DE3143212A1 - Frequenzsteueranordnung - Google Patents

Description

The Charles Stark Draper Laboratory, Inc.
Cambridge, Massachusetts
V.St.A.

Frequenzsteueranordnung

Die Erfindung betrifft eine Frequenzsteueranord- · nung, also allgemein das Gebiet der elektrischen Energieerzeugung und davon wiederum Induktionsgeheratoranordnungen.

Eigentlich sind alle derzeit verwendeten elektrischen Energie- oder Leistungsgeneratoren Synchronmaschinen. Solche Generatoren sind insbesondere zusammengeschaltet, um ein elektrisches Energienetz zu bilden. In anderen Fällen werden Synchrongeneratoren als unabhängige elektrische Leistungs- bzw. Energiegeneratoren betrieben. Während solche Synchronmaschinen wirksam in den benötigten elektrischen Energieerzeugungsanwendungen arbeiten, sind diese Maschinen relativ aufwendig oder
teuer im Vergleich mit anderen üblichen Generatoren, wie beispielsweise Induktions- oder Asynchronmaschinen, die

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zur Energieerzeugung herangezogen werden können.

Bei der Verwendung von Asynchronmaschinen zur Energieerzeugung wird eine solche Asynchronmaschine gewöhnlich durch eine Kraftmaschine oder einen Drehmomenterzeuger, wie beispielsweise eine Brennkraftmaschine, angetrieben. Der Drehmomenterzeuger hat eine Kraftabgabewelle, die so gekuppelt ist, daß sie die Eingangswelle des Induktionsgenerators antreibt. Gewöhnlich wird bisher die elektrische Frequenz der auf den Ausgangsleitungen des Induktionsgenerators erzeugten Energie bzw. Leistung mit einem Bezugsmaß, beispielsweise 50 Hz, verglichen, und die Frequenzdifferenz wird benutzt, um das durch den Drehmomenterzeuger erzeugte Drehmoment in einer geschlossenen Schleife zu regeln. Eine übliche Ausführungsform dieser Steueranordnung verwendet eine einstellbare Drossel zwischen einer Brennkraftmaschine und deren Kraftstoffversorgung als die veränderliche Eingangsgröße.

Da diese Regelung über die Kaskadenkombination des Drehmomenterzeugers und der Asynchronmaschine eine Rückkopplung vorsieht, muß die Bandbreite der geschlossenen Schleife geringer sein als diejenige, die für den Drehmomenterzeuger alleine möglich ist. Obwohl diese Steueranordnung mit relativ kleiner Bandbreite den Mittelwert der Induktionsgenerator-Ausgangsfrequenz richtig halten kann, ist sie nicht sehr unempfindlich gegenüber lokalen Störungen, wie beispielsweise gegenüber einem lokalen Lastschalten. Wenn beispielsweise eine große elektrische Last abfällt, kann die Drehmomenterzeuger-Last auf Null in einem Bruchteil eines Zyklus des elektrischen Ausgangssignales abfallen. Während eines oder zwei elektrischen

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Ausgangszyklen, bevor diese Frequenzregelschleife auf die Laständerung antworten kann, führt das durch den Drehmomenterzeuger eingespeiste übermäßige Drehmoment zu einer zu großen Eingangswellenfrequenz in die Asynchronmaschine. Die auf einen Wert in der Nähe von Null abklingende Schlupffrequenz der Asynchronmaschine und die Überfrequenz auf der Eingangswelle der Asynchronmaschine können zu einem wesentlichen Überschwingen der Ausgangsfrequenz führen. Dieses unerwünschte Ausgangsfrequenz-Überschwingen kann gelegentlich in einen relativ langzeitigen Überfrequenzzustand umschlagen, da - obwohl Kraftmaschinen ein Drehmoment einspeisen können - der größte Anteil nicht wirksam ausgenommen durch minimale Reibungsverluste verlangsamt werden kann. Dieser relativ langzeitige überfrequenzzustand kann also Probleme für die Spannungsregelschleife schaffen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Frequenzsteueranordnung zum Steuern eines Induktionsgeneratorsystems zu schaffen.

