DE69106620T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Asynchronmotors durch Regelung des magnetischen Induktionsflusses. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft die Steuerung von Asynchronmotoren durch Flußregelung der magnetischen Induktion, wobei der Fluß der Statorfluß, der Luftspaltfluß oder der Rotorfluß sein kann.
• Es ist bekannt, die Steuerung von Asynchronmotoren durch Regeln des Flusses auf einen Sollwert durchzuführen (siehe die Druckschrift US-A-4 431 957).
• Eine solche Steuerung erfordert eine Flußmessung, beispielsweise des Rotorflusses, die bis heute entweder durch zusätzliche Windungen auf dem Rotor und Ableiten des Flusses aus der an den Klemmen dieser Windungen beobachteten Spannung durchgeführt wird oder durch Messung der Statorspannung und des Statorstroms und Ableiten des Flusses aus diesen Messungen und den charakteristischen Parametern des Motors auf der Basis von Gleichungen, die die Betriebsweise des Motors definieren.
• Das erste Verfahren hat den Nachteil, daß es neben den praktischen Problemen bei der Durchführung eine geringe Zuverlässigkeit bietet, und zwar aufgrund der Tatsache, daß der direkt in den Motor eingesetzte Flußsensor relativ aggressiven Umwelteinflüssen in Bezug auf Temperatur, Feuchtigkeit, Verunreinigung, Vibrationen, Stöße usw. ausgesetzt ist.
• Das zweite Verfahren hat den Nachteil, daß seine Zuverlässigkeit durch die in Abhängigkeit vom thermischen Zustand des Motors auftretenden Veränderungen mindestens eines der charakteristischen Parameter des Motors, insbesondere seines Statorwiderstands, beeinträchtigt wird.
• Mann kann diesen Nachteil vermeiden, indem man einen Temperatursensor in das Innere des Motors einsetzt, doch findet man dann wieder Nachteile der gleichen Art auf wie bei dem vorgenannten Verfahren.
• Ziel der vorliegenden Erfindung sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Asynchronmotors durch Regelung des Flusses, die es ermöglicht, diese Nachteile zu vermeiden.
• Gegenstand der vorliegende Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern von Asynchronmotoren durch Regeln des magnetischen Induktionsflusses auf einen Sollwert, wobei die Regelung seiber eine Flußmessung umfaßt, die ihrerseits eine Messung der Spannung und des Stromes des Motors einschließt, sowie eine Bestimmung eines sogenannten gemessenen Flusses aus diesen Messungen und den charakteristischen Parametern des Motors gemäß den Betriebsgleichungen des Motors. Erfindungsgemäß wird der gemessene Fluß für einen willkürlich festgesetzten Wert des mindestens einen der Parameter erhalten, der deutlich von seinem wirklichen Wert abweichen kann, und der Sollwert wird derart berichtigt, daß diese eventuelle Abweichung kompensiert wird.
• Weitere Ziele und Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der Lektüre der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen hervor.
• Figur 1 ist ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Steuern von Asynchronmotoren durch Regeln des Flusses auf einen Sollwert, beispielsweise des Rotorflusses, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• Figur 2 ist ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Steuerung von Asynchronmotoren durch Regeln des Flusses auf einen Sollwert, beispielsweise des Rotorflusses, gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
• Es sei daran erinnert, daß die Vektorgleichung, die den Betrieb eines Asynchronmotors definiert und den Vektor des Statorstroms und den Vektor der Statorspannung mit dem Vektor des realen Rotorflusses dieses Motors verbindet, folgende Form hat:
• Darin bezeichnet:
• Lr: die zyklische Induktivität des Rotors
• Lm: die zyklische Wechselinduktivität zwischen Stator und Rotor
• Rs: den Widerstand des Stators je Phase des Motors
• Ls: die zyklische Induktivität des Stators
• : einen Streukoeffizienten
• ( = 1 - Lm²/(Lr.Ls))
• Diese Gleichung ermöglicht es, auf der Basis einer Messung der Spannung und des Stroms des Stators und der Kenntnis der Werte der charakteristischen Motorparameter Lr, Lm, Rs, Ls und mit üblichen Rechenmitteln den Rotorfluß des Motors zu bestimmen.
• Man definiert dazu einen sogenannten gemessenen Fluß der definiert wird durch:
• Darin stellt der Term Rs* eine willkürlich festgesetzten Wert des Statorwiderstandes dar, der deutlich von seinem realen Wert Rs erheblich abweichen kann.
• Das gleiche Symbol "*" wurde für die Parameter Lr, Lm, Ls und benutzt, um anzuzeigen, daß diese Parameter ebenfalls einen vorbestimmten Wert haben, der von ihrem realen Wert abweichen kann, obwohl sich beim Betrieb des Motors dieser vorbestimmte Wert nur wenig oder in bestimmbarer Weise relativ zum realen Wert ändert.
