DE3744905C2

DE3744905C2 -

Info

Publication number: DE3744905C2
Application number: DE3744905A
Authority: DE
Inventors: Vladislav Alekseevic Miscenko; Geb. Savenkova Natalja Ivanovna Moskau/Moskva Su Miscenko
Current assignee: MISENKO, VLADISLAV ALEKSEEVIC, MOSKAU/MOSKVA, RU
Priority date: 1987-02-13
Filing date: 1987-02-12
Publication date: 1991-10-10
Anticipated expiration: 2007-02-13
Also published as: FR2614481A1; GB8703328D0; SE8700584L; CH681123A5; JPS63245289A; GB2201308A; SE456467B; US4926105A; FR2614481B1; DE3704387A1; SE8700584D0

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines umrichtergespeisten Asynchronmotors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 3.

In der DE-OS 31 44 174 ist eine Vorrichtung zum feldorientierten Betrieb einer Drehfeldmaschine beschrieben. Die dabei verwendete Steuereinrichtung bildet aus einem Sollwert für die zum Fluß parallele Komponente des Ständerstromvektors sowie einem Sollwert für die dazu senkrechte Komponente mittels des Flußwinkels die raumfesten Komponenten des Sollständerstroms und rechnet sie in Stellgrößen um, mit denen ein Stellglied die Ständerströme steuert. Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung wird jedoch der Fluß nicht derart eingestellt, daß sich bei gegebenem Drehmoment ein minimaler Strom einstellt.

Die DE-OS 23 61 339 zeigt eine Steuerschaltung, bei der wie bei der vorliegenden Erfindung der Ständerstrom und die Ständerfrequenz als Summe aus der Drehzahl und der Läuferfrequenz ermittelt werden. Die Schlupffrequenz wird dabei so geführt, daß sich bei gegebenem Ständerstrom ein maximales Drehmoment ergibt. Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung erfolgt jedoch der Eingriff auf den Schlupf und auf die Gesamtstromamplitude über geeignete Kennlinienglieder. Eine komponentenweise Vorgabe eines Steuerstromvektors ist nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines umrichtergespeisten Asynchronmotors anzugeben, mit denen eine optimale Nutzung des Asynchronmotors bei minimalem Ständerstrom erreicht wird und mit denen eine gute Linearität der Drehzahleinstellung gegeben ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 bzw. Anspruchs 3 angegebenen Merkmale.

Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Zeigerdiagramm des verwendeten Koordinatensystems, der vektoriellen Zustandsgrößen und deren Komponenten;

Fig. 2 und 3 Diagramme zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Flußsteuerung;

Fig. 4 einen bei der Erfindung verwendeten Wechselrichter;

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 6 Kennlinien von Funktionsgliedern;

Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel einer Weiterbildung der Erfindung;

Fig. 8 eine Teildarstellung der Fig. 5.

Die Fig. 1 zeigt ein Zeigerdiagramm sämtlicher, im folgenden verwendeten Koordinatensysteme, vektoriellen Zustandsgrößen und deren Komponenten (Projektionen) in den einzelnen Koordinatensystemen. An Koordinatensystemen sind eingezeichnet:

1. das ständerfeste Koordinatensystem α, β, zusätzlich die Achsen der 3 Phasen a, b, c,
2. das läuferfeste Koordinatensystem d, q,
3. das feldorientierte Koordinatensystem x, y.

An Zustandsvektoren sind eingezeichnet:

1. der Ständerstrom _s,
2. der Läuferstrom _r,
3. die Ständerspannung _s,
4. der Ständerfluß _s,
5. der Läuferfluß _r,
6. der Hauptfluß _m,
7. der Richtungsvektor , der die Läuferstellung angibt.

Die d-Achse des läuferfesten Koordinatensystems fällt mit dem Richtungsvektor , die y-Achse des feldorientierten Systems mit dem Läuferfluß zusammen.

