DE2234681B2 - Verfahren und Schaltungsanordnung zum Herabsetzen der Drehmomenten-Welligkeit einer Drehfeldmaschine - Google Patents

Verfahren und Schaltungsanordnung zum Herabsetzen der Drehmomenten-Welligkeit einer Drehfeldmaschine

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Description

Drehfeldmaschine, die an einem Zwischenkreisumrichter mit geregeltem Strom im Zwischenkreis angeschlossen ist, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung anzugeben, durch welche dieDrehmomenten-Welligkeit der Drehstrommaschine, insbesondere bei kleinen Maschinenfrequenzen, weitgehend unterdrückt werden kann.
Ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Ausgangssignal des Vergleichers dem Sollwert für den Strom im Zwischenkreis überlagert wird.
Eine Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens mit einem Drehmomentregler, der dem Vergleicher nachgeschaltet ist, besteht erfindungsgemäß darin, daß das Ausgangssignal des Drehmomentreglers in einem Additionsglied dem Sollwert für den Strom im Zwischenkreis aufgeschaltet ist.
Die Erfindung basiert also auf der Überlegung, daß es bei niedrigen Maschinenfrequenzen, bei denen die Periodendauer der Maschinenfrequenz noch groß ist gegenüber der Ausregelzeit des Stromreglers im Stromregelkreis, möglich ist, den Strom im Zwischenkreis, der im stationären Betrieb bei höherer Maschinenfrequenz durch den Regelkreis konstant gehalten wird, so zu modulieren, daß das Drehmoment der Drehfeldmaschine einen zeitlich gleichförmigen Verlauf erhält.
Soll die Schaltungsanordnung sowohl für den motorischen als auch für den generatoriscnen Betrieb der Drehfeldmaschine eingesetzt werden, so ist zu beachten, daß sich bei einem Übergang von der einen Betriebsart in die andere das Vorzeichen des Drehmoment-Istwerts ändert. In diesem Fall ist es zweckmäßig, daß der Drehmoment-Istwert einem Betragsbildner zugeführt ist, dessen Ausgang mit dem einen Eingang des Vergleichers verbunden ist. Da bei einem Drehrichtungswechsel im allgemeinen auch das Vorzeichen des Drehmoment-Sollwerts geändert wird, sollte der Drehmoment-Sollwert ebenfalls einem Betragsbildner zugeführt sein, dessen Ausgang mit dem anderen Eingang des Vergleichers verbunden ist.
Zur Ermittlung des Drehmoment-Istwerts kann ein Drehmomentgeber auf der Läuferwelle der Drehstrommaschine angeordnet sein. Zu diesem Zweck kann aber auch ein Drehmomentrechner vorgesehen sein, welcher mit den Istwerten von Maschinenspannung und Maschinenstrom gespeist ist.
Der Drehmoment-Sollwert kann dem Vergleicher oder dem Betragsbildner prinzipiell auf beliebige Weise vorgegeben sein. Beispielsweise kann als Drehmoment-Sollwertgeber ein Potentiometer vorgesehen sein. Ein besonderer Drehmoment-Sollwertgeber erübrigt sich aber, wenn die Schaltungsanordnung für eine Drehfeldmaschine vorgesehen ist, deren Drehzahl über einen Drehzahlregelkreis geregelt wird. In diesem Fall kann so vorgegangen werden, daß der dem Betragsbildner oder dem Vergleicher zugeführte Drehmoment-Sollwert am Ausgang des Drehzahlreglers im Drehzahlregelkreis abgegriffen ist. Auf diese Weise ist der Drehmoment-Sollwert vom Drehzahl-Sollwert abgeleitet, und Drehzahländerungen infolge