DE2752600C2

DE2752600C2 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Steuerung einer umrichtergespeisten Asynchronmaschine

Info

Publication number: DE2752600C2
Application number: DE2752600A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. 6710 Frankenthal Moll; Helmut Dipl.-Ing. 6105 Ober-Ramstadt Schulze
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1977-11-25
Filing date: 1977-11-25
Publication date: 1982-08-19
Also published as: DE2752600A1; FR2410390B1; FR2410390A1; AR223827A1; US4263542A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Steuerung einer umrichtergespeisten Asynchronmaschine gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2.

Ein derartiges Verfahren und eine solche Schaltungsanordnung sind vorgeschlagen in der DE-OS 26 19 611. Dabei wird in dem Drehzahlbereich, in dem das maximale, vom Wert der Frequenz f\ unabhängige Drehmoment abgegeben werden kann, (bis zur Feldschwächung) die Schlupffrequenz /2 auf einen bestimmten Wert unabhängig von der Drehzahl konstant gehalten. Im Feldschwächbereich ist vorgesehen, die Schlupffrequenz über den bestimmten Wert hinaus zu vergrößern.

Wesentlich dabei ist, daß bei jeder Frequenz unabhängig von der Belastung ein genau vorgeschriebener Wert für die Schlupffrequenz existiert und das Drehmoment nur über die Größe des Motorstromes gesteuert wird. Dieses bekannte Steuerverfahren mit konstanter Schlupffrequenz ergibt aus diesem Grunde ein träges dynamisches Verhalten des Antriebes im gesamten Drehzahlbereich, da bei plötzlichen Drehmomentänderungen Flußänderungen bewirkt werden müssen, die aber nur mit der großen Hauptfeld-Zeitkonstanten vor sich gehen.

Ein weiteres Verfahren zur Steuerung eines umrichtergespeisten Asynchronmotors ist aus der DE-OS 23 61 339 bekannt 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 Srhlupffrequenz /₂ ist die Differenz zwischen Speis°frequenz f\ und Dreh^frequenz 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.

Bei diesem 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. Der Auslegungspunkt für die Größe der Kommutierungskondensatoren 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 Motorspannung zu Motorstrom, das im wesentlichen zusammen mit der maximalen Frequenz die Größe der Kommutierungskondensatoren bestimmt. Im Vollastbetrieb mit entsprechend hohem Strom entsteht jedoch über diesen Kondensatoren eine im Vergleich zum Leerlaufbetrieb vielfach größere Kondensatorspannung. Die Halbleiterelemente im Wechselrichter müssen ebenfalls für diese hohen Kondensatorspannungen ausgelegt werden. Außerdem werden die Maschinenisolation und die Welligkeit des Zwischenkreisstromes, die Größe und das Gewicht der Zwischenkreisdrosselspule bestimmt, beeinflußt. Für die Speisung des Asynchronmotors kann z. B. ein selbstgeführter Wechselrichter dienen. Eine Schaltung für einen solchen ist aus der ETZ-A 1975, Seite 520 in Bild 2 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung der Drehzahl und des Drehmomentes einer über einen Umrichter mit eingeprägtem Zwischenkreisstrom gespeisten Asynchronmaschine anzugeben, das sowohl eine geringe Spannungsbeanspruchung der Kommutierungskondensatoren und Halbleiterbauelemente gewährleistet als auch ein dynamisch günstiges Verhalten des Antriebs ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1

£li%

i%, I der Schlupffrequenz-Regelbereich

gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Die Schaltung zur Durchführung des Verfahrens wird durch die im Anspruch 2 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Im Bereich konstanten maximalen Drehmomentes (bis zur Feldschwächung) wird die Asynchronmaschine mit konstantem Fluß betrieben und im Feldschwächebereich, d. h. bei maximaler Leistung, wird die Höhe der Kondensatorspannungen dadurch konstant gehalten, daß in Abhängigkeit von einer zulässigen Kondensatorspannung Einfluß auf die Größe des Siänderstromes genommen wird, wobei gleichzeitig die Schlupffrequenz in Abhängigkeit von der steigenden Drehzahl erhöht wird. Da die Kondensatorspannung sich aus einem Anteil, der aus der Maschinenspannung und dem Phasenwinkel gegenüber dem Maschinenstrom resultiert, und einem Anteil, der durch die Höhe des Motorstromes bedingt ist, zusammensetzt, kann bei konstanter Höhe der Kondensatorspannung im Teillastbereich die Maschinenspannung gegenüber dem Betrieb bei Vollast erhöht werden. Dadurch wird erreicht, daß die Asynchronmaschine im gesamten Betriebsbereich bei vorgegebener Kondensatorspannung mit möglichst großem Fluß betrieben wird. Die Schlupffrequenz /2 wird nicht konstant vorgegeben, auch das Schlupffrequenz/Drehzahl-Verhältnis im Feldschwächbereich ist nicht starr, sondern die Schlupffrequenz wird stets auf dem kleinstmöglichen Wert bei größtmöglichem Fluß gehalten. Dadurch wird vorteilhaft eine gute Dynamik und eine optimale Ausnutzung der Maschine im gesamten Betriebsbereich erreicht.

