DE1221714B

DE1221714B - Method for controlling or regulating the speed of a three-phase machine operated in both directions of rotation

Info

Publication number: DE1221714B
Application number: DES78141A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Manfred Meyer
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1962-02-21
Filing date: 1962-02-21
Publication date: 1966-07-28
Also published as: DE1221714C2

Description

Verfahren zur Steuerung oder Regelung der Drehzahl einer in beiden Drehrichtungen betriebenen Drehstrommaschine Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung der Drehzahl einer in beiden Drehrichtungen betriebenen Drehstrommaschine, insbesondere einer Drehstromasynchronmaschine, die über einen Umrichter mit mindestens einem Ventilsystem in jeder Zuleitung und mit elektronischen Steuereinrichtungen für getrennte Aussteuerung der Ventile und mit Einrichtungen zur Strom- oder Spannungsregelung an ein Drehstromnetz angeschlossen ist, und bei dem der Maschine durch unterschiedliche Aussteuerung der Ventile Ströme oder Spannungen veränderbarer Größe, veränderbarer Frequenz und umkehrbarer Phasenfolge vorgegeben werden.Method of controlling or regulating the speed of one in both Three-phase machine operated in the directions of rotation The invention relates to a method for controlling or regulating the speed of one operated in both directions of rotation Three-phase machine, in particular a three-phase asynchronous machine, which has a Inverter with at least one valve system in each supply line and with electronic Control devices for separate control of the valves and with devices is connected to a three-phase network for current or voltage regulation, and at that of the machine through different control of the valves currents or voltages variable size, variable frequency and reversible phase sequence specified will.

Es ist bekannt, die Drehzahl einer Drehstrbmasynchronmaschine mit Kurzschlußläufer dadurch zu steuern, daß sie an Speiseleitungen mit veränderbarer Spannung und veränderbarer Frequenz angeschlossen wird. Zu diesem Zweck kann beispielsweise ein Maschinenumformersatz verwendet werden: Antriebe dieser Art haben jedoch den Nachteil, daß das von der Maschine abgegebene Drehmoment von der Frequenz abhängig ist, so daß bei Frequenz Null kein Drehmoment abgegeben werden kann. Die Drehzahl einer Asynchronmaschine mit Kurzschlußläufer läßt sich in gewissen Grenzen mit Hilfe von steuerbaren Stromrichterventilen oder Transduktoren durch eine Spannungsanschnittsteuerung steuern. Ein Nachteil dieser Spannungssteuerung ist in den höhen Verlusten zu sehen, die sie, insbesondere bei kleinen Drehzahlen, zur Folge hat. Für größere Antriebe, bei denen es auf einen guten Wirkungsgrad ankommt, ist eine derartige Drehzahlsteuerung unbrauchbar.It is known to use the speed of a three-phase synchronous machine To control squirrel cage by connecting them to feed lines with changeable Voltage and variable frequency is connected. For this purpose, for example a machine converter set can be used: however, drives of this type have the Disadvantage that the torque delivered by the machine depends on the frequency is, so that no torque can be delivered at zero frequency. The speed an asynchronous machine with squirrel cage rotor can be used within certain limits of controllable converter valves or transducers through voltage control steer. A disadvantage of this voltage control can be seen in the high losses, which it has, especially at low speeds. For larger drives, where a good efficiency is important, is such a speed control unusable.

Diese Nachteile können erfindungsgemäß dadurch weitgehend vermieden werden, daß zwei Steuersignale, die zwei verschiedenen Betriebsgrößen der Maschine zugeordnet sind, in ein gemeinsames Steuersignal periodisch wechselnder Größe, dessen Frequenz der einen Betriebsgröße und dessen Amplitude der anderen Betriebsgröße proportional ist, umgefortnt und den Strom- oder Spannungsregeleinrichtungen als Sollwert vorgegeben werden. Diese Steuersignale können aus Impulsen oder aus einer sinusförmigen Wechselgröße bestehen.According to the invention, these disadvantages can thereby largely be avoided be that two control signals, the two different operating variables of the machine are assigned, in a common control signal of periodically changing size, whose Frequency of one farm size and its amplitude for the other farm size is proportional, umgefortnt and the current or voltage regulating devices as Setpoint can be specified. These control signals can consist of pulses or from a sinusoidal alternating quantity exist.

