DE4107362A1 - Verfahren zum stossfreien zuschalten eines umrichters auf eine sich mit unbekannter drehzahl drehende drehstromasynchronmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches Verfahren ist in der DE 35 43 983 C2 als Stand der Technik beschrieben.

Bei diesem bekannten Verfahren prägt der Umrichter der Statorwick­ lung der Drehstromasynchronmaschine mittels eines Suchstromreglers einen Soll-Strom ein, der beispielsweise der Nennstrom der Maschine sein kann. Dabei durchfährt der Umrichter von der Suchfrequenz Null Hz beginnend in Richtung Maximalfrequenz oder auch umgekehrt das Fre­ quenzband der zu "fangenden" Drehstromasynchronmaschine. Gleichzei­ tig wird fortlaufend der Wert des Spannungsanstiegs der Statorspan­ nung erfaßt, bis ein vorbestimmter Wert des Spannungsanstiegs er­ reicht wird. Sobald dieser Wert erreicht ist, befindet sich die Such­ frequenz des Umrichters an der unteren oder oberen Grenze des Schlupffrequenzfensters der zu "fangenden" Drehstromasynchronmaschine. Das Schlupffrequenzfenster wird nun mit einer verminderten Suchgeschwin­ digkeit durchfahren. Dabei baut sich in der Drehfeldmaschine ein Fluß auf. Überschreitet der Fluß dann einen vorbestimmten Grenzwert, wird dieses als Kriterium dafür gewertet, daß die Umrichterfrequenz und die Maschinenfrequenz annähernd gleich sind, das heißt der Betriebspunkt der noch drehenden Drehstromasyn­ chronmaschine gefunden worden ist. Der Umrichter wird über seine Steuerung nunmehr in den Normalbetrieb umgeschaltet.

Zur Durchführung dieses bekannten Verfahrens ist eine verhältnismäßig aufwendige zusätzliche Fangschaltung notwendig.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bereits durch die DE 39 22 479 A1 ein Umrichter bekannt ist, der über ein läuferfluß­ orientiertes Spannungsmodell der Drehstromasynchronmaschine eine Ständerspannung und die entsprechende Phasenlage dieser Spannung vorgibt. Dabei wirkt ein Magnetisierungsstromregler zur Kompensation von Nichtlinearitäten korrigierend auf das Spannungsmodell ein, wäh­ rend ein Läuferstromregler entsprechend der Lastanforderung auf die vorzugebende Ständerfrequenz wirkt. Beide Regler erhalten ihre Ist­ werte von einem Stromistwertrechner.

Der Erfindung liegt unter dieser Prämisse die Aufgabe zugrunde, das eingangs angegebene Verfahren derart auszugestalten, daß eine weit weniger aufwendige Fangschaltung für ein stoßfreies Zuschalten des Umrichters auf die sich drehende Maschine verwendet werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 ge­ kennzeichneten Merkmale gelöst.

Vorteilhafterweise können somit ausschließlich Teile der ohnehin vorhandenen Regelstruktur für den Betrieb der Drehstromasynchron­ maschine über den Umrichter für die Fangschaltung verwendet werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens nach der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Das Verfahren nach der Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels einer Schaltungsan­ ordnung zur Durchführung des Verfahrens erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine Regelstruktur, mit der die Frequenzgleichheit zwischen einem Umrichter und einer mit unbekannter Drehzahl rotierenden, geberlosen Drehstromasyn­ chronmaschine herbeigeführt werden kann und

Fig. 2 die Einbindung der in Fig. 1 gezeigten Regelstruk­ tur in die Steuerung des zu der Drehstromasyn­ chronmaschine zugeschalteten Umrichters im Nor­ malbetrieb.

In Fig. 1 ist die prinzipielle Regelstruktur einer Fangschaltung zum stoßfreien Zuschalten einer (nicht gezeigten) sich mit unbekann­ ter Drehzahl drehenden, geberlosen, unerregten Drehstromasynchronma­ schine zu einem (ebenfalls nicht gezeigten) Umrichter dargestellt. Ein Stromistwertrechner 7 erhält Meßwerte von der Drehstromasynchron­ maschine, aus denen er eine dem Läuferstromistwert der Maschine ent­ sprechende Regelgröße xil bildet. Diese Regelgröße xil wird mit einer Stromführungsgröße wil verglichen und die Regelabweichung einem Strom-Regelverstärker 3 zugeführt.

