DE3523665A1 - Verfahren zur steuerung einer asynchronmaschine - Google Patents

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.

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).

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)

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.