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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Regelgerät zum Durchführen einer
Vektorregelung eines Asynchronmotors und ein Verfahren zum Regeln
eines Asynchronmotors mit Hilfe dieses Regelgerätes.
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Gemäß bisher
bekannten oder üblichen
Vorgehensweisen zum Regeln des Asynchronmotors erfolgt das Steuern
einer Erregerstromkomponente (auf die im folgenden einfach als Erregerstrom
Bezug genommen wird) und einer Drehmomentstromkomponente (auf die
im folgenden einfach als Drehmomentstrom Bezug genommen wird) einer
AC-Energiequelle, die dem Asynchronmotor zugeführt werden, unabhängig voneinander
durch Ausweichen auf ein Regelverfahren, das als Vektorregelung
oder feldorientiertes Regelungsverfahren bekannt ist. Insbesondere
wird bei einem Start des Asynchronmotors – d. h., wenn der Betrieb des
Asynchronmotors zu starten ist – der
Regelstrom zunächst
dem Asynchronmotor zugeführt.
Hiernach wird, nachdem ein ausreichender oder wirksamer Umfang des
Magnetflusses erzeugt worden ist, die Drehmomentstromkomponente
dem Asynchronmotor zum Start von dessen Betrieb zugeführt.
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Zusätzlich ist
auch ein sogenanntes Kraftregelverfahren bekannt, gemäss dem erzwungenermaßen das
Fließen
des Erregerstroms durch den Asynchronmotor bewirkt wird, den den
jenigen des Nennerregelrstroms übersteigt,
um hierdurch den Magnetfluss sehr schnell – d. h., mit hoher Geschwindigkeitsrate – zu erzeugen.
Zu dem Zeitpunkt, zu dem der Magnetfluss den Nennwert erreicht,
wird der Erregerstrom dann zu seinem Nennwert verringert, wonach
ein Fließen
des Drehmomentstroms durch den Asynchronmotor bewirkt wird, um hierdurch
den Start von dessen Betrieb zu ermöglichen.
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Jedoch
ist in dem Fall des Regelgeräts
für den
Asynchronmotor, der mit einem mit mehreren in Form einer Brückenschaltung
verbundenen Schaltelementen gebildeten Wechselrichter ausgebildet
ist, eine Strombegrenzung erzwungenermaßen im Hinblick auf die Stromhaltefähigkeit
bzw. Stromfestigkeit der Schaltelemente eingeprägt. Insbesondere darf die Quadratwurzel
einer Summe eines Quadrats der Erregerstromkomponente und derjenigen
der Drehmomentstromkomponente nicht den Stromgrenzwert übersteigen,
der für
das Schaltelement vorgegeben wird. Andernfalls nimmt das Schaltelement
unbeabsichtigt Schaden. Unter derartigen Umständen besteht das Erfordernis
zum Bestimmen der Verhältnisse
der Erregerstromkomponente und der Drehmomentstromkomponente, die
ein maximales Drehmoment im Rahmen des begrenzten Strombereichs
gewährleisten.
Selbstverständlich
führt der
Versuch zum Erzeugen des Drehmoments mit einem größeren Wert
notwendigerweise zu der Anforderung für den Einsatz teurer Schaltelemente,
die jeweils eine hohe Stromkapazität aufweisen und demnach teuer sind.
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Zusätzlich ist
in
DE 37 04 387 A1 ein
Verfahren zum Steuern eines Asynchronmotors beschrieben, bei dem
eine Synchronisierung der Steuerung des Starterstromes mit einer
synchronisierbaren Synchronisierungsfrequenz mit Hilfe dreier Führungsgrößen erreicht
wird. Mit einer Führungsgröße wird die
Frequenz und Phase der Synchronisierung als Funktion des Solldrehmomentes
und der Sollwinkelgeschwindigkeit des Rotors geändert, und mit den beiden anderen
die Amplitude des Orthophasen- und Gleichphasenstromes.
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In
US 6,166,514 A ist
ein Gerät
und Verfahren zum Steuern eines Asynchronmotors beschrieben, bei
dem ein Wechselrichter über
einen Pulsweitenmdulator angesteuert wird. Insbesondere wird eine
Begrenzung der Modulationsrate auf einen vorgegebenen Wert zur Verbesserung
einer Wechselrichtersteuerung angestrebt.
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In
JP 61-010986 A ist
ein Startverfahren für einen
Induktionsmotor beschrieben. Bei Schließen eines Schalters wird ein
großer
Erregerstrom angewandt, ausreichend größer als ein interner Magnetfluss
im Vergleich zu einer normalen Betriebszeit, und dann wird der Schalter
geöffnet.
Hieran anschließend,
verringert sich ein Erregerstrom-Sollwert zu einem Normalwert, und
ein Drehmomentstrom wird angewandt. Da der zuvor aufgebaute interne
Fluss zu diesem Zeitpunkt verbleibt, wird ein Startdrehmoment gleich
dem Produkt des Flusses und dem Drehmomentstrom bei Start des Induktionsmotors
erzeugt.
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In
DE 69 007 601 T2 ist
ein Induktionsmotorregler mit Temperaturkompensation beschrieben. Insbesondere
wird eine genaue Schätzung
der Drehwinkelgeschwindigkeit eines Induktionsmotors angestrebt,
und zwar ungeachtet irgendeiner Änderung des
primären
oder des sekundären
Widerstandswerts des Induktionsmotors mit der Temperatur.
