DE3212439A1 - Verfahren und einrichtung zur regelung einer durch schnelle elektrische stellglieder gespeisten asynchronmaschine - Google Patents

Description

Patentbeschreibung '

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Regelung einner durch schnelle elektrische Stellglieder, z.B. spannungseinprägende Pulswechselrichter, 'I'ransistorwechselrichter} stromeinprägende Zwischenkreisumrichter usw., gespeisten Asynchronmaschine. Der Entwicklungsstand auf diesem Gebiet ist z.B. in den ÜbersichtsaufSätzen /1/ und /2/, der hierin angegebenen neueren Literatur und den zusätzlichen Literaturangaben beschrieben. Die Erfindung bezieht sich ferner auf die Drehzahl- oder Drehmomentensteuerung von Asynchronmaschinen, vorzugsweise solchen mit Käfigläufer.

Der Stand der Technik läßt zwei Entwicklungslinien erkennen. Das dynamische Verhalten der Maschine ist heute so gut erforscht, daß man mit den vorhandenen Wechselrichtern Steuerungen und Regelungen aufbauen kann, welche Anordnungen mit stromrichtergespeisten Gleichstrommaschinen in ihrem dynamischen Verhalten gleichwertig oder ihnen sogar überlegen

sind. Diese Anordnungen erfordern entweder eine Messung der Rotorposition, wobei eine zusätzliche automatische Anpassung des Reglers an den mit der Temperatur veränderlichen Läuferwiderstand erwünscht ist, oder es wird eine Feldmessung erforderlich. Ferner muß die Regelung meist als Drehzahlregelung ausgeführt werden, wobei dann eine Tachometermaschine benötigt wird. Die zusätzlichen Anbauten von Tachometermaschine, Läuferstellungsgeber, gegebenenfalls auch Einrichtungen für die direkte Feldmessung, sind sehr unerwünschte Komplikationen, sind aber unvermeidbar, wenn man mit guter Dynamik einen großen Drehzahlbereich einschließlich Schleichdrehzahlen beherrschen will. Wenn statt Feldmessung eine Feldnachbildung verwendet wird, treten Probleme durch die erforderliche Integration von Meßgrößen ohne Gegenkopplung

is auf. Ferner muß der Bereich der Schleichdrehzahlen ausgeklammert werden. Störend ist auch, daß bei einer Integration Anfangsbedingungen benötigt werden.

Die Mehrzahl der Anwendungen erfordert zwar die Einstellbarkeit der Drehzahl, die Anforderungen an das dynamische Verhalten, d.h. die Regelgeschwindigkeit, und an die etatische Genauigkeit und Lastunabhängigkeit der eingestellten Drehzahl sind vergleichsweise gering. Für diese Fälle sind Regeleinrichtungen für die Ständerfrequenz als Hauptregelgröße oder die Drehzahl als Hauptregelgröße bekannt. Sie sind vorzugsweise mit stromeinprägendem Umrichter ausgeführt worden. Dabei wird der Zwischenkreisstrom als Ersatz für den Betrag des Ständerstromes in einem unterlagerten Regelkreis geregelt. Bei Drehzahlregelung wird die Ständerfrequenz als Summe der Rotorumdrehungsfrequenz und einer vom Drehzahlregler vorgegebenen begrenzten Schlupf frequenz gebildet, und die Schlupffrequenz wird dem Betrag des Stromsollwertes über einen Kennlinienbilder zugeordnet. Bei einer bekannten Einrichtung ohne Tachometermaschine wird dem Stromregler ein überlagerter Spannungsregelkreis hinzugefügt , dessen Istwert die gleichgerichtete Maschinenspannung bildet. Der Spannungssollwert und der Vorgabewert für die Ständerfrequenz werden nach ei-

ner festen Kennlinie einander zugeordnet. Eine Schlupfbegrenzung ist bei dieser speziellen Anordnung überhaupt nicht, vorhanden. Eine Überschreitung des Kippschlupfes wird durch Begrenzung der Verstellgeschwindigkeit vermieden.

ε Die beiden letztgenannten Verfahren und Einrichtungen werden als Beispiel für die Gruppe von Anwendungen genannt, bei denen im Hinblick auf die Einfachheit der Signalverarbeitung und geringen Aufwand für Meßgeber Anregelzeiten in der Größenordnung von 500 ms und schlechte Dämpfung der Ausgleichsvorgange in Kauf genommen werden.

Die Erfindung stellt sich nun die Aufgabe, die Lücke zwischen komplexen und bezüglich der Meßgeber aufwendigen Einrichtungen für sehr gutes dynamisches Verhalten und den Anwendungen mit geringen Aufwendungen für Meßgeber mit schlechtem dynamischen Verhalten auszufüllen und ein Regelsystem zu schaffen, das nur mit Strom- und Spannungsmessung auskommt und gleichwohl ein befriedigendes dynamisches Verhalten, hinreichende statische Genauigkeit der Regelung und einen großen Drehzahlstellbereich liefert. Neben der Drehzahlregelung soll auch Drehmomentsteuerung möglich sein, wie sie z.B. bei Haspelantrieben erforderlich wird. Die Erfindung betrifft also ein Verfahren und eine Einrichtung zur Regelung einer durch schnelle elektrische Stellglieder, z.B. Thyristor- oder Transistor- Umrichter, gespeisten Asynchronmaschine unter Verwendung von Klem-

2B menströmen und Klemmenspannungen als wesentlichen Meßgrößen für die Regelung.

