DE2938768A1 - Verfahren und einrichtung zum steuern einer synchronmaschine - Google Patents

Description

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US Serial No. 945,625

filed September 25, 1978 10624

Dr.ν.Β./hl

GENERAL ELECTRIC COMPANY Schenectady, N.Y., V.St.A.

Verfahren und Einrichtung zum Steuern einer Synchronmaschine

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Einrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens .

Insbesondere betrifft die Erfindung Verfahren und Einrichtungen zum Steuern eines lastkomrmtierten Wechselrichter-Synchronmaschinen-Antriebssystems, das ohne einen Wellenpositionssensor auskommt. Anlagen dieses Typs sind z.B. in der Veröffentlichung "Load Commutated Inverter Synchronous Motor Drive Without a Shaft Position Sensor", veröffentlicht im "Conference Record IEEE-IAS Conference", Los Angeles, California, Oktober 1977, beschrieben.

Antriebssysteme mit einem Wechselrichter und einer Synchronmaschine, mit denen sich die vorliegende Erfindung befaßt, enthalten typischerweise eine Synchronmaschine, z.B. eine Induktionsmaschine, die mit einer frequenzveränderlichen Wechselspannung erregt wird, die von einem aus einer Gleichstrom-

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quelle gespeisten Wechselrichter stammt. Die in solchen Einrichtungen verwendeten Wechselrichter enthalten typischerweise eine der Anzahl der Phasen der betreffenden Maschine entsprechende Anzahl von Paaren in Reihe geschalteter, steuerbarer Gleichrichtereinrichtungen, wie Thyristoren. Die Thyristorpaare sind parallel an eine Gleichstromquelle angeschlossen und ihre Verbindung ist jeweils mit einer entsprechenden Phase der Maschine verbunden, um den in ihr fließenden Strom zu steuern. Wenn die Thyristoren in einer bestimmten Reihenfolge gezündet oder durchgeschaltet werden, leiten sie so, daß ein Wechselstrom verschiedener Phase für die Erregung der Maschine erzeugt wird.

Antriebssysteme mit einem Wechselrichter und einer Synchronmaschine der oben erwähnten Art erfreuen sich in jüngerer Zeit für bestimmte Anwendungen erneuter Beliebtheit, z.B. bei der Schwungrad-Energiespeicherung für elektrische Fahrzeuge. Ein wichtiger Grund für diese erneute Beliebtheit besteht darin, daß man solche Maschinenantriebssysteme selbstkommutierend machen kann, d.h. daß die Wechselrichter-Thyristoren durch die RUck-EMK gesperrt werden können, die durch die Synchronmaschine in Betrieb erzeugt wird, so daß die sonst erforderlichen großen externen Schaltungskomponenten für die Kommutierung entfallen können.

Um die volle Leistungsfähigkeit der Maschine unter Last zu gewährleisten, ist es oft wichtig, das Wechselrichter-Maschinen-Antriebssystem zu synchronisieren und die Steuer- oder Durchschaltintervalle der Thyristoren so zu steuern, daß sich die Frequenz der Erregung der Maschine in Abhängigkeit von der Belastung der Maschine ändert.

Es sind bereits verschiedene Methoden zur Synchronisation eines Wechselrichters mit einem Motor bekannt. Aus der US-PS 3 796 ist eine Einrichtung zur Synchronisation eines Wechselrichters mit einer Wechselstrommaschine bekannt, die zwei Hallgenerator-

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sonden zur Messung der Stellung der Welle der Maschine enthält, welche mit einer geeigneten zugehörigen Rückführungsschaltung gekoppelt sind, um ein Winkelrückführungssteuersignal zu erzeugen, das die Thyristoren des Wechselrichters entsprechend der Stellung der Motorwelle steuert. Nachteilig an dieser Lösung ist, daß die Stellung der Welle der Maschine, die den Ist-Phasenwinkel der Maschine darstellt, durch Hallgeneratorsonden bestimmt wird und die Maschine daher für diese abgeändert werden muß.

