DE3826685C2 - Verfahren zum Steuern des Drehmoments einer über einen Frequenzumrichter gespeisten Synchronmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern des Drehmo­ ments einer über einen Frequenzumrichter gespeisten Syn­ chronmaschine.

Ein Frequenzregelantrieb für eine Synchronmaschine erfordert einen schnelleinstellbaren Frequenzumrichter und eine von dem Polwinkel und der Stellung des Rotors abhängige Steue­ rung, die letzten Endes den Hauptfluß einstellt. Die älte­ sten Systeme dieser Art aus den 60er Jahren des zwanzigsten Jahrhunderts sind sog. kennliniengesteuerte Systeme (Stemm­ ler, H., Antriebssystem und elektronische Regeleinrichtung der getriebelosen Rohrmühle. Brown Boveri Mitteilungen 57, Heft 3, S. 121-129, 1970), bei welchen Stator- und Rotorfel­ der dadurch gesteuert werden, daß der Winkel zwischen Sta­ tor- und Rotorstrom mittels in Funktions-Generatoren gespei­ cherter Kennlinien auf solche Werte eingestellt wird, daß der Antrieb mit konstantem Fluß und mit einem gewünschten Leistungsfaktor bei allen zulässigen Belastungen arbeitet. Das Steuerprinzip solcher in einem polaren Koordinatensystem arbeitender, polradorientierter Antriebe war schon ziemlich erfolgreich, aber die dadurch erzielbare Regeldynamik war für anspruchsvolle Antriebe (z. B. Walzenstraßenantriebe) nicht ausreichend, denn die Steuerung basierte auf den Kenn­ linien für den stationären Betriebs der Synchronmaschine.

Die Regelbarkeit der Synchronmaschine wurde verbessert durch das mit Beginn der 70er Jahre des zwanzigsten Jahrhunderts angewandte sog. vektorgesteuerte, flußorientierte Steuerver­ fahren (Blaschke, R., "Das Verfahren der Feldorientierung zur Regelung der Drehfeldmaschine", TU Braunschweig, 1974, 281 2. (Dissertation)). Bei der flußorientierten Steuerung wird der Statorstrom so gesteuert, daß sich der Hauptfluß entweder in seiner Längsrichtung (dynamische Flußsteuerung) oder senkrecht dazu (Drehmomentsteuerung/-regelung) verän­ dert. Die flußorientierte Steuerung der Statorströme wird häufig mit einer Steuerung des Stromes der Polradwicklung verbunden, aber die Art und Genauigkeit mit der der Strom­ sollwert der Polradwicklung im Verhältnis zu den Sta­ torstromsollwerten berechnet wird, variieren bei verschie­ denen Ausführungsformen (Bühler, H., "Einführung in die Theorie geregelter Drehstromantriebe", Birkhäuser Verlag Ba­ sel und Stuttgart, 1977, 614 Seiten).

Die Grundschwäche der bekannten Steuerverfahren besteht darin, daß sie eine freie Einstellung des Polwinkels erlau­ ben. Dabei benutzen sie das sog. synchronisierende Drehmo­ ment auch bei einer dynamischen Drehmomentensteuerung einer sich im stationären Betrieb befindlichen Synchronmaschine ohne Dämpferwicklung (Drehmomentänderung im Verhältnis zur Polwinkeländerung). Bei großen Polwinkeln ist die Änderung des synchronisierenden Drehmoments pro Polwinkeleinheit ge­ ringer als bei kleinen Polwinkeln, was zu einem "Kippen" der Maschine in einen reinen Blindstromzustand führen kann, wenn zusätzliche Laststöße auftreten, die den Polwinkel über 90° hinaus vergrößern. Die Anwendbarkeit der Verfahren ist mit­ tels einer Dämpferwicklung verbessert worden, die die dyna­ mische Drehmomentsteuerung und die Polwinkelsteuerung teil­ weise von einander trennt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Steuern des Drehmoments einer über einen Frequenzumrichter gespeisten Synchron­ maschine anzugeben, bei welchem Laststößen wirksamer begegnet wird, ohne die Grenzen des zulässigen Polwinkels zu überschreiten. Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens enthält Anspruch 2.

