DE3319089C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung für einen
Pulswechselrichter nach dem Oberbegriff des Patentanspruches
1.
Aus dem DE-Buch Bühler: "Einführung in die Theorie geregelter
Drehtstromantriebe", Birkhäuser-Verlag, Basel
und Stuttgart, 1977, Bd. 2, S. 218-220, ist eine
Stromregelschaltung bekannt, bei der Soll-Stromwerte
auf jeweils sich kreuzenden, rechtwinkligen Achsen
umlaufender Koordinatensysteme mit umgesetzten Werten
verglichen werden, welche die Ist-Werte von Mehrphasenströmen
darstellen, die tatsächlich durch eine Last
fließen und auf dem umlaufenden Koordinatensystem aufgetragen
sind. Die sich ergebenden Stromfehler wiedergebenden
Gleichstromsignale werden durch Verstärker verstärkt,
die eine Integrierschaltung enthalten. Die verstärkten
Ausgangssignale hiervon werden in Mehrphasen-Wechselstrom-Spannungsbefehle
zerlegt. Ein Pulsumrichter
wird aufgrund dieser Spannungsbefehle betrieben,
um die gewünschten Mehrphasen-Wechselströme zu erhalten.
Auf diese Weise wird unabhängig von der Frequenz des
zu regelnden Mehrphasenstromes eine theoretisch versetzungsfreie
Stromregelung erreicht. Wie aus einem Aufsatz
von C. D. Schauder und R. Caddy, veröffentlicht
in IEEE IAS Annual Meeting, 1981, S. 592-599, entnommen
werden kann, treten bei der aus dem genannten DE-Buch
Bühler bekannten Stromregelschaltung in Folge der
Verwendung des Pulsumrichters und der Ausregelung der Stromfehler in zwei Achsen bei der Ansteuerung eines Motors
Schwingungen auf, was den Betrieb instabil macht.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Steuereinrichtung
der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß
Instabilitäten des Betriebs vermieden werden und eine Frequenzsteuerung
des Pulswechselrichters direkt über das Bezugssystem
möglich ist.
Diese Aufgabe wird bei einer Steuereinrichtung nach dem
Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß durch
die in dessen kennzeichnenden Teil enthaltenden Merkmale
gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich
aus den Patentansprüchen 2 bis 6.
Die Erfindung beruht auf dem folgenden Grundgedanken:
Eine Stromregelung auf der Wechselstromseite besitzt auch in einem stationären Zustand allgemein einen gewissen Phasenfehler zwischen einer Soll-Regelgröße und einer Ist-Regelgröße. Andererseits kann mit einer Stromregelung auf der Gleichstromseite der Phasenfehler einer Wechselstrom-Regelanlage vollständig vermieden werden, weil bei letzterer der Sollwert und der Istwert Gleichspannungen sind und mithin das Fehlersignal für die Regelung ebenfalls eine Gleichspannung ist, die nicht von der Frequenz des Laststroms abhängt.
Eine Stromregelung auf der Wechselstromseite besitzt auch in einem stationären Zustand allgemein einen gewissen Phasenfehler zwischen einer Soll-Regelgröße und einer Ist-Regelgröße. Andererseits kann mit einer Stromregelung auf der Gleichstromseite der Phasenfehler einer Wechselstrom-Regelanlage vollständig vermieden werden, weil bei letzterer der Sollwert und der Istwert Gleichspannungen sind und mithin das Fehlersignal für die Regelung ebenfalls eine Gleichspannung ist, die nicht von der Frequenz des Laststroms abhängt.
Wenn weiterhin die Regelschleife
ein Integrationselement enthält, kann auch ein stationärer
Amplitudenfehler zwischen dem Sollwert und dem
Istwert vermieden werden.
Frequenzfreie oder -unabhängige Gleichstromsignale für
die Regelung werden nach folgender
Beziehung erhalten:
A ² sin² ω t + A ² cos² ω t = A ² (Konstant)
Darin bedeutet: ω = Winkelfrequenz des Lastwechselstroms
und t = Zeit. Daten A/ = A ²) bezeichnen die
Amplitude eines Lastwechselstroms, sind jedoch von
der Zeit unabhängig.
Dies bedeutet, daß die Singale A und A ² eine Art Gleichstrom
darstellen. Frequenzfreie Gleichstrom-Phasensignale
werden anhand des Phasenunterschieds zwischen
dem Lastwechselstrom und einem Wechselstrom-Regelbefehl
erhalten, dessen Winkelfrequenz derjenigen
des Lastwechselstroms entspricht. Die frequenzfreien
Gleichstrom-Amplitudensignale können von den frequenzfreien
Gleichstrom-Phasenfehlersignalen unabhängig sein.
In diesem Zusammenhang ist allerdings darauf hinzuweisen,
daß es aus dem genannten DE-Buch Bühler bekannt
ist, daß Stromregler durch eine Transformation
von Phasenströmen auf ein synchron umlaufendes Koordinatensystem
Gleichgrößen mit großer Genauigkeit verarbeiten
können.
