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Schaltungsanordnung zur Bildung eines elektrischen
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Spannungssignals, das einer Flußkomponente in einer Drehfeldmaschine
proportional ist.
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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Bildung eines
elektrischen Spannungssignals, das einer Flußkomponente in einer Drehfeldmaschine
proportional ist, der eingangs eine Spannung zugeführt ist, die einer zur Flußkomponente
gehörigen Sternspannung proportional ist.
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Die Schaltungsanordnung enthält einen Integrator als Eingangsglied,
an dessen Ausgang das der Flußkomponente proportionale Spannungssignal abgegriffen
ist, und einen zur Unterdrückung des Gleichanteils dieses Spannungssignals bemessenen
PI-Nullpunktregler, dessen Eingang mit dem Ausgang des Integrators verbunden ist
und dessen Ausgang an einen Suanenpunkt am Eingang des Integrators angeschlossen
ist. Dabei weist der Nullpunktregler einen P-Regler und einen 1-Regler auf. Das
Ausgangssignal des P-Reglers und das Ausgangssignal des I-Reglers sind dem Summenpunkt
zugeführt. Das Ausgangssignal des Integrators ist mit einem ersten Gewichtsfaktor
der Eingang des P-Reglers und mit einem zweiten Gewichtsfaktor dem Eingang des 1-Reglers
zugeführt. Die Gewichtsfaktoren weisen einen Maxitalwert 1 auf. Diese Anordnung
ist in der deutschen Patentschrift 28 33 593 (Hauptpatent) angegeben.
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Mit dieser bekannten Anordnung nach der DE-PS 28 33 593 soll der Maschinenfluß
der Drehfeldnaschine unabhängig von der Maschinenfrequenz phasenrichtig und amplitudengetreu
erfaßt werden, wobei der Nullpunktregler vom Beginn der Lageordnung des Läufers
der Drehfeldmaschine bis zur Nennfrequenz der Drehfeldaaschine kontinuierlich im
Eingriff sein soll. Als zweiter Gewichtsfaktor ist das Quadrat des ersten Gewichtsfaktors
gewählt. Die Anordnung stellt einen Wechselspannungsintegrator dar, dessen Eigenfrequenz
der-
art in Abhängigkeit von der Frequenz der Drehfeldmaschine geführt
ist, daß die Durchtrittstrequenz und die Dämpfung Jeweils für die der Maschinenfrequenz
entsprechenden Frequenzen konstant ist. Der Phasenfehler bleibt dabei über den gesamten
Drehzahlbereich der Drehfeldmaschine konstant.
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Der Wechselspannungsintegrator wird zur Berechnung der EMK bzw. des
Läuferflusses einer Drehfeldmaschine verwendet.
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Bei einer Asynchronmaschine wird der Fluß von dem zur Feldachse parallelen
Anteil (Magnetisierungsstrom) des StZnderstromes aufgebaut, während der zur Feldachse
senkrechte Anteil (Wirkstrom) zur Ausbildung des Drehmomentes fUhrt.Bei Synchronmaschinen
liegen die Verhältnisse ähnlich, wobei Jedoch zu berücksichtigen ist, daß auch der
zur Feldachse parallele Anteil des Erregerstromes zum Feld beiträgt. Im folgenden
wird stets die Sunde der feldparallelen Anteile von Ständerstrom und Erregerstrom
als "magnetisierender Strom i #1" bezeichnet.
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Der Läuferfluß erzeugt in Läuferwicklung und Ständerwicklung eine
(K, die sich an den Maschinenklemmen bemerkbar nacht. Die Wechselspannungsintegratoren
nach der DE-PS 2833593 (Hauptpatent) können dazu dienen, aus abgegriffenen Meßwerten
für Ständerstrom und Ständerspannung der Maschine den Fluß der Maschine zu ermitteln.
Der Integrator dient als Rechenmodell (I'Spannungsmodell"), das ggf. unter Berücksichtigung
des ohmschen Spannungsabfalls und der induktiven Streuspannung (hierzu ist der Anordnung
zusätzlich eine dem Ständerstrom in einer Maschinenzuleitung proportionale Spannung
zuzuführen) durch Integration der Sternspannung oder einer proportionalen, aus der
Sternspannung abgeleiteten Spannung ein Spannungssignal bildet, das eine Flußkomponente
der Drehfeldmaschine in einem bezüglich der Ständerwicklung raumfest vorgegebenen
Koordinatensystem darstellt. Durch Verwendung einer baugleichen Anordnung, die aus
einer zweiten Sternspannung eine zweite Komponente des Flusses bildet, kann dadurch
ein Vektor ermittelt werden, der bei Zustandsänderungen der Drehfeldmaschine dem
Vektor des in der Maschine tatsächlich auftretenden Flusses mit guter Genauigkeit
folgt.
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Um ein Wegdriften der Integratoren zu vermeiden, iuß Jedoch durch
eine Nullpunktregelung der Integrator-Nullpunkt konstant gehalten werden. Dazu dient
nach der erwähnten deutschen Patentschrift 28 33 593 der aus einem P-Regler und
aus einem 1-Regler bestehende Nullpunktregler in der Integratorrückführungsleitung,
dessen Durchgriff frequenzabhängig gewichtet ist. Mit der Nullpunktdrift des Integrators
werden Jedoch auch niedrigen Betriebsfrequenzen entsprechende langsame Änderungen
der am Integratorausgang abzugreifenden Flußkomponente unterdrückt. Bei stationärem
Betrieb erzeugt die Anordnung ferner einen Winkelfehler, der ebenfalls vor allem
bei niedrigen Frequenzen zu einer störenden Fehlorientierung führt, falls beim Betrieb
der Drehfeldmaschine die Sollwerte der einzuspeisenden Stromvektoren auf den ermittelten
Flußvektor orientiert sind.