Laständerungen werden berücksichtigt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine Schaltungsanordnung zum Herabsetzen der Drehmomentenwelligkeit einer Drehstrom-Asynchronmaschins mit einem Zwischenkreisumrichter und zugeordneten Steuer- und Regelkreisen, und F i g. 2 Zeitdiagramme der Drehmomentenwelligkeit einer Drehstrom-Asynchronmaschine bei bisher üblichem motorischem und generatorischem Betrieb. Nach F i g. 1 ist eine Drehfeldmaschine 2, im vorliegendem Fall eine Drehstrom-Asynchronmaschine, deren Läuferwelle 3 zur Ermittlung der Drehzahl« mit einer Tachometermaschine 4 versehen ist, über
ίο einen statischen Zwischenkreisumrichter an ein Drehstromnetz 5 angeschlossen. Die Drehstrom-Asynchronmaschine ist beispielsweise für den Betrieb eines Schienenfahrzeugs vorgesehen. Der Zwischenkreisumrichter besteht aus einem sechspulsigen
x5 maschinengetakteten Stromrichter 6 und einem netzgeführten Stromrichter 7, die über einen Gleichstromzwischenkreis 8 miteinander verbunden sind. Der Gleichstromzwischenkreis 8 enthält ©ine Glättungsdrossel 9 und einen Stromwandler 10, der zur Erfas-
ao sung des Istwerts / des Stroms im Gleichstromzwischenkreis 8 dient. Den Stromrichtern 6 und 7, deren steuerbare Ventile z. B. in Drehstrombrückenschaltung angeordnet sind, ist jeweils ein Steuersatz 11 bzw. 12 zugeordnet.
Der Steuersatz 12, der über eine Leitung 13 mit der Netzfrequenz synchronisiert ist, erhält seine Eingangssignak in bekannter Weise von einem vorgeschalteten Stromregler 14, dessen Vergleicher 15 vom Stromwandler 10 her der Istwert / des Stroms im Gleichstromzwischenkreis 8 sowie ein StromsoH-vvert zugeführt sind. Der Strcmsollwert ist in F i g. 1 mit /„,* bezeichnet. Er wird üblicherweise — abweichend von der Darstellung in Fig. 1 — direkt oder über einen Funktionsgenerator einem übergeordneten Drehzahlregler 16 entnommen, der auf den Steuersatz 11 des Stromrichters 6 einwirkt. Der Vergleicher 17 dieses Drehzahlreglers 16 erhält einen Drehzahl-Sollwert n* von einem Sollwertgeber 18. der als Potentiometer angedeutet ist, sowie den Dreh-
♦0 zahl-Istwert η von der Tachometermaschine 4. Die Impulssignale der Tachometermaschine 4 werden dabei im allgemeinen durch eine in der F i g. 1 nicht dargestellte Einrichtung zur Digital-Analog-Umwandlung geformt.
Die aus dem Stromregler 14, dem Vergleicher 15 und dem Stromwandler 10 bestehende Regelschaltung für den Strom / im Gleichstromzwischenkreis 8 sorgt üblicherweise dafür, daß der Sirom / entsprechend der Drehzahl η auf einem von dem Sollwertgeber 18 vorgegebenen Wert festgehalten wird. Dieser Strom / wird abwechselnd vom Stromrichter *> den einzelnen Phaser.zuleitungen der Drehfeldmaschine 2 aufgeprägt. Das Drehmoment der Drehfeldmaschine 2 erhält infolgedessen keinen gleichförmigen zeitlichen Verlauf, sondern enthält Oberwellen.
In F i g. 2 ist der Verlauf des Drehmoments D einer Drehstrom-Asynchronmaschine bei motorischem und bei generatorischem Betrieb sowie im Leerlauf in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen. Diese Drehmomenten-Welügkeit macht sich besonders bei kleinen Drehzahlen der Drehstrom-Asynchronmaschine durch Geräusche und unrunden Lauf unangenehm bemerkbar.
