DE3785258T2

DE3785258T2 - Induktionsmaschinensystem.

Info

Publication number: DE3785258T2
Application number: DE8787109868T
Authority: DE
Inventors: Takeo Shimamura; Hiroshi Uchino
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-07-11
Filing date: 1987-07-08
Publication date: 1993-08-26
Anticipated expiration: 2007-07-09
Also published as: EP0253294A3; DE3785258D1; EP0253294B1; CA1266088A; US4794316A; EP0253294A2; JPS6318995A

Description

Technisches Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Induktionsmaschinensystem mit einer Schleifringläufer-Induktionsmaschine zur Steuerung des sekundären Stromvektors zur Durchführung einer sekundären Erregungssteuerung.

Stand der Technik

Bei der Windkrafterzeugung zum Zwecke der Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie derart, daß die Windenergie zu einem Maximum wird in Bezug auf Änderungen der Windgeschwindigkeit oder der Windkraft, wird eine einstellbare Laufgeschwindigkeit entsprechend der Windgeschwindigkeit durchgeführt. Ferner wird bei der Wasserkrafterzeugung der Lauf bei einer Drehgeschwindigkeit ausgeführt, bei welcher der Wirkungsgrad der Wasserturbine in Bezug auf Änderungen des Wasserdruckes oder Änderungen der Last zu einem Maximum wird, wobei es ermöglicht wird, einen Lauf mit hohem Wirkungsgrad auszuführen. Zusätzlich ist in einem solchen Falle, in welchem ein Generator unmittelbar mit der Welle eines Schiffspropellers gekoppelt ist, die einstellbare Geschwindigkeit für eine Krafterzeugung zwingend erforderlich. Für ein solches System mit einstellbarer Geschwindigkeit ist ein System bekannt, bei welchem der Sekundärstrom einer Schleifringläufer-Induktionsmaschine gesteuert wird unter Verwendung eines Frequenzwandlers, um eine Steuerung so zu bewirken, daß die Frequenz auf der Primärseite auch dann konstant gehalten wird, wenn die Rotationsgeschwindigkeit geändert wird (Sekundär-Erregungssystem). Da es dieses System in vorteilhafter Weise ermöglicht, die Kapazität des Wandlers zu verringern, ist es insbesondere für eine Leistungserzeugungsanlage großer Kapazität geeignet.
Eine Spannungssteuerungsvorrichtung, die auf dem sekundären Erregungssystem einer Schleifringläufer-Induktionsmaschine dieser Art beruht, ist bereits vorgeschlagen worden (Bundesministerium für Forschung und Technologie, Forschungsbericht BMFT-FB-T 84-154(1), Seite 96, Fig.3.2.11). In dieser Vorrichtung ist die Primärwicklung der Schleifringläufer-Induktionsmaschine mit dem System verbunden. Der von einem Steuerumrichter umfaßte Frequenzwandler ist mit der Sekundärwicklung verbunden, wodurch die sekundäre Stromsteuerung ausgeführt wird. Dabei werden Dreiphasen-Steuerwerte des Sekundärstromes an den Frequenzwandler geliefert. Diese Steuerwerte werden mit Meßwerten des Sekundärstromes verglichen, um so eine Steuerung derart zu bewirken, daß die Meßwerte immer gleich den Steuerwerten sind. Zusätzlich wird der Primärstrom gemessen, wobei er unterteilt ist oder getrennt ist in die Stromkomponente in Phase mit der Primärspannung und die Stromkomponente, die der Primärspannung um einen Winkel von 90º nacheilt. Durch das Produkt dieser Meßwerte und des absoluten Wertes der Primärspannungen werden die Wirkleistung auf der Primärseite und die Blindleistung auf der Primärseite gemessen. Andererseits werden Steuerwerte der Wirkleistung und der Blindleistung gegeben. Dann werden diese Steuerwerte mit den jeweiligen Meßwerten verglichen, wodurch der Sekundär-Stromvektor durch einen Wirkleistungseinsteller, einen Blindleistungseinsteller und den Frequenzwandler kontrolliert werden, so daß die verglichenen Abweichungen gleich Null sind.
Wie gerade oben beschrieben, steuert das übliche System den sekundären Stromvektor der Schleifringläufer-Induktionsmnaschine in Übereinstimmung mit den Steuerwerten der Wirkleistung und der Blindleistung. Dementsprechend wirkt die Primärseite der Schleifringläufer-Induktionsmaschine als eine Stromquelle, so daß die Primärspannung den Änderungen der Systemspannung folgt. Aus diesem Grunde fehlt es dem üblichen System an der Fähigkeit, die Systemspannung konstant zu halten, wenn die Systemspannung aufgrund einer Systemstörung gestört wird. Insbesondere in einem Fall, in welchem eine Leitung aufgrund der Erdungsstörung in einer Leitung eine Leitung abgeschaltet und damit geöffnet wird, wird die Primärspannung aufgrund der Gestaltung des Steuersystems stark gestört, so daß in dem den Frequenzwandler bildenden Steuerumrichter ein Kippen auftritt oder eine Überspannung auftritt. Infolgedessen hat das übliche System in extrem kleinen Kapazitätsleistungsleistungserzeugungsanlagen, die dem System untergeordnet sind, das nur eine erzeugte Kraft in dem System liefert, eine begrenzte Verwendung gefunden. Infolgedessen ist das übliche System nicht anwendbar auf Anlagen mit großer Kapazitätsleistung, welche die Aufgabe haben, die Systemspannung aufrechtzuerhalten.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Hauptziel der Erfindung ist die Schaffung eines Schleifringläufer-Induktionssystems, welches es der als Generator arbeitenden Primärseite der Schleifringläufer-Induktionsmaschine ermöglicht, als Spannungsquelle zu wirken.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Schleifringläufer-Induktionssystems, das in der Lage ist, die Leistungserzeugung in stabiler Weise auch dann fortzusetzen, wenn eine Störung der Übertragungsleitung oder eine Störung des Systems auftritt.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Schleifringläufer-Induktionssystems, das in der Lage ist, den Primärspannungs-Vektor mit hoher Genauigkeit zu steuern.
Ein noch weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Schleifringläufer-Induktionssystems, das in der Lage ist, die Störung der Primärspannung zu reduzieren.
Um diese Ziele zu erreichen, enthält das Schleifringläufer-Induktionssystem nach der Erfindung ein Induktionsmaschinensystem mit einer Schleifringläufer- Induktionsmaschine, die auf ihrer Primärseite mit einem Netzsystem verbunden ist, mit einem Frequenzwandler, welcher den Erregerstrom auf der Sekundärseite der Schleifringläufer-Induktionsmaschine steuert, mit einer ersten Meßeinrichtung, welche einen Primärstrom- Vektor mit einer den tatsächlichen Strom auf der Primärseite der Schleifringläufer-Induktionsmaschine darstellenden Amplitude und Phase erzeugt, mit einer zweiten Meßeinrichtung zum Messen des Erregerstromes auf der Sekundärseite der Schleifringläufer- Induktionsmaschine, mit einer Stromsteuereinrichtung zum Steuern des Frequenzwandlers, so daß der Sekundärstromvektor, welcher den auf der Sekundärseite der Schleifringläufer-Induktionsmaschine vorhandenen Erregerstrom wiedergibt, im wesentlichen in der Amplitude und der Phase gleich zu einem Sekundärstrom-Bezugsvektor gehalten wird, der durch eine Verarbeitungsvorrichtung erzeugt ist, mit einer Einstellvorrichtung zum Erzeugen eines Bezugsvektors mit einer vorbestimmten Amplitude und einer vorbestimmten Phase, mit einer dritten Meßeinrichtung zum Erzeugen eines Vektors mit einer Winkelfreguenz gleich der Winkelfrequenz