DE2629927C2

DE2629927C2 - Anordnung zur Drehzahlregelung eines Synchronmotors

Info

Publication number: DE2629927C2
Application number: DE2629927A
Authority: DE
Inventors: Yuzuru Hitachi Ibaraki Kubota; Toshiaki Okuyama
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1975-07-04
Filing date: 1976-07-02
Publication date: 1984-10-25
Also published as: JPS526921A; US4060753A; DE2629927A1; JPS5821511B2

Description

:5 Die Erfindung betrifft eine Anordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs I angegebenen Gattung zur Drehzahlregelung eines Synchronmotors.

Eine derartige Anordnung ist aus den »Brown Boverie Mitteilungen« 1970, Π1 129. insbesondere Bild 2a auf

Seite 122. bekannt. Diese Anordnung weist zur Steuerung des Roiorstroms einen Funktionsbildner auf, der lediglich mit dem Stator- bzw. Ankerstrom beaufschlagt ist. Daher wird auch der Statorstrom selbst ausschließlich in

.το Abhängigkeit vom Ankerstrom gesteuert. Ändert sich der Rotorsirom infolge Laständerung, so ändert sich damit auch der Leistungsfaktor des Synchronmotor.

Zur Kompensierung dieser Ankerrückwirkung wird üblicherweise eine Kompensationswicklung vorgesehen, die einezurEMKderFeldwtcklung-umW phasenverschobene EMK liefen, wobei diese Kompensationswicklung von einem Strom durchflossen wi-d, dessen Größe dem Ankerstrom entsprichi. Eine solche Kompensationswicklung und die dazu erforderliche Steuerschaltung erhöhen jedoch Größe, Gewicht und Kosten des Motors.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Synchronmotor die Ankerrückwirkung ohne eigene Kompensationswicklung durch Konslunthaltung von Leistungsfaktor und Ankerklemmenspannung zu kompensieren.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Kcnnzeichcnleii des Patentanspruchs 1 abgegeben. Danach wird ein Leistungsfaklor-Sollwert vorgegeben, der zusätzlich zur Drchzahlabweichung und zum Rotorstrom-Sollwert für die Steuerung sowohl des Ankcrsiroms als auch des Rotorstroms herangezogen wird.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 angegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen
Fig. 1 ein Blockschaltbild für eine Anordnung zur Drehzahlregelung eines Synchronmotors,

Fig.2a und 2b Vektordiagramme zur Erläuterung der Funktionsweise der Anordnung nach Fig. 1.
Fig. 3 ein Blockschaltbild für ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Drehzahlregelung eines kommutatorlosen Synchronmotor,

Fig.4 Impulsdiagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise der Anordnung nach Fig. 3.

Fig. 5 ein Blockschaltbild für eine in der Anordnung nach Fig. I und 3 verwendbare Stromphasen-Bezugsschaltung, und

Fig. 6 bis 8 Diagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise der Anordnung nach Kijz. 5.

Gemäß Fig. 1 ist ein Stromrichter 1 eingangsscilig mit Strom aus einer Wechseistroniquellc beaufschlagt und

erzeugt ein dreiphasiges Ausgangssignal variabler Frequenz, das den Dreiphasen-Ankerwicklungen U. Γ und W eines Synchronmotors 2 zugeführt wird, der lerner eine Feldwicklung /·" aufweist. Die Rotorwelle ist mit einem Drehzahl-Sollwertgeber 4 und einem Rotorstcllungsgcber 13 versehen. Ein Drehzahldifi'ercnzverslärkcr 6 ermittelt aus der Differenz der Ausgangssignalc des Drehzahl-Sollwertgebers 4 und eines Drchzahl-Istwcrtgcbcrs 5 eine Drehzahlabweichung E₁. Eine Multiplizierschaltung 8 bildet das Produkt aus der Drchzahlabweichung E₂ und dem Ausgangssignal einer Slromphasen-Bezugsschallung 20, und dieses den Ankcrstromsollwcrl darstellende Produkt-

«) signal wird in einer Stromdiffercnz-Verstärkerschaltimg 10 mit dem von einem Stromdetcktor 9 ermittelten Ankerstrom-Istweri verglichen. Das Ausgangssignal des Difl'erenzverslärkers 10 wird über einen automatischen Impulsphasenschieber H und eine Steuersitiie 12 dem Stromrichter 1 zur Steuerung der Zündphasc der in dein Stromrichter enthaltenen Thyristorschaltungen zugeführt.

