DE4107362C2 - Verfahren zum stoßfreien Zuschalten eines Umrichters auf eine sich mit unbekannter Drehzahl drehende Drehstromasynchronmaschine - Google Patents

Verfahren zum stoßfreien Zuschalten eines Umrichters auf eine sich mit unbekannter Drehzahl drehende Drehstromasynchronmaschine

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches Verfahren ist durch den Aufsatz von Pölzler "Antriebssystem 'Standard Dynamik' für Drehstromasynchronmaschinen" in: "Elin-Zeitschrift" 1990 , Heft 1/2, Seiten 21 bis 26 bekannt. Die auf Seite 22, rechte Spalte unten beschriebene Spannungsermittlung über die Spannungs-Frequenz-Kennlinie wird dabei als Spannungsrechner (nur Betrag) angesehen.
In der genannten Literaturstelle ist ein Fangbetrieb einer sich mit unbekannter Drehzahl drehenden, geberlosen, unerregten Asynchronmaschine zum Aufschalten eines im Normalbetrieb über eine Statorfrequenz- und Statorspannungsvorgabe "statorflußorientiert" geregelten Spannungszwischenkreisumrichters angegeben. Die betriebsmäßige Regelung weist einen Wirkstromregler auf, dem zur Frequenzführung ein Frequenzregler vorgelagert ist. Zum Fangbetrieb wird die Statorfrequenz auf den Maximalwert gesetzt, und ein Regler gibt die Spannung vor, so daß ein gewünschter "Suchstrom" entsteht. Mit dem vorgegebenen Wirkstromsollwert = 0 läuft der Wirkstromreglerausgang von der Maximalfrequenz beginnend nach unten. Bei Erreichen des Kippschlupfes steigt der Wirkstrom an, um anschließend gegen den Synchronpunkt rasch abzusinken. Dieser Verlauf wird als "Antrieb gefunden" interpretiert. Der Fangvorgang ist beendet, wenn die Spannungs-/Frequenz-Kennlinie ihren Nennwert wieder erreicht hat.
Da der Wirkanteil des Stromes bei kleinen Frequenzen durch den stärker werdenden Einfluß des ohmschen Widerstands größer wird (Frequenz f = 0 → nur Wirkanteil), ist es sehr schwer bzw. nahezu unmöglich, mit Hilfe des Wirkstromes bei kleinen Frequenzen eine erfolgreiche Drehzahlidentifikation durchzuführen. Dies wird in der genannten Literaturstelle auf Seite 23, Spalte 2, Absatz 2 ausdrücklich erwähnt, ohne daß dort allerdings erläutert wird, was unter "kleinen Frequenzen" zu verstehen ist.
Durch die DE 35 43 983 C2 ist ebenfalls ein Verfahren zum stoßfreien Zuschalten eines Umrichters auf eine sich mit unbekannter Drehzahl drehende, geberlose, unerregte Drehstromasynchronmaschine über eine Fangschaltung mit einem Stromsollwert-/Stromistwertvergleich über einen Suchstromregler zur Bestimmung von Gleichheit von Umrichter- und Maschinenfrequenz bekannt.
Bei diesem bekannten Verfahren prägt der Umrichter der Statorwicklung 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 Frequenzband der zu "fangenden" Drehstromasynchronmaschine. Gleichzeitig wird fortlaufend der Wert des Spannungsanstiegs der Statorspannung erfaßt, bis ein vorbestimmter Wert des Spannungsanstiegs erreicht wird. Sobald dieser Wert erreicht ist, befindet sich die Suchfrequenz des Umrichters an der unteren oder oberen Grenze des Schlupffrequenzfensters der zu "fangenden" Drehstromasynchronmaschine. Das Schlupffrequenzfenster wird nun mit einer verminderten Suchgeschwindigkeit 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, d. h. der Betriebspunkt der sich drehenden Drehstromasynchronmaschine gefunden worden ist. Der Umrichter wird über seine Steuerung nunmehr in den Normalbetrieb umgeschaltet.