Die Winkel sind wie folgt bezeichnet:
Stromwinkel ε,
Feldwinkel ϕ (ϕ ohne Index ist jedoch wie üblich der Winkel zwischen Spannungs- und Stromvektor),
bezogen auf das
ständerfeste Koordinatensystem Index s,
läuferfeste Koordinatensystem Index r,
feldorientierte Koordinatensystem Index ϕ.

Die Komponenten der Zustandsvektoren auf die einzelnen Koordinatensysteme sind jeweils mit den Indizes α, β, d, q und x, y bezeichnet.

Die Fig. 2 und 3 dienen zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Flußsteuerung. Ändert man bei konstanter Momentanforderung die Schlupffrequenz des Motors, so durchläuft der benötigte Ständerstrom eine Kurve mit ausgeprägtem Minimum. Gelingt es, den Motor derart zu steuern, daß er stets auf der eingezeichneten Verbindungslinie aller Minima liegt, so ist ein Regelverfahren mit minimalem Strom möglich. In diesem Fall ergeben sich für den Fluß, den Ständerstrom und den Schlupf die in Fig. 3 gezeigten Abhängigkeiten.

Es hat sich herausgestellt, daß das Minimum erreicht wird, wenn die feldbildende Komponente und die drehmomentbildende Komponente des Steuerstromwechslers im feldorientierten Koordinatensystem gleich groß sind.

Fig. 4 zeigt die Steuerung für einen Wechselrichter, der für die erfindungsgemäße Steuereinheit geeignet ist. An seinem Steuereingang 3 und 5 werden die Komponenten des gewünschten Stromes im feldorientierten Koordinatensystem eingegeben. Am Eingang 4 wird die Umlauffrequenz des feldorientierten Koordinatensystems vorgegeben, das in dem Integrator 21 in einen Winkel, getrennt nach Betrag und Vorzeichen umgewandelt wird. Die Einheit 20 berechnet aus dem Stromvektor und der Winkelinformation die Sollströme für die einzelnen Phasen. Sie stellen ein symmetrisches, dreiphasiges Drehstromsystem dar und dienen als Sollwerte für den Wechselrichter, der gewöhnlich ein stromgeregelter Pulswechselrichter ist. Statt des feldorientierten Koordinatensystems könnte durch entsprechende Winkel- und Stromvorgabe auch ein anderes, z. B. das läuferfeste Koordinatensystem vorgegeben werden.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und Fig. 8 zeigt eine Teildarstellung der Fig. 5. Wie bereits im Zusammenhang mit den Fig. 2 und 3 erläutert, durchläuft der Ständerstrom eine Kurve mit ausgeprägtem Minimum, wenn bei konstanter Momentanforderung die Schlupffrequenz des Motors geändert wird. Im Punkt des minimalen Stroms sind dann die drehmomentbildende Stromkomponente und die feldbildende Komponente gleich groß. Das wird bei der Vorrichtung nach Fig. 8 ausgenutzt. Die feldbildende Komponente wird über einen Absolutwertbildner 63 aus der drehmomentbildenden Komponente gewonnen und ist dieser betragsmäßig gleich. Die Frequenz für das feldorientierte Koordinatensystem wird, wie bekannt, durch Summation, mittels eines ersten Summierers 41 das der gemessenen Läufergeschwindigkeit und der Schlupffrequenz gewonnen. Nach Fig. 5 wird die drehmomentbildende Komponente i*_sx des Stromvektors am Ausgang des ersten Dividierers 39, dem als Dividend das Drehmomentsignal über einen Begrenzer 71 zugeführt ist, und der als Divisor ein Flußsignal ψ*_r empfängt, abgegeben. Mittels eines zweiten Dividierers 40 wird aus den Größen der Signale für die drehmomentbildende Komponente i*_sx und des Flusses ψ*_r die Schlupffrequenz errechnet.

