DE2858066C2 - Anordnung zur Regelung der Drehzahl eines Asynchronmotors - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Regelung der Drehzahl eines von einem spannungsgesteuerten Umrichter her gespeisten Asynchronmotors, mit einem Sollwertbildner, welcher in Abhängigkeit des ein Drehmomentsignal darstellenden Ausgangssignals eines überlagerten Drehzahlregelkreises und eines Luftspaltfeld-Sollsignals am Luftspaltfeld orientierte Komponenten des Sollspannungsvektors bildet, sowie einem Wellenform-Generator, welcher die am Läuferfeld orientierten Komponenten des Sollspannungsvektors des Sollwertbildners mit Hilfe eines Ständerfrequenzsignals in Steuergrößen für den Umrichter umsetzt, wobei das Ständerfrequenzsignal mit Hilfe eines Addierkreises durch Addition der gemessenen Läuferdrehzahl und der dem Drehmoment proportionalen Schlupfwinkeldrehzahl gewonnen wird.

Eine derartige Anordnung ist bereits bekannt (siehe US-PS 37 00 986).

Unter Berücksichtigung dieses Standes der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Anordnung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass dieselbe auch im Feldschwächbereich unter Aufrechterhaltung einer schnellwirkenden Ansprechcharakteristik zufrieden stellend arbeitet.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass ein Luftspaltfeldgeber vorgesehen ist, welcher das Luftspaltfeld-Sollsignal in Abhängigkeit der gemessenen Läuferdrehzahl bildet und dass der die Komponenten des Sollspannungsvektors bildende Sollwertbildner drei Funktionsglieder aufweist, von welchen das erste Funktionsglied das Luftspaltfeld-Sollsignal mit dem Ständerfrequenzsignal multipliziert, das zweite Funktionsglied das Drehmomentsignal mit dem Ständerfrequenzsignal multipliziert und das dritte Funktionsglied das Drehmomentsignal differenziert, wobei die eine Komponente des Sollspannungsvektors dem Ausgangssignal des zweiten Funktionsgliedes entspricht, während die andere Komponente des Sollspannungsvektors von einem Addierkreis abgeleitet ist, dem die Ausgangssignale des ersten und dritten Funktionsgliedes zugeführt sind.

Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung sich ergebenden verbesserten Eigenschaften einer Anordnung zur Regelung der Drehzahl eines Asynchronmotors beispielsweise in der Form eines Induktionsmotors ergeben sich aufgrund der Tatsache, indem sowohl eine Vektorregelung der dem Asynchronmotor zugeführten Wechselspannung als auch eine Regelung der Schlupffrequenz durchgeführt wird.

Die Erfindung soll nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert und beschrieben werden, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen ist. Es zeigen

Fig. 1 ein schematisches Schaltdiagramm einer Anordnung zur Regelung der Drehzahl eines Asynchronmotors und

Fig. 2 ein Vektordiagramm zur Erläuterung der Funktionsweise der Anordnung von Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher ein Asynchronmotor in Form eines Induktionsmotors 10 von einem spannungsgesteuerten Umformer 12 her gespeist wird. Dieser Umformer 12 ist wiederum mit einer Regelschaltung 26 verbunden, die neben einem Wellenform-Generator 32 drei Funktionsglieder 38, 40 und 42 aufweist.

Das erste Funktionsglied 38 wird sowohl mit einer elektrischen Größe entsprechend einem Luftspalt-Magnetfluß großes Phi - d.h. im vorliegenden Fall mit der Erregerstromkomponente großes Jota tief großes Epsilon eines Luftspaltfeldgebers 24 - als auch mit dem Ständerfrequenzsignal kleines Omega eines Addierkreises 16 beaufschlagt, um auf diese Weise eine Erregerspannung zur Einführung eines Luftspalt-Magnetflusses und dadurch wiederum eine erste Komponente V tief großes Epsilon zu liefern, die der Erregerstromkomponente großes Jota tief großes Epsilon proportional ist. Das zweite Funktionsglied 40 spricht auf das Drehmomentsignal kleines Tau eines Drehzahlregelkreises 22 sowie auf das Ständerfrequenzsignal kleines Omega des Addierkreises 16 an, um eine zweite Komponente V tief kleines Tau des Sollspannungsvektors zu liefern. Das dritte Funktionsglied 42 dient zur schnellen Änderung der Stromkomponente in Abhängigkeit des an dem Induktionsmotor 10 anliegenden Drehmomentsignals kleines Tau. Zu diesem Zweck ist dieses dritte Funktionsglied 42 eingangsseitig mit einem Drehzahlregelkreis 22 verbunden, um eine zeitabhängige Differenzierung durchzuführen. Das differenzierte Drehmomentsignal d tief kleines Tau/dt wird innerhalb eines Addierkreises 44 zur Erregerspannungskomponente hinzuaddiert. Die so kompensierte Komponente V tief großes Epsilon* wird an den Mehrphasenwechselstrom-Wellenformgenerator

32 angelegt, welchem ebenfalls die zweite Komponente V tief kleines Tau zugeführt wird. Das von dem Drehzahlregelkreis 22 abgeleitete Drehmomentsignal kleines Tau wird schließlich noch einem Schlupffrequenzgenerator 18 zugeführt, welcher ausgangsseitig mit dem zweiten Eingang des Addierkreises 16 verbunden ist.

