DE2619611A1

DE2619611A1 - Verfahren zur steuerung des drehmomentes eines umrichtergespeisten asynchronmotors

Info

Publication number: DE2619611A1
Application number: DE19762619611
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Ing Appun; Sven-Olaf Dipl Ing Niels
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1976-05-04
Filing date: 1976-05-04
Publication date: 1977-11-17
Also published as: CH594315A5; FR2350724A1

Description

BROWN, BOVERI & CIE · AKTIENGESELLSCHAFT 261961 1 ki^ V& ^>V<'& MANNHEIM . BROWN BOVERI

Mp.-Nr. 536/76 Mannheim, den 9. April 1976

ZFE/P1-H/Bt

Verfahren zur Steuerung des Drehmomentes eines umrichtergespeisten Asynchronmotors.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung des Drehmomentes eines umrichtergespeisten Asynchronmotors, bei welchem aus einer dem Wert der Schlupffrequenz f₂ entsprechenden elek- [ trischen Größe und einer dem Istwert einer der Lauferdrehzahl proportionalen Frequenz f entsprechenden elektrischen Größe die Steuergröße für die Frequenz f.. des vom Umrichter abgegebenen Stromes gebildet wird. Ein solches Verfahren ist z.B. aus der DT-OS 2 361 339 bekannt.

Bei diesem bekannten Verfahren erfolgt die Steuerung des Asyn- ^!

chronmotors durch eine Änderung der Frequenz der Motorspannung.! Für die Speisung des Asynchronmotors kann z.B. ein selbstge- ; führter Wechselrichter dienen. Eine Schaltung für einen solchen' ist z.B. in der ETZ-A 1975, Seite 520 in Bild 2 dargestellt. j Bei der dort beschriebenen Schaltungsanordnung werden der j Asynchronmaschine aus dem Wechselrichter rechteckförmige Strom-

blocke zugeführt. Diese r.echteckförmigen Stromblöcke enthalten ; neben der erwünschten Grundschwingung des Stromes noch eine j Vielzahl von Oberschwingungen höherer Frequenzen, die zu Pendel-

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momenten in der Asynchronmaschine fuhren. Zur Kommutierung des Stromes in diesem Wechselrichter sind Kondensatoren vorgesehen. Die Größe der Spannung an diesen Kondensatoren ist einerseits abhängig von der Motorspannung und deren Phasenwinkel gegenüber dem Motorstrom, andererseits vom Motorstrom, den Maschinenstreuinduktivitäten und der Kondensatorgröße. Die Kondensatorgröße ist wieder abhängig von den Maschinenstreuinduktivitäten der maximalen Speisefrequenz und insbesondere vom Verhältnis Motorspannung zu Motorstrom im Leerlaufbetrieb.

Bei diesem bekannten Verfahren zur Steuerung eines über einen Umrichter gespeisten Asynchronmotors wird der bei der Berechnung des Motors zugrundegelegte Nennfluß unabhängig von der Belastung und Speisefrequenz möglichst konstant gehalten. Dabei wird das Drehmoment durch Vorgeben der Schlupffrequenz eingestellt. Die Schlupffrequenz f₂ ist die Differenz zwischen Speisefrequenz f₁ und Drehfrequenz f der Maschine, also die Frequenz der Läuferspannungen bzw. -ströme. Dabei wird der Motorstrom in Abhängigkeit von der Schlupffrequenz der Maschine so vorgegeben, daß der Fluß des Motors konstant bleibt. Im Feldschwächbereich, also in dem Bereich, in welchem die maximale Spannung erreicht ist. und die Motorspannung bei Speisefrequenzerhöhung nicht mehr vergrößert werden kann, wird die maximale Spannung konstant gehalten und das Drehmoment des Motors nur durch Veränderung der Schlupffrequenz eingestellt. ■ ;

Bei dem bekannten Verfahren wird also zur Steuerung des Motors vom Leerlauf in den Vollastbetrieb bei konstantem Fluß die Schlupffrequenz des Motors zwischen Schlupffrequenz Null und der erforderlichen maximalen Schlupffrequenz verstellt.