Diese Aufgabe wird bei einer Frequenzsteueranordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil angegebenen Merkmale gelöst. Eine andere Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem Patentanspruch 10.

Die Patentansprüche 2 bis 9 enthalten schließlich bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Die Erfindung sieht also eine n-phasige Asynchronmaschine mit einer Eingangswelle und wenigstens einer Ausgangsleitung vor, wobei η eine ganze Zahl ist. Ein Genera-

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tor liefert ein Steuersignal θ für die elektrische Frequenz, das die Differenz zwischen der Phase der Spannung auf der Ausgangsleitung und der Phase eines Bezugssignales darstellt. Die Anordnung hat weiterhin einen Generator zum Erzeugen eines Steuersignales f für die mechanische Frequenz, das die Frequenz der Drehung der Eingangswelle zum Induktionsgenerator darstellt. Ein weiterer Generator liefert ein Drehmomenterzeuger-Steuersignal f., das die Differenz zwischen f und θ darstellt. Ein Drehmomenterzeuger, wie beispielsweise eine Brennkraftmaschine, ist so gestaltet, daß sie auf das Signal f anspricht, um ein Drehmoment auf die Eingangswelle der Asynchronmaschine einwirken zu lassen, wobei das anliegende Drehmoment auf das Signal f bezogen ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Drehmomenterzeuger eine Brennkraftmaschine sein, deren Kraftübertragungswelle mit der Eingangswelle der Asynchronmaschine gekuppelt ist. Die Maschine hat außerdem eine Eingangsdrossel und ein zugeordnetes Steuernetzwerk, das auf das Signal f. anspricht, so daß das die Eingangswelle beaufschlagende Drehmoment auf das Signal f bezogen ist.

In dieser Ausführungsform kann der Generator für das Signal f ein Netzwerk zum Erzeugen eines Impulszuges mit einer momentanen Frequenz aufweisen, die proportional zur momentanen Frequenz der Eingangswelle ist, und er hat außerdem einen Spannungs/Frequenz-Umsetzer, der auf den Impulszug anspricht, um eine Spannung proportional zur Frequenz des Impulszuges zu erzeugen. Dieses letztere Signal entspricht dem Signal

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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, und

Fig. 2 ein Blockschaltbild mit Einzelheiten eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Fig. 1 zeigt allgemein ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. In dieser Figur hat eine n-phasige (n = ganzzahlig) Asynchronmaschine 12 eine Eingangswelle, die mit einer Kraftmaschine (oder einem Drehmomenterzeuger) 13 gekuppelt ist, wie dies durch das Bezugszeichen 13a angedeutet ist. Die Asynchronmaschine 12 umfaßt eine Ausgangsleitung 12a, die mit einer lokalen Last 16 gekoppelt ist. Die Ausgangsleitung T2a kann auch mittels eines Schalters 20 mit einem äußeren Energienetzwerk gekoppelt sein. Ein Steuersignal θ , . liegt an der Maschine 12 über eine Leitung 12b.

Eine erste oder äußere Rückkopplungsschleife umfaßt einen elektrischen Frequenzdetektor 14, der zwischen der Leitung 12a und einem ersten Eingang eines Phasendetektor-Netzwerkes 24 liegt. Der Detektor 14 liefert ein Signal θ , das die elektrische Frequenz der Spannung auf der Leitung 12a darstellt, an den ersten Eingang des Phasendetektors 24. Das Netzwerk 24 vergleicht dieses Signal mit einem Bezugssignal θ -, das an einem zweiten Eingang liegt, um ein elektrisches Frequenzsteuersignal θ auf einer Leitung 24a zu erzeugen. Die Leitung 24a ist

mit einem ersten Eingang eines Summiernetzwerkes 26 gekoppelt.