Allen im folgenden beschriebenen Varianten ist gemeinsam, daß aus zwei Klemmenströmen und zwei Klemmenspannungen in einer Rechenschaltung (1) gemäß Figur 1 auf Grund der Gleichungen:

e_2ß = L₂/M .[U₁, - R₁I₁, - [1/K₁ ^dI₁,/dt] 2 zwei Signale, im folgenden bezeichnet als Rotor-EMK-Komponen-

ten e_2a und e₂^» gebildet werden, die die in der Läuferwicklung induzierte Bewegungs-EMK in einem ständerfesten, rechtwinkligen (<*,/*)- Bezugssystem darstellen. Größen mit den Indices (<*, ß) sind hier und im folgenden Grössen in einem ständerfesten, rechtwinkligen Bezugssystem, z.B. die Stromkomponenten i-j_aund i^. Die Komponentenpaare stellen Raumvektoren dar. Vektoren werden symbolisch auch als unterstrichene Größen geschrieben.
Aus den Rotor-EMK-Komponenten, den gemessenen Ständerströmen und der Ständerfrequenz ι» wird ein Rechenwert ω_ für den Augenblickswert der Schlupffrequenz gemäß Figur 1 auf Grund der Gleichung:

^L2 ^e2a ^{+ e}2ß

gebildet, (2) in Fig. 1. Diese Baugruppe wird im folgenden auch als Schlupfrechner bezeichnet.

In einer Variante der Erfindung tritt an Stelle der Ermittlung der Schlupffrequenz die Ermittlung eines Rechenwertes "hxc ^{für eine der Schlu}P^;f'^:f'^rec!^uenz proportionale Ständerstrom komponente, im folgenden i. -Komponente genannt, gemäß der Gleichung:

l/

^e2ß

_sign

dargestellt in (3) in Fig. 1. Diese Baugruppe wird im folgenden auch i. -Rechner genannt.

Die Indices (x,y) bezeichnen stets Komponenten in einem weiter unten definierten Bezugssystem. Ferner sind mit einem Stern gekennzeichnete Größen Vorgabe- oder Sollwerte. Der Augenblickswert des inneren Drehmoments der Maschine ist proportional dem Produkt Läuferverkettungsfluß-Betrag multipliziert mit I^ , so daß I_1χ auch drehmomentbildende

Ständerstromkomponente genannt werden kann. Die in den vier Gleichungen mit großen Buchstaben bezeichneten Parameter sind: Ständerwiderstand R₁, Ständerinduktivität L₁, Hauptinduktivität M₁ auf die Ständerseite bezogener Läuferwiderstand R₀, auf die Ständerseite bezogene

2 Läuferinduktivität L₂ und K^ = L /(L. L₂-M ),wie sie in der Zwei-Achsen-Theorie der Maschine gebräuchlich sind. Hier wurde die in /1,2/ ausgeführte Darstellung zugrunde gelegt, d.h. die Impedanzparameter betragen 2/3 der Phasengrößen.

Zwei Stromwandler (7»ö) und zwei Spannungswandler (9,10) bilden potentialfreie Meßwerte für die Ständerspannungen und -ströme. Die Differentiationen in (1) Fig.1 (34,39) können über reine Differenzierglieder, aber auch über Differenzierglieder mit nachfolgender Verzögerung erster Ordnung gebildet werden. Die Multiplikation mit sign ^₁ (71) in Fig. 1 läßt sich auch in an sich bekannter Weise ohne Multipliziererbaustein mit einem Operationsverstärker in Verbindung mit einem Analogschalter und einem Komparator aufbauen.

Die Meß- und Rechenschaltung gemäß Fig. 1 und die noch zu beschreibende Verwendung sind neu und bringen einige erhebliche Vorteile.

Es werden im Unterschied zu allen bisher bekannten, entfernt ähnlichen Konzepten die Komponenten der Rotor-EMK in einem ständerfesten, rechtwinkligen Bezugssystem aus Klemmenströmen und Klemmenspannungen ermittelt. Die benötigten Rechenoperationen , Skalieren, Addieren, Subtrahieren, Multiplizieren und Dividieren sind heute alle leicht mit handelsüblichen Analogrechenelementen zu verwirklichen, ebenso die zweimal vorkommende Differentiation.Ein weiterer überraschender Vorteil liegt darin, daß die Werte für die Laufer-EKK, obwohl sie die erste Ableitung der Ständerstromkomponenten als Anteil enthalten, Größen mit sehr geringem Oberschwingungsgehalt sind. Während man im allgemeinen von einer Integration eine Glättung, von einer Differentiation dagegen eine Erhöhung des Oberschwingungsanteils erwartet, ist es

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hier aufgrund der Struktur der Maschine gerade umgekehrt.

