DE3708247C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Regeln der Statorspannungsamplitude eines wechselrichtergespeisten Kurzschlußläufermotors - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Regeln der Statorspannungsamplitude eines wechselrichtergespeisten Kurzschlußläufermotors

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regeln der Statorspannungsamplitude eines wechselrichtergespeisten Kurzschlußläufermotors.
Ein frequenzgesteuerter Wechselstrommotor ist die fortschrittlichste Konstruktion für geschwindigkeitsgesteuerte Antriebe, z. B. in Aufzugsanlagen. Bei einer Frequenzsteuerung ist der Wirkungsgrad gleichbleibend hoch bei jeder Motorgeschwindigkeit. Die Frequenzsteuerung eignet sich für getriebelose Aufzüge ebenso wie für Aufzugsanlagen mit Übersetzungsgetriebe und mit beliebiger Geschwindigkeit. Ferner kann als Motor ein einfacher, preisgünstiger Kurzschlußläufermotor oder Käfigläufermotor benutzt werden. Für Aufzugsanlagen eignet sich zur Frequenzsteuerung am besten ein Transistor-Wechselrichter, weil es mit Transistoren unter den gegenwärtig verfügbaren Bauelementen der Leistungselektronik möglich ist, die höchste Schaltungsfrequenz zu erzielen. Auch GTO-Thyristoren können in Betracht gezogen werden; aber sie sind etwas mühseliger zu benutzen als Transistoren. Das liegt an den Bauelementen, die für die Schaltsicherheitskreise nötig sind, mit denen GTO-Thyristoren versehen sein müssen.
Die Erfahrung hat gezeigt, daß eine gute Strategie zum Steuern eines Kurzschlußläufermotors darin besteht, den Magnetfluß konstant zu halten. Üblicherweise ist mit dem Magnetfluß Beharrungsvermögen oder Trägheit verbunden. Wenn sich der Magnetfluß ändert, wird in das System eine Zeitkonstante eingeführt. Eine Stabilisierung des Magnetflusses kann dadurch verwirklicht werden, daß der Magnetfluß entweder im Stator, im Rotor oder im Luftspalt gleichbleibend gehalten wird. Am günstigsten ist das Verfahren, gemäß dem der Magnetfluß des Stators konstant gehalten wird, da dann die Gefahr einer Sättigung der Bauelemente im Magnetkreis des Motors am geringsten ist.
Zum Bilden der Sollspannung für einen Wechselrichter ist es gegenwärtig üblich, mit Stromrückkopplung zu arbeiten, bei der die am Wechselrichterausgang entnommenen Ströme gemessen werden. Der Nachteil der Stromrückkopplung besteht im langsamen Ansprechen. Dies langsame Ansprechen wird dadurch verursacht, daß bei der Stromrückkopplung die Induktivitäten des Motors Zeitkonstanten wirksam werden lassen. In der Regel ist die Steuerschleife um so langsamer, je größer die Anzahl der in ihr enthaltenen Zeitkonstangen ist.
Die DE-OS 19 16 626 zeigt ein Verfahren zur Regelung von Asynchronmotoren. Es sind Gleichungen angegeben die ein Kennlinienfeld mit den Parametern Ständerfrequenz, Läuferfrequenz und Spannung mit der Maßgabe konstanten Flusses darstellen. Das Kennlinienfeld (Koordinatenspannung und Ständerfrequenz mit Parameterläuferfrequenz) wird im Bereich hoher Frequenzen nach der ersten Gleichung durch Gerade angenähert. Im Bereich kleiner Frequenzen wird die Kurve nach der zweiten Gleichung durch eine horizontale Gerade (unabhängig von der Ständerfrequenz) angenähert, wobei die Gerade abhängig von der Läuferfrequenz paralellverschoben wird.
Im Unterschied zur Erfindung ist die Abhängigkeit von der Läuferfrequenz nicht linear, sondern durch einen Wurzelausdruck gegeben.
Im Bereich höherer Statorspannungsfrequenzen hängt die Steigung der Geraden von der Winkelgeschwindigkeit der Ströme im Läufer ab. Hierdurch werden für unterschiedliche Schlupffrequenzen Geraden mit unterschiedlicher Steigung erhalten. Der Schwerpunkt der Druckschrift liegt auf der Kompensation von Temperaturabhängigkeiten.