Die Steuersignale, von denen zweckmäßig je eines einem Ventilsystem zugeordnet ist, können vorzugsweise gegeneinander derart phasenverschoben sein, daß ihre zeitliche Staffelung ein oberschwingungsfreies, symmetrisches Drehsystem ergibt. Nach diesem Verfahren kann die Drehzahl einer Drehstromasynchronmaschine mit Kurzschlußläüfer oder einer Drehstromsynchronmaschine stufenweise oder stetig gesteuert oder geregelt werden. Das Verfahren ermöglicht symmetrische und im wesentlichen unter-und oberschwingungsfreie Ströme und eine verlustarme Steuerung oder Regelung.The control signals, one of which is expediently a valve system assigned, can preferably be phase-shifted with respect to one another in such a way that that their temporal staggering results in a harmonic-free, symmetrical rotation system results. According to this method, the speed of a three-phase asynchronous machine with squirrel cage fan or a three-phase synchronous machine, stepwise or continuously controlled or regulated. The method allows symmetrical and essentially Undercurrent and harmonic-free currents and low-loss control or regulation.

Als Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung zwei Umrichterantriebe dargestellt.The drawing shows two exemplary embodiments of the invention Inverter drives shown.

F i g. 1 zeigt eine Drehstrommaschine mit einem Umrichter mit drei im- Dreieck geschalteten sechspulsigen Mittelpunktschaltungen; in F i g. 2 ist eine Drehstrommaschine mit einem Umrichter mit je zwei gegenparallelgeschalteten Drehstrombrücken in jeder Zuleitung dargestellt; in F i g. 3 sind die Signale einer Steuereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens in einem Diagramm veranschaulicht.F i g. 1 shows a three-phase machine with a converter with three six-pulse midpoint circuits connected in a triangle; in Fig. 2 is a Three-phase machine with a converter with two three-phase bridges connected in opposition in parallel shown in each lead; in Fig. 3 are the signals of a control device for performing the method illustrated in a diagram.

