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Modellschaltung einer Schenkelpolmaschine
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Die Erfindung betrifft eine Modellschaltung zum Ermitteln des zu einer
vorgegebenen Größe des Erregerstromes gehörenden Flusses bzw. der zu einem vorgegebenen
Fluß gehörenden Größe des Erregerstromes gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und
4 (DE-OS 23 42 653) bei einer Schenkelpolmaschine.
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In der deutschen Auslegeschrift 21 32 178 ist eine Vorrichtung zur
Steuerung oder Regelung einer umrichtergespeisten, selbstgesteuerten Synchronmaschine
bekannt, bei der der Sollwert für den als Vektor aufgefaßten Ständerstrom in Form
einer mit dem Flußvektor parallelen Komponente und einer dazu senkrechten Komponente
vorgegeben wird. In diesem ieldorientierten System bestimmt die ieldparallele Komponente
den Beitrag des Stnderstro mes zum Magnetisierungsstrom und kann insbesondere zu
Null gesetzt werden. Die feldsenkrechte Komponente be stimmt bei vorgegebenem Fluß
das von der Maschine aufgebrachte elektrische Drehmoment und kann insbesondere dazu
verwendet werden, um Drehzahl oder Drehmoment zu steuern oder regeln.
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Hierzu wird der durch diese "ieldorientierten" Komponenten vorgegebene
Ständerstrom-Sollvektor in einem Vektordreher entsprechend dem Winkel (Flußwinkel
? ) zwischen dem Flußvektor und einer raumiesten Ständerachse in ein raumiestes
(ständerorientiertes11) Koordinatensystem transformiert und auf die Maschinenklemmen
aufgeteilt, so daß der Ständerstrom nun auf diesem Sollvektor gesteuert oder geregelt
werden kann. Die Information über den Flußwinkel T wird von einem Flußrechner gebildet,
der von dem Istwert des Polradlagewinkels Xs sowie den
Istwerten
für den Erregerstrom und den Ständerstrom gespeist ist. Der Flußrechner löst die
Differentialgleichungen des elektrischen Teils der Maschine unter Verwendung von
eingegebenen Maschinenparameter für den Läuferwiderstand und die Hauptinduktivität,
wobei im Fall einer Vollpol-Synchronmaschine, deren Bauptinduktivität rotationssymmetrisch
ist, nur ein einziger Induktivitätsparameter benötigt wird. Im Fall einer Schenkelpolmaschine
ist der durch die Hauptinduktivität gegebene Zusammenhang zwischen dem Fluß und
dem Strom der Maschine von der relativen Lage des Flusses zur magnetischen Läuferachse
abhängig und muß daher in eine auf die zur Läuferachse parallele Flußkomponente
wirkende Längsinduktivität und eine auf die senkrechte Flußkomponente wirkende Querinduktivität
aufgespalten werden. Bei der Lösung der erwähnten Differentialgleichungen muß also
mit einer vom Flußwinkel abhängigen Hauptinduktivität gerechnet werden.
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Der dort beschriebene Flußrechner stellt ein Rechenmodell der Maschine
dar und arbeitet im läuferorientierten Bezugssystem, in dem der Erregerstrom parallel
zur d-Achse ist0 Prinzipiell kann der Flußvektor auch mittels Hallsonden direkt
erfaßt oder in einem anderen Rechenmodell ermittelt werden, wie es z.B. in Figur
5 der deutschen Patentanmeldung P 30 26 202 beschrieben ist. Dieses Modell arbeitet
im feldorientierten Koordinatensystem mit einer einheitlichen Hauptinduktivität
und gilt daher nur für Vollpolmaschinen. Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung
des Flusses besteht darin, die EMK der Maschine aus Motorspannung und Motorstrom
zu berechnen und daraus durch Integration den Fluß zu gewinnen (Spannungsmodell11),
wie dies ebenfalls in der erwähnten deutschen Patentanmeldung P 30 26 202 beschrieben
ist. Die von diesen Rechenmodellen gelieferte Information über den Flußvektor kann
nicht nur zur feldorientierten Regelung des Ständerstromes
verwendet
werden, vielmehr kann der Modell-Flußbetrag dazu herangezogen werden, um über eine
Regelung des Erregerstromes den Flußbetrag auf einem konstanten Sollwert zu halten.
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In der deutschen Offenlegungsschrift 23 42 653 ist vorgeschlagen,
anstelle der Flußregelung oder zusätzlich hierzu den Erregerstrom dadurch vorzusteuern,
daß durch Division des Flußsollwertes mit der Hauptinduktivität und Subtraktion
des feldparallelen Anteils des Ständerstromsollvektors die feldparallele Komponente
iE* .cos des Erregerstrom-Sollvektors gebildet wird, der nach Division mit dem vom
Rechenmodell ermittelten cos kleine Führungsgröße iE für den Betrag des Erregerstroms
gebildet wird. Durch diese Vorsteuerung wird demnach der Erregerstrom von vornherein
so vorgegeben, daß unter Berücksichtigung des magnetisierenden Anteils i yi des
Ständerstromes die Gesamtdurchflutung bereits dem zum vorgegebenen Flußsollwert
t gehörenden Wert nachgeführt wird. Sofern aus dem Modellfluß und dem Flußsollwert
noch zusätzlich die Regelabweichung eines Flußreglers gebildet wird, dient dieser
Regler nur dazu, um den Erregerstrom auch bei raschen Änderungen mit einer hohen
dynamischen Genauigkeit nachzuführen.
