DE3430386C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln des Läu
ferwiderstandes einer Drehfeldmaschine,
mit
den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1
(DE-OS 30 34 251, DE-OS 30 34 252).
Um die rechnerische Behandlung vektorieller Größen sowie
die entsprechenden Rechenelemente zu erläutern, wird eine
den Erfordernissen der Drucktechnik und der Datenverarbei
tung angemessene Nomenklatur eingeführt. In Fig. 1 ist
durch den Buchstaben F auf ein magnetisches Feld Bezug ge
nommen. Im gleichen System können auch andere Größen, wie
z.B. der Strom durch den Buchstaben I, die Spannung U, die
EMK E oder auch die Läuferstellung L dargestellt werden,
die im folgenden zur allgemeinen Erläuterung der Nomenkla
tur durch den Buchstaben A ersetzt sind.
Ausgangspunkt ist eine Behandlung einer Drehfeldmaschine,
an der zwei aufeinander und auf der Rotationsachse senkrech
te, raumfeste Bezugsachse S 1 und S 2 ausgezeichnet sind.
(S 1) oder (S 2) in Klammern hinter dem variablen Symbol be
deuten die Komponenten dieser Größe in diesen Achsrichtun
gen. Die Läuferachse, Feldachse oder irgendeine andere Grö
ße, die nur durch Angabe einer Richtung und ohne Rücksicht
auf einen Betrag gegeben ist, wird dann durch einen Winkel
A(S) (z.B. Läuferwinkel L(S), Feldwinkel F(S)) bezüglich der
Achse S 1 angegeben. A(S) bedeutet also den Winkel der (Vek
tor-)Größe A im ständerfesten Koordinatensystem. Die Richtung
der Größe A kann auch durch den in diese Richtung zeigenden
Einheitsvektor EA(S) oder in mathematisch gleichwertiger
Weise über die Winkelfunktionen
EA(S 1)=cos A(S) (1)
EA(S 2)=sin A(S),
EA(S 2)=sin A(S),
d.h. die "S-bezogenen kartesischen Komponenten" von EA(S)
bestimmt werden. Die Umrechnung der polaren Richtungskompo
nente ("Winkel") A(S) in EA(S 1) und EA(S 2) geschieht über
einen "p/K"-Wandler, der im einfachsten Fall aus einem Si
nus/Cosinus-Funktionsgenerator besteht, während die inverse
Umrechnung durch einen "K/p"-Wandler gemäß
geschieht.
Allgemein steht EA(S) auch als Abkürzung für eine auf
ihren mit A bezeichneten Betrag | A | normierte vektorielle
Größe A (d.h. für den Vektor A /| A |), deren Richtung in
einem polaren, auf S 1 bezogenen Koordinatensystem durch
die Winkelkoordinate A(S) und in einem durch zwei Achsen
S 1 und S 2 gegebenen kartesischen Koordinatensystem durch
die beiden Komponenten gemäß (1) gegeben sind.
Muß auch der Betrag A der vektoriellen physikalischen
Größe berücksichtigt werden, so ist die entsprechende
S-bezogene vektorielle Größe durch ein Wertpaar zu er
fassen, das als VA(S) bezeichnet und über Signal-
Doppelleitungen (in Schaltbildern als Doppelpfeile dar
gestellt) zu übertragen und bei Additionen, Integra
tionen, Differentiationen, Multiplikationen, Glättungen
etc. entsprechend der Vektorrechnung komponentenweise
zu verarbeiten ist. Bei Polardarstellung ist VA(S) durch A
und A(S) und bei kartesischer Darstellung durch
A(S 1)=A · cos A(S), A(S 2)=A · sin A(S) gegeben, wobei
gilt:
VA(S)=A · EA(S)
mit:
A(S 1)=A · EA(S 1)=A · cos A(S) (2)
A(S 2)=A · EA(S 2)=A · sin A(S).
mit:
A(S 1)=A · EA(S 1)=A · cos A(S) (2)
A(S 2)=A · EA(S 2)=A · sin A(S).
Werden die Komponenten A(S 1) und A(S 2) 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(S 1), EA(S 2)
mit A entsteht.
Wird dem das EA(S)-Signal liefernden Ausgang ("Vektoraus
gang") des Vektoranalysators ein K/p-Wandler nachgeschal
tet, 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 Kom
ponenten A(S 1) und A(S 2) nach der Beziehung (2) liefert.
Da der Winkel A(S) und der Einheitsvektor EA(S) mathema
tisch äquivalent sind, handelt es sich also bei einem
K/p-Wandler um einen "auf polare Ausgangsgrößen arbeiten
den Vektoranalysator".