• Dieser gemessene Fluß wird für den Vergleich mit dem Sollwert des Rotorflusses Φrcons verwendet, wobei dieser so berichtigt wird, daß der durch den Unterschied zwischen den Werten R und Rs* verursachte Fehler kompensiert wird.
• Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, die in Figur 1 dargestellt ist, wird der Wert Rs* mit Null gewählt, und die Berichtigung des Sollwerts des Rotorflusses Φrcons erfolgt durch Addition eines Korrekturterms ΔΦrcons zum Sollwert, wobei der Korrekturwert in der nachfolgend beschriebenen Weise erhalten wird.
• Mit dem Wert Rs* gleich Null schreibt sich die Gleichung (1'), die den gemessenen Rotorfluß Φrmes liefert, wie folgt:
• In einem mit dem gemessenen Rotorfluß Φrmes verbundenen Bezugssystem schreibt sich diese Gleichung wie folgt:
• Darin bezeichnen Isd und Vsq jeweils die Komponenten des Statorstroms Is entlang der direkten Achse dieses Bezugssystems, und die Komponente der Statorspannung Vs entlang der dazu senkrechten Achse, während ws die Speisekreisfrequenz des Stators bezeichnet.
• Da die Vektoren Φrmes (gemessener Rotorfluß) und Φr (realer Rotorfluß) nur einen geringen Winkelabstand aufweisen, kann man VSq durch ihren in Abhängigkeit vom realen Fluß Φr in einem mit diesem realen Rotorfluß verbundenen Bezugssystem erstellten Ausdruck ersetzen, wobei diese Formeln aus den Betriebsgleichungen des Motors abgeleitet sind und für den Betrieb im dynamischen Gleichgewicht wie folgt lauten:
• wobei "g" den Schlupf des Motors bezeichnet.
• Man erhält dann:
• oder, unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die Werte Lr*, Lm*, Ls* und * näherungsweise den Werten Lr, Lm, Ls und entsprechen:
• Hieraus ergibt sich unter Berücksichtigung der Tatsache, daß = 1 - Lm²/LRLs
• Da die Regelung garantiert:
• Φrmes = Φrcons + ΔΦrcons, um Φr = Φrcons zu erhalten, muß gelten:
• Wie man sieht, tritt in diesem Ausdruck der Statorwiderstand Rs in seiner Beziehung zum Rotorwiderstand RR auf. Da sich beide Widerstände während des Betriebs des Motors in gleicher Weise ändern, ist das Verhältnis praktisch konstant, unabhängig vom Arbeitspunkt des Motors, so daß er durch eine Konstante "k" ersetzt werden kann, die nur vom Typ des Motors abhängt.
• Infolgedessen gilt:
• ΔΦrcons = k.g. Φrcons (10)
• Überdies hat ein Unterschied zwischen dem realen Verhältnis dieser Widerstände und der gewählten Konstanten "k" nur einen sehr geringen Einfluß auf das vom Motor gelieferte Drehmoment.
• Im übrigen sieht man, daß bei nach Null strebendem Schlupf "g" und gleichzeitiger Zunahme der Drehzahl des Motors der Wert ΔΦrcons ebenfalls nach Null strebt, so daß eine Berichtigung des Sollwerts tendenziell überflüssig wird. Diese Berichtigung des Sollwerts wird jedoch bei niedrigen Geschwindigkeiten zwingend.
• In Figur 1 ist daher mit 1 ein Addierer bezeichnet, der dem Sollwert Φrcons den Korrekturterm ΔΦrcons hinzufügt, der von einem herkömmlichen Rechenmittel 2 ausgegeben wird, welches den Korrekturterm ΔΦrcons anhand der obigen Formel (10) aus dem Sollwert Φrcons und den Werten Fr und ΔF berechnet, die für die Berechnung des Schlupfes "g" benötigt werden, wobei nämlich letzterer durch die Gleichung
• g = F/(Fr + ΔF)
• ausgedrückt wird, wobei Fr die mechanische Frequenz, umgesetzt auf die elektrische Frequenz und ΔF den Unterschied zwischen der Statorfrequenz und Fr darstellt.
• Der Wert Fr wird beispielsweise gemessen, während der Wert ΔF durch herkömmliche Rechenmittel ermittelt wird, die hier nicht erneut beschrieben werden.