Der Absolutwertbildner 63 liefert somit eine feldbildende Komponente des Steuerstromwechslers, die betragsmäßig genau so groß ist wie die drehmomentbildende Komponente. Die Vorrichtung beinhaltet eine drehzahlabhängige Feldschwächeeinrichtung. Dazu wird von dem Magnetisierungsstrom am Ausgang des Absolutwertbildners 63 über den zweiten Summierer 75 ein drehzahlabhängiger Anteil subtrahiert. Dieser Anteil wird aus dem Drehzahlsignal vom Geber 32 in dem Kennlinienglied 74 gewonnen. Im Feldschwächebetrieb steht nicht mehr das volle Drehmoment zur Verfügung. Deshalb wird auch der Drehmoment-Sollwert in einem Begrenzerglied 71 drehzahlabhängig begrenzt. Das Kennlinienglied 72 stellt sicher, daß die Begrenzung erst bei Drehzahlen oberhalb des Typenpunkts eingreift. Erfolgt die vorgenannte Feldschwächung nicht, so sind erfindungsgemäß die drehmomentbildende und die feldbildende Komponente des Strom-Steuervektors gleich groß. Der Fluß ψ*_r wird vom Signal i*_sx über den zweiten Summierer 75 durch ein Verzögerungsglied erster Ordnung 42 gebildet, dem zur Nachbildung der Sättigungskurve der Asynchronmaschine der Funktionsbildner 64 nachgeschaltet ist, erzeugt.

In Fig. 6 sind die Kennlinien der einzelnen Kennlinienglieder bzw. Funktionsbildner dargestellt. Fig. 6a zeigt die Sättigungskurve des Kennliniengliedes 64, Fig. 6b die des Kennliniengliedes 74. Beide Kennlinien können abschnittsweise durch Geraden angenähert werden. Fig. 6c zeigt die Begrenzerkennlinie des Gliedes 72 und Fig. 6d die des Betragsbildners 63. Fig. 6d stellt zugleich die Ortskurve des Stromvektors im feldorientierten Koordinatensystem dar.

Fig. 7 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, die geeignet ist, kurzzeitige, sehr starke Erhöhungen des Drehmoments zu erzeugen. Der Vorrichtung liegt der Gedanke zugrunde, kurzzeitig den gesamten zur Verfügung stehenden Strom der drehmomentbildenden Komponente zuzuführen. Die feldbildende Komponente ist dann gleich Null, das Magnetfeld nimmt dann mit der Zeitkonstante des Rotors auf Null ab. Die Anwendung dieser Methode ist daher auf die Dauer der Zeitkonstante des Rotors beschränkt.

Auf einen Befehl vom Glied 88 wird das Signal für die feldbildende Komponente vom zugehörigen Eingang 5 des Umrichters 2 abgeschaltet und einem Summierer 82 im Steuerkanal der drehmomentbildenden Komponente zugeleitet. Die Umschalter 84, 85 mit dem Inverter 86 sorgen dafür, daß stets eine betragsmäßige Summation zustandekommt. Ein Begrenzer 83 verhindert ein Ansteigen der Summe der Beträge über einen zulässigen Wert hinaus.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung eines umrichtergespeisten Asynchronmotors, bei dem vorgegeben sind:

- ein Sollwert für die feldbildende Komponente des Ständerstroms im feldorientierten Koordinatensystem,
- ein Drehmoment-Sollwert,
- ein Sollwert für die drehmomentbildende Komponente des Ständerstroms im feldorientierten Koordinatensystem, der dem Drehmoment-Sollwert, dividiert durch ein Läufer-Flußsignal, entspricht,

