AT396639B - Regelungssystem für einen spannungszwischenkreisumrichter der eine asynchronmaschine speist - Google Patents

Description

AT 396 639 B

Die Erfindung betrifft ein Regelungssystem für einen Spannungszwischenkreisumrichter der eine Asynchronmaschine speist, bestehend aus Mikroprozessoren, wobei einer die Pulsmuster erzeugt

Die bekannten Asynchronmaschinenantriebe mit Anschnittsteuerung sind aufgrund der im Läufer der Maschine anfallenden Verluste nur auf kleine Leistungen beschränkt Die direktumrichtergespeiste Asynchronmaschine wird im höchsten Leistungsbereich bei kleinen bis mittleren Ständerfrequenzen und Drehzahlen eingesetzt Von großer technischer Bedeutung sind die Zwischenkreisumrichter in ihren verschiedenen Ausbildungsformen als unter- und tibersynchrone Stromrichterkaskade und als Stromzwischenkreis- und Spannungszwischenkreisumrichter.

Auch bei den Bahnantrieben ist der Trend vom Kommutatormotor zum Drehstrommotor unverkennbar. Beiden Antrieben mit Kommutatormaschinen kommen der Einphasenreihenschlußmotor mit Hochspannungsschaltwerk, der Mischstrommotor mit Anschnittsteuerung bei der Vollbahn und der Gleichstrommotor mit Niederspannungsschaltwerk oder Gleichstromsteller im Nahverkehr zur Anwendung. Die U-Bahn-Triebwagen im Nahverkehr werden in Drehstromtechnik mit Phasenfolgewechselrichter ausgeführt

Die moderne Stromrichtertechnik wäre ohne die enormen Fortschritte in der Informationselektronik nicht denkbar. Analoge Schaltkreise, wie Verstärker, Multiplizierer, Dividierer und Komparatoren, aber auch die digitalen Logikbausteine, vor allem Zähler, Speicher und Multiplexer, wurden schon früh eingesetzt. Mit den Schaltkreisen und den Logikbausteinen konnten verhältnismäßig komplexe Stromrichterregelungen, wie z. B. für eine Drehstromasynchronmaschine, mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand verwirklicht werden.

Vor rund zehn Jahren wurde aufgezeigt, daß sich Stromrichter recht gut mit Mikroprozessoren steuern lassen. Diese Technik ist allerdings erst heute wirtschaftlich vertretbar geworden.

In der EP-OS 0 259 240 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zur Steuerung eines zwangskommutierten Umrichters beschrieben. Dabei steht ein Signalprozessor in Verbindung mit einem Speicher in dem verschiedene Muster zur Erzeugung von pulsbreitenmodulierten Signalformen in einem weiten Bereich für verschiedene Frequenzen abgespeichert sind. Dadurch kann für jeden Betriebspunkt eine vorteilhafte Aufhebung der harmonischen Schwingungen «reicht werden. Eine in dieser EP-OS erwähnte weitere Einrichtung besteht dabei aus drei Mikroprozessoren zur Bildung des pulsbreitenmodulierten Signales und ein vierter ist zur Synchronisation der drei anderen und der Erzeugung ein« Phasenverschiebung vorgesehen.

Der Wirkungsgrad stromrichtergespeister Drehstromantriebe wird aufgrund des hohen Stromrichterwirkungsgrades, der zwischen 90 % und 95 % liegt, vor allem durch den Motor bestimmt.

Durch geeignete Spannungspulsmuster ist es möglich, den Verlauf des Ständerflusses gut an die ideale Kreisbahn anzunähem. Dadurch werden die Verzerrungsstreuflüsse und damit die Verzerrungsströme extrem klein gehalten.

Allgemein kann gesagt werden, daß beim Spannungszwischenkreisumrichter noch einige Verbesserungen der heute üblichen Pulsverfahren vorgenommen werden müssen, um im Bereich der Nenndrehzahl bessere Gesamtwirkungsgrade zu erzielen als beim Stromzwischehkreisumrichter.

Bei hochdynamischen Antrieben kommen aufgrund der geforderten Reaktionszeiten nur Antriebe mit Spannungszwischenkreisumrichtem zur Anwendung.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, ein Regelungssystem mit hoher Dynamik zu schaffen, dessen Gesamtaufwand, durch Einschränkung der Anzahl der notwendigen Meßgrößen, wesentlich verringert wird.

Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst. Diese ist dadurch gekennzeichnet, daß zweiMikroprozessoren, von denen einer als Regelungsprozessor und der andere als Pulsmusterprozessor für zeitkritische Berechnungen arbeitet, mit dazwischen angeordneter Übergabeeinheit, vorzugsweise ein Dual-Port-RAM, vorgesehen sind, und daß während eines jeden Rechenzyklusses, welch« die Zeit zwischen zwei Interruptimpulsen ist, der Pulsmusterprozessor aus einem in einem Zählerbefin<üichenWert,derproportional dermit einem Aufnehmer erfaßten Drehzahl der Asynchronmaschine ist, die mechanische Kreisfrequenz der Asynchronmaschine berechnet und in diesem sowie im Regelungsprozessor ablegt, und dieser aus dies« Kreisfrequenz, d« in diesem Prozessor während dieses Rechenzyklusses vorher ausgewerteten Zwischenkreisspannung und dem einer Prozeßführung entnommenen Sollwert für Drehmoment od« Drehzahl mit einem nachgebildeten Flußrechner mit vorgeschalteter Flußvorgabe, einem nachgebildeten Begrenzungsrechn«, einem nachgebildeten Stromkomponenten- und einem nachgebildeten Spannungskomponentenrechner, wobei die nachgebildeten Rechner in vorgenannter Reihenfolge abgearbeitet weiden, die Werte für die Teilkomponenten d« Statorspannungen, die Statorflußkomponenten und die Rotorkteis-frequenz berechnet, und dieseWerte in der Übergabeeinheitabgespeichertwerden, und daß der Pulsmusterprozessor nach der Berechnung der mechanischen Kreisfrequenz aus den Teilkomponenten der Statorspannungen, den Statorflußkomponenten, derRotorkreisffequenz und der aktuellsten mechanischen Kreisfrequenz üb« die Berechnung d« Statorkreisffequenz die drehfeldfesten Statorspannungskomponenten «mittelt und mit der aktuellsten ausgewerteten Zwischenkreisspannung die Umschaltzeitpunkte d« Halbleiterschaltelemente des Wechselrichters des Umrichters bzw. das Pulsmuster berechnet, und daß während eines ersten Rechenzyklusses die Drehzahl der Asynchronmaschine im Zähler erfaßt wird, während eines zweiten Rechenzyklusses die mechanische Kreisfrequenz aus dem Zählerwert berechnet und im Regelungsprozessor abgelegt wird, und dieser die Werte für die Teilkomponenten der Statorspannungen, die Statorflußkomponenten und die Rotorkreisfrequenz berechnet, während -2-

AT 396 639 B eines dritten Rechenzyklusses im Pulsmusterprozessor mit den vorher im Regelungsprozessor berechneten Werten und der in diesem Zyklus ermittelten mechanischen Kreisfrequenz und ausgewerteten Zwischenkreisspannung die Umschaltzeitpuhkte der Halbleiterschaltelemente des Wechselrichters bzw. das Pulsmuster festlegt, welche bzw. welches bei einem vierten Rechenzyklus im Wechselrichter berücksichtigt werden. Der Hardwareaufwand bei S diesem neuen Regelungssystem ist sehr gering. Außerdem werden kleine Totzeiten und kleine Abtastzeiten «reicht.

Auch optimale Anregelzeiten bei Belastung können erreicht werden. Weiters ist durch die Arbeitsaufteilung auch eine optimale Prozessoraufteilung möglich.

Von Vorteil ist, daß die nachgebildete Flußvorgabe aus einem Glättungsglied, an welches die ausgewertete Zwischenkreisspannung gelangt, besteht, dem ein Dividierer nachgeschaltet ist, der die geglättete Zwischenkreis-10 Spannung durch den über einen Betragsbildner ermittelten Betrag der Statorkreisfrequenz dividiert, und daß dem Dividierer ein Komparator folgt, der zwei Umschalter steuert, von denen an einem der Betrag der Statorkreisfrequenz fürden Feldschwächbereich und einkonstanter Wert für denKonstantfeldbereich gelangt, wobei das Ausgangssignal dieses ersten Umschalters mit einem Spannungsfaktor multipliziert wird, und daß ein Dividierer die geglättete Zwischenkreisspannung durch das mitdem Spannungsfaktor multiplizierte Ausgangssignal des ersten Umschalters divi-15 diert, und daß dem zweiten Umschalter das Ausgangssignal dieses Dividierers und der Kehrwert des Spannungsfäk- tors zugeführt wird, dessen Ausgangssignal über einen Quadrierer an eine Subtraktionsstelle gelangt, der die ebenfalls quadrierte maximal mögliche drehmomentbildende Statorflußkomponente zugeführt wird, und daß am Ausgang eines Radizierers, der mit der Subtraktionsstelle verbunden ist, der Sollwert der feldbildenden Komponente des Staiorflusses auftritt. Eine Umschaltung zwischen Konstantfeldbereich und Feldschwächbereich ist von der Zwi-20 schenkreisspannung und der Statorfrequenz abhängig. Durch die nachgebildete Flußvorgabe ist dabei eine optimale

Spannungsausnutzungmöglich. DerSpannungsfaktorbietetdieMöglichkeitfiir die Flußvorgabe denStatorwiderstand zu berücksichtigen. Der Spannungsfaktor beinhaltet auch eine Spannungsreserve für dynamische Vorgänge.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung besteht der nachgebildete Flußrechner aus einem Glättungsglied, dem die feldbildende Statorflußkomponente multipliziert mit ein« Maschinengröße, welche die Hauptinduktivität 25 dividiertdurchdieStatorinduktivitätist,zuführbarist,unddieseGrößentitd«n Ausgangssignal des Glättungsgliedes, welches die Rotorflußkomponente ist, verknüpft wird, und daß diese Größe multipliziert mit dem Kehrwert des Streufaktors die mit d« Rotorzeitkonstante bew«tete Ableitung des Rotorflusses ist, und daß die Verzögerungszeit des Glättungsgliedes die subtransiente Rotoizeitkonstante, die der rotorseitigen Streureaktanz dividiert durch den den Betriebsbedingungen entsprechend nachgeführten Rotorwiderstand entspricht, ist. Damit wird die Differential-30 gleichung für den Rotorfiuß auf einfache Weise gelöst Bei Ausführung in Analogtechnik würde man zur Lösung der

