DE3523665A1 - Verfahren zur steuerung einer asynchronmaschine - Google Patents
Verfahren zur steuerung einer asynchronmaschineInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff
des vorliegenden Patentanspruches.
Wird eine Asynchronmaschine mit variabler Spannung und Frequenz betrieben,
kann ihre Drehzahl zwar verstellt werden, es entsteht aber nicht
notwendigerweise ein dynamischer Drehzahl-Verstellantrieb: ein Problem
entsteht dabei hauptsächlich durch die Eigenschaften der Asynchronmaschine,
die sich regelungstechnisch wie ein stark nichtlineares System
höherer Ordnung mit mehrfacher Kopplung der Systemgrößen verhält. Wird
sie unter Verwendung einfacher Steuerverfahren an einem Pulswechselrichter
mit variabler Frequenz und frequenzproportionaler Spannung betrieben,
so neigt sie zu schwach gedämpften Schwingungen. Es fehlt die
Möglichkeit zur unabhängigen und schwingungsfreien Verstellung von
Drehmoment und Fluß, die das günstige Verhalten des Gleichstommaschinenantriebes
kennzeichnet. Die dem System innewohnenden Möglichkeiten
können erst genutzt werden, wenn eine geeignete Steuerung und Regelung
zur Maschinenführung gefunden wird, die eine unabhängige Verstellung
der genannten Größen ermöglicht.
Durch die konsequente Anwendung der Zwei-Achsen-Theorie zur Darstellung
der elektrischen und magnetischen Vorgänge innerhalb der Asynchronmaschine
mit der Beschreibung der Systemgrößen durch Raumzeiger ist eine
Reihe von Lösungsansätzen bekannt geworden, vgl. Aufsatz von Hasse
"Zur Dynamik drehzahlgeregelter Antriebe mit stromrichtergespeisten
Ansynchron-Kurzschlußläufermaschinen", Dissertation Darmstadt, 1969;
gekürzte Ausgabe in "Regelungstechnik" 1972, Seite 60. Sie beruhen auf
einer läuferflußorientierten Vorgabe der Systemgröße Ständerstrom,
durch die die notwendige Entkopplung von fluß- und drehmomentbildendem
Stromanteil erreicht werden kann (Strommodell).
Ein derartiges Steuer- und Regelschema einer pulswechselrichtergespeisten
Asynchronmaschine mit indirekter Flußorientierung zeigt die Fig. 1:
einem Pulsumrichter 1 wird eine dreiphasige Wechselspannung U mit konstantem
Betrag und konstanter Frequenz f zugeführt; die am Ausgang des
Pulsumrichters erscheindende Wechselspannung ist, bestimmt durch den Pulssteuersatz
2 für den Pulsumrichter, im Betrag und in der Frequenz veränderbar;
sie wird dem Ständer einer Asynchronmaschine AS zugeführt.
Einer Einrichtung zur indirekten Flußlageerfassung 3 wird die mittels
eines Tachos 4 ermittelte Drehzahl der Asynchronmaschine zugeleitet.
Die Führungsgrößen des Drehmoments M und des Flusses ψ werden einem
Strommodell 5 zugeleitet, das die Systemgröße Ständerstrom läuferflußorientiert
vorgibt. Diese Größe wird einerseits der Einrichtung zur indirekten
Flußlageerfassung 3, andererseits einem Spannungsmodell 6 zugeführt.
Die jeweilige Lage des (umlaufenden) Läuferflusses wird nicht direkt in
der Maschine gemessen, sondern in der Einrichtung 3 aus dem gewünschten
Strom und der Drehzahl errechnet (indirekte Läuferflußorientierung).
Um die beim Pulswechselrichter mit dessen schneller Schaltfähigkeit gegebene
Chance der Optimierung des Antriebs bezüglich der Maschinenverluste,
der Rüttelmomente und der Dynamik im gesamten Frequenzbereich
zu nutzen, werden Regeleinrichtungen zur Führung der Asynchronmaschine
verwendet, mit denen in jedem Betriebspunkt die Ständerspannung so nach
Betrag und Phasenlage vorgegeben wird, daß der gewünschte Stromverlauf
auftritt.