wobei

- das Läufer-Flußsignal aus der feldbildenden Komponente des Ständerstromvektors berechnet wird,
- die Schlupffrequenz gleich der drehmomentbildenden Stromkomponente des Ständerstroms dividiert durch das Läufer-Flußsignal ist,
- der Phasenwinkel ϕ_s des feldorientierten Koordinatensystems aus dem Integral der Summe von Läufergeschwindigkeit und der errechneten Schlupffrequenz berechnet wird, und
- der Phasenwinkel des Ständerstromvektors im ruhenden Koordinatensystem entsprechend der Summe aus dem Phasenwinkel ϕ_s des feldorientierten Koordinatensystems und dem Phasenwinkel ε_ϕ des Ständerstromvektors im feldorientierten Koordinatensystem berechnet wird,

dadurch gekennzeichnet, daß im Grunddrehzahlbereich die drehmomentbildende und die feldbildende Komponente des Ständerstroms gleich groß eingestellt werden und gleichzeitig proportional dem Verhältnis von Drehmoment-Sollwert zu Läuferfluß-Sollwert verändert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zeitpunkt einer kurzzeitigen zusätzlichen Erhöhung des Drehmoments die feldbildende Komponente des Ständerstroms abgeschaltet und der Sollwert der drehmomentbildenden Komponente des Ständerstroms um einen Wert erhöht wird, der der feldbildenden Komponente des Ständerstroms entspricht.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit

- einem umrichtergespeisten Asynchronmotor (1),
- einem Koordinatenwandler (2), dem eine drehmomentbildende und eine feldbildende Komponente eines Stromsteuervektors in einem feldorientierten Koordinatensystem zugeführt wird, und der die Sollwerte für die Strangströme (6, 7, 8) des Asynchronmotors ausgibt,
- einem Geber (45), der ein Signal abgibt, das dem Sollwert des Drehmoments M* entspricht, und
- einer Steuereinheit (65), an deren Eingang (66) das dem Drehmoment-Sollwert M* entsprechende Signal liegt, mit einem ersten Dividierer (39), dem als Dividend ein Sollwert des Drehmoments M* zugeführt ist und als Divisor ein Flußsignal ψ*_r, und dessen Ausgangssignal die drehmomentbildende Komponente i*_sx des Stromvektors ist, mit einem zweiten Dividierer (40), dem als Dividend die drehmomentbildende Komponente i*_sx und als Divisor das Flußsignal ψ*_r zugeführt ist und dessen Ausgang die Schlupffrequenz ist, und einem ersten Summierer (41), der aus der Schlupffrequenz und der gemessenen (32) Drehzahl ω ein Signal zur Bestimmung des feldorientierten Koordinatensystems bildet und dem Koordinatenwandler (2) zuführt (Eingang 4), wobei das Flußsignal ψ*_r durch die Serienschaltung eines Verzögerungsgliedes erster Ordnung (42) und einem Funktionsbildner (64) zur Nachbildung der Sättigungskurve aus der feldbildenden Komponente des Strom-Steuervektors i*_sy hergeleitet ist,

gekennzeichnet durch zwei Kennlinienglieder (72, 74), denen der Absolutwert der gemessenen Läufergeschwindigkeit ω über ein Funktionsglied (73) zugeführt ist, wobei das Ausgangssignal des einen Kennliniengliedes (74) zur Feldschwächung bei höheren Drehzahlen von dem Ausgangssignal eines Absolutwertbildners (63), an dessen Eingang das Signal der drehmomentbildenden Komponente des Stromvektors liegt, mittels eines zweiten Summierers (75) subtrahiert wird, wobei das Ausgangssignal als feldbildende Komponente i*_sy des Steuer-Stromvektors dem Koordinatenwandler (2) zugeführt wird, und das Ausgangssignal des anderen Kennliniengliedes (72) einem Begrenzerglied (71) für das Soll-Drehmoment M* zugeführt wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Umschalter (87), der das Steuersignal für die feldbildende Komponente i*_sy des Steuerstromvektors bei kurzzeitigen Drehmomenterhöhungen von dem zugehörigen Eingang (5) des Koordinatenwandlers (2) abschaltet und dem Eingang (3) für die drehmomentbildende Komponente i*_sx im Sinne einer Betragssummation zuführt.