DE4227861A1

DE4227861A1 - Verfahren zum messen ungesaettigter induktanzen einer aequivalenzschaltung einer synchronmaschine

Info

Publication number: DE4227861A1
Application number: DE4227861A
Authority: DE
Inventors: Mitsuhiro Kawamura
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1991-11-12
Filing date: 1992-08-22
Publication date: 1993-05-13
Anticipated expiration: 2012-08-23
Also published as: DE4227861C2; US5309089A; JPH05137303A; JP2820210B2; US5402080A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen un gesättigter Induktivitäten bzw. Induktanzen einer Äquiva lenzschaltung einer Synchronmaschine zum Erzielen ungesät tigter Werte von Induktivitäten in der Äquivalenzschaltung der Synchronmaschine.

Eine Synchronmaschine wird hauptsächlich als Generator oder Motor, der stets mit einer vorbestimmten Umdrehungsanzahl läuft, eingesetzt. Reaktanzen in diesen Maschinen werden im allgemeinen zur Berechnung von Grenzen einer Abgabe bzw. Leistungsgabe, einer Stabilität oder dergleichen eingesetzt. Dementsprechend findet eine Induktivität (die mit 2πf multi plizierte Induktivität ist eine Reaktanz), die als ein von einem Anker gesehener Wert wie etwa eine Synchron-Reaktanz oder eine Transient-Reaktanz behandelt wird, Beachtung.

Beispielsweise sind in "The Abstract of Test Methods for a Synchronous Machine (Parts 1 bis 4)" (herausgegeben durch das Institute of Electrical Engineers of Japan) verschiedene Testverfahren beschrieben, wobei die Synchronmaschinen-Test verfahren zum Messen von Induktivitäten der Synchronmaschine zusammengefaßt sind. Jedoch findet sich in der Zusammenfas sung keine Beschreibung betreffend ein Verfahren zum Messen von Werten von Elementen, die eine Äquivalenzschaltung der Synchronmaschine bilden, wie etwa einer Anker-Verlustinduk tivität bzw. Ankerstreuungsinduktanz, einer Feld-Verlustin duktivität bzw. Feldstreuungsinduktanz, einer Direkt-Achsen dämpfer-Verlustinduktivität bzw. Dämpferstreuungs-Längsin duktanz, einer Direkt-Achsen-Anker-Reaktionsinduktivität bzw. Ankerrückwirkungs-Längsinduktanz, einer Quadratur-Ach sen-Dämpfer-Verlustinduktivität bzw. Dämpferverlust-Querin duktanz und einer Quadratur-Achsen-Anker-Reaktionsinduktivi tät bzw. Ankerrückwirkungs-Querinduktanz, die auf einer ver einheitlichten Theorie basieren würden.

Dementsprechend werden diese Werte durch Kombination bekann ter Verfahren erhalten, wenn die Werte der entsprechenden Elemente, die die Äquivalenzschaltung der Synchronmaschine bilden, benötigt werden. Als Beispiel hierfür wird das fol gende Verfahren angeführt.

Zunächst wird eine synchrone Längsreaktanz auf der Basis von Ergebnissen eines Tests der belastungsfreien Sättigungsei genschaften und eines Tests der Dreiphasen-Kurzschluß-Eigen schaften erhalten. Die Ankerrückwirkungs-Längsreaktanz wird durch Subtrahieren eines Werts der Ankerstreuungsreaktanz vom obigen Wert bestimmt. Hierbei wird als Wert der Anker streuungsreaktanz oftmals ein angenommener Wert eingesetzt. Um die Ankerstreuungsreaktanz tatsächlich zu messen, ist es notwendig, einen Rotor derselben herauszunehmen und zusätz liche Verdrahtungen vorzusehen, was beträchtlichen Zeit- und Arbeitsaufwand erfordert.

Als nächstes wird eine Transient-Längsreaktanz durch einen Test mit plötzlichem Drei-Phasen-Kurzschluß erhalten. Ein paralleler Wert der Ankerrückwirkungs-Längsreaktanz und der Feldstreuungsreaktanz wird durch den oben genannten Wert nach Subtraktion des Werts der Ankerstreuungsreaktanz erhal ten. Weiterhin wird die Feldstreuungsreaktanz vom parallelen Wert abgetrennt.

In gleicher Weise wird eine anfängliche Transient-Längsreak tanz durch den Test mit plötzlichem Drei-Phasen-Kurzschluß erhalten. Ein paralleler Wert der Ankerwirkungs-Längsreak tanz, der Feldstreuungsreaktanz und der Dämpferstreuungs-Längs reaktanz wird durch Abziehen des Werts der Ankerstreu ungsreaktanz vom vorstehend genannten Wert erhalten. Weiter hin wird die Dämpferstreuungs-Längsreaktanz vom parallen Wert abgetrennt.

Die jeweiligen, die Querachse betreffenden Reaktanzen werden wie folgt erhalten. Zunächst wird eine synchrone Querreak tanz durch ein nach dem Schlupfverfahren erhaltenes Meßer gebnis erzielt. Die Ankerrückwirkungs-Querreaktanz wird durch Subtrahieren des Werts der Ankerstreuungsreaktanz vom vorstehend genannten Wert bestimmt.