Durch Vorgabe eines von der Drehzahl der Asynchronmaschine abhängigen Mindestwertes für die Schlupffrequenz Z₂ im Bereich konstanter maximaler Leistung (Feldschwächbereich) wird erreicht, daß der für die Bemessung der Kommutierungskondensatoren des selbstgeführten Stromrichters maßgebliche Motorstrom bei Leerlaufbetrieb einen größeren Wert annimmt.

Aus diesem Grund kann der Frequenzbereich des Umrichterantriebs erweitert werden, bzw. bei gleicher geforderter Grenzfrequenz die spannungsmäßige Beanspruchung der Elemente vermindert werden. Die Einstellung eines bestimmten Momentes (Teillastbetrieb) erfolgt in diesem so definierten Bereich der Feldschwächung sowohl durch Veränderung des Ständerstromes als auch durch Veränderung der Schlupffrequenz Z₂.

Im Bereich konstanter Leistung wird die Begrenzung der Kondensatorspannung auf einen bestimmten vorgebbaren Wert dadurch erreicht, daß mittels einer Ablöseeinrichtung die Einstellung des Sollwertes für den Ständerstrom der Asynchronmaschine in Abhängigkeit von der Spannung an den Kommutie-ungskondensatoren des selbstgeführten Wechselrichters erfolgt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein Prinzipschaltbild einer Schaltung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

F i g. 2 ein Schaltbild des zugehörigen Wechselrichters und

F i g. 3 ein Diagramm, in welchem der Schlupfregelbereich in Abhängigkeit von der Motordrehzahl /„ dargestellt ist.

In Fig. 1 ist mit 1 das Stellglied für den Zwischenkreisstrom, z. B. ein Gleichrichter bei Speisung aus einem Wechselstromnetz und ein Gleichstromsteller bei Speisung aus einer Gleichstromquelle, mit 2 der

Gleichstromzwischenkreis, mit 11 die Drosselspule dieses Zwischenstromkreises, mit 3 der Wechselrichter und mit 4 die Asynchronmaschine bezeichnet, welche letztere mit einem für die Erzeugung einer der Motordrehzahl π entsprechenden elektrischen Größe S_n dienenden Gebers 4.1 versehen ist. Diesem wird vorzugsweise ein Digital-Analog-Wandler 50 direkt nachgeschaltet. Die Größe f„ wird sowohl dem Summierer 5 als auch dem Steuergerät 8 zugeführt. Das Steuergerät 8 ist mit einem zweiten Summierer 13 verbunden. Diesem wird zum einen eine dem Belastungszustand entsprechende Frequenz P₂ und das Ausgangssignal d F₂ des Steuergerätes 8 zugeführt, welches einer von der Motorfrequenz abhängigen — gesteuert — vorgebbaren Größe entspricht. Die aus den beiden Größen f*i und d h gebildete Summe stellt eine Frequenz /2 dar, die identisch mit der Schlupffrequenz ist und als Sollwert-Frequenz dem Summierer 5 zugeführt wird. Zwischen den Summierer 13 und dem Summierer 5 ist ein Analog-Digital-Wandler51 angeordnet.

Die Schlupffrequenz /2 ist hierbei keine konstante Größe, vielmehr ist sie von dem Belastungszustand der Asynchronmaschine und der Motordrehzahl η abhängig. Der im Summierer 5 gebildete Summenwert aus der Frequenz /j und der Frequenz f„ wird als Steuergröße /i für die Ständerfrequenz der Asynchronmaschine der Steuereinrichtung des Wechselrichters 3 zugeführt, mit dem der Summierer 5 verbunden ist.

