DE4021098A1 - Verfahren zur regelung und erhoehung der drehzahl eines permanentmagneterregten synchronmotors - Google Patents

Description

Bei permanenterregten Synchronmotoren, die von einem an einer konstanten Netzspannung liegenden Umrichter gespeist werden, treten Probleme auf, wenn die Drehzahl des Synchronmotors über die durch den mit konstanter Spannung gespeisten Umrichter und die entsprechenden Daten des Motors gegebene Grenzdrehzahl hinaus erhöht werden soll.

Durch die DE-A-32 03 911 ist ein Verfahren zur Erhöhung der Drehzahl eines Synchronmotors über die vorbeschriebene Grenz­ drehzahl hinaus bekannt. Bei diesem Verfahren wird bei Erreichen dieser Grenzdrehzahl der Wirkstrom-Sollwert auf einen bestimmten Wert begrenzt und zusätzlich ein um 90° phasenver­ schobener Blindstrom-Sollwert zu diesem addiert. Hierdurch wird eine Erhöhung der Drehzahl über die durch eine mit konstanter Spannung gespeisten Umrichter vorgegebene Grenzdrehzahl hinaus erreicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung der Drehzahl eines permanentmagneterregten Synchron­ motors anzugeben, mit dem eine Erhöhung der Drehzahl des Syn­ chronmotors über die durch den Umrichter und die Motordaten gegebene Grenzdrehzahl hinaus mit wenig Aufwand an zusätzlichen Reglerelementen möglich ist.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch das im Patent­ anspruch 1 beschriebene Verfahren. Bei diesem Verfahren wird bis zum Erreichen der Grenzdrehzahl, die durch die konstante Zwischenkreisspannung des Umrichters sowie die EMK und die Induktivität des Motors bestimmt ist, eine feldorientierte Regelung des Maschinenstromes vorgenommen. Der Strom wird somit derart geregelt, daß er mit der Polradspannung, d.h. der EMK des Motors in Phase ist. Zur Regelung der Stromamplitude erfolgt eine entsprechende Taktung des Stromes. Erreicht der Motor seine Grenzdrehzahl und ist eine Erhöhung seiner Dreh­ zahl über diese Grenzdrehzahl hinaus erforderlich, erfolgt eine Regelungsumschaltung von der feldorientierten Regelung auf eine Regelung des Polradwinkels, wobei der zwischen der Polradspan­ nung und der Motorspannung gebildete Polradwinkel im Sinne einer Übererregung verändert wird.

Bei dem Verfahren nach den Merkmalen des Anspruchs 3 wird die Erhöhung der Drehzahl über die Grenzdrehzahl hinaus weitgehend mit den ohnehin für die Drehzahlregelung vorhandenen Regler­ elementen erzielt. Dies geschieht durch eine entsprechende Verarbeitung der von dem vorhandenen Drehzahlregler und dem Drehzahl-Istwertgeber gelieferten Signale. Durch eine entspre­ chende Verknüpfung dieser Signale wird ein Steuersignal für eine lastabhängige Einstellung des Polradwinkels erzeugt. Hier­ zu sind zusätzlich nur die die Verknüpfung bewirkenden Bau­ elemente erforderlich.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Schaltungsbei­ spieles wird das Verfahren nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Drehzahlregelschaltung für einen permanentmagneterregten Synchronmotor,

Fig. 2 ein einphasiges Beschaltungsbeispiel für ein den Feldschwächbetrieb regelndes Steuerteil,

Fig. 3 den Verlauf der von den einzelnen Elementen des Steuer­ teiles gelieferten Signale.

Mit 1 ist ein permanentmagneterregter Synchronmotor bezeichnet, der über einen an einer konstanten Netzspannung U liegenden Umrichter 2 gespeist wird. Mit dem Synchronmotor 1 ist ein Drehzahl-Istwertgeber 3 und ein Rotorlagegeber 4 gekoppelt. Zur Drehzahlregelung des Synchronmotors 1 ist ein Drehzahlregler 5 und ein diesem nachgeschalteter Stromregler 6 vorgesehen. Am Ausgang des Stromreglers 6 liegt sowohl ein erster Steuerteil 7 für eine feldorientierte Steuerung des Synchronmotors 1 als auch ein zweiter Steuerteil 8, durch den eine feldschwächende Steuerung des Synchronmotors 1 erfolgt. Die beiden Steuerteile 7 und 8 sind mittels eines Umschalters 9 wahlweise an den Umrichter 2 anschaltbar. Dem zweiten Steuerteil 8 werden ferner sowohl das Ausgangssignal des Drehzahl-Istwertgebers 3 als auch das Ausgangssignal des Rotorlagegebers 4 zugeführt.

