DE3043058C2

DE3043058C2 - Verfahren zur Führung einer Synchronmaschine

Info

Publication number: DE3043058C2
Application number: DE3043058A
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Dipl.-Ing. Fink; Peter Dipl.-Ing. Grumbrecht; Peter Dipl.-Ing. Hussels; Joachim 1000 Berlin Weidemann
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1980-11-12
Filing date: 1980-11-12
Publication date: 1991-01-03
Anticipated expiration: 2000-11-13
Also published as: ZA817864B; DE3043058A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß den im Oberbegriff des Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmalen (DE-OS 21 32 178).
Das Verfahren findet eine Anwendung bei einem Antriebskonzept, das an Hand der Fig. 1 näher erläutert wird: eine Synchronmaschine SM wird über eine steuerbare Stromrichteranordnung ST am Netz N betrieben. Einer Maschinenführung M werden dazu Vorgabewerte M _w für das Drehmoment φ _w für den Phasenwinkel der Maschineneingangsgrößen und c _hw für den Fluß zugeleitet. An die Stelle des Vorgabewertes φ _w kann auch bei sehr hohen Drehzahlen ein Vorgabewert für die Maschinenspannung treten, so daß bei steigender Drehzahl ein Betrieb mit konstanter Spannung möglich ist, ohne den Fluß abzusenken. Mit der Maschinenführung M wird es ermöglicht, Ströme (Ständerstrom i _Sw, Feldstrom i _Fw) und/oder Spannungen (U _Sw ) zur Steuerung der Maschine vorzugeben.
Es ist bekannt, mehr oder minder detaillierte inverse Nachbildungen der Maschine auf elektronischem Wege einzusetzen, vgl. "Siemens-Zeitschrift" Bd. 45 (1971) Seiten 765 bis 768, Aufsatz: Die TRANSVEKTOR- Regelung für den feldorientierten Betrieb einer Synchronmaschine" von Bayer, Waldmann und Weibelzahl und DE-OS 21 32 178.
In dem genannten Stand der Technik wird das Maschinenmodell dazu benutzt, aus der gemessenen Läuferlage (in beiden Schriften sin α, cos a genannt) und den Istwerten der drei Ständerströme sowie dem Istwert des Erregerstromes die augenblickliche Lage des Flußzeigers zu ermitteln. Mit dieser Information ist es möglich, Wirk- und den Blindanteil des Ständerstromes getrennt vorzugeben. Mit diesen beiden Ständerstromanteilen ist aber der Zustand der Synchronmaschine noch nicht festgelegt. Dazu gehört eine koordinierte Vorgabe von Ständerstromvektor und Erregerstrom.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es also, Ständerstromvektor und Erregerstrom koordiniert so vorzugeben, daß bestimmte Sollwerte für den Drehmoment, den Fluß und den Phasenwinkel der Maschineneingangsgrößen (Erregungszustand: kapazitiver ohmscher oder induktiver Betrieb) eingehalten werden.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Verfahrensschritte gelöst. Ausgestaltungen des Verfahrens gemäß der Erfindung sind in dem Unteranspruch angegeben.
Das Verfahren gemäß der Erfindung wird im nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt:
die Fig. 2 eine Darstellung des Verfahrens gemäß der Erfindung,
die Fig. 3 ein Raumzeigerdiagramm zur Erläuterung dieses Verfahrens,
die Fig. 4 eine innere Strukturierung des Maschinenmodells,
die Fig. 4a-4h den Aufbau der einzelnen Komponenten des Maschinenkreises, dabei insbesondere
Fig. 4b die Bestimmung der Längsmagnetisierung aus Feldstrom und Rückwirkung aus Ständer- und Dämpferstrom,
Fig. 4c den Zusammenhang zwischen Magnetisierung und Flußkomponenten,
Fig. 4d die Bestimmung der Lage des Flusses gegenüber der Läuferlängsachse,
Fig. 4e die Bestimmung des Maschinendrehmoments,
Fig. 4f die Bestimmung des Ständerflusses,
Fig. 4g die Bestimmung des Phasenwinkels,
Fig. 4h die Herleitung der Spannungskomponenten U _Sd und U _Sq.