Eine zweite oder innere Rückkopplungsschleife umfaßt einen mechanischen (oder Wellen-)Frequenzwandler 30, der zwischen einer Leitung 13a und einem zweiten Eingang des Summiernetzwerkes 26 gekoppelt ist. Der Wellenfrequenzwandler hat einen Wandler 32, der die Drehzahl θ der Eingangswelle der Asynchronmaschine 12 erfaßt. In einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung liefert der Wandler 32 einen Impulszug mit einer momentanen Frequenz proportional zur Drehzahl der Eingangswelle der Maschine 12. Ein Frequenz/Spannungs-Umsetzer 34 setzt dieses Signal θ in ein mechanisches

Frequenzsteuersignal f auf einer Leitung 34a um. Dieses Signal ist mit einem zweiten Eingang des Summiernetzwerkes 26 gekoppelt. Das Netzwerk 26 erzeugt ein Ausgangssignal f auf einer Leitung 26a, wobei das Signal f. die Differenz zwischen den Signalen θ und f darstellt.

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Das zuletzt genannte Signal f liegt am Drehmomenterzeuger 13, um einen geschlossenen Schleifenbetrieb für die beiden Schleifen zu liefern.

Bei dieser Ausführung gibt es praktisch zwei verschachtelte Rückkopplungsschleifen? die erste oder äußere Schleife, die eine Regelschleife für die elektrische Frequenz ist, vergleicht die Phase der elektrischen Ausgangsfrequenz vom Induktionsgenerator mit der Phase eines Bezugsfrequenzsignales und erzeugt ein elektrisches Frequenzsteuersignal θ . Die zweite oder innere Schleife liefert eine Rückkopplung um den Drehmomenterzeuger und bildet ein Signal, das die mechanische Drehzahl der Ausgangswelle des Drehmomenterzeugers darstellt, um das mechani-

sehe Frequenzsteuersignal f zu liefern. Diese beiden Signale werden gemischt, so daß ihr Unterschied den Drehmomenterzeuger in einer geschlossenen Schleife ansteuert.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Drehmomenterzeuger 13 eine Brennkraftmaschine. Das Steuersignal f stellt in dieser Anordnung ein Signal zum Steuern der Drossel zwischen dem Motor 13 und dessen KraftstoffVersorgung dar. Folglich ändert sich mit dem Signal f. die Stellung der Drossel und der Motor 13 liefert ein sich änderndes Drehmoment an die Eingangswelle der Maschine 12 in einer geschlossenen Schleife.

Wenn die Anzahl der je Umdrehung erzeugten Impulse relativ hoch ist, bildet die innere Schleife eine weite Bandbreite und somit ein relativ rasches Ansprechen, so daß die Drossel rasch betrieben werden kann, um die Motordrehzahl zu steuern, wenn elektrische Lasten ein- und ausgeschaltet werden. Die hohe Bandbreite kann praktisch mittels eines Mehrzahn-Codierers, der auf dem Schwungrad der Motorausgangswelle befestigt ist, oder einer ähnlichen Vorrichtung erzielt werden, die mit der Eingangswelle der Asynchronmaschine gekoppelt ist. Die hohe Ausgangsfrequenz des Schwungradwandlers macht die Nacheilung in der Messung der Motordrehzahl äußerst gering.

Die äußere Schleife in dieser Anordnung ist eine Integrierschleife, die eng die elektrische Frequenz einstellt. Als ein Ergebnis von ihrer relativ kleinen Bandbreite liefert diese Schleife eine Rauschunempfindlichkeit, da ihre Zeitkonstante einige Zyklen der Nennfre-

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quenz des Induktionsgenerators beträgt.

Grundsätzlich führt die Verwendung der sehr schnellen (inneren) Schleife zu einer relativ raschen Einstellung der Drossel, um rasche und möglicherweise mit grossen Amplituden behaftete Schwankungen der mechanischen Frequenz der Motorwelle möglichst klein zu machen, die

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durch Schalten / Lasten verursacht sein können. Ohne diese Schleife kann ein beträchtliches übersteuern des Motores auftreten, wenn eine elektrische Last ausgeschaltet wird, wodurch plötzlich die Drehmomentbelastung auf dem Motor zurückgeht. Das relativ langsame Ansprechen der äußeren Schleife wird so durch die innere Schleife vor große Amplituden aufweisenden Störungen in der Generatorwelle abgeschirmt. Im stationären Zustand bildet diese äußere Schleife eine Feineinstellung der Motorwellendrehzahl, was zu einer relativ genauen Steuerung der elektrischen Ausgangsfrequenz für einen Langzeitbetrieb führt.

