DE1806769C3

DE1806769C3 - Einrichtung zur istwertbildung fuer die regelung einer insbesondere umrichtergespeisten drehstromasynchronmaschine

Info

Publication number: DE1806769C3
Application number: DE19681806769
Authority: DE
Inventors: Felix Dipl Ing Blaschke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1968-04-18
Filing date: 1968-11-02
Publication date: 1972-03-30
Also published as: DE1806769B2; DE1806769A1; CH472146A

Description

Mit der Möglichkeit, die sich in letzter Zeit in zuahmendem Maße einführenden umrichtergespeisten Drehstromasynchronmaschinen verlustarm zu steuern, st das Interesse gewachsen, die bei der Asynchronmaschine interessierenden Größen wie Drehzahl, Schlupf, Drehmoment und Fluß auch regelung* echnisch zu beherrschen, um so beispielsweise zu einem mit der klassischen Gleichstrommaschine hinsichtlich regelungstechnischer Eigenschaften vergleichbaren Antrieb ζί gelangen. Dazu werden für die erwähnten Größen die entsprechenden Istwerte benötigt Von Vcrteil wäre, wenn man dabei ohne die bisher hierzu üblichen rotierenden, elektromechanischen oder galvanomagnetischen Istwertgeber auskommen konnte. Bei einer Schaltungsanordnung zur Konstanthaltung

des Kippmomentes eines mit einer Spannung veränderbarer Frequenz gespeiste« Asynchronmotors ist es bekannt. Spannung und Strom einer Motorphase zu erfassen und mit diesen erfaßten Werten d.e ohmschen und induktiven Spannungsabfälle im Pr.märkre.s nachzubilden, um so zu einer dem Motork.ppmoment proportionalen Größe zu gelangen < AEG-Miueilungen, 1964, Heft Iß, S. 53). Nachteilig bei d.eser Anordnung ist daß man sich bei dieser Erfassung nur auf die Werte einer Phase abstützt, was nur bei völl.ger Phasensymmetrie zu einem richtigen BHd über d.e tatsächlichen Verhältnisse führt. Auch ist eine m jedem Augenblick richtige Aussage über d·« dynamischen Verhältnisse beim Übergang ν-,η e.nem stationären Zustand auf den anderen m.t diesem bekannten Verfahren grundsätzlich nicht mo_f;l· h

Es ist weiterhin e.ne rein elektronische Drehmomenterfassung bei einem Asynchronmotor bekannt. wobei Primärstrom- und Primärspannung einer Motorphase miteinander phasenrichtig multipliziert werden ?ETZ-A. 1964, S. 112 bis 115). Auch hier w.rd vö l.ge Phasensymmetne vorausgesetzt und e.ne momentane Schwankung in den einzelnen Phasen unberucksicht.gt und

zweiten Eingängen dieser dieser zweifach verstärkten

^j ^^ FluDkomponente ρ o^ rolk. unα _{ ^ Nach einer anderen

^ür"⁰"f_den beiden Eingängen e.nes ersten der n eine der einen Flußkomponen en ρ on ^ _{werden und d} p.,_n

en der Multiplikatoren d.e Summt gang£ ^ _dem doppelten Wert einer der andieser oroue proportionalen Große. Bei

d en F ^ußk«J _Ausführungsform besteht nach Merkmal der Erfindung d.e Mogliche ^e"_M ; ,_ikatoren durchweg aus vorge- ^Jf _Sct_veii_wertüioden aufgebaute, gierende ^sP^^e" *„_eratoren verwendet werder, können, we -Funkt °nsgenua _Multipii_kation der Eingangs-

^ed.e e rforter durchzufuhren gegroßen m.t sjcn _{ejnfach aufgebai}„ _sind.

statten ^Jd f-hn JD _flß_konenten

einem

statten

» pro

ein

t.ven

Ρ dann'

_Drevor.iegende Erfindung stel.t sich die Aufgabe. un5? EÄng des Betrag! des DrehfluDvektors ab zentraler Größe für eine hochwertige. Regelung einer Drehstromasynchronmaschine auf rein elektronische Art und Weise die entsprechenden Istwertgeber zu realis,eren, wo»«, sämtliche dynamischen Schwankungen dieser Größe erfaßt und so in jedem Augenblick ein tatsächlich richtiges Abbild erhalten w.rd.

Sie bez.eht sich auf e.ne Einrichtung rur Istwert-

mit der

sjcn _{ejnfach aufgebai}„

f-hn JD ^ _phasenfluß_komponenten

Größen kann vorteilhaft dadurch er- ^ _{zwd Motorzu}le.tungen je

' _anßeordntt ist, dessen Bürde aus ν _ohmschen und e.nes ,ndukbesteht und daß an der Bürde _{sowie &e}inem ze.tl.chen proportionale Spannungen ab-

J integrator zugeführt sind Da

« ⁿ? Nachbildung durchweg um Wechsel^d'^n_lt, _kaan es sich nach einem weiteren _mg _aIs vorteilhaft erweisen daß unerwünschter und unkontrollierflüsse die Integratoren m.t Pro„ _sind>
wobe, s.ch

Übertragungseigenschaften d.eser _wenn der Quotient a > doppelter ^torei, und Nachstellzeit von ^ gegenkoppelnden Pro^_eich ^er kleiner als d.e Pro- ^ derselben und diese selbst mog-

^^* Sta.tung der Erfindung besteht weitere a .j _hbildung mittels den

°^"' ortionalen Größen zwei Multi· ^^ _{s iCi}, _dercn Ausgänge in einem

Strahiert sind, deren ersten Eingänge _{des sekundären} A i', ^^ _?^_n ^

_und deren zweiten Eingänge mit

W« der ^Inte^^nteiJ

AZsS=^

bildung der Spannungsabfälle im Ständer! reis.