Danach wird eine anfängliche Transient-Querreaktanz durch ein nach dem Dalton-Cameron-Verfahren erhaltenes Meßergebnis erzielt. Ein paralleler Wert der Ankerrückwirkungs-Querreak tanz und einer Dämpferstreuungs-Querreaktanz wird durch Sub trahieren des Werts der Ankerstreuungsreaktanz vom vorste hend genannten Wert erhalten. Weiterhin wird die Streuungs-Quer reaktanz vom parallelen Wert abgetrennt.

Zwischenzeitlich existiert eine zur Steuerung mit hoher Ge nauigkeit befähigte Vektorsteuerung als eine Steuermethode der Synchronmaschine. Um die Vektorsteuerung durchzuführen, ist es notwendig, detaillierte Werte der die Äquivalenz schaltung der Synchronmaschine bildenden jeweiligen Elemente in einer Steuereinrichtung als Motorkonstanten einzustellen. Demgemäß würden beim Antreiben der Synchronmaschine mittels der Vektorsteuerung die jeweiligen Reaktanzwerte zuvor nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren erhalten und in der Steuereinrichtung eingestellt.

Da das Verfahren zur Messung ungesättigter Induktivitäten der Äquivalenzschaltung der Synchronmaschine in vorstehend beschriebener Weise abläuft, kann keine hohe Genauigkeit der jeweiligen Reaktanzwerte erwartet werden. Das vorstehend an gegebene Verfahren ist somit eine Kombination aus verfügba ren Meßverfahren wie etwa das der Messung der belastungs freien Sättigungseigenschaften, das kein auf einer verein heitlichten Theorie basierendes Verfahren ist. Dementspre chend ist es unmöglich, den Einfluß der jeweiligen Werte auf die gesamte Meßgenauigkeit zu untersuchen.

Da weiterhin die tatsächliche Messung der Ankerstreuungsre aktanz nicht einfach ist, wird üblicherweise ein angenomme ner Wert für diesen Wert eingesetzt, was eine Beeinträchti gung der Meßgenauigkeit bewirkt. Weiterhin ist die mittels der Vektorsteuerung gesteuerte Synchronmaschine mit großer Kapazität oftmals mit einer Nennfrequenz von ungefähr 2 bis 10 Hz angesteuert. In Fällen einer solchen niedrigen Nenn frequenz wird die Anzahl von in einer Wellenform enthaltenen Wellen im Ergebnis des Tests mit plötzlichem Drei -Phasen- Kurzschluß geringer und es wird schwierig, die Transient-Längs reaktanz und die anfängliche Transient-Längsreaktanz aus der Wellenform abzulesen. Weiterhin ist es zur Durchfüh rung des Schlupfverfahren-Tests notwendig, den Rotor mit ei ner Geschwindigkeit bzw. Drehzahl anzutreiben, die sich ge ringfügig von einer Geschwindigkeit eines Drehfelds eines Stators unterscheidet. Wenn demgemäß eine Größe der Syn chronmaschine, die das Testobjekt ist, vergrößert wird, neh men die Drei-Phasen-Leistungsquelle auf der Seite des Sta tors, ein Antriebsmotor auf der Seite des Rotors und der gleichen große Maßstäbe an. Bei Durchführung des Tests ist ein geübter Antriebsbetrieb erforderlich, um einen geringen Schlupf stabil aufrechtzuerhalten. Eine durch den Einfluß eines Reaktionsdrehmoments hervorgerufene Schwankung der Drehzahl oder ein zu großer Schlupf rufen Meßfehler hervor.

Bei dem vorstehend angegebenen herkömmlichen Verfahren be steht eine große Möglichkeit, daß in den Meßwerten Fehler enthalten sind. Weiterhin ist für die Messung hoher Arbeits- und Zeitaufwand erforderlich.

Wenn die Motorkonstanten der Steuereinrichtung bei der Vek torsteuerung einzustellen sind, sollten optimale Werte ein gestellt werden, da die eingestellten Werte einen erhebli chen Einfluß auf die Genauigkeit der Steuerberechnung aus üben. Da die Genauigkeit der Meßwerte bei dem vorstehend ge nannten Verfahren gering ist, ist ein Vorgang der Einstel lung optimaler Motorkonstanten durch Wiederholung eines An triebsbetriebs, bei dem die Steuereinrichtung und die Syn chronmaschine zusammengefaßt sind, erforderlich. Der für den Betrieb erforderliche Zeit- und Kostenaufwand ist in Fällen einer Maschine großer Kapazität enorm.

Es ist eine Aufgabe vorliegender Erfindung, die vorstehend angegebenen Probleme zu lösen. Gemäß einer Aufgabe vorlie gender Erfindung soll ein Verfahren zum Messen ungesättigter Induktivitäten bzw. Induktanzen einer Äquivalenzschaltung einer Synchronmaschine bereitgestellt werden, das zum ge nauen Erzielen der ungesättigten Werte der Induktivitäten der die Äquivalenzschaltung bildenden jeweiligen Elemente imstande ist und als Ergebnis ermöglicht, die der Steuerein richtung der Vektorsteuerung zuzuführenden Motorkonstanten durch einen einzigen körperlichen Test der Synchronmaschine zu bestimmen.