Im Gegensatz zu der bisher vorzugsweise verwendeten Orientierung am Maschinenfeld oder an der Läuferposition kann nun eine Orientierung an der Läufer-EMK vorgenommen werden. Dabei wird erfindungsgemäß ausgenutzt, daß bei näherungsweise betragsmäßig konstantem Läuferflußvektor der Raumzeiger der Läufer-EMK um +τ/2 oder -n/2 gegenüber dem Läuferverkettungsflußvektor ( Ψ₂) gedreht ist und daß für die Beträge gilt Ie₂I=K₁IIV₂I.

Der Läuferfluß-Vektor liegt stets in Richtung y, der Läufer-EMK-Vektor in Richtung +x des (x,y)-Koordinatensystems. Die beschriebene Recheneinrichtung nach Fig. 1 kann nun bei Verwendung eines spannungsemprägenden Umrichters oder bei Verwendung eines stromeinprägenden Umrichters in verschiedener Weise verwendet werden. Sie wird zur Vorgabe der Augenblickswerte des Ständerspannungsvektors über seine Komponenten (vl* , U₁ ) oder zur Vorgabe des Ständers tr omvektors über seine Komponenten (i_1x» i-iy) ^un<* ferner in beiden Fällen zur Schlupfvorgabe und Schlupfbegrenzung,bzw. zur Vorgäbe und Begrenzung der schlupfbildenden Ständerstromkomponente,in einem solchen Sinne benutzt, daß der Betrag des Lauferverkettungsflusses im Grunddrehzahlbereich konstant bleibt.

Damit werden elektromagnetische Ausgleichsvorgänge in der Maschine vermieden, das Drehmoment kann schnell geändert werden und die Rechenwerte gemäß den Gleichungen (3) und (4) stimmen sehr genau mit den wahren Werten des Schlupfes und der schlupfproportionalen Stromkomponente überein. Früher vorgeschlagene Anordnungen zur Ermittlung der Schlupffrequenz aus den Ständergrößen /3/ gehen von den stationären Gleichungen der Maschine aus und machen von gröberen Näherungen Gebrauch, was zur Folge hat, daß die statische Genauigkeit nicht ausreicht und bei schnellen Änderungen die dynamisch richtige Wiedergabe nicht gewährleistet ist. Außerdem werden zur Ermittlung der Schlupffrequenz auf Grund der

verwendeten gröberen Näherungen direkt die Ständerspannungen herangezogen» die höheren Überschwingungsgehalt haben. Ferner werden Integratoren verwendet, was Probleme mit der Drift und den Anfangsbedingungen bringt.

Bei Verwendung eines spannungseinprägenden Pulsumrichters und Spannungseinprägung kann die in Pig. 1 dargestellte Einrichtung gemäß Fig.2 verwendet werden.

Es ist ein unterlagerter Schlupfregelkreis vorgesehen, der seinen Schlupfsoliwert, ω^ , von einer übergeordneten Regelung,z.B. einer Drehzahlregelung, einer Drehmomentvorgabe oder wie abgebildet von einer Ständerfrequenzregelung (80 bis 86) erhält.

Der Ausgangswert des bchlupffrequenzrechners ist der dem ω -Regler (89) zugeführte Istwert, die Ständerfrequenz ist die Ausgangsgröße. Die Ständerfrequenz, der Sollwert der Läuferfrequenz und der Vorgabewert für den Betrag des Läuferverkettungsflusses werden zur Bildung der benötigten Spannungskomponenten (u.. , u. ) in Richtung und senkrecht zum Läuferverkettungsfluß verwendet. (93).

Aus ω wird in an sich bekannter Weise der durch )'.. = ω definierte räumliche Argumentwinkel K. für die Ständerspannung gebildet und über die Berechnung der sin-cos Werte (91) werden über 2 Koordinatenwandlungen (94 und 95) in an sich bekannter Weise die Sollwerte für die 3 Strangspannungen ge-

^2S bildet.

Die Schlupffrequenzbegrenzung wird dadurch erreicht, daß für den Schlupfsollwert in an sich bekannter W_eise ein Begrenzer (85) vorgesehen ist. Der innere Schlupfregelkreis war bisher nicht möglich, -weil es an einer genauen, dynamisch richtigen Meßmöglichkeit fehlte. Es bedeutet in Fig. 2 PWM=Pulsbreitenmodulationsverfahren, PWR=Pulswechselrichter.

Bei Vorgabe der Ständerströme über ein Zweipunktregelverfahren oder unterlagerte Stromregelung und Ständerspannungen als Stellgrößen kann die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung as gemäß Fig. 3 abgewandelt verwendet werden.

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Es ist gemäß Fig. 3 ein unterlagerter Regelkreis für die Ständerstromkomponente i vorgesehen, wobei der Sollwert, wie als Beispiel gezeigt,aus einer Drehmomentvorgabe gebildet wird (11o), oder von einer Drehzahlregelung, oder von einer Ständerfrequenzregelung. Der Ausgang des i. Rechners gemäß Fig. 1 ist der dem i_lx-Regler (115) zugeführte Istwert i_1xcf die Ständerfrequenz ist die Ausgangsgröße.
Die weitere Ausgestaltung ist sehr ähnlich der in Fig. 2.