Die Lösung der zuvor genannten Aufgabe gelingt trfindungsgemäß dadurch, daß zur B.Mun₈ e.ner dem Quadrat des Betrages des Drehflußveklor» proport.o- Α-S P-e proportionalen Größe

btauhch agt sm.*· _Q^ _{kann nath eine}m

λusu'«f^r Schlupffrequenz prop

₍^werden, _W6„_n der Ausgang . D vidend einem i««

Anordnung ,,, Bildung di«,.r

I 806 769 '

3 4

eine Regelung vorgesehenen Momentenistwert zu der primliren elektrischen Eingangsgrößen der Asynlinearisieren. Hierzu wird nach einer weiteren Aus- chronmaschine zu erarbeiten,
gestaltung der Erfindung die Ausgangsgröße des zuvor Bevor die erfindungsgemäße Realisierung im einerwähnten Quotientenbildners einem Multiplikator zelnen behandelt wird, scheint es zweckmäßig, kurz zugeführt, an dessen anderem Eingang eine dem 5 auf die theoretischen Grundlagen einzugehen, auf Betragsquadrat des Hauptdrehflusses proportionale denen sie beruht. Dem Ersatzschaltbild entsprechend Größe wirkt. F i g. 2 können die Beziehungen zwischen den ein-

Die Erfindung samt ihren weiteren Ausgestaltungen zelnen Drehvektoren von ständer- und läuferseitigen

soll im folgenden an Hand der Figuren näher ver- Spannungen,Strömen und Flüssen entnommen werden,

anschaulicht werden. · io Das Ersatzschaltbild gilt für ein ständerorientiertes,

F i g. L zeigt zunächst schematisch einen Drehzahl- d. h. relativ zum Ständer ruhendes Koordinatenregelantrieb, bei dem die Erfindung mit Vorteil Ver- system. Mit dem Index I sind die auf der Ständerseite wendung finden kann. Die Regelstrecke I enthält eine auftretenden primären Größe versehen, während der Asynchronmaschine 4, welche mechanisch mit einer mit Index 2 für die auf den Läufer bezogenen sekunnicht näher bezeichneten Belastung gekuppelt ist und 15 dären Größen gilt. Im einzelnen bedeutet L/, den welche an ihren Ständerklemmen U, V, W, von den Ständerspannungsvektor, R_XA den primären bzw. Ausgangsklemmen R, S, T eines Umrichters 5 gespeist sekundären ohmschen Widerstand, L_xO, L& die priwird, welcher seinerseits an ein Drehstromnetz N an- märe bzw. sekundäre Streuinduktivität, Lu die Hauptgeschlossen ist. In an sich bekannter Weis*: kann die induktivität, Ψ_ΧΛ den Ständer- t/iw. Läuferflußvektor Ausgangsfrequenz ω, des Zwischenkreisumrichters 5 ao und Φ den Hauptflußvektor.

an einem mit 15 bezeichneten, mit Gleichspannung Das elektrische Moment kann als vektorielles Proentsprechender Größe beaufschlagten Steuereingang dukt zwischen dem Läuferflußvektor und dem Ständerin weiten Grenzen verändert werden, wobei dann stron:vektor dargestellt werden, so daß gilt M ~ Ψ γ I_x. gleichzeitig durch einen weiteren Steuereingang dafür Es gilt weiterhin zusätzlich zu den aus F i g. 2 ersicht-Sorge zu tragen ist, daß die Ausgangsspannung U_x »5 liehen Beziehungen für die Schlupffrequenz ω, = w_x des Umrichters 5 jeweils so weit nachgestellt wird, daß —ω. Ferner sind im folgenden die Abkürzungen verder Luftspaltfluß in der Asynchronmaschine 4 kon- wendet

stant bleibt. Hierzu dient ein separater Flußregelkreis, Lu + L Lm
in dessen Eingang eine von der Klemme 6 abgenom- K = und La = L_xa +
mene, dem Luftspaltfluß Φ in der Asynchronmaschine4 30 Lu *
proportionale Größe mit einem FlußsoHwert Φ* in Bei mehrphasigen Wechselstrommaschinen lassen Vergleich gesetzt ist. Die sich daraus ergebende Regel- sich die Drehvektoren der auftretenden Spannungen, abweichung wirkt auf einen Regelverstärker 10 und Ströme und Flüsse jeweils durch die Augenblickswerte beeinflußt über ein Stellglied 11 den ihm zugeordneten ihrer in den einzelnen Phasenwicklungen auftretenden Stelleingang des Zwischenkreisumrichters unter Ver- 35 Komponenten beschreiben, da sich diese Drehvektoren änderung der Ausgangsspannung desselben so lange, durch geometrische Addition ihrer in den einzelnen bis Übereinstimmung herrscht zwischen dem ge- Maschinenachsen auftretenden Momentanwerte erwünschten FlußsoHwert Φ+ und dem tatsächlichen geben. Denkt man sich, wie in F i g. 3 am Beispiel Flußistwert der Asynchronmaschine 4. Es ist weiter- des Drehflußvektors Φ dargestellt, den Ursprung eines hin ein Drehzahlregler 12 vorgesehen, welcher die 40 komplexen Koordinatensystems in die Drehachse Differenz zwischen einem vorgegebenen Drehzahlsoll- einer dreiphasigen Drehfeldmaschine und dessen reelle wert ω ■[- und dem an einer Klemme 9 abgenommenen Achse in Richtung der mit R bezeichneten Wicklungs-Drehzahlistwert verarbeitet und für einen unterlagerten achse gelegt, dann läßt sich der Drehflußvektor Φ in Momentenregler 13 einen Sollwert Af t- ausgibt, wel- jedem Augenblick beschreiben durch die komplexe eher ebenfalls wiede* in Vergleich gesetzt wird mit 45 Gleichung

einem an der Klemme 7 abgenommenen Istwert M. .