Fig. 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel zum Steuern des Betriebs eines Induktionsgenerators, das ähnlich zu dem Beispiel von Fig. 1 ist, wobei jedoch der Drehmomenterzeuger 13 einen mechanischen Motor 40 und eine zugeordnete Drossel 42 sowie ein System 43 zum Steuern der Stellung dieser Drossel 42 hat. In Fig. 2 sind einander entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in Fig. 1. .

Die Anordnung von Fig. 2 umfaßt zwei äußere Schleifen, die im wesentlichen gleich zu den anhand der Fig. 1 erläuterten Schleifen sind, mit der Ausnahme, daß der Phasendetektor 24 der äußersten Schleife aus einem Frequenzvergleicher 59 besteht, dem ein Schleifenfilter

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folgt. Der Vergleicher 59 speist ein Signal zum Filter 60, das die Differenz in der Frequenz zwischen θ _ und θ darstellt. Das Filter 60 hat eine Grenzfrequenz bei 100 rad/s für die äußere Schleife von 50 Hz und arbeitet als Integrierer. Der Wandler 32 der zweitäußersten Schleife umfaßt ein Schwungrad, das mit der Ausgangswelle des Motores 13 gekuppelt ist, und einen zugeordneten Sensor. Das Schwungrad hat eine Vielzahl von am Rand vorgesehenen Zahnradzähnen, und der zugeordnete Wandler liefert einen Impuls für jede vorbestimmte Größe einer Winkelbewegung (darstellend für einen Zahnradzahn) dieses Schwungrades, im dargestellten AusJt Uhrungsbei spl e I hat die Anordnung aus Schwungrad und Sensor einen tatsächlichen Multiplikator von 115, so daß z. B. bei 50 Hz die Impuls-Folgefrequenz (oder momentane Frequenz) von θ den Wert 50 · 115 Hz besitzt. Diese äußerste Schleife arbeitet in gleicher Weise wie die entsprechenden Schleifen in Fig. 1.

Das Summiernetzwerk 26 ist auch mit einem Betriebspunkt-Vorspann/Anlauf-Rampennetzwerk 44 gekoppelt, das eine Betriebspunkt-Vorspann- und Anlauframpe für den Motor im Drehmomenterzeuger 13 liefert.

Im Drehmomenterzeuger 13 von Fig. 2 bestehen zwei verschachtelte innere Schleifen. Die innerste Schleife umfaßt einen Drosselmotor 46, ein Summiernetzwerk 47 und einen Spannungs/Strom-ümsetzer 48. Diese Schleife soll ein Nacheilen der Induktivität des Drosselmotores entfernen. Die nächste äußere Schleife umfaßt ein Potentiometer (zum Erfassen der Drosselstellung) , ein OC -Voreil-Frequenz-Kompensiernetzwerk 52 und ein Summiernetzwerk 54, Diese Schleife erfaßt die Stellung der Drossel, linearisiert den Drosselmotor und macht die äußere Schleife gegenüber Drosselmotorparametern unempfindlicher.

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Leerseite

Claims (10)

1. Ansprüche

   einer Eingangswelle und wenigstens einer Ausgangsleitung, wobei η ganzzahlig ist,

   - (A) einen ersten Generator (24) zum Erzeugen eines

   elektrischen Frequenzsteuersignales θ , das die Differenz zwischen der Frequenz der Spannung auf der Ausgangsleitung und einem Bezugswert darstellt,

   - (B) einen zweiten Generator (31) zum Erzeugen ei

   nes mechanischen Frequenzsteuersignales f , das die Drehzahl der Eingangswelle darstellt,

   - (C) einen dritten Generator (26) zum Erzeugen ei

   nes Drehmomentgenerator-Steuersignales f , das die Differenz zwischen den Signalen f und θ darstellt, und

   - (D) einen Drehmomentgenerator (13), der auf das Signal

   f. anspricht, um ein Drehmoment an die Eingangswelle zu legen, wobei das einwirkende Drehmoment auf das Signal f. bezogen ist.