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Der dabei ausgenutzte Zusammenhang j?1 = x. Y zwischen Magnetisierungsstrom
ijil (feldparallele Komponente der Gesamtdurchflutung), Hauptinduktivität x und
Flußbetrag # gilt nur bei konstanter Induktivität, so daß diese Vorsteuerung für
eine Schenkelpolmaschine wegen der Unsymmetrie der Hauptinduktivität nicht anwendbar
ist.
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Der Erfindung liegt die Auigabe zugrunde, eine modellmäßige Nachbildung
der Zusammenhänge zwischen Fluß, Ständerstrom und Erregerstrom bei einer Schenkelpolmaschine
zu schaffen, die es gestattet, bei jeweils vorgegebenem Ständerstrom den zu einem
vorgegebenen Erregerstrom
gehörenden Fluß bzw. den zu einem vorgegebenen
Fluß gehörenden Erregerstrom zu ermitteln.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß zunächst ein fiktiver
Erregerstromwert gebildet wird, der bei Verwendung einer Vollpolmaschine einen dem
vorgegebenen Flußsollwert entaprechenden Erregerstrom liefern würde. Der dabei begangene
Fehler wird dann mittels einer Störgröße, die die Abweichung der Schenkelpolmaschine
von der fiktiven Vollpolmaschine berücksichtigt, kompensiert. Die Aufgabe wird gelöst
durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch i oder 4 angegebenen Merkmalen. Die Unteransprüche
kennzeichnen vorteilhafte Weiterbildungen und Anwendungen der Erfindung.
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Anhand von 11 Figuren wird die Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen: Figur 1 die Darstellung eines Vektors im ständerorientierten
(raumfesten) Bezugssystem a, b sowie im Läufer orientierten Bezugssystem d, g und
im feldorientierten Bezugssystem g 1, 2 2; Figur 2 eine unter Verwendung einer Flußbestimmungseinrichtung
gesteuerte Schenkelpolmaschine; Figur 3 ein Modell einer Schenkelpolmaschine mit
einer als Flußbestimmungseinrichtung bei Figur 2 verwendbaren Modellschaltung; Figur
4 eine geregelte Schenkelpolmaschine; Figur 5 ein Steuergerät mit einer im läuferorientierten
Bezugssystem arbeitenden Flußbestimmungseinrichtung; Figur 6 ein nach der Erfindung
modifiziertes Gerät nach Figur 5;
Figur 7 eine weitere Modifikation
des Steuergeräts nach Figur 5; Figur 8 eine Weiterbildüng der in Figur 7 als Flußermittlungseinrichtung
verwendeten Schaltungsanordnung; Figur 9 eine als Rechenmodellschaltung im feldorientierten
Bezugssystem arbeitende Flußermittlungseinrichtung; Figur 10 eine Figur 9 entsprechende,
läuferorientiert rechnende Modellschaltung; und Figur 11 eine weitere Modellschaltung
zur Ermittlung des zu einem vorgegebenen Fluß gehörenden Erregerstroms.
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Nach Figur i kann ein Vektor, beispielsweise der Ständerstromvektor
iS (Strombetrag iS) in einem ortsfesten, von den Einheitsvektoren a, b aufgespannten
Bezugssystem dargestellt werden durch seine beiden ständerorientierten Koordinaten
ias, ibs. Diese ständerorientierte Darstellung des Vektors iS wird mit i bezeichnet.
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-s Der Läufer rotiert und weist somit einen zeitlich verändernden
Läuferlagewinkel #s gegenüber der raumfesten Achse a auf. Die Läuferachsen a, q
stellen somit ein gegenüber a, b um den Winkel h s gedrehtes Koordinatensystem dar.
Mit #s wird ein durch seine kartesischen Koordinaten cos #S , s' sin X5 dargestellter
Einheitsvektor bezeichnet, der demnach die Lage der d-Achse ständerorientiert beschreibt.
Die läuferorientierte Darstellung des Vektors iS wird mit iLS = (ids, iqs) bezeichnet.
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q Der Fluß selbst wird durch einen Vektor # beschrieben, der neben
seinem Betrag # den Flußwinkelf aufweist. Bezugleich der Läuferachse d ist der Vektor
2 um den Winkel #L gedreht, so daß durch einen feldparallelen Bezugsvektor # i und
einen dazu senkrechten Bezugsvektor # 2 ein kartesisches, gegenüber dem läuferorientierten
Bezugssystem d, q um den läuferorientierten Flußwinkel gedrehtes und gegenüber dem
ständerorientierten Bezugs-
system a, b um den ständerorientierten
Flußwinkel gedrehtes Bezugssystem entsteht. Es gilt #s = #s+ fL.