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Der guten Dynamik des Strommodells steht demnach eine Fehlorientierung
beim stationären Betrieb gegenüber, die vor allem bei niedrigen Frequenzen zu Störungen
führen kann. Hinzu kommt, daß auch bei höheren Betriebsfrequenzen für Ober- und
Unterschwingungen, die vom Stromrichter verursacht werden, Werte für die Dämpfung
und den Winkelfehler auftreten, die von dem auf die Betriebsfrequenz abgestimmten
Wert abweichen und dazu fUhren können, daß diese Schwingungen nicht mehr ausreichend
gedämpft werden.
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Ein Modellwert für den in der Drehfeldmaschine tatsächlich auftretenden
Fluß kann Jedoch auch durch eine andere Rechenmodellschaltung ("Strommodell") ermittelt
werden, dessen Eingängen lediglich Eingangsspannungen zugeführt werden, die dem
Ständerstrom, den Magnetisierungsstrom und der Läuferstellung entsprechen. Diese
Rechenmodellschaltung bildet die in der Drehfeldmaschine auftretenden, zur Ausbildung
des Flusses führenden Vorgänge in entsprechenden elektronischen Recheneinheiten
nach
und ist Jeweils nach dem Typ der verwendeten Drehfeldaaschine (Synchronmaschine
bzw. Asynchronmaschine) unterschiedlich aufgebaut. In dem Vortrag wRegelverfahren
für Drehfeldmaschinenw vor dem Bildungswerk des "Vereins deutscher Ingenieure",
dessen Manuskript vom VDI-Bildungswerk, Düsseldorf, unter der Bestell-Nr.
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BW 3898 vertrieben wird, ist die Struktur der Asynchronmaschine bzw.
der Synchronmaschine analysiert. Für alle weiteren Erörterungen wird die dort eingeführte
Nomenklatur verwendet, wonach mit den Indizes #1 und 9 2 die feldparallele und feldsenkrechte
Komponente eines Vektors, mit den Indizes α und ß die Vektorkomponenten in
einem kartesischen, raumfesten Bezugssystem und mit dem Index s eine im Ständer
auftretende Größe bezeichnet wird.
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In Bild 5 auf Seite 10 ist ein Umrichter U für eine Asynchronmaschine
dargestellt, dessen Steuerung auf der linken Seite die Sollwerte für den zum Fluß
parallelen Anteil des Ständerstromes (Magnetisierungsstrom i8 1) und den zum Fluß
senkrechten Anteil (i#2s*) des Ständerstromes zugeführt sind. Der Umrichter speist
die rechts in einer Ersatz struktur dargestellte Asynchronmaschine mit einen Ständerstrom,
der in einem ständerbezogenen Koordinatensystem den Betrag is und den Winkel #ss
besitzt. Für die Steuerung der Asynchronmaschine ist links eine Rechenmodellschaltung
angegeben, die aus den erwähnten feldorientierten Stromsollwerten die Schlupffrequenz
und daraus mittels der Läuferstellung, die als Winkel #s der Läuferachse bezüglich
einer Achse des ständerbezogenen Koordinatensystems eingegeben wird, den Winkel
des Modellflußvektors im ständerbezogenen Koordinatensystem ermittelt. Durch ein
auf die Zeitkonstante der Maschine abgestimmtes Dynamikglied (Verzögerungsglied)
wird aus der Magnetisierungsstromkomponente i#1s* des eingegebenen Ständerstromsollwertes
ein Modellwert für den Mag-
netisierungsstrom-Istwert und damit
für den Betrag des auftretenden Flusses gebildet. Diese Modellschaltung liefert
also einen nur aus den Ständerströmen berechneten Modellwert für den Betrag und
den Winkel des Flusses als ständerbezogene Polarkoordinaten, die bei Bedarf in die
Komponenten des Modellflusses bezüglich kartesischer ständerfester Achsen umgerechnet
werden können.
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In ähnlicher Weise ist in Bild 10 auf Seite 16 eine Anordnung mit
einer Synchronmaschine angegeben, bei der dem Umrichter U im linken Teil neben den
Sollwerten iS@ #1 und is* #2 noch der Sollwert ie*#1 für die zum Fluß parallele
Komponente des Erregerstromes vogegeben ist. Bei der Synchronmaschine besteht zwischen
i51, i#1e und dem magnetisierenden Strom i 1 der Zusammenhang ie = 1 Y1 - i#1s.
Der Umrichter U und seine Steuerung speist dabei die Erregerwicklung mit einem Erregerstrom
ie.
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Nachteilig beim Strommodell ist, daß die Modellparameter sehr genau
auf die Maschinenparameter eingestellt werden müssen und daher sowohl bei stationären
wie bei dynamischen Vorgängen z.B. eine temperaturbedingte Änderung des Läuferwiderstandes
zu Fehlern bei der Ermittlung des Modellflusses führt. Da Jedoch die Flußermittlung
bei niedrigen Frequenzen trotz der bisweilen unbefriedigenden Dynamik noch genauer
ist als beim Spannungsmodell, wird das Strommodell dem Spannungsmodell vorgezogen,
wenn die Drehfeldmaschine im unteren Drehzahlbereich betrieben werden soll.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
anzugeben, die sowohl im unteren wie im oberen Drehzahlbereich ein elektrisches
Spannungasignal bildet, das einer Flußkomponente des in einer Drehfeldmaschine auftretenden
Flusses proportional ist und einen von der
Maschinentrequenz unabhängigen,
möglichst geringen Phasen- und Amplitudenfehler aufweist. Dabei sollen die guten
Eigenschaften der Vorrichtung nach der DE-PS 2833593 (Spannungsmodell) im oberen
Drehzahlbereich beibehalten oder sogar noch verbessert werden.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 angegebenen
Merkmale gelöst.
