DE4413153A1 - Torque control method for an asynchronous machine - Google Patents

Torque control method for an asynchronous machine

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DE4413153A1
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Manfred Prof Dr Ing Depenbrock
Dieter Dipl Ing Maischak
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/06Rotor flux based control involving the use of rotor position or rotor speed sensors

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Drehmo­ mentregelung einer Asynchronmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und kann sowohl allgemein in Industrie­ antrieben als insbesondere auch bei elektrischen Schienen­ fahrzeugen verwendet werden.The invention relates to a method for torque ment control of an asynchronous machine according to the preamble of claim 1 and can be both general in industry driven as especially in the case of electrical rails vehicles are used.

Ziel fast aller Antriebsregelungen ist es, den Drehmo­ ment-Istwert M der Induktionsmaschine möglichst schnell seinem Drehmoment-Sollwert Msoll nachzuführen. Das Drehmo­ ment pro Polpaar p der Induktionsmaschine kann z. B. aus den Raumzeigerbeträgen von Gesamtfluß || und Rotorfluß ||, sowie aus dem von diesen Raumzeigern eingeschlossenen Fluß­ winkel ϑ gemäßTarget of almost all driving regulations is the only torque management actual value M of the induction machine quickly his desired torque value M nom possible to track. The torque per pair of poles p of the induction machine can e.g. B. from the space pointer amounts of total flow || and rotor flux ||, as well as from the flux angle ϑ enclosed by these space pointers

berechnet werden (siehe auch etz Archiv Bd. 11 (1989), H. 1, Seite 11 bis 16), wobeican be calculated (see also etz Archiv Vol. 11 (1989), H. 1, pages 11 to 16), wherein

= Gesamtflußraumzeiger
= Rotorflußraumzeiger
Lσ = Streuinduktivität.
= Total flow space pointer
= Rotor flow space pointer
L σ = leakage inductance.

Die im folgenden verwendeten Raumzeigergrößen können nach bekannten Regeln aus den entsprechenden drei Stranggrößen berechnet werden (siehe auch IEEE Transactions on power electronics, Vol. 3, No. 4, October 1988, Seite 420 bis 429). Für Flußverkettungen existieren keine praktisch brauchbaren Meßumformer, so daß diese in der Regel durch ein Maschinenmodell aus meßbaren Größen errechnet werden. Der Rotorflußraumzeiger bewegt sich im stationären Betrieb mit nahe zu konstanter Winkelgeschwindigkeit auf einer Kreisbahn.The space pointer sizes used in the following can be after known rules from the corresponding three strand sizes be calculated (see also IEEE Transactions on power electronics, Vol. 3, No. 4, October 1988, pages 420 to 429). No practical ones exist for river chains usable transmitter, so that this is usually through a machine model can be calculated from measurable quantities. The rotor flow space pointer moves in stationary operation with almost constant angular velocity on one Circular path.

Das gewünschte möglichst verzerrungsfreie Drehmoment wird beispielsweise erreicht, wenn der Gesamtflußraumzeiger ebenfalls mit konstanter Winkelgeschwindigkeit auf einer Kreisbahn geführt wird und mit dem Rotorflußraumzeiger den Flußwinkel ϑ aufspannt. Dies ist unter der Voraussetzung schnell schaltender Leistungshalbleiter nahezu ideal reali­ sierbar, denn die PulsperiodeThe desired torque is as distortion-free as possible reached, for example, when the total flow space pointer also with constant angular velocity on one Circular path is guided and with the rotor flow space pointer Flow angle ϑ spanned. This is on the premise fast switching power semiconductor almost ideally reali adjustable because the pulse period

des speisenden Wechselrichters ist dann klein gegen die Ro­ torstreuzeitkonstante der Maschine und auch im gesamten Drehzahlbereich klein gegen die Ständerperiode. In Glei­ chung (2) giltof the feeding inverter is then small against the ro Gate scatter time constant of the machine and also in the whole Speed range small against the stator period. In glide chung (2) applies

fT = Schaltfrequenz der Leistungshalbleiter
Tσ = Rotorstreuzeitkonstante
Ts = Ständerperiode
Rr = Rotorwiderstand.
f T = switching frequency of the power semiconductors
T σ = rotor scatter time constant
T s = stator period
R r = rotor resistance.

Dies erlaubt in guter Näherung die vereinfachende Annahme, daß sich das pulsfrequent abgetastete System quasi-kontinu­ ierlich verhält und Differentiale gemäßTo a good approximation, this allows the simplifying assumption that the pulse-frequency scanned system is quasi-continuous behaves fairly and according to differentials

d/dt ⇔ Δ/Tp (3)d / dt ⇔ Δ / Tp (3)

in Differenzen übergehen. In den weiteren Herleitungen kön­ nen daher für alle Größen zunächst kontinuierliche Zeitver­ läufe angenommen werden.to change into differences. In the further derivations, Therefore, for all sizes, there is initially a continuous time delay runs are accepted.

Der Rotorfluß einer Kurzschlußläufer-Asynchronmaschine kann sich nur langsam ändern, so daß schnelle Drehmomentänderun­ gen prinzipiell nur durch Verändern des Gesamtflußbetrags oder des Flußwinkels zwischen Gesamtfluß und Rotorfluß er­ zielt werden können.The rotor flux of a squirrel cage asynchronous machine can change only slowly so that fast torque changes in principle only by changing the total flow amount or the flux angle between total flux and rotor flux can be aimed.

Um den Leistungsteil des Antriebs bereits im stationären Betrieb optimal auszunutzen, muß die Induktionsmaschine das geforderte, möglichst große Drehmoment stets mit minimalem Ständerstrom bei maximalem Ständerspannungsbetrag, also entsprechend maximal möglichem Gesamtflußbetrag erzeugen. Der maximale Gesamtflußbetrag muß jedoch mit Rücksicht auf die Sättigung des Statoreisens auf den Bemessungsfluß ₀ begrenzt werden.The power section of the drive is already stationary To optimally utilize operation, the induction machine must required, the greatest possible torque always with minimal Stator current at maximum stator voltage amount, so generate the maximum possible total flow amount accordingly. However, the maximum total flow amount must be taken into account the saturation of the stator iron to the rated flux ₀ be limited.

Damit verbleibt nur noch die Möglichkeit, das Drehmoment dynamisch über den Flußwinkel zu verstellen. Die Ständer­ kreisfrequenz ωS, mit der die elektrischen Größen in den Ständerwicklungen der Induktionsmaschine schwingen, ent­ spricht im stationären Betrieb der Summe aus der elektrisch wirksamen Winkelgeschwindigkeit ω des Rotors gegenüber dem Ständer und der Rotorkreisfrequenz ωr (kurz Rotorfrequenz), mit der die elektrischen Größen im Rotor schwingen. Zur dynamischen Drehmomentverstellung muß die Ständerkreisfre­ quenz des in die Ständerwicklungen eingespeisten Drehspan­ nungssystems (kurz Ständerfrequenz) zusätzlich einen zur Änderungsgeschwindigkeit des Flußwinkels ϑ proportionalen dynamischen Anteil enthalten. Man erhält die Ständerfre­ quenz gemäß GleichungThis leaves only the possibility of dynamically adjusting the torque via the flow angle. The stator angular frequency ω S , with which the electrical quantities oscillate in the stator windings of the induction machine, corresponds in stationary operation to the sum of the electrically effective angular velocity ω of the rotor compared to the stator and the rotor angular frequency ω r (short rotor frequency) with which the electrical Sizes swing in the rotor. For dynamic torque adjustment, the stator circuit frequency of the three-phase voltage system (stator frequency) fed into the stator windings must also contain a dynamic component proportional to the rate of change of the flux angle ϑ. The frequency of the stator is obtained according to the equation

wobei S = stationäre Ständerfrequenz.where S = stationary stator frequency.

Die elektrisch wirksame Winkelgeschwindigkeit ω des Rotors gegenüber dem Ständer (im folgenden kurz als elektrische Drehzahl bezeichnet) ist durch das Produkt aus der Polpaar­ zahl ρ und der mechanischen Winkelgeschwindigkeit (Kreis­ frequenz) Ω des Rotors gemäßThe electrically effective angular velocity ω of the rotor opposite the stand (hereinafter referred to as electrical Speed)) is the product of the pole pair number ρ and the mechanical angular velocity (circle frequency) Ω of the rotor according to

ω = ρ · Ω (5)ω = ρ · Ω (5)

gegeben. Die Rotorfrequenz ist bei Kenntnis des Rotorwider­ standes und dem leicht zu berechnenden Quadrat des Rotor­ flußbetrages ||² eindeutig durch das Drehmoment gemäßgiven. The rotor frequency is resistive if the rotor is known position and the easy-to-calculate square of the rotor flow amount || ² clearly by the torque according to

bestimmt.certainly.

Ziel aller bekannten Drehmomentregelungen für Induktionsma­ schinen ist es, die in Gleichung (4) angegebene Ständerfre­ quenz so einzustellen, daß das Drehmoment seinem Sollwert mit möglichst guter Dynamik folgt und Soll- und Istmoment stationär übereinstimmen.Target of all known torque controls for induction measurement It is clear that the stand given in equation (4) rate so that the torque is at its setpoint follows with the best possible dynamics and target and actual torque match stationary.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden zunehmend pulswechselrich­ tergespeiste Drehstromantriebe eingesetzt. Sie werden vielfach mit der sogenannten "Feldorientierten Regelung" ausgestattet. Dieses Regelkonzept besitzt jedoch folgende Nachteile:To achieve this task, pulse changers are becoming increasingly common three-phase drives are used. you will be often with the so-called "field-oriented regulation" fitted. However, this control concept has the following Disadvantage:

  • 1. Die Realisierung der Regelung in einem am Rotorfluß­ raumzeiger orientierten Koordinatensystem verlangt zwei recht aufwendige Koordinatentransformationen, da benötigte Meßgrößen stets in ruhenden Koordinaten vorliegen. Die Sollstrangspannungen für die den spei­ senden Pulswechselrichter ansteuernde Pulsweitenmodu­ lation (PWM) müssen ebenfalls in ruhenden Koordinaten vorliegen. Für die Koordinatentransformation in das gewählte rotorflußfeste Bezugssystem muß der in der Regel als Integral der Drehzahl des Rotors gegenüber dem Ständer ermittelte Rotordrehwinkel ε sowie der Lagewinkel εr des Rotorflußraumzeigers relativ zum Rotor εr = ∫ωrdt sehr genau bestimmt werden. Dabei führen Integrationsfehler, insbesondere bei hoher Drehzahl, leicht zu instabilem Verhalten. Des weiteren müssen aus dem Transformationswinkel die trigonometrischen Funktionen sin und cos ausreichend genau berechnet werden, wozu in der Regel eine umfangreiche Sin/Cos-Tabelle im Datenspeicher abgelegt werden muß.1. The implementation of the control in a coordinate system oriented at the rotor flux requires two very complex coordinate transformations, since the required measured variables are always available in static coordinates. The target string voltages for the pulse width modulation (PWM) that drives the supplying pulse-controlled inverter must also be in static coordinates. For the coordinate transformation into the chosen rotor flux-fixed reference system, the rotor rotation angle ε, which is usually determined as an integral of the rotor speed relative to the stator, and the position angle ε r of the rotor flux space pointer relative to the rotor ε r = ∫ω r dt must be determined very precisely. Integration errors, particularly at high speeds, easily lead to unstable behavior. Furthermore, the trigonometric functions sin and cos must be calculated with sufficient accuracy from the transformation angle, for which purpose an extensive Sin / Cos table must generally be stored in the data memory.
  • 2. Gute Drehmomentdynamik wird nur bei ausreichender Re­ gelreserve für die Ständerspannungsamplitude erzielt, d. h. die Ständerspannungsamplitude kann nicht bereits im stationären Betrieb maximal sein. Die stationäre Ausnutzung des Antriebs ist demnach nicht optimal.2. Good torque dynamics are only with sufficient Re gel reserve achieved for the stator voltage amplitude, d. H. the stator voltage amplitude cannot already be maximum in stationary operation. The stationary Utilization of the drive is therefore not optimal.
  • 3. Die im Feldschwächbetrieb aufgrund der technisch be­ grenzten Ständerspannungsamplitude prinzipiell nötige betriebspunktabhängige Einstellung des Gesamtflußbe­ trages wird gesteuert ausgeführt, wobei die Steuerge­ setzmäßigkeiten auf aufwendigen Berechnungen basie­ ren. Sie liegen daher in der Regel nicht in geschlos­ sener Form vor und sind auf Mikrocontrollern nur recht aufwendig, z. B. mittels Kennlinien, näherungs­ weise realisierbar.3. The field weakening operation due to the technically be in principle limited the stator voltage amplitude Operating point-dependent setting of the total flow is carried out controlled, the Steuerge principles based on elaborate calculations ren. They are therefore not usually closed form and are only on microcontrollers quite complex, e.g. B. by means of curves, approximate feasible.
  • 4. Bislang ist in rotorflußfesten Koordinaten keine ge­ eignete Strategie zur dynamischen Drehmomentverstel­ lung ohne Regelreserve der Ständerspannungsamplitude bekannt, so daß insbesondere im Feldschwächbereich keine zufriedenstellende Drehmomentdynamik erzielt wird.4. So far there is no ge in coordinates fixed to the rotor flux suitable strategy for dynamic torque adjustment without reserve of the stator voltage amplitude  known, so that especially in the field weakening range unsatisfactory torque dynamics achieved becomes.

Das in etz Archiv Bd. 11, . . . vorgestellte Verfahren umgeht zwar aufgrund der Darstellung in ruhenden Koordinaten die vorstehend unter Ziffer 1 als Nachteil benannten Transfor­ mationen in rotorflußfeste Koordinaten.The in etz archive vol. 11,. . . bypassed procedures because of the representation in resting coordinates Transfor mentioned above under number 1 as a disadvantage mations in rotor flux-proof coordinates.

Es verbleiben aber folgende Nachteile:
Die vorstehend unter Ziffer 3 aufgeführte Einstellung des Gesamtflußbetrags wird im Feldschwächbereich durch einen PI-Regler durchgeführt. Dadurch entfällt zwar die Berech­ nung der Steuerkennlinien, aber gute Drehmomentdynamik wird auch bei diesem Verfahren erst mit großer Regelreserve der Ständerspannungsamplitude erzielt.
However, the following disadvantages remain:
The setting of the total flow amount listed above under number 3 is carried out in the field weakening range by a PI controller. This eliminates the calculation of the control characteristics, but good torque dynamics are also achieved with this method only with a large control reserve of the stator voltage amplitude.

Nachteilig ist weiterhin, daß das Einschwingverhalten der Regelung maßgeblich durch den integralen Anteil des Drehmo­ mentreglers bestimmt wird. Das ist bei der dort gewählten Strategie unvermeidbar, da der integrale Anteil des Drehmo­ mentreglers im stationären Betrieb stets der stationären Ständerfrequenz S gemäß Gleichung (4) entsprechen muß. Sie nimmt bei hoher Drehzahl große Werte an, so daß der Integralanteil nicht begrenzt werden kann. Bei dynamischen Betriebspunktänderungen treten daher unerwünschte Ein­ schwingvorgänge auf.Another disadvantage is that the transient response of the control is largely determined by the integral part of the torque regulator. This is unavoidable in the strategy chosen there, since the integral part of the torque controller in stationary operation must always correspond to the stationary stator frequency S according to equation (4). It takes on large values at high speed, so that the integral component cannot be limited. With dynamic changes in the operating point, undesirable oscillations occur.

Des weiteren wird der Spannungsabfall über dem Ständerwi­ derstand Rs nicht explizit berücksichtigt, so daß er eben­ falls implizit in den Integralanteilen von Drehmoment- und Gesamtflußbetragsregler enthalten sein muß.Furthermore, the voltage drop across the stator resistance R s is not explicitly taken into account, so that it must also be implicitly included in the integral parts of the torque and total flux amount regulator.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Drehmomentregelung einer Asynchronmaschine der eingangs ge­ nannten Art anzugeben, das eine hochdynamische Drehmoment­ regelung im gesamten Drehzahlbereich eines hochausgenutzten Drehfeldantriebes gewährleistet.The invention has for its object a method for Torque control of an asynchronous machine of the beginning named type to indicate a highly dynamic torque  control in the entire speed range of a highly utilized Guaranteed three-phase drive.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.This task is done in conjunction with the characteristics of Preamble according to the invention by the in the characteristic of Features specified claim 1 solved.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile liegen insbeson­ dere darin, daß infolge der indirekten Drehmomentregelung durch Rotorfrequenzregelung gleichzeitig eine optimale sta­ tionäre Ausnutzung der Maschine und eine sehr gute Regeldy­ namik (Drehmomentdynamik) erzielt werden, ohne daß dabei aufwendige Rechenoperationen notwendig sind. Trotz des Ver­ zichts auf jegliche dynamische Regelreserven der Wechsel­ richteransteuerung (||- = 1 = konst., siehe Gleichung (16)) wird das Drehmoment ohne Einschwingvorgänge (Überschwingen) angeregelt.The advantages that can be achieved with the invention are in particular another in that due to the indirect torque control an optimal sta normal use of the machine and a very good rule of money namik (torque dynamics) can be achieved without doing so complex arithmetic operations are necessary. Despite the ver no dynamic reserves of change judge control (|| - = 1 = const., see equation (16)) Torque without settling (overshoot) stimulated.

Der Verzicht auf die dynamische Regelreserve der Ständer­ spannungsamplitude (keine Spannungsstellreserve, d. h. stets maximal mögliche Ständerspannungsamplitude) erlaubt es, die Induktionsmaschine bereits im stationären Betrieb mit maxi­ maler Ständerspannungsamplitude zu speisen. Dadurch wird das geforderte Drehmoment mit minimalem Ständerstrom er­ zeugt und der Leistungsteil ohne Dynamikverlust optimal ausgenutzt.The absence of the dynamic control reserve of the stands voltage amplitude (no voltage reserve, i.e. always maximum possible stator voltage amplitude) allows the Induction machine already in stationary operation with maxi to feed the painterly stator voltage amplitude. This will the required torque with minimal stator current testifies and the power section optimally without loss of dynamics exploited.

Bemerkenswert ist, daß der Ständerstrombetrag während der dynamischen Vorgänge keine nennenswerte Erhöhung gegenüber dem stationären Betrieb aufweist. Dies bedeutet, daß der Leistungsteil trotz der guten Dynamik bezüglich des Stroms nicht überdimensioniert werden muß.It is noteworthy that the stator current amount during the no significant increase compared to dynamic processes has stationary operation. This means that the Power section despite the good dynamics regarding the current does not have to be oversized.

Basierend auf der indirekten Drehmomentregelung durch Ro­ torfrequenzregelung können die zur Hochausnutzung des An­ triebs notwendigen Schutzmaßnahmen Kippschutz und Strombe­ grenzung auf einfache Weise realisiert werden.Based on Ro's indirect torque control Gate frequency control can be used to make full use of the An  protective measures necessary to prevent tipping and electricity boundary can be realized in a simple manner.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen gegekennzeichnet.Advantageous embodiments of the invention are in the Un claims marked.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt:The invention is described below with reference to the drawing illustrated embodiments explained. It shows:

Fig. 1 die gewählte Koordinatentransformation am Bei­ spiel der Ständerspannung, FIG. 1, the selected coordinate transformation on When playing the stator voltage,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Drehmoment- und Gesamt­ flußbetragsregelung mit indirekter Drehmoment­ regelung durch Rotorfrequenzregelung, Fig. 2 is a block diagram of the torque and total torque flußbetragsregelung with indirect control by the rotor frequency control,

Fig. 3 eine Drehmomentregelung mit exakter Ständerfre­ quenz-Vorsteuerung für optimale Drehmomentdyna­ mik, Figure 3 shows a torque control with precise Ständerfre frequency precontrol for optimal Drehmomentdyna mik.,

Fig. 4 die Bahnkurve des Gesamtflußraumzeigers im Feldschwächbetrieb beim Wechsel von einem sta­ tionären Betriebspunkt in einen neuen mit höhe­ rem Drehmoment, Fig. 4 shows the trajectory of the Gesamtflußraumzeigers in the field weakening when changing from a sta tionary operating point in a new rem with height torque,

Fig. 5 eine Grundstruktur der Drehmomentregelung durch unterlagerte Gesamtflußbetragsregelung, Fig. 5 shows a basic structure of the torque control by subordinate Gesamtflußbetragsregelung,

Fig. 6 eine Drehmomentregelung mit exakter Vorsteue­ rung des Gesamtflußbetrags und Spannungsampli­ tudenverstellung, Fig. 6 is a torque control with precise Vorsteue tion tudenverstellung of Gesamtflußbetrags and Spannungsampli,

Fig. 7 eine Drehmomentreglung mit dynamischer Feld­ schwächung mit begrenztem Spannungswinkel. Fig. 7 shows a torque control with dynamic field weakening with a limited voltage angle.

