DE3207439C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Durch­ führung des Verfahrens gemäß den im Oberbegriff des Pa­ tentanspruches 1 aufgeführten Merkmalen nach Patent DE 30 43 058-C2.

Das Verfahren gemäß dem Hauptpatent findet eine Anwendung bei einem Antriebskonzept, das an Hand der Fig. 1 näher erläutert wird: eine Synchronmaschine SM wird über eine steuerbare Stromrichteranordnung ST am Netz N betrieben. Einer Maschinenführung M werden dazu Vorgabewerte M _w für das Drehmoment, ϕ _w für den Phasenwinkel der Maschinen­ eingangsgrößen und ψ _hw für den Fluß zugeleitet. An die Stelle des Vorgabewertes ϕ _w kann auch bei sehr hohen Drehzahlen ein Vorgabewert für die Maschinenspannung tre­ ten, so daß bei steigender Drehzahl ein Betrieb mit kon­ stanter Spannung möglich ist, ohne den Fluß abzusenken. Mit der Maschinenführung M wird es ermöglicht, Ströme (Ständerstrom i _Sw , Feldstrom i _Fw ) und/oder Spannungen (U _Sw ) zur Steuerung der Maschine vorzugeben.

Es ist bekannt, eine mehr oder minder detaillierte inverse Nachbildung der Maschine auf elektronischem Wege einzu­ setzen, vgl. "Siemens-Zeitschrift" Bd. 45 (1971) Seiten 765 bis 768, Aufsatz: "Die TRANSVEKTOR-Regelung für den feldorientierten Betrieb einer Synchronmaschine" von Bayer, Waldmann und Weibelzahl und DE-OS 21 32 178.

In dem genannten Stand der Technik wird das Maschinenmodell dazu benutzt, aus der gemessenen Läuferlage (in beiden Schriften sin α , cos α genannt) und den Istwerten der drei Ständerströme sowie dem Istwert des Erregerstromes die augenblickliche Lage des Flußzeigers zu ermitteln. Mit dieser Information ist es möglich, Wirk- und den Blindanteil des Ständerstromes getrennt vorzugeben. Mit diesen beiden Ständerstromanteilen ist aber der Zustand der Synchronmaschine noch nicht festgelegt.

Im Hauptpatent ist ein Verfahren zur koordinierten Vorgabe von Ständerstrom und Erregerstrom angegeben.

In der Fig. 2, die dieses Verfahren erläutert, ist dar­ gestellt, daß ein nicht inverses Maschinenmodell 1 in der Rückführung von Führungsgrößenreglern 2, 3, 4 angeord­ net ist, wobei einem ersten Regler 2 ein Vorgabewert M _w für das Drehmoment und ein vom Modell bestimmter Modell­ istwert M _x , einem zweiten Regler 3 ein Vorgabewert ϕ _w für den Phasenwinkel der Maschineneingangsgrößen und ein vom Modell bestimmter Modellistwert ϕ _x oder Vorgabewert für die Spannung U _w und Modellistwert U _x , einem dritten Regler 4 ein Vorgabewert ψ _hw für den Fluß und ein vom Modell bestimmter Modellistwert ψ _hx zugeführt werden, und die Ausgangsgrößen der drei Regler, nämlich die Ständerstrom­ komponenten i _Sd , i _Sq , in läuferbezogene Koordinaten, und der Feldstrom i _F dem Maschinenmodell 1 als Eingangsgrö­ ßen zugeführt werden.