Anstatt dem Drehzahlregler einen Momentenregler zu Φ = Φβ — ^ ίφ + φ ΐ μ i (Φ* — Φτ),

unterlegen, kann es manchmal zweckmäßiger sein, den 2 2

Läuferschlupf«), als unterlagerte Hilfsregelgröße zu (D

verwenden. In diesem Falle wird der Istwerteingang 50

des unterlagerten Reglers 13 mit der Klemme 8 ver- worin Φ«. Φ_Λ und Φτ die Momentanwerts der in den

bunden. Der Ausgang des dem Drehzahlregler 12 einzelnen Phasen auftretenden Größen bedeuten sollen,

unterlagerten Reglers beeinflußt dann über ein Stell- Im folgenden sollen die Indizes R, S und T stets auf

glied 14 den Frequenzstelleingang des Zwischenkreis- skalare Momentanwerte der einzelnen Phas^ngröße

Umrichters 5 so lange in dem Sinne, bis Übereinstim- 55 hinweisen.

mung herrscht zwischen dem gewünschten Drehzahl- F i g. 4 zeigt eine Einrichtung zur Ermittlung einer

sollwert ω+ und dem Drehzahlistwert. dem Quadrat des Betrages des DrehRußvektors pro-

Zur Speisung der Klemmen 6 bis 9 mit den ent- portionalen Größe als Ausgangswert füt die Bildung

sprechenden Istwerten (Φ, A/, ω, und ω) waren üb- der zur Regelung der Drehstromasynchronmaschine

licherweise entsprechende besondere Istwertgeber vor- 60 benötigten Iviwerte. Dabei ist Gebrauch gemacht von

zusehen, wie z. B. einen Tachodynamo für den Dreh- der Tatsache, daß in einem nullkomponentenfreir

zahlistwert sowie galvanomagnetische Meßwertgeber, Drehsystem die Summe der Augenblickswerte in den

beispielsweise Hallgeneratoren, zur Erfassung des einzelnen Phasen immer gleich Null ist, so daß bei der

magnetischen Fluss*« und des Drehmomentes, wäh- Bettagsbildung des Drehflußvektors nur von den

rend es nach der Erfindung möglich wird, diese für 65 Augenblickswerten zweier Phasen ausgegangen zt die Durchführung einer hochwertigen Regelung zur werden braucht. Die in F i g. 4 dargestellte Einrichluni Verfügung zu stellenden Istwerte rein kontaktlos, ohne zerfällt in zwei mit 16 und 17 bezeichnete Hauptteile ι Tei e und ausschließlich unter Verwendung wovon der erstere dazu dient, die Augenblickswerti

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Φ it und 0.V der in den Phasen R und 5 auftretenden Die Augenblickswerte der Phasenflüsse Φ_Η und Φ.<

Flüsse aus den Primärgrößen der Asynchronmaschine werden den Eingangsklemmen 44 und 45 einer Ein

zu bilden. Da im allgemeinen der Sternpunkt der richtung 17 zugeführt, die daraus eine dem Betrags

Asynchronmaschine nicht ohne weiteres zugänglich quadrat des in der Asynchronmaschine 4 auftretender

ist bzw. zur Verfugung steht, sind in der Einrichtung 16 5 Drchflußvektors Φ proportionale Größe bildet. Dabc

zwei Stromwandler 18 und 19 vorgesehen, welche wird jeweils das Produkt jedes Augcnblickswertes mi primärseitig an die Phasen Ii und T sowie 5 und T sich selbst sowie der beiden Augenblickswerte mit

angeschlossen sind. Ihre sckundärseitigen Ausgangs- einander gebildet und addiert, wozu die in Figur mi'

spannungen Uht und Ust sind Operationsverstärkern 17 bezeichnete Einrichtung drei Multiplikatoren sowie

20 bis 23 zugeführt, in derem Dreiecksymbol ihr ent- io ein Siimmiciglicd enthält. An der Ausgangsklemmc 4( sprechender Verstärkungsfaktor eingetragen ist. Die del mil 17 bezeichneten Einrichtung tiitt dcmnacl Ausgangsspannungen der Operationsverstärker 20 und eine Spannung auf, welche bis auf einen konstanter

21 sowie 22 und 23 werden jeweils auf ein Summier- Faktor dem Bclragsquadrat des Drchflußvektors'/■ glied geführt und dort entsprechend dem vermerkten entspricht.