Der Raumzeiger der im Mittel pro Pulsperiode an die Ständerklemmen der Induktionsmaschine anzulegenden Ständer­ spannung ergibt sich mit der in den Gleichungen (2, 3) ge­ machten Voraussetzung direkt aus der Ständergleichung des Maschinenmodells. Man erhält den Ständerspannungsraumzeiger als Summe des Spannungsabfalls am Ständerwiderstand und der Magnetisierungsspannung , die im ständerfesten Koordinatensystem der zeitlichen Änderung des Gesamtfluß­ raumzeigers µ entspricht, gemäßThe space vector of the stator voltage to be applied to the stator terminals of the induction machine on average per pulse period results directly from the stator equation of the machine model with the condition made in equations (2, 3). The stator voltage space vector is obtained as the sum of the voltage drop across the stator resistance and the magnetization voltage, which corresponds to the temporal change in the total flux space vector µ in the stator-coordinate system

Der Ständerstromraumzeiger kann in analoger oder digita­ ler Form leicht meßtechnisch erfaßt werden. Den Gesamt­ flußraumzeiger erhält man mit Hilfe der Ständergleichung des Maschinenmodells gemäßThe stator current space pointer can be in analog or digital ler shape can be easily measured. The whole flux space pointers are obtained using the stator equation according to the machine model

Seine Phasenlage Xµ entspricht dabei direkt dem für die Transformation in gesamtflußfeste Koordinaten benötigten Transformationswinkel, für den entsprechend Gleichung (8) folgender einfacher Zusammenhang giltIts phase position Xµ corresponds directly to that for the Transformation into coordinates that are fixed to the overall flow Transformation angle for which according to equation (8) the following simple connection applies

Die hier gewählte Koordinatentransformation ist zur Ver­ deutlichung in Fig. 1 am Beispiel der Ständerspannung dargestellt:The coordinate transformation selected here is shown for clarification in FIG. 1 using the example of the stator voltage:

α, β = ruhende Koordinatenx, y = gesamtflußorientierte, mit rotierende Koordina­ tenachsen,
δu = Spannungswinkel zwischen und um +90° gedrehtem .
α, β = stationary coordinates x, y = total flow-oriented, with rotating coordinate axes,
δ u = tension angle between and rotated by + 90 °.

Es gilt folgende einfache Transformationsgleichung:The following simple transformation equation applies:

wobeiin which

esα, esβ = Koordinaten von im α/β-Systemesx, esy = Koordinaten von im x/y-System.esα, esβ = coordinates of in the α / β system esx, esy = coordinates of in the x / y system.

Differentiation des in Gleichung (8) berechneten Gesamt­ flußraumzeigers und Einsetzen des Ergebnisses in die Stän­ dergleichung (7) führt mit μ = ωs auf folgende Bestimmungs­ gleichung für die einzustellende Ständerspannung :Differentiation of the total flux space vector calculated in equation (8) and insertion of the result into the stator equation (7) leads with μ = ω s to the following equation for the stator voltage to be set:

wobei
eRx, eRy = Koordinaten von im x/y-System
eΨ x, eΨ y = Koordinaten von im x/y-System.
in which
e Rx , e Ry = coordinates of in the x / y system
e Ψ x , e Ψ y = coordinates of in the x / y system.

Gleichung (11) enthält keine trigonometrischen Funktionen, so daß keine Sin/Cos-Tabelle benötigt wird. Man erkennt darin direkt die in Fig. 1 dargestellte Aufteilung der Ständerspannung in eine zum Gesamtflußraumzeiger parallele Komponente esx und eine dazu orthogonale Komponente esy.Equation (11) contains no trigonometric functions, so that no sin / cos table is required. The division of the stator voltage shown in FIG. 1 into a component e sx parallel to the total flow space vector and an orthogonal component e sy can be seen directly therein.

Die parallel zum Gesamtflußraumzeiger orientierte Kompo­ nente der Ständerspannung verändert bzw. korrigiert den Ge­ samtflußbetrag. Ihr Betrag esx wird nachstehend als Fluß­ korrekturfaktor bezeichnet.The component of the stator voltage oriented parallel to the total flow area pointer changes or corrects the total flow amount. Their amount e sx is referred to below as the flow correction factor.

Der als Ständerfrequenzfaktor bezeichnete Betrag esy der zum Gesamtflußraumzeiger orthogonalen Komponente der Stän­ derspannung ist proportional zur Ständerfrequenz und ermög­ licht somit die Drehmomentverstellung.The amount referred to as the stator frequency factor e sy of the component of the stator voltage that is orthogonal to the total flow space vector is proportional to the stator frequency and thus enables the torque adjustment.

Die einfachste Realisierung einer Drehmoment- und Gesamt­ flußbetragsregelung erhält man, wenn der Flußkorrekturfak­ tor esx als Stellgröße eines Gesamtflußbetragsreglers mit PI-Charakteristik gemäß der nachfolgenden Gleichung (12) und der Ständerfrequenzfaktor esy durch einen PI-Drehmo­ mentregler entsprechend der nachfolgenden Gleichung (13) eingestellt werden. Es gilt:The simplest implementation of a torque and total flow amount control is obtained if the flow correction factor e sx as a manipulated variable of a total flow amount controller with PI characteristics according to the following equation (12) and the stator frequency factor e sy by a PI torque controller according to the following equation (13 ) can be set. The following applies:

undand

wobeiin which

VΨ = P-Verstärkung des Gesamtflußbetragreglers
τΨ = Nachstellzeit des Gesamtflußbetragreglers
Ψsoll = Flußsollwert
VM = P-Verstärkung des Drehmomentreglers
τM = Nachstellzeit des Drehmomentreglers
V Ψ = P gain of the total flow controller
τ Ψ = reset time of the total flow controller
Ψ should reference flux =
V M = P gain of the torque controller
τ M = reset time of the torque controller

Wie bereits erwähnt, ist der I-Anteil des Drehmomentreglers bei fehlender Ständerfrequenzvorsteuerung zwingend erfor­ derlich, da er dann die stationäre Ständerfrequenz ein­ stellt.As already mentioned, the I component is the torque controller Required if stator frequency precontrol is missing This is because he then enters the stationary stator frequency poses.

In Fig. 2 ist ein Blockschaltbild der Drehmoment- und Ge­ samtflußbetragsregelung mit indirekter Drehmomentregelung durch Rotorfrequenzregelung dargestellt, wie sie zur Dreh­ momentregelung im Spannungsstellbereich (Amplitudenverstel­ lung) dient. Es sind zwei Rechner 1, 2 zu erkennen, wobei Rechner 1 Msoll und ||² empfängt und einen Rotorkreisfre­ quenzsollwert ωrsoll nach der GleichungIn Fig. 2 is a block diagram of the torque and Ge total flow control with indirect torque control by rotor frequency control, as it is used for torque control in the voltage range (amplitude adjustment). There are two computers 1, 2 can be seen, said machine 1 to M and || ² receives and Rotorkreisfre quenzsollwert ω Rsoll according to the equation

berechnet sowie Rechner 2 das Drehmoment M und ||² emp­ fängt und die Rotorkreisfrequenz ωr nach der Gleichungcalculated and computer 2 receives the torque M and || ² received and the rotor angular frequency ω r according to the equation

berechnet. Ein Subtrahierer 4 bildet ωrsollr, wobei ωrsoll zuvor mittels eines Begrenzers 3 auf einen positiven bzw. negativen Scheitelwert r bzw. begrenzt wird. Die vom Subtrahierer 4 ermittelte Differenz gelangt zu einem Rotor­ frequenzregler 5 (bei der Anordnung gemäß Fig. 2 vorzugs­ weise ein PI-Regler), dessen Ausgangssignal dem Ständerfre­ quenzfaktor esy entspricht und einem Koordinatentransforma­ tor 6 zugeführt wird.calculated. A subtractor 4 forms ω rsollr , where ω rsoll is previously limited to a positive or negative peak value r or by means of a limiter 3 . The difference determined by the subtractor 4 arrives at a rotor frequency controller 5 (preferably a PI controller in the arrangement according to FIG. 2), the output signal of which corresponds to the stator frequency frequency factor e sy and is fed to a coordinate transformer 6 .

Ein Subtrahierer 7 bildet die Differenz Ψsoll σ - ||, wobei Ψsoll σ dem Bemessungsflußsollwert entspricht, und führt diese Differenz einem Gesamtflußbetragsregler 8 (bei der Anord­ nung gemäß Fig. 2 vorzugsweise ein PI-Regler) zu, dessen Ausgangssignal dem Flußkorrekturfaktor esx entspricht und ebenfalls dem Koordinatentransformator 6 zugeführt wird. Dem Koordinatentransformator 6 ist ausgangsseitig der Stän­ derspannungsraumzeiger s entnehmbar. Um den Einfluß von Schwankungen der Gleichspannung zu vermeiden, bildet ein Multiplizierer 9 das Produkt aus s undA subtracter 7 forms the difference Ψ is to σ - ||, wherein Ψ is to σ corresponds to the Bemessungsflußsollwert, and this difference to a Gesamtflußbetragsregler 8 (. In Anord voltage according to Figure 2 is preferably a PI-controller) to the output signal of the Flußkorrekturfaktor e sx corresponds and is also supplied to the coordinate transformer 6 . The coordinate transformer 6 on the output side of the voltage space pointer s can be removed. In order to avoid the influence of fluctuations in the DC voltage, a multiplier 9 forms the product of s and

wobei Ed der Zwischenkreisgleichspannung und Ed0 der Bemes­ sungs-Zwischenkreisgleichspannung entsprechen und ku als Spannungsfaktor definiert ist. Der Multiplizierer 9 gibt ausgangsseitig den Raumzeiger der Wechselrichteraus­ steuerung im ruhenden α/β-Koordinatensystem an einen Puls­ weitenmodulator 10 zur Ansteuerung der Leistungshalbleiter eines Wechselrichters ab. Die Schaltfrequenz der Lei­ stungshalbleiter liegt bei 1 kHz oder darüber. where E d corresponds to the DC link voltage and E d0 corresponds to the rated DC link voltage and k u is defined as the voltage factor. On the output side, the multiplier 9 outputs the space vector of the inverter control in the stationary α / β coordinate system to a pulse width modulator 10 for controlling the power semiconductors of an inverter. The switching frequency of the power semiconductors is 1 kHz or above.

Wesentlich bei der Regelung gemäß Fig. 2 ist es, daß Drehmomentsollwert und -istwert zunächst gemäß Gleichung (6) in die entsprechenden Rotorfrequenzen umgerechnet wer­ den und daß das Drehmoment durch den Regler 5 indirekt über die Rotorfrequenz entsprechendIt is essential in the control according to FIG. 2 that the torque setpoint and actual value are first converted into the corresponding rotor frequencies according to equation (6) and that the torque by the controller 5 corresponds indirectly via the rotor frequency

geregelt wird. Dies ist vorteilhaft, da sich Kippschutz und Strombegrenzung, wie nachfolgend noch beschrieben, leicht durch geeignete Begrenzungsfunktionen (z. B. Gleichung (30a, 30b) des Rotorfrequenzsollwerts ωrsoll realisieren lassen.is regulated. This is advantageous since anti-tipping protection and current limitation, as will be described in the following, can easily be implemented by suitable limiting functions (e.g. equation (30a, 30b) of the rotor frequency setpoint ω rsoll .