Aus der US-PS 4 088 934 ist ein Verfahren zum Stabilisieren eines Wechselrichter-Synchronmaschinen-Antriebssystems bekannt, bei dem zur Synchronisation von Maschine und Wechselrichter zuerst Drehmoment- und Winkel-Istwertsignale erzeugt werden, die das tatsächliche Drehmoment bzw. den tatsächlichen Phasenwinkel der Maschine darstellen. Das Drehmoment-Istwertsignal und das Phasenwinkel-Istwertsignal werden mit einem Drehmoment kommando oder Drehmoment-Sollwertsignal bzw. einem anschließend erzeugten Phasenwinkelkommando- oder Phasenwinkel-Sollwertsignal verglichen und ein resultierendes Fehlerrückführungssignal, das die Größe der Differenz zwischen diesen Signalen darstellt, wird dem Wechselrichter zur entsprechenden Steuerung der Zünd-Intervalle der Thyristoren zugeführt. Bei dieser Einrichtung werden zwar keine Hallsonden oder andere Wellenstellungsgeber benötigt, man braucht jedoch andererseits spezielle Funktionsgeneratoren zum Erzeugen geeigneter Drehmoment- und Phasenwinkelsollwertsignale um die Inverterzündwinkel entsprechend zu steuern. Bei der letzterwähnten bekannten Einrichtung sind außerdem keine Maßnahmen vorgesehen, um ein Wechselrichter-Synchronmaschinen-System zu synchronisieren, dessen Last durch eine Bedienungsperson steuerbar ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Synchronisation ohne Wellenpositionsgeber sowie ohne spezielle Funktionsgeneratoren auszukommen und die Synchronisation eines

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Wechselrichters mit einer Synchronmaschine zu ermöglichen, deren Belastung durch eine Bedienungsperson willkürlich veränderbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Verfahren gelöst.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens gemäß der Erfindung sowie vorteilhafte Einrichtungen zur Durchführung eines solchen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche .

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Steuern eines Wechselrichter-Synchronmaschinen-Antriebssystems gemäß der Erfindung wird, kurz gesagt, ein Phasenwinkel-Kommandosignal oder -sollwertsignal erzeugt, das während anfänglicher Maschinenerregungsintervalle auf ein Phasenwinkelsignal festen Wertes anspricht und während anderer Zeitintervalle als der der anfänglichen Maschinenerregung alternativ auf eine von einer Bedienungsperson gesteuerte Laständerung anspricht. Das Phasenwinkel-Steuersignal wird mit einem Signal verglichen, das die tatsächliche Phasenwinkeldifferenz zwischen dem Luftspaltfluß und dem Phasenstrom der Maschine darstellt und es wird ein Frequenzkommando- oder Frequenzsteuersignal erzeugt, das in der Größe von der Winkeldifferenz zwischen diesen Signalen abhängt. Die Erregung der Maschine wird in Abhängigkeit von dem Frequenzkommandosignal geändert, um das Wechselrichter-Synchronmaschinen-Antriebssystem zu synchronisieren.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält eine Einrichtung zum Steuern eines Wechselrichter-Synchronmaschinen-Antriebssystems eine Anordnung zum Erzeugen eines Phasenwinkelsteuersignals, das während anfänglicher Maschinenerregungszeitintervalle auf einen festen Phasenwinkel-

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wert anspricht und während anderer als der anfänglichen Maschinenerregungsintervalle auf von einer Bedienungsperson gesteuerte Laständerungen anspricht. Zwischen die Anordnung zum Erzeugen des Phasenwinkelkonunandosignals und eine Anordnung zum Messen des tatsächlichen Maschinenphasenwinkels ist eine Vergleicheranordnung geschaltet, um das Maschinenphasenwinkelkommandosignal mit einem Signal zu vergleichen, das den ermittelten tatsächlichen Maschinenphasenwinkel darstellt, und um ein Nettowinkel-Fehlersignal entsprechend der Größe der Signaldifferenz dieser Signale zu erzeugen. Mit der Vergleicheranordnung ist eine Anordnung zum Erzeugen eines Frequenzkommandosignals verbunden, das auf das resultierende WinkeIfehlersignal anspricht, um die Frequenz der Wechselspannung zu ändern, die vom Wechselrichter für die Erregung der Maschine erzeugt wird.

Durch die vorliegende Erfindung wird also eine Steuereinrichtung für ein Inverter-Synchronmotor-Antriebssystem geschaffen, bei dem die Durchschaltintervalle des Inverters für die Änderung der Frequenz der Erregung des Motors in Abhängigkeit von einer von einer Bedienungsperson vorgegebenen Laständerung automatisch eingestellt werden.

Ferner wird durch die Erfindung eine Steuereinrichtung für ein Wechselrichter-Synchronmaschinen-Antriebssystem geschaffen, das während der anfänglichen Maschinenerregungsintervalle eine schnelle Synchronisation des Wechselrichters mit der Synchronmaschine gewährleistet.