Beim erfindungsgemäßen System arbeitet man im Koordinatensystem des Polrades und benutzt die von dem Polradstrom und dem Sta­ torlängsstrom angebotene Möglichkeit zur genauen Be­ lastungsregelung der Synchronmaschine, welche Regelung nach einem sog. Ankersteuerungsgesetz (Mård, M., Control Laws of Electric Machines. IFAC Control in Power Electronics and Electrical Drives, Lausanne, Switzerland, 1983, Seiten 33-40) vollkommen ermöglicht wird. Dabei kann die Drehmomentsteuerung gleichzeitig von der Steuerung des Polwinkels befreit werden, und der Polwinkel kann separat auf einen für die Betriebs­ situation besten Wert eingestellt werden.

Damit der größte zulässige Polwinkelwert nicht überschritten wird, wird der Sollwert des Statorquer­ stromes auf den Wert begrenzt, der stationär einen dem Flußsollwert und dem größten zulässigen Polwinkel entsprechenden Querfluß in der Maschine erzeugt, d. h. der Sollwert darf diesen Wert nicht überschreiten. Wenn eine mit einer Dämpfungswicklung versehene Synchronmaschine verwendet wird, kann so verfahren werden, daß der Sollwert des Statorquer­ stromes auf den Querstromwert begrenzt wird, der zu­ sammen mit dem berechneten Dämpfungswicklungsquerstrom einen dem Flußsollwert und dem größten zulässigen Polwinkel entsprechenden Querfluß in der Maschine veranlaßt.

Im folgenden wird die Erfindung mit Hinweis auf die beigefügte Zeichnung ausführlicher beschrieben, und zwar zeigt

Fig. 1 ein von einer Synchronmaschine und einem Frequenzum­ richter gebildetes System zur Durchführung des Ver­ fahren nach der Erfindung,

Fig. 2 schematisch den Stator und den Rotor der Synchronma­ schine und dazugehörende Koordinatensysteme,

Fig. 3 ein Flußmodell der Synchronmaschine,

Fig. 4 ein Zeigerdiagramm, das den Zusammenhang zwischen den Strömen und Flüssen der Synchronmaschine veran­ schaulicht.

Fig. 1 zeigt ein von einer Synchronmaschine und einem Fre­ quenzumrichter gebildetes System, auf dessen Steuerung sich das erfindungsgemäße Verfahren bezieht.

Der in Fig. 1 gezeigte Frequenzumrichter 1 kann ein Zyklo­ konverter (Direktumrichter) oder ein mit einem Zwischenkreis arbeitender Frequenzumrichter sein.

Die Maschine 2 ist eine Synchronmaschine, deren Läufer als Vollpolläufer oder als Schenkelpolläufer ausgebildet sein kann. Der Rotor erhält den Magnetisierungsstrom von einem separaten, steuerbaren Gleichrichter 3. Der Rotor kann mit oder ohne Schleifringe ausgebildet sein.

Das Regelsystem der Synchronmaschine und des sie speisenden Frequenzumrichters sind vereinfacht wie folgt aufgebaut:
Die Ständer-Phasenströme i_r, i_s, i_t der Synchronmaschine wer­ den von einem Stromregler 4 geregelt. Die Istwerte der Pha­ senströme werden mittels Meßwandler gemessen, und ihre Soll­ werte werden in einer nach der Erfindung genauer bestimmten Weise gewonnen. Die Stromregelung bedient sich als Stell­ größe des Augenblickswertes der Spannung des Frequenzumrich­ ters.

Der Magnetisierungsstrom i_f der Synchronmaschine wird durch einen Stromregler 5 geregelt, dessen Istwert mittels eines Stromwandlers in dem Magnetisierungsstromkreis gemessen wird und dessen Sollwert, i_f-Soll, auch in einer nach der Erfin­ dung genauer bestimmten Weise gewonnen wird.

Der äußerste Steuer-/Regelkreis des-Antriebs steuert/regelt das Drehmoment gemäß dem Drehmomentensollwert T_e-Soll, durch welchen das erfindungsgemäße System den Frequenzumrichter und die Maschine in einer unten beschriebenen Weise steuert.