Die Stellgrößen der Regler für Gesamtflußbetrag und Rotor­ frequenz erzeugen direkt die zum Gesamtflußraumzeiger pa­ rallele Koordinate esx des Ständerspannungsraumzeigers (= Flußkorrekturfaktor) und die dazu orthogonale Koordinate esy (= Ständerfrequenzfaktor). Sie enthalten implizit den Spannungsabfall über dem Ständerwiderstand RS. Die an­ schließend gemäß Gleichung (9) durchgeführte Koordinaten­ transformation, die lediglich der Berücksichtigung der ak­ tuellen Phasenlage des Gesamtflußraumzeigers entspricht, liefert den Ständerspannungsraumzeiger in ruhenden Koor­ dinaten. Schließlich wird der Ständerspannungsraumzeiger noch mit dem Kehrwert des als SpannungsfaktorThe manipulated variables of the controller for the total flow amount and rotor frequency directly generate the coordinate e sx of the stator voltage space vector parallel to the total flow space vector (= flux correction factor) and the orthogonal coordinate e sy (= stator frequency factor). They implicitly contain the voltage drop across the stator resistance R S. The coordinate transformation then carried out in accordance with equation (9), which only corresponds to the consideration of the current phase position of the total flow space vector, provides the stator voltage space vector in stationary coordinates. Finally, the stator voltage space pointer still has the reciprocal of the voltage factor

bezeichneten Verhältnisses aus der gemessenen Zwischen­ kreisgleichspannung Ed und Bemessungs-Zwischenkreisgleich­ spannung Ed0 multipliziert.designated ratio multiplied from the measured DC link voltage E d and rated DC link voltage E d0 .

Die Bemessungs-Zwischenkreisgleichspannung Ed0 wird zur Vermeidung von Übersteuerungen des Wechselrichters, sofern diese unzulässig sind, so gewählt, daß der Wechselrichter bei maximaler Sinusaussteuerung genau die Bemessungsstän­ derspannung ê₀ der gespeisten Induktionsmaschine abgibt.The rated DC link voltage E d0 is chosen to avoid overdriving of the inverter, insofar as these are impermissible, so that the inverter delivers the rated voltage ê₀ of the fed induction machine at maximum sine output.

Der so berechnete Raumzeiger der WechselrichteraussteuerungThe room pointer of the inverter control calculated in this way

wird dann an den Pulsweitenmodulator (PWM) übergeben. Puls­ weitenmodulationsverfahren sind Stand der Technik und wer­ den an dieser Stelle nicht weiter behandelt.is then passed to the pulse width modulator (PWM). Pulse Width modulation methods are state of the art and who not dealt with further here.

Eine gegenüber der Grundversion gemäß Fig. 2 deutliche Verbesserung des Drehmoment-Anregelverhaltens erzielt man, wenn die vorstehend beschriebene Rotorfrequenzregelung durch eine geeignete Vorsteuerung der stationären Ständer­ frequenz s ergänzt wird.A significant improvement in the torque control behavior compared to the basic version according to FIG. 2 is achieved if the rotor frequency control described above is supplemented by a suitable precontrol of the stationary stator frequency s .

In Fig. 3 ist hierzu eine Drehmomentregelung mit exakter Ständerfrequenzvorsteuerung für optimale Drehmomentdynamik dargestellt. Die Grundanordnung ist wie unter Fig. 2 ge­ zeigt. Die zusätzlichen Komponenten der Regelung werden nachfolgend erläutert.In Fig. 3 this torque control with precise stator frequency pre-control is shown for optimum torque dynamics. The basic arrangement is as shown under Fig. 2 ge. The additional components of the control are explained below.

Ein Addierer 11 summiert ωsoll und ω und führt den derart gebildeten stationären Ständerkreisfrequenzsollwert S soll einem Multiplizierer 12 zu. Der Multiplizierer 12 errechnet die zum Gesamtflußraumzeiger orthogonale stationäre Kompo­ nente Ψ y der Magnetisierungsspannung als Produkt aus s soll und Ψsoll 0 und führt diese einem Addierer 13 zu, der aus eRy und Ψ y den stationären Ständerfrequenzfaktor sy bildet und einem zwischen Rotorfrequenzregler 5 und Koordinaten­ transformator 6 angeordneten Addierer 16 zuleitet. Zur Bil­ dung von eRy ist ein Koordinatentransformator 14 vorge­ sehen, der aus die Komponenten isx und isy des Ständer­ stromraumzeigers im x/y-System berechnet. Ein Multiplizie­ rer 15 bildet das Produkt eRy = isy·Rs. Zwischen Gesamt­ flußbetragsregler 8 und Koordinatentransformator 6 ist ein Addierer 17 angeordnet, dem eRx = Ψχ sowie eΨxD zugeführt werden, wobei ein Multiplizierer 18 das Produkt eRx = isx·Rs bildet.An adder 11 sums to ω and ω, and supplies the stationary stator circuit frequency reference thus formed S to a multiplier 12 to. The multiplier 12 calculates the orthogonal to the total flow space stationary component Ψ y of the magnetization voltage as the product of s soll and Ψ soll 0 and feeds it to an adder 13 , which forms the stationary stator frequency factor sy from e Ry and Ψ y and one between the rotor frequency controller 5 and Coordinate transformer 6 arranged adder 16 passes. To form e Ry , a coordinate transformer 14 is provided which calculates the components i sx and i sy of the stator current space vector in the x / y system. A multiplier 15 forms the product e Ry = i sy · R s . Between total flux regulator 8 and coordinate transformer 6 , an adder 17 is arranged, to which e Rx = Ψχ and eΨxD are supplied, a multiplier 18 forming the product e Rx = i sx · R s .

Wesentlich bei der Ständerfrequenzvorsteuerung gemäß Fig. 3 ist es, daß sie auf einfachen analytischen Gleichun­ gen beruht, die auch auf Signalprozessoren unter Echtzeit­ bedingungen exakt lösbar sind. Zunächst wird der Sollwert der stationären Ständerfrequenz s soll gemäß Gleichung (4) als Summe der elektrischen Drehzahl ω und dem entsprechend Gleichung (6) aus dem Drehmomentsollwert berechneten Ro­ torfrequenzsollwert ωrsoll ermittelt.It is essential in the stator frequency precontrol according to FIG. 3 that it is based on simple analytical equations, which can also be exactly solved in real-time conditions on signal processors. First, the setpoint of the stationary stator frequency s soll is determined in accordance with equation (4) as the sum of the electrical speed ω and the rotor frequency setpoint ω rsoll calculated from the torque setpoint in accordance with equation (6).

Durch Multiplikation des stationären Ständerfrequenzsoll­ wertes mit dem Bemessungs-Gesamtflußsollwert Ψµsoll 0 er­ hält man mit Gleichung (11) direkt die im stationären Be­ trieb mit konstantem Gesamtflußbetrag einzustellende, zum Gesamtflußraumzeiger orthogonale Komponente Ψ y des Magne­ tisierungsspannungsraumzeigers.By multiplying the stationary stator frequency setpoint by the rated total flux setpoint Ψ µsoll 0 it is obtained with equation (11) directly the component Ψ y of the magnetizing voltage space vector which is to be set in the stationary operation with constant total flow amount and is orthogonal to the total flow space vector.

Des weiteren wird dazu der zum Gesamtflußraumzeiger ortho­ gonale Anteil eRy des Spannungsabfalls über dem Ständerwi­ derstand addiert und man erhält den stationären Wert des zum Gesamtflußraumzeiger orthogonalen Anteils sy der Stän­ derspannung (= stationärer Ständerfrequenzfaktor). Die dazu durchgeführte Koordinatentransformation des Ständerstrom­ raumzeigers entspricht lediglich einer Multiplikation mit dem konjugiert komplexen Gesamtflußraumzeiger und anschließender Division durch den Gesamtflußbetrag ||.Further, to the gonal to the total flux ortho share e Ry of the voltage drop across the resistor Ständerwi added and one obtains the steady-state value of the orthogonal to the total flux content of the sy STAs derspannung (= stationary stator frequency factor). The coordinate transformation of the stator current space pointer carried out for this purpose corresponds only to a multiplication by the conjugate complex total flow space pointer and subsequent division by the total flow amount ||.

Diese Operationen können auf einem Signalprozessor auch unter Echtzeitbedingungen mit geringem Aufwand exakt ausgeführt werden. These operations can be done on a signal processor too accurate under real-time conditions with little effort be carried out.  

Der Rotorfrequenzregler liefert als Stellgröße jetzt nur noch den zur Flußwinkeländerung erforderlichen dynamischen Anteil der Ständerfrequenz (= dynamischer Ständerfre­ quenzfaktoranteil). Dieser verschwindet im stationären Be­ trieb und der I-Anteil des Rotorfrequenzreglers kann theo­ retisch entfallen, da die Ständerfrequenz stationär exakt vorgesteuert wird. In der Praxis korrigiert er jedoch Vor­ steuerfehler, die durch Fehlabstimmung der Modellparameter oder Meßfehler verursacht werden können.The rotor frequency controller now only delivers as a manipulated variable nor the dynamic required to change the flow angle Proportion of the stator frequency (= dynamic stator fre quenz factor share). This disappears in the stationary loading driven and the I component of the rotor frequency controller can theo are not necessary because the stator frequency is stationary is piloted. In practice, however, he corrects pre tax errors caused by mismatch of model parameters or measurement errors can be caused.

Diese sind jedoch so klein, daß der I-Anteil auf sehr klei­ ne Werte begrenzt werden kann und keinen Einfluß mehr auf das dynamische Drehmomentanregelverhalten hat. Das Drehmo­ ment kann dadurch sehr schnell und ohne Überschwingen ange­ regelt werden.However, these are so small that the I component is very small ne values can be limited and no longer influence has the dynamic torque control behavior. The torque ment can be started very quickly and without overshoot be regulated.

Es ist konsequent, auch den Betrag eRx der zum Gesamtfluß­ raumzeiger parallelen Komponente des Spannungsabfalls am Ständerwiderstand vorzusteuern, denn der Gesamtflußbetrags­ regler ist dann ebenfalls stationär entlastet und kann als einfacher P-Regler ausgeführt werden. Er greift nur noch ein, wenn der Gesamtflußbetrag verändert werden soll.It is consequent to also pre-control the amount e Rx of the component of the voltage drop across the stator resistance that is parallel to the total flow of the room pointer, because the total flow amount regulator is then also relieved in a stationary manner and can be designed as a simple P-controller. It only intervenes if the total flow amount is to be changed.

Bei unbegrenztem Betrag des Ständerspannungsraumzeigers könnte die Maschine im gesamten Betriebsbereich mit dem Be­ messungsfluß ₀ betrieben werden. Mit der vorstehend be­ schriebenen Rotorfrequenz- und Gesamtflußbetragsregelung könnte dann, wegen der beliebig hohen Regelreserve der Ständerspannungsamplitude, unabhängig von der Drehzahl stets eine sehr gute Drehmomentdynamik erreicht werden.With an unlimited amount of the stator voltage space pointer could the machine in the entire operating area with the Be measurement flow ₀ are operated. With the above be written rotor frequency and total flux amount control could then, because of the arbitrarily high control reserve Stator voltage amplitude, regardless of the speed very good torque dynamics can always be achieved.

In der Praxis ist dies jedoch nicht der Fall, da der Bemes­ sungswert der Ständerspannung ê₀ nicht überschritten werden kann. In practice, however, this is not the case since the Bemes stator voltage ê₀ must not be exceeded can.  

