DE3319350A1

DE3319350A1 - Verfahren und vorrichtung zum ermitteln von bestimmungsgroessen des flussvektors einer drehfeldmaschine

Info

Publication number: DE3319350A1
Application number: DE19833319350
Authority: DE
Inventors: Felix Dipl.-Ing. Dr. 8520 Erlangen Blaschke; Leonhard Dipl.-Ing. Reng
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1983-05-27
Filing date: 1983-05-27
Publication date: 1984-11-29
Also published as: JPS59230486A; JPH0313838B2

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln von Bestimmungs-
größen des Flußvektors einer Drehfeldmaschine Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von Bestimmungsgrößen des Flußvektors einer Drehfeldmaschine mit den im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen. Die Erfindung betrifft ferner die Anwendung des Verfahrens beim Betrieb der Drehfeldmaschine und eine Vorrichtung hierzu.
Ein derartiges Verfahren ist bei der Vorrichtung nach der deutschen Offenlegungsschrift 30 26 202 für den feldorientierten Betrieb einer umrichtergespeisten Drehfeldmaschine verwendet. Bei der Feldorientierung wird die Lage des Flußvektors erfaßt und der die Maschine speisende Umrichter in Abhängigkeit von der Lage des Flußvektors so gesteuert, daß die zum Fluß parallele Komponente des Ständerstromes und die dazu senkrechte Ständerstromkomponente unabhängig beeinflußbar sind. Über die Steuerung der rlußparallelen Ständerstromkomponente (Magnetisierungsstrom) kann ein vorgegebener Wert für den Betrag des Flusses eingestellt werden, während die zum Fluß senkrechte Stromkomponente (Wirkstrom) dann linear in das Drehmoment eingeht und unmittelbar zur entkoppelten Steuerung von Drehzahl oder Drehmoment verwendet werden kann.
Für diese Feldorientierung ist aber die Kenntnis der Flußlage erforderlich. Dabei ist es vorteilhaft, den Fluß nicht über Hallsonden direkt zu messen, sondern mittels einer Rechenmodellschaltung aus elektrischen Größen zu berechnen. Die einfachste Möglichkeit hierzu ist ein sogenanntes "Spannungsmodell", das aus den Eingangsspannungen des Motors durch Abzug des ohmschen Ständerspannungs- abfalles und der induktiven Streuspannungen die induzierte EMK bestimmt. Der Fluß ergibt sich dann als Integral der EMK.
Zur Beschreibung der Maschinenströme, Maschinenspannungen, der EMK und des Flusses können ebene Vektoren verwendet werden, die jeweils durch zwei Bestimmungsgrößen, z.B.
ihre kartesischen oder polaren Komponenten bezüglich eines ruhenden (d.h. ständerorientierten oder "raumfesten") oder mit der Läuferachse rotierenden ("läuferorientierten") oder der Feldachse rotierenden (''feldorientierten") Koordinatensystems. Für das erwähnte "Spannungsmodell" ist die Betrachtung im ständerorientierten kartesischen Koordinatensystem am einfachsten, da es hierzu lediglich erforderlich ist, z.B. bei einer dreiphasigen Maschine aus den Spannungen und Strömen der drei um 1200 gegeneinander versetzten Phasen mittels eines "3/2"-Koordinatenwandlers die entsprechenden kartesischen, raumfesten Koordinaten (diese sind hier mit den Indizes ccl und N2 gekennzeichnet) des entsprechenden Ständerstromvektors i und des Ständerspannungsvektors u zu bilden, wobei sich der Vektor e der EMK dann unter Berücksichtigung des Ständerwiderstandes rS und der Streuinduktivität x C durch komponentenweise Addition gemäß e = u - rs.i - x#. di/dt errechnet. Die kartesischen ständerorientierten Komponenten des Flußvektors Y ergeben sich dann jeweils als Integral der entsprechenden Komponente des EMK-Vektors.
Die für diese Integration erforderlichen offenen Integratoren neigen zum Wegdriften und müssen stabilisiert werden, z.B. über einen in einer Rückführungsleitung des Integral tors liegenden Nullpunktregler. Mit der Nullpunktdrift der Integratoren werden jedoch bei niedrigen Betriebsfrequenzen auch die entsprechend langsamen Änderungen der Flußkomponenten unterdrückt. Außerdem entsteht im stationären Betrieb ein Winkelfehler, der sich ebenfalls vor allem bei niedrigen Frequenzen auswirkt und zu einer störenden Fehlorientierung führt, wenn die Sollwerte für den Ständerstrom feldorientiert vorgegeben werden. Diesen Nachteilen steht jedoch die gute Dynamik dieses Spannungsmodells gegenüber.