Weiterhin ist ein Differenzbildner 6 vorgesehen. Diesem wird zum einen der Strom-Sollwert Z₅₀//und eine dem Motorstrom-Istwert Imbi proportionale Größe zugeführt. Der Differenz:bildner 6 ist mit dem Eingang eines Stromreglers 7 verbunden. Die aus der Differenz des Strom-Sollwertes I_soii und des Motorstrom-Istwertes Imisi gebildete Größe wird dem Stromregler 7 als Eingangsgröße zugeführt. Der Stromregler 7 steht über einen Begrenzer 10 mit dem Stellglied 1 in Verbindung. Der Begrenzer 10 ist für die Begrenzung des Zwischenkreisstromes auf einen maximal vorgebbaren Wert vorgesehen. Zu diesem Zweck wird ihm außer dem Stromregler-Ausgangssignal noch der Strom-Istwert Iz,s, des Zwischenstromkreises zugeführt. Zur Ermittlung dieser Größe ist im Zwischenstromkreis 2 zwischen dem Stellglied 1 und der Drosselspule 11 ein Meßpunkt 35 angeordnet, der mit dem Begrenzer 10 in Verbindung steht.

Der dem Differenzbildner 6 zugeführte Strom-Sollwert Isoii wird in einem dem Differenzbildner 6 vorgeschalteten Summenpunkt 12 gebildet. Zu diesem Zweck wird dem Summenpunkt 12 ein Strom-Sollwert /*5o/;und eine Größe Ικ_ν zugeführt. Die Größe /*_so//setzt sich aus einem Anteil für den Leerlaufstrom und einem dem geforderten Lastmoment entsprechenden Anteil zusammen. Bei der Größe /κ_3ρ handelt es sich um das Ausgangssignal einer Ablöseeinrichtung 9. Der Eingang dieser Ablöseeinrichtung 9 steht mit einer Meßeinrichtung 14 in Verbindung. Mit dieser Meßeinrichtung 14 werden die Spannungen an den Kommutierungskondensatoren des Wechselrichters 3 gemessen.

Im Betriebsbereich bis zum Erreichen der vorgegebenen Grenzen für die maximalen Kondensatorspannungen entspricht der dem Differenzbildner 6 zugeführte Strom-Sollwert I_soii dem Wert des dem Summenpunkt 12 zugeführten Strom-Sollwertes /*«,/* Im Betriebsbereich mit konstanter maximaler Kondensatorspannung wird dieser Strom-Sollwert I_soii durch das Ausgangssignal Ικαρ der Ablöseeinrichtung 9 derart verringert, daß die Kondensatorspannungen ihren vorgegebenen Wert

nicht überschreiten.

In Fig.2 ist der für die Schaltung benutzte Wechselrichter mit seiner für die Phasenfolge-Löschung vorgesehenen Kommutierungseinrichtung dargestellt. Die Anschlüsse des Wechselrichters 3 an den Gleichstromzwischenkreis 2 sind mit 31 und 32 bezeichnet. Seine Drehstromanschlüsse sind mit Al, Sl und Π bezeichnet. Der Wechselrichter ist als dreiphasige Brückenschaltung aufgebaut, wobei die erste Brückenhälfte die Thyristoren Tl, T2 und Γ3 aufweist und die zweite Brückenhälfte mit den Thyristoren T4, TS und T6 versehen ist. Zwischen die Thyristoren einer jeden Brückenhälfte und die Phasenanschlüsse R 1, S1 und Tl ist jeweils eine Diode Dl, D 2, D3 bzw. D 4, DS, D 6 geschaltet. Zwischen den Thyristoren und den Dioden einer Brückenhälfte sind jeweils drei Kommutierungskondensatoren Cl, C2 und C3 bzw. C4, CS und C6 angeordnet. Dabei werden durch zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren Cl und C 2 bzw. C4 und C5 je drei Zweige einer jeden Brückenhälfte miteinander verbunden. Durch einen diesen beiden Kondensatoren parallel geschalteten Kondensator C3 bzw. C 6 werden der erste und der dritte Zweig einer jeden Brückenhälfte miteinander verbunden. In die Verbindungsleitungen der Thyristoren Tl, T2, T3 bzw. T4, TS und T6 und den Dioden D1, D 2, D 3 bzw. D 4, D 5, D 6 sind an den Verbindungspunkten mit den beiden in Reihe geschalteten Kommutierungskondensatoren Cl und C2 bzw. C4 und CS Meßpunkte M1, MI und MZ bzw. W4, MS und M6 angeordnet. Jeder Meßpunkt ist über eine Leitung 34 mit der Meßeinrichtung 14 verbunden. Mit dieser Schaltungsanordnung können die Spannungen an den Kommutierungskondensatoren ständig ermittelt werden.

