DE4227861C2

DE4227861C2 - Verfahren zum Messen ungesättigter Induktanzen einer Äquivalenzschaltung einer Synchronmaschine

Info

Publication number: DE4227861C2
Application number: DE4227861A
Authority: DE
Inventors: Mitsuhiro Kawamura
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1991-11-12
Filing date: 1992-08-22
Publication date: 1999-07-29
Anticipated expiration: 2012-08-23
Also published as: US5309089A; US5402080A; DE4227861A1; JPH05137303A; JP2820210B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen ungesättigter Induktivitäten einer Äquivalenzschaltung einer Synchronmaschine zum Erzielen ungesättigter Werte von Induktivitäten in der Äquivalenzschaltung der Synchronma schine.

Eine Synchronmaschine wird hauptsächlich als Generator oder Motor, der stets mit einer vorbestimmten Umdrehungsan zahl läuft, eingesetzt. Reaktanzen in diesen Maschinen wer den im allgemeinen zur Berechnung von Grenzen einer Abgabe bzw. Leistungsgabe, einer Stabilität oder dergleichen ein gesetzt. Dementsprechend findet eine Induktivität (die mit 2πf multiplizierte Induktivität ist eine Reaktanz), die als ein von einer Ankerspule gesehener Wert wie etwa eine Syn chron-Reaktanz oder eine Transient-Reaktanz behandelt wird, Beachtung.

Beispielsweise sind in "The Abstract of Test Methods for a Synchronous Machine (Parts 1 bis 4)" (herausgegeben durch das Institute of Electrical Engineers of Japan) ver schiedene Testverfahren beschrieben, wobei die Synchronma schinen-Testverfahren zum Messen von Induktivitäten der Synchronmaschine zusammengefaßt sind. Jedoch findet sich in der Zusammenfassung keine Beschreibung betreffend ein Ver fahren zum Messen von Werten von Elementen, die eine Äqui valenzschaltung der Synchronmaschine bilden, wie etwa einer Anker-Verlustinduktivität bzw. Ankerstreuungsinduktanz, einer Feld-Verlustinduktivität bzw Feldstreuungsinduktanz, einer Direkt-Achsendämpfer-Verlustinduktivität bzw. Dämp ferstreuungs-Längsinduktanz, einer Direkt-Achsen-Anker-Re aktionsinduktivität bzw. Ankerrückwirkungs-Längsinduktanz, einer Quadratur-Ach sen-Dämpfer-Verlustinduktivität bzw. Dämpferverlust-Querin duktanz und einer Quadratur-Achsen-Anker-Reaktionsinduktivi tät bzw. Ankerrückwirkungs-Querinduktanz, die auf einer ver einheitlichten Theorie basieren würden.

Dementsprechend werden diese Werte durch Kombination bekann ter Verfahren erhalten, wenn die Werte der entsprechenden Elemente, die die Äquivalenzschaltung der Synchronmaschine bilden, benötigt werden. Als Beispiel hierfür wird das fol gende Verfahren angeführt.

Zunächst wird eine synchrone Längsreaktanz auf der Basis von Ergebnissen eines Tests der belastungsfreien Sättigungsei genschaften und eines Tests der Dreiphasen-Kurzschluß-Eigen schaften erhalten. Die Ankerrückwirkungs-Längsreaktanz wird durch Subtrahieren eines Werts der Ankerstreuungsreaktanz vom obigen Wert bestimmt. Hierbei wird als Wert der Anker streuungsreaktanz oftmals ein angenommener Wert eingesetzt. Um die Ankerstreuungsreaktanz tatsächlich zu messen, ist es notwendig, einen Rotor derselben herauszunehmen und zusätz liche Verdrahtungen vorzusehen, was beträchtlichen Zeit- und Arbeitsaufwand erfordert.

Als nächstes wird eine Transient-Längsreaktanz durch einen Test mit plötzlichem Drei-Phasen-Kurzschluß erhalten. Ein paralleler Wert der Ankerrückwirkungs-Längsreaktanz und der Feldstreuungsreaktanz wird durch den oben genannten Wert nach Subtraktion des Werts der Ankerstreuungsreaktanz erhal ten. Weiterhin wird die Feldstreuungsreaktanz vom parallelen Wert abgetrennt.

In gleicher Weise wird eine anfängliche Transient-Längsreak tanz durch den Test mit plötzlichem Drei-Phasen-Kurzschluß erhalten. Ein paralleler Wert der Ankerwirkungs-Längsreak tanz, der Feldstreuungsreaktanz und der Dämpferstreuungs- Längsreaktanz wird durch Abziehen des Werts der Ankerstreu ungsreaktanz vom vorstehend genannten Wert erhalten. Weiter hin wird die Dämpferstreuungs-Längsreaktanz vom parallelen Wert abgetrennt.

Die jeweiligen, die Querachse betreffenden Reaktanzen werden wie folgt erhalten. Zunächst wird eine synchrone Querreak tanz durch ein nach dem Schlupfverfahren erhaltenes Meßer gebnis erzielt. Die Ankerrückwirkungs-Querreaktanz wird durch Subtrahieren des Werts der Ankerstreuungsreaktanz vom vorstehend genannten Wert bestimmt.