Der Rotorslcllungsgeber 13 weist beispielsweise am Rotor befestigte Permanentmagnete sowie zwei diesen

Λ5 gegenüberstehende, am Stator befestigte Signalgeiicralorcn auf. Die beiden Signalgeneralorcn sind dabei an dein Stator in einem Winkel zueinander befestigt. der einem elektrischen Winkel von ¹X) einspricht. Der Kotorstelhingsgcber 13 erzeugt daher zwei Sinussignale, die um 90 gegeneinander phasenverschoben sind und die Lage des Rotors

Mil 14 ist ein Rotorslrom-Sollwerigeber bezeichnet, der dazu dient, ein Ue/ugssignal /:", von einem konstanten lirregerslromteil des an die Feldwicklung F angelegten Feldstroms l_r zu liefern. (Das Bezugssignal £i soll im folgenden als Rotorstrom-Sollwert bezeichnet werden.) Der Rotorstrom· Sollwert E, dient zur Einstellung der nominellen induzierten elektromotorischen Kraft zu einem Zeitpunkt, an dem keine Last anliegt, d.h. zur Einstellung der Größe der Klemmenspannung. Mit !5 ist eine Betriebsschaltung bezeichnet, die den Roiorstrom-Sollwert E₁ und das Ausgangssignal des DrehzahldilTeren/verstärkers 6, d.h. die Drehzahlabweichung E₂ aufnimmt und ein später noch zu beschreibendes Beiriebssignal E, erzeugt. Mit 16 ist ein Stromdetektor bezeichnet, der die Größe des Eingangswechselstroms eines im folgenden als Thyrisiorsehaltung bezeichneten Feldsleuerlhyrislors 19 ermittelt. Mit 17 ist ein Stromdifferenzverstärker bezeichnet, der das (Jberlagerungssignal von den Ausgangssignalen der Betriebsschaltung 15 und des Slromdetektors 16 verstärkt. Mit 18 ist ein automatischer Impulsphasenschieber bezeichnet, der die Zündphase der Thyristorschaltung 19 entsprechend dem Ausgangssignal des Stromdifferenzverstärkers 17 steuert. Die Thyristorschaltung 19 liefert einen Feldstrom /,.- zur Feldwicklung F. Die Stromphasenbezugsschaltung 20 dient zur Gewinnung von drei sinusförmigen Phasensignalen (die im folgenden ais Stromphasenbezugssignal bezeichnet werden) aus dem Ausgangssignal des 13. dem Rotorsirom-Sollwert E₁ und der Drehzahlabweichung E₁ entsprechend einer im folgenden noch näher erläuterten Beziehung.

Fig. 2a und 2b zeigen Vektordiagramme, welche die Beziehungen zwischen der nominellen induzierten elektromotorischen Kraft Eo, dem Ankerrückwirkungsabfall x.L· der Klemmenspannung V und dem inneren Phasenwinkel wiedergeben. Fig.6a zeigt den Fall, in dem der Motorleistungsfaktor 1,0 beträgt, während Fig.6b den Fall eines Leistungsfaktors von 1 betrifft.

Man erkennt aus den Vektordiagrammen, daß mit einer Änderung des Anlicrsiroms /_M von /_Af, nach Z₁₁₂ sich auch der Ankeirückwirkungsabfall x.l_u ebenfalls ändert, und zwar von v,/_M, nach xJ_A,₂. Aus dieser .viderung der Ankerrückwirkung ergibt sich eine Änderung in der Klemmenspannung und eine Änderung im Leistungsfaktor. Wenn man daher die Größe der nominellen induzierten elektromotorischen Kraft (welche dem Feldstrom proportional ist) sowie die Phase des Ankerstroms steuert, kann die vorstehend genannte Änderung zurückgedrängt werden. Wenn sich daher der Ankerstrom von /„, nach /„, im Falle von Fig. 6a ändert, ändert sich die nominelle induzierte elektromotorische Kraft von E_1n nach E₀₁. Wenn man des weheren die Phasendifferenz des Ankerstroms für die induzierte elektromotorische Kraft von S₁ nach <>₂ ändert, können die Größe der Klemmenspannung und der Leistungsfaktor konstant gehalten werden. Im Falle von Fig.6b wird des weiteren die nominelle induzierte elektromotorische Kraft von E₀, nach E₀₁ geändert und die nominelle induzierte elektromotorische Kraft wird von E₀₁ nach E₀₂ geändert, während die Phasendifferenz bezüglich der nominellen induzierten elektromotorischen » Kraft von <5, +·/ nach O₂ ■+-"/ geändert wird (wobei ■/ der Leistungslaktorwinkel isl). Es lassen sich somit im Ergebnis die Größe der Klemmenspannung und der Leistungsfaktor konstanthalten, und zwar unabhängig von der Größe des Ankerstroms. Die vorstehenden Überlegungen stellen das Grundprinzip der Erfindung dar.