Dies geschieht in der Fig. 1 durch das Spannungsmodell 6, das auch
Stromregler enthalten kann. Die ermittelte läuferflußorientierte Spannung
wird nun mit Hilfe eines Koordinatenwandlers 6 a um den Lagewinkel
des Läuferflusses in ständerbezogene Spannungsstellwerte transformiert
und im Pulssteuersatz 2 in entsprechende Pulsmuster gewandelt.
Der speziell asynchronmaschinenbezogene Teil der gesamten Steuer- und
Regeleinrichtung wird als Maschinenführung 7 bezeichnet. Strom- und
Spannungsmodell stellen zusammen ein inverses Maschinenmodell 7 a dar.
Über dem Steuer- und Regelschema gemäß der Fig. 1 ist durch eine Klammer
8 angegeben, inwieweit dieses Schema läuferflußorientiert ist und
durch eine Klammer 9, inwieweit es ständerorientiert ist.
Bei der geschilderten Steuerung bleiben jedoch Einflüsse der Läufertemperatur
und der Sättigung unberücksichtigt; ferner ist stets eine Drehzahlmessung
notwendig.
Es ist durch die DE-OS 32 21 906 ein Verfahren zur Steuerung und Regelung
einer am Wechselrichter betriebenen Asynchronmaschine mit indirekter
Flußorientierung, das heißt mit Vorausbestimmung der zu erwartenden
Lage des Flußraumzeigers aus der Summe der Integrale oder dem Integral
der Summe von Drehfrequenz der Welle und Läuferfrequenz und der Transformation
(Drehung) der flußbezogenen Komponenten des Spannungsraumzeigers
(mit Hilfe eines Koordinatendrehers) in ständerbezogene Komponenten
entsprechend der Information über die Flußlage und einer zusätzlichen
Ermittlung der orthogonalen Komponenten des Flußistwertes z.B. aus
Klemmenspannung und Strom, bekanntgeworden, bei dem mit Hilfe eines
Koordinatendrehers die Flußistwerte um die vorausberechnete Lage des
Flußzeigers zurückgedreht werden, die so ermittelte Abweichung der Querkomponente
vom Wert Null einem Orientierungsregler zugeführt wird, der
die Ständerfrequenz l 1 korrigiert oder vorgibt, und die so ermittelte
Abweichung der Längskomponente vom Flußsollwert einem Flußregler zugeführt
wird, der die magnetisierende Ständerstromkomponente korrigiert
oder vorgibt. Zur Durchführung dieses Verfahrens wird die Bestimmung
des Flußistwertes benötigt. Eine derartige Bestimmung ist jedoch problematisch,
da dazu üblicherweise Integratoren notwendig sind. Entsprechende
Einrichtungen neigen zur Schwingungsfähigkeit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art anzugeben, bei dem sich die Asynchronmaschine stationär
und dynamisch wie eine stromrichtergespeiste Gleichstrommaschine verhält,
wobei der Einfluß der Sättigung und die Widerstandsänderung im
Läufer, hervorgerufen durch Temperaturänderung berücksichtigt wird und
eine Drehzahlmessung höchstens nur dann erforderlich ist, wenn höchste
Anforderungen an die Drehzahlregeldynamik, insbesondere in Stillstandsnähe,
erfüllt werden müssen.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des vorliegenden
Patentanspruchs aufgeführten Verfahrensschritte gelöst.
Das Verfahren gemäß der Erfindung wird im nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel
an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt die Fig. 2 ein Steuer- und Regelschema für eine wechselrichterbetriebene
Asynchronmaschine gemäß der Erfindung;
es zeigt die Fig. 3 den Aufbau einer verwendeten Maschinenführung (MF) im einzelnen.
es zeigt die Fig. 3 den Aufbau einer verwendeten Maschinenführung (MF) im einzelnen.