Es ist aber auch möglich, einen Modellwert für den Maschinenfluß aus den Maschinenströmen (d.h. dem Ständerstromvektor 1 und im Fall einer Synchronmaschine auch dem Erregerstrom ie) und der gemessenen Läuferstellung \ oder, was meßtechnisch häufig vorteilhaft ist, aus der Läuferdrehzahl X , zu ermitteln. Dieses "Strommodell" bildet die in der Maschine auftretenden Vorgänge, soweit sie zur Ausbildung des Flusses führen, elektronisch nach. Für dieses Strommodell ist die Verwendung eines feldorientierten Koordinatensystems vorteilhaft, wobei die zum Feld parallele Komponente mit dem Index 1 und die dazu senkrechte Komponente mit dem Index (p2 bezeichnet wird. Die Umrechnung von einem Koordinatensystem in ein anderes, um einen vorgegebenen Winkel gedrehtes Koordinatensystem geschieht dadurch, daß die entsprechenden Komponenten des zu transformierenden Vektors einem sogenannten "Vektordreher" zugeführt werden,an dessen Winkel eingang ein entsprechendes Winkelsignal, z.B. Sinus und Cosinus des Drehwinkels, angelegt werden.
Beim Strommodell müssen möglichst genaue Modellparameter für die Maschinenparameter eingestellt werden, so daß z.B.
temperaturbedingte Änderungen des Läuferwiderstandes sowohl bei stationären wie bei dyn-amischen Vorgängen zu.Verfälschungen des Modellflusses führen. Für höhere Betrieb frequenzen ist daher das Spannungsmodell vorzuziehen, bei niedrigen Betriebsfrequenzen führt jedoch das Strommodell trotz möglicher stationärer Ungenauigkeiten zu einem besseren Modellwert für den Fluß.
In der erwähnten deutschen Offenlegungsschrift 30 26 202.3 ist daher eine Kombination beider Modelle vorgesehen. Entsprechend dem Spannungsmodell werden aus den Maschinenströmen und Maschinenspannungen zwei Komponenten eines dem Spannungsmodell zugeordneten Modell-EMK-Vektors e, u gebildet, aus denen dann die entsprechenden Komponenten des diesem Spannungsmodell zugeordneten Flußvektors 9, u gebildet werden. Die Schaltung arbeitet hierbei ständerorientiert und enthält für die Bildung des Flusses je einen Integrator für jede kartesische EMK-Komponente. Zur Stabilisierung dieser Integratoren wird jeweils eine Komponente dieses Flußvektors in einer Rückführungsleitung einem Regler aufgeschaltet, dessen Ausgangssignal als Korrekturgröße zur Korrektur der entsprechenden Komponente des Modell-EMK-Vektors dem Integratoreingang aufgeschaltet ist. Dem Sollwerteingang dieser Regler wird dabei die entsprechende Komponente eines im Strommodell aus den Ständerströmen und der Läuferstellung gebildeten Modellflußvektors 4, i geliefert.
Die Regler erhalten an ihren Eingängen also die kartesischen raumfesten Komponenten des Differenzvektors Y,i - 9,u und liefern die kartesischen raumfesten Komponenten eines Korrekturvektors, durch dessen Aufschaltung auf das Spannungsmodell der Differenzvektor im Mittel ausgeregelt wird. Dadurch wird erreicht, daß das Spannungsmodell zumindest hinsichtlich seines stationären Verhaltens dem Strommodell nachgeführt wird, so daß die gute Dynamik des Spannungsmodells beibehalten, jedoch die bei niedrigen Frequenzen bessere stationäre Flußbestimmung des Strommodells ausgenutzt wird.
Die Ausgänge der beiden bekannten Korrekturregler stellen die kartesischen ständerorientierten Komponenten eines Korrekturvektors dar, der im wesentlichen mit der Frequenz des Vektors 9,u umläuft. Die Regler müssen also ständig Wechselgrößen verarbeiten, was nicht nur bei hohen Betriebsfrequenzen nachteilig sein kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine andere Möglichkeit zum Ermitteln von Bezugsgrößen des Flußvektors einer Drehfeldmaschine zu schaffen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ebenfalls von einer Kombination von Strommodell und Spannungsmodell entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1 ausgegangen, wobei jedoch von den beiden Korrekturgrößen, die aus der Regelabweichung zwischen dem als Sollwert eingegebenen Modellflußvektor W, i und dem als Istwert eingegebenen Flußvektor Y,u bestimmt werden, die erste Korrekturgröße aus der Regelabweichung des Betrages und die zweite Korrekturgröße aus der Regelabweichung der Richtungen der beiden Flußvektoren gebildet wird. Dabei kann es vorteilhaft sein, die Aufschaltung der Korrekturgrößen bei höheren Betriebsfrequenzen abzuschalten, bei denen das Spannungsmodell allein bereits hinreichend genau arbeitet.
Wie bei der bekannten Schaltung ist also auch gemäß der Erfindung eine nachführende Regelung vorgesehen, die vom Differenzvektor 4',i - ,u ausgeht und so auf das Spannungsmodell wirkt, daß der dem Spannungsmodell zugeordnete Vektor Y ,u (unter Beibehaltung der Dynamik des Spannungsmodells) stationär dem Vektor 9,i nachgeführt wird und als Fluß der Maschine abgegriffen wird.