Im unteren Drehzahlbereich, d.h. bei Drehzahlen die unterhalb der durch die konstante Zwischenkreisspannung U1 und die Motor­ daten vorgegebenen Grenzdrehzahl liegen, erfolgt eine feld­ orientierte Regelung des Synchronmotors 1. Folglich ist in diesem Drehzahlbereich der Ausgang des ersten Steuerteiles 7 über den Umschalter 9 an den Umrichter 2 angeschaltet. Durch die Ausgangssignale des ersten Steuerteiles 7 werden die steuerbaren Ventile 10 des Umrichters 2 so gesteuert, daß der Strom des Synchronmotors 1 mit der Polradspannung, d.h. der EMK des Synchronmotors 1 in Phase ist. Durch entsprechende Taktung der Ventile 10 während der jeweiligen Einschaltdauer wird die Höhe des Stromes geregelt. Eine derartige feldorientierte Rege­ lung eines Synchronmotors ist aus der DE-A-32 03 911 bekannt.

Spätestens, wenn die Belastung des Synchronmotors 1 eine Voll­ aussteuerung der Ventile 10 erfordert, wird mittels des Um­ schalters 9 nunmehr der Ausgang des zweiten Steuerteiles 8 an den Umrichter 2 angeschaltet. Die Ventile 10 werden nunmehr durch die Ausgangssignale dieses zweiten Steuerteiles 8 voll durchgesteuert und es erfolgt durch dieses zweite Steuerteil 8 eine Steuerung des Polradwinkels in Abhängigkeit von der Belastung des Synchronmotors 1.

Anhand der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Beschaltung des zweiten Steuerteiles 8 und der Signalverläufe wird nachfolgend die Wirkungsweise des zweiten Steuerteiles 8 in Bezug auf die Bildung der Steuersignale für die Phase R erläutert.

Im zweiten Steuerteil 8 wird zu dem eingehenden Drehzahl-Ist­ wertsignal 11 und dem vom Drehzahlregler gelieferten Signal 12 jeweils mittels eines Inverters 13 bzw. 14 ein entsprechendes, invertiertes Signal gebildet. Mittels eines ersten und zweiten Umschaltelementes 15 und 16, die durch das der Phase T, somit durch das der gegenüber der Phase R um 120° voreilenden Phase entsprechende Rotorlagegebersignal 17 gesteuert werden, wird sowohl die Polarität des Drehzahl-Istwertsignales 11 als auch die Polarität des Drehzahlreglersignales 12 umgeschaltet. Der in seiner Polarität wechselnde Verlauf dieser Signale 11′ und 12′ ist aus der Fig. 3 erkennbar.

Das in seiner Polarität umgeschaltete Drehzahl-Istwertsignal 11′ wird einem Integrationsglied 18 zugeführt und durch dieses ent­ sprechend aufintegriert. Der Verlauf dieses aufintegrierten Drehzahl-Istwertsignales ist dreieckförmig und in der Figur mit 19 gekennzeichnet. Dieses aufintegrierte Drehzahl-Istwertsignal 19 liegt zusammen mit dem in seiner Polarität umgeschalteten Drehzahlreglersignal 12′ an einem Eingang eines Komparators 20. Damit erscheint am Ausgang des Komparators 20 ein Signal 21, dessen Beginn und Ende durch die Schnittpunkte zwischen dem aufintegrierten Drehzahl-Istwertsignal 19 und dem in seiner Polarität umgeschalteten Drehzahlreglersignal 12′ bestimmt sind. Dieses Signal 21 ist das modifizierte Lagegebersignal für die Phase R. Für die übrigen Phasen T und S werden die ent­ sprechenden Lagegebersignale in analoger Weise gebildet.

Das modifizierte Lagegebersignal 21 ist gegenüber dem eigent­ lichen Lagegebersignal der betreffenden Phase zeitlich vorver­ legt. Durch die modifizierten Lagegebersignale 21 wird somit eine Vorverlegung des Zündzeitpunktes der Ventile 10 bewirkt. Damit tritt im Motorstrom ein eine Feldschwächung bewirkender Längsstrom auf. Durch diese Feldschwächung wird eine Erhöhung der Drehzahl des Synchronmotors über seine natürliche Grenz­ drehzahl hinaus bewirkt.

