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Einrichtung zur Istwertbildung für-die Regelung einer Drehstromasynchronmaschine Mit der Möglichkeit, die sich in letzter Zeit in zunehmendem Masse einführenden umrichtergespeisten Drehstromasynchronmaschinen verlustarm zu steuern, ist das Interesse gewachsen, die bei der Asynchronma- schine interessierenden Grössen wie Drehzahl, Schlupf, Drehmoment und Fluss auch regelungstechnisch zu beherrschen, um so beispielsweise zu einem mit der klassischen Gleichstrommaschine hinsichtlich regelungstechnischer Eigenschaften vergleichbaren Antrieb zu gelangen. Dazu werden für die erwähnten Grössen die entsprechenden Istwerte benötigt.
Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, ohne die bisher hier üblichen rotierenden, elektromechanischen oder galva- nomagnetischen Istwertgeber auszukommen.
Bei einer Schaltungsanordnung zur Konstanthal- tung des Kippmomentes eines mit einer Spannung ver- änderbarer Frequenz gespeisten Asynchronmotors ist es bekannt, Spannung und Strom einer Motorphase zu erfassen und mit diesen erfassten Werten die ohmschen und induktiven Spannungsabfälle im Primärkreis nachzubilden, um so zu einer dem Motorkippmoment proportionalen Grösse zu gelangen. Nachteilig bei dieser Anordnung ist, dass man sich bei dieser Erfassung nur auf die-Werte einer Phase abstützt, was nur bei völliger Phasensymmetrie zu einem richtigen Bild über die tatsächlichen Verhältnisse führt.
Auch ist eine in jedem Augenblick richtige Aussage über die dynamischen Verhältnisse beim übergang von einem stationären Zustand auf den anderen mit diesem bekannten Verfahren grundsätzlich nicht möglich.
Die vorliegende Erfindung betrifft demgegenüber eine Einrichtung zur Istwertbildung für die Regelung einer insbesondere umrichtergespeisten Drehstromasyn- chronmaschine unter 'Verwendung von Primärstrom und Primärspannung der Asynchronmaschine erfassenden Wandlern.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung einer dem Quadrat des Betrages des Drehflussvektors proportionalen Grösse den Augenblickswerten mindestens zweier -in um räumlich 120 gegeneinander versetzten Wicklungssachen auf- tretenden Flusskomponenten proportionale Grössen mittels Multiplikatoren je mit sich selbst sowie miteinander multipliziert und die Ausgangsgrössen der Multiplikatoren einem Summierglied zugeführt sind.
Als zentrale Grösse für die hochwertige Regelung einer Drehstromsynchronmaschine wird also eine vom Betrag des Drehflussvektors abhängige Grösse herangezogen, wobei sämtliche dynamischen Schwankungen dieser Grösse erfasst und so in - jedem Augenblick ein tatsächlich richtiges Abbild erhalten wird.
Eine aufwandsarme Anordnung zur -Bildung dieser dem Betrag des Drehflussvektors proportionalen Grösse besteht nach einer Ausgestaltung der Erfindung in zwei Multiplikatoren, deren ersten Eingängen jeweils eine der einen Flusskomponente proportionale Grösse und deren zweiten Eingängen die Summe dieser zweifach verstärkten Grösse und eine der anderen -Feldkomponente proportionale Grösse zugeführt sind. Nach einer anderen Variante kann den beiden Eingängen eines ersten Multiplikators eine der einen Flusskompo- nenten proportionale Grösse zugeführt werden und den beiden Eingängen eines zweiten Multiplikators die Summe dieser Grösse und dem doppelten Wert einer der anderen Flusskomponenten proportionalen Grösse.
Bei der zuletzt genannten Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass als Multiplikatoren -durchweg -aus vorgespannten Schwellwertdioden aufgebaute, quadrierende Funktionsgeneratoren verwendet werden- können, welche - die erforderliche Multiplikation der Eingangs- grössen mit sich selbst recht genau durchzuführen gestatten und dabei überaus einfach aufgebaut sind.
Die Nachbildung der den Phasenflusskomponenrten proportionalen Grössen kann vorteilhaft dadurch erfolgen, dass in mindestens zwei Motorzuleitungen je ein Stromwandler angeordnet ist, dessen Bürde aus der Reihenschaltung eines ohmschen und eines induktiven Widerstandes besteht und dass an der Bürde jeweils dem Phasenstrom sowie seinem zeitlichen Differentialquotienten proportionale Spannungen abgenommen und zusammen mit der-zugeordneten Thnsenspannung
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einem Integrator zugeführt sind.
Da es sich bei dieser Nachbildung durchweg um Wechselstromgrössen handelt, kann es sich als vorteilhaft erweisen, dass zur Unterdrückung unerwünschter und unkontrollierbarer Gleichstromeinflüsse der Integrator mit einem, vorzugsweise einen Integralanteil aufweisenden Proportio- nalverstärker gegengekoppelt ist, wobei sich dann besonders gute Übertragungseigenschaften dieser Anordnung ergeben,
wenn der Quotient aus doppelter Inte- grierzeit des Integrators und Nachstellzeit des gegenkoppelnden Integrierverstärkers gleich oder kleiner als die Proportionalverstärkung des letzteren und diese selbst möglichst klein gewählt ist.