Zum System gehört ein Stellungsgeber 6 zur Messung der Win­ kellage des Rotors der Maschine oder eine andere Anordnung zur Bestimmung der Winkellage des Rotors. Die gemessenen Au­ genblickswerte der Ständer-Phasenströme i_R, i_S, i_T werden in einem Koordinatenwandler 7 in Stromaugen­ blickswerte i_d und i_q im Rotorkoordinatensystem umgewandelt. Die d-Achse dieses Koordinatensystems fällt zusammen mit der magnetischen Achse des Polrades, und die q-Achse verläuft senkrecht dazu (Fig. 2). Die d-Achse des Rotorkoordinaten­ systems (d, q) bildet einen Winkel λ mit der α-Achse des Statorkoordinatensystems (α, β). Die α-Achse des Statorkoor­ dinatensystems liegt in der magnetischen R-Achse (Phase R des Drehstromsystems) der Maschine, und die β-Achse verläuft senkrecht dazu. Die magnetischen Achsen R, S, T der Maschine sind um 120° gegeneinander phasenverschoben.

Der Übergang vom R,S,T-Koordinatensystem zum α,β-Koordina­ tensystem erfolgt durch folgende Transformationsgleichungen für die Ströme:

Von dem (α,β)-Koordinatensystem geht man auf das d,q-Koordinatensystem über mittels der folgenden Transfor­ mationsgleichungen für die Ströme:

id = i_α.cosλ + i_β.sinλ iq = -i_α.sinλ + i_β.cosλ (2)

Der Winkel λ ist der vom Winkelstellungsgeber 6 gemes­ sene Wert.

Zum System gehört ein Flußmodell gemäß Fig. 3, welches den genaueren Aufbau des Gliedes 8 sowie Teile des Gliedes 7 in Fig. 1 wiedergibt. In dem Flußmodell werden, ausgehend von den Strömen i_d, i_q und dem gemessenen Magnetisierungsstrom i_f, die Längs- und Querflüsse ψ_d und ψ_q der Maschine, der Polwinkel δ der Maschine sowie die Dämpfungswicklungsströme i_2D und i_2Q wie folgt berechnet:

ψ_d = X_hd (i_f + i_2D) + (X_hd + X_1σ) i_d (3)

ψ_q = X_hq i_2Q + (X_1σ + X_hq) i_q (4).

Die in den Gleichungen vorkommenden Reaktanzen X_hd und X_hq sind die Hauptlängsreaktanz und die Hauptquerreak­ tanz der Maschine, X_2D und X_2Q sind die Längs- und Querstreureaktanz der Dämpfungswicklung und X_1σ ist die Streureaktanz des Stators.

Wenn die Steuerung/Regelung einen Luftspalt­ fluß betrifft, verschwindet X_1σ in den Gleichungen (3) und (4).

Die Dämpfungswicklungsströme i_2D und i_2Q der Maschine werden aus den folgenden Gleichungen berech­ net:

Die Gleichungen werden mittels einer Laplace- Transformation aus allgemeinen Spannungs- und Fluß­ gleichungen gemäß der 2-Achsentheorie der Synchron­ maschine erhalten.

In den Gleichungen ist die Laplace-Variable mittels s bezeichnet. Die Faktoren k_td, k_tq sind:

Die Zeitkonstanten T_D und T_Q sind:

In den Gleichungen ist
ωN = elektrische Nennwinkelgeschwindigkeit der Maschine
r_2D = Längsresistanz der Dämpfungswicklung
r_2Q = Querresistanz der Dämpfungswicklung.

Der Polwinkel der Maschine wird durch die Gleichung

bestimmt und der Fluß der Maschine durch die Gleichung

Die Sollwerte i_d-Soll und i_q-Soll der in einer weiter unten beschriebenen Weise er­ zeugten Statorströme werden über das (α,β)-Koordi­ natensystem des Stators in das R-S-T-Koordinatensystem (Fig. 1, Glied 9) des Stators transformiert. Hin­ sichtlich der in der Einleitung der allgemeinen Be­ schreibung angeführten R-S-T-dq-Transformation ist das Verfahren umgekehrt.

