-
-
Regelvorrichtung für eine aus einem Stromrichter gespeiste Drehfeldmaschine
(beansprucht wird die Priorität der japanischen Patentanmeldung T 55-178 055 vom
18.12.1980) Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung für eine aus einem Stromrichter
mit einem Strom veränderlicher Amplitude und Frequenz gespeiste Drehfeldmaschine
gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
-
Eine derartige Einrichtung ist aus der deutschen Offenlegungsschrift
29 19 852 bekannt.
-
Diese bekannte Vorrichtung enthält einen Stromregelkreis, der die
Amplitude des Stromrichter-Ausgangsstromes auf einen aus einer eingegebenen Führungsgröße
gebildeten Stromsollwert einregelt, während die Frequenz durch eine Frequenzstellgröße
vorgegeben wird, die in diesem Fall von einem Frequenzregelkreis gebildet ist. Beiden
Regelkreisen ist eine Drehzahl-Führungsgröße als gemeinsame Führungsgröße vorgegeben,
die z.B. aus dem Vergleich eines einer vorgegebenen Drehzahl entsprechenden Sollwertes
mit einem Frequenz-Istwert oder mit der Frequenz Stellgröße selbst gewonnen wird.
Während der Stromregelkreis die Amplitude des Ständerstromes (d.h. bei vektorieller
Betrachtung der Ströme und Spannungen in der Drehfeldmaschine den Betrag des Ständerstromvektors)
soeinregelt, daß die Drehfeldmaschine entsprechend der Frequenz-Regelabweichung
und dem jeweiligen Fluß der Maschine den benötigten Ständerstrom erhält,- gibt der
Frequenzregelkreis die Aufteilung des Stromes auf die einzelnen Ständerströme, also
den jeweiligen Lastwinkel,
an. Dabei wird im Frequenzregelkreis
durch Division der eingegebenen Führungsgröße durch den Wert des gewünschten Flusses
ein Sollwert für den Tangens des Lastwinkels gebildet, dem ein mittels eines Flußrechners
und anderer Rechenbausteine aus Istwerten des Motors abgeleiteter Lastwinkel-Istwert
abgezogen wird. Entsprechend dieser Regelabweichung wird mittels eines Frequenzreglers
die Frequenzstellgröße gebildet. Dadurch ist es möglich, einerseits einen gewünschten
Fluß-Sollwert der Maschine einzustellen, andererseits den Lastwinkel so zu regeln,
daß stets das zur Einhaltung der Sollfrequenz benötigte Drehmoment aufgebracht wird.
Eine derartige Regelung wirkt bereits bedämpfend auf Drehmomentschwankungen der
Maschine.
-
In der erwähnten deutschen Offenlegungsschrift ist zur Verbesserung
des dynamischen Verhaltens vorgesehen, Instabilitäten des Motors zusätzlich zu bedämpfen.
Dazu ist bei der Bildung des Istwertes fUr den Tangens des Lastwinkels vorgesehen,
dem entsprechenden Fluß-Istwert eine Größe aufzuschalten, die über ein Nachgebeglied
aus der flußparallelen Komponente des Ist-Stromes gebildet ist. Ein Nachgebeglied
ist durch eine stark abklingende Sprungantwortfunktion gekennzeichnet, ähnlich einem
Differenzierer, gegebenenfalls mit einer vorgeschalteten Glättung.
-
Der besondere Vorteil der bekannten Anordnung ist es, daß bei der
Regelung auf einen gesonderten Drehzahlgeber verzichtet werden kann.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine andere Vorrichtung
zu schaffen, die ebenfalls ohne einen Drehzahlgeber auskommt und es gestattet, Instabilitäten
des Motors, wie sie z.B. als "Hunting-Effekt" bezeichnet werden, auf einfache Weise
zu unterbinden. Für die Bil-
dung der Frequenzstellgröße ist dabei
nur für höhere dynamische Anforderungen die Frequenzsteuerstrecke zu einem Regelkreis
erweitert. Diese Aufgabe wird gelöst durch Vorrichtungen, wie sie in den Kennzeichen
des Anspruchs 1 oder 2 angegeben sind. Dabei kann die Führungsgröße für die Frequenz,
die gleichzeitig den Fluß in der Maschine bestimmt, direkt (oder für höhere Anforderungen
über den Regler eines Regelkreises) auf den Eingang des Frequenzgebers geschaltet
werden. Die Instabilitäten werden dadurch bedämpft, daß dem Eingang des Frequenzgebers
eine Korrekturgröße aufgeschaltet ist, die die dynamischen Änderungen des Flusses
bzw. des Strom/Spannungs-Winkels in Form der entsprechenden zeitlichen Ableitungen
erfaßt.
