DE2236763B2

DE2236763B2 - Verfahren und anordnung zur steuerung der lage des staenderstromvektors einer ueber einen wechselrichter mit eingepraegtem strom gespeisten drehfeldmaschine

Info

Publication number: DE2236763B2
Application number: DE19722236763
Authority: DE
Inventors: Felix Dipl.-Ing. 8520 Erlangen; Klautschek Herwig DipL-Ing. 8510 Fürth Blaschke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-07-26
Filing date: 1972-07-26
Publication date: 1976-03-11
Also published as: CH564281A5; FR2194071B1; FR2194071A1; AT323847B; GB1432268A; BE802669A; ZA734850B; DE2236763A1; SE382539B; DE2236763C3; CA1014607A

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Lage des Ständerstromvektors einer über einen Umrichter mit eingeprägtem Strom gespeisten Drehfeldmaschine, bei dem eine bestimmte Anzahl diskreter Lagen des Ständerstromvektors für eine Umdrehung festgelegt ist. Ein derartiges Steuerverfahren ist im Zusammenhang mit einer Asynchronmaschine nach der DT-OS 19 41 312 bekannt. Beim Betrieb der Asynchronmaschine mit niedrigen Frequenzen bedin gen aber diese diskreten Lagen nun störende Oberwel len im Drehmoment

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, em Verfahrer anzugeben, mit dem eine kontinuierliche Steuerung dei Ständerstromvektorlage erreicht wird. Der Ständer stromvektor soll also im gesamten Intervall zwischer zwei diskreten Stellungen jede beliebige effektive Lage einnehmen können und in einer solchen auch beliebig lange festgehalten werden können.

Gelöst wird diese Aufgabe, ausgehend von derr Verfahren der eingangs genannten Art, erfindungsgemäß dadurch, daß bei niedrigen Betriebsfrequenzen dei Ständerstromvektor abwechselnd in die eine und in die andere von zwei benachbarten diskreten Lagen gebracht und mit dem Verhältnis der Verweilzeiten ir diesen Lagen seine effektive Zwischenlage vorgegeben

Damit wird eine quasistetige Steuerung der Ständerstromvektorlage möglich, bei welcher störende Oberwellen auch bei kleinsten Frequenzen praktisch verschwinden.

Grundgedanke der E.-findung ist es also, einen zeitlichen Mittelwert für die Lage des Ständerstromvektors zu bilden, welche abhängig ist vom Verhältnis der Verweilzeiten des Ständerstromvektors in zwei benachbarten diskreten Lagen. Für Umrichter, die einen Wechselrichter enthalten, welcher nur bezüglich einer Drehrichtung des Ständerstromvektors kommutierbar ist, besteht eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, daß die Lageänderungen des Ständerstromvektors stets mit demselben Drehsinn vorgenommen werden. Selbstverständlich ist dabei die Zeit, welche zur Änderung einer Ständerstromvektorlage im Vergleich zu den Verweilzeiten des Ständerstromvektors in diesen Lagen vernachlässigbar klein ist.

Eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem durch seine Komponenten vorgegebenen, ständig umlaufenden Steuervektor, der die Zündung der Wechselrichterventile beeinflußt, besteht in einem die Komponenten ^es Steuervektors liefernden Zweiphasengenerator, dessen, die maximale Winkelgeschwindigkeit bestimmende Frequenzstelleingangsspannung in Abhängigkeit vom Ausgangssignal eines mit einer von dem Differenzwinkel zwischen den umlaufenden Steuervektor und der gewünschten Ständerstromvektorlage abhängigen Größe beaufschlagten Grenzwertmelders reduziert ist.

