AT397322B - Regelungssystem für einen spannungszwischenkreisumrichter - Google Patents

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Description

AT 397 322 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 groß» technischer Bedeutung sind die Zwischenkreisumrichter in ihren verschiedenen Ausbildungsformen als unter- und übersynchrone Stromrichterkaskade und als Stromzwischenkreis- und Spannungszwischenkreisumrichter.
Auch bei den Bahnantrieben ist der Trend vom Kommutatormotor zum Drehstrommotor unverkennbar. Bei den 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 weiden in Drehstromtechnik mit Phasenfolgewechselrichter ausgeführt
Der Wirkungsgrad stromrichtergespeister Drehstromantriebe wird aufgrund des hohen Stromrichterwirkungs-grades, der zwischen 90 % und 95 % liegt vor allem durch den Motor bestimmt
Die moderne Stromrichtertechnik wäre ohne die enormen Fortschritte in der Informationselektronik nicht denkbar. Analoge Schaltkreise, wie Verstärker, Multiplizierer, Dividiererund 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.
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.
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 erreicht 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 einer Phasenverschiebung vorgesehen.
Allgemein kann gesagt werden, daß beim Spannungszwischenkreisumrichter noch einige Verbesserungen bei den heute üblichen Pulsverfahren vorgenommen werden müssen, um im Bereich der Nenndrehzahl bessere Gesamtwirkungsgrade zu erzielen als beim Stromzwischenkreisumrichter.
Bei hochdynamischen Antrieben kommen aufgrund der geforderten Reaktionszeiten nur Antriebe mit Spannungszwischenkreisumrichtem und einer feldorientierten Regelung zur Anwendung.
Sind die Parameter (Widerstände und Induktivitäten) einer Asynchronmaschine nicht genau bekannt, ist die erforderliche richtige Orientierung des Rotorflusses nicht mehr gewährleistet. Insbesondere die genaue Kenntnis der Rotorzeitkonstante Tr = 1r/tr ist Voraussetzung für die Entkopplung in feld- und momentenbildende Komponenten.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, bei einem Regelungssystem mit hoher Dynamik die dabei erforderlichen Parameter jederzeit zu jedem Betriebspunkt der Asynchronmaschine richtig zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß für eine feldorientierte Regelung zwei Mikroprozessor»!, 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 im Regelungsprozessor die für die Regelung erforderlichen Parameter der Asynchronmaschine, welche der Statorwiderstand der Rotorwiderstand und die Statorinduktivität sind, nachgeführt sind. Die Induktivitäten der Asynchronmaschine sind abgesehen von der Sättigung kaum veränderlich. Mit der Betriebstemperatur der Asynchronmaschine ändern sich allerdings der Stator- und der Rotorwiderstand wesentlich, sodaß eine Nachführung der in der Regelung bekannten und eingestellten Werte für den Statorwiderstand (r§) und den Rotorwiderstand (rjj) notwendig ist. Für die verbleibenden Maschinenparameter empfiehlt sich eine automatische Erkennung, damit diese nicht erst vom Betreiber hündisch eingestellt werden müssen. Für die Statorinduktivität (lg) muß die Sättigung berücksichtigt werden. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist zur Nachführung des Statorwiderstandes eine nachgebildete Aktivierungseinrichtung vorhanden, der die Statorkreisffequenz, der Drehmomentsollwert und ein Impulsfreigabesignal zugeführt ist und diese Aktivierungseinrichtung ein Signal an eine nachgebildete Anordnung zur Behandlung des S tandardwertes des S tatorwiderstandes abgibt, und daß die feldbildende Statorspannungskomponente abzüglich der zeitlichen Ableitung der feldbildenden Statorflußkomponente mit der feldbildenden Statorstromkomponente multipliziert wird und dieser Wert einem Addierer zugeführt ist, und daß die drehmomentbildende Statorspannungskomponente abzüglich der zeitlichen Ableitung der drehmomentbildend»! -2-