-
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet. Anhand von 4 Ausiührungsbeispielen und 7 Figuren ist die Erfindung
näher erläutert.
-
Die Figuren i, 5, 6 und 7 betreffen Regeleinrichtungen, die es gestatten,
eine Drehfeldmaschine 4, die mittels eines Stromrichters gespeist sind, mit variabler
Geschwindigkeit zu betreiben und dabei insbesondere Instabilitäten bei bestimmten
Lastzuständen vermeiden. Die Figuren 2 bis 4 zeigen Vektordiagramme zur Erläuterung
der Erfindung.
-
Fig. t stellt ein ßlocksciialtbild einer derartigen Vorrichtung für
einen stabilisierten Wechselstrommotor dar.
-
Zur Stabilisierung werden Instabilitäten als Änderungen des Flusses
im Motor erfaßt und die Ausgangsfrequenz des Stromrichters wird in Abhängigkeit
von der Änderungsge schwindigkeit des Flusses so gesteuert, daß diese vorrübergehenden
Flußänderungen bedämpft werden.
-
Mit 1 ist ein dreiphasiges Versorgungsnetz bezeichnet, mit 2 ein Gleichrichter
aus steuerbaren Gleichrichterventilen (Thyristoren), mit 3 ein Wechselrichter aus
steuerbaren Thyristoren, mit 4 die Last (Drehfeldmaschine) des Wechselrichters,
mit 5 eine zwischen Gleichrichter und Wechselrichter angeordnete Zwischenkreisdrossel
zur Glättung des Stromes, mit 6 die über Zwischenkreisstrom 1dc und Zwischenkreisspannung
EdC die Amplitude der Wechselrichter-Ausgangsspannung bestimmende Steuereinrichtung,
mit 7 ein Strommeßglied aus Meßwandlern und einem Gleichrichter, mit 8 ein von dem
von der Einrichtung 7 gemessenen Stromistwert und einem Stromsoliwert gespeister
Stromregler, mit 9 ein von der Führungsgröße ei und einem von einem Spannungsmeßglied
10 (bestehend aus Meßwandler und Gleichrichter) gelieferten Spannungsistwert gespeister
Spannungsregler zur Lieferung des Stromsollwertes für den Stromregler 8, mit 11
der Steuersatz des Wechselrichters 9, bestehend aus einer Logikschaltung und Verstärkern
zur Ansteuerung der steuerbaren Thyristoren des Wechselrichters 3, mit 12 ein spannungsgesteuerter
Frequenzgeber und mit 13 eine Eingabeeinheit, durch die die Drehzahl-Führungsgröße
e für die Wechselrichterfrequenz bzw. die frequenzproportionale Lastspannung eingestellt
werden kann.
-
Das von der Drehfeldmaschine 4 erzeugte Drehmoment ist allgemein abhängig
von der Stromrichter-Ausgangsspannung, dem Ausgangsstrom bzw. Zwischenkreisstrom
und der Schlupffrequenz oder Ausgangsfrequenz des Wechselrichters 3.
-
Die hier beschriebene Regelvorrichtung arbeitet als Steuerung (open
loop control") für die Gleichrichterfrequenz, wobei von der eingestellten Führungsgröße
ei für die Drehzahl ausgegangen wird, und als Regelung ("closed loop eontroa) mit
einem Regelvergleich zwischen der Ausgangsspannung und einem Spannungssollwert.
Da bei konstantem Fluß die Motorspannung proportional der Frequenz ist,
kann
für den Regelvergleich die Drehzahlführungsgröße selbst eingegeben werden.