Gemäß einem ersten Aspekt vorliegender Erfindung wird ein Verfahren zum Messen ungesättigter Induktivitäten bzw. In duktanzen einer Äquivalenzschaltung einer Synchronmaschine bereitgestellt, das die Schritte aufweist:
Messen einer belastungslosen bzw. lastfreien Sätti gungscharakteristik einer Synchronmaschine,
Messen einer Drei-Phasen-Kurzschluß-Charakteristik der Synchronmaschine,
Messen von Strömen und Spannungen eines Ankers und ei nes Felds, wenn eine Ankerspule und eine Feldspule in einer positionsmäßigen Beziehung stehen, bei der eine Magneto-EMK aufgrund eines zur Ankerspule der Synchronmaschine fließen den Stroms eine magnetomotorische Längs-EMK ist, und zwar sowohl dann, wenn die Feldspule im Zustand geöffneter Schal tung ist, als auch, wenn die Feldspule sich im Kurzschlußzu stand befindet, aufgrund des Längsachsen-Dalton-Cameron-Ver fahrens, und
Lösen simultaner Gleichungen betreffend eine Längsach sen-Äquivalenzschaltung der Synchronmaschine unter Heranzie hung von Ergebnissen der Messung der belastungslosen Sätti gungscharakteristik, der Messung der Drei-Phasen-Kurzschluß-Charak teristik und der Messung mittels des Längsachsen-Dal ton-Cameron-Verfahrens, wodurch Impedanzen der die Längsach sen-Äquivalenzschaltung bildenden jeweiligen Elemente erhal ten werden.

Gemäß einem zweiten Aspekt vorliegender Erfindung wird ein Verfahren zum Messen ungesättigter Induktanzen einer Äquiva lenzschaltung einer Synchronmaschine bereitgestellt, das aufweist:
Messen eines Ankerwiderstandswerts einer Synchronma schine,
Messen einer Zeitkonstante eines Ankers mit Dämpfer un ter Magneto-Quer-EMK, wenn sich ein Anker und ein Feld in einer positionsmäßigen Beziehung befinden, bei der eine Ma gneto-EMK aufgrund des Fließens von Strom zu einer Anker spule der Synchronmaschine zu einer Magneto-Quer-EMK wird,
Messens eines Stroms und einer Spannung des Ankers, wenn sich der Anker und das Feld in der besagten positions mäßigen Beziehung befinden, mittels eines Querachsen-Dalton-Ca meron-Verfahrens,
Lösen von Berechnungsgleichungen betreffend eine Quer achsen-Äquivalenzschaltung der Synchronmaschine unter Heran ziehung von Ergebnissen der Messung des Ankerwiderstands werts, des Messens der Zeitkonstante des Ankers mit Dämpfer unter der Querachsen-Magneto-EMK und des Messens mittels des Querachsen-Dalton-Cameron-Verfahrens, wodurch Induktanzen der die Querachsen-Äquivalenzschaltung bildenden jeweiligen Elemente erhalten werden.

Die jeweiligen Meßschritte gemäß dem ersten Aspekt vorlie gender Erfindung können in einem stationären Zustand, d. h. ohne Lesen von zeitlich veränderbaren Daten, durchgeführt werden. Daher ist die Möglichkeit des Auftretens von Fehlern in dem Meßergebnis reduziert. Die Meßschritte aufgrund des Längsachsen-Dalton-Cameron-Verfahrens können in einem sta tionären Zustand der Synchronmaschine durchgeführt werden. Die Durchführungsschwierigkeiten sind unbeträchtlich und Meßfehler aufgrund einer Veränderung der Drehzahl und eines Fehlers in der Drehzahl werden vermieden. Weiterhin ist es bei den jeweiligen Meßschritten gemäß dem zweiten Aspekt vorliegender Erfindung möglich, die Messungen in einem sta tionären Zustand der Synchronmaschine durchzuführen, wodurch Meßfehler aufgrund einer Variation der Drehzahl und eines Fehlers in der Drehzahl vermieden werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrie ben, wobei auch weitere Vorteile ersichtlich werden. Es zei gen:

Fig. 1 ein erläuterndes Diagramm, das den gesamten Ab lauf eines Verfahrens zum Erhalten von Induktanzen von je weiligen Elementen, die eine Längsachsen-Äquivalenzschaltung und eine Querachsen-Äquivalenzschaltung bilden, veranschau licht,

Fig. 2 ein Schaltbild einer Meßschaltung zum Messen ei ner belastungslosen Sättigungscharakteristik,

Fig. 3 ein Kennlinienbild, das die belastungslose Sät tigungscharakteristik veranschaulicht,

Fig. 4 ein Schaltbild, das eine Meßschaltung zum Messen einer Drei-Phasen-Kurzschluß-Charakteristik veranschaulicht,

Fig. 5 ein Schaltbild einer Schaltung für die Vorberei tung der Durchführung eines Längsachsen-Dalton-Cameron-Ver fahrens,

Fig. 6 ein Schaltbild, das eine Meßschaltung gemäß dem Längsachsen-Dalton-Cameron-Verfahren im Zustand einer offe nen Schaltung einer Feldspule zeigt,