Differentialgleichung aufwendige Rechenregelkreise benötigen. Außer der Rotorflußkomponente wird auch die Änderung dieser ermittelt

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß der nachgebildete Begrenzungsrechner einen Multiplizierer aufweist, der den quadrierten Betrag des Statorflusses mit einer maschinenabhängigen Konstante multipliziert und 35 dieser Wert der das Kippmoment darstellt, durch die Rotorflußkomponente dividiert und anschließend mit einer Maschinengröße,welche dieRotorinduktivität dividiert durch dieHauptinduktivität ist, multiplizi«t wird,unddiese Größe die einer Minimalwertauswahl zuführbare in der Nähe des Kippunktes für konstante Rotoikreisfrequenz gültige momentenbildende Statorstromkomponente ist, und daß die radizierte Differenz aus dem quadrierten maximal möglichen Statorstrom und der quadrierten feldbildenden Statorstromkomponente ebenfalls der Minimal-40 wertauswahl zuführbar ist, und daß am Ausgang der Minimalwertauswahl immer die maximal mögliche drehmomentbildende Statorstromkomponente auftritt, welche multiplizi«t mit der statorseitigen Stteureaktanz die maximal mögliche drehmomentbildende Stattsflußkomponente ergibt, unddaß die maximal möglichediehmoment· bildende Statorstromkomponente multipliziert mit ((«Rotorflußkomponente und einer Maschinengröße, welche die Hauptinduktivität dividiert durch die Rotorinduktivität ist, das maximal mögliche Drehmoment ist. Durch den 45 Begrenzungsrechner wird verhindert, daß unzulässige Werte des Statorstromes auftreten.

Vorteilhaft ist ferner, daß der nachgebildete Stromkomponentenrechner zur Rotorflußkomponente die mit der Rotorzeitkonstantebewertete Ableitung desRotorflusses addiert und dies« Wert dividiertdurchdieHauptinduktivität die feldbildende Statorstromkomponente ist, und daß die Rotorflußkomponente einem Magnetisierungskenn-liniennachbildner zuführbar ist, der an den beiden Ausgängen die Hauptinduktivität und die Statorinduktivität liefert, 50 und daß der üb« einen Anstiegsbegrenz« geführte Drehmomentsollwert dividiert durch die Rotorflußkomponente und anschließender Multiplikation mit einer Maschinengröße, welche die Rotorinduktivität dividiert durch die Hauptinduktivität ist, die momentenbildende Statorstromkomponente ist, und daß der Wert des durch die Rotorflußkomponente dividierten anstiegshegienzten Drehmomentsollwertes multipliziert mit einer Maschinengröße, die die Streuinduktivität des Rotorfeldes dividiert durch die Hauptinduktivität ist, und der Statorinduktivität die 55 drehmomentbildende Statorflußkomponente ergibt, und daß der Wert dividiert durch die Rottsflußkomponente und anschließend« Multiplikation mit dem Rotorwiderstand die Rotoikreisfrequenz darstellt. Bei der Berechnung d« feldbildend«! Statorstromkomponente wird eine Sättigung angenommen, durch welche die Sättigung des Haupt- -3-

AT 396 639 B feldesberücksichtigtist.Weiters wird hierdieRotorkreisfrequenzsehr exakt den tatsächlichen Betriebsbedingungen nachgebildet

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, daß der nachgebildete Spannungskomponentenrechner im Regelungsprazessor die feldbildende und die momentenbildende Statorstromkomponente mit dem Statorwiderstand 5 multipliziert, und daß die, feldbildende, so wie die drehmomentbildende Statorflußkomponente je einem Differentiator zufühibar ist Hin wird der Statorwiderstand berücksichtigt wodurch auch bei kleinen Frequenzen eine hohe Genauigkeit erreicht wird. Außerdem erfolgt die Differentiation mit geringem Aufwand.

Letztlich ist noch von Vorteil, daß der Anstiegsbegrenzer bei jeder Eingangsänderung, insbesondere einer sprunghaften, am Ausgang denEingangswertin Stufen, deren Anzahl durch die Zahl von wählbaren Abtastschritten 10 vorgegeben ist erreicht, wobei der Hub der ersten und der letzten Stufe nur die Hälfte der dazwischenliegenden beträgt Dadurch wird der Drehmomentsollwert derart begrenzt daß die im Stromkomponentenrechner berechneten Größen und die danach berechneten zeitlichen Ableitungen dieser Größen bestmöglich zusammenpassen.