Ferner ist dargestellt, daß die läuferbezogenen Ständer­ stromkomponenten i _Sd , i _Sq einem Koordinatendreher 5 zu­ geführt werden, in dem sie in ständerbezogene Größen i _{S α , i S β dadurch umgeformt werden, daß entweder die Läufer­ lage λ direkt gemessen oder aus der Flußlage ϑ und der im Maschinenmodell bestimmten relativen Verdrehung δ zwi­ schen der Flußlage ϑ und der Läuferlage λ hergeleitet wird und diese direkt oder indirekt bestimmte Läuferlage die Drehung des Koordinatendrehers 5 bestimmt. Eine Erweiterung des bisher beschriebenen Verfahrens be­ steht darin, daß zusätzlich ein Spannungsmodell 6 vorge­ sehen ist, dem die Ständerstromkomponenten i Sd , i Sq , vom Maschinenmodell 1 die Ständer-Flußkomponenten ψ 1d , ψ 1q und die zeitliche Änderung der Flußlage ϑ zugeführt wer­ den und daß aus diesen Größen die Ständerspannungskompo­ nenten U Sd , U Sq bestimmt werden. Es ist ferner dargestellt, daß die Ständerspannungskom­ ponenten U Sd , U Sq einem weiteren Koordinatendreher 7 zu­ geführt werden, der in gleicher Weise wie der erste Koor­ dinatendreher gesteuert wird und an dessen Ausgang die ständerbezogenen Spannungskomponenten U S α , U S β auftre­ ten. Schließlich ist noch dargestellt, daß die Ausgangsgrößen des Koordinatendrehers 5 oder der Koordinatendreher 5 und 7 einem ständerorientierten Modell 8 zugeführt werden, in dem die Umsetzung aus dem zweisträngigen orthogona­ len Strom-/Spannungssystem in das in der Maschine ver­ wirklichte, üblicherweise dreisträngig symmetrische Strom-/Spannungssystem umgesetzt wird. Zur Erläuterung des verwendeten Maschinenmodells dient das Raumzeigerdiagramm in Fig. 3. In den läuferbezogenen d,q-Koordinaten, in denen auch das Maschinenmodell auf­ gebaut ist, sind der Feldstrom i F und die Ständerstrom­ komponenten i Sd und i Sq dargestellt. Die Flußkomponenten c hd , ψ hq können hieraus über die Hauptinduktivitäten L hd und L hq ermittelt werden. Dieser Zusammenhang kann auch über Kennlinien gegeben werden. Man kann erkennen, daß der resultierende Hauptfluß ψ h damit um den Winkel δ gegenüber der leicht zu magnetisie­ renden Läuferachse d verdreht ist. Über den Ständerstreu­ abfall erhält man den Ständerfluß ψ S . Dieser dient als Grundlage zur Ermittlung der Ständerspannung U S . Hiermit kann der Phasenwinkel ϕ zwischen den Eingangsgrößen der Maschine i S und U S ermittelt werden. Die Winkellage des Läufers (d,q-System) gegenüber dem Ständer (α , β -Sy­ stem) wird mit λ bezeichnet. Diese funktionalen Zusammenhänge sind Grundlage für die Realisierung des Maschinenmodells. Das nicht inverse Maschinenmodell besteht in einfacher Ausführung nur aus der Nachbildung der Maschinenströme und -flüsse. Einzelne Kanäle wie z. B. die Ermittlung von i Sq aus M w und c hw , können über ein inverses Teilmodell aufgebaut sein. Den Führungsgrößenreglern können statt einer oder mehre­ rer Ausgangsgrößen des Maschinenmodells auch entsprechen­ de Meßwerte von der Maschine zugeführt werden. Bei der Strukturierung des läuferbezogenen inversen Teil­ modells (2) wird es im Feldschwächbereich bei dynamischen Antrieben notwendig, daß die Maschine schnellen Änderun­ gen des Hauptflusses ψ h gehorcht.}

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Ständerstromvektor und Erregerstrom koordiniert so vorzugeben, daß bestimmte Sollwerte für den Drehmoment, den Fluß und den Phasenwinkel der Maschinenein­ gangsgrößen (Erregungszustand: kapazitiver ohmscher oder induktiver Betrieb) eingehalten werden, wobei die Maschine schnellen Änderungen des Hauptflusses ψ _h gehorcht.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Kennzeichens des vorliegenden Patentanspruchs 1 ge­ löst.

Es durchläuft also wie im Verfahren und Einrichtung nach der DE-OS 21 32 178 auch der Feldstrom i _F (nach Addition zum Strom i _Sd ) das Dämpfermodell (11). Dadurch wird vom dritten Regler (4) der Feldstrom i _F bei Änderungen des Flußsollwertes vergrößert vorgegeben, da er über ein Ver­ zögerungsglied (Dämpfermodell 11) auf den "Istwert" c _hx wirkt. Damit wird bei Flußänderungen dem Feldstrom ein Vorhalt gegeben (diffenzierendes Verhalten). Auf diese Weise wird die Aufgabe, schnelle Flußänderungen zu er­ möglichen, erfüllt.