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In
DE 4 036 842 A1 ist
eine Regeleinrichtung für
einen Asynchronmotor beschrieben, bei der ein Umrichter so geregelt
wird, dass die Drehzahl des Asynchronmotors konstant bleibt, solange
eine Drehzahl geringer ist als eine vorgegebene Drehzahl. Ferner
wird der Sekundärmagnetfluss
des Motors entsprechend der Drehzahl verringert, während diese über der
vorgegebenen Drehzahl liegt. Weiterhin wird der Sekundärmagnetfluss
abhängig
von der Anschlussspannung des Asynchronmotors derart verändert, dass
die Anschlussspannung auf einem vorgegebenen konstanten Wert gehalten
wird, solange die Drehzahl höher
ist als die vorgegebene Drehzahl.
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Schließlich ist
in
DE 198 46 079 A1 ein
Verfahren und eine Einrichtung zum Abbremsen eines Wechselstrommotors
beschrieben. Es wird mittels einer Bremsregelungseinrichtung, die
einen Brems-Magnetflussregler und einen überlagerten Zwischenkreisspannungsregler
umfasst, die Zwischenkreisspannung auf einen über der ideellen Versorgungsspannung
liegenden Sollwert und die momentbildende Querstromkomponente unter
Anpassung der magnetisierenden Längsstromkomponente auf
einem vom Stellsignal des Zwischenkreisspannungsreglers bestimmten
Sollwert geregelt. Dies erlaubt Bremsvorgänge ohne Bremswiderstand und Energieentnahme
aus der Stromversorgung.
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Das
technische Problem der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung
eines Regelverfahrens für
einen Asynchronmotor, mit dem eine Erhöhung des Drehmoments bei Start
des Asynchronmotors ohne Einsatz teurer Schaltelemente mit großer Stromkapazität ermöglicht wird.
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Dieses
technische Problem wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung durch
ein Regelgerät zum
Durchführen
einer Vektorregelung eines Asynchronmotors mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst.
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Durch
die oben beschriebene Struktur des Asynchron-Regelgeräts lässt sich das bei dem Starrbetrieb
des Asynchronmotors erzeugte Drehmoment ohne die Anforderung erhöhen, dass
teure Schaltelemente mit hoher Stromkapazität eingesetzt werden, was zu
einem großen
Vorteil führt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung wird das Regelgerät so ausgebildet, dass es ferner
enthält:
eine Stromdetektorvorrichtung (7) zum Detektieren eines
Primärstroms
des Asynchronmotors; eine Stromberechnungsvorrichtung (9),
die an den Eingängen
eine Ausgangsgröße der Stromdetektorvorrichtung
(7) und eine Primärfrequenz
(ω) empfängt, um
hierdurch arithmetisch eine Erregerkomponente (ids) und eine Drehmoment-Stromkomponente
(iqs) des Primärstroms
zu bestimmen; eine Schlupffrequenz-Berechnungsvorrichtung (11),
die als Eingangsgröße die Erregerstromkomponente
(ids) oder alternativ den Erregerstromkomponenten-Sollwert (ids*)
des Primärstroms
empfängt;
sowie eine Drehmomentstromkomponente (iqs) des Primärstroms
oder alternativ einen Drehmomentstromkomponenten-Sollwert (iqs*)
hierfür
sowie die Primärfrequenz
(ω), um
hierdurch unter Verwendung einer Konstante Rr/Lr bestehend aus dem
Sekundär-Induktivitätswert Lr
und dem Sekundärwiderstandswert
Rr des Asynchronmotors eine Schlupffrequenz (ωs) des Asynchronmotors zu bestimmen;
eine Drehzahlgeschwindigkeits-Detektionsvorrichtung (13)
zum Detektieren einer Drehzahl (U/min) des Asynchronmotors; eine
Addiervorrichtung (15) zum Addieren der Schlupffrequenz
(ωs), ausgegeben
durch die Schlupffrequenz-Berechnungsvorrichtung (11);
und einer Ausgangsgröße des Drehzahldetektors
(13), um hierdurch die Primärfrequenz (ω) zu erzeugen; und eine Stromsteuervorrichtung
(1) zum Steuern des Primärstroms des Asynchronmotors
derart, dass die Erreger-Stromkomponente (ids) und die Drehmomentstromkomponente
(iqs) des Primärstroms
jeweils dem Erreger-Stromkomponenten-Sollwert (ids*) und dem Drehmomentstromkomponenten-Sollwert
(iqs*) folgen.
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Aufgrund
der oben beschriebenen Struktur des Asynchronmotor-Regelgeräts lässt sich
das bei Start des Asynchronmotors erzeugte Drehmoment erhöhen, ohne
dass der Einsatz von teuren Schaltelementen mit großer Stromkapazität erforderlich
ist, was zu einem Vorteil führt.
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Ferner
enthält
bei dem oben beschriebenen Asynchronmotor-Regelgerät das Asynchronmotor-Regelgerät ferner
eine Magnetfluss-Schätzeinheit,
die die Erreger-Stromkomponente (ids) als Eingangsgröße empfängt, um
hierdurch einen Schätzwert
des Magnetflusses auszugeben.