Zur Momentnachbildung können zwei Multiplikatoren vorgesehen werden, deren erste Eingänge jeweils mit einer dem Augenblickswert des sekundären Flusses der einen Phase proportionalen Grösse und deren zweite Eingänge mit einer dem Phasenstrom der anderen Phase proportionalen Grösse beaufschlagt sind, wobei die Ausgangsgrössen der Multiplikatoren in einem Summierglied subtrahiert sind.
Aus dieser so erhaltenen Grösse kann eine der Schlupffrequenz proportionale Grösse gebildet werden, wenn der Ausgang des Summiergliedes als Dividend einem Quotientenbildner zugeführt ist, an dessen anderem Eingang eine dem Betrag des Quadrates des sekundären Drehflusses proportionalen Grösse als Divisor wirkt.
Kommt eine Regelung der Asynchronmaschine auf ein konstantes Moment in Frage, sei es für sich oder innerhalb eines einem übergeordneten Reglers unterla- gerten Momentregelkreises, dann erscheint es - aufbauend auf dem Schlupfistwert - zur Herbeiführung eines definierten Regelsinnes günstig, eine lineare, d. h. eindeutige Abhängigkeit zwischen dem Schlupf und dem Moment zu realisieren, d. h.
den für eine Regelung vorgesehenen Momentenistwert zu linearisieren. Hierzu wird nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Ausgangsgrösse des zuvor erwähnten Quotientenbildners einem Multiplikator zugeführt, an des- sein anderen Eingang eine dem Betragsquadrat des Hauptdrehflusses proportionale Grösse wirkt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Figuren näher veranschaulicht werden.
Fig. 1 zeigt zunächst schematisch einen Drehzahlre- (Y bei dem die Erfindung mit Vorteil Verwendung finden kann. Die Regelstrecke 1 enthält eine Asynchronmaschine 4, welche mechanisch mit einer nicht näher bezeichneten Belastung gekuppelt ist und welche an ihren Ständerklemmen U, V, W von den Ausgangsklemmen R, S, T eines Umrichters 5 gespeist wird, welcher seinerseits an ein Drehstromnetz N angeschlossen ist.
In an sich bekannter Weise kann die Ausgangsfrequenz co, des Zwischenkreisumrichtars 5 an einem mit 15 bezeichneten mit Gleichspannung entsprechender Grösse beaufschlagten Steuereingang in weiten Grenzen verändert werden, wobei dann gleichzeitig durch einen weiteren Steuereingang dafür Sorge zu tragen ist, dass die Ausgangsspannung U, des Umrichters 5 jeweils soweit nachgestellt wird, dass der Luftspaltfluss in der Asynchronmaschine 4 konstant bleibt.
Hierzu dient ein separater Flussregelkreis, in dessen Eingang eine von der Klemme 6 abgenommene, dem Luftspaltfluss ( in der Asynchronmaschine 4 proportionale Grösse mit einem Flussollwert 0" in Vergleich gesetzt ist.
Die sich daraus ergebende Regelab- weichung wirkt auf einen Regelverstärker 10 und be- einflusst über ein Stellglied 11 den ihm zugeordneten Stelleingang des Zwischenkreisumrichters unter Veränderung der Ausgangsspannung desselben solange, bis Übereinstimmung herrscht zwischen dem gewünschten Flussollwert (D' und dem tatsächlichen Flussistwert der Asynchronmaschine 4.
Es ist weiterhin ein Drehzahlregler 12 vorgesehen, welcher die Differenz zwischen einem vorgegebenen Drehzahlsollwert ( * und dem an einer Klemme 9 abgenommenen Drehzahlistwert verarbeitet und für einen unterlagerten Momentenregler 13 einen Sollwert M''\ ausgibt, welcher ebenfalls wieder in Vergleich gesetzt wird mit einem an der Klemme 7 abgenommenen Istwert M.
Anstatt dem Drehzahlregler einen Momentenregler zu unterlagern, kann es manchmal zweckmässiger sein, den Läuferschlupf co, als un- terlagerte Hilfsregelgrösse zu verwenden. In diesem Falle wird der Istwerteingang des unterlagerten Reglers 13 mit der Klemme 8 verbunden.
Der Ausgang des dem Drehzahlregler 12 unterlagerten Reglers beeinflusst dann über ein Stellglied 14 den Frequenzstellein- gang des Zwischenkreisumrichters 5 solange in dem Sinne, bis Übereinstimmung herrscht zwischen dem gewünschten Drehzahlsollwert co* und dem Drehzahlist- wert.