Die Anordnung gemäß der Erfindung wird im nachstehend be­ schriebenen Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt die Fig. 4 die innere Struktur des nicht inver­ sen Maschinenmodells gemäß der Erfindung; die Fig. 4a und 4h zeigen den Aufbau der einzelnen Komponenten dieses Teilmodells.

Man erkennt, daß wiederum die Ströme i _F , i _Sq und i _Sd als Eingänge benutzt werden und daß M _x , ψ _hx , δ , ϕ _x die Ausgänge dieser Anordnung sind. Die Anknüpfung des Span­ nungsmodells entspricht Fig. 2.

Zunächst wird die Summe aus der Ständerkomponente i _Sd und dem Feldstrom i _F gebildet (12), und zusammen mit der Ständerstromkomponente i _Sq dem Dämpfermodell (11) zu­ geführt. Aus den nun vorliegenden Magnetisierungsstrom­ komponenten i _hd und i _hq können die Flußkomponenten ψ _hd , ψ _hq über Kennlinien im Kennliniengeber (13) ermittelt werden. Durch Koordinatenwandlung (Wandler 14) erhält man hieraus den Hauptflußbetrag ψ _hx und seinen Verdrehwin­ kel δ gegenüber der Längsachse d. Darüber hinaus bieten die Flußkomponenten zusammen mit den Ständerstromkompo­ nenten die Möglichkeit, zum einen das Luftspaltdrehmo­ ment M _x der Maschine im Drehmomentbildner (15) nachzu­ bilden und zum anderen die Ständerflußkomponenten über den Ständerflußbildner (16). Hieraus kann zusammen mit den Ständerstromkomponenten im Phasenwinkelbildner 17 der Phasenwinkel ϕ _x errechnet werden.

Die Ausgänge des Ständerflußbildners 16 werden zusammen mit den Ständerstromkomponenten sowie der zeitlichen Än­ derung der Läuferlage ( λ ) einem Spannungsbildner 18 zu­ geführt, der die Ausgangssignale U _Sd und U _Sq liefert.

Im folgenden wird der Aufbau der einzelnen Komponenten des Maschinenmodells beschrieben.

In Fig. 4b wird die Summe aus Feldstrom und Ständerstrom bestimmt (Summationsglied 12). Dies geschieht durch eine einfache Additionsschaltung.

Fig. 4a zeigt die Nachbildung des Dämpferkreises 11. Über zwei VZ1-Glieder 111, 112 wird die Auswirkung des Dämp­ ferstromes auf die Magnetisierung nachgebildet. Eine Ständerstromänderung wirkt sich hierdurch nur verzögert auf die Magnetisierung aus. Es gilt bei Vernachlässigung der Läuferstreuung

und

Soll die Läuferstreuung mit berücksichtigt werden, kann ein modifiziertes VZ1-Glied mit einem zusätzlichen Pro­ portionalanteil verwendet werden.

Über Magnetisierungskennlinien (Geber 131, 132) wird in Fig. 4c im Kennliniengeber 13 der Zusammenhang zwischen Magnetisierungsstrom-Komponenten (Magnetisierung) und den Flußkomponenten hergestellt. Dieser Zusammenhang kann im einfachsten Fall linear sein und ist dann durch die festen Faktoren L _hd und L _hq gegeben. An den Ausgangs­ klemmen 133 und 134 erscheinen die Flußkomponenten ψ _hd und ψ _hq .

Durch Betragsbildung und Division wird in Fig. 4d die Lage δ des Flusses gegenüber der Läuferlängsachse er­ mittelt. Dies geschieht im einzelnen dadurch, daß im Koordinatenwandler 14 zwei Dividierer 141, 142 vorgese­ hen sind, denen die Flußkomponenten ψ _hd , ψ _hq als Divi­ dend zugeführt werden und deren Ausgänge auf zwei Qua­ drierer 143, 144 führen, deren Ausgangssignale addiert und um 1 verringert werden, worauf das Ergebnis über einem Regler 145 bzw. einem Operationsverstärker mit ho­ her Verstärkung den Dividierern als Divisor zugeführt wird. Am Ausgang der Dividierer erscheinen damit die Wer­ te sin δ und cos δ und nach dem Verstärker 145 der Wert ψ _hx .