Im folgenden soll die Arbeitsweise der Regelschaltung 26 für die drei Wechselstromparameter unter Bezugnahme auf das Vektordiagramm gemäß Fig. 2 beschrieben werden.

Gemäß Fig. 2 erzeugt die an den Induktionsmotor 10 angelegte Erregerstromkomponente großes Jota tief großes Epsilon eine Spannung entsprechend der primären Streu- bzw. Nebenimpedanz (r tief 1 + jx tief 1) des Induktionsmotors 10, wobei x tief 1 die primäre Streureaktanz und j die Einheit der imaginären Zahlen angeben. Diese Spannung wird zur Leerlaufspannung hinzuaddiert, um eine lastfreie Motorspannung zu bilden. Indem der Endpunkt der lastfreien Motorspannung als Arbeitsmittelpunkt gewählt wird, wird die an dem Induktionsmotor 10 angelegte Spannung entlang einer geraden, durch den Arbeitsmittelpunkt verlaufenden Linie großes Eta tief 2 - großes Eta tief 2 geregelt. Die unter Belastung an dem Induktionsmotor 10 angelegte Spannung ist die Vektorsumme der lastfreien Motorspannung und eines Spannungsabfalls an der Motorimpedanz (r tief 1 + jx) infolge einer Laststromkomponente großes Jota tief kleines Tau. Wenn die Lastspannung des Induktionsmotors 10 mit ihrem Endpunkt auf dem Abschnitt der geraden Linie großes Eta tief 2 - großes Eta tief 2 liegt, der gemäß Fig. 2 vom Arbeitsmittelpunkt in Aufwärtsrichtung verläuft, arbeitet der Induktionsmotor 10 in der Antriebsbetriebsart. Wenn die Motorspannung dagegen zur Leerlaufspannung nach unten verläuft, ist der Induktionsmotor 10 in die Regenerationsbetriebsart versetzt.

Aus den vorstehenden Ausführungen geht hervor, dass die Motorlastspannung eine Spannungsvorteilkomponente und eine Bezugsspannungskomponente besitzt, wobei sich diese Komponenten durch folgende Gleichungen ausdrücken lassen:

V tief großes Epsilon = großes Epsilon tief g + großes Jota tief großes Epsilon x tief 1 + großes Jota tief kleines Tau r tief 1 und

V tief kleines Tau = - großes Jota tief großes Epsilon r tief 1 + großes Jota tief kleines Tau x

Wahlweise kann daher gesetzt werden:

V tief großes My = und

großes Theta tief kleines Tau' = tan hoch -1 V tief kleines Tau/V tief großes Epsilon

wobei V tief großes My den Absolutwert der Motorlastspannung und großes Theta tief kleines Tau' einen zwischen den Spannungsvektoren und gebildeten Phasenverschiebewinkel angeben.

Andererseits wird die Schlupfwinkeldrehzahl kleines Omega tief kleines Sigma durch folgende Gleichung (5) definiert:

kleines Omega tief kleines Sigma = großes Kappa tief 2 großes Jota tief kleines Tau/großes Jota tief großes Epsilon

in welcher großes Kappa tief 2 eine Proportionalitätskonstante bedeutet. Im Fall magnetischer Sättigung ändert sich großes Kappa tief 2 entweder mit großes Jota tief großes Epsilon oder V tief kleines Tau und insbesondere mit großes Jota tief großes Epsilon; so dass die Größe großes Kappa tief 2 um so größer wird, je größer die magnetische Sättigung ist. Genauer gesagt: der Ausdruck großes Jota tief großes Epsilon in Gleichung (5) sollte durch den Magnetfluß großes Phi ersetzt werden.