Fig. 7 ein Schaltbild, das eine Meßschaltung zum Messen mittels des Längsachsen-Dalton-Cameron-Verfahrens im Zustand eines Kurzschlusses der Feldspule zeigt,

Fig. 8 ein erläuterndes Diagramm, das Meß-Eigenheiten bzw. Meßschritte bezüglich der Längsachse veranschaulicht,

Fig. 9 ein erläuterndes Schaltbild, das eine Längsach sen-Äquivalenzschaltung der Synchronmaschine zeigt,

Fig. 10 ein Schaltbild einer Schaltung für die Vorbe reitung der Messung einer Zeitkonstante eines Querachsen-An kers mit Dämpfer und der Durchführung eines Querachsen-Dal ton-Cameron-Verfahrens,

Fig. 11 ein erläuterndes Diagramm einer positionsmäßi gen Beziehung zwischen einem Anker und einem Rotor,

Fig. 12 ein Schaltbild einer Meßschaltung zum Messen eines Ankerwiderstandswerts und einer Zeitkonstante eines Querachsen-Ankers mit Dämpfer,

Fig. 13 ein Wellenformdiagramm, das eine Wellenform ei nes Ankerstroms zeigt, wenn die Zeitkonstante des Querach sen-Ankers mit Dämpfer gemessen wird,

Fig. 14 ein Schaltbild einer Meßschaltung für das Quer achsen-Dalton-Cameron-Verfahren,

Fig. 15 ein erläuterndes Diagramm, das Meßschritte be züglich der Querachse veranschaulicht, und

Fig. 16 ein erläuterndes Diagramm, das eine Querachsen-Äqui valenzschaltung der Synchronmaschine zeigt.

Beispiel 1

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erläutert.

Fig. 1 zeigt ein erläuterndes Diagramm, das den gesamten Ab lauf eines Verfahrens zum Erhalten von Induktivitäten bzw. Induktanzen von eine Längsachsen-Äquivalenzschaltung und eine Querachsen-Äquivalenzschaltung bildenden jeweiligen Elementen zeigt.

Fig. 1 zeigt, daß die Induktanzwerte der eine Längsachsen-Äqui valenzschaltung bildenden jeweiligen Elemente durch Mes sen einer belastungslosen bzw. lastfreien Sättigungscharak teristik, Messen einer Drei-Phasen-Kurzschluß-Charakteri stik, Messen mittels eines Längsachsen-Dalton-Cameron-Ver fahrens im Zustand eines geöffneten Schaltkreises eines Felds und Messen mittels des Längsachsen-Dalton-Cameron-Ver fahrens im Zustand eines Kurzschlusses des Felds sowie durch Lösung von simultanen Gleichungen betreffend die Längsach sen-Äquivalenzschaltung erhalten werden können.

Weiterhin zeigt Fig. 1, daß Werte der Induktanzen jeweiliger Elemente, die eine Querachsen-Äquivalenzschaltung bilden, durch Messen eines Ankerwiderstands, Messen einer Zeitkon stante des Querachsen-Ankers mit Dämpfer, Messen mittels ei nes Querachsen-Dalton-Cameron-Verfahrens und durch Lösung von Berechnungsgleichungen betreffend die Querachsen-Äquiva lenzschaltung erhalten werden können.

Bei dieser Spezifikation bedeutet "Anker mit Dämpfer", daß ein Dämpfer magnetisch mit dem Anker gekoppelt ist. In der Querachsen-Äquivalenzschaltung ist der Dämpfer parallel mit der Ankerrückwirkungs-Querinduktanz L_aq verbunden.

Im folgenden wird die Messung der die Längsachsen-Äquiva lenzschaltung betreffenden Induktanzen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Fig. 2 zeigt eine Situation der Messung der belastungslosen bzw. lastfreien Sättigungseigen schaften. In Fig. 2 bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine An kerspule, 2 einen Rotor (Feld), 3 eine Feldspule, 10 eine Gleichstromquelle, 11 einen mit der Feldspule 3 verbundenen Strommesser (Gleichstrom), und 32 ein Wechselspannungs-Volt meter, das zwischen die Phase "b" und die Phase "c" der An kerspule 1 geschaltet ist.

In diesem Fall wird der Rotor 2 mit einer konstanten Dreh zahl, normalerweise mit der Nenndrehzahl der Synchronma schine, angetrieben. In diesem Zustand werden eine Leitungs spannung V_bc0, die in der Ankerspule 1 in einem Offenschal tungszustand durch Erregung mittels eines Feldstroms I_f0 in duziert wird, und eine Frequenz f₀ jeweils durch das Wech selspannungs-Voltmeter 32 bzw. durch einen nicht gezeigten Frequenzanzeiger (siehe Fig. 8) gemessen. Fig. 3 zeigt eine lastfreie Sättigungscharakteristik. In diesem Fall werden ungesättigte Werte der Leitungsspannung V_bc0 und des Feld stroms I_f0 in einem Bereich eingesetzt, in dem die Charakte ristik als angenähert linear angesehen werden kann.

