CH616785A5 - Method for controlling the motor current of a converter-supplied three-phase motor - Google Patents

Description

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PATENTANSPRUCH Verfahren zur Regelung des Motorstromes eines umrichtergespeisten Drehstrommotors, dadurch gekennzeichnet, dass drei errechnete oder über Istwerterfassungseinrichtungen hergeleitete Spannungen (ZU1R, ZuiS, Zuit) gebildet werden, die in Frequenz, Amplitude und Phasenlage den Motorspeisespannungen entsprechen und die als Störgrösse zu den drei Spannungen hinzu addiert werden, die sich aus der Addition (in 9,10,11) der Soll-Istwert-Differenz (in 12,13,14) der drei Motorströme und einer dreieckförmigen Hilfsspannung (Yt) ergeben.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung des Motorstromes eines umrichtergespeisten Drehstrommotors. Vorwiegend wird die Erfindung bei Umrichteranlagen eingesetzt, bei denen der selbstgeführte Wechselrichter nach dem Unterschwingungsverfahren getaktet wird und die Gleichspan-nungszwischenkreisspannung konstant ist.

In der Vergangenheit wurden mit Rücksicht auf den Hardware-Aufwand in der elektronischen Steuer- und Regeleinrichtung von Konstantspannungs-Umrichtern bei umrichtergespeisten Drehstrommotoren Regelverfahren verwendet, welche die vom System her mögliche Regeldynamik des umrichtergespeisten Drehstrommotors nicht voll ausnutzten.

Bei neueren Umrichterregeleinrichtungen treten die Kosten für die Hardware gegenüber den Forderungen nach grosser Regeldynamik in den Hintergrund.

Eine hohe Regeldynamik wird immer dann benötigt, wenn ein schnelles Reagieren des Drehstrommotors auf sporadische und nicht vorhersehbare Störgrössen, beispielsweise in der Traktion (Schleudern, Bügelspringen) notwendig ist

Um die Forderungen nach grosser Regeldynamik zu erfüllen, ist es notwendig, die dreiphasige Motorspannung bzw. den Motorstrom so einzustellen, dass der mit dem Läufer verkettete Flussvektor ¥2 nach Betrag und Phase unabhängig von der Drehzahl und der Belastung des Motors konstant bleibt.

Bisher werden bei umrichtergespeisten Drehstrommotoren hoher Regelgüte Umrichter mit konstanter Gleichspannungs-zwischenkreisspannung eingesetzt. Der selbstgeführte Wechselrichter wird dabei nach dem Unterschwingungsverfahren getaktet, das heisst, seine Taktfrequenz ist ein Vielfaches der gewünschten Frequenz der dreiphasigen Motorspannung bzw. des dreiphasigen Motorstromes. Bei kleiner Motorspeisefrequenz etwa von 0 bis 30 Hz wird der Motorstrom über eine Augenblickswertregelung vorgegeben. Bei Höherer Speisefrequenz wird die Motorspeisespannung eingeprägt. (Sonderdruck aus BBC-Mitteilungen, Bd. 60, Januar 1973.)

Im Bereich eingeprägter Motorspannung können mit einfachen Mitteln sowohl Amplitude wie auch Phasenlage der Spannung last- und drehzahlunabhängig entsprechend den von der übergeordneten elektronischen Steuer- und Regeleinrichtung des Umrichters vorgegebenen Steuergrössen genau eingestellt werden. Im Bereich geregelten Motorstromes ist ein amplitu-den- und phasengetreues Regeln des Motorstromes mit Hilfe eines Stromzweipunktreglers ohne Zusatzmassnahme nicht möglich, da wegen der endlichen Taktfrequenz des selbstgeführten Wechselrichters bei den heutigen Anwendungen im Stromaugenblickswertregelkreis nur eine Verstärkung von etwa 0,5 eingestellt werden kann.

Die Amplituden-und Phasenabweichung zwischen Soll-und Istwert des Motorstromes ist dabei abhängig von der Belastung des Motors und von der erforderlichen Motorspannung, also von der Motordrehzahl. Die Amplitude des Motorstromes kann mit einfachen Mitteln über einen vorgeschalteten Strombetragsregler korrigiert werden. Soll ausser der Amplitude auch die Phasenlage des Motorstromes korrigiert werden, so ist dies bei den bisher bekannten Verfahren nur dadurch möglich, dass entweder Wirk- und Blindkomponente des Motorstromes erfasst und getrennt geregelt werden oder eine Phasenregelung vorgesehen wird.

Um auch bei kleiner Frequenz der Motorströme noch gute Regeldynamik für die umrichtergespeisten Antriebe zu erreichen, ist jedoch dabei der Aufwand zum Messen der Wirk- und Blindstromkomponente bzw. der Phasenlage des Motorstromes sehr gross.

Aufgabe der Erfindung ist es, mit einfachen Mitteln den Motorstrom eines umrichtergespeisten Drehstrommotors über einen Zweipunktregelkreis einem errechneten Sollwert nach Betrag und Phase nachzuführen, ohne dass bei kleinen Motorfrequenzen die Regeldynamik des umrichtergespeisten Drehstrommotors kleiner wird als bei höheren Frequenzen.

Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich durch die im Patentanspruch angegebenen Merkmale.

In vorteilhafter Weise werden bei niedriger Wechselrichter-Taktfrequenz sehr geringe Soll-Ist-Wertabweichungen des Motorstromes erzielt. Es können Werte von bisher nicht gekannter Genauigkeit erzielt werden. Durch die niedrig wählbare Taktfrequenz kann ausserdem die Ausnutzung des Wechselrichters bei sehr guter Dynamik des Gesamtantriebes verbessert werden. Diese Vorteile ergeben sich durch die erfindungsgemässe Addition der Störgrösse, wodurchder Stromistwert gleich dem für den konstanten Flussvektor1¥2 des Motors errechneten Stromsollwert wird.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Wie schon vorstehend erwähnt, werden in einer nicht dargestellten Steuer- und Regeleinrichtung folgende Steuergrössen gebildet:

1. für die Frequenz der Motorspannung bzw. des Motorstromes Yfl

2. für die Phasenverschiebung zwischen Motorspannung und Flussvektor Y^l

3. für die Amplitude der Mptorspannung ZU 1

4. für die Phasenverschiebung zwischen Motorspannung und Motorstrom Y,p ty Uj

5. für die Amplitude des Motorstromes Yn als Funktion der Motordrehzahl, Motortemperatur und dem Sollwert für das Drehmoment des Motors. _

Die Steuergrössen Yfj und Ypüi/ ^2 werden der Sollwertquelle 1 zugeführt.

Die Steuergrössen für Frequenz, Phasenlage und Amplitude des Motorstromes bzw. der Motorspannung werden über Funktionsgeber in der nicht dargestellten übergeordneten Steuer- und Regeleinrichtung gebildet. Sie sind bei konstantem Flussvektor ¥2 eine Funktion des gewünschten Motordrehmomentes, der Motordrehzahl und der Motortemperatur.

Die Sollwertquelle 1 besteht beispielsweise aus einem Oszillator, der durch die Steuergrössen beeinflusst wird, einem Frequenzzähler und Digital-Analog-Wandlern.

In der Sollwertquelle 1 werden drei um 120° verschobene Wechselspannungen R, S, T mit konstanter Amplitude gebildet. Die Frequenz dieser Spannungen ist gleich f t (Frequenz der Motorspannung bzw. des Motorstromes). Die Phasenlage dieser Spannungen ist gleich der Phasenlage der dreiphasigen Motorspannung. Die drei Spannungen R, S,T sind auf einen Sollwertbestimmer 2 geführt. Dieser besteht beispielsweise aus Sinus- und Cosinus-Funktionsgebern und Multiplikatoren. Als weitere Eingangsgrösse wird die Stellgrösse für die Phasenlage zwischen der Motorspannung und dem Motorstrom auf den Sollwertbestimmer 2 geführt. An seinem Ausgang stehen die drei um 120° versetzten Spannungen R', S', T als Sollwert für den Motorstrom an.

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Die Phasenlage zwischen den Spannungen R, S, T und R', S', T entspricht dem über Yp ~]/üi am Sollwertbestimmer 2 vorgegebenen Phasenwinkel. Die Amplituden dieser Spannungen R, S, T und R', S', T haben dagegen die gleiche Höhe.

Die dem Sollwertbestimmer 2 nachgeschalteten Multiplika- 5 toren 6,7,8 werden mit den in der Amplitude gleichen Spannungen R', S', T beaufschlagt. In den Multiplikatoren werden diese Spannungen mit dem Wert Yn multipliziert, die gewünschte Amplitude der Motorströme wird also stetig vorgegeben. An den Ausgängen der drei Multiplikatoren 6,7,8 10 sind die Sollwerte der Motorströme WilR, Wiis, WjiT abgreifbar. In den Summenpunkten 12,13," 14 wird der Sollwert des jeweiligen Motorstromes mit dem Istwert verglichen. Die zugeführten Istwerte der Ströme sind mit XilR, Xiis, XüT bezeichnet.

Die Soll-Ist-Diff erenz der Ströme wird auf die Summen- 15 punkte 9,10,11 geführt, auf die ebenfalls die in der Sollwertquelle 1 gebildete dreieckförmige Hilfsspannung YT gelegt wird und die somit eine Zweipunktregelung bewirken. Die dreieckförmige Hilfsspannung bestimmt dabei die Taktfrequenz des Wechselrichters. 20

Die Ausgänge der Summenpunkte 9,10,11 werden auf Komparatoren 15,16,17 geführt. Hier wird erfasst, ob die Soll-Ist-Differenz der Motorströme plus dreieckförmige Hilfsspannung positives oder negatives Potential aufweist.

Die mit steigender Motorspannung grösser werdende 25 Abweichung zwischen Stromsollwert und Stromistwert könnte zwar grundsätzlich über einen Strombetrags-Regelkreis und einen Phasen-Regelkreis kompensiert werden - sofern die Zusammenhänge bekannt sind, könnte eine Korrektur auch gesteuert erfolgen - beide Verfahren sind aber schwer hand- 30 habbar und mit Rücksicht auf die auch bei kleiner Motorfrequenz geforderte hohe Regeldynamik des Drehstrommotors sehr aufwendige

Erfindungsgemäss wird deshalb eine Störgrössenaufschal-tung vorgenommen. Im dargelegten Beispiel werden hierzu die 35

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drei um 120° verschobenen Wechselspannungen R, S, T, die in der Sollwertquelle 1 gebildet werden, mit der Rechengrösse Störgrössenamplitude Zm beaufschlagt. Dies erfolgt für die Phasen R, S, T sinngemäss in den Multiplikatoren 3,4,5. Die Störgrössenamplitude Zu, wird in einem in der Figur nicht dargestellten Block gebildet, und zwar aus der gewünschten Motorspannung und anderen Motorgrössen für ein bestimmtes Drehmoment. Diese Grösse Zui wird in dem nicht dargestellten Block aus den Motorgrössen errechnet und den Multiplikatoren 3,4,5 zugeführt. Aus den Istwerten der Motorspeisespan? nung R, S, T, die in der Sollwertquelle 1 nachgebildet werden und in Frequenz und Phasenlage mit den echten Motorspannungen übereinstimmen, aber eine konstante Amplitude aufweisen, werden durch Multiplikation mit der errechneten Amplitude der Motorspeisespannung (Störgrössenamplitude Zut) am Ausgang der Multiplikatoren 3,4,5 drei um 120° phasenverschobene Spannungen gebildet, die in Frequenz und Phasenlage mit den messbaren Motorspeisespannungen übereinstimmen und deren Amplitude bei Soll-Ist-Wert-Differenz des Motorstromes gleich Null über den Wechselrichter die für die Drehzahl und die Belastung des Motors (für W2 = konstant) erforderliche Motorspannung einstellt. Diese drei Spannungen sind mit ZU1R, ZU1S, ZU1T bezeichnet. Diese Spannungen werden als Störgrössen dem Stromzweipunktregler in den Summenpunkten 9,10,11 zugeführt. Nach den Summenpunkten sind, wie bereits oben beschrieben, die Komparatoren 15,16,17 angeordnet, in denen eine Bewertung des Potentials vorgenommen wird. Die Ausgänge der Komparatoren werden auf den in der Figur nicht gezeigten Wechselrichter geführt.

Es wird erreicht, dass stationär die Abweichung zwischen Motorstromsollwert und -istwert sehr klein wird und damit eine optimale Regeldynamik des Antriebes erzielt wird. Eine Begrenzung der Regeldynamik des Antriebes erfolgt nur noch durch die Totzeiten, die durch die endliche Wechselrichtertaktfrequenz hervorgerufen werden.

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1 Blatt Zeichnungen