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Die Vektoren #L = (cos #L, sin #L) und #s = (cos #s, sin #s ) bezeichnen
einen Einheitsvektor, der die Lage des Flusses im läuferorientierten bzw. ständerorientierten
Bezugssystem darstellt. Der Vektor iS wird nunmehr feldorientiert als i5 = (i#1,
i#2) bezeichnet. Da es sich bei isS, iLS und i#S um denselben Vektor iS in verschiedenen
Darstellungen handelt, ist der Vektorbetrag iS invariant (|iLS| = |iS| = |isS| =
iS).
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Nach Figur 2 wird die Ständerwicklung einer Schenkelpolmaschine 1
über einen Umrichter 2 mit Wechselstrom (Drehstrom) und der Läufer über einen Gleichrichter
3 mit Gleichstrom gespeist. Die Sollwerteingabe für den Ständerstrom wird durch
einen Ständerstrom-Sollvektor bezeichnet, der vorteilhaft in feldorientierten Koordinaten
( S+) vorgegeben wird. Eine Steuereinrichtung 4 bildet daraus Steuerspannungen,
die als Stellgröße für den Ständerstrom ein entsprechendes auf die Ventile des Umrichters
2 arbeitendes Steuergerät 5 ansteuern. Stromrichter 2 und Zündsteuergerät 5 bilden
das Stellglied für den Ständerstrom. Entsprechend sind der Gleichrichter 3 und sein
Zündsteuergerät 6 das Stellglied für den Erregerstrom. Allgemein werden die Zündsteuergeräte
5 und 6 Stromregler enthalten, wie durch die Istwerteingänge für iS und iE angedeutet
ist. Die Eingangsgröße iE für das Erregerstrom-Stellglied wird in einem Erregerstrom-Führungsglied
7 und einer Vorsteuerstufe 8 gebildet0 Ferner ist eine Flußbestimmungseinrichtung
9 vorgesehen, die in diesem Fall von den Istwerten für den Erregerstrom, den Ständerstrom
sowie dem an einem Polradlagegeber abgegriffenen Läuferwinkel gespeist ist und eine
Modellschaltung der Maschine darstellt.
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Um den bevorzugt feldorientiert vorgegebenen Ständerstromsollwert
ist (feldorientierter Stromwinkel P #) in entsprechende Stellgrößen umzurechnen,
liefert die Flußbestimmungseinrichtung den z.B. als Vektor dargestellten ständerorientierten
Flußwinkel #s, der einem Vektordreher für den Stromsollwert i#S* so beaufschlagt
ist, daß das Bezugssystem des Vektors ins um den Winkel cps zurückgedreht wird und
somit der Ständerstrom-Sollvektor (entsprechend dem ständerorientierten Stromwinkel
#sS* = ##S* + #s) nunmehr in seinem ständerorientierten Koordinaten geliefert wird.
Dieser ständerorientierte Sollvektor wird dann in einem als 2/3-Somponentenwandler
bezeichneten Bauglied ii in drei, gegeneinander um 1200 versetzte Komponenten zerlegt,
die als Steuerspannungen für das Ständerstrom-Stellglied dienen, um in den drei
Phasen der Ständerwicklung entsprechende Ständerströme zu erzeugen. Vektordreher,
Komponentenwandler und die bei anderen Ausführungsformen noch benötigten Vektoranalysatoren
sind in ihrem Aufbau in der erwähnten deutschen Auslegeschrift 21 32 178, Figuren
3, 4, 5 und 7 erläutert, Dem Erregerstrom-Führungsglied 7 ist der Flußsollwert in
Form seines Betrages yn vorgegeben. Bei Kenntnis der.
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Hauptinduktivität x der Synchronmaschine kann gemäß VI x . ilU der
zugehörige Magnetisierungsstrom iµ*=#*/x gebildet werden. Der Magnetisierungsstrom
ist die feldparallele, zum Aufbau des Feldes benötigte Komponente der Gesamtdurchflutung.
Letztere setzt sich aus dem Ständerstrom i5, dem Erregerstrom iE und dem Dämpferstrom
i@ = 1/RL # ( d #) dt zusammen, wobei der Erregerstrom zur d-Achse parallel (iEd
= iE, iE = 0) und der Dämpferstrom bei konstantem Flußbetrag zur Feldachse senkrecht
(i#1D = 0, i#D 2 i ist. Bei Vollpolmaschinen, bei denen die Längskomponente
Xd
und die Querkomponente x der Hauptfeldinduktivität gleich sind (x = = x ) kann nach
der Ermittlung des Magnetisierungsstrom-Sollwertes iµ* = #* /x (Proportionalglied
12) durch Abzug der feldparallelen Komponente des Ständerstrom-Sollwertes oder -Istwertes
demnach die feldparallele Komponente i#1E* = iE* cos #1 des Soll-Erregerstromes
iE* gebildet werden (Subtraktionsstelle 13). Auf diese Berücksichtigung des Ständerstromes
kann aber auch verzichtet werden, wenn der Einfluß der feldparallelen Ständerstromkomponente
vernachlässigbar ist (z.B. wenn iS* @ #1 @ @ @@@@@@@ @@@@@ @@@@@ @@@@@@@@ @@@ @@@
@ L' @@@@@@ Größe dem Flußbestimmungsglied 9 entnommen werden kann, kann der Sollwert
für den Erregerstrombetrag 1 gebildet werden.