Der Sollwert des drehmomentbildenden Stroms und der Vorgabewert für den Betrag des Läuferverkettungsflusses werden zur Bestimmung der Vorgabewerte für die Stromkomponenten I_1x und i.. verwendet (119), wobei ί_1χ. direkt aus dem Sollwert des i. -Reglers über ein Verzögerungsglied 1. Ordnung dessen Zeitkonstante von dem i.. -Regelkreis abhängig ist, gebildet wird. Eine Schlupfbegrenzung wird hier durch Begrenzung des Sollwertes der drehmomenfbildenden Stromkomponente (112) erreicht.

Statt der Bildung einer Frequenz ω^ und daraus des Winkels γ. zur Koordinatentransformation über einen unterlagerten Regelkreis,mit dem über die Rotor-EMK-Komponenten gebilde- " ten Rechenwert für die Schlupffrequenz oder dem Rechenwert I₁ als Regelgröße, kann der Winkel K, unmittelbar aus den Rotor-EMK-Komponenten gewonnen werden.

Beispielsweise kann H. unmittelbar aus dem arctan des Quotienten epn/e_2a berechnet werden,oder aus arccos e_2a/|^₂| und aus sign e_2a, sign e^ und sign ^. Die Berücksichtigung der Vorzeichen von e_2a, e₂„und ^ führt zu einer Definition des Wertes ^₁ im Winkelbereich ü bis 2*.

Fig. 4 zeigt eine Signalverarbeitung, die eine derartige Bestimmung des Winkels K₁ aus den Rotor-EMK-Komponenten verwendet. Die Stromkomponenten ΐ.,_χ und I^ werden dadurch in ihrer Zuordnung zu den !Phasenwicklungen der Asynchronmaschine räumlich direkt an den Rotor-EMK-Komponenten orien-

tiert.

-/iff-. 32Ϊ2439

Der EMK-Rechner {.,emäi3 Fig. 1 liefert die Läufer-EMK-Komponenten . Die Bestimmung des Winkels im K. -Rechner (150) erfolgt wie oben beschrieben. Die Ermittlung der Stromkomponenten i? und iüj und die beiden 'Transformationen sind schon aus den vorhergehenden Ausführungsbeispielen bekannt. Die Bildung des Istwertes der Ständerfrequenz ω aus der Differentiation des Winkels K₁ (145) wird bei Übergang des Winkelwertes 2π nach 0 (oder O nach 2n bei ω <o) ausgeblendet und der letzte Wert w, kurzzeitig beibehalten.

Fig.5 zeigt eine Lösung zur direkten Bildung des Wertepaares cos V^ und sin V^ aus den Komponenten der Rotor-EMK. Über die beiden Multiplizierer (I6o, 161), die Summierstelle (162) und das Glied zur Bildung der Wurzel (163) wird der Betrag des Rotor-EMK-Vektors gebildet. Lie Division (165,166)

is der Komponenten der Läufer-EMK durch den Betrag liefert unmittelbar die Rechenwerte cos R. , sin y. .

Die Bestimmung des Betrages der Ständerfrequenz zur Realisierung einer Ständerfrequenzregelung ist mit der in Fig. 5 umstrichelt gezeichneten Zusatzeinrichtung realisierbar.

Bei Betrieb der Asynchronmaschine in beiden Drehrichtungen muß zur Bestimmung des Wertepaares sin )' und cos V. und zur Vorgabe der Ständerfrequenz das Vorzeichen der Ständerfrequenz (sign ω.) bekannt sein, nus dem später beschriebenen Steuerverfahren läßt sich das Vorzeichen der Ständerfrequenz einfach ermitteln.

Der stromeinprägende Zwischenkreisumrichter mit geglättetem Zwischenkreisstrom und Phasenfolgelöschung hat sich als verhältnismäßig wirtschaftlicher und betriebssicherer Umrichter eingeführt und wird viel verwendet. Daher wird im folgenden die Anwendung der beschriebenen Verfahren in Verbindung mit diesem Umrichter erläutert. Fig. 6 zeigt eine Signalverarbeitung für einen Umrichter mit Stromeinprägung im ZwiBchenkreis unter Verwendung der von dem EMK-Rechner gelieferten Komponenten der Rotor-EMK und unter Verwendung der direkten räumlichen Zuordnung der Strangströme zum Lau-

'^fl5' 3212433

fer- EMK-Vektor, Anders als bei Vorgabe der Augenblickswerte der Ständerstrangstrorncollwerte (Fig. 4) werden hier Winkel und Betrag getrennt vorgegeben. Dabei wird der Winkel, der den Leitzustand des maschinenseitigen Wechselrichters (203) bestimmt, aus dem Winkel V^ und einem Zusatzwinkel }'_z , der die Verdrehung des Ständerstromsollwertvektors gegenüber dem Rotor-EMK-Vektor angibt, gebildet.