Es gilt

In Fig. 4e wird aus den Flußkomponenten und den Ständer­ komponenten durch Multiplikation (Multiplizierer 151, 152) und Addition das Maschinendrehmoment (nach Multiplika­ tion mit 3/2 Z _p ) nachgebildet; es gilt

M _x (Drehmoment) = 3/2 Z _p (ψ _hd · i _Sq - ψ _hq · i _Sd ),

Z _p = Polpaarzahl.

Ebenfalls aus den Flußkomponenten und den Ständerstrom­ komponenten wird in Fig. 4f der Ständerfluß errechnet. Hierzu wird zunächst aus den Strömen über die Ständer­ streuinduktivität L _s der Ständerstreufluß ermittelt, der zum Hauptfluß addiert wird.

In Fig. 4g wird aus dem Ständerfluß und dem Ständerstrom näherungsweise der Phasenwinkel ϕ _x zwischen Ständerstrom und Ständerspannung bestimmt. Hierbei wird von der Tat­ sache ausgegangen, daß der Ständerfluß näherungsweise senkrecht auf der Ständerspannung steht. Im Eingangsteil dieser Schaltung wird jede Komponente des Flusses mit jeder Komponente des Stromes multipliziert (Multiplizie­ rer 161, 162, 163, 164), sodann wird das Produkt der ersten Komponenten mit dem Produkt der zweiten Komponen­ ten und das Produkt der zweiten Flußkomponente mit der ersten Stromkomponente und das Produkt der ersten Fluß­ komponente mit der zweiten Stromkomponente addiert.

An den Summenpunkten entstehen Zwischengrößen, die pro­ portional sind dem cos bzw. sin des zwischen Strom und Spannung eingeschlossenen Winkels. Durch eine nachge­ schaltete Koordinatenwandlung wird die Amplitudenabhän­ gigkeit eliminiert und eine Normierung auf sin ϕ _x und cos ϕ _x erreicht. Diese Normierung ist nur notwendig, wenn der Winkel ϕ bzw. sin ϕ auf einen von Null verschie­ denen Wert geregelt wird. Die Koordinatenwandlung wird mit einer Schaltung gemäß Fig. 4d durchgeführt.

Durch Multiplikation (Multiplizierer 181, 182) der Stän­ derfluß-Komponenten mit der Winkelgeschwindigkeit des Läufers λ und der Addition der ohmschen Ständerspannungs­ abfälle (Widerstand R _S ) entstehen gemäß Fig. 4h die Spannungskomponenten. Es gilt

Claims (2)

