DE2857198A1

DE2857198A1 - Regelsystem und verfahren zum verringern des zahnungsdrehmoments fuer stromrichterantriebe mit wechselstrommotoren

Info

Publication number: DE2857198A1
Application number: DE19782857198
Authority: DE
Inventors: Thomas Anthony Lipo
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1977-07-21
Filing date: 1978-07-18
Publication date: 1980-02-07
Also published as: EP0000530A1; GB2041676B; JPS5441415A; SE7907233L; US4137489A; GB2041676A

Description

Regelsystem und Verfahren -zum Verringern des Zahnungsdrehmoments für Stromrichterantriebe mit Wechselstrommotoren

Die Erfindung bezieht sich auf Stromrichterantriebe mit Wechselstrommotoren und betrifft insbesondere eine selbsttätige Regelung oder Rückführungsregelung und ein Verfahren zum wesentlichen Verringern des Zahnungsdrehmoments (cogging torque), das durch Stromrichterantriebssysteme bei niedrigen Frequenzen erzeugt wird.

In vielen Fällen einschließlich bei der Traktion eingesetzten Antriebssystemen ist die genaue Regelung des Motordrehmoments erforderlich. Die Entwicklung der Stromquellen- oder gesteuerten Wechselrichter, die den Motorwicklungen rechteckige, nichtsinusförmige Ströme liefern, hat zu Bemühungen geführt, diese Vorrichtungen bei Wechselstrominduktionsmo-

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torantrieben mit einstellbarer Drehzahl anzuwenden. Eine der Schwächen der gegenwärtigen Steuerungen besteht darin, daß die Drehmomentpulsationen aufgrund der harmonischen oder Zahnungskomponente des elektromagnetischen Drehmoments bei sehr niedrigen Maschinenfrequenzen sehr stark sein und zu Unstabilitäten und ungleichmäßigem Lauf führen können. Bei einem sechspulsigen, mehrphasigen Vollwegbrückenwechselrichter tritt eine Drehmomentwelligkeit auf, und zwar wegen des Vorhandenseins der sechsten, zwölften und achtzehnten harmonischen Komponente in dem nichtsinusförmigen Motorstrom zusätzlich zu der Grundmotorfrequenz, die das elektrische Äquivalent der mechanischen Drehzahl (U/min) ist, mit der sich die Welle dreht. Die Drehmomentpulsationen sind besonders beim Hochlauf oder beim Durchgang durch die Nulldrehzahl beim Umkehren der Drehrichtung störend und können durch Modulieren des Gleichstromverbindungsschienenstroms, der dem Wechselrichter zugeführt wird, eliminiert werden.

In der Praxis ändern sich die Motorparameter mit der Temperatur und der Frequenz, so daß eine tatsächliche Echtzeitmessung des pulsierenden Drehmctnents und ein geschlossener Regelkreis (mit Rückführung) für die genaue Regelung des Drehmoments statt einer Kompensation mit einer (rückführungslosen) Steuerung erforderlich sind. Eine rückführungsIose Steuerungstechnik für kleine industrielle Antriebe ist in der US-PS 4 066 938 beschrieben. Eine Technik mit geschlossenem Regelkreis zum Reduzieren der Drehmomentwelligkeit, die die ständige Berechnung des Istdrehmoments aus der abgefühlten Motorspannung und dem Strom erfordert, ist in der US-PS 3 919 609 beschrieben. Gemäß dieser Patentschrift wird das von der Maschine gebildete Istdrehmoment mit einem vorbestimmten Referenzwert verglichen und das Fehlersignal wird benutzt, um den Gleichstromverbindungsschienenstrom in korrigierendem Sinne zu beeinflussen. Ein Nachteil die-

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ser Lösung besteht darin, daß es in der Praxis erforderlich sein kann, einen Motorparameter, bei dem es sich nicht um den Maschinenstrom handelt, durch Verändern der Größe des Gleichstromverbindungsschienenstroms zu regeln; ein weiterer besteht darin, daß es besser ist, wenn es möglich ist, die Zahnungsdrehmomentverringerungsregelung bei höheren Maschinenfrequenzen abzuschalten, so daß die Maschine auf Drehmoment pul sat ion en richtig ansprechen kann, die beispielsweise durch eine plötzliche Belastungsänderung hervorgerufen werden.

Die Erfindung schafft eine Entzahnungsrückführungsregelung für StromquellenwechselrichtermotorSteuerungen, bei der eine Änderung des Istdrehmomentrückführungssignals ohne Gleichstromkomponente benutzt wird, die nur von der augenblicklichen pulsierenden Komponente des gemessenen Drehmoments abhängig ist, wobei die Änderung des Drehmomentsignals die an die Gleichstromverbindungsschiene angelegte Spannung und damit den Gleichstromverbindungsschienenstrom beeinflußt, um die nachteiligen Zahnungsdrehmomentpulsationen beträchtlich zu reduzieren und den Motor zu stabilisieren. Sie kann bei einer niedrigen Frequenz abgeschaltet werden, oberhalb welcher sie nicht benötigt wird, so daß der Motor auf schnelle Drehmomentänderungen ansprechen kann.

Bei dem verbesserten Verfahren und dem verbesserten Regelsystem zum wesentlichen Verringern des Zahnungsdrehmcmants, das durch Stromrichterantriebe mit Wechselstrommotoren erzeugt wird, wird eine Änderung des Augenblicksdrehmomentrückführungssignals, d.h. eine Signaländerung, die nur von der augenblicklichen pulsierenden Komponente des Motordrehmoments abhängig ist und kein mittleres Drehmoment oder eine Gleichstromkomponente hat, in einem Regelkreis benutzt, um den Gleichstromverbindungsschienenstrom so zu beeinflussen, daß die nachteilige. Drehmomentkomponente eliminiert wird.