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Das Führungsglied 7 ermittelt aber nur für eine Vollpolmaschine (x
= x@ = xd) den richtigen Erregerstrom-Sollwert0 Gemäß der Erfindung wird im Führungsglied
7 auch bei einer Schenkelpolmaschine ein Erregerstromsollwert erzeugt, wenn die
Unsymmetrie der Hauptfeldinduktivität vernachlässigt und als der Hauptinduktivität
zugeordneter Induktivitätsparameter lediglich die Querinduktivität der Schenkelpolmaschine
eingegeben ist0 Dieser Erregerstromwert ist dann wegen der vernachlässigten Unsymmetrie
nur ein fiktiver Erregerstromsollwert. Man erhält dann jeweils nur fiktive Werte
ioµ, ioE für den Magnetisierungsstrom und den Erregerstrom, die nur bei einer Vollpolmaschine
dem vorgegebenen Flußsollwert t* zugeordnet wären.
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Gemäß der Erfindung wird nun dieser Erregerstromwert Rio@ als eine
gestörte Größe für den Erregerstrom-Sollwert betrachtet. Die dem Erregerstrom-Stellglied
vorgeschaltete Vorsteuerstufe 8 bildet nun die Eingangsgröße des Erregerstrom-Stellgliedes
aus diesem (gestörten) Erregerstromwert und einer Störgröße, wobei die Störgröße
aus der Längskomponente des mittels der Flußbestimmungseinrichtung bestimmten Flusses
und Maschinenparametern
zusammengesetzt ist, die die Querinduktivität
x und die Längsinduktivität xd der Schenkelpolmaschine beschreiben.
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Die Rechtfertigung hierfür wird später gegeben. Vorzugsweise wird
als Störgröße das Produkt aus der Längskomponente des Flusses und der Differenz
1 / Xq - 1 / xd des reziproken Quer- und Längsinduktivitätsparameters gebildet.
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Figur 3 zeigt ein aus einem elektrischen Teil 20 und einem mechanischen
Teil 21 aufgebautes Ersatzschaltbild für die Synchronmaschine, wobei mit 22 ein
Vektoroszillator dargestellt ist, der die Rückwirkung der LäuSerdrehzahl #s auf
den elektrischen Teil der Maschine bewirkt.
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Im elektrischen Teil 20 wird der Fluß dadurch Integrad# tion des Dämpferstromes
iD = - 1/@L in den läuferdt orientierten Koordinaten gebildet, wobei der Läuferwiderstand
RL an den Proportionalgliedern 23 und anstelle der reziproken Induktivität jeweils
die entsprechenden reziproken Parameter xd' x an den Proportionalgliedern 24, 25
eingestellt werden können, sowie die Integratoren 25 und 26 benötigt werden. Erhalten
wird ein Fluß-Modellwert # in Form seiner läuferorientierten Komponenten #d, #q,
aus dem ein Vektoranalysator 27 den Flußbetrag # sowie den läuferorientierten Flußwinkel
L in Form des Richtungsvektors #L = (cos #L, sin #L) bildet.
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Das elektrische Drehmoment Mel der Maschine ergibt sich aus dem Produkt
des Flusses Y und der feldsenkrechten Ständerstromkomponente i#2S (Multiplizierer
28). Die Differenz zwischen dem elektrischen Drehmoment und dem von der angeschlossenen
mechanischen Last hervorgerufenen Drehmoment MLaSt bestimmt die Läuferbeschleunigung,
aus der durch Integration (Ausgang 49) die Läuferdrehzahl erhalten wird.
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Nochmalige Integration liefert den Läuferlagewinkel #S, dem die Funktionen
(Funktionsbildner 31, 2) cos S und sin #S S zugeordnet sind. Wird nun der vom Vektoranalysator
27 gelieferte, in Feldrichtung zeigende Einheitsvektor #L mittels eines Vektordrehers
33 entsprechend + #S um diesen Läuferlagewinkel #S in das ständerorientierte Bezugssystem
vorgedreht, so erhält man den ständerorientierten Flußwinkel #S bzw. dessen Richtungsvektor
#S. Außerdem ist mittels #S und des Vektordrehers 34 die Transformation des ständerorientiert
vorgegebenen Stromvektors isS in den für die Lösung der Differenzialgleichungen
erforderlichen läuferorientierten Stromvektor ins möglich, aus dem außerdem mittels
eines Vektordrehers 35 die zur Dildung des elektrischen Drehmoments erforderliche
feldsenkrechte Ständerstronkomponente i52 berechnet werden kann.
