DE3112048C2

DE3112048C2 - Anordnung zur Steuerung und Regelung einer Synchronmaschine

Info

Publication number: DE3112048C2
Application number: DE3112048A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Dipl.-Ing. 1000 Berlin Beck
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1981-03-24
Filing date: 1981-03-24
Publication date: 1986-10-16
Also published as: DE3112048A1

Abstract

Die Steuerung und Regelung einer Synchronmaschine mittels Thyristor-Wechselrichter, wobei der Polrad-Drehwinkel gemessen wird und ein Vergleich eines Drehzahlsollwerts mit dem Drehzahlistwert stattfindet, soll so erfolgen, daß bei Übereinstimmung des von der Maschine abgegebenen Drehmoments mit dem Sollwert die Schwingneigung der Zustandsgrößen beseitigt wird. Dies wird dadurch erreicht, daß die Polradwinkelverstellung abhängig von Wirk- und Blindstrom erfolgt, indem diese Werte dem Steuersatz für die Thyristoren zusätzlich zugeführt werden, wobei eine Stromquelle den Wechselrichter unter Paralellschaltung eines Kondensators speist, dessen Spannungs-Sollwert in Abhängigkeit über einer Kennlinie in Abhängigkeit des Drehzahlsollwerts verstellt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung ge- so maß dem Oberbegriff des vorliegenden Patentanspruches.

Es ist durch die DE-OS 29 09 434 eine derartige Anordnung zur Steuerung und Regelung einer Synchronmaschine mittels eines Wechselrichters bekannt, bei der einerseits die Zündbefehle für die Thyristoren des Wechselrichters in Abhängigkeit der Regelabweichung zwischen Ist- und Solldrehzahl und des gemessenen Drehwinkels der Läuferwelle der Synchronmaschine bestimmt werden und andererseits der Strom-Sollwert für einen Zwischenkreisstrom zwischen einem an ein Drehstrom-Netz angeschlossenen gesteuerten Gleichrichter und dem Wechselrichter von einem Spannungsregler vorgegeben wird; die Eingangsgröße dieses Spannungsreglers besteht dabei aus der Differenz eines Spannungssollwertes, der aus der Solldrehzahl über einen Hauptflußgeber hergeleitet wird, und des im Zwischenkreis gemessenen Spannungswertes, wozu noch eine Korrekturgröße addiert wird, die aus dem Strom, der durch einen parallel zum Wechselrichter geschalteten Kondensator — von dem der Spannungs-Istwert hergeleitet wird — fließt, hergeleitet wird.

Der Anlaufbereich, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Schwingneigung der Zustandsgrößen — magnetische Flüsse bzw. Ströme — eine untergeordnete Bedeutung haben oder die Totzeit des Wechselrichters so groß ist, daß der Wirk- und Blindstromreglerkreis instabil ist, sei hier ausgeschlossen.

Im Falle der dämpferlosen Maschine, die trotz Umrichterspeicherung ein besonderes oberschwingungsarmes Drehmoment erzeugen kann, stören bisher die großen induktiven Spannungsabfälle, die bei Änderungen des Ständerstromes auftreten sowie die außerordentlich starke Schwingneigung der Zustandsgrößen.

Soll der Wechselrichter aus einer Gleichstromquelle (z.B. Umkehr-Netzstromrichter mit Stromregelkreis) gespeist werden, muß, wegen der Gleichspannungseinprägung am Wechselrichtereingang, dieser mit einer Kapazität abgeschlossen werden; die Spannungsregelung kann mit Hilfe des Wechselrichters über den entnommenen Gleichstrom erfolgen, so daß netzseitig nicht notwendig ein Umkehrstromrichter, sondern nur ein Einfachstromrichter erforderlich ist

Es ist durch die DE-OS 27 34 430 eine Steuereinrichtung für einen Synchronmotor bekannt, bei der eine Blindleistungsregelung eingesetzt wird. Es handelt sich hier aber um einen Direktumrichter. Es wird auch das Problem der Dämpfung nicht angesprochen.