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Der Stranrichterantxieb mit einem WechselstranriDtor enthält, wie an sich bekannt, einen Spannungsumformer, wie beispielsweise einen phasengesteuerten Gleichrichter oder einen Zerhacker, zum Anlegen einer Spannung veränderlicher Größe an die Gleichstromverbindungsschiene sowie einen mehrphasigen Stromquellenwechselrichter, der ein Ausgangssignal mit veränderlicher Frequenz mit der Größe des Gleichstromverbindungsschienenstroms hat. Die Änderung des Drehmomentrückführungssignals wird als ein Korrekturglied der Einrichtung zum Verändern der an die Gleichstromverbindungsschiene durch den Spannungsumformer angelegten Spannung zugeführt und mit einem Führungssignal, das den Sollwert eines zu regelnden ausgewählten Motorparameters in einer relativ langsam ansprechenden Stromwertregelschleife darstellt, und mit einem abgefühlten Wert des ausgewählten Parameters addiert. Der ausgewählte Parameter kann der Motorluftspaltfluß oder das Istmotordrehmoment sowie der Gleichstromverbindungsschienenstrom sein. Zwei unterschiedliche Verfahren zum Berechnen des Augenblickswertes der pulsierenden Komponente des Drehmoments werden beschrieben-, wobei eines das Berechnen des Rückführungssignals direkt aus dem Gleichstromverbindungsschienenstrom, den Nullstromintervallen und der Augenblicksspannung an jeder im Leerlauf befindlichen Motorphasenwicklung umfaßt, während das andere zuerst das Berechnen des Istdrehmoments, das durch den Motor entwickelt wird, und dann eine Filterung zum Entfernen des mittleren Drehmoments oder der Gleichstromkomponente umfaßt. Ein wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Änderung des Drehmomentrückführungssignals gewöhnlich bei einer vorbestimmten niedrigen Frequenz, oberhalb welcher die Entzahnungsrückführungsregelung unwirksam oder unnötig ist, abgeschaltet wird. Der Motor kann dann auf schnelle Änderungen im Drehmoment unter normalen Laufbedingungen richtig ansprechen, beispielsweise um auf stufenweise Änderungen der Belastung anzusprechen. Die Frequenzbereichsregelung zum automatischen

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Zu- und Abschalten der Änderung des Drehmomentsignals spricht auf die Wechselrichterschaltfrequenz oder eine andere äquivalente Frequenz an. Das Regelsystem und das Verfahren sind sowohl bei Induktionsmotorantrieben als auch bei Synchronmotorantrieben anwendbar.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Stromrichter

antriebs mit einem Wechselstrommotor, mit Einrichtungen zum Verringern des Zahnungsdrehmoments unter Verwendung einer Änderung des Augenblicksdrehmomentrückführungssignals,

Fig. 2 ein Schaltbild eines Stromrichteran

triebs mit einem Induktionsmotor,mit zusätzlichen Fühlern zum Berechnen der Drehmomentsignaländerung nach der Erfindung,

Fig. 3 ein Blockschaltbild der in Fig. 2 ent

haltenen Schaltung zur Berechnung der pulsierenden Drehmomentkomponente,

Fig. 4 idealisierte Wechselrichterstromkurven

unter der Annahme, daß der Gleichstromverbindungsschienenstrom konstant ist,

Fig. 5 eine Skizze zur theoretischen Erläute

rung der Drehmomentberechnung, die die dreiphasigen Ständerwicklungen eines Induktionsmotors und die zweiphasigen

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Ersatzwicklungen in der Längsachse (d) bzw. in der Querachse (q) zeigt,

Fig. 6 ein Steuerungsdiagramm für die Wechsel

richterthyristoren in Fig. 2 und die Schalter in Fig. 3,

die Fig. 7a - 7d die Flußsignalkurven in mehreren Punkten in der Berechnungsschaltung von Fig. 3 und die Änderung des Drehmomentsignals am Ausgang und

Fig. 8 ein Schaltbild einer weiteren Ausfüh

rungsform eines Drehmomentmeßsystems zum Berechnen des Istmotordrehmoments und zum Ermitteln der Änderung des Drehmomentrückführungssignals aus dem Istmotordrehmoment.

Das in Fig. 1 gezeigte Stromquellenwechselrichterantriebssystem mit einem Wechselstrommotor mit einstellbarer Drehzahl hat ein Regelsystem mit einer verbesserten Entzahnungsrückführungsregelung, mittels welcher die Zahnungs- oder harmonische Komponente des elektromagnetischen Drehmoments im wesentlichen eliminierbar ist (eine 20:1-Verringerung ist möglich). Das durch den Wechselstrommotor entwickelte tatsächliche Drehmoment enthält sowohl einen Gleichstromwert (das Wellen- oder Nutzdrehmoment) und einen Wechselstromwert (das Zahnungs- oder pulsierende Drehmoment). Die Entzahnungsrückführungsvariable nach der Erfindung ist eine Änderung des elektromagnetischen Istdrehmomentsignals, d.h. ein Rückführungssignal, das nur von der augenblicklichen pulsierenden Drehmomentkomponente abhängig ist und aus dem jegliches mittlere Drehmoment oder jeglicher Gleichstromanteil entfernt worden ist. Die Entzahnungsregelung eignet sich sowohl für Induktionsmotoren als auch für Synchronmoto-

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ren und in jedem Fall läuft der Motor bei niedrigen Drehzahlen, nach dem Anlauf und nach dem Verlangsamen zum Umkehren seiner Drehrichtung gleichmäßig. Die Entzahnungsrückführungsregelung wird normalerweise bei einer niedrigen Frequenz, beispielsweise einer elektrischen Frequenz von 5 Hz, abgeschaltet, da sie oberhalb dieser Frequenz nicht benötigt wird, so daß der Motor auf Drehmomentpulsationen richtig ansprechen kann, die unter normalen Laufbedingungen auftreten.