In dem Aufsatz "Einführung in die Theorie der geregelten Drehstromantriebe" von Hans-Rudi Bühler, Bd. 1, Birkhäuser-Verlag 1977, S. 118 bis 120, ist das reale Verhalten eines Kurzschlußläufermotors in einer Kennlinienschar dargestellt, bei der die Statorspannungsamplitude über die Statorspannungsfrequenz bei verschiedenen Schlupffrequenzen angegeben ist.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der oben genannten Art zu schaffen, die eine einfache Regelung eines Kurzschlußläufermotors bei konstantem Magnetfluß unter Berücksichtigung der Schlupffrequenz ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 2 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen in der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Durch das erfindungsgemäße vereinfachte Approximationsverfahren werden ohne großen Rechenaufwand Kennlinien erhalten, die das reale Verhalten des Kurzschlußläufermotors weitgehend wiedergeben. Anhand dieser Kennlinien läßt sich die Statorspannungsamplitude derart einregeln, daß ein konstanter Magnetfluß im Stator erzielt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ohne Stromrückkopplung gearbeitet, weshalb keine teueren Strommeßglieder für die Festlegung der Statorspannungsamplitude erforderlich sind.
Erfindungsgemäß wird die Statorspannungsamplitude über die Statorspannungsfrequenz bei verschiedenen Schlupffrequenzen im Bereich niedriger Statorspannungsfrequenzen durch eine Horizontale dargestellt, deren Höhe proportional zur Schlupffrequenz, addiert mit einem für die Schlupffrequenz 0 vorbestimmten Wert liegt. Im Bereich höherer Statorspannungsfrequenzen werden ein der Statorspannungsfrequenz entsprechender Eingangswert und eine zur Schlupffrequenz proportionale Korrekturkomponente miteinander addiert und daraus der Absolutwert gebildet. Hierdurch werden für höhere Statorspannungsfrequenzen geneigte Geraden erhalten, die entsprechend der Schlupffrequenz parallel zueinander versetzt sind. Die so erhaltene Kennlinienschar entspricht weitgehend der im obigen Aufsatz von Bühler dargestellten Kennlinienschar eines realen Kurzschlußläufermotors.
Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 eine Kurvenschar konstanten Flusses, die einen Kurzschlußläufermotor wiedergibt;
Fig. 2 die lineare Näherung der Kurvenschar konstanten Flusses, die den Kurzschlußläufermotor wiedergibt;
Fig. 3 einen Kurvenscharrechner gemäß der Erfindung.
Das Verfahren gemäß der Erfindung zum Bilden der Amplitude As der Bezugsspannung des Wechselrichters soll zunächst unter Hinweis auf die Kurvenschar konstanten Flusses erläutert werden, die einen Kurzschlußläufermotor wiedergibt und in Fig. 1 gezeigt ist. Die Kurvenschar gemäß Fig. 1 stellt die Amplitude As der Statorspannung des Motors dar, d. h. der Sollspannung des Wechselrichters, und zwar als Funktion der Statorspannungsfrequenz fs für verschiedene Schlupffrequenzen fr0 bis fr4, wenn der Magnetfluß des Stators gleichbleibend ist. Bei dem Wert fr=0 der Schlupffrequenz erhalten wir die Basiskurve fr0, deren Minimum der Mindestwert der Amplitude der Statorspannung ist. Die im wesentlichen U-förmigen Kurven der Kurvenschar bestehen aus linearen Abschnitten, die von hohen positiven und negativen Statorspannungsfrequenzen fs gebildet sind, sowie aus linearen Abschnitten, die von niedrigen positiven und negativen Statorspannungsfrequenzen fs gebildet sind.
Der Kurvenscharrechner gemäß der Erfindung berechnet die Amplitude As der Statorspannung unter Anwendung der linearen Näherung der Kurvenschar konstanten Flusses, wie Fig. 2 zeigt. Die lineare Näherung ist exakt genug, um die Kurvenschar konstanten Flusses beispielsweise beim Betrieb eines Aufzugs wiederzugeben. Außerdem ist das Einrichten und die Inbetriebnahme eines Kurvenscharrechners mit linearer Näherung einfacher als im Fall eines Analogrechners, der die Kurvenschar genau berechnet.