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Die Erfindung stellt eine Kombination des Spannungsmodelles mit dem
Strommodelldir. Der Nullpunktregler wird nicht mehr dazu eingesetzt, um langfristige
Gleichanteile, die sowohl von einer Nullpunktdrift des Integrators wie von bei niedrigen
Frequenzen auftretenden langsamen Änderungen des am Integratorausgang abzugreifenden
Flusses hervorgerufen werden, auszuregeln, sondern es werden nur Gleichanteile in
der Differenz des vom Spannungsmodell errechneten Wertes und des vom Strommodell
errechneten Modeliwertes unterdrückt.
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Der Rückführungszweig des Spannungsmodell-Integrators bewirkt also,
daß praktisch nur noch die Nullpunktdrift des Integrators ausgeregelt wird. Gleichzeitig
wird als Folge der Frequenzgänge bei der Aufschaltung der beiden Modell schaltungen
der Winkelfehler der Ausgangsgröße praktisch Null, unabhängig davon, wie stark die
Driftregelung eingreift. Durch Variation der Eingriifsstärke kann vielmehr bestimmt
werden, ob nun die Ausgangsgröße vorwiegend vom ursprünglichen Spannungsmodell oder
vorwiegend vom Strommodell bestimmt wird. Die Eingriff sstärke, d.h. der Gewichtungsfaktor
bei der Nullpunktregelung des Spannungsmodells nach der DE-PS 28 33 593 muß Jetzt
nicht mehr proportional zur Frequenz geführt werden, sondern kann entsprechend dem
Jeweiligen Bedürfnissen gewählt werden.
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Der Nullpunktregler führt im niedrigen Frequenzbereich den Spannungsmodellwert
dem Stromeodellwert nach. Dadurch wird im unteren Frequenzbereich (einschließlich
der Frequenz O) die Ausgangsgröße vorwiegend vom Strommodell bestimmt. Die in diesem
Frequenzbereich besonders günstigen Eigenschaften des Strommodelles bleiben also
erhalten. Darüber hinaus wird die Dynamik sogar noch verbessert, da das Spannungsmodell
mit seiner guten Dynamik als Vorsteuerung wirkt und bei schnellen Änderungen korrigierend
eingreift.
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Im oberen Frequenzbereich wird die Ausgangsgröße vorwiegend von dem
in diesem Betriebsbereich günstigeren Spannungsmodell bestimmt, wobei der Winkelfehler
des Spannungsmodells zusätzlich durch das Strommodell weitgehend kompensiert wird,
ohne daß sich die Fehler des Strommodelles hier wesentlich bemerkbar machen.
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Dabei ist es ferner von Vorteil, daß die Verstärkung der Driftregelung,
d.h. der Faktor a<1, viel höher als beim ursprünglichen Spannungsiodell gewählt
werden kann. Dadurch ist in Jedem Betriebsbereich ohne zusätzlichen Winkelfehler
eine sehr gute Bedämpfung von Ober- und Unterschwingungen möglich. Auch kann abweichend
von der DE-PS 28 33 593 der zweite Gewichtsfaktor, der dort gleich dem Quadrat des
ersten Gewichtstaktors zu wählen war,nun optimiert werden.
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Möglichkeiten für die schaltungsmäßige Realisierung der Rechenmodelischaltung
für das Strommodell sind eingangs bereits angegeben worden. Bevorzugt enthalten
diese Modellschaltungen ein vom Nagnetisierungsstrom (Asynchronmaschine) bzw. vom
magnetisierenden Strom i çj (Synchronmaschine), insbesondere dessen Sollwert, beaufschlagtes,
an das Zeitverhalten der Drehfeldmaschine angepaßtes Dynamikglied (Verzögerungsglied
1. Ordnung) zur Bildung
eines Modeliwertes für den Flußbetrag,
eine Rechenstufe, der neben den Eingangs spannungen für Ständerstrom und gegebenenfalls
magnetisierenden Strom auch der Modell-Flußbetrag des Dynamikgliedes zugeführt ist
und die daraus den Modellwinkel des Flusses bezüglich der LuSerachse ermittelt,
ein Rechenglied, das den nunmehr durch Betrag und Winkel festgelegten Modellfluß
in zwei Vektorkomponenten eines Koordinatensystems transformiert, das durch zwei
bezüglich des Läufers der Drehfeldmaschine fest vorgegebenen Achsen gegeben ist,
sowie einen Vektordreher, dem die Läuferstellung eingegeben ist und der aus den
läuferbezogenen Koordinaten nunmehr ständerbezogene Koordinaten des Modellflußvektors
ermittelt.
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Bei einer Asynchronmaschine verbleibt bei gegebenem Magnetisierungsstrom
(feldparallele Komponente des Ständerstromes) für die Beschreibung des Ständerstromes
nur noch die zum Feldvektor senkrechte Komponente (Wirkstrom).