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Der Auslegungspunkt für die Größe des Kommutierungskondensators ergibt sich bei einem derartigen Steuerverfahren bei maximaler Speisefrequenz. Im Leerlaufbetrieb ist die Schlupffrequenz Null und der Motorstrom entspricht dem Magnetisierungsstrom. In diesem Betriebspunkt ergibt sich das maximale Verhältnis Mptorspannung zu Motorstrom, das im wesentlichen zusammen mit der maximalen Frequenz die Größe des Kommutierungskondensators bestimmt. Im Vollastbetrieb mit entsprechend hohem Strom entsteht jedoch über diesem Kondensator eine im Vergleich zum leerlaufbetrieb vielfach größere Kondensatorspannung. Die Halbleiterelemente im Wechselrichter müssen ebenfalls für diese hohe Kondensat or spannung ausgelegt werden. Außerdem v/erden die Maschinenisolation und die Welligkeit des Zwischenkreisstromes, die die Größe und das Gewicht der Zwischenkreisdrosselspule bestimmt, beeinflußt. ;

Das Steuerverfahren mit konstantem Fluß ergibt ein gutes dynamisches Verhalten des Antriebes. Bei vielen Antriebsaufgaben speziell auf dem Traktionssektor ist jedoch ein extrem gutes dynamisches Verhalten des Antriebs nicht erforderlich. Dort steht an erster Stelle die Forderung nach geringem Gewicht des Antriebes.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Steuerverfahren anzugeben, bei welchem die Spannungsbeanspruchung der Kommutierungskondensatoren und der Halbleiterbauelemente gegenüber dem bekannten Verfahren geringer ist, um so eine knappere Dimensionierung dieser Bauelemente zu ermöglichen, Vielehe zu einer Gewichtsverminderung und'Kostensenkung des Stromrichters und der Steuerung führt.

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Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht erfindungsgemäß

maximalen ;

darin, daß im Bereich konstanten/Drehmomentes unabhängig von der Drehzahl die Schlupffrequenz fg auf einem bestimmten

Viert konstant gehalten wird und daß das Drehmoment bei ebenalle in

falls konstanter Schlupffrequenz/über die Größe des Motorstromes gesteuert wird. Bei einer solchen Steuerung ist der Fluß in der Maschine proportional dem Ankerstrom, womit diese die Charakteristik einer Reihenschlußmaschine erhält. ¥enn die Schlupffrequenz zwischen Tollast- und leerlaufbetrieb konstant bleibt, ergeben sich folgende vorteilhafte Wirkungen:

Bei konstanter Schlupffrequenz ist die Impedanz der Asynchronmaschine nur von der Ständerfrequenz abhängig. Diese Frequenz ist auch im Teillastbetrieb konstant. Bei einer Verkleinerung des Motorstroms nimmt die Motorspannung bei Vernachlässigung von Sättigungseffekten linear ab. Das Verhältnis Motorspannung zu Motorstrom ist deshalb näherungsweiße konstant und im ' Vergleich zu dem bekannten Verfahren wesentlich kleiner. Der Kommutierungskondensator kann daher eine größere Kapazität haben, so daß im Vollastbetrieb eine wesentlich niedrigere maximale Kondensatorspannung entsteht. Damit wird auch die Spannungsbeanspruchung der Halbleiterbauelemente entsprechend geringer und die Auslegung des Wechselrichters ist weniger aufwendig. Im Zusammenhang damit wird auch die Welligkeit im Gleichstromzwischenkreis bzw. der Glättungsaufwand geringer.

Während beim Konstantflußverfahren die Pendelmomente im Teillastbereich etwa konstant bleiben, nehmen diese bei dem Verfahren nach der Erfindung mit abnehmendem Lastmoment ebenfalls ab und sind im Leerlauf Null. Dies hat besondere Vorteile beim Vorhandensein eines Getriebes, da das Geräusch und der Verschleiß der Zahnräder verringert und die Lebensdauer verlängert wird.

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Der Aufbau der Regelung mit konstanter Schlupffrequenz ist
einfacher als derjenige einer Konstantflußregelung.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung für den Feldschwächbetrieb, ist vorgesehen, die Schlupffrequenz im Feldschwächbereich über den bestimmten Wert hinaus zu vergrößern.

Bei einer v/eiteren Aus führungs form der Erfindung ist vorgesehen, daß bei Bremsbetrieb vor dem Übergang vom motorischen
in den generatorischen Betrieb zuerst der Motorstrom durch \ Verstellung des Stromsollwertes reduziert wird und dann der ■ Sollwert für die Schlupffrequenz f₂ sprunghaft vom positiven ; auf den für den Generatorbetrieb erforderlichen negativen Wert
verstellt wird.