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

In F i g. 1 ist eine Asynchronmaschine 1 dargestellt, deren Ständerwicklungen R, S und T aus einem Drehstromnetz von einem Zwischenkreisumrichter gespeist sind. Der Zwischenkreisumrichter besteht aus einem Gleichrichter GR und einem 6pulsigen Wechselrichter VVT?. Im Gleichstromzwischenkreis dieses Umrichters wird mittels eines Stromreglers 2 ein eingeprägter Gleichstrom Igt erzwungen, welcher dann über die Hauptventile 51 bis 56 des Wechselrichters VVT? den Ständerwicklungen R, S, Tder Asynchronmaschine 1 zugeführt sind. Den Hauptventilen 51 bis 56 sind jeweils Kommutierungskondensatoren C und Kommutierungsventile 57 bis 512 parallel angeordnet, so daß durch Zündung eines Kommutierungsventils jeweils das in 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 51 bis 53 und gleichzeitig eii.üs der Ventile 54 bis 56 durch Anlegen von positiven Zündimpulsen an deren Steuerstrecken g 1 bis g6 durchlässig gesteuert, so daß der eingeprägte Gleichstrom Igi jeweils zwei Phasenwicklungen durchfließt. Die Zündimpulse für die Steuerstrecken g\ bis g 12 werden vom Winkelschalter WS geliefert, und zwar gibt dieser pro Umdrehung eines Steuervektors, dessen Komponenten cos β und sin β 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 Ständerstromes der Asynchronmaschine 1 jeweils 6 den diskreten Winkelstellungen des von den Komponentenspannungen cos β und sin β beschriebenen Steuervektors folgt. _2G

Im einzelnen geht die Zündreihenfolge der Hauptventile 51 bis 56 aus dem Schema der Fig.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 51 und 56 im durchlässigen Zustand zu halten, sodann die Ventile 52 und 56, sodann die Ventile 52 und 54 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 Fig. i, der Aufbau des Winkelschalters WS sowie das zuvor beschriebene Steuerverfahren sind an sich gemäß der deutschen Offenlegungsschrift 19 41312 bekannt und sind daher nur in ihren Grundzügen wiedergegeben worden.

Zur kontinuierlichen Vorgabe der effektiven Ständerstromvektorlage zwischen zwei benachbarten diskreten Lagen kann nun der Steuervektor bzw. der ihm _4S 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. Ist dieses Verhältnis z. B. 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 ^s Lagen. Gestattet die besondere Ausbildung des Kommutierungskreises des Wechselrichters — wie bei der Anordnung nach F i g. 1 — die aufeinanderfolgende Kommutierung der Ventile nur in einer bestimmten Reihenfolge, was einem bestimmten Drehsinn des t,o Ständerstromvektors entspricht, dann erfolgt das Hin- und Rückschalten des Ständerstromvektors zum Zwekke seiner quasistetigen Steuerung ebenfalls immer im gleichen Drehsinn, wobei zum Erreichen der entgegen diesem Drehsinn liegenden benachbarten Lage der Ständerstromvektor mit möglichst großer Geschwindigkeit über die 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 Fig.3 zeigt ein Diagramm zur prinzipiellen Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem Wechselrichter entsprechend Fig. 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 5stelle den Steuervektor dar, der den Winkel β aufweist und dessen Komponenten cos β und sin β den Eingang des Winkelschalters WS beaufschlagen. Dieser Steuervektor läuft nun ständig um, und zwar außerhalb eines symmetrisch zu dem Vorgabevektor V liegenden, zwischen den mit Gl und GI bezeichneten Grenzen befindlichen Winkelbereichs α mit der höchstmöglichen Winkelgeschwindigkeit wmax und innerhalb dieses Winkelbereiches λ mit einer demgegenüber erheblich verminderten Winkelgeschwindigkeit. In der dargestellten Stellung befindet sich der Steuervektor 5zwischen

r- und

d. h. im Bereich II (vgl. F i g. 2), und der Ständerstromvektor hat die mit der Winkelhalbierenden dieses Bereiches übereinstimmende Lage. Diese behält er nun so lange bei, bis der Steuervektor 5 den Winkel 2.-r
^ überschreitet und damit in den Bereich III gelangt,

wobei der Ständerstromvektor die Lage der Winkelhalbierenden dieses Bereiches einnimmt. Überschreitet nun der Steuervektor 5 die eine Grenze G1 des symmetrischen Winkelbereiches λ, dann wird er und mit ihm der ihm nachfolgende Ständerstromvektor mit höchstmöglicher Winkelgeschwindigkeit sich weiterdrehen und praktisch an die zweite Grenze G 2 dieses Winkelbereiches gelangen, woraufhin der Ständerstromvektor wieder die mit II bezeichnete diskrete Lage einnimmt. Bei festgehaltener Winkellage des Vorgabevektors Wiederholt sich dieses Spiel bei jedem Umlauf des Steuervektors 5, und es läßt sich zeigen, daß die effektive Lage des Ständerstromvektors, im Mittel gesehen, um so genauer der Lage des Vorgabevektors V entspricht, je mehr sich der symmetrische Winkelbe-