Danach wird eine anfängliche Transient-Querreaktanz durch ein nach dem Dalton-Cameron-Verfahren erhaltenes Meßergebnis erzielt. Ein paralleler Wert der Ankerrückwirkungs-Querreak tanz und einer Dämpferstreuungs-Querreaktanz wird durch Sub trahieren des Werts der Ankerstreuungsreaktanz vom vorste hend genannten Wert erhalten. Weiterhin wird die Streuungs- Querreaktanz vom parallelen Wert abgetrennt.

Zwischenzeitlich existiert eine zur Steuerung mit hoher Ge nauigkeit befähigte Vektorsteuerung als eine Steuermethode der Synchronmaschine. Um die Vektorsteuerung durchzuführen, ist es notwendig, detaillierte Werte der die Äquivalenz schaltung der Synchronmaschine bildenden jeweiligen Elemente in einer Steuereinrichtung als Motorkonstanten einzustellen. Demgemäß würden beim Antreiben der Synchronmaschine mittels der Vektorsteuerung die jeweiligen Reaktanzwerte zuvor nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren erhalten und in der Steuereinrichtung eingestellt.

Da das Verfahren zur Messung ungesättigter Induktivitäten der Äquivalenzschaltung der Synchronmaschine in vorstehend beschriebener Weise abläuft, kann keine hohe Genauigkeit der jeweiligen Reaktanzwerte erwartet werden. Das vorstehend an gegebene Verfahren ist somit eine Kombination aus verfügba ren Meßverfahren wie etwa das der Messung der belastungs freien Sättigungseigenschaften, das kein auf einer verein heitlichten Theorie basierendes Verfahren ist. Dementspre chend ist es unmöglich, den Einfluß der jeweiligen Werte auf die gesamte Meßgenauigkeit zu untersuchen.

Da weiterhin die tatsächliche Messung der Ankerstreu ungsreaktanz nicht einfach ist, wird üblicherweise ein an genommener Wert für diesen Wert eingesetzt, was eine Be einträchtigung der Meßgenauigkeit bewirkt. Weiterhin ist die mittels der Vektorsteuerung gesteuerte Synchronmaschine mit großer Kapazität oftmals mit einer Nennfrequenz von un gefähr 2 bis 10 Hz angesteuert. In Fällen einer solchen niedrigen Nennfrequenz wird die Anzahl von in einer Wellen form enthaltenen Wellen im Ergebnis des Tests mit plötzli chem Drei-Phasen-Kurzschluß geringer und es wird schwierig, die Transient-Längsreaktanz und die anfängliche Transient- Längsreaktanz aus der Wellenform abzulesen. Weiterhin ist es zur Durchführung des Schlupfverfahren-Tests notwendig, den Rotor mit einer Geschwindigkeit bzw. Drehzahl anzutrei ben, die sich geringfügig von einer Geschwindigkeit eines Drehfelds eines Stators unterscheidet. Wenn demgemäß eine Größe der Synchronmaschine, die das Testobjekt ist, vergrö ßert wird, nehmen die Drei-Phasen-Leistungsquelle auf der Seite des Stators, ein Antriebsmotor auf der Seite des Ro tors und dergleichen große Maßstäbe an. Bei Durchführung des Tests ist ein geübter Antriebsbetrieb erforderlich, um einen geringen Schlupf stabil aufrechtzuerhalten. Eine durch den Einfluß eines Reaktionsdrehmoments hervorgerufene Schwankung der Drehzahl oder ein zu großer Schlupf rufen Meßfehler hervor.

Bei dem vorstehend angegebenen herkömmlichen Verfahren, wie es beispielsweise aus der Druckschrift "Standard of the Japanese Electrotechnical Commitee of the Institute of Electrical Engineers of Japan" mit dem Titel "Synchronous Machines JEC-114" bekannt ist, besteht eine große Möglich keit, daß in den Meßwerten Fehler enthalten sind. Weiterhin ist für die Messung hoher Arbeits- und Zeitaufwand erfor derlich.

Wenn die Motorkonstanten der Steuereinrichtung bei der Vektorsteuerung einzustellen sind, sollten optimale Werte eingestellt werden, da die eingestellten Werte einen erheb lichen Einfluß auf die Genauigkeit der Steuerberechnung ausüben. Da die Genauigkeit der Meßwerte bei dem vorstehend genannten Verfahren gering ist, ist ein Vorgang der Ein stellung optimaler Motorkonstanten durch Wiederholung eines Antriebsbetriebs, bei dem die Steuereinrichtung und die Synchronmaschine zusammengefaßt sind, erforderlich. Der für den Betrieb erforderliche Zeit- und Kostenaufwand ist in Fällen einer Maschine großer Kapazität enorm.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Messen ungesättigter Induktivitäten einer Äquivalenzschaltung einer Synchronmaschine zu schaffen, bei der die ungesättigten Werte der Induktivitäten der die Äquivalenzschaltung bildenden jeweiligen Elemente genau er mittelt und durch einen einzigen körperlichen Test der Syn chronmaschine die der Steuereinrichtung der Vektorsteuerung zuzuführenden Motorkonstanten bestimmt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in den Pa tentansprüchen 1 und 2 angegebenen Merkmalen gelöst.