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Wird der Ständerstrom durch seine feldorientierten Koordinaten eingegeben,
8o können diese aus den ständerbezogenen Koordinaten mittels eines weiteren Vektordrehers
ermittelt werden, dem die Winkellage des Flußvektors eingegeben ist. Diese Winkellage
kann mittels eines Vektoranalysators aus den Ausgangsgrößen des Spannungsmodelles
ermittelt werden, vorzugsweise werden Jedoch die Ausgänge des Strommodelles benutzt.
Bei den Komponenten des Stromvektors kann es sich um die Sollwerte handeln, bevorzugt
werden Jedoch die Istwerte benutzt.
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Eine Synchronmaschine enthält neben der feldparallelen und der feldsenkrechten
Komponente des Ständerstromes noch den Erregerstrom als weiteren Freiheitsgrad.
Der magnetisierende Strom setzt sich dabei aus der feldparallelen Komponente des
Ständerstromvektors und der feldparallelen Komponente des Erregerstromes zusammen,
sofern von einer bei instationären Zuständen auftretenden ent-
sprechenden
Komponente des Dämpferstromes abgesehen werden kann. Daher wird bei Synchronmaschinen
dem Strommodell neben den feldorientierten Koordinaten des Ständerstromes eine weitere
Eingangsspannung zur Beschreibung des magnetisierenden Stromes, insbesondere für
den Sollwert des magnetisierenden Stromes eingegeben. Aus der im Strommodell selbst
errechneten läuferorientierten Winkellage des Flußvektors kann das Strommodell für
eine Synchronmaschine aus dem Sollwert des magnetisierenden Stromes und der feldsenkrechten
Komponente des Ständerstromes den Sollwert für den Erregerstrom ohne weiteren Aufwand
berechnen, so daß für die Erregerstromsteuerung keine weitere Vorgaben nötig sind.
Für einfache Steuerungen kann aber auch der Erregerstrom direkt vorgegeben (z.B.
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konstant) werden, so daß dann der Rechenmodellschaltung auch der Istwert
des magnetisierenden Stromes, d.h. die Differenz der feldsenkrechten Komponente
des Erreger-Iststromes und der feldsenkrechten Ständerstromkomponente eingegeben
werden können. Zur Eingabe des Ständerstromes können allgemein ständerbezogene oder
feldorientierte Istwert- oder Sollwertkonponenten verwendet werden, wobei die Transformation
vom Ständerbezugssystem ins feldorientierte Bezugssystem mittels Vektordrehern und
Vektoranalysatoren erfolgen kann. Für einen feldorientierten Betrieb der Synchronmaschine
ist die Eingabe teldorientierte r Ständerstromkomponenten am einfachsten. Anstelle
des Nagnetisierungsstrom-Sollwertes kann auch ein Sollwert für den Flußbetrag selbst
verwendet werden.
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Anhand von zwei Ausführungsbeispielen für die Rechenmodellschaltungen,
dreier Ausfuhrungsbeispiele für entsprechende Drehfeldmaschinen-Antriebe und 8 Figuren
wird die Erfindung näher erläutert.
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Die Figuren zeigen: Figur 1: zwei Wechselspannungsintegratoren IG
und IG', denen gemäß der Erfindung die Ausgangssignale einer Rechenmodellschaltung
1 zugeführt sind, Figur 2: die Frequenzgänge Fl und F2 des Wechselspannungsintegrator-Ausgangssignals
für die am Integratoreingang und am Eingang des Nullpunktreglers zugeführten Signale,
Figur 3: die bevorzugte Frequenzabhängigkeit der Durchgriffsstärke (Gewichtsfaktor
a) des Nullpunktreglers, Figur 4: eine Rechenmodelischaltung (Strommodell) für den
Einsatz bei einer Asynchronmaschine, Figur 5: eine Rechenmodellschaltung (Strommodell)
für den Einsatz bei einer Synchronmaschine, Figur 6: eine Schaltungsanordnung zum
Betrieb einer von einem Umrichter mit eingeprägtem Zwischenkreisstrom gespeisten
Synchronmaschine (Stromrichtermotor), Figur 7: eine Schaltungseinrichtung zum Betrieb
einer von einem Direktumrichter gespeisten Synchronmaschine, Figur 8: eine Schaltungsanordnung
zum Betrieb einer von einem Umrichter mit eingeprägtem Zwischenkreisstrom gespeisten
Asynchronmaschine.
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Gemäß Figur 1 ist den Eingängen der Wechselstromintegratoren IG, IG',
wie sie in der deutschen Patentschrift 28 33 593 beschrieben sind, die Komponenten
des Ständerstromvektors i8 und des Spannungsvektors US zugeführt, während am Ausgang
die entsprechenden Komponenten des Flußvektors 82 abgegriffen sind. Im folgenden
werden die Indizes O( und 6 verwendet, um die Komponenten eines Vektors in einem
ständerbezogenen, kartesischen Koordinatensystem zu bezeichnen. Der Wechselspannungsintegrator
IG
verarbeitet also die ProJektionen iαs und Uαs des
Ständerstromvektors is und des Spannungsvektors Us auf die achse des ständerbezogenen
Koordinatensystems zu der entsprechenden ProJektion #α des Flußvektors # auf
dieselbe Achse, während der baugleiche zweite Wechselspannungsintegrator IG' die
entsprechenden ProJektionen ißs und Ußs auf die 225-Achse des ständerbezogenen Koordinatensystems
zu der FluSkomponente #ß in diesem Koordinatensystem verarbeitet.