Bei einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens ;

nach derErfindung ist vorgesehen, daß ein von einer Wechsel- ' strom- oder Gleichstromquelle gespeistes Stromstellglied vorgesehen ist, welchem eine Steuergröße für den Strom aus einem
Stromregler zugeführt wird, welchem letzteren die Differenz
zwischen einem Stromsollwert I₃₀^q "¹^ ^{dem s}'^fcroniis'^t'^wer"^t ^i_St ' zugeführt wird, daß der gleichstromseitige Ausgang des Stellgliedes über eine Drossel mit dem Wechselrichter und der Aus- ; gang des Wechselrichters mit der Asynchronmaschine verbunden ; ist und daß der Wechselrichter mit einem Summierer verbunden.
^ist, von welchem dem Wechselrichter eine Steuergröße für die ; Frequenz f- des Stromes zugeführt wird, welche in dem Sum- ; mierer aus der Summe der eingestellten Schlupffrequenz f₂ und \ der der Motordrehzahl entsprechenden Frequenz f gebildet ist. \

Xx j

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Er- j findung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen und ; in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel. Es zeigen:

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Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 ein Schaltbild des zugehörigen Viechseirichterteiles und

Fig. 3 ein Diagramm, in welchem das Drehmoment M in Abhängigkeit von der Drehzahl η dargestellt ist.

In Fig. 1 ist mit 1 das Stellglied für den Zwischenkreisstrom, z.B. ein Gleichrichter bei Speisung aus einem Wechselstrom- ·; netz oder ein Gleichstromsteller bei Speisung aus einer Gleichstromquelle, mit 2 der Gleichstromzwischenkreis mit Drossel- · spule, mit 3 der Wechselrichter und mit 4 die Asynchronmaschine bezeichnet, welche letztere mit einem für die Erzeugung einer der Motordrehzahl entsprechenden elektrischen Größe f_n dienen- '-den Geber 4.1 versehen ist. Vom Geber 4.1 wird die der Motordrehzahl entsprechende elektrische Größe f_n an einen Summierer 5 geleitet, in welchem zu dieser Größe eine der Schlupf frequenz f₂ entsprechende Größe (Sollwert) addiert wird. Der Summenwert wird als Steuergröße für die Ständerfrequenz f^ der Asynchronmaschine der Steuereinrichtung des Wechselrichters 3 zugeführt.

Weiterhin ist mit 6 ein Gerät bezeichnet, in welchem durch Subtraktion einer dem Stromsollwert I_son und einer dem Stromistwert I_isi; proportionalen Größe die Eingangsgröße für den i Stromregler 7 gebildet wird. Über den Stromsollwert wird das j Drehmoment der Maschine eingestellt. Die Ausgangsgröße des ! Stromreglers 7 gibt die Aussteuerung des Stellgliedes 1 für j den Zwischenkreisstrom vor.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Schaltung des Wechselrichters 3. sind mit 31 und 32 die Anschlüsse des Wechselrichters an den i

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Gleichstromzwischenkreis 2 und. die Abgänge zum Asynchronmotor 4 mit 33 bezeichnet. An jeden der beiden Eingänge 31, 32 sind ^: jeweils drei Thyristoren T^, T₂ ..·. Tg angeschlossen, an wel- . chen jeweils eine Diode D-, Dg ... Dg angeschaltet ist. Die Abgänge 33 zum Asynchronmotor sind jeweils zwischen zwei Dioden für jede Phase getrennt angeschlossen. Zwischen den Verbindungsleitungen der Thyristoren T-j und Diode D^ bzw. Tg und Dg usw. | sind jeweils Kommutierungslcondensatoren Cj, C₂ ... Cg angeschaltet .

In der Figur 3 ist ein Diagramm für die Abhängigkeit des Drehmomentes M von der Drehzahl η dargestellt, wie eine solche z.B. im Traktionsbetrieb erwünscht ist. Im Betrieb wird zum Einstellen eines bestimmten Stromsollwertes ein bestimmter Drehmomentwert vorgegeben. Entsprechend der Differenz zwischen dem an der Asynchronmaschine anstehenden Gegendrehmoment und dem eingestellten Drehmoment erfolgt eine Erhöhung der Drehzahl so lange bis das der Ist-Drehzahl entsprechende Gegen-Drehmoment dem eingestellten Drehmoment-Sollwert entspricht. Eine weitere Erhöhung der Drehzahl ist durch Vorgabe eines größeren und eine Herabsetzung der Drehzahl durch eine Verkleinerung des vorgegebenen Drehmoment-Sollwertes bzw. Stromsollwertes möglich.