Die jeweiligen Meßschritte gemäß dem Gegenstand nach Patentanspruch 1 können in einem stationären Zustand, d. h. ohne Lesen von zeitlich veränderbaren Daten, durchgeführt werden. Daher ist die Möglichkeit des Auftretens von Fehlern in dem Meßergebnis reduziert. Die Meßschritte aufgrund des Längsachsen-Dalton-Cameron-Verfahrens können in einem statio nären Zustand der Synchronmaschine durchgeführt werden. Die Durchführungsschwierigkeiten sind unbeträchtlich und Meßfeh ler aufgrund einer Veränderung der Drehzahl und eines Fehlers in der Drehzahl werden vermieden. Weiterhin ist es bei den jeweiligen Meßschritten gemäß dem Gegenstand des Patentan spruchs 2 möglich, die Messungen in einem stationären Zustand der Synchronmaschine durchzuführen, wodurch Meßfehler auf grund einer Variation der Drehzahl und eines Fehlers in der Drehzahl vermieden werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrie ben, wobei auch weitere Vorteile ersichtlich werden. Es zei gen:

Fig. 1 ein erläuterndes Diagramm, das den gesamten Ab lauf eines Verfahrens zum Erhalten von Induktanzen von jewei ligen Elementen, die eine Längsachsen-Äquivalenzschaltung und eine Querachsen-Äquivalenzschaltung bilden, veranschaulicht,

Fig. 2 ein Schaltbild einer Meßschaltung zum Messen ei ner belastungslosen Sättigungscharakteristik,

Fig. 3 ein Kennlinienbild, das die belastungslose Sätti gungscharakteristik veranschaulicht,

Fig. 4 ein Schaltbild, das eine Meßschaltung zum Messen einer Drei-Phasen-Kurzschluß-Charakteristik veranschaulicht,

Fig. 5 ein Schaltbild einer Schaltung für die Vorberei tung der Durchführung eines Längsachsen-Dalton-Cameron-Ver fahrens,

Fig. 6 ein Schaltbild, das eine Meßschaltung gemäß dem Längsachsen-Dalton-Cameron-Verfahren im Zustand einer offe nen Schaltung einer Feldspule zeigt,

Fig. 7 ein Schaltbild, das eine Meßschaltung zum Messen mittels des Längsachsen-Dalton-Cameron-Verfahrens im Zustand eines Kurzschlusses der Feldspule zeigt,

Fig. 8 ein erläuterndes Diagramm, das Meß-Eigenheiten bzw. Meßschritte bezüglich der Längsachse veranschaulicht,

Fig. 9 ein erläuterndes Schaltbild, das eine Längsach sen-Äquivalenzschaltung der Synchronmaschine zeigt,

Fig. 10 ein Schaltbild einer Schaltung für die Vorbe reitung der Messung einer Zeitkonstante eines Querachsen-An kers mit Dämpfer und der Durchführung eines Querachsen-Dal ton-Cameron-Verfahrens,

Fig. 11 ein erläuterndes Diagramm einer positionsmäßi gen Beziehung zwischen einem Anker und einem Rotor,

Fig. 12 ein Schaltbild einer Meßschaltung zum Messen eines Ankerwiderstandswerts und einer Zeitkonstante eines Querachsen-Ankers mit Dämpfer,

Fig. 13 ein Wellenformdiagramm, das eine Wellenform ei nes Ankerstroms zeigt, wenn die Zeitkonstante des Querach sen-Ankers mit Dämpfer gemessen wird,

Fig. 14 ein Schaltbild einer Meßschaltung für das Querachsen-Dalton-Cameron-Verfahren,

Fig. 15 ein erläuterndes Diagramm, das Meßschritte bezüglich der Querachse veranschaulicht, und

Fig. 16 ein erläuterndes Diagramm, das eine Querach sen-Äquivalenzschaltung der Synchronmaschine zeigt.

Ausführungsbeispiel 1:

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorlie genden Erfindung erläutert.

Fig. 1 zeigt ein erläuterndes Diagramm, das den gesam ten Ablauf eines Verfahrens zum Erhalten von Induktivitäten bzw. Induktanzen von eine Längsachsen-Äquivalenzschaltung und eine Querachsen-Äquivalenzschaltung bildenden jeweili gen Elementen zeigt.

Fig. 1 zeigt, daß die Induktanzwerte der eine Längsach sen-Äquivalenzschaltung bildenden jeweiligen Elemente durch Messen einer lastfreien Sättigungscharakteristik, Messen einer Drei-Phasen-Kurzschluß-Charakteristik, Messen mittels eines Längsachsen-Dalton-Cameron-Verfahrens im Zustand eines geöffneten Schaltkreises einer Feldspule und Messen mittels des Längsachsen-Dalton-Cameron-Verfahrens im Zustand des Kurzschlusses der Feldspule sowie durch Lösung von simultanen Gleichungen betreffend die Längsachsen-Äqui valenzschaltung erhalten werden können.