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Im Wechselspannungsintegrator IG ist einem ersten Summationspunkt
S1 am Eingang eines Integrators V1 die Spannungskomponents Uαs und gleichzeitig
zur Kompensation des ohmschen Spannungsabfalls in der Maschine eine der Ständerstromkomponente
iαs proportionale, mit dem Wert des ohmschen Ständerwiderstandes R multiplizierte
Spannung negativ zugeführt. Am Eingang des Integrators V1 liegt dann eine der α-Komponente
des EMK-Vektors proportionale Spannung an. Um die Streuinduktivität der Drehfeldmaschine
zu kompensieren, kann vorzugsweise einem zweiten Suniationspunkt S2 dem Ausgangssignal
des Verstärkers V1 ein der Stromkomponente is proportionales, um den Wert der Streuinduktivität
L# multipliziertes Signal negativ aufgeschaltet sein, so daß dadurch die entsprechende
Komponente #α des magnetischen Hauptflußvektors gebildet ist.
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Zur Unterdrückung der Integrator-Nullpunktdrift ist das Ausgangssignal
#α über einen Proportionalverstärker V3 und parallel hierzu über einen Integralverstärker
V4 Jeweils unter Vorzeichenumkehr zum Summationspunkt S1 rUckgeführt. Die Eingriffstärke
für die Nullpunktdrift-Regelung kann vorteilhaft dadurch verändert werden, daß #α
dem Proportionalverstärker V3 proportional einem Gewichtungsfaktor a und dem Integralverstirker
V4 proportional zu einem Gewichtungsfaktor b zugeführt wird. Gemäß der DE-PS 28
33 593 ist b = a2 gewählt. Hierzu dienen die
Multiplikationsglleder
Pl und P2. Vorzugsweise geschieht die Multiplikation nach dem Prinzip der Pulsbreitenmultiplikation,
indem die Multiplikatoreingangsspannung über einen Schalter, dessen Öffnungszeit
Schließzeit-Verhältnis (Tastverhältnis) entsprechend dem Multiplikationsfaktor a
gewählt ist, auf den Multiplikatorausgang gelegt wird. Der Mittelwert der am Multiplikatorausgang
liegenden Spannung stellt dann das Produkt dar. Während der Integrator V4 aufgrund
seines Integrationsverhaltens selbst den Mittelwert bildet, muß für den Fall, daß
der Multiplikator P1 durch einen entsprechend getasteten Schalter verwirklicht ist,
ein als Glättungsglied ausgebildeter Verstärker V2 nachgeschaltet sein. Der Faktor
a kann aus der Läuferfrequenz O durch einen Funktionsgeber 2 gebildet werden, dessen
eingegebene Funktion a ( ) im Zusammenhang mit Figur 3 noch erläutert wird. Bei
Anwendung der Pulsbreitenmultiplikation enthält der Funktionsgeber 2 ferner einen
Generator, der eine getastete Ausgangsspannung mit einem dem Faktor a entsprechenden
Tastverhältnis liefert.
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Gemäß der Erfindung ist nun am Eingang des von den Elementen P1, P2,
V2, V3, V4 gebildeten Nullpunktreglers der Ausgangsgröße Yldes Wechselspannungsintegrators
eine Größe 4'o so aufgeschaltet, daß von dem Nullpunktregler nur Gleichanteile in
der Differenz t 0 ausgeregelt werden. Entsprechend wird dem baugleichen Wechselspannungsintegrator
IG' an einer dem Multiplizierer P1' vorgeschalteten Verknüpfungsstelle eine Große
#ßo negativ aufgeschaltet, so daß auch der Nullpunktregler dieses zweiten Wechselspannungsintegrators
Gleichanteile in der Differenz #ß- #ßo ausregelt. Die Größen #αo und #ßo stellen
die ständerbezogenen Komponenten eines Vektors dar, der in der Rechenmodellschaltung
1 als Modell für den Flußvektor der Maschine gebildet ist. Diese Rechenmodellschaltung
bildet - ausgehend von den der Maschine zuge-
führten Strömen -
in einem elektronischen Modell die Vorgänge nach, die in der Maschine zur Ausbildung
des Flusses (genauer: des Läuferflusses) fUhren. Als weitere Eingangsinformation
benötigt das Strommodell eine Angabe über die Lage (Winkel #) der Läuferachse bzw.
Polradachse im ständerbezogenen System. Dies kann z.B. durch einen von der Läuferfrequenz
M gespeisten, zu Betriebsbeginn auf die richtige Ausgangsstellung gesetzten Sinus-Cosinus-Oszillator
3 geschehen, der entsprechende Spanr.ungssignale cos und sinX dem Strommodell 1
eingibt.
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Ein ebener Vektor ist stets durch zwei Bezugsgrößen, z.B.
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Betrag und Winkellage oder die beiden Komponenten bezUglich eines
gegebenen Koordinatensystems, bestimmt. Daher sind dem Strommodell zwei Eingangsgrößen
zur Information über den Ständerstromvektor einzugeben. Bei entsprechender, noch
zu erläuternder Ausbildung der Rechenmodellschaltung kann als Bezugssystem ein ständerorientiertes
oder ein feldorientiertes (d.h. mit dem Flußvektor umlaufendes) kartesisches Koordinatensystem
oder auch ein Polarkoordinatensystem verwendet werden, da bei gegebenem Flußwinkel
mittels Vektoranalysatoren, Vektordrehern oder polar/kartesischen Koordinatenwandlern
Jederzeit eine Umrechnung möglich ist.
