DE2236763A1

DE2236763A1 - Verfahren zur steuerung der lage des staenderstromvektors einer ueber einen wechselrichter mit eingepraegtem strom gespeisten drehfeldmaschine

Info

Publication number: DE2236763A1
Application number: DE2236763A
Authority: DE
Inventors: Felix Dipl Ing Blaschke; Herwig Dipl Ing Klautschek
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-07-26
Filing date: 1972-07-26
Publication date: 1974-02-07
Also published as: CH564281A5; FR2194071B1; FR2194071A1; DE2236763B2; AT323847B; GB1432268A; BE802669A; ZA734850B; SE382539B; DE2236763C3; CA1014607A

Description

Verfahren zur Steuerung der Lage des Ständerstromvektors einer über einen Wechselrichter mit eingeprägtem Strom gespeisten Drehfeldmaschine

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Lage des Ständerstromvektors einer über einen Wechselrichter mit eingeprägtem Strom gespeisten Drehfeldmaschine. Ein derartiges Steuerverfahren ist im Zusammenhang mit einer Asynchronmaschine nach der deutschen Offenlegungsschrift 1 941 312 bekannt. Dabei sind jedoch für die Ständerstromvektorlagen prinzipiell nur bestimmte diskrete Lagen möglich, deren Anzahl der Pulszahl des verwendeten Wechselrichters entspricht. Beim Betrieb der Asynchronmaschine mit niedrigen Frequenzen bedingen diese diskreten Stellungen nun störende Oberwellen im Drehmoment.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, bei Anordnungen der eingangs genannten Art ein Verfahren anzugeben, mit dem eine kontinuierliche Steuerung der Ständerstromvektorlage erreicht wird. Der Ständerstromvektor soll also im gesamten Intervall zwischen zwei diskreten Stellungen jede beliebige effektive Lage einnehmen können und in einer solchen auch beliebig lange festgehalten werden können.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungegemäß dadurch, daß zur quasistetigen Steuerung der Ständerstromvektor abwechselnd in die eine und in die andere von zwei benachbarten diskreten Lagen gebracht und mit dem Verhältnis der Verweilzeiten in diesen Lagen seine effektive Zwischenlage vorgegeben wird. Grundgedanke der Erfindung ist es also, praktisch einen zeitlichen Mittelwert für die Lage des Ständerstromvektors zu bilden, welche abhängig ist vom Verhältnis der Verweilzeiten

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des Ständerstromvektors in zwei benachbarten diskreten Lagen. Pur Wechselrichter, welche nur bezüglich einer Drehrichtung des Ständerstromvektors kommutierbar sind, besteht eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, daß die Lageänderungen des Ständerstromvektors stets Bit demselben Drehsinn vorgenommen werden. Selbstverständlich ist dabei die Zeit, welche zur Änderung einer Ständerstronvekto*- lage im Vergleich zu den Verweilzeiten des Ständerstromvektors in diesen Lagen vernachlässigbar klein ist.

Die Erfindung samt ihrer weiteren Ausgestaltungen, welche in Unteransprüchen gekennzeichnet sind, ist nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert.

In Pig. 1 ist eine Asynchronmaschine 1 dargestellt, deren Ständerwicklungen R, S und T aus einem Drehstromnetz von einem Zwischenkreisumrichter gespeist ist. Der Zwischenkreisumrichter besteht aus einem Gleichrichter GR und einem 6-pulsigen Wechselrichter WR. Im Gleichstromzwischenkreis dieses Umrichters wird mittels eines Stromreglers 2 ein eingeprägter Gleichstrom I-, erzwungen, welcher dann über die Hauptventile S1 bis S6 des Wechselrichters WR den Ständerwicklungen R, S, T der Asynchronmaschine 1 zugeführt sind. Den Hauptventilen S1 bis S6 sind jeweils Komautierungskondensatoren C und Kommutierungsventile S7 bis S12 parallel angeordnet, so daß durch Zündung eines Kommutierungsventils jeweils das im parallel angeordnete Hauptventil löschbar ist. Die hierzu erforderlichen Kommutierungsspannungen werden von den Kommutierungskondensatoren bereitgestellt, welche mit den ihnen zugeordneten Ständerphasenwicklungen der Asynchronmaschine 1 Schwingkreise bilden. Es ist jeweils eines der Ventile S1 bis S3 und gleichzeitig eines der Ventile SA bis S6 durch Anlegen von positiven Zündimpulsen an deren Steuerstrecken g1 bis g6 durchlässig gesteuert, so daß der