der Spannung auf der Primärseite der Schleifringläufer-Induktionsmaschine oder an dem daran angeschlossenen Netzsystem, mit einer vierten Meßeinrichtung zum Erzeugen eines Vektors mit einer Winkelfrequenz gleich der Rotations-Winkelfrequenz des Rotors der Schleiringläufer- Induktionsmaschine, mit einer ersten Verarbeitungsvorrichtung zum Erzeugen eines Vektors, dessen Amplitude gleich der Amplitude des Vektors ist, der durch die Einstellvorrichtung erzeugt ist, und dessen Phase gleich der Phase des durch die Einstellvorrichtung erzeugten Vektors plus der Phase der Phase des durch die dritte Meßeinrichtung erzeugten Vektors und minus der Phase des durch die vierte Meßeinrichtung erzeugten Vektors ist, mit einer zweiten Verarbeitungsvorrichtung zur Erzeugung eines Vektors, dessen Amplitude proportional der Amplitude des durch die erste Meßeinrichtung erzeugten Vektors ist und dessen Phase gleich der Phase des durch die erste Meßeinrichtung erzeugten Vektors minus der Phase des durch die vierte Meßeinrichtung erzeugten Vektors ist, und mit einer dritten Verarbeitungsvorrichtung, welche den durch die zweite Verarbeitungsvorrichtung erzeugten Vektor von dem durch die erste Verarbeitungsvorrichtung erzeugten Vektor subtrahiert und dadurch den Sekundärstrom-Bezugsvektor erzeugt.
Die Einstellvorrichtung kann eine Vorrichtung zur Erzeugung eines primären Verkettungs-Magnetfluß-Bezugsvektors und eine Vorrichtung zur Umformung des primären Verkettungs-Magnetfluß-Bezugsvektors in den Bezugsvektor enthalten.
Ferner kann die Einstellvorrichtung eine Vorrichtung zur Erzeugung eines primären Spannungs-Bezugsvektors, eine Vorrichtung zum Messen des primären Spannungs-Vektors der Schleifringläufer- Induktionsmaschine und eine Vorrichtung zur Erzeugung des Bezugsvektors aus der Differenz zwischen dem primären Spannungs- Bezugsvektor und dem gemessenem primären Spannungs-Vektor enthalten.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig.1 ist eine schematische Ansicht zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schleiringläufer-Induktionsmaschine,
Fig. 2 ist ein grundlegendes Vektordiagramm der Schleifringläufer- Induktionsmaschine,
Fig.3 ist ein grundlegendes Vektordiagramm zur Erläuterung des Prinzips der Steuerung des primären Verkettungs-Magnetfluß- Vektors der Schleifringläufer-Induktionsmaschine,
Fig.4 ist ein Blockschaltbild einer Ausführung eines Schleifringläufer-Induktionssystems nach der vorliegenden Erfindung,
Fig.5 ist ein Blockschaltbild eines Beispiels der Schaltungsgestaltung eines Winkelfrequenz-Detektors,
Fig.6 ist ein Blockschaltbild eines Beispiels des Schaltungsaufbaues eines Vektor-Dividierwerkes,
Fig.7 ist ein Blockschaltbild eines Beispiels des Schaltungsaufbaues eines Vektor-Multiplikators,
Fig.8 ist ein Blockschaltbild eines Beispiels des Schaltungsaufbaues eines Koeffizienten-Multiplikators und eines Vektor- Subtrahierwerkes,
Fig.9 ist ein Vektordiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der in Fig.4 gezeigten Vorrichtung,
Fig.10 ist ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführung des Schleifringläufer- Induktionssystems gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig.11 ist ein Blockschaltbild einer dritten Ausführung eines Schleifringläufer-Induktionssystems nach der vorliegenden Erfindung,
Fig.12 ist ein Vektordiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise des in Fig.11 gezeigten Systems,
Fig.13 ist ein Blockschaltbild einer vierten Ausführung eines Schleifringläufer-Induktionssystems nach der vorliegenden Erfindung und
Fig.14 und 15 zeigen Wellenformen des Primärstromes und des Sekundärstromes in den ausgeglichenen und nicht ausgeglichenen Bedingungen der Schleifringläufer-Induktionsmaschine.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Fig.1 ist ein schematisches Schaltbild zur Erläuterung der Wirkungsweise einer schleifringläufer-Induktionsmaschine. In dieser Fig. bezeichnen 1W und 2W jeweils eine Primärwicklung bezw. eine Sekundärwicklung. Es wird angenommen, daß ein durch den in den U-, V- und W-Phasen der Primärwicklung fließender Strom erzeugter Primär- Stromvektor mit i&sub1; bezeichnet ist und daß ein durch den in den u-, v- und w-Phasen der Sekundärwicklung fließenden Strom erzeugter Sekundär-Stromvektor mit i&sub2; bezeichnet ist. Es wird ferner angenommen, daß die Selbstinduktivität der Primärwicklung 1W und der Sekundärwicklung 2W jeweils mit L&sub1; und L&sub2; bezeichnet sind. Eine Gegeninduktivität zwischen der Primärwicklung 1W und der Sekundärwicklung 2W ist mit M bezeichnet. Winkelfreguenzen auf der Primärseite bzw. der Sekundärseite sind mit ω&sub1; und ω&sub2; bezeichnet, und es ist eine Rotations-Winkelfrequenz der Sekundärwicklung 2W (Rotor) mit ωr ezeichnet. Diese Winkelfrequenzen haben eine Beziehung, die durch die folgende Gleichung ausgedrückt ist:
ω&sub1; = ωr + ω&sub2; ... (1).
Fig.2 ist ein Vektordiagramm, welches die Beziehung zeigt, die in Verbindung mit dem Primär-Stromvektor i&sub1; und dem Sekundär-Stromvektor i&sub2; und dem Primär-Spannungsvektor v&sub1; gelten. Der primäre Verkettungs- Magnetfluß-Vektor Φ&sub1;, der mit der Primärwicklung 1W verkettet ist, wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
Φ&sub1; = i&sub1;L&sub1; + i&sub2;M ... (2).
Der primäre Spannungsvektor v&sub1; wird folgendermaßen ausgedrückt:
v&sub1; = (d/dt)Φ&sub1; ... (3).
Infolgedessen ist es zur Steuerung des primären Spannungsvektors v&sub1; ausreichend, den primären Verkettungs-Magnetfluß-Vektor Φ&sub1; zu steuern.
Es wird nun die Beziehungsgleichung, wie der sekundäre Stromvektor i&sub2; für die Steuerung des primären Verkettungs-Magnetfluß-Vektors Φ&sub1; abgeleitet wird. Aus Gleichung (2) wird der sekundäre Stromvektor i&sub2; folgendermaßen ausgedrückt:
i&sub2; = (Φ&sub1;/M) - (L&sub1;/M)i&sub1; ... (4).
Angenommen, daß Steuerwerte des sekundären Stromvektors und des primären Verkettungs-Magnetfluß-Vektors jeweils mit i&sub2;* und Φ&sub1;* dargestellt werden, wenn i&sub2; und Φ&sub1; in der Gleichung (4) jeweils durch i&sub2;* und Φ&sub1;* ersetzt werden, gilt die folgende Beziehung:
i&sub2;* =(Φ&sub1;*/M) - (L&sub1;/M)i&sub1; ... (5).
Wenn angenommen wird, daß eine Steuerung bewirkt wird, so daß i&sub2; jeweils gleich i&sub2;* wird, gilt die folgende Beziehung:
i&sub2; ÷ i&sub2;* ... (6).
Mit den obigen Gleichungen (4), (5) und (6) wird die rechte Seite der Gleichung (4) folgendermaßen ausgedrückt
(Φ&sub1;/M) - (L&sub1;/M)i&sub1; ÷ (Φ&sub1;*/M) - (L&sub1;/M)i&sub1; ... (7).
Aus Gleichung (7) gilt die folgende Beziehung:
Φ&sub1; ÷ Φ&sub1;* ... (8).
Wenn also der Steuerwert Φ&sub1;* des primären Verkettungs-Magnetfluß- Vektors gegeben ist, ist es durch Erhalt des Steuerwertes i&sub2;* des sekundären Stromvektors unter Verwendung der Gleichung (5) zum Steuern des sekundären Stromvektors i&sub2; mit dem Steuerwert i&sub2;* als Bezug möglich, eine Steuerung so zu bewirken, daß der primäre Verkettungs-Magnetfluß-Vektor Φ&sub1; jeweils gleich dem Steuerwert Φ&sub1;* wird. Die Gleichung (5) wird durch das Vektordiagramm der Fig.3 angezeigt.