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Bei einer Synchronmaschine benötigt das Strommodell neben dem Ständerstromvektor
noch eine Information über den magnetisierenden Strom i #1. Da Rechenmodellschaltung
und Wechselspannungsintegratoren die Lage des Flußvektors selbst ermitteln und außerdem
die Läuferstellung(und somit die Richtung des Erregerstromes) eingegeben ist, ist
z.B. durch den Betrag des Erregerstromes ie gemäß dem Zusammenhang i #1 = i#1e +
i#1e der magnetisierende Strom festgelegt. Bei einer Asynchronmaschine entfällt
der Erregerstrom und der magnetisierende Strom iT ist mit dem feldparallelen Anteil
i1 des Ständerstromvektors iden-
tisch. Im folgenden werden die
Indizes #1 und #2 benutzt, um in einem feldorientierten Koordinatensystem die zum
Flußvektor parallele Komponente ( #1) und die dazu senkrechte Komponente (#2) zu
bezeichnen.
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In Figur 2 ist oben die Struktur eines Wechselstromintegrators angegeben,
wobei der Integrator V1 durch einen Integrator der Zeitkonstanten T und der Nullpunktregler
durch einen PI-Regler der Zeitkonstanten T0 und der Verstärkung Vo symbolisiert
ist. Durch den Gewichtsfaktor a kann die Eigenfrequenz verstellt werden. Es ergeben
sich dabei für die beiden Eingänge El und E2 Frequenzgänge, die in Figur 2 für zwei
verschiedene Parameterwerte a-1 und a-0,2 dargestellt sind und für die gilt
Wird nun dem Eingang E1 die EMK der Maschine eingegeben (EMK - p.T.4>) und dem
Eingang E2 der vom Stromnodell errechnete Modellfluß t0, so ergibt sich für das
Signal am Ausgang A A - E1F1+E2F2 s sofern das Strommodell genau auf die Maschine
abgestimmt ist (#=# o). Uberraschenderweise ergibt sich also durch die erfindungsgemäße
Verwendung des Strommodelles, daß nun zumindest theoretisch der durch die Kombination
wSpannungsmodell/Strormodell" ermittelte Fluß keinen Winkelfehler mehr aufweist.
Insbesondere ist der ermittelte Fluß unabhängig von der durch den Faktor a veränderbaren
Dämpfung. Es muß also Jetzt (abweichend von
den deutschen Patentschriften
28 33 54.2 und 28 35 593) die Gewichtung a nicht mehr proportional der Frequenz
geführt werden, vielmehr kann der Gewichtungsfaktor a und somit die Eingriffs stärke
der Nullpunktregelung optimal auf die Jeweilige Frequenz abgestimmt werden. In Figur
3 ist gezeigt, welche Funktion a (ca) vorteilhaft dem Funktionsgeber 2 eingegeben
werden kann. Diese Funktion steigt von einem im unteren Drehzahlbereich liegenden
Minimalwert amin proportional zur Frequenz bis zum Wert 1 bei maximaler Frequenz
an. In besonderen Fällen kann für #<#min auch ein im strichlierten Bereich liegender
anderer Funktionsverlauf vorteilhaft sein. Auch müssen den I-Reglern V4,V4' die
Differenzen #α- CD #ß- #ßo nicht mit dem Gewichtsfaktor a2 eingegeben werden,
es kann auch ein anderer Gewichtsfaktor benutzt werden.
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In Figur 4 ist für die Verwendung bei einer Asynchronmaschine ein
Beispiel für den Aufbau einer Rechenmodellschaltung gegeben. Vorzugsweise wird bei
einer Asynchronmaschine der Ständerstrom durch seine Istwerte eingegeben. Die Umrechnung
von ständerbezogenen Ständerstromkomponenten iαs, i« auf feldorientierte Komponenten
5 te 1 und i#2s geschieht mittels eines Vektordrehers 40, dem der Winkel # zwischen
FluBvektor und achse des Ständerbezugssystems durch entsprechende Spannungen sintf,
cos# eingegeben ist. Die feldparallele Komponente if1 (Magnetisierungsstrom) wird
einem Dynamikglied 41 eingegeben, z.B. einem Glättungsglied mit der auf das Verhalten
der Asynchronmaschine abgestimmten Zeitkonstanten Ta, dessen Ausgangssignal #o den
Betrag des sich in der Maschine bei gegebenen Magnetisierungsstrom einstellenden
Flußvektors angibt (Tm ist hierbei als Quotient von Hauptinduktivität und Läuferwiderstand
der Maschine gegeben). Mit den Baugliedern 42, 43 und 44 wird aus der feldsenkrechten
Komponente i #2 (Wirkstrom) durch Division mit dem Flußbetrag und der Zeitkonstanten
die sich bei gegebenen Wirk-
strom i #1 einstellende Änderung des
Winkels zwischen Feldachse und Läuferachse (d.h. die Schlupffrequenz) ermittelt,
aus der sich der Winkel fL durch Integration ergibt. Mittels Winkelfunktionsgeneratoren
45 und Multiplikatoren 46 können daraus die läuferbezogenen Komponenten # o.sin
#L und #o.cosßL des Modellflusses nun im Vektordreher 47 entsprechend der bereits
erwähnten Läuferstellungseingabe zu den ständerbezogenen Komponenten #αo und
#ßo des Modellflusses umgerechnet werden. Aus diesem Modellflußvektor bildet der
Vektoranalysator 48 die Winkelstellung (sin y, cos#) des Flußvektors im Ständersystem,
die zur Eingabe in den Vektordreher 40 benötigt wird.