Der Stromrichter an trieb mit einem Wechselstronitiotor ist in Form eines vereinfachten Blockschaltbildes in Fig. 1 gezeigt und enthält zusätzlich die Entzahnungsrückführungsregelung. Weitere Einzelheiten des Regelsystems sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen worden. Der Strourichterantrieb wird aus einer dreiphasigen oder einer einphasigen Wechselstromquelle gespeist und enthält einen Wechselspannungs-Gleichspannungsumformer 10', der über eine Gleichstromverbindungsschiene, die eine Glättungsdrossel 11 enthält, mit einem gesteuerten Wechselrichter 12' verbunden ist. Der mehrphasige, nichtsinusförmige Wechselrichterausgangsstrom hat eine veränderliche Frequenz mit der Größe des Gleichstromverbindungsschienenstroms und wird einem Wechselstrommotor 14 mit einstellbarer Drehzahl zugeführt. Durch Verstellen der Größe der an die Gleichstromverbindungsschiene durch den Spannungsumformer 10' angelegten Spannung V, wird der Wert des Gleichstromverbindungsschienenstroms I, und damit der Ständerstrom eingestellt, während durch das Verstellen der Betriebsfrequenz des gesteuerten Wechselrichters 12· die Ständererregerfrequenz eingestellt wird. Der Spannungsumformer 10' ist gewöhnlich ein phasengesteuerter Vollweggleichrichter, es kann sich aber auch um einen einfachen Diodenbrückengleichrichter mit nachgeschaltetem Thyristorzerhacker oder, wenn die Stromquelle eine Batterie ist, nur um den Zerhacker handeln. Der gesteuerte Wechselrichter 12' ist irgendein geeigneter Wechselrichter, bei-

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spielsweise ein selbstgeführter Wechselrichter, ein mit der dritten Harmonischen hilfskommutierter Wechselrichter mit einem Kommutierungskondensator oder ein hilfsimpulskommutierter Wechselrichter mit drei Kommutierungskondensatoren. Alle diese Stromquellenwechselrichter haben sechs Hauptthyristoren/ die nacheinander gezündet werden. In der Entzahnungsrückführungsregelung berechnet eine Schaltung 27 zur Berechnung der pulsierenden Drehmomentkomponente das Augenblicksdrehmomentänderungssignal ΔΤ aus vorgewählten Fühlersignalen/ die verschiedene abgefühlte Motor- oder Umformerparameter darstellen. In einer Ausführungsform der Berechnungsschaltung wird das Drehmomentänderungsrückführungssignal direkt berechnet, ohne daß zuerst das durch den Motor entwickelte tatsächliche Drehmoment berechnet wird, während in einer anderen Ausführungsform zuerst das tatsächliche Motordrehmoment berechnet und dann hochpaßgefiltert wird, um die Gleichstromkomponente zu entfernen, wobei nur die pulsierende Komponente zurückbleibt. Das Drehmomentänderungsrückführungssignal ΔΤ wird verarbeitet, indem es einem Kompensator 28 zugeführt wird, um seine Verstärkung zu erhöhen und eine sehr hohe Frequenzkompensation oder -dämpfung zu erzielen. Das Ausgangssignal k ΔΤ wird über einen Schalter 29, der die Entzahnungsdrehmomentverringerungsregelung bei einer Frequenz abschaltet, oberhalb welcher sie nicht benötigt wird oder unwirksam ist, an einen Eingang einer Summierschaltung 30 angelegt.

Zu dem Drehmomentänderungsrückführungssignal werden ein Führungssignal, das einen Führungswert eines ausgewählten Motorparameters oder eine Variable darstellt, die in der langsam ansprechenden Regelschleife geregelt wird, und ein Signal addiert, das den abgefühlten Wert des ausgewählten Motorparameters darstellt, um ein Fehlersignal zum Regeln der Ausgangsspannung V, des Spannungsumformers 10' zu erzeugen. Die geregelte Variable kann der Gleichstromverbindungsschienenstrom I_n, das elektromagnetische Drehmoment T , der ge-

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genseitige Luftspaltfluß λ oder jede andere Größe sein, wie beispielsweise die Drehzahl, die eine Regelung erfordert, wobei die Führungswerte dieser Variablen mit mit Stern versehenen Symbolen und die abgefühlten Werte mit Symbolen ohne Stern bezeichnet werden. Das Fehlersignal aus dem Summierer 30 wird an einen Regler 31 angelegt, der an seinem Ausgang das Spannungsumformerführungssignal V, abgibt. Es ist zu erkennen, daß das Drehmomentänderungsrückführungssignal als Korrekturglied für die Einrichtungen zum Verändern der durch den Spannungsumformer 10¹ an die Gleichstromverbindungsschiene angelegten Spannung benutzt wird, um dadurch den Gleichstromverbindungsschienenstrom so zu beeinflussen, daß die nachteiligen Zahnungsdrehmomentpulsationen im Idealfall auf null verringert werden. Es ist erwünscht, den Schalter 29 bei einer relativ niedrigen Frequenz, oberhalb welcher die Entzahnungsrückführungsregelung nicht benötigt wird, zu öffnen und die Entzahnungsruckführungsregelung abzuschalten, beispielsweise bei einer Pulsationsdrehmomentfrequenz von 30 Hz, die einer elektrischen Motorfrequenz von 5 Hz entspricht.- Drehmomentpulsationen treten bei normalen Motordrehzahlen auf, beispielsweise wenn sich die Belastung stufenweise ändert, und diese Drehmomentpulsationen würden zu einem Drehmomentänderungssignal führen^das in einer Richtung rückgeführt wird, in welcher es ein schnelles Ansprechen des Motors auf die schnelle Drehmomentänderung vereiteln würde.

Der Schalter 29 oder ein entsprechender Festkörperschaltkreis wird durch eine Frequenzbereichsregelung 29' automatisch betätigt, wenn ein Eingangsrückführungssignal co auf eine vorbestimmte Frequenz ansteigt oder abfällt. Das Eingangssignal ist vorzugsweise ein Signal mit einer Frequenz, die der Wechselrichterschaltfrequenz entspricht, d.h. der Frequenz, mit der die Steuerschaltung 13 in Fig. 2 dem Wechselrichter 1 2 Zündimpulse liefert. Bei einer Schaltfrequenz von

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30 Hz wird der Schalter geöffnet oder geschlossen, je nachdem, ob der Motor seine Drehzahl erhöht oder verringert. Es ist außerdem möglich, die Grundfrequenz des Wechselrichterausgangsstroms oder die mechanische Wellendrehzahl des Motors mit Hilfe eines Tachometers abzufühlen. Die Wellendrehzahl wird in die äquivalente elektrische Frequenz umgewandelt und die Schlupffrequenz wird addiert oder subtrahiert, um das Eingangssignal ω zu erzeugen. Eine manuelle Betätigung des Schalters 29 durch die einer Bedienungsperson zur Verfügung stehenden Steuereinrichtungen kann in einigen Anwendungsfällen erwünscht sein.

