgegriffen werden. Die Detektorschaltung 14 selber arbeitet so,
daß aus Strom und Spannung zunächst der EMK-Vektor VE(S) = VU(S) - RS . VI(S) -
L ST . dt VI(S) dt gebildet wird. Im Schaltzeichen für den Detektor 14 ist angedeutet,
daß dieser EMK-Vektor VE(S) nach einer Additionsstelle 16 im Integrator 17 in den
entsprechenden Flußvektor VF(S) =JVI(S) . dt umgewandelt wird. Dem nach Fig. 2 verwendeten
Detektor 14 ist außerdem ein errechneter Hilfsvektor VF(S) für den Fluß zugeführt
und die vektorielle Differenz VF(S) - VF(S) ist über Nullpunktregler 15 zur Additionsstelle
16 rückgeführt.
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Diese Ausführung der Detektorschaltung 14 stellt sicher, daß bei hohen
Frequenzen, wo ein hoher Meßpegel der induzierten Ständerspannung eine hinreichend
genaue Erfassung des Spannungsvektors VU(S) ermöglicht, der Flußvektor VF(S) im
wesentlichen von diesen Meßwerten bestimmt wird, während bei niedrigen Frequenzen
der Einfluß des EMK-Vektors VE(S) nur noch korrigierend auf den durch den Hilfsvektor
VF(S) gegebenen Flußvektor einwirkt. Der Durchgriff des Nullpunktreglers 15 kann
dabei noch in Abhängigkeit von der Umlaufgeschwindigkeit d/dt L(S) der Läuferachse
korrigiert oder auch ganz ausgeschaltet
werden, wie durch einen
entsprechenden Kurzschlußschalter am Nullpunktregler 15 angedeutet ist.
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Der Hilfsvektor VF(S) beschreibt einen Modellfluß und ist an einer
Rechenmodellschaltung 18 abgegriffen, der neben dem aus den Strommeßwerten gewonnenen
Ständerstromvektor VI(S) auch die Läuferstellung zugeführt ist, die beispielsweise
in Form des Einheitsvektors E1(S) verarbeitet wird. Ferner enthält die Rechenmodellschaltung
18 eine Eingangsleitung 19, an der ein Parameterwert RL für den Läuferwiderstand
eingegeben werden kann. Dieser Parameterwert dient dazu, um an einen Multiplizierer
19a die Integrationskonstante eines Integrators 20a einzustellen. Der Integrator
berechnet aus dem Quotienten der zum Modellfluß VF(S) senkrechten Ständerstromkomponente
I(F2) und A einem Modellbetrag F des Modellflusses VF(S) (d.h. aus der Änderung
des läuferorientierten Modell-Feldwinkels F(L)) einen im Modell errechneten läuferorientierten
Feldwinkel F(L). Daher liefert der vom Integrator 20a angesteuerte cos/sin-Funktionsgeber
20' einen Einheitsvektor E F(L), aus dem der Vektordreher 21 mittels des Einheitsvektors
EL(S) den Modellfluß-Richtungsvektor EF(L) ermittelt.
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Der Modellflußbetrag F ist seinerseits durch eine Dynamikschaltung
aus der zum Modellfluß parallelen Ständerstrom-A komponente I(F1) gebildet, wobei
das Dynamikglied die Dynamik der Drehfeldmaschine nachbildet, die vor allem durch
die Läuferzeitkonstante gegeben ist, also durch die Hauptfeldinduktivität L und
dem Läuferwiderstand, der zunächst jedoch nur als geschätzter Modellparameter RL
zur Verfügung steht. Im einzelnen besteht das Dynamikglied nach Figur 2 aus einem
Multiplizierer 19b, einem als Integrator beschalteten Operationsverstärker 20b und
einem Rückführungsglied, das einen Funktionsgeber 22 enthält, der die Hauptfeldinduktivität
L in Form einer Kennlinie
berücksichtigt, um damit auch Sättigungserscheinungen
zu erfassen. An der Klemme 24 steht somit der Modellfluß-Betrag F an.
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Die auf den Modellfluß orientierten Komponenten des Stromvektors können
dabei mittels eines Vektordrehers 23 aus dem ständerorientierten Stromvektor VI(S)
und über den Vektordreher 21 rückgeführten Modell-Feldwinkel F( 5) bzw. EF(S) berechnet
werden, und ebenso kann der Modellfluß-Vektor VF(S) durch komponentenweise Multiplikation
des Einheitsvektors EF(S) mit dem Modellbetrag F gebildet und an einer Klemme 25
bereitgestellt werden.