Ein Stromsollwert wird in einem Wechselstrom-Phasensollwert
R I 1* und einem Gleichstrom-Amplitudensollwert I 1*
unterteilt. Sodann wird
I 1 der Ist-Laststrom
mit dem Soll-Wechselstrom getrennt nach Betrag und
Phase verglichen. Auf diese Weise ist es möglich,
eine Übertragungsfunktion des Phasenfehlers vollkommen
von einer Übertragungsfunktion des Amplitudenfehlers
zu trennen. Dies eröffnet uanbhängige Möglichkeiten
für die Verbesserung des Amplitudenregelverhaltens
sowie des Phasenregelverhaltens, so daß vergleichsweise
einfache Konfigurationen für ausgezeichnete
Laststromregelung realisiert werden können.
Der Phasenwinkelfehler kann dabei in einfacher Weise
dadurch gewonnen werden, daß man den aus Meßwerten
gewonnenen Ist-Stromvektor auf ein Koordinatensystem
transformiert, das an dem Soll-Stromvektor
orientiert ist. Derartige Transformationsschaltungen
sind z. B. wie bereits oben erwähnt, aus dem genannten
DE-Buch Bühler bekannt. Der Phasenwinkel des Sollstroms
R I₁* ist dann also zugleich der Phasenwinkel
dieses Koordinatensystems.
Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand
der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 den Aufbau bzw. ein Schaltbild einer
Steuereinrichtung gemäß der Erfindung,
Fig. 2 ein Schaltbild eines digitalen Sollwertgebers
bei der Steuereinrichtung
nach Fig. 1,
Fig. 3 ein Schaltbild eines digitalen Komparators,
bei der Steuereinrichtung
nach Fig. 1,
Fig. 4 ein detailliertes Schaltbild einer
Regelvorrichtung bei der Steuereinrichtung
nach Fig. 1,
Fig. 4A eine Abwandlung der Regelvorrichtung
nach Fig. 4,
Fig. 5 ein detailliertes Schaltbild einer Recheneinheit
bei der Steuereinrichtung nach
Fig. 1,
Fig. 5A ein Schaltbild einer Rechen-Operationsschaltung
nach Fig. 5,
Fig. 5B ein Schaltbild einer Funktionsschaltung
nach Fig. 5,
Fig. 5C eine Abwandlung der Recheneinheit
gemäß Fig. 5,
Fig. 6 ein Vektordiagramm zur Erläuterung der
Beziehung zwischen einem Soll-Stromvektor
(), einem Ist-Stromvektor
(), einer ersten Komponente eines
Spannungs-Steuervektors (V 1r*), einer
zweiten Komponente des Spannungssteuervektors
(V 1Φ *) und dem aus diesen Komponenten
zusammengesetzten Vektor (),
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-
Fig. 7 eine Anordnung zur Betätigung eines
Induktionsmotors,
Fig. 8 ein Schaltbild eines Vektorreglers
nach Fig. 7,
Fig. 9 den Aufbau eines Zählers bei der Steuereinrichtung
nach Fig. 1 und
Fig. 10 graphische Darstellungen von Wellenformen
der vom Zähler nach Fig. 9 abgegebenen
Signale.
Die in Fig. 1 dargestellte Steuereinrichtung dient zur
Stromversorgung einer Dreiphasen-Last 600 mit Dreiphasen-Wechselströme.
Ein Stromamplituden-Sollwertgeber 101 liefert einen
analogen Amplitudenbefehl (Bezugsgröße für Amplitude)
I 1*. Ein Frequenz-Sollwertgeber 103 liefert eine Analogspannung
Vf * entsprechend der Ausgangsfrequenz der
Steuereinrichtung. Die Spannung Vf* wird über eine
Signalleitung 104 einem Spannungs/Frequenz-Wandler
157 eingespeist. Ein Impulszug mit der Frequenz f 1*°
wird über eine Signalleitung 158 an einen Ringzähler
159 angelegt. Der Zähler 159 kann ein 8-Bit-Binärzähler
sein, dessen acht Ausgänge Q 0-Q 7 den
Wechselstrom-Phasenbefehl R I 1* liefern. Gemäß Fig. 10
wird somit eine Umlaufperiode in 2⁸ Stufen aufgeteilt.
Der Amplitudenbefehl I 1* wird über eine Signalleitung
102 an den positiven Eingang eines Komparators
251 angelegt, dessen negativer Eingang ein Rückkopplungssignal
(Gleichstrom-Amplitudensignal) I 1
abnimmt. Das Signal I 1 ist eine Gleichgröße,
deren Wert die Amplitude
der Wechselspannung-Lastströme angibt. Der Komparator
251 vergleicht die Größe des Signals I 1 mit der
des Befehls I 1* und erzeugt ein Gleichstromfehlersignal
ε 1r, welches dem Unterschied von I 1* und
I 1 entspricht. Das Signal ε 1r wird über eine Signalleitung
253 an einen Verstärker 255 angelegt,
der eine Übertragungsfunktion G 1r besitzt und das
Signal ε 1r um G 1r verstärkt und damit ein erstes
Regelsignal V 1r* liefert. Letzteres bildet mit dem
zweiten Regelsignal V 1Φ * ein Signalpaar. Das Signal
V 1Φ * wird von einem Verstärker 256 durch eine
Übertragungsfunktion G 1Φ erhalten. Die Verstärker
255 und 256 können vom PI-Typ sein. Der Verstärker
256 verstärkt das Gleichstrom-Phasenfehlersignal
ε 1Φ um G 1Φ zur Lieferung des Regelsignals V 1Φ *.