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eingeprägte Gleichstrom I -, jeweils zwei Phasenwicklungen durchfließt. Die Zündimpulse für die Steuerstrecken g1 bis g12 werden von Winkelschalter WS geliefert, und zwar gibt dieser pro Umdrehung eines Steuervektors, dessen Komponenten cos Ji und sin /J an die Eingangsklemmen 3 und 4 angeschlossen sind, bei 6 diskreten Winkelstellungen dieses Steuervektors an jeweils einem bestimmten seiner sechs Ausgänge einen Zündimpuls für die Ventile des Wechselrichters WR aus, wodurch diese so gesteuert werden, daß der Vektor des Ständers^fcromes der Asynchronmaschine 1 jeweils 6 den diskreten Winkelstellungen des von den Komponentenspannungen cos β und sinρ beschriebenen Steuervektors folgt.

Im einzelnen geht die Zündreihenfolge der Hauptventile S1 bis S6 aus dem Schema der Pig. 2 hervor. Es sind dort 6 diskrete Lagen des resultierenden Ständerstromvektors dargestellt, welche sich jeweils bei Zündung der an den einzelnen Vektorpfeilen vermerkten Ventile ergeben. Damit sich der Ständerstromvektor entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn in Sprüngen von jeweils 60° bewegt, wären also zunächst beispielsweise die Ventile S1 und S6 im durchlässigen Zustand zu halten, so dann die Ventile S2 und S6, sodann die Ventile S2 und S4 usf. Es bieten sich aus Symmetriegründen die mit I bis VI bezeichneten Winkelbereiche an, in denen die Hauptventile in der angegebenen Weise zu zünden sind, und der Ständerstromvektor wird also jeweils in die nächstfolgend mögliche Lage gebracht, sobald der Steuervektor die Grenze eines dieser Bereiche überschreitet.Die Schaltungsanordnung nach Pig. 1, der Aufbau des Winkelschalters WS sowie das zuvor beschriebene Steuerverfahren sind an sich gemäß der deutschen Offenlegungsschrift 1 941 312 bekannt und sind daher nur in ihren Grundzügen wiedergegeben worden.

Zur kontinuierlichen Vorgabe der effektiven Ständerstromvektorlagefzwischen zwei benachbarten diskreten Lagen kann

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nun der Steuervektor bzw. der ihm nachfolgende Ständerstromvektor laufend zwischen diesen beiden Lagen hin und her geschaltet werden, wobei die Richtung der sich jeweils dadurch ergebenden effektiven Zwischenlage durch das Verhältnis der Verweilzeiten in den beiden diskreten Lagen bestimmt ist.

,z.B.

Ist dieses Verhältnis/gleich 1, d.h. verharrt der Ständerstromvektor genauso lange in der einen Lage wie in der dieser benachbarten diskreten Lage» dann läge die effektive Richtung des resultierenden Ständerstromvektors genau in der Mitte zwischen diesen beiden Lagen. Gestattet die besondere Ausbildung des Kommutierungskreises des Wechselrichters - wie bei der Anordnung nach Pig. 1 - diejaufeinanderfolgende Kommutierung der Ventile nur in einer bestimmten Reihenfolge, was einem bestimmten Drehsinn des Ständerstromvektors entspricht, dann erfolgt das Hin- und Rückschalten des Ständerstromvektors ζumZwecke seiner quasistetigen Steuerung ebenfalls immer im gleichen Drehsinn, wobei zum Erreichen der entgegen diesem Drehsinn liegenden benachbarten Lage der Ständerstromvektor mit möglichst großer Geschwindigkeit überjdie nicht gewünschten Lagen hinwegbewegt wird. Ist die Zeitdauer eines Umlaufes mit maximal möglicher Geschwindigkeit vernachlässigbar klein gegenüber den Verweilzeiten des Ständerstromvektors in den beiden diskreten Lagen, dann sieht es so aus, als würde der Ständerstromvektor stets nur eine von diesen beiden Lagen einnehmen.