In Fig. 1 erhält die Betriebsschaltung 15 den Roiorsirom-Sollwerl E₁ und diii Drehzahlubweichung E₂ und erzeugt das Betriebssignal E,. das durch die folgende Beziehung wiedergegeben wird:

E₁ =4''e7 + E₂ ² (I)

Der Rotorstrom-Sollwcrt E, gibt die Klemmenspannung V vor. Da des weiteren die synchrone Reaktanz .v, die Klemmenspannung (Kraftfluß durch den Luftspalt) auf konstant regelt, bleibt sie konstant, und zwar unabhängig 4« davon, ob das System unter Last sieht oder nicht. Die Drehzahlabwrichung E₂ ist daher der Ankerrückwirkung χ J_n proportional. Das Ausgangssignal E, der Betriebsschaltung 15 ist proportional zur nominellen induzierten elektromotorischen Kraft E_n.

Die Betriebsschaltung 15 kann des weiteren mit einem Funktionengencrator ausgebildet sein, dessen Eingangs-/ Ausgangsbezichung durch eine Kurve wiedergegeben wird, die eine Funklion zweiter Ordnung ist.

Das AusgEngssignal E, der Betrieb (schaltung 15 stellt ein Feldsirom-Steucrsignal dar. das die Größe des Feldstroms I_t- näher festlegt. Es wird dem Stromdifferenzverstärker 17 zugeführt. Dieser vergleicht das Signal E₁ und das Ausgangssignal des Stromdeiektors 16. wobei sein Abwcichungssignal dem automatischen Impulsphasenschieber 18 zugeführt wird. Der Impulsphasenschieber 18 steuert die Zündphase enisprcchend dem Abweichungssignal und gibt ein Steuersignal zur Thyrislorschallung 19. Die Thyrislorschaltung 19 wird in einer Weise gesteuert, die jo der Stroimteuerung in dem bekannten Leonardsystem entspricht. Im Ergebnis wird der Feldstrom I_r proportional zu dem SignJ E₃ entsprechend folgender Beziehung gesteuert:

/jr = A7-., (2)

55 worin K eine Proportionalitätskonstante ist.

Betrachtet man nun die in den Ankerwicklungen (/. V und W induzierie Spannung, so stellt der Feldstrom I_F eine Flubvcrkcltung mit der Ankerwicklung her. wobei die Anzahl der Fluüvcrketiungen sich mit der Drehung des Rotors ändert. Es wird daher eine nominelle elektromotorische Kraft cou in der ('· ?hascnankerwicklung induziert. Die Spannungen in der V- und der HM'hase unterscheiden sich von derjenigen des L'-Phasensignals lediglich «> phasenmäßig um jeweils 120", so daß sie hier nicht näher beschrieben werden müssen.

eou= —tor- M■ If sinimrt + φ,) (3)

Hierin bedeutet M die maximale gegenseitige Induktanz zwischen der Feldwicklung und der Ankerwicklung, ωτ ist die Kreisfrequenz der induzierten Spannung, wobei insbesondere die Beziehung on =2πΝ, gilt, in der ρ die Anzahl der Polpaare und /V, die Anzahl der Umdrehungen pro Sekunde isl. φ_{ bedeutet den elektrischen Winkel zwischen der Feldwicklung F und der Ankerwicklung (/ im Falle 1 = 0

Andererseits wird der Ankerstrom in folgender Weise gesteuert. Von dem Rotorsiellungsgeber 13 erhält man zwei Rotorstellungssignalc H₁ und //,. welche der Winkellage des Rotors (KcId) gemäß den untenstehenden Beziehungen entsprechen. Aul"den Amplitudenweri der Signale wird nicht eingegangen, da diesen im vorliegenden Zusammenhang keine Bedeutung zukommt. Des weiteren werden and'-re Signale in entsprechender Weise weggelassen, wenn sie nicht notwendig sind.

//, = COs(WJV +(/)₂) (4)

H₂ = sin{f)ri + φ₂) (S₁

worin <p₂ die Signalphase zum Zeitpunkt ;=() ist.