In diesem Fall gilt die folgende Beziehung:
ε1Φ = R I 1*-R I 1 (1)
Hierbei sei angenommen, daß R I 1 den Phasenwinkel
eines Stromvektors I 1 aus den Ist-Lastströmen
(Fig. 6) darstellt.
Die Winkel R I 1* und R I 1 laufen mit der Winkelfrequenz
um. Wenn jedoch die Winkelfrequenz der Daten
R I 1* dieselbe ist wie diejenige der Daten R I 1, zeigt
die Differenz zwischen R I 1* und R I 1 keine Frequenzabhängigkeit.
Das Fehlersignal ε1Φ ist daher eine
Gleichgröße. Die Signale
I 1 und ε1Φ werden über Signalleitungen 252 und
254 von einer Recheneinheit bzw. einem Detektor
450 geliefert, die bzw. der später noch näher erläutert
werden wird.
Die Elemente 251, 255 und 256 bilden einen Komparatorkreis
250 zur Erzeugung oder Lieferung erster
und zweiter Regelsignale V 1r* und V 1Φ * nach Maßgabe
des Befehls I 1* und der Signale I 1 und ε1Φ.
Die Regelsignale V 1r* und V 1Φ * werden über Signalleitungen
257 und 258 einer Steuer- oder Regelschaltung
350 eingespeist, welche den Phasenbefehl
R I 1* über eine Datenleitung 160 abnimmt und
Befehle v1U*, v1V* und v1W* für Dreiphasen-Wechselstrom
nach Maßgabe der Befehle R I 1*, V 1r*
und V 1Φ * erzeugt. Die Schaltungseinzelheiten der
Schaltung 350 werden später noch näher erläutert
werden.
Die Spannungsbefehle v1U*, v1V* und v1W* werden über
Signalleitungen 210, 211 bzw. 212 einem Dreiphasen-Wechselrichter
500 eingegeben, der Dreiphasen-Wechselspannungen
V 1U, V 1V und V 1W erzeugt, die wiederum über
Stromleitungen 504, 505 bzw. 506 an die Klemmen U, V bzw.
W eines Induktionsmotors (Last) 600 angelegt werden. Die
vom Dreiphasen-Wechselrichter 500 gelieferten und an die Klemmen
U, V und W des Motors 600 angelegten Wechselspannungs-Laströme
i 1U, i 1V bzw. i 1W werden durch Stromfühler
507, 508 bzw. 509 abgegriffen, die Ausgangssignale s1U,
s1V bzw. s1W liefern. Diese Signale s1U-s1W werden über
Signalleitungen 510-512 dem Detektor eingespeist, welcher
den Phasenbefehl R I 1* abnimmt und die Wechselspannungssignale
ε1Φ und I 1 nach Maßgabe der Signale s1U-s1W
und des Befehls R I 1* erzeugt.
Die Elemente 250, 350, 500, 507-509 und 450 bilden
den Hauptregelteil 20.
Die Befehlseinheit 150 und der Komparator 250 gemäß Fig. 1
sind vom Analog/Digital-Typ. Die Fig. 2 und 3 veranschaulichen
eine Digitalkonfiguration der Befehlseinheit
150 und des Komparators 250. Gemäß Fig. 2 wird eine analoge
Gleichspannung I 1* durch einen A/D-Wandler 108 in
einen digitalen Befehl
I 1* umgesetzt, während eine analoge Gleichspannung Vf 1*
durch einen Spannungs/Frequenz-Wandler 157 und einem
Zähler 159 in einem digitalen Phasenbefehl
R I 1* umgesetzt wird. Gemäß Fig. 1 wird der digitale
Befehl I 1* durch einen digitalen Komparator
251 mit einem digitalen Rückkopplungssignal
I 1 verglichen, wobei der Komparator 251 eine digitale
Mulitiplizierstufe 255 mit einem digitalen
Fehlersignal ε1r speist. Die Multiplizierstufe 255
gibt einen digitalen Befehl V 1r* entsprechend ε 1r × G 1r ab.
Auf ähnliche Weise wird ein digitales Gleichstrom-Phasenfehlersignal
ε 1Φ durch eine digitale Multiplizierstufe
256 multipliziert und zu einem digitalen Gleichspannungsbefehl
V 1Φ entsprechend ε1Φ × G 1Φ geändert. Bei Verwendung
der Anordnungen nach Fig. 2 und 3 sind die Regelschaltungen
350 und die Recheneinheit 450 gemäß Fig. 1 selbstverständlich
vom Digital-Typ.
Fig. 4 veranschaulicht die Einzelheiten einer Analog/Digital-Hybrid-Regelschaltung
350. Das erste Regelsignal
V 1r* wird einer Quadrierstufe
352 eingespeist, und das zweite Regelsignal
V 1Φ * wird einer anderen Quadrierstufe
353 eingegeben.
Die Befehle
V 1r* ² und V 1Φ *² werden durch eine Addierstufe 356 addiert.
Letztere speist eine Wurzelfunktionsschaltung 358 mit
einem addierten, quadrierten Signal V 1*². Die Schaltung
358 zieht die Quadratwurzel des Signals V 1*² zur Gewinnung
einer Amplitudenkomponente V 1* des Spannungsbefehlsvektor
. Infolgedessen gilt die folgende Beziehung.
Die Komponente V 1* wird durch eine Koeffizientenmultiplizierstufe
372 mit K 2 multipliziert. Die Multiplizierstufe
372 gibt eine multiplizierte Komponente K 2V 1*
(Gleichspannung) aus.
