SE420141B - Sett och anordning for styrning av en vexelstroms asynkronmotor - Google Patents

Description

Q 88-60118-3 1 ur kostnadssynpunkt nästan försumbar. Därför är det av stort tek- niskt och kommersiellt intresse att genom bättre signalbehandling a skapa bättre styrsystem. även detaljförbättringar är viktiga. Som grund för signalbehandlingen måste en optimal styrstrategi utveck- las. Realisering kan sedan ske med godtycklig teknik, t.ex. digital eller analog elektronik. D Ett universellt användbart styrsystem för asynkronmotorer bör medge fyrkvadrantdrift, dvs. drivning och bromsning i båda 1 rotationsriktningarna. Vidare bör fullt vridmoment kunna erhållas vid alla varvtal, inklusive varvtalet noll. Styrning bör kunna ske både med s.k. öppet reglersystem utan motkoppling och med s.k. slutet reglersystem med motkoppling. I det senare fallet är styrsystemets dynamiska egenskaper väsentliga. Motorn skall utan onödig tidsfördröjning reagera på styrsignalen. Vid optimalt utfor- mat styrsystem är asynkronmotorns dynamiska egenskaper jämförbara med likströmsmotorns, och detta bör utnyttjas. i I floran av existerande motorstyrningar kan man urskilja tvâ principiellt olika styrprinciper. Enligt den första, här kallad variant I, betraktas motorn som en fristående komponent. Den styrs med hjälp av externt alstrade styrsignaler. Vid den andra styrprin- cipen, här kallad variant II, ingår motorn aktivt i styrsystemet.

Mätsignaler från själva motorn återförs till styrsystemet och på- verkar styrsignalernas uppbyggnad. D Variant II torde ur teoretisk synpunkt vara den bästa styr- principen. Vid styrning av processer bör man först genom mätning skapa en bild av processens "tillstånd". Med kännedom om tillståndet kan man sedan generera optimala styrsignaler. Det är dock svårt att få lämpliga mätsignaler från motorn, i synnerhet från en standard- motor. Variant II är därför tämligen ovanlig.

Variant I kan ge gott resultat, om den teoretiska motormodell, som ligger till grund för styrningen, är korrekt, och om yttre stör- inflytanden beaktas. Om användningsområdet för styrningen begränsas, t.ex. genom att varvtal nära noll förbjudes, kan man klara sig ut-, märkt med en mycket enkel styrprincip. Det allra enklaste fallet, nämligen drift med konstant varvtal på elnätets fasta frekvens och spänning, fungerar ju utmärkt.

Svensk patentskrift nr 334 671 anvisar en metod (enligt variant I), e som förbättrar styrmöjligheten vid låga varvtal, inklusive varvtalet '8090118-3 noll. I synnerhet förbättras reaktionssnabbheten på styrsignal, så att asynkronmotorn kan användas i slutna reglersystem. Styrprin- cipen beskrivas i detalj senare. Vissa nackdelar skall påvisas.

Syftet med uppfinningen är att åstadkomma ett nytt sätt (enligt variant I ovan) och en tillhörande anordning för styrning av en växel- ströms asynkronmotor, som ger en i vissa avseenden bättre lösning än tidigare kända metoder.

Detta syfte uppnås medelst ett styrsätt, vilket utmärkes av i de i efterföljande krav l angivna särdragen, och en anordning, vilken utmärkes av de i efterföljande krav 2 angivna särdragen.