Gemäß Fig. 2 hat das Motorsteuersystem in seiner bevorzugten Ausführungsform auf der Eingangsseite einen phasengesteuerten Gleichrichter 10, der durch eine dreiphasige 60 Hz-Wechselspannungsquelle gespeist wird, und auf der Ausgangsseite einen einen gesteuerten Strom liefernden, mehrphasigen Thyristorbrückenwechselrichter 12, wie beispielsweise den selbstgeführten Wechselrichter, der in der US-PS 3 980 941 beschrieben ist, auf die bezüglich weitere: Einzelheiten Bezug genommen wird. Eine Wechselrichtersteuerschaltung 13 herkömmlicher Art erzeugt Steuersignale zum sequentiellen Zünden der Thyristoren T1 - T6 in der Reihenfolge ihrer Numerierung. Die Kommutierungseinzelheiten sind zwar nicht gezeigt, es sei jedoch erwähnt, daß in dem selbstgeführten Wechselrichter ein leitender Thyristor mit Hilfe der Parallelkondensatorkommutierungseinrichtung abgeschaltet wird, wenn ein Steuerimpuls an den nächsten Thyristor in der Folge in der positiven Bank oder in der negativen Bank angelegt wird, und daß Sperrdioden in Reihe mit den Thyristoren dazu dienen, die Kommutierungskondensatoren von der Belastung 14 zu trennen, bei der es sich um einen dreiphasigen Induktionsmotor oder einen anderen mehrphasigen Motor handelt. Dieser Wechselrichter hat die Fähigkeit, unter geringer Belastung zu kommutieren, gestattet das Reversieren des Motors durch Umkehren der Phasenfolge und ist in der Lage,

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im Bremsbetrieb regenerativ zu arbeiten und Energie an die Quelle zurückzuliefern, vorausgesetzt, daß der phasengesteuerte Gleichrichter 10 als netzgeführter Wechselrichter betrieben wird· In dieser Steuerungskonfiguration ist V, das Gleichrichterführungssignal für die Gleichrichtersteuerschaltung 32 zum Festlegen des Zündwinkels der Thyristoren des Gleichrichters.

Fig. 4 zeigt die idealisierten dreiphasigen, nichtsinusförmigen Wechselrichterausgangsströme i_a, i^ und i unter der Annahme, daß der Gleichstromverbindungsschienenstrom I, konstant ist. Der jeder Phasenwicklung 14s des Induktionsmotors zugeführte Ständerstrom entspricht selbstverständlich dem Wechselrichterausgangsstrom und hat dieselbe Größe wie der Gleichstromverbindungsschienenstrom I,, da nämlich die Wechselrichterthyristoren den Gleichstromverbindungsschienenstrom auf die drei Ausgangsleitungen umschalten. Der Ausgangsstrom in jeder Phase hat im Idealfall eine rechteckige Form mit einer Dauer von 120 in jeder Halbperiode, wobei die Kommutierung vernachlässigt wird. Da die Rechteckausgangsströme pro Phase um 120 gegeneinander versetzt sind, sind in jedem Zeitpunkt zwei Ständerwicklungen 14s leitend, während die übrige Phase im Leerlauf ist. Die Kombination der leitenden und im Leerlauf befindlichen Phasen ändert sich nach jeweils 60 oder sechsmal pro Periode. Da der Motorstrom wegen der Kommutierung von Phase zu Phase eine 120°-Reckteckschwingung ist, sind die fünfte und siebente Harmonische der Motorfrequenz in dem Motorstrom zusätzlich zu der Grundmotorfrequenz und außerdem die elfte und dreizehnte Harmonische usw. vorhanden. Einige Harmonische, einschließlich der dritten, neunten und fünfzehnten Harmonischen, werden durch die Wechselrichterkonfiguration eliminiert und bekanntlich stellen die Harmonischen höherer Ordnung wegen ihrer geringen Größen kein so großes Problem dar. Die fünfte Harmonische der Gegenphasenfolge und die siebente Harmonische der Vorwärts-

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phasenfolge erzeugen in Wechselwirkung mit der Grundwelle eine sechste harmonische Drehmomentkomponente in dem von dem Motor entwickelten Drehmoment und in gleicher Weise erzeugen die elfte und dreizehnte Harmonische miteinander eine zwölfte harmonische Drehmomentkomponente, usw. Für einen sechspulsigen Wechselrichter ist die Ordnung dieser harmonischen oder Zahnungsdrehmomente durch ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der Impulse gegeben. Die Zahnungsdrehmomentpulsationen sind bei sehr niedrigen Frequenzen nachteilig, weil bei diesen niedrigen Frequenzen die Maschine auf die Harmonischen in dem Motorstrom ansprechen kann. Durch Modulieren des Gleichstromverbindungsschienenstroms

I, werden die harmonischen Pulsationen im wesentlichen elid

miniert.

Das Drehmomentmeßsystem in Fig. 2 und 3 zum Erzeugen des Drehmomentänderungssignals ΔT berechnet nur die pulsierende oder Zahnungsdrehmomentkomponente, ist genau und von Änderungen in den Motorparametern unabhängig und erfordert keine zusätzlichen Such- oder Flußspulen in der Maschine. Bezüglich weiterer Einzelheiten wird auf eine gleichzeitig eingereichte Patentanmeldung der Anmelderin verwiesen, die die Messung des pulsierenden Drehmoments in einem durch einen Stranquellenwechselxichter gespeisten Elektranotor zum Gegenstand hat. Bevor die Gleichung für das elektromagnetische Drehmoment angegeben und die theoretische Grundlage für die Berechnung des Rückführungssignals erläutert wird, sei kurz erwähnt, daß die Analyse des statischen und des transienten Verhaltens eines symmetrischen dreiphasigen Induktionsmotors vereinfacht wird, indem die Dreiphasen-Wechselstromgrößen in äquivalente Zweiphasen-Variable längs zwei zueinander senkrechter Achsen umgewandelt werden, bei denen es sich um die Längsachse (d) und um die Querachse (q) handelt. Daher kann in Fig. 5 die sterngeschaltete dreiphasige Ständerwicklung eines Induktionsmotors unter der Annahme, daß die Phasenwicklung a im Leerlauf ist, d.h. einen offenen Stromkreis

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darstellt, während die Phasenwicklungen b und c Strom führen, durch zwei zueinander senkrechte Phasenwicklungen längs der Achsen d bzw. q ersetzt werden.