Die Befehle V 1r* und V 1Φ * werden eine Dividierstufe 360
eingegeben, welche den Befehl V 1Φ * durch den Befehl V 1r*
dividiert und damit einen dividierten Befehl V 1Φ */V 1r*
liefert. Letzterer wird durch eine
Arenstangens-Schaltung 362 in eine Winkelkomponente
Φ V 1* des Spannungsbefehlsvektors umgesetzt.
Demzufolge gilt die folgende Beziehung:
Φ V 1* = tan-1 (V 1Φ*/V 1r*) (3)
Die analoge Winkelkomponente Φ V 1* wird durch einen A/D-Wandler
364 in eine digitale Winkelkomponente Φ V 1* umgesetzt,
die zusammen mit dem digitalen Phasenbefehl
R I 1* durch eine digitale Addierstufe 366 addiert wird.
Die Addierstufe 366 gibt einen digitalen Phasenwinkelbefehl
Φ V 1* ab, welcher den Phasenwinkel des Spannungsbefehlsvektors
anzeigt. Damit gilt folgende Beziehung:
R V 1* = R I 1* + Φ V 1* (4)
Der Befehl R V 1* wird einer Funktionsschaltung 368 eingegeben,
die den in Fig. 1A dargestellten Aufbau besitzen
kann und Wechselspannungsbefehle v1U*,
v1V* und v1W* erzeugt. Hierbei lassen sich diese Befehle
wie folgt definieren:
Die Befehle v1U*, v1V* und v1W* werden Multiplizierstufen
374, 375 bzw. 376 eingegeben, die jeweils die
multiplizierte Komponente K 2V 1* von der Multiplizierstufe
372 abnehmen. Die Multiplizierstufen 374-376 erzeugen
oder liefern daraufhin Wechselspannungsbefehle
v1U*-v1W*. Diese Befehle lassen sich hierbei wie folgt
definieren:
Fig. 4A veranschaulicht eine vollständige Digital-Regelschaltung
350. Die digitalen Ausgangsdaten V 1r*
der Multiplizierstufe 255 (Fig. 3) werden einer digitalen
Quadrierstufe 352 eingegeben, während
die digitalen Ausgangsdaten V 1Φ * der Multiplizierstufe
256 (Fig. 3) einer digitalen Quadrierstufe
353 eingegeben werden. Die Quadrierstufen 352 und
353 speisen eine digitale Addierstufe 356 mit den
quadrierten Daten V 1r* ² bzw. V 1Φ *². Die Addierstufe 356
beschickt eine digitale Wurzelfunktionsschaltung 358 mit
den addierten, quadrierten Daten V 1*². Die Schaltung 358
zieht die Quadratwurzel aus den Daten V 1*² und liefert
Daten V 1*, welche die Amplitudenkomponente des Vektors
(Fig. 6) darstellen. Die Daten V 1* werden
einer digitalen Koeffizientenmultiplizierstufe
372 eingegeben und mit der Konstante K 2 multipliziert.
Die Multiplizierstufe 372 beschickt drei digitale Multiplizierstufen
374, 375 und 376 mit den multiplizierten
Daten K 2V 1*.
Daten V 1r* und V 1Φ * werden einer digitalen Dividierstufe
360 eingegeben, die ihrerseits eine digitale Arcustangens-Schaltung
362 mit einer dividierten Dateneinheit
V 1Φ */V 1r* beschickt. Die Schaltung 362 liefert
ihrerseits Winkeldaten R V 1*. Wenn die Schaltung 362 aus
einem Festwertspeicher (ROM) besteht, bezeichnet die
Dateneinheit V 1Φ */V 1r* eine bestimmte Adresse
des Festwertspeichers, wobei die entsprechende Winkeldateneinheit
R V 1* aus der bezeichneten, bestimmten
Adresse ausgelesen wird. Die Dateneinheit R V 1* wird
einer digitalen Addierstufe 366 eingegeben, welche die
digitale Ausgangsdateneinheit R I 1* vom Zähler 159
(Fig. 2) abnimmt und digitale Phasenwinkeldaten R V 1*
liefert, welche den Phasenwinkel des Vektors
(Fig. 6) angeben. Die Daten R V 1* werden einer digitalen
Funktionsschaltung 368 zugeführt, die aus drei Festwertspeichern
368 A, 368 B und 368 C besteht. Jede Adresse
der Festwertspeicher 368 A-368 C wird durch die Daten
R V 1* bezeichnet.
Der Festwertspeicher 368 A wandelt die Daten R V 1* entsprechend
der Beziehung "f(x) = cos x " in Spannungseinheitsdaten
um. Der Festwertspeicher 368 B
wandelt die Daten R V 1* entsprechend der Beziehung
"f(x) = cos (x-2π/3)" in Einheitsdaten um. Der
Festwertspeicher 368 C wandelt die Daten R V 1* entsprechend
einer Beziehung "f(x) = cos (x + 2π/3)" in Spannungseinheitsdaten
um. Diese Daten und
werden den Multiplizierstufen 374, 375 bzw. 376 eingegeben,
die daraufhin digitale Wechselspannungsdaten
v1U*, v1V* bzw. v1W* liefern.