Weiterhin zeigt Fig. 1, daß Werte der Induktanzen je weiliger Elemente, die eine Querachsen-Äquivalenzschaltung bilden, durch Messen eines Ankerwiderstands, Messen einer Zeitkonstante der Querachsen-Ankerspule mit Dämpfer, Messen mittels eines Querachsen-Dalton-Cameron-Verfahrens und durch Lösung von Berechnungsgleichungen betreffend die Querachsen-Äquivalenzschaltung erhalten werden können.

Bei dieser Spezifikation bedeutet "Ankerspule mit Dämp fer", daß ein Dämpfer magnetisch mit der Ankerspule gekop pelt ist. In der Querachsen-Äquivalenzschaltung ist der Dämpfer parallel mit der Ankerrückwirkungs-Querinduktanz L_aq verbunden.

Im folgenden wird die Messung der die Längsachsen-Äqui valenzschaltung betreffenden Induktanzen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Fig. 2 zeigt eine Situation der Messung der belastungslosen bzw. lastfreien Sättigungs eigenschaften. In Fig. 2 bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine Ankerspule, 2 einen Rotor (Feld), 3 eine Feldspule, 10 eine Gleichstromquelle, 11 einen mit der Feldspule 3 ver bundenen Strommesser (Gleichstrom), und 32 ein Wechselspan nungs-Voltmeter, das zwischen die Phase "b" und die Phase "c" der Ankerspule 1 geschaltet ist.

In diesem Fall wird der Rotor 2 mit einer konstanten Drehzahl, normalerweise mit der Nenndrehzahl der Synchron maschine, angetrieben. In diesem Zustand werden eine Lei tungsspannung V_bc0, die in der Ankerspule 1 in einem Offen schaltungszustand durch Erregung mittels eines Feldstroms I_f0 induziert wird, und eine Frequenz f₀ jeweils durch das Wechselspannungs-Voltmeter 32 bzw. durch einen nicht ge zeigten Frequenzanzeiger (siehe Fig. 8) gemessen. Fig. 3 zeigt eine lastfreie Sättigungscharakteristik. In diesem Fall werden ungesättigte Werte der Leitungsspannung V_bc0 und des Feldstroms I_f0 in einem Bereich eingesetzt, in dem die Charakteristik als angenähert linear angesehen werden kann.

Fig. 4 zeigt eine Situation der Messung der Drei-Pha sen-Kurzschluß-Charakteristik. In Fig. 4 bezeichnet ein Bezugszeichen 31 ein Wechselstrom-Amperemeter, das zwischen die Phase "b", die Phase "c" und die Phase "a" der Anker spule 1 geschaltet ist. In diesem Fall wird der Rotor 2 mit konstanter Drehzahl, normalerweise mit der Nenndrehzahl der Synchronmaschine, angetrieben. In diesem Zustand wird ein Strom I_fs, der in der Ankerspule 1 im Kurzschlußzustand durch Erregung mittels eines Feldstroms I_fs induziert wird, gemessen (siehe Fig. 8).

Fig. 5 zeigt eine Situation bei der Vorbereitung der Durchführung des Längsachsen-Dalton-Cameron-Verfahrens (direct-axis Dalton-Cameron method). In diesem Fall fließt ein Gleichstrom von der Phase "b" zur Phase "c" der Anker spule 1 mittels einer Gleichstromquelle 20. Gleichzeitig fließt ein Gleichstrom in die Feldspule 3. Der Rotor 2 dreht sich dann in eine Position, bei der sich der Stator und der Rotor 2 gegenseitig mittels magnetischer Kraft an ziehen, und wird dort festgehalten. Der Rotor 2 ist somit beispielsweise in einer in den Fig. 6 und 7 gezeigten Position festgehalten.

Wenn der Rotor 2 in der in den Fig. 6 und 7 gezeig ten Position angeordnet ist und ein Strom von der Phase "b" zur Phase "c" der Ankerwicklung 1 fließt, ist eine durch den fließenden Strom hervorgerufene magnetomotorische Kraft bzw. Magneto-EMK eine Längsachsen-Magnetomotorische Kraft bzw. Magneto-Längs-EMK. Wenn dementsprechend, wie in Fig. 5 gezeigt, Ströme in der Ankerspule 1 und der Feldspule 3 zu fließen beginnen und bestätigt ist, daß der Rotor 2 kraft voll in die in den Fig. 6 und 7 gezeigte stabile Po sition dreht, fließt ein Strom von der Phase "b" zur Phase "c" in einem stationären Zustand des Rotors. In dieser Weise werden Werte bezüglich der Längsachse gemessen, wobei sie klar definiert sind, was einen Unterschied gegenüber der herkömmlichen Messung mittels des Dalton-Cameron-Ver fahrens, das an einer beliebigen bzw. zufälligen Position des Rotors durchgeführt wird, darstellt.