Die Gleichungen (11, 16) machen deutlich, daß der Bemes­ sungsfluß bei Vollaussteuerung des Wechselrichters (||=1) selbst bei Vernachlässigung des Spannungsabfalls eR am Ständerwiderstand nur bis zu einer BemessungsfrequenzThe equations (11, 16) make it clear that the design flow with full control of the inverter (|| = 1) even if the voltage drop e R at the stator resistance is neglected, only up to a design frequency

beibehalten werden kann. Die Bemessungsfrequenz wird durch den Bemessungsfluß ₀ und die Bemessungsspannung ê₀ der Maschine sowie den Spannungsfaktor ku festgelegt.can be maintained. The rated frequency is determined by the rated flux ₀ and the rated voltage ê₀ of the machine as well as the voltage factor k u .

Um dennoch höhere Ständerfrequenzen als die Bemessungsfre­ quenz ω₀ einzustellen, muß der Gesamtfluß entsprechend der sogenannten FeldschwächzifferStill higher stator frequencies than the rated fre quenz ω₀ set, the total flow must correspond to the so-called field weakening number

so geschwächt werden, daß die dann erforderliche Ständer­ spannungsamplitude gerade mit vollausgesteuertem Wechsel­ richter erreicht wird. Dadurch wird der Leistungsteil des Antriebs bereits im stationären Betrieb optimal ausgenutzt.be weakened so that the stand then required voltage amplitude just with fully controlled change judge is reached. This will power the Drive optimally used in stationary operation.

Die nachfolgend beschriebene Drehmomentregelung durch un­ terlagerte Gesamtflußbetragsregelung (dynamische Feldschwä­ chung) geht direkt davon aus, daß die Maschine im Feld­ schwächbereich stets mit maximaler konstanter Ständerspan­ nungsamplitude gespeist wird. Für den Ständerspannungsraum­ zeiger gilt dannThe torque control described below by un overall flow rate control (dynamic field wea chung) assumes that the machine is in the field weak area always with maximum constant stator chip voltage amplitude is fed. For the stator voltage room pointer then applies

Sein Betrag entspricht dem Bemessungswert und es kann nur noch der in Fig. 1 dargestellte Spannungswinkel δu zwi­ schen dem Raumzeiger der Ständerspannung und dem um +90° gedrehten Gesamtflußraumzeiger verstellt werden. Der Span­ nungswinkelIts amount corresponds to the rated value and it is only possible to adjust the tension angle δ u shown in FIG. 1 between the space vector of the stator voltage and the total flow space vector rotated by + 90 °. The tension angle

ist direkt durch das Verhältnis der Ständerspannungskoordi­ naten gegeben.is directly due to the ratio of the stator voltage coordinates given naten.

Wird der Wechselrichter bereits im stationären Betrieb voll ausgesteuert, steht prinzipiell keine dynamische Regelre­ serve der Ständerspannungsamplitude zur Verfügung und die Bahngeschwindigkeit des Gesamtflußraumzeigers kann nicht mehr erhöht werden.The inverter is already full in stationary operation controlled, there is in principle no dynamic rule serve the stator voltage amplitude and the Path velocity of the total flow space pointer cannot be increased more.

Um das Drehmoment unter diesen Bedingungen noch schnell zu vergrößern, muß der Flußwinkel ϑ zwischen dem Gesamtfluß­ raumzeiger und dem Rotorflußraumzeiger entsprechend Glei­ chung (1) auf andere Weise schnell vergrößert werden. Die dazu erforderliche große Änderungsgeschwindigkeit des Flußwinkels kann bei konstanter Bahngeschwindigkeit des Ge­ samtflußraumzeigers nur durch geeignetes Abkürzen der Ge­ samtflußbahnkurve erreicht werden.In order to increase the torque quickly under these conditions, the flow angle ϑ between the total flow space pointer and the rotor flow space pointer must be increased quickly in a different way according to equation ( 1 ). The large rate of change of the flow angle required for this can only be achieved by a suitable shortening of the total flow path curve at a constant path speed of the total flow space pointer.

Zur Erläuterung dieses Vorganges zeigt Fig. 4 beispielhaft die Bahnkurve des Gesamtflußraumzeigers im Feldschwächbe­ trieb beim Wechsel von einem stationären Betriebspunkt in einen neuen mit höherem Drehmoment, wobeiTo illustrate this process, FIG. 4 shows an example of the trajectory of the total flow space pointer in the field weakened when changing from a stationary operating point to a new one with higher torque, whereby

C = stationäre Feldschwächziffer im Punkt C,
A = stationäre Feldschwächziffer im Punkt A,
µC = Gesamtflußraumzeiger im Punkt C,
γmin = Feldschwächziffer-MinimumΔ = Gesamtflußraumzeiger-Zuwachs relativ zum Punkt A
C = stationary field weakening number at point C,
A = stationary field weakening number at point A,
µC = total flow space pointer at point C,
γ min = minimum field weakening number Δ = total flow area pointer increase relative to point A

Der Umfang der im Punkt C erreichten neuen stationären Ge­ samtflußkreisbahn ist wegen des erhöhten Drehmoments und der dazu erforderlichen höheren Ständerfrequenz kleiner als bei der im Punkt A verlassenen alten Kreisbahn.The extent of the new stationary Ge reached in point C. velvet river circuit is due to the increased torque and  the higher stator frequency required is less than at the old circular path left at point A.

Der Übergang zwischen den Betriebspunkten A, C wird optimal schnell ausgeführt, wenn der Gesamtflußraumzeiger im Punkt A durch schlagartiges Verkleinern des Spannungswinkels δu auf einen negativen Wert auf die als kürzest mögliche dyna­ mische Bahnkurve gewählte lineare Verbindung zwischen A und C geführt wird. Die Verkleinerung des Spannungswinkels wird gemäß Gleichung (20) durch Verkleinern des zum Gesamtfluß­ raumzeiger parallelen Anteils esx der Ständerspannung er­ reicht.The transition between the operating points A, C is carried out optimally quickly if the total flow space pointer at point A is brought to a negative value on the linear connection between A and C chosen as the shortest possible dynamic curve by suddenly reducing the voltage angle δ u . The reduction in the voltage angle is achieved according to equation (20) by reducing the portion e sx of the stator voltage that is parallel to the total flow of the space vector.

Während der Gesamtflußraumzeiger die Abkürzungsbahn durch­ läuft, bleibt der Rotorflußraumzeiger näherungsweise auf seiner mit nahezu unveränderter Winkelgeschwindigkeit durchlaufenen stationären Bahnkurve. Dabei wird der Flußwinkel ϑ im wesentlichen allein durch die Bahnabkürzung vergrößert und das Drehmoment steigt an. Mit abnehmender Drehmomentregelabweichung wird der Spannungswinkel wieder vergrößert. Erreicht das Drehmoment - beispielsweise schon im Punkt B - seinen Sollwert, so wird die Ständerspan­ nungsamplitude schlagartig so verkleinert, daß das Drehmo­ ment nicht überschwingt.During the total flow space pointer through the shortcut path runs, the rotor flow space pointer remains approximately open his with almost unchanged angular velocity traversed stationary trajectory. The Flow angle ϑ essentially due to the path shortening increases and the torque increases. With decreasing Torque control deviation becomes the tension angle again enlarged. Has reached the torque - for example already in point B - its setpoint, so the stator chip voltage amplitude suddenly reduced so that the torque ment does not overshoot.

Während der Gesamtflußraumzeiger dann weiter in den Punkt C läuft, werden die Aussteuerung und der Gesamtflußbetrag so verstellt, daß das Drehmoment mit dem Sollwert überein­ stimmt. Erreicht der Gesamtflußraumzeiger schließlich im Punkt C seine neue stationäre Kreisbahn, wird der Gesamt­ flußbetrag nicht mehr verändert. Die zum Gesamtflußraumzei­ ger parallele Komponente esx des Ständerspannungsraumzei­ gers wird sehr klein und der Ständerspannungsraumzeiger steht entsprechend den Gleichungen (19, 20) wieder nahezu senkrecht auf dem Gesamtflußraumzeiger. Der Spannungswinkel δu erreicht also wieder etwa den Wert Null, denn δu nimmt einen kleinen positiven Endwert an, um den Spannungsabfall am Ständerwiderstand zu decken.While the total flow space pointer then continues to point C, the modulation and the total flow amount are adjusted so that the torque matches the setpoint. When the total flow area pointer finally reaches its new stationary circular path in point C, the total flow amount is no longer changed. The parallel to the total flow space component e sx of the stator voltage space generator becomes very small and the stator voltage space pointer is again almost perpendicular to the total flow space pointer according to equations (19, 20). The voltage angle δ u again reaches approximately zero, because δ u assumes a small positive end value in order to cover the voltage drop across the stator resistance.

Der Abbiegewinkel δuA im Punkt A bestimmt, wie schnell das Drehmoment ansteigt. Er kann entsprechend Gleichung (20) theoretisch Werte bis 90° annehmen, so daß der Gesamtfluß­ raumzeiger dann vom Punk A in Fig. 4 ausgehend direkt durch den Ursprung geführt würde. Die Maschine wäre in die­ sem Augenblick entregt und kein Drehmoment mehr vorhanden.The turning angle δ uA at point A determines how quickly the torque increases. It can theoretically assume values up to 90 ° in accordance with equation (20), so that the total flow space pointer would then be led directly from the point A in FIG. 4 through the origin. The machine would be de-energized at this moment and there would be no more torque.

Dieser Effekt wird vermieden, wenn der Betrag des Span­ nungswinkels auf etwa δu = 60° begrenzt wird. Die Begren­ zung des Spannungswinkels kann entsprechend Gleichung (20) leicht durch Einhalten der BedingungThis effect is avoided if the amount of the tension angle is limited to approximately δ u = 60 °. The limitation of the voltage angle can easily be done according to equation (20) by keeping the condition

realisiert werden. Der Grenzwert ist so gewählt, daß die mittlere Anstiegsgeschwindigkeit des Drehmoments maximal ist.will be realized. The limit is chosen so that the Average rate of increase in torque maximum is.

Fig. 5 zeigt die Grundstruktur der Drehmomentregelung durch unterlagerte Gesamtflußbetragsregelung. Ein Subtra­ hierer 30 bildet das Signal M-Msoll und leitet diese Dif­ ferenz einem Drehmomentregler 31 zu. Ein weiterer Subtrahie­ rer 32 bildet aus dem am Ausgang des Reglers 31 anstehenden Gesamtflußsollwert Ψµsoll und dem Betrag des Gesamtfluß­ raumzeigers |µ| die einem Gesamtflußregler 33 zuzuleitende Differenz Ψµsoll-||. Der Regler 33 gibt ausgangsseitig den mit Hilfe eines Begrenzers 34 auf einen positiven und nega­ tiven Maximalwert -u, -u begrenzten Spannungswinkel δ an einen Koordinatentransformator 35 ab. Das Ausgangssignal Fig. 5 shows the basic structure of the torque control by subordinate total flow amount control. A subtra here 30 forms the signal MM should and passes this difference to a torque controller 31 . Another subtractor 32 forms from the total flow setpoint Ψ µsoll at the output of the controller 31 and the amount of the total flow space pointer | µ | the difference Ψ µsoll - || to be fed to a total flow controller 33 . On the output side, the controller 33 outputs the voltage angle δ limited to a positive and negative maximum value -u, -u with the aid of a limiter 34 to a coordinate transformer 35 . The output signal

des Koordinatentransformators 35 wird einem Maschinenmodell 36 zugeleitet, das hieraus das Drehmoment M und den Gesamt­ flußraumzeiger = ||ejx bildet. wird dem Koordinaten­ transformator 35 und einem Betragsbildner 37 zugeführt, wo­ bei letzterer die Größe || bildet und an den Subtrahierer 32 leitet.the coordinate transformer 35 is fed to a machine model 36 , which forms the torque M and the total flow space pointer = || e jx . is fed to the coordinate transformer 35 and an absolute value generator 37 , where in the latter the size || forms and passes to the subtractor 32 .

