DE3922479C2

DE3922479C2 -

Info

Publication number: DE3922479C2
Application number: DE3922479A
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl.-Ing. 1000 Berlin De Prenzel
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Alstom Anlagen und Automatisierungstechnik GmbH
Priority date: 1989-07-06
Filing date: 1989-07-06
Publication date: 1992-11-12
Also published as: DE3922479A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches Verfahren, das bei der Einstellung eines Spannungssollwertmodells zur Steuerung stromrichtergespeister Asynchronmaschinen verwendbar ist, ist durch König: " Ermittlung der Parameter der Drehstrom-Asynchronmaschine vorwiegend aus den Typenschilderangaben" in Elektrie, 1988, Heft 6, Seite 220, bekannt.

Ein vereinfachtes Zeigerdiagramm der Ständerspannung u_S und der Spannungsabfälle der Asynchronmaschine, die sich vektormäßig zu den beiden auf den Läuferfluß bezogenen, orthogonalen Spannungen u_l, u_m addieren, ist in Fig. 1 dargestellt. Die Spannung u_m in Richtung der Läuferflußachse m ist danach definiert durch die Beziehung

u_m = i_m · R_S-i_l · ω_S · L*_σ

und die Spannung u_l in Richtung l senkrecht zur Läuferflußachse ergibt sich aus

u_l = i_l · R_S+i_m · ω_S · L*_S.

Dabei bedeuten
i_m = Magnetisierungsstromkomponente des Motorstromes i_S,
i_l = Laststromkomponente des Motorstromes i_S,
R_S = Ständerwiderstand,
ω_S = Kreisfrequenz der Ständerspannung,
L*_σ = Streuinduktivität,
L*_S = Ständerinduktivität
der Asynchronmaschine.

Während die Komponenten i_m, i_l durch Erfassung des Motorstromes i_S und Umrechnung über einen Istwertrechner ebenso wie die Kreisfrequenz ω_S für die Bildung der Beträge der beiden Spannungen u_l, u_m beim Spannungssollwertmodell (siehe insbesondere Dissertation von P. Hussels "Ein Beitrag zu Verfahren der Führung von Drehmoment und Fluß bei umrichtergespeisten Drehstrommaschinen", Technische Universität Berlin, 1984, Seiten 95 bis 97 in Verbindung mit Seiten 23 und 65) zur Verfügung stehen, müssen der Ständerwiderstand R_S, die Streuinduktivität L*_σ und die Ständerinduktivität L*_S als Parameter vor der Inbetriebnahme des Spannungssollwertmodells ermittelt werden.

Um diese Parameter einzustellen, ist es bei dem eingangs genannten Verfahren üblich, bestimmte Betriebspunkte der Asynchronmaschine anzufahren. Dadurch wird dann erreicht, daß in den oben angeführten Spannungsgleichungen bestimmte Termine zu Null werden und aus den verbleibenden Produkten jeweils einer der Parameter ermittelbar ist.

Zum Bestimmen des Ständerwiderstandes R_S wird dabei eine Gleichstrommessung vorgenommen, während zum Bestimmen der Ständerinduktivität L*_S die drehmomentbildende Komponente i_l des Stromes i_S durch Betrieb im Leerlauf zu Null wird.

Die Einstellung der Betriebszustände zur Ermittlung der Parameter ist aufwendig. Teilweise sind aber auch die geforderten Grundvoraussetzungen nicht einzuhalten, z. B. wenn der Leerlauf angestrebt wird, aber die Asynchronmaschine bereits mit einem Getriebe starr verbunden ist o. ä.

Durch die DE 35 13 510 C2 ist es grundsätzlich bekannt, Parameter zur Steuerung einer frequenzumrichtergespeisten Asynchronmaschine aus den am Typenschild der Maschine ablesbaren Daten zu berechnen. Es handelt sich bei diesen Parametern um die Läuferzeitkonstante, die Polpaarzahl und den Blindstromanteil des Ständerstromvektors, ohne daß hierbei mit diesen Größen Einfluß auf die Amplitude der Spannung in Form eines die Paramter Ständerwiderstand, Streu- und Ständerinduktivität beinhaltenden Modells genommen wird. Auch geht bei der Ermittlung der Parameter nach der DE 35 13 510 C2 der stark toleranzbehaftete Schlupf der Maschine mit ein.