Die Vektorgrößen können auch in einem anderen, z.B.
läuferfesten Koordinatensystem mit den Achsen L 1 und
L 2 dargestellt werden.
Werden bei Vorgabe eines Dreh-Winkels, z.B. L(S) in Fig. 1,
die Achsen S 1 und S 2 um L(S) gedreht, so ergeben sich die
Achsen L 1 und L 2.
Die vektorielle Größe VA(S) geht dann bezüglich
der Achsen L 1, L 2 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 Trans
formation VA(S)→VA(L) der kartesischen Komponenten A(S 1)
und A(S 2) in die kartesischen Komponenten A(L 1) und A(L 2)
kann durch Hintereinanderschaltung von K/P-Wandlung, Win
kelsubstraktion gemäß (3) und P/K-Wandlung, oder - einfa
cher - einen "Vektordreher" erfolgen, dem an einem Vektor
signaleingang VA(S) in Form von A(S 1) und A(S 2) und an
einem Winkelsignaleingang der Drehwinkel als EL(S), d.h.
als cos L(S) und sin L(S) zugeführt sind.
Physikalische Größen sind unabhängig vom zu ihrer mathema
tischen 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 S 1 mit L(S) der Läuferstellungswinkel, mit F(S) den
Drehfeldachsen-Lagewinkel und mit F der Betrag des Dreh
feldes 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(L 1) und F(L 2) sind die Feld
stärke in der d- und q-Achse entsprechend den Projektionen
des Vektors VF auf L 1 und L 2 und mit F(S 1) und F(S 2) sind
die Feldstärken in der S 1- und S 2-Achse des Ständers ent
sprechend den jeweiligen Projektionen bestimmt.
Ein weiteres häufig benutztes Koordinatensystem
ist das feldorientierte Koordinatensystem.
Moderne, hochdynamische Vierquadrantenantriebe mit Dreh
feldmaschinen arbeiten häufig mit feldorientierter Rege
lung, d.h. die Sollwerte für die Phasenströme in den Stän
derwicklungen, die zu einem Ständerstromvektor VI(S) zu
sammengesetzt 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 Dreh
feldmaschine einschließt. Benutzt man zur Beschreibung des
magnetischen Feldes den Vektor VF(S) des magnetischen Flus
ses, so ermöglicht die feldorientierte Regelung bei Kennt
nis der Winkellage des Flußvektors, die zum Flußvektor pa
rallele Komponente I(F 1) des Ständerstromes (Magnetisie
rungsstrom) und die zum Flußvektor senkrechte Komponente
I(F 2) (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.
Eine auf diese Weise gesteuerte oder geregelte Drehfeld
maschine ist in der DE-OS 30 26 202 (VPA 80 P 3107) be
schrieben. Die für die Feldorientierung nötige Information
über den Flußvektor wird dabei von einer Dektektorschaltung
geliefert, der Meßwerte für den Ständerstrom und die Stän
derspannung zugeführt sind und die daraus den EMK-Vektor
und durch Integration den Flußvektor der Maschine ermit
telt. Da jedoch die für die Integration erforderlichen
Integratoren eine Nullpunktdrift aufweisen und außerdem
bei niedrigen Frequenzen die Meßwerte für die Ständerspan
nung nur ungenau sind, führt ein derartiges, "Spannungs-
Fluß-Modell" oder "Spannungsmodell" genanntes Rechenmo
dell nur zu einer ungenauen Bestimmung des Flußvektors.
Daher ist in dieser Offenlegungsschrift eine Rechenmodell
schaltung ("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 Läuferwi
derstand einen zusätzlichen Modellvektor für den Flußvek
tor errechnet. Diese Berechnung bildet die Entstehung des
Flusses aus Strom und Spannung in einem dynamischen Rechen
modell nach.
Da sowohl der Flußvektor wie dessen Modellvektor jeweils
zwei Bestimmungsgrößen (z.B. Betrag und Winkel oder kar
tesische Komponenten des Vektors in einem geeigneten Be
zugssystem) aufweisen, wird jeder Vektor durch zwei Be
stimmungsgrößen dargestellt. Aus jeweils einer Bestimmungs
größe des Flußvektors und des Modellvektors wird die Diffe
renz gebildet und einem Nullpunktregler zugeführt, so daß
die Ausgangsgrößen der beiden Nullpunktregler einen Kor
rekturvektor darstellen, der nun im EMK-Detektor dem EMK-
Vektor bei der zum Flußvektor führenden Integration auf
geschaltet wird. Dadurch wird erreicht, daß die Abweichung
zwischen dem im Spannungsmodell (EMK-Detektor) gebildeten
Flußvektor und dem im Strommodell errechneten Modellvek
tor des Flußvektors stationär auf den Wert Null ausgere
gelt wird. Es wird also sowohl eine Nullpunktdrift der
Integratoren wie auch eine bei niedrigen Frequenzen durch
die niedrigen Eingangspegel der Spannungsmeßwerte verur
sachte begrenzte Verarbeitungsgenauigkeit des Spannungs
modells 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.