Der überlagerte Drehmomentregler 31 mit PI-Charakteristik führt das Drehmoment seinem Sollwert nach, indem er dem un­ terlagerten Gesamtflußbetragsregler 33 mit P-Charakteristik den Radius der Gesamtflußbahnkurve vorgibt. Die Stellgröße des Gesamtflußbetragsreglers 33 entspricht dem in Gleichung (20) definierten Spannungswinkel δu, der entsprechend Glei­ chung (21) begrenzt wird. Der Ständerspannungsraumzeiger ist gemäß Gleichung (19) eindeutig durch den Spannungswin­ kel δu und die Winkellage XΨ des Gesamtflußraumzeigers ge­ geben. Alle für die Regelung benötigten Größen stellt das Maschinenmodell 36 bereit.The superimposed torque controller 31 with PI characteristic tracks the torque according to its setpoint by specifying the radius of the total flow trajectory with the subordinate total flow amount controller 33 with P characteristic. The manipulated variable of the total flow rate controller 33 corresponds to the voltage angle δ u defined in equation (20), which is limited in accordance with equation ( 21 ). According to equation (19), the stator voltage space vector is clearly given by the voltage angle δ u and the angular position X Ψ of the total flow space vector. The machine model 36 provides all the sizes required for the control.

Mit der vorstehend beschriebenen Grundstruktur ohne dyna­ mische Regelreserve der Ständerspannungsamplitude wird ein gutes Drehmomentanregeverhalten erzielt.With the basic structure described above without dyna The control reserve of the stator voltage amplitude becomes a good torque pickup behavior achieved.

Wird der Drehmomentsollwert sprunghaft vom Leerlauf auf das bei der gegebenen Drehzahl maximal erreichbare Moment er­ höht, so folgt das Drehmoment dem Sollwert trotz konstanter Ständerspannungsamplitude mit guter Dynamik. Der Gesamt­ flußraumzeiger wird schlagartig auf eine anfangs nahezu li­ neare Abkürzungsbahn geführt. Aufgrund der eingesetzten li­ nearen Regler für Drehmoment und Gesamtflußbetrag bleibt die Abkürzungsbahn jedoch nicht linear, sondern schmiegt sich bei abnehmender Regelabweichung an die neue stationäre Kreisbahn an. Ihre Länge ist daher nicht minimal und die Anregelzeit entsprechend etwas länger als theoretisch mög­ lich. If the torque setpoint jumps from idling to at the given speed maximum achievable torque he increases, the torque follows the setpoint despite constant Stator voltage amplitude with good dynamics. The total River space pointer suddenly becomes almost li linear shortcut path. Due to the used li Near controller for torque and total flow amount remains the shortcut path is not linear, but nestles with a decreasing control deviation to the new stationary Circular path. Their length is therefore not minimal and that Rise time correspondingly somewhat longer than theoretically possible Lich.  

Erreicht das Drehmoment seinen Sollwert, so schwingt es oh­ ne weitere Maßnahme über, denn der vom Integralanteil des Drehmomentreglers in diesem Augenblick eingestellte Gesamt­ flußsollwert ist noch zu klein.When the torque reaches its setpoint, it vibrates oh ne further measure because of the integral part of the Torque controller currently set total flow setpoint is still too small.

Um das Überschwingen des Drehmoments zu verhindern, muß und kann die Ständerspannungsamplitude und damit die Bahnge­ schwindigkeit des Gesamtflußraumzeigers in dem Augenblick schlagartig reduziert werden, in dem das Drehmoment seinen Sollwert erreicht. Wie die Ständerspannungsamplitude ver­ kleinert werden kann, wird unter Fig. 6 beschrieben.In order to prevent the torque from overshooting, the stator voltage amplitude and thus the Bahnge speed of the total flow space pointer must be suddenly reduced at the moment when the torque reaches its setpoint. How the stator voltage amplitude can be reduced is described in FIG. 6.

In Fig. 6 ist eine Drehmomentregelung mit exakter Vor­ steuerung des Gesamtflußbetrags und Spannungsamplituden­ verstellung dargestellt. Die Grundstruktur ist wie unter den Fig. 2 und 3 beschrieben. Die Signale eRx = Ψχ und sy werden einem Betragsbildner 19 zugeführt, der hieraus den stationären Betrag || des Ständerspannungsraumzeigers bildet. Ein Multiplizierer 20 erzeugt das Produkt aus || und 1/ku und führt dieses einem Reziprokwertbildner 21 zu. Die am Ausgang des Reziprokwertbildners 21 abgreifbare sta­ tionäre FeldschwächzifferIn Fig. 6 a torque control with exact before control of the total flow amount and voltage amplitudes adjustment is shown. The basic structure is as described under FIGS. 2 and 3. The signals e Rx = Ψχ and sy are fed to an absolute value generator 19 , which uses this to generate the stationary amount || of the stator voltage space pointer. A multiplier 20 generates the product from || and 1 / ku and feeds this to a reciprocal value generator 21 . The stationary field weakening digit which can be tapped at the output of the reciprocal value generator 21

wird mit Hilfe eines Begrenzers 22 auf Werte kleiner oder gleich 1 begrenzt und einem Multiplizierer 23 zugeleitet (|| = stationärer Betrag des Raumzeigers der Wechselrich­ teraussteuerung). Der Multiplizierer bildet das Produkt aus Ψsoll 0 und der auf 1 begrenzten stationären Feldschwäch­ ziffer und führt dieses dem Subtrahierer 7 zu.is limited with the aid of a limiter 22 to values less than or equal to 1 and fed to a multiplier 23 (|| = stationary amount of the space vector of the inverter control). The multiplier forms the product of Ψ soll 0 and the stationary field weakening digit limited to 1 and feeds this to the subtractor 7 .

Es ist bereits vorstehend gezeigt, daß das dynamische Ver­ halten eines Regelsystems erheblich verbessert wird, wenn die Integralanteile der Regler durch geeignete Vorsteuerun­ gen ersetzt werden. Deshalb wird der in der Grundstruktur durch den I-Kanal des Drehmomentreglers stationär einge­ stellte Gesamtflußbetrag mittels der zusätzlichen Maßnahmen nach Fig. 6 exakt vorgesteuert.It has already been shown above that the dynamic behavior of a control system is considerably improved if the integral components of the controller are replaced by suitable precontrol systems. Therefore, the total flow amount set stationary in the basic structure by the I-channel of the torque controller is precisely precontrolled by means of the additional measures according to FIG. 6.

Zunächst wird der Betrag || der Wechselrichteraussteuerung entsprechend Gleichung (16) für den Fall berechnet, daß die gewünschte stationäre Ständerfrequenz unter Beibehaltung des Bemessungsflusses erreicht werden könnte. Der Kehrwert dieses Aussteuerungsbetrages wird anschließend als statio­ näre Feldschwächziffer gemäßFirst, the amount || the inverter control calculated according to equation (16) in the event that the desired stationary stator frequency while maintaining of the design flow could be achieved. The reciprocal this amount of levy is then called a statio nary field weakening rate according to

eingestellt. Dadurch wird erreicht, daß die geforderte Ständerfrequenz genau mit maximaler Ständerspannungsampli­ tude erreicht wird. Die anschließende Begrenzung der Feld­ schwächziffer auf Werte kleiner als 1 verhindert, daß Stän­ derfrequenzen unterhalb der Bemessungsfrequenz mit unzuläs­ sig hohem Gesamtflußbetrag eingestellt werden.set. This ensures that the required Stator frequency exactly with maximum stator voltage ampli tude is achieved. The subsequent limitation of the field Weak digit to values less than 1 prevents stan frequencies below the rated frequency with impermissible sig high total flow amount can be set.

Der Gesamtflußbetragregler 8 erhält vorgesteuert den Ge­ samtflußsollwertThe total flow rate controller 8 receives the total flow setpoint

Ψµsoll = Ψµsoll 0 · (23)Ψ µset = Ψ µset 0 · (23)

Er entspricht dem Produkt aus dem im Spannungsstellbereich eingestellten Gesamtflußsollwert Ψsoll 0 und der gemäß Gleichung (22) berechneten stationären Feldschwächziffer .It corresponds to the product of the total flow setpoint Ψ set 0 set in the voltage setting range and the stationary field weakening factor calculated according to equation (22).

Bei der unter Fig. 6 beschriebenen Regelung wird das Über­ schwingen des Drehmoments nach dem Erreichen des Sollwerts durch schlagartige Reduzierung der Ständerspannungsampli­ tude vermieden. Des weiteren ist die vorgestellte Regel­ struktur wegen des geringen Aufwands auch unter Echtzeit­ bedingungen auf einem Signalprozessor leicht realisierbar.In the control described under Fig. 6, the over-oscillation of the torque after reaching the setpoint is avoided by suddenly reducing the stator voltage amplitude. Furthermore, the control structure presented is easy to implement on a signal processor even under real-time conditions because of the low cost.

In Fig. 7 ist eine Drehmomentregelung mit dynamischer Feldschwächung mit begrenztem Spannungswinkel dargestellt. Die Grundstruktur ist wie unter den Fig. 2, 3 und 6 auf­ gezeigt. Zusätzlich ist ein Proportionalglied 24 vorgese­ hen, das das Produkt aus eΨyD und VM Ψ bildet und einem Subtrahierer 25 zuleitet, wobei VM Ψ eine P-Verstärkung dar­ stellt. Der Subtrahierer 25 bildet eine dynamische Feld­ schwächziffer γD, indem er die Differenz zwischen 1.0 und dem Produkt des Proportionalgliedes 24 errechnet. Ein Mul­ tiplizierer 26 bildet das Produkt aus der dynamischen Feld­ schwächziffer γD und der stationären Feldschwächziffer . Dieses Produkt wird mit Hilfe des Begrenzers 22 auf 1 be­ grenzt und gelangt als Feldschwächziffer γ zum Multiplizie­ rer 23, der γ mit Ψsoll 0 multipliziert und den so gebilde­ ten Flußsollwert dem Subtrahierer 7 zuführt.In Fig. 7, a torque control with a dynamic field weakening is shown with a limited voltage angle. The basic structure is as shown in FIGS. 2, 3 and 6 on. In addition, a proportional element 24 is provided, which forms the product of eΨyD and V M Ψ and feeds it to a subtractor 25 , V M Ψ representing a P gain. The subtractor 25 forms a dynamic field weakening number γ D by calculating the difference between 1.0 and the product of the proportional element 24 . A multiplier 26 forms the product of the dynamic field weakening digit γ D and the stationary field weakening digit. This product is limited to 1 with the help of the limiter 22 and arrives as a field weakening number γ for multiplier 23 , which multiplies γ by Ψ should be 0 and supplies the flow setpoint thus formed to the subtractor 7 .