In einem dem Stromregelverstärker 3 nachgeschalteten Addierglied 2 kann eine frei wählbare Startfrequenz fstart eingestellt werden, mit welcher der Stromregelverstärker 3 für den Suchvorgang initialisiert wird. Das Spannungsmodell 1 gibt frequenzabhängig eine Ausgangsspan­ nung |USF| mit der Phasenlage ϕ_u vor.

Diese in Fig. 1 gezeigte Fangschaltung, deren Funktionsweise weiter unten beschrieben wird, ist gemäß der Erfindung Teil der durch die DE 39 22 479 A1 bekannten Regelstruktur für die Drehstromasynchronma­ schine im Normalbetrieb. Die Einbindung der für die Fangschaltung benötigten Schaltungsteile in diese Regelstruktur im Normalbetrieb zeigt Fig. 2.

Vorgegeben sind dann zum einen (von dem Spannungsmodell 1) der Soll­ wert wim für den Magnetisierungsstrom der Drehstromasynchronmaschine und die Solldrehzahl wn, zum anderen die durch (nicht gezeigte) Meß­ einrichtungen bereitgestellten Meßwerte, aus denen der Stromistwert­ rechner 7 die Istwerte der Magnetisierungsstromkomponente xim und der Lastkomponente xil im Maschinenstrom errechnet, und eine der tatsäch­ lichen Drehzahl der Asynchronmaschine entsprechende Regelgröße xn. Die Regelabweichung des Istwerts der Magnetisierungsstromkomponente xim von dem Sollwert wim wird über einen Magnetisierungstrom-Regel- Verstärker 6 als Größe ΔU dem Spannungsmodell 1 zugeführt.

Ein Drehzahlregelverstärker 5 gibt die Regelabweichung des Istwerts xn der Drehzahl von dem vorgegebenen Drehzahl-Sollwert wn als Sollwert wil für die lastabhängige Komponente des Maschinenstroms vor. Dieser Sollwert wil wird erstens dem Spannungsmodell 1 zugeführt. Zweitens wird die Regelabweichung des Istwerts xil der lastabhängigen Kompo­ nente im Motorstrom von diesem Sollwert wil über einen (Läufer-)­ Stromregelverstärker 3 dem (Frequenz-)Addierglied 2 eingegeben und drittens bestimmt dieser Sollwert wil über ein im Addierglied 2 ent­ haltenes Läufermodell der Drehstromasynchronmaschine in Abhängigkeit des Quotienten von Läuferwiderstand und Verkettungsfluß eine zusätz­ liche Frequenzanhebung. Der Stellwert des Stromreglers 3 entspricht dem Drehzahlistwert xn der Drehstromasynchronmaschine. Dieser ist ein Pseudoistwert, da der Antrieb geberlos ist.

Der Ausgangswert des Addierglieds 2, nämlich das Frequenzführungssig­ nal f für die Steuerung des mit der Drehstromasynchronmaschine ver­ bundenen Umrichters wird ebenfalls dem Spannungsmodell 1 eingegeben. Das läuferflußorientierte Spannungsmodell 1 gibt dann in üblicher Weise den Betrag der Ständerspannung |US| und zur Läuferflußorien­ tierung den Phasenwinkel ϕ_u für die Umrichtersteuerung vor.

Soll nun der Umrichter auf die sich mit unbekannter Drehzahl drehende, unerregte, geberlose Drehstromasynchronmaschine für den weiteren nor­ malen (zu Fig. 2 zuvor erläuterten Betriebsfall) stoßfrei geschaltet werden, sind der Magnetisierungsstromregelverstärker 6 und der Dreh­ zahlregelverstärker 5 zunächst gesperrt. Die Regelstruktur entspricht dann der in Fig. 1 gezeigten.

Die Erfindung geht nun davon aus, daß die Frequenzgleichheit vom Um­ richter und der sich drehenden Maschine dann gegeben ist, wenn im Läufer der Drehstromasynchronmaschine bei gegebener Spannung |USF| kein bzw. nur noch ein minimaler induzierter Strom auftritt. Das heißt, es muß lediglich als Sollwert für den Läuferstrom der Wert wil=0 (wie in Fig. 1 gezeigt) vorgegeben werden. Die Fangschaltung nach Fig. 1 regelt ausgehend von der Frequenz fstart dann die (Fang-)­ Frequenz fF des Umrichters derart ein, daß sie der Drehfrequenz der Drehstromasynchronmaschine entspricht.