Bei der bekannten Schaltung wird jedoch jeweils eine gemittelte kartesische raumfeste Komponente des Differenzvektors ausgeregelt. Gemäß der Erfindung wird aber von dem Differenzwinkel 6 = i - tru ausgegangen, wobei fBu die dem Vektor ,u und ,i die dem Vektor ,i zugeordnete Flußrichtung (bezogen auf das raumfeste Koordinatensystem) ist. Der Differenzwinkel 8 ist demnach die Polar- komponente des Differenzvektors ,i - ,u in einem mit ,i rotierenden Bezugssystem. Der entsprechende Regler regelt demnach die mittlere rotierende polare Winkelkomponente des Differenzvektors aus; seine Ausgangsgröße liefert daher auch die rotierende polare Winkelkomponente eines Korrekturvektors. Entsprechend regelt der andere Regler mit ß ,ul 1Y,ul den mittleren Betrag des Differenzvektors aus und liefert die rotierende polare Betragskomponente des Korrekturvektors.
Ein Vektor, dessen kartesische Komponenten durch die Mittelwerte der kartesischen Komponenten eines veränderlichen Vektors gegeben sind, unterscheidet sich aber nicht nur durch die Koordinatendarstellung von einem Vektor, dessen polare Komponenten durch die Mittelwerte der polaren Komponenten des gleichen veränderlichen Vektors bestimmt sind, vielmehr bedingt die verschiedene Mittelung, das die beiden Vektoren sich derart unterscheiden, daß sie nicht mehr durch Koordinatentransformationen ineinander überführt werden können.
Gegenüber dem bekannten Regelverfahren unterscheidet sich daher die Erfindung ganz wesentlich. Insbesondere liefert sie bei stationären Vorgängen wesentlich genauere Ergebnisse, denn da die beiden Vektoren 4),u und ,i ungefähr mit gleicher (bzw. im abgeglichenen Zustand mit identischer) Frequenz umlaufen, stellen die Regelabweichungen der Beträge und Richtungen praktisch Gleichgrößen dar und die Regler sind weitgehend entlastet, wodurch auch die Wahl der Regler-Konstanten im wesentlichen unkritisch ist.
Für die Nachführung des Spannungsmodells bedingt eine Differenz der Flußbeträge zumindest bei kleinen Differenzwinkeln hauptsächlich eine Korrektur der (flußparallelen) Magnetisierungsstromkomponenten des beim Spannungsmodell verwendeten Ständerstromes. Mit der Ausgangsgröße des Reg- lers für die Flußbeträge kann daher die Betragskoordinate oder die flußparallele kartesische Koordinate i#1 =i cos # des Ständerstromvektors korrigiert werden. In analoger Weise wirkt die Regelabweichung # =#,u -# ,i hauptsächlich. auf die Wirkstromkomponente und kann zur Korrektur der Richtungskoordinate oder der flußsenkrechten Wirkstromkomponente i2 = i . sin y verwendet werden. Der Faktor i kann durch eine Gewichtung der Regelabweichung 6 der Richtungen berücksichtigt werden, da der gewichtete Differenzwinkel i .SsV, i . sin ( 9,u - ,i) als auf die Richtung (z.B. ,i) des einen Flußvektors orientierte flußsenkrechte Komponente des dem anderen Modell zugrunde gelegten Stromes (z.B. des Strom-Istwertes i für das Spannungsmodell) gerätetechnisch häufig leichter zugänglich ist.
In jedem Fall liefern die von den Polarkomponenten des Differenzvektors gespeisten Regler zwei (kartesische oder polare) Komponenten eines Korrekturvektors in einem Koordinatensystem, das mit dem Vektor 9,i oder dem nachgeführten Vektor 4>,u rotiert. Diese Komponenten des Korrekturvektors werden im Spannungsmodell den entsprechenden Komponenten des Modell-EMK-Vektors bzw. des zugrunde gelegten Ständerstromvektors nach den Regeln der Vektorrechnung aufgeschaltet. Für diese Aufschaltung ist es nur noch erforderlich, daß Korrekturvektor und zu korrigierender Vektor im gleichen Bezugssystem vorliegen, also entweder der Korrekturvektor mittels eines Vektordrehers ins ständerbezogene Korrdinatensystem transformiert wird, oder der Modell-EMK-Vektor e . u bereits in einem auf t ,i oder 4',u feldorientierten Koordinatensystem ermittelt wird.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben und werden anhand von 4 Figuren und zwei Aus- führungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigt: Fig. 1 einen mit diesem Verfahren arbeitenden Drehfeldmaschinenantrieb, Fig. 2 ein Vektordiagramm zur Erläuterung der verwendeten Symbole, Fig. 3 ein feldorientiert arbeitendes Ausführungsbeispiel, und Fig. 4 ein ständerorientiert arbeitendes, bevorzugtes Ausführungsbeispiel.
