DE3045575C2

DE3045575C2 - Verfahren zur Steuerung und Regelung einer direktumrichtergespeisten Synchronmaschine

Info

Publication number: DE3045575C2
Application number: DE3045575A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. Grumbrecht; Frank Dipl.-Ing. 1000 Berlin Hentschel
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1980-11-29
Filing date: 1980-11-29
Publication date: 1986-10-09
Also published as: ZA818271B; DE3045575A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung und Regelung einer direktumrichtergespeisten Synchronmaschine gemäß dem Oberbegriff des vorlieeenden Hauptanspruches (Brown. Boveri Mitteilungen [1970], Heft 3, S. 121-129).

Der Direktumrichter in Verbindung mit der Synchronmaschine ist ein Antrieb für hohe Leistungen und niedrige Drehzahlen. Die Steuerung erlaubt nahezu sinusförmige Ströme, so daß auch bei Schleichdrehzahlen nur sehr geringe Drehmomentpulsationen verursacht werden.

Durch die hohe Schaltfrequenz des Direktumrichters im Verhältnis zur Ausgangsfrequenz ermöglicht er eine quasistetige Verstellung des Augenblickwerts seiner drei Ausgangsspannungen. Eine ähnliche quasistetige Verstellmöglichkeit besteht sonst nur noch beim selbstgeführten Pulswechselrichter.

Das speisende Netz wird von jedem Umkehrstromrichter durch mit doppelter Maschinenfrequenz pulsierende Steuerblindleistung belastet Aus der dreiphasigen Anordnung ergibt sich eine Steuerblindleistung, die mit der sechsfachen Maschinenfrequenz f_m pulsiert. Ein Minimum der Blindleistung liegt bei reinem Wirkleistungsbetrieb der Last, weil dann kleine Stromrichteraussteuerungen mit kleinen Strömen zusammenfallen.

Ein blindleistungsarmer Betrieb des Direktumrichters ist daher nur mit einer Synchronmaschine möglich, bei der der Lastwinkel durch den Erregerstrom eingestellt werden kann.

Wegen der Vorteile des Betriebs mit reiner Wirkleistung wird der Direktumrichter in Verbindung mit einer Synchronmaschine betrieben.

Es ist eine reine Steuerung bekannt, wie sie im Aufsatz von H. Stemmler »Antriebssystem und elektronische Regeleinrichtung der getriebelosen Rohrmühle« aus der Zeitschrift »Brown, Boveri Mitteilungen« (1970), Heft 3, Seiten 121 bis 129, beschrieben ist. Hier werden jedoch die Steuergrößen rein gesteuert vorgegeben, so daß das nichtlineare Verhalten der Maschine nicht genau berücksichtigt wird. Außerdem ist ein Flußschwächbereich zwar erwähnt, seine Ausführung mit dem dort beschriebenen Verfahren jedoch nicht möglich.

Es ist außerdem eine feldorientierte Regelung mit Hilfe eines Direktumrichters durch den Aufsatz von Th. Salzmann »Direktumrichter und Regelkonzept für getriebelosen Antrieb von Rohrmühlen« aus der »Siemens-Zeitschrift« 51 (1977), Heft 5, Seiten 416 bis 422. bekannt.

Hier wird ein Feldgrößenrechner beschrieben, der über die Integration des Spannungsvektors die räumliehe Lage des Flußraumzeigers ermittelt.

Hierbei ist die Steuerung und Regelung jedoch sehr kompliziert und erfordert eine extrem genaue Analogtechnik oder einen sehr großen Aufwand an Digitaltechnik.

Es ist ferner die deutsche Offenlegungsschrift 27 34 430 von Hitachi bekannt, in der nur die Phasenlage des Stromführungsgrößensystems durch den Meßwert der Blindleistung korrigiert wird. Hier wird nach F i g. 8 die Blindleistung aus den Klemmengrößen bestimmt, mit einem einstellbaren Wert verglichen und das Ergebnis als vorgegebene Phasenlage direkt verwendet. Es ist dazu noch zu bemerken, daß dieses Verfahren nicht im Stillstand möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuerungs- und Regelungsverfahren mit gutem dynamischem Verhalten zu erreichen, bei dem der Leistungsfaktor der Maschine im gesamten Drehzahlbereich, also von Null bis in den Feldschwächbereich bei 1 liegen soll, um Netzrückwirkungen des Umrichters zu minimieren.

und bei dem belastungsabhängige Flußänderungen vermieden werden sollen.