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).
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 Läuferwider
stand 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.
Dies ist nicht nur bei Verwendung eines adaptiven Span
nungsmodells, sondern insbesondere auch bei Verwendung
eines nichtadaptierten Strommodells nötig. Auch bei ande
ren Steuerverfahren, z.B. einer Schlupffrequenzsteuerung
einer Asynchronmaschine mit einer vom Schlußffrequenz
sollwert abhängigen Amplitude des Stromes, ist eine Kennt
nis des Läuferwiderstandes wünschenswert oder erforderlich.
In der DE-OS 30 34 251 ist eine Ermittlung des Läuferwider
standes einer Asynchronmaschine beschrieben, die zunächst
auch aus den Ständerströmen (Stromvektor VI) und den Stän
derspannungen (Spannungsvektor VU) sowie Parametern für
den Ständerwiderstand RS und die Streuinduktivität LSTden EMK-Vektor
und ggf.
daraus den Flußvektor VF=∫ VI dt ermittelt (Spannungs
modell). Ferner ist ebenfalls eine Rechenschaltung vor
gesehen, die aus der Läuferstellung (Vektor EL) dem Stän
derstromvektor VI und einem einstellbaren Läuferwiderstand-
Parameter R einen Modell-Flußvektor V und ggf. einen
Modell-EMK-Vektor VÊ = V berechnet. Sind die Parame
ter RS und LST des Spannungsmodells hinreichend genau
justiert, so weichen die vergleichbaren Vektoren VE und
VÊ bzw. VF und V nicht voneinander ab. Daher kann die
Abweichung zweier einander entsprechender Bestimmungs
größen (also z.B. Betrag, Winkel oder eine kartesische
Komponente) der vergleichbaren Vektoren dazu verwendet
werden, um den Läuferwiderstandsparameter R in der Re
chenschaltung (Strommodell) so lange nachzustellen, bis
die Differenz verschwindet und beide Vektoren deckungs
gleich werden.
Dieses bekannte Verfahren ist eine statische Methode, da
die stationären Abweichungen zwischen den beiden Vektoren
ausgeregelt werden. Es arbeitet nur dann mit hoher Ge
nauigkeit, wenn die Drehfeldmaschine belastet ist und
mit höheren Frequenzen betrieben wird, da die im Spannungs
modell 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 be
stimmen.
In der DE-OS 30 34 252 (VPA 80 P 3167) ist in Fig. 7 ein
weiteres Verfahren beschrieben, das unter Verwendung eines
EMK-Detektors (Spannungsmodell) und eines Strommodells auf
ähnliche Weise eine Bestimmung des Läuferwiderstands-Para
meters durch Abgleich der beiden Modelle zu berechnen ge
stattet. 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-Vekto
ren durch Veränderung des Läuferwiderstandsparameters ab
geglichen wird, während eine Differenz der Wirk-EMK-Kompo
nenten 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.
Ein weiteres Abgleichverfahren ist in der DE-OS 30 34 275
beschrieben und dient zur Bestimmung der Parameterwerte
für Ständerwiderstand, Hauptinduktivität und Streuinduk
tivität einer Asynchronmaschine. Für das erfindungsgemäße
Verfahren kann davon ausgegangen werden, daß der Ständer
widerstandsparameter RS und der Streuinduktivitätspara
meter LST hinreichend genau bekannt sind.
Bei höheren Drehzahlen und unter Last wird gemäß der
EP-PS 00 71 847 eine Maschine befriedigend von einem Strom
modell gesteuert, dessen Läuferzeitkonstante so lange verän
dert wird, bis die gemessene Beschleunigung praktisch un
empfindlich ist gegenüber statistischen Zusatzimpulsen, die
dem Magnetisierungsstrom-Sollwert aufgeschaltet werden.
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 Spannungs
vektor und der Läuferstellung durch Nachbildung der dyna
mischen Vorgänge der Maschine ermitteln, sowohl für Syn
chronmaschinen wie für Asynchronmaschinen bekannt sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weitere
Möglichkeit zur Bestimmung des Läuferwiderstandes anzu
geben, die nicht auf
einen Betrieb bei höheren Frequenzen oder bei nennenswer
ter Last beschränkt ist und insbesondere im Stillstand
oder im Leerlauf angewendet werden kann. Es handelt
sich dabei um eine dynamische Methode, die für die Be
stimmung des Läuferwiderstandes nicht von einer Ausrege
lung 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.