Pro Einheit kann das elektromagnetische Augenblicksdrehmoment durch folgende Beziehung ausgedrückt werden:

^Te ^{= X}mdⁱqs " ^Xmqⁱds' ⁽¹⁾

wobei λ j und λ die Längs- und Querluftspaltflußverketmd mq

tungen, die gegenseitig die Ständer- und Läuferwicklungen verketten, und i und i, die Quer- und Längsständerströme

qs ds

sind. Die Gleichung (1) gilt zwar für den synchron drehenden oder jeden"' drehenden Referenzrahmen, sie gilt jedoch insbesondere, wenn der Referenzrahmen stationär ist. Das heißt:

τ = χ ; ι ^s - χ ^s i * ' ⁽²⁾

e md qs mq ds

hochgestellte
wobei der/Index s den stationären Referenzrahmen bezeichnet. Es kann gezeigt werden, daß in diesem Referenzrahmen die Längsachse in der Achse maximalen Stroms, d.h. maximaler MMK angeordnet sein kann. In einer Stromquellenwechselrichtermotorantrieb führt eine der Wechselrichterausgangsphasen einen positiven Strom, eine Phase führt einen negativen Strom und eine Phase ist "festpunktlos" oder nicht leitend. In einem typischen Intervall, beispielsweise in dem von 300° bis 360° reichenden Intervall von Fig. 4, 6 und 7, gilt i = 0, i, = I,, und i = I,. Wenn die Querachse nun in einer Linie mit der Phase a ist, wie in Fig. 5, gilt:

wobei I, der Gleichstromverbindungsschienenstrom ist. In diesem Fall ist der Strom in der zu dieser Richtung normalen Achse, nämlich der Querachse, gleich null oder

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Das Einsetzen der Gleichungen (3) und (4) in die Gleichung (2) ergibt:

^Te = - Nnq * ds = - ^Amq" ¹Ol' ⁽⁵⁾

Die Gleichung (5) bietet eine Möglichkeit zum Berechnen der augenblicklichen pulsierenden Komponente des elektromagnetischen Drehmoments. Durch Definition ist die Ständerstromkomponente in der Längsachse (normal zu der Querachse) I,. Im allgemeinen ist eine der drei Ständerphasen immer null, so daß die Leerlaufspannung an dieser Phase die zeitliche Ableitung des Flusses in dieser Achse ist. Die Integration dieser Leerlaufspannung ergibt den Querfluß, der, wenn er mit dem Querstrom, d.h. mit dem Gleichstromverbindungsschienenstrom multipliziert wird, das Drehmoment ergibt.

Eine einfachere, intuitive Erläuterung der Berechnung lautet folgendermaßen. Zu irgendeinem Zeitpunkt, der sich in 60 -Intervallen ändert, sind zwei Phasenwicklungen leitend und der Strom in der anderen ist null. Wenn der Strom in einer Phasenwicklung null ist, wird eine sinusförmige Spannung an der Wicklung eingeprägt, die der Luftspaltspannung entspricht. Das Integral dieser Spannung ist der Motorluftspaltfluß. Das Augenblicksdrehmoment ist das Produkt des Luftspaltflusses und des Ständerstroms, die zueinander senkrecht sind, wobei der Ständerstrom dem Gleichstromverbindungsschienenstrom entspricht. Bei dieser Technik wird nur die augenblickliche pulsierende Drehmomentkomponente berechnet und kein mittleres Drehmoment, weil der Ausgangspunkt der Integration eine Funktion der Wechselrichterthyristorumschaltung und willkürlich ist. Die Form des Integrals ist jedoch die pulsierende Komponente und sie ist von dem Mittel-

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wert des Drehmoments unabhängig.

Die abgefühlte Information, die zum Berechnen des Augenblickswertes der pulsierenden Komponente des elektromagnetischen Drehmoments mit Hilfe der Berechnungsschaltung in Fig. 3 benötigt wird, ist in Fig. 2 gezeigt. Die sinusförmige Augenblicksspannung an einer im Leerlauf befindlichen Phasenwicklung wird an den Motorklemmen abgefühlt und erfordert das Herausführen des Sternpunktleiters N. Transformatoren 15a, 15b und 15c sind zwischen die geeigneten Motorklemmen geschaltet und erzeugen Signale e , e, und e . Die Größe des Stän-

a Jd c

derstroms und die Nullstromintervalle in jeder Motorphasenwicklung können direkt anhand des Wechselrichterausgangsstroms gemessen werden, es ist aber zweckmäßiger, den Wert des Gleichstromverbindungsschienenstroms I, unter Verwendung eines geeigneten Fühlers 16 abzufühlen und die Wechselrichterthyristorsteuerimpulse zu verarbeiten, um Signale zu erzeugen, die die Nullstromintervalle darstellen. Die Motorphasenwicklung a nimmt immer dann einen Strom auf, wenn einer der in Reihe geschalteten Thyristoren T1 und T4 leitend ist,und es gibt eine 60 -Zeitspanne in jeder Halbperiode, in der der Strom null ist (vgl. auch das Steuerungsdiagramm von Fig. 6). Zum Erzeugen eines Signals, das im folgenden mit T1' bezeichnet ist und dem Leitungsintervall des Thyristors T1 entspricht, wird der Steuerimpuls für den Thyristor T1 dem Setzeingang und der Steuerimpuls für den Thyristor T3 dem Rücksetzeingang eines Flipflops oder elektronischen Schalters 17 zugeführt. In gleicher Weise werden Paare von Steuerimpulsen, von denen einer.das Einschalten der Vorrichtung und der andere das Einleiten des Abschaltens durch die Parallelkommutierungseinrichtung angibt, einerReihe von Flipflops zugeführt, um die Signale T2' - T6¹ zu erzeugen.