Diese Aufgabe wird durch die Erfindung durch die im Kennzeichen des Anspruchs angegebenen Verfahrensschritte gelöst.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine einfache Steuerung und Regelung ohne Komponentenauflösung möglich ist. Die Steuerung ist im gesamten Drehzahlbereich, also auch im Stillstand, einsetzbar.

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Das Verfahren gemäß der Erfindung wird in dem Um die Ausgestaltung des Maschinenmodells 1 vernachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel an ständlich zu machen, seien zunächst einige Überlegun-Hand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt die gen an Hand von Zeigerdiagrammen gemacht

Fi g. 1 den grundsätzlichen Ablauf des Steuerungs- Es zeigt die Fig. 2 ein vereinfachtes Ersatzbild einer

und Regelungsverfahrens gemäß der Erfindung, die 5 Synchronmaschine.

F i g. 2 eine vereinfachte Ersatzschaltung einer Syn- Es zeigen die F i g. 3a, 3b, 3c die Zeigerdiagramme für

chronmaschine, die die Synchronmaschine im Motorbetrieb (Vollast), und

F i g. 3a—3c Zeigerdiagramme für die Synchronma- zwar die F i g. 3a für kapazitive, die F i g. 3b für ohmsche

schine im Motorbetrieb, die und F i g. 3c für induktive Belastung.

Fig.4a—4c Zeigerdiagramme für die Synchronma- 10 Es zeigen die Fig.4a,4b,4cdie Zeigerdiagramme für

schine im Generatorbetrieb, die die Synchronmaschine im Generatorbetrieb (Vollast),

F i g. 5 den Aufbau eines Maschinenmodells mit Kor- und zwar die F i g. 4a für kapazitive, die F i g. 4b für

rekturregelkreisen und die ohmsche und die F i g. 4c für induktive Belastung.

F i g. 6 den Aufbau eines Sollwertbildners. Die Zeigerdarstellungen gelten genau für Trommelin der F i g. 1 ist der grundsätzliche Ablauf des Steue- 15 läufer, können jedoch auch für Näherungsberechnunrungs- und Regelungsverfahrens gemäß der Erfindung gen. an Einzelpolmaschinen herangezogen werden,
dargestellt: der die Synchronmaschine SM speisende Im Ersatzschaltbild ist mit I_p der Erregerstrom, mit U\ Direktumrichter ist mit DU bezeichnet Mit einem Win- die Klemmenspannung, mit /1 der Ständerstrom, mit X₀ kelmeßgerät 6 wird der Drehwinkel ω_η · t der Syn- die Ständerstreureaktanz, mit Uh die Magnetisierungschronmaschine gemessen und durch Differenzierung im 20 spannung, mit h der Magnetisierungsstrom und mit X/, Differenzierglied 7 die Ist-Drehzahl n_x gewonnen. Diese die Hauptreaktanz bezeichnet

Ist-Drehzahl wird zusammen mit einem Führungswert Die Zeigerdiagramme bestehen aus dem Durchflun„ einem Drehzahlregler 8 zugeführt, der aus der Regel- tungsdreieck (I_p , /1, /*) und dem hiervon über die Hauptabweichung Vorzeichen und Amplitude des Ständer- reaktanz linear abhängigen Spannungsdreieck (U_p, stromwertes I\_w herleitet Dieser Wert wird einem Soll- 25 I\Xh, Uh) und einem Zusatz zur Ermittlung der Klemwertbildner 3 zugeführt, der ein Sollwertsystem i'r_w, i'sw, menspannung U\ aus dem Ständerspannungsabfall /Vv für die Augenblickswerte der drei Ständerströme /1 ■ X„ (R\ vernachlässigt). Eingetragen ist der Phasenerzeugt. Diese werden mit den gemessenen Ständer- winkel φι zwischen Eingangsspannung und Strom, die strom-lstwerten Ir_x, /s«, /V> im — dreiphasig aufgebau- Verschiebung ε zwischen Hauptspannung und Einten — Stromregler 9 verglichen; wegen der Rückwir- 30 gangsspannung und der Steuerwinkel χ zwischen fiktikung der sich mit Maschinenfrequenz ändernden iadu- ver Polradspannung und Eingangsstrom. Diese Winkel zierten Maschinenspannung werden in vereinfachter Finden sich auch im Durchflutungsdreieck wieder und Weise die Klemmenspannungen Ur_x, Us_x, Ut_x auf den können zu dessen Bestimmung herangezogen werden.
Stromreglerausgang als Störgrößenaufschaltung zu- Aus dem Durchflutungsdreieck folgt nach dem Sinusrückgeführt. Nach einer Trapezkorrektur werden die 35 satz die Beziehung