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Durch
die oben beschriebene Anordnung des Asynchronmotor-Regelgeräts wird
die durch die Starteinheit durchzuführende Steuerung lediglich dann
durchgeführt,
wenn während
der Startphase des Asynchronmotors ein Drehmoment mit großem Umfang
erforderlich ist. Wird der durch die Magnetfluss-Schätzeinheit
bestimmte Schätzwert
des Magnetflusses nach dem Start des Asynchronmotors gleich oder
kleiner als ein vorgegebener Wert, so wird die Regelung dann zu
der Stromsollwert-Berechnungseinheit übertragen, zum Durchführen der üblichen
Regelung auf der Grundlage des Drehmoment-Sollwerts.
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Ferner
sollte bei dem oben beschriebenen Asynchronmotor-Regelgerät die Schalteinheit bevorzugt
so entworfen sein, dass sie nicht die d-, q-Achsen-Stromkomponenten-Sollwerte
(ids*; qds*) für
die durch die Starteinheit durchgeführt Steuerung überträgt, wenn
der q-Achsen-Stromkomponenten-Sollwert
(iqs*) einen vorgegebenen Wert nicht übersteigt.
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Mit
der oben beschriebenen Anordnung lässt sich das Durchführen der
Steuerung der Starteinheit sperren, sofern nicht das Drehmoment
mit großem Umfang
während
dem Startbetrieb des Asynchronmotors angefordert wird.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das obige technische
Problem durch ein Verfahren zum Regeln eines Asynchronmotors mit
den Merkmalen des Patentanspruchs 3 gelöst.
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Aufgrund
der oben beschriebenen Vorgehensweise lässt sich das durch den Asynchronmotor bei
dem Start erzeugte Drehmoment ohne der Anforderung für teure
Schaltelemente mit großer
Stromkapazität
erhöhen.
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Ferner
kann bei dem oben beschriebenen Asynchronmotor-Regelverfahren bevorzugt bewirkt werden,
dass im Stillstand die Erregerstromkomponente im Rahmen des zuvor
erwähnten
ersten Schrittes während
einer Zeit fließt,
die nicht kürzer
als eine Zeitkonstante eines Sekundärmagnetflusses ist, und hiernach
kann der Erregerstrom abnehmen.
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Mit
der oben beschriebenen Anordnung lässt sich die Zeitdauer des
Magnetflusses in der Startphase in Zuordnung zu dem oben erwähnten vorgegebenen
Wert erweitern, wodurch das Drehmoment lediglich langsam abnimmt
(d. h., mit einer signifikanten Zeitverzögerung).
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezug auf die
Zeichnungen beschrieben; es zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild zum allgemeinen und schematischen Darstellen einer
Konfiguration eines Regelgeräts
für einen
Asynchronmotor gemäss einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2A bis 2H Signalformdiagramme zum
Darstellen des Regelbetriebs des Regelgeräts gemäss einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, derart, dass
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2A ein
Signalformdiagramm zum Darstellen einer Primär-d-Achsen-Stromkomponente (Erregerstrom)
eines Ständers
ids zeigt;
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2B ein
Signalformdiagramm zum Darstellen einer Primär-q-Achsen-Stromkomponente (Drehmomentkomponente
des Ständers)
iqs zeigt;
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2C ein
Signalformdiagramm zum Darstellen einer sekundären d-Achsen-Stromkomponente
(Erregerstrom eines Rotors) idr;
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2D ein
Signalformdiagramm zum Darstellen einer Sekundär-q-Achsen-Stromkomponente (Drehmomentstrom
des Rotors) iqr zeigt;
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2E ein
Signalformdiagramm zum Darstellen einer synthetisierten Signalform
der primären d-Achsen-Stromkomponente ids
und der Primär-q-Achsen-Stromkomponente iqs
zeigt;
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2F ein
Signalformdiagramm zum Darstellen des d-Achsen-Magnetflusses θdr zeigt, wie er durch den
Asynchronmotor erzeugt wird;
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2G ein
Signalformdiagramm zum Darstellen eines Drehmoments τ zeigt, wie
es durch den Asynchronmotor erzeugt wird; und
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2H ein
Singalformdiagramm zum Darstellen der Umdrehungsgeschwindigkeit ωr des Asynchronmotors
zeigt;
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3 eine
Ansicht zum graphischen Darstellen der Maximaldrehmomentcharakteristik
bei einer Startregelung eines Asynchronmotors gemäss der vorliegenden
Erfindung im Vergleich zu der Maximaldrehmomentcharakteristik bei
dem üblichen
oder bekannten Regelbetrieb des Asynchronmotors;
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4A bis 4H jeweils
Ansichten ähnlich zu
den 2A bis 2H zum
Darstellen des Regelbetriebs für
einen Asynchronmotor gemäss
einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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5A bis 5H jeweils
Ansichten ähnlich zu 2A bis 2H zum
Darstellen des Regelbetriebs für
einen Asynchronmotor gemäss
einer dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Die
vorliegende Erfindung wird detailliert im Zusammenhang mit dem beschrieben,
was momentan als bevorzugt oder typische Ausführungsformen hiervon angesehen
wird, und zwar unter Bezug auf die Zeichnung. In der folgenden Beschreibung
bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile über sämtliche
Ansichten hinweg.
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Unter
Bezug auf die 1 wird eine erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschrieben, und diese zeigt ein Blockschaltbild
zum allgemeinen Darstellen einer Anordnung oder Konfiguration des
Regelgeräts
für einen
Asynchronmotor gemäss
der vorliegenden Ausführungsform.
