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DE2234681A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zum herabsetzen der drehmomenten-welligkeit einer drehfeldmaschine - Google Patents

Verfahren und schaltungsanordnung zum herabsetzen der drehmomenten-welligkeit einer drehfeldmaschine

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DE2234681A1
DE2234681A1 DE2234681A DE2234681A DE2234681A1 DE 2234681 A1 DE2234681 A1 DE 2234681A1 DE 2234681 A DE2234681 A DE 2234681A DE 2234681 A DE2234681 A DE 2234681A DE 2234681 A1 DE2234681 A1 DE 2234681A1
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Germany
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torque
current
circuit arrangement
machine
setpoint
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Dieter Dipl Ing Koellensperger
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Siemens Corp
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Description

Verfahren und Schaltungsanordnung zum Herabsetzen der Drehmoment en-Welligkeit einer Drehfeldmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Herabsetzen der Drehmomenten-Welligkeit einer Drehfeldmaschine, welche über einen Zwischenkreisumrichtermit steuerbaren Ventilen und mit eingeprägtem Strom im Zwischenkreis an ein Drehstromnetz angeschlossen ist, wobei zur Regelung des Stroms im Zwischenkreis ein Stromregelkreis vorgesehen ist.
Zwischenkreisumrichter mit eingeprägtem Strom im Zwischenkreis und angeschlossener Drehfeldmaschine sind bekannt, z<,B. aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 513 518. Sie werden zum drehzahlregelbaren Antrieb von Drehfeldmaschinen verwendet. Im motorischen Betrieb führt ein als Gleichrichter arbeitender Stromrichter dem Zwischenkreis Energie aus dem Drehstromnetz zu. Der mit steuerbaren Ventilen ausgestattete Gleichrichter erhält seine Steuerimpulse aus einem Steuersatz, der mit der Netzspannung synchronisiert ist. Ein als Wechselrichter arbeitender Stromrichter, der ebenfalls mit steuerbaren Ventilen ausgestattet ist, speist die angeschlossene Drehfeldmaschine mit einer Drehspannung einstellbarer Frequenz. Der Wechselrichter kann über seinen Steuersatz eigen- oder fremdgetaktet betrieben werden. Die Drehspannung an der Drehfeldmaschine kann sich durch die entkoppelnde Wirkung der im Zwischenkreis angeordneten Glättungsdrossel frei, d.h. nahezu unabhängig von der Spannungsform im Zwischenkreis, ausbilden. Der Strom im Zwischenkreis bleibt während der Kommutierung praktisch
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konstant; es muß also nur der durch die Glättungsdrossel festgehaltene Gleichstrom kommutiert werden. Pur die Umkehrung des Energieflusses, also für generatorischen Betrieb, wird die Zwischenkreisspannung bei gleichbleibender Stromrichtung umgekehrt. Dies ist wegen des Fehlens von Rücklaufνentilen durch Ändern des Steuerwinkels des maschinenseitigen Stromrichters möglich.
Einen solchen Zwischenkreisumrichter mit einem Regelkreis auszustatten, der für eine Konstanthaltung des Stroms im Zwischenkreis sorgt, ist ebenfalls bekannt, z.B. aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 814 400 oder aus derMSiemens-Zeitschrift", 45. Jahrgang, April 1971, Heft 4, Seiten 195 bis 197 (Sonderdruck).
Aus der "Siemens-Zeitschrift", 45. Jahrgang, April 1971, Heft 4, Seiten 177 bis 182 ist es ferner bekannt, daß dem mittleren Drehmoment einer Synchronmaschine, d£e aus einem Zwischenkreisumrichter mit zwei Stromrichtern in Drehstrom-Brückenschaltung gespeist wird, Oberwellenmomente höherer Ordnung überlagert werden. Die Ordnung dieser Oberwellenmomente ist durch ein ganzzahliges Vielfaches der Pulszahl des maschinenseitigen Stromrichters gegeben. Beispielsweise treten bei einem sechspulsigen Zwischenkreisumrichter, bedingt durch die rechteckförmigen, nicht-sinusförmigen Ströme, Oberwellen im Drehmoment mit sechs-, zwölf-, achtzehn-. . . -fächer Maschinenfrequenz auf. Diese Drehmomenten-Welligkeit macht sich besonders bei sehr kleinen Maschinenfrequenzen durch einen unrunden Lauf und durch Rattern unangenehm bemerkbar.