Det enligt uppfinningen föreslagna styrsättet ger en därmed styrd asynkronmotor samma egenskaper som en styrd likströmsmotor, såväl i statiskt som i dynamiskt avseende. Maximalt vridmoment er- hâlles vid alla varvtal, och reaktionstiden på en styrsignal är kortast möjliga. En vanlig standardmotor kan användas utan nâgra som helst tillsatser eller mätanordningar på själva motorn. Dock erfordras en mätanordning (tachometer eller motsvarande) för motorns rotationshastighet. Kretsarna för signalbehandling är enkla och medför endast marginella kostnader vid sidan av effektförstärkarna, som är av konventionell typ. Därmed öppnas användningsområdet till att gälla från de minsta till de största motortyperna. Motorn kan användas i fyrkvadrantdrift, dvs. med aktiv drivning och bromsning i båda rotationsriktningarna. Användning är möjlig bade i öppna och i slutna reglersystem. Eventuella yttre reglerkretsar dimensione- ras på konventionellt sätt enligt reglerteknisk teori. ' Uppfinningen beskrivs närmare nedan med hänvisning till bi- fogade ritning, där fig. l visar symbolen för ett i följande figurer utnyttjat byggelement, en s.k. resolver, fig. 2 definierar det koor- dinatsystem som används i resolvern, fig. 3 åskådliggör en tväfas asynkronmotor, fig.4 visar ett ekvivalent schema för en fas i asynkron- motorn,fig.5 i visardiagram åskådliggör spänningar och strömmar i en fas av asynkronmotorn, fig.6 i blockschema visar en känd anordning för hastighetsstyrning av en asynkronmotor, fig. 7 i blockschema visar samma anordning med tillägg av kretsar för belastningskompen- sering,och fig. 8 i blockschema visar en anordning enligt uppfin- ningen, för styrning av asynkronmotorn med tachometersignal för belastningskompensering. I figurerna har motsvarande komponenter försetts med samma hänvisningsbeteckningar. _seoo11s-3 Fig. l visar symbolen för en i trigonometriska beräkningskretsar ofta förekommande anordning, här kallad “resolver“ l. En inkommande _ signalvektor Ä = (X1 , yï) vrides en vinkel Q och får det nya värdet Ã'= (xz , y2). Vektorns längd förändras ej.

Följande trigonometriska samband gäller: x] = A coscp y1.= A sin qo xz = Acos(fp+9) = Acoscpcos 9 - Asinip sin 9 yz =Asin( Fig. 2 definierar det koordinatsystem som användes i resolvern och i det följande. X-axeln och Y-axeln tänkes vara stationära relativt asynkronmotorns stator. Positiv rotation räknas moturs från X-axeln.

För förtydligande av följande blockscheman påpekas att i uppfinningens styranordning den inkommande vektorn Ã'= (x1 , yï) utgöres av variabla likspänningsvärden (styrsignaler). Denna vektor roterar ej. Vridnings- vinkeln 9 varierar nästan synkront med asynkronmotorns rotor, och därför kommer den utgående vektorn ÄT= (X2 , yz) att bli roterande, dvs. X2 och y2 blir växelspänningar. - Fig. 3 är en förenklad bild av en tvåfas asynkronmotor 2. Dess funktion brukar beskrivas med hjälp av det roterande statormagnet- fältet. och rotorns u"eftersläpning" i förhållande till detta. För beskrivning av styrsystemet enligt uppfinningen är det mer givande att observera likheterna mellan likströmsmotorn och asynkronmotorn.

För båda motortyperna gäller, att vridmoment alstras i samverkan mellan statorns magnetfält och rotorns ankarström. Dessutom gäller för båda motortyperna, att ankarströmmen skall ledas genom de rotor- lindningar, som ligger där statormagnetfältet har sitt maximum. I likströmsmotorn ligger statormagnetfältet stilla och ankarströmmen leds till rätt rotorlindningar via kommutatorn. g I asynkronmotorn kompliceras bilden av att samma statorlind- ningar används både för fältström (statormagnetisering) och ankar- -ström (vridmomentalstring). Ankarströmen transformeras in till .rotorlindningen från statorlindningen. Därvid uppstår statormagnet- fältets rotation som en "oönskad" bieffekt. När man lägger spänning på en transformators primärlindning fås dels ström i sekundärlind- 8000118-3 ningen,dels en uppbyggnad av magnetfält i primärlindningen. Denna uppbyggnad av magnetfält vrider det ursprungliga statormagnetfältet och skapar på så vis en rotation av magnetfältet. Styrsystemet måste ta hänsyn till denna rotation och så att säga skapa styrsignaler som följer med i rotationen.