Im Drehzahlbereich unterhalb der Typen-Drehzahl n^, steigt bei konstanter Sekundärfrequenz die Motorspannung etwa proportional zur Ständerfrequenz f- an. Nach Erreichen der Typen-Drehzahl n^ erfolgt keine wesentliche Erhöhung der Ständerspannung mehr, sondern nur noch eine Erhöhung der Frequenz des Wechselrichters Hierdurch würde sich eine Verkleinerung des Flusses ergeben, was zu einer Verringerung des Drehmomentes und zwar umgekehrt proportional zum Quadrat der Ständerfrequenz f^ führt. Damit

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ergäbe sich eine Verringerung der Motorleistung umgekehrt proportional zur Drehzahl. Dieser leistungsabfall wird bei dem Verfahren nach der Erfindung dadurch vermieden, daß im Bereich oberhalb der Typendrehzahl (Feldschwächbereich) die Schlupffrequenz f₂ erhöht wird. Dadurch läßt sich im Bereich etwa konstanter Ständerspannung bei Vergrößerung der Ständerfrequenz f-ι ein hyperbolischer Abfall des Drehmomentes erreichen, so daß im Feldschwächbereich kein Abfall der Motorleistung mehr erfolgt.

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Claims

_9_._4_. 1976 s : 536/76 Patentansprüche j

1. J Verfahren zur Steuerung des Drehmomentes eines umrichter- ^—' gespeisten Asynchronmotors, bei welchem aus einer dem Wert der Schlupffrequenz fp entsprechenden elektrischen Größe und einer dem Istwert einer der lauferdrehzahl proportionalen Frequenz f entsprechenden elektrischen Größe die Steuergröße für die Frequenz f- des vom Umrichter abge- \ gebenen Stromes gebildet -wird, dadurch gekennzeichnet,

maximalen
daß im Bereich konstanten/Drehmomentes unabhängig von der Drehzahl die Schlupffrequenz fp auf einem bestimmten Wert konstant gehalten wird und daß das .Drehmoment bei eben-

allem

falls konstanter Schlupffrequenz/über die Größe des Motorstromes gesteuert wird. j

2. Verfahren zur Steuerung des Drehmomentes eines umrichtergespeisten Asynchronmotors, bei welchem aus einer dem Wert der Schlupffrequenz f₂ entsprechenden elektrischen Größe und einer dem Istwert einer der Läuferdrehzahl proportionalen Frequenz f entsprechenden elektrischen Größe die Steuergröße für die Frequenz £j des vom Umrichter abgegebenen Stromes gebildet wird, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Feldschwächbereich die Schlupffrequenz über den bestimmten Wert hinaus vergrößert wird. i

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Bremsbetrieb vor dem Übergang vom motorischen in den generatorischen Betrieb zuerst der Motorstrom durch Verstellung des Stromsollwertes reduziert wird und dann der Sollwert für die Schlupffrequenz f₂ sprunghaft vom positiven auf den für den Generatorbetrieb erforderlichen negativen Wert verstellt wird.

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ZFE/P4FK675 5000/KE) ORIGINAL INSPECTED

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4. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein von einer Wechselstrom- oder Gleichstromquelle gespeistes Stromstellglied (1) vorgesehen ist, welchem eine Steuergröße für den Strom aus einem Stromregler (7) zugeführt wird, welchem letzteren die Differenz zwischen einem Stromsollwert I ,, und dem Stromistwert Ij₅+ zugeführt wird, daß der gleichstromseitige Ausgang des Stellgliedes (1) über eine Drossel (2) mit dem Wechselrichter (3) und der Ausgang des Wechselrichters (3) mit der Asynchronmaschine verbunden ist, und daß der Wechselrichter (3) mit einem Summierer (5) verbunden ist, von welchem dem Wechselrichter (3) eine Steuergröße für die Ständerfrequenz f₁ des Stromes zugeführt wird, welche in dem Summierer (5) aus der Summe der eingestellten Schlupffrequenz f₂ und der der Motordrehzahl entsprechenden Frequenz f gebildet ist.

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