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Diese bisher geschilderten Teile der Anordnung ermöglichen es also,
aus elektrischen Größen der Drehfeldmaschine und dem Parameterwert RL den Flußwinkel
f(S) bzw. den entsprechenden Einheitsvektor Ef(S) derart zu bilden, daß die feldorientierten
Komponenten des Stromvektors in dem Maße entkoppelt gesteuert oder geregelt werden
können, A in dem der Parameter RL exakt vorgegeben wird und daher der Modellvektor
VF(S) den tatsächlichen Fluß beschreibt.
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Wird deshalb an einer Einstelleinrichtung (Potentiometer 30) ein konstanter
Wert eingestellt, der z.B. dem Läuferwiderstand bei kalter Maschine entspricht,
so ermittelt die Rechenmodellschaltung 15 in dem Maße falsche Vektoren VF(S), wie
sich der Läuferwiderstand infolge von z.B.
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temperaturbedingten Widerstandsänderungen ändert. Andererseits ist
die Detektorschaltung 14 bei der Ermittlung der EMK bzw. des Flusses von dem Läuferwiderstand
unabhängig und es läßt sich zeigen, daß de Abweichung der jeweils in den Schaltungen
14 und 15 errechneten Flüsse bzw. der EMK-Werte weitgehend von der Ungenauigkeit
des Parameters RL bestimmt ist.
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Deshalb ist eine Reglerstufe vorgesehen, die den Parameter RL solange
korrigiert, bis die beiden Flußvektoren VF(S) und VF(S) bzw. die entsprechenden
EMK-Vektoren VE(S) und VE(S) praktisch deckungsgleich sind. Als Maß für die Gleichheit
der beiden Vektoren wird insbesondere die Differenz der jeweiligen Vektorbeträge
verwendet und dem Regler der Reglerstufe zugeführt, dessen Ausgangssignal dadurch
zum Verstellen des Paramterwertes RL verwendet wird, daß sie an einem Summationsglied
32 zum Anfangswert des Parameters, der am Potentiometer 30 eingestellt ist, addiert
wird.
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Das bisher beschriebene Verfahren zur Bestimmung des Läuferwiderstandes
besteht also darin, daß im EMK-Detektor 14 aus Strom und Spannung der Maschine der
Betrag des EMK- oder Flußvektors ermittelt wird. Gleichzeitig errechnet die Rechenmodellschaltung
18 aus Strom, Läuferstellung und dem einstellbaren Modellparameter für den Läuferwiderstand
der Maschine einen Modellbetrag für den EMK-oder Flußvektor. In der Reglerstufe
wird die Differenz der Beträge gebildet und durch Veränderung des Modellparameters
abgeglichen, wobei der durch den Abgleich gebildete Modellparameter den Läuferwiderstand
bestimmt.
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Dieses Verfahren ist an sich aus der erwähnten deutschen Offenlegungsschrift
DE-A1 -30 34 251 bekannt, wobei dort die Differenzbildung in der Reglerstufe ständig
aktiviert ist. Das Verfahren arbeitet dann allerdings nur zufriedenstellend, wenn
Drehzahl und Last der Maschine bestimmte Minimalwerte überschreiten. Im Stillstand
bzw. bei niedrigen Drehzahlen sowie im Leerlauf der Maschine werden keine befriedigenden
Ergebnisse erreicht. Ähnliche Einschränkungen gelten bei dem Verfahren nach der
DE-A1-30 34 252, bei der die Rechenmodellschaltung von Meßwerten für Spannung und
Läuferwinkel ausgeht und zur
Bestimmung des Läuferwiderstandes
die Blindkomponente der beiden EMK-Vektoren abgeglichen wird.
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Demgegenüber sieht die Erfindung nun vor, daß zur Bestimmung des Läuferwiderstandes
die Magnetisierungsstromkomponente des Ständerstroms vorübergehend verändert wird
und nur die mit dieser Änderung korrelierten Differenzen der Beträge zum Abgleich
verwendet werden.
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Die Änderung der Magnetisierungsstromkomponente kann z.B.
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dadurch vorgenommen werden, daß von einem Impulsgenerator, z.B. einem
durch Schließen eines Schalters 28 aktivierbaren Potentiometer 29, impulsartige
Zusatzsollwerte £jF* auf den Sollwerteingang des den Magnetisierungsstrom-Sollwert
I(F1)* liefernden Flußreglers 4 oder auf einen anderen, den Magnetisierungsstrom
bestimmenden Sollwert aufgeschaltet werden. Diese pulsartige Aufschaltung des Zusatzsollwertes
kann periodisch erfolgen, sie kann aber auch betriebsabhängig immer dann vorgenommen
werden, wenn sich die Maschine in einem Betriebszustand befindet, in dem die durch
den Zusatzsollwert bedingte, geringfügige Änderung des Magnetisierungsstromes sich
besonders wenig störend auf den Betrieb der Maschine auswirkt.