Die Pig. 3 zeigt ein Diagramm zur prinzipiellen Erläuterung des erfindungsgemäSen Verfahrens bei einem Wechselrichter entsprechend Pig. 1. V stelle einen Vorgabevektor für die gewünschte Lage des Ständerstromvektors dar, welcher gegenüber der Achse der Ständerwicklung R der Asynchronmaschine den zunächst als konstant angenommenen Winkel ß* aufweist. S stelle den Steuervektor dar, der den Winkel P aufweist und dessen Komponenten cos β und sin β den Eingang des

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Winkelsehalters WS beaufschlagen. Dieser Steuervektor läuft nun ständig um, und zwar außerhalb «ines symmetrisch zu dem Vorgabevektor V liegenden,zwischen den mit G1 und G2 bezeichneten Grenzen befindlichen Winkelbereichs OC mit der höchstmöglichen Winkelgeschwindigkeit 6Λ und innerhalb

IDcIJt.

dieses Winkelbereiches O< mit einer demgegenüber erheblich verminderten Winkelgeschwindigkeit. In der dargestellten Stellung befindet sich der Steuervektor: S zwischen —~- und ²^** , d.h. im Bereich II (vergleiche Fig. 2), und der Ständerstromvektor hat die mit der Winkelhalbierenden dieses Bereiches übereinstimmende Lage. Diese behält er nun so lange bei, bis der Steuervektor S den Winkel ²^ überschreitet und damit in den Bereich III gelangt, wobei der Ständerstromvektor die lage der Winkelhalbierenden dieses Bereiches einnimmt. Überschreitet nun der Steuervektor S die eine Grenze G1 des symmetrischen Winkelbereiches qC , dann wird er und mit ihm der ihm nachfolgende Ständerstromvektor mit höchstmöglicher Winkelgeschwindigkeit sich weiterdrehen und praktisch an die zweite Grenze G2 dieses Winkelbereiches gelangen, woraufhin der Ständerstromvektor wieder die mit II bezeichnete diskrete Lage einnimmt. Bei festgehaltener Winkellage des Vorgabevektors V wiederholt sich dieses Spiel bei jedem Umlauf des Steuervektors S und es läßt sich zeigen, daß die effektive Lage des Ständerstromvektors.im Mittel gesehen,umso genauer der Lage des Vorgabevektors V entspricht, je mehr sich der symmetrische Winkelbereich ot dem optimalen Grenzwert von ² V~ nähert, wobei η die Anzahl_

η
der diskreten Lagen bedeutet. Beim dargestellten Beispiel ist l£ = 6 und der optimale Wert von &■ somit 77~*/3 = 60°.

Der Ständerstromvektor wird in der zuvor beschriebenen Weise dem Vorgabevektor auch folgen, falls sich dieser bewegt, sofern dessen Winkelgeschwindigkeit kleiner ist als die des Steuervektors in dem symmetrischen Winkelbereich cL . Dabei

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kann die Drehrichtung des Vorgabevektors auch entgegengesetzt zu der des Steuervektors sein, so daß innerhalb eines bestimmten Winkelgeschwindigkeitsbereiches auch eine kontinuierliche Drehung des Standerstromvektors im Uhrzeigersinn möglich wird. Dies kann insbesondere dann von Bedeutung sein, wenn die Drehfeldmaschine für eine Stellungsregelung eingesetzt wird und infolge eines Oberlaufes über die geforderte Sollstellung eine kurzzeitige Rückwärtsbewegung des Stellantriebes erforderlich wäre.