Vorzeichen addiert, so daß an den Ausgängen dieser 15 In F i g. 4a ist eine andere Variante zur Bildung

Summiergliedcr den Phasenspannungen Un und f'.x- des Betragsquadrates eines Drchvektors aus den

entsprechende Größen erscheinen. Augcnblickswcrtcn zweier seiner Phasengrößen ge-

Zur Bildung der den Phasenslrömen sowie deren zeigt. Zwei Summiergliedern 47 und 48 wird jeweils

zeitlichen Ableitungen entsprechenden Größen sind die eine Phaseiigrößc direkt und die andere zweifach

in den Zuleitungen zu den Motorphasen U und Γ ao verstärkt zugeführt. Der Ausgang der Summicrglicder

zwei Stromwandler 24 und 25 angeordnet, welche wirkt auf je einen Eingang eines Multiplikators. Die

sekundärseitig jeweils mit einer aus der Reihen- zweifach verstärkt am Eingang jedes Multiplikators

schaltung eines ohmschen Widerstandes 26 und einer wirksame Eingangsgröße ist außerdem auch noch auf

Induktivität 27 bestehenden Bürde belastet sind. Die dessen anderen Eingang geführt. Werden die beiden

Verbindung zwischen dem ohmschen Widerstand 26 25 Mulliplikaloicnausgänge summiert, dann entsteht

und der Induktivität 27 ist geerdet. Die am Wider- genauso wie bei der in F i g. 4 mit 17 bezeichneten

stand 26 gegen Erde abfallende Spannung kann somit Einrichtung an der Ausgangsklemmen eine Größe,

als Maß für den jeweiligen Phasenstrom genommen welche proportional dem Betragsquadral des Drclifcld-

wcrden, die an der Induktivität 27 gegen Erde gemcs- vcktors ist. Es hat diese Variante gegenüber der in

scne Spannung entspricht dann dem negativen Wert 30 F i g. 4 dargestellten den Vorteil, daß nur zwei Multi-

dcr zeitlichen Ableitung des jeweiligen Phasenstromes. plikaloren erforderlich sind.

Beide Enden der Sekundärwicklung der Stromwand- Die Art der bei der criindungsgcniäßcn Einrichtung ler 24 und 25 sind an Eingängen von Operations- verwendeten Multiplikatoren ist an sich beliebig. Es verstärkern 28 bis 31 geführt sowie mit äußeren können hier die bekannter, Zeit-Basis-Multiplikatoren, Klemmen 32 bis 35 verbunden, auf deren Verwendung 35 Multiplikatoren unter Benutzung von Hallgcneraloren später noch eingegangen wird. Die Ausgänge der Vci- oder auch sogenannten Parabclmulliplikatorcn verstärker 28 und 29 sowie der Ausgang des den Ver- wendet werden. Letztere weisen einen relativ einfachen starkem 20 und 21 zugeordneten Summiergliedes Aufbau auf und bestehen im Kern aus zwei quadriewerden addiert, das gleiche gilt für die Ausgänge der renden Funktionsgeneraloren, deren Eingänge einmal Verstärker 30 und 31 sowie für den Ausgang des den 4° die Summe und einmal die Differenz zweier Größen Verstärkern 22 und 23 zugeordneten Summiergliedes. zugeführt wird und deren Ausgänge subtrahiert An den Klemmen 36 und 37 erscheint somit unter werden, worauf man dann eine Größe erhält, welche Berücksichtigung des zugrunde gelegten Ersatzschalt- dem Produkt der beiden Größen proportional ist. bildes nach F i g. 2 eine Spannung, die der zeitlichen Quadrierende Funklionsgeneraloren selbst besteht Ableitung der Augenblickswerte der Phasenflüsse Φ« 45 aus einer Anzahl parallelgeschaltctcr, mit verschiede- und </>.s proportional ist. Diese Spannungen sind je neu Spannungen vorgespannten Schwcllwertdioden. einem Integrator 38 und 39 zugeführt, so daß an den Bei Verwendung von Parabclnuiltiplikaloren wird Ausgangsklemmen 40 und 41 der Einrichtung 16 die also einer der beiden Funktionsgcncralorcn überflüssig. Augenblickswerte der PhasenflüsseΦη und Φ* er- wenn beide Eingänge des Multiplikators mit der gleischeinen. Da diese Augenblickswerte in ihre zeitlichen 50 dien Giöße beaufschlagt sind. Diese Überlegung führt Verlauf leine Wechselgrößcn sind, elektronische Inte- zu der Variante entsprechend F" i g. 4b. Dort wird grationscinrichtungen jedoch infolge Drifterscheinun- die an der Eingangsklemme44 zugeführte Spannung0/j gen zu einer Nullpunktsverschicbung neigen, wodurch auf beide Eingänge eines Multiplikators 49 gegeben, ein verfälschender Gleichstromanteil entsteht, werden der demnach eine rein quadrierende Funktion ausübt, die Integratoren mittels der Verstärker 42 und 43 55 während der an der Klemme 45 ziigcführte Phasengegengekoppelt. Die Verstärker 42 und 43 sind Pro- wert in einem Operationsverstärker 50 zweifach verporlionalverstärker mit Integral verhalten und werden stärkt und vergrößert um den Wert Φ_π auf den Einüblicherweise PI-Verstärkcr genannt. Dadurch kann gang eines quadrierenden Funktionsgenerator* 51 geder erwähnte Gleichstromanteil wirksam unterdrückt langt. Die zwischen dessen Ausgangsgröße A und werden. Bezeichnet man mit T die Integrierzeit der 60 Eingangsgröße/" bestehende Beziehung A --· E- ist in Integratoren 38 und 39, mit T_n die Nachstellzeit und seinem Blocksymbol graphisch wiedergegeben. Di; mit V die Proportionalverstärkung der PI-Verstär- Ausgangssignale der Elemente 49 und 51 werden mit ker 42 und 43, so ergeben sich hinsichtlich der dyna- unterschiedlichen Gewichten summiert und es ermischen Ubertragungseigenschaftcn der Gesamtanord- scheint an der Ausgangsklemme 46 wie bei den entnung dann günstige Verhältnisse, wenn folgende Be- 65 sprechend bezeichneten Klemmen in den F i g. 4 und dingung eingehalten wird: IT[T_n Ik \, wobei die 4a eine dem Betragsquadrat des Drchflußvektors Φ Proportionaiverstärkung selbst möglichst klein ge- proportionale Giöße. Der Multiplikator 49 kann bei wählt werden soll. der Variante nach Fig. 4b durch einen quadrieren-