I figuren är V1 , V2 de båda matningsspänningarna och B] , B2 de av matningsspänningarna alstrade magnetfälten. Endast de rotor- lindningar som ligger med maximal koppling till statorlindningarna är inritade. 11 , 12 är de inducerade strömmarna i de betraktade rotorlindningarna.

För de olika storheterna gäller följande (idealiserade) samband: V1 = V0 sin wt B1 =-Bo cos wt 11 = 10 sin wt V2 = V0 cos wt B2 = Bo sin wt 12 = IO cos wt w = vinkelfrekvensen (radian/sekund) Väsentligt för motorns funktion är att magnetfältet från den ena fasen samverkar med rotorströmmen från den andra fasen. Således bildar strömmen I] vridmoment tillsammans med magnetfältet B2. På samma sätt bildar 12 vridmoment tillsammans med B1. Man ser, att de samverkande storheterna har samma fasläge i tiden, vilket erfordras om de skall ge maximalt vridmoment.

Fig. 4 visar ett ekvivalent schema för en fas i asynkronmotorn.

Endast huvudkomponenterna i den teoretiska modellen är medtagna. De streckade linjerna representerar luftgapet mellan rotorn och statorn.

Komponenterna till vänster om de streckade linjerna motsvarar statorn och komponenterna till höger motsvarar rotorn. Statorns resistans och induktans är betecknade RS resp. L , medan rotorresistansen är betecknad RR . Totala strömmen är betecknad 10 , medan den in- duktiva strömmen i statorn är betecknad IL och rotorströmmen IR .

Motorns vridmoment är proportionellt mot rotorströmmen. Magnetiserings- spänningen, som transformeras över från statorn till rotorn via luftgapet, är betecknad VL . I rotorlindningen inducerad "motemk", vilken är proportionell mot varvtalet, är betecknad U _ Vanligen önskar man att motorn skall arbeta med konstant amplitud på magnetiseringen. Magnetiseringen alstras av den induktiva stater» 8660118-3 strömmen IL , som således skall ha konstant amplitud vid alla frekvenser. Härför krävs att magnetiseringsspänningen VL växer proportionellt mot frekvensen. För att undvika magnetfältsförsvag- ning är det viktigt att styranordningen uppfyller detta krav. Motorn kan enbart styras medelst den inmatade spänningen V , och den vik- tiga spänningen VL kan således ej styras direkt. Statorströmmen IL och rotorströmmen IR ger upphov till ett spänningsfall i stator- resistansen RS , och detta gör att spänningen VL avviker från spänningen V. Denna avvikelse varierar med motorns belastning, eftersom rotorströmmen IR är proportionell mot belastningen, och kan således ej kompenseras med ett förutbestämt värde. Utebliven kom- pensering för rotorströmmen kan vid låga frekvenser leda till halve- ring av statormagnetfältet, och därmed halvering av vridmomentet.

Problemet med kompensering för spänningsfall i statorresistansen existerar endast vid låga frekvenser. Vid högre frekvenser blir spän- ningarna V och VL mycket större än detta spänningsfall, som därigenom kan försummas.

I samband med fig. 3 visades idealiserade samband mellan mag- netfält och rotorström, som visade att dessa båda storheter alltid samverkar med korrekt inbördes fasläge. Detta gynnsamma förhållande gäller även för den mer realistiska motormodellen i fig. 4. Visser- ligen kan det uppstå fasvridning mellan matningsspänningen V och magnetiseringsspänningen VL , men eftersom det är spänningen VL som driver ström genom såväl stator som rotor, erhålles automatiskt korrekt orientering mellan statormagnetfält och rotorström, och detta gäller vid alla frekvenser och kurvformer hos matningsspänningen.