Gemäß Fig. 1 wird eine Drehfeldmaschine 1 über einen Umrichter 2 aus einem Netz N gespeist, wobei die Umrichtersteuerung 3 der Maschine eine Motorspannung oder einen Motorstrom mit vorgegebener Frequenz und vorgegebener Amplitude einprägt. Entsprechend der Last stellt sich jeweils die nicht eingeprägte elektrische Variable von selbst ein.
Ständerstrom und Ständerspannungen sind hier als Doppelpfeile dargestellt, die jeweils zwei Vektorkomponenten eines Vektors symbolisieren. So können z.B. die Ströme 1R und i5 der Phasen R und S mittels Stromwandlern gemessen und durch einen entsprechenden Komponentenwandler 4 in die beiden kartesischen Komponenten i 1 = i.cos #α, iα2 = i . sin#α des Ständerstromvektors iα im raumfesten Bezugssystem umgewandelt werden. Auf gleiche Weise wird mittels Spannungswandlern und einem Koordinatenwandler 5 der ständerbezogene, kartesische Ständerspannungsvektor u α gebildet. Ein Läuferstellungsdetektor 6 liefert den Läuferwinkel X oder die Läuferdrehzahl 7t, aus dem eine erste Rechenmodellschaltungr nämlich das Strommodell 7, zusammen mit dem Ständerstrom i r die beiden Komponenten eines Modellflußvektors ,i bildet. Ein derartiges Strommodell ist in der erwähnten deutschen Offenlegungsschrift 30 26 202 sowohl für eine Synchronmaschine, wie auch für eine Asynchronmaschine beschrieben.
Im Falle der Synchronmaschine ist das Strommodell 7 auch in der Lage, ggf. unter Zuhilfenahme eines entsprechenden Erregerstrom-Istwertes 1 , einen Sollwert i für die Steuerung des Erregerstromes zu bilden, der von einer entsprechenden Erregerstromquelle.8 auf den Läufer der Synchronmaschine geschaltet werden kann.
Mit 9 sind symbolisch Mittel dargestellt, mit denen aus der Ständerspannung u.(ggf. unter Zuhilfenahme des Ständerstromes i) die Komponenten eines Modell-EMK-Vektors e, u gebildet wird. Eine durch ein gemeinsames Symbol 10 dargestellte Reglerstufe ist mit den beiden Ausgängen, deren Signale als Komponenten eines Korrekturvektors 8 aufgefaßt werden können, einer vom Modell-EMK-Vektor beaufschlagten Additionsstelle 11 zurVektoraddition aufgeschaltet. Im Fall der erwähnten Offenlegungsschrift liegt sowohl der Modell-EMK-Vektor e, u, wie auch der Korrekturvektor in kartesischen ständerbezogenen Komponenten vor, so daß diese Additionsstelle 11 nur jeweils die ersten oder zweiten Komponenten beider Vektoren zu addieren hat.
Die Istwerte der Regel stufe 10 werden dabei von den Komponenten des im Strommodell berechneten Modellflußvektor i i beaufschlagt.
Der Additionsstelle 11 ist eine zweite Rechenmodellscha,-tung 12 nachgeschaltet, die aus dem um den Korrekturvektor ß korrigierten EMK-Vektor e, u + ß einen zweiten Modellflußvektor , u - (e, u+ ß )dt liefert. Der Betrag t f u und der Winkel , u dieses zweiten Modellflußvektors kann an entsprechenden Ausgängen 13 und 14 abgegriffen werden. Da für die Verarbeitung von Winkeln häufig Rechenglieder verwendet werden, denen jeweils sin und cos des Winkels, d.h. die entsprechenden kartesischen Komponenten eines in diese Richtung weisenden EinheitsvektorsS zugeführt werden müssen, ist die Signalleitung des Modellflußwinkels y,u oder anderer Winkel ebenfalls als Signalpaar durch einen Doppelpfeil dargestellt.
Die Komponenten des Modellflußvektors ,u, die natürlich ebenfalls durch die an den Ausgängen 13 und 14 anliegenden Bestimmungsgrößen W,u und 9,u gegeben sind und die lediglich durch eine Koordinatentransformation aus diesen Bestimmungsgrößen hervorgehen, sind auf die Istwerteingänge der Reglerstufe 10 geschaltet. Während die Elemente 9 und 12 lediglich das bereits bekannte Spannungsmodell darstellen, wird durch den Reglereingriff auf die Additionsstelle 11 bewirkt, daß der zweite Modellflußvektor ,u dem ersten Modellflußvektor VI ,i nachgeführt wird. Daher werden die Bestimmungsgrößen dieses nachgeführten zweiten Modellflußvektors ,u als gesuchte Bestimmungsgrößen des Flußvektors t an den Leitungen 13 und 14 abgegriffen und für die Steuerung der Drehfeldmaschine 1 verwendet.