Die Funktion der Erfindung ist in Kürze wie folgt:
Auf der Basis des aus der Steuerung/Regelung des Antriebs erhältlichen Drehmomentsollwerts wird ein Stromsollwert, i₂-Soll, mittels der Gleichung

gebildet.

Der Flußsollwert ψ-Soll wird so vorgegeben, daß er der ge­ wünschten Spannung und Frequenz entspricht.

Bei der herkömmlichen flußorientierten Steuerung (z. B. DE-PS 21 32 178) wird dieser Stromsollwert, also i₂-Soll, senk­ recht zu dem Flußvektor ψ gehalten. Dabei ist mit jeder Änderung des Drehmoments stets eine Polwinkeländerung ver­ bunden. Bei großen Polwinkeln ist die Änderung des synchro­ nisierenden Drehmoments pro Polwinkeleinheit relativ klein, und wenn der Polwinkel sich nahe dem Wert 90° befindet (große Statorströme, kleine Flüsse bei Feldschwächung) und man versucht, das Drehmoment (i₂-Soll) zu erhöhen, wird die Synchronmaschine in einen reinen Blindstrombetrieb "ge­ kippt", wenn der Polwinkel den Wert 90° überschreitet und der Querfluß verschwindet. Bei dem erfindungsgemäßen Regel­ verfahren kann die Polwinkelsteuerung dagegen von der Dreh­ momentsteuerung entweder so getrennt werden, daß der Polwin­ kel völlig unabhängig von der Drehmomentsteuerung gesteuert wird, oder so, daß der Polwinkel bei steigender Belastung auf einen Wert begrenzt wird, der hinsichtlich des "Kippens der Maschine" sicher ist. Weiter ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Stromsollwerte im Koordinatensystem des Rotors gebildet werden, was eine zu den d- und q-Achsen parallele Feinsteuerung der Flüsse und Ströme und eine Benut­ zung von Motorparametern ermöglicht.

Beim Betrieb der Maschine mit einem festen Polwinkel δ_r kann für den Längsfluß geschrieben werden (Fig. 4)

ψ_d = ψ.cosδ_r = X_hd.i_f0 + (X_hd + X_1σ).i_d0.

(Wenn die Steuerung/Regelung auf einem Luftspaltfluß basiert, verschwindet X_1σ in der obigen Gleichung.)

Aus der Gleichung erhält man eine kompensierte i_f0-Steuerung:

Der in dieser Weise gebildete i_f0-Sollwert im Verhältnis zu dem i_d0-Sollwert hält den Längswert ψ_d der Maschine fest (Fig. 4).

Der Drehmomentsollwert bestimmt den Sollwert i_d0-Soll. Die Formel des von der Maschi­ ne entwickelten Drehmoments ist:

Te = ψ_d.i_q - ψ_q.i_d (14a).

Der Sollwert i_d0-Soll wird sein:

Der erwünschte Querfluß der Maschine und der entsprechende, den Querfluß auf diesem Wert haltende Querstrom­ sollwert ist:

ψ_q = ψ.sinδ_r = (X_hq + X_1σ) i_q0 (15)

i_q0-Soll = ψ-Soll.sinδ_r/(X_hq + X_1σ) (16).

Nachdem die Stromsollwerte so bestimmt worden sind, wird das Drehmoment durch eine kompensierte i_f0-i_d0-Steue­ rung entwickelt, ohne daß der Hauptfluß der Maschine geändert wird (Punkt Q, Fig. 4).