In dem bereits genannten Aufsatz in der "Siemens-Zeitschrift" wird angegeben, daß bei Vorliegen besonderer Bedingungen die Drehmomenten-Welligkeit durch Übergang von sechs- auf zwölfpulsige Schaltungen beträchtlich vermindert werden kann. In diesem fall hat das niedrigste Oberwellenmoment die zwölfte Ordnung. Eine solche Maßnahme bedeutet aber einen erheblichen Aufwand sowohl für die Steuersätze der Stromrichter als auch für die Stromrichter selbst. Die Anzahl der steuerbaren
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Hauptventile im maschinenseitigen Stromrichter muß auf jeden Pail vergrößert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Drehfeldmaschine, die an einem Zwischenkreisumrichter mit geregeltem Strom im Zwischenkreis angeschlossen ist, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung anzugeben, durch welche die Drehmoment en-Welligkeit der Drehstrommaschine insbesondere hei kleinen Maschinenfrequenzen weitgehend unterdrückt werden kann. Das Verfahren und die Schaltungsanordnung sollen einfach zu realisieren sein und gleichermaßen im motorischen und im generatorischen Betrieb, also bei beiden Energierichtungen des Zwischenkreisumrichters, anwendbar sein. Verfahren und Schaltungsanordnung sollen sich nicht auf eine Drehstrom-Synchronmaschine beschränken, sondern bei allen Arten von Drehfeldmaschinen, also z.B. auch bei einer Drehstrom-Asynchronmaschine einsetzbar sein.
Ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Drehmoment-Istwert der Drehfeldmaschine mit einem vorgegebenen Drehmoment-Sollwert verglichen wird, und daß die Drehmoment-Abweichung dem Sollwert für den Strom im Zwischenkreis überlagert wird. - "
Eine Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens besteht erfindungsgemäß darin, daß der Drehmoment-Istwert und der Drehmoment-Sollwert einem Vergleicher zugeführt sind, welchem ein Momentenregler nachgeschaltet ist, dessen Ausgangssignal in einem Additionsglied dem Sollwert für den Strom im Zwischenkreis aufgeschaltet ist.
Die Erfindung basiert also auf der Überlegung, daß es bei niedrigen Maschinenfrequenzen, bei denen die Periodendauer der Maschinenfrequenz noch groß ist gegenüber der Ausregelzeit des Stromreglers im Stromregelkreis, möglich ist, den Strom im Zwischenkreis, der im stationären Betrieb bsi höherer Maschinenfrequenz durch den Regelkreis konstant gehalten wird, so zu modulieren, daß das Drehmoment der
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Drehfeldmaschine einen zeitlich gleichförmigen Verlauf erhält .
Soll die Schaltungsanordnung sowohl für den motorischen als auch für den generatorischen Betrieb der Drehfeldmaschine eingesetzt werden, so ist zu beachten, daß sich bei einem Übergang von der einen Betriebsart in die andere das Vorzeichen des Drehmoment-Istwerts ändert. In diesem Fall ist es gemäß einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung erforderlich, daß der Drehmoment-Istwert einem Betragsbildner zugeführt ist, dessen Ausgang mit dem einen Eingang des Vergleichers verbunden ist. Da bei einem Drehrichtungswechsel im allgemeinen auch das Vorzeichen des Drehmoment-Sollwerts geändert wird, sollte der Drehmoment-Sollwert ebenfalls einem Betragsbildner zugeführt sein, dessen Ausgang mit dem anderen Eingang des Vergleichers verbunden ist.