Ausgangssignale ocr, as, «τ des Stromreglers den drei

Steuersätzen der Stromrichtersteuerung 10 zugeführt, ~j~ ~ " /

wobei der Umschaltvorrichtung zwischen den Strom- — ⁼ —:—-₍ —————r-·

richtern noch die Soll- und Istwerte der Ständerströme sin (— - A ^Sin ^{(κ ε φ}"

zugeführt werden. 40 V /

Der gemessene Erregerstrom i_px wird in einem Erregerstromregler 11 mit einem Erregerstromführungs- Für den beabsichtigten Betrieb mit reiner Wirkleiwert Ipw, dessen Herleitung anschließend näher be- stung wird im Motorbetrieb <p\=0 und damit

schrieben wird, verglichen; sein Ausgangssignal steuert

über einen Steuersatz 12 den Erregerstromrichter 13. 45 ^h = A

Mit 1 ist ein Maschinenmodell bezeichnet; diesem cos K_n, sin (K_n, - ε) '
wird der Ständerstromsollwert /i* und die resultierende

Magnetisierung hw zugeleitet, wobei diese aus einem Unter Vernachlässigung der Streuung (e=0) ergibt

vorgegebenen Wert hwo, ggf. nach Begrenzung durch sich:

einen von der Drehzahl n_x gesteuerten Kennliniengeber 50 ... . ._

2, abgeleitet wird. Dieser Kennliniengeber 2 nimmt ab- _ /1

hängig von der Drehzahl n_x durch Begrenzung unter- K_7n - arc tan —. (1)

halb hwo die Feldschwächung vor.

In dem Maschinenmodell werden in der weiter unten Im Generatorbetrieb ist mit φ\ = π und ε=0

geschilderten Weise der Steuerwinkel κ zwischen fikti- 55 ._ . .

ver Polradspannung und Eingangsstrom sowie der Erre- , _ . /_ h\ _n^

gerstromführungswert l_pw für den Erregerstrom be- ^Kc \ j_h)' ^w stimmt.

Mit 4 ist eine Korrekturschaltung für den im Maschi- Dem Zeigerdiagramm gemäß den F i g. 4a—4c kann

nenmodell 1 bestimmten Führungswert des Erreger- eo man entnehmen, daß der Steuerwinkel nicht dem

Stroms lpw bezeichnet; dieser Korrekturschaltung wer- Hauptwert Xg der arc tan-Funktion entspricht, sondern

den die Klemmenspannungen Ur_x, Us_x, Ut_x zugeführt. um π verdreht ist:
Mit 5 ist eine weitere Korrekturschaltung für den im

Maschinenmodell 1 bestimmten Steuerwinkel κ be- kg = xd+π (3)

zeichnet; ihm werden neben den Klemmenspannungen 65

noch die Ständerstrom-Istwerte Ir_x, is_x, in zugeführt. Mit einer Steuerung des Ständerstromes nach den

Beide Korrekturschaltungen werden weiter unten nä- Gleichungen (1), (2), (3) ist eine Voraussetzung für den

her erläutert. reinen Wirkleistunesbetrieb seeeben. Die weitere Vor-

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aussetzung ist die Einhaltung des richtigen Magnetisie- Dieses Steuer- und Regelverfahren erfordert die

rungsstromes/*. Messung der Polradlage und des Erregerstroms. Es ar-

Der notwendige Erregerstrom I_p ist im Durchflu- beitet auch im Stillstand und bei extrem niedrigen Drehtungsdreieck durch den gewünschten Magnetisierungs- zahlen einwandfrei.