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. Insbe
sondere 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.
Anhand eines Ausführungsbeispieles und zweier weiterer
Figuren ist die Erfindung näher erläutert es zeigt:
Fig. 1 ein Zeigerbild zur Erläuterung der Nomenklatur,
Fig. 2
schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfah
rens und ihre Anwendung bei der Steuerung einer Drehfeld
maschine.
Fig. 3 den Verlauf des Flußbetrages und
des Modell-Flußbetrages sowie die zur Justierung des Läu
ferwiderstands-Parameters herangezogenen Integrale.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 wird eine Asynchron
maschine 1 über einen Zwischenkreisumrichter gespeist,
dessen netzseitiger Stromrichter 2 die Einstellung der
Stromamplitude I ermöglicht, während durch den lastsei
tigen Stromrichter 3 Frequenz und Phase (also der Vektor
EI(S)) des Ständerstroms vorgegeben wird. Die Steuer
größen für die Steuersätze 10 und 12 bestimmten 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 Koordinatentransfor
mation VI(F)*→VI(S)* durchgeführt und der Stromvektor
VI(S)* einer Stromregelung unterzogen wird.
Die feldparallele Komponente I(F 1)* 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 feldsenk
rechte Komponente I(F 2)* des Sollstromvektors wirkt als
Wirkstrom linear auf die Bildung des Drehmomentes und
kann mittels eines Drehzahlreglers 5 aus der Abweichung
der Umlaufgeschwindigkeit L(S), die mittels eines ent
sprechenden Läuferstellungsdetektors 6 an der Asynchron
maschine 1 abgegriffen wird, von einem entsprechenden
Sollwert L(S)* bestimmt werden.
Der durch die beiden feldorientierten kartesischen Kompo
nenten I(F 1)* und I(F 2)* vorgegebene feldorientierte Soll
vektor 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(S)*=
{EI(S 1)*, EI(S 2)*}, aus denen ein 2/3-Phasen-Wandler 9 die entspre
chenden Einzel-Phasensteuersignale für den Steuersatz 10
liefert. Der Sollbetrag I* dagegen wird mit dem entspre
chenden Ist-Strombetrag I verglichen, um mittels eines
Stromreglers 11 die Steuergröße für den Steuersatz 12 zu
bilden.
Diese feldorientierte Umrichterregelung, die natürlich
auch auf andere Weise vorgenommen werden kann, benötigt
neben dem Betrag F des Flusses insbesondere die Informa
tion über die Feldachse EF(S). Diese Größen werden in die
sem Beispiel von einem Vektoranalysator 13 aus einem er
rechneten ständerorientierten Vektor VF(S) für den Fluß
bestimmt.
Dieser Flußvektor VF(S) ist an einer Detektorschaltung
14 abgegriffen, der Meßwerte für den Ständerstromvektor
VI(S) und den Ständerspannungsvektor VU(S) zugeführt sind.
Diese Vektoren können mittels entsprechender 3/2-Phasen-Wandler
an den Klemmen der Maschine 1 abgegriffen werden. Die
Detektorschaltung 14 selber arbeitet so, daß aus Strom
und Spannung zunächst der EMK-Vektor
gebildet wird. Im Schaltzeichen für den Detektor 14 ist
angedeutet, daß dieser EMK-Vektor VE(S) nach einer Addi
tionsstelle 16 im Integrator 17 in den entsprechenden
Flußvektor VF(S)=∫ VI(S) · dt umgewandelt wird. Dem nach
Fig. 2 verwendeten Detektor 14 ist außerdem ein errechne
ter Hilfsvektor V(S) für den Fluß zugeführt und die
vektorielle Differenz V(S)-VF(S) ist über Nullpunkt
regler 15 zur Additionsstelle 16 rückgeführt.
Diese Ausführung der Detektorschaltung 14 stellt sicher,
daß bei hohen Frequenzen, wo ein hoher Meßpegel der in
duzierten Ständerspannung eine hinreichend genaue Erfas
sung des Spannungsvektors VU(S) ermöglicht, der Flußvek
tor 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 V(S) gegebenen Flußvektor einwirkt. Der
Durchgriff des Nullpunktreglers 15 kann dabei noch in
Abhängigkeit von der Umlaufgeschwindigkeit L(S) der
Läuferachse korrigiert oder auch ganz ausgeschaltet
werden, wie durch einen entsprechenden Kurzschlußschalter
am Nullpunktregler 15 angedeutet ist.