In der Fig. 2 ist dargestellt, daß ein nicht inverses Maschinenmodell 1 in der Rückführung von Führungsgrößenreglern 2, 3, 4 angeordnet ist, wobei einem ersten Regler 2 ein Vorgabewert M _w für das Drehmoment und ein vom Modell bestimmter Modellistwert M _x, einem zweiten Regler 3 ein Vorgabewert φ _w für den Phasenwinkel der Maschineneingangsgrößen und ein vom Modell bestimmter Modellistwert φ _x oder Vorgabewert für die Spannung U _w und Modellistwert U _x, einem dritten Regler 4 ein Vorgabewert ψ _hw für den Fluß und ein vom Modell bestimmter Modellistwert ψ _hx zugeführt werden, und die Ausgangsgrößen der drei Regler, nämlich die Ständerstromkomponenten i _Sd, i _Sq, in läuferbezogene Koordinaten, und der Feldstrom i _F dem Maschinenmodell 1 als Eingangsgrößen zugeführt werden.
Ferner ist dargestellt, daß die läuferbezogenen Ständerstromkomponenten i _Sd, i _Sq einem Koordinatendreher 5 zugeführt werden, in dem sie in ständerbezogene Größen i _S α, i _S β dadurch umgeformt werden, daß entweder die Läuferlage λ direkt gemessen oder aus der Flußlage θ und der im Maschinenmodell bestimmten relativen Verdrehung δ zwischen der Flußlage θ und der Läuferlage λ hergeleitet wird und diese direkt oder indirekt bestimmte Läuferlage die Drehung des Koordinatendrehers 5 bestimmt.
Eine Erweiterung des bisher beschriebenen Verfahrens besteht darin, daß zusätzlich ein Spannungsmodell 6 vorgesehen ist, dem die Ständerstromkomponenten i _Sd, i _Sq, vom Maschinenmodell 1 die Ständer-Flußkomponenten ψ _1d, ψ _1q und die zeitliche Änderung der Flußlage θ zugeführt werden und daß aus diesen Größen die Ständerspannungskomponenten U _Sd, U _Sq bestimmt werden.
Es ist ferner dargestellt, daß die Ständerspannungskomponenten U _Sd, U _Sq einem weiteren Koordinatendreher 7 zugeführt werden, der in gleicher Weise wie der erste Koordinatendreher gesteuert wird und an dessen Ausgang die ständerbezogenen Spannungskomponenten U _{S α}, U _{S β} auftreten.
Schließlich ist noch dargestellt, daß die Ausgangsgrößen des Koordinatendrehers 5 oder der Koordinatendreher 5 und 7 einem ständerorientierten Modell 8 zugeführt werden, indem die Umsetzung aus dem zweisträngigen orthogonalen Strom-/Spannungssystem in das in der Maschine verwirklichte, üblicherweise dreisträngig symmetrische Strom-/Spannungssystem umgesetzt wird.
Zur Erläuterung des verwendeten Maschinenmodells dient das Raumzeigerdiagramm in Fig. 3. In den läuferbezogenen d,q-Koordinaten, in denen auch das Maschinenmodell aufgebaut ist, sind der Feldstrom i _F und die Ständerstromkomponenten i _Sd und i _Sq dargestellt.
Die Flußkomponenten ψ _hd, ψ _hq können hieraus über die Hauptinduktivitäten I _hq und L _hy ermittelt werden. Dieser Zusammenhang kann auch über Kennlinien gegeben werden. Man kann erkennen, daß der resultierende Hauptfluß ψ _h damit um den Winkel δ gegenüber der leicht zu magnetisierenden Läuferachse d verdreht ist. Über den Ständerstreuabfall erhält man den Ständerfluß ψ _S. Dieser dient als Grundlage zur Ermittlung der Ständerspannung U _S. Hiermit kann der Phasenwinkel φ zwischen den Eingangsgrößen der Maschine i _S und U _S ermittelt werden. Die Winkellage des Läufers (d,q-System) gegenüber dem Ständer (α, β-System) wird mit λ bezeichnet.
Diese funktionalen Zusammenhänge sind Grundlage für die Realisierung des Maschinenmodells.
Das nicht inverse Maschinenmodell besteht in einfacher Ausführung nur aus der Nachbildung der Maschinenströme und -flüsse.
Einzelne Kanäle wie z. B. die Ermittlung von i _Sq aus M _w und ψ _hw, können über ein inverses Teilmodell aufgebaut sein.