Pig. 4 zeigt eine gerätetechnische Realisierung des zuvor beschriebenen Steuerungsprinzips in blockschaltbildlicher Darstellung. Die an die Klemme 5 und 6 angelegten normierten Komponentenspannungen cosß* und sinß* des Vorgabevektors V werden einem mit VD bezeichneten Vektordreher zugeführt, der mit noch zwei zusätzlich eingegebenen KomponentenspannuDgen cos/*und sin β des von einem statischen Zweiphaaengenerator 7 gebildeten Steuervektors S zwei Größen ausgibt, welche dem Kosinus und dem Sinus des Differenzwinkels P * - β zwischen dem Vorgabevektor V und dem Steuervektor S entsprechen. Der Aufbau eines derartigen Zweiphasengenerators ist an sich bekannt, er besteht im wesentlichen aus zwei hintereinandergeschalteten Integratoren, denen jeweils ein Multiplikator vorgeordnet ist, wobei das Ausgangssignal des zweiten Integrators auf den Eingang des ersten Integrators rückgekoppelt ist. Wird ein derartiger statischer Zweiphasengenerator mit einer Spannung an seinem Frequenzatelleingang beaufschlagt, so tritt an seinen Ausgängen ein Sinus-Kosinus-Paar auf, dessen Argument jeweils das Zeitintegral dieser Eingangsspannung ist.

Die Ausgangsspannung sin ( ß* - p) des Vektordrehers VD wird direkt dem Dividendeneingang eines Quotientenbildners zugeführt, seine mit cos (A* - ß) bezeichnete Ausgangs-

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spannung, vermehrt um eine konstante Einheitssp'annung B^-VOm Betrag 1, dem Divisoreingang dieses Quotientenbildners. Es erscheint daher am Ausgang des Quotientenbildners»8 eine Spannung, welche gemäß der Formel sina - %g cP dem

1+cos 2

Tangens des halben Differenzwinkels zwischen dem Steuervektor und dem von dem Zweiphasengenerator 7 gebildeten Steuervektor proportional ist. Mittels eines Argustangens-Funktionsgenerators 9, zwischen dessen Eingangsgröße e und dessen Ausgangsgröße a die Beziehung a = 2 arctg e besteht, wird eine Größe erhalten, welche der üinkeldifferenz ß* -ß direkt proportional ist. Diese Winkeldifferenz wirkt auf den Eingang des PI-Reglers 10, dessen Ausgangsgröße die Frequenz des Zweiphasengenerators 7 und damit die Phasenlage des von ihm ausgegebenen Vektors in dem Sinne verändert, daß die Eingangsspannung des PI-Reglers 10 verschwindet. Es wird also die Winkellage des von dem Zweiphasengenerator 7 ausgegebenen Vektors mit der Winkellage des Vorgabevektors in Übereinstimmung gebracht. Eine Diode 12 stellt dabei sicher, daß nur positive Werte der Ausgangsspannung des PI-Reglers 10 wirksam werden und infolgedessen sieh der mit den Komponentenspannungen cos/3 und sin ß 'ösaeäri ebene Vektor stets nun in einer Richtung zu drehen versag» ..Ein© konstante positive Zusatzeinspeisung B bewirkt dabei eine Mindestfrequenz für den Fall, daß bei negativen Ausgangssignalen des PI-Reglers 10 die Diode 11 gesperrt ist.

Die bisher beschriebene Art der Steuerung ist bereits an' anderer Stelle vorgeschlagen worden und würde für den Fall vorgenommen werden, daß die Winkelgeschwindigkeit des von den Komponentenspannungen cos/2* _Und sin/?* beschriebenen Vorgabevektors V so groß, daß sich die Oberwellen im Maschinendrehmoment nicht mehr störend bemerkbar machen und deshalb mit den in der Fig. 2 bzw. Fig. 3 dargestellten sechs diskreten Lagen des Ständerstromvektors ausgekommen werden kann. Für diesen Fall wird am Ausgang eines Winkelgeschwindigkeitsmeßgliedes 12, welches eingangsseitig mit