Die Durchführung dieses bekannten Verfahrens bedingt einen verhältnismäßig großen Aufwand für die zusätzliche Fangschaltung.
Durch die EP 0 166 052 ist es bekannt, einen Fangbetrieb mit einer um den Faktor 6 bis 10 reduzierten Suchspannung zu fahren. Die Vorgabe der reduzierten Spannung bleibt dabei unabhängig von der Frequenz konstant.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bereits durch die DE 39 22 479 A1 ein Umrichter bekannt ist, der über einen läuferflußorientierten Spannungsrechner (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, während ein Läuferstromregler entsprechend der Lastanforderung auf die vorzugebende Ständerfrequenz wirkt. Beide Regler erhalten ihre Istwerte von einem Stromistwertrechner.
Der Erfindung liegt unter dieser Prämisse die Aufgabe zugrunde, das eingangs angegebene Verfahren derart zu gestalten, daß eine weit weniger aufwendige Fangschaltung für ein stoßfreies Zuschalten des Umrichters auf die sich drehende Maschine verwendet werden kann, wobei das Verfahren, insbesondere auch bei kleinen Frequenzen, ein optimales Zuschalten ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Vorteilhafterweise können somit ausschließlich Teile der betriebsmäßig vorhandenen Regelstruktur für den Betrieb der Drehstromasynchronmaschine über den Umrichter auch für die Fangschaltung verwendet werden. Es wird der im Läufer induzierte Stromistwert überwacht, der dann zu Null wird oder einen Minimalwert aufweist, wenn die für die ruckfreie Zuschaltung notwendige Frequenzgleichheit herrscht.
Bei der Anwendung der Lehre nach der Erfindung funktioniert die Frequenzidentifikation in der Praxis hinunter bis zu kleinsten Frequenzen (0,01 . . . 0,03 · fnenn bei einer 315 kW Maschine). Dies wird allein durch die Verwendung des Läuferstromistwerts zur Frequenzidentifikation möglich. Bei der Transformation zur Gewinnung dieses Stromes findet durch den Verdrehwinkel ϕu nämlich auch der ohmsche Anteil Berücksichtigung. Der Läuferstromistwert zeigt dadurch bei Frequenzgleichheit zwischen Rotor und Stator selbst bei kleinsten Frequenzen ein ausgeprägtes Minimum (er ist dann wirklich ca. Null).
Außerdem wird die Suchgeschwindigkeit bei Annäherung an die zu identifizierende Frequenz automatisch dadurch verringert, daß der Läuferstromistwert seinem Minimum entgegenstrebt, also kleiner wird.
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 Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens erläutert werden. Es zeigen
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 ϕu 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 ϕu 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 Drehstromasynchronmaschine mit einer Fangschaltung,
  • a) bei dem im normalen Betrieb
  • a1) der Umrichter gesteuert über einen Spannungsrechner eine Ständerspannung vorgibt, während
  • a2) ein Stromregler entsprechend der Lastanforderung auf die vorzugebende Ständerfrequenz einwirkt, dessen Istwert von einem Stromistwertrechner und dessen Sollwert von einem Drehzahlregler vorgegeben werden, und
  • b) bei dem im Fangbetrieb
  • b1) dem Stromregler der Stromsollwert "Null" bei ausgeblendetem Drehzahlregler vorgegeben wird,
  • b2) dem Umrichter eine beliebig wählbare Startfrequenz vorgegeben wird, die dann durch den Stromregler in einem Suchlauf verändert wird, bis der vom Stromistwertrechner gelieferte Stromistwert einen Minimalwert erreicht hat und
  • b3) der beim Erreichen dieses Minimalwertes festgestellte Frequenzwert zur Initialisierung der betriebsmäßigen Steuerung des Umrichters nach Auferregung der Drehstromasynchronmaschine verwendet wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Spannungsrechner eine im Fangbetrieb frequenzabhängig reduzierte Ausgangsspannung sowie zur Läuferflußorientierung die entsprechende Phasenlage dieser Spannung vorgibt und der Stromregler als Läuferstromregler arbeitet.
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.
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