• Der berichtigte Sollwert, der am Ausgang des Addierers 1 erhalten wird, wird an einen Detektor 3 zur Erfassung des Unterschieds zwischen dem korrigierten Sollwert und dem gemessenen Wert des Rotorflusses Φrmes angelegt, wobei dieser Fluß durch Rechenmittel 4 ermittelt, wird, die auf den gemessenen Werten der Statorspannung VS und des Statorstroms IS des Motors beruhen, der mit 5 bezeichnet wird.
• Die Rechenmittel 4 sind klassische Rechenmittel, die hier nicht erneut beschrieben werden, bis auf den Umstand, daß sie hier mit einem Wert Rs* arbeiten, der Null ist.
• In bekannter Weise wird das vom Abweichungsdetektor 3 gelieferte Signal dann an ein Regelmittel 6 geliefert, ehe es an ein Organ 7 zur Steuerung des Motors angelegt wird, das ebenfalls herkömmlicher Art ist.
• Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in Figur 2 dargestellt ist und bei dem Elemente, die denen der Figur 1 gleichen, die gleichen Bezugszeichen tragen, kann der willkürlich gewählte Wert Rs* des Statorwiderstands mit ungleich Null oder Null gewählt werden, und die Berichtigung des Sollwerts des Rotorflusses Φrcons erfolgt dann durch Addition eines Korrekturterms ΔΦrcons zum Sollwert, wobei der Korrekturterm in der nachfolgend beschriebenen Weise erhalten wird.
• Ein Rechenmittel 10 berechnet einen sogenannten Schätz-Rotorfluß Φrest, der dem realen Rotorfluß Φr des Motors über den gemessenen Rotorfluß Φrmes gemäß einer Formel zugeordnet werden kann, die beispielsweise in der nachfolgenden Weise erhalten wird.
• In der Gleichung (1') ersetzt man VS durch seinen in der Gleichung (1) gegebenen Ausdruck.
• Dann erhält man:
• d.h., daß im dynamischen Gleichgewicht gilt:
• Durch eine skalare Multiplikation mit bringt man den Term -(ΔRs/WS)jIS zum Verschwinden
• und man erhält:
• Nun seien Id und Im jeweils entsprechend die Komponenten von IS entlang einer direkten Achse des Bezugssystems, die mit dem gemessenen Rotorfluß Φrmes bzw. dem wirklichen Rotorfluß Φr verbunden sind.
• Aus den Betriebsgleichungen des Motors ergibt sich, daß in einem mit dem wirklichen Rotorfluß verbundenen Bezugssystem die Komponente Im wie folgt ausgedrückt wird:
• Darin bezeichnet p den Laplace'schen Differentialoperator und Tr die Zeitkonstante des Rotors, wobei Tr = Lr/Rr ist.
• Die Gleichung (5') schreibt sich dann wie folgt:
• Daraus folgt:
• Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß Δ Ls annähernd Null ist und daß Lr* annähernd dem Wert Lr entspricht und daß weiter Lm* annähernd dem Wert Lm entspricht, erhält man einen geschätzten Rotorfluß Φrest, der dem wirklichen Fluß Φr nahekommt und durch folgende Gleichung definiert ist:
• Es handelt sich um einen Ausdruck, in dem allein der gemessene Fluß Φrmes, die für den Motor charakteristischen Parameter Lm und Tr, und der gemessene Statorstrom vorkommen (durch seine Komponente in einem mit dem gemessenen Fluß Φrmes verbundenen Bezugssystem).
• Das Rechenmittel 10 erhält also am Eingang den gemessenen Rotorfluß Φrmes und die direkte Komponente Id des Statorstroms IS in einem mit dem gemessenen Rotorfluß verbundenen Bezugssystem.
• Ein Abweichungsdetektor 11 ermittelt die Abweichung zwischen dem geschätzten Rotorfluß Φrest und dem Sollwert des Rotorflusses Φrcons, wobei diese Abweichung anschließend an ein Regelmittel 12 angelegt wird, das die Abweichung auf Null zurückbringt.
• Man sieht in Verbindung mit dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel, daß der gemessene Fluß von einem anderen Flußschätzsystem ausgegeben werden als dem oben beispielshalber beschriebenen, und daß es in diesem Beispiel die Sollwertberichtigung ermöglicht, die Schwierigkeiten zu vermeiden, die aus einer direkten Erfassung der Abweichung zwischen dem Sollwert und dem Schätzfluß entstehen könnten.
• Um diese Sollwertkorrektur bei niedrigen Geschwindigkeiten und nur bis zu einem bestimmten Wert Fro der mechanischen Frequenz durchzuführen, kann dem Regelmittel 12 ein Mittel 13 folgen, das es ermöglicht, das Anlegen des Korrekturterms ΔΦrcons an den Addierer 1 nur in dem betrachteten Geschwindigkeitsbereich wirksam zu machen.