An Hand der Zeichnungen wird die Erfindung nun noch näher erläutert Die Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild des Regelungssystems, welches an einen Umrichter angeschlossen ist, der eine Asynchronmaschine speist, die Fig. 2 15 zeigt den Verfahrensablauf des Regelungssystems, Fig. 3 stellt die Flußvorgabe dar, Fig. 4 zeigt den Flußrechner, aus Fig. 5 ist der Begrenzungsrechner entnehmbar, Fig. 6 zeigt den Verlauf des Drehmomentes über der Drehzahl in den verschiedenen Bereichen, Fig. 7 stellt den Stroihkomponentenrechner dar, aus Fig. 8 geht der nachgebildete Spannungskomponentenrechner hervor und die Fig. 9 zeigt das Raumzeigerdiagramm einer Asynchronmaschine.

DieFig. 1 zeigt eine über einen Umrichter (7), (8) gespeiste Asynchronmaschine (9). Der Umrichter (7), (8), ein 20 Spannungszwischenkreisumrichter, besteht aus einem Gleichricher (7) und einem Wechselrichter (8). Der Gleichrichter (7) ist am Drehstromnetz (13) angeschlossenundder Wechselrichter (8)istmitder Asynchronmaschine (9) verbunden. Im Spannungszwischenkreis ist ein Kondensator (14) zur Glättung vorgesehen. Das Regelungssystem besteht aus zwei Prozessoren (1), (2) mit dazwischen angeordneter Übergabeeinheit (11), in welche ein- und ausgelesen werden kann. Im Regelungsprozessor (1) sind dieFlußvorgabe und die nachgebildeten Rechner abgelegt, 25 welche der Fluß-, der Begrenzungs-, der Stromkomponenten- und der Spannungskomponentenrechner sind. Dies ist mit dem Block (3) symbolisiert. Dem Regelungsprozessor (1) wird auch von einer Prozeßführung der Sollwert für Drehmoment (m§0jj) oder Drehzahl (mm^0jj), die Zwischenkreisspannung (u j) und vom Pulsmusterprozessor (2) die mechanische Kreisfrequenz (cüm) zugeführt Der Pulsmusterprozessor (2) ftihrt die Drehzahlauswertung durch und ermittelt diedemRegelungsprozessor (1) übergebene mechanische Kreisfiequenz (mm) und die Statorkreisfrequenz 30 (ω§). Dies ist mit dem Block (6) dargestellt, der vom Regelungsprozessor (1) die berechnete Rotorkreisfrequenz (cojj) erhält In diesem Prozessor (2) werden auch die Polarkoordinaten des Statorspannungszeigers (u§) aus den Teilkomponenten der Statorspannung (r§igx> rgiSy), den Änderungen des Statorflusses (ψ§χ), (tygy), den Statorflußkomponenten (ψ§χ), (\|/§y), der Rotorkreisfrequenz (coR) und der aktuellsten mechanischen Kreisfrequenz (com) im Block (4) berechnet. Diese Koordinaten werden dem Pulsmusterbildner (5) zugeführt, der daraus 35 mit der Zwischenkreisspannung (u^) und der Statorkreisfrequenz (ω§) das Pulsmuster bzw. die Umschaltzeitpunkte für die Halbleiter des Wechselrichters (8) festlegt. Die Ausgangssignale (12) des Pulsmusterbildners (5) die das Pulsmuster sind, gelangen sodann über eine Ein-/Ausgabeeinheit (10) an den Wechselrichter (8).

Beim Verfahrensablauf in Fig. 2 sind die einzelnen Rechenzyklen mit (Tj) bezeichnet, welche die Zeiträume zwischen zwei Interruptimpulsen (20) sind, und die Erfassung der Drehzahlimpulse (21), sowie die Messung der 40 Zwischenkreisspannung (u^) sind als Block (22), (23) dargestellt.

In dieser Fig. stellt der obere Balken dieProzeßführung (24) dar, an welche die mechanische Kreisfrequenz (om) gelangt und die den Sollwert, entweder die Drehzahl (mmSnll) oder das Drehmoment (m§0jj), abgibt. Darunter sind die im Regelungsprozessor (1) stattfindenden Berechnungen schematisch als Blöcke (lj). (12) zu sehen, wobei die Länge der einzelnen Blöcke (lj), (12) die ungefähre Berechnungszeit angibt. Im Pulsmusterprozessor (2) sind 45 ebenfalls mit zwei Blöcken (2j), (22) die Berechnungsvorgänge dargestellt.

Weiters wird nun kurz der Berechnungsablauf und die Kommunikation zwischen den beiden Prozessoren (1), (2) erklärt. Die Drehzahlimpulse (21) werden während dar Zeit (Tn) gezählt und daraus wird im Pulsmusterprozessor (2) in (2j) die mechanische Kreisfrequenz (a>m) berechnet, welche über die Übergäbeeinheit dem Regelungsprozessor (1) zugeführt wird. In diesem Rechenzyklus (Tj2) wird vorher die im vorhergehenden Zyklus (Tjj) 50 gemessene Zwischenkreisspannung (u^) aufbereitet. Mit der aufbereiteten Zwischenkreisspannung (u^), dem SoUwert(m^|)undder mechanischen Kreisfrequenz(cöm) werden in(l])dieTeilkomponentenderStatorspannungen (rS*Sx’rSfy’^Sx’^Sy)'^e^tall^u*^^^nenten(VSx’VSv)>™^e^oto^*sfi^uenz((DR)ermittelt. Diese Werte werddn dem Pulsmusterprozessor (2) übergeben. Im nächsten Rechenzyklus (Tß) wird nach der Ermittlung der mechanischen Kreisfrequenz (a>m) mit dieser, der aktuellsten Zwischenkreisspannung (u^) und den vom 55 Regelungsprozessor (1) übergebenen Werten diedrehfeldfesten Stotorspannungskomponenten (ugx), (ugy) berechnet.