Zur Speisung der Klemmen 6 bis 9 mit den entsprechenden Istwerten (D, M, c)2 und w) waren üblicherweise entsprechende besondere Istwertgeber vorzusehen, wie z. B. eine Tachodynamo für den Drehzahlist- wert sowie galvomagnetische Messwertgeber, beispielsweise Hellgeneratoren, zur Erfassung des magnetischen Flusses und des Drehmomentes, während es nach der Erfindung möglich wird, diese für die Durchführung einer hochwertigen Regelung zur Verfügung zu stellenden Istwerte rein kontaktlos,
ohne bewegliche Teile und ausschliesslich unter Verwendung der primären elektrischen Eingangsgrössen der Asynchronmaschine zu erarbeiten.
Bevor die erfindungsgemässe Realisierung im ein- zelnen behandelt wird, scheint es zweckmässig, kurz auf die theoretischen Grundlagen einzugehen, auf denen sie beruht. Dem Ersatzschaltbild entsprechend Fig. 2 können die Beziehungen zwischen den einzelnen Drehvektoren von ständer- und läuferseitigen Spannungen, Strömen und Flüssen entnommen werden. Das Ersatzschaltbild gilt für ein ständeorientiertes, d. h. relativ zum Ständer ruhendes Koordinatensystem.
Mit dem Index 1 sind die auf der Ständerseite auftretenden primären Grössen versehen, während der mit Index 2 für die auf den Läufer bezogenen sekundären Grössen gilt. Im einzelnen bedeuten U, den Ständerspannungs- vektor, R,,2 den primären bzw.
sekundären ohmschen Widerstand, LiG, Lza die primäre bzw. sekundäre Streuinduktivität, Lx die Hauptinduktivität, f,, 2 den Ständer- bzw. Läuferflussvektor und 0 den Hauptflussvektor.
Das elektrische Moment kann als vektorielles Produkt zwischen dem Läuferflussvektor und dem Ständer- stromvektor dargestellt werden, so dass gilt M - If2XIi. Es gilt weiterhin zusätzlich zu den aus Fig. 2 ersichtlichen Beziehungen für die Schlupffrequenz c)2 = coi - c). Ferner sind im folgenden die Abkürzungen verwendet
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Bei mehrphasigen Wechselstrommaschinen lassen sich die Drehvektoren der auftretenden Spannungen,
Ströme und Flüsse jeweils durch die Augenblickswerte ihrer in den einzelnen Phasenwicklungen auftretenden Komponenten beschreiben, da sich diese Drehvektoren durch geometrische Addition ihrer in den einzelnen Maschinenachsen auftretenden Momentanwerte ergeben.
Denkt man sich, wie in Fig. 3 am Beispiel des Drehflussvektors 0 dargestellt, den Ursprung eines komplexen Koordinatensystems in die Drehachse einer dreiphasigen Drehfeldmaschine und dessen reelle Achse in Richtung der mit R bezeichneten Wicklungsachse gelegt, dann lässt sich der Drehflussvektor 0 in jedem Augenblick beschreiben durch die komplexe Gleichung
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worin eR, Os und OT die Momentanwerte der in den einzelnen Phasen auftretenden Grössen bedeuten sollen.
Im folgenden sollen die Indizes R, S oder T stets auf skalare Momentanwerte der einzelnen Phasen- grösse hinweisen.
Fig. 4 zeigt eine Einrichtung zur Ermittlung einer dem Quadrat des Betrages des Drehflussvektors proportionalen Grösse als Ausgangswert für die Bildung der zur Regelung der Drehstromasynchronmaschine benötigten Istwerte. Dabei ist Gebrauch gemacht von der Tatsache, dass in einem nullkomponentenfreien Drehsystem die Summe der Augenblickswerte in den einzelnen Phasen immer gleich Null ist, so dass bei der Betragsbildung des Drehflussvektors nur von den Augenblickswerten zweier Phasen ausgegangen zu werden braucht.
Die in Fig. 4 dargestellte Einrichtung zerfällt in zwei mit 16 und 17 bezeichnete Hauptteile, wovon der erstere dazu dient, die Augenblickswerte OR und Os der in den Phasen R und S auftretenden Flüsse aus den Primärgrössen der Asynchronmaschine zu bilden. Da im allgemeinen der Sternpunkt der Asynchronmaschine nicht ohne weiteres zugänglich ist bzw. zur Verfügung steht, sind in der Einrichtung 16 zwei Stromwandler 18 und 19 vorgesehen, welche pri- märseitig an die Phasen R und T sowie S und T angeschlossen sind.
Ihre sekundärseitigen Ausgangsspannung URT und UST sind Operationsverstärkern 20 bis 23 zugeführt, in deren Dreiecksymbol ihr entsprechender Verstärkungsfaktor eingetragen ist. Die Ausgangsspannungen der Operationsverstärker 20 und 21 sowie 22 und 23 werden jeweils auf ein Summierglied geführt und dort entsprechend dem vermerkten Vorzeichen addiert, so dass an den Ausgängen dieser Sum- rnierglieder den Phasenspannungen UR und Us entsprechende Grössen erscheinen.