Fig. 6 zeigt die Meßsituation in einem Offenschaltungs zustand der Feldspule 3. Dies bedeutet, daß ein durch eine Wechselspannungsquelle 30 bereitgestellter Wechselstrom mit einer Frequenz f₁ von der Phase "b" zur Phase "c" der Ankerspule 1 fließt. Ein Strom I_bc1, der von der Phase "b" zur Phase "c" fließt, eine Spannung V_bc1 zwischen der Phase "b" und der Phase "c" und eine in der Feldspule 3 induzier te Spannung V_f1 werden jeweils durch das Wechselstrom-Am peremeter 31, das Wechselspannungs-Voltmeter 32 und ein Wechselspannungs-Voltmeter 12 (siehe Fig. 8) gemessen.

Fig. 7 zeigt eine Meßsituation im Zustand kurzgeschlos sener Feldspule 3. Dies bedeutet, daß ein Wechselstrom von der Phase "b" zur Phase "c" der Ankerspule 1 fließt. Ein von der Phase "b" zur Phase "c" fließender Strom I_bc2 und ein in der Feldspule 3 induzierter Strom I_f2 werden jeweils durch das Wechselspannungs-Amperemeter 31 und ein Ampereme ter (Wechselstrom) 11 (siehe Fig. 8) gemessen.

Bei diesen Messungen mittels des Längsachsen-Dalton- Cameron-Verfahrens ist es bevorzugt, bei einer Maschine großer Kapazität 50 Hz oder 60 Hz als Frequenz f₁ einzuset zen. Jedoch kann die Frequenz in einem Bereich von 10 bis 100 Hz gewählt werden. Die zwischen der Phase "b" und der Phase "c" der Ankerspule 1 fließenden Ströme I_bc1 und I_bc2 liegen vorzugsweise bei ungefähr 10 bis 20% des Nenn- Stromwerts. Fig. 8 faßt die Meßobjekte bzw. -größen und die eingesetzten Meßinstrumente bezüglich der vorstehend genannten Messungen zusammen. Die Reihenfolge der vier vor stehend genannten Meßobjekte kann beliebig gewählt werden.

Fig. 9 zeigt eine Äquivalenzschaltung der Synchronma schine, wenn sich der Rotor 2 in der in den Fig. 6 und 7 gezeigten Position befindet. Wenn die Äquivalenzschaltung durch Gleichungen zu repräsentieren ist, werden folgende simultane Gleichungen erhalten:

wobei Tr das Wicklungsverhältnis zwischen der Äquiva lenzschaltung und der tatsächlichen Feldspule, L_md den Par allelwert der Ankerwirkungs-Längsinduktanz und der Dämpfer streuungs-Längsinduktanz, L₁ die Ankerstreuungsinduktanz, L_f die Feldstreuungsinduktanz, L_ad die Ankerrückwirkungs- Längsinduktanz, L_kd die Dämpferstreuungs-Längsinduktanz, I_as den Ankerstrom beim Messen der Dreiphasen-Kurzschluß charakteristik, I_fs den Feldspulenstrom beim Messen der Dreiphasen-Kurzschlußcharakteristik, V_f1 die in der Feld spule induzierte Spannung beim Messen der offenen Feldspule mit dem Längsachsen-Dalton-Cameron-Verfahren, f₁ die Fre quenz der anliegenden Spannung beim Messen der offenen Feldspule nach dem Längsachsen-Dalton-Cameron-Verfahren, I_bc1 den zwischen den bc-Phasen fließenden Strom beim Mes sen der offenen Spule nach dem Längsachsen-Dalton-Cameron- Verfahren, V_bc1 die zwischen den bc-Phasen anliegende Span nung beim Messen der offenen Feldspule nach dem Längsach sen-Dalton-Cameron-Verfahren, V_bc0 die Ankerleitungsspan nung beim Messen einer lastfreien Sättigungscharakteristik, f₀ die Ankerspulenspannungs-Frequenz beim Messen einer lastfreien Sättigungscharakteristik, und I_f0 den Feldspu lenstrom beim Messen der lastfreien Sättigungscharakteri stik darstellt.

Durch Einsetzen der in Fig. 8 gezeigten Meßergebnisse in die simultanen Gleichungen und durch Lösung derselben bezüglich der vier unbekannten ungesättigten Längsachsen-Induktanzen (unsaturated inductances), d. h. der Ankerstreuungsinduktanz L₁, der Feldstreuungsinduktanz L_f, der Dämpferstreuungs- Längsinduktanz (direct-axis damper leakage inductance) L_kd und der Ankerrückwirkungs-Längsinduktanz (direct-axis arma ture reaction inductance) L_ad sowie eines Wicklungsverhält nisses T_r zwischen der Äquivalenzschaltung und der aktuellen Feldwicklung 3 können diese Werte erhalten werden.

Die simultanen Gleichungen können durch ein numerisches Berechnungsverfahren gelöst werden. Beispielsweise konver giert die Berechnung bei Anwendung des Gauss-Seidel-Iterati ons-Verfahrens nach ungefähr fünf Iterationen.