Die Steuerung der Drehfeldmaschine kann entsprechend den jeweiligen Bedürfnissen unterschiedlich ausgelegt sein.
Häufig wird mittels eines Vektordrehers 15, an dessen Winkelsignaleingang das Signalpaar ff,u des ermittelten Flußwinkels t = ,u angelegt ist, der ständerbezogene Ständerstromvektor i s in den entsprechenden feldorientierten Stromvektor iT umgerechnet. In der Umrichtersteuerung können dann diese feldorientierten Stromistwerte mit den feldorientierten Stromsollwerten i fl * (Magnetisierungsstrom-Sollwert) und i 92* (Wirkstrom-Sollwert) des Stromsollvektors i * verglichen werden. Aus der Regelabweichung (Regler 16) wird somit ein feldorientierter Steuervektor gebildet, der auf geeignete Weise in drei Steuerspannungen für den Steuersatz 19 umgewandelt werden kann, um daraus die Zündbefehle für die auf die drei Ausgangsphasen des Umrichters 2 arbeitenden Umrichterventile zu erhalten. Diese Umwandlung des feldorientierten Steuervektors in drei Steuerspannungen ist durch einen Vektordreher 17 zur Rücktransformation ins Ständerbezugssystem und einen Koordinatenwandler 18 zur Umwandlung der kartesischen Komponenten in drei um 1200 phasenverschobene Steuerspannungen angedeutet. Es können aber die Stromistwerte und die feldorientiert vorgegebenen Stromsollwerte auch auf andere Weise in zwei Steuergrößen umgewandelt werden, z.B. in ein Amplitudensteuersignal und ein Frequenzsteuersignal, wie sie etwa eine Direktumrichter-Steuerung benötigt.
Wie bereits eingangs erwähnt wurde, wirkt der Magnetisierungsstrom-Sollwert auf den Fluß und kann daher aus einer überlagerten Flußregelung gewonnen werden, während mit dem Wirkstromsollwert, der z.B. aus einer überlagerten Drehzahlregelung stammen kann, das Drehmoment beeinflußt wird.
Die nach Fig. 1 in großer Allgemeinheit dargestellten Mittel zum Erfassen der Bestimmungsgrößen des Flußvektors sind bereits in der erwähnten deutschen Offenlegungsschrift enthalten. Abweichend hiervon ist gemäß der Erfindung jedoch vorgesehen, daß der Reglerstufe 10 die Regelabweichung 8i t fY,ujdes Betrages der beiden Flußvektoren und die Regelabweichung tf,i - ,u der Richtungen der beiden Flußvektoren zugeführt sind. Dies kann z.B. dadurch geschehen, daß am Strommodell 7 und am Spannungsmodell 12 jeweils die polaren Komponenten der entsprechenden Modellflußvektoren abgegriffen werden.
Zur Erläuterung der einzelnen hierbei auftretenden Koordinatensysteme und Symbole ist in Fig. 2 zunächst der Ständerstrom i und der Flußvektor y bezüglich eines durch eine raumfeste (ständerbezogene) Koordinatenachse X gegebenen Bezugssystem dargestellt. Der Winkel zwischen i und « ("ständerorientierter Stromwinkel") ist mit bezeichnet, während der ständerorientierte Flußwinkel zwischen t und « mit y bezeichnet ist. Es gilt somit für den feldorientierten Stromwinkel £y zwischen i und Y die Beziehung ## = #α- # . Die in Fig. 2 dargestellten Beziehungen zwischen der Ständerspannung, den ohmschen Spannungsabfällen r5 . i und den Streuspannungen x $. diXdt einerseits und der EMK e bzw. deren Integral t gelten als Vektorbeziehungen unabhängig vom Bezugssystem.
Im nicht abgeglichenen Zustand fällt die Richtung ,i des im Strommodell 7 ermittelten ersten Modellflußvektors +,i nicht mit der am Ausgang 14 des Spannungsmodells 12 ermittelten Flußrichtung 9= #,u zusammen, sondern weicht um den Winkel # ab. In dem auf die Richtung y,u orientierten Bezugssystem besitzt demnach der erste Modellflußvektor #,i die kartesischen Komponenten ##1,i und ##2,i, während der Stromvektor in diesem Bezugssystem durch die kartesischen Komponenten i yl, i gegeben ist.
In dem auf den Winkel zwei des Strommodells orientierten Koordinatensystem hingegen besitzt der Ständerstromvektor i die kartesischen Komponenten i#1 und i #2 i, entsprechend einem auf den Modellflußvektor #,i orientierten Modellflußwinkel ##,i.