Die Bestimmung des Betrages des Zwischenkreisstromes erfolgt dagegen in bekannter Weise aus Magnetisierungsstromkomponente und drehmomentbildender Stromkomponente, die vom Regler des äußeren Regelkreises vorgegeben wird. PD (189) bedeutet ein Vorhalteglied mit Iroportionalanteil und differenzierendem Anteil. Hier führen, von den Kommutierungsintervallen abge-• sehen, stets nur zwei Strange der Maschine den Strom, und der Raumvektor des Ständerstromes führt daher eine unstetige, ruckweise Drehbewegung aus. Der Leitzustand ist durch die Zündimpulsvorgabe bestimmt. Da der Winkel K. und daher wegen von Anfangsbedingungen unabhängiger Berechnung auch die Rotor-EKK-Komponenten nur außerhalb der Kommutierungszeit bekannt zu sein brauchen,können die Augenblickswerte der Ständerströme erfindungsgemäß aus dem Zwischenkreisgleichstrom als Maß für den Betrag des Standerstrom-Raumvektors und aus dem Leitzustand des maschinenseitigen Wechselrichters als Maß für den räumlichen Argumentwinkel mit Hilfe einer Koordinatentransformation von polaren in kartesische Koordinaten bestimmt werden.
Nach der Umwandlung in rechtwinklige Koordinaten wird der Strom wie oben beschrieben dem Läufer-EMK- und dem Schlupfrechner zugeführt. Hs können somit zwei Stromwandler und die Transformation der Stromistwerte aus dem (a,b,c)- in das (<*, ß)-Koordinatensystem eingespart werden.

Fig. 7 verdeutlicht die erläuterte Nachbildung der Klemmenströme der Asynchronmaschine aus Zwischenkreisstrom und Leitzustand des maschinenseitigen Wechselrichters in einer Ausführung mit analogen und digitalen Bauelementen.

Dabei ist i der mittels eines Stromwandlers gemessene

ZK

Zwischenkreisstrom, der hier sowohl für die Regelung des netzeeitigen Stromrichters als auch als Betragssignal für den Ständerstrom verwendet wird.
Die Logiksignale T werden aus dem Leitzustand des maschinenseitigen Stromrichters bestimmt und sind immer dann logisch "H", wenn das zugehörige Ventil leitet. Dabei zeigt der erste Index des Logiksignals den Strang an, mit dem das zugeordnete Ventil verbunden ist, der zweite Index ist gleich 1 bei den mit der Kathodenseite und gleich 2 bei den mit der Anodenseite des netzseitigen Stromrichters verbundenen Ventilen.

_w, Die Regelung der Asynchronmaschine kann mit Drehmomentvorgabe ausgeführt werden, z.B. gemäß dem Ausführungsbeispiel Pig. 3, oder mit überlagerter Regelung der Ständerfrequenz, z.B. gemäß Fig. 2, oder bei erhöhten Anforderungen an die Unabhängigkeit der Drehzahl vom Lastmoment mit einer Drehzahlsteuerung. Dabei wird z.B. gemäß !'ig. 4 und Fig. 6 ein der gewünschten Drehzahl proportionaler Sollwert (η · ω ) vorgegeben. Zu diesem Signal wird über ein Verzögerungsglied erster Ordnung (141, 181) der errechnete Schlupfwert addiert.

Der Summenwert wird als Sollwert dem Ständerfrequenzregelkreis zugeführt. Die weitere Ausführung der Regelung ist wie in den vorhergehenden Beispielen beschrieben. Bei Verwendung einer Tachomaschine ist auch eine Drehzahlrege-

""*- lung möglich.

In den Brüchen der Gleichungen 3 und 4 nähern sich bei Annäherung an den Stillstand der Maschine Zähler und Nenner dem Wert Null. Damit versagt das Verfahren, soweit es bisher beschrieben ist, in einem kritischen Bereich nahe der Frequenz Null, und zwar um so mehr, je größer der Fehler in

so den in der Regelung eingestellten Maschinenparametern ist. Erfindungsgemäß werden Maßnahmen vorgesehen, um den kritischen Bereich einzuengen. Das geschieht durch Umschaltungen der Skalierungsfaktoren j._n den Rechenschaltungen in an sich bekannter Weise.

-M-

Erfindungsgemäß werden ferner Maßnahmen vorgesehen, um in dem kritischen Bereich in einer anderen Betriebsweise, nämlich frequenzgesteuert, Anfahren, Bremsen, Stillsetzen und Reversieren zu ermöglichen. Diese erfindungsgemäßen Maßnahmen werden im folgenden beschrieben.

Pig. 8 zeigt eine Zusatzeinrichtung, die ein frequenzgesteuertes Durchfahren einer Zone nahe dem Ständerfrequenznulldurchgang ermöglicht. Dabei wird, hier am Beispiel einer ω -Regelung mit unterlagertem Schlupfregelkreis, bei Unterschreiten eines Frequenzwertes aω die Schlupfregelung ausgeblendet, indem auf den unteren Pfad (218, 219) umgeschaltet wird. Über ein Proportionalglied großer Verstärkung (218) und nachfolgende Begrenzerstufe (219) wird auf den Integrator des im Beispiel Fig. ö als PI-Regler ausgelegten Schlupfreglers ein begrenzter Wert ( dwj/dt ) _min vorgegeben, dessen Vorzeichen gleich dem der Regelabweichung Λω. ist und der bei Δω =0 verschwindet.