Wie in der Figur gezeigt, enthält
das Regelgerät
für den Asynchronmotor
allgemein einen Stromcontroller 1 zum Steuern einer Erregerstromkomponente
ids und einer Drehmomentstromkomponente iqs für die dem Asynchronmotor (nicht
gezeigt) auf der Grundlage der jeweiligen Sollwerte zugeführten elektrischen
Energie, sowie eine Stromsollwert-Berechnungseinheit 5 zum arithmetischen
Bestimmen eines Erregerstromkomponenten-Sollwerts ids* für die Er-regerstromkomponente
(auch als die d-Achsen-Stromkomponente bezeichnet) sowie eines Stromkomponenten-Sollwerts
iqs* für
die Drehmomentstromkomponente (auch als q-Achsen-Stromkomponente bezeichnet), und zwar
in Ansprechen auf eine Eingabe eines Drehmomentsollwerts τm*, sowie
ferner eine Starteinheit 5 zum Verringern mindestens des
Erregerstromkomponenten-Sollwerts (d-Achsen-Stromkomponenten-Sollwerts) ids*,
während
gleichzeitig der Drehmomentstromkomponenten-Sollwert (q-Achsen-Stromkomponenten-Sollwert)
iqs* bei Start des Betriebs des Asynchronmotors erhöht wird.
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Ferner
enthält
das Regelgerät
für den
Asynchronmotor einen Stromdetektor 7 zum Detektieren eines
Primärstroms
des Induktionsmotors, sowie eine Stromberechnungseinheit 9,
die in der Form einer Koordinatentransformationsschaltung implementiert
ist, zum arithmetischen Bestimmen der d-Achsen-Stromkomponente ids und der q-Achsen-Stromkomponente
iqs, die Stromkomponenten des Primärstroms des Asynchronmotors
darstellen, auf der Grundlage des u-Phasenstroms ius und des v-Phasenstroms
ivs, die von dem Stromdetektor ausgegeben werden, sowie eines elektrischen
Winkels θ,
der arithmetisch durch Integrieren einer Primarfrequenz ω bestimmt
wird, wie nachfolgend beschrieben, ferner eine Schlupffrequenz-Berechnungseinheit 11 zum
arithmetischen Bestimmen einer Schlupffrequenz ωs auf der Grundlage der d-Achsen-Stromkomponente ids
und der q-Achsen-Stromkomponente iqs, die beide von der Stromberechnungseinheit 9 ausgegeben
werden, sowie einer Konstante (oder Konstanten) des Asynchronmotors,
ferner einen Umdrehungsgeschwindigkeitsdetektors 13 zum
Detektieren einer Umdrehungsgeschwindigkeit ωr (U/min) des Asynchronmotors,
eine Addierschaltung 15 zum wechselseitigen Addieren der
Schlupffrequenz ωs
und der Ausgangsgröße (Drehgeschwindigkeit ωr des Asynchronmotors)
des Umdrehungsgeschwindigkeitsdetektors 13, um hierdurch
die Primärfrequenz ω zu bestimmen,
sowie eine Integrierschaltung 17 zum Integrieren der Primärfrequenz ω, die als
Ausgangsgröße der Addierschaltung 15 abgeleitet
wird, um hierdurch den elektrischen Winkel θ zu bestimmen.
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Andererseits
enthält
der Stromcontroller 1 eine erste Subtrahierschaltung 19 zum
Subtrahieren der Erregerstromkomponente (d-Achsenkomponente) ids,
die von der Stromberechnungseinheit 9 ausgegeben wird,
von dem Erregerstromkomponenten-Sollwert ids*, die von der Stromsollwert-Berechnungseinheit 3 oder
der Starteinheit 5 ausgegeben wird, sowie eine zweite Subtrahierschaltung 21 zum Subtrahieren
der Drehmomentstromkomponente (q-Achsen-Stromkomponente) iqs, die von der Stromberechnungseinheit 9 ausgegeben
wird, von dem Drehmomentstromkomponenten-Sollwert iqs*, der von
der Stromsollwert-Berechnungseinheit 3 oder der Starteinheit 5 ausgegeben
wird, sowie eine erste Stromsteuereinheit 23, zum arithmetischen
Bestimmen eines d-Achsenspannungs-Sollwerts
Vds* durch Verstärken
des Ausgangssignals von der ersten Subtrahierschaltung 19,
eine zweite Stromsteuereinheit 25 zum arithmetischen Bestimmen
eines q-Achsenspannungs-Sollwerts Vqs* zum Verstärken des Ausgangssignals der
zweiten Subtrahierschaltung 21, und eine Spannungssollberechnungsschaltung 27 zum
arithmetischen Bestimmen eines u-Phasen-Spannungssollwerts Vus*,
eines v-Phasen-Spannungssollwert
Vvs* und eines w-Phasen-Spannungssollwerts
Vws* auf der Grundlage des Ausgangswerts Vds* der ersten Stromsteuereinheit 23,
des Ausgangswerts Vqs* der zweiten Stromsteuereinheit 25 und
des elektrischen Winkelwerts θ, die
von der Integrierschaltung 17 ausgegeben wird, um hierdurch
die d-Achsen-Stromkomponente ids und die q-Achsen-Stromkomponenten
iqs auf die jeweiligen vorgegebenen Werte zu regeln.