In Fig. 3 sind die zur Ermittlung des Flußvektors nach Fig. 1 benutzten Bauteile genauer ausgeführt für den Fall, daß die beiden Rechenmodellschaltungen 7 und 12 flußorientiert arbeiten. Bereits bei Fig. 1 beschriebene gleiche Bauteile tragen gleiche Bezugszeichen. Die Wirkungsweise, nach denen die Baugruppe 9' die kartesischen, ständerbezogenen Komponenten e 1' e 2 des Modell-EMK-Vektors e,u bilden, entspricht dem oberen Vektordiagramm in Fig. 2 und braucht nicht näher erläutert zu werden Für die Vektoraddition e,u + t dient als Additionsstelle 11' in diesem Fall ein weiterer Vektordreher, mit dem die ständer- bezogenen Komponenten e , e y2 in die entsprechenden, auf die Flußrichtung f orientierten Koordinaten umgewandelt werden, aus denen durch einfache Addition der kartesischen feldorientierten Komponenten des Korrekturvektors t der Eingangsvektor für die zweite Rechenmodellschaltung 12' gebildet wird. Durch Normierung auf die Nennfrequenz N und Integration wird aus der feldparallelen korrigierten EMK-Komponente der Betrag ,u des dem Spannungsmodell zugeordneten Modellflußvektors gebildet, während aus der feldsenkrechten Komponente durch Division mit diesem Feldbetrag eine Modellflußfrequenz gebildet wird, aus der durch Normierung auf die Nennfrequenz SN und Integration der entsprechende Modell-Flußwinkel tf,u entsteht.
Die feldparallele Komponente.des an der Additionsstelle zu überlagernden Korrekturvektors in ist praktisch nur durch die Differenz der Flußbeträge bestimmt und kann daher an einem entsprechenden Regler 10a abgegriffen werden. Der Istwert für den Regler 10a wird vom Spannungsmodell 12' geliefert, der Sollwert hingegen braucht nicht unbedingt am Strommodell 7 selbst abgegriffen zu werden, vielmehr kann ausgenutzt werden, daß ohnehin durch die gesamte Anordnung der Flußbetrag-Istwert letztlich vom Strommodell-Betragsistwert ,i geführt ist und über die Umrichter--steuerung auf dem Sollwert v * gehalten wird, so daß ein einfacheres Strommodell 7 genügt, in dem eine gesonderte Berechnung des Modellflußbetrages nicht erforderlich ist.
Vielmehr kann anstelle des Betrages t ,i des ersten Modellflußvektors direkt der der gesamten Steuerung zugrunde liegende Sollwert t* dem Betragsregler 10a zugeführt werden.
Aus den Richtungen t.u und <e.i der beiden Modellflußvektoren wird an einer Subtraktionsstelle 20 der Differenzwinkels , d.h. die Regelabweichung der polaren Richtungskomponenten der beiden Modellflußvektoren gebildet. Wegen sin 6 X 8 ist die Regelabweichung praktisch auch proportional zur feldsenkrechten Komponente des Differenzvektors der beiden Modellflüsse, und das Ausgangssignal des entsprechenden Winkelreglers (10b) kann direkt als feldsenkrechte Komponente des Korrekturvektors der Additionsstelle 11' zugeführt werden. Wird anstelle der Winkeldifferenz 8 die mit dem Strombetrag gewichtete Regelabweichung i.sin gebildet, so entspricht dies der Zwischenschaltung eines Funktionsbildners 21 und eines Multiplizierers 22.
Die in Fig. 3 dargestellte Anordnung gibt auch das Prinzip und das dynamische Verhalten der in Fig. 4 gezeigten Anordnung wieder, wobei die Modellschaltungen hier jedoch in ständerbezogenen Koordinaten arbeiten. Auch hier sind weitgehend die Bezugszeichen aus Fig. 1 verwendet.
Auf eine eigene Schaltung zur Ermittlung der Modell-EMK kann hierbei verzichtet werden, vielmehr kann die Addition des ohmschen Ständerspannungsabfalles zum Ständerspannungsvektor gleichzeitig mit der Aufschaltung des Korrekturvektors A an einem einzigen Additionsglied 11" erfolgen. Die Integration der EMK geschieht durch je einen, durch ein gemeinsames Symbol 12" dargestellten Integrator für die beiden kartesischen EMK-Komponenten, wobei die Berücksichtigung der Streuspannung durch ein Additionsglied am Ausgang des Integrators erfolgen kann. Ein nachgeschalteter Vektoranalysator 25 bildet aus den nunmehr vorliegenden kartesischen ständerbezogenen Komponenten des diesem Spannungsmodell zugeordneten Modellflußvektors Y,u den Betrag dazu und das Signalpaar y,u des entsprechenden Modellflußwinkels.
Die Bildung der polaren Komponenten des Differenzvektors der beiden Modellflüsse, aus denen die Regelabweichungen für die Eingänge der Regler 10a und lOb gebildet werden, kann im Prinzip wie in Fig. 3 erfolgen. Dabei ist lediglich zu beachten, daß die von den Reglerausgängen gelieferten kartesischen feldorientierten Komponenten des Korrekturvektors ~ für die richtige Addition an der Additionsstelle 11" erst mittels eines Vektordrehers 26 von dem auf den Modellflußwinkel t.u orientierten Koordinatensystem in das ständerbezogene Koordinatensystem rücktransformiert werden müssen.