Erste Ausführung

Eine Ausführung, in welcher der primäre Verkettungs-Magnetfluß-Vektor Φ&sub1; zur Betätigung der Schleifringläufer-Induktionsmaschine 1 als eine Spannungsquelle gemäß den oben angeführten Gleichungen gesteuert wird, wird anhand der Fig.4 erläutert. Es ist zu bemerken, daß, wenn der sekundäre Stromvektor-Steuerwert i&sub2;* unter Verwendung der Gleichung (5) erhalten wird, es erforderlich ist, auf den primären Verkettungs-Magnetfluß-Steuerwert Φ&sub1;* und den primären Stromvektor i&sub1; eine Koordinatentransformation anzuwenden, so daß diese Werte im gleichen Koordinatensystem vorhanden sind. In dieser Ausführung wird eine Erläuterung gemacht in Verbindung mit dem Fall der Anwendung einer Koordinatentransformation auf beide Werte, so daß sie in dem Koordinatensystem auf der Sekundärseite der Schleifringläufer- Induktionsmaschine 1 vorhanden sind. Für das Koordinatensystem ist ein kartesisches oder rechtwinkliges Koordinatensystem derart verwendet, daß die Richtung der magnetischen Flußachse als d-Achse angenommen wird und die die d-Achse unter einem Phasenwinkel von 90º verlassende Achse als q-Achse angenommen wird.
Zur Durchführung einer Transformation des Koordinatensystems ist es erforderlich, auf der Primärseite die Winkelfrequenz ω&sub1; und von der Sekundärwicklung die Rotations-Winkelfrequenz ωr zu erhalten.
In Fig.4 enthält der Hauptstromkreis die Schleifringläufer- Induktionsmaschine 1, einen Frequenzwandler 2, eine Übertragungsleitung 3 und eine System-Sammelleitung 4. Die primäre Wicklungsanschlußklemme der Schleifringläufer-Induktionsmaschine 1 ist mit der System-Sammelleitung 4 über die Übertragungsleitung 3 verbunden, und sie ist auch verbunden mit der sekundären Wicklungsanschlußklemme der Schleifringläufer-Induktionsmaschine, und zwar über den Frequenzwandler 2 (z.B. enthalten in einem Steuerumrichter).
Zur Messung des Primärstromes der Schleifringläufer- Induktionsmaschine 1 ist eine primäre Strom- Meßeinrichtung 5 vorgesehen. Zur Messung des Sekundärstromes ist eine sekundäre Strom-Meßeinrichtung vorgesehen. Zur Messung der Winkelfrequenz ω&sub1; der Primärspannung ist eine Winkelfrequenz- Meßeinrichtung 7 vorgesehen. Zusätzlich ist für die Messung der Rotations-Winkelfrequenz ωr des Rotors eine Rotations- Winkelfrequenz-Meßeinrichtung 9 vorgesehen.
Die Winkelfrequenz-Meßeinrichtung 7 kann z.B. mit einem Phasen- Regelkreis ausgerüstet sein, wie es in Fig.5 gezeigt ist. Die in Fig.5 gezeigte Vorrichtung enthält eine Phasen-Meßeinrichtung 32 zur Messung der Phase der primärseitigen Spannung der Schleifringläufer- Induktionsmaschine 1, ein Subtrahierwerk 33, einen Verstärker und Filter 34, einen Zwei-Phasen-Sinuswellen-Generator 35 und eine Phasen-Meßeinrichtung 36 zur Messung der Phase der Ausgangs Spannung des Zwei-Phasen-Sinuswellen-Generators 35. In dieser Vorrichtung werden die Ausgangssignale der beiden phasen-Meßeinrichtungen 32 und 36 in das Subtrahierwerk 33 eingeführt, so daß die von der Phasen- Meßeinrichtung 32 gemessene Phase der primärseitigen Spannung und die von der Phasen-Meßeinrichtung 36 gemessene Phase der Zwei-Phasen- Sinuswelle jeweils einander gleich sind, wodurch die Ausgangsfrequenz des Zwei-Phase-Sinuswellen-Generators 35 so gesteuert wird, daß die Differenz dazwischen, d.h. die Phasenabweichung, zu Null wird.
Mit der oben beschriebenen Anordnung werden als Ausgangssignale der Winkelfrequenz-Meßeinrichtung 7 Zwei-Phasen-Signale erhalten, die durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt sind:
qω&sub1; = cos(ω&sub1;t) ... (9)
dω&sub1; = sin(ω&sub1;t) ... (10).
Die Rotations-Winkelfrequenz ωr der Sekundärwicklungwird durch die Rotations-Winkelfrequenz-Meßeinrichtung 9 gemessen. Somit werden durch die folgenden Gleichungen ausgedrückte Zwei-Phasen-Signale erhalten:
qωr = cos(ωrt) ... (11)
dωr = sin(ωrt) ... (12).
Ein Vektor-Dividierwerk 12 führt die durch die folgenden Gleichungen ausgedrückte Berechnung durch, und zwar unter Verwendung der Ausgangssignale der Winkelfrequenz-Meßeinrichtung 7 und der Ausgangssignale der Rotations-Winkelfrequenz-Meßeinrichtung 9:
qω&sub2; = qω&sub1;xqωr + dω&sub1;xdωr
= cos(ω&sub1;t)cos(ωrt) + sin(ω&sub1;t)sin(ωrt)
= cos(ω&sub1;t - ωrt) = cos(ω&sub2;t) ... (13),