Wie im folgenden anhand von F i g. 1 näher ausgeführt wird, kann diese Drehmomenten-Welligkeit gemäß der Erfindung bei niedrigen Drehzahlen weitgehend dadurch unterdrückt werden, daß der Stromsollwert /m* nicht konstant gehalten oder lediglich
5 6
in Abhängigkeit von der Belastung der Drehstrom- Die Betragsbildner 21 und 22 bilden jeweils dte Asynchronmaschine geführt wird, sondern zusätzlich Absolutwerte des Drehmoments \D\ bzw. |D *|.Diese in Abhängigkeit von der Drehmomentenwelligkeit werden im Vergleicher 23 miteinander verglichen, moduliert wird. Das ist gemäß der Erfindung solange Die Drehmoment-Abweichung Δ Ό wird dem Drehmöglich, als die Periodendauer der Maschinenfre- 5 momentregier 24 zugeführt, dessen Ausgangssigna] quenz groß ist gegenüber der Ausregelzeit des Strom- ΔI * einem Additionsglied 28, ζ. Β. einem Additionsreglers 14 also gerade bei niederen Maschinenfre- verstärker, zugeleitet wird. Der andere Eingang des quenzen, bei denen die Drehmomentenwelligkeit am Additionsgliedes 28 wird mit einem Stromsollwert /*, meisten stört. der über einen Funktionsgenerator 29 mit vor-
Das Drehmoment erhält dadurch im niederen io gegebener Kennlinie aus dem Drehmoment-Soll-Maschinenfrequenzbereich einen praktisch gleich- wert D* gebildet wird, gespeist. Im Additionsglied förmigen zeitlichen Verlauf. 28 wird also der Sollwert / * für den Strom im Zwi-
Gemäß F i g. 1 enthält die Schaltungsanordnung schenkreis 8 mit dem Ausgangssignal ΔI * des Dreh-20 zur Herabsetzung der Drehmomenten-Welligkeit momentreglers 24 moduliert. Man erhält somit einen zwei Betragsbildner 21 und 22, deren Ausgänge mit 15 modulierten Stromsollwert In,*, welcher sich im den beiden Eingängen eines Vergleichers 23, der Takte der Drehmomenten-Welligkeit zeitlich vereinem Drehmomentregier 24 zugeordnet ist, verbun- ändert. Auf diese Weise wird der Strom / im Gledchden sind. Die Schaltungsanordnung 20 ist für moto- stromzwischenkreis 8 so moduliert, daß der Unterrischen, generatorischen und für Leerlaufbetrieb ge- schied zwischen Drehmoment-Istwert D und Dreheignet. Der Betragsbildner 21 wird mit dem Dreh- ao moment-SoIlwert Dm zu Null wird und die Momenmoment-Istwert D der Drehfeldmaschine 2 gespeist. tenwelligkeit verschwindet. Wird der vom Dreh-Dieser Drehmoment-Istwert D wird im vorliegenden momentrechner 25 ermittelte Drehmoment-Istwert D Fall von einem Drehmomentrechner 25 ermittelt, dem größer, so wird der Strom / im Gleichstromzwdschendie Maschinenspannung Un, und der Maschinen- kreis 8 sofort kleiner und umgekehrt. Wegen der Verström IM zugeführt werden. Ein solcher Dreh- 25 wendung der Betragsbildner 21 und 22 kann die momentrechi;jr 25 ist beispielsweise aus der deutschen Kompensation der Drehmomenten-Welligkeit unPatentschrift 1 806 769 bekannt. Die Maschinen abhängig von dem Vorzeichen des Drehmomentes spannung UM wird mittels eines Spannungswandlers der Drehfeldmaschine 2 durchgeführt werden.