Ein Multiplizierer 27 bildet das Produkt aus esy und tan 60° und führt dieses einem Rechenglied 28 zu. Dieses Rechenglied 28 realisiert die unter Gleichung (21) angege­ bene Bedingung und empfängt eingangsseitig das Summensignal des Addierers 17 und gibt ausgangsseitig esx an den Koordi­ natentransformator 6 ab.A multiplier 27 forms the product of e sy and tan 60 ° and feeds it to a computing element 28 . This computing element 28 realizes the condition specified under equation (21) and receives the sum signal of the adder 17 on the input side and outputs e sx to the coordinate transformer 6 on the output side.

Mit dem dynamischen Feldschwächregler 24/25/26 wird das vorstehend bereits beschriebene Prinzip der dynamischen Feldschwächung realisiert. Dieser Regler gewichtet die ge­ mäß Gleichung (22) stationär vorgesteuerte Feldschwächzif­ fer mit der dynamischen FeldschwächzifferWith the dynamic field weakening controller 24/25/26 , the principle of dynamic field weakening described above is implemented. This controller weights the ge pre-controlled field weakening digit according to equation (22) with the dynamic field weakening digit

γD = 1 - VM Ψ · eΨ yD (24)γ D = 1 - V M · e Ψ Ψ y D (24)

Die dynamische Feldschwächziffer wird direkt aus der Stell­ größe eΨ yD des Rotorfrequenzreglers 5 gewonnen. Dessen Stellgröße wird durch das zusätzlich eingefügte Proportio­ nalglied 24 mit der P-Verstärkung VM Ψ abgeschwächt, damit die Stabilität des Drehmomentregelkreises bei dynamischer Feldschwächung gewährleistet bleibt.The dynamic field weakening figure is obtained directly from the manipulated variable e Ψ yD of the rotor frequency controller 5 . The manipulated variable is controlled by the additionally inserted proportio nalglied 24 with the P gain V M Ψ attenuated, so that the stability of the torque control loop is ensured with dynamic field weakening.

Die unter Fig. 7 beschriebene Drehmomentregelung mit Span­ nungsamplitudenverstellung zeichnet sich dadurch aus, daß die bei Verzicht auf dynamische Regelreserve der Ständer­ spannungsamplitude theoretisch möglichen Drehmomentanregel­ zeiten nahezu erreicht werden.The torque control described in FIG. 7 with voltage amplitude adjustment is characterized in that the voltage amplitude theoretically possible in the absence of dynamic control reserve of the stator torque control times are almost achieved.

Die gute Drehmomentdynamik im Spannungsstellbereich bleibt erhalten, da der Rotorfrequenzregler 5 unvermindert auf die Amplitude der Wechselrichteraussteuerung einwirken kann. Das Überschwingen des Drehmoments kann dadurch praktisch vollständig vermieden werden.The good torque dynamics in the voltage setting range are retained since the rotor frequency controller 5 can have an undiminished effect on the amplitude of the inverter drive. The torque overshoot can thus be practically completely avoided.

Durch das zusätzliche P-Glied 24 wird berücksichtigt, daß die mittlere Ständerfrequenz pro Pulsperiode im Spannungs­ stellbereich durch den sprunghaft verstellbaren Ständer­ spannungsbetrag, im Feldschwächbereich aber nur durch den stetig verstellbaren Gesamtflußbetrag beeinflußt werden kann.The additional P-element 24 takes into account that the mean stator frequency per pulse period in the voltage setting range can be influenced by the suddenly adjustable stator voltage amount, but in the field weakening range can only be influenced by the continuously adjustable total flow amount.

Den Gesamtflußsollwert erhält man schließlich als Produkt aus dem entsprechend Gleichung (23) vorgesteuerten Gesamt­ flußsollwert und der in Gleichung (24) berechneten dynami­ schen Feldschwächziffer gemäßThe total flow setpoint is finally obtained as a product from the total controlled according to equation (23) flow setpoint and the dynami calculated in equation (24) field weakening rate according to

Ψsoll = Ψsoll 0 · · γD (25)Ψ to Ψ = to 0 · γ D (25)

Bei hochausgenutzten Drehfeldantrieben müssen unbedingt Maßnahmen zur Strombegrenzung und zum Kippschutz getroffen werden, wobei das dynamische Verhalten des Antriebs nicht beeinträchtigt werden darf.With highly utilized rotary field drives, it is imperative Measures to limit current and prevent tipping the dynamic behavior of the drive is not may be affected.

Nachfolgend werden geeignete Maßnahmen für die Strombegren­ zung und den Kippschutz angegeben. Es wird hier der Ansatz gewählt, beide Schutzeinrichtungen durch geeignete Begren­ zung des Rotorfrequenzsollwertes zu realisieren. Dies führt zu Lösungen mit geringem Aufwand, die auch unter Echtzeit­ bedingungen auf einem Signalprozessor verarbeitet werden können.The following are suitable measures for the current limits tion and the anti-tipper specified. It will be the approach here selected, both protective devices by suitable restrictions implementation of the rotor frequency setpoint. this leads to to solutions with little effort, even under real time conditions are processed on a signal processor can.

Aus dem Ersatzschaltbild der Induktionsmaschine (siehe bei­ spielsweise IEEE Transactions . . ., Bild 4) kann der Ständer­ strom gemäßFrom the equivalent circuit diagram of the induction machine (see at for example IEEE Transactions. . ., Picture 4) the stand can current according to

berechnet werden. Des weiteren gilt im stationären Betrieb zwischen der Rotorfrequenz und dem Flußwinkel der Zusammenhangbe calculated. The following also applies in stationary operation the relationship between the rotor frequency and the flux angle

ωr · Tσ = tanϑ (27)ω r · tanθ = Tσ (27)

Der Rotorflußraumzeiger ist dann durch den Flußwinkel und den Gesamtflußraumzeiger gemäßThe rotor flow space pointer is then by the flow angle and the total flow space pointer according to

bestimmt.certainly.

Mit den Gleichungen (26 . . . 28) kann der Betrag des Ständer­ stromraumzeigers als Funktion der Rotorfrequenz und des Ro­ torflußbetrags entsprechendWith the equations (26... 28) the amount of the stand current space vector as a function of rotor frequency and Ro gate flow amount accordingly

dargestellt werden.being represented.

In Gleichung (29) wird deutlich, daß eine vorgegebene Grenze ||Max des Ständerstrombetrags bei Begrenzung der Rotor­ frequenz ωr aufEquation (29) shows that a given limit || Max of the stator current amount when limiting the rotor frequency ω r

bzw.respectively.

eingehalten wird. Dabei steht das Pluszeichen für die Be­ grenzung im Motorbetrieb und das Minuszeichen entsprechend für die Begrenzung im Generatorbetrieb.is observed. The plus sign stands for the Be limit in engine operation and the minus sign accordingly for limitation in generator operation.

Der Kippschutz muß so ausgeführt werden, daß eine Regel­ sinnumkehr sicher verhindert wird, ohne das dynamische Ver­ halten des Antriebs zu beeinträchtigen. Wie eingangs er­ wähnt, wird der Kippschutz durch geeignete Begrenzung der Rotorfrequenz realisiert.The anti-tipper must be designed so that a rule reversal of meaning is reliably prevented without the dynamic ver hold the drive impair. How he started thinks that the anti-tipper is limited by suitable limitation of the Rotor frequency realized.

Dazu muß zunächst der Verlauf des Drehmoments als Funktion der Rotorfrequenz berechnet werden. Dabei ist es günstig, das Drehmoment auf das sogenannte Bemessungskippmoment pro PolpaarTo do this, the torque curve must first be a function the rotor frequency can be calculated. It is convenient the torque to the so-called design breakdown torque pro Pole pair

zu beziehen, das mit dem Bemessungsfluß stationär maximal erreicht werden kann. Des weiteren werden Frequenzen entsprechendto obtain, the maximum with the rated flow stationary can be reached. In addition, frequencies become corresponding

n = ω · Tσ (32)n = ωT σ (32)

auf den Kehrwert der Rotorstreuzeitkonstanten Tσ bezogen. Durch Einsetzen der Gleichungen (27, 28, 31, 32) in Gleichung (1) erhält man dann das bezogene Drehmoment m bei Vernach­ lässigung des Spannungsabfalls am Ständerwiderstand RS als Funktion der bezogenen Rotorfrequenz nr bei einer bezogenen Drehzahl n₀ gemäßrelated to the reciprocal of the rotor scatter time constant T σ . By using the equations (27, 28, 31, 32) in equation (1), the related torque m is obtained when the voltage drop across the stator resistance R S is neglected as a function of the related rotor frequency n r at a related speed n₀

Für die exakte Realisierung des Kippschutzes müssen die Ro­ torfrequenzen bekannt sein, bei denen das motorische Kipp­ moment bzw. das generatorische Kippmoment auftritt. Dazu werden die Extremstellen von Gleichung (33) mit be­ kannten analytischen Methoden, wie z. B. der cardanischen Formel bestimmt. Auf diese Weise erhält man Lösungsfunktio­ nen, welche die bezogenen Kipprotorfrequenzen r für den Motorbereich sowie r für den Generatorbereich als Funktion der bezogenen Drehzahl n enthalten.For the exact implementation of the anti-tipper, the ro tor frequencies must be known at which the motor tipping moment or the generator tipping moment occurs. For this purpose, the extreme points of equation (33) with known analytical methods, such as. B. determined the Cardanic formula. In this way, solution functions are obtained which contain the related tilt rotor frequencies r for the motor area and r for the generator area as a function of the related speed n.

Berücksichtigt man, daß die Drehmoment-Rotorfrequenzkenn­ linien in der Nähe des Kippunktes sehr flach verlaufen, so kann der Kippschutz sehr einfach realisiert werden. Dazu wird die bezogene stationäre Rotorfrequenz nr stationär im Motorbereich auf den konstanten oberen Grenzwert rm be­ grenzt, bei dem sich die Grenzkennlinien als Funktionen von nr für den Betrieb mit maximalem Ständerstrom ||Max und maximalem Drehmoment schneiden. Im Generatorbereich wird die bezogene stationäre Rotorfrequenz nr stationär auf den ebenfalls konstanten unteren Grenzwert rm begrenzt, bei dem sich die Grenzkennlinien für den Betrieb mit maximaler Drehzahl nMax und Betrieb mit minimalem Drehmoment schneiden.If one takes into account that the torque-rotor frequency characteristics are very flat in the vicinity of the tipping point, the tipping protection can be implemented very easily. For this purpose, the related stationary rotor frequency n r stationary in the motor area is limited to the constant upper limit value rm , at which the limit characteristics as functions of n r for operation with maximum stator current || Cut max and maximum torque. In the generator area, the related stationary rotor frequency n r is steadily limited to the likewise constant lower limit value rm , at which the limit characteristics for operation at maximum speed n Max and operation with minimum torque intersect.