Fig. 5 visar ett s.k. visardiagram (vektordiagram) för spän- ningarna i en fas av asynkronmotorn enligt modellen i fig. 4. I Samma beteckningar som i fig. 4 har använts. Luftgapsspänningen VL kan tecknas på tvâ sätt, dels som spänningen över primärlindningens induktans, dels som den totala spänningen över rotorlindningen.

I figuren markeras spänningsfallet över primärlindningens resistans, och här finns två olika bidrag, dels från den induktiva magnetiserings- strömmen IL , dels från den resistiva rotorströmmen IR . Dessa tvâ bidrag har olika faslägen. _ Den induktiva och resistiva strömmen har ritats med fasta faslägen, 90° förskjutna inbördes. Totalspänningen V över primär- på 8860118-3 lindningen kommer att få ett varierande fasläge, beroende på motorns arbetsförhållanden. Det är också på detta sätt som styrsignalerna skall byggas upp.

Fig. 6 visar ett blockschema över ett styrsystem enligt det svenska patentet nr 334 67l. Figuren har omritats med hjälp av resolversymbolen l från fig. l. Tills vidare försummas inverkan från rotorströmmen IR. , Den totala matningsspänningen V sammansättes av två komponenter S] och S2. Dessa har olika faslägen och matas därför in till var sin resolveringång. I resolvern multipliceras de med sin wt resp. cos wt . På resolverns utgång fås den önskade summan av de två kom- ponenterna, enligt visardiagrammet i fig. 5. Resolvern har två ut- gångar, V1 och V2, 900 fasförskjutna, för att kunna mata de två faser- na i asynkronmotorn 2. Signalerna förstärks i "effektförstärkarna" 3.

Syftet med styrsystemet är att styra asynkronmotorn pa samma sätt som en likströmsmotor. En likströmsmotor brukar arbeta med konstant statormagnetfält och styras med rotorspänningen. Om mot- svarande styrning tillämpas på asynkronmotorn, enligt visardiagram- met i fig. 5, skall S] användas för styrning av rotorspänningen, medan S2 hålls konstant. Detta är också möjligt med styrsystemet enligt fig. 6. Styrsignalen "w" multipliceras med LIL i beräknings- kretsen 4 för att bilda signalen S1 (=wLIL) och driver även den styrda oscillatorn 5.

Den styrda oscillatorn 5 måste vara utförd på sådant sätt, att den ger en oscillatorfrekvens proportionell mot styrsignalen "w“, och även fungerar vid negativa styrsignaler. Vid negativa styrsignaler skall den roterande vektor, som bildas av oscillatorns två utsignaler sin wt och cos wt , byta rotationsriktning.

Fig. 7 visar ett blockschema över ett styrsystem, med tillägg av anordning för rotorströmkompensering, enligt det svenska paten- tet nr 334 67l.

Rotorströmmen varierar med motorns belastning, men kan beräknas om vissa data är kända. Se det ekvivalenta schemat för en fas av mo- torn i fig. 4: (l) 8969118-3, Spänningsfallet över statorresistansen beräknas: S (2) Blockschemat i fig. 7 visar hur denna kompensationsterm alstras ochl adderas till resolveringången. Signalen U , som motsvarar rotorns motelektromotoriska kraft (motemk), är proportionell mot motorns varvtal och kan därför erhållas från en till motoraxeln ansluten tachometer, med lämplig skalning av utsignalen. Subtraktionskretsen 6 bildar signalen (VL - U) och beräkningskretsen 7 bildar det önskade värdet på spänningsfallet enligt ekvation 2. Additionskretsen 8 ad- derar kompensationstermen till signalen SI.

Med blockschemat enligt fig. 7 skapas således alla signal- komponenter enligt visardiagrammet i fig. 5.