Beim Betrieb der Maschine mit kleinen Drehmo­ menten kann zum Minimieren der thermischen Beanspru­ chung der Umrichterventile statt eines festen Polwinkels auch ein variabler, von der Belastung ab­ hängiger Polwinkel verwendet werden, wobei der Maxi­ malwert des Polwinkels auf seinen vorteilhaftesten Wert begrenzt wird, d. h. δ_r ist in den Gleichungen (13), (14) und (15) von dem erforderlichen Drehmoment abhängig. Als "begrenzter" Polwinkel kann auch ein von einem Flußrechner (Fig. 3) über ein Begrenzungs­ glied erhältlicher Polwinkel verwendet werden, wobei der obenerwähnte, von dem Steuer/Regelgerät des Mo­ ments berechnete Sollwert, i₂-Soll, bei Erhöhung des Moments eigentlich der effektive Stromsollwert der Maschine ist, wenn δ ≦ δ_max, und wenn /δ/ = δ_max er­ reicht ist, kann das erforderliche, zusätzliche Moment durch eine kompensierte i_f-i_d-Steuerung erhalten wer­ den, so daß der Querfluß durch eine stationäre i_q0-Steue­ rung befestigt ist und ohne daß der Flug und der Polwinkel geändert werden. Von dem Sollwert i₂-Soll werden rotororientierte Stromsollwerte wie folgt erhalten:

i_d0-Soll = -i₂-Soll.sinδ_r, /δ_r/≦δ_max (17.1)

i_q0-Soll = +i₂-Soll.cosδ_r, /δ_r/≦δ_max (17.2).

Der Sollwert des Magnetisierungsstroms wird kompensiert durch die i_f0-i_d0-Steuerung gemäß der Gleichung (14) gebildet. Beim Steuern der Maschine in dieser Weise kann ein erhöhter i₂-Sollwert, nachdem ein begrenzter Polwinkel erreicht ist, zu einem größe­ ren Querfluß führen, als von dem Flußsollwert und dem Polwinkel δ_r vorausgesetzt wird. Aus diesem Grund wird der i_q0-Sollwert begrenzt, wobei der davon erhältliche Sollwert den dem größten zulässigen Querfluß entsprechenden Wert nicht überschreitet. Die Anstiegsgeschwindigkeit des Moments kann in einer mit einer Dämpfungswicklung versehenen Maschine dadurch verbessert werden, daß der bei der Begrenzung des Querflusses in der Dämpfungswicklung induzierte Strom I_2Q (Gleichung 6) wie folgt berechnet wird:

ψ_q = ψ sinδ = (X_hq + X_1σ) i_q + X_hq.i_2Q (18)

d. h.

Bei dieser Steuerungsweise wirkt die quer­ laufende Dämpfungswicklung als "dynamischer" Kompensator des Statorquerstroms.

Claims (2)

1. Verfahren zum Steuern des Drehmoments einer über einen Frequenzumrichter gespeisten Synchronmaschine, bei welchem Verfahren die Statorströme (i_R, i_S, i_T), der Läu­ fer-Magnetisierungsstrom (i_f) und die Winkelstellung (λ) des Läufers gemessen werden,
aus den genannten Meßwerten mittels eines Flußmodells (8) die Längsfluß­ komponente ψ_d und die Querfluß­ komponente ψ_q berechnet werden, und zwar bezogen auf das Rotor­ koordinatensystem (d, q), dessen d-Achse in die magnetische Achse des Läufers fällt,
wobei die Statorströme mit Hilfe eines Querstromsollwertes i_q0-Soll und eines Längsstromsollwertes i_d0-Soll und der Läufer-Magnetisierungsstrom auf einen Sollwert i_f0-Soll geregelt werden,
und der Polwinkel (δ) auf einen von der Größe des Dreh­ momentes unabhängigen Wert δ_R vorgesehen wird und damit die genannten Sollwerte wie folgt berechnet werden:
i_q0-Soll = ψ-Soll . sinδ_r/(X_hq + X_lσ)
wobei ψ-Soll ein vorgegebener Sollwert für den Gesamtfluß der Maschine ist, X_hd die Hauptlängsreaktanz der Ma­ schine ist und X_1σ die Streu­ reaktanz des Stators ist,
wobei Te-Soll der Sollwert des Drehmo­ mentes der Maschine ist, und

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem bei kleineren Belastungen die Synchronmaschine in bekannter Weise mit einem lastabhängigen Polwinkel δ betrieben wird, und bei welchem aus den berech­ neten Werten ψ_d und ψ_q der Pol­ winkel δ ständig berechnet wird, und, wenn der Polwinkel δ einen Wert δ_R = δ_max übersteigt, die genannten Sollwerte i_q0-Soll, i_d0-Soll und i_f0-Soll zur Steuerung verwendet werden.