Die Stromphasenbezugsschaltung 20 empfängt diese Signale //, und H₁ sowie die Signale £, und E₁ und erzeugt die Stromphasen-Bezugssignale D₁₁, D₁. und ß„. unter Berücksichtigung der Beziehung

ό = tan"¹ ': (6)

nach folgenden Gleichungen:

D„~ -sin(fur/ + i/), + H) (7)

O₁ =-sin((or:+ </), + ,■)-120 ) (8)

D«.= -sin(iurf+ φ_: + (ί+ 120 ) (9)

Man erkennt aus den Formeln (7) bis (9). daß die Stromphascn-Bczugssignale ß„ bis D„ sinusförmige Signale sind, die frequenzmäßig der Spannung <■« entsprechen und gegeneinander um 120 phasenverschoben sind. Die Multiplizierschaltung 8 erzeugt aus dem so erhaltenen Siromphascnbezugssi}·>il ß_u und der Drchzahlabweichung E₁ einen Ankerstrom-Sollwcrt. der Größe und Phase des tZ-Phasenankerstroms iu festlegt.

Der Ankerstrom tu läßt sich durch folgende Beziehung ausdrücken:

iu—- Im <in(u>n+ φ₂+ό) (10)

worin /„ die Amplitude des Stroms ist.

Die anderen Ströme /r und /ir werden entsprechend gemäß einem Ankerstrom-Sollwcrt gesteuert, der durch Multiplizieren der Drehzahlabweichung E₂ und des Stromphasenbezugssignals D₁. bzw. D_w erhalten ist. Sie unterscheiden sich von iu lediglich durch eine Phasenverschiebung von 12(V.

Man erkennt aus Gleichung (10). daß der Ankerstrom iu eine Phasenvoreilung von H bezüglich des Lagensignals H₂ aufweist. Wenn der Rotorstellungsgeber 13 derart vorgesehen ist. daß das Rotorstellungssignal H₂ in Phase mit der nominellen induzierten elektromotorischen K raft ist. d. h. wenn die Beziehung gilt φ, = φ₂. sind der Ankerstrom /„ und die Klemmenspannung V in Phase zueinander. Der Leistungsfaktor kann daher bei dem Wert von 1,0 gehalten werden.

Als Folge eines derartigen Ankersiroms ergibt sich für das Drehmoment r des Motors folgende Beziehung:

Der Wert (φ₂ -ψ,) wird geeignet eingestellt, indem man die Phase des Ausgangssignals des Rotorstellungsgebers 13 entsprechend justiert, was durch F.instellung der gegenseitigen Lage zwischen dem Lochgenerator und dem Permanentmagnet geschieht. Wenn φ₂ =<p, ist. ergibt sich das Drehmoment gemäß folgender Beziehung:

I_F cosS in Gleichung (12) ergibt sich aus den Beziehungen (1), (2) und (6) als
If cosi' = KE, (13)

Das Drehmoment r wird somit allein von der Größe l_m des Ankerstroms (entsprechend der Drehzahlabweichung E₂) und der Größe des Rotorstrom-Soliwerts E₁ bestimmt.

Für die Ankerspannung ergibt sich nunmehr, da die Ankersirömc in bis /ir zu einer Ankerrückwirkung führen. «ι daß die Klemmenspannung Γ von der nominell induzierten elektromotorischen Kraft E_n um den Ankerrückwirkungsabl'all χ J₁₁ reduziert wird. F.s ergibt sich daher für den augenblicklichen Wert der { -Phasenklemmenspannung cn folgende Beziehung:

cu = eau — χJ_M cosUorl +φ, +,})

= — orMI_Fcoso sin(fi>/7 + φ -i <i).

+ {tor.\iif sino -\\/_M) cos{wri + ψ, +Λ) (14)

/, sun) in Gleichung (14) υτμιΗΐ sich ;ius den lic/ichungen (1), (2) und ((>) ;ils

/,sin,) - KIi₁ (15)

Da es der Amplitude /,„ des Ankersiroms proporiioniil ist. liilit es sich einstollen auf <

/_t--sini>//„ - \,or.M (16)

Diese Einstellung kann beispielsweise durch eine Steuerung der l-ingnngsinipcdanz der Siromdiflcrenz-Verstärkerschaltung 10 erfolgen. Mit dritter Einstellung ergibt sieh für die Klemmenspannung cn die Beziehung id

ei/= —mrMlf cos«) sin(o>rr + </>, +ι¹)) (17)