AT 397 322 B
Statorflußkomponente mit der drehmomentbildenden Statorstromkomponente und einem Streuungsfaktor multipliziert wird und dieser Wert ebenfalls dem Addierer zugeführt ist, und daß der Ausgangswert des Addierers durch die Addition der quadrierten feldbildenden Statorstromkomponente mit der quadrierten und mit dem Streuungsfaktor multiplizierten drehmomentbildenden Statarstromkomponente dividiert wird, und daß dieser Wert der nachgebildeten Anordnung zur Behandlung des Standardwertes des Statorwiderstandes zugeführt ist, an die weiters auch der Standardwert des Statorwiderstandes und ein Aktivierungssignal für diesen Standardwert gelangt und daß das Ausgangssignal der Anordnung zur Behandlung des Standardwertes des Statorwiderstandes einem einstellbaren Begrenzer zugeführt ist dessen Ausgangssignal den Statorwiderstand darstellt Dadurch isteine vom Rotorwiderstand unabhängige Ermittlung des Statorwiderstandes möglich. Die Nachführung des Statorwiderstandes wird im Betrieb ab einer Belastung von 20 % des Nennmomentes und beikleinen Statorfrequenzen (unter 15 Hz) durchgefuhrt Beim Ausschalten der Nachführung wird der Regler auf den zuletzt ermittelten Wert gesetzt. Um die Einstellbarkeit des Statorwiderstandes auf einen bestimmten Bereich zu beschränken wird dieser noch begrenzt.
Eine Weiterbildung der Erfindung liegt darin, daß zur Nachführung des Rotorwiderstandes ein Regler mit Begrenzung vorhanden ist, dem das Ausgangssignal bzw. das Reglerfreigabesignal einer zweiten nachgebildeten Aktivierungseinrichtung zugeführt ist, an die die Statorkreisfrequenz, der Drehmomentsollwert, ein Impulsfreigabesignal und die mechanische Kreisfrequenz gelangt, und daß dem Regio: die Soll-Istwert-Differenz der drehmomentbildenden Statorstromkomponente multipliziert mit der drehmomentbildenden Statorflußkomponente zugeführt ist, und daß zum Reglerausgangssignal ein konstanter Wert addiert wird und danach eine Multiplikation mit dem Standardwert des Rotorwiderstandes erfolgt und dieser Wert den Rotorwiderstand darstellt, und daß in einer nachgebildeten Anordnung aus dem Rotorwiderstand der Rotorinduktivität bzw. der dieser gleichgesetzten Statorinduktivität und dem Streuungsfaktor die subtransiente Rotorzeitkonstante ermittelt wird. Die Nachführung des Rotorwiderstandes wird nur unter Belastung bei höheren Statorfrequenzen aktiviert. Der Regler wird beim Ausschalten auf den zuletzt berechneten Wert gesetzt Bei raschen Drehzahländerungen wird die Nachführung deaktiviert Bei einer Statorflußänderung erreicht der Rotorfluß nach der subtransienten Rotorzeitkonstante dm neuen Wert
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß zur Nachführung der Statorinduktivität ein Regler mit Begrenzung vorhanden ist, dem das Ausgangssignal bzw. das Reglerfreigabesignal einer dritten nachgebildeten Aküvierungseinrichtung zugeführt ist, an die die Statorkreisfrequenz, dm Drehmomentsollwert und ein Impulsfreigabesignal gelangt, und daß dem Regler die Soll-Istwert-Differenz der feldbildenden Staiorstromkomponente zugeführt ist, und daß zum Reglerausgangssignal ein konstanter Wert addiert wird und danach eine Multiplikation mit der über einen nachgebildeten Magnetisierungskennlinienbildner geführten und mit einem Standardwert der Statorinduktivität multiplizierten feldbildenden Statorflußkomponente erfolgt und dieser Wert die Statorinduktivität darstellt. Die Nachführung der Statorinduktivität erfolgt einmalig im Nennpunkt (Nennfrequenz,NennspannungundNennfluß) der leerlaufenden Asynchronmaschine.EineNachführungim Betrieb ist nicht vorgesehen.
