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DE10123414A1 - Festschrittsteuerungsverfahren einer Statischen Synchronmaschine - Google Patents

Festschrittsteuerungsverfahren einer Statischen Synchronmaschine

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DE10123414A1
DE10123414A1 DE10123414A DE10123414A DE10123414A1 DE 10123414 A1 DE10123414 A1 DE 10123414A1 DE 10123414 A DE10123414 A DE 10123414A DE 10123414 A DE10123414 A DE 10123414A DE 10123414 A1 DE10123414 A1 DE 10123414A1
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DE
Germany
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voltage
phase
synchronous machine
converter
static
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DE10123414A
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Baohua Yu
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Abstract

Bei dieser Erfindung handelt es sich um die Energiewandlung zwischen Gleichspannungsquelle und sinusförmiger Dreiphasenspannungsquelle mit einer festen Netzfrequenz. Zwischen den beiden Quellen wird ein dreiphasiger Stromrichter geschaltet, der Stromrichter wird dabei mittels der Raumzeigermodulation kontrolliert. Der Phasenwinkel und die Amplitude der Stromrichterspannung können variabel eingestellt werden, solche Stromrichter nennt man statische Synchronmaschine, da sie dem Netz sowohl induktive als auch kapazitive Sinusströme entnehmen oder zuliefern können. Durch Einsatz des sogenannten Festschrittsteuerungsverfahrens wird der Wandlungsvorgang stark vereinfacht.