In F i g. 1 ist eine Drehstrommaschine 10 über einen Umrichter mit gesteuerten Ventilen 13 bis 30 gespeist, von denen die Ventile 13 bis 18, die Ventile 19 bis 24 und die Ventile 25 bis 30 je einem Wicklungsstrang der Maschine 10. zugeordnet und in Doppelstern geschaltet sind. Die Ventile 13 bis 30 können beispielsweise Quecksilberdampfventile oder Thyristoren sein. Die Doppelsternschaltungen sind über getrennte Transformatorsekundärwicklungen 32, 34, 36 und getrennte Transformatorprimärwicklungen 33, 35, 37 an ein Drehstromnetz mit den Netzleitern R, S, T angeschlossen. Die Regeleinrichtung der Drehstrommaschine besteht aus einem Sollwertgeber 2, einem Frequenzgeber 3, einem Spannungsregler 4 und einem Steuergerät 5, dem drei Stromregler 6 nachgeschaltet sind, von denen je einer dem Ventilsystem eines Wicklungsstranges der Maschine 10 zugeordnet ist. Jedem der Stromregler 6 ist einer der Steuersätze 7 nachgeschaltet. Im Sollwertgeber 2 kann eine Frequenz und ein Ümlaufsinn des Drehfeldes eingestellt werden. Der Sollwertgeber 2 gibt ein der gewählten Frequenz entsprechendes Signal an den Frequenzgebet 3 und einen Spaimungssollwert an den Spannungsregler 4, dem als Spannungsistwert die über Spannungswandler 11 abgenommene, geglättete und gleichgerichtete Klemmenspannung der Maschine 10 zugeführt wird. Der vom SollWettgeber 2 dem Spannungsregler 4 vorgegebene Spannungssollwert kann zweckmäßig so abgestuft sein, daß der Leerlaufstrom der Asynchtonmaschine unabhäügig von der gewählten Frequenz konstant bleibt. Der Spannungsregler 4, welcher vorzugsweise aus einem elektronischen Verstärker mit symmetrischem Ausgang bestehen kann, gibt über seine Ausgangsleitung ein Signal als Sollwert für die Größe, insbesondere die Amplitude, des Maschinenstromes auf den Eingang des Steuergerätes 5. Im Steuergerät 5 wird das Eingangssignal für die vorgegebene Größe des Stromes zusammen mit dem Eingangssignal für die vorgegebene Frequenz in öin-gemeinsames Signal umgefdrmt und in Steuersignale aufgeteilt, die über drei Ausgangsleitungen den Stromreglern 6 zugeführt werden. Das Signal für die Größe des Stromes kann zu.diesem Zweck im Takte- der vorgegebenen Frequenz auf die Ausgangsleitungen aufgeteilt werden. Die Steuersignale bestehen dann aus Impulsen, deren Frequenz die Vrerjüenz des-Mäschinenstromes,und deren Amplitude die Größe der Strangströme der Maschine bestimmen. Sie sind auf den drei Ausgangsleitungen des Steuergerätes 5 zeitlich so gegeneinander versetzt, dläß @ sie zusammen ein Drehsystem bilden. Jedem Ventilsystem ist einer der Stromregler 6 zugeordnet, denen der zugehörige Phasenstrom von einem der Stromwandler 12 als, Stromistwert zugeführt wird: Die Impulse der Regelsignale und. damit die.jedem der Stromregler vorgegebenen Sollwerte sind jeweils 120° elektrisch -gegeneinander versetzt; Es hat sich erwiesen;- daß mit einer derartigen Steuervorrichtung mit untergelagerter Stromregelung die Strangströme der Maschine sich weitgehend symmetrisch und unterschwingungsfrei ausbilden.In Fig. 1, a three-phase machine 10 is fed via a converter with controlled valves 13 to 30, of which the valves 13 to 18, the valves 19 to 24 and the valves 25 to 30 are each assigned to a winding phase of the machine 10 and connected in double star. The valves 13 to 30 can be, for example, mercury vapor valves or thyristors. The double star circuits are connected to a three-phase network with the mains conductors R, S, T via separate transformer secondary windings 32, 34, 36 and separate transformer primary windings 33, 35, 37. The control device of the three-phase machine consists of a setpoint generator 2, a frequency generator 3, a voltage regulator 4 and a control unit 5, which is followed by three current regulators 6, one of which is assigned to the valve system of a winding section of the machine 10 . One of the control sets 7 is connected downstream of each of the current regulators 6. A frequency and a direction of flow of the rotating field can be set in the setpoint generator 2. The setpoint generator 2 outputs a corresponding one of the selected frequency signal to the frequency prayer 3 and a Spaimungssollwert to the voltage regulator 4, which is supplied as a voltage value through the voltage converter 11 detached, and smoothed rectified terminal voltage of the machine 10th The voltage setpoint given by the setpoint bet generator 2 to the voltage regulator 4 can expediently be graded so that the no-load current of the asynchronous-sounding machine remains constant regardless of the selected frequency. The voltage regulator 4, which can preferably consist of an electronic amplifier with a symmetrical output, sends a signal as a setpoint value for the size, in particular the amplitude, of the machine current to the input of the control unit 5 via its output line The magnitude of the current together with the input signal for the specified frequency is converted into a common signal and divided into control signals which are fed to the current regulators 6 via three output lines. For this purpose, the signal for the magnitude of the current can be distributed to the output lines at the specified frequency. The control signals then consist of pulses, the frequency of which determines the variance of the machine current and the amplitude of which determines the magnitude of the line currents in the machine. They are offset from one another in time on the three output lines of the control unit 5 in such a way that they together form a rotating system. One of the current regulators 6 is assigned to each valve system, to which the associated phase current is fed from one of the current transformers 12 as an actual current value: the pulses of the control signals and. so that the setpoints given to each of the current regulators are each 120 ° electrically offset from one another; It has been shown that with such a control device with subordinate current regulation the phase currents of the machine are largely symmetrical and free of undershoots.