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In
diesem Zusammenhang ist ferner zu erwähnen, dass die von der Stromberechnungseinheit 9 ausgegebene
d-Achsen-Stromkomponente
ids auch bei einer Magnetfluss-Schätzeinheit (bzw. einem entsprechenden
modul) 29 eingegeben wird, die bzw. das zum arithmetischen
Bestimmen eines Schätzwerts
des Magnetflusses entworfen ist, der von der Sekundärwicklung
des Asynchronmotors erzeugt wird.
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Ferner
ist die Starteinheit 5 so entworfen, dass sie einen vorgegebenen
d-Achsen-Stromkomponenten-Sollwert ids* und einen vorgegebenen q-Achsen-Stromkomponenten-Sollwert
iqs* für
und bei dem Startbetrieb des Asynchronmotors ausgibt. Es ist zu
erwähnen,
dass die Ausgangsgröße der Starteinhiet 5 und
diejenige der Stromsollwert-Berechnungseinheit 3 selektiv
wechselseitig zueinander umgeschaltet werden können, und zwar mittels der Umschalteinheit 31.
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Bei
der Umschalteinheit 31 erfolgt die Eingabe der Ausgangsgröße ωr des Umdrehungsgeschwindigkeitsdetektors 13 (zum
Anzeigen der Umdrehungsgeschwindigkeit des Asynchronmotors) und der
Ausgangsgröße der Magnetfluss-Schätzeinheit 21 (zum
Anzeigen des Schätzwertes
für den
Magnetfluss), derart, dass die Eingabe bei dem Stromcontroller 1 zu
der Ausgangsgröße der Stromberechnungseinheit 9 ausgehend
von der Ausgangsgröße der Starteinheit 5 dann
geändert
wird, wenn für
den Schätzwert
des Magnetflusses durch die Magnetfluss-Schätzeinheit 29 bestimmt
wird, dass sie einen vorgegebenen Wert in dem Zustand übersteigt,
in dem die Umdrehungsgeschwindigkeit nicht kleiner als Null (bei
Betätigung
des Asynchronmotors) ist, und bei dem der Drehmomentsollwert τm* nicht
kleiner als ein vorgegebener Wert – diesen mit einbezogen – ist.
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Die
Transformation des u-Phasenstroms ius und des v-Phasenstroms ivs zu den Strömen ids
und iqs jeweils in den Bund q-Achsen-Koordinatensystemen, die gleich
mit dem Rotor des Asynchronmotors rotieren, lässt sich durch die Stromberechnungseinheit 9 gemäss jeweils
der folgenden Ausdrücke
erzielen: ids = (3/2)1/2 ius
cosθ +
((1/2)1/2 ius + 21/2 ivs)sinθ iqs = (1/2)1/2 ius +
21/2 ivs)cosθ – (3/2)1/2 ius
sinθ
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Andererseits
lässt sich
jeweils die Transformation der Spannungssollwerte Vds* und Vqs*
auf entlang der d- und q-Achsen-Koordinaten
in einen u-Phasen-Spannungssollwert Vus*, einen v-Phasen-Spannungssollwert
Vvs* und einen w-Phasen-Spannungssollwert
Vws* durch die Spannungssoll-Berechnungsschaltung 27 in Übereinstimmung jeweils
mit den folgenden Gleichungen wie folgt erzielen: Vus*
= (2/3)1/2(vds*cosθ – Vqs*sinθ) Vvs*
= (1/2)1/2(Vds*sinθ + vqs*cosθ) – (1/6)1/2*(Vds* cosθ – Vqs*sinθ) Vws = –Vus* – Vvs*
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Ferner
lässt sich
die durch die Schlupffrequenz-Berechnungseinheit 11 bestimmte
Schlupffrequenz ωs
allgemein durch den nachfolgenden Ausdruck darstellen: ωs
= (Rr/ϕdr)(M/Lr) iqs
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Hierbei
stellt Rr einen Sekundärwiderstandswert
des Asynchronmotors dar,
Lr stellt einen Sekundär-Induktivitätswert desselben dar,
und ϕdr ist gegeben durch = Mids/(1 + (Lr/Rr)P)
mit
P als Differentialoperator P.
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Demnach
lässt sich
im Gleichgewichtszustand, bei dem die Erregerstromkomponente ids
keine Änderung
erfährt,
die Schlupffrequenz darstellen durch ωs = (Rf/Lr)(iqs/ids)
oder ωs
= (Rr/Lr)(iqs*/ids*).
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Die
Primärfrequenz ω lässt sich
durch wechselseitiges Addieren der oben erwähnten Schlupffrequenz ωs und der
Ausgangsgröße ωr des Geschwindigkeitsdetektors
bestimmen, der zum Detektieren der Umdrehungsgeschwindigkeit des
Asynchronmotors bereitgestellt ist, beispielsweise als Codierer, Drehmelder,
Pulsgenerator, Geschwindigkeitsschätzeinheit oder dergleichen,
und die Addition erfolgt mittels der Addierschaltung 15.
Ferner lässt
sich der elektrische Winkel θ durch
Integrieren der Primärfrequenz ω in der
Integrierschaltung 17 bestimmen.