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Es liegt, wie erwähnt, eine sinusförmige Spannung an einer Phasenwicklung während des Nullstromintervalls an, die der Motorluftspaltspannung entspricht, und das Integral dieser Spannung ist der Luftspaltfluß. Durch Multiplizieren des Gleichstromverbindungsschienenstroms I, mit dem Fluß wird die pulsierende Drehmomentkomponente berechnet, nicht aber der Mittelwert. Die Phasenwicklungsspannungen e , e, und

a id

e werden über Schalter S1, S2 und S3 an einen Integrierer 18 angelegt, der nach jeder Kommutierung mittels eines Rücksetζsignals, das in der Wechselrichtersteuerschaltung 13 gewonnen wird, rückgesetzt wird. Die Luftspaltflußsignale entgegengesetzter Polarität werden direkt über einen Schalter S4 oder über einen Inverter 19 und einen Schalter S5 an eine Summierschaltung 20 angelegt. Die summierten Flußsignale werden in einem Kondensator 21 (oder seinem betriebsmäßigen Ersatzschaltkreis) hochpaßgefiltert, um den Gleichstromanteil des Signals zu beseitigen, und die gefilterten Flußsignale (Δλ) werden mit dem Gleichstromverbindungsschienenstrom I, in einem Multiplizierer 22 multipliziert. Das Ausgangssignal der Schaltung ist die pulsierende Komponente des elektromagnetischen Drehmoments oder das Drehmomentänderungssignal Δ Τ . Die Fig. 7a - 7d zeigen die Kurven in mehreren Stufen in der Berechnungsschaltung. Das Flußsnjnal an dem Integriererausgang ist eine Cosinusfunktion und es ändert seine Polarität in 60°-Intervallen,wenn der Integrierer rückgesetzt wird. Die sinusförmigen Augenblicksphasenwicklungsspannungen werden während des Intervalls, in welchem der Strom in dieser Phasenwicklung null ist, fortlaufend integriert. An dem Summiererausgang haben die Flußsignale dieselbe Polarität und durch die Hochpaßfilterung der Flußsignale wird der Gleichstromanteil unterdrückt. Wenn der Gleichstromverbindungsschienenstrom I, moduliert wird, statt konstant zu sein, zeigt sich die Modulation auch in dem Signal ΔΤ der pulsierenden Drehmomentkomponente .

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Gemäß Fig. 3 werden die Signale T1' und T4' an ein NOR-Gatter 23 angelegt, das ein Ausgangssignal erzeugt, welches den Schalter S1 während der Nichtleitungsintervalle der Thyristoren T1 und T4 schließt, wenn die Phasenwicklung a im Leerlauf ist. Das Steuerungsdiagramm in Fig. 6 veranschaulicht die Arbeitsweise. Der Schalter S2 zum Anlegen der Spannung e, an den Integrierer und der Schalter S3 zum Anlegen der Spannung e werden in derselben Weise durch NOR-Gatter gesteuert. An dem Integriererausgang sind die Signale T1', T3' und T5¹ die Eingangssignale eines ODER-Gatters 24, so daß der Schalter S4 durch das Leiten von Thyristoren geschlossen wird, die den Motorphasenwicklungen Ströme positiver Polarität liefern. Der Schalter S5, der dem Inverter 19 zugeordnet ist, wird andererseits durch das Leiten von Thyristoren geschlossen, die den Phasenwicklungen Ströme negativer Polarität zuführen. Wenn die Steuerimpulse mit dem Leiten der Thyristoren zusammenfallen, ist zu erkennen, daß die Steuerimpulse direkt an die NOR-Gatter 23 und die ODER-Gatter 24 angelegt werden können. Der Integrierer 18, der Summierer 20 und der Multiplizierer 22 werden vorzugsweise durch Operationsverstärker implementiert, es können aber auch andere herkömmliche Schaltkreise benutzt werden.

Das Augenblicksdrehmomentänderungsrückführungssignal Δ Τ kann auch gewonnen werden, indem das durch den Motor entwickelte tatsächliche Drehmoment gemessen und gefiltert wird, um den Gleichstromanteil zu unterdrücken. Eine Grundschaltung ist in Fig. 8 gezeigt. In dieser Implementierung werden die Längs- und Querströme folgendermaßen berechnet:

(6) /T (7)

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Die Längs- und Querluftspaltflüsse werden berechnet, indem Suchspulen in den effektiven Längs- und Querachsen der
Maschine angeordnet werden. Die Spulen können um einen Zahn herum konzentriert oder verteilt werden, um Spannungen aufgrund der Sättigung und aufgrund von Läuferzahnharmonischen zu eliminieren. Die Suchspulen erzeugen eine Spannung, die dann integriert wird, um die beiden Flußsignale zu erzeugen. Nachdem die Strom- und Flußsignale berechnet worden
sind, wird das Drehmoment mit Hilfe folgender Gleichung berechnet:

V !I ^(Xmd^S Ss -^q¹ ds >' ⁽⁸⁾
wobei P die Polzahl ist.

Die Stromsignale in den Gleichungen (6) und (7) werden durch Stromwandler 33 und 34 erzeugt, die beide Sekundärwicklungen mit N Windungen haben; in letzterem sind die beiden eine Windung aufweisenden Primärwicklungen in entgegengesetzter Richtung gewickelt und das Ausgangssignal i - i,

CS OS

wird durch eine Proportionalverstärkungsschaltung 35 hindurchgeleitet. Suchspulen 3 6 und 37 sind in den effektiven Längs- und Querachsen der Maschine um einen oder mehrere
Ständerzähne gewickelt und erzeugen Spannungen proportional zu dem Luftspaltfluß, die durch Integrierer 38 und 39 integriert werden, um ein Längs- und ein Querflußsignal zu erzeugen. Zum Berechnen des elektromagnetischen Drehmoments
T gemäß der Gleichung (8) werden in Multiplizierer 40 und 41 die angegebenen Strom- und Flußsignale, eingegeben und
die Produkte werden durch Verstärkungsschaltungen 42 und
43 hindurchgeleitet und dann in einem Summierer 44 algebraisch addiert. Das mittlere Drehmoment oder der Gleichstromanteil des Signals T wird durch einen Hochpaßfilterkondensator 45 (oder sein betriebsmäßiges Äquivalent) unterdrückt, so daß nur das Signal der pulsierenden Drehmomentkomponente

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oder das Augenblicksdrehmomentänderungssignal ΔΤ zurückbleibt. Für den Bremsbetrieb ist es erforderlich, die Polarität des Signals ΔΤ mit Hilfe eines Inverters 46 zu andem. Zum Erzeugen des Flußamplitudensignals λ hat eine Gleichrichter- und Filterschaltung 47 als Eingangssignale

s s
λ und λ -,. Die Suchspulen und Integrierer können die

mq md ^c

in der US-PS 4 011 489 angegebene Ausbildung haben.

