DE3525421C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens. Ein derartiges Verfahren und eine derartige Schaltungsanordnung sind durch die DE-OS 30 06 034 bekannt.

Beim Anfahren eines über einen Gleichstromzwischenkreis-Umrichter gespeisten Stromrichtermotors und zum Betrieb desselben bei kleinen Drehzahlen reicht die Maschinenspannung nicht zur Kommutierung des Stromes von einem Ventilzweig des Maschinenstromrichters auf den nächstfolgenden aus. Es ist deshalb für den Bereich kleiner Drehzahlen üblich, den Zwischenkreisstrom zu takten (vgl. den Aufsatz von Gölz/Grumbrecht "Umrichtergespeiste Synchronmaschinen" in "Technische Mitteilungen AEG-Telefunken" 63 (1973), Heft 4, Seiten 141 bis 148). Dabei treten durch die Drehung des Maschinenläufers (und damit des Hauptflusses der Maschine) gegen den jeweils für 60° stillstehenden Strombelag des Maschinenständers Pendelmomente auf, die sich wegen ihrer niedrigen Frequenzen störend auf den Betrieb der Maschine auswirken. Überdies ist der Drehmomentverlauf des Stromrichtermotors unstetig, da zur Weiterschaltung des Strombelages jeweils stromlose Pausen erforderlich sind, während derer das Drehmoment völlig verschwindet.

In der DE-OS 22 34 681 wird ein Verfahren angegeben, das durch Berechnung des Drehmoments und gezielte Beeinflussung des Zwischenkreisstromes durch entsprechende Ansteuerung des Netzstromrichters die erstgenannten Pendelmomente unterdrückt. Nach wie vor bleiben bei der Weiterschaltung des Strombelages jedoch momentenfreie Intervalle bestehen, die den Betrieb stören.

In der eingangs bereits erwähnten DE-OS 30 06 034, die ebenso wie die Erfindung zwei um 30° gegeneinander versetzte, jeweils galvanisch getrennt von einem Zwischenkreis-Umrichter gespeiste Ständerwicklungssysteme beim Stromrichtermotor voraussetzt, ist dagegen ein Verfahren genannt, bei dem durch gegensinnig gesteuerten Verlauf der beiden Zwischenkreisströme das Verschwinden des Drehmoments verhindert wird. Durch die aufeinanderfolgenden, jeweils um 30° el versetzten Wicklungen des Stromrichtermotors fließt jeweils über etwas mehr als 30° el bei einer Periode von 60° el ein Zwischenkreisstrom, der trapezförmig verläuft. Die Pendelmomente können damit zwar verringert, aber nicht beseitigt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die Pendelmomente im Stromrichtermotor noch weitergehend vermindert werden. Außerdem soll eine Schaltungsanordnung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens angegeben werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung für das Verfahren durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Ein ruckfreies und pendelmomentfreies Anfahren des Stromrichtermotors wird hier vorteilhafterweise durch ein gleichförmiges Drehmoment erreicht, das über die angegebene Ansteuerung der Ventile des Netzstromrichters und des Maschinenstromrichters durch ein gleichförmig umlaufendes, also vollständiges Drehfeld erzeugt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens nach der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 7 gekennzeichnet.

Eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ist im Anspruch 8 angegeben.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 das Prinzipschaltbild der Speisung eines Stromrichtermotors mit zwei getrennten Ständerwicklungssystemen über zwei Zwischenkreis- Umrichter,

Fig. 2a, 2b die räumliche Anordnung der Ständerwicklungssysteme zueinander im Stromrichtermotor,

Fig. 3 den zeitlichen Verlauf der Ströme in den Zwischenkreisen der Umrichter, der Ströme durch einzelne Ventile der den Stromrichtermotor speisenden Maschinenstromrichter und der Ströme in den beiden Ständerwicklungssystemen im Bereich kleiner Drehzahlen und

Fig. 4 ein Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Steuerung der beiden den Stromrichtermotor speisenden Umrichter im Bereich kleiner Drehzahlen.