Zur Ermittlung des Drehmoment-Istwerts kann ein Drehmomentgeber auf der Läuferwelle der Drehstrommaschine angeordnet sein. Zu diesem Zweck kann aber auch ein Drehmomentrechner vorgesehen sein, welcher mit den Istwerten von Maschinenspannung und Maschinenstrom gespeist ist
Der Drehmoment-Sollwert kann dem Vergleicher oder dem Betragsbildner prinzipiell auf beliebige Weise vorgegeben sein. Beispielsweise kann als Drehmoment-Sollwertgeber ein Potentiometer vorgesehen sein. Ein besonderer Drehmoment-Sollwertgeber erübrigt sich aber, wenn die Schaltungsanordnung für eine Drehfeldmaschine vorgesehen ist, deren Drehzahl über einen Drehzahlregelkreis geregelt wird. In diesem Fall kann so vorgegangen werden, daß der dem Betragsbildner oder dem Vergleicher zugeführte Drehmoment-Sollwert am Ausgang des Drehzahlreglers im Drehzahlregelkreis abgegriffen ist. Auf diese Weise ist der Drehmoment-Sollwert vom Drehzahl-Sollwert abgeleitet, und Drehzahländerungen infolge Laständerungen werden berücksichtigt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Vetgefügten Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel β näher
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BAD ORJGINAL
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erläutert. Es zeigen .
Figur 1 eine Schaltungsanordnung zum Herabsetzen der Drehmomentenwelligkeit einer Drehstrom-Asynchronmaschine mit einem Zwischenkreisumrichter und zugeordneten Steuer- und Regelkreisen, und
Figur 2 Zeitdiagramme der Drehmomentenwelligkeit einer Drehstrom-Asynchrönmäschine bei bisher üblichem motorischem und generatorisehern Betrieb»
Nach Figur 1 ist eine Drehfeldmaschine 2, im vorliegendem Fall eine Drehstrom-Asynchronmaschine, deren i.äuferw<elle 3 zur Ermittlung der Drehzahl η mit einer lachometBrmaschine 4 versehen ist, über einen statischen Zwischenkreisumrichter an ein Drehstromnetz 5 angeschlossen. Die Drehström-Asynehrönmaschine ist beispielsweise für den Betrieb eines Schienenfahrzeugs vorgesehen. Der Zwischenkreisumrichter besteht aus einem sechspulsigen maschinengetakteten Stromrichter 6 und einem netzgeführten Stromrichter 7, die über einen GleichetrömzwiBchenkTeis 8 miteinander verbunden sind* Der Gleichetrömzwisehenkreis enthält eine Glättungsdross'el 9 und einen Stromwandler TO, der zur Erfassung des Istwerts I des Stroms im Gleichstromzwischenkreis 8 dient. Den Stromrichtern 6 und 7, deren steuerbare Ventile z.B. in Drehstrombrückenschaltung angeordnet sind, ist Jeweils ein Steuersatz 11 bzw, 12 zugeordnet.
Der Steuersatz 12, der über eine Leitung 13 mit der Betzfrequenz synchronisiert ist, erhält seine Eingangs signale in bekannter Weise von einem vorgeschalteten Stromregler 14, dessen Vergleicher 15 vom Stromwandler 10 her der Istwert I des Stroms im Gleichstromzwischenkreis 8 sowie ein Stromsollwert zugeführt sind. Der Stromsollwert ist in Figur T mit I* bezeichnet. Er wird üblicherweise - abweichend Yoia. der Darstellung in Figur 1 - direkt oder über einen Funktionsgenerator" einem übergeordneten Drehzahlregler 16 entnommen, der auf den Steuersatz 11 des Stromrichters 6 einwirkt. Der Vergleicher 17 dieses Drehzahlreglers 16 erhält einen Drehzahl-Sollwert n* von einem Sollwertgeber 18, der als Potentiometer angedeutet ist, sowie den Drehzahl-Istwert η von der
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Tachometermaschine 4. Die Impulssignale der Täehometermaschine 4 werden dabei im allgemeinen durch eine in der Figur 1 nicht dargestellte Einrichtung zur Digital-Analog-Umwandlung geformt.
Die aus dem Stromregler 14, dem Vergleicher 15 und dem Stromwandler 10 bestehende Regelschaltung für den Strom I im Gleichstromzwischenkreis 8 sorgt üblicherweise dafür, daß der Strom I entsprechend der Drehzahl η auf einem von dem Sollwertgeber 18 vorgegebenen Wert festgehalten wird. Dieser Strom I wird abwechselnd vom Stromrichter 6 den einzelnen Phasenzuleitungen der Drehfeldmaschine 2 aufgeprägt. Das Drehmoment der Drehfeldmaschine 2 erhält infolgedessen keinen gleichförmigen zeitlichen Verlauf, sondern enthält Oberwellen.