Zur Bildung der den Phasenströmen sowie deren zeitlichen Ableitungen entsprechenden Grössen sind in den Zuleitungen zu den Motorphasen U und V zwei Stromwandler 24 und 25 angeordnet, welche sekundär- seitig jeweils mit einer aus der Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandes 26 und einer Induktivität 27 bestehenden Bürde belastet sind. Die Verbindung zwischen dem ohmschen Widerstand 26 und der Indukti- vität 27 ist geerdet.
Die am Widerstand 26 gegen Erde abfallende Spannung kann somit als Mass für den jeweiligen Phasenstrom genommen werden, die an der Induktivität 27 gegen Erde gemessene Spannung entspricht, dann dem negativen Wert der zeitlichen Ableitung des jeweiligen Phasenstromes. Beide Enden der Sekundärwicklung der Stromwandler 24 und 25 sind an Eingängen von Operationsverstärkern 28-31 geführt sowie mit äusseren Klemmen 32-35 verbunden, auf deren Verwendung später noch eingegangen wird.
Die Ausgänge der Verstärker 28 und 29 sowie der Ausgang des den Verstärkern 20 und 21 zugeordneten Summiergliedes werden addiert, das gleiche gilt für die Ausgänge der Verstärker 30 und 31 sowie für den Ausgang des den Verstärkern 22 und 23 zugeordneten Summiergliedes. An den Klemmen 36 und 37 erscheint somit unter Berücksichtigung des zugrundege- legten Ersatzschaltbildes nach Fig.2 eine Spannung, die der zeitlichen Ableitung der Augenblickswerte der Phasenflüsse OR und Os proportional ist.
Diese Spannungen sind je einem Integrator 38 und 39 zugeführt, so dass an den Ausgangsklemmen 40 und 41 der Einrichtung 16 die Augenblickswerte der Phasenflüsse OR und 0s erscheinen. Da diese Augenblickswerte in ihrem zeitlichen Verlauf reine Wechselgrössen sind, elektronische Integrationseinrichtungen, jedoch infolge Drifter- scheinungen zu einer Nullpunktsverschiebung neigen, wodurch ein verfälschender Gleichstromanteil entsteht, werden die Integratoren mittels der Verstärker 42 und 43 gegengekoppelt.
Die Verstärker 42 und 43 sind Proportionalverstärker mit Integralverhalten und werden üblicherweise PI-Verstärker genannt. Dadurch kann der erwähnte Gleichstromanteil wirksam unterdrückt werden. Bezeichnet man T die Integrierzeit der Integratoren 38 und 39, mit T" die Nachstellzeit und mit V die Proportionalverstärkung der PI-Verstärker 42 und 43, so ergeben sich hinsichtlich der dynamischen Übertragungseigenschaften der Gesamtanordnung dann günstige Verhältnisse wenn folgende Bedingung eingehalten wird: 2T/T" G V, wobei die Proportio- nalverstärkung selbst möglichst klein gewählt werden soll.
Die Augenblickswerte der Phasenflüsse OR, und 0.5s werden den Eingangsklemmen 44 und 45 einer Einrichtung 17 zugeführt, die daraus eine dem Betragsquadrat des in der Asynchronmaschine 4 auftretenden Drehflussvektors 0 proportionale Grösse bildet. Dabei wird jeweils das Produkt jedes Augenblickswertes mit sich selbst sowie der beiden Augenblickswerte mi'ein- ander gebildet und addiert, wozu die in Figur mit 17 bezeichnete Einrichtung drei Multiplikatoren sowie ein Summierglied enthält. An der Ausgangsklemme 46 d _r mit 17 bezeichneten Einrichtung tritt demnach eine Spannung auf, welche bis auf einen konstanten Faktor dem Betragsquadrat des Drehflussvektors 0 entspricht.
In Fig. 4a ist eine andere Variante zur Bildung des Betragsquadrates eines Drehvektors aus den Augenblickswerten zweier seiner Phasengrössen gezeigt. Zwei Summiergliedern 47 und 48 wird jeweils die eine Pha- sengrösse direkt und die andere zweifach verstärkt zugeführt. Der Ausgang der Summierglieder wirkt auf je einen Eingang eines Multiplikators. Die zweifach verstärkt am Eingang jedes Multiplikators wirksame Ein- gangsgrösse ist ausserdem auch noch auf dessen anderen Eingang geführt.
Werden die beiden Multiplikato- renausgänge summiert, dann entsteht genauso wie bei der in Fig. 4 mit 17 bezeichneten Einrichtung an der Ausgangsklemme 46 eine Grösse, welche proportional dem Betragsquadrat des Drehfeldvektors ist. Es hat diese Variante gegenüber der in Fig.4 dargestellten
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den 'Vorteil, dass nur zwei Multiplikatoren erforderlich sind.
Die Art der bei der erfindungsgemässen Einrichtung verwendeten Multiplikatoren ist an sich beliebig. Es können hier die bekannten Zeit-Basis-Multiplikato- ren, Multiplikatoren unter Benutzung von Hallgenera- toren oder auch sogenannten Parabelmultiplikatoren verwendet werden.
Letztere weisen einen relativ einfachen Aufbau auf und bestehen im Kern aus zwei quadrierenden Funktionsgeneratoren, deren Eingänge einmal die Summe und einmal die Differenz zweier Grös- sen zugeführt wird und deren Ausgänge subtrahiert werden, worauf man dann eine Grösse erhält, welche dem Produkt der beiden Grössen proportional ist. Quadrierende Funktionsgeneratoren selbst bestehen aus einer Anzahl parallelgeschalteter, mit verschiedenen Spannungen vorgespannten Schwellwertdioden. Bei Verwendung von Parabelmultiplikatoren wird also einer der beiden Funktionsgeneratoren überflüssig, wenn beide Eingänge des Multiplikators mit der gleichen Grösse beaufschlagt sind.
Diese überlegung führt zu der Variante entsprechend Fig. 4b. Dort wird die an der Eingangsklemme 44 zugeführte Spannung OR auf beide Eingänge eines Multiplikators 49 gegeben, der demnach eine rein quadrierende Funktion ausübt, während der an der der Klemme 45 zugeführte Phasenwert in einem Operationsverstärker 50 zweifach verstär'ct und vergrössert um den Wert 0 auf den Eingang eines quadrierenden Funktionsgenerators 51 gelangt. Die zwischen dessen Ausgangsgrösse A und Eingangsgrösse E bestehende Beziehung A = E2 ist in seinem Blocksymbol graphisch wiedergegeben.
Die Ausgangssignale der Elemente 49 und 51 werden mit unterschiedlichen Gewichten summiert und es erscheint an der Ausgangsklemme 46 wie bei den entsprechend bezeichneten Klemmen in den Fig. 4 und 4a eine dem Betragsquadrat des Drehflussvektors 0 proportionale Grösse. Der Multiplikator 49 kann bei der Variante nach Fig.4b durch einen quadrierenden Funktionsgenerator entsprechend dem Funktionsgenerator 51 ersetzt werden, wodurch sich bei Verwendung von Parabelmultiplika- toren nach dem Vorhergehenden mit der Anordnung nach Fig. 4b gegenüber der nach Fig. 4a eine Ersparnis von insgesamt zwei quadrierenden Funktionsgeneratoren ergibt.
Aus dem an der Klemme 46 auftretenden Signal kann mittels eines radizierenden Funktionsgene- rators 52 ein dem Betrag des Drehflussvektors f proportionales Ausgangssignal an seiner Ausgangsklemme 6 gewonnen werden. In dem Blocksymbol des radizierenden Funktionsgenerators 52 ist dessen Kennlinie dargestellt, das ist der Verlauf seiner Ausgangsspannung A in Abhängigkeit von seiner Eingangsspannung E,_ welcher allgemein der Beziehung gehorcht A = 1@E. Der an der Klemme 6 erhaltene Wert wird, wie aus Fig. 1 ersichtlich, als Istwert in einem Flussregel- kreis verwendet.
Von Bedeutung ist, dass der an der Ausgangsklemme 6 erhaltene Flusswert praktisch verzögerungslos jeder Veränderung des Betrages des Drehflussvek- tors folgt und so zu jedem Zeitpunkt eine dynamisch richtige Nachbildung des Maschinenflusses liefert. Die in den Fig. 4, 4a und 4b mit 17 bezeichneten Einrichtungen können ohne weiteres auch dazu verwendet werden, um den Betrag irgendeines anderen innerhalb der Asynchronmaschine oder innerhalb eines beliebigen Drehstromsystems auftretenden Drehvektors zu er- mittäln, so z.
B. den Betrag eines Drehspannungsvek- tors. Bei sinusförmig verlaufenden Phasenspannungen steht die an der Klemme 6 erhaltene Grösse in einem festen Verhältnis zur Amplitude der an den Eingangs- klemmen 44 und 45 anliegenden Phasenspannungen. Da andererseits das Ausgangssignal an der Klemme 6 stets unipolar ist, besteht in der mit 17 bezeichneten Einrichtung erstmals die Möglichkeit, die Amplitude einer in einem mehrphasigen auftretenden Wechsel- spannung dynamisch richtig und unverzögert in eine ihr proportionale Gleichspannung abzubilden.
Diese Aufgabe konnte mittels der bisher üblichen, Gleichrich- terschaltungen nur unvollkommen gelöst werden, da die erforderlichen Glättungsglieder naturgemäss einer unverzögerten Abbildung von Amplitudenänderungen der Messwechselspannung entgegenwirkten.
In Fig. 5 ist eine Schaltung zur Erarbeitung der weiterhin noch :für die Regelanordnung entsprechend Fig. 1 benötigten Istwerte für das Drehmoment, die Drehzahl und Läuferschlupf dargestellt, wobei für gleiche Elemente die bisher verwendeten Klemmbezeichnungen und die entsprechenden Bezugszeichen beibehalten wurden.