In der Fig.3 ist ein Diagramm angegeben, in welchem der Schlupfbereich in Abhängigkeit von der Frequenz /„ dargestellt ist. Bis zur Frequenz f„T_yP (im allgemeinen der Bereich mit konstantem maximalen Moment) wird die Asynchronmaschine 4 mit einem sich in Abhängigkeit vom geforderten Lastmoment über die Regelung einstellenden Frequenzwert zwischen h = Null und h — i*i Max betrieben. Bei Drehzahlen der Asynchronmaschine 4 oberhalb der Frequenz fn = fnTyp wird durch einen von der Motordrehzahl ίο abhängig gesteuert vorgegebenen Wert d h der Schlupfregelbereich zu größeren Werten der Schlupffrequenz h verschoben.

Beim Übergang vom Fahr- in den Bremsbetrieb wird zunächst die Schlupffrequenz /2 bis auf den der Drehzahl der Maschine entsprechenden Mindestwert für /"2 zurück gesteuert. Entsprechend der Verringerung der Schlupffrequenz /2 nimmt der von der Asynchronmaschine aufgenommene Motorstrom bis auf einen dem Mindestwert für die bei der entsprechenden Motordrehzahl f„ entsprechenden Schlupffrequenz ab. Dieser Strom wird zum größten Teil dazu verwendet, einen bei der vorgegebenen maximalen Kondensatorspannung möglichst großen Fluß in der Maschine aufzubauen.

Dabei stellt sich eine Phasenverschiebung zwischen der Motorspannung und dem Motorstrom (Grundschwingung) von nahezu 90° ein. Eine Umschaltung der Schlupffrequenz von Motorbetrieb auf Generatorbetrieb bzw. umgekehrt ist in diesem Betriebszustand möglich, ohne daß der Motorstrom bis auf Null reduziert wird und ohne daß ein Momentenstoß auftritt.

Da die Asynchronmaschine beim Übergang vom Fahr- in den Bremsbetrieb mit einem zum Teil erheblich größeren Fluß betrieben wird, kann die Zeit für die Momentenumkehr stark reduziert werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Steuerung der Drehzahl und des Drehmomentes einer über einen Umrichter mit eingeprägtem zwischenkreisstromgespeislen Asynchronmaschine, bei welchem aus einer dem Wert der Schlupffrequenz /2 entsprechenden elektrischen Größe und einer dem Istwert der Läuferdrehzahl proportionalen Frequenz /„ entsprechenden elektrischen Größe die Steuergröße für die Frequenz F\ des vom Umrichter abgegebenen, abhängig von Soll- und Istwerten geregelten Stromes gebildet wird, und bei welchem die Asynchronmaschine im Drehzahlbereich bis zum Erreichen der maximal möglichen Umrichter-Ausgangsspannung mit einer dem geforderten Drehmoment entsprechenden Schlupffrequenz und Strom betrieben wird und im Feldschwächbereich die Schlupffrequenz über diesen Wert hinaus vergrößert wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Drehzahlbereich bis zur Feldschwächung die Asynchronmaschine mit konstantem Fluß betrieben wird, daß im FeId-5.S schwächbereichf" . . proportional

zur Läuferdrehzahl vergrößer', wird und daß der Stromsollwert, sofern die Kommutierungskondensatoren eine zulässige Spannung erreicht haben, abhängig von dieser Spannung vermindert wird.

2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem von einer Wechselstrom- oder Gleichstromquelle gespeisten Stromstellglied, dessen gleichstromseitiger Ausgang über eine Drossel mit einem Wechselrichter verbunden ist, an dessen wechselstromseitigen Ausgängen eine Asynchronmaschine angeschlossen ist, mit einem Differenzbildner, an dem eingangsseitig Stromistwert und -Sollwert anliegen und der ausgangsseitig auf einen Stromregler führt und mit einem Summierer, an dem eingangsseitig die Schlupffrequenz sowie die Motordrehzahl anliegen und der ausgangsseitig eine Steuergröße für die Ständerfrequenz der Asynchronmaschine an den Wechselrichter abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß einem dem Differenzbildner (6) vorgeschalteten Summenpunkt (12) der Stromsollwert (l_sai) positiv und das Ausgangssignal (k_ap) einer an eine Meßeinrichtung (14) zur Ermittlung der Spannung an den Kommutierungskondensatoren des Wechselrichters (3) angeschlossenen Ablöseeinrichtung (9) negativ zugeführt sind, daß das Ausgangssignal (I₅₀Ii) des Summenpunktes (12) und der Motorstromistwert (Imjsi) dem Differenzbildner (6) zugeführt sind, daß die Schlupffrequenz f/2) in einem zweiten Summierer (13) aus einem Schlupffrequenz-Sollwert (k) und einer Größe (dfi) gebildet ist, die das Ausgangssignal eines Steuergerätes (8) ist, dem ebenfalls die Motordrehzahl (f„) zugeführt ist.