Die Schaltung zum Berechnen des Drehmomentsignals T in Fig. 8 hat die in der US-PS 4 023 083 beschriebene Ausbildung, auf die bezüglich weiterer Einzelheiten Bezug genommen wird. Gemäß dieser Patentschrift enthält jedoch die Drehmomentmeßschaltung Einrichtungen zum Glätten der Drehmomentwelligkeit, so daß ein Mittelwert des Drehmomentrückführungssignals gewonnen wird. Bei der vorliegenden Erfindung wird ein Hochpaßfilter benutzt, um das Drehmomentänderungssignal

ΔT zu gewinnen, das so zurückgeführt wird, daß diese Größe auf null geregelt wird.

Ein exemplarischer Verwendungszweck der Zahnungsdrehmomentreduzierungsregelung und des Verfahrens ist deren zusätzliche Verwendung bei dem geregelten Wechselstrommotorantrieb, der in der US-PS 4 088 934 beschrieben ist. In dieser Regelung wird die Frequenz der Ständererregung in Abhängigkeit von dem Drehmomentwinkelrückführungssignal geregelt. Die Drehmomentregelung erfolgt vollständig in einer schnell ansprechenden Regelschleife zum Bestimmen der Betriebsfrequenz des gesteuerten Wechselrichters und damit der Ständererregergrundfrequenz. Das Führungssignal in der langsam ansprechenden Regelschleife zum Bestimmen der Gleichrichterausgangsspannung und damit des Wertes des Gleichstromverbindungsschienenstroms kann verschiedene Formen annehmen und ist als eine Sollgröße der Ständererregung darstellend gezeigt. Bei zusätzlicher Entzahnungsrückführungsregelung wird zu dem Augenblicksdrehmomentände-

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rungsrückführungssignal die Führungssignalerregergröße oder stattdessen ein Signal addiert, das den Fehler zwischen den Soll- und Istgrößen der Erregung darstellt, und das sich ergebende Signal wird durch einen Regler verarbeitet und einem Gleichrichtersteuerimpulsgenerator zugeführt, um die an die Gleichstromverbindungsschiene angelegte Gleichrichterausgangsspannung V, zu regeln.

Bei NichtVorhandensein des hier beschriebenen Drehmomentänderungsrückführungssignals treten große Zahnungsdrehmomente auf, insbesondere wenn sich die Maschine der Drehzahl null nähert. Mit dem Rückführungssignal wird dagegen die pulsierende Drehmomentkomponente stark verringert, wobei das Gesamtverhalten des Systems im wesentlichen das gleiche ist. Wie in Verbindung mit Fig. 1 erläutert, wird der Schalter 29 bei einer Pulsationsdrehmomentfrequenz von etwa 30 Hz geöffnet, da die nachteiligen Zahnungsdrehmomentpulsationen bei höheren Drehzahlen nicht vorhanden sind, und durch Abschalten des Drehmomentänderungsrückführungssignals spricht das Motorsteuersystem richtig auf Drehmomentpulsationen an, die bei den höheren Motordrehzahlen auftreten. Das Signal Δ T wird bei den höheren Motordrehzahlen selbstverständlich erzeugt und würde, wenn es nicht abgeschaltet würde, rückgeführt werden und mit der Drehmomentregelschleife in nachteiliger Weise zusammenwirken.

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Claims

Patentansprüche :

1. Regelsystem für einen Stromrichterantrieb, mit einem Spannungsumformer, der über eine Gleichstromverbindungsschiene, die eine Glättungsdrossel enthält, mit einem gesteuerten Wechselrichter verbunden ist, der einen Ausgangsstrom mit der Größe des Gleichstromverbindungsschienenstroms und mit einer veränderlichen Frequenz erzeugt, der einem Wechselstrommotor zugeführt wird, wobei das Regelsystem eine Einrichtung zum Verändern der Größe der an die Gleichstromverbindungsschiene durch den Spannungsumformer angelegten Spannung enthält, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verringern des Zahnungsdrehmoments in dem Motor eine Einrichtung (27) zum Erzeugen eines Augenblicksdrehmomentänderungsrückführungssignal, das nur von dem Augenblickswert der pulsierenden Komponente des elektromagnetischen Drehmoments abhängig ist und keine Gleichstromkomponente hat, und

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eine Einrichtung (28) vorgesehen sind, die das Drehmomentrückführungssignal als ein Korrekturglied an die Einrichtung (32) zum Verändern der Größe der an die Gleichstrom verbindungsschiene (11) angelegten Spannung abgibt, um dadurch eine Verringerung der Zahnungsdrehmomentpulsationen zu bewirken.

2. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Schalteinrichtung (29) zum Abschalten des Drehmomentsänderungssignals, wenn die Schaltfrequenz des Wechselrichters auf wenigstens eine vorbestimmte niedrige Frequenz ansteigt, oberhalb welcher eine Entzahnungsrückführungsregelung nicht erforderlich ist.

3. System'nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

die Einrichtung (27) zum Erzeugen eines Drehmomentänderungsrückführungssignals eine Einrichtung (Fig. 4, linker Eingang) aufweist, die mit dem Motor verbunden ist und ein Signal erzeugt, das das Augenblicksdrehinoment angibt, das von dem Motor tatsächlich entwickelt wird, und eine Einrichtung (21) zum Filtern des Xstdrehmomentsignals, um die Gleichstromkomponente zu entfernen.