/_feos(> in Gleichung (17) ist gleich KE₁ wie in Gleichung (13) und konstant. Somit wird die Größe der Klemmenspannung eu von dem Ankerstrom nicht beeinflußt. Ihre Größe wird durch den Rotorstrom-Sollwert E₁ bestimmt is und nicht durch den Ankersirom geändert. Die Klemmenspannung ist immer in Phase mit dem Ankerstrom (wenn der Leistungsfaktor 1,0 beträgt), unabhängig von der Größe des Ankersiroms, wie dies aus den Beziehungen der Gleichungen (10) und (17) folgt. Dies bedeutet, daß es gelingt, die Herabsetzung des Leistungsfaktors und das Anwachsen der Klemmspannung mi! einem Anwachsen der Last zu verhindern. Wenn die vorstehend beschriebene Regelung durchgeführt wird, ist folgendes ersichtlich: y,

1. Die Größe des Drehmoments läßt sieh geeignet durch eine entsprechende Steuerung der Größe /„ des Ankerstroms regeln. Durch eine Regelung des Ankerstroms entsprechend dem Ausgangssignal E₂ des Drehzahldifferenzverstärkcrs 6 läßt sieh die Drehzahl des Motors regeln.

2. Die Größe der Ankerklcmmcnspannung kann unabhängig vom Ankerstrom gesteuert werden, während die Klemmenspannung und der Ankerstrom immer in Phase zueinander gehalten werden können. Es gelingt daher, die ;j Verminderung des Leistungsfaktors zu verhindern, die mit einem Anwachsen der Last einhergehl. und ein Anwachsen der Klemmenspannung. Anders ausgedrückt: Es gelingt, die Ankerrückwirkung zu kompensieren, ohne hierzu irgendeine Kompensationswicklung vorzusehen. Die Kapazität des Stromrichters 1 und des Synchronmotors 2 kann somit verringert werden.

Dies Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 betrifft einen kommutalorlosen Synchronmotor mit einem Thyristorfre- jo qucnzv undler31. deruusGlcichrichtcrschaltungen31(/ und Wechselrichterschaltungen 31h bestehen. 32 bezeichnet einen Stromdetektor, der den Eingangs-Wechselstrom der Glciehrichlerschaltungen 31« ermittelt. 33 bezeichnet eine StromdilTerenz-Verstärkerschallung zur Verstärkung der Drehzahlabweichung E₂ und des Ausgangssignals (Gleichstromsignal) des Stromdeteklors 32. 34 bezeichnet einen automalischen Impulsphasenschieber zur Steuerung der Zündphase der Gleichrichterschallungcn 31« entsprechend dem Ausgangssignal der Stromdifferenz-Verstärkerschaltung 33. 35 bezeichnet einen Sleuerversiärker zur Erzeugung eines Steuersignals der Wechselrichterschaltungen 31h mit einer im folgenden noch näher beschriebenen Phasenbeziehung aus dem Ausgangssignal der Stromphasenbezugsschaliung 20.

Der Betrieb der vorstehend beschriebenen Schallung wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 4 erläutert. Der Eingangsstrom der Gleichrichtcrsehaltungcn 31« und der dazu proportionale Ankerstrom des Synchronmotors 2 werden von d«n Operationen des Slromdetcktors 32, der Stromdifferenz-VersiärkerschaltungSS. des Impulsphasenschiebers 34 und der Gleichrichterschallungen 31« auf die Werte gesteuert, die der Drehzahlabweichung E₂ entsprechen.

Der Steuerverstärker 35 empfängt die Stromphasenbezugssignalc Uu bis Dw der Stromphasenbezugsschaltung 20 als Eingangssignale und erzeugt ein Steuersignal (Fig. 3 b) der Wechsel rieh icrschaltungen 31h. das die aus Fig. 3a ersichtliche Phasenbeziehung zu den Stromphascnbezugswertcn Du bis Dir aufweist. Die Thyristoren der Wechselrichterschaltungcn 31h werden diesem Steuersignal entsprechend erregt. Der Ankerstrom des Synchronmotors 2 ist daher in Phase mit den Slromphasenbezugssignalen Du bis Dn:

Es dürfte damit klar ersichtlich sein, daß wegen de' dem Beispiel von Fig. 1 entsprechenden Steuerung der Amplitudenphasen des Feldstroms und des Ankersiroms des Synchronmotor auch bei der Ausführungsform von Fig. 3 eine Kompensation der Ankerrückwirkung auf den Motor bewirkt werden kann.