In Fig. 1 ist eine 12-pulsige Anordnung zur Speisung eines Stromrichtermotors 3 gezeigt. Aus speisenden Netzen L 11 . . . L 13, L 21 . . . L 23 werden durch mit steuerbaren Ventilen 11 . . . 16, 21 . . . 26 ausgerüstete zwei Netzstromrichter NSR 1 NSR 2 zwei Zwischenkreisströme I _d1, I _d2 erzeugt und über Zwischenkreisdrosseln L _d1, L _d2 ebenfalls mit steuerbaren Ventilen 1 A . . . 1 F, 2 A . . . 2 F versehenen Maschinenstromrichtern MSR 1, MSR 2 zugeführt. Die Maschinenstromrichter MSR 1, MSR 2 formen wiederum die Zwischenkreisgrößen I _d1, I _d2 zu Wechselgrößen um, die den Wicklungssträngen U 1, V 1, W 1 und U 2, V 2, W 2 des Stromrichtermotors 3 zugeleitet werden. Die Wicklungsstränge U 1, U 2 bzw. V 1, V 2 bzw. W 1, W 2 sind um 30° el gegeneinander versetzt und galvanisch voneinander getrennt. Außerdem besitzt der Stromrichtermotor 3 eine Erregerwicklung 4, durch die ein Feldstrom I _F fließt. Die Erregung kann konstant oder variabel sein. Statt der Erregerwicklung 4 ist auch eine Permanenterregung möglich.

Nach der allgemeinen Wechselstromlehre kann ein vollständiges Drehfeld nicht nur durch drei um jeweils 120° gegeneinander versetzte Sinusgrößen in einem dreiphasen Wicklungssystem erzeugt werden, sondern auch durch zwei um 90° gegeneinander verschobene Sinusgrößen in einem zweiphasigen Wicklungssystem.

In Fig. 2a ist die Anordnung der Wicklungen des Stromrichtermotors 3 in ihrer räumlichen Zuordnung dargestellt. u 1, v 1, w 1 bezeichnen die Anfänge der Wicklungen des ersten Ständerwicklungssystems, x 1, y 1, z 1, deren Ende; u 2, v 2, w 2 und x 2, y 2, z 2 sind die analogen Bezeichnungen für das zweite Ständerwicklungssystem. Man sieht leicht, daß beispielsweise die Wicklungen u 1-x 1 und y 1-v 1 in ihrer magnetischen Wirkung zu einer - fiktiven - Wicklung u 1-v 1 und desgleichen die Wicklungen w 2-z 2 und x 2-u 2 zu einer - ebenfalls fiktiven - Wicklung w 2-u 2 zusammengefaßt werden können. Das ist in Fig. 2b angedeutet.

Da diese Wicklungsstränge in ihrer Wirkung orthogonal zueinander stehen und außerdem zu zwei verschiedenen Teilwicklungssystemen gehören, kann durch eine Anordnung nach Fig. 1 und entsprechende Modulation der Zwischenkreisströme I _d1 und I _d2 sowie gezielte Ansteuerung der Ventile der Maschinenstromrichter MSR 1 und MSR 2 erreicht werden, daß sich in der Maschine ein vollständiges Drehfeld ausbildet.

Selbstverständlich gilt dieses nicht nur für die betrachteten Wicklungsstränge gemäß Fig. 2, sondern für sämtliche Kombinationen, die ein orthogonales Wicklungssystem ergeben, also auch für Maschinen in Dreieckschaltung, die mit zwei voneinander galvanisch getrennten und um 30° versetzten Ständerwicklungssystemen versehen sind.

In Fig. 3 sind die Zeitverläufe der Zwischenkreisströme I _d1, I _d2, der Ströme durch die Ventile 1 A, 1 F, 1 C, 1 D und 2 A, 2 B, 2 D, 2 E sowie der Ströme in den Wicklungssträngen u 1-v 1 (I _1uv ) und u 2-w 2 (I _2uw ) aufgetragen.

Es ist mithin nur nötig, die Ventile der beiden Netzstromrichter NSR 1, NSR 2 gemäß Fig. 1 derart anzusteuern, daß die beiden Zwischenkreisströme I _d1, I _d2, so wie in Fig. 3 angegeben, gegeneinander um 90° versetzt als kontinuierlich zeitlich aufeinanderfolgende Sinushalbperioden fließen. Ferner müssen die Ventile 1 A, 1 F, 1 C, 1 D und 2 A, 2 B, 2 D, 2 E der Maschinenstromrichter MSR 1, MSR 2 derart angesteuert werden, daß jeder der beiden Zwischenkreisströme I _d1, I _d2 in positiver und negativer Richtung abwechselnd je Sinushalbperiode über ausschließlich zwei der drei Phasenanschlüsse durch die Wicklungen der beiden Ständerwicklungssysteme weitergeschaltet wird.

Die zur Weiterschaltung der Zwischenkreisströme erforderlichen stromlosen Pausen fallen mit den Nulldurchgängen der Strangströme in Stromrichtermotor 3 zusammen und treten somit nicht mehr als merkliche Unstetigkeiten im Drehmoment der Maschine in Erscheinung.