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Bei
dem gewöhnlichen
Betriebszustand des Asynchronmotors erfolgt eine externe Eingabe
des Drehmomentsollwerts τm*
bei der Stromsollwert-Berechnungseinheit 3, wodurch ein
vorgegebener d-Achsen-Stromkomponenten-Sollwert ids* und ein vorgegebener
q-Achsen-Stromkomponenten-Sollwert iqs* jeweils arithmetisch bestimmt
werden, und zwar mittels der Stromsollwert-Berechnungseinheit 3,
während
Differenzen zwischen den oben erwähnten d-Achsen- und q-Achsen-Stromkomponenten
ids und iqs und jeweils der d-Achsen- und q-Achsen-Stromkomponenten-Sollwerte ids*
und iqs* jeweils durch die erste Subtrahierschaltung 19 und
die zweite Subtrahierschaltung 21 bestimmt werden. Weiterhin
werden unter Regelung (Proportional-plus-I-Regelung) durch die erste
Stromregeleinheit 23 und die zweite Stromregeleinheit 25 die
Spannungssollwerte Vds* und Vqs* jeweils an der d- und q-Achse erzeugt, um
nachfolgend jeweils in Spannungssollwerte Vus*, Vvs* und Vws* der
u-, v- und w-Phasen umgesetzt und ausgegeben zu werden.
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Durch
die oben beschriebene Regelung lässt sich
das durch den Asynchronmotor erzeugte Drehmoment τ wie folgt
ausdrücken: τ =
Pm (M2/Lr)ids·iqs;hierbei stellt Pm
die Zahl der Polpaare dar, M stellt den Erregerinduktionswert dar.
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In
diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass
aufgrund der durch den Maximalstrom der zum Steuern des Stroms eingesetzten
Schaltelemente auferlegten Beschränkung – wie zuvor erwähnt – die Anforderung
dahingehend entsteht, dass der durch (ids2 +
iqs2)1/2 gegebene
Strom in einem begrenzten Bereich festgelegt ist. Demnach müssen dann,
wenn der obere Grenzwert des Stroms durch Imax dargestellt ist,
die Ströme
ids und iqs, die ein maximales Drehmoment gewährleisten können, die folgenden Bedingungen
erfüllen ids = iqs = (1/2)1/2·Imax
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Demnach
ist das maximal verfügbare
Drehmoment gegen durch τmax = (Pm/2)·(M2/Lr)·ImaxNachfolgend erfolgt
unter Bezug auf die 2A bis 2H eine
Beschreibung des durch das Regelgerät gemäss der vorliegenden Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung bei Start des Asynchronmotors durchgeführten Regelbetriebs.
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Die 2A bis 2H zeigen
Signalformdiagramme zum Darstellen der Stromkomponenten, des Magnetflusses,
des Drehmoments, der Umdrehungsgeschwindigkeit, usw., des Asynchronmotors. Insbesondere
zeigt die 2A ein Signalformdiagramm der
Primär-d-Achsen-Stromkomponente
(Erregerstromkomponente des Ständers)
ids, die 2B zeigt ein Signalformdiagramm
der Primär-q-Achsen-Stromkomponente
(Drehmomentstromkomponente des Ständers) iqs, die 2C zeigt
ein Signalformdiagramm der sekundären d-Achsen-Stromkomponente
(Erregerstromkomponente des Rotors) idr, die 2D zeigt
ein Signalformdiagramm des sekundären q-Achsen-Stromkomponente (Drehmomentstrom
des Rotors) iqr, die 2E zeigt ein Signalformdiagramm
zum Darstellen einer synthetisierten Signalform Is der primären d-Achsen-Stromkomponente ids
und der q-Achsen-Stromkomponente iqs der Primärseite, die 2F zeigt
ein Signalformdiagramm zum Darstellen des d-Achsen-Magnetflusses θdr, der
in dem Asynchronmotor erzeugt wird, die 2G zeigt
ein Signalformdiagramm zum Darstellen des durch den Asynchronmotor
erzeugten Drehmoments τ,
und die 2H zeigt ein Signalformdiagramm
zum Darstellen des Umdrehungsgeschwindigkeit ωr des Asynchronmotors.
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Bei
Betriebsstart des Asynchronmotors, d. h. dann wenn die Umdrehungsgeschwindigkeit ωr des Asynchronmotors
größer als
Null wird, während
der Drehmomentwert τm*
nicht kleiner als ein vorgegebener Wert ist und der Schätzwert des
Magnetflusses, der von der Magnetfluss-Schatzeinheit 29 ausgegeben
wird, nicht kleiner als ein vorgegebener Wert ist, erfolgt ein Ändern der
d- und q-Achsen-Stromkomponenten-Sollwerte
ids*, iqs* zu den Ausgangsgrößen der
Starteinheit 5 anstelle derjenigen der Stromsollwert-Berechnungseinheit 3 mittels
der Umschalteinheit 31.
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Insbesondere
werden zu einem Zeitpunkt t = 0.5 Sekunden jeweils der q-Achsen-Stromkomponenten-Sollwert
iqs* = 0 und der d-Achsen-Stromkomponenten-Sollwert ids* gleich
Imax von der Starteinheit 5 ausgegeben, wie jeweils in
den 2A und 2B gezeigt,
wodurch bewirkt wird, dass der Erregerstrom durch den Asynchronmotor
fließt.
Zu diesem Zeitpunkt steigt der d-Achsen-Magnetfluss ϕdr
mit einer Zeitkonstante an, die durch Lr/Rr gegeben ist. Demnach
ist der Magnetfluss ϕdr mehr oder weniger relativ gegenüber dem
d-Achsenstrom ids verzögert.