·> ₇
reich λ dem optimalen Grenzwert von - - nähert,

wobei η die Anzahl der diskreten Lagen bedeutet. Beim dargestellten Beispiel ist η - 6 und der optimale Wert von λ somit π/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 λ. Dabei kann die Drehrichtung des Vorgabevektors auch entgegengesetzt zu der des Steuervektors sein, so daß innerhalb eines bestimmten Winkelgeschwindigkeitsbereiches auch eine kontinuierliche Drehung des Ständerstromvektors im Uhrzeigersinn möglich wird. Dies kann insbesondere dann von Bedeutung sein, wenn die Drehfeldmaschine für eine Stellungsregelung eingesetzt wird und infolge eines Überlaufes über die geforderte Sollstellung eine kurzzeitige Rückwärtsbewegung des Stellantriebes erforderlich wäre.

Fig.4 zeigt eine gerätetechnische Realisierung des zuvor beschriebenen Steuerungsprinzips in blockschaltbildlicher Darstellung. Die an die Klemme 5 und 6 angelegten normierten Komponentenspannungen cos ß* und sin ß* des Vorgabevektors V werden einem mit VD bezeichneten Vektordreher zugeführt, der mit noch zwei zusätzlich eingegebenen Komponentenspannungen cos β und sinj3 des von einem statischen Zweiphasengenerator 7 gebildeten Steuervektors S zwei Größen ausgibt, welche dem Kosinus und dem ι ο Sinus des Differenzwinkels ß* - β zwischen dem Vorgabevektor Vund dem Steuervektor 5 entsprechen. Der Aufbau eines derartigen Zweiphasengenerators ist gemäß der DT-OS 20 19 263 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 Frequenzstelleingang beaufschlagt, so tritt an seinen Ausgängen ein Sinus-Kosinus-Paar auf, dessen Argument jeweils das Zeitintegral dieser Eingangsspannung ist.

Die Ausgangsspannung sin (ß* — ß) des Vektordrehers VD wird direkt dem Dividendeneingang eines zs Quotientenbildners 8 zugeführt, seine mit cos (ß* - ß) bezeichnete Ausgangsspannung, vermehrt um eine konstante Einheitsspannung E vom Betrag 1, dem Divisoreingang dieses Quotientenbildners. Es erscheint daher am Ausgang des Quotientenbildners 8 eine Spannung, welche gemäß der Formel

sin 7

+ COS

dem 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 Winkeldifferenz ß* — β 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 11 stellt dabei sicher, daß nur positive Werte der Ausgangsspannung des PI-Reglers 10 wirksam werden und infolgedessen sich der mit den Komponentenspannungen cos β und sin β beschriebene Vektor stets nun in einer Richtung zu drehen vermag. Eine 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 vorgeschlagen worden (DT-OS 21 06 789) und würde für den Fall vorgenommen werden, daß die Winkelgeschwindigkeit des von den Komponentenspannungen cos ß* und sin ß* beschriebenen Vorgabevektors V so groß ist daß sich die Oberwellen im Maschinendrehmoment nicht mehr störend bemerkbar machen und deshalb mit den in der F i g. 2 bzw. 3 dargestellten sechs diskreten Lagen des Ständerstromvektors ausgekommen werden kann. Für diesen Fall wird am Ausgang eines Winkelgeschwindigkeitsmeßgliedes 12, welche« eingangsseitig mit den Komponentenspa.nnungen des Vorgabevektors ^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 Zusatzeinspeisung B auf den Frequenzstelleingang 14 des Zweiphasengenerators 7 wirkt. Als Winkelgeschwindigkeitsmeßglied kann z. B. eine nach der DT-OS 1941312, Fig. 11 bekannte Anordnung verwendet werden.