Da die den Magnetfluß betreffende Spannung der Frequenz kleines Omega proportional ist, werden diese proportionalen Multiplikationseingabewerte an das erste Funktionsglied 38 angelegt. Andererseits entsprechen die Gleichungen (1) und (2) einer Gleichung für die Statorspannung. Infolgedessen gilt V tief großes Epsilon = V tief qs und V tief kleines Tau = Vds. Im Dauerzustand, d.h. im eingeschwungenen Zustand, kann somit vorausgesetzt werden, dass folgendes gilt:

kleines Omega L tief 1 großes Jota tief großes Epsilon = großes Epsilon tief g + großes Jota tief großes Epsilon x tief 1

und

kleines Omega L tief 1 (1-großes My hoch 2/L tief 1 L tief 2) = x

Da jedoch Vqs einen den Differentialoperator beinhaltenden Ausdruck umfasst, werden das dritte Funktionsglied 42 und der Addierkreis 44 derart betrieben, dass sie in Abhängigkeit von einer Änderung des Drehmomentsignals kleines Tau eine differenzierte Kompensierspannung zu Spannungskomponente V tief großes Epsilon hinzuaddieren. Infolgedessen weist die Stromkomponente großes Jota tief kleines Tau bei schnellen Änderungen des Drehmoments ein verbessertes Ansprechverhalten auf.

Die Spannungskomponente kann dabei durch folgende Gleichungen ausgedrückt werden: wobei großes Kappa tief 5 und großes Kappa tief 5' Konstanten darstellen. Daraus lässt sich wiederum folgende Beziehung ableiten:

Durch Addition einer Größe, die durch das Produkt einer Spannung und der Zeit gebildet ist, zu der Komponente V tief großes Epsilon kann somit der erforderliche Kopplungsstreufluß großes Phi großes Jota (großes Jota tief kleines Tau) aufgrund des Aktivstroms großes Jota tief kleines Tau abgeleitet werden, woraus sich wiederum ergibt, dass die beschriebene Ausführungsform insbesondere bei spannungsgesteuerten Umrichtern 12 anwendbar ist, bei denen ein sehr rasches Ansprechverhalten unbedingt erforderlich ist.

Claims (2)

1. Anordnung zur Regelung der Drehzahl eines von einem spannungsgesteuerten Umrichter (12) her gespeisten Asynchronmotors (10), mit einem Sollwertbildner (26, 38 - 42), welcher in Abhängigkeit des ein Drehmomentsignal kleines Tau (großes Jota tief kleines Tau) darstellenden Ausgangssignals eines überlagerten Drehzahlregelkreises (22) und eines Luftspaltfeld-Sollsignals großes Phi (großes Jota tief großes Epsilon) am Luftspaltfeld orientierte Komponenten (V tief großes Tau, V tief großes Epsilon*) des Sollspannungsvektors bildet, sowie einem Wellenform-Generator (32), welcher die am Läuferfeld orientierten Komponenten (V tief großes Tau, V tief großes Epsilon) des Sollspannungsvektors des Sollwertbildners (26, 38 - 42) mit Hilfe eines Ständerfrequenzsignals (kleines Omega) in Steuergrößen für den Umrichter (12) umsetzt, wobei das Ständerfrequenzsignal (kleines Omega) mit Hilfe eines Addierkreises (16) durch Addition der gemessenen Läuferdrehzahl (kleines Omega tief großes Ny) und der dem Drehmoment proportionalen Schlupfwinkeldrehzahl (kleines Omega tief kleines Sigma) gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Luftspaltfeldgeber (24) vorgesehen ist, welcher das Luftspaltfeld-Sollsignal großes Phi (großes Jota tief großes Epsilon) in Abhängigkeit der gemessenen Läuferdrehzahl (kleines Omega tief großes Ny) bildet und dass der die Komponenten (V tief großes Tau, V tief großes Epsilon*) des Sollspannungsvektors bildende Sollwertbildner (26, 38 - 42) drei Funktionsglieder (38, 40, 42) aufweist, von welchen das erste Funktionsglied (38) das Luftspaltfeld-Sollsignal großes Phi (großes Jota tief F) mit dem Sänderfrequenzsignal (kleines Omega) multipliziert, das zweite Funktionsglied (40) das Drehmomentsignal kleines Tau (großes Epsilon tief kleines Tau) mit dem Ständerfrequenzsignal (kleines Omega) multipliziert und das dritte Funktionsglied (42) das Drehmomentsignal kleines Tau (großes Epsilon tief kleines Tau) differenziert, wobei die eine Komponente (V tief großes Tau) des Sollspannungsvektors dem Ausgangssignal des zweiten Funktionsgliedes (40) entspricht, während die andere Komponente (V tief großes Epsilon*) des Sollspannungsvektors von einem Addierkreis (44) abgeleitet ist, dem die Ausgangssignale des ersten und dritten Funktionsgliedes (38, 42) zugeführt sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das von dem Drehzahlregelkreis (22) abgeleitete Drehmomentsignal kleines Tau (großes Jota tief kleines Tau) zusätzlich einem das Schlupfwinkeldrehzahlsignal (kleines Omega tief kleines Sigma) bildenden Schlupffrequenzgenerator (18) zugeführt ist.