Fig. 4 zeigt eine Situation der Messung der Drei-Phasen- Kurzschluß-Charakteristik. In Fig. 4 bezeichnet ein Bezugs zeichen 31 ein Wechselstrom-Amperemeter, das zwischen die Phase "b", die Phase "c" und die Phase "a" der Ankerspule 1 geschaltet ist. In diesem Fall wird der Rotor 2 mit konstan ter Drehzahl, normalerweise mit der Nenndrehzahl der Syn chronmaschine, angetrieben. In diesem Zustand wird ein Strom I_fs, der in der Ankerspule 1 im Kurzschlußzustand durch Er regung mittels eines Feldstroms I_fs induziert wird, gemessen (siehe Fig. 8).

Fig. 5 zeigt eine Situation bei der Vorbereitung der Durch führung des Längsachsen-Dalton-Cameron-Verfahrens (direct axis Dalton-Cameron method). In diesem Fall fließt ein Gleichstrom von der Phase "b" zur Phase "c" der Ankerspule bzw. Ankerwicklung 1 mittels einer Gleichstromquelle 20. Gleichzeitig fließt ein Gleichstrom in die Feldspule bzw. Feldwicklung 3. Der Rotor 2 dreht sich dann in eine Posi tion, bei der sich der Stator und der Rotor 2 gegenseitig mittels magnetischer Kraft anziehen, und wird dort festge halten. Der Rotor 2 ist somit beispielsweise in einer in den Fig. 6 und 7 gezeigten Position festgehalten.

Wenn der Rotor 2 in der in den Fig. 6 und 7 gezeigten Po sition angeordnet ist und ein Strom von der Phase "b" zur Phase "c" der Ankerwicklung 1 fließt, ist eine durch den fließenden Strom hervorgerufene magnetomotorische Kraft bzw. Magneto-EMK eine Längsachsen-Magnetomotorische Kraft bzw. Magneto-Längs-EMK. Wenn dementsprechend, wie in Fig. 5 ge zeigt, Ströme in der Ankerwicklung 1 und der Feldwicklung 2 zu fließen beginnen und bestätigt ist, daß der Rotor 2 kraftvoll in die in den Fig. 6 und 7 gezeigte stabile Po sition dreht, fließt ein Strom von der Phase "b" zur Phase "c" in einem stationären Zustand des Rotors. In dieser Weise werden Werte bezüglich der Längsachse gemessen, wobei sie klar definiert sind, was einen Unterschied gegenüber der herkömmlichen Messung mittels des Dalton-Cameron-Verfahrens, das an einer beliebigen bzw. zufälligen Position des Rotors durchgeführt wird, darstellt.

Fig. 6 zeigt die Meßsituation in einem Offenschaltungszu stand der Feldwicklung 3. Dies bedeutet, daß ein durch eine Wechselspannungsquelle 30 bereitgestellter Wechselstrom mit einer Frequenz f₁ von der Phase "b" zur Phase "c" der Anker wicklung 1 fließt. Ein Strom I_bc1, der von der Phase "b" zur Phase "c" fließt, eine Spannung V_bc1 zwischen der Phase "b" und der Phase "c" und eine in der Feldwicklung 3 induzierte Spannung V_f1 werden jeweils durch das Wechselstrom-Ampereme ter 31, das Wechselspannungs-Voltmeter 32 und ein Wechsel spannungs-Voltmeter 12 (siehe Fig. 8) gemessen.

Fig. 7 zeigt eine Meßsituation im Zustand kurzgeschlossener Feldwicklung 3. Dies bedeutet, daß ein Wechselstrom von der Phase "b" zur Phase "c" der Ankerwicklung 1 fließt. Ein von der Phase "b" zur Phase "c" fließender Strom I_bc2 und ein in der Feldwicklung 3 induzierter Strom I_f2 werden jeweils durch das Wechselspannungs-Amperemeter 31 und ein Ampereme ter (Wechselstrom) 11 (siehe Fig. 8) gemessen.

Bei diesen Messungen mittels des Längsachsen-Dalton-Cameron-Ver fahrens ist es bevorzugt, bei einer Maschine großer Kapa zität 50 Hz oder 60 Hz als Frequenz f₁ einzusetzen. Jedoch kann die Frequenz in einem Bereich von 10 bis 100 Hz gewählt werden. Die zwischen der Phase "b" und der Phase "c" der An kerwicklung 1 fließenden Ströme I_bc1 und I_bc2 liegen vor zugsweise bei ungefähr 10 bis 20% des Nenn-Stromwerts. Fig. 8 faßt die Meßobjekte bzw. -größen und die eingesetzten Meß instrumente bezüglich der vorstehend genannten Messungen zu sammen. Die Reihenfolge der vier vorstehend genannten Meß objekte kann beliebig gewählt werden.

Fig. 9 zeigt eine Äquivalenzschaltung der Synchronmaschine, wenn sich der Rotor 2 in der in den Fig. 6 und 7 gezeig ten Position befindet. Wenn die Äquivalenzschaltung durch Gleichungen zu repräsentieren ist, werden folgende simultane Gleichungen erhalten:

Durch Einsetzen der in Fig. 8 gezeigten Meßergebnisse in die simultanen Gleichungen und durch Lösung derselben bezüglich der vier unbekannten ungesättigten Längsachsen-Induktanzen (unsaturated inductances), d. h. der Ankerstreuungsinduktanz L_l, der Feldstreuungsinduktanz L_f der Dämpferstreu ungs-Längsinduktanz (direct-axis damper leakage inductance) L_kd und der Ankerrückwirkungs-Längsinduktanz (direct-axis arma ture reaction inductance) L_ad sowie eines Wicklungsverhält nisses T_r zwischen der Äquivalenzschaltung und der aktuellen Feldwicklung 3 können diese Werte erhalten werden.