-
Unter "Lastwinkel" wird in Bezug auf die Erfindung der Winkel 3 zwischen
dem Ständerstromvektor i und dem Spannungsvektor V bezeichnet (vgl. Fig. 2), wobei
der "LeistungsSaktor" durch cos # gegeben ist. Während der zur Erzeugung des Flusses
benötigte Magnetisierungsstrom iM dem Fluß proportional ist, ist der Leistungsfaktor
cos gegeben durch das Verhältnis des drehmomentbildenden Wirkstromes i2 zu dem Gesamtstrom
q, der die Vektorsumme von iM und i2 ist.
-
Da bei einer derartigen Vorrichtung der Leistungsfaktor nicht geregelt
ist, kann das Drehmoment der Maschine, die Ausgangsspannung und der Strom bei niedrigen
Frequenzen und bestimmten Lastzuständen zu Pendelungen ('hunting") nelgen.
-
Derartige Störungen werden bei der Vorrichtung nach Fig.i folgendermaßen
vermieden: An den Motorklemmen sind die Spannungen VR, Vs, VT unter galvanischer
Trennung durch Meßglieder 14 erfaßt und einem Flußrechner 20 zugeführt, in dem der
Betrag It des magnetischen Flusses ermittelt wird. Im einzelnen werden die drei
Phasenspannungen durch einen Komponentenwandler in zwei Spannungen VK , Vß umgerechnet,
aus denen durch Integration (Integratoren 16) die zwei ständerbezogenen orthogonalen
Komponenten #α, #ß für den Flußvektor gebildet werden.
| Diese Komponenten werden |
| die Größe t R 2 |
in einem Vektoranalysator in für den Flußbetrag umgerechnet. Dieser Flußbetrag wird
in einem (ersten) Nachgebeglied im wesentlichen in das entsprechende differenzierte
Signal dti/dt umgewandelt, das einem Addierer 19 am Eingang des spannungsgesteuerten
Frequenzgebers
12 mit einer derartigen Polarität zugeführt ist,
die durch die Polarität eines Schalters 22 in Ubereinstimmung mit der momentanen
ßetriebswetse des Motors (der Motor wird entweder motorisch oder generatorisch betrieben)
gegeben ist. Das differenzierte Signal ist im Addierer 19 der Drehzahl-Führungsgröße
ei überlagert.
-
Der Betriebszustand ist durch einen Komparator 21 erfaßt, der Ausgangsspannung
F@@ des Stromreglers 8 mit einem vorgegebenen Bezugssignal vergleicht. Das Ausgangssignal
des Stromreglers 8 bestimmt als Steuerspannung den Zündwinkel und damit die Ausgangsamplitude
des Gleichrichters 2. Da die dem Motor übertragene Leistung über den Zwischenkreisgleichstrom
1dc und die Zwischenkreis-Gleichspannung Ede als Wirkleistung übertragen wird, gilt
für die Steuerspannung Eα = |V| . cos # (Fig.1). Ist diese Zündwinkel-Steuerspannung
E r etwa Null, so beträgt der Zündwinkel 90° und die Ausgangsspannung des Gleichrichters
ist Null, was die Unterscheidung zwischen Gleicirichterbetrieb und Wechselrichterbetrieb
des Gleichrichters 2 ermöglicht. Da der Gleichrichter 2 im motorischen Zustand der
Maschine als Gleichrichter und im generatorischen Zustand als Wechselrichter betrieben
ist, kann der Komparator 21 die Motor-Betriebsweise aufgrund der Polarität der Zündwinkel-Steuerspannung
Es bestimmen, ohne die Drehzahl, die Gleichrichter-Ausgangsspannung bzw. Wechselrichter-Eingangsspannung
direkt zu erfassen.
-
Indem nun entsprechend dem generatorischen oder motorischen Betrieb
die zeitlichen Anderungen des magnetischen Flusses mit der richtigen Polarität dem
Frequenzgeber aufgeschaltet werden, können Instabilitäten über einen großen Drehzahl-llegelbexeich
in Form einer gegenseitigen Beeinflussung zwischen Magnetisierungsstrom und Wirkstron
gedämpft werden.