Durch die DE 30 34 275 A1 ist es bekannt, sowohl den Parameterwert des Ständerwiderstands als auch die Parameterwerte der Haupt- und der Streuinduktivität einer Asynchronmaschine durch Abgleich von Regelschleifen zu ermitteln. Dazu sind ein EMK-Bildner und mehrere integrierende Regler notwendig, die je nach Betriebszustand zuschaltbar sind. Der Parameterwert des Ständerwiderstands wird insbesondere bei niedrigen Ständerfrequenzen und bei höherer Belastung der Maschine bestimmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art anzugeben, das in jedem Falle, d. h. unabhängig von einer evtl. mit der Maschine gekoppelten Last, realisierbar ist, also insbesondere auf eine Leerlaufmessung verzichtet, um die drei Parameter Ständerwiderstand, Streuinduktivität und Ständerinduktivität der Asynchronmaschine für das Spannungssollwertmodell aufzufinden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Verfahrensschritte gelöst.

Es ist also lediglich der Ständerwiderstand bei nicht vorhandener Lastkomponente des Motorstromes und Kreisfrequenz der mit ihren Nenndaten bekannten Asynchronmaschine abzugleichen (Abgleich im Stillstand), worauf die anderen beiden Parameter sich automatisch bestimmen lassen. Das Verfahren zur Bestimmung der Parameter für das Spannungssollwertmodell wird damit gegenüber dem Stand der Technik erheblich erleichtert.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens nach der Erfindung ist im Anspruch 2 gekennzeichnet.

Das Verfahren soll am Beispiel der Fig. 2 und 3 im folgenden erläutert werden. Es zeigt

Fig. 2 die läuferflußorientierten Strom- und Spannungsverhältnisse einer Asynchronmaschine im stationären Nennbetriebspunkt,

Fig. 3 das Schaltprinzip zur Steuerung des die Asynchronmaschine speisenden Stromrichters unter Einsatz eines Spannungssollwertmodells.

Beim Verfahren nach der Erfindung wird vorausgesetzt, daß durch das Typenschild der Asynchronmaschine üblicherweise die Nennspannung U_n, der Nennstrom I_n, der Nennleistungsfaktor cosϕ_n und damit der Winkel ϕ_n zwischen dem Nennspannungszeiger U_n und dem Nennstromzeiger l_n sowie die Nennfrequenz und damit der Nennwert der Winkelgeschwindigkeit (Kreisfrequenz) ω_Sn, mit der das Ständerfeld umläuft, bekannt sind. Das Verhältnis des Kippmoments M_K zum Nennmoment M_n ist auf dem Typenschild nicht angegeben, kann aber zumindest den Katalogangaben entnommen werden.

Darauf aufbauend muß beim Verfahren nach der Erfindung zunächst der in Fig. 2 gezeigte Winkel ϕ_in zwischen dem Stromvektor l_n und der Läuferflußachse m bei Nennbetrieb bestimmt werden. Dazu werden die beim Nennbetriebspunkt auftretenden Beträge der Magnetisierungsstromkomponente I_mn in Läuferflußrichtung m und der dazu orthogonalen, in l-Richtung liegenden Laststromkomponente (d. h. der drehmomentbildenden Komponente) des Nennstromes I_n gebildet. Es ist

und

worauf der Winkel ϕ_in sich zu

ergibt.

Damit wiederum läßt sich der Winkel ϕ_un zwischen dem mit der Winkelgeschwindigkeit ω_Sn umlaufenden Zeiger der Nennspannung U_n und der Läuferflußachse n ermitteln, der wie Fig. 2 zeigt, der Summe des (Nennleistungsfaktor-)Winkels ϕ_n und des Winkels ϕ_in entspricht.

Ist der Winkel ϕ_un durch die zuvor im einzelnen erläuterte Beziehung

bekannt, werden als nächstes die Beträge der in Richtung der Läuferflußachse gelegenen Spannungskomponente U_mn und der orthogonal zu dieser liegenden Spannungskomponente U_ln des Spannungsvektors U_n nach den aus dem Zeigerdiagramm der Fig. 2 ableitbaren Beziehungen

U_mn = U_n · cos ϕ_un

U_ln = U_n · sin ϕ_un

ermittelt.

Gemäß dem Verfahren nach der Erfindung erfolgt nunmehr die Ermittlung der drei für ein Spannungssollwertmodell zur Steuerung des die Asynchronmaschine speisenden Stromrichters benötigten Parameter des Ständerwiderstandes R_S, der Ständerinduktivität L*_S und der Streuinduktivität L*_σ. Die Bestimmung des Wertes des Ständerwiderstands R_S wird bei einem Betriebspunkt der Asynchronmaschine vorgenommen, bei dem der Laststrom I_l und die Kreisfrequenz ω_S der Ständerspannung Null sind (Gleichstrommessung).

Ist der Ständerwiderstand R_S bestimmt, lassen sich unter Verwendung der zuvor bestimmten Größen die beiden noch fehlenden Parameter für das Spannungssollwertmodell rechnerisch bestimmen. Es gilt:

und

Die Einbindung des Spannungssollwertmodells und des Regelverstärkers innerhalb der Schaltung zur Bestimmung der Steuergrößen für den die Asynchronmaschine speisenden Stromrichter zeigt Fig. 3.