4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (27) zum Erzeugen eines Drehmomentänderungsrückführungssignals eine mit dem Motor verbundene Einrichtung zum Erzeugen eines Signals enthält, das das Augenblicksdrehmoment angibt, das von dem Motor tatsächlich entwickelt wird, und eine Einrichtung zum Filtern des Istdrehmomentsignals zum Entfernen der Gleichstromkomponente, eine Einrichtung zum Erzeugen eines Signals, das den abgefühlten Wert (I,) eines ausgewählten Motorparameters darstellt, der zu regeln ist,

wobei die Einrichtung zum Erzeugen des Drehmomentänderungssignals als ein Korrekturglied für die Spannungsänderungseinrichtung eine Einrichtung (30) enthält, die das Drehmoment-

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_ "3 —

änderungssignal zu einem Signal addiert, das einen Führungswert des ausgewählten Motorparameters darstellt, und zu dem Signal, das den abgefühlten Wert des ausgewählten Motorparameters darstellt, um dadurch ein Fehlersignal zum Regeln des Spannungsumformers und von dessen Ausgangsspannung zu erzeugen, und

eine Schalteinrichtung (29) zum Abschalten und Zuschalten des Drehmomentänderungssignals bei einer vorbestimmten niedrigen Frequenz, oberhalb welcher eine Entzahnungsrückführungsregelung nicht benötigt wird.

5. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die Einrichtung (27) zum Erzeugen eines Drehmomentänderungsrückführungssignals eine Einrichtung (36, 37) enthält, die mit dem Motor verbunden ist und ein Signal erzeugt, das den abgefühlten Luftspaltfluß darstellt, und ein Signal, das das Istdrehmoment darstellt, das durch den Motor tatsächlich entwickelt wird, und eine Einrichtung (4 7) zum Filtern des Istdrehmomentsignals, um die Gleichstromkomponente zu entfernen,

wobei die Einrichtung zum Erzeugen des Drehmomentänderungssignals als ein Korrekturglied für die Spannungsänderungseinrichtung eine Einrichtung (30) enthält, die das Drehmomentänderungssignal zu einem Signal addiert, das einen Führungswert des Motorluftspaltflusses darstellt, und zu dem Signal, das den abgefühlten Luftspaltfluß darstellt, um dadurch ein Fehlersignal zum Regeln des Spannungsumformers und von dessen Ausgangsspannung zu erzeugen.

6. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen eines Drehmomentänderungsrückführungssignals eine Einrichtung (27) enthält, die mit dem Motor verbunden ist und ein Signal erzeugt, das das Augenblicksdrehmoment darstellt, das von dem Motor tatsächlich entwickelt wird, und eine Einrichtung (21) zum Filtern des

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Istdrehmomentsignals, um die Gleichstromkomponente zu entfernen,

wobei die Einrichtung zum Erzeugen des Drehmomentänderungssignals als ein Korrekturglied für die Spannungsänderungseinrichtung eine Einrichtung (30) enthält, die das Drehmomentänderungssignal zu dem einen Führungswert des Istmotordrehmoments darstellenden Signal und zu dem Signal addiert, das das abgefühlte Istmotordrehmoment darstellt, um dadurch ein Fehlersignal zum Regeln des Spannungsumformers und von dessen Ausgangsspannung zu erzeugen.

7. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

der Spannungsumformer (10) über eine Gleichstromverbindungsschiene, die eine Glättungsdrossel enthält, mit einem gesteuerten mehrphasigen Brückenwechselrichter verbunden ist, der einen Ausgangsstrom mit der Größe des Gleichstromverbindungsschienenstroms und mit einer veränderlichen Frequenz erzeugt, der dem Wechselstrommotor zugeführt wird, wobei die Einrichtung zum Verringern des Zahnungsdrehmoments in dem Motor

eine Einrichtung (Eingang an 27) zum Erzeugen von Fühlersignalen, die effektiv die Amplitude des den Motorphasenwicklungen zugeführten Stroms, die Nullstromintervalle in jeder Phasenwicklung und die Augenblicksspannung an jeder Phasenwicklung darstellen, und

eine Berechnungsschaltung (18) enthält, die die Fühlersignale verarbeitet und ein Augenblicksdrehmomentanderungsrückführungssignal erzeugt, das nur von dem Augenblickswert der pulsierenden Komponente des elektromagnetischen Drehmoments abhängig ist und aus dem die Gleichstromkomponente entfernt worden ist.

8. Verfahren zum Verringern des Zahnungsdrehmoments in einem Wechselstrommotor, mit einem Regelsystem, das einen Spannungsumformer enthält, der über eine Gleichstromverbindungs-

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schiene, die eine Glättungsdrossel enthält, mit einem gesteuerten Wechselrichter verbunden ist, der einen Ausgangsstrom mit der Größe des Gleichstromverbindungsschienenstroms und mit einer veränderlichen Frequenz erzeugt, der dem Wechselstrommotor zugeführt wird, wobei das Regelsystem eine Einrichtung zum Verändern der Größe der an die Gleichstromverbindungsschiene durch den Spannungsumformer angelegten Spannung enthält, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Erzeugen eines Rückführungssignals, das nur von dem Augenblickswert der pulsierenden Komponente des elektromagnetischen Drehmoments abhängig ist und aus dem jegliche Gleichstromkomponente entfernt worden ist, und

Anlegen des Rückführungssignals als ein Korrekturglied an
die Einrichtung zum Verändern der Größe der an die Gleichstromverbindungsschiene angelegten Spannung, um dadurch
eine Verringerung der Zahnungsdrehmomentpulsationen zu bewirken, und

Abschalten des Rückführungssignals bei einer vorbestimmten niedrigen Frequenz, oberhalb welcher eine Entzahnungsrückführungsregelung nicht benötigt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Erzeugens eines Rückführungssignals ausgeführt wird, indem der Wechselrichterausgangsstrom und der
Motorluftspaltfluß abgefühlt werden und daraus ein Signal
gewonnen wird, das das von dem Motor entwickelte Istdrehmoment darstellt, und indem das Istdrehmomentsignal gefiltert wird, um die Gleichstromkomponente zu entfernen.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Erzeugens eines Rückführungssignals ausge-

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führt wird, indem der Gleichstromverbindungsschienenstrom, die Nullstromintervalle in jeder Motorphasenwicklung und die Augenblicksspannung an jeder im Leerlauf befindlichen Phasenwicklung abgefühlt werden und daraus das Rückführungssignal gewonnen wird.

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