-
Für kleine Last (kleine Leistungsfaktoren) wird diese Dämpfung jedoch
zunehmend schwächer. Außerdem ist es
erforderlich, die Polarität
der Ausgangsspannung des Gieichricbters 2 oder die Polarität der rückkoppelnden
Korrekturgröße in Abhängigkeit davon umzuschalten, ob der Leistungsfaktor des Motors
positiv oder negativ ist.
-
Wird z.B. mit dem Motor eine Pumpe angetrieben, wobei der Motor in
einem Quadranten arbeitet (d.h. der mittlere Lastwinkel liegt unter 900, da der
Motor zum Antrieb benutzt wird), so kann dennoch der Lastwinkel bei Pendelungen
vorübergehend 900 überschreiten und dadurch ein Umschalten der Polarität erforderlich
sein.
-
Zur Erläuterung dieser Schwierigkeiten sei zunächst vereinfachend
angenommen, die Streuinduktivität und der Ständerwiderstand der Maschine sei vernachlässigbar.
-
Fig. 2 zeigt das Verhältnis zwischen dem Stromvektor und dem Spannungsvektor,
wobei mit i der Ständerstromvektor, mit i2 der dem Läuferstrom entgegengesetzt gleiche
Wirkstrom, mit iM der Magnetisierungsstrom, mit V die Ständerspannung (in diesem
Fall die EMK) und mit 4 der Hauptfluß der Maschine bezeichnet ist. Der Leistungsfaktor
cos - der Maschine kann nun aufgrund von Störungen, z.B.
-
Lastschwankungen, veränderbar sein, wobei der Wirkstrom i2 und der
Magnetisierungsstrom iM sich wechselseitig beeinflussen. Daraus folgt eine Schwankung
+ 6 im Lastwinkel.
-
Fig. 3 zeigt Vektordiagramme für diese Zustände7 wobei die linke Figur
die Vektorverhältnisse bei höherer Belastung (höherer Leistungsfaktor) und die rechte
Figur 4 die Vektorverhältnisse bei geringerer Last (schlechterer Leistungsfaktor)
darstellt. Aus diesen Figuren geht hervor, daß eine Anderung b iM des Magnetisierungsstromes
iM bei der gleichen Anderung zu des Lastwinkels umso kleiner wird, je geringer die
Last ist, wobei der Magnetisierungsstrom und der Fluß betragsmäßig einander proportional
sind. Das bedeutet, daß bei geringerer Last
die Änderung des magnetischen
Flusses im Verhältnis zur Änderung ## des Lastwinkels geringer und damit auch das
Rückkoppelungssignal kleiner wird. Im rechten Diagramm überschreitet der Lastwinkel
( & ) 900 in dem gestrichelten Bereich und der Leistungsfaktor ist negativ,
obwohl der mittlere Leistungsfaktor cos # positiv ist.
-
Daher ist es erforderlich, die Polarität des magnetischen Flusses
für die Rückkopplung in diesem Bereich umzuschalten. Ohne Umschaltung der Polarität
würde eine positive Rückkopplung erhalten und die Pendelungen in diesem Bereich
verstärkt werden.
-
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist mittels des im wesentlichen differenzierend
wirkenden Nachgebegliedes als KorrekturgröBe,die aus ßetri ebsgrößen der Maschine
gobi id< t ist, dynamische Änderungen (Pendelungen) erfaßt und zur Dämpfung der
Pendelungen dem Steuereingang des Frequenzgebers überlagert wird, die zeitliche
Ableitung des im Flußrechner aus Istwerten der Maschinenspannung gebildeten Flußbetrages
gebildet. Man kann aber dem Nachgebeglied zur Bildung der Korrekturgröße auch den
Lastwinkel oder dessen Cosinus auRsehalten. Zur Bildung des Lastwinkels dient dabei
ein Dividierer, dessen Dividendeneingang die Wirkkomponente des Ständerstromes bzw.
die >tänderstromparallele Komponente der EMK und dessen Divisoreingang der Betrag
des Standerstromes bzw. der EtE aufgeschaltet ist. Am Ausgang des Dividierers kann
dann der Cosinus des Lastwinkels abgegriffen werden, der cntweder direkt oder über
ein Linearisierglied dem Nachgebeglied aufgeschaltet ist. Fig. 5 zeigt ein Blockdiagramm
einer entsprechenden Regeleinrichtung.
