DE3926994A1

DE3926994A1 - Verfahren zur bildung der komponenten des flussraumzeigers einer ueber einen selbstkommutierten wechselrichter gespeisten asynchronmaschine

Info

Publication number: DE3926994A1
Application number: DE3926994A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl Ing Prinz
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Germany; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB AG Germany; ABB AB
Priority date: 1989-08-16
Filing date: 1989-08-16
Publication date: 1991-02-21

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bildung der Komponenten des Flußraumzeigers aus den Komponenten des Spannungsraumzeigers und den Komponenten des Strom raumzeigers einer Asynchronmaschine, die über einen mit eingeprägter Gleichspannung betriebenen, dreiphasigen, selbstkommutierten Wechselrichter gespeist wird, wobei die Komponenten des Flußraumzeigers jeweils durch Inte gration der Differenzen aus den Komponenten des Span nungsraumzeigers und den Produkten aus den Komponenten des Stromraumzeigers und dem Ständerwicklungswiderstand der Asynchronmaschine gebildet werden.

Anwendungsgebiete sind beispielsweise in der Leistungs elektronik im Bereich industrieller Antriebe, z.B. bei Maschinenprüfständen, gegeben.

Ein solches Verfahren zur Bildung der Komponenten des Flußraumzeigers einer über einen selbstkommutierten Wechselrichter gespeisten Asynchronmaschine ist aus der DE-PS 34 38 504 bekannt. Das dort beschriebene Verfahren zur Regelung einer Drehfeldmaschine, die über einen Wechselrichter mit eingeprägter Eingangs-Gleichspannung gespeist wird, weist folgende Schritte auf:

a) Bilden eines Fluß-Istwertes,
b) Vergleich des Fluß-Istwertes mit einem Fluß-Soll wert,
c) Bilden eines ersten Steuervektors mit einer der Pulszahl des Wechselrichters entsprechenden Anzahl von diskreten Lagen, die zyklisch durchlaufen wer den,
d) Weiterschalten des ersten Steuervektors auf die nächste diskrete Lage, wenn der Fluß-Istwert den Fluß-Sollwert übersteigt.

Insbesondere wird als Fluß-Istwert die Komponente des Ist-Flußraumzeigers senkrecht zur Richtung derjenigen diskreten Lage, die als nächstes vom erstem Steuervektor eingenommen werden soll, verwendet.

Allgemein wird bei hochwertigen Regelungen der Asyn chronmaschine mit Kurzschlußläufer der magnetische Fluß in der Maschine als Istwert benötigt. Da dieser nicht direkt meßbar ist, muß er aus den meßbaren Größen mit Hilfe eines Maschinenmodells für die Asynchronmaschine berechnet werden. Die dreiphasigen Größen Maschinen strom, Maschinenspannung und Maschinenfluß werden dabei als Raumzeiger dargestellt, die in einem ständerfesten Koordinatensystem mit einer gewissen Winkelgeschwindig keit umlaufen. Diese Raumzeiger können vorzugsweise als Komponenten eines ständerfesten, orthogonalen Koordina tensystems beschrieben werden.