Fig. 5 veranschaulicht die Einzelheiten einer analogen
Recheneinheit 450 gemäß Fig. 1. Analogsignale s1U, s1V und
s1W von den Stromfühlern 507, 508 bzw. 509 (Fig. 1)
werden einer Recheneinheit 451 mit
dem Aufbau gemäß Fig. 5A eingegeben. Gemäß Fig. 5A
werden das Signal s1U an eine Subtrahierstufe 451 A,
das Signal s1V an eine Addierstufe 451 B und eine Subtrahierstufe
451 C und das Signal s1W an eine Addierstufe
451 B und eine Subtrahierstufe 451 C angelegt. Die
Addierstufe 451 B gibt ein Signal [s1V + s1W] ab, das
durch die Dividierstufe 451 D durch 2 dividiert wird,
wobei ein Signal [(s1V + s1W)/2] als Subtrahiersignal
der Subtrahierstufe 451 A eingegeben wird. Letztere liefert
ein Signal [s1U-( s1V + s1W)/2], das in einer Multiplizierstufe 451 E mit √ multipliziert wird und zu
einer ersten Achsenkomponente (Cosinuskomponente) i 1d
des gemessenen Laststrom IM der Last 600 wird. Die
Subtrahierstufe 451 C liefert ein Signal [s1V-s1W].
Letzteres wird in einer Dividierstufe 451 F durch √
dividiert und wird damit zur zweiten Achsenkomponente
(Sinuskomponente) i1q des Laststroms IM.
Die Meßsignale s1U, s1V und s1W
lassen sich wie folgt darstellen:
Die Komponenten i1d und i1q lassen sich dann wie folgt
ausdrücken:
Der Phasenbefehl R I 1* wird vom Zähler 159
(Fig. 1) einer Funktionsschaltung 454 mit dem Aufbau
gemäß Fig. 5B eingegeben. In der Schaltung 454 wird der
Befehl R I 1* als Adressendaten an Festwertspeicher
454 A und 454 B angelegt. Der Festwertspeicher 454 A
wandelt die Daten R I 1* in digitale Cosinuseinheitsdaten
entsprechend der Beziehung
"f(x) = cos x" um. Der Festwertspeicher 454 B wandelt
die eingegebenen Daten R I 1* nach der Beziehung
"f(x) = sin x" in digitale Sinuseinheitsdaten um.
Damit gilt folgende Beziehung:
Die Digitaldaten und werden jeweils durch D/A-Wandler
454 C und 454 D in Analogsignale und umgesetzt, welche die Achsenkomponenten des Bezugssystems darstellen.
Die Komponenten i1d und i1q werden
Quadrierstufen 457
bzw. 458 eingegeben, die eine Addierstufe 465 mit
quadrierten Signalen i1d ² und i1q ² beschicken. Die
Addierstufe 465 beschickt eine Wurzelfunktionsschaltung
469 mit einem quadrierten Signal I 1² entsprechend
i1d ² + i1q ². Die Wurzelfunktionsschaltung 469 zieht die
Quadratwurzel aus dem Signal I 1² zur Lieferung einer
Ist-Amplitudenkomponente I 1. Anhand
der Gleichung (8) und der Beziehung "I 1² = i1d ² + i1q ²"
läßt sich somit die folgende Beziehung
ableiten:
Die Ist-Komponente i1q und die Bezugskomponente werden
einer Multiplizierstufe 459, die Ist-Komponente i1d und die
Bezugskomponente einer Multiplizierstufe 460 eingegeben.
Die Multiplizerstufe 459 liefert multiplizierte
Daten *i1q, während die Multiplizierstufe 460
multiplizierte Daten i1d liefert. Die Daten i1q
werden durch eine Subtrahierstufe 467 von den Daten
i1d subtrahiert. Die Subtrahierstufe 467 beschickt
eine Dividierstufe 471 mit subtrahierten Daten i2q entsprechend
"k-i1q". Die Dividierstufe 471
nimmt die Komponente I 1 von der Schaltung 469 ab und
gibt Daten entsprechend i2q/I 1 aus.
Anhand der Gleichungen (8) bis (10) lassen sich die
Daten i2q wie folgt ausdrücken:
Darin bedeuten: ε 1Φ = R I 1*-R I 1 (vgl. Fig. 6). Anhand
von Gleichung (11) sowie der Beziehung " = i2q/I 1"
lassen sich somit die Daten ausdrücken als:
oder
Die Daten werden durch eine Arcussinus-Schaltung
473 in das Phasenfehlersignal ε 1Φ
umgewandelt. Die Komponente I 1 und das so erhaltene
Signal ε1Φ werden dem Komparator 250 gemäß Fig. 1 eingegeben.
Wenn die Absolutgröße eines
Parameters x sehr klein ist, gilt die Annäherung
"sin x ≈ x ". Wenn das Phasenfehlersignal
ε 1Φ sehr klein ist, entspricht dieses Signal daher
nahezu , so daß die Arcussinusschaltung 473 weggelassen
werden kann.
Fig. 5C veranschaulicht die Recheneinheit bzw. den digitalen Detektor
450. Erste und zweite Achsenkomponenten
i1d und i1q von der Recheneinheit
451 werden durch A/D-Wandler 452 bzw. 453 in
Digitaldaten i1d bzw. i1q umgesetzt. Die Komponnente
i1d wird durch eine digitale Multiplizierstufe 457
quadriert, während die Komponente i1q durch eine digitale
Multiplizierstufe 458 quadriert wird. Die Ausgangsdaten
i1d ² und i1q ² der Multiplizierstufen 457 bzw. 458
werden in einer digitalen Addierstufe 465 addiert.