dω&sub2; = dω&sub1;xqωr - qω&sub1;xdωr
= sin(ω&sub1;t)cos(ωrt) - cos(ω&sub1;t)sin(ωrt)
= sin(ω&sub1;t - ωrt) = sin(ω&sub2;t) ... (14).
Fig.6 zeigt ein Beispiel der Anordnung des Vektor-Dividierwerkes 12 zur Ausführung der Berechnung der obigen Gleichungen (13 und (14). Die in diesen Figuren gezeigte Anordnung enthält Multiplikatoren 37 bis 40 und Addierwerke 41 und 42, wobei diese Schaltungskomponenten so angeordnet sind, daß sie die durch die obigen Gleichungen (13) und (14) ausgedrückte Berechnung ausführen.
Andererseits wird der Primärstrom-Vektor i&sub1; der Schleiringläufer-Induktionsmaschine 1 durch die Meßeinrichtung 8 gemessen. Somit werden als dessen Ausgang Zwei-Phasen-Signale erhalten, die durch die folgenden Gleichungen wiedergegebensind:
I1q(ω&sub1;) = I&sub1;cos(ω&sub1;t + θ&sub1;) ... (15),
I1d(ω&sub1;) = I&sub1;sin(ω&sub1;t + θ&sub1;) ... (16),
wobei I&sub1; die Amplitude des primären Stromvektors i&sub1; wiedergibt und θ&sub1; einen Phasenwinkel des primären Stromvektors in Bezug auf die q-Achse wiedergibt.
Dann werden die Ausgangssignale der Meßeinrichtungen 8 und 9 in das Vektor-Dividierwerk 14 eingegeben, um die Berechnung auszuführen, die durch die folgenden Gleichungen wiedergegeben sind:
I1q(ω&sub2;) = I1q(ω&sub1;)xqωr + I1d(ω&sub1;)xdωr
= I&sub1;cos(ω&sub1;t + θ&sub1;)cos(ωrt)
+ I&sub1;sin(ω&sub1;t + θ&sub1;)sin(ωrt)
= I&sub1;cos(ω&sub1;t - ωrt + θ&sub1;)
= I&sub1;cos(ω&sub2;t + θ&sub1;) ... (17),
I1d(ω&sub2;) = I1d(ω&sub1;)xqωr - I1q(ω&sub1;)xdωr
= I&sub1;sin(ω&sub1;t + θ&sub1;)cos(ωrt)
- I&sub1;cos(ω&sub1;t + θ&sub1;)sin(ωrt)
= I&sub1;sin(ω&sub1;t - ωrt + θ&sub1;)
= I&sub1;sin(ω&sub2;t + θ&sub1;) ... (18).
Die Gleichungen (17) und (18) sind ähnlich den oben angegebenen Gleichungen (13 und (14), und es kann die Berechnung unter Verwendung des Vektor-Dividierwerkes der in Fig.6 gezeigten Anordnung ausgeführt werden.
Der Bezugswert Φ&sub1;* des primären Verkettungs-Magnetfluß-Vektors ist aus den durch die folgenden Gleichungen ausgedrückten beiden axialen Komponenten zusammengesetzt:
Φ1g* = -Φ&sub1;*sinθ&sub0; ... (19),
Φ1d* = -Φ&sub1;*cosθ&sub0; ... (20),
worin θ&sub0; einen Phasenwinkel des primären Verkettungs-Magnetfkluß- Vektors in Bezug auf die d-Achse bezeichnet. Dieser Bezugswert wird mit 1/M in dem Koeffizienten-Multiplikator 11 multipliziert. Da in diesem Augenblick M die Gegeninduktivität zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung darstellt, werden die Ausgangssignale des Koeffizienten-Multiplikators 11 durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt:
Φ1q*/M = -(Φ&sub1;*/M)sinθ&sub0;
= -I&sub0;*sinθ&sub0; = I0q* ... (21),
Φ1d*/M = (Φ&sub1;*/M)cosθ&sub0;
= I&sub0;*cosθ&sub0; = I0d* ... (22)
worin I&sub0;* eine Amplitude des Erregerstrom-Bezugsvektors darstellt und θ&sub0; einen Phasenwinkel dieses Stromes in Bezug auf die d-Achse darstellt. Durch Eingabe, der durch die Gleichungen (21) und (22) ausgedrückten Signale vom Koeffizienten-Multiplikator 11 und der Ausgangssignale des Vektor-Dividierwerkes 12, das sind die durch die Gleichungen (13) und (14) ausgedrückten Signale, in das Vektor- Dividierwerk 13 wird die durch die folgenden Gleichungen ausgedrückte Rechnung ausgeführt:
I0q*(ω&sub2;) = I0q*xqω&sub2; - I0d*xdω&sub2;
= -I&sub0;*sinθ&sub0;cos(ω&sub2;t) - I&sub0;*cosθ&sub0;sin(ω&sub2;t)
= -I&sub0;*sin(ω&sub2;t + θ&sub0;) ... (23),
I0d*(ω&sub2;) = I0q*xdω&sub2; + I0d*xqω&sub2;
= -I&sub0;*sinθ&sub0;sin(ω&sub2;t) + I&sub0;*cosθ&sub0;cos(ω&sub2;t)
= I&sub0;*cos(ω&sub2;t + θ&sub0;) ... (24).
Die durch die obigen Gleichungen (23) und (24) ausgeführte Berechnung kann ausgeführt werden unter Verwendung eines Vektor-Multiplikators, wie er in Fig.7 gezeigt ist. Dieser Vektor-Multiplikator enthält Multiplikatoren 43 bis 46 und Addierwerke 47 und 48.