Description

Bei dieser Erfindung handelt es sich um die Energiewandlung zwischen Gleichspannungs­ quelle und sinusförmigen Dreiphasenspannungensquelle mit einer festen Netzfrequenz. Zwi­ schen den beiden Quellen wird ein dreiphasiger Stromrichter geschaltet, der Stromrichter wird dabei mittels der Raumzeigermodulation kontrolliert. Der Phasenwinkel und die Am­ plitude der Stromrichterspannung können variabel eingestellt werden, solche Stromrichter nennt man statische Synchronmaschine, da sie dem Netz sowohl induktive als auch kapazitive Sinusströme entnehmen oder zuliefern können. Durch Einsatz des sogenannten Festschritt­ steurungsverfahrens wird der Wandlungsvorgang stark vereinfacht.
Für die folgende Beschreibung wird vorausgesetzt, daß die Netzfrequenz der sinusförmigen Dreiphasenspannungsquelle konstant bleibt.
Beschreibung
Durch den Einsatz der Raumzeigermodulation wird das Verfahren vereinfacht, so daß aus einer Gleichspannung am Eingang eines dreiphasigen Umrichters Drehspannung und -strom am Ausgang erzeugt wird. Hier wird die dreiphasige Ausgangsspannung Stromrichterspan­ nung genannt; deren Phasenwinkel und Amplitude können variabel eingestellt werden.
Wenn ein solcher dreiphasiger Stromrichter zwischen einem dreiphasigen Netz und einer Gleichspannungsquelle eingeschaltet wird, verhält sich der dreiphasige Stromrichter wie eine Synchronmaschine.
Nehmen wir an:
Stromrichterspannung um wird in Raumzeigerform dargestellt als:
um = Umejγm
γm: Phasenwinkel der Stromrichterspannung
Um: Amplitude der Stromrichterspannung;
Dreiphasige Netzspannung un in Raumzeigerform kann wie folgt beschrieben werden:
un = Unejγ,
γ: Phasenwinkel der Netzspannung
Un: Amplitude der Netzspannung.
Es gilt außerdem folgende Beziehung:
γm = γ + θ (1)
θ: Winkel zwischen der Netzspannung und der Stromrichterspannung.
Wenn in (in Raumzeigerform) den dreiphasigen Netzstrom und R + jωL = R + jX die Netzim­ pendenz darstellt, ergibt sich für einen solchen dreiphasigen Stromrichter ein äquivalentes Zeigerdiagramm (siehe Bild 1), wie bei einer Synchronmaschine in einem Drehspannungs­ netz.:
Aus dem Zeigerdiagramm ist nachfolgendes zu erkennen:
  • 1. un = um + (R + jωL).in.
    Da un, um sinusförmig und R, L lineare Parameter sind, ist der Verlauf von in automa­ tisch auch sinusförmig. Das bedeutet; setzt man einen solchen Stromrichter als drei­ phasigen netzfreundlichen Stromrichter ein, so ist die Vorgabe des sinusförmigen Stromsollwerts überflüssig geworden. Die Erfassung des sinusförmigen Istwertes und der Vergleich mit dem sinusförmigen Sollwert entfallen damit auch automatisch.
  • 2. Durch Einstellung des Winkels θ und der Amplitude Um kann das Betriebsverhalten des Stromrichters wie eine Synchronmaschine in drei verschiedene Betriebsarten ein­ gestellt werden:
    θ < 0 Motorbetrieb;
    θ < 0 Generatorbetrieb;
    θ = 0 Kompensatorbetrieb.
    Diese Eigenschaft entspricht einer Synchronmaschine. Je nach der Betriebsart des Stromrichters können Energie in beiden Richtungen zwischen den beiden Quellen ab­ gegeben und aufgenommen werden. Deshalb wird dieser Stromrichter, welcher mittels der Raumzeigermodulation kontrolliert wird, als Statische Synchronmaschine be­ zeichnet.
Es ist außerdem bekannt (siehe Gerkeler M. W. Raumzeigermodulation bei Frequenzum­ richtern. Antriebstechnik 27(1988) H.4, 9.39-42):
Umejγm = λkZk + λk+1Zk+1 + λ0Z0 (2)
λk: Verhältnis der Einschaltzeitdauer Tk des Zustandes Zk bezogen auf die Pulspe­ riodendauer T
λk+1: Verhältnis der Einschaltzeitdauer Tk+1 des Zustandes Zk+1 bezogen auf die Pul­ speriodendauer T
λ0: Verhältnis der Einschaltzeitdauer T0 des Zustandes Z0 bezogen auf die Pulspe­ riodendauer T.
Es ergibt sich folgende Beziehung:
λk + λk+1 + λ0 = 1 (3)
λk und λk+1 sind trigonometrische Funktionen in Abhängigkeit von γm, γk, γk+1, Un und Um.
γk bzw γk+1 sind die jeweiligen Raumwinkel des Zustandes Zk bzw. Zk+1.
Wenn man die Stromrichterspannung nach der trigonometrischen Formel (2), (3) im realen Betrieb berechnen will, ist der Berechnungsalgorithmus in der Praxis kaum umsetzbar. Um diese Hürde zu überwinden, wird in dieser Erfindung das sogenannte Festschrittsteuerungs­ verfahren eingeführt. Aus Gerkeler M. W. Raumzeigermodulation bei Frequenzumrichtern. Antriebstechnik 27 (1988) H.4, 9.39-42 ist es zu erkennen, daß die 6 Zustandszonen nur um π/3 (60 Grad) gegeneinander verschoben sind. Teilt man die Zustandszone gleichmäßig in P Teile:
γm = γ1 = 0,
γm = γ2 = π/3/p,
γm = γ3 = 2.π/3/p,
γm = γ4 = 3.π/3/p,
. . .
γm = γp = (p-1).π/3/p,
und hält sich der Raumzeiger Umejγm nur in solchen Punkten auf, wird der Raumzeiger Umejγm dann in den 6 Zustandszonen diese Schritte nur sechs mal wiederholen. (siehe Bild 2, hier ist P = 4.). Bei einer festen Netzfrequenz ist nicht nur jeder Schritt in Winkelanzahl sondern auch im Zeitabstand konstant. Es ist deshalb möglich, vorher mit festen Winkeln γm = γ1, γ2, γ3, γ4 . . . γp zu berechnen, und die Werte in einer Tabelle abzuspeichern. Da jeder Schritt vorher festgelegt wird, wird solches Verfahren deshalb als Festschrittsteuerungsverfahren be­ zeichnet.
Da der Zeitfehler durch das Festschrittsteuerungsverfahren immer fortlaufend integriert wird, wird die im Bild 3 dargestellte Struktur eingeführt, um die Zeitfehler zu beseitigen. Hier wird eine Abtastregelung benutzt. Die Abtastzeit beträgt 20 ms; ist also synchron mit der Netzperiode. Aus dem Zeigerdiagramm ist zu erkennen, daß der Winkel θ den Betriebszu­ stand des Stromrichters darstellt. Deshalb wird der Winkel θ als Ausgangsparameter des Gleichspannungsreglers und gleichzeitig als Kompensator des integrierten Zeitfehlers ausge­ wählt. Der Gleichspannungsregler stellt einen neuen Winkel θ in jeder Periode ein, damit der integrierte Zeitfehler rechtzeitig im neuen Winkel θ kompensiert wird. Will man zusätzlich die Amplitude einstellen, muß man noch einen zusätzlichen Regler vor dem Gleichspan­ nungsregler anordnen.
Bild 4 und 5 zeigen das Testergebnis, welches unter folgenden Bedingungen durchgeführt wurde:
Stromrichter mit einer Taktfrequenz von ca. 5000 Hz,
Als Rechner diente ein selbstgebauter 68000 Ein-Karte-Rechner mit einer Taktfre­ quenz von 10 MHz; der Speicher beträgt insgesamt 16 k Byte.
Anwendungsgebiet
Die Erfindung wird dort eingesetzt, wo eine Umwandlung zwischen Dreiphasenspannungs- und Gleichspannungsquelle benötigt wird, z. B.:
  • 1. Dreiphasiger netzfreundlicher Stromrichter;
  • 2. Leistungsfaktorkompensator;
  • 3. Umwandeln einer Gleichspannung, z. B. bei Solargeneratoren und Zellengeneratoren in eine sinusförmige Dreiphasenspannung, usw.

Claims (4)

1. Statische Synchronmaschine, die zur Wandlung zwischen Gleichspannung und sinusför­ migen Dreiphasen Spannung mit fester Netzrequenz benutzt wird, ist ein mit Raumzei­ germodulation kontrollierter Dreiphasenstromrichter dadurch gekennzeichnet, daß das Festschrittsteuerungsverfahren eingesetzt wird, damit eine Statische Synchronmaschi­ ne mit sehr geringem Softwareaufwand realisiert wird.
2. Statische Synchronmaschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Fehler der integrierten Zeit mit dem Strukturbild (siehe Bild 3) kompensiert wird.
3. Statische Synchronmaschine nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude und der Phasenwinkel θ der Stromrichterspannung variabel verstellbar sind, damit eine Statische Synchronmaschine in Motor- oder in Generatormodus betrieben werden, und Blindleistung aufnehmen oder abgeben kann.
4. Statische Synchronmaschine nach Anspruch 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, daß eine- Statische Synchronmaschine bei der Umwandlung zwischen Gleichspannung und Drei­ phasenspannung automatisch sinusförmige Ströme erzeugen kann.
DE10123414A 2001-05-14 2001-05-14 Festschrittsteuerungsverfahren einer Statischen Synchronmaschine Withdrawn DE10123414A1 (de)

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