Ausführungsbeispiel 2

Im folgenden wird die Messung von Induktanzen bezüglich der Querachsen-Äquivalenzschaltung (quadrature-axis equiva lent circuit) unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Fig. 10 zeigt eine Situation der Vorbereitung der Durchfüh rung einer Messung einer Zeitkonstante des Querachsen-Ankers mit Dämpfer und einer Messung nach dem Querachsen-Dalton-Ca meron-Verfahren (quadrature-axis Dalton-Cameron method). In diesem Fall sind die Phase "b" und die Phase "c" der Anker spule 1 kurzgeschlossen und ein durch eine Gleichstromquelle 40 erzeugter Gleichstrom fließt von der Phase "a" zur Phase "b" und zur Phase "c". Gleichzeitig fließt ein Gleichstrom in der Feldspule 3.

Der Rotor 2 dreht sich dann in eine Position, bei der sich der Stator und der Rotor 2 gegenseitig anziehen, und wird dort festgehalten. Der Rotor 2 ist somit beispielsweise in einer in Fig. 11 gezeigten Position festgehalten. Wenn ein Strom von der Phase "a" zur Phase "b" und zur Phase "c" der Ankerspule 1 fließt, während der Rotor 2 in jener Position verbleibt, ist die durch den fließenden Strom hervorgerufene Magneto-EMK eine Magneto-Längs-EMK. Wenn im Gegensatz hierzu ein Strom von der Phase "b" zur Phase "c" fließt, ist die durch den fließenden Strom erzeugte Magneto-EMK eine Magneto- Quer-EMK (quadrature-axis magnetomotive force).

Wenn demgemäß bestätigt ist, daß Ströme in der Ankerspule 1 und der Feldspule 3 zu fließen beginnen, wie in Fig. 10 gezeigt, und der Rotor 2 sich kraftvoll dreht und bei einer in Fig. 11 gezeigten stabilen Position anhält, wird ein Strom von der Phase "b" zur Phase "c" in einem stationären Zustand des Rotors zum Fließen gebracht. In dieser Weise wird die Messung der Induktanzen bezüglich der Querachse möglich.

Fig. 12 zeigt eine Situation, bei der ein Strom durch Öffnen eines Schalters 24 von der Phase "b" zur Phase "c" der Ankerspule 1f ließt. In dieser Situation werden ein von der Phase "b" zur Phase "c" fließender Strom I_bc und eine Span nung V_bc zwischen der Phase "b" und der Phase "c" jeweils mittels eines Gleichstrom-Amperemeters 21 bzw. eines Gleich spannungs-Voltmeters 22 gemessen (siehe Fig. 15). Daher kann ein Ankerwiderstand R_bc gemäß der folgenden Gleichung be stimmt werden:

Wenn nachfolgend der in Fig. 12 gezeigte Zustand, d. h. der Zustand, bei dem Strom von der Phase "b" zur Phase "c" fließt, in einen Zustand abgeändert wird, bei dem durch Schließen des Schalters 24 die Phase "b" und Phase "c" kurz geschlossen werden, läuft der Strom I_bc in der Ankerspule 1 um und wird durch den Ankerwiderstand und durch den Einfluß des Querachsen-Dämpfungseffekts gedämpft. Fig. 13 zeigt eine mittels eines Oszilloskops tatsächlich gemessene Wellenform des Stroms I_bc. Hierbei sei angemerkt, daß ein Widerstand 23, der gemäß Fig. 12 in Reihe mit der Gleichspannungsquelle 20 geschaltet ist, einen Schutzwiderstand zum Vermeiden eines Kurzschlusses der Gleichspannungsquelle 20 bei Schließen des Schalters 24 darstellt, um lediglich die Ankerspule 1 kurzzuschließen.

Wie in Fig. 13 gezeigt, fällt der Strom I_bc direkt nach dem Kurzschluß rapide ab und wird allmählich gedämpft. Hierbei wird eine Zeitkonstante der Ankerspule mit Dämpfer über ein Zeitintervall T_e1 gemessen, in dem der Strom I_bc auf den Wert I_e1 absinkt, der 30% des anfänglichen Werts I_b0 trägt (siehe Fig. 15). Die Zeitkonstante bezeichnet normalerweise eine Zeit für den Strom I_bc für das Absinken auf 1/e = 0.37 des anfänglichen Werts I_b0. Bei dieser Messung wird allerdings das Zeitintervall, das der Strom zum Absinken auf das 0.3-fache des anfänglichen Werts benötigt, eingesetzt.

Der Wert 0.3 ist auf der Grundlage von verschiedenen Experimenten und Simulationen bestimmt, die zur Untersuchung des Einflusses des Querachsen-Dämpfungseffekts durchgeführt wurden, und stellt einen optimalen Wert zum Erzielen der Zeitkonstante der Querachsen-Ankerschaltung dar, bei der der Einfluß des Querachsen-Dämpfers beseitigt ist. Da das Zeitintervall für das Absinken des Stroms I_bc auf I_e1 (= 0.3I_b0) gemessen wird, wird tatsächlich -ln (I_e1/I_b0) = -ln (0.3) = 1.2, d. h. das 1.2-fache der Zeitkonstante T_adq der Querachsen-Ankerschaltung als Tel gemessen. Jedoch wird dieser Punkt in den nachstehend erwähnten Gleichungen berücksichtigt.