Die an den Ausgangsklemmen 40 und 41 der Einrichtung 16 erhaltenen Phasenwerte OR und os des Hauptflusses werden mittels der Operationsverstärker 53-56, in deren Dreiecksymbolen wiederum ihr Verstärkungsfaktor vermerkt ist, und zweier Summierglieder 57, 58 entsprechend den aus Fig. 2 entnehmba- ren Beziehungen zu den Phasenwerten des Läuferflusses 1'2R und 112s umgeformt.
Die den Läuferfilussphasen- werten entsprechenden Spannungen 1/2R und 1'2s werden an die Eingangsklemmen 59 und 60 einer Multipli- ziereinrichtung 61 gelegt. Die Multipliziereinrichtung 61 bildet das Drehmoment als vektorielles Produkt des Läuferflusses 1V2 mit dem Ständerstrom I,. Es zeigt sich, dass das Drehmoment M proportional dem Ausdruck 112R . Js -112s . JR ist.
Die Innenschaltung der Multipliziereinrichtung 61 besteht daher aus zwei Multiplikatoren 62 und 63, deren Eingänge einerseits mit den Klemmen 59 und 60 bzw. 64 und 65 verbunden sind. Die beiden zuletzt genannten Eingangsklemmen sind mit den Klemmen 32 und 34 der Einrichtung 16 verbunden und liefern so den entsprechenden Eingängen der Multiplikatoren 62 und 63 den Augenblicks- werten der Phasenströme JR und Js proportionale Grössen.
Die Ausgänge der Multiplikatoren 62 und 63 werden voneinander subtrahiert, das Ergebnis erscheint als eine dem Drehmoment proportionale Grösse M an der Ausgangsklemme 66 der Multipliziereinrichiung 61.
In Fig. 6 ist der Verlauf des Drehmomentes M bei konstantem Fluss in Abhängigkeit von stationären Schlupfwerten c)2 gezeigt, welcher bekanntlich der Gleichung
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genügt. Jenseits der mit k bezeichneten Kippschlupf- werte nimmt das Drehmoment der Maschine ab.
Würde die Grösse M als Istwert in einem Momentregelkreis Verwendung finden, so müssten spezielle Vorkehrungen getroffen werden, damit diese sich ändernde Tendenz des Drehmomentverlaufes jenseits der Kipp- schlusswerte k nicht zu einer Umkehr des Regelsinnes und damit zu einem fehlerhaften Verhalten des Dreh- zahlregeiantriebes insgesamt führen kann. Vorteilhafter
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und einfacher scheint es jedoch;
den Drehmomentver- lauf M durch eine lineare Funktion entsprechend der in Fig. 6 mit ML bezeichneten Grade zu linearisieren, wobei sich die Neigung dieser Geraden ML als Tangente der mit M bezeichneten Kurve im Ursprung des in Fig. 6 gezeichneten Koordinationssystems ergibt.
Da bekanntlich zwischen den Betragsquadraten des Haupt- flussvektors und des Läuferflussvektors die Beziehung
EMI5.13
gilt, so kann man damit ML entsprechend folgender Gleichung erhalten:
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In der Schaltung nach Fig.5 ist die zuletzt erwähnte Beziehung realisiert, indem aus den Phasenwerten OR und os des Hauptflusses in schon beschriebener Weise mittels der Einrichtung 17 eine dem Betragsquadrat des Hauptflussvektors 0 proportionale Grösse gebildet wird und analog dazu mittels einer weiteren Einrichtung 17 in entsprechender Weise eine dem Betragsquadrat des Läuferflussvektors proportionale Grösse, welche als Divisor einem Quotientenbild- ner 67 zugeführt ist, dessen anderer Eingang mit der Klemme 66 verbunden ist.
Der Ausgang des Quotien- tenbildners 67 wird mittels eines Multiplikators 68 mit einer dem Betragsquadrat des Hauptflussvektors proportionalen Grösse multipliziert, so dass an der Aus- gangsklemme 7 eine dem in obiger Weise linearisierten Moment ML entsprechende Grösse auftritt, welche nach der in Fig. 1 angedeuteten Weise innerhalb eines Drehmomentenregelkreises verwendet werden kann.
Eine dem Schlupf c), proportionale Grösse ergibt sich durch Multiplikation des Ausgangssignales des Quotientenbildners 67 mittels des Verstärkers 69, dessen Ausgang an die Klemme 8 geführt ist und wahlweise - wie in Fig. 1 angedeutet - innerhalb des dortigen Regelkreises zum Einsatz kommen kann. Die Läuferdrehzahl co ergibt sich schliesslich, indem von einer an der im Zusammenhang mit Fig.l erwähnten Klemme 15 zur Verfügung stehenden, der Primärfrequenz col proportionalen Grösse das Ausgangssignal des Verstärkers 69 abgezogen wird.