den Funktionsgenerator entsprechend dem Funktionsgenerator 51 ersetzt werden, wodurch sich bei Verwendung von Parabelmultiplikatorcn nach dem Vorhergehenden mit der Anordnung nach Fig. 4b gegenüber ck.· nach F i g. 4a eine Ersparnis von insgesamt zwei quadrierenden Funktionsgeneratoren ergibt. Aus dem an der Klemme 46 auftretenden Signal kann fnittels eines radizierenden Funktionsgcncrators 52 ein dem Uctrag des Drehflußvektors'/' proportionales Ausgangssigna! an seiner Ausgangsklemme 6 gewonnen werden. In dem Blocksymbol des radizierenden Funktionsgcnerators 52 ist dessen Kennlinie dargestellt, das ist der Verlauf seiner Ausgangsspanniing A in Abhängigkeit von seiner Eingangsspannung £, welcher allgemein der Beziehung gehorcht Λ Ε. Der an der Klemme 6 erhaltene Wert wird, wie aus F i g. 1 ersichtlich, als Istwert in einem Fhißrcgelkreis verwendet.

Von Bedeutung ist, daß der an der Ausgangsklcinmc6 erhaltene Flußwert praktisch verzögcrungslos jeder Veränderung des Betrages des Drchflußvektors folgt und so zu jedem Zeitpunkt eine dynamisch richtige Nachbildung des Maschincnflusses liefert. Die in den F i g. 4, 4 a und 4 b mit 17 bezeichneten Einrichtungen können ohne weiteres auch dazu verwi ndet werden, um den Betrag irgendeines anderen innerhalb der Asynchronmaschine oder innerhalb eines beliebigen Drehstroms} stems auftretenden Drehvektors zu ermitteln, so z. B. den Betrag eines Drehspannungsvektors. Bei sinusförmig verlaufenden Phasenspannungen steht die an der Klemme 6 erhaltene Größe in einem festen Verhältnis zur Amplitude der an den Eingangsklemmcn 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 Mögl chkeit, die Amplitude einer in einem mehrphasigen auftretenden Wechselspannung dynamisch richtig und unverzögert in eine ihr proportionale Gleichspannung abzubilden. Diese Aufgabe konnte mittels der bisher üblichen Gleichrichterschaltungen nur unvollkommen gelöst werden, da die erforderlichen Glättungsglieder naturgemäß einer unverzögerten Abbildung von Amplitudenänderungen der Meßwechselspannung entgegenwirken.

In F i g. 5 ist eine Schaltung zur Erarbeitung der weiterhin noch für die Regelanordnung entsprechend F i g. 1 benötigten Istwerte für das Drehmoment, die Drehzahl und Läuferschlupf dargestellt, wobei für gleiche Elemente die bisher verwendeten Klemmenbezeichnungen und die entsprechenden Bezugszeichen beibehalten wurden. Die an den Ausgangsklemmen 40 und 41 der Einrichtung 16 erhaltenen Phasenwerte Φ_κ und Φs des Hauptflusses werden mittels der Operationsverstärker 53 bis 56, in deren Dreiecksymbolen wiederum ihr Verstärkungsfaktor vermerkt ist, und zweier Summierglieder 57, 58 entspreciiend den aus F i g. 2 entnehmbaren Beziehungen zu den Phasenwerten des Läuferflusses If₂R und V₂A- umgeformt. Die den Läuferflußphasenwerten entsprechenden Spannungen Ί'₂η und fjs werden an die Eingangsklemmen 59 und 60 einer Multipliziereinrichtung 61 gelegt. Die Multipliziereinrichtung 61 bildet das Drehmoment als vektorielles Produkt des Läuferflusses mit dem Ständerstrom Z₁. Es zeigt sich, daß das Drehmoment Ml proportional dem Ausdruck Ψ'₂r · Js — V'₂s · J_r. 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 Eingangsklemmcn sind mit den Klemmen 32 und 34 dei Einrichtung 16 verbunden und liefern so den entsprechenden Eingängen der Multiplikatoren 62 und 63 den Augenblickswerten der Phasenströmc Jn und ./.s propoitionnlc Größen. Die Ausgänge der Multiplikatoren 62 Uiid 63 werden voneinander subtrahiert, (las Ergebnis erscheint als eine dem Drehmoment

ic propoilionale GmIJeA/ an der Atisgangsklemine 66 der Multiplizicrcinrichtung 61.