Nach einer Umwandlung der Statorspannungskomponenten (ugx), (ug_) in Polarkoordinaten wird im nächsten Rechenzyklus (Tj^) das neue bzw. geänderte Pulsmuster ausgegeben. Dies ist durch den Block (25) dargestellt. -4-

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Die nachgebildete Flußvorgabe in Fig. 3 besteht aus einem Glättungsglied (30), an welches die ausgewertete Zwischenkreisspannung (u^) gelangt. Diesem ist ein Dividierer (31) nachgeschaltet, der die geglättete Zwischenkreisspannung (u^*) durch den über einen Betragsbildner (32) ermittelten Betrag der Statorkreisfrequenz (c&g) dividiert Dem Dividierer (31) folgt ein Komparator (33), der zwei Umschalter (34), (35) steuert, von denen an einem 5 der Betrag der Statorkreisfrequenz (mg) für den Feldschwächbereich (FSB) und ein konstanter Wert (1) für den Konstantfeldbereich (KSB) gelangt Das Ausgangssignal dieses ersten Umschalters (34) wird sodann mit einem Spannungsfaktor (k) multipliziert, der eine Spannungsreserve von5 % berücksichtigt. Die geglätteteZwischenkreis-spannung (u^) wird von einem Dividierer (36) durch das mit dem Spannungsfaktor (k) multiplizierte Ausgangssignal des erstenUmschalters (34) dividiert Dem zweiten Umschalter (35) wird das Ausgangssignal dieses Dividierras (36) 10 und der Kehrwert des Spannungsfaktors (k) zugeführt. Das Ausgangssignal dieses Umschalters (35) gelangt danach 15 Über einen Quadrierer (37) an eine Subtraktionsstelle (38), der die ebenfalls quadrierte maximal mögliche dreh-momenfbildende Statorflußkomponente tygy max) zugeführt wird. Am Ausgang eines Radizierers (39), der mit der Subtraktionsstelle (38) verbunden ist tritt der Sollwert der feldbildenden Komponente des Statorflusses (ψςχ) auf. In der gezeichneten Stellung der beiden Umschalter (34), (35) werden die Signale für den Feldschwächbereich (FSB) durchgeschaltet. Durch diese Flußvorgabe bleibt der Betrag des Statorflusses im Konstantfeldbereich (KFB) konstant und im Feldschwächbereich (FSB) nimmt er umgekehrt proportional zur Statorkreisfrequenz (ω$) ab. 20

Der nachgebildete Flußrechner in Fig. 4 besteht aus einem Glättungsglied (50), dem die feldbildende Statorflußkomponente (\ggx) multipliziertmit einer Maschinengröße, welchedie Hauptinduktivität (1^) dividiertdurch die S tatorinduktivität (lg) ist, zuführbar ist. Diese Größe wird mit dem Ausgangssignal des Glättungsgliedes, welches die Rotorflußkomponente (ψ^) ist, verknüpft Diese weitere Größe (Τβ"ψβχ) ergibt multipliziert mit dem Kehrwert des Streufaktras (σ) die mit der Rotorzeitkonstante (TR) bewertete Ableitung des Rotorflusses (ψβχ). Die Verzögerungszeit des Glättungsgliedes (50) ist dabei diesubtransienteRotorzeitkonstante (TR") die der rotorseitigen Streureaktanz (olR) dividiert durch den den Betriebsbedingungen entsprechend nachgeführten Rotorwiderstand (rR) entspicht. 25 Der nachgebildete Begrenzungsrechner, welcher der Fig. 5 entnehmbar ist, weist einen Multiplizierer (60) auf, der den quadrierten Betrag des Statorflusses (|ψς|) mit einer maschinenabhängigen Konstante multipliziert. Dieser Wert der das Kippmoment (mKipp) darstellt wird durch dieRotraflußkomponente (ψβχ) dividiert und anschließend mit einer Maschinengröße, welcne die Rotorinduktivität (1R) dividiert durch die Hauptinduktivität (1^) ist, multipliziert. Diese Größe ist die einer Minimalwertauswahl (61) zufühibare in der Nähe des Kippunktes für konstante 30 Rotorkreisfrequenz gültige momentenbildende Statoistromkomponente (ίς _). Weiters wird die radizierte Differenz aus dem quadrierten maximal möglichen Statorstrom 0gmax/ und aer quadrierten feldbildenden Statorstromkomponente (igx) ebenfalls der Minimalwertauswahl (61) zugeführt. Am Ausgang der Minimalwert-auswahl (61) tritt immer die maximal mögliche drehmomentbildende Statorstromkomponente ('sy,max) nuf» welche multipliziert mit der statorseitigeR Streureaktanz (σ1§) die maximal mögliche drehmomentbildende 35 Statorflußkomponente (¥gy5max) ergibt. Die maximal mögliche drehmomentbildende Statorstromkomponente (isyjmav)multipliziertmitaer Rotorflußkomponente (YRv)imd einer Maschinengröße,welche dieHauptinduktivität (ljj) dividiert durch die Rotorinduktivität Gr) ist, ist das maximal mögliche Drehmoment (mmax). 40 45