Der Begriff "Standardwert" stellt einen Grundwert dar, wobei im Falle des Statorwiderstandes dies dm Widerstandswert im Stillstand der Asynchronmaschine ist Für den Standardwert des Rotorwiderstandes und jenen für die Statorinduktivität trifft das ebenfalls zu.
An Hand der Zeichnungen wird die Erfindung nun noch näher erläutert Die Fig. 1 zeigt die Nachführung für den Statorwiderstand, Fig. 2 jene für den Rotorwiderstand, Fig. 3 die Nachführung für die Statorindüktivität und Fig. 4 stellt das Raumzeigerdiagramm einer Asynchronmaschine dar.
Die Nachführung des Statorwiderstandes (rg) in Fig. 1 besteht aus einer nachgebildeten Aktivierungseinrichtung (2), welcher die Statorkreisfrequenz (mg), der Drehmomentsollwert (m*) und ein Impulsfreigabesignal (IFG) zugeführt ist Weiters gibt diese Aküvierungseinrichtung (2) ein Signal an eine nachgebildete Anordnung (4) zur Behandlung des Standardwertes des Statorwidmstandes (rg*) ab. Bei der Nachführung des Statorwiderstandes (rg) wird auch die feldbildende Statorspannungskomponente (ugy) abzüglich der zeitlichen Ableitung der feldbildenden Statorflußkomponente (ψ§χ) mit der feldbildenden Statorstromkomponente (igx) multipliziert, wobei dieser Wert einem Addierer (5) zugeführt wird. Ebenso wird die drehmomentbildende S tatorspannungskomponente (ugy) abzüglich der zeitlichen Ableitung dm drehmomentbildenden Statorflußkomponente (ψ5γ) mit dm drehmoment-bildenden Statorstromkomponente (igy) und einem Streuungsfaktor (σ) multipliziert, wobei dieser Wert ebenfalls an den Addierer (5) gelangt. Der Ausgangswert des Addierers (5) wird durch die Addition aus der quadrierten feldbildenden Statorstromkomponente (igx) und dm quadrierten mit dem Streuungsfaktor (σ) multiplizierten drehmomentbildenden Statorstromkomponente (igy) dividiert. Dm Quotient wird dm nachgebildeten Anordnung (4) zur Behandlung des Standardwertes des Statorwiderstandes (rg*) zugeführt, an die weiters auch der Standardwert des Statorwiderstandes (rg*) und ein Aktivierungssignal (6) für diesen Standardwert gelangt Das Ausgangssignal der Anordnung (4) wird einem einstellbaren Begrenzer (20) zugeführt, dessen Ausgangssignal den Statorwiderstand (rg) darstellt Mit den Signalen rg* »kj undrg* k2 kann der obere und untere Grenzwert des Begrenzers eingestellt -3-

Claims (4)

  1. AT397 322 B werden, wobei (kj) und (k2) wählbare Werte sind. Bei der Anordnung zur Nachführung des Rotorwiderstandes (¾) in Fig. 2 wild einem Regler mit Begrenzung (7) das Ausgangssignal bzw. das Reglerfreigabesignal (8) einer zweiten nachgebildeten Aktivierungseinrichtung (9) zugeführt. An diese gelangt die Statorkreisfrequenz (ω§), der Drehmomentsollwert (m*), ein Impulsfreigabesignal 5 (IFG) und die mechanische Kreisfrequenz (0½). Dem Regler (7) wird weiters die Soll-Istwert-Differenz der drehmomentbildenden Statorstromkomponente (Δί§γ) multipliziert mit der drehmomentbildenden Statorflußkomponente (ψ§γ) zugeführt. Zum Reglerausgangssignal (10) wird ein konstanter Wert (1) addiert und danach erfolgt eine Multiplikation mit dem Standardwert des Rotorwiderstandes (rR*). Das Ausgangssignal der Multiplizierstufe stellt denRotorwiderstand (rjj) dar. In einer weiteren nachgebildeten Anordnung (11) wird aus dem 10 Rotorwiderstand (rjj) der Rotorinduktivität (Ir) bzw. der dieser