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Prinzipiell können anstelle der Ständerstromistwerte i5, ißs bzw.
i8T1 und i#s 2 auch entsprechende Sollwerte verwendet werden und der Vektoranalysator
48 kann anstelle der Modellflußkomponenten tZ0, #ßo auch die Ausgangsgrößen #α,#ß
des Wechselspannungsintegrators selbst benutzen. Diese Möglichkeit hat Jedoch den
Nachteil, daß bei einer Asynchronmaschine dann die Gefahr besteht, daß sich im Laufe
des Betriebs Strommodell und Spannungsmodell voneinander entfernen.
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Bei dem in Figur 5 als Beispiel für ein Strommodell einer Synchronmaschine
gezeigten Schaltung hingegen können die Sollwerte ist i5* anstelle der Istwerte
ohne weitere Nachteile verwendet werden. Sofern der Ständerstrom im Ständerbezugssystem
vorgegeben ist, kann den entsprechenden Eingängen ein Vektordreher entsprechend
dem Vektordreher 40 in Figur 4 vorgeschaltet werden. Hier wird analog aus dem magnetisierenden
Strom i#1, der vorzugsweise als Sollwert eingegeben wird, mittels eines Dynamlkgliedes
51 der Modellflußbetrag #o gebildet. Abweichend von Figur 4 kann dem dem Dividierer
42 entsprechenden Dividierer 52 zur Bildung der Winkeländerung YL bzw. deB
Winkels
# L zwischen Läuferachse und Feldachse nicht die feldsenkrechte Ständerstromkomponente
direkt autgeschaltet werden, vielmehr muß der Dämpferstrom berücksichtigt werden.
Hierzu dient die Aufschaltung von i#1 und i51, der Dividierer 58 und der Multiplizierer
59, wobei zwischen dem Dividiererausgang und dem Multiplizierereingang der Sollwert
i des Erregerstromes gebildet wird.
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Dieser Sollwert kann direkt zur Steuerung der Erregerstromeinspeisung
verwendet werden, ohne daß hierzu weitere Informationen benötigt würden. Die Bildung
des Modellflußvektors in einen läuferbezogenen Bezugssystem mittels der Elemente
55 und 56 und in einem städerbezogenen Bezugssystem mittels des Vektordrehers 57
erfolgt analog zu Figur 4.
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Die soeben beschriebene Rechenmodelischaltung 1 sowie die im Zusammenhang
mit Figur 1 erläuterten Wechselspannungsintegratoren IG und IG', der Funktionsgeber
2 und die Oszillatorschaltung 3 sind nach Figur 6 bei einer Schaltungsanordnung
zum Betrieb einer Synchronmaschine 4 eingesetzt. Die Einspeisung des Erregerstroms
geschieht mittels einer Einspeiseeinrichtung 5, die Ständerwicklungen der Synchronmaschine
werden durch einen Umrichter mit eingeprägtem Zwischenkreisstrom gespeist, bestehend
aus dem netzgeführten Gleichrichter 6, dem Zwischenkreis 7 und dem selbstgeführten
Wechselrichter 8. Die in den Wechseirichterausgängen R, S fließenden Ströme i8R
und i85 sowie die in diesen Leitungen auftretenden Spannungen U8R und U58 stellen
die Komponenten des Ständerstromvektors i und des Spannungsvektors Us in einem ständerbezogenen
Koordinatensystem dar, das von den entsprechenden, einen Winkel von 1200 einschließenden
Wicklungsachsen der Synchronmaschine aufgespannt wird. Mittels Koordinatenwandlern
9 werden daraus die entsprechenden Komponenten iK , i8ß , UαsUßsin einem kartesischen
Ständerbezugssystem gebildet, die den Eingängen der Wechsel-
spannungsintegratoren
zugeführt werden. Die Innenschaltung der Wechselspannungsintegratoren, in denen
durch Integration der EMK die entsprechenden ständerbezogenen Flußkomponenten #α,
#ß gebildet werden, sowie die Nullpunktregler, die Gleichanteile in den Differenzen
#α- #αo, $ß - #ßo ausregeln, sind nur schematisch dargestellt. Aus den
Wechselspannungsintegrator-Ausgangsgrößen t. ; ermittelt ein Vektoranalysator 10
die Winkellage (sin pS, cos #S) ) des Magnetflußvektors im kartesischen Ständerbezugssystem
als Drehwinkel eines Vektordrehers und schaltet diesem die entsprechenden Signale
auf.
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Zur Steuerung der Synchronmaschine wird der Betrag i5 des Ständerstrom-Istwertes
zusammen mit einem entsprechenden Sollwert 1 dem Eingang eines Stromreglers 12 aufgeschaltet,
der die Steuerspannung für den Steuersatz 13 des Gleichrichters 6 liefert. Die Synchronmaschine
wird feldorientiert betrieben, indem zur Bestimmung des Ständerstromsollwertes noch
der Sollwinkel zwischen Ständerstromvektor und Flußverktor bzw. der dazu u 90° verschobene
Winkel (Steuerwinkel) zwischen Soll-Ständerstrom und EMK-Vektor vorgegeben wird.
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Hierzu werden einem weiteren Vektoranalysator 18 der Sollwert i#2s*
der feldsenkrechten Ständerstromkomponente, der z.B. von einem Drehmomentregler
abgegriffen ist, und der Sollwert i8* der r feldparallelen Ständerstromkomponente,
der z.B. von einem Blindleistungsregler geliefert ist, eingegeben. Der Vektoranalysator
liefert neben dem für den Stromregler 12 benötigten Sollwert i8 des 5tänderstrombetrages
die Winkeltunktlonen des Steuerwinkels a im feldorientierten Koordinatensystem,
die im Vektordreher 11 in die ständerbezogenen kartesischen Komponenten eines Steuervektorn
für den Steuersatz 16 des Wechselrichters 8, wobei noch mittels eines Koordinatenwand-
lers
17 der Ubergang von kartesischen Koordinaten auf die drei gegeneinander um 1200
versetzten Ständerwicklungsachsen vollzogen wird.