Mit der Zusatzeinrichtung ist Anfahren und Bremsen in den Stillstand, Reversieren und Dauerbetrieb im Steuerungsbereich möglieh. Störend sind Ausgleichuvorgänge, die bei Eintritt in den Steuerungsbereich auftreten und die Verminderung des inneren Drehmoments im Steuerungsbereich bei Beschleunigungs- oder Bremsvorgängen, die aber mit einer erweiterten Zusatzeinrichtung zum quasi geregelten Durchfahren des Steuerungsbereich umgangen werden können.

Fig. 9 zeigt die Erweiterung der Zusatzeinrichtung nach Fig. 8, wobei beim Reservieren oder Bremsen in den Steuerungsbereich ein vorher aus der Regelung gewonnenes Signal du> /dt im Steuerungsbereich konstant beibehalten wird, bis zum Verlassen des Steuerungsbereichs oder bis im Steuerungsbreich Soll- und Istwert übereinstimmen.

In Fig. 9 wird eine i^-Regelung und für den Regler des unterlagerten Kreises wiederum PI-Verhalten angenommen. Neben der Bedingung ^₁ <^_1Ν d.h. Betrieb im Steuerungs-bereich, tritt hier jetzt eine zweite Bedingung, b genannt,auf,

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mit b > a, die sicherstellt, daß der aus der Schlupfregelung oder i_1x-Regelung oder aus der direkten Orientierung an dem Rotor-EMK-Vektor ermittelbare Wert d'^/dt, der beim Eintritt in den Steuerungsbereich und/oder beim Durchfahren des Steuerun&sbereichs konstant gehalten wird, aus einem eingeschwungenen Zustand ermittelt wird, daß also nach einem Sollwertsprung genügend Zeit bis zum Eintritt in den Steuerungsbereich vergangen ist, so daß beispielsweise die Regelung für den unterlagerten Kreis bis dahin den eingeschwungenen Zustand erreicht hat.

Die in Fig. 9 gezeigt Logik hält bei Einhaltung der oben geforderten Bedingungen über ein Flip-Flop (254) den Eingang des PI-Reglers (23b,239) über ein Abtast- und Halteglied (236) konstant auf dem Wert unmittelbar vor Eintritt in den Steue-

rungsbereich, bis entweder die Bedingung &ω^=ο erfüllt ist oder bis der Steuerungsbereich wieder verlassen wird.

Bei Anfahren aus dem Stillstund oder bei einer Sollwertänderung des äußeren Regelkreises nach Dauerbetrieb im Steuerungsbereich wird dugegen ^^dtui/^dt^_min ^uber ^den P^{fad mi}^ Proportionalverstärker (241') und .begrenzer (243) vorgegeben.

Im Regelungsbereich beginnendes Reversieren oder Bremsvorgänge aus dem Regelungsbreich in den Steuerungsbreich erfolgen bei Verwendung der erweiterten Zusatzeinrichtung, nahezu ohne Ausgleichsvorgänge im Feld mit konstantem inneren Dreh-

2s moment.

Außerdem reicht meist schon der Schlupffrequenzsollwert ω^ beim Anfahren aus dem Stillstand dazu, daß die Ständerfrequenz größer als die Frequenz^renze des Steuerungsbereichs a ^#ω _1Ν» ist und daß daher beim Anfahren der Steuerunfsbereich sofort verlassen werden kann. Damit ist ein geregelter Betrieb der Asynchronmaschine in nahezu sämtlichen auftretenden Betriebsfällen erreichbar ohne daß eine genaue Kenntnis der Maschinenparameter erforderlich wäre.

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Die Zusatzeinrichtung gemäß Fig. ü und die erweiterte Zusatzeinrichtung gemäß Fig. 9 kann sinngemäß auf sämtliche in den Ansprüchen Ί bis 9 und 12 bis 14 dargestellte Verfahren übertragen werden und bringt folgenden Vorteil: s Durch Verwendung des Steuerungsbreichs kann die ansonsten bei kleiner Ständerfrequenz notwendige genaue Parameterkenntnis von R₁, R₀, L_tM , L. _o und M entfallen. Damit wird

I c. öl ^i c.

der Vorteil der ansonsten nur bei hohen Ständerfrequenzen, parameterunempfindlichen Regelverfahren auf den gesamten Drehzahlbereich ausgedehnt. Andererseits wird der Vorteil, ausgenutzt, daß die Umschaltung von Steuerung auf Regelung unmittelbar und ohne erforderliche Kenntnis von Anfangsbedingungen aus dem Steuerungsbreich abläuft.