In der Fig. 2 ist mit AS eine Asynchronmaschine und mit W ein Wechselrichter
bezeichnet, dem eine Gleichspannung zugeführt wird. Er wird von
einem Steuersatz 27 mit vorgelagertem Gleichspannungskorrekturglied 27 a
gesteuert. Mit MA ist eine Meßwertaufbereitung bezeichnet, in der die
Meßwerte der Maschinenströme i A , i C und der verketteten Maschinenspannungen
u AB , u BC zwischen den entsprechenden Maschinenstrangspannungen
u A , u B und u B , u C zunächst in den Gliedern 29 a, 29 b orthogonale
Komponenten i αβ respektive u αβ gebildet werden. Die so gebildeten
Komponenten werden einem Koordinatenwandler 26 c zugeführt. Er wandelt
die ständerbezogenen Komponenten des Spannungswertes durch Drehung um
die vorausberechnete Flußlage in flußbezogene Komponenten. Der Koordinatenwandler
26 c gehört mit weiteren Koordinatenwandlern 26 a, 26 b und
einem Flußlagebildner 28 zu einer Koordinatentransformationseinheit TF.
Dem Koordinatenwandler 26 b wird der Strom i αβ zugeführt und dort in
läuferflußbezogene Stromwerte i l′,m umgeformt. In einem dritten Koordinatenwandler
26 a wird ein in einer läuferorientierten Maschinenführung MF
hergeleiteter Spannungswert u l,m (d.h. in läuferflußbezogenen Koordinaten)
in einen Spannungswert u α,β (d.h. in ständerbezogenen Koordinaten)
umgewandelt, der dann über das Gleichspannungskorrekturglied 27 a
dem Steuersatz zugeführt wird. Im Glied 27 a wird die Spannung u α,β
durch den Wert der Eingangsgleichspannung des Wechselrichters dividiert,
anschließend erfolgt noch eine Umwandlung in dreiphasige Aussteuerungsgrößen
im Glied 27 b.
Die Koordinatenwandlung in den Koordinatenwandlern 26 a, 26 b und 26 c erfolgt
in Abhängigkeit von der durch im Flußlagebildner 28 bestimmten
Flußlage ϕ. Der Flußlagebildner 8 besteht zunächst aus einem Integrator
28 a, dem eine in der Maschinenführung MF hergeleitete Ständerfrequenz ω1
als Analogwert zugeführt wird; die Integration kann mit Hilfe
eines Zählers erfolgen, der dann den Winkel ϕ in Bitdarstellung ausgibt;
dieser wird einem sin/cos-Geber 28 b zugeführt, der eine Sinus- und eine
Cosinus-Tabelle enthält; am Ausgang erscheint dann ein ständerfrequentes,
zweiphasiges normiertes Spannungssystem:
cos (ω 1·t) + j sin (ω 1·t) = 1·e j ω1·t = 1·e j ϕ(t),
das die augenblickliche Lage des Läuferflusses darstellt.
Die Koordinatenwandler 26 a, 26 b, 26 c führen komponentenweise die komplexe
Multiplikation einer Eingangsgröße A·e e α mit dem normierten System
1·e j ϕ(t) aus.
A·e j α ·1·e j ϕ(t) = A·e j(α + ϕ(t)).
Die Winkeladdition mit dem fortlaufenden Flußlagenwinkel ϕ(t) führt
dabei zur gewünschten Koordinatentransformtation von flußorientierten
Koordinaten in ständerbezogene Koordinaten (Wandler 26 a). Umgekehrt ist
diese Transformation mit geändertem Winkelvorzeichen auch von ständerbezogenen
in flußbezogene Koordinaten möglich (Wandler 26 b, 26 c).
Die der Maschinenführung MF zugeführten Führungsgrößen sind das gewünschte
Drehmoment M und der gewünschte Läuferfluß ψ. Das Drehmoment M kann
hergeleitet werden von einem Drehzahlregler 21 mit PI-Verhalten, dem
die Differenz eines Drehzahl-Sollwerts n und dem über Drehzahlgeber
G hergeleiteten Drehzahlistwert der Maschine zugeleitet wird. Der
Führungswert ψ des Flusses kann über einen Flußregler 22 erfolgen, der
die Aussteuerung α des Steuersatzes 27 mit dem Maximalwert α ω vergleicht.
Der Führungswert des Drehmoments M wird einem Dividierer 213 zugeführt
und dort durch den Fluß-Führungswert ψ dividiert; das Ergebnis ist die
Stromkomponente i l (senkrecht zur Flußrichtung).
Der Führungswert des Flusses ψ wird über eine Kennlinie M[i m (c)] in
den Sollwert für i m umgerechnet.