Letztere Daten i1d ² + i1q ², welche durch eine
digitale Wurzelfunktionsschaltung 469 (ROM bzw. Festwertspeicher)
in die Amplitude I 1 umgewandelt
werden.
Die vom Festwertspeicher 454 A gelieferten Daten
werden durch eine digitale Mulitplizierstufe 459 mit
den Daten i1g multipliziert. Die Daten vom Festwertspeicher 454 B werden durch eine digitale Multiplizierstufe
460 mit den Daten i1d multipliziert. Die
Ausgangsdaten i1q von der Multiplizierstufe 459
werden in einer digitalen Subtrahierstufe 467 von den
Ausgangsdaten i1d der Multiplizierstufe 460 subtrahiert.
Die Subtrahierstufe 467 liefert Daten
I 1 sin ε1Φ (= k-i1q). Die Daten I 1 sin ε 1 Φ
werden in einer digitalen Dividerstufe 471 durch die
Daten I 1 dividiert. Die Ausgangsdaten sin ε 1Φ der Dividierstufe
471 werden durch eine digitale Arcussinusschaltung
473 in Phasenfehlerdaten ε 1 Φ umgesetzt.
Der Signalfluß ist hierbei also derselbe wie in Fig. 5.
Die Steuereinrichtung mit dem Aufbau gemäß Fig. 1 bis
5 arbeitet wie folgt:
Die Befehlseinheit 150 liefert einen Amplitudenbefehl I 1* und einen Phasenbefehl R I 1*. Der Befehl I 1* wird als Bezugsgröße der Amplitude benutzt, welche die Amplitude eines Strombefehlsvektors bezeichnet. Der Befehl R I 1* wird als Bezugsgröße einer Phase benutzt, welche den Phasenwinkel des Stromvektors bezeichnet. Der Hauptregelteil 20 regelt die Dreiphasenwechselströme des Induktionsmotors bzw. der Last 600. Wenn die Lastströme i 1U-i 1W als Signale s1U-s1W erfaßt oder gemessen werden (Gleichung (7)), werden im Detektor 450 Operationen auf der Grundlage von Gleichungen (8) bis (13) ausgeführt, wobei ein Ist-Amplitudensignal I 1 des Laststroms und ein Ist-Phasenfehlersignal ε1Φ erhalten werden. Diese beiden Signale sind in Fig. 6 dargestellt.
Die Befehlseinheit 150 liefert einen Amplitudenbefehl I 1* und einen Phasenbefehl R I 1*. Der Befehl I 1* wird als Bezugsgröße der Amplitude benutzt, welche die Amplitude eines Strombefehlsvektors bezeichnet. Der Befehl R I 1* wird als Bezugsgröße einer Phase benutzt, welche den Phasenwinkel des Stromvektors bezeichnet. Der Hauptregelteil 20 regelt die Dreiphasenwechselströme des Induktionsmotors bzw. der Last 600. Wenn die Lastströme i 1U-i 1W als Signale s1U-s1W erfaßt oder gemessen werden (Gleichung (7)), werden im Detektor 450 Operationen auf der Grundlage von Gleichungen (8) bis (13) ausgeführt, wobei ein Ist-Amplitudensignal I 1 des Laststroms und ein Ist-Phasenfehlersignal ε1Φ erhalten werden. Diese beiden Signale sind in Fig. 6 dargestellt.
Fig. 6 ist ein Vektordiagramm zur Veranschaulichung der
Beziehung von Phase und Amplitude unter den Strom- und
Spannungsvektoren bei der Anordnung gemäß Fig. 1. In
Fig. 6 stehen die Symbole U, V und W für die geometrischen
Positionen der Wicklungen der Last 600. Achsen ds und qs
bezeichnen feste Rechteckkoordinaten. Die Strom- und
Spannungsvektoren sind durch Polarkoordinaten definiert,
der Ursprungspunkt mit dem der Rechteckkoordinaten
identisch ist. Die Achse ds gibt die Bezugsachse (Ausgangslinie)
der Polarkoordinaten an. Jeder Vektor ist
somit durch seine Absolutgröße und den zwischen dem betreffenden
Vektor und der Bezugsachse gebildeten Winkel
definiert. Wie aus Fig. 6 hervorgeht, kann ein Strombefehlsvektor
zu einer Bezugsamplitude I 1* (d. h. Länge
von ) und einem Bezugsphasenwinkel R I 1* reduziert
werden.
Der Stromvektor wird durch Zusammensetzen
der Dreiphasen-Wechselstrombefehle i 1U*-i 1W*
erhalten. Der Vektor besitzt eine gegebene
Länge I 1* und dreht sich um den Ursprung der Polarkoordinaten.
Sein Phasenwinkel ist mit R I 1* bezeichnet. Eine
Regelung von mehrphasigen Wechselströmen kann lediglich
durch Vorgabe des Stromvektors erfolgen. Es ist dabei nicht nötig, die einzelnen Strombefehle
getrennt vorzugeben. Wenn der
Vektor auf die Achsen der Wicklungen U, V und W
projiziert wird, entsprechen die Abbildungen
auf diesen Achsen i 1U*, i 1V* und i 1W*.