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2. 2. Anordnung nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet,

   - daß der erste Generator (24) aufweist eine Einrichtung (59) zum Erfassen der Differenz in der elektrischen Frequenz der Spannung auf der Ausgangsleitung und dem Bezugswert sowie einen Integrierer (60) zum Integrieren der erfaßten Differenz und eine hierauf ansprechende Einrichtung zum Erzeugen des elektrischen Frequenzsteuersignales.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet,

   - daß der erste Generator (24) aufweist eine Einrichtung zum Erfassen der Differenz in der Phase der Spannung auf der Ausgangsleitung und dem Bezugswert sowie eine hierauf ansprechende Einrichtung zum Erzeugen des elektrischen Frequenzsteuersignales.
4. 4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

   - daß der Drehmomentgenerator (13) eine Brennkraftmaschine ist, die aufweist eine Ausgangswelle, die mit der Eingangswelle der Asynchronmaschine (12) gekoppelt ist, sowie eine Eingangsdrossel· und ein zugeordnetes Steuernetzwerk, wobei die Drossel· (42) und das Steuernetzwerk auf das Signal· f ansprechen, wodurch das an der Eingangswege Megende Drehmoment auf das Signal· f bezogen ist.
5. 5. Anordnung nach. Anspruch 4,
   dadurch gekennzeichnet,

   - daß der zweite Generator (31) aufweist eine Einrichtung (32) zum Erzeugen eines Impulszuges, dessen Momentanfrequenz proportional· zur Momentanfrequenz der

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   Eingangswelle ist, und einen Frequenz/Spannungs-Umsetzer (34), der auf den Impulszug anspricht, um eine Spannung proportional zur Frequenz des Impulszuges zu erzeugen, wobei diese Spannung dem Signal f entspricht.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 5,
   dadurch gekennzeichnet,

   - daß die Einrichtung zum Erzeugen eines Impulszuges aufweist ein Schwungrad, das mit der Ausgangswelle gekoppelt ist, und eine Einrichtung zum Erzeugen eines Impulses für jede vorbestimmte Größe einer Winkelbewegung des Schwungrades.
7. 7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

   - daß der zweite Generator (31) aufweist eine Einrichtung (32) zum Erzeugen eines Impulszuges, dessen Momentanfrequenz proportional zur Momentanfrequenz der Eingangswelle ist, und außerdem einen Frequenz/ Spannungs-Ümsetzer (34), der auf den Impulszug anspricht, um eine Spannung proportional zur Frequenz des Impulszuges zu erzeugen, wobei diese Spannung dem Signal f entspricht. -
8. 8. Anordnung nach Anspruch 7,
   dadurch gekennzeichnet,

   - daß die Einrichtung (32) zum Erzeugen eines Impulszuges aufweist ein mit der Ausgangswelle gekoppeltes Schwungrad und eine Einrichtung zum Erzeugen eines Im^ pulses für jede vorbestimmte Größe einer Winkelbewegung des Schwungrades.

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9. 9. Anordnung nach Anspruch 4,
   dadurch gekennzeichnet,

   - daß die Drossel ein Drosselklappenventil in der Kraftstoffleitung für die Brennkraftmaschine aufweist, und

   - daß das Steuernetzwerk eine auf das Signal f ansprechende Einrichtung besitzt, um die Stellung des Ventiles zu steuern.
10. 10. Frequenzsteueranordnung für Induktionsgenerator mit einer n-phasigen Asynchronmaschine einschließlich einer Eingangswelle und wenigstens einer Ausgangsleitung, wobei η ganzzahlig ist, und mit einem Drehmomentgenerator zum Anlegen eines Drehmomentes an die Eingangswelle abhängig von einem auf den Drehmomentgenerator einwirkenden Steuersignal,

    gekennzeichnet durch

    - eine Einrichtung zum Erzeugen des Drehmomentgenerator-Steuersignales, so daß dieses Signal die Differenz zwischen der Drehzahl (Frequenz der Drehung) der Eingangswelle und der Differenz zwischen der Phase der Spannung auf der Ausgangsleitung und einem Bezugswert darstellt.