Die Begrenzung der stationären Rotorfrequenz hat keinen Einfluß auf das dynamische Betriebsverhalten, da die Stell­ größe des Rotorfrequenzreglers nicht begrenzt wird. Da stationär, aber Null ist, hat dies wiederum keinen Einfluß auf den Kippschutz.The limitation of the stationary rotor frequency has none Influence on the dynamic operating behavior, since the Stell size of the rotor frequency controller is not limited. There stationary, but is zero, this in turn has no effect on the anti-tip.

Mit dem vorstehend erläuterten Kippschutz kann das tatsäch­ liche Kippmoment der Maschine fast völlig (|mmax| < 0,99 mkipp) ausgenutzt werden. Bei dem Versuch, dynamisch auf ein zu großes Sollmoment anzuregeln, wird das maximal erreichbare Drehmoment zunächst mit unbeschränkter Dynamik eingestellt. Erst mit dem Absinken des Rotorflusses setzt die Begrenzung des Rotorfrequenzsollwerts nrsoll auf den gemäß dem zuvor beschriebenen Verfahren festgelegten Grenzwert rm ein und das Drehmoment sinkt auf das stationäre Kippmoment ab.With the tilt protection described above, the actual tilting moment of the machine can be used almost completely (| m max | <0.99 m tilt ). When attempting to dynamically regulate a target torque that is too large, the maximum achievable torque is initially set with unlimited dynamics. Only when the rotor flux drops does the limitation of the rotor frequency setpoint n rsetpoint begin to the limit value rm defined according to the previously described method and the torque drops to the stationary overturning moment.

Zu den vorstehenden Erläuterungen ist nachzutragen, daß es sich allgemein bei um den physikalischen Strom und bei um den auf den Rotorkurzschlußstrom I normierten Strom han­ delt. Der Rotorkurzschlußstrom I = ₀/Lδ würde fließen, wenn die Hauptinduktivität auf den Bemessungsfluß ₀ magneti­ siert, der Rotor kurzgeschlossen und der Rotorstrom ledig­ lich durch die Rotorstreuinduktivität Lδ begrenzt wäre. Diese Normierung des Stromes führt zu einfachen Gleichungen.It should be added to the above explanations that it is generally the physical current and the current standardized to the rotor short-circuit current I . The rotor short-circuit current I = ₀ / L δ would flow if the main inductance magnetized to the rated flux ₀, the rotor was short-circuited and the rotor current would only be limited by the rotor leakage inductance L δ . This normalization of the current leads to simple equations.

Claims (10)

1. Verfahren zur Drehmomentregelung einer durch einen pulsweitenmoduliert angesteuerten Wechselrichter gespeisten Kurzschlußläufer-Asynchronmaschine, dadurch gekennzeichnet daß Drehmoment-Sollwert (Msoll) und Drehmoment-Istwert (M) entsprechend und in den entsprechenden Rotorkreisfrequenzsollwert (ωrsoll) und die Rotorkreisfrequenz (ωr) umgerechnet werden und daß das Drehmoment über einen Rotorfrequenzregler und einen Gesamt­ flußbetragsregler entsprechend und geregelt wird, wobei
Rr = Rotorwiderstand
= Rotorflußraumzeiger
esy = Ständerfrequenzfaktor
esx = Flußkorrekturfaktor
VM, vΨ = P-Verstärkungen der Regler
τM, τΨ = Nachstellzeiten der Regler
Ψsoll = Gesamtflußsollwert
= Gesamtflußraumzeiger.
1. A method for controlling a torque powered by a pulse width modulated controlled inverter squirrel-cage induction machine, characterized in that torque value (M soll) and actual torque value (M) corresponding to and in the corresponding rotor circuit frequency setpointrsoll ) and the rotor circuit frequencyr ) are converted and that the torque via a rotor frequency controller and a total flux amount controller accordingly and is regulated, whereby
R r = rotor resistance
= Rotor flow space pointer
esy = stator frequency factor
esx = flow correction factor
V M , v Ψ = P gains of the controller
τ M , τ Ψ = readjustment times of the controller
Ψ soll = Gesamtflußsollwert
= Total flow space pointer.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des Ständerspannungsraumzeigers (s) aus dem Ständerfrequenzfaktor und dem Flußkorrekturfaktor eine Koordinatentransformation bezüglich des Ständerfrequenzfak­ tors und des Flußkorrekturfaktors entsprechend durchgeführt wird, wobei
xμ = Phasenlage des Gesamtflußraumzeigers.
2. The method according to claim 1, characterized in that to form the stator voltage space vector (s) from the stator frequency factor and the flux correction factor a coordinate transformation with respect to the stator frequency factor and the flux correction factor accordingly is carried out with
x μ = phase position of the total flow space vector.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ständerspannungsraumzeiger (s) zur Bildung des Raumzeigers der Wechselrichteraussteuerung () mit dem Kehrwert des Spannungsfaktors multipliziert wird, wobei
ED = Zwischenkreisgleichspannung
Ed0 = Bemessungszwischenkreisgleichspannung.
3. The method according to claim 2, characterized in that the stator voltage space pointer (s) to form the space pointer of the inverter control () with the reciprocal of the voltage factor is multiplied, whereby
E D = DC link voltage
E d0 = rated DC link voltage.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß aus dem Rotorkreisfrequenzsoll­ wert (ωrsoll) und der elektrischen Drehzahl (ω) der stationäre Ständerkreisfrequenzsollwert (ssoll) gebildet wird, daß die­ ser Sollwert mit dem Bemessungsgesamtflußsollwert (Ψµsollo) multipliziert wird, daß die so erhaltene, stationäre, zum Gesamtflußraumzeiger orthogonale Komponente (Ψ y) des Magne­ tisierungsspannungsraumzeigers (Ψ) mit dem zum Gesamtfluß­ raumzeiger orthogonalen Anteil (eRy) des Spannungsabfalls (R) über dem Ständerwiderstand summiert wird und daß der so enthaltene stationäre Ständerfrequenzfaktor (sy) zu dem vom Rotorfrequenzregler gebildeten dynamischen Ständerfre­ quenzfaktoranteil ( = eΨ yD) addiert wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that from the rotor circuit frequency setpointrsoll ) and the electrical speed (ω) of the stationary stator circuit frequency setpoint ( ssoll ) is formed that the water setpoint with the rated total flow setpoint (Ψ µsollo ) is multiplied so that the stationary component ( Ψ y ) of the magnetizing voltage space pointer (Ψ) thus obtained, orthogonal to the total flow space vector (Ψ) is summed with the portion (e Ry ) of the voltage drop (R) orthogonal to the total flow vector over the stator resistance, and that the so contained stationary stator frequency factor (sy) is added to the dynamic stator frequency frequency component (= e Ψ yD ) formed by the rotor frequency controller. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum vom Gesamtflußbetragregler gebildeten dynamischen Flußkorrekturfaktoranteil (eΨ xD) ein zum Gesamtflußraum­ zeiger paralleler Anteil des Spannungsabfalls () über dem Ständerwiderstand als stationärer Flußkorrekturfaktor (eRx) addiert wird.5. The method according to claim 4, characterized in that a dynamic flow correction factor portion (e Ψ xD ) formed by the total flow amount controller is added to the total flow space parallel portion of the voltage drop () over the stator resistance as a stationary flux correction factor (e Rx ). 6. Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der stationäre Ständerspannungsraumzeiger- Betrag (||) aus dem stationären Ständerfrequenzfaktor (sy) und dem stationären Flußkorrekturfaktor (eRx) gebildet wird, daß entsprechend eine stationäre Feldschwächziffer () gebildet wird, daß diese Feldschwächziffer auf Werte kleiner als eins begrenzt wird und daß der Bemessungs-Flußsollwert (Ψsollo) mit dieser begrenzten Felschwächziffer multipliziert wird, wobei ê₀ = Bemessungsständerspannung, = stationärer Raumzeiger der Wechselrichteraussteuerung.6. The method according to claims 4 and 5, characterized in that the stationary stator voltage space vector (||) from the stationary stator frequency factor ( sy ) and the stationary flow correction factor (e Rx ) is formed accordingly a stationary field weakening digit () is formed, that this field weakening digit is limited to values less than one and that the design flux setpoint (Ψ sollo ) is multiplied by this limited field weakening digit, where ê₀ = rated stator voltage, = stationary space pointer of the inverter control. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die stationäre Feldschwächziffer () mit einer dynami­ schen Feldschwächziffer γD = 1-VM Ψ · eΨ yD multipliziert wird, wobei VM Ψ = P-Verstärkung.7. The method according to claim 6, characterized in that the stationary field weakening digit () is multiplied by a dynamic field weakening digit γ D = 1-V M Ψ · e Ψ yD , where V M Ψ = P-gain. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag des Spannungswinkels (δu) zwischen dem Stän­ derspannungsraumzeiger (-) und dem um +90° gedrehten Ge­ samtflußraumzeiger () auf etwa 60° begrenzt wird.8. The method according to claim 7, characterized in that the amount of the tension angle (δ u ) between the stan derspannungsraumzeiger (-) and the Ge rotated by + 90 ° total flow space pointer () is limited to about 60 °. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Strombegrenzung der Rotor­ kreisfrequenzsollwert auf im motorischen Betrieb und auf im generatorischen Betrieb begrenzt wird, wobei
Lμ = Magnetisierungsinduktivität,
Lσ = Streuinduktivität,||Max = vorgegebene Grenze des Ständerstrom­ raumzeiger-Betrags.
9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that for limiting the current, the rotor frequency setpoint in motor operation and on is limited in generator operation, whereby
L μ = magnetization inductance,
L σ = leakage inductance, || Max = specified limit of the stator current of the room pointer amount.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß für den Kippschutz die auf den Kehrwert der Rotorstreuzeitkonstante bezogene stationäre Rotorfrequenz (nr) stationär im motorischen Betrieb auf den konstanten oberen Grenzwert (rm) begrenzt wird, bei dem sich die Grenzkennlinien für den Betrieb mit maximalem Ständerstrom (||-Max) und Betrieb mit maximalem Drehmoment () schneiden und daß die auf den Kehrwert der Rotorstreuzeit­ konstante bezogene stationäre Rotorfrequenz (nr) stationär im generatorischen Betrieb auf den konstanten unteren Grenzwert (rm) begrenzt wird, bei dem sich die Grenzkenn­ linien für den Betrieb mit maximaler Drehzahl (nMax) und Be­ trieb mit minimalem Drehmoment () schneiden.10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that for the anti-tip protection, the stationary rotor frequency (n r ) based on the reciprocal of the rotor scattering time constant is limited in motor operation to the constant upper limit value ( rm ) at which intersect the characteristic curves for operation with maximum stator current (|| -Max ) and operation with maximum torque () and that the related stationary rotor frequency (n r ), which is constant in relation to the reciprocal of the rotor scattering time, stationary in generator operation to the constant lower limit value ( rm ) is limited at which the limit curves for operation at maximum speed (n Max ) and operation with minimum torque () intersect.
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