• Im Beispiel der Figur 1 wäre das letztgenannte Mittel in das Rechenmittel 2 integriert.
• Das so beschriebene Verfahren zur Steuerung von Asynchronmotoren durch Regeln des magnetischen Induktionsflusses ermöglicht es somit, eine große Genauigkeit zu erzielen, ohne die beim Stand der Technik aufgetretenen praktischen Schwierigkeiten der Durchführung anzutreffen.
• Wie sich zeigt, können bei sehr nahe beieinanderliegenden Werten der Größe des Statorflusses, des Luftspaltflusses und des Rotorflusses die gleichen Korrekturprinzipien angewandt werden, unabhängig von dem bei der Regelung verwendeten Fluß.

Claims (9)

1. Verfahren zum Steuern von Asynchronmotoren durch Regeln des magnetischen Induktionsflusses auf einen Sollwert (Φrcons) wobei die Regelung ihrerseits eine Flußmessung umfaßt, die eine Messung der Spannung (Vs) und des Stromes (Is) des Motors erfordert, sowie eine Bestimmung eines sogenannten gemessenen Flusses (Φrmes) aus diesen Meßwerten und den charakteristischen Parametern des Motors gemäß den Betriebsgleichungen des Motors einschließen, dadurch gekennzeichnet, daß der gemessene Fluß (Φrmes) für einen willkürlich festgesetzten Wert des mindestens einen der Parameter erhalten wird, der deutlich von seinem wirklichen Wert abweichen kann, und daß der Sollwert (Φrcons) derart berichtigt wird, daß diese eventuelle Abweichung kompensiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung eine Rotorflußregelung ist und daß der gemessene Strom und die gemessene Spannung der Statorstrom (Is) bzw. die Statorspannung (Vs) ist, wobei der Parameter, der einen willkürlich festgesetzten Wert hat, welcher deutlich von seinem wirklichen Wert abweichen kann, der Statorwiderstand des Motors ist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der willkürlich festgesetzte Wert mit Null gewählt wird und daß der Sollwert des Flusses Φrcons durch Hinzufügen eines Korrekturterms ΔΦrcons berichtigt wird, der definiert wird durch: ΔΦrcons = k g Φrcons,

wobei "g" den Schlupf des Motors und "k" eine vom Motor abhängige Konstante bezeichnet.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der willkürlich festgesetzte Wert gleich Null oder ungleich Null gewählt wird und daß der Sollwert Φrcons durch Hinzufügen eines Korrekturterms ΔΦrcons berichtigt wird, der durch Erfassen der Abweichung zwischen dem Sollwert und einem sogenannten Schätzfluß (Φrest) erhalten wird, der auf den wirklichen Fluß bezogen werden kann und auf andere Weise ermittelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schätzfluß aus dem gemessenen Fluß (Φrmes) gemäß einer Formel erhalten wird, die aus den Betriebsgleichungen des Motors in Abhängigkeit vom gemessenen Fluß aus anderen charakteristischen Parametern des Motors als demjenigen Parameter, der einen gegebenenfalls vom wirklichen Wert abweichenden willkürlich festgesetzten Wert besitzt, und den Spannungs- oder Strommessungen abgeleitet ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der geschätzte Fluß Φrest ausgedrückt wird durch:

wobei Φrmes der gemessene Fluß, Id seine direkte Komponente in einem mit dem gemessenen Fluß verbundenen Bezugssystem, Lm die zyklische Wechselinduktivität des Stators relativ zum Rotor und Tr die Zeitkonstante des Rotors ist.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel (4) zur Berechnung des gemessenen Flusses aus den Messungen des Stromes (Is) und der Spannung (Vs) und den charakteristischen Parametern des Motors aufweist, von denen mindestens eine einen willkürlich festgesetzten Wert besitzt, der deutlich von seinem wirklichen Wert abweichen kann, und daß die Vorrichtung Mittel (1, 2, 11, 12) zum Berichtigen des Sollwerts aufweist, derart, daß die eventuelle Abweichung kompensiert wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Korrigieren des Sollwerts (ΔΦrcons) Mittel (2) zum Berechnen des Korrekturterms und Mittel (1) zum Hinzufügen des Korrekturterms zum Sollwert (Φrcons) aufweisen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Berichtigen des Sollwerts Mittel (11) zum Bestimmen der Abweichung zwischen dem Sollwert (Φrcons) und dem geschätzten Rotorfluß (Φrest) Regelmittel (12), die die so ermittelten Abweichung berücksichtigen, und Mittel (1) zum Hinzufügen des Korrekturterms (ΔΦrcons), der von den Regelmitteln (12) ausgegeben wird, zum Sollwert (Φrcons) aufweisen.