Die Fig. 6 zeigt den prinzipiell angestrebten Verlauf des erzeugten Drehmomentes (m) über der Drehzahl bzw. mechanischen Kreisfrequenz (tom) für die Drehstrom-Asynchronmaschine. Im Bereich konstanten Feldes (KFB) ist der Rotorfluß (\yR) und das innere Moment (m j) konstant Bei konstantem Moment ist daher auch der Statrafluß (ψ§) konstant Nach Eintritt in den Feldschwächbereich (FSB) wird die zulässige Statorstromkomponente (igy) so berechnet, daß die abgegebene Leistung der Asynchronmaschine näherungsweise konstant ist Das Moment nimmt daher näherungsweise proportional mit (l/mm) ab. Bei Erreichen des Kippschlupfes (70), dessen Wert von der jeweiligen Maschine abhängt, wird die Rotorkreisfrequenz (ß>R) konstant gehalten, wobei das Moment mit (l/mm^) abnimmt

Bei dem nachgebildeten Stromkomponentenrechner in Fig. 7 wird zur Rotorflußkomponente (ψβχ) die mit der Rotorzeitkonstante (TR) bewertete Ableitung des Rotorflusses (ψ^χ) addiert Dieser Wert dividiert durch die Hauptinduktivität Qj|) ist die feldbildende Statorstromkomponente (igx). Die Rotorflußkomponente (ψΒγ) isteinem Magnetisierungskennliniennachbildner (80) zuführbar, der an den beiden Ausgängen die Hauptinduktivität (ljj) und 50 die Statorinduktivität (lg) liefert. Der über einen Anstiegsbegrenzra (81) geführte Drehmomentsollwrat (mg0j|) dividiert durch die Rotorflußkomponente (ψ^) und anschließender Multiplikation mit einer Maschinengröße, welche die Rotorinduktivität (Ir) dividiert durch die Hauptinduktivität Gjj) ist, ergibt die momentenbildende Statorstromkomponente (igy). Der Wert des durch die Rotorflußkomponente (Vr*) dividierten anstiegsbegrenzten Drehmomentsollwertes (mg0jj) wird mit einer Maschinengröße, die die Streuinduktivität des Rotorfeldes (alR) 55 dividiert durch die Hauptinduktivität (1^) ist, und der Statorinduktivität 0g) multipliziert, wodurch sich die drehmomentbildende Statorflußkranponente (Vgy) ergibt. Weiters stellt der Wert dividiert durch die Rotorflußkomponente 0%χ) und anschließender Multiplikation mit dem Rotorwiderstand 0¾) die Rotorkreis&equenz (mR) -5-

Claims (7)

