CH472146A - Einrichtung zur Istwertbildung für die Regelung einer Drehstromasynchronmaschine - Google Patents

Einrichtung zur Istwertbildung für die Regelung einer Drehstromasynchronmaschine

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CH472146A
CH472146A CH576568A CH576568A CH472146A CH 472146 A CH472146 A CH 472146A CH 576568 A CH576568 A CH 576568A CH 576568 A CH576568 A CH 576568A CH 472146 A CH472146 A CH 472146A
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proportional
variable
phase
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multipliers
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CH576568A
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Felix Dipl Ing Blaschke
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Siemens Ag
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Description


   <Desc/Clms Page number 1> 
 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   

 <Desc/Clms Page number 2> 

    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 
 EMI2.202 
 

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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 
 EMI3.11 
    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 
 EMI4.133 
 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   

 <Desc/Clms Page number 5> 

    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:

   
 EMI5.15 
    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   
 EMI5.87 
 in einer    Multipliziereinrichtung   61 gebildet, mittels eines weiteren Operationsverstärkers 69 mit dem Faktor 
 EMI5.89 
 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 

 <Desc/Clms Page number 6> 

 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 
 EMI6.68 
 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   
 EMI6.82 
    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.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH Einrichtung zur Istwertbildung für die Regelung einer Drehstromasynchronmaschine -unter Verwendung von Primärstrom und Primärspannung der Asynchron- maschine erfassenden Wandlern, dadurch gekennzeichnet,
    dass zur Bildung einer dem Quadrat des Betrages des Drehflussvektors proportionalen Grösse den Augenblickswerten mindestens zweier in um räumlich 120 gegeneinander versetzten Wicklungsachsen auftretenden Flusskomponenten proportionale Grössen mittels Multiplikatoren je -mit -sich selbst sowie miteinander multipliziert und die Ausgangsgrössen der Multiplikatoren einem Summierglied zugeführt sind. UNTERANSPRÜCHE 1.
    Einrichtung nach Patentanspruch, gekennzeichnet durch zwei Multiplikatoren, deren ersten Eingängen jeweils eine der einen TIusskomponente proportio- <Desc/Clms Page number 7> nalen Grösse und deren zweiten Eingängen die Summe dieser zweifach verstärkten Grösse und eine der anderen Flusskomponente proportionale Grösse zugeführt sind (Fig. 4a). 2.
    Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass den beiden Eingängen eines ersten Multiplikators (49) eine der einen Flusskomponenten (OR) proportionale Grösse zugeführt ist und den beiden Eingängen eines zweiten Multiplikators (51) die Summe dieser Grösse und dem doppelten Wert einer der andern Flusskomponente (os) proportionalen Grösse (Fig. 4b). 3. Einrichtung nach Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Multiplikatoren aus vorgespannten Schwellenwertdioden aufgebaute, quadrierende Funktionsgeneratoren (49, 51) verwendet sind. 4.
    Einrichtung nach Patentanspruch und den Unteransprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen mit dem Ausgang des Summiergliedes verbundenen, radizierenden Funktionsgenerator (52) zur Flussnachbil- dung (Fig. 4b). 5.
    Einrichtung nach Patentanspruch und den Unteransprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens zwei Motorzuleitungen je ein Stromwandler (24, 25) angeordnet ist, dessen Bürde aus der Reihenschaltung eines ohmschen (26) und eines induktiven (27) Widerstandes besteht, dass an der Bürde jeweils dem Phasenstrom sowie seinem zeitlichen Differentialquotienten proportionale Spannungen abgenommen und zusammen mit der zugeordneten Phasenspannung einem Integrator (38, 39) zur Bildung der den Flusskomponenten proportionalen Grösse zugeführt sind. (Fig. 4) 6.
    Einrichtung nach Unteranspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Gleichstromunterdrückung die Integratoren (38, 39) mit vorzugsweise Integralanteile aufweisenden Proportionalverstärkern (42, 43) gegengekoppelt sind. 7. Einrichtung nach Unteranspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Quotient aus doppelter Inte- grierzeit (2T) der Integratoren (38, 39) und Nachstell- zeit (Tn) der gegengekoppelten Integrierverstärker (42, 43) gleich oder kleiner als die Proportionalverstärkung (V) derselben gewählt ist. B.
    Einrichtung nach Patentanspruch und den Un- teransprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Momentannachbildung zwei Multiplikatoren (93, 98) vorgesehen sind, deren Ausgänge in einem Sum- mierglied (99) subtrahiert sind, deren ersten Eingänge mit der Differenz der Augenblickswerte des sekundären Flusses bzw.
    des Primärstromes zweier Phasen pro- portionalen Grössen (2s, 2T bzw. Is, IT) und deren zweiten Eingänge mit der Summe dieser Grössen, vermindert um den zweifachen Wert einer dem sekundären Fluss bzw. dem Primärstrom der dritten Phase proportionalen Grösse beaufschlagt sind (Fig. 10). 9.
    Einrichtung nach Patentanspruch und den Unteransprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Momentennachbildung zwei Multiplikatoren (62, 63) vorgesehen sind, deren ersten Eingänge jeweils mit einer dem Augenblickswert des sekundären Flusses oder des Hauptflusses der einen Phase proportionalen Grösse und deren zweite Eingänge mit einer dem Primärstrom der anderen Phase proportionalen Grösse beaufschlagt sind und dass die Ausgangsgrössen der Multiplikatoren in einem Summierglied subtrahiert sind (Fig. 5). 10.
    Einrichtung nach Unteranspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung einer der Schlupffrequenz proportionalen Grösse der Ausgang des Summiergliedes als Dividend einem Quotientbild- ner (67) zugeführt ist, an dessen anderem Eingang eine dem Betragsquadrat des sekundären Drehflusses proportionale Grösse als Divisor wirkt. 11.
    Einrichtung nach Unteranspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung eines für einen Momentenregelkreis bestimmten Istwertes die Ausgangsgrösse des Quotientenbildners (67) einem Multi- plikator (68) zugeführt ist, an dessem anderen Eingang eine dem Betragsquadrat des Hauptdrehflusses proportionale Grösse wirkt. 12.
    Einrichtung nach Patentanspruch und den Unteransprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung einer der Läuferdrehzahl proportionalen Grösse zwei Multiplikatoren vorgesehen sind, deren erste Eingänge (59, 60) jeweils mit einer dem Augenblickswert des sekundären Flusses der einen Phase proportionalen Grösse (1'2R,, 12s) und deren zweite Eingänge (64, 65) mit den zeitlichen Ableitungen der anderen Phasen proportionalen Grössen (d1'2RJdt, d 1U2sldt) beaufschlagt sind, dass die Ausgangsgrössen der Multiplikatoren über einen Verstärker (69)
    sub- traktiv einem Summierglied (70) zusammen mit einer dem Drehmoment proportionalen Grösse zugeführt sind und dass der Ausgang dieses Summiergliedes mit dem Dividendeneingang eines Quotientenbildners (71) verbunden ist, an dessem anderen Eingang eine dem Betragsquadrat des sekundären Drehflusses (1V2) proportionale Grösse liegt (Fig. 7).
CH576568A 1968-04-18 1968-04-18 Einrichtung zur Istwertbildung für die Regelung einer Drehstromasynchronmaschine CH472146A (de)

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