Die beiden Signale I 1 und ε1Φ sind jeweils Gleichspannungssignale,
die der Komparatorschaltung 250 eingegeben
werden. In letzterer wird die Absolutgröße I 1* des
Strombefehlsvektors mit
der Absolutgröße I 1 des Ist-Laststromvektors am
Komparator 251 verglichen, wobei ein
Fehlersignal ε1r erzeugt wird. Die
Fehlersignale ε1r und ε1Φ werden in
V 1r* und V 1Φ * umgewandelt. Gemäß Fig. 6
ist der Befehl V 1r* in Phase mit dem Stromvektor ,
und der Befehl V 1Φ * liegt orthogonal bzw. senkrecht zum
Vektor . Der aus den Befehlen V 1r* und V 1Φ * zusammengesetzte
Vektor entspricht dem Spannungsbefehlsvektor
.
Die Befehle V 1r* und V 1Φ * werden durch die Elemente
352, 353, 356 und 358 gemäß Fig. 4 der funktionellen
Umwandlung gemäß Gleichung (2) unterworfen, wobei die
Amplitudengröße V 1* des Vektors bestimmt wird. Die
Befehle V 1r* und V 1Φ * werden ebenfalls durch die Elemente
360, 362 und 364 gemäß Fig. 4 der funktionellen Umwandlung
nach Gleichung (3) unterworfen, wobei den zwischen
den Vektoren und gebildeten Winkel angebende
Winkeldaten Φ V 1* erhalten werden. Die Daten Φ V 1*
werden in der Addierstufe 366 zu den Phasenwinkeldaten
R I 1* addiert, wobei gemäß Gleichung (4) ein Spannungsphasenbefehl
R V 1* erhalten wird. Der Befehl K 2V 1* und
die Spannungseinheitsbefehle * werden multipliziert,
und die Wechselspannungsbefehle v1U*-v1W*
werden gemäß Gleichung (6) erzeugt.
Die Befehle v 1U*, v 1V* und v 1W* entsprechen jeweils
einer U-, V- bzw. W-Wicklungskomponente der Last 600.
Diese Befehle v 1U*-v 1W* sind somit Dreiphasen-Wechselstrombefehle,
die zur Ansteuerung oder Regelung des Dreiphasen-Wechselrichters
500 benutzt werden. Letzterer erzeugt
Dreiphasen-Wechselspannungen v 1U-v 1W nach Maßgabe
der Befehle v 1U*-v 1W*, wobei die Dreiphasen-Wechselströme
i 1U-i 1W zur Last 600 fließen.
Eine vollständige Ausregelung ist auch mit PI-Reglern nur theoretisch im stationären Zustand möglich, nicht aber im normalen dynamischen Betrieb.
Wenn bei der Anordnung nach Fig. 1 I 1* ≠ I 1 und/oder
R I 1* ≠ R I 1, erscheint der Amplitudenfehler ε 1r
und/oder der Phasenfehler ε 1Φ. Wenn jeder Verstärker
255 und 256 ein Integrationselement enthält, bewirkt
die Gleichstrom- oder Gleichspannungs-Rückkopplungsregelung
die Verkleinerung der Fehler ε 1r und ε 1Φ, so
daß sie I 1* = I 1 und R I 1* = R I 1 ergibt. Der tatsächliche
bzw. Ist-Stromvektor wird nämlich identisch
mit dem Strombefehlsvektor , ohne stationären
Amplitudenfehler ε 1r und ohne stationären Phasenfehler
ε 1Φ. Mit anderen Worten: die tatsächlichen oder
Ist-Lastwechselströme i 1U-i 1W werden so geregelt,
daß sie vollständig und ohne jeden Fehler, unabhängig
von der Frequenz der Lastwechselströme, den eingegebenen
Befehlen I 1* und R I 1* (oder Vf 1*) folgen. Mit der
erfindungsgemäßen Steuereinrichtung können somit die
bisher auf eine Wechselstrom-Rückkopplungsregelung zurückzuführenden
Probleme vollständig vermieden werden.
Bei der erfindungsgemäßen Stromregelvorrichtung ist
die Amplitudenregelschleife
von der Phasenregelschleife getrennt.
Eine Übertragungsfunktion
der Amplitudenregelschleife
kann somit von einer Übertragungsfunktion der Phasenregelschleife
vollständig unabhängig sein. Wenn somit
die Regeldynamik
verbessert werden soll, wird die Charakteristik
des Phasenfehlerverstärkers 256 unabhängig von der
Einstellung des Amplitudenfehlerverstärkers 255 eingestellt.
Wenn andererseits die Regeldynamik
der Amplitude der Lastwechselströme in
bezug auf den Steuerbefehl I 1* als am wichtigsten angesehen
wird, wird bevorzugt der Amplitudenfehlerverstärker
255 eingestellt. Dieses Merkmal
(unabhängige Einstellung von Phase und Amplitude) ist
von besonderer Bedeutung.
Fig. 7 veranschaulicht ein Anwendungsbeispiel des Hauptregelteils
20 gemäß Fig. 3, bei dem ein Induktionsmotor
600 vektorgeregelt wird. Gemäß
Fig. 7 liefert ein Drehzahl-Sollwertgeber 30 einem Vektorregler
31 einen Drehzahlbefehl ω r*. Die tatsächliche bzw.