1. AT 396 639 B dar. Der Anstiegsbegrenzer (81) erreicht bei jeder Eingangsänderung, insbesondere einer sprunghaften, am Ausgang den Eingangswert in Stufen, deren Anzahl durch die Zahl von wählbaren Abtastschritten vorgegeben ist. Der Hub der ersten und der letzten Stufe beträgt dabei nur die Hälfte der dazwischenliegenden Stufen. Der inFig.8ersichtliche nachgebildete Spannungskomponentenrechner im Regelungsprozessor (1) multipliziert die feldbildende und die momentenbildende Statorstromkomponente (igx), (igj mitdem Statorwiderstand (rg). Die feldbildende, sowie die drehmomentbildende Statorflußkomponente (ψ§χ)> (fygy) *st hier je einem Differentiator (100), (101) zuführbar. Aus den dem Pulsmusterprozessor (2) übergebenen Werten (r§igx, rgigy, ψ§χ, tygy, ψ§χ, ψ§„, oiß) ermittelt dieser die Statorspannungskomponenten (ugx), (ugy). Im in Fig. 9 dargestellten Raumzeigerdiagramm ist das drehfeldfeste Koordinatensystem (x, y) eingezeichnet. Die x-Achse ist hier in Richtung des Rotorflusses (ψρ) angenommen, wodurch die feldbildende Rotorflußkomponente (ψ]^) dem Rotorfluß (ψρ) entspricht. Die momentenbildende Komponente (\gpy) ist dabei 0. Dies ist eine Annahme die auch für das Regelungssystem gilt. Weiters ist in diesem Raumzeigediagramm das Statorkoordinatensystem (a), (ß) eingezeichnet, sowie der mitlaufende Winkel (φ^), welcher (cüg.t) ist In diesem Diagramm ist auch noch der Statorspannungszeiger (ug), der Statorstromzeiger (ig), der Rotorstromzeiger (ip), der Magnetisierungsstromzeig»' (^), der Hauptflußzeiger (ψ^) und der Statorflußzeiger tyg) dargestellt PATENTANSPRÜCHE 1. Regelungssystem für einen Spannungszwischenkreisumrichter der eine Asynchronmaschine speist bestehend aus Mikroprozessoren, wobei einer die Pulsmuster »zeugt, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Mikroprozessoren (1, 2), von denen einer als Regelungsprozessor (1) und der andere als Pulsmusterprozessor (2) für zeitkritische Berechnungen arbeitet mit dazwischen angeordneter Übergabeeinheit (11), vorzugsweise ein Dual-Port-RAM, vorgesehen sind, und daß während eines jeden Rechenzyklusses (Tj), welch» die Zeit zwischen zwei Interruptimpulsen ist, der Pulsmusterprozessor (2) aus einem in einem Zähler befindlichen Wert der proportional der mit einem Aufnehmer erfaßten Drehzahl der Asynchronmaschine (9) ist, die mechanische Kreisfrequenz (mm) der Asynchronmaschine (9) berechnet und in diesem, sowie im Regelungsprozessor (1) ablegt, und dies» aus dieser Kreisfrequenz (o^), der in diesem Prozessor (1) während dieses Rechenzyklusses (Tj) vorher ausgewerteten Zwischenkreisspannung (u^) und dem ein» Prozeßführung (24) entnommenen Sollwert für Drehmoment (m^Qp) oder Drehzahl (ca,,, Snll) mit einem nachgebildeten Flußrechner mit vorgeschalteter Flußvorgabe, einem nachgebildeten Begrenzungsrechner, einem nachgebildeten Stromkomponenten- und einem nachgebildeten Spannungskomponentenrechner, wobei die nachgebildeten Rechner in vorgenannter Reihenfolge abgearbeitet werden, die Werte für die Teilkomponenten d» Statorspannungen (rgJgx; rg jgy; ygx; \Jre,), die Statorflußkomponenten tygx, Vg ) und die Rotorkreisfrequenz (Og) berechnet, und diese Werte in der Ub»gabeeinheit (11) abgespeichert werden, und daß der Pulsmusterprozessor (2) nach der Berechnung der mechanischen Kreisfrequenz (®m) aus den Teilkomponenten der Statorspannungen (rgdgx; rgjgyj i$rgx; \ffgJ, den Statorflußkomponenten (\|fgx, \|tg ), der Rotixkreisfrequenz (o>ß) und der aktuellsten mechanischen Kreisnequenz (com) üb» die Berechnung der Sfatorkreisfrequenz (mg) die drehfeldfesten Statorspannungskomponenten (ugx, Ugy) ermittelt und mit der aktuellsten ausgew»teten Zwischenkreisspannung (ud) die Umschaltzeitpunkte der Halbleiterschaltelemente des Wechselrichters (8) des Umrichters (7, 8) bzw. das Pulsmuster berechnet, und daß während eines ersten Rechenzyklusses (Tq) die Drehzahl der Asynchronmaschine (9) im Zähl» »faßt wird, während eines zweiten Rechenzyklusses 0¾) die mechanische Kreisfrequenz (com) aus dem Zählerwert berechnet und im Regelungsprozcssor (1) abgelegt wird, und dieser die Werte für die Teilkomponenten d» Statorspannungen (rg.i§x; rg jgy; \jfgx; ygy), die Statorflußkomponenten (ψ§χ, Ygy) und die Rotorkreisfrequenz (ω^) berechnet, während eines dritten Rechenzyklusses (Tq) im Pulsmusterprozessor (2) mit den vorher im Regelungsprozessor (1) berechneten Werten und der in diesem Zyklus ermittelten mechanischen Kreisfrequenz (mm) und ausgewerteten Zwischenkreisspannung (u^) die Umschaltzeitpunkte d»Halbleiterschaltelemente des Wechselrichters (8) bzw. das Pulsmusters festlegt, weichebzw. welches bei einem vierten Rechenzyklus (Tj4) im Wechselricht» (8) berücksichtigt w»den.