Die simultanen Gleichungen können durch ein numerisches Be rechnungsverfahren gelöst werden. Beispielsweise konvergiert die Berechnung bei Anwendung des Gauss-Seidel-Iterations-Ver fahrens nach ungefähr fünf Iterationen.

Beispiel 2

Im folgenden wird die Messung von Induktanzen bezüglich der Querachsen-Äquivalenzschaltung (quadrature-axis equivalent circuit) unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Fig. 10 zeigt eine Situation der Vorbereitung der Durchfüh rung einer Messung einer Zeitkonstante des Querachsen-Ankers mit Dämpfer und einer Messung nach dem Querachsen-Dalton-Ca meron-Verfahren (quadrature-axis Dalton-Cameron method). In diesem Fall sind die Phase "b" und die Phase "c" der Anker wicklung 1 kurzgeschlossen und ein durch eine Gleichstrom quelle 40 erzeugter Gleichstrom fließt von der Phase "a" zur Phase "b" und zur Phase "c". Gleichzeitig fließt ein Gleich strom in der Feldwicklung 3.

Der Rotor 2 dreht sich dann in eine Position, bei der sich der Stator und der Rotor 2 gegenseitig anziehen, und wird dort festgehalten. Der Rotor 2 ist somit beispielsweise in einer in Fig. 11 gezeigten Position festgehalten. Wenn ein Strom von der Phase "a" zur Phase "b" und zur Phase "c" der Ankerwicklung 1 fließt, während der Rotor 2 in jener Posi tion verbleibt, ist die durch den fließenden Strom hervorge rufene Magneto-EMK eine Magneto-Längs-EMK. Wenn im Gegensatz hierzu ein Strom von der Phase "b" zur Phase "c" fließt, ist die durch den fließenden Strom erzeugte Magneto-EMK eine Ma gneto-Quer-EMK (quadrature-axis magnetomotive force).

Wenn demgemäß bestätigt ist, daß Ströme in der Ankerwicklung 1 und der Feldwicklung 2 zu fließen beginnen, wie in Fig. 10 gezeigt, und der Rotor 2 sich kraftvoll dreht und bei einer in Fig. 11 gezeigten stabilen Position anhält, wird ein Strom von der Phase "b" zur Phase "c" in einem stationären Zustand des Rotors zum Fließen gebracht. In dieser Weise wird die Messung der Induktanzen bezüglich der Querachse möglich.

Fig. 12 zeigt eine Situation, bei der ein Strom durch Öffnen eines Schalters 24 von der Phase "b" zur Phase "c" der An kerwicklung 1 fließt. In dieser Situation werden ein von der Phase "b" zur Phase "c" fließender Strom I_bc und eine Span nung V_bc zwischen der Phase "b" und der Phase "c" jeweils mittels eines Gleichstrom-Amperemeters 21 bzw. eines Gleich spannungs-Voltmeters 22 gemessen (siehe Fig. 15). Daher kann ein Ankerwiderstand R_bc gemäß der folgenden Gleichung be stimmt werden:

Wenn nachfolgend der in Fig. 12 gezeigte Zustand, d. h. der Zustand, bei dem Strom von der Phase "b" zur Phase "c" fließt, in einen Zustand abgeändert wird, bei dem durch Schließen des Schalters 24 die Phase "b" und Phase "c" kurz geschlossen werden, läuft der Strom I_bc in der Ankerwicklung 1 um und wird durch den Ankerwiderstand und durch den Ein fluß des Querachsen-Dämpfungseffekts gedämpft. Fig. 13 zeigt eine mittels eines Oszilloskops tatsächlich gemessene Wel lenform des Stroms I_bc. Hierbei sei angemerkt, daß ein Wi derstand 23, der gemäß Fig. 12 in Reihe mit der Gleichspan nungsquelle 20 geschaltet ist, einen Schutzwiderstand zum Vermeiden eines Kurzschlusses der Gleichspannungsquelle 20 bei Schließen des Schalters 24 darstellt, um lediglich die Ankerwicklung kurzzuschließen.

Wie in Fig. 13 gezeigt, fällt der Strom I_bc direkt nach dem Kurzschluß rapide ab und wird allmählich gedämpft. Hierbei wird eine Zeitkonstante des Ankers mit Dämpfer über ein Zeitintervall T_e1 gemessen, in dem der Strom I_bc auf den Wert I_e1 absinkt, der 30% des anfänglichen Werts I_b0 trägt (siehe Fig. 15). Die Zeitkonstante bezeichnet normalerweise eine Zeit für den Strom I_bc für das Absinken auf 1/e ≒ 0.37 des anfänglichen Werts I_b0. Bei dieser Messung wird aller dings das Zeitintervall, das der Strom zum Absinken auf das 0.3fache des anfänglichen Werts benötigt, eingesetzt.