In Figur 2 ist der Verlauf des Drehmoments D einer Drehstrom-Asynchronmaschine bei motorischem und bei generatorisehem Betrieb sowie im Leerlauf in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen. Diese Drehmomenten-Welligkeit macht sich besonders bei kleinen Drehzahlen der Drehstrom-Asynchronmaschine durch Geräusche und unrunden Lauf unangenehm bemerkbar.
Wie im folgenden anhand von Figur 1 näher ausgeführt wird, kann diese Drehmomenten-Welligkeit gemäß der Erfindung bei niedrigen Drehzahlen weitgehend dadurch unterdrückt werden, daß der Stromsollwert I* nicht konstant gehalten oder lediglich in Abhängigkeit von der Belastung der Drehstrom-Asynchronmaschine geführt wird, sondern zusätzlich in Abhängigkeit von der Drehmomentenwelligkeit moduliert wird. Das ist gemäß der Erfindung solange möglich, als die Periodendauer der Maschinenfrequenz groß ist gegenüber der Ausregelzeit des Stromreglers 14, also gerade bei niederen Maschinenfrequenzen, bei denen die Drehmomentenwelligkeit am meisten stört.
Das Drehmoment erhält im niederen MaschinÄnfrequenzbereich einen praktisch gleichförmigen zeitlichen Verlauf.
Gemäß Figur 1 enthält die Schaltungsanordnung 20 zur Herabsetzung der Drehmomenten-Welligkeit zwei BetraroMldner 21
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und 22, deren Ausgänge mit den beiden Eingängen eines Vergleichers 23, der einem Momentenregler 24 zugeordnet ist, verbunden sind. Die Schaltungsanordnung 20 ist für motorischen, generatorischen und für Leerlaufbetrieb geeignet. Der Betragsbildner 21 wird mit dem Drehmoment-Istwert D der Drehfeldmaschine 2 gespeist. Dieser Drehmoment-Istwert D wird im vorliegenden Fall von einem Drehmomentrechner 25 ermittelt, dem die Maschinenspannung Um und der Maschinenstrom IM zugeführt werden. Ein solcher Drehmomentrechner 25 ist beispielsweise aus der deutschen Patentschrift 1 806 769 bekannt. Die Maschinenspannung TJj, wird mittels eines Spannungswandlers 26 und der Maschinenstrom 1^ wird mittels eines Stromwandlers 27 in den Verbindungsleitungen zwischen Stromrichter 6 und Drehfeldmaschine 2 ermittelt. Anstelle des Drehmomentrechners 25 kann auch ein (nicht gezeigter) Drehmomentgeber vorgesehen sein, welcher auf der Läuferwelle 3 der Drehfeldmaschine 2 angeordnet ist.
Dem Betragsbildner 22 wird ein Drehmoment-Sollwert D* zugeführt. Dieser wird im vorliegenden Fall am Ausgang des Drehzahlreglers 16 abgegriffen. Er ändert sieh somit mit dem Belastungsmoment der Drehfeldmaschine 2. Als Drehmoment-Sollwertgeber könnte auch ein besonderes Potentiometer vorgesehen sein, welches auf den mittleren Drehmoment-Istwert eingestellt ist.