Im folgenden wird der Erfindunc,sgedanke unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert,

Es zeigen:

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Fig. 1 ein Ubersichts-Blockschaltbild eines Wechselrichter-Synchronmaschinen-Antriebssystems, das sich besonders für elektrische Fahrzeuge mit Schwungrad-Energiespeicherung eignet;

Fig. 2 ein genaueres Schaltbild des Wechselrichters und der Synchronmaschine des Antriebssystems gemäß Fig. 1;

Fig. 3 ein genaueres Blockschaltbild einer Steuereinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die mit dem Wechselrichter-Synchronmaschinen-Antriebssystem gemäß Fig. 1 gekoppelt ist; und

Fig. 4a, 4b und 4c graphische Darstellungen einer Gleichspannung, eines Gleichstroms und einer Schwungraddrehzahl, wie sie bei Verwendung der Einrichtung gemäß Fig. 1 bis 3 zum Antrieb eines Elektrofahrzeuges auftreten können.

Der in Fig. 1 als Blockschaltbild dargestellte Elektrofahrzeug-Antrieb enthält ein Wechselrichter-Synchronmaschinen-Antriebssystem 10, das sich besonders für eine Schwungrad-Energiespeicherung eignet. Das Inverter-Synchronmaschinen-Antriebssystem 10 enthält einen Induktionsmotor/Wechselspannungsgenerator 12 mit einer Feldwickung 15, die durch eine Felderregungsschaltung 14 erregt wird, und eine Wechselrichter-Gleichrichterschaltung 16, die im folgenden einfach als Wechselrichter 16 bezeichnet werden soll. Mit der rotierenden Welle des Induktionsmotor-Wechselspannungsgenerators 12 ist ein Schwungrad (nicht dargestellt) mechanisch gekoppelt.

Der Wechselrichter 16 ist zwischen eine als Batterie 18 dargestellte Gleichspannungsquelle und den Motor/Generator 12 geschaltet, und liefert eine Wechselspannung variabler Frequenz für die Motorerregung, wenn mechanische Energie für die Schwungradenergiespeicherung erzeugt werden soll. Alternativ arbeitet

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der Wechselrichter 16 als Gleichrichterschaltung, die die vom Motor/Generator 12 erzeugte Wechselspannung in eine Gleichspannung umwandelt, wenn Schwungradenergie in elektrische Energie umgewandelt werden soll. Die spezielle Konstruktion und Arbeitsweise der Wechselrichter-Synchronmaschinen-Einheit 10 wird weiter unten noch genauer beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf das Schaltbild gemäß Fig. 2.

Zwischen den Wechselrichter 16 und die Batterie 18 ist eine Reihenschaltung aus einem Anlasser 20 und einem Batterieschalter 22 geschaltet, die zur Begrenzung bzw. Unterbrechung des Über den Anschluß von der Batterie 18 fließenden Gleichstromes dienen. Der Batterieschalter 22 dient dazu, den ganzen Gleichstrom zu unterbrechen, den der Wechselrichter über die Verbindung zur Batterie aus dieser entnimmt, während der Anlasser 20, der aus einer Parallelschaltung eines Schalters 24 und eines Widerstandes 26 besteht, die Aufgabe hat, den zu Beginn der Erregung der Maschine über die Verbindung von der Batterie fließenden Gleichstrom zu verringern und einen Stromstoß zu verhindern.

Das in Fig. 1 dargestellte Elektrofahrzeug-Antriebssystem enthält ferner eine Reihenschaltung aus einem Zug- oder Fahrmotor 28 und einem Start- oder Anfahr-/Lauf-Schalters 30, die dem Eingang des Wechselrichters 16 parallelgeschaltet sind. Die Feldwicklungen 32 des Fahrmotors 28 werden durch eine Erregeranordnung 34 erregt, welche auf einem Felderreger 35 und einer durch diesen in Abhängigkeit von einem Bedienungsperson- oder Fahrersteuersignal gesteuerten Feldreversieranordnung 36 enthält. Die Feldreversieranordnung 36 ermöglicht bei Erregung durch den Felderreger 3 5 auf Wunsch eine Umkehr der Drehrichtung des Fahrmotors 28 durch Umkehr der den Feldwicklungen 32 zugeführten Spannung.