gleichgesetzten Statorinduktivität (lg) und dem Streuungsfaktor (τ) die subtransiente Rotorzeitkonstante (Tr") ermittelt. Die Anordnung für die Nachführung der Statorinduktivität (lg) in Fig. 3 besteht ebenfalls aus einem Regler mit Begrenzung (15), dem das Ausgangssignal bzw. das Reglerfreigabesignal (16) einer nachgebildeten Aktivierungseinrichtung (17) zugeführt wird. An diese Aktivierungseinrichtung (17) gelangt auch die 15 Statorkreisfrequenz (cog), der Drehmomentsollwert (m*) und ein Impulsfreigabesignal (IFG). Dem Regler (15) wird die Soll-Istwert-Differenz der feldbildenden Statorstromkomponente (AigX) angelegt Zum Reglerausgangssignal (18) wird ein konstanter Wert (1) addiert und danach erfolgt eine Multiplikation mit der über einen nachgebildeten Magnetisierungskennlinienbildner (19) geführten und mit einem Standardwert der Statorinduktivität Os*) multiplizierten feldbildenden Statorflußkomponente (ψ§χ). Der Wert am Ausgang des Multiplizierers stellt die 20 Statorinduktivität (lg) dar. Im in Fig. 4 dargestellten Raumzeigerdiagramm ist das drehfeldfeste Koordinatensystem (x), (y) eingezeichnet. Die x-Achse ist hier in Richtung des Rotorflusses (\(iR) angenommen, wodurch die feldbildende Rotorflußkomponente (\|/rx) dem Rotorfluß (\|/r) entspricht. Die momentenbildende Komponente (Yry) ist dabei 0. Diese Orientierung des Rotorflußzeigers ist wesentlich für die Entkopplung der Asynchronmaschine, die bei einer 25 feldorientierten Regelung Voraussetzung ist. Diese Entkopplung gewährleistet, daß die x-Komponente des Statorstromes (igx) den Magnetisierungsstrom und die y-Komponente des Statorstromes (ί$γ) den Wirkstrom der Asynchronmaschine beschreibt. Weiters ist in diesem Raumzeigerdiagramm das Statorkooidinatensystem (a), (ß) eingezeichnet, sowie der mitlaufende Winkel (6j), welcher (wgj) ist In diesem Diagramm ist auch noch der Statorspannungszeiger (ug), der 30 Statorstromzeiger (ig), der Rotorstromzeiger (ir), der Magnetisierungsstromzeiger (im), der Hauptflußzeiger (ψ|,) und der Statorflußzeiger (\|fg) dargestellt. 35 PATENTANSPRÜCHE 1. Regelungssystem für einen Spannungsz wischenkreisumrichter der eine Asynchronmaschine speist, bestehend aus 40 Mikroprozessoren, wobei einer die Pulsmuster erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß für eine feldorientierte Regelung zwei Mikroprozessoren, von denen einer als Regelungsprozessor und der andere als Pulsmusteiprozessor für zeitkritische Berechnungen arbeitet,mit dazwischen angeordneter Übergabeeinheit, vorzugsweise ein Dual-Port-RAM, vorgesehen sind, und daß im Regelungsprozessor die für die Regelung erforderlichen Parameter der Asynchronmaschine, welche der Statorwiderstand (rg), der Rotorwiderstand 0¾) und die Statorinduktivität (lg) 45 sind, nachgeführt sind. 50
  2. 2. Regelungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Nachführung des Statorwiderstandes (rg) eine nachgebildete Aktivierungseinrichtung (2) vorhanden ist, der die Statorkreisfrequenz (cog), der Dreh-momentsollwert (m*) und ein Impulsfreigabesignal (IFG) zugeführt ist und diese Aktivierungseinrichtung (2) ein Signal an eine nachgebildete Anordnung (4) zur Behandlung des Standardwertes des Statorwiderstandes (rg*) abgibt, und daß die feldbildende Statorspannungskomponente (ugx) abzüglich der