Der Wert 0.3 ist auf der Grundlage von verschiedenen Experi menten und Simulationen bestimmt, die zur Untersuchung des Einflusses des Querachsen-Dämpfungseffekts durchgeführt wur den, und stellt einen optimalen Wert zum Erzielen der Zeit konstante der Querachsen-Ankerschaltung dar, bei der der Einfluß des Querachsen-Dämpfers beseitigt ist. Da das Zeit intervall für das Absinken des Stroms I_bc auf I_e1 (=03I_b0) gemessen wird, wird tatsächlich -log (I_e1/I_b0) = -log (0.3) = 1.2, d. h. das 1.2fache der Zeitkonstante T_adq der Querachsen-Ankerschaltung als T_e1 gemessen. Jedoch wird dieser Punkt in den nachstehend erwähnten Gleichungen be rücksichtigt.

Fig. 14 zeigt den Zustand der Messung nach dem Querachsen-Dal ton-Cameron-Verfahren. In diesem Fall fließt ein durch die Wechselspannungsquelle 30 erzeugter Wechselstrom mit einer Frequenz f₃ zwischen der Phase "b" und der Phase "c" der Ankerspule. Ein Strom I_bc3 und eine Spannung V_bc3 werden gemessen (siehe Fig. 15).

Bei dieser Messung nach dem Querachsen-Dalton-Cameron-Ver fahren wird vorzugsweise 50 Hz oder 60 Hz als Frequenz f₃ im Fall einer Maschine großer Kapazität eingesetzt. Jedoch kann die Frequenz im Bereich von 10 bis 100 Hz gewählt werden. Der zwischen der Phase "b" und der Phase "c" der Ankerwick lung 1 fließende Strom I_bc3 liegt vorzugsweise bei ungefähr 10 bis 20% des Nenn-Stromwerts. Fig. 15 faßt die Meßobjekte bzw. -größen und benutzten Meßinstrumente für die Messung bezüglich der vorstehend genannten Querachse zusammen. Die Reihenfolge der vorstehend genannten drei Messungen kann be liebig gewählt werden.

Fig. 16 zeigt eine Äquivalenzschaltung der Synchronmaschine für den Zustand, bei dem sich der Rotor 2 in der in den Fig. 11, 12 und 14 gezeigten Position befindet. Wenn die Äquivalenzschaltung durch mathematische Gleichungen zu re präsentieren ist, können die folgenden Gleichungen erhalten werden:

In den vorstehend angegebenen Gleichungen kann als Wert der Ankerfrequenz-Induktanz L_l beispielsweise der beim ersten Beispiel erhaltene Wert eingesetzt werden. Durch Einsetzen bekannter Werte in die vorstehenden Gleichungen lassen sich die beiden ungesättigten Querinduktanzen, d. h. die Dämpfer streuungs-Querinduktanz L_kq und die Ankerrückwirkungs-Quer induktanz L_aq erhalten.

In dieser Weise können gemäß den Beispielen 1 und 2 die un gesättigten Längsinduktanzen und die ungesättigten Querin duktanzen mittels einer einheitlichen Theorie erhalten wer den. Die jeweiligen Messungen betreffend die ungesättigten Längsinduktanzen können in einem stationären Zustand durch geführt werden, wodurch die Erzeugung von beim Lesen der zeitlich veränderlichen Daten auftretenden Fehlern vermieden wird. Weiterhin sind die die Messungen durchführenden Perso nen an die Messungen der lastfreien Sättigungscharakteristik und der Drei-Phasen-Kurzschluß-Charakteristik gewöhnt, da diese üblicherweise bei allen Synchronmaschinen durchgeführt werden. Demgemäß bestehen keine Durchführungsschwierigkeiten und es können Messungen mit hoher Genauigkeit erwartet wer den.

Die Messungen der Längsinduktanzen mit offenem Feld und der Längsinduktanzen mit geschlossenem Feld nach dem Längsach sen-Dalton-Cameron-Verfahren können in einem Zustand durch geführt werden, bei dem die Synchronmaschine stationär ist. Daher bestehen geringe Durchführungsschwierigkeiten und kaum Probleme bezüglich der Erzeugung von Meßfehlern aufgrund einer Variation der Drehzahl und fehlerhafter Drehzahl.

Ferner werden die jeweiligen Messungen betreffend die unge sättigten Querinduktanzen in einem Zustand durchgeführt, bei dem die Synchronmaschine stationär ist. Daher bestehen kaum Durchführungsschwierigkeiten und kaum Probleme der Erzeugung von Meßfehlern aufgrund einer Veränderung der Drehzahl oder einer fehlerhaften Drehzahl.