Es wird als Ausgangsfrequenz für diesen Suchlauf der Fangschaltung eine Startfrequenz fstart in das Addierglied 2 eingegeben, die höher als die Betriebsfrequenz der Drehstromasynchronmaschine ist.

Um harte transiente Vorgänge zu vermeiden, wird der vom Spannungsmo­ dell vorgegebene Spannungsbetrag |USF| (entsprechend einem reduzierten Magnetisierungsstromsollwert) auf ein Sechstel bis ein Zehntel, vor­ zugsweise auf ein Achtel der Leerlaufspannung der Drehstromasynchron­ maschine reduziert.

Da während des Suchvorgangs die reduzierte Spannung |USF| an die Dreh­ stromasynchronmaschine gelegt wird, stellt sich ein Stromistwert xil ein, der ebenfalls sehr klein sein kann. Um den Fangvorgang unabhängig von den Regelverstärkereinstellungen zu optimieren, ist es sinnvoll, die Verstärkung dieses Meßwerts um einen normierten Verstärkungsfak­ tor vorzusehen.

Errechnet der Stromistwertrechner 7 ein parametrierbares Minimum des Stromistwerts xil (bzw. den Wert Null), sind die Betriebspunkte von Umrichter und Drehstromasynchronmaschine gleich oder die Statorfre­ quenz ist Null. Dann wird ein Suchlauf aus der anderen Richtung ge­ startet.

Wird nach der automatischen Suchrichtungsumkehr ein zweites Mal die Statorfrequenz "Null" erkannt, wird davon ausgegangen, daß die Ma­ schine steht.

Der Umrichter und die Drehstromasynchronmaschine können für den Nor­ malbetrieb mit Anwendung der Regelstruktur nach Fig. 2 zusammenge­ schaltet werden. Bevor die Regelverstärker für den Normalbetrieb allerdings freigegeben werden, ist die Maschine zunächst aufzuma­ gnetisieren. Zur Vermeidung von starken transienten Vorgängen und damit verbundenen Drehzahleinbrüchen sollte die Aufmagnetisierungs­ zeit nicht zu klein gewählt werden.

Claims (4)

1. Verfahren zum stoßfreien Zuschalten eines Umrichters auf eine sich mit unbekannter Drehzahl drehende, geberlose, unerregte Dreh­ stromasynchronmaschine mit einem Stromsollwert-/Stromistwertver­ gleich über einen Suchstromregler zur Bestimmung der Gleichheit von Umrichter- und Maschinenfrequenz, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Umrichter, der im Normalfall über ein läuferfluß­ orientiertes Spannungsmodell der Drehstromasynchronmaschine eine Ständerspannung sowie die entsprechende Phasenlage dieser Span­ nung vorgibt, bei dem ein Magnetisierungsstromregler zur Kompen­ sation von Nichtlinearitäten korrigierend auf das Spannungsmodell einwirkt, während ein Läuferstromregler entsprechend der Lastan­ forderung auf die vorzugebende Ständerfrequenz einwirkt, und bei dem beide Regler ihre Istwerte von einem Stromistwertrechner er­ halten,

• - der Stromregler als Suchstromregler verwendet wird, dem der Stromsollwert "Null" bei ausgeblendeten Magnetisierungs- und Drehzahlreglern vorgegeben wird,
• - dabei dem Umrichter eine beliebig wählbare Startfrequenz vorge­ geben wird,
• - der Umrichter durch das Spannungsmodell mit einer reduzierten Ausgangsspannung betrieben wird, bis der Stromistwert einen Minimalwert erreicht hat und
• - der beim Erreichen dieses Minimalwertes festgestellte Frequenz­ wert zur Initialisierung der betriebsmäßigen Steuerung des Um­ richters nach Auferregung der Drehstromasynchronmaschine ver­ wendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Startfrequenz eine Frequenz gewählt wird, die höher als die Betriebsfrequenz der Drehstromasynchronmaschine ist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die reduzierte Ausgangsspannung einem Sechstel bis einem Zehntel der Leerlaufspannung der Drehstromasynchronmaschine entspricht.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Stromistwertrechner von der Drehstromasynchronmaschi­ ne zugeführten Meßgrößen mit einem normierten Verstärkungsfaktor multipliziert werden.