Die Kurve 0 in Fig. 2 ist die Näherung der Basiskurve fr0 aus Fig. 1. Das Minimum der Kurve 0 ist A0. Diese Spannung A0 herrscht vor, wenn die Schlupffrequenz fr den Wert null hat. Wenn die horizontale Achse so interpretiert wird, daß negative Statorspannungsfrequenzen fs für die andere Drehrichtung gelten, muß der absolute Wert der Geraden benutzt werden, damit die Spannung auch bei negativen Frequenzen fs korrekt ist. Wenn zu der Kurve 0 eine zur Schlupffrequenz fr proportionale Korrekturmomente A1 addiert und der absolute Wert genommen wird, erhält man eine Näherung für die Kurvenschar gemäß Fig. 1 mit Ausnahme niedriger Statorspannungsfrequenzen fs.
Bei niedrigen Statorspannungsfrequenzen fs ist die Höhe des Bodens der Kurve proportional zur Schlupffrequenz fr, erhöht um das Minimum A0 der Basiskurve. Die ganze Annäherungskurve i kann dadurch gebildet werden, daß die für höhere Statorspannungsfrequenzen fs gebildete Kurve mit der für niedrigere Statorspannungsfrequenzen fs gebildeten Kurve kombiniert wird.
Fig. 3 zeigt einen Kurvenscharrechner, der die lineare Näherung einer Kurvenschar konstanten Flusses gemäß Fig. 2 durchführt. Das Bilden der Statorspannungsfrequenz fs und der Schlupffrequenz fr, die die Eingangswerte für den Rechner darstellen, ist ein Verfahren, das dem Fachmann geläufig ist und keinen Teil der Erfindung bildet. Die Arbeitsweise des Kurvenrechners gemäß Fig. 3 soll aber näher erläutert werden.
Im Falle von Statorspannungsfrequenzen fs mit einem hohen absoluten Wert wird in einer Summiereinheit 1 die Statorspannungsamplitude As durch Kombinieren der Statorspannungsfrequenz fs mit der Korrekturkomponente A1 gefunden, die aus der Schlupffrequenz fr erhalten wurde und die mittels eines Trimmers TR1 einstellbar ist. Die so erhaltene Statorspannungsamplitude As′ wird im Falle positiver Statorspannungsfrequenzen fs an eine Diode D1 und eine Diodenschwellenfehlerkorrekturschaltung 5 angelegt, an deren Ausgang die Amplitude As zur Verfügung steht. Diese Amplitude As wird danach beispielsweise an einen Bezugsoszillator angelegt, in welchem die Sollspannung des Wechselrichters gebildet werden kann. Die Sollspannung kann beispielsweise zum Steuern eines Impulsbreitenmodulators benutzt werden. Die Diodenschwellenkorrekturschaltung 5 besteht aus einem Verstärker 6, einer Diode D5 und einem Widerstand R1. Dem Fachmann ist das Bilden der Bezugsspannung ebenso wie der Betrieb der Diodenschwellenfehlerkorrekturschaltung 5 bekannt. Bei negativen Statorspannungsfrequenzen fs wird die Amplitude zunächst einem Absolutwertverstärker 2 zugeführt, durch den aus der negativen Amplitude eine positive Amplitude erhalten wird, die dann über die Diode D2 in die Diodenschwellenfehlerkorrekturschaltung 5 eingegeben wird.
Bei niedrigen Statorspannungsfrequenzen fs wird die Amplitude As der Statorspannung dadurch gebildet, daß eine aus der Schlupffrequenz fr gebildete Korrekturkomponente einer Summiereinheit 3 zugeführt wird, welche die Korrekturkomponente mit dem Minimum A0 der Basiskurve kombiniert. Bei positiven Werten der Schlupffrequenz fr liefert die Summiereinheit 3 die Amplitude As′, welche aus der Summe der Korrekturkomponente A2 und dem Mindestwert A0 der Basiskurve besteht, wie Fig. 2 zeigt. Die Amplitude As wird über eine Diode D3 der Diodenschwellenfehlerkorrekturschaltung 5 zugeleitet. Bei negativen Werten der Schlupffrequenz fr wird die Korrekturkomponente wiederum mit dem Minimum A0 der Basiskurve in einer Summiereinheit 4′ kombiniert, und die daraus erhaltene Amplitude As′ wird an die Korrekturschaltung 5 angelegt. Die aus der Schlupffrequenz fr gebildete Korrekturkomponente A2 kann mittels eines Trimmers TR2 eingestellt werden. Das Minimum A0 der Basiskurve ist mit dem Trimmer TR1 einstellbar.

Claims (4)

1. Verfahren zur Regelung der Statorspannungsamplitude (As) eines wechselrichtergespeisten Kurzschlußläufermotors mittels einer vorherbestimmten Kurvenschar, die die Betriebsparameter Schlupffrequenz (fr) und Statorspannungsfrequenz (fs) eines Kurzschlußläufermotors bei konstantem magnetischem Fluß im Stator darstellt,
wobei die Statorspannungsamplitude (As) gebildet wird, indem eine den aktuellen Betriebsparametern entsprechende Kurve dieser Kurvenschar dadurch approximiert wird,
  • - daß im Bereich höherer Statorspannungnsfrequenzen (fs) ein der Statorspannungsfrequenz (fs) entsprechender Eingangswert und eine zur Schlupffrequenz (fr) proportionale erste Korrekturkomponente (A1) miteinander addiert und der Absolutwert des Ergebnisses gebildet wird, und
  • - daß im Bereich niedriger Statorspannungsfrequenzen (fs) eine zur Schlupffrequenz proportionale zweite Korrekturkomponente (A2) zu dem Minimalwert (A0) einer vorbestimmten Basiskurve mit dem Parameter Schlupffrequenz fr=0 addiert wird.
2. Vorrichtung zur Regelung der Statorspannungsamplitude (As) eines wechselrichtergespeisten Kurzschlußläufermotors mittels einer vorherbestimmten Kurvenschar, die Betriebstemperatur eines Kurzschlußläufermotors bei konstanntem magnetischem Fluß im Stator darstellt,
  • - mit einer ersten Einrichtung (1, 2) zum Bilden der Statorspannungsamplitude (As) im Bereich höherer Statorspannungsfrequenzen (fs), umfassend
    • - eine erste Summiereinheit (1), die eine zur Schlupffrequenz (fr) proportionale erste Korrekturkomponente (A1) zu einem der Statorspannungsfrequenz (fs) entsprechenden Eingangswert hinzuaddiert,
    • - eine erste Einstelleinrichtung (TR1) zum Einstellen der ersten Korrekturkomponente (A1), und
    • - einen Absolutwertverstärker (2), der im Fall negativer Statorspannungsfrequenzen (fs) den Absolutwert des Ausgangssignals der ersten Summiereinheit (1) bildet,
  • - mit einer zweiten Einrichtung (3, 4) zum Bilden der Statorspannungsamplitude (As) im Bereich niedriger Statorspannungsfrequenzen (fs), umfassend
    • - eine zweite Summiereinheit (3), die bei positiven Werten der Schlupffrequenz (fr) eine der Schlupffrequenz proportionale zweite Korrekturkomponente (A2) zu einem Minimalwert (A0) einer Basiskurve (fr0) für die Schlupffrequenz 0 hinzuaddiert,
    • - eine zweite und dritte Einstelleinrichtung (TR2, TR3) zum Einstellen der zweiten Korrekturkomponente (A2) und des Minimalwertes (A0), und
    • - eine dritte Summiereinheit (4), die bei negativen Werten der Schlupffrequenz (fr) die zweite Korrekturkomponente (A2) zu dem Minimalwert (A0) addiert,
  • - und mit einer dritten Einrichtung (5, D1-D4) zum Kombinieren der Statorspannungsamplitude (As) aus den Ausgangsspannungen der ersten und zweiten Einrichtung.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Summiereinheit (4) den Minimalwert (A0) zu dem Ausgangssignal der zweiten Summiereinheit (3) hinzuaddiert.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Einrichtung ein aus Dioden (D1-D4) aufgebautes Maximalwertgatter und eine Diodenschwellenstrom-Korrekturschaltung (5) aufweist.
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