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DE3120768A1 - Modellschaltung einer schenkelpolmaschine - Google Patents

Modellschaltung einer schenkelpolmaschine

Info

Publication number
DE3120768A1
DE3120768A1 DE19813120768 DE3120768A DE3120768A1 DE 3120768 A1 DE3120768 A1 DE 3120768A1 DE 19813120768 DE19813120768 DE 19813120768 DE 3120768 A DE3120768 A DE 3120768A DE 3120768 A1 DE3120768 A1 DE 3120768A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
excitation current
inductance
value
flux
pole machine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE19813120768
Other languages
English (en)
Inventor
Felix Dipl.-Ing. Dr. Blaschke
Theodor Dipl.-Ing 8520 Erlangen Salzmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to DE19813120768 priority Critical patent/DE3120768A1/de
Priority to AT82104257T priority patent/ATE12562T1/de
Priority to EP82104257A priority patent/EP0065722B1/de
Priority to DE8282104257T priority patent/DE3262852D1/de
Priority to US06/378,860 priority patent/US4454461A/en
Priority to CA000403532A priority patent/CA1192608A/en
Priority to ZA823579A priority patent/ZA823579B/xx
Priority to BR8202987A priority patent/BR8202987A/pt
Publication of DE3120768A1 publication Critical patent/DE3120768A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G06GANALOGUE COMPUTERS
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    • G06G7/48Analogue computers for specific processes, systems or devices, e.g. simulators
    • G06G7/62Analogue computers for specific processes, systems or devices, e.g. simulators for electric systems or apparatus
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
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    • H02P21/14Estimation or adaptation of machine parameters, e.g. flux, current or voltage
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    • HELECTRICITY
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    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
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    • H02P25/02Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
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Description

  • Modellschaltung einer Schenkelpolmaschine
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Anhand von 11 Figuren wird die Erfindung näher erläutert.
  • 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.
  • 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.
  • -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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die schaltungsmäßige Realisierung dieser Zusammenhänge erfolgt in dem Erregerstrom-Führungsglied 7 und im Vorsteuerglied 8 in den Figuren 2, 4 und 5.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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@@@@@@@ @@@@@@ @ - @#.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der Vorteil der in den Figuren 6 bis 11 dargestellten Modellschaltungen ist, daß als Schaltungsanordnung 9' bzw.
  • 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.

Claims (6)

  1. Patentansprüche Modellschaltung (95, 96) um Ermitteln des zu einer vorgegebenen Größe ( @Ef) des Erregerstroms gehörenden Flusses (Betrag t , Richtung #L) L) einer Schenkelpolmaschine, mit einer Schaltungsanordnung (96), die aus eingegebenen Werten für den Ständerstrom (iS ), Läuferwiderstand (RL) und einen der Hauptinduktivität zugeordneten Induktivitätsparameter (x ) sowie einem Erregerstromwert q den den Fluß als Modellwert nachbildet, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Schaltungsanordnung (95) als Induktivitätsparameter ein einer Vollpolmaschine zugeordneter Induktivitätsparameter (xq) eingegeben ist, und daß am Eingabeeingang für den Erregerstromwert ein Rechenglied (96) vorgesehen ist, das den der Schaltungsanordnung einzugebenden Erregerstromwert aus der vorgegebenen Größe des Erregerstromes (iE) und einer aus dem Flußmodellwert (t ç L) und Parametern (xd, xq) für die Längsinduktivität und Querinduktivität der Schenkelpolmaschine zusammengesetzten Störgröße E ( #i@) ermittelt0 (Fig. 9) 2. Modellschaltung nach Anspruch i, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Schaltungsanordnung als der Vollpolmaschine zugeordneter Induktivitätsparameter die Querinduktivität (xq) der Schenkelpolmaschine eingegeben ist und daß zur Bildung der Störgröße das Produkt (#iE=(1/xq - 1/xd) # # # cos #L) aus der Längskomponente des Flusses und der Differenz aus der reziproken Längskomponente (-) ) und Querkomponente der der Hauptinduktivität gebildet ist und die Stör-Xq große (AlE) der vorgegebenen Eingabegröße des Erregerstroms (iE) additiv aufgeschaltet ist (Fig.9, Fig.IO).
  2. 3. Verwendung einer Modellschaltung ("Flußistwert-Rechner") nach Anspruch 1 oder 2 mit dem Erregerstrom-Istwert als vorgegebener Größe des Erregerstromes und dem Ständerstrom-Istwert als eingegebenem Wert für den Ständerstrom, als Flußbestimmungseinrichtung (9) zur feldorientierten Steuerung oder Regelung einer Schenkelpol maschine (Fig. 2).
  3. 4. Modellschaltung (7', 8', 9') zum Ermitteln der zu einem vorgegebenen Fluß (#*) gehörenden Größe (iE*) des Erregerstromes einer Schenkelpolmaschine, mit einer Schaltungsanordnung (9t) die aus eingegebenen Werten für den Ständerstrom (iSy ), den Läuferwiderstand (RL) und einen der Hauptinduktivität zugeordnete Induktivitätsparameter (sq) sowie einem Erregerstromwert (iE*) einen Fluß-Modellwert (Betrag Y, Richtung (#L) nachbildet, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Schaltungsanordnung (9n) als Induktivitätsparameter ein einer Vollpolmaschine zugeordneter Induktivitätsparameter (xq eingegeben ist, daß am Eingabeeingang für den Erregerstromwert ein Rechenglied (7') vorgeschaltet ist, das den der Schaltungsanordnung einzugebenden Erregerstromwert (ioE*) aus dem vorgegebenen Fluß ( t*) und den eingegebenen Werten für Ständerstrom (i#S* ) und den der Vollpolmaschine zugeordneten Induktivitätsparameter (xq) ermittelt, und daß eine Ansgangsstufe (8') vorgesehen ist, die die zu dem vorgegebenen Fluß (t *) gehörende Größe des Erregerstromwertes (iE*) aus dem eingegebenen Erregerstromwert (ioE*) und einer aus dem Flußmodellwert . cos #L) und Parametern für die Längs- und Querinduktivität (Xd, xq) der Schenkelpolmaschine zusammengesetzten Störgröße (#iE) ermittelt. (Fig. 6, 7, 11)
  4. 5. Modell schaltung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Schaltungsanordnung und dem Rechenglied als der Vollpolmaschine zugeordneter Induktivitätsparameter die Querinduktivität (xq) der Schenkelpolmaschine eingegeben ist, daß zur Bildung der Störgröße (#iE) das Produkt (#d# (1/xq - 1/xd aus der Längskomponente des Modellflusses und der Differenz aus der reziproken Längskomponente und Querkomponete der HauptfeldinduktivitUt der Schenkelpolmaschine gebildet ist und daß die Störgröße dem Erregerstromwert subtraktiv aufgeschaltet ist (Fig. 6, 7, 11).
  5. 6. Verwendung einer Modellschaltung ("Erregerstromsollwert-Rechner") nach A4 oder 5 mit einem Fluß-Sollwert als vorgegebenen Fluß und dem Ständerstrom-Istwert oder einem den Ständerstrom-Istwert führenden Ständerstrom-Sollwert als eingegebenen Wert für den Ständerstrom, als Flußbestimmungseinrichtung (9), Erregerstromführungsglied (7) und -Vorsteuerstuie (8) zur feldorientierten Steuerung oder Regelung einer Schenkelpolmaschine (Fig. 4).
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