Die Betragsbildner 21 und 22 bilden jeweils die Absolutwerte des Drehmoments (Df bzw; fD*'| . Diese werden im Vergleicher 23 miteinander verglichen. Die Drehmoment-Abweichung -'.D wird dem Momentenregler 24 zugeführt, dessen Ausgangssignal "/.I* einem Additionsglied 28, z.B. einem Addi'tionsverstärker, zugeleitet wird. Der andere Eingang, des Additionsgliedes .28 wird mit einem Stromsollwert I*, der über einen Funktionsgenerator 29 mit vorgegebener Kennlinie aus dem Drehmoment-Sollwert D* gebildet wird, gespeist. Im Additionsglied 28 wird also der Sollwert I* für den Strom im Zwischenkreis 8 mit dem Ausgangssignal f I* des Momentenreglers 24 moduliert. Mar? erhält somit einen modulierten Stromsollwert I*, welcher sich iro Takte der
Drehmomenten-Welligkeit zeitlich verändert. Auf diese Weise
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wird der Strom I im Grleichstromzwischenlcreis 8 so moduliert, daß der Unterschied zwischen Drehmoment-Istwert D und Drehmoment-Sollwert D* zu Null wird und die Momentenwelligkeit verschwindet. Wird der vom Drehmomentrechner 25 ermittelte Drehmoment-Istwert D größer, so wird der Strom I im Gleichstromzwischenkreis 8 sofort kleiner und umgekehrt. Wegen der Verwendung der Betragsbildner 21 und 22 kann die Kompensation der Drehmomenten-Welligkeit unabhängig von dem Vorzeichen des Drehmomentes der Drehfeldmaschine 2 durchgeführt werden.
Die bisher beschriebene Steuer- und Regelschaltung 30 wird in bereits bekannter Weise ergänzt durch einen Drehmomentenregler 31 mit vorgeschaltetem Vergleicher 32, dem sowohl der vom Drehzahlregler 16 gebildete drehzahlabhängige Drehmoment-Sollwert D* als auch der vom Drehmomentrechner 25 ermittelte Drehmoment-Istwert D zugeführt sind. Das Ausgangssignal n" des Drehmomentreglers 33 berücksichtigt den Schlupf der Drehstrom-Asynchronmaschine und wird in einem Additionsglied 33 als Korrekturgröße dem Drehzahlistwert η aufgeschaltet. Das korrigierte Ausgangssignal n1 des Additionsgliedes dient als Steuerspannung für den Steuersatz 11 des Stromrichters 6.
8 Patentansprüche
2 Figuren
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Claims (1)

  1. VPA 72/3148
    Patentansprüche
    M J Verfahren zum Herabsetzen der Drehmomenten-Welligkeit einer Drehfeldmaschine, welche über einen Zwischenkreisumrichter mit steuerbaren Ventilen und mit eingeprägtem Strom im Zwischenkreis an ein Drehstromnetz angeschlossen ist, wobei zur !Regelung des Stroms im Zwischenkreis ein Stromregelkreis vorgesehen ist, dadurch gekennzeichäet, daß der DrehDiöment-Istwört (D) der Drehfeldmaschine (2) mit einem vorgegebenen Drehmoment-Sollwert (D*) verglichen wird, und daß die Drehmoment-Abweichung (/CiD) dein Sollwert (!*) für den Strom im Zwischehkreis (8) überlagert wird.
    2« Schaltungsanordnung zurDurchführung des Verfahrens nach Anspruch 1* dadurch gekennzeichnet, daß der Drehmoment-Istwert (D) und der Drehmoment-Soliwert (D*) einem Vergleicher (25) zugeführt sind j welchem ein Momentregler (24) nachgesöhaltet istj dessen Ausgangssignal (ΔI*) in einem Additionsglied (28) dem Sollwert (i*) für den Ström im Zwischenkreis (8).aufgeschaltet ist.
    3* Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehmoment-Istwert (D) einem Betragsbildner (21) zugeführt ist, dessen Ausgang mitdem Vergleicher (23) verbunden ist.
    4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehmoment-Sollwert (D*) einem Betragsbildner (22) zugeführt ist, dessen Ausgang mit dem Vergleicher (23) verbunden ist.
    5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung des Drehmoment-Istwerts (D) ein Drehmomentgeber auf der Läuferwelle (3) der Drehfeldmaschine (2) angeordnet ist. ·
    6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung des Drehmoment-
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    Istwerts (D) ein DrehmomentrecKner (25) vorgesehen ist., welcher mit den Istwerten (UM, IM) von Masehinenspannung und Maschinenstrom gespeist ist.
    7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Drehmoment-Sollwertgeber ein Potentiometer vorgesehen ist..
    8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, mit einer Drehfeldmaschine, deren Drehzahl über einen Drehzahlregelkreis geregelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehmoment-Sollwert (D*) am Ausgang des Drehzahlreglers (16) abgegriffen ist.
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