Nach F i g. 2 sind die Primärwicklungen 4142,"43 einer Drehstrommaschine 40 über je einen der Stromrichter 44, 45, 46 und je einen der Transformatoren 47, 48, 49 an ein Drehstromnetz mit den Netzleitern R, S, T'angeschlossen.. Die Stromrichter und die zugehörigen Transformatoren sind der Einfachheit halber einpolig dargestellt. Die Stromrichter 44 bis 46 haben den gleichen Aufbau und bestehen aus. je einer gegenparallelgeschalteten Drehstrombrücks mit .steuerbaren Ventilen 50 bis 53: Die Steuer= und Regeleinrichtung .der Anordnung besteht aus einem Drehzahlrichter 63, dem über eine Klemme 60 und einen Verstärker 62 ein Drehzahlsollwert und von einer Tachomaschine 58, die mit der Drehstrommaschine 40 gekuppelt ist; ein Drehzahlistwert vorgegeben werden kann. Tier Ausgang des Drehzahlreglers 63 ist mit einem Eingang eines Steuergerätes 65 verbunden; dessen zweitem Eingang ein Flußregler 64 vorgeschaltet ist, dem .über eine Klemme 61 -ein Luftspaltfluß-Sollwert und von einer Flußmeßeinrichtung 59 der Istwert des Luftspaltflusses vorgegeben werden kann. Der Flußsollwert kann für alle Betriebszustände konstant und deshalb dem Flußregler 64 fest vorgegeben sein. Der Luftspaltfluß der Ma= schirre kann beispielsweise mittels Hallsonden ge- messen werden, wobei zweckmäßig der Amplitudenwert erfaßt wird. Es kann dann der magnetische Fluß durch jeden Zahn innerhalb einer Polteilung gemessen und der Betrag des Maximalwertes als Flußistwert weitergeleitet werden. Das vom Flußregler 64 dem Steuergerät 65 vorgegebene Eingangssignal wird zusammen. mit dem vom Drehzahlregler 63 vorgegebenen Signal in ein gemeinsames Steuersignal wechselnder Größe umgeformt, dessen Atnplitude vom Ausgangswert des Flußreglers 64 und dessen Frequenz vom Ausgangswert des Drehzahlreglers 61 bestinimt wird. Dieses Signal wird in Steuersignale aufgeteilt, die über je eine getrennte Ausgangsleitung den Stromreglern 66 als Sollwert vorgegeben werden. Somit kann der magnetische Luftspaltfluß der Maschine 40 mit Hilfe der Größe der Strangströme und die Drehzahl der Maschine 40 mit Hilfe der Frequenz der Strangströme geregelt werden. Die Amplitude der Steuersignale kann vorzugsweise so vorgegeben, sein, daß der Betrag des Luftspaltflusses konstant gehalten wird. Dann bleibt unabhängig, von der. Frequenz das Kippmoment der Maschine- ,konstant: Die Steuersignale ääU den drei Ausgangsleitungen des Steuergerätes 65 sind äeitlieli so gegenginander versetzt, daß sie ein oberschrvingungsfreies, symmetrisches Drehsystem ergeben. Die Steuersignale werden ferner dem Eingang -einer Komm mandostufe 67.. für. eine kreisstromfreie Schaltung vorgegeben., Die Kommandostufen 67, die vorteilhaft aus elektroniechen Schaltelementen nach .den Jogisehen Fu",nkrionen, sogenannten Gattern,., aufgebaut sein können, geben.. jeweils die Zündimpulse für ein Ventilsystem, das Strom führen soll, frei, wenn ii dem gegenparallel geschalteten System der -Strom wenigstens annähernd Null geworden ist.According to FIG. 2, the primary windings 4142, ″ 43 of a three-phase machine 40 are connected via one of the converters 44, 45, 46 and one of the transformers 47, 48, 49 to a three-phase network with the mains conductors R, S, T ' The associated transformers are shown single-pole for the sake of simplicity. The converters 44 to 46 have the same structure and consist of a three-phase bridge connected in counter-parallel with controllable valves 50 to 53: The control and regulating device of the arrangement consists of a speed converter 63, which a terminal 60 and an amplifier 62 a speed setpoint and from a tachometer machine 58, which is coupled to the three-phase machine 40 ; an actual speed value can be specified. Tier output of the speed controller 63 is connected to one input of a control unit 65; the second input of which is preceded by a flux controller 64 is, the. Via a terminal 61 -an air gap flow setpoint and from a flow measuring device 59 of the The actual value of the air gap flow can be specified. The desired flux value can be constant for all operating states and therefore fixedly predefined for the flux regulator 64. The air gap flux of the Ma = schirre can for example be measured by means of overall Hall probes, wherein suitably the amplitude value is detected. The magnetic flux through each tooth can then be measured within one pole pitch and the amount of the maximum value can be passed on as an actual flux value. The input signal given by the flow regulator 64 to the control unit 65 is combined. with the signal given by the speed controller 63 is converted into a common control signal of varying magnitude, the amplitude of which is determined by the output value of the flux controller 64 and the frequency of which is determined by the output value of the speed controller 61. This signal is divided into control signals, which are given to the current regulators 66 as a setpoint value via a separate output line. Thus, the magnetic air gap flux of the machine 40 can be regulated with the aid of the size of the strand currents and the speed of the machine 40 with the aid of the frequency of the strand currents. The amplitude of the control signals can preferably be predetermined in such a way that the amount of the air gap flow is kept constant. Then remains independent of the. Frequency the overturning moment of the machine, constant: the control signals aäU the three output lines of the control unit 65 are offset against each other in such a way that they result in a symmetrical rotation system free of overshoots. The control signals are also the input -a command stage 67 .. for. a circuit-free circuit is specified., The command stages 67, which can advantageously be built up from electronic switching elements according to "the Jogisehen Fu", nkrionen, so-called gates,. if ii the system connected in counter-parallel the current has become at least approximately zero.