Es wurde in den vorausgehenden Ausführungsformen der Fall beschrieben, daß der Leistungsfaktor des Synchronmotors 1,0 beträgt. Wenn jedoch ein Frequenzwandler mittels der gegenclektromotorischen Kraft des Motors kommutiert, d.h. im Falle eines sog. getrennt erregten Wandlers, ist es notwendig, den Leistungsfaktor auf einen geringeren Wert als 1,0 festzusetzen. Ein Kommutieren des Elektromotors durch die gegenelektromotorische Kraft wird zumeist bei dem kommutatorfreien Motor des Gleichstromverbindungstyps gemäß Fig. 3 verwendet, bei dem die Wechselrichterschaltungen keine erzwungene Kommutierungsschaltung haben. Dies soll näher unter Zugrundelegung der in F i g. 3 dargestellten Ausführungsform beschrieben werden, auch wenn Unterschiede von der in F ig. 1 gezeigten Ausführungsform dahingehend bestehen, daß eine Stromphasenbezugsschaltung 20 wie in Fig. 5 gebildet ist. Dabei erzeugt der Rotorstellungsgeber 13 die Rotorstellungssignale W₁, H₂ in Form von Rechteckwellen. Der Steuerverstärker 35 empfangt ein Signal in Form einer Rechteckwelle als Eingangssignal und erzeugt das Steuersignal.

In Fig. 5 bedeutet 36 eine Leistungsfaktor-Winkelbezugsschaltung zur Erzeugung eines Sollwerts £₄ des Leistungsfaktorwinkels 7. 37 bezeichnet einen Funktionengenerator zur Erzeugung eines Ausgangssignals F₁ aus dem Leistungsfaktor-Sollwert £₄ als Eingangssignal gemäß der Beziehung von Fig. 6(a). 38 ist ein Funktionsgenerator zur Erzeugung eines Ausgangssignals F₂ aus dem Leistungsfaktor-Sollwert E_x als Eingangssignal entsprechend der in Fig. 6(b) gezeigten Beziehung. 39 ist eine Multiplikationsschaltung zum Multiplizieren des Ausgangssignals F₁ des Funktionengenerators 37 mit dem Strombezugssignal, 40 stelit eine Multiplizierschaltung dar, welche dazu

dient, das Ausgangssignal F₁ des Fuiiktionsgenerators 38 mil der Drehzahlabweichung .';", zu multiplizieren. 41 ist eine Addierschaltung, welche das Ausgangssignal der MulliplizierschalUii;. 40 zu dem Rotorstrom-Sollwert E₁ addiert. 42 ist eine Divisionsschaltung, welche das Ausgangssignal der Multiplizierschallung 39 durch das Ausgangssignal der Addierschaltung 41 dividiert. 43 ist ein Funktionsgenerator, der das Ausgangssignal E_H aus dem Eingangssignal des Bezugswertes E^jE₁ entsprechend Fig. (Sie) erzeugt. 44 ist eine Addierschaltung, welche das Ausgangssignal des Funktionsgenerator 43 zu dem Leistungsfaktor-Sollwert E₄ addiert. 45 ist ein Phasenschieber, welcher das (Tchteckförmigc) Ausgangssignal des Rotorstellungsgebers 13 empfangt, um ein Signal mit rechteckiger Wellenform zu erzeugen, dessen Phase um einen Betrag von dem Eingangssignal verschoben ist. der proportional zum Ausgangssignal der Addierschaltung 44 ist.

in Der Betrieb der vorstehend aufgebauten Schaliung soll im folgenden im einzelnen erläutert werden:

Beide Multiplizierschaltungcn 39 und 40 empfangen das Signal E₁ sowie je eines der Signale F₁ und F₂- Sie erzeugen entsprechende Ausgangssignole E, und £„. die sich durch folgende Formeln wiedergeben lassen:

£, ^₂COsE₄ = E₂ cosy (18)

E₆ = E₂SInE₄=E₂Sm; (19)

Das Signal £., entspricht einem Vektor /</. das Signal E₆ einem Vektor Ip in dem Vektordiagramm von Fig./. Das konstante Signal F.. wird zu dem Siumil F.._t mittels der Addierschaltung 41 addiert, so daß die Summe E₇ :o entsprechend der folgenden Formel gebildet wird.

£₇ = £,+£₂siny (20)

Das Signal E₇ ist proportional zur Amplitude der Vektorsumme aus der Klemmenspannung V und dem Vektor Ip in Fig. 7. Die Rechenschaltung 15 empfängt die Signale E₅ und E₁ und erzeugt das Bctriebssignal £., entsprechend der folgenden Formel:

E₃ = I-T₅ ¹VEf (21)

jo Das entsprechend Gleichung (21) gebildete Sigtw.l E, ist. wie deutlich aus dem Vektordiagramm von Fig. 7 hervorgeht, der nominellen induzierten elektromotorischen Kraft £„ proportional. Der Feldstrom l_r wird daher so gesteuert, daß er der Amplitude der nominellen induzierten elektromotorischen Kraft E₁₁ proportional ist. wie dies durch die obige Gleichung (2) wiedergegeben ist.
Andererseits wird die Phase des Ankerstronis in folgender Weise gesteuert:

jj Das Bezugssignal £₅/£₇ wird zunüchsi durch die Divisionsschaltung 42 erhalten und dann dem Funktionengenerator 43 zugeführt, um das Signal E_x proportional zu dem InnenphasendilTerenzwinkel 6 entsprechend der in Fig. 6(c) dargestellten Charakteristik zu erzeugen. Der Winkel δ kann durch folgende Beziehung erhalten werden:

a = tan-| (22,

Aus dem Innenphas^sdifierenzwinkelsignal E₈ wird zu dem Leistungsfaktor-Sollwert E₄ mittels der Addierschaltung 44 addiert, so daß als Summe das Phasenverschiebesignal E,, entsteht, das an dem Phasenschieber 45 angelegt wird. Das Phasenverschiebungssignal E₁, wird entsprechend folgender Beziehung erhalten:

£_q = £₄+ £„=(>-V (23)

Fig.8 zeigt ein Wellenformdiagramm zur Erläuterung der Betriebsabläufe des Rotorstellungsgebers 13. des Phasenschiebers 45 und des Steuerverstärkers 35. F i g. 8 (a) zeigt die Phase der nominellen induzierten elektromotorischen Kraft E₀ des Synchronmotors 2. Der Rotorsicllungsgeber 13 erzeugt drei Signale P₁ . P_v, P₁₁- von rechteckiger Wellenform, welche bezüglich der nominellen induzierten elektromotorischen Kraft E₀ Phasenbeziehungen aufweisen, wie sie aus Fig. 8(b) hervorgehen. Der Phasenschieber 45 verschiebt den Phasenbetrag der Lagensignale P_t bis P_w entsprechend dem Phasenverschiebesignal £>, zur Erzeugung von Ausgangssignalen P₁- bis P_n-, wie dies in F i g. 8 (c) dargestellt ist. Der Steuerverstärkcr 35 empfängt das Signal des Phasenschiebers 45 und erzeugt Steuersignale G_uf bis G_Bv der Wechselrichterschallungen 31/>. welche die in F i g. 8 (d) dargestellte Phasenbeziehung aufweisen. Da die Thyristoren in den Wcchselrichiersehaltungcn 31/) entsprechend diesen Steuersignalen erregt werden, fließen die Ankerströme iU bis i\Vdes Synchronmotors 2 schließlich in Phasenlagcn. die in F ig. 8(e) dargestellt ist. Dies bedeutet, daß die Phasendifferenz zwischen dem Ankerstrom (Grundwelle) und der nominellen induzierten elektromotorischen Kraft £„ auf den Wert v₀ geregelt ist.

Im folgenden soll der Grund erläutert werden, warum die Klemmenspannung V und der Leistungsfaktor des Elektromotors konstant ohne Schwankungen gehalten werden können, selbst wenn sich der Ankerstrom des Synchronmotors ändert, indem die Amplitude des F'eldslroms l_f und die Phase des Ankerstroms des Motors in der oben beschriebenen Weise gesteuert werden.

Aus dem Ergebnis, daß der Feldstrom /_F des Motors durch das Betriebssignal E, gemäß der Beziehung (21) gesteuert wird, ergibt sich, daß eine nominelle induziere elektromotorische Kraft C₀₁-. die durch die folgende Beziehung wiedergegeben wird, in dem Anker V induziert wird.

e_ol·=-ior\t[_Fs\n{iori) (24)

wobei hier ein Wen ι =0 gcwühll isi. wenn der Winkel de' ('-Phase /wischen Feld und Anker Null ist.

Andererseits läßt sich, da der Ankersirom /, entsprechend der vorstehend beschriebenen Phasenbeziehung "cregclt wird, folgende Beziehung aufstellen:

/ι-= —/jii sin(ujr/-t--/,,) (25) <

in der Im die Amplitude der Grundwelle des Stroms bedeutet.