Es ist ferner durch das Bild 1 in der »Siemens-Zeitschrift« Ig. 43, August 1969, Heft 8, Seiten 686 bis 690 ein Umrichtermotor bekanntgeworden, bei dem ein von der Motordrehzahl beeinflußter Gleichrichtersteuersatz auf den Gleichrichter des Umrichters einwirkt

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung zur Steuerung und Regelung einer Synchronmaschine der eingangs genannten Art mit einer verbesserten Einrichtung für besonders hohe dynamische Anforderungen anzugeben, die auch bei dämpferlosen Maschinen anwendbar ist

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruches aufgeführten Merkmale gelöst

Die Lösung besteht also darin, daß die Polradwinkelverstellung, die bei Verwendung eines Pollagegebers identisch ist mit der Verstellung des Wechselrichter-Steuerwinkels ac, in Abhängigkeit von den Augenblickswerten der Kondensatorspannung und des Blindstromes, erfolgt. Im Fall der Speisung aus einer Gleichstromquelle wird der Betrag des Quellenstromes drehmomentproportional verstellt. Die Größe der Kondensatorspannung wird von einer Kennlinie mit der Drehzahl als Eingangsgröße (hier kann je nach Größe des Massenträgheitsmomentes u,v, oder u_son verwendet werden) vorgegeben. Die Kennlinie legt das Drehmoment-Drehzahl-Kennfeld des Antriebssystems fest. Mit ihrem Verlauf kann auf elektronischem Wege das von der Gleichstrommaschine her bekannte Haupt-, Nebenoder Reihenschlußverhalten vorgegeben werden. Der Erregerstrom wird entweder konstant gehalten oder zur Wirkungsgradoptimierung langsam, dem aktuellen Betriebszustand entsprechend, nachgeführt.

Zur Erläuterung des Grundgedankens der Erfindung ist in der F i g. 1 dargestellt, wie ein Gleichstrommaschinenantriebssystem mit elektronischem Kommutator überführt werden kann. Die Regeleinrichtungen beider Zwischenkreisumrichterteile sind vollständig getrennt.

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Die Steuer- und Regeleinrichtung^des maschinensei- Ferner wird noch der Drehzahlsollwert n_Mu einem

tigen Wechselrichters (B) übernimmt die Führung der Kennliniengeber 12 zugeführt der den zugeführten

Synchronmaschine (C), wobei die Lageinformation des Drehzahlsollwert bis zu einem bestimmten Wert an

Polrades mittels Geber (D) gemessen wird. Die Steuer- konstant und von dort an proportional zum Drehzahl-

und Regeleinrichtung (E) des Netzstromrich.ters (F) s Sollwert ausgibt. Vom Ausgangsuignal des Kennlinien-

bleibt beim Vierquadrantenbetrieb unverändert Der gebers Uaoii wird der Istwert einer Gleichspannung U^,

Wechselrichter (B) kann selbstgeführt oder, wie hier subtrahiert und die Differenz auf einen Spannungsreg-

dargestellt fremdgeführt (lastgeführt) arbeiten. ler 7 gegeben; dabei ist die Gleichspannung Udsi die

Zur Verdeutlichung dieses Steuerverfahrens soll das Kondensatorgleichspannung eines Kondensators 13,

Raumzeigerdiagramm einer Vollpol-Synchronmasdiine ίο der dem Wechselrichter 2 gleichspannungsseitig paral-

betrachtet «erden, vgL dazu F i g. 2: IeI geschaltet ist

In der Fig.2 sind die Ortskurven für Ständerstrom- Weiterhin wird der Blindstromistwert Iqj_s, aus dem

und -Spannungsverlauf bei Drehmomentverstellung ein- Betrag des gemessenen Maschinenstromes I&a und dem

gezeichnet Der Raurnzeiger des Magnetisierungsstro- Wirkstromistwert I_Wist in einem Meßwertumformer

mes i_u verläuft auf einem Kreisbogen mit dem Radius iu. 15 gebildet Der Ausgangwert des Meßwertumformers

Dies ist das Merkmal für Flußkonstanz in der Maschine. wird mit einem vorgegebenen, aus dem stationären Ma-

Bei Vernachlässigung von Sättigungseffekten bedeutet schinenmodell hergeleiteten Blindstromsollwert Iqsoii

das im stationären Zustand auch einen konstanten Be- (Klemme 9) verglichen; die Regelabweichung wird ei-

trag der Ständerspannung u_s (vgl. Ortskurve für u_s). Für nem Blindstromregler 10 zugeführt

die zugeführte Leistung, die bei der verlustlosen Ma- 20 Die Summe der Ausgangssignale des Gleichspan-

schine gleich der inneren Leistung P, ist bedeutet dies nungsreglers 7 und des Blindstromreglers 10 wird einer

eine lineare Verstellung der Wirkleistung mit dem Wirk- Steuereinrichtung 11 zugeführt. Diese Steuereinrich-

strom i_w. Wie sich weiterhin aus F i g. 2 ablesen läßt gilt tung wird ferner der gemessene Drehwinkel ω · t zuge-

stationär unter den Voraussetzungen leitet und aus beiden der Steuerwinkel α gebildet, der

25 dem Steuersatz in der Wechselrichtersteuerung zur

Lhq = Lhd ·· Lh, fs = O, /£> = Iq — O Zündung der Tyristoren zugeführt wird.

für Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

/„. = i_s cos φ = —- · /> · sin d _s = —- · /> cos a,

wobei <x der Steuerwinkel des Maschinenstromrichters und <p_s der Polradwinkel, d. h. der Winkel zwischen der Polradspannung und der Klemmenspannung ist Bei konstantem 7>ist das Luftspaltmoment dem Kosinus des Steuerwinkels oc proportional, so daß es mit χ gesteuert werden kann.