Die in der Besc;reibung erläuterten Regelverfahren sind ohne großen Mehraufwand auf den Feldschwächbereich erweiterbar. Dabei muß, wie beispielweise in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellt , sowohl in dif. Vorgabewerte u? , u! , bzw. i? , if

IX I y IX. I jf

als auch in den Überlagerten Kegelkreit; eingegriffen werden.

Das Schlupfsollwertsifn^l in Fig. 2 wird an zwei Stellen vor und nach dem Begrt.nzun^sglied (o5) mit dem Kehrwert des PeIdschwächverhältnisses multipliziert. Bei Bildung des Sollwertsignals oder des Vorgabewertes i* gemäß Fig.3,4 oder 6 erfolgt

I X

dagegen nur eine Multiplikation vor der Begrenzungastufe. Über die Kennlinienbildner, beispielsweise (92) in Fig.2 oder (118) in Fig.3, wird der Vorgabewert für den Betrag des Läuferverkettungsflusses frequenzabhängig verändert und dient als Eingangsgröße für die Bildung der u-Vorgabewerte (93) oder i-Vorgabewerte (119).

Die Änderung des Lauferfluß-Vor^abewertes im Feldschwächbereich hat einen vernachlässigbar geringen Einfluß auf die geforderte Bedingung d|Y₂|/dt->O₁ die Voraussetzung für die ω -und I₁ -Berechnung als auch für die Orientierung an den Rotor-EMK-Komponenten ist.

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Literaturverzeichnis

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Dynamisches Verhalten stromrichtergespeister Asynchronmaschinen
ETG-Fachtagung, ETG-Fachberichte
Nr. 5, Okt. 79

Variable speed induction motors use electronic slip calculator based on motor voltages and currents
IEEE-Transactions, Vol. IA-11, Sept. Oct. 75, No.5

Electronic analog slip calculator
for induction motor drives
IEEE-Transactions Industry Electronics and Control Instruments, Vol. IEC 1-27, 1980

Claims (16)

1. T212439

   Verfahren und Einrichtung zur Regelung einer durch schnelle elektrische Stellglieder gespeisten Asynchronmaschine

   Patentansprüche

   (TV)Verfahren und Einrichtung zur Regelung einer durch schnelle elektrische Stellglieder gespeisten Asynchronmaschine unter Verwendung von Klemraenströmen und Klemmenspannungen als wesentlichen Meßgrößen für die Regelung, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe von Addierern und Differenziereinrichtungen die in der Läuferwicklung induzierte Bewegungs-EMK in einem ständerfesten Bezugssystem darstellende Signale gebildet und zur Vorgabe der Ständerspannung oder des Ständerstroms verwendet werden und/oder daß die die Bewegungs-EMK darstellenden Signale mit Hilfe zusätzlicher Multiplizierer und einer Dividierstufe zur Ermittlung der augenblicklichen Schlupffrequenz oder eines der Schlupffrequenz proportionalen Ständerstrom-Anteils verwendet werden.
2. 2. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines die Klemmenspannung vorgebenden Stellgliedes ein innerer Schlupfregelkreis vorgesehen ist, der von einer übergeordneten Regelung einen begrenzten Sollwert erhält, die Ständerfrequenz als Stellgröße und das rechnerisch aus den gemessenen Klemmengrößen gemäß Anspruch 1 über die Läufer-EMK ermittelte Schlupfsignal als Istwert verwendet und daß die Augenblickswerte der Ständer-Spannungssollwerte mit Hilfe dieser Signale auf Grund bekannter Gleichungen gebildet und die entsprechenden Spannungen gesteuert oder geregelt über das schnelle Stellglied der Maschine zugeführt werden.
3. 3. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines die Klemmenspannung vorgebenden Stellgliedes ein innerer Regelkreis für einen

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   • der Schlupffrequenz proportionalen Ständerstromanteil vorgesehen ist, der von einer übergeordneten Regelung einen begrenzten Sollwert erhält, daß die Ständerfrequenz als Stellgröße und das rechnerisch aus den Klemmengrößen gemäß Anspruch 1 ermittelte, dem Schlupf proportionale Ständerstromsignal als Istwert verwendet wird und daß die Vorgabewerte für die Phasenströme aus der genannten Stromkomponente und einer Magnetisierungsstromkornponente auf Grund bekannter Gleichungen gebildet und die entsprechenden Ständerströme über ein Zweipunktregelverfahren oder über unterlagerte Stromregelung mit den Ständerspannungen als Stellgrös_w sen über das schnelle Stellglied der Maschine zugeführt werden.
4. 4. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines die Klemmenströme vorgebenden oder regelnden Stellgliedes diese Ströme in Ihrer Zuordnung zu den Phasenwicklungen der Maschine unmittelbar an dem Raumvektor der gemäß Anspruch 1 ermittelten Bewegungs-EMK räumlich orientiert werden.
5. 5. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines stromeinprägenden Wechselrichters mit Gleichstromzwischenkreis und Glättung v- des Zwischenkreisgleichstroms die Zündimpulse und damit der Leitzustand des maschinenseitigen Stromrichters von einem Winkel abgeleitet werden, der sich aus dem räumlichen Winkel des gemäß Anspruch 1 gebildeten Laufer-EMK-Vektors gegenüber einer Ständerwicklungsachse und aus einem vom angeforderten Drehmoment abhängigen Zusatzwinkel zusammengesetzt, während der Sollwert für den Zwischenkreisstrom in an sich bekannter Weise aus dem Betrag des vorgegebenen Magnetisierungsstromanteils und dem Betrag des drehmomentbildenden Stromanteils gebildet wird.
6. 6. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn-