-
Diese Regeleinrichtung ist im wesentlichen wie die Einrichtung nach
Fig. i aufgebaut, wobei in den Figuren i und 5 gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen
versehen sind. Die Dämpfungseinrichtung enthält abweichend von
Fig.
1 einen Dividierer 23, der das Ausgangssignal E α des Stromreglers 8 (d.h.
das der Ausgangsgleichspannung Edc = |V| . cos # des Gleichrichters 2 entsprechende
Steuersignal indes des Steuersatzes 6) durch die an der Drehzahl-Einstelleinrichtung
13 eingestellte Drehzahl-Führungsgröße e1 dividiert. Das Ausgangssignal des Dividierers
entspricht dann dem Leistungsfaktor cos ß der Maschine. Ein Linearisierglied 25
ermittelt daraus den Leistungswinkel # selbst. Ein Nachgebeglied 24 bildet daraus
die Störgröße, die mittels des Addierers 19 auf den Steuereingang des spannúngsgesteuerten
Frequenzgebers aufgeschaltet ist.
-
Verändert sich der Lastwinkel A infolge von Drehmomentpendelungen
zu wachsenden Werten, so nimmt die Eingangsspannung des Frequenzgebers gegenüber
dem eingestellten Wert e1 entsprechend der Änderungsrate dS /dt des Leistungswinkels
zu. Dadurch wird die Stromrichterfrequenz, d.h. die Frequenz des Ständerstromes,
erhöht und ein Anwachsen des Lastwinkels verhindert. Entsprechend bewirkt eine Abnahme
des Leistungswinkels ein Absinken der Stromrichterfrequenz unter dem eingestellten
Wert, wodurch eine weitere Abnahme des Lastwinkels verhindert wird.
-
Die Gegenkopplungsverstärkung ist nicht frequenzabhängig und wirkt
im vollen Drehzahlregelbereich.
-
Würde bei dieser Anordnung nur der Cosinus des Lastwinkels rückgekoppelt,
so sind bei gleicher Änderung a des Lastwinkels die Änderungen des Leistungsfaktors
cos unterschiedlich, wenn ß etwa Oo (hoher Leistungsfaktor) oder 900 (niedriger
l.eistllngsfaktor) ist. Damit ändert sich die Dämpfungswirkung (Rückkopplung) mit
dem Leistungsfaktor. Dies kann durch das Linearisierglied vermieden werden, wodurch
die Änderung des Leistungsfaktors selbst für die Rückkoppelung verwendet wird.
-
Vorteilhaft kann eine vom Leistungsfaktor praktisch unabhängige Dämpfungswirkung
jedoch bei einer AusfUhrllngsform erreicht werden, die eine Kombination der Ausführungsformen
nach den Figuren 1 und 5 darstellt.
-
Dazu ist erfindungsgemäß eine Regeleinrichtung zum Betrieb einer stromrichtergespeisten
Drehfeldmaschine mit veränderlicher Geschwindigkeit vorgesehen, die einerseits einen
Flußrechner enthält, der den magnetischen Fluß der Drehfeldmaschine ermittelt. Andererseits
ist ein Dividierer vorgesehen, dessen Dividendeneingang das Steuersignal des Steuersatzes,
mit dem die Amplitude der Stromrichter-Ausgangsspannung eingestellt wird, und dessen
Divisoreingang die eingegebene Drehzahl-Führungsgröße aufgeschaltet istt Ein Nachgebeglied
wirkt im wesentlichen differenzierend auf ein erstes Signal, das von dem Flußrechner
gebildet wird und dem magnetischen Fluß entspricht, und ein zweites Signal, das
von dem Ausgangssignal des Dividiercrs gebildet wird. Die Ausgangsgröße dieses Nachgebegliedes
ist der Drehzahl-Führungsgröße überlagert und wird zur Bestimmung der Ausgangsfrequenz
des Wechselrichters verwendet.