Nach dem Verstreichen einer ausreichenden Zeit t (die in dem in 2A gezeigten
Fall eine Sekunde ist), wird der d-Achsen-Magnetfluss ϕdr näherungsweise
gleich dem durch ids·M
gegebenen Wert. Hiernach werden die d- und q-Achsen-Stromkomponenten-Sollwerte
ids* und iqs* zu ”0” (Null) und
zu dem Wert Imax festgelegt. Insbesondere fließt ein Drehmomentstrom, dessen
Phase um 90° im
Hinblick auf den elektrischen Winkel relativ zu dem Erregerstrom
voreilt. Das Veringern des d-Achsen-Magnetflusses ϕdr wird
ebenso von einer Zeitverzögerung
begleitet, ähnlich
zu dem oben erläuterten
Anstieg. Hierdurch nehmen aufgrund der Tatsache, dass der Magnetfluss
sich allmählich
dann verringert, wenn die Ströme
wie oben geändert
werden, jeder den q-Achsen-Stromkomponenten-Sollwert
ids* und iqs* (Imax) augenblicklich den maximalen Stromwert (Imax)
an (d. h. ids = Imax und iqs = Imax), wie in 3 gezeigt,
und das zu diesem Zeitpunkt verfügbare
Drehmoment ist gegeben durch τ = Pm·(M2/Lr)·ids·iqs =
Pm·(M2/Lr)·Imax2
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Das
Drehmoment τ nimmt
dann allmählich ausgehend
von dem Maximalwert ab, wie in 2G gezeigt.
Demnach kann das verfügbare
maximale Drehmoment augenblicklich einen Umfang aufweisen, der ungefähr das Doppelte
wie das gewöhnliche maximale
Drehmoment (τmax
= (Pm/2)·(M2/Lr)·Imax2) ist, wie zuvor erwähnt, ohne dass die Anforderung
zum Erhöhen
der Stromkapazität
der Schaltelemente der Umschalteinheit 31 besteht.
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Wie
sich anhand der obigen Beschreibung erkennen lässt, wird gemäss den technischen
Lehren der vorliegenden Erfindung, wie sie in der ersten Ausführungsform
umgesetzt sind, der Erregerstrom anfänglich dem Asynchronmotor zugeführt, und
nach der Erzeugung des Magnetflusses auf einen vorbestimmten Wert,
wird der Erregerstrom auf ein Niveau verringert, bei dem der Magnetfluss
nicht mehr weiter gehalten werden kann, um hierdurch zu ermöglichen, dass
ein entsprechender Anteil des Erregerstroms zusätzlich mit dem Asynchronmotor
als Drehmomentstrom zum Zweck des Erhöhen des Drehmoments für den Startbetrieb
des Asynchronmotors zugeführt
wird. Ferner tritt, sobald der Magnetfluss eingerichtet ist, eine
Dämpfung
des Magnetflusses mit der zuvor erwähnten Zeitkonstante selbst
dann auf, wenn der Erregerstrom verringert ist. Demnach bleibt der
Magnetfluss während
einer Weile fortlaufend wirksam. Demnach ist es möglich, das
Startdrehmoment mit einem großen
Umfang dadurch bereit zu stellen, dass der Drehmomentstrom in dem
Zustand zugeführt
wird, in dem der Remanenz-Magnetfluss bzw. Restmagnetfluss existiert.
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Bei
der vorangehenden Beschreibung wurde angenommen, dass dann, wenn
die Umdrehungsgeschwindigkeit ωr
des Asynchronmotors höher
als Null wird, und zwar bei dem Drehmomentsollwert τm*, der nicht
kleiner als ein vorgegebener Wert ist, während der von der Magnetfluss-Schätzeinheit
ausgegebene Schätzwert
des Magnetflusses größer als
ein vorgegebener Wert – der
diesen umfasst – ist,
die d- und q-Achsen-Stromkomponenten-Sollwerte
ids* und iqs* zu den Ausgangsgrößen der
Starteinheit 5 geändert
werden. Es ist jedoch zu verstehen, dass dann, wenn der Drehmomentsollwert τm* nicht
kleiner als der vorgegebene Wert ist oder wenn der von der Magnetfluss-Schätzeinheit 29 ausgegebene
Schätzwert für den Magnetfluss
nicht kleiner als der vorgegebene Wert ist, die d- und q-Achsen-Stromkomponenten-Sollwerte
ids* und iqs* zu den Ausgangsgrößen der
Starteinheit 5 anstelle derjenigen der Stromsollwert-Berechnungseinheit 3 durch
die Umschalteinheit 31 geändert werden können, sofern
es die Gelegenheit erfordert.
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Eine
zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung richtet sich auf die Regelung des Asynchronmotors
in dem Fall, in dem sich der Magnetfluss aufgrund der magnetischen
Sättigung
selbst in dem Fall nicht erhöht,
in dem der d-Achsenstrom-Sollwert
ids mit einem Umfang von mehr als Imax/21/2 inklusive
dem Asynchronmotor zugeführt wird.
Die Regelprozedur wird nachfolgend unter Bezug auf die 4A bis 4H beschrieben. Übrigens
zeigen die 4A bis 4H jeweils
Signalformen ähnlich
zu den in den 2A bis 2H gezeigten.