Unter Ausnutzung des in der Steuerung häufig ohnehin vorhandenen Vektordrehers 15 und der bereits erläuterten Möglichkeit, ein vereinfachtes Strommodell 7 zu verwenden, ist in Fig. 4 eine modifizierte Bildung der Winkelabweichung dargestellt. Im Strommodell 7 ist die im unteren Diagramm von Fig. 2 bereits dargestellte Ständerstromkomponente i #2,i, die durch i . sin Ey,i bestimmt ist, abgreifbar. Wegen #,i = #- #,i ist also durch diese Komponente i #2, i bei vorgegebenen i und iX auch der Winkel f2,i bestimmt. Aus den gleichen Gründen, aus denen der Modellflußbetrag Y,i durch den Sollwert F* ersetzt werden kann, kann auch i 1 i durch den Magnetisierungsstromsollwert i* cpl ersetzt werden, so daß nunmehr mittels eines Vektoranalysators 27 ein Signalpaar ,i gebildet werden kann. Da der Vektordreher 15 die Komponenten i #1= i.cos #,u, i =i.sin ,u liefert, ist es nunmehr möglich, mittels eines Vektordrehers 28, dessen Winkelsignaleingang mit dem Ausgang des Vektoranalysators 27 verbunden ist, den Vektor 1# in das auf £? orientierte Koordinatensystem zu drehen, so daß an dem einen Ausgang des Vektordrehers 28 nunmehr die Komponente i . sin (##,i-##) mit ##,i -## ansteht. 1 Man erkennt aus Fig. 4 besonders deutlich, daß die Eingangsgrößen der Regler 10a, lOb nunmehr nur praktisch Gleichgrößen sind, die Regler 10a, lOb also weitgehend entlastet sind. Dies geschieht letztlich dadurch, daß die Regelung in dem auf y,i orientierten Koordinatensystem stattfindet, dem durch den Regeleingriff an der Additionsstelle 11" der abzugleichende Vektor e X u bzw. t ,u nachgeführt ist.
Um diese Regelung nur bei den Betriebsfrequenzen durchzuführen, bei denen das Spannungsmodell ungenau ist, ist die Aufschaltung des Korrekturvektors mittels des Umschalters 30 (Fig. 1) abschaltbar. Hat die Maschine eine vorgegebene untere Betriebsfrequenz erreicht, so wird der Schalter 30 von der Regel stufe 10 auf einen Stabilisierungseingang 31 gelegt, dem z.B. die mittels Glättungsgliedern rückgeführten Ausgänge des Spannungsmodells 12 zugeführt sein können. Dadurch ist es möglich, bei den höheren Betriebsfrequenzen die im Spannungsmodell 12 verwendeten Integratoren anderweitig zu stabilisieren. Bei diesem Umschalten kann es nur kurzzeitig zu Ausgleichsvorgängen kommen, wenn im Augenblick des Umschaltens starke Änderungen des Wirkstromsollwertes vorgegeben werden.
- Leerselte -

Claims

Patentansprüche Verfahren zum Ermitteln von Bestimmungsgrößen ( ty; ) des Flußvektors einer Drehfeldmaschine, mit folgenden Merkmalen: a) aus den Maschinenströmen (i ) und der Läuferstellung ( t) oder die Läuf.erdrehzahl (X) werden zwei Komponenten ( Y),i; ,i) eines Modellflußvektors bestimmt, b) aus den Maschinenströmen (-, und den Maschinenspannungen (u ) werden zwei Komponenten eines Modell-EMK-Vektors (e,u) gebildet, c) aus den Regelabweichungen ( #,i- #,u; #=f,i-#,u) zwischen jeweils einer Komponente des Modell-Flußvektors und einer rückgeführten Komponente des ermitteiten Flußvektors werden zwei Korrekturgrößen gebildet, die zur Korrektur des Modell-EMK-Vektors den Komponenten des Modell-EMK-Vektors aufgeschaltet werden, und d) aus den korrigierten Komponenten des Modell-EMK-Vektors werden die Bestimmungsgrößen (#=#,u;# = (#,u) des als Integral des Modell-EMK-Vektors zu ermittelnden Flußvektors gebildet, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die erste der beiden Korrekturgrößen aus der Regelabweichung des Betrages (# ,i; #,u) und die zweite Korrekturgröße aus der Regelabweichung der Richtungen ( #,i;#,u) der beiden Flußvektoren gebildet wird (Fig. 1).