Der den Anker durchfließende Strom erzeugt eine Ankerrückwirkung im Molor mit dem Ergebnis, daß die Klemmenspannungi·,, um den Bei rag des Ankerrückwirkungsabfalls von der nominellen induzierten elektromotorischen Kraft <■„,, abnimmt. [Dies bedeutet: m

"υ = <'tu/ - ^XJ>» tos(ri(/·/ + ;·„). (26)

Die Gleichung (26) kann wie folgt umschrieben werden:

U'i E₁) sin((>.T( — i))

, -A₂Y,] E₁ sin7 sin{(ur/ +i)) + [A-.corA/(..-A-,.v.1 E₁ cosv eos(i.j)·/ -O) (27)

₁,-IE A-, = ₁

Der zweite und der dritte Term der Gleichung (27) können gleich Null gesetzt werden, wenn die folgende Bedingung erfüllt ist:

mit A₁=/,-IE₁

(28) ²⁵

Die Erfüllung der Beziehung (28) lüßt sich beispielsweise durch eine Steuerung des Eingangswiderstandes der StromdiffercnzverstiirkerschaltuniiSS oder 17 steuern. Wenn die Bedingung der Gleichung 31 erfüllt ist, läßt sich die Klemmenspannung e_v durch die \olgcndc Beziehung wiedergeben:

(29)

Dies bedeutet, daß die Amplitude der Klemmenspannung von dem Rotorstrom-Sollwert E₁ bestimmt ist. daß sie jedoch unabhängig von dem Ankerstrom konstant ist. Die Phase der Klemmenspannung kann immer bei einer bestimmten Phasendifferenz y (·/ =■;„ —<5) zu dem Ankerstrom des Motors gehalten werden. Das in diesem Falle erzeugte Drehmoment läßt sich durch folgende Beziehung wiedergeben:

r = lpMf(k:, ■ £■,)/;» cos y (30)

Dies bedeutet, daß das Drehmoment dem Ankersirom proportional ist. ⁴"

Auch bei dieser Ausführungsform können also die gleichen Vorteile und Wirkungen wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen erhallen werden. Dabei kann die Phasendifferenz (Leistungsfaktorwinkel) ν in jedem Fall durch den Leistungsfaktor-Sollwert f₄ gesteuert werden kann. Da der Leistungsfaktorwinkel ; lie notwendige Größe für eine stabile Kommutierung des Frequenzumformers 31 liefern kann, und da er des weiteren in der Lage ist, die Größe des Drehmoments durch eine Steuerung seiner selbst zu ändern, wie dies klar aus Formel (30) ^4> hervorgeht, dufte ferner ersichtlich sein, daß das Drehmoment (die Größe des Drehmoments) durch eine Regelung des Leistungsfaktor-Sollwerts y entsprechend einer im vorhinein festgelegten Beziehung geregelt werden kann.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

60

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Drehzahlregelung eines eine mehrphasige Statorwicklung und eine Rotorwicklung aufweisenden Synchronmotors (2), mit einem von einem Roiorstcllungsgeber (13) gesteuerten Stromrichter (1; 31), der die Statorwicklung des Synchronmotors mit Wechselstrom veränderlicher Frequenz beaufschlagt, einer Ankerstrom-Steuerstufe(6,8,10... 12; 6.33.. .35), die die Drchzahlabweichung (E₂) zwischen einer Solldrehzahl und der Rotor-Istdrehzahl bildet und den Stromrichter (1; 31) in Abhängigkeit von der Drehzahlabweichung (E₂) und einem Rotorstellungssignal (H₁. H₂) hinsichtlich der Phasenlags steuert, sowie einer Rotorstrom-Steuerstufe (17...19), die den Rotorstrom in Abhängigkeit von der Drehzahlabweicbung (E-,) steuert, wobii der

w Rotorstrom-Sollwert (E₁) vorgegeben ist, bei dem in Betrieb ohne Last die Nenn-EMK in der Statorwicklung induziert wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Rotorstellungsgeber(13) und der Ankerstrom-Steuerstufe (6,8,10... 12; 6,33.. .35) eine Stromphasenbezugschaltung (20) angeordnet ist, die das Rotorstellungssignal (H₁, H₂) um einen von der Drehzahlabweichung (E₂), vom Rotorstrom-Sollwert (E_x) und vom Leistungsfaktor-Sollwert (£₄) abhängigen Phasendifferenzwert verschiebt, und daß die Rolorslrom-Steuerstufe (17.. .19) den Rotorstrom entsprechend einem von der Orchzahlabweichung (E₂). vom Rotorstrom-Sollwert (E₁) und vom Leistungsfaktor-Sollwert (E+) abhängigen Betricbssignal (E₃) steuert. (Fig. 1, 3)

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromrichter (31) eine mit der Drehzahlabweichung (E₂) gesteuerte Gleichrichtcrschaltung (31a) und eine Wcchselrichterschaltung (31/j) umfaßt, die mit dem Rotorstellungssignal (//,. H₂), verschoben um den von der Drehzahlabweichung (E₁) und dem Rotorstrom-So'i-i'ert (E₁) abhängigen PhasendifTercnzwert, gesleuerl ist. (Fig. 3)