strom Ih und die Ankerrückwirkung I\ bestimmt. 5 Bei höheren Drehzahlen führen die getroffenen Ver-

Aus der F i g. 3a folgt nachlässigungen zu Abweichungen, die durch zusätzli

che Korrekturregelkreise ausgeglichen werden:

Ip- = h'² + Ii'² Diese Korrekturregelkreise sind, mit 4 und 5 bezeich

net, in der F i g. 5 dargestellt.

mit den fiktiven Strömen h' und I\'. io In dem Korrekturregelkreis 4 wird der Führungswert

Mit für den Erregerstrom I_pw durch eine Magnetisierungs-

Regelung dadurch korrigiert, daß der tatsächlich wirk-

W = I\ · cos(£+0>i) same Magnetisierungsstrom durch Integration der Ma

schinenspannungen (Integrierglied 4a) festgestellt, mit

Ih' ·= L\ ■ sm(e+g?i)+h 15 dem zweiten Führungswert hw verglichen und die Re

gelabweichung einein Magnetisierungsregler 46 zuge-

ergibt sich führt wird. Das Ausgangssignal des Reglers 4b wird zur

zweiten Führungsgröße hw addiert Durch die untere

Ip² — h²+Ii²+2Ih ■ I\ ■ sin(f+0>i). Grenzfrequenz der Messung und eine Begrenzung des

20 Reglers auf ca. 10% des Magnetisierungsstroms läßt

Für reine Wirkleistung (g>\ =0; ji) und vernachlässig- sich die Unwirksamkeit des Reglers bei niedrigen Drehter Streuung (^=0) ergibt sich zahlen erreichen.

^^_^ In dem zweiten Korrekturregelkreis 5 wird der Steu-

Ip = i/T/F+Ti* (4) erwinkel κ durch eine Lastwinkelregelung mit der Ab-

25 sieht korrigiert, daß der reine Wirkleistungsbetrieb der

Diese Überlegungen sind Anlaß, das bisher beschrie- Maschine sichergestellt wird.

bene Verfahren zur Steuerung und Regelung einer di- Dazu wird die Aussteuerung des Stromrichters bei

rektumrichtergespeisten Synchronmaschine mit Hilfe Laststromrichtungswechsel ermittelt (Ermittlungsglied eines Maschinenmodells 1 durchzuführen: es wird die- 5a) und mit dem Sollwert LW=O verglichen,
sem Maschinenmodell, wie bereits dargelegt, sowohl 30 An die Stelle der Ermittlung der Aussteuerung des der Ständerstromführungswert I\_w als erster Führungs- Stromrichters kann auch eine Ermittlung des Lastwinwert als auch der drehzahlabhängig über einen Kennli- kels oder eine Blindleistungsmessung treten,
niengeber 2 hergeleitete Führungswert der resultieren- Die Regelabweichung wird einem Regler 56 zuge-

den Magnetisierung hw als zweiter Führungswert züge- führt Der Reglerausgang darf hier nicht allein additiv führt 35 eingeführt werden, da er bei/i_w=0 unwirksam sein soll.

Dieses Maschinenmodell liefert, wie ebenfalls bereits Sein Ausgangssignal wird daher im Bewertungsgüed 5c dargelegt den Steuerwinkel κ, der dem Sollwertbildner mit hw multiplikativ bewertet Das Ergebnis wird zu 3 zugeführt wird, und den Erregerstromführungswert dem Führungswert I\_w addiert

i_pw. Der Einfluß des Reglers 5b beträgt nur ca. 10% des

Der Aufbau des Maschinenmodells 1 ist in der F i g. 5 40 Ständerstroms. Daher bleibt er bei niedrigen Drehzahnäher dargestellt: in den Quadrierern la und \b werden len unwirksam.

die Quadrate der beiden Führungswerte gebildet dann Die Korrekturregelkreise 4 und 5 verstellen jeweils

die Summe gebildet und das Ergebnis einem Radizierer nur eine der beiden Ausgangsgrößen I_pw und κ. Sie sind ic zugeführt An seinem Ausgang erscheint die Füh- daher weitgehend entkoppelt

rungsgröße/pw für den Erregerstrom. 45

Ferner wird durch die Division des ersten Führungs- Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

werts I\w durch den zweiten Führungswert hw in der

Divisionsschaltung id mit nachfolgender arc tan-Bildung in dem Glied leder Steuerwinkel λ;bestimmt

Dieser Steuerwinkel κ wird dem Sollwertbildner 3, 50
der in der F i g. 6 dargestellt ist zugeführt Er besteht
aus zwei Verknüpfungsteilen 3a und 3b.