Den Führungsgrößenreglern können statt einer oder mehrerer Ausgangsgrößen des Maschinenmodells auch entsprechende Meßwerte von der Maschine zugeführt werden.
Fig. 4 zeigt eine innere Strukturierung des Maschinenmodells. Man erkennt, daß wiederum die Ströme i _F, i _Sq und i _Sd als Eingänge benutzt werden und daß M _x, ψ _hx die Ausgänge dieser Anordnung sind. Die Anknüpfung des Spannungsmodells entspricht Fig. 2.
Die Ständerstromkomponenten durchlaufen zunächst ein Dämpfermodell 11, danach wird unter Einbeziehung des Feldstromes die Längsmagnetisierung im Glied 12 bestimmt. Aus den nun vorliegenden Magnetisierungskomponenten i _hd und i _hq können die Flußkomponenten ψ _hd, ψ _hq über Kennlinien im Kennliniengeber 13 ermittelt werden. Durch Koordinatenwandlung (Wandler 14) erhält man hieraus den Hauptflußbetrag c _hx und seinen Verdrehwinkel δ gegenüber der Längsachse d. Darüber hinaus bieten die Flußkomponenten zusammen mit den Ständerstromkomponenten die Möglichkeit, zum einen das Luftspaltdrehmoment M _x der Maschine im Drehmomentgeber 15 nachzubilden und zum anderen die Ständerflußkomponenten über den Ständerflußbildner 16. Hieraus kann zusammen mit den Ständerstromkomponenten im Phasenwinkelbildner 17 der Phasenwinkel φ _x errechnet werden.
Die Ausgänge des Ständerflußbildners 16 werden zusammen mit den Ständerstromkomponenten sowie der zeitlichen Änderung der Flußlage θ einem Spannungsbildner 18 zugeführt, der die Ausgangssignale U _Sd und U _Sq liefert.
Im folgenden wird der Aufbau der einzelnen Komponenten des Maschinenmodells beschrieben.
Fig. 4a zeigt die Nachbildung des Dämpferkreises 11. Über zwei VZ1-Glieder 111, 112 wird die Auswirkung des Dämpferstromes auf die Magnetisierung nachgebildet. Eine Ständerstromänderung wirkt sich hierdurch nur verzögert auf die Magnetisierung aus. Es gilt bei Vernachlässigung der Läuferstreuung &udf53;np90&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz8&udf54; &udf53;vu10&udf54;
Soll die Läuferstreuung mit berücksichtigt werden, kann ein modifiziertes VZ1-Glied mit einem zusätzlichen Proportionalanteil verwendet werden.
In Fig. 4b wird die Längsmagnetisierung aus Feldstrom und Rückwirkung von Ständer- und Dämpferstrom bestimmt (Glied 12). Dies geschieht durch eine einfache Additionsschaltung:
i _hd = i _F - (i _Sd + i _Dd)
Über Magnetisierungskennlinien (Geber 131, 132) wird in Fig. 4c im Kennliniengeber 13 der Zusammenhang zwischen Magnetisierungsstrom-Komponenten (Magnetisierung) und den Flußkomponenten hergestellt. Dieser Zusammenhang kann im einfachsten Fall linear sein und ist dann durch die festen Faktoren L _hd und L _hq gegeben. An den Ausgangsklemmen 133 und 134 erscheinen die Flußkomponenten ψ _hd und ψ _hq.