Denna styrmetod fungerar korrekt, men lider av en svaghet.

Tachometersignalen U adderas till signalen S1 , via beräknings- kretsarna, och påverkar därigenom styrspänningen till rotorn.

Förutom den avsedda verkan, kommer signalen från tachometern även att påverka motorstyrningens dynamiska egenskaper. Man erhåller nämligen s.k. tachometermotkoppling eller hastighetsmotkoppling, välkänd från reglertekniken. Detta kan ibland vara fördelaktigt, men ibland till nackdel. Det är olämpligt, att den grundläggande motorstyrningen har sådana bieffekter.

Fig. 8 visar ett blockschema över ett styrsystem enligt upp- finningen. Grundstrukturen från fig. 6 finns kvar, men systemet för rotorströmkompensering är nytt. D Signalerna S1 och S2 går.ensamma till resolveringångarna och erhåller ingen tilläggsterm för rotorströmkompensering. I stället beräknas den oscillatorfrekvens "w" , som erfordras för optimal styrning. Se visardiagrammet i fig. 5. Därur erhålles två ekvationer: sl = RS IR + kw L IL (3) w L IL = RR IR + u (4) Ur de två ekvationerna 3,4 löses vinkelfrekvensen "w" som funktion 8000118-3 av S1 och U: R R "isifïïz%*“íïifizi “l L S R) L S R Blockschemat i fig. 8 visar hur denna signal enligt ekvation 5 alstras och ledes till oscillatoringången för styrning av vinkelfrek- vensen. Signalen S] multipliceras med en konstant term i beräknings- kretsen 9 och signalen U multipliceras med en konstant term i beräk- ningskretsen l0, varefter de två värdena adderas i additionskretsen ll och därifrån leds till oscillatorns styringång. e Styrsystemet enligt uppfinningen styr således motorn med hjälp av rotorspänningen. Spänningen S1 är den egentliga styrsignalen.

Oscillatorns vinkelfrekvens anpassas automatiskt efter motorns arbets- förhållanden på sådant sätt att konstant statormagnetisering erhålles. ökande belastning av motorn ger därvid sjunkande vinkelfrekvens.

Styrsignalen S1 påverkar motorn på samma sätt som en likströms- motor påverkas av spänningen över rotorn. Yttre reglerkretsar för motorstyrningen, med t.ex. hastighets- eller positionsåterkoppling, kan anslutas på konventionellt sätt till signalingångén S1.

I samband med styrning av konventionella likströmsmotorer är det vanligt att man styr både motorns magnetfält och ankarström beroende på önskade prestanda. T.ex. användes "fältförsvagning" när motorn skall köras med högt varvtal. Samtliga sådana styrmetoder ' blir möjliga för asynkronmotorn med ett styrsystem enligt uppfinningen.

Detta kan ske genom ändring av erforderliga parametrar i styrsystemets beräkningskretsar.

Styrsystemet kan realiseras både med analog och digital teknik, t.ex. med mikrodator. I synnerhet vid användande av digital teknik har man möjlighet att, med bibehållande av uppfinningens grundtanke, skriva alternativa matematiska formuleringar av beräkningsformlerna innan de realiseras av styrsystemet.

Samtliga figurer i beskrivningen har avsett en tvåfasig motor.

Claims (2)