Der Hilfsvektor V(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 bei
spielsweise in Form des Einheitsvektors EL(S) verarbeitet
wird. Ferner enthält die Rechenmodellschaltung 18 eine
Eingangsleitung 19, an der ein Parameterwert R für den
Läuferwiderstand eingegeben werden kann. Dieser Parameter
wert dient dazu, um an einen Multiplizierer 19 a die Inte
grationskonstante eines Integrators 20 a einzustellen. Der
Integrator berechnet aus dem Quotienten der zum Modell
fluß V(S) senkrechten Ständerstromkomponente I(F 2) und
einem Modellbetrag des Modellflusses V(S) (d.h. aus
der Änderung des läuferorientierten Modell-Feldwinkels
(L)) einen im Modell errechneten läuferorientierten
Feldwinkel (L). Daher liefert der vom Integrator 20 a an
gesteuerte cos/sin-Funktionsgeber 20′ einen Einheitsvek
tor E(L), aus dem der Vektordreher 21 mittels des Ein
heitsvektors EL(S) den Modellfluß-Richtungsvektor E(S)
ermittelt.
Der Modellflußbetrag F ist seinerseits durch eine Dynamik
schaltung aus der zum Modellfluß parallelen Ständerstrom
komponente I( 1) gebildet, wobei das Dynamikglied die Dy
namik der Drehfeldmaschine nachbildet, die vor allem
durch die Läuferzeitkonstante gegeben ist, also durch die
Hauptfeldinduktivität L und dem Läuferwiderstand, der zu
nächst jedoch nur als geschätzter Modellparameter R zur
Verfügung steht. Im einzelnen besteht das Dynamikglied
nach Fig. 2 aus einem Multiplizierer 19 b, einem als Inte
grator beschalteten Operationsverstärker 20 b 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 an.
Die auf den Modellfluß orientierten Komponenten des Strom
vektors können dabei mittels eines Vektordrehers 23 aus
dem ständerorientierten Stromvektor VI(S) und über den
Vektordreher 21 rückgeführten Modell-Feldwinkel (S)
bzw. E(S) berechnet werden, und ebenso kann der Modell
fluß-Vektor V(S) durch komponentenweise Multiplikation
des Einheitsvektors E(S) mit dem Modellbetrag gebildet
und an einer Klemme 25 bereitgestellt werden.
Diese bisher geschilderten Teile der Anordnung ermögli
chen es also, aus elektrischen Größen der Drehfeldmaschi
ne und dem Parameterwert R 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,
in dem der Parameter R exakt vorgegeben wird und daher
der Modellvektor V(S) den tatsächlichen Fluß beschreibt.
Wird deshalb an einer Einstelleinrichtung (Potentiometer
30) ein konstanter Wert eingestellt, der z.B. dem Läufer
widerstand bei kalter Maschine entspricht, so ermittelt
die Rechenmodellschaltung 15 in dem Maße falsche Vektoren
V(S), wie sich der Läuferwiderstand infolge von z.B.
temperaturbedingten Widerstandsänderungen ändert. Anderer
seits ist die Detektorschaltung 14 bei der Ermittlung der
EMK bzw. des Flusses von dem Läuferwiderstand unabhängig
und es läßt sich zeigen, daß die Abweichung der jeweils in
den Schaltungen 14 und 15 errechneten Flüsse bzw. der
EMK-Werte weitgehend von der Ungenauigkeit des Parameters
R bestimmt ist.
Deshalb ist eine Reglerstufe vorgesehen, die den Parame
ter R so lange korrigiert, bis die beiden Flußvektoren
VF(S) und V(S) bzw. die entsprechenden EMK-Vektoren
VE(S) und VÊ(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 Ausgangs
signal dadurch zum Verstellen des Parameterwertes RL ver
wendet wird, daß sie an einem Summationsglied 32 zum An
fangswert des Parameters, der am Potentiometer 30 einge
stellt ist, addiert wird.
Das bisher beschriebene Verfahren zur Bestimmung des
Läuferwiderstandes besteht also darin, daß im EMK-Detek
tor 14 aus Strom und Spannung der Maschine der Betrag
des EMK- oder Flußvektors ermittelt wird. Gleichzeitig
errechnet die Rechenmodellschaltung 18 aus Strom, Läufer
stellung und dem einstellbaren Modellparameter für den
Läuferwiderstand der Maschine einen Modellbetrag für den
EMK- oder Flußvektor. In der Reglerstufe wird die Diffe
renz der Beträge gebildet und durch Veränderung des Mo
dellparameters abgeglichen, wobei der durch den Abgleich
gebildete Modellparameter den Läuferwiderstand bestimmt.