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den Komponentenapaimungen des Vorgabevektors V beaufschlagt ist, ein so großes Signal anstehen, daß der ihm nachgeschaltete Grenzwertmelder 13 anspricht und demzufolge einen mit 14 bezeichneten, vorzugsweise elektronisch ausgeführten Umschalter in eine derartige Lage bringt, daß dessen Schaltkontakt in seiner oberen Lage liegt und demzufolge der Ausgang des PI-Reglers 10 bzw. die konstante Zusatzeinspeieung B auf den Frequenzst el leingang 14 des Zweiphasengenerators 7 wirkt.

Für den Fall kleiner Frequenzen, bzw. bei stillstehendem Vorgabevektor, wird jedoch das erfindungsgemäße Steuerungsverfahren aktiviert: unterhalb einer bestimmten durch die Schwelle s des Grenzwertmelders 13 bestimmten Frequenz wird der Umschalter 14 in die gezeichnete Stellung gebracht und demzufolge der Frequenzstelleingang 14 des Zweiphasengenerators 7 vom Ausgang eines Hischgliedes 15 beaufschlagt. Dem Mischglied 15 wird eine konstante positive Gleichspannung £i __ zugeführt, sowie noch eine zweite Größe, welche je nach Lage eines weiteren Grenzwertmelders 16 entweder Hull ist oder einen mittels eines Potentiometers 17 einstellbar negativen Wert aufweist. (J _ entspricht dabei der höchstmöglichen,

IUcL JL

mit Rücksicht auf eine einwandfreie Kommutierung noch zulässigen Winkelgeschwindigkeit des Ständerstromvektors bzw. der maximal möglichen Kommutierungsgeschwindigkeit. Der Eingang des Grenzwertmelders 16 wird beaufschlagt von der Differenz einer positiven Gleichspannung D und der ausgangseeitig am Vektordreher VD abgegriffenen Spannung cos (/?· - β ). Die

Größe der positiven Spannung D wird zweckmäßigerweise zu ι 2

gewählt. Für Kosinuswerte des Differenzwinkele zwischen dem Vorgabevektor V und dem Steuervektor S, welche den Wert von

LH übersteigen, d.h. bei einer Winkeldifferenz von weniger

als 30° wird daher der Grenzwertmelder 16 ansprechen und ein konstantes negatives Signal dem Mischglied 15 liefern,

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woraufhin sich der Steuervektor S - repräsentiert durch seine an den Klemmen 3 und 4 auftretenden Komponentenspannungen - in einem symmetrisch zu der gewünschten Ständerstromvektorlage liegenden Winkelbereich ((Xin Pig. 3) mit erheblich reduzierter Winkelgeschwindigkeit bewegt, um nach Verlassen dieses Winkelbereiches infolge des O-Signals am Ausgang des Grenzwertmelders 16 wieder die maximal mögliche Winkelgeschwindigkeit Cü„_ov anzunehmen.

Iu el JL

Es sind noch zwei weitere Möglichkeiten angedeutet zur Erfassung eines symmetrisch zum Vorgabevektor V liegenden Winkelbereiches. Die eine besteht darin, daß der Betrag des Ausgangssignals sin (/** - ß) über einen Betragsbildner 19 dem Mischglied 18 zugeführt wird, während bei der zweiten Variante, bei Welcher eine mit 20 bezeichnete Schaltbrücke in ihre senkrechte, gestrichelte Stellung gebracht ist, auf den Eingang des Betragsbildners 19 die Ausgangsgröße des Arcustangens-Funktionsgenerators 9 wirkt. In beiden Fällen wird der Betrag der Winkeldifferenz ß* - /?, bzw. des Sinuswertes davon, mit positivem Vorzeichen dem Mischglied 18 zugeführt. Um gleiche Verhältnisse zu bekommen wie in dem Fall, in dem der Kosinuswert des Differenzwinkels verwendet wurde, müßte die Gleichspannung D die in Fig. 4 in Klammern gesetzte negative Polarität aufweisen und für den Fall, daß der Differenzwinkel unmittelbar verwendet wird,auf einen Wert eingestellt werden, welcher einem Winkel von 30° entspricht, und in dem Falle, daß der Sinus des Differenzwinkels zur Steuerung verwendet wird, auf den Wert des Sinus von 30°.