Durch Betragsbildung und Division wird in Fig. 4d die Lage δ des Flusses gegenüber der Läuferlängsachse ermittelt. Dies geschieht im einzelnen dadurch, daß im Koordinatenwandler 14 zwei Dividierer 141, 142 vorgesehen sind, denen die Flußkomponenten ψ _hd, ψ _hq als Dividend zugeführt werden und deren Ausgänge auf zwei Quadrierer 143, 144 führen, deren Ausgangssignal addiert und um 1 verringert werden, worauf das Ergebnis über einem Regler 145 bezw. einem Operationsverstärker mit hoher Verstärkung den Dividierern als Divisor zugeführt wird. Am Ausgang der Dividierer erscheinen damait die Werte sin δ und cos δ und nach dem Verstärker 145 der Wert ψ _hx. Es gilt
&udf57;°Kq&udf56;°T°Khx°t = &udf58;w&udf56;&udf53;lu,4,,100,5,1&udf54;&udf57;°Kq&udf56;°T°Khd°t¥ + &udf57;°Kq&udf56;°T°Khq°t¥&udf53;lu&udf54;, sin &udf57;°Kd&udf56; = &udf57;°Kq&udf56;°T°Khd°t / &udf57;°Kq&udf56;°T°Khx°t, cos &udf57;°Kd&udf56; = &udf57;°Kq&udf56;°T°Khq°t / &udf57;°Kq&udf56;°T°Khx°t&udf50;
In Fig. 4e wird aus den Flußkomponenten und den Ständerkomponenten durch Multiplikation (Multiplizierer 151, 152) und Addition das Maschinendrehmoment (nach Multiplikation mit ³/&sub2; Z _p ) nachgebildet; es gilt
M _x (Drehmoment) = ³/&sub2; Z _p (ψ _hd · i _Sq-ψ _hq · i _Sd),
Z _p = Polpaarzahl.
Ebenfalls aus den Flußkomponenten und den Ständerstromkomponenten wird in Fig. 4f der Ständerfluß errechnet. Hierzu wird zunächst aus den Strömen über die Ständerstreuinduktivität L _σ der Ständerstreufluß ermittelt, der zum Hauptfluß addiert wird.
In Fig. 4g wird aus dem Ständerfluß und dem Ständerstrom näherungsweise der Phasenwinkel φ _x zwischen Ständerstrom und Ständerspannung bestimmt. Hierbei wird von der Tatsache ausgegangen, daß der Ständerfluß näherungsweise senkrecht auf der Ständerspannung steht. Im Eingangsteil dieser Schaltung wird jede Komponente des Flusses mit jeder Komponente des Stromes multipliziert (Multiplizierer 161, 162, 163, 164), sodann wird das Produkt der ersten Komponenten mit dem Produkt der zweiten Komponenten und das Produkt der zweiten Flußkomponente mit der ersten Stromkomponente und das Produkt der ersten Flußkomponente mit der zweiten Stromkomponente addiert.
An den Summenpunkten entstehen Zwischengrößen, die proportional sind dem cos bzw. sin des zwischen Strom und Spannung eingeschlossenen Winkels. Durch eine nachgeschaltete Koordinatenwandlung wird die Amplitudenabhängigkeit eliminiert und eine Normierung auf sin φ _x und cos φ _x erreicht. Die Koordinatenwandlung wird mit einer Schaltung gemäß Fig. 4d durchgeführt.
Durch Multiplikation (Multiplizierer 181, 182) der Ständerfluß- Komponenten mit der Winkelgeschwindigkeit des Flußzeigers θ und der Addition der ohmschen Ständerspannungsabfälle (Widerstand R _S) entstehen gemäß Fig. 4h die Spannungskomponenten. Es gilt
U _Sd = i _Sd · R _S - ψ _Sq θ,
U _Sq = i _Sq · R _S + ψ _Sd θ.

Claims

1. Verfahren zur Führung einer über steuerbare Stromrichter am Netz betriebenen Synchronmaschine, deren Systemgleichungen aus dem dreisträngigen [U, V, W] ständerfestem System, in das zweisträngige [α,β] ständerfeste System und in das läuferfeste [d, q]-System hin- und rücktransformierbar sind, wobei aus Drehmomentsollwert M _W, Phasenwinkelsollwert φ _w zwischen Maschinenspannung und Maschinenstrom sowie dem Hauptflußsollwert ψ _hw die Sollwerte für die Steuerung der Stromrichter ermittelt werden, wobei in einem die Systemgleichungen nachbildenden Maschinenmodell aus Ständerstromkomponenten i _sd und i _sq im [d, q]-System und einem Erregerstrom i _F die Hauptflußkomponenten ψ _hd und c _hq, der Hauptfluß- Modellistwert ψ _hx und die relative Verdrehung δ zwischen der Flußlage θ und der Läuferlage λ bestimmt werden, wobei zur Transformation [ α, β ] ↔ [d, q] die Läuferlage λ zugeführt ist und die rücktransformierten Größen im [U, V, W] System die Stromrichter ansteuern, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Hauptflußkomponenten ψ _hd&min; ψ _hq und den Strömen i _sd und i _sq ein Drehmoment-Modellistwert M _x und ein Phasenwinkel-Modellistwert φ _x zwischen Maschinenspannung und Maschinenstrom ermittelt wird,
daß die geregelte Differenz von Drehmoment-Sollwert Mw und -Modellistwert Mx den Sollwert für die Ständerstromkomponente in der q-Achse i _sq (Regler (2)),
daß die geregelte Differenz von Phasenwinkel-Sollwert j _w und Modellistwert θ _x den Sollwert für die Ständerstromkomponente in der d-Achse i _sd (Regler(3)),
und daß die geregelte Differenz von Hauptfluß-Sollwert ψ _hw und Modellistwert ψ _hx den Sollwert für den Erregerstrom i _F ergeben (Regler (4)).