Dem ersten Verknüpfungsteil 3a wird neben dem
Steuerwinkel κ der gemessene Drehwinkel ω_Γ. ■ t zugeführt Es wird dort ein um den Winkel κ gegenüber der 55
Läuferstellung co_n ■ t verschobener Winkelwert erzeugt,
aus dem drei um 120° gegeneinander verschobene
Nonnsinuswerte (Bildner 3c; 3d, 3e) gebildet werden.

Die nachfolgende Stromsollwertbildung im Verknüpfungsteil 3b bewertet diese Normsinuswerte mit dem 60
Amplitudenwert I\ _w (Bewertungsglieder 3f, 3g, 3A).

Die Vorzeichenumkehr von I\_w bewirkt hier die Sollwertverschiebung um π bei Wechsel der Drehmomentrichtung. Im bisher beschriebenen Steuer- und Regelverfahren sind bis auf die erwähnten Vernachlässigun- 65
gen die Voraussetzungen für den reinen Wirkleistungsbetrieb als Motor und als Generator bei gleichem Maschinenfluß erfüllt

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Steuerung und Regelung einer direktumrichtergespeisten mit dem Leistungsfaktor cos φ = 1 betriebenen Synchronmaschine mit einer übergeordneten Drehzahlregelung, aus der das Vorzeichen und die Amplitude des Ständerstromführungswertes gewonnen wird, mit dem in einem Sollwertbildner ein um den Steuerwinkel (κ) zwischen Polradspannung und Ständerstrom gegenüber dem gemessenen Drehwinkel (ω_η ■ t) verschobener Winkelwert erzeugt wird, aus dem drei um 120° gegeneinander verschobene Normsinuswerte gebildet werden, und durch die Bewertung dieser Sinuswerte mit der Stromführungsgröße (I\_w) ein Sollwertsystem (irw, is*, ir«) für die Augenblickswerte der drei Ständerströme erzeugt wird, wobei der Leistungsfaktor cos φ = 1 dadurch erhalten wird, daß in einem Maschinenmodell der Steuerwinkel κ mitteils der Funktion arc tan vom Quotienten aus dem einen ersten Führungswert darstellenden Ständerstromführungswert (Im) und einer magnetisierungsstromproportionalen Größe und einer Führungsgröße für den Erregerstrom (I_pw) aus der radizierten Summe aus dem Quadrat des ersten Führungswertes und dem Quadrat der magnetisierungsstrornproportionalen Größe bestimmt werden, dadurch gekennzeichnet,

daß ein drehzahlabhängig über einen Kennliniengeber (2) hergeleiteter Führungswert der resultierenden Magnetisierung (/*».) als zweiter Führungswert dem Maschinenmodell (1) zugeführt wird und die magnetisierungsstromproportionale Größe darstellt,

daß vor dem Quadrieren durch eine Magnetisierungsregelung der zweite Führungswert dadurch korrigiert wird, daß der tatsächlich wirksame Magnetisierungsstrom durch Integration der Maschinenspannungen festgestellt, mit dem zweiten Führungswert (/*«,) verglichen und die Regelabweichung einem Magnetisierungsregler (4b) zugeführt wird, dessen Ausgangssignal zur zweiten Führungsgröße addiert wird, und

daß die Aussteuerung des Stromrichters bei Laststromrichtungswechsel, der Lastwinkel oder die Blindleistung ermittelt, mit einem Sollwert (LW = 0) verglichen und die Regelabweichung einem Regler (5i>) zugeführt wird, dessen Ausgangssignal multiplikativ bewertet mit dem ersten Führungswert (I\_w), zu diesem Führungswert addiert wird und das Ergebnis den Dividenden der arc tan Funktion darstellt.