2. 2. Regelungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nachgebildete Flußvorgaibe aus einem Glättungsglied (30), an welches die ausgewertete Zwischenkreisspannung (u^) gelangt, besteht, dem ein Dividi»» -6- 5 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 AT 396 639 B (31) nachgeschaltet ist, der die geglättete Zwischenkreisspannung (u^') durch den über einen Betragsbildner (32) ermittelten Betrag da* Statorkreisfrequenz (tög) dividiert, und daß dem Dividierer (31) ein Komparator (33) folgt, der zwei Umschalter (34,35) steuert, von denen an einem der Betrag der Statorkreisfrequenz (CQg) für den Feld-schwächbereich und ein konstanter Wert (1) für den Konstantfeldbereich gelangt, wobei das Ausgangssignal dieses ersten Umschalters (34) mit einem Spannungsfaktor (k) multipliziert wird, und daß ein Dividierer (36) die geglättete Zwischenkreisspannung (u J) durch das mit dem Spannungsfaktor (k) multiplizierte Ausgangssignal des ersten Umschalters (34) dividiert, und daß dem zweiten Umschalter (35) das Ausgangssignal dieses Dividierers (36) und der Kehrwert des Spannungsfäktors (k) zugeführt wird, dessen Ausgangssignal über einen Quadrierer (37) an eine Subtraktionsstelle (38) gelangt, der die ebenfalls quadrierte maximal mögliche drehmomentbildende Statorflußkomponente (VsyjTngY) zugeführt wird, und daß am Ausgang eines Radizierras (39), der mit der Subtraktionsstelle (38) verbunden ist, der Sollwert der feldbildenden Komponente des Statorflusses (ψ§χ) auftritt
3. 3. Regelungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der nachgebildete Flußrechner aus einem Glättungsglied (50) besteht, dran die feldbildende Statorflußkomponente (ψ§χ) multipliziert mit einer Maschinengröße, welche die Hauptinduktivität (1^) dividiert durch die Statorinduktivität (lg) ist, zuführbar ist, und diese Größe mit dran Ausgangssignal des Glättungsgliedes, welches die Rotorflußkomponente (ψβχ) ist, verknüpft wird, und daß diese Größe (tr"Vrx) multipliziert mit dran Kehrwert des Streufaktors (σ) die mit der Rotoizeit-konstante (Tg) bewertete Ableitung des Rotorflusses (ψ^) ist, und daß die Verzögerungszeit des Glättungsgliedes die subtransiente Rotorzeitkonstante (Tg") die der rotorseitigen Streureaktanz (dg) dividiert durch den den ;, ist
4. 4. Regelungssystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der nachgebildete Begrenzungsrcchner einen Multiplizierer (60) aufweist, der den quadrierten Betrag des Statorflusses (|ψς|2) mit einer maschinenabhängigen Konstante multipliziert und dieser Wert der das Kippmoment (mK- ) darstellt, durch (lg) dividiert durch die Hauptinduktivität (Ijj) ist, multipliziert wird, und diese Größe die einer Minimalwertauswahl (61) zuführbare in der Nähe des Kippunktes für konstante Rotorkreisfrequenz gültige momentenbildende Statorstromkomponente (igy jcipp) ist und daß die radizierte Differenz aus dem quadrierten maximal möglichen Statorstrom (|iglmax) und der quadrierten feldbildenden Statorstromkomponente (igx) ebenfalls der Minimalwertauswahl (61) zuführbar ist, und daß am Ausgang der Minimalwertauswahl (61) immer die maximal mögliche drehmomentbildende Statorstromkomponente (igy>max) auftritt, welche multipliziert mit der statorseitigen Streureaktanz (σ!§) die maximal mögliche drehmomentbildende Statorflußkomponente (yg w) ergibt, und daß die maximal mögliche drehmomentbildende Statorstromkomponente (igy maif) multipliziert mit der Rotorflußkomponente (ψ^χ) und einer Maschinengröße, welche die Hauptinduktivität (L) dividiert durch die Rotorinduktivität (lg) ist, das maximal mögliche Drehmoment (mmax) ist.
5. 5. Regelungssystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der nachgebildete Stromkomponentenrechner zur Rotorflußkomponente (Vgg) die mit der Rotorzeitkonstante (Tg) bewertete Ab- Statorstromkomponente (igx) ist, und daß die Rotorfiußkomponente (ψβχ) einem Magnetisierungs-kennliniennachbildner (80) zuführbar ist, der an den beiden Ausgängen die Hauptinduktivität (1^) und die dividiert durch die Rotorfiußkomponente (yBx) und anschließender Multiplikation mit einer Maschinengröße, welche die Rotorinduktivität (lg) dividiert durch die Hauptinduktivität (1^) ist, die momentenbildende Statorstromkomponente (igy) ist, und daß der Wert des durch die Rotorfiußkomponente (ygx) dividierten anstiegsbegrenzten Drehmomentsollwertes (mg0u)multipliziertmitemerMaschinengröße,diedieStreuinduktivität des Rotorfeldes (olg) dividiert durch die Hauptinduktivität (1],) ist, und der Statarinduktivität (lg) die dreh· momentbildende Statorflußkomponente (ySy) ergibt, und daß der Wert dividiert durch die Rotorfiußkomponente (ygx) und anschließender Multiplikation mit dem Rotorwiderstand (rg) die Rotorkreisfrequenz (o>g) darstellt.
6. 6. Regelungssystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der nachgebildete Spannungskomponentenrechner im Regelungsprozessor (1) die feldbildende und die momentenbildende Statorstromkomponente (igx, igy) mit dem Statorwiderstand (rg) multipliziert, und daß die, feldbildende, sowie die drehmomentbildende Statorflußkomponente (ψ8χ, ySy) je einem Differentiator (100,101) zuführbar ist
7. 7. Regelungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Anstiegsbegrenzra (81) bei jeder Eingangsänderung, insbesondere einer Sprunghaften, am Ausgang den Eingangswrat in Stufen, deren Anzahl durch die -7- 55 AT 396 639 B Zahl von wählbaren Abtastschritten vorgegeben ist, erreicht, wobei der Hub der ersten und der letzten Stufe nur die Hälfte der dazwischenliegenden beträgt. Hiezu 6 Blatt Zeichnungen -8-