Fig. 5 zeigt den Aufbau des in Fig. 4 mit 12 bezeichneten Meßgliedes, dem die Aufgabe zukommt, die Winkelgeschwindigkeit des Vorgabevektors V zu erfassen. An seinen Eingangski emmen 21 und 22 liegen die zwei normierten orthogonalen Komponentenspannungen des Vorgabevektors V. Diese Klemmen sind mit zwei Differenziergliedern 23 und 24 sowie mit diesen nachgeordneten Multiplikatoren 25 und 26 verbunden, deren Ausgangsspannungen in einem Addierverstärker 27 subtrahiert

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IU

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werden. Aufgrund der Differentiationswirkung erscheint am
Ausgang des Differenziergliedes 23 die Spannung - ß* sin/3* und am Ausgang des Differenziergliedes 24 die Spannungp*

cosß*_f so daß damit an der Ausgangsklemme 28 eine Spannung

/2 J dft»

/ gjj— auftritt, welche der Winkelgeschwindigkeit des Vorgabevektors V entspricht. Wie schon erwähnt, wild die an
der Klemme 28 auftretende Spannung mittels eines Grenzwertmelder 13 dazu benutzt, um den Umschalter 14 unterhalb einer gewissen Winkelgeschwindigkeit des Vorgabevektors betätigen und damit das erfindungsgemäße Steuerverfahren einzuleiten.

6 Patentansprüche
5 Figuren

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Claims

VPA 72/3104 Patentansprüche

1.JVerfahren zur Steuerung der Lage des Ständerstromvektors einer über einen Wechselrichter mit eingeprägtem Strom gespeisten Drehfeldmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß bei niedrigen Betriebsfrequenzen zur quasistetigen Steuerung der Standerstromvektor abwechselnd in die eine und in die andere von zwei benachbarten diskreten Lägen (II, III) gebracht und mit dem Verhältnis der Verweilzeiten in diesen Lagen seine effektive Zwischenlage vorgegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lageänderungen des S^änderstromvektors stets mit demselben Drehsinn vorgenommen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2 unter Verwendung eines von den Komponenten eines ständig umlaufenden Steuervektors Imaufschlagten, den Steuerelektroden des Wechselrichters zugeordneten Winkelschalters, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelgeschwindigkeit des Steuervektors (ß) in einem je- . weils symmetrisch zu der gewünschten Ständerstromvektorlage (ρ*) liegende Winkelbereich (c*) erheblich gegenüber der des restlichen Umlaufs, für den die höchstmögliche Winkelgeschwindigkeit (&__D_) gewählt ist, vermindert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelbereich mit verminderter Winkelgeschwindigkeit (C7^-) dem Winkel -zwischen zwei benachbarten diskreten Lagen des Ständerstromvektors entspricht.

5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 3 oder 4, gekennzeichnet durch einen Komponenten (sin/?, cos β) desSteuervektors (S) liefernden Zweiphasengenerator (7), dessen Frequenzstelleingangsspannung (ß) in Abhängigkeit vom Ausgangssignal eines mit einer von dem

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Differenzwinkel (ρ* - ß) zwischen dee umlaufenden Steuervektor und der gewünschten Ständerstromvektorlage abhängigen Größe beaufschlagten Grenzwertmelders (16) reduziert wird.

6. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der von dem Differenzwinkel (β * - β) abhängigen Größe ein Vektordreher (VD) verwendet ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch einen im Eingang des Zweiphasengenerators (7) angeordneten Umschalter (14), welcher bei Unterschreiten einer bestimmten Betriebsfrequenz von einem Winkelgeschwindigkeitsmeßglied (12) über einen Grenzwertmelder (13) betätigbar ist.

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