Da die Amplitude des Drehzahlreglersignales 12 der Belastung des Synchronmotors 1 proportional ist, ergibt sich eine von der Belastung des Synchronmotors 1 abhängige Verschiebung des Schnittpunktes zwischen dem aufintegrierten Drehzahlistwert­ signal 19 und dem in seiner Polarität umgeschalteten Drehzahl­ reglersignal 12′, so daß eine belastungsabhängige Verschiebung des Zündzeitpunktes der Ventile erfolgt.

Mit dem Verfahren ist eine optimale Ausnützung des Umrichters möglich, da der Motorstrom bei gegebener Belastung minimal ist. Bei dem Feldschwächbetrieb oberhalb der durch die Zwischen­ kreisspannung U1 des Umrichters 2 und die entsprechenden Motor­ daten (EMK und Induktivität) gegebenen Grenzdrehzahl wird dies durch den Spannungsblockbetrieb des Umrichters 2 erreicht, der die bestmögliche Ausnützung der Zwischenkreisspannung U1 ergibt.

Die Umschaltung von feldorientiertem Betrieb in Feldschwäch­ betrieb mit 120°-Spannungsblöcken erfolgt spätestens dann, wenn bei Drehzahl- und/oder Drehmomenterhöhung die maximale Zwischen­ kreisspannung U1 des Umrichters 2 erreicht wird, d.h. der Strom­ regler am Anschlag ist.

Oberhalb dieses Betriebspunktes ist der Stromregler überflüssig, weil dann die Stellgröße durch den Polradwinkel, d.h. den Winkel zwischen Motorstrom und EMK des Motors gebildet wird.

Beim Beschleunigen muß das Drehmoment und somit auch der Pol­ radwinkel vergrößert werden. Beim Bremsen erfolgt die umge­ kehrte Vorgehensweise.

Die Umschaltung vom Feldschwächbetrieb auf den feldorientierten Betrieb erfolgt dann, wenn der Motor infolge der durch die Drehzahlverminderung abnehmenden EMK vom übererregten in den untererregten Betrieb überwechselt, wobei der Phasenwinkel zwischen Motorstrom und EMK sein Vorzeichen wechselt. Dieser Vorzeichenwechsel gilt als Kriterium für die Umschaltung von der Feldschwächung auf die Feldorientierung.

Claims (3)

1. Verfahren zur Regelung und Erhöhung der Drehzahl eines permanentmagneterregten Synchronmotors, der über einen an einer konstanten Netzspannung liegenden Umrichter (2) gespeist wird, bei welchem Verfahren der Strom des Synchronmotors (1) höch­ stens bis zum Erreichen der durch den netzgespeisten Umrichter (2) vorgegebenen Grenzdrehzahl phasengleich zur Polradspannung gesteuert und die Umrichterausgangsspannung zur Einstellung der Stromhöhe getaktet wird und ferner spätestens ab Erreichen der vorgegebenen Grenzdrehzahl durch eine Regelungsumschaltung der Zündzeitpunkt der Ventile (10) des Umrichters (2) in Abhängig­ keit von der Belastung des Synchronmotors (1) gegenüber dem Zündzeitpunkt für den Leerlauf bei motorischem Betrieb vor­ eilend sowie bei generatorischem Betrieb nacheilend verschoben und jedes Ventil (10) über seine jeweilige Einschaltdauer voll durchgesteuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Regelungsumschaltung dann erfolgt, wenn der Verlauf des Stromsollwertes von dem parallelen Verlauf mit dem Stromistwert abweicht und das Strom­ ausgangssignal betragsmäßig seinen Maximalwert annimmt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Zündzeitpunkt des einer Phase zugeordneten Ventiles (10) in Abhängigkeit von einem Signal gesteuert wird, das von dem der dieser Phase um 360°/m (m = Phasenzahl) voreilenden Phase zugeordneten Rotor­ lagegebersignal abgeleitet ist, wobei durch dieses Rotorlage­ gebersignal (17) eine Polaritätsumschaltung sowohl des von einem dem Synchronmotor zugeordneten, mit einem Integralteil versehenen Drehzahlregler (5) gelieferten Ausgangssignals (12) als auch des von einem entsprechenden Drehzahl-Istwertgeber (3) gelieferten Drehzahl-Istwertsignales (11) erfolgt, bei welchem Verfahren ferner das in seiner Polarität umgeschaltete Dreh­ zahl-Istwertsignal (11′) aufintegriert ist und die jeweiligen Schnittpunkte zwischen dem aufintegrierten Drehzahl-Istwert­ signal (19) und dem in seiner Polarität umgeschalteten Aus­ gangssignal (12′) des Drehzahlreglers (5) die Zünd- und Löschzeitpunkte für das der einen Phase zugeordnete Ventil (10) bilden.