1. Anordnung zur Durchführung eines Verfahrens zur Führung einer über steuerbare Stromrichter am Netz betriebenen Synchronma­ schine, deren Systemgleichungen aus dem dreisträngigen [U,V,W] ständerfestem System, in das zweisträngige [α , β] ständerfeste System und in das läuferfeste [d,q]-System hin- und rücktrans­ formierbar sind, wobei aus Drehmomentsollwert M _w , Phasenwinkel­ sollwert ϕ _w zwischen Maschinenspannung und Maschinenstrom sowie dem Hauptflußsollwert c _hw die Sollwerte für die Steuerung der Stromrichter ermittelt werden, wobei in einem die Systemglei­ chungen nachbildenden Maschinenmodell aus Ständerstromkomponen­ ten i _sd und i _sq im [d,q]-System und einem Erregerstrom i _F die Hauptflußkomponenten ψ _hd und ψ _hq , der Hauptfluß-Modellistwert ψ _hx und die relative Verdrehung δ zwischen der Flußlage ϑ und der Läuferlage λ bestimmt werden, wobei zur Transformation [α , β]↔[d,q] die Läuferlage λ zugeführt ist und die rücktransformierten Größen im [U,V,W]-System der Stromrichter ansteuern, wobei aus den Haupt­ flußkomponenten ψ _hd , ψ _hq und den Strömen i _sd und i _sq ein Drehmo­ ment-Modellistwert M _x und ein Phasenwinkel-Modellistwert ϕ _x zwi­ schen Maschinenspannung und Maschinenstrom ermittelt wird, wobei die geregelte Differenz von Drehmoment-Sollwert M _w und -Modell­ istwert M _x den Sollwert für die Ständerstromkomponente in der q-Achse i _Sq (Regler [2]), wobei die geregelte Differenz von Pha­ senwinkel-Sollwert ϕ _w und Modellistwert ϕ _x den Sollwert für die Ständerstromkomponente in der d-Achse i _Sd (Regler [3]), und wobei die geregelte Differenz von Hauptfluß-Sollwert ψ _hw und Modellist­ wert ψ _hx den Sollwert für den Erregerstrom i _F ergeben (Regler [4]), mit einem Vektoranalysator, der die Funktionen und realisiert, mit einem Dämpfermodell und mit einem Kennlinien­ geber (13) für die Magnetisierungskennlinie, wobei das Dämpfermo­ dell aus zwei VZ1-Gliedern (111, 112) besteht, von denen dem zweiten die Ständerstromkomponente i _Sq zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Summationsglied (12) vorgesehen ist, das den Erregerstrom i _F mit der Ständerstromkomponente i _Sd addiert,
daß das Ausgangssignal des Summationsgliedes (12) dem ersten VZ1- Glied (111) zugeführt ist,
daß der Kennliniengeber (13) aus zwei getrennten Magnetisierungs­ kennliniengebern (131, 132) besteht, wobei dem ersten Magnetisie­ rungskennliniengeber (131) das Ausgangssignal (i _hd ) des ersten VZ1-Gliedes (111) und dem zweiten Magnetisierungskennlinienge­ ber (132) das Ausgangssignal (i _hq ) des zweiten VZ1-Gliedes (112) zugeleitet wird, so daß am Ausgang des ersten Magnetisierungs­ kennliniengebers (131) die eine Komponente c _hd und am Ausgang des zweiten Magnetisierungskennliniengebers (132) die Komponente ψ _hq des Hauptflusses erscheint,
daß in einem Ständerflußgeber (16) komponentenweise aus den Stän­ der-Stromkomponenten i _Sd und i _Sq über die Streuinduktivität L _σ der Ständerstreufluß ermittelt wird, der zum Hauptfluß addiert wird und die Flußkomponenten ψ _Sd und ψ _Sq ergibt,
daß in einem den Phasenwinkel-Modellistwert bestimmenden Phasen­ winkelbildner (17) zunächst die Funktionena = ψ _Sd i _Sq - ψ _Sq i _Sd undb = c _Sq i _Sd + ψ _Sd i _Sq gebildet werden,
und daß diesem ein weiterer Vektoranalysator nachgeschaltet ist, der die Funktionen bildet.

2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der zusätzlich ein Spannungsmo­ dell (6) vorgesehen ist, dem die Ständerstromkomponenten i _Sd , i _{Sq , vom Maschinenmodell (1) die Ständerflußkomponenten c 1d , ψ 1q und die Winkelgeschwindigkeit einer Lage zugeführt werden und aus die­ sen Größen die Ständerspannungskomponenten U Sd , U Sq für die Steue­ rung der Stromrichter bestimmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage die Läuferlage g ist, und daß die vom Ständerflußbildner (16) gebildeten Ständerflußkom­ ponenten zusammen mit den Ständerstromkomponenten sowie der Win­ kelgeschwindigkeit der Läuferlage λ einem Spannungsbildner (18) zugeführt werden, der die Ständerspannungskomponenten U Sd , U Sq liefert. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Spannungsbildner (18) die Ständerflußkomponenten mit der Winkelgeschwindigkeit der Läuferlage λ multipliziert werden (Mul­ tiplizierer 181, 182) und mit den ohmschen Ständerspannungsabfäl­ len (Widerstand R s ) der einzelnen Ständerstromkomponenten kompo­ nentenweise addiert werden.}