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Vektoranalysator, der die Funktionen
°=c:60&udf54;&udf53;vu10&udf54;cos &udf57;°Kd&udf56; = &udf57;°Kq&udf56;°T°Khd°t / &udf58;w&udf56;&udf53;lu,4,,100,5,1&udf54;&udf57;°Kq&udf56;°T°Khd°t¥ + &udf57;°Kq&udf56;°T°Khq°t¥&udf53;lu&udf54;&udf50;
und
sin &udf57;°Kd&udf56; = &udf57;°Kq&udf56;°T°Khq°t / &udf58;w&udf56;&udf53;lu,4,,100,5,1&udf54;&udf57;°Kq&udf56;°T°Khd°t¥ + &udf57;°Kq&udf56;°T°Khq°t¥&udf53;lu&udf54;&udf53;zl10&udf54;realisiert, mit einem Dämpfermodell und mit einem Kennliniengeber für die Magnetisierungskennlinie, wobei das Dämpfermodell aus zwei VZ1-Gliedern besteht, von denen dem ersten die eine Ständerstromkomponente i _Sd, dem zweiten die andere Ständerstromkomponente i _Sd, dem zweiten die andere Ständerstromkomponente i _Sq zugeführt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Längsmagnetisierungsglied (12) zur Längsmagnetisierungsbestimmung aus einer Additionsschaltung besteht, das den Erregerstrom i _F mit dem Ausgangssignal (i _Sd + i _Dd) des ersten VZ1-Gliedes (111) des Dämpfermodells (11) addiert,
daß der Kennliniengeber (13) aus zwei getrennten Magnetisierungskennliniengebern (131, 132) besteht, wobei dem ersten Magnetisierungskennliniengeber (131) das Ausgangssignal (i _hd ) des Längsmagnetisierungsgliedes (12) und dem zweiten Magnetisierungskennliniengeber (132) das Ausgangssignal (i _hq ) des zweiten VZ1-Gliedes (112) zugeleitet wird, so daß am Ausgang des ersten Magnetisierungskennliniengebers (131) die eine Komponente ψ _hd und am Ausgang des zweiten Magnetisierungskennliniengebers (132) die Komponente ψ _hq des Hauptflusses erscheint,
daß in einem Ständerflußgeber (16) komponentenweise aus den Ständer- Stromkomponenten i _Sd und i _Sq über die Streuinduktivität L _s der Ständerstreufluß ermittelt wird, der zum Hauptfluß addiert wird und die Flußkomponenten ψ _Sd und ψ_Sq ergibt,
daß in einem den Phasenwinkel-Modellistwert bestimmenden Phasenwinkelbildner (17) zunächst die Funktionen
a = ψ _Sd i _Sq - ψ _Sq i _Sd
und
b = ψ _Sq i _Sd + ψ _Sd i _Sq
gebildet werden,
und daß diesem ein weiterer Vektoranalysator nachgeschaltet ist, der die Funktionen
°=c:40&udf54;&udf53;vu10&udf54;cos &udf57;°Kf&udf56;°T°Kx°t = °Ka°k/&udf58;w&udf56;&udf53;lu,4,,100,5,1&udf54;°Ka°k¥ + °Kb°k¥&udf53;lu&udf54;&udf53;zl10&udf54;sin &udf57;°Kf&udf56;°T°Kx°t = °Kb°k/&udf58;w&udf56;&udf53;lu,4,,100,5,1&udf54;°Ka°k¥ + °Kb°k¥&udf53;lu&udf54;&udf53;zl10&udf54;bildet.