Das daraus resultierende Signal ist an die Klemme 9 geführt, womit dann auch der für den Drehzahlregler bestimmte Istwert erarbeitet ist.
Die Nachbildung der Istwerte w2 und oi entsprechend der Anordnung nach Fig. 5 gilt exakt nur für stationäre, d. h. eingeschwungene Betriebszustände. Für besonders hochwertige Regelungen kann es aber erforderlich werden, einen Drehzahlistwert zu verwenden, der auch beim übergang von einer Läuferdrehzahl auf die andere der momentanen Drehzahl entspricht. Zur Erarbeitung eines solchen dynamischen Drehzahlistwertes zeigt Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel.
Ihm liegt der Gedanke zugrunde, die dem Ersatzschaltbild der Fig. 2 entnehmbare Spannungsvektorgleichung des Sekundärkreises dadurch in eine skalare Gleichung umzuwandeln und so für die Läuferdrehzahl co eine skalare Grösse zu erhalten, indem diese Gleichung vek- toriell mit dem Vektor 1V2 multipliziert wird.
Es ergibt sich dann folgende skalare Beziehung für die Läuferdrehzahl
EMI5.66
In Fig. 7 ist eine Einrichtung 16 mit der in Fig. 4 veranschaulichten Innenschaltung vorgesehen, deren Klemmen 32-37 mit Operationsverstärkern mit Verstärkungsfaktoren K bzw. L", verbunden sind, um in analoger Weise wie bei Fig. 5 die Werte VJ2R, izs sowie deren zeitlichen Ableitungen zu bilden.
In derselben Weise wie bei der Anordnung nach Fig.5 erfolgt die Bildung einer dem Drehmoment M proportionalen Grösse, welche mittels eines Operationsverstärkers um den Faktor R2 verstärkt einem Summierglied 70 zugeführt ist. Analog wie bei der Anordnung nach Fig. 5 wird das Vektorprodukt
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in einer Multipliziereinrichtung 61 gebildet, mittels eines weiteren Operationsverstärkers 69 mit dem Faktor
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versehen und ebenfalls dem Summierglied 70 zugeführt.
Der Ausgang des Summiergliedes 70 ist auf den Dividendeneingang eines Quotientenbildners nach 71 geführt, an dessem anderen Eingang eine mittels der Einrichtung 17 in bereits beschriebener Weise gebildete, dem Betragsquadrat des Läuferdrehflusses 1V2 proportionale Grösse liegt. Am Ausgang des Quotien- tenbildners 71 erscheint dann die Grösse )d9, als eine den dynamischen Drehzahlistwert des Maschinenläufers exakt nachbildende Grösse.
In Fig. 8 ist die gerätetechnische Realisierung der in Fig. 4b mit 17 bezeichneten Einrichtung gezeigt, zugleich ein Beispiel dafür, wie die Summierglieder mit ihnen zugeordneten Operationsverstärkern zusammengefasst werden können. Die Operationsverstärker 50 und 73 sind beim dargestellten Beispiel symmetrische Differenzverstärker hoher Leerlaufverstärkung, d. h. sie benötigen in ihrem unbeschalteten Zustand für eine volle Durchsteuerung einen sehr kleinen Eingangsstrom bei sehr kleiner Eingangsspannung.
Tritt an den mit 74 und 75 bezeichneten Eingangsklemmen kein Potentialunterschied auf, so befindet sich der Ausgang der als Summierverstärker verwendeten Operationsverstärker auf Erd- bzw. Bezugspotential. Eine positive
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Spannung an dem mit - :bezeichneten .Eingang 74 verschiebt das Potential des Ausgangs .nach negativen Werten während eine auf den mit -f- bezeichneten Eingang 75 wirkende positive Eingangsspannung das Ausgangspotential der Operationsverstärker in positiver Richtung verschiebt.
Für negative Eingangsspannungen gilt das Umgekehrte. Wenn dafür gesorgt ist, dass die Parallelschaltung sämtlicher mit der -Klemme 74 verbundener Widerstände .den gleichen Gesamtwiderstand aufweist wie die Parallelschaltung sämtlicher mit der Klemme 75 verbundenen Widerstände, dann setzt sich die Ausgangsspannung der Verstärker zusammen aus einzelnen Spannungsanteilen, denen jeweils eine speisende Eingangsspannung zugeordnet ist.
Die Grösse der einzelnen Spannungsanteile ergibt .sich als Produkt der -speisenden Eingangsspannung und dem Verhältnis von Gegenkopplungswiderstand R und dem zwischen der jeweils speisenden Eingangsspannung und der Eingangsklemme 74 bzw. 73 liegenden :Eingangswiderstand. Man .erkennt, dass mit diesen Voraussetzungen mit den in .Fig. 8 angegebenen Werten der Eingangswiderständen die Ausgangsspannung des Summierverstär- kers 50 die Grösse 2e -f- OR .aufweist.