26 und der Maschinenstrom lM mittels eines Strom- Die bisher beschriebene Steuer- und Regelschalwandlers 27 in den Verbindungsleitungen zwischen 30 tung 30 wird, wie weitgehend aus der Siemens-Zeit-Stromrichter 6 und Drehfeldmaschine 2 ermittelt. schrift 45 (1971), S. 195 bekannt ist, ergänzt durch Anstelle des Drehmomentrechners 25 kann auch ein einen Drehmomentenregler 31 mit vorgeschaltetem (nicht gezeigter) Drehmomentgeber vorgesehen sein, Vergleicher 32, dem sowohl der vom Drehzahlregler welcher auf der Läuferwelle 3 jer Drehfeldmaschine 2 16 gebildete drehzählabhängige Drehmoment-Sollangeordnet ist. 35 wert D * als auch der vom Drehmomentrechner 25
Dem Betragsbildner 22 wird ein Drehmoment- ermittelte Drehmoment-Istwert D zugeführt sind. Das
Sollwert D * zugeführt. Dieser wird im vorliegenden Ausgangssignal η" des Drehmomentreglers 33 be-
FaII am Ausgang des Drehzahlreglers 16 abgegriffen. rücksichtigt den Schlupf der Drehstrom-Asynchron-
Er ändert sich somit mit dem Belastungsmoment der maschine und wird in einem Additionsglied 33 als
Drehfeldmaschine 2. Als Drehmoment-Sollwertgeber 40 Korrekturgröße dem Drehzahlistwert η aufgeschaltet,
könnte auch ein besonderes Potentiometer vorgesehen Das korrigierte Ausgangssignal η' des Additionsglie-
sein, welches auf den mittleren Drehmoment-Istwert des dient also Steuerspannung für den Steuersatz 11
eingestellt ist. des Stromrichters 6.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
5421

Claims (2)

Zwischenkreis angeordneten Glättungsdrossel frei, Patentansprüche: d. h. nahezu unabhängig von der Spannungsform im Zwischenkreis, ausbilden. Der Strom im Zwischen-
1. Verfahren zum Herabsetzen der Dreh- kreis bleibt während der Kommutierung praktisch momenten-Welligkeit einer Drehfeldmaschine, 5 konstant; es muß also mir der durch die Glättungswelche über einen Zwischenkreisumrichter mit drossel festgehaltene Gleichstrom kommutiert wersteuerbaren Ventilen und mit eingeprägtem Strom den. Für die Umkehrung des Energieflusses, also für im Zwischenkreis an ein Drehstromnetz ange- geneiatorischen Betrieb, wird die Zwischenkreisspanschlossen ist, mit einem auf den netzseitigen nung bei gleichbleibender Stromrichtung umgekehrt. Stromrichter einwirkenden Stromregelkreis zur io Dies ist wegen des Fehlens von Rücklaufventilen Regelung des Stroms im Zwischenkreis und mit durch Ändern des Steuerwinkels des maschineneinem Vergleicher, der den Drehmoment-Istwert seifigen Stromrichters möglich.
der Drehfeldmaschine mit einem vorgegebenen Aus der »Siemens-Zeitschrift«, 45. Jahrgang, April
Sollwert vergleicht und dessen Ausgangssignal zur 1971, Heft 4, Seiten 177 bis 182, ist es weiter bekannt, Steuerung des Umrichters verwendet ist, da- 15 daß dem mittleren Drehmoment einer Synchrondurch gekennzeichnet, daß das Aus- maschine, die aus einem Zwischenkreisumrichter mit gangssignal des Vergleichers (23) dem Soll- zwei Stromrichtern in Drehstrom-Brückenschaltung wert (I *) für den Strom im Zwischenkreis (8) gespeist wird, Oberwellenmomente höherer Ordnung überlagert wird. überlagert werden. Die Ordnung dieser Oberwellen-
2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des 20 momente ist durch ein ganzzahliges Vielfaches der Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Dreh- Pulszahl des maschinenseitigen Stromrichters gegeben, momentregier, der dem Vergleicher nachgeschal- Beispielsweise treten bei einem sechspulsigen Zwitet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Aus- schenkreisumrichter, bedingt durch die rechteckförgangssignal (<dl*) des Drehmomentreglers (24) migen, nichtsinusförmigen Ströme, Oberwellen im in einem Additionsglied (28) dem Sollwert (I *) 95 Drehmoment mit sechs-, zwölf-, achtzehn-... -fächer für den Strom im Zwischenkreis (8) aufgeschal- Maschinenfrequenz auf. Diese Drehmomenten-Weltet ist. ligkeit macht sich besonders bei sehr kleinen Maschinenfrequenzen durch einen unrunden Lauf und durch Rattern unangenehm bemerkbar.