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Von dem in Fig. 3 dargestellten Strukturbild der gesamten Synehronmaschine
wird für die Flußermittlung nur der elektrische Teil 20 benötigt und im Modell nachgebildet,
während die Läuferfrequenz #S direkt von einem Drehzahlgeber an der Läuferachse
abgegriffen werden kann. Sofern das elektrische Drehmoment nicht als Istwert für
eine Drehmomentregelung benötigt wird, können also die Elemente 28, 21 und 35 entfallen.
Anstelle der Schaltgruppe 22 kann ein Vektoroszillator verwendet werden, der von
einer zu #S proportionalen Spannung gesteuerte Sinusgeneratoren enthalten kann,
die zwei gegeneinander um 90° phasenverschobene Ausgangssignale erzeugen. Die für
eine feldorientierte Maschinensteuerung erforderliche Information über den Fluß
und seine Richtung # L wird letztlich nur von der Modellschaltung 20 geliefert,
wobei anstelle der in Figur 2 und 3 verwendeten Istwerte ebenso gut, wie in Figur
4 dargestellt, die Sollwerte verwendet werden können.
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Bei der in Figur 4 gezeigten Vorrichtung wird der Ständerstrom-Steuereinrichtung
4 der Ständerstrom-Sollwert S* wiederum in den feldorientierten Komponenten i iS*.
vorgegeben. Mittels zweier Vektordreher 40, 41 wird der Ständerstrom-Sollvektor
nacheinander um den läuferorientierten Flußwinkel (fL und den Läuferstellungswinkel
xS gedreht und dadurch in den ständerorientierten Sollvektor isS* überführt. Zwischen
den beiden Vektordrehern kann der nunmehr in läuferorientierten Koordinaten vorgegebene
Sollvektor iLS* direkt in die Flußermittlungseinrichtung 9 eingegeben werden, und
da außerdem der ständerorientierte Flußwinkel fS nicht benötigt wird, kann im Prinzip
als Flußermittlungseinrichtung 9 die Modellschaltung 20 aus Figur 3 (ohne die Vektordreher
33 und 34) verwendet werden.
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Ferner ist ein Regler 42 vorgesehen, der die an einem Meßglied 43
erfaßten, dem Vektor iS entsprechenden Phasenströme den am Komponentenwandler 11
abgegriffenen Sollwerten nachführt. Ebenso kann ein Erregerstromregler 45 vorgesehen
sein, der den am Meßglied 46 abgegriffenen Erregerstrom-Istwert iE dem im Ftlhrungsglied
7 ermittelten und korrigierten Erregerstromwert iE = iE+ iE 0 nachführt. Arbeitet
der Regler 45 hinreichend genau (iE = iE ) so kann anstelle des Erregerstrom-Sollwertes
i auch der Istwert iE eingegeben werden; wesentlich ist nur, daß bei Verwendung
der Modell schaltung 20 nach Figur 3 lediglich der durch die Störgröße kompensierte
(nwahre") Erregerstrom als Ist- oder Sollwert eingegeben wird.
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Der Vollständigkeit wegen ist im Führungsglied 7 auch noch ein Flußregler
47 dargestellt, an dessen Eingang die Regelabweichung aus dem vorgegebenen Flußsollwert
und dem in der Modell schaltung 9 ermittelten Flußbetrag # eingegeben ist. Die Regelabweichung
wirkt
korrigierend auf die Subtraktionsstelle 13, an der die feldparallele
Komponente des gestörten Erregerstroms ioE' = #* /x - i#1S* gebildet wird. Bei der
erfindungsgemäßen Führung des Erregerstroms ist das Ausgangssignal des Erregerstromreglers
45 praktisch bereits konstant und der Flußregler 47 ist bereits so stark entlastet,
daß er ohne Verschlechterung der Dynamik praktisch entfallen kann.
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Die Anordnung wird vervollständigt durch einen Drehzahlregler 48,
dem als Istwert die an der Welle abgegriffene Läuferdrehzahl #S und ein entsprechender
Drehzahl-Sollwert \- eingegeben sind. Das Reglerausgangssignal liefert den Sollwert
i#2S* für die feldsenkrechte Komponente des Erregerstrom-Sollvektors. Der zur Umwandlung
der Drehzahl in den die Läuferlage beschreibenden Vektor #s dienende Vektoroszillator
22 ist im Zusammenhang mit Figur 3 bereits erläutert, wobei die Läuferdrehzahl 5
von einem Drehzahlgeber 49 anstelle einer Nachbildung des mechanischen Teils 21
abgegriffen ist.
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In Figur 5 ist die als Flußbestimmungseinrichtung verwendete Modell
schaltung 9 im Zusammenwirken mit den Schaltgruppen 4, 7 und 8 noch einmal dargestellt,
wobei die Regler 42, 45 und 47 nur gestrichelt symbolisiert sind, da der Regler
45 mit einer so kurzen Regelzeit ausgestattet werden kann, daß der Erregerstromistwert
iE und Erregerstrom-Sollwert iE praktisch gleich sind. Der Regler 42 hat für die
weitere Betrachtung des Steuervorgangs keine Bedeutung, und der Regler 47 ist ohnehin
durch die Vorsteuerung so weit entlastet, daß er praktisch ohne Beeinträchtigung
des Verhaltens der gesamten Anordnung weggelassen werden kann.