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die zweite Korrekturgröße dadurch gebildet wird, daß der mit dem Ständerstrombetrag der Maschine bewertete Sinus des Differenzwinkels (6 ) zwischen den beiden Flußvektoren ausgeregelt wird, und daß die Auf schaltung der Korrekturgrößen dadurch geschieht, daß der Modell-EMK-Vektor (e,u) und ein Korrekturvektor ( A), dessen kartesische Komponenten -bezogen auf ein mit einem der Flußvektoren rotierendes Koordinatensystem - durch die beiden Korrekturgrößen gegeben sind, nach Transformation (Vektordreher 26) in ein gemeinsames Bezugssystem komponentenweise addiert werden (Fig. 4).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Bildung der ersten Korrekturgröße als Betrag des Modellflußvektors ( V',i) ein der Steuerung der Drehfeldmaschine eingegebener Flußsollwert ( t*) zugrunde gelegt wird und daß die zweite Regelabweichung aus den Komponenten des Ständerstromvektors (i# = 1 #, u; i #,i) bezüglich eines mit dem Modellflußvektor rotierenden Bezugssystems und bezüglich eines mit dem ermittelten Flußvektor rotierenden Bezugssystems gebildet wird (Fig. 4).
4. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zum feldorientierten Betrieb einer umrichtergespeisten Drehfeldmaschine, wobei die Lage des Flusses erfaßt und der Umrichter in Abhängigkeit von der erfaßten Flußlage so gesteuert wird, daß die zum Fluß parallele Komponente und die dazu senkrechte Komponente unabhängig beeinflußbar sind, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Aufschaltung (Umschalter 30) der Korrekturgrößen nur bei niedrigen Drehzahlen erfolgt (Fig. 1).
5. Vorrichtung zum Ermitteln der Bestimmungsgrößen des Flußvektors einer Drehfeldmaschine, mit: a) einer von den Maschinenströmen (i,) und der Läuferstellung ( ) oder Läuferdrehzahl beaufschlagten ersten Rechenmodellschaltung (7), die zwei Komponenten eines ersten Modellflußvektors (t,,i) bestimmt, b) Mittel zum Bilden von zwei Komponenten eines Modell-EMK-Vektors aus den Maschinenströmen (i <) und den Maschinenspannungen (u ), c) einer zwei Regler (10a, lOb) enthaltenden Reglerstufe, deren Sellwerteingänge von den Komponenten des Modell-EMK-Vektors beaufschlagt sind und deren Ausgänge einer Additionsstelle (11') zur Vektoraddition des Modell-EMK-Vektors und eines durch die beiden Ausgänge der beiden Regler bestimmten Korrekturvektors zugeführt sind, und d) einer der Additionsstelle nachgeschalteten zweiten Rechenmodellschaltung (12') zur Bildung eines zweiten Modellflußvektors ( ,u) deren Ausgänge mit den Istwerteingängen der Regler und mit Ausgängen für die Bestimmungsgrößen ( t; tp) des Flußvektors verbunden sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der eine Regler mit der Differenz der Beträge der beiden Modellflußvektoren beaufschlagt ist, und daß dem Eingang des anderen Reglers eine der Winkeldifferenz ( 8) zwischen den Richtungen der beiden Modellflußvektoren entsprechende Größe zugeführt ist (Fig. 3).
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß dem anderen Regler ein Winkeldifferenzglied (Vektoranalysator 27, Vektordreher 15 und 28) zur Bildung des mit dem Ständerstrombetrag bewerteten Sinus des Differenzwinkels der beiden Flußvektoren vorgeschaltet ist (Fig. 4).
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Mittel zur Bildung des Modell-EMK-Vektors die Additionsstelle (11") vorgesehen ist, der der Ständerspannungsvektor (uα ), der mit einem Parameter des Ständerwiderstandes (rs) gewichtete Ständerstromvektor (1 ) und über einen ersten Vektordreher (26), dessen Winkelsignaleingang der Richtungswinkel ( ,u) des ermittelten Flußvektors zugeführt ist, die Ausgänge der beiden Regler aufgeschaltet sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die zweite Rechenmodellschaltung für jede kartesische Komponente des korrigierten Modell-EMK-Vektors einen Integrator enthält, dessen Ausgang der mit einem Parameter der Streuinduktivität gewichtete Ständerstromvektor aufgeschaltet ist, und daß den Integratoren ein Vektoranalysator (25) nachgeschaltet ist, an dem der Richtungswinkel (9 u) des ermittelten Flußvektors abgegriffen ist (Fig. 4).
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß einem zweiten Vektordreher (15) für die ständerbezogenen Komponenten des Maschinenstromvektors (i <) das Winkelsignal des Vektoranalysators (25) zugeführt ist, daß- dem anderen Regler (lOb) ein dritter Vektordreher (28) mit einem seinem.

Winkelsignaleingang vorgelagerten Vektoranalysator (27) vorgeschaltet ist, und daß der Ausgang des zweiten Vektordrehers (15) und ein an der ersten Rechenmodel-lschaltung (7) abgegriffener, auf die Richtung des ersten Modellflußvektors ( ,i) orientierter Stromvektor den Eingängen des Vektoranalysators (27) und des dritten Vektordrehers (28) aufgeschaltet ist.