DE3319089C2 - - Google Patents

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.

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.

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.