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Figur 5 liefert nun auch die Rechtfertigung für das Wesen der Erfindung,
wonach zunächst aus dem Quotienten
#E**/xq ein fiktiver (d.h. gestörter)
Erregerstromwert ioE* gebildet und nachher durch die entsprechend gewählte Störgröße
praktisch exakt kompensiert wird.
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Da der Erregerstrom nur eine d-Komponente besitzt, läßt sich der zu
einem vorgegebenen Fluß bei vorgegebenem Ständerstrom gehörende Erregerstrom unter
Berücksichtigung des Dämpferstromes RL.iD = D# schreiben: dt
Mit Hilfe der Beziehungen 1/xd # 1/xq - 1/xq + 1/xd ; 1/xd 3 #d = idµ folgt daraus
Dabei ist ioE der zum Fluß #, dem Ständerstrom is und der Hauptfeldinduktivität
x gehörende fiktive Erregerstrom einer fiktiven Vollpolmaschine (x = xq), deren
fiktiver Magnetisierungsstrom durch die feldparallele Komponente der Summe aus fiktivem
Erregerstrom und dem Ständerstrom gegeben ist, so daß für den Fall, daß der Fluß
auf einen konstanten Betrag geregelt ist, gilt: #/q = ioµ = (ioE cos #L + Zum Flußsollwert
# gehört demnach ein Erregerstrom-Sollbetrag
oder ein Erregerstromvektor, der z.B. feldorientiert durch
bestimmt ist.
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Die schaltungsmäßige Realisierung dieser Zusammenhänge erfolgt in
dem Erregerstrom-Führungsglied 7 und im Vorsteuerglied 8 in den Figuren 2, 4 und
5.
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Wesentlichstes Ergebnis der Betrachtung ist, daß bei dieser Ermittlung
des fiktiven Erregerstromwertes die Vernachlässigung der Induktivitäts-Unsymmetrie
einen Fehler darstellt, der lediglich auf die Ermittlung des wahren Erregerstromes
wirkt und durch eine entsprechende Störgröße allein unter Berücksichtigung eines
Unsymmetrie-Maschinenparameters und des tatsächlichen Flusses (der prinzipiell auch
durch Hallsonde erfaßbar ist) leicht korrigierbar ist. Dies ist überraschend, da
an sich zu erwarten ist, daß der zu dem Ständerstrom, dem momentanen Läuferwinkel
und Flußwinkel sowie dem fiktiven Erregerstromwert gehörende Fluß sich nicht als
einfache Funktion des wahren Flusses und des Erregerstromes oder anderer, für einen
feldorientierten Betrieb -ohnehin erfaßter Größen darstellen läßt und daher die
zur Korrektur als Störgröße benötigte Abweichung zwischen fiktivem Erregerstrom
und wahrem Erregerstrom eine komplizierte, u.U. nur näherungsweise angebbare Funktion
vieler den augenblicklichen Betriebszustand beschreibender Größen ist.
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Da der Erregerstromwert iEo der zum Flußsollwert
gehörende
fiktive Erregerstrom einer Vollpolmaschine ist, kann nunmehr die Anordnung nach
Figur 5 weiter so vereinfacht werden, daß als Flußermittlungseinrichtung nicht eine
Modellschaltung der tatsächlich angewendeten Schenkelpolmaschine, sondern eine Modellschaltung
einer Vollpolmaschine mit x = xq verwendet wird, wobei dann anstelle des tatsächlichen
Erregerstrom-Istwertes bzw. Erregerstromsollwerts der fiktive Erregerstromwert i0
herangezogen wird.
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Figur 6 zeigt eine derartige Schaltung, bei der die Schaltungsanordnung
9' aus eingegebenen Werten für den Ständerstrom i#S* 9 den Läuferwiderstand RL und
einen der Hauptinduktivität zugeordneten Induktivitätsparameter sowie einem Erregerstromwert
einen Fluß-Modellwert #L nachbildet, wobei gemäß der Erfindung als Induktivitätsparameter
ein einer Vollpolmaschine zugeordneter Parameter, bevorzugt wie im dargestellten
Fall die Querinduktivität x der Schenkelpolmaschine, und als Erregerstromwert der
fiktive Erregerstrom ioE* verwendet wird. Der fiktive Erregerstromwert wird im vorgeschalteten
Rechenglied 7' aus dem vorgegebenen Fluß #*, dem Induktivitätsparameter x und dem
vorgegebenen Ständerstrom (gemäß Fig. 6 wird nur die feldparallele Komponente i#1S*
benötigt) ermittelt. In der Ausgangsstufe 8' wird die zum Fluß ¢~ gehörende Größe
iE des wahren Erregerstroms aus dem fiktiven Erregerstromwert ioE* und der Störgröße
#iE ermittelt, die aus dem Flußmodellwert j (gemäß Fig. 6 wird nur die läuferorientierte
Längskomponente #d benötigt) und den Parametern für die Längsinduktivität xd und
die Querinduktivität Xq zusammengesetzt ist. Die Störgröße #iE kann gemäß Fig. 6
am Proportionalglied 50 als Produkt (1/xq - 1/xd) # #d gebildet und am Subtraktionsglied
51 negativ auf ioE* aufgeschaltet werden.