Somit wird der primäre Stromvektor i&sub1;, welcher der Koordinaten- Transformation unterworfen ist, so daß er in dem Koordinatensystem auf der-sekundären Seite vorhanden ist, auf der Ausgangsseite des Vektor-Dividierwerkes 14 erhalten, und es wird der Erregerstrom- Bezugsvektor i&sub0;*, welcher der Koordinaten-Transformation unterworfen worden ist, so daß er in dem Koordinatensystem auf der Sekundärseite vorhanden ist, auf der Ausgangsseite des Vektor-Multiplikators 13 erhalten. Diese Signale werden in einen Koeffizienten-Multiplikator 15 und ein Vektor-Subtrahierwerk 16 eingeführt, um eine Berechnung unter Verwendung der Anordnung nach Fig.8 auszuführen. Diese Schaltungsanordnung enthält Koeffizienten-Multiplikatoren 49 und 50 für die Multiplikation des Koeffizienten von L&sub1;/M, jeder entsprechend den Koeffizienten-Multiplikator 15 nach Fig.4, und Addierwerke 51 und 52, jeder entsprechend dem Vektor-Subtrahierwerk 16 nach Fig.4.
Die Berechnung, die durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt ist, wird unter Verwendung der Rechenschaltung nach Fig.8 ausgeführt:
I2q*(ω&sub2;) = I0q*(ω&sub2;) - (L&sub1;/M)I1q(ω&sub2;)
= -I&sub0;*sin(ω&sub2;t + θ&sub0;)
-(L&sub1;/M)I&sub1;cos(ω&sub2;t + θ&sub1;) ... (25),
I2d*(ω&sub2;) = I0d*(ω&sub2;) - (L&sub1;/M)I1d(ω&sub2;)
= I&sub0;*cos(ω&sub2;t + θ&sub0;)
-(L&sub1;/M)I&sub1;sin(ω&sub2;t + θ&sub1;) ... (26).
Die Gleichungen (25 und (26) sind ausgedrückt durch das Vektordiagramm in Fig.9 in dem Koordinatensystem, das mit einer Winkelfrequenz ω&sub2; rotiert. In dieser Figur ist die Vektor- Summe von (L&sub1;/M)I&sub1; und I&sub2;* gleich I&sub0;*. Wenn entsprechend der Bezugswert I&sub2;* des sekundären Stromes I&sub2; unter Verwendung der Gleichungen (25 und (26) in Bezug auf den Wert eines willkürlichen Primärstromes I&sub1; berechnet wird, um eine Steuerung so zu bewirken, daß I&sub2; jeweils gleich I&sub2;* wird, wird der Erregerstrom I&sub0; so gesteuert, daß er gleich dem Bezugswert I&sub0;* wird.
Somit wird der Bezugswert i&sub2;* des sekundären Stromvektors als Ausgang des Vektor-Subtrahierwerkes 16 in Form des Zweiphasen-Signals erhalten. Dieser Bezugswert i&sub2;* kann umgewandelt werden in Dreiphasen- Bezugswerte unter Verwendung eines Zweiphasen/Dreiphasen- Wandlers 17, um sie mit Strömen der u-, v- und w-Phasen auf der Sekundärseite der Schleifringläufer-Induktionsmaschine 1 zu vergleichen, die von der Strom-Meßeinrichtung 6 an jeweiligen Subtrahierwerken 18, 19 und 20 gemessen worden sind, um eine sekundäre Stromsteuerung durch Strom-Steuerschaltungen 21, 22 und 23 und den Frequenzwandler 2 zu bewirken, so daß deren Abweichungen gleich Null werden.
Durch Steuerung des Erregerstrom-Vektors in Übereinstimmung mit dem Bezugswert in der oben angegebenen Art ist esw möglich, den primären Verkettungs-Magnetfluß-Vektor in Übereinstimmung mit dem Bezugswert zu steuern. Infolgedessen wird der sekundäre Strom so gesteuert, daß die Primärspannung der Schleifringläufer-Induktionsmaschine 1 immer konstant gehalten wird in Bezug auf die Änderung der Last und dgl.. Somit wird die Induktionsmaschine 1 so gesteuert, daß sie offensichtlich als eine Spannungsquelle dient. Insbesondere in dem Fall, daß die Last nicht ausbalanciert ist oder eine Leitung unterbrochen wird, würde ein gegenphasiger Strom oder ein Strom mit negativer Phase in der Primärseite fließen. Wenn man annimmt, daß das Ansprechverhalten des sekundären Strom-Steuersystems ausreichend schnell ist, wird ein Steuervorgang so ausgeführt, daß die magnetomotorische Kraft, die auf dem gegenphasigen Strom von der Primärseite basiert, mit dem sekundären Strom ausgeschaltet wird, um den Einfluß der magnetomotorischen Kraft auf den Erregerstrom auszuschalten. Somit wird die Störung der Primärspannung, die auf dem gegenphasigen Strom beruht, unterdrückt, wodurch es möglich wird, einen Lauf mit einer guten Charakteristik auszuführen.
Es ist beschrieben worden, daß der Bezugswert des primären Verkettungs-Magnetfluß-Vektors und des primären Stromvektors einer Koordinatentransformation unterworfen werden, so daß sie in dem Koordinatensystem auf der Sekundärseite vorhanden sind, um eine Steuerung zu bewirken. Hauptpunkt der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß der sekundäre Stromvektor auf der Basis des Differenz- Vektors zwischen dem Erregerstrom-Bezugsvektor entsprechend dem Bezugswert des primären Verkettungs-Magnetfluß-Vektors und des primären Stromvektors gesteuert wird. Infolgedessen kann ein Verfahren angewendet werden, um den Differenz-Vektor in einem willkürlichen Koordinatensystem, ausgenommen für das obige koordinatensystem, zu erhalten, um die oben erwähnte Steuerung zu bewirken.