Bei der vorliegenden Anordnung wird der Polradwinkel jPj erfindungsgemäß von zwei Reglern verstellt, die ihre Ausgangsgrößen aus den Regelabweichungen der wesentlichen Zustandsgrößen »Kondensatorspannung« und »Blindstrom« ableiten. Die Regler können durch herkömmliche P, PI- oder PID-Regler realisiert werden.

Die Anordnung gemäß der Erfindung wird im nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung näher erläutert

In der Fig.3 ist mit 1 eine Gleichstromquelle bezeichnet, die einen Gleichstrom U einem Thyristor-Wechselrichter 2 mit den Thyristoren antiparallel geschalteten Rückstromdioden und einem eingangsseitigen Kondensator zuführt Sie kann, wie in F i g. 1 dargestellt, durch einen Umkehrstromrichter (dort mit F bezeichnet) mit Stromregelkreis (£) realisiert werden. Das Regelverfahren kann aber auch bei Einfach-Stromrichtern (d. h. eine Stromrichtung) angewendet werden.

Der Wechselrichter speist eine Synchronmaschine 3. Durch den Drehwinkelgeber 4 wird der Drehwinkel ω · t der Läuferwelle der Synchronmaschine digital gemessen (<y : Winkelgeschwindigkeit). In dem Differenzierglied in wird hieraus ein digitaler Drehzahlwert und daraus nach D/A-Wandlung im D/A-Wandler 4b ein analoger Drehzahlistwert n,j₍ gebildet Dieser Drehzahlistwert wird mit einem Drehzahlsollwert n_son, der an die Klemme 5 angelegt wird, verglichen; die Regelabweichung wird einem Drehzahlregler 6 zugeführt. Der Ausgangsstrom dieses Reglers wird als Wirkstrom-Sollwert /«-.„■//der Gleichstromquelle 1 zugeführt.

Claims

Patentanspruch:

Anordnung zur Steuerung und Regelung einer Synchronmaschine außerhalb des Anlaufbereichs, mit einem Netzstromrichter, einem selbst- oder maschinengeführten Wechselrichter mit Thyristoren und antiparallel geschalteten Rückstromdioden in den Hauptzweigen und einem mit einem Kondensator ausgestatteten spannungseinprägenden Zwi- schenkreis, wobei mit einem Polradlagegeber der Drehwinkel des Polrades laufend gemessen und daraus der Istwert der Drehzahl hergeleitet ist, wobei der Drehzahlistwert mit einem vorgegebenen Drehzahlsollwert verglichen und die Regelabweichung einem Drehzahlregler zugeführt ist, mit einem Kennliniengeber, der in Abhängigkeit vom Drehzahlsollwert einen GleichspannungssoUwert ausgibt U^d der dazu dient, den magnetischen FIuB in der Maschine konstant zu halten oder im Feldschwächebereich hyperbolisch mit der Drehzahlerhöhung abnehmen zu lassen, mit einem den Steuerwinkel der Thyristoren einstellenden Steuergerät mit zwei Eingängen, wobei der erste Eingang mit dem Polradlagegeber verbunden ist, mit den Zwischenkreisstrom und die Zwischenkreisspannung am Kondensator erfassenden Meßstellen, mit einem Spannungsregler, dem die Regelabweichung von Zwischenkreispannung und GleichspannungssoUwert zugeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der den Wirkstromsollwert (Iwsoii) darstellende Ausgangsstrom des Drehzahlreglers (6) den Netzstromrichter (1) steuert,

daß der Maschinenständerstrom (I$i$i) gemessen ist, das ein Blindstromistwert (IQi₅₁) aus dem Betrag des 3s Maschinenständerstromes (Isist) und des Zwischenkreisstromes (l_wat) in einem Meßwertumformer (8) gebildet, mit einem vorgegebenen Blindstromsollwert (Iqsoii) verglichen ist und die Regelabweichung einem Blindstromregler (10) zugeführt ist, daß die Summe der Ausgangssignale des Spannungsreglers (7) und des Blindstromreglers (10) dem zweiten Eingang zugeführt sind und das der Erregerstrom bei einer Änderung des Blindstromsollwertes nachgeführt ist