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Eine besonders ausgeprägte Änderung der Magnetisierungsstromkomponente
liegt insbesondere vor, wenn die Maschine im Stillstand auf den Flußsollwert F*
erregt wird. Diese anfängliche Erregung wird nach der DE-OS 31 12 010 auch dazu
verwendet, um zum Anfahren den Startwert des Läuferwinkels festzulegen, und kann
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kombiniert werden. Anschließend wird zu geeigneten
Zeitpunkten (insbesondere bei praktisch leerlaufender Maschine) über den Pulsgenerator
28, 29 die Magnetisierung jeweils vorübergehend gegenüber dem betriebsmäßigen Sollwert
F* verschoben.
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Während bei den bekannten Verfahren die Fluß- bzw. EMK-Vektoren abgeglichen
werden, die sich insbesondere bei stationärem Betrieb der Drehfeldmaschine ergeben,
geht die Erfindung davon aus, daß sich bei einer plötzlichen Änderung des Magnetisierungsstromes
der zum veränderten Magnetisierungsstrom gehörende Vektor in den Schaltungen 14
und 18 in einem unterschiedlichen dynamischen Vorgang aufbaut, wobei die Abweichung
zwischen VF(S) und VF(S) bzw. VE(S) und VE(S) von dem Parameterwert RL abhängt.
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VE4(S) als d abhängt.
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Dabei kann VE(S) jederzeit als dt VF(S) in der Rechenmodellschaltung
18 gebildet werden.
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Figur 3 zeigt, wie sich bei einem zu F* gehörenden betriebsmäßigen
Magnetisierungsstrom-Sollwert I(F1)*, der im Zeitintervall tl bis t2 um den Zusatzsollwert
o I(F1)* erhöht wird, die beiden Flußbeträge F und F mit unterschiedlicher Krümmung
verändern, wobei die Krümmung von F bei einem hinreichend exakt eingestellten Wert
für die Hauptfeldinduktivität im wesentlichen dem Läuferwiderstandsparameter RL
proportional ist. Folglich stellt die Differenz (F-F) ein Maß für die Genauigkeit
dieses Parameters dar. Diese Differenz ist insofern mit den Zeitpunkten tl und t2
korreliert, als sie mit wachsendem Abstand von den sprunghaften Änderungen des Magnetisierungsstromsollwertes
abklingt.
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Daher wird für den Abgleich nur die korrelierte Differenz, d.h. die
in einem kurzen Zeitintervall AT nach jeder Änderung auftretenden Werte der Differenz,
verwendet.
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Figur 3 zeigt allerdings, daß das Vorzeichen der Differenz bei unveränderter
Parametereinstellung davon abhängig ist, ob der Magnetisierungsstrom vergrößert
oder verkleinert wird. Dies kann beim Abgleich dadurch berücksichtigt werden, daß
entweder nur die mit einem einzigen der beiden Zeitpunkte tl und t2 korrelierten
Werte der Differenz berücksichtigt werden, oder daß durch eine Umschaltung die Polarität
der Differenz jeweils entsprechend dem Vorzeichen
der Magnetisierungsstromänderung
umgeschaltet wird.
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Daher ist bei der Anordnung nach Fig. 2 ein Zeitsteuerwerk 31 vorgesehen,
das einerseits den Schalter 28 steuert, mit dem in die Vorgabe der Steuergröße für
die Magnetisierungsstromkomponente I(F1)* eingegriffen wird, andererseits dafür
sorgt, daß an der Klemme 24 und einer Leitung 33 abgegriffene und mittels eines
Subtraktionsglieds 32 A gebildete Differenz (F-F) nur für die vorgegebene Korrelationszeit
A T auf den Eingang eines Reglers 33 der erwähnten Reglerstufe gegeben wird. Zwei
Schalter 34 und 35 sind zwischen dem Subtraktionsglied 32 und dem Regler 33 angeordnet
und schalten die Differenz entweder mit positivem oder mit negativem Vorzeichen
(Invertierer 36) auf den Regler. Der Schalter 34 wird dabei z.B. vom Ausgangssignal
einer Kippstufe 42 (Zeitkonstante bT) betätigt, die von der positiven Einschaltflanke
eines in einem Impulsgenerator 41 zum Zeitpunkt tl erzeugten Impulses angestoßen
wird. Während der Schließzeit des Schalters 34 ist der Schalter 35 geöffnet. Zum
Zeitpunkt t2 wird mit der Abschaltflanke des vom Impulsgenerators 41 gelieferten
Impulses eine Kippstufe 43 (Zeitkonstante a T) angestoßen, die ihrerseits den Schalter
35 schließt, während der Schalter 34 geöffnet ist.