Zweite Ausführung

Fig.10 zeigt eine Ausführung, die so ausgebildet ist, um die Primärseite der Schleifringläufer-Induktionsmaschine zu veranlassen, als eine Spannungsquelle zu wirken und es möglich zu machen, eine Leistungserzeugung stabil fortzusetzen, und zwar auch zu einer Zeit einer Störung der Übertragungsleitung oder einer Störung des Systems. In dieser Ausführung, ist anstelle der Winkelfrequenz-Meßeinrichtung 7, wie sie in Fig.4 gezeigt ist, ein Systemeines Winkelfrequenz- Bezugswert-Generators 7A vorgesehen. Die übrigen Schaltungskomponenten sind die gleichen wie in Fig.4. Das System des Winkelfrequenz-Bezugswert-Generators 7A arbeitet so, daß ein System- Winkelfrequenz-Bezugswert ω&sub1;* auf der Primärseite der Schleifringläufer-Induktionsmaschine 1 auf der Basis der Winkelfrequenz der System-Sammelleitung 4 erzeugt wird. Ein Generator, der beispielsweise mit einem Phasen-Regelkreis versehen ist, wir es in Fig.5 gezeigt ist, kann für diesen Zweck verwendet werden. Die in dem Vektor-Dividierwerk 12 und dem Vektor-Multiplikator 13 ausgeführten Berechnungen sind im wesentlichen die gleichen wie diejenigen in Fig.4.
Diese Ausführung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Beziehung der primärseitigen Winkelfrequenz erhalten wird, durch Anwendung des System-Winkelfrequenz-Bezugswert-Generators 7A. Deshalb ist es auch in dem Falle, daß die Übertragungsleitung 3 einer Erdungsstörung oder dgl. unterworfen wird, so daß die Spannung auf der Eingangsseite der Schleifringläufer-Induktionsmaschine gestört ist, möglich ist, die Leistungserzeugung stabil aufrechtzuerhalten. Insbesondere in dem Fall, daß die Dreiphasen-Leitungen durch einen Unterbrecher an der Ausgangsklemme einer Leistungserzeugungsanlage aufgrund einer dreiphasigen Störung o.dgl. geöffnet werden, ist es möglich, die Leistungserzeugung fortzusetzen, während zu irgendeiner Zeit eine mit dem System synchrone Spannung erzeugt wird. Somit kann auch dann, wenn das System erneut belastet wird, eine Leistungsdübertragung eingeleitet werden, ohne daß das System gestört wird. Im Falle der Verwendung des in Fig.5 gezeigten Phasenregelkreises für den System- Winkelfrequenz-Bezugswert-Generator ist es möglich, eine Spannung an der Ausgangsklemme einer Leistungserzeugungsanlage auch dann stabil zu steuern, wenn eine Störung des Systems vorliegt, so daß eine Spannungsschwankung des Systems unterdrückt werden kann.