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Die Anordnung 7', 8', 9' kann anstelle der Anordnung
7,
8, 9 in Fig0 4 und 5 verwendet werden, um aus Sollwerten oder Istwerten (ähnlich
der später erläuterten Figur 11) des Ständerstromes den zum Flußsollwert t* gehörenden
Erregerstromsollwert zu bilden. Sie kann aber auch allgemein als Modellschaltung
dazu dienen, bei einem vorgegebenen Fluß den zugehörigen Erregerstrom zu ermitteln.
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Figur 7 zeigt eine Modifikation von Figur 6, wobei der entsprechenden
Schaltungsanordnung 9' als Erregerstromwert nicht der Betrag ioE* des fiktiven Erregerstroms,
sondern seine beiden Komponenten ioE*#1 = ioE* # cos #L und ioE*#2 = ioE*. sin #L
zugeführt werden. Durch komponentenweises Addieren zum feldorientierten Ständerstrom
,s* (Additionsglied 70) entsteht ein feldorientierter Stromvektor, der ins läuferorientierte
Bezugssystem transformiert wird (Vektordreher 71). Die Schaltungsanordnung 9' ermittelt
zu dem fiktiven Erregerstromwert den dazu gehörigen Fluß einer ebenso fiktiven Vollpolmaschine
mit x - x 9 wobei überraschenderweise dieser Fluß eine Nach bildung des zum wahren
Erregerstrom iE bzw. iE gehörenden (wahren) Flusses t ist,so daß die Anordnung 9
als Flußermittlungseinrichtung dienen kann und in der in Fig. 7 gezeigten Weise
eine in Fig. 4 entsprechende Anordnung ergibt. Die Schaltungsanordnung 9' kann allgemein
als Schaltungsanordnung zur Nachbildung eines Fluß-Modellwertes innerhalb einer
Modellschaltung 7', 8', 9' verwendet werden, wie sie anhand Fig. 6 bereits beschrieben
wurde, sofern sichergestellt ist, daß der- feldorientiert eingegebene Ständerstrom
dem in feldorientierten Koordinaten dargestellten Ist-Strom der der Modellschaltung
zugeordneten Maschine entspricht.
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Da die Schaltungsanordnung nach Fig. 6 und 7 nunmehr mit einem symmetrischen
Induktivitätsparameter Xq arbeitet, gelingt jetzt auch die Lösung der entsprechenden
Diffe-
rentialgleichung im feldorientierten System, wie sie in
der eingangs erwähnten deutschen Patentanmeldung P 30 26 202, Fig. 5, bereits angegeben
ist. Fig. 8 zeigt einen entsprechenden Aufbau einer derartigen Schaltungsanordnung
zur Nachbildung des Flusses. Eingangsvektor dieser Schaltung ist der aus den Sollwerten
ins und am Annitionsg@@e@ @ ge@@@@@@@ @@@@@@ @ - @#.
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Im allgemeinen ist die dargestellte Speisung mit den Sollwerten vorteilhaft,
da sich auf diese Weise ein kompaktes Steuergerät für den Betrieb einer Schenkelpolmaschine
ergibt, das allein schon bei Speisung aus den Sollwerten betriebsfähig ist und ohne
die zugehörige Schenkelpolmaschine erprobt werden kann. Wenn man Jedoch den fiktiven
Erregerstromwert - anstatt aus dem Fluß sollwert abzuleiten - aus dem wahren Erregerstrom
durch Addition der mit Hilfe der Schaltung 9' ermittelten Störgröße d bildet, so
erhält man eine Anordnung, dies es gestattet, aus eingegebenen Ist- oder Sollwerten
des Ständerstromes, dem Läuferwiderstand und einer vorgegebenen Größe des wahren
Erregerstroms sowie einem der Hauptinduktivität zugeordneten Induktivitätsparameter
den dazu gehörenden Fluß zu ermitteln. Eine derartige Anordnung ist demnach als
von den Istwerten gespeiste Flußbestimmungseinrichtung einer Schenkelpolmaschine
in der Vorrichtung nach Fig. 2 einsetzbar. Sie kann auch als entsprechendes Strommodell
einer Schenkelpolmaschine für andere Anwendungen, z.B.
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im Zusammenhang mit der erwähnten deutschen Patentanmeldung P 30 26
202 vorteilhaft sein, selbst wenn damit der Erregerstrom nicht vorgesteuert werden
soll. Fig. 9 zeigt eine solche Modellschaltung.