Demnach ist eine wiederholte Erörterung
der 4A bis 4H nicht
erforderlich. An erster Stelle wird die d-Achsen-Stromkomponente ids auf einen minimalen
Stromwert festgelegt, bei dem die magnetische Sättigung stattfinden kann (d.
h., die Bedingung erfüllt
wird, dass gilt ids = Imax/21/2), um hierdurch
den Magnetfluss zu erzeugen (vgl. 4A und 4F).
Anschließend
wird die d-Achsen-Stromkomponente
ids zu Null (d. h., ids = 0)(vgl. 4A) zurückgesetzt,
während
die q-Achsen-Stromkomponente iqs zu dem Maximalwert festgelegt wird
(d. h., iqs = Imax), wie in 4B gezeigt.
Dann verringert sich der Magnetfluss (vgl. 4F) allmählich ausgehend
von dem Magnetflussniveau gemäss
der d-Achsen-Stromkomponente ids (= Imax/21/2),
und als Ergebnis hiervon verringert sich das Drehmoment τ (vgl. 4G)
allmählich
ausgehend von dem in Übereinstimmung
mit τ =
Pm/21/2·(M2/Lr)·Imax2 bestimmten Wert.
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Hierdurch
lässt sich
ein Drehmoment mit der Größe erzeugen,
die maximal das 21/2-fache im Vergleich
zu dem Fall beträgt,
bei dem die d-Achsen-Stromkomponente ids mit konstantem Niveau fortlaufend
dem Asynchronmotor zugeführt
wird.
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Im
Fall der Regelung des Asynchronmotors, die im Zusammenhang mit der
ersten und zweiten Ausführungsform
der Erfindung beschrieben ist, wird ein Ändern der d-Achsen-Stromkomponente
ids zu dem Wert von Null, ausgehend von einem vorgegebenen Wert
bewirkt. Im Gegensatz hierzu betrifft eine dritte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eine derartige Regelung des Asynchronmotors,
bei der die d-Achsen-Stromkomponente
ids sich von einem vorgegebenen Wert zu einem kleineren Wert ändert, z.
B. einer Hälfte
des vorgegebenen Werts. Die 5A bis 5H zeigen
Signalformdiagramme zum Darstellen des Regelbetriebs des Asynchronmotors
gemäss
der momentanen Ausführungsform der
Erfindung. Da die 5A bis 5H jeweils ähnlich zu
den 2A bis 2H sind,
ist eine wiederholte Beschreibung der erstgenannten nicht erforderlich.
Lediglich beispielhaft sei angenommen, dass im Rahmen eines Beispiels
der Magnetfluss dadurch erzeugt wird, dass die ersten d-Achsen-Stromkomponente
ids zu einem Wert von Imax/21/2 festgelegt
ist (d. h., iqs = Imax/21/2), wie in 5A gezeigt.
In Folge wird die d-Achsen-Stromkomponente ids zu einem Wert festgelegt,
der durch Imax/2(2)1/2 gegeben ist (d. h.,
ids = Imax/2(2)1/2), wie in 5A gezeigt,
wohingehend die q-Achsen-Stromkomponente iqs zu einem Wert festgelegt
ist, der durch Imax(1 – (1/2(2)1/2)2)1/2 =
Imax(0.875)1/2 gegeben ist (vgl. 5B).
Dann verringert sich der Magnetflusses allmählich von dem Niveau äquivalent
zu der d-Achsen-Stromkomponente ids = Imax/21/2,
wie in 5F gezeigt. Demnach ist das
durch den Asynchronmotor erzeugte Drehmoment τ (vgl. 5G) durch
den folgenden Ausdruck gegeben: τ = ((0.875)1/2/21/2)·(PmN2/Lr)·Imax2
= 0.661·(PinN2/Lr)·Imax2
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Demnach
lässt sich
das Drehmoment erhalten, das maximal ungefähr 1.3 mal so groß wie das bei
dem kontinuierlichen Betriebszustand erzeugte Drehmoment ist, während die
Zeitdauer, während
der sich der Magnetfluss halten lässt, erweitern lässt, da sich
der Magnetfluss zu dem Niveau äquivalent
zu der d-Achsen-Stromkomponente ids = Imax/2(2)1/2 ausgehend
von dem Wert äquivalent
zu der d-Achsen-Stromkomponente
ids = Imax/21/2, was wiederum bedeutet,
dass sich das Drehmoment lediglich langsam verringern kann.
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Auf
diese Weise lässt
sich durch Verringern des d-Achsen-Stromkomponenten-Sollwerts zu einem
vorgegebenen, nachdem die d-Achsen-Stromkomponente im wesentlichen
gleich dem d-Achsen-Stromkomponenten-Sollwert
wird, die Zeitdauer des Magnetflusses während dem Start des Asynchronmotors
in Zuordnung zu dem oben erwähnten vorgegebenen
Wert erweitern, wodurch sich das Verringern des Drehmoments entsprechend
verzögern lässt.
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Für den üblichen
Fachmann in diesem technischen Gebiet ist einfach zu verstehen,
dass sich die vorliegende Erfindung als in Form von Regelverfahren
implementieren lässt,
die durch Rückgriff
auf einem Mikroprozessor oder durch einen Mikroprozessor ausgeführt werden
können.
Demnach ist auch das Aufzeichnungsmedium, das das Asynchronmotor-Regelverfahren
gemäss
der vorliegenden Erfindung speichert, als von dem Zweck der vorliegenden Erfindung
umfasst anzusehen.