Beim U-I-Maschinenmodell für die Asynchronmaschine (Spannung-Strom-Modell) werden die Komponenten des Fluß raumzeigers durch Integration der zugehörigen Komponen ten des Spannungsraumzeigers unter Berücksichtigung des Spannungsabfalls an der Ständerwicklung berechnet. Die ses einfache, preiswert in Analogtechnik realisierbare U-I-Maschinenmodell, bei dem als Maschinenparameter au ßer der Nenndrehfrequenz (Ständerfrequenz) nur der Stän derwicklungswiderstand benötigt wird, ist für kleine Ständerfrequenzen jedoch nicht anwendbar, da die nicht vermeidbaren Fehler bei der Spannungsmessung und der sich anschließenden Integration (Weglaufen der analogen Integratoren) einen erheblichen Einfluß auf die Flußbe stimmung haben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bildung der Komponenten des Flußraumzeigers einer über einen selbstkommutierten Wechelrichter gespeisten Asynchronmaschine anzugeben, das auch bei kleinen Stän derfrequenzen zufriedenstellende Ergebnisse liefert.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Komponenten des Spannungsraumzeigers jeweils vom Inte grationsvorgang weggeschaltet werden, wenn eine Null spannung an der Asynchronmaschine anliegt.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen ins besondere darin, daß sich durch das beschriebene Verfah ren die bei der Flußbildung auftretenden Fehler soweit reduzieren lassen, daß das U-I-Maschinenmodell für die Asynchronmaschine auch für kleine Ständerfrequenzen bis zu Frequenzwerten von 0,5 Hz verwendet werden kann. Die Antriebsdrehzahl wird vorteilhaft zur Flußbildung nicht benötigt. Als Maschinenparameter wird lediglich der Ständerwicklungswiderstand benötigt, während Parameter des Rotorkreises nicht erforderlich sind.

Weitere Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeich nung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 die Ansteuervorrichtung für einen mit einge prägter Spannung betriebenen, selbstkommutier ten Wechselrichter,

Fig. 2 ein Raumzeigerdiagramm interessierender Größen,

Fig. 3 eine Anordnung zur verbesserten Ermittlung der Komponenten des Flußraumzeigers,

Fig. 4 eine allgemein bekannte Anordnung zur Einstel lung einer Offsetspannung.

In Fig. 1 ist die Ansteuervorrichtung für einen mit ein geprägter Spannung betriebenen, selbstkommutierten Wech selrichter dargestellt. Es ist ein dreiphasiger, selbst kommutierter Wechselrichter 1 zu erkennen, der eine dreiphasige Asynchronmaschine 2 mit Kurzschlußläufer speist. Eine Steuer- und Regeleinrichtung 3 versorgt die Stromrichterventile (vorzugsweise GTO-Thyristoren) des Wechselrichters 1 mit Wechselrichter-Schaltbefehlen YDU,YDV,YDW. Die Schaltbefehle werden beispielsweise unter Berücksichtigung eines vorgegebenen Drehmoment sollwertes Msoll eingestellt. Auf Einzelheiten der An steuervorrichtung wird auf die DE-PS 34 38 504 "Verfah ren und Einrichtung zur Regelung einer Drehfeldmaschine" (DSR-Verfahren) hingewiesen.

Wie auch aus der vorstehend erwähnten DE-PS 34 38 504 hervorgeht, werden die Komponenten Ψα und Ψβ des Flußraumzeigers zur Bildung der Schaltbefehle YDU, YDV, YDW benötigt. In diesem Zusammenhang wird auf das Raum zeigerdiagramm interessierender Größen gemäß Fig. 2 hin gewiesen. In diesem Raumzeigerdiagramm sind die Raumzei ger der Ständerspannung, des Gesamtflusses und des Stro mes dargestellt. Die Ständerwicklungsachsen der Asyn- chronmaschine sind mit a, b, c bezeichnet. Die Ordinate α eines ständerfesten, orthogonalen α/β-Koordinatensystems fällt mit der Ständerwicklungsachse a zusammen. Der Flußraumzeiger läuft mit der Winkelgeschwindigkeit Ω um. Die Komponenten (= Projektionen des Flußraumzeigers auf die α- und β-Achsen) des Flußraumraumzeigers sind mit Ψα und Ψβ bezeichnet. Der Spannungsraumzeiger kann nur die durch die Punkte 0, 1′, 2′, 3′, 4′, 5′, 6′ gekennzeichneten diskreten Werte annehmen, die entsprechenden Spannungsraumzeiger lauten

Der Spannungsraumzeiger weist den Betrag Null auf. Im Beispiel ist der Spannungsraumzeiger = mit seinen Komponenten Uα und Uβ gezeigt. Des weiteren ist der Stromraumzeiger mit seinen Komponenten iα, iβ dargestellt.

Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, werden die Komponenten Ψα, Ψβ des Flußraumzeigers durch ein U-I-Maschinenmodell 4 für die Asynchronmaschine unter Einsatz von Integratoren 5, 6 aus den Komponenten Uα, Uβ des Spannungsraumzeigers und den Komponenten iα, iβ des Stromraumzeigers gebildet und der Steuer- und Regeleinrichtung 3 zugeführt. Im einzelnen gilt

Ψα = K ∫ (Uα - iα · RS)dt

Ψβ = K ∫ (Uβ - iβ · RS)dt,

wobei RS der Ständerwicklungswiderstand und K eine Integrationskonstante darstellen.

Die Komponenten Uα, Uβ des Spannungsraumzeigers werden mit Hilfe eines Wechselrichtermodells 7 aus den Wechsel richter-Schaltbefehlen YDU, YDV, YDW und dem mittels einer Spannungserfassungseinrichtung 13 ermittelten Gleich spannungsistwert XAUD der dem Wechselrichter 1 einge prägten konstanten Gleichspannung UD gebildet. Dabei legen die Wechselrichter-Schaltbefehle YDU, YDV, YDW den diskreten Spannungsraumzeiger . . . sowie der Gleichspannungsistwert XAUD den Betrag des Spannungsraumzeigers fest. Bezüglich des Zusammenhanges zwischen Wechselrichter- Schaltbefehlen und Spannungsraumzeiger wird auf die DE-PS 34 38 504, z. B. Spalte 9 oben verwiesen.

Die Komponenten iα, iβ des Stromraumzeigers werden mit Hilfe eines Koordinatentransformators 8 aus den Maschinenströmen iu, iv, iw (= ausgangsseitige Ströme des Wechselrichters) gebildet. Zur Erfassung dieser Ströme sind Stromwandler 9, 10, 11 in den Verbindungsleitungen zwischen Wechselrichter und Asynchronmaschine 2 vorgesehen. Gegebenenfalls können lediglich zwei dieser Ströme erfaßt werden, da der dritte Strom aus diesen zwei Strömen gebildet werden kann.

Zur Erfassung eines vorliegenden Spannungsraumvektors = (Nullspannungsvektor, Nullspannung, Spannungszustand Null) ist ein Nullspannungsintegrator 12 vorgesehen, der eingangsseitig die Wechselrichter-Schaltbefehle YDU, YDV, YDW empfängt und ausgangsseitig ein Ansteuersignal UD an das U-I-Maschinenmodell 4 abgibt, sobald ein Nullspannungsvektor auftritt. Im Detail wird der Zweck dieser Maßnahme unter Fig. 3 erläutert.

In Fig. 3 ist eine Anordnung zur verbesserten Ermittlung der Komponenten des Flußraumzeigers dargestellt, und zwar am Beispiel der α-Komponente. Analoge Ausführungen gelten für die β -Komponente. Es ist der Integrator 5 zu erkennen, an dessen positivem Eingang eine Additionstel le 15 und der Integrator-Kondensator Cα angeschlossen sind und dessen negativer Eingang an Masse liegt. Die Offsetspannung zwischen beiden Eingängen des Integrators 5 ist mit Uoff bezeichnet. Der erste positive Eingang der Additionsstelle 15 ist mit einem Widerstand Rα ver bunden, der andererseits an einem elektronischen Schal ter 14 angeschlossen ist. Der elektronische Schalter 14 wird andererseits mit der Komponente Uα beaufschlagt und vom Ansteuersignal UN angesteuert, d. h. geschlossen, wenn ≠ und geöffnet, wenn = . Der zweite positive Eingang der Additionsstelle 15 ist mit einem Widerstand RS (RS » Rα) verbunden, wobei der Widerstand RS mit der Komponente - iα beaufschlagt wird (iα · RS: Spannungsabfall am Ständerwicklungswiderstand). Der Integrator-Kondensator Cα liegt mit seinem weiteren Anschluß am Ausgang des Integrators 5. Diesem Ausgang ist die Komponente Ψα des Flußraumzeigers entnehmbar.