Im F i g. f> ist der Vcilauf des Drehmomentes Λ/ bei konstantem Fluß in Abhängigkeit von stationären Schlupfwerten ">₂ gezeigt, welcher bekanntlich der Gleichung

A/

,»2 R₂

genügt. Jenseits der mit k bezeichneten Kippschlupfwette nimmt das Drehmoment der Maschine ab. Würde die Größe M als Istwert in einem Momcntrcgclkreis Verwendung linden, so müßten spezielle Voikchrungcn getroffen werden, damit diese sich ändernde Tendenz des Drchmomcnlvcrlaufcs jenseits der Kippschlußwertc A nicht zu einer Umkehr des Regclsinnes und damit zu einem fehlerhaften Verhalten des Drchzahlrcgelantriebcs insgesamt führen kann. Vorteilhafter und einfacher scheint es jedoch, den Drehmomentverlauf A/ durch eine lineare I imktion entsprechend der in F" i g. (i mit A//. bezeichneten Geraden zu linearisieren, wobei sich die Neigung dieser Geraden Mi. als Tangen'e der mit A/ bezeichneten Kurve im Ursprung des in F i g. 6 gezeichneten Koordinatensystems ergibt. Da bekanntlich zwischen den Betragsquadraten des Hauptflußvektors und des LäufcrflulJvcktors die Beziehung

gilt, so kann man damit M_L entsprechend folgender Gleichung erhalten

Ml = M ■

φ ² φ ²

• O₂ .
V'² R₂

In der Schaltung nach F i g. 5 ist die zuletzt erwähnte Beziehung realisiert, indem aus den Phasenwerten Φ η und Φ .s· des Hauptflusses in schon beschriebener Weise mittels der Einrichtung 17 eine dem Betragsqiiadrat des Hauptflußvektors Φ proportionale Größe gebildet wird und analog dazu mittels einer weiteren Einrichtung 17 in entsprechender Weise eine dem Betragsquadrat des Läuferflußvcktors proportionale Größe, weiche als Divisor einem Quoticntcnbildner 67 zugeführt ist. dessen anderer Eingane mil der Klemme 66 verbunden ist. Der Ausgang de? Quotientenbildners 67 wird mittels eines Multiplikators 68 mit einer dem Betragsquadrat des Huaptflußvektors proportionalen Größe multipliziert, so daß ar der Ausgangsklcmme 7 eine dem in obiger Weist

Oo Iinearisierten Moment Mi. entsprechende Größe auftritt, welche nach der in F i g. 1 angedeuteten Weiss innerhalb eines Drehmomcntregelkreises verwende! werden kann.

Eine dem Schlupf c>₂ proportionale Größe crgibi

sich durch Multiplikation des Au.sgangssignals de Quoticntenbildners 67 mittels des Verstärkers 69 dessen Ausgang an die K iemme 8 geführt ist und wahlweist — wie in F i g. ! angedeutet — innerhalb des dortiger

Regelkreises zum Linsatz kommen kann. Die Läuferilrchzuhl o> ergibt sich schließlich, indem von einer an der im Zusammenhang mit F i g. I erwähnten Klemme 15 zur Verfügung stehenden, der Primärfrequenz <>», proportionalen Göi3e 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 r->₂ und o> entsprechend ller Anordnung nach F i g. 5 gilt exakt nur für stationäre, d. h. eingeschwungene Betriebszustände. Für besonders hochwertige Regelungen kann es aber

3|/3 2

In F i g. 7 ist eine Einrichtung 16 mit der in F i g. 4 veranschaulichten Tnnenschaltung vorgesehen, deren Klemmen 32 bis 37 mit Operationsverstärkern mit Verstärkungsfaktoren K bzw. L₂ verbunden sind, um in analoger Weise wie bei F i g. 5 die Werte '/^«, Ψ₂η sowie deren zeitlichen Ableitungen zu bilden. In derselben Weise wie bei der Anordnung nach F i g. 5 erfolgt die Bildung einer dem Drehmoment M proportionalen Größe, welche mittels eines Operationsverstärkers um den Faktor R₁ verstärkt einem Sumhiierglied 70 zugeführt ist. Analog wie bei der Anord-

(I ψ 2 hung nach F i g. 5 wird das Vektorprodukt Ψ₂ ■ _ύ

in einer Multipliziereinrichtung 61 gebildet, mittels eines weiteren Operationsverstärkers 69 mit dem

Faktor ' versehen und ebenfalls dem Summierglied 70 zugeführt. Der Ausgang des Summiergliedes 70 ist auf den Dividendeneingang eines Quotientenbildners nach 71 geführt, an dessem Eingang eine mittels der Einrichtung 17 in bereits beschriebener Weise gebildete, dem Betragsquadrat des Läuferdrehflusses V₂ proportionale Größe liegt. Am Ausgang des Quotientenbildners 71 erscheint dann die Größe t»dyn als eine den dynamischen Drehzahlistwert des Maschinenläufers exakt nachbildende Größe.