-
Auch dabei kann, wie bereits bei Fig. 5, ausgenutzt werden, daß die
Amplitude (Vektorbetrag) des Stromrichter-Ausgangsstromes von einem Spannungsregler
vorgegeben' werden kann, der den Sollwert des Ständerstromes aus der Regelabweichung
der Stromrichterausgangsspannung von einem Spannungssollwert bildet. Als Spannungs
sollwert kann, da die Maschinenspannung bei einem über die Frequenzsteuerung praktisch
konstant gehaltenem Fluß proportional der Drehzahl ist, der Drehzabl-Führungsgröße
proportionaler Wert direkt an der entsprechenden Einstelleinrichtung abgegriffen
werden.
-
Daher kann auch der Betrag des Ständerstromes bzw. als Betrag der
Ständerspannung (genauer: der EMK) die Drehzahl-Führungsgröße selbst dem Divisoreingang
des zur Bildung von cos ß vorgesehenen Dividierers zugeführt werden. Wegen EC =
V fvf. cos & kann ferner als ständerstromparallele Komponente der Maschinenspannung
bzw.
-
-EMK die Ausgangsspannung eines im Amplitudenregelkreis vorgesehenen
Reglers dem Dividendeneingang des Dividierers aufgeschaltet werden. Ein entsprechendes
Blockschaltbild ist in Fig. 6 dargestellt.
-
Dem AusfUhrungsbeispiel nach Fig. 1 ist der Dividierer 23, der Dividierer
24 und der Addierer 25 nach Fig. 5 zugefügt, jedoch das Linearisierglied 15 aus
Fig. 5 weggelassen. Pendelungen sind im wesentlichen über die Gegenkoppelung mittels
des Fluß rechners 20 entsprechend der Anordnung nach Fig. 1 gedämpft, wenn die Last
hoch (der Leistungsfaktor groß) ist, während die zugefügten Teile (Dividierer 23,
Nachgebeglied 24, Addierer 25) eine wirkungsvolle Dämpfungsrückkopplung des Leistungsfaktors
bewirken, wenn die Last geringer ist. Auf diese Weise wird eine praktisch konstante
Dämpfung von Pendelungen in allen Zuständen erreicht, unabhängig vom Leistungsfaktor
selbst.
-
Fig. 7 zeigt ein Blockdiagramm eines anderen Ausführungsbei spieles
nach der Erfindung. Im Unterschied zur Fig. 6 sind der Komparator 21, der Polaritätsschalter
22 und das Nachgebeglied 24 nicht mehr vorgesehen und der Addierer 25 ist zwischen
dem Vektoranalysator 17 und dem Nachgebeglied 18 angeordnet. Die Ausgangssignale
des Dividierers 23 und des Vektoranalysators 17 sind - gegebenenfalls nach einer
geringfügigen Glättung mit unterschiedlichen Zeitkonstanten - addiert und einem
im Nachgebeglied 18 enthaltenen gemeinsamen Differenzierer zugefügt.
-
Mit dieser Anordnung kann z.B. ein Motor geregelt werden, der als
i-Quadrant-Antrieb einer Pumpe dient. Der Leistungsfaktor cos zu liegt zwar im in
Fig. 3 rechts gestrichelt dargestellten Bereich, wenn die Last gering ist.
-
Die in diesem Fall über den Flußrechner bewirkte positive Rückkoppelung
ist aber gering und wird überkompensiert durch die Stärke der Rückkoppelung des
Leistungsfaktors cos 8 . Auf diese Weise wird insgesamt eine ausreichende Pendelungsdämpfung
erhalten. Daher kann auf den Komparator 21 und den Polaritätsschalter 22 in Fig.
1 und gleichzeitig auch auf das Linearisierglied 25 und das getrennte Nachgebeglied
24 verzichtet werden.
-
Gemäß der Erfindung wird demnach vorzugsweise der Betrag des des Magnetflusses
wie auch der Leistungsfaktor cos addiert und jede Schwankung dieser Größen ist auf
die Steuergröße des Frequenzgebers rückgekoppelt, so daß eine praktisch konstante
Dämpfung ohne Verwendung von Linearisiergll.dern und unabhängig von Schwankungen
des Leistungsfaktors erhalten wird. Die Verwendung eines Drehzahlgebers sowie in
Regel auch eines Frequenzreglers sind dabei in allen Fällen, in denen keine hohe
Regelgenauigkeit erforderlich ist, vermieden.