Dem Eingang der Stromregler 66 sowie der Kommandostufen 67 wird ferner von je einem der Strom= Wandler 70 und 71 der Stromistwert der betreffenden Zuleitung zugeführt. Die Ausgangssignale der Strom= regier 66 und der Kommandostufen 6'7 bilden die Eingangssignale .der Steuersätze 68 und 69, welche die erforderlichen Zündimpulse -für die Gitter der Ventile 50 bis 53 bzw, bei Verwendung von Halb= Leiterventilen für die Zündelektroden der Halbleiterventile liefern. .The input of the current regulator 66 as well as of the command stages 67 is also supplied with the actual current value of the relevant supply line from one of the current converters 70 and 71. The output signals of the current = regier 66 and the command levels 6'7 form the input signals of the control sets 68 and 69, which supply the necessary ignition pulses -for the grids of the valves 50 to 53 or, if half-ladder valves are used, for the ignition electrodes of the semiconductor valves . .

In F ig: 3 sind die Eingangs- und Ausgangssignale des in F i g. Z dargestellten Steuergerätes 65, das vorteilhaft aus kontaktlosen elektronischen .Schaltelementen nach .den logischen Funktionen aufgebaut sein kann; in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Das vom Flußregler 64 vorgegebene Eingangssignal i für die Größe .des Stromsollwertes soll beispielsweise zur Zeit t, vermindert werden. Dementsprechend wird die Amplitude der Steuersignale i, bis i3 auf den drei Ausgangsleitungen kleiner. Zur Zeit t2 wechselt das vom Drehzahlregler 63 vorgegebene Eingangssignal f für die Frequenz des Stromsollwertes sein Vorzeichen und wird .dem Betrage nach größer. Dementsprechend ändert sich .die Phasenfolge der Steuersignale auf den Ausgangsleitungen so, daß sich ein Dreh#eld mit umgekehrter Drehrichtung ergibt. Gleichzeitig wird die Frequenz der Steuersignale erhöht.In Fig. 3 are the input and output signals of the in Fig. 3. Z illustrated control unit 65, which advantageously consists of contactless electronic .Switching elements can be constructed according to .the logical functions; dependent on represented by time. The input signal i given by the flow controller 64 for the size of the current setpoint should be reduced, for example, at time t. The amplitude of the control signals i, to i3 on the three output lines is correspondingly smaller. At time t2, the input signal specified by the speed controller 63 changes f has its sign for the frequency of the current setpoint and will depend on the amount greater. The phase sequence of the control signals on the output lines changes accordingly so that there is a rotation with the opposite direction of rotation. At the same time will the frequency of the control signals increased.