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Auch diese Schaltung arbeitet als Modellschaltung iür die Schenkelpolmaschine
und enthält eine Schaltungsanordnung 95, die aus eingegebenen Werten für den Ständerstrom
is (sofern von MeDwerten für die Phasenströme aus-
gegangen wird,
ist eine Umwandlung in kartesische Koordinaten und Transformation ins Läuferbezugssystem
- vom Läuferstellungswinkel #s gespeister Vektordreher 90 -jederzeit möglich), den
Läuferwiderstand RL und einen der Hauptfeldinduktivität zugeordneten Induktivitätsparameter
sowie einen "fiktiven" Erregerstromwert io#E einen Fluß-Modellwert (Betrag t , Richtung
#@) nachbildet, wobei als Induktivitätsparameter x ein einer Vollpolmaschine (x
= const) zugeordneter Induktivitätsparameter, vorzugsweise die Querinduktivität
der Schenkelpdmaschine (xq), verwendet ist. Der Erregerstromwert wird hier von einem
Rechenglied 96 aus der vorgegebenen Größe des ("wahren") Erregerstromes (iE) und
einer aus dem Flußmodellwert und Parametern für die Längsinduktivität xd und die
Querinduktivität xq der Schenkelpolmaschine zusammengesetzten Störgröße ermittelt.
In dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist als Störgröße Produkt aus
der Längakomponente des Modellflusses (Multiplizierer 92 zur Bildung von #d = #
# cos #L) und der Differenz @/@ ~ @/@ ) der reziproken LAngskomponente und Querkomponente
der Hauptinduktivität gebildet und additiv auf den vorgegebenen (wahren) Erregerstrom
aufgeschaltet (Additionsglied 97).
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Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 wird aus den Betrag @E des fiktiven
Erregerstromes mittels der Multiplizierer 94 der feldorientierte fiktive Erregerstrom
ioE = (ioE # cos #L, ioE sin #L) gebildet und mit dem durch den Vektordreher 91
feldorientiert vorgegebenen Ständerstrom zur Gesamtdurchflutung zusammengesetzt
Und entsprechend der bereits bei Fig. 8 erwähnten Weise wird daraus der Modell-Flußbetrag
t und der Modell-Flußwinkel 4L ermittelt.
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Man kann aber zur Flußnachbildung entsprechend Fig. 6 auch läuferorientiert
arbeiten. Dabei entfallen die zur
Bildung der feldorientierten
Komponenten benötigten Elemente 91, 92, 94, wie in Fig. 10 dargestellt ist. Die
Modellschaltungen nach Fig. 9 oder 10 können direkt als Flußermittlungseinrichtung
9 in Fig. 2 oder - ohne den Vektordreher 90 und mit Eingabe des Ständerstromsollvektors
anstelle des Istvektors - in Fig. 4 verwendet werden.
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Da insbesondere bei einer feldorientierten Regelung, wie sie in den
Figuren 2 und 4 bis 7 dargestellt ist, der Ständerstrom-Steuereinrichtung 4 ohnehin
der Ständerstrom in feldorientierten Soll-Komponenten i#1S*, i#2S* vorgegeben ist,
impfiehlt es sich, auch der Flußermittlunngseinrichtung den Ständerstrom als feldorientierten
Sollvektor einzugeben. Es entfallen dann bei Verwendung der Modellschaltung nach
Fig. 9 als Flußermittlungseinrichtung auch noch die Vektordreher 90 und 9i.
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Zuletzt ist in Fig. ii eine weitere Modellschaltung dargestellt, die
unter Verwendung der in Fig. 8 gezeigten Schaltungsanordnung bei eingegebenem Ständerstrom-Istwert
oder -Sollwert den zu einem vorgegebenen Fluß t* gehörenden Erregerstrom ermittelt
und den Elementen 7' 8', 9' in Fig. 6 entspricht.
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Der Vorteil der in den Figuren 6 bis 11 dargestellten Modellschaltungen
ist, daß als Schaltungsanordnung 9' bzw.
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95, die zur Nachbildung der Dynamik einer Schenkelpolmaschine dient,
die Nachbildung einer Vollpolmaschine verwendet werden kann, wie sie bei entsprechenden
Modellschaltungen und Steuerungen für Vollpolmaschinen bekannt und eingesetzt ist.
Es ist also nicht erforderlich, jeweils für die Schenkelpolmaschine eine eigene
Schaltungsanordnung bereitzustellen. So kann man z.B. für einen "Flußistwert-Rechner"
zur Ermittlung des Fluß-Istwertes aus den Istwerten von Ständerstrom und Erregerstrom
(Fig. 9 und 10) oder für einen 1,Erregerstromsollwert Rechner" zur Ermittlung des
zu einem vorgegebenen Fluß-
Sollwert gehörenden Erregerstrom-Sollwertes
aus den Istwerten oder den die Istwerte steuernden Sollwerten des Ständerstromes
(Fig. 6, 7 und il) jederzeit auf bereits für Vol lpolmaschinen gefertigte Schaltungsanordnungen
zurückzugreifen. Die Schenkeligkeit der Maschine braucht lediglich diese Schaltungsanordnung
durch die Aufschaltung der Störgröße #iE am Erregerstrom-Eingang oder -Ausgang ergänzt
zu werden.