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 zufrieden
stellend, wenn Drehzahl und Last der Maschine bestimmte
Minimalwerte überschreiten. Im Stillstand bzw. bei nie
drigen Drehzahlen sowie im Leerlauf der Maschine werden
keine befriedigenden Ergebnisse erreicht. Ähnliche Ein
schränkungen 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.
Demgegenüber sieht die Erfindung nun vor, daß zur Bestim
mung des Läuferwiderstandes die Magnetisierungsstromkompo
nente des Ständerstroms vorübergehend verändert wird und
nur die mit dieser Änderung korrelierten Differenzen der
Beträge zum Abgleich verwendet werden.
Die Änderung der Magnetisierungsstromkomponente kann z.B.
dadurch vorgenommen werden, daß von einem Impulsgenerator,
z.B. einem durch Schließen eines Schalters 28 aktivierba
ren Potentiometer 29, impulsartige Zusatzsollwerte Δ F*
auf den Sollwerteingang des den Magnetisierungsstrom-Soll
wert I(F 1)* liefernden Flußreglers 4 oder auf einen ande
ren, den Magnetisierungsstrom bestimmenden Sollwert auf
geschaltet werden. Diese pulsartige Aufschaltung des Zu
satzsollwertes 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.
Eine besonders ausgeprägte Änderung der Magnetisierungs
stromkomponente 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 Läufer
winkels festzulegen, und kann mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren kombiniert werden. Anschließend wird zu geeig
neten Zeitpunkten (insbesondere bei praktisch leerlaufen
der Maschine) über den Pulsgenerator 28, 29 die Magneti
sierung jeweils vorübergehend gegenüber dem betriebsmä
ßigen Sollwert F* verschoben.
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 V(S)
bzw. VE(S) und VÊ(S) von dem Parameterwert R abhängt.
Dabei kann VÊ(S) jederzeit als V(S) in der Rechenmo
dellschaltung 18 gebildet werden.
Fig. 3 zeigt, wie sich bei einem zu F* gehörenden betriebs
mäßigen Magnetisierungsstrom-Sollwert I(F 1)*, der im Zeit
intervall t₁ bis t₂ um den Zusatzsollwert Δ I(F 1)* erhöht
wird, die beiden Flußbeträge F und mit unterschiedlicher
Krümmung verändern, wobei die Krümmung von F bei einem
hinreichend exakt eingestellten Wert für die Hauptfeldin
duktivität im wesentlichen dem Läuferwiderstandsparameter
RL proportional ist. Folglich stellt die Differenz (F-)
ein Maß für die Genauigkeit dieses Parameters dar. Diese
Differenz ist insofern mit den Zeitpunkten t₁ und t₂ korre
liert, als sie mit wachsendem Abstand von den sprunghaften
Änderungen des Magnetisierungsstromsollwertes abklingt.
Daher wird für den Abgleich nur die korrelierte Differenz,
d.h. die in einem kurzen Zeitintervall Δ T nach jeder Ände
rung auftretenden Werte der Differenz, verwendet.
Fig. 3 zeigt allerdings, daß das Vorzeichen der Differenz
bei unveränderter Parametereinstellung davon abängig ist,
ob der Magnetisierungsstrom vergrößert oder verkleinert
wird. Dies kann beim Abgleich dadurch berücksichtigt werden,
daß entweder nur die mit einem einzigen der beiden Zeit
punkte t₁ und t₂ korrelierten Werte der Differenz berück
sichtigt werden, oder daß durch eine Umschaltung die Pola
rität der Differenz jeweils entsprechend dem Vorzeichen
der Magnetisierungsstromänderung umgeschaltet wird.
Daher ist bei der Anordnung nach Fig. 2 ein Zeitsteuer
werk 31 vorgesehen, das einerseits den Schalter 28 steuert,
mit dem in die Vorgabe der Steuergröße für die Magneti
sierungsstromkomponente I(F 1)* eingegriffen wird, anderer
seits dafür sorgt, daß an der Klemme 24 und einer Leitung
33 abgegriffene und mittels eines Subtraktionsglieds 32
gebildete Differenz (F-) nur für die vorgegebene Korre
lationszeit Δ T auf den Eingang eines Reglers 33 der er
wähnten Reglerstufe gegeben wird. Zwei Schalter 34 und 35
sind zwischen dem Subtraktionsglied 32 und dem Regler 33
angeordnet und schalten die Differenz entweder mit posi
tivem oder mit negativem Vorzeichen (Invertierer 36) auf
den Regler. Der Schalter 34 wird dabei z.B. vom Ausgangs
signal einer Kippstufe 42 (Zeitkonstante Δ T) betätigt,
die von der positiven Einschaltflanke eines in einem Im
pulsgenerator 41 zum Zeitpunkt t₁ erzeugten Impulses an
gestoßen 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 Δ T) angestoßen,
die ihrerseits den Schalter 35 schließt, während der Schal
ter 34 geöffnet ist.