Die beiden Stromkomponenten i m , i l (Soll- oder Istwerte) werden einem
Spannungsmodell 24 zugeführt, dem ferner noch die Ständerfrequenz ω 1
zugeführt wird. Ferner werden die Strom-Sollwert-Komponenten i m , i l
mit den aus dem Koordinaten-Wandler 26 b hergeleiteten Meßwerten des
Ständerstroms i′ m , i′ l in flußorientierten Koordinaten verglichen und die
Abweichung zwei PI-Stromreglern 25 zugeführt. Die Ausgangssignale Δ u l,m
dieses Stromreglers werden zu den Ausgangssignalen des Spannungsmodells
24 addiert; ihre Summe bildet die flußorientierten Spannungen u l,m ,
die dem Koordinatenwandler 26 a zugeführt werden.
Zur Ermittlung der Ständerfrequenz ω 1, die gleich der Winkelgeschwindigkeit
der Flußlage ist, wird die Summe der mechanischen Rotorfrequenz
ω n (Tachomaschine) und der errechneten Läuferfrequenz ω 2 gebildet.
ω 2 wird aus der gewünschten Größe des Läuferflusses und dem
gewünschten, senkrecht zum Fluß liegenden Stromanteil vorausberechnet.
Es gilt in läuferflußbezogenen Koordinaten die Gleichung
die in einer Läuferfrequenzbildungseinrichtung 210
realisiert wird,
indem zunächst der Quotient i l /ϕ gebildet (Dividierglied 210 a) und dann
durch den Parameter R 2 bewertet wird (Bewertungsglied 210 b). Der Wert
enthält noch eine Unsicherheit, weil duch die mögliche starke Temperaturschwankung
im Läufer der Asynchronmaschine der Läuferwiderstand R 2
nur ungenau bekannt ist. Eine sättigungsabhängige Ungenauigkeit kann
nicht mehr auftreten, es sei denn, die Kennlinie M ist fehlerhaft (oder
nicht realisiert) und der Regelkreis für die Spannungsdifferenz Δ u L ,
der auf i m wirkt, kann im Anlaufbereich wegen der noch zu kleinen
(nicht auswertbaren) Ständerspannung (die Spannung ist in erster Näherung
proportional zu ω 1) noch nicht arbeiten. Oberhalb der Anlaufdrehzahl
ist die Spannungsdifferenz ausreichend groß und die beiden Regler
für Δ u L und Δ u m (212) bewirken über ihre Eingriffe in i m und ω 1,
daß die gemessene und vorausberechnete Spannung gleich ist. Tritt eine
Phasenvor- oder Nacheilung der Spannung auf, sorgt der PI-Orientierregler
212 durch Integration dieses Fehlersignals für eine Frequenzverstellung
solange, bis die gewünschte Läuferflußorientierung wieder
erreicht wird. Das Ausgangssignal Δω des Orientierungsreglers 212 wird
der Additionsstelle 211 von ω 2 und ω n hinzugefügt.
Dieser Orientierungsregler, als PI-Regler ausgeführt, ist nicht nur in
der Lage, geringe Frequenzfehler aufgrund veränderlicher Parameter auszugleichen,
er gleicht auch Meßfehler der Drehzahlmessung aus. Er ist, wenn
auch bei geringen Ansprüchen an die Drehzahlregelung, in der Lage, die
Tachometermaschine ganz zu ersetzen. Der Antrieb ist dann trotz fehlender
Drehzahlmessung drehzahlgeregelt. Vorteilhaft ist dann eine Ausführung
des Orientierungsreglers als Doppel-PI-Regler 212, 212 a, um die Maschine
nicht nur bei stationären sondern auch bei zeitlinear veränderlichen
Drehzahlen ohne Regelfehler läuferflußorientiert betreiben zu können
(Fig. 3).
Über die Spannungskomponente u L erhält man eine Information über den
Flußbetrag.
Zum Ausgleich der nichtlinearen Magnetisierungskennlinie der Maschine
dient 23, zusätzlich korrigiert der Flußregler 23 den Strom in Flußrichtung
so, daß der geforderte Fluß eingehalten wird. Dabei ist durch den
Regler durch Über- bzw. Gegenerregung eine schnelle Flußverstellung möglich.