Dritte Ausführung

Fig.11 zeigt eine Ausführung, die so ausgeführt ist, daß die Primärseite der Schleifringläufer-Induktionsmaschine als Spannungsquelle arbeitet und es möglich macht, den Primärspannungs- Vektor mit hohem Wirkungsgrad zu steuern. Diese Ausführung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Erregerstrom-Bezugsvektor i&sub0;* auf der Basis des Spannungsvektors der Primärseite der Schleifringläufer- Induktionsmaschine 1 erhalten wird.
Es ist angenommen, daß Erregerstrom-Bezugsvektoren als Ausgang eines PI-Steuersystems 29 erhalten werden, die durch folgende Gleichungen ausgedrückt sind:
i0q* = -I&sub1;*sinθ&sub0; ... (27),
I0d* = I&sub0;*cosθ&sub0; ... (28),
worin I&sub0;* eine Amplitude des Erregerstrom-Bezugsvektors und θ&sub0; einen Phasenwinkel des Vektors in Bezug auf die d-Achse bezeichnet. Diese Gleichungen (27) und (28) entsprechen den Ausgangssignalen des Koeffizienten-Multiplikators 11, der in der in Fig.4 gezeigten Ausführung erleutert ist, das sind die Gleichungen (21) und (22).
Fig.12 ist ein Vektordiagramm, welches das Prinzip dieser Ausführung zeigt. In dieser Figur ist v&sub1;* ein Bezugswert des primären Spannungsvektor-Einganges zu einem Vektor-Subtrahierwerk 27 in Fig.11. Der primäre Spannungsvektor v&sub1;(ω&sub1;) der Schleifringläufer-Induktionsmaschine 1 wird durch eine primäre Spannungsvektor-Meßeinrichtung 25 gemessen. Das Zweiphasen-Signal mit einer Winkelfrequenz von ω&sub1; der Primärspannung wird als dessen Ausgang erhalten. Dann wird eine Koordinatentransformation durch ein Vektor-Dividierwerk 26 unter Verwendung einer Zweiphasen-Einheit- Sinuswelle mit einer Winkelfrequenz von ω&sub1; ausgeführt, um ein Zweiphasen-Signal v&sub1; mit einer Winkelfrequenz von Null als deren Ausgang zu erhalten. Das so erhaltene Zweiphasen-Signal v&sub1; wird in ein Vektor-Subtrahierwerk 27 eingegeben, um einen Vektor Δv&sub1;* als Differenz zwischen dem Zweiphasen-Signal v&sub1; und dem Bezugswert vi* zu erhalten. Wie aus Fig.12 ersichtlich, haben die Vektoren i&sub0;*, i&sub0; und Δi&sub0;* eine solche Beziehung, daß sie den Vektoren v&sub1;*, v&sub1; und Δv&sub1;* um einen Phasenwinkel von 90º nacheilen. Infolgedessen ist der Ausgang Δv&sub1;* des Vektor-Subtrahierwerkes 27 um einen Phasenwinkel von 90º verzögert unter Verwendung eines Phasenschiebers 28, um den Differenzvektor Δi&sub0;* zu erhalten, und ihn danach unter Verwendung des PI-Steuersystems 29 zu verstärken und so den Erregerstrom so zu steuern, daß der Differenzvektor Δi&sub0;* gleich null wird. Somit ist es möglich, den primären Spannungsvektor der Schleifringläufer- Induktionsmaschine 1 so zu steuern, daß er immer gleich seinem Bezugswert v&sub1;* ist. Das PI-Steuersystem 29 kann gebildet werden durch Anwendung bekannter Proportional-Integrations-Steuerschaltungen zu d-Achsen- und q-Achsen-Komponenten.

Vierte Ausführung

Fig.13 zeigt eine angepaßte Ausführung, die es der Primärseite der Schleifringläufer-Induktionsmaschine 1 ermöglicht, als Spannungsquelle zu wirken und eine Störung der Primärspannung zu verringern. In dieser Ausführung sind Reaktoren 30 vorgesehen, die in Reihe zwischen den sekundären Klemmen der Schleifringläufer- Induktionsmaschine 1 und den Ausgangsklemmen des Frequenzwandlers 2 geschaltet sind, und es sind Kapazitäten 31 im Nebenschluß mit den ekundären Klemmen der Schleifringläufer-Induktionsmaschine 1 geschaltet. Andere Schaltungskomponenten sind die gleichen wie diejenigen in Fig.4.
Für den Fall, daß die Last unausgeglichen wird oder eine Leitung geöffnet wird, wird ein gegenphasiger Strom veranlaßt, in die Primärseite der Schleifringläufer-Induktionsmaschine 1 zu fließen. Aus diesem Grund ist für das sekundäre Strom-Steuersystem ein schnelles Ansprechverhalten erforderlich. Die Figuren 14 und 15 zeigen Wellenformen der Primärströme und Sekundärströme der Schleifringläufer-Induktionsmaschine. Fig.14 zeigt Wellenformen von primären Strömen i1u, i1v und i1w der jeweiligen U-, V- und W-Phasen, wenn die Last sich in einem ausgeglichenen Zustand befindet, wobei sich die entsprechenden sekundären Ströme i2u, i2v und i2w im Falle des Lauf ens bei einem Schlupf von 8 % befinden. Wenn die Frequenz des Primärstromes 50 Hz beträgt, beträgt die Frequenz des Sekundärstromes 4 Hz. Fig.15 zeigt Wellenformen von Primärströmen von entsprechenden U-,V-, und W-Phasen, wenn sich die Last in einer nicht ausgeglichenen Bedingung befindet, und die entsprechenden sekundären Ströme. Im einzelnen zeigt Fig.15 Wellenformen von Strömen, die veranlaßt werden sollten auf der Sekundärseite zu fließen, d.h., Sekundärströme i2u, i2v und i2w, um den Erregerstrom konstant zu halten und keine Störung der Primärspannung hervorzurufen. Mit dem Ausdruck "der Sekundärstrom" ist in diesem Falle der sekundäre Strom gemeint, der erforderlich ist, von der Sekundärseite die auf dem auf der Primärseite fließenden gegenphasigen Strom basierende magnetomotorische Kraft zu unterbinden. Wenn die Frequenz auf der Primärseite 50 Hz beträgt und der Schlupf -8 % ist, wird die Frequenz der gegenphasigen Komponente auf der Sekundärseite gleich 104 Hz. Wenn die Kapazität der Schleifringläufer-Induktionsmaschine 1 groß ist, ist auch die Kapazität des Frequenzwandlers 2 groß, so daß es nicht erforderlich ist, den Steuerumrichter des getrennten Erregersystems zu verwenden. Wie bekannt, ist die Ausgangsfrequenz des Steuerumrichters des getrennten Erregersystems gleich der Hälfte bis ein Drittel der Stromversorgungsfrequenz mit dem Ergebnis, daß die Stromsteuerung von 104 Hz im wesentlichen unmöglich ist. Da somit die Magnetomotorische Kraft, die auf dem von der Primärseite einfließenden gegenphasigen Strom beruht, nicht ausreichend unter-drückt werden kann, wird die Primärspannung in großem Umfange gestört, was Anlaß zu einem Anstieg einer Schwierigkeit, wie einem Kommutierungsfehler im Steuerumrichter gibt, wodurch dessen System ausfällt. Um dies zu verhindern, sind in der vorliegenden Ausführung Kondensatoren 31 mit den Sekundärklemmen der Schleifringläufer- Induktionsmaschine 1 verbunden. Die elektrostatische Kapazität des Kondensators 31 ist so gewählt, daß sie eine ausreichend niedrige Impedanz aufweist in Bezug auf die induzierte gegenphasige Frequenzkomponente auf der Basis der gegenphasigen Frequenz des Leistungssystems. Da somit die meisten gegenphasigen Komponenten (Komponenten mit 104 Hz) in den sekundären Strömen, wie es in FIG.15 gezeigt ist, in die Kondensatoren 31 fließen, wird selbst dann, wenn das Ansprechverhalten in der Stromsteuerung des Frequenzwandlers 2 nicht so schnell ist, eine Störung der Primärspannung aufgrund des gegenphasigen Stromes ausreichend unterdrückt, wodurch es möglichwird, den Lauf stabil weiterzuführen.
In den oben beschriebenen Ausführungen ist erläutert worden, daß die Schleifringläufer-Induktionsmaschine 1 als Generator arbeitet. Zusätzlich ist die vorliegende Erfindung auch auf den Fall anwendbar, daß die Induktionsmaschine sals Motor arbeitet.