   zeichnet, daß statt Messung der Klemmenströme der Asynchronmaschine der Zwischenkreisstrom als Maß für den Betrag des Stromvektors und der aus der Steuerung des Wechselrichters entnommene Leitzustand der Ventile als Information über die s räumliche Lage des Ständerstromvektors benutzt und über einen Koordinatenwandler der Rechenschaltung gemäß Anspruch 1 zugeführt wird.
7. 7. Verfahren und Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß äußere Steuergröße das elektromagnetische Drehmoment ist und daß die Steuergröße für dieses Drehmoment über einen Begrenzer dem inneren Schlupfregelkreis oder dem Regelkreis für den schlupfproportionalen Stromanteil und/oder der Einrichtung zur Bildung des Vorgabewertes der drehmomentbildenden Ständerstromkomponente zugeführt wird.
8. 8. Verfahren und Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Hauptregelgröße die Ständerfrequenz ist und der Ausgang des Ständerfrequenzreglers über einen Begrenzer als Sollwert dem inneren Schlupfregelkreis oder dem inneren Regelkreis für den schlupfproportionalen Stromanteil und/oder der Einrichtung zur Bildung des Vorgabewertes der drehmomentbildenden Ständerstromkomponente zugeführt wird.
9. 9. Verfahren und Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6

   und 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei erhöhten Anforderungen an die Unabhängigkeit der Drehzahl vom Lastmoment die errechnete Schlupffrequenz im Soll-Istvergleich des Ständerfrequenzregelkreises im Sinne einer verzögerten positiven Rückkopplung hinzugefügt wird.
10. 10. Verfahren und Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß eine Zusatzeinrichtung vorgesehen ist, welche die Schlupfregelung, die Regelung des schlupfproportionalen Stromanteils oder das bei der direkten Orientierung an der Läufer-EMK gebildete Winkelsignal in

    ··: ·· : •'12439

    einer Zone wählbarer Breite um die Drehzahl Null unterdrückt und daß rein frequenzgesteuertes Anfahren, rein frequenzgesteuerter Betrieb in dieser Zone und rein frequenzgesteuertes Bremsen in dieser Zone, die im folgenden Steuerungsbereich genannt wird, ausgeführt wird.
11. 11. Verfahren und Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei Reversieren durch oder Bremsen in den Steuerungsbereich hinein der vor Eintritt in den Steuerungsbereich wirksame Wert für die zeitliche Änderung der Ständerfrequenz bis zum Verlassen des Steuerungsbereichs oder bis zum Erreichen des Sollwertes im Steuerungsbereich beibehalten wird.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise der in die Berechnung der Spannungsvorgabewerte eingehende Flußvorgabewert der Ständerfrequenz über eine Feldschwächkennlinie zugeordnet wird und daß der Ausgang des Ständerfrequenzreglers zur Bildung des Schlupfsollwertes in zwei vor und hinter dem Begrenzer angeordneten Multipliziergliedern mit dem Kehrwert des FeId-Schwächverhältnisses multipliziert wird.
13. 13. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise der in die Berechnung der Stromvorgabewerte eingehende Flußvorgabewert der Ständerfrequenz über eine Feldschwächkennlinie zugeordnet wird und daß der Ausgang des Ständerfrequenzreglers zur Bildung des Sollwertes der schlupfproportionalen Stromkomponente in einem vor dem Begrenzer angeordneten Multiplizierglied mit dem Kehrwert des Feldschwächverhältnisses multipliziert wird.
14. 14. Verfahren nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des Betrags der Ständerfrequenz der Betrag des gemäß Anspruch 1 ermittelten Bewegungs-EMK-Vektors gebildet und durch den Betrag des vorgegebenen Läuferflußvorgabe-

    -5- -.5 cc-

    wertes dividiert wird, wobei das AusgangsSignal des Dividierers dem Betrag der Ständerfrequenz proportional ist,
15. 15. Verfahren und Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 14» dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Ermittlung des Laufer-EMK-Vektors, des Schlupfs und der schlupfproportionalen Stromkomponente auf Grund der angegebenen Gleichungen in an sich bekannter Weise mit Operationsverstärkern und Analogmultiplizierern ausgeführt ist und die Logikschaltung zum Durchfahren und Betrieb im Steuerungsbereich um die Drehzahl Null mit integrierten Logikbausteinen'ausgeführt ist.
16. 16. Verfahren und Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenoperationen diskretisiert und dann in an sich bekannter Weise digital und ebenso wie die logischen Operationen mit einem Mikrorechner bzw. Mikroprozessor durchgeführt werden.