In F i g. 8 ist die gerätetechnische Realisierung der in Fig. 4b mit 17 bezeichneten Einrichtung gezeigt, zugleich als Beispiel dafür, wie die Summiergüeder mit ihnen zugeordneten Operationsverstärkern zusammengefaßt werden können. Die Operationsverstärker 50 und 73 sind beim dargestellten Beispiel symmetrische Differenzverstärker hoher Leerlaufverstärkung, d. h., sie benötigten in ihrem unbeschalteten Zustand für eine volle Durchsteueriing einen sehr kleinen F.ingangsstrom bei sehr kiemer Eingangsspannung. Tritt an den mit 74 und 75 bezeichneten Mingangsklemmen kein Potentialunterschied auf, so befindet sich der Ausgang der als Summierverstärker verwendeten Operationsverstärker auf Erd- bzw. Bezugspotenti.il. Eine positive Spannung an dem mit — bezeichneten Eingang 74 verschiebt das Potential «lcs Ausgangs nach negativen Werten, wahresJ eine auf den mit ! bezeichneten Eingang 75 wirkende positive Eingangsspannung das Ausgangspotential der Operationsverstärker in positiver Richtung verjchiebt. Für negative Eingangsspannungen gilt das Umgekehrte. Wenn dafür gesorgt ist, daß die Parallelschaltung sämtlicher mit der Klemme 74 verbundener Widerstände den gleichen Gesamtwiderstand aufweist lvie die Parallelschaltung sämtlicher mit der Klemme75 erforderlich werden, einen Drehzahlistwert zu verwenden, der auch beim Übergang von einer Läuferdrehzahl auf die andere der momentanen Drehzahl entspricht. Zur Erarbeitung eines solchen nlynamisehen« Drehzahlistwertes zeigt F i g. 7 ein Ausführungsbeispiel. Ihm liegt der Gedanke zugrunde, die dem Ersatzschaltbild der F i g. 2 entnehmbare Spannungsvektorgleichung des Sekundärkreises dadurch in eine skalare Gleichung umzuwandeln und so für

ίο die Läuferdrehzahl w eine skalare Größe zu erhalten, indem diese Gleichung vektoriell mit dem Vektor Ί', multipliziert wird. Es ergibt sich dann folgende skalare Beziehung für die Läuferdrehzahl

dt

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

as der jeweils speisenden Eingangsspannung und der Einganpsklemme 74 bzw. 73 liegenden Eingangswidersta.id. Man erkennt, daß mit diesen Voraus Setzungen und mit den in F i g. 8 angegebenen Werten der Eingangswiderständen die Ausgangsspannung des Summierverstärkers 50 die Größe 2Φ + Φη 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 Istwerterfassung unter Verwendung der Augenblickswerte von nur zwei Phasen veranschaulicht, wovon man zweckmäßigerweise immer Gebrauch machen wird, falls das Drehsystem nullkomponentenfrei und die Summe der Augenblickswerte der einzelnen Phasengröße stets gleich Null ist. Sollte für bestimmte Drehsysteme diese Voraussetzung nicht zutreffen, dann lassen sich die dargestellten Ausführungsbeispiele zwangslos auf die drei- oder mehrphasige Erfassung und Verarbeitung der einzelnen Phasenwerte erweitern.

Für die dreiphasige Ausführungsform der in F i g. 4 mit 16 bezeichneten Einrichtung ist z. B. lediglich erforderlich, einen weiteren Stromwandler in tier Zuleitung zu der Maschinenphase W vorzusehen, sowie diesem zugeordnete weitere Operationsverstärker nach Art der in F i g. 4 mit 28, 2) bzw. 30, 31 bezeichneten Verstärkern, um damit in entsprechender Weise zu einer Größe zu kommen, die dem PhasenHußwert Φ c proportional ist.

F i g. 9 zeigt das dreiphasige Analogon zu den in F i g. 4 mit 17 bezeichneten Einrichtungen zur BiI-oung einer dem Betragsquadrat des Drehflufivektors Φ proportionalen Größe. Ausgehend von der eingangs erwähnten Komponentengleichung (1) werden an die Eingangsklemmen der Einrichtung 80 die Phasenllußwerte0/i, Φτ und Φ$ gelegt und den Summiergliedern 81, 82 und 83 mit der angegebenen Wirkungsrichtung zugeführt. Mittels der Operationsverstärker 84 und 85 um die Faktoren 1/2 bzw. ^32 verstärkt und anschließend auf die Eingänge der Multiplikatoren bzw. den quadrierenden Funktionsgeneratoren 86 und

Il

87 gegeteii, sind die drei Phasenflußwerte dann — analog wie be den in F i g. 4 mit 17 bezeichneten Einrichtungen — je mit sich selbst sowie miteinander multipliziert einem Summierglied 88 zugeführt, an dessem Ausgang dann eine dem Betragsquadrat des Drehflußvektors 0 proportionale Größe entsprechend der Beziehung

•rscheint. Die Bildung einer Größe, welche dem Be- to tragsquadrat des sekundären Drehrlußvektors V₂ entspricht, kann prinzipiell in gleicher Weise durchgeführt werden.

F i g. 10 zeigt ein Beispiel zur Bildung des vektotiellen Produktes zwischen zwei Dreh.ektoren mit tiner Multipliziereinrichtung 90 unter Verwendung Ihrer sämtlichen Phasenkomponenten. Die Muitiplitiereinrich »mg stellt wiederum ein dreiphasiges Analogon zu der in F i g. 5 mit 61 bezeichneten Einrichtung dar. Die Phasenwerte f₂/?, ¹P₂S und ¹P₁T des iekundären Drehflußvektors ¹P₂ sowie die Phasenwerte In, Is, It des primären Drehstromvektors /, *ind an Eingangsklemmen der Multipliziereinrichtung 90 geführt, um das vektorielle Produkt Ψ_% · I₁ zu bilden. Der in einem Operationsverstärker 91 zwei- as fach verstärkte Phasenwert ¹^₂H wird von der Summe der beiden anderen Phasenwerte f_as und V₂T in einem Summicrglied 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 Is und It in einem Summicrglied 96 subtrahiert und einem Multiplikator 98 zugeführt, an dessen zweitem Eingang die Differenz der beiden Phasenwerte V₂₅ und W₁T 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 zugrunde liegt, kann auch die im Zusammenhang mit F i g. 7 erwähnte vektorielle Produktbildung

ti Ψ 2

zwischen den Drehvektoren Ψ₂ und _df unter Verwendung ihrer entsprechenden Phasenkomponenten dreiphasig durchgeführt werden.