Vorgegeben sind zum einen der Sollwert w_im für den Magnetisierungsstrom der Asynchronmaschine und die Solldrehzahl w_n, zum anderen durch (nicht gezeigte) Meßeinrichtungen bereitgestellte Meßwerte, aus denen ein Istwertrechner 7 die Istwerte der Magnetisierungsstromkomponente x_im und der Lastkomponente x_il im Maschinenstrom errechnet, und eine der tatsächlichen Drehzahl der Asynchronmaschine entsprechende Regelgröße x_n. Die Regelabweichung des Istwerts der Magnetisierungsstromkomponente x_im von dem Sollwert w_im wird über einen Magnetisierungsstrom-Regelverstärker 6 dem mit 1 bezeichneten Spannungssollwertmodell zugeführt.

Ein Drehzahlregelverstärker 5 gibt die Regelabweichung des Istwerts x_n der Drehzahl von dem vorgegebenen Drehzahl-Sollwert w_n als Sollwert w_il für die lastabhängige Komponente des Maschinenstromes vor. Dieser Sollwert w_il wird erstens dem Spannungssollwertmodell 1 zugeführt. Zweitens wird die Regelabweichung als Istwert x_il der lastabhängigen Komponente im Motorstrom von diesem Sollwert w_il über einen Läuferstromregelverstärker 3 einer Frequenzaddition 2 eingegeben, und drittens bestimmt dieser Sollwert w_il über ein Läufermodell 4 in Abhängigkeit des Quotienten von Läuferwiderstand und Verkettungsfluß eine zusätzliche Frequenzanhebung in der Frequenzaddition 2, der als Basiswert der Drehzahlistwert x_n der Asynchronmaschine vorgegeben wird.

Der Ausgangswert der Frequenzaddition 2, nämlich das Frequenzführungssignal f für die Steuerung des (nicht gezeigten) mit der Asynchronmaschine verbundenen Stromrichters wird ebenfalls dem Spannungsmodell 1 eingegeben. Das mit den durch das Verfahren nach der Erfindung bestimmten drei Parametern R_S, L*_S und L*_σ vorab eingestellte Spannungssollwertmodell 1 gibt dann in üblicher Weise den Betrag der Ständerspannung |u_S| nach den Beziehungen

u_l = i_l · R_S + i_m · ω_s · L*_s ± K_l · Δu,

u_m = i_m · R_S - i_l ω_s L*_σ + K_m · Δu

und

für die Stellgröße Δu des Magnetisierungsstrom-Regelverstärkers 6 und zur Läuferflußorientierung den Winkel ϕ_u durch

für die Stromrichtersteuerung vor.

Es empfiehlt sich bei der Bestimmung der Parameter eine Normierung der orthogonalen Stromkomponente I_m, I_l auf die drehmomentbildende Komponente I_ln des Nennstromes.

Claims

1. Verfahren zur Einstellung der Parameter Ständerwiderstand R_S, Ständerinduktivität L*_S und Streuinduktivität L*_σ bei der Bildung von läuferflußorientierten orthogonalen Spannungssollwerten in einem Spannungssollwertmodell zur Steuerung einer stromrichtergespeisten Asynchronmaschine, von der die Nennspannung U_n, der Nennstrom I_n, der auftretende Nennleistungsfaktor cos ϕ_n, das Verhältnis des Kippmoments M_K zum Nennmoment M_n und der Nennwert der Kreisfrequenz ω_sn der Ständerspannung bekannt sind, und bei dem der Wert des Ständerwiderstandes R_S bestimmt wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Bestimmung des Betrages der beim Nennbetrieb auftretenden Magnetisierungskomponente I_mn und drehmomentbildenden Komponente I_ln des Nennstromes I_n nach den Beziehungen: und des Winkels ϕ_in zwischen dem Zeiger des Nennstromes I_n und der Läuferflußachse als
b) Bildung des Winkels ϕ_un zwischen dem Zeiger der Nennspannung U_n und der Läuferflußachse als Summe der Winkel ϕ_n und ϕ_in
c) Bestimmung der in Richtung der Läuferflußachse gelegenen Spannungskomponente U_mn und der orthogonal zu dieser liegenden Spannungskomponente U_ln der Nennspannung U_n durch die Beziehungen U_mn = U_n · cos ϕ_unU_ln = U_n · sin ϕ_un
d) Bestimmung des Wertes der Ständerinduktivität L*_S nach der Beziehung und des Wertes der Streuinduktivität L*_σ nach der Beziehung

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Normierung der orthogonalen Stromkomponenten I_l, I_m auf die drehmomentbildende Komponente I_ln des Nennstromes I_n.