In Fig. 4 ist eine Schaltanordnung gezeigt, mit der die Zwischenkreisströme in der gewünschten Form erzeugt und weitergeschaltet werden können. Der Leistungsteil, bestehend aus den Netzstromrichtern NSR 1, NSR 2, den Zwischenkreisdrosseln L _d1, L _d2, den Maschinenstromrichtern MSR 1, MSR 2, dem Stromrichtermotor 3 und der Erregung 4 entspricht der in Fig. 1 gezeigten Anordnung. Die dreiphasige Zuführung der elektrischen Energie aus dem Netz bzw. die Rückspeisung in das Netz erfolgt über einen Stromrichtertransformator 5 zur Erzeugung 12-pulsiger Netzrückwirkungen.

Über eine geeignete Meßeinrichtung 6, z. B. einen Winkelkodierer oder einen Resolver, wird der Rotorlagewinkel λ des Rotors des Stromrichtermotors 3 in bezug zur Achse eines Stranges eines Ständerwicklungssystems erfaßt und durch Steuerungen 71, 72 für die Maschinenstromrichter MSR 1, MSR 2 derart ausgewertet, daß Zündimpulse an die jeweils richtigen Ventile der Maschinenstromrichter abgegeben werden.

Ferner wird der Rotorlagewinkel λ zur Berechnung der Strom-Sollwerte w ₁₁ und w ₁₂ für die beiden Zwischenkreisströme I _d1, I _d2 benötigt. Dazu wird zu diesem Rotorlagewinkel λ ein Winkel δ addiert, der abhängig von einem vorgegebenen Drehmoment-Sollwert w _m in einer Rechenschaltung 8 ermittelt wird. Im einfachsten Fall kann der Winkel δ auch konstant vorgegeben werden. Bei genauer Nachbildung ist der Winkel δ ein Maß für den Belastungsgrad der Maschine; er beschreibt die Drehung des Flusses gegen die Polradachse. Die genaue Nachbildung des Winkels δ ist z. B. über die Maschinengleichungen des Stromrichtermotors möglich.

Der durch Addition der beiden Winkel λ und δ gewonnene Winkel ϑ, (ϑ = λ + δ) dient als Argument für einen Sinus-Cosinus-Geber 9. Die von dem Sinus-Cosinus-Geber 9 abgegebenen Größen sin ϑ und cos ϑ werden mit dem Drehmoment-Sollwert w _m in Multiplizierern 31, 32 multipliziert und die so erzeugten Signale in Betragsbildnern 41, 42 zu den gewünschten Strom-Sollwerten w ₁₁ und w ₁₂ umgeformt. Die Differenz zwischen dem jeweiligen Sollwert und dem über nicht näher bezeichnete Wandler aus dem jeweiligen Zwischenkreis gewonnenen Istwert I′ _d1 bzw. I′ _d2 des jeweiligen Zwischenkreisstromes wird Stromreglern 51, 52 zugeführt, deren Augänge mit Impulssteuersätzen 61, 62 für die Ventile der beiden Netzstromrichter NSR 1, NSR 2 verbunden sind.