Wie vorstehend angegeben, werden gemäß dem ersten Aspekt vorliegender Erfindung bei dem Meßverfahren zur Messung un gesättigter Induktanzen der Äquivalenzschaltung der Syn chronmaschine die simultanen Gleichungen betreffend die Äquivalenzschaltung durch Messen der lastfreien Sätti gungscharakteristik, durch Messen der Drei-Phasen-Kurz schluß-Charakteristik und durch Messen der Längsinduktanzen in der vorbestimmten positionsmäßigen Beziehung zwischen dem Anker und dem Feld auf der Basis des Längsachsen-Dalton-Ca meron-Verfahrens gelöst. Somit können die Werte der Induk tanzen der die Längsachsen-Äquivalenzschaltung bildenden je weiligen Elemente mit hoher Genauigkeit gemessen werden und es können die in der Steuereinrichtung der Vektorsteuerung einzustellenden optimalen Werte der Motorkonstanten erhalten werden.

Weiterhin werden gemäß dem zweiten Aspekt vorliegender Er findung die Berechnungsgleichungen betreffend die Äquiva lenzschaltung unter Heranziehung der jeweiligen Werte ge löst, die durch Messung des Ankerwiderstands, durch Messung der Zeitkonstante des Querachsen-Ankers mit Dämpfer in der vorbestimmten positionsmäßigen Beziehung zwischen dem Anker und dem Feld sowie durch Messen der Querinduktanzen während der vorbestimmten positionsmäßigen Beziehung zwischen dem Anker und dem Feld aufgrund des Querachsen-Dalton-Cameron-Ver fahrens erhalten werden. Daher können die Werte der In duktanzen der die Querachsen-Äquivalenzschaltung bildenden jeweiligen Elemente mit hoher Genauigkeit gemessen werden und die optimalen Werte der bei der Steuereinrichtung der Vektorsteuerung einzustellenden Motorkonstanten können er zielt werden.

Ferner können die Verfahren sowohl beim ersten als auch beim zweiten Aspekt vorliegender Erfindung zu einem Zeitpunkt durchgeführt werden, bei dem die Synchronmaschine in einer Fabrik integriert oder zusammengesetzt wird, und im Stadium eines Einzelkörper-Fabriktests, der für den Einzelkörper der Synchronmaschine durchgeführt wird, ausgeführt werden. Als Ergebnis können Einstellschritte, bei denen die Steuerein richtung für die Vektorsteuerung und der Synchronmotor zu sammengefaßt werden, entfallen, wodurch der vor dem Hochlauf bzw. der Inbetriebnahme des Vektorsteuersystems erforderli che Zeit- und Kostenaufwand verringert wird.

Selbstverständlich sind zahlreiche Modifikationen und Abän derungen vorliegender Erfindung im Lichte vorstehender Lehre möglich.

Claims

1. Verfahren zum Messen ungesättigter Induktivitäten bzw. Induktanzen einer Äquivalenzschaltung einer Synchronma schine, mit folgenden Maßnahmen:
Messen einer lastfreien Sättigungscharakteristik einer Synchronmaschine,
Messen einer Drei-Phasen-Kurzschluß-Charakteristik der Synchronmaschine,
Messen von Strömen und Spannungen eines Ankers (1) und eines Felds, wenn eine Ankerwicklung (1) und eine Feldwick lung (3) sich in einer positionsmäßigen Beziehung befinden, bei der eine durch einen zur Ankerwicklung der Synchronma schine fließenden Strom hervorgerufene Magneto-EMK eine ma gnetomotorische Längskraft ist, und zwar sowohl wenn die Feldwicklung sich in geöffnetem Schaltungszustand befindet als auch wenn sich die Feldwicklung im Kurzschlußzustand befindet, nach dem Längsachsen-Dalton-Cameron-Verfahren, und
Lösen simultaner Gleichungen betreffend eine Längsach sen-Äquivalenzschaltung der Synchronmaschine unter Heranzie hung von Ergebnissen der Messung der lastfreien Sätti gungscharakteristik, der Messung der Drei-Phasen-Kurzschluß-Charak teristik und der Messung nach dem Längsachsen-Dalton-Came ron-Verfahren, wodurch Impedanzen von die Längsachsen-Äqui valenzschaltung bildenden jeweiligen Elementen erhalten werden.

2. Verfahren zum Messen ungesättigter Induktanzen einer Äquivalenzschaltung einer Synchronmaschine, mit den folgen den Maßnahmen:
Messen eines Ankerwiderstands einer Synchronmaschine,
Messen einer Zeitkonstante eines Ankers mit Dämpfer un ter einer Magneto-Quer-EMK, wenn ein Anker und ein Feld sich in einer positionsmäßigen Beziehung befinden, bei der eine magnetomotorische Kraft, die durch zu einer Ankerwicklung der Synchronmaschine fließenden Strom hervorgerufen wird, die Magneto-Quer-EMK wird,
Messen eines Stroms und einer Spannung des Ankers, wenn der Anker und das Feld sich in einer positionsmäßigen Bezie hung befinden, nach dem Querachsen-Dalton-Cameron-Verfahren,
Lösen von Berechnungsgleichungen betreffend eine Quer achsen-Äquivalenzschaltung der Synchronmaschine unter Heran ziehung von Ergebnissen der Messung des Ankerwiderstands, der Messung der Zeitkonstante des Ankers mit Dämpfer unter der Magneto-Quer-EMK und des Messens nach dem Querachsen-Dal ton-Cameron-Verfahren, wodurch Induktivitäten bzw. Induk tanzen von jeweiligen, die Querachsen-Äquivalenzschaltung bildenden Elementen erhalten werden.