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Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, enthält der Wechselrichter 16 typischerweise eine der Anzahl der Phasen der Synchronmaschine entsprechende Anzahl von Paaren in Reihe geschalteter, steuerbarer, bidirektional leitfähiger Einrichtungen, die einer Gleichstromquelle parallelgeschaltet sind und den Stromfluß in den jeweiligen Phasenwicklungen steuern. Für den Dreiphasenmotor/Generator 12 sind also drei Paare von in Reihe geschalteten, steuerbaren, bidirektional leitfähigen Einrichtungen 38a und 38b, 38c und 38d sowie 38e und 38f vorgesehen, die parallel zueinander geschaltet sind und ein Netzwerk bilden, das mit einer Induktivität 39 in Reihe geschaltet ist, die mit der Batterie 18 (Fig. 1) gekoppelt ist. Jedes Paar der in Reihe geschalteten steuerbaren bidirektional leitfähigen Einrichtungen 38a und 38b, 38c und 38d bzw. 38e und 38f ist mit der Verbindung der Einrichtungen des betreffenden Paares mit den entsprechenden Phasen 40a, 40b bzw. 40c des Motor/-Generators 12 verbunden. Die Induktivität 39 dient zur Glättung des Gleichstromes, der von der Batterie 18 (Fig. 1) an den Wechselrichter 16 geliefert wird. Ein Paar steuerbarer, in einer Richtung leitfähiger Einrichtungen 42a und 42b sind in Reihe jedem der in Reihe geschalteten Paare steuerbarer, in beiden Richtungen leitfähiger Einrichtungen 38a und 38b, 38c und 38d bzw. 38e und 38f parallelgeschaltet und steuerbare, in einer Richtung leitfähige Einrichtungen 42a und 42b sind mit ihrer Verbindung über einen Kominutierkondensator 44 an die neutrale oder Nulleiterklemme 43 des Motor/Generators 12 angeschlossen. Wie noch erläutert werden wird, bewirken die gesteuerten, in einer Richtung leitfähigen Einrichtungen 42a und 42b zusammen mit den gesteuerten, in beiden Richtungen leitfähigen Einrichtungen 38a bis 38f, wenn sie in einer bestimmten Weise in den leitfähigen Zustand durchgeschaltet werden, eine Zwangskomirutierung der Maschine, die den Motor/Generator 12 vom Stillstand anfänglich erregt.

Jeder der steuerbaren, in zwei Richtungen leitfähigen Einrichtungen 38a bis 38f leitet zusammen mit jeder der steuerbaren,

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in einer Richtung leitfähigen Einrichtungen 42a und 42b Strom unter Steuerung durch ein ihnen von einer Steuerelektroden-Treiber- oder Steuerschaltung 4 5 zugeführten Steuerelektrodenoder Gate-Steuersignal. Die Steuerschaltung 45 spricht ihrerseits auf Motor/Brems- und Frequenzeingangssignale an, die entsprechenden Eingängen (m/b bzw. f) der Steuerschaltung zugeführt werden. Für die Zünd- oder Steuerschaltung 45 können verschiedene bekannte Schaltungsanordnungen verwendet werden und Einzelheiten dieser Steuerschaltung sind daher hier nicht dargestellt. Thyristor-Zünd- oder Steuerschaltungen sind z.B. in Kapitel 4 des Buches "The General Electric Silicon Controlled Rectifier Handbook'^ veröffentlicht von der Semiconductor Products Division, General Electric Company, Syracuse, New York, 1972yerläutert. Die von der Firma General Electric Co. D.C. Motor Generator Products Department, Erie, Pennsylvania unter der Katalognummer 36C72856AB im Handel erhältliche Schaltungsanordnung hat sich für den vorliegenden Zweck als besonders geeignet erwiesen.

Die steuerbaren, in zwei Richtungen leitfähigen Einrichtungen 38a bis 38f bestehen typischerweise aus zwei mit entgegengesetzter Polung parallelgeschalteten Thyristoren 46 und 48. Die steuerbaren, in einer Richtung leitfähigen Einrichtungen 42a und 42b können z.B. jeweils durch einen einzigen Thyristor gebildet werden. Wie weiter unten noch näher erläutert werden wird, leitet ein Thyristor in jeder der oberen und unteren Kombination von in zwei Richtungen leitfähigen Einrichtungen 38a, 38c und 38e und 38b bzw. 38d und 38f, wenn er durch ein seiner Steuerklemme G zugeführtes Zünd- oder Gatesteuersignal von der Zündschaltung 4 5 durchgeschaltet worden ist, Strom zur entsprechenden Phase 40a, 40b bzw. 40c des Motor/Generators während der normalen Motorbetriebsintervalle. In entsprechender Weise dient der Thyristor 4 8 in jeder der oberen und unteren Kombinationen von in beiden Richtungen leitfähigen Einrichtungen 38a, 38c und 38e und 38b bzw'. 38d und 38f, wenn er durchgeschaltet worden ist, zur Gleichrichtung des vom Motor/Genera-

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tor 12 erzeugten Wechselstromes während der Generatorbetriebsintervalle .

Die steuerbaren, in beiden Richtungen leitfähigen Einrichtungen 38a bis 38f und die gesteuerten, in einer