Fig. 14 zeigt den Zustand der Messung nach dem Querach sen-Dalton-Cameron-Verfahren. In diesem Fall fließt ein durch die Wechselspannungsquelle 30 erzeugter Wechselstrom mit einer Frequenz f₃ zwischen der Phase "b" und der Phase "c" der Ankerspule 1. Ein Strom I_bc3 und eine Spannung V_bc3 werden gemessen (siehe Fig. 15).

Bei dieser Messung nach dem Querachsen-Dalton-Cameron- Verfahren wird vorzugsweise 50 Hz oder 60 Hz als Frequenz f₃ im Fall einer Maschine großer Kapazität eingesetzt. Jedoch kann die Frequenz im Bereich von 10 bis 100 Hz gewählt werden. Der zwischen der Phase "b" und der Phase "c" der Ankerspule 1 fließende Strom I_bc3 liegt vorzugsweise bei ungefähr 10 bis 20% des Nenn-Stromwerts. Fig. 15 faßt die Meßobjekte bzw. -größen und benutzten Meßinstrumente für die Messung bezüglich der vorstehend genannten Querachse zusammen. Die Reihenfolge der vorstehend genannten drei Messungen kann be liebig gewählt werden.

Fig. 16 zeigt eine Äquivalenzschaltung der Synchronmaschine für den Zustand, bei dem sich der Rotor 2 in der in den Fig. 11, 12 und 14 gezeigten Position befindet. Wenn die Äquivalenzschaltung durch mathematische Gleichungen zu re präsentieren ist, können die folgenden Gleichungen erhalten werden:

wobei T_adq die Zeitkonstante für die Querachsen- Ankerschaltung, L_aq die Ankerrückwirkungs-Querinduktanz, L_kq die Dämpferstreuungs-Qerinduktanz, L_mq den Parallelwert der Ankerrückwirkungs-Querinduktanz und der Dämp ferstreuungs-Querinduktanz, T_el die Zeit zum Dämpfen des Ankerstroms auf 30% des Anfangswerts bei der Messung einer Zeitkonstante des Querachsen-Ankers mit Dämpfer, R_bc den Ankerwiderstand von zwei Phasen, V_bc3 die zwischen zwei bc- Phasen anliegende Spannung bei einer Messung nach dem Quer achsen-Dalton-Cameron-Verfahren, f₃ die Frequenz der anlie genden Spannung bei einer Messung nach dem Querachsen- Dalton-Cameron-Verfahren, und I_bc3 der zwischen den bc-Pha sen fließende Strom bei einer Messung nach dem Querachsen- Dalton-Cameron-Verfahren darstellt.

In den vorstehend angegebenen Gleichungen kann als Wert der Ankerfrequenz-Induktanz L_l beispielsweise der beim ersten Beispiel erhaltene Wert eingesetzt werden. Durch Einsetzen bekannter Werte in die vorstehenden Gleichungen lassen sich die beiden ungesättigten Querinduktanzen, d. h. die Dämpfer streuungs-Querinduktanz L_kq und die Ankerrückwirkungs-Quer induktanz L_aq erhalten.

In dieser Weise können gemäß den Beispielen 1 und 2 die ungesättigten Längsinduktanzen und die ungesättigten Querin duktanzen mittels einer einheitlichen Theorie erhalten wer den. Die jeweiligen Messungen betreffend die ungesättigten Längsinduktanzen können in einem stationären Zustand durch geführt werden, wodurch die Erzeugung von beim Lesen der zeitlich veränderlichen Daten auftretenden Fehlern vermieden wird. Weiterhin sind die die Messungen durchführenden Perso nen an die Messungen der lastfreien Sättigungscharakteristik und der Drei-Phasen-Kurzschluß-Charakteristik gewöhnt, da diese üblicherweise bei allen Synchronmaschinen durchgeführt werden. Demgemäß bestehen keine Durchführungsschwierigkeiten und es können Messungen mit hoher Genauigkeit erwartet wer den.

Die Messungen der Längsinduktanzen mit offenem Feld und der Längsinduktanzen mit geschlossenem Feld nach dem Längs achsen-Dalton-Cameron-Verfahren können in einem Zustand durchgeführt werden, bei dem die Synchronmaschine stationär ist. Daher bestehen geringe Durchführungsschwierigkeiten und kaum Probleme bezüglich der Erzeugung von Meßfehlern aufgrund einer Variation der Drehzahl und fehlerhafter Drehzahl.

Ferner werden die jeweiligen Messungen betreffend die un gesättigten Querinduktanzen in einem Zustand durchgeführt, bei dem die Synchronmaschine stationär ist. Daher bestehen kaum Durchführungsschwierigkeiten und kaum Probleme bei der Erzeugung von Meßfehlern aufgrund einer Veränderung der Dreh zahl oder einer fehlerhaften Drehzahl.