Für den Fall kleiner Frequenzen, bzw. bei stillstehendem Vorgabevektor, wird jedoch das erfindungsgemäße Steuerungsverfahren angewendet: Unterhalb einer bestimmten durch die Schwelle 5 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 Mischgliedes 15 beaufschlagt. Dem Mischglied 15 wird eine konstante positive Gleichspannung (Umax zugeführt sowie noch eine zweite Größe, welche je nach Lage eines weiteren Grenzwertmelders 16 entweder Null ist oder einen mittels eines Potentiometers 17 einstellbar negativen Wert aufweist, ωΐπβχ entspricht dabei der höchstmöglichen, 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 ausgangsseitig am Vektordreher VD abgegriffenen Spannung cos (ß* - ß). Die Größe der positiven Spannung D wird zweckmäßigerweise zu ^³ gewählt. Für Kosinuswerte des Differenzwinkels zwischen dem Vorgabevektor V und dem Steuervektor S, welche den Wert von L,³ übersteigen,

konstantes negatives Signal dem Mischglied 15 liefern, 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 (α in Fi g. 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 ω™χ anzunehmen.

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* - 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* - β 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 eesetzte

negative Polarität aufweisen und für den Fall, daß der Differenzwinkel unmittelbar verwendet wird, auf einen d. h., bei einer Winkeldifferenz von weniger als 30° wird daher der Grenzwertmelder 16 ansprechen und ein

Wert eingestellt werden, welcher einem Winkel von 3C entspricht, und in dem Falle, daß der Sinus d< Differenzwinkels zur Steuerung verwendet wird, ai den Wert des Sinus von 30°.

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Steuerung der Lage des Ständerstromvektors einer über einen Umrichter mit eingeprägtem Zwischenkreisstrom gespeisten Drehfeldmaschine, bei dem eine bestimmte Anzahl diskreter Lagen des Ständerstromvektors für eine Umdrehung festgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei niedrigen Betriebsfrequenzen der Ständerstromvektor abwechselnd in die eine und in die andere von zwei benachbarten diskreten Lagen (H, III) gebracht und mit dem Verhältnis der Verweilzeiten in diesen Lagen seine effektive Zwischenlage vorgegeben wird. τ $

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

3. Verfahren nach Anspruch 2 mit einem durch seine Komponenten vorgegebenen, ständig umlaufenden Steuervektor, der die Zündung der Wechselrichterventile beeinflußt, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelgeschwindigkeit des Steuervektors (S) in einem jeweils symmetrisch zu der gewünsch- 2«; ten Ständerstromvektorlage (λ) liegenden Winkelbereich (ß*) erheblich gegenüber der des restlichen Umlaufs, für den eine höchstmögliche Winkelgeschwindigkeit (ßmax) gewählt ist, vermindert wird.

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

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3 oder 4, mit einem von dtn Komponenten eines ständig umlaufenden Steuervektors beaufschlagten, den Steuerelektroden des Wechselrichters zugeordneten Winkelschalter, gekennzeichnet durch einen die Komponenten (sin ß, cos ß) des Steuervektors (S) liefernden Zweiphasengenerator (7), dessen, die maximale Winkelgeschwindigkeit (cumax) bestimmende Frequenzstelleingangsspannung (ß) in Abhängigkeit vom Ausgangssignal eines mit einer von dem Differenzwinkel (ß* - ß) zwischen den umlaufenden Steuervektor und der gewünschten Ständerstromvektorlage abhängigen Größe beaufschlagten Grenzwertmelders (16) reduziert ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekenn- so zeichnet, daß zur Bildung der von dem Differenzwinkel (ß* - ß) abhängigen Größe ein Vektordreher (VD), dem die Komponenten (sin/?, cosß) des Steuervektors und die Komponenten (sin )S\ cos ß*) des bestimmten Ständerstromvektors zugeführt 5s sind, verwendet ist.