Das Verfahren wurde im Ausführungsbeispiel für die Drehzahlregelung einer Drehstromasynchronmaschine beschrieb-en. Es kann aber in gleicher Weise auch zur Drehzahlsteuerung oder -regelung einer Drehstromsynchronmaschine angewendet werden, und zwar sowohl für motorischen als auch für generatorischen Betrieb.In the exemplary embodiment, the method was used for speed control a three-phase asynchronous machine. But it can also do the same used for speed control or regulation of a three-phase synchronous machine for both motor and generator operation.

Neben der beschriebenen Regelung auf konstantes Luftspaltfeld ist auch eine Regelung im Feldschwäch- Bereich möglich, indem beispielsweise oberhalb einer vorbestimmten Drehzahl der Luftspaltfluß vermindert wird.In addition to the regulation described, there is a constant air gap field also a control in the field weakening Area possible by, for example the air gap flow is reduced above a predetermined speed.

In den Ausführungsbeispielen ist die Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung mit Regeleinrichtungen für die Ströme der Maschine beschrieben. Die Erfindung kann aber auch mit Regeleinrichtungen für die Spannungen der Maschine angewendet werden, wobei in F i g. 2 an die Stelle der Stromregler Spannungsregler zu setzen sind.In the exemplary embodiments, the method is carried out according to of the invention described with control devices for the currents of the machine. the However, the invention can also be used with regulating devices for the voltages of the machine are applied, wherein in F i g. 2 in place of the current regulator voltage regulator are to be set.

Claims

Claims: 1. Method for controlling or regulating the speed a three-phase machine operated in both directions of rotation, in particular one Three-phase asynchronous machine that has a converter with at least one valve system in each supply line and with electronic control devices for separate control the valves and with devices for current or voltage regulation to a three-phase network is connected, and in which the machine by different levels of control of the valves currents or voltages of variable size, variable frequency and reversible phase sequence are specified, characterized in that two control signals, the two different operating parameters of the machine are assigned to one common Control signal of periodically changing size, the frequency of which is one of the operating variables and whose amplitude is proportional to the other operating variable, transformed and the Current or voltage regulating devices are specified as a setpoint.

2. Procedure according to claim 1, characterized in that one of the control signals of the voltage level and the other is assigned to the frequency of the machine voltage.

3. Procedure according to Claim 2, characterized in that the frequency of the common control signal the frequency of the machine currents and the amplitude of the common control signal determines the magnitude of the machine currents.

4. The method according to claim 1, characterized in that that the common control signal alternating from the sum of several individual signals Size and direction consists, the frequency of which is an operating variable and its amplitude is proportional to the other farm size.

5. The method according to claim 4, characterized characterized in that the number of individual signals is equal to the number of phases of the machine is.

6. The method according to claim 5 with separate control devices for each valve system, characterized in that each of the individual signals is one of the control devices of a valve system is assigned as a setpoint and these signals against each other are out of phase so that their temporal staggering results in a rotating system.

7. The method according to claim 4, characterized in that the individual signals as at least approximately sinusoidal alternating current or at least approximately sinusoidal AC voltage can be specified. B.

Process according to claims 4 to 7, characterized characterized in that the frequency of the individual signals corresponds to the output signal of a speed controller and the amplitude of the individual signals is the output signal of an air gap fiow controller is proportional.

9. The method according to any one of claims 1 to 8 for a converter with counter-parallel connected valve systems in each supply line, characterized by that with at least approximately zero current in a supply line, the valve system which should accept current based on its setpoint sign is enabled will. Documents considered: Austrian patent specification No. 194 024; U.S. Patent No. 2,640,179.