Claims

Patentansprüche: 55

1. Einrichtung zur Istwertbildung für die Regelung einer insbesondere iimrichtergespcisten Drehstromasynchronmaschine unter Verwendung von Priniärstrom und Primärspannung der Asynchronmaschine erfassenden Wandlern zur Nachbildung der Spannungsabfälle im Ständerkreis, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung einer dem Quadrat des Betragrs des Drehrlußvektors 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.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ersten Eingängen von zwei der Multiplikatoren jeweils eine der einen Flußkomponente proportionale Größe und zweiter Eingängen dieser Multiplikatoren die Summe dieser zweifach verstärkten Größe und eine der anderen Flußkomponente proportionale Größe zugeführt sind (F i g. 4a).

3. Einrichtung nach Anspruch 1, insbesondere unter Verwendung von Parabelmultiplikatoren, dadurch gekennzeichnet, daß den beidei, Eingängen eines ersten der Multiplikatoren (49) eine der einen Flußkomponenten (Φ«) proportionale Größe zugeführt ist und den beiden Eingängen eines zweiten der Multiplikatoren (51) die Summe dieser Größe und dem doppelten Wert einer der anderen Flußkomponente (Φ$) proportionalen Größe (Fig. 4b).

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Multiplikatoren aus vorgespannten Schwellwertdioden aufgebaute, quadrierende Funktionsgeneratoren (49, 51) verwendet sind.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß einen mit dem Ausgang des Summiergliedes ein radizierender Funktionsgenerator (52) zur Flußnachbildung verbunden ist (Fi g. 4b).

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der den Flußkomponenten proportionalen Größe 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 Differentialquoh-'.nten proportionate Spannungen abgenommen und zusammen mit der zugeordneten Phasenspannung einem Integrator (38, 39) zugeführt sind (Fig. 4).

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gleichstromunterdrückung die Integratoren (38, 39) mit Proportionalveniärkern (42, 43) gegengekoppelt sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Quotient aus doppelter Integrierzeit (27") der Integratoren (38, 39) und Nachstellzeit (Tn) von Integralanteile aufweisenden, gegenkoppelnden Proportionalverstärkern (42. 43) gleich oder kleiner als die Proportionalverstärkung (K) derselben gewählt ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Proportionalverstärkung (V möglichst klein gewählt ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche ! bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Drehmo mentnachbildung mittels den Flußkomponentet proportionalen Größen zwei Multiplikatoren (9.1 98) vorgesehen sind, deren Ausgänge in einen Summierglied (99) subtrahiert sind, deren erstei Eingänge mit der Differenz der Augenbiickswert des sekundären Flusses bzw. des Primärstrome zweier Phasen proportionalen Größen ('f₄.s-, Ψ₃ bzw. Is, It) und deren zweiten Eingänge mit de Summe dieser Größen, vermindert um den zwe:

fachen Wert einer dem sekundären Fluß bzw. dem Primärstrom der dritten Phase proportionalen Größe beaufschlagt sind (Fig. 10).

11. Hinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Drehmonienlnachhildung mittels den Flußkomponenten proportionalen Größen 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 zweiten tiingänjjc mit einer dem Primärstrom der anderen Phase proportionalen Gröik beaufschlagt sind und daß die Ausgangsgrößen der Multiplikatoren in einem Summierglied subtrahiert sind (Fig. 5).

12. Einrichtung nach den Ansprüchen 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung einer der Schhipffreouenz proportionalen Größe der Ausgang des Summierglicdes als Dividend einem Quoticntenbildner (67) zugeführt ist, an dessen ·~ο anderem Eingang eine dem Betragsquadrat des sekundären Drehflusses proportionale Größe als Divisor wirkt.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines für einen Drehmomentregelkreis bestimmten Istwertes die Ausgangsgröße des Quotientenbildners (67) einem Multiplikator (68) zugeführt ist, an dessen anderem Eingang eine dem Betragsquadrat des llauptdrehflusses proportionale Grolle wirkt.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung einer der Läuferdrehzahl proportionalen Grolle mittels den Flußkomponenten proportionalen Größen zwei Multiplikatoren vorgesehen sind, deren erste Eingänge (59, 60) jeweils mit einer dem Augcnblickswert des sekundären Flusses der einen Phase proportionalen Größe ('/'„/(, V'_2S) und deren zweite Eingänge (64, 65) mit den zeitlichen Ableitungen der anderen Phasen proportionalen Grollen (d7'₂/i/ d/, dV'tsldl) beaufschlagt sind, daü die Ausgangsgrößen der Multiplikatoren über einen Verstärker (69) subtraktiv einem Summierglied (70) zusammen mit einer dem Drehmoment proportionalen Größe zugefülirt sind und daß der Ausgang dieses Summicrglicdes mit dem Dividendeneingang eines Quotientenbildncrs(71) verbunden ist, an dessen anderem Eingang eine dem Betragsquadrat des sekundären Drehflusses (7'₂) proportionale Größe liegt (Fig. 7*.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen