DD208438A1

DD208438A1 - Verfahren und schaltungsanordnung variabler struktur zur steuerung einer drehfeldmaschine

Info

Publication number: DD208438A1
Application number: DD23630481A
Authority: DD
Inventors: Gotthard Berger; Ingolf Kornhaas
Original assignee: Lokomotivbau Elektrotechn Werk
Priority date: 1981-12-28
Filing date: 1981-12-28
Publication date: 1984-05-02

Abstract

Die erfindungsgemaesse Loesung soll die Realisierung eines hochwertigen drehzahlgeregelten Drehfeldmaschinenantriebs, zum Zwecke der optimalen Ausnutzung der Maschine ermoeglichen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung variabler Strukturzur Steuerung einer Drehfeldmaschine zu schaffen, bei der die fuer die Steuerung der Schaltzustaende des Stromrichters erforderlichen Groessen ueber an sich bekannte Modellschaltungen so gewonnen werden, dass systematische Amplituden- und Winkelfehler auf ein Minimum eingeschraenkt werden koennen.Das wird dadurch erreicht, dass die variable Struktur der passiven Netzwerke bei jeder Modellschaltung in Abhaengigkeit vom Betrag der augenblicklichen Laeuferdrehzahl gebildetwird und dass bei einer Drehzahl oberhalb eines festgelegten Schwellwertes die erste Modellschaltung und bei einer Drehzahl kleiner eines festgelegten Schwellwertes die zweite Modellschaltung die Steuergroessen fuer den Stromrichter bildet und dass eine gegenseitige Nachfuehrung der passiven Netzwerke der jeweils inaktiven Modellschaltung waehrend des Betriebes vorgenommen wird. Zum besseren Verstaendnis ist die Schaltungsanordnung gemaess Fig.1 zur Durchfuehrung des Verfahrens zugeunde zu legen.

Description

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Titel der Erfindung

Verfahren und Schaltungsanordnung variabler Struktur zur Steuerung einer Drehfeldmaschine

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung variabler Struktur zur Steuerung einer Drehfeld— maschine, die über einen Stromrichter gesteuert wird, wobei die Stromrichtersteuerung über eine indirekte Erfassung der Komponenten der drei FluSverkettirngen der Drehfeldmaschine mittels zweier Modellschaltungen erfolgt»

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist allgemeiner Stand der Technik, die indirekte S¹I uß— erfassung auf der Basis von außerhalb der Drehfeldmaschine meßbaren GröSen., wie Statorstroüi, 3 ta tor spannung, Ho tor— winkel und Botordrehaahi durchzuführen-. Dabei wird nach folgenden vier prinzipiellen Varianten für Modellschaltungen unterschieden

(vgl, IFAC Symposium Düsseldorf vom 7*10. - 9.10,1874·,' Band 1, Seite 535-6^9)j

1 « Erfassung der Statorfiu3verkettung über 3tatorstrom und Statorspannung;

2_β Erfassung der Sotorfluaverkettung über Statorstrom and 2otordrehzahl;

/H ^¹ 1Q .- η ο ü ο η f. ' \ ~

3Λ Λ Π / Ü J^J W * *

3· Erfassung der StatorfluBverkettung über Statorstrorn., Statorspannung und Sotordrehzahl;

4-» Erfassung der HοtorfIuBverkettung über Statorstrom and So torarehwinkel*

Aus der aufgezeigten Literatursteile geht weiterhin hervor, daJ3 sich die Modellschaltung en 2 und 4 für den unteren und die Modellschaltungen 1 und 3 für den oberen Drehzahlbereich eignen. Außer Modeilschaltang 3 wirken die übrigen integrierend, a* h« sie dämpfen OberschwirLguiigen. ' Der prinzipielle Fachteil der indirekten Erfassung besteht in der Parameterabhängigkeit der Modellschaltangen* Sie wird hauptsächlich durch die. Temperaturabhängigkeit der ohmschen Wicklungswiderstände der Maschine verursacht,

Die nachfolgend beschriebenen Lösungen (DB-AS 26 35 965-; 28 33 542; 28 19 789) zeigen Schaltungsvariant:en zur 3eali~ sierung der Modellschaltungen.*

In der DE-AS 26 35 965 wird eine SchaltungsVariante der Modellschaltang 1 beschrieben (unter Verwendung von Stator-Strom und Statorspannung.)-ο Diese Modellschaltung beinhaltet 7,3,01 Tn^-ITQO¹T¹P TTCl τ»ίΐη HHO Z^^Ti=1^ "N^-IlI"! r>nnV rma α·~ ά-η An s. uiphno^'i n^c;

Anlauf ens der Drehfei draas chine abgeschaltet werden-, Die Aufgabe der Hulipunktregler besteht dabei darin, die Drift der Integratoren zu kompensieren» Mit der DS-AS 28 33 54-2 wurden teilweise folgende Torteile gegenüber der'v* .s* Anordnung: erreicht s .

— Vergrößerung des Drehsahlbereiches₃ d» h* Drehzahl kleiner als 3 ψο der ^Tenndrehzahl χ

— Vermeidung von Sinscnwingvorgangen in der Drehfeldmaschine' beis. plötzlichen Zuschalten der ITuIlDunktregler\

— Verse id uns von drehzahla'ohänsisen AmOÜtuden— und Winkel-* fehlern des FluBverkettuiigsvektors-,

Die Erzielung? diesem Vorteile erfolgt dabei durch den Einsatz von adaptiven Hullpunktreglern, deren Übertragungsfaktoren'OroOortional der Drehzahl verändert werden. Durch

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diese adaptiven Hegler ist eine ausreichende Dämpfung von. Schwebeerscheidungen, die ausschließlich bei höheren Ständer frequenzen auftreten, ohne Einschränkung des Drehsahlbereiches gegeben* Die Anv/endung der beschriebenen Modelischaltung ist durch folgende Fakten begrenzt;

- Eine Integration von Meßgrößen sehr kleiner Ständerfrequenz, insbesondere von Gleichsignalen_ä d* hu Ständerfrequenz gleich 2TuIl, ist nicht möglich.

- Die zusätzlichen Amplituden- und Winkelfehler, die infolge von temperaturabhängigen Änderungen des Statorwiderstandes der Drehfeldmaschine Zustandekommen, beschränken den Betriebsbereich in Sichtung kleinerer Drehzahlen, da sie mit kleiner werdender Statorfrequenz zunehmen,,

Die T)IhAS 28 19 789 zeigt ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Steuerung von Asynchronmaschinen, bei des. eine schnelle und unabhängige Steuerung des magnetischen Flusses, des Drehmomentes oder der Winkelbeschleunigung, der 'ivinkelr geschwindigkeit und der Winkelstellung des Maschinenrotors möglich ist»

Zur Bealisierung des Verfahrens werden entsprechend abhängige Steuersignale zur Ansteuerung des Umrichters gebildet,

Die zur optimalen Steuerung erforderlichen. Signale werden dabei über zwei gleichartige Modellsehaituns:en gewonnen* Verwendet werden die in der erstgenannten üt erä tür st eile aufgezeigten Modellschaltungen 1 und 2, wobei der Modellschal tuns 2 als EingangsgrοBe der Stators tros. und die Hotordrehzahl und zur Vermeidung einer Drehzahlmeßeinrichtung mit Hilfe einer Modeilsehaltung der Variante 1 eine dreh™ zahlproporticnale Große errechnet wird* Die Ermittlung der

beider Mo de 11 sch.?JL tuns en a

Bei dieser Lösung ist aber ebenfalls von !fachteil, daß bei der Schaltungsvariante der Einbeziehung beider Modellschal— tunsen die vorher er^vähnten zusätzlichen AmOlituiien— und Winkelfehler der Modellsehai tuns Ί ebenfalls mit kleiner

werdender Statorfrequenz auftreten. Bei der Beschränkung auf die Motorsehaitong 2 zur indirekten Erfassung der Fluß-' verkettung ist zur Realisierung des gesamten Drehzahlbereiches eine sehr genaue Erfassung des IsWertes der Drehzahl erforderlich, wobei der relative Drehzahlfehler zur Vermeidung zusätzlicher Amplituden- und Winkelfehler im Flußsignal mit steigender Drehzahl abnehmen muß»

Ziel der Erfindung-Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten Lösungen zu .vermeiden·und die Healisierung eines hochwertigen drehzahla;ereselten Drehf eldmaschinenantriebs zum Zwecke der optimalen Ausnutzung, der Blas chin θ zu ermöglichen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde_} ein "erfahren und eine Schaltungsanordnung variabler Struktur zur Steuerung einer Drehfeldmaschine zu schaffen, bei der die für die Steuerung der Schaitzustände des Stromrichters erforderlichen Größen über die Modeilsehaltungen so gewonnen werden, daß systematische Amplituden— und Winkelfehler auf ein Minimum, (auch bei der Drehzahl ITull) eingeschränkt werden können. ·.

Die Merkmale der Erfindung bestehen darin-, daß die variable Struktur der passiven 2Tetswerke bei jeder Modelischaltung in Abhängigkeit vom Betrag der augenblicklichen Läuferdreaaaiii.unter Verwendung derselben aktiven Elemente gebildet wird, wobei die inaktiven passiven Netz—erke von den Eingängen der aktiven Elemente getrennt und auf Nullpotential liegen und daß bei einer Drehzahl oberhalb eines festgelegten Schwellwertes die erste Modellschaltung und bei einer Drehzahl' kleiner eines festgelegten Schwsllv/ertes die zweite Modellschaltung die Steuergrößen für den. Stromrichter bildet, wobei die umschaltung hyster'esebehaftet. ausgeführt ?rird und

3 υ 4

daß eine gegenseitige Nachführung der oassiven Netzwerke der jeweils inaktiven Model!schaltung während des Betriebes vorgenommen wird* Zum weiteren kann beim. Vorliegen eines Drehzahlistwertes in !Form von Impulsen, deren !Frequenz proportional der Drehzahl ist, eine Filterung durch Hückführnetze vorgenommen werden.

Die Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens besteht erfindungsgemäß darin, daß für die Erfassung und Bildung der Komponenten des komplexen Haumvektors der StänderfluBverkettung oder der Luftspaltverkettung oder der HotorfluJ3verkettung der Aufbau der Eingangsnetzwerke der ersten und der zweiten Modellschaltang den Anfangsbedingungen entsprechend aufgebaut sind und über einen entsprechend aufgebauten Eopolungsolock, beispielsweise einer analogen Vierauadrantenaultipliziereinrichtuns, in Verbindung stehen, wobei die Erfassung der einzelnen Komponenten der .jeweiligen FluBverkettuiig über entsprechend ausgebildete Anordnungen angepaßter Netzwerke und Kopplungsblöcke erfolgt.

In weiterer Ausbildung der erfindungsgeaiä-Sen Schaltungsanordnung kann beia Vorliegen eines Drehzahlistwertes in Form von lapulsfeigen, deren Frequenz proportional der Drehzahl ist, der Kopplungsblock aus einer Pulsbreitenmultipliziereinrichtung gebildet werden, bei der die erforderliche Filterung durch die Bückführnetziverke vorgenommen wird» ErfindungsgeaäJ3 kann die Pulsbreitenniultipliziereinrichtung weiterhin aus der Information, der Drehrichtung und eines, drehzshlproportionalen 'Taktsignal gebildeter Schaltsignale betätigt werden, wobei diese Schaltsignale durch eine logische Verknüpfung der Information über die Drehrichtung mit dem Ausgangs signal eines Monoflops mit konstanter Haltezeit-, das mit dem drehzahlproportionalen Taktsignal gesteuert ist, gewonnen werden.

Die erfindungssetnä3e Lösung ermöglicht eine genau definierte Ansteuerung des den Verbraucher steuernden Stromrichters, so da£ zu jedem Zeitpunkt optimale Betriebsbedingungen der

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Drehfeldmaschine gegeben sind» Bas wird dadurch erreicht, daJ3 systematische Amplituden- und Winkelfehler in gesamten Drehzahlbereich auf ein Minimum beschränkt werden können, wobei durch die Möglichkeit der gegenseitigen Sachführung der passiven Netzwerke der jeweils inaktiven Modellschaltung Sinschwingvorgänge bei der Modellumschaltung unterdrückt werden.

Ausführungsbeispiel

In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 j eine Schaltungsanordnung zur Durchführung erfin— dungsgemäJSen Verfahrens mittels zweier Modellschaltungen und einem Sopplungsblock;

Fig* 2; eine konkrete Schaltungsanordnung zur Bildung der Singangsnetzwerke für die Sriassung der StanderfIuBverkettung;

Fig* 3· eine konkrete Schaltungsanordnung zur Bildung . der lingangsnetzwerke für die Erfassung der

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GspaJ. La.lursverx8"GTJw-^,

eine konkrete Schaltungsanordnung sur Sild'uns der ZSin^angsnetzwerke für die Erfassung der Hotorf luSverkettung ;

Fig.. 5 * eine konkrete Schaltungsanordnung zur Bildung der Hückführnetz-werke;

Fi\3« δ » e"' ^ als Fulsorei tenmultiolizisreinrichtunpr auss^ bildetar-Kopplungsblock;

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bereich bestimmten Modellschaltungen (Schalterstellung 1 und 2; 1» Mcdellschältung entspricht Schalterstellung 1 und ist für eine Drehzahl oberhalb eines bestimmten Schwellwer—

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stellung 2 und ist für eine Drehzahl kleiner des bestimmten Schwel !wertes bestimmt) die Steuergrößen für den die Drehfeismaschine steuernden Stromrichter gebildet. Die Eingänge der Modeilschaltung 1 bzw* 2 werden dabei mit den ins </3 System, umgewandelten GroBen-u-, , ; i,-, , ; -i-, , bzws-u^--?; ΐ-,,ο

,c^c o^^L oo\_ üy' ov- -·

-i.-:/7 belegt. Jede 'Teilschaltung wird dabei aus einem mit HG—Netzwerken beschalteten Operationsverstärker gebildet. Die 30—Netzwerke -/erden dabei aas Eingangsnetzwerken ZZL; ZEp '3Jiä. Hückführnetzwerken ZIt, 5 ZZ^ gebildet, wobei innerhaic ,jeder leilschaltung mittels gekoppelter Sch.a-ltelem.ente die inaktiven passiven Netzwerke von den Eingängen der aktiven Elemente getrennt sind 'und auf Nullpotential geschaltet sind. Die Ausgangsgrößen %i_ ; ψ^-3 bilden die ebenfalls im '7l/i?-o7stem gewandelten ?lu3verkettungen. Die drehzahlabhängige Kopplung beider leiischaltungen erfolgt in Schaltstellung 2 dabei über ein Souplungselenient 3 &it seinen Einsanss- bzw, Aussangssrrößen a bis f und n. j_, wobei n. . die Rotor-

2.S υ' 13U

drehzahl darstellt. Die Umschaltung erfolgt dabei hysteresebehaftetj wobei während des Betriebes eine gegenseitige Nachführung der passiven Netzwerke der jeweils inaktiven Modellschaltung ermöglicht wird»

Figur 2; 3; ^ zeigt den detaillierten Aufbau eines Blockes SPYjLPv"; HFY zur Erfassung und Bildung der Komponenten- der

- S"cänderfluJ3verkettung SPY (Fig. 2),

- LuftspaltfluBverkettting LPY (Pig» 3) ^:jJ2/3-

- HotorfluBverkettung 3PY (Pig» 4),

wobei die Ein^anssnetzwerke ZE^ ; ZE^ durch die G-leichuns zur Bestimmung· der Parameter gekennzeichnet sind und jeder Block weiterhin das Strukturdiagramm des entsprechenden SoDDlungsblockes 3 enthält, der als YiercuadrantenmultiDlizierer in Porm einer PulsbreitenmultiOliziereinrichtung gemä.3 Pig* 6 Yerwenduns findet, in der die Hückfünrnetz-

men» Die PulsbreitenmultiOliziereinr'ichtung gemäB Pig. 6 erhält dabei als Schaltsignale die Ausgangssignale u; ν aus einer Einrichtung 5emä3 ^i^» '7->

f* -B-

Gemä-ß ~Ei-g« 7 werden durch, eine logische' Verknüpfung' (Baustein 6) der Information über die Dreb.rich.tung (Drehrichtungsbilder 4·) mit dem. Ausgangssignal eines Monoflops 5 sit konstanter Halteseit, das mit dem drehzahlproportionalen Taktsignal gesteuert ist-, die Schaltsignale gebildet»

Claims

, Verfahren und Schaltungsanordnung variabler Struktur zur Steuerung einer Drehfeldmaschine, ausgehend von den Beschreibungsgleichungen der Drehfeldmaschine mit komplexen Haumvektoren auf der Basis außerhalb der Drehfeldmaschine meßbarer G-rößen mittels zweier aus Netzwerken aufgebauten Modellschaltungeu, wobei die Steuerung unter anderem über die Erfassung der Komponenten des komplexen Saumvektors der Standerfl^verkettung oder der LuftsOaltflußverkettung oder der Rotor— flußverkettung in der ersten Modellschaltung mittels Statorstrom und Statorspannung und in der zweiten Modeilschaltung mitteis Statorstrom und Rotordrehzahl erfolgt, um den Schaltzustand des steuernden Stromrichters in einem folgenden Zeitintervall zu bestimmen, gekennzeichnet dadurch., daß die variable Struktur, der passiven Netzwerke bei jeder iiodellschaltung in Abhängigkeit vom Betrag der augenblicklichen Lauf erdrehzahl. unter Verwendung derselben aktiven Elemente gebildet wird, wobei die inaktiven passiven Netzwerke von den Eingängen der- aktiven Elemente getrennt und auf Null-"ootential liegen und daß bei einer Drehzahl oberhalb eines festgelegten Schwellwertes die erste Modellschaltung und bei einer Drehzahl kleiner des' festgelegten Schwellwertes die zweite Modellsehaitang die Steuergrößen für den Stromrichter bildet, wobei die umschaltung hjsteresebehaftet ausgeführt wird und daß, eine gegenseitige Nachführung der passiven Netzwerke der jeweils inaktiven Modeilsehaltung während des Betriebes vorgenommen wirdo
2* Verfahren und Schaltungsanordnung variabler Struktur zur indirekten Erfassung der Somponenten der drei FluSver— kettungen einer Drehfeldmaschine nach Punkt 1 _f

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- 10 - / .1 π i Π L· i

Istwertes in Fora von Impulsen, deren frequenz proportional der Drehzahl ist, eine Filterung durch Hückführ-.netzwerke vorgenommen wird,.
3« Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Punkten 1 und 2 zur indirekten Erfassung der . drei Komponenten der FluBverkettungen mittels zweier aus Fetzwerken aufgebauter identischer Teilschaltungen von Modellschaltungen, unter Verwendung einer bekannten Struktur eines Kopplung-solockes, gekennzeichnet dadurch, daß für die Erfassung der Komponenten des komplexen Haumvektors der StänderfluBverkettung oder der Luftspaltverkettung oder der HotorfloSverkettung die Eingangsnetzwerke (ZIEL ; Z]]Lv) der ersten und der zweiten Modellschal— tung (Schalterstellung 1 und 2) den Anfangsbedingungen entsprechend aufgebaut sind und über einen entsprechend aufgebauten Kopplungsblock (3)> der als eine analoge Vierquadrantemiiultipliziereinrichtung ausgebildet ist, in Verbindung stehen, wobei die Erfassung und Bildung der Komponenten der /

- S.tänderflußverkettung -mittels einer Anordnung SFV (Fig. 2); :

- LuftspaltfluSverketttmg siittels einer Anordnung LFV (Fig, 3); .

- Hotorflußverk-ettung mittels einer Anordnung HFV-(Fig. 4) ; ' ." .

erfolgt«
4« Schaltungsanordnung nach Punkt 3? gekennzeichnet dadurch, daß beim Vorliegen eines Drehzahlistwertes in Form von Impulsfolgen, deren Frequenz proportional der Drehzahl ist, der Eopplungsblock (3) aus einer PulsbreitenaultipliziereinrichtunÄ gebildet wird, bei der die erforderliche Filterung durch die Hückführnetz— werke (ZSo) vorgenommen wird«

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5» Schal tong 3 anordnung nach Punkt 3 und. 4, gekennzeichnet dadurch, daJ3 bei Ausbildung des Eopplungsblockes (3) als Pulsbreiternnultipliziereinrichtung diese aus der Information der Drehrichtung und einen drehζshipropor— tionalen Taktsignal gebildeter Schaltsignale (α; v) betätigt wird, wobei die Schaltsignale (u; v) durch eine logische Verknüpfung (6) der Information über die Drehrichtungsbildung (4) mit dem. Ausgangssignal eines Mono flop s (5) sit konstanter Haltezeit, das mit dem. drehzahlproportionalen Taktsignal gesteuert ist, gewonnen werden*
6. Schaltungsanordnung nach den Punkten 3 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daJ3 nur während des Betriebes bei Scha lterstellung für den unteren Drehzahlbereich mittels des Sopplungsblockes (3) eine kreuzweise drehzahlabhängige Kopplung beider Teilschaltungen erfolgt.

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