Entsprechend besteht die Ausgangsspannung an der Klemme 46 des Summierverstärkers 73 aus der dreifachen Ausgangsspannung des quadrierenden Funktionsgenerators 49 und der einfachen Ausgangsspannung des Quadrierers 51.
-In den Ausführungsbeispielen wurde bisher die Ist- werterfassung unter Verwendung der -Augenblickswerte nur von zwei Phasen veranschaulicht, wovon man zweckmässigerweise immer Gebrauch machen wird, falls .das .Drehsystem nullkomponentenfrei und die Summe .der Augenblickswerte der einzelnen Phasen- grösse stets gleich Null ist.
Sollte für bestimmte Drehsysteme diese Voraussetzung nicht zutreffen, dann lassen sich die dargestellten Ausführungsbeispiele zwangs- los auf die drei- oder mehrphasige Erfassung und Verarbeitung der einzelnen Phasenwerte erweitern.
Für die dreiphasige Ausführungsform -der in Fig. 4 mit 16 bezeichneten Einrichtung ist z. B. lediglich erforderlich, einen weiteren Stromwandler in der Zuleitung zu der Maschinenphase W vorzusehen, sowie diesem .zugeordnete weitere Operationsverstärker nach Art der in Fig. 4 mit 28, 29 bzw. .30, 31 bezeichneten Verstärkern, um damit in entsprechender Weise zu einer Grösse zu kommen, die dem Phasenflusswert fT proportional ist.
Fig. -9 zeigt -das dreiphasige Analogon zu den in Fig. 4 mit 17 bezeichneten Einrichtungen zur Bildung einer dem Betragsquadrat des Drehflussvzktors 0 proportionalen Grösse. Ausgehend von der eingangs erwähnten Komponentengleichung (1) werden an die Eingangsklemmen der Einrichtung 80 die Phasenflusswerte #PR,T und Os gelegt und den Summierglie- dern 81, 82 und 83 mit der angegebenen Wirkungsrichtung zugeführt.
Mittels der Operationsverstärker 84 und 85 um die Faktoren 1/2 bzw. verstärkt und anschliessend auf die Eingänge der
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Multiplikatoren bzw. den quadrierenden Funktionsgeneratoren 86 und 87 gegeben, sind die drei Phasenflusswerte dann - analog wie .bei den in Fig. 4 mit 17 bezeichneten Einrichtungen - je mit sieh -selbst #sowie miteinander -multipliziert einem Summierglied 8.8 zugeführt,
-an dessen Ausgang dann eine dem Betragsquadrat des Drehflussvek- tors 0 proportionale .Grösse entsprechend -der Bezie- hung
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erscheint. Die Bildung einer Grösse, welche dem Betragsquadrat des sekundären Drehflussvektors !U2 entspricht, kann prinzipiell in gleicher Weise durchgeführt werden.
Fig. 10 zeigt ein Beispiel -zur :B1ldung -des vektoriel- len Produktes zwischen zwei Drehkonvektoren mit einer Multipliziereinrichtung 90 unter Verwendung ihrer sämtlichen Phasenkomponenten. Die Multiplizier- einrichtung stellt wiederum ein -dreiphasiges Analogon zu der in Fig. 5 mit 61 bezeichneten Einrichtung dar.
Die Phasenwerte 1J@R, Y@S Und PIT des sekundären Drehflussvektors P sowie .die Phasenwerte IR, Is, 'T des primären Drehstromvektors Il .sind sau .Ein- gangsklemmen der Multipliziereinrichtung 90 zuge- führt, um das vektorielle Produkt Yf2 X Il zu bilden.
Der in einem Operationsverstärker 91 -zweifach verstärkte Phasenwert YU,R wird von der Summe der beiden anderen Phasenwerte ii@s und if2T in einem Summierglied 92 subtrahiert und dem ersten Eingang eines Multiplikators 93 zugeführt, an dessen zweitem Eingang .die Differenz der Phasenwerte Is und -IT liegt,
welche in einem Summierglied 94 gebildet wird. Entsprechend wird von .dem in einem Operationsverstärker 95 zweifach verstärkten -Phasenwert IR die Summe der beiden anderen Phasenwerte 1s und IT in einem Summierglied .96 subtrahiert und -einem Multiplikator 98 zugeführt,
an .dessen zweitem Eingang- die-Differenz der beiden Phasenwerte if@s und Y'2T wirkt. Die Ausgänge -der Multiplikatoren 93 und 98 -werden in einem weiteren Summierglied 99 subtrahiert und .an der Ausgangsklemme 100 erscheint -als Ergebnis dieser vektoriellen Produktbildung eine dem elektrischen Moment der Maschine proportionale Grösse M.
Mit der gleichen Anordnung, wie sie der Einrichtung 90 zugrundeliegt, kann auch die im Zusammenhang mit Fig.7 erwähnte vektorielle Produktbildung zwischen-den.Drebvektoren Y!, und .
EMI6.177
unter Verwendung ihrer -entsprechenden Phasenkomponenten dreiphasig durchgeführt werden.