1. .3900118-3 io Genom rutinmässiga trigonometriska koordinattransformationer kan systemet konverteras till att styra en motor med godtyckligt fastal. T.ex. kan de två styrsignalerna V1 och V2 på resolverutgången enkelt omvandlas till trefasiga signaler. Vid drift av motorn kommer i synnerhet dess lindningsresistanser att ändras på grund av uppvärmning. Det innebär inga tekniska svårig- heter att anbringa en temperaturmätsond i motorlindningen och med hjälp av dess mätsignal korrigera resistansvärdena i styrsystemets beräk- ningskretsar, för att vid alla driftstemperaturer erhålla optimal styrning. Den tachometersignal, som användes i styrsystemet enligt uppfin- ningen, kan erhållas direkt frân en verklig tachometer som kopplas till motoraxeln. Man kan också erhålla mätsignalen indirekt i form av ett s.k. rekonstruerat värde, t.ex. genom derivering av en mätsignal för motorns vinkelläge. PATENTKRAV l. Sätt för styrning av en asynkronmotor med minst två faser inom hela varvtalsområdet, inklusive varvtalet noll, och i båda riktningarna, vid alla belastningsfall, i beroende av två styrsig- naler (S1, S2) ,varav en första styrsignal (S1) i huvudsak bestämmer motorns rotationshastighet och vridmoment, och en andra styrsignal (S2) i huvudsak bestämmer motorns magnetfält, vilka styrsignaler enligt känd teknik tillföres en resolver (l), vars utsignaler (V1, V2) ut- nyttjas för alstring av separata drivsignaler till vardera av motorns faser, varvid en mätsignal (U), som representerar motorns rotations- hastighet, âterkopplas till styrsystemet för att i samverkan med den första styrsignalen (S1) bestämma vinkelfrekvensen hos den oscillator (5), som driver resolvern, k ä n n e t e c k n a t av att vinkelfrekvensen (w) beräknas som summan av den första styrsignalen (S1), multiplicerad med faktorn RR L IL (RS + RR) 8000118-3 ll och tachometersignalen (U), skalad till ett värde motsvarande rotorns motelektromotoriska kraft (motemk), multiplicerad med faktorn Rs L IL (RS + RR) där RS = statorlindningens resistans, RR = rotorlindningens resistans, L = statorlindningens induktans och IL = statorlindningens magneti- seringsström, varvid vinkelfrekvensen på grund av denna styrning kommer att öka vid ökande styrsignal och ökande motorvarvtal, men sjunka vid ökande motorbelastning, som en följd av att varvtalet då sjunker, och statormagnetfältet som en följd av styrsättet vid alla motorvarv- tal och alla belastningsfall automatiskt bibehåller konstant amplitud.
2. 2. Anordning för utövande av sättet enligt patentkrav l för styrning av en asynkronmotor med minst två faser inom hela varvtals- området, inklusive varvtalet noll, och i båda riktningarna, vid alla belastningsfall, i beroende av två styrsignaler (S1, S2), varav en första styrsignal (S1) i huvudsak bestämmer motorns rotationshastighet och vridmoment, och en andra styrsignal (S2) i huvudsak bestämmer motorns magnetfält, vilka styrsignaler enligt känd teknik tillföres en resolver (l), vars utsignaler (V1, V2) utnyttjas för alstring av separata drivsignaler till vardera av motorns faser, varvid en mätsignal (U), som representerar motorns rotationshastighet, âterkopplas till styrsystemet för att i samverkan med den första styrsignalen (S1) bestämma vinkelfrekvensen hos den oscillator (5), som driver resolvern, k ä n n e t e c k n a d av att vinkelfrekvensen beräknas som summan av den första styrsignalen (S1) , multiplicerad i en beräkningskrets (9) med faktorn RR L IL (RS_+ RR) och tachometersignalen (U), skalad till ett värde motsvarande rotorns motelektromotoriska kraft (motemk) , multiplicerad i en beräknings- krets (10) med faktorn Rs L IL (RS + RR) \ 8600118-3 12 där RS = statorïindningens resistans, RR = rotorlindníngens resistans, L = statorhndningens induktans och IL = statorlindningens magneti- seringsström, och att summan av dessa tvâ signa1er erhåHes i en addítionskrets (11), vars utgångssignaï utgör börvärde för vinkeï- frekvensen, uttryckt 1' radianer per sekund, och styr den osciHator (S) vfl ken *dri ver resoï vern .