Claims

1. Induktionsmaschinensystem

mit einer Schleifringläufer-Induktionsmaschine (1), die auf Ihrer Primärseite mit einem Netzsystem (3,4) verbunden ist,

mit einem Frequenzwandler (2), welcher den Erregerstrom auf der Sekundärseite der Schleifringläufer-Induktionsmaschine steuert,

mit einer ersten Meßeinrichtung (5,8), welche einen Primärstrom- Vektor mit einer den tatsächlichen Strom auf der Primärseite der Schleifringläufer-Induktionsmaschine darstellenden Amplitude und Phase erzeugt,

mit einer zweiten Meßeinrichtung (6) zum Messen des Erregerstromes auf der Sekundärseite der Schleifringläufer- Induktionsmaschine,

mit einer Stromsteuereinrichtung (17,23) zum Steuern des Frequenzwandlers, so daß der Sekundärstromvektor, welcher den auf der Sekundärseite der Schleifringläufer-Induktionsmaschine vorhandenen Erregerstrom wiedergibt, im wesentlichen in der Amplitude und der Phase gleich zu einem Sekundärstrom- Bezugsvektor gehalten wird, der durch eine Verarbeitungsvorrichtung erzeugt ist,

mit einer Einstellvorrichtung (Fig.4,10 und 13: 11; Fig.11: 25-29) zum Erzeugen eines Bezugsvektors mit einer vorbestimmten Amplitude und einer vorbestimmten Phase,

mit einer dritten Meßeinrichtung (Fig.4,11 und 13: 7; Fig.10: 7A) zum Erzeugen eines Vektors mit einer Winkelfrequenz gleich der Winkelfrequenz der Spannung auf der Primärseite der Schleifringläufer-Induktionsmaschine oder an dem daran angeschlossenen Netzsystem,

mit einer vierten Meßeinrichtung (9) zum Erzeugen eines Vektors mit einer Winkelfrequenz gleich der Rotations-Winkelfrequenz des Rotors der Schleiringläufer-Induktionsmaschine,

mit einer ersten Verarbeitungsvorrichtung (12,13) zum Erzeugen eines Vektors, dessen Amplitude gleich der Amplitude des Vektors ist, der durch die Einstellvorrichtung erzeugt ist, und dessen Phase gleich der Phase des durch die Einstellvorrichtung erzeugten Vektors plus der Phase der Phase des durch die dritte Meßeinrichtung erzeugten Vektors und minus der Phase des durch die vierte Meßeinrichtung erzeugten Vektors ist,

mit einer zweiten Verarbeitungsvorrichtung (14,15) zur Erzeugung eines Vektors, dessen Amplitude proportional der Amplitude des durch die erste Meßeinrichtung erzeugten Vektors ist und dessen Phase gleich der Phase des durch die erste Meßeinrichtung erzeugten Vektors minus der Phase des durch die vierte Meßeinrichtung erzeugten Vektors ist, und

mit einer dritten Verarbeitungsvorrichtung (16), welche den durch die zweite Verarbeitungsvorrichtung erzeugten Vektor von dem durch die erste Verarbeitungsvorrichtung erzeugten Vektor subtrahiert und dadurch den Sekundärstrom-Bezugsvektor erzeugt.

2. Induktionsmaschinensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellvorrichtung eine Vorrichtung zur Erzeugung eines primären Verkettungs-Magnetfluß-Bezugsvektors und eine Vorrichtung (11) zur Umformung des primären Verkettungs- Magnetfluß-Bezugsvektors in den Bezugsvektor enthält.

3. Induktionsmaschinensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellvorrichtung eine Vorrichtung zur Erzeugung eines primären Spannungs- Bezugsvektors,

eine Vorrichtung (25) zum Messen des primären Spannungs-Vektors der Schleifringläufer- Induktionsmaschine und

eine Vorrichtung (27,28) zur Erzeugung des Bezugsvektors aus der Differenz zwischen dem primären Spannungs-Bezugsvektor und dem gemessenen primären Spannungs-Vektor enthält.

4. Induktionsmaschinensystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet, durch eine in Reihe zwischen dem Frequenzwandler (2) und der Sekundärseite der Schleifringläufer-Induktionsmaschine (1) geschaltete Drossel (30) und

einen im Nebenschluß auf der Sekundärseite der Schleifringläufer- Induktionsmaschine geschalteten Kondensator (31),

um eine niedrige Impedanz in Bezug auf eine durch einen in die Primärseite der Schleifringläufer-Induktionsmaschine fließenden Gegenphasen-Strom auf der Sekundärseite der Schleifringläufer-Induktionsmaschine induzierte Gegenphasen- Frequenzkomponente zu erzeugen.