zeitlichen Ableitung der feld-bildenden Statorflußkomponente (ψ§χ) mit der feldbildenden Statorstromkomponente (igx) multipliziert wird und dieser Wert einem Addierer (5) zugeführt ist, und daß die drehmomentbildende Statorspannungskomponente (ugy) abzüglich der zeitlichen Ableitung der drehmomentbildenden Statorflußkomponente (rjrgy) mit der drehmomentbildenden Statorstromkomponente (igy) und einem Streuungsfaktor (σ) multipliziert wird und dieser Wert ebenfalls dem Addierer (5) zugeführt ist, und daß der Ausgangswert des Addierers (5) durch die Addition der quadrierten feldbildenden Statorstromkomponente (igX) mit der quadrierten und mit dem Streuungsfaktor (σ) multiplizierten -4- 55 AT 397 322 B drehmomentbildenden Statorstromkomponente (igy) dividiert wird, und daß dieser Wert der nachgebildeten Anordnung (4) zur Behandlung des Standardwertes des Statorwiderstandes (r§) zugeführt ist, an die weiters auch dar Standardwert des Statorwiderstandes (r§*) und ein Aktivierungssignal (6) für diesen Standardwert gelangt, und daß das Ausgangssignal der Anordnung (4) zur Behandlung des Standardwertes des Statorwiderstandes (rg*) einem einstellbaren Begrenzer (20) zugeführt ist dessen Ausgangssignal den Statorwiderstand (rg) darstellt.
  3. 3. Regelungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Nachführung des Rotorwiderstandes (rg) ein Regler mit Begrenzung (7) vorhanden ist, dem das Ausgangssignal bzw. das Reglerfreigabesignal (8) einer zweiten nachgebildeten Aktivierungseinrichtung (9) zugeführt ist, an die die Statoikreisfrequenz (mg), der Drehmomentsollwert (m*), ein Impulsfreigabesignal (IFG) und die mechanische Kreisfrequenz ((%) gelangt, und daß dem Regler (7) die SoU-Istwert-Differenz der drehmomentbildenden Statorstromkomponente (Aigy) multipliziert mit der drehmomentbildenden Statorflußkomponente (ψ§γ) zugeführt ist, und daß zum Reglerausgangssignal (10) ein konstanter Wert (1) addiert wird und danach eine Multiplikation mit dem Standardwert des Rotorwiderstandes (rg*) erfolgt und dieser Wert den Rotorwiderstand (rg) darstellt, und daß in einer nachgebildeten Anordnung (11) aus dem Rotorwiderstand (¾) der Rotorinduktivität (ljj) bzw. der dieser gleichgesetzten Statorinduktivität (lg) und dem Streuungsfaktor (σ) die subtransienteRotorzeitkonstante (TR§") ermittelt wird.
  4. 4. Regelungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Nachführung der Statorinduktivität (lg) ein Regler mit Begrenzung (15) vorhanden ist, dem das Ausgangssignal bzw. das Reglerfreigabesignal (16)einer dritten nachgebildeten Aktivierungseinrichtung (17) zugeführtist, an diedie Statoikreisfrequenz (dOg), der Drehmomentsollwert (m*) und ein Impulsfreigabesignal (IFG) gelangt, und daß dem Regler (15) die Soll-Istwert-Differenz der feldbildenden Statorstromkomponente (Δϊ§χ) zugeführt ist, und daß zum Reglerausgangssignal (18) ein konstanter Wert (1) addiert wird und danach eine Multiplikation mit der über einen nachgebildeten Magnetisierungskennlinienbildner (19) geführten und mit einem Standardwert der Statorinduktivität 0s*) multiplizierten feldbildenden Statorflußkomponente (ψ§χ) erfolgt und dieser Wert die Statorinduktivität (lg) darstellt. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen -5-
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