Durch den Flußregelkreis wird eine Magnetisierungskennlinie L 2 = f(iµ)
auch bei extremem Feldschwächbereich nicht immer benötigt.
Zum Aufbau des Spannungsmodells 24 sei an Hand der Fig. 3 folgendes
ergänzt:
Das Spannungsmodell ist eine teilweise Nachbildung der Spannungsgleichungen
der Maschine in läuferflußorientierten Koordinaten:
(R 1 Ständerwiderstand,
L σ Summe aus Ständer- und Läuferstreuung,
ψ 2 Läuferfluß).
L σ Summe aus Ständer- und Läuferstreuung,
ψ 2 Läuferfluß).
Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, die direkten Spannungsanteile (ohmscher
Abfall und Spannung bei Stromänderungen (Streuung)) durch Stromregler
bilden zu lassen, vgl. den zweifachen Stromregler 25 in Fig. 3. Diese Anteile
sind stationär relativ klein (kleiner ohmscher Anteil), nur im Fall
plötzlicher Stromänderungen entstehen kurzzeitig (Streuzeitkonstanten)
relativ hohe Werte. Die Stromregler werden beide in gleicher Weise auf
den ohmisch-induktiven Streukreis optimiert.
Für die rotatorischen Streuanteile werden die Stromkomponenten zunächst
mit der Gesamtstreuinduktivität L σ bewertet, so daß die Streuflußanteile
entstehen.
Durch die Multiplikation mit der Ständerfrequenz ω 1 und die kreuzweise
Vertauschung entstehen die Streuspannungsabfälle, die den Reglerausgängen
vorzeichenrichtig hinzugefügt werden.
Der größte Spannungsanteil, die "EMK" der Maschine, ist ω 1· ψ 2. Aus
Stabilitätsgründen wird der verzögerte Flußsollwert ψ v verwendet. Nach
der Addition von Läuferfluß- und Streuflußanteilen erfolgt die Multiplikation
mit ω 1 zur Berechnung der Spannung. Das Verzögerungsglied 24 a
erzeugt die Zeitkonstante t 2/k, die dem Zeitverhalten des Flußregelkreises
angepaßt wird.
Ein entsprechend verzögerter Wert von ψ v kann auch der Einrichtung 210
zugeführt werden.
Wie durch gestrichelte Linien angedeutet, kann der Einrichtung 24 auch
der Istwert des Stromes zugeführt werden. Dann wirkt diese Einrichtung
als Entkopplung für den Mehrfachregelkreis.
Claims (1)
- Verfahren zur Steuerung und Regelung einer am Wechselrichter betriebenen Asynchronmaschine mit indirekter Flußorientierung, das heißt mit Vorausbestimmung der zu erwartenden Lage des Flußraumzeigers aus der Summe der Integrale oder dem Integral der Summe von Drehfrequenzen der Welle und Läuferfrequenz und der Transformation (Drehung) der flußbezogenen Komponenten des Spannungsraumzeigers (mit Hilfe eines Koordinatendrehers) in ständerbezogene Komponenten entsprechend der Information über die Flußlage dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe eines Koordinatendrehers (26 c) die Spannungsistwerte um die vorausberechnete Lage des Flußzeigers zurückgedreht werden, daß die so ermittelte Abweichung der Längskomponente (u m ) vom Sollwert einem Orientierungsregler (212) zugeführt wird, der die Ständerfrequenz ω 1 korrigiert oder vorgibt, und daß die so ermittelte Abweichung (Δu L ) der Querkomponente des Spannungssollwertes (u) einem Flußregler (23) zugeführt wird, der die magnetisierende Ständerstromkomponente (i m ) korrigiert oder vorgibt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19853523665 DE3523665A1 (de) | 1985-06-29 | 1985-06-29 | Verfahren zur steuerung einer asynchronmaschine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19853523665 DE3523665A1 (de) | 1985-06-29 | 1985-06-29 | Verfahren zur steuerung einer asynchronmaschine |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE3523665A1 true DE3523665A1 (de) | 1987-01-08 |
DE3523665C2 DE3523665C2 (de) | 1993-08-19 |
Family
ID=6274771
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19853523665 Granted DE3523665A1 (de) | 1985-06-29 | 1985-06-29 | Verfahren zur steuerung einer asynchronmaschine |
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Legal Events
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