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Der Rechenmodelischaltung aind der Sollwert i#1* des magnetisierenden
Stromes sowie die Komponenten-Sollwerte i#1s*, i#2s* eingegeben. Es können aber
auch die entsprechenden Ständerstrom-Lstwerte eingegeben werden, wenn entsprechend
den gestrichelt gezeigten Leitungen die Ständerstrom-Istwerte 1 αs, ißs über
einen Vektordreher 15, dem die im Vektoranalysator 10 ermittelte Lage des Flußvektors
eingegeben ist, in die entsprechenden feldorientierten Komponenten überführt werden.
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Figur 6 entspricht mit Ausnahme der Rechenmodellschaltung 1 im wesentlichen
Figur 3 der deutschen Patentschrift 28 33 542. Abweichend sind dort den Wechselspannungsintegratoren
direkt die Komponenten isR, i55, U8R, UsS zugeführt, so daß die Wechselspannungsintegratoren
die Flußkomponenten ebenfalls in dem von den Ständerachsen aufgespannten 120°-Bezugssystem
liefern und mittels eines nachgeschalteten, den Koordinatenwandlern 9 entsprechenden
Koordinatenwandler umgerechnet werden. Eine derartige Anordnung ist auch nach Figur
6 möglich, sofern die von der Rechenmodellschaltung im kartesischen System gelieferten
Flußkomponenten #αo, #ßo vor ihrer Eingabe in die Nullpunktregler der Wechselspannungsintegratoren
durch einen 1200/900-Koordinatenwandler in dieses 120°-Bezugssystem umgerechnet
werden.
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Figur 7 zeigt eine Anordnung zum Betrieb einer Synchronmaschine, die
von einem Direktumrichter 70 gespeist wird.
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Abweichend von Figur 6 werden dei Vektordreher 11 die Sollwerte für
die feldorientierten Ständerstromkomponenten direkt eingegeben. Am Ausgang dieses
Vektordrehers stehen die Komponentensollwerte , ißs* in kartesi-
schen
Ständerbezugssystem an und werden durch den Koordinatenwandler 17 in die entsprechenden
Eingaben für die Direktumrichtersteuerung 71 umgewandelt.
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Als Beispiel für eine ieldorientierte Regelung einer Asynchronmaschine
ist in Figur 8 eine Asynchronmaschine 20 dargestellt, die von einem Stromzwischenkreisumrichter
gespeist wird, dessen Wechselrichter 21 vorzugsweise auf Phasenfolgelöschung eingerichtet
ist. Da dabei im wesentlichen die in Figur 6 bereits beschriebenen Elemente verwendet
sind, sei hier nur darauf hingewiesen, daß im Unterschied zu Figur 6 als Eingangsgrößen
für die Rechenmodellschaltung 1, deren Innenaufbau Figur 4 entspricht, die kartesischen,
ständerbezogenen Stromkomponenten verwendet sind, um das Strommodell enger an die
Asynchronmaschine zu koppeln. Generell entfällt bei einer Asynchronmaschine die
Eingabe einer weiteren Information für den magnetisierenden Strom. Die Regelung
der Asynchronmaschine ist vervollständigt durch einen Flußregler 80, der durch Vergleich
des am Vektoranalysator 10 abgegriffenen Betrages # des Flußvektors mit einem Fluß-Sollwert
#* den Sollwert für die ieldparallele Komponente i#1s* des Ständerstromvektors liefert,
und einen Drehzahlregler, der den Sollwert i#2s* der feldsenkrechten Ständerstromkomponte
der Differenz eines Drehzahlsollwertes #* und der gemessenen Ist-Drehzahl # nachführt.
Natürlich ist auch eine Drehmomentregelung zur Bildung von i#2s* möglich.
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Die Verwendung der hier nicht näher erläuterten Vektordreher, Vektoranalysatoren
und Koordinatenwandler ist im einzelnen bereits in der deutschen Patentschrift 28
33 542 angegeben.
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Zusammenfassung Schaltungsanordnung zur Bildung eines elektrischen
Spannungssignals, das einer Flußkomponente in einer Drehfeldmaschine proportional
ist.
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Die bekannte Schaltungsanordnung nach dem Hauptpatent bildet aus der
Ständerspannung durch Abzug des ohmschen Spannungsabfalls einen EME-Vektor, aus
dem durch Integration der Flußvektor # gebildet wird. Die Integratoren enthalten
einen p-Regler und einen I-Regler als Nullpunktregler im Rückführungskreis. Dadurch
wird Jedoch ein bei niedrigen Frequenzen störender Fehler bedingt. Gemäß der Erfindung
wird in einer Rechenmodelischaltung ("Strommodell") aus Ständerstrom und Läuferstellung
ein Modell-Flußvektor #o gebildet und dem Nullpunktregler so aufgeschaltet, daß
die Differenz (3 - #o) der beiden Flußvektoren ausgeregelt wird. Dadurch wird gleichzeitig
eine Nullpunktdrift und ein Winkelfehler vermieden undbei allen Frequenzen eine
gute Dynamik erreicht.