Ist-Drehzahl des Motors 60 wird durch einen Tachometer
bzw. Drehzahlgeber 601 als Drehzahlsignal ω r gemessen
oder abgegriffen. Der Regler 31 liefert den Gleichstrom-Amplitudenbefehl
I 1* und den Gleichstrom-Phasenbefehl R I 1*
nach Maßgabe des Befehls ω r* und des Signals ω r. Die Befehle
(Anweisungen) I 1* und R I 1* bestimmen einen
Soll-Stromvektor gemäß Fig. 6.
Fig. 8 veranschaulicht die Einzelheiten des
Vektorreglers 31 gemäß Fig. 7.
Claims (6)
1. Steuervorrichtung für einen Pulswechselrichter,
mit einer Meßeinrichtung (507-509) zur Messung
der Phasenströme ( S 1U, S 1V, S 1W), mit einer Recheneinheit
(450), die aus den gemessenen Phasenströmen
( S 1U, S 1V, S 1W) einen Ist-Stromvektor ( I 1) errechnet
und den Ist-Stromvektor ( I 1) in einem synchron
umlaufenden Koordinatensystem darstellt, und
mit einer zwei Komponentenregler (251 + 255, 256) aufweisenden
Regelvorrichtung (250, 350, 500), die
diesen Ist-Stromvektor ( I 1) mit einem vorgegebenen
Soll-Stromvektor ( I 1*) vergleicht, wobei an den
Ausgängen der Komponentenregler (251 + 255, 256)
die kartesischen Komponenten (V 1r*, V 1Φ *) eines
Spannungs-Steuervektors anstehen, der durch eine
weitere Recheneinheit (350) im ruhenden Koordinatensystem
dargestellt und in Steuerspannungen ( V 1U*,
V 1V*, V 1W*) für den Wechselrichter, die einzelnen
Phasen des Wechselrichters entsprechen, aufgeteilt
wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromvektoren
( I 1, I 1*, ε 1R) nach Betrag und Phase dargestellt
werden, daß der Strom-Amplitudenfehler ( ε 1r) dem
einen Komponentenregler (251 + 255) zugeführt wird
und daß der Phasenwinkel des Ist-Stromvektors ( I 1)
im synchron umlaufenden Koordinatensystem als Strom-Phasenfehler
( ε 1Φ) dem anderen Komponentenregler (256)
zugeführt und im wesentlichten auf Null geregelt wird.
2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet
durch eine erste Recheneinrichtung (451) zur Umwandlung
der gemessenen Phasenströme ( s 1U-s 1W)
in die Kosinuskomponente ( i 1d) und die Sinuskomponente
( i 1q) des Ist-Stromvektors im ruhenden Koordinatensystem,
und eine mit der ersten Recheneinrichtung
(451) verbundene zweite Recheneinrichtung
(457, 458, 465, 469) zur Umwandlung der Kosinus-
und Sinuskomponenten ( i 1d, i 1q) in den Betrag des
Ist-Stromvektors ( I 1).
3. Steuereinrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet
durch eine erste Funktionseinrichtung (454) zur
Umwandlung der Phase ( R I 1*) des synchron umlaufenden
Koordinatensystems in ein Einheitskosinussignal
und ein Einheitssinussignal , eine mit
der ersten Recheneinrichtung (451) und der ersten
Funktionseinrichtung (454) verbundene dritte Recheneinrichtung
(459, 460, 467) zur Lieferung eines
ersten Signals (i 2q) aus Einheitskosinus- und Einheitssinussignal
sowie aus Sinus- und
Kosinuskomponente (i 1q, i 1d) des Ist-Stromvektors,
wobei das erste Signal (i 2q) der Differenz (Gleichung
13) zwischen dem Produkt aus dem Einheitssinussignal
und der Kosinuskomponente (i 1d)
sowie dem Produkt aus Einheitskosinussignal
und der Sinuskomponente (i 1q) entspricht, und eine
mit der zweiten Recheneinrichtung (469) und der
dritten Recheneinrichtung (467) verbundene zweite
Funktionseinrichtung (471, 473) zur Umwandlung des
Ist-Stromvektor-Betrags (I 1) und des ersten Signals
(i 2q) in den Strom-Phasenfehler ( ε 1Φ), welcher dem
Arcussinus des Quotienten (i 2q/I 1) des ersten Signals
(i 2q) zum Ist-Stromvektor-Betrag (I 1) entspricht.
4. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Komponentenregler
(251, 255) einen Komparator (251) und
einen diesem nachgeschalteten Verstärker (255)
aufweist.
5. Steuereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der andere Komponentenregler einen
weiteren Verstärker aufweist.
6. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die weitere Recheneinheit
(350) eine vierte Recheneinrichtung (352,
353, 356, 358, 372) zur Lieferung eines der Wurzel
aus der Summe der quadrierten ersten Komponente
(V 1r* 2) und der quadrierten zweiten Komponente
(V 1Φ *2) des Spannungs-Steuervektors entsprechenden
zweiten Signals (V 1*K 2), eine fünfte
Recheneinrichtung (360, 362, 364) zur Lieferung
eines Spannungswinkelsignals ( Φ V 1*), das dem
Arcustangens des Quotienten (V 1Φ */V 1r*) der
zweiten Komponente (V 1Φ *) zur ersten Komponente
(V 1r*) entspricht, und eine dritte Funktionseinrichtung
(366, 368, 374-376) zur Lieferung
der Steuerspannungen (v 1U*-v 1W*) für die
einzelnen Phasen aufweist.
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