30 In dem genannten Aufsatz in der »Siemens-Zeitschriftcwird angegeben, daß bei Vorliegen besonderer Bedingungen die Drehmomenten-Welligkeit
durch Übergang von sechs- auf zwölfpulsige Schaltungen beträchtlich vermindert werden kann. In die-35 sem Fall hat das niedrigste Oberwellenmoment die zwölfte Ordnung. Eine solche Maßnahme bedeutet aber einen erheblichen Aufwand sowohl für die Steuersätze der Stromrichter als auch für die Strom-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und richter selbst. Die Anzahl der steuerbaren Haupteine Schaltungsanordnung zum Herabsetzen der Dreh- 40 ventile im maschinenseitigen Stromrichter muß auf momenten-Welligkeit einer Drehfeldmaschine, welche jeden Fall vergrößert werden.
über einen Zwischenkreisumrichter mit steuerbaren Einen Zwischenkreisumrichter mit einem Regel-
Ventilen und mit eingeprägtem Strom im Zwischen- kreis auszustatten, der für eine Konstanthaltung des kreis an ein Drehstromnetz angeschlossen ist, mit Stroms im Zwischenkreis sorgt, ist ebenfalls bekannt, einem auf den netzseitigen Stromrichter einwirkenden 45 z. B. aus der »Siemens-Zeitschrift«, 45. Jahrgang, Stromregelkreis zur Regelung des Stroms im Zwi- April 1971, Heft 4. Seiten 195 bis 197, Bild 1.
schenkreis und mit einem Vergleicher, der den Dreh- Aus der letztgenannten Literaturstelle ist das ein-
moment-Istwert der Drehfeldmaschine mit einem vor- gangs genannte Verfahren bekannt. Danach ist der gegebenen Sollwert vergleicht und dessen Ausgangs- maschinenseitigc Stromrichter eines Zwischenkreissignal zur Steuerung des Umrichters verwendet ist. 50 Umrichters r-'t einem Ständerfrequenzregelkreis aus-Zwischenkreisumrichter mit eingeprägtem Strom gerüstet, dessca Sollwert von einem Drehmomentim Zwischenkreis und angeschlossener Drehfeld- regler gelietcr' --vird. Dem Vergleicher dieses Drehmaschine sind bekannt, z.B. aus der deutschen Offen- momentreglers wird einerseits der von einem Istwertlegungsschrift 1513 518. Sie werden zum drehzahl- rechner aus Maschinenspannung und Maschinenstrom regelbaren Antrieb mit DrehfeldmaschineD verwen- 55 ermittelte Drehmoment-Istwert und andererseits der det. Im motorischen Betrieb führt ein als Gleich- von einem übergeordneten Regler gelieferte Drehrichter arbeitender Stromrichter dem Zwischenkreis moment-Sollwert zugeführt. Der Drehmomentregler Energie aus dem Drehstromnetz zu. Der mit Steuer- sorgt hierbei dafür, daß bei hohen und tiefen Maschibaren Ventilen ausgestattete Gleichrichter erhält seine nenfrequenzen der Mittelwert des Drehmoments dem Steuerimpulse aus einem Steuersatz, der mit der Netz- 60 vorgegebenen Drehmoment-Sollwert nachgeführt spannung synchronisiert ist. Ein als Wechselrichter wird. Da die Drehmoment-Regelung nur für eine arbeitender Stromrichter, der ebenfalls mit Steuer- Nachführung des Mittelwerts sorgt, können sowohl baren Ventilen ausgestattet ist, speist die angeschlos- bei hohen als auch bei niederen Maschinenfrequenzen sene Drehfeldmaschine mit einer Drehspannung ein- erhebliche Schwankungen und Sprünge des Drehstellbarer Frequenz. Der Wechselrichter kann über 65 moment-Istwerts auftreten, von denen sich besonders seinen Steuersatz eigen- oder fremdgetaktet betrieben diejenigen bei kleinen Maschinenfrequenzen störend werden. Die Drehspannung an der Drehfeldmaschine bemerkbar machen,
kann sich durch die entkoppelnde Wirkung der im Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine
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