In jeweils einer Auswertelogik 81, 82 wird der Vorzeichenwechsel der Strom-Sollwerte erfaßt und nach dem Nullwerden des entsprechenden Zwischenkreisstromes der jeweiligen Stromregler 51, 52 über Signale RSP 1 bzw. RSP 2 gesperrt und die Impulse des Maschinenstromrichters über die Steuersätze 71 bzw. 72 der Maschinenstromrichtersteuerung unterdrückt. Dieses Verfahren ist in der Gleichstromtechnik üblich. Die dabei entstehende stromlose Pause von wenigen Millisekunden führt hier praktisch nicht zur Beeinflussung des Drehmoments, da der Sollwert des entsprechenden Zwischenkreisstromes nahezu verschwindet. Auf die Bildung eines Drehmomente Sollwerts - z. B. durch einen überlagerten Drehzahlregler - wird hier nicht eingegangen, da dieses ebenso wie der Betrieb des Stromrichtermotors bei höheren Drehzahlen und Lastkommutierung nicht Inhalt der Erfindung ist.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung können die Strom-Sollwerte für die Stromregler 51, 52 auch gesteuert vorgegeben werden, wodurch die Einrichtung zur Erfassung des Rotorlagewinkels ebenso wie die Rechenschaltung 8 der Sinus-Cosinus-Geber 9 und die Multiplizierer 31, 32 entfallen.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herabsetzung der Drehmoment-Welligkeit eines Stromrichtermotors mit zwei galvanisch getrennten, um 30° gegeneinander versetzten dreiphasigen Ständerwicklungssystemen, die von zwei, aus jeweils einem Netzstromrichter, einer Zwischenkreisdrossel und einem Maschinenstromrichter bestehenden Umrichtern mit Zwischenkreisströmen gespeist werden, die im Bereich kleiner Drehzahlen durch getrennte Ansteuerung der Ventile des Netzstromrichters periodisch verlaufen und gegenseitig um eine halbe Periode versetzt sind, während die Ventile der Maschinenstromrichter derart angesteuert werden, daß jeder der beiden Zwischenkreisströme abwechselnd über ausschließlich zwei der drei Phasenanschlüsse durch Wicklungen der beiden Ständerwicklungssysteme weitergeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile der Netzstromrichter derart angesteuert werden, daß die beiden Zwischenkreisströme gegeneinander um 90° versetzt als kontinuierlich zeitlich aufeinanderfolgende Sinusperioden fließen und daß die gleichzeitig stromdurchflossenen Wicklungen jeweils in ihrer Wirkung orthogonal zueinander liegen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollwerte für die Zwischenkreisströme ohne Erfassung der Rotorposition des Stromrichters gesteuert vorgegeben werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollwerte für die Zwischenkreisströme durch Multiplikation eines gemeinsamen Strom- bzw. Drehmomentensollwertes mit der Sinus- bzw. Cosinusfunktion bzw. deren Beträgen, mit der Summe des Rotorlagewinkels und des Winkels zwischen Fluß und Polradachse des Stromrichtermotors als Argument, gebildet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollwerte für die Zwischenkreisströme durch konstante Vorgabe der Sinus- bzw. der Cosinusfunktion bzw. deren Beträge gebildet werden und das gewünschte Drehmoment durch Vorgabe des Winkels zwischen Fluß und Polradachse des Stromrichtermotors als Argument für die Sinus- bzw. Cosinusfunktion bzw. deren Beträge beeinflußt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen Fluß und Polradachse des Stromrichtermotors durch Nachbildung der Maschinengleichungen gewonnen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen Fluß und Polradachse des Stromrichtermotors durch Multiplikation eines vorgebbaren Maximalwinkelwerts mit dem gemeinsamen Drehmoment- bzw. Stromsollwert gewonnen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen Fluß und Polradachse des Stromrichtermotors durch Multiplikation eines vorgebbaren Maximalwinkelwerts mit einer Sinusfunktion in Abhängigkeit von einem für beide Zwischenkreisströme gemeinsamen Drehmoment- bzw. Stromsollwert gewonnen wird.

8. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Stromrichtermotor mit zwei galvanisch getrennten, um 30° gegeneinander versetzten 3phasigen Ständerwicklungssystemen, die von zwei, aus jeweils einem Netzstromrichter, einer Zwischenkreisdrossel und einem Maschinenstromrichter bestehenden Umrichtern mit Zwischenkreisströmen gespeist werden, die im Bereich kleiner Drehzahlen periodisch verlaufen und gegenseitig um eine halbe Periode versetzt sind, mit einer Steuerschaltung für die Zwischenkreisströme, deren Eingänge das von einem Winkelcodierer oder Resolver am Rotor des Stromrichtermotors abgegebene Rotorlagesignal zugeführt ist, und mit Steuereinrichtungen für die Ventile der Maschinenstromrichter, die eingangsseitig mit dem Winkelcodierer oder Resolver verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung für die Zwischenkreisströme

• - einen Sinus-Cosinusgeber (9), dessen Eingang als Argument die Summe des Rotorlagesignals und eines von einer Rechenschaltung (8) abgegebenen Signals für den gewünschten Winkel zwischen Fluß- und Rotorlage des Stromrichtermotors (3) zugeführt ist, und
• - zwei ausgangsseitig Sollwerte für zwei Zwischenkreis-Stromregler (51, 52) abgebende Multiplizierer (41, 42), deren einer Eingang mit dem Sinus- bzw. Cosinus-Ausgang des Sinus-Cosinusgebers (9) verbunden ist und deren anderem Eingang ein gemeinsamer Strom- bzw. Drehmomentsollwert zugeführt ist, enthält, und
• - daß die Steuereinrichtung (71, 72) für die Ventile der Maschinenstromrichter (MSR 1, MSR 2) eingangsseitig zusätzlich mit einer Auswertelogik (81, 82) für das Nullwerden der Zwischenkreisströme verbunden sind.