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Solange somit die Differenz (F-F) über einen der Schalter auf den
Regler 33 aufgeschaltet ist, liefert dieser ein Zusatzsignal, mit dem der am Potentiometer
30 eingestellte Anfangswert des Parameters RL über ein Additonsglied 37 verändert
wird. Der Regler 33 ist als Integrator ausgebildet, so daß das bei der letzten Freigabe
der Differenz am Regler gebildete Ausgangs signal gespeichert und der Rechenmodellschaltung
18 zugeführt wird, die somit den jeweils zwischen einzelnen Abgleichvorgängen gebildeten
Parameterwert RL beibehält.
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Prinzipiell kann die Leitung 33 am Betragseingang des Vektoranalysators
13 angreifen und die Größe F führen. Da allerdings die Detektorschaltung 14 mittels
des Nullpunktreglers 15 und des Hilfsvektors VF(S) so betrieben wird, daß zumindest
bei stationären Zuständen die beiden Vektoren VF(S) und VF(S) zusammenfallen, sind
die beiden Beträbereits ge F und FYaneinander gekoppelt, was beim Abgleich der Differenz
F-F stören kann. Daher ist am Nullpunktregler 15 durch einen Kurzschlußschalter
angedeutet, daß während der jeweiligen Korrelationszeiten a T, d.h. während des
Abgleichs der beiden Beträge, diese Nullpunktregelung außer Eingriff gebracht werden
kann, so daß die beiden Schaltungen 14 und 18 den Aufbau des Flusses entsprechend
Fig. 3 unabhängig voneinander erfassen.
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Da allerdings der an der Detektorschaltung 14 abgegriffene Vektor
VF(S) zur Steuerung der Drehfeldmaschine verwendet wird, können derartige Umschaltungen
beim Betrieb der Maschine stören. Diese Störungen werden umgangen, wenn auf die
Inaktivierung des Nullpunktreglers 15 verzichtet wird und der Regelschaltung nicht
die Differenz der Flußbeträge, sondern der EMK-Beträge aufgeschaltet wird. An die
Leitung 33 wird dann der Betrag des dem Summationsglied 16 zugeführten EMK-Vektors
VE(S) angelegt, der somit schaltungstechnisch vor dem Eingriff des Nullpunktreglers
abgegriffen ist. Hierbei kann allerdings nachteilig sein, daß der EMK-Vektor bei
niedrigen Frequenzen von einem starken Rauschen überlagert ist. Für einen solchen
Fall z.B. kann abweichend von Fig. 2 vorgesehen sein, dem Vektoranalysator 13 nicht
den in der Detektorschaltung 14 ermittelten, sondern den in der Rechenmodellschaltung
15 gebildeten Hilfsvektor VF(S) zuzuführen. In diesem Fall greift also die Detektorschaltung
14 nicht direkt in die Ermittlung des Flußvektors ein, vielmehr dient sie lediglich
als Hilfsschaltung zur Ermittlung des Flußbetrages F. Eine andere Möglichkeit besteht
darin, den Vektoranalysator 13
in der in Fig. 2 gezeigten Weise
mit der Ausgangsklemme 44 für den Vektor VF(S) der Detektorschaltung 14 zu verbinden,
jedoch in der Detektorschaltung 14 eine Hilfsschaltung 14a anzuordnen, die aus dem
EMK-Vektor VE(S) allein durch Integration und ohne Verwendung eines Nullpunktreglers
einen entsprechenden Flußvektor mit dem errechneten Flußbetrag F' liefert. Noch
einfacher ist es bei Detektoren, die ohne diese Art der Nullpunktkorrektur auskommen.
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Welche dieser beschriebenen Möglichkeiten verwendet wird, oder ob
durch eine andere Ausbildung der Detektorschaltung 14 sichergestellt ist, daß für
den Abgleich in der Regelstufe die beiden benötigten Flußbeträge F' und F auf unabhängige
Weise gebildet werden, ist für die Erfindung unwesentlich. Ebenso müssen die zum
Abgleich freigegebenen korrelierten Differenzen nicht auf diese in Fig. 2 gezeigte
Weise ausgewählt werden. Vielmehr können auch Korrelationsschaltungen, wie sie z.B.
in der DE-OS 31 30 692.6 beschrieben sind, verwendet werden.
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Wesentlich ist vielmehr, daß der über die Regelschaltung führende
Regelkreis nur jeweils während der Zeitdauern aT geschlossen sind, die jeweils mit
einer sprunghaften Änderung der Magnetisierungsstromvorgabe korreliert sind.
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