Wie vorstehend angegeben, werden gemäß dem ersten Ausfüh rungsbeispiel bei dem Meßverfahren zur Messung ungesättigter Induktanzen der Äquivalenzschaltung der Synchronmaschine die simultanen Gleichungen betreffend die Äquivalenzschaltung durch Messen der lastfreien Sättigungscharakteristik, durch Messen der Drei-Phasen-Kurz schluß-Charakteristik und durch Messen der Längsinduktan zen in der vorbestimmten positionsmäßigen Beziehung zwischen der Ankerspule 1 und der Feldspule 3 auf der Basis des Längs achsen-Dalton-Cameron-Verfahrens gelöst. Somit können die Werte der Induktanzen der die Längsachsen-Äquivalenzschaltung bildenden jeweiligen Elemente mit hoher Genauigkeit gemessen werden und es können die in der Steuereinrichtung der Vektor steuerung einzustellenden optimalen Werte der Motorkonstanten erhalten werden.

Weiterhin werden gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel die Berechnungsgleichungen betreffend die Äquivalenzschaltung unter Heranziehung der jeweiligen Werte gelöst, die durch Messung des Ankerwiderstands, durch Messung der Zeitkonstante des Querachsen-Ankers mit Dämpfer in der vorbestimmten posi tionsmäßigen Beziehung zwischen der Ankerspule und der Feld spule sowie durch Messen der Querinduktanzen während der vor bestimmten positionsmäßigen Beziehung zwischen der Ankerspule und der Feldspule aufgrund des Querachsen-Dalton-Cameron-Ver fahrens erhalten werden. Daher können die Werte der Induktan zen der die Querachsen-Äquivalenzschaltung bildenden jeweili gen Elemente mit hoher Genauigkeit gemessen werden und die optimalen Werte der bei der Steuereinrichtung der Vektor steuerung einzustellenden Motorkonstanten können erzielt wer den.

Ferner können die Verfahren sowohl beim ersten als auch beim zweiten Ausführungsbeispiel zu einem Zeitpunkt durchge führt werden, bei dem die Synchronmaschine in einer Fabrik integriert oder zusammengesetzt wird, und im Stadium eines Einzelkörper-Fabriktests, der für den Einzelkörper der Syn chronmaschine durchgeführt wird, ausgeführt werden. Als Er gebnis können Einstellschritte, bei denen die Steuereinrich tung für die Vektorsteuerung und der Synchronmotor zusammen gefaßt werden, entfallen, wodurch der vor dem Hochlauf bzw. der Inbetriebnahme des Vektorsteuersystems erforderli che Zeit- und Kostenaufwand verringert wird.

Claims

1. Verfahren zum Messen ungesättigter Induktivitäten einer Äquivalenzschaltung einer Synchronmaschine, mit folgenden Maßnahmen:
Messen einer lastfreien Sättigungscharakteristik einer Synchronmaschine,
Messen einer Drei-Phasen-Kurzschlußcharakteristik der Synchronmaschine,
Messen von Strömen und Spannungen einer Ankerspule (1) und einer Feldspule (3), wenn die Ankerspule (1) und die Feldspule (3) sich in einer positionsmäßigen Beziehung be finden, bei der eine durch einen zur Ankerspule (1) der Synchronmaschine fließenden Strom hervorgerufene Magneto- EMK eine magnetomotorische Längskraft ist, und zwar sowohl wenn die Feldspule (3) sich in geöffnetem Schaltungszustand befindet als auch wenn sich die Feldspule (3) im Kurz schlußzustand befindet, nach dem Längsachsen-Dalton-Ca meron-Verfahren, und
Lösen simultaner Gleichungen betreffend eine Längsach sen-Äquivalenzschaltung der Synchronmaschine unter Heran ziehung von Ergebnissen der Messung der lastfreien Sätti gungscharakteristik, der Messung der Drei-Phasen-Kurz schluß-Charakteristik und der Messung nach dem Längsachsen- Dalton-Cameron-Verfahren, wodurch Impedanzen von die Längs achsen-Äquivalenzschaltung bildenden jeweiligen Elementen erhalten werden.

2. Verfahren zum Messen ungesättigter Induktivitäten einer Äquivalenzschaltung einer Synchronmaschine, mit folgenden Maßnahmen:
Messen eines Ankerwiderstands einer Synchronmaschine,
Messen einer Zeitkonstante einer Ankerspule (1) mit Dämpfer unter einer Magneto-Quer-EMK, wenn eine Ankerspule (1) und eine Feldspule (3) sich in einer positionsmäßigen Beziehung befinden, bei der eine magnetomotorische Kraft, die durch zu einer Ankerspule (1) der Synchronmaschine fließenden Strom hervorgerufen wird, die Magneto-Quer-EMK wird,
Messen eines Stroms und einer Spannung der Ankerspule (1), wenn die Ankerspule und die Feldspule sich in einer positionsmäßigen Beziehung befinden, nach dem Querachsen- Dalton-Cameron-Verfahren,
Lösen von Berechnungsgleichungen betreffend eine Quer achsen-Äquivalenzschaltung der Synchronmaschine unter Her anziehung von Ergebnissen der Messung des Ankerwiderstands, der Messung der Zeitkonstante der Ankerspule (1) mit Dämp fer unter der Magneto-Quer-EMK und des Messens nach dem Querachsen-Dalton-Cameron-Verfahren, wodurch Induktivitäten von jeweiligen, die Querachsen-Äquivalenzschaltung bilden den Elementen erhalten werden.