Solange somit die Differenz (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 R über ein Additionsglied 37
verändert wird. Der Regler 33 ist als Integrator ausgebil
det, so daß das bei der letzten Freigabe der Differenz am
Regler gebildete Ausgangssignal gespeichert und der Re
chenmodellschaltung 18 zugeführt wird, die somit den je
weils zwischen einzelnen Abgleichvorgängen gebildeten Pa
rameterwert R beibehält.
Prinzipiell kann die Leitung 33′ am Betragseingang des Vek
toranalysators 13 angreifen und die Größe F führen. Da
allerdings die Detektorschaltung 14 mittels des Nullpunkt
reglers 15 und des Hilfsvektors V(S) so betrieben wird,
daß zumindest bei stationären Zuständen die beiden Vekto
ren VF(S) und V(S) zusammenfallen, sind die beiden Beträ
ge F und bereits aneinander gekoppelt, was beim Abgleich der
Differenz F- stören kann. Daher kann durch einen Kurzschlußschalter am Nullpunktregler
15 während
der jeweiligen Korrelationszeiten Δ T, d.h. während des
Abgleichs der beiden Beträge, diese Nullpunktregelung
außer Eingriff gebracht werden so daß die beiden
Schaltungen 14 und 18 den Aufbau des Flusses entsprechend
Fig. 3 unabhängig voneinander erfassen.
Da allerdings der an der Detektorschaltung 14 abgegriffene
Vektor VF(S) zur Steuerung der Drehfeldmaschine verwendet
wird, können derartige Umschaltungen beim Betrieb der Ma
schine 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 zuge
führten EMK-Vektors VE(S) angelegt, der somit schaltungs
technisch vor dem Eingriff des Nullpunktreglers abgegrif
fen 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 Vektoranalysa
tor 13 nicht den in der Detektorschaltung 14 ermittelten,
sondern den in der Rechenmodellschaltung 18 gebildeten
Hilfsvektor V(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 ver
binden, jedoch in der Detektorschaltung 14 eine Hilfs
schaltung 14 a anzuordnen, die aus dem EMK-Vektor VE(S)
allein durch Integration und ohne Verwendung eines Null
punktreglers einen entsprechenden Flußvektor mit dem er
rechneten Flußbetrag F′ liefert. Noch einfacher ist es
bei Detektoren, die ohne diese Art der Nullpunktkorrektur
auskommen.
Welche dieser beschriebenen Möglichkeiten verwendet wird,
oder ob durch eine andere Ausbildung der Detektorschal
tung 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 Erfin
dung unwesentlich. Ebenso müssen die zum Abgleich frei
gegebenen 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.
Wesentlich ist vielmehr, daß der über die Regelschaltung
führende Regelkreis nur jeweils während der Zeitdauern
Δ T geschlossen sind, die jeweils mit einer sprunghaften
Änderung der Magnetisierungsstromvorgabe korreliert sind.
Claims (10)
1. Verfahren zum Ermitteln des Läuferwiderstandes einer
Drehfeldmaschine,
wobei
- a) aus Strom (VI(S)) und Spannung (VU(S)) der Maschine (1) der Betrag (F) des EMK- oder Flußvektors (VF(S)) er mittelt wird,
- b) gleichzeitig aus Strom (VI(S)), Läuferstellung (EL(S)) und einem einstellbaren Modell-Parameter (R) für den Läuferwiderestand der Maschine ein Modellbetrag des EMK- oder Flußvektors errechnet wird, und
- c) die Differenz (F′-) von Betrag und Modellbetrag ge bildet und durch Veränderung des Modellparameters ab geglichen wird, wobei der durch Abgleich gebildete Modellparameter den Läuferwiderstand der Maschine be stimmt,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Magnetisierungsstromkomponenten des Ständerstroms verän
dert und nur die mit dieser Veränderung korrelierte Diffe
renz der Beträge zum Abgleich verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Änderung (Δ F*) der
Magnetisierungsstromkomponente (I(F 1)*) und der Abgleich
der Differenz vor dem Anfahren der Maschine vorgenommen
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Änderung der Magne
tisierungsstromkomponente bei praktisch leerlaufender
Maschine vorgenommen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, daß die
Änderung der Magnetisierungsstromkomponente periodisch
durch Aufschalten eines impulsartigen Zusatzsollwertes
(Δ F*) auf einen den Magnetisierungsstrom bestimmenden
Sollwert (F*) vorgenommen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß die
Differenz bei Erhöhung und Erniedrigung der Magnetisie
rungsstromkomponente mit unterschiedlichem Vorzeichen
bewertet wird.
6. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1
bis 5 bei der Steuerung einer Drehfeldmaschine, wobei
im normalen Betriebszustand aus elektrischen Größen
(VI(S)), (VU(S)) der Drehfeldmaschine (1) und einem Para
meterwert (R) des Läuferwiderstandes der Flußwinkel
(EF(S)) gebildet wird und die flußparallele und die fluß
senkrechte Komponente des Stromvektors voneinander entkoppelt ge
steuert oder geregelt werden, dadurch ge
kennzeichnet, daß zumindest beim Anlauf
und/oder beim Leerlauf der Maschine der Parameterwert
durch Abgleich der Differenz bei sprungartigen Änderungen
des Sollwertes für die flußparallele Stromkomponente
bestimmt wird und daß während des Abgleichs die Ermitt
lung des Betrages und des Modellbetrages des EMK- oder Flußvektors unabhängig von
einander vorgenommen wird.
7. Vorrichtung zur Bestimmung des Läuferwiderstandes
einer Drehfeldmaschine (1), deren Magnetisierungsstrom
komponente durch eine Steuergröße (I(F 1)*) veränderbar
ist, mit
- a) einer Detektorschaltung (14), der Meßwerte (VU(S)), (VI(S)) für den Ständerstrom und die Ständerspannung zu geführt sind und an der der Betrag (F′) des EMK- oder Flußvektors der Maschine abgegriffen ist,
- b) einer Rechenmodellschaltung (18), der Meßwerte für den Ständerstrom und die Läuferstellung (EL(S)) der Maschi ne zugeführt sind und an der ferner ein Parameterwert (RL) für den Läuferwiderstand der Maschine einstellbar und ein errechneter Modellwert () für den Betrag des EMK- oder Flußvektors abgegriffen ist, und
- c) einer Regelstufe (32-37), der die Differenz (F′-) des Betrages und des Modellbetrages zugeführt ist und deren Ausgangssignal der Rechenmodellschaltung (15) zur Veränderung der Parametereinstellung zugeführt ist,
gekennzeichnet durch eine Zeit
steuerung (36), die die Magnetisierungsstromkomponente
durch Eingriff in die Vorgabe für die Steuergröße der Mag
netisierungsstromkomponente (I(F 1)*) ändert und in der
Reglerstufe die Differenz nur für eine vorgegebene Dauer
(Δ T) nach einem derartigen Eingriff freigibt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeich
net durch einen Integrator (33) für die Dif
ferenz, der das beim letzten Eingriff gebildete Ausgangs
signal der Reglerstufe speichert und dessen Ausgangssignal
(R) der Rechenmodellschaltung als Parameterwert zugeführt
ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19843430386 DE3430386A1 (de) | 1984-08-17 | 1984-08-17 | Verfahren und vorrichtung zum bestimmen des laeuferwiderstandes einer drehfeldmaschine sowie deren anwendung |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19843430386 DE3430386A1 (de) | 1984-08-17 | 1984-08-17 | Verfahren und vorrichtung zum bestimmen des laeuferwiderstandes einer drehfeldmaschine sowie deren anwendung |
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DE3430386A1 DE3430386A1 (de) | 1986-02-20 |
DE3430386C2 true DE3430386C2 (de) | 1990-09-27 |
Family
ID=6243328
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19843430386 Granted DE3430386A1 (de) | 1984-08-17 | 1984-08-17 | Verfahren und vorrichtung zum bestimmen des laeuferwiderstandes einer drehfeldmaschine sowie deren anwendung |
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Country | Link |
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DE (1) | DE3430386A1 (de) |
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DE3034252A1 (de) * | 1980-09-11 | 1982-04-15 | Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München | Vorrichtung zum feldorientierten betrieb einer umrichtergespeisten asynchronmaschine |
DE3130692A1 (de) * | 1981-08-03 | 1983-02-17 | Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München | Verfahren und vorrichtung zum bestimmen der laeuferzeitkonstante einer feldorientierten drehfeldmaschine |
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1984
- 1984-08-17 DE DE19843430386 patent/DE3430386A1/de active Granted
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