In Fig. 4 ist eine allgemein bekannte Anordnung zur Ein stellung einer Offsetspannung dargestellt. Der negative Eingang des Integrators 5 ist dabei über einen Wider stand R1 an Masse geschaltet und über einem Widerstand R2 mit dem Abgriff eines Potentiometers P verbunden. Die erste feststehende Anschlußklemme dieses Potentiometers P liegt an Masse, während seine zweite feststehende An schlußklemme mit der Betriebsspannung US beaufschlagt ist.

Um mit dem analog realisierbaren U-I-Maschinenmodell 4 für die Asynchronmaschine auch bei kleinen Maschinen drehzahlen der Asynchronmaschine, d.h. bei kleinen Span nungszeitflächen an der Maschine, eine hinreichend ge naue Flußberechnung

zu erhalten, muß das "Weglaufen" der Integratoren 5, 6 verhindert werden. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß zwischen das Wechselrichtermodell 7 und das U-I-Maschi nenmodell 4 elektronische Schalter 14 vorgesehen werden, mit deren Hilfe sich die zu integrierenden Komponenten Uα und Uβ in geeigneter Weise wegschalten lassen. Die Ansteuersignale UN für diese Schalter 14 lassen sich aus den Wechselrichter-Schaltbefehlen ableiten.

Mit Hilfe des elektronischen Schalters 14 werden zwei Ursachen, die zu einem "Weglaufen" des Integrators füh ren, vermieden. Für dem Fall, daß die Komponente Ucα den Wert 0V aufweist und der Schalter 14 geschlossen wäre, würde über den Widerstand Roα ein von der Offsetspannung Uoff getriebener Strom fließen, der die Spannung am Kon densator Cα und somit am Ausgang des Integrators 5 verändern würde, d.h. die Komponente Ψα des Flußraum zeigers würde verfälscht werden.

Bei geöffnetem Schalter 14 kann über Rα kein von der Spannung Uoff getriebener Strom mehr fließen, der die Spannung am Integratorkondensator Cα in unzulässiger Weise verändern könnte, d.h. der Integrator 5 kann nicht mehr "weglaufen". Wird der Schalter 14 nun immer dann geöffnet, wenn eine Nullspannung an der Asynchronmaschi ne anliegt, so ergibt sich insbesondere bei kleinen Drehzahlen eine wesentliche Verbesserung des Verhaltens des Integrators.

Zusätzlich bleiben vorteilhaft Fehler in der Nullspan nungsbildung im Wechselrichtermodell 7 ohne negativen Einfluß auf die Flußintegration.

Verwendet man zum Aufbau des analogen Integrators einen Operationsverstärker mit FET-Eingängen (Feldeffekttran sistoren), dessen Offsetströme im Nano-Amperebereich liegen, so läßt sich mit der beschriebenen einfachen Zusatzmaßnahme ein Integrator realisieren, dessen Drift weniger als 10 mV/min beträgt.

Claims

1. Verfahren zur Bildung der Komponenten des Fluß raumzeigers aus den Komponenten des Spannungsraumzeigers und den Komponenten des Stromraumzeigers einer Asyn chronmaschine, die über einen mit eingeprägter Gleich spannung betriebenen, dreiphasigen, selbstkommutierten Wechselrichter gespeist wird, wobei die Komponenten des Flußraumzeigers jeweils durch Integration der Differen zen aus den Komponenten des Spannungsraumzeigers und den Produkten aus den Komponenten des Stromraumzeigers und dem Ständerwicklungswiderstand der Asynchronmaschine gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompo- nenten (Uα, Uβ) des Spannungsraumzeigers jeweils vom Integrationsvorgang weggeschaltet werden, wenn eine Nullspannung an der Asynchronmaschine (2) anliegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorliegen einer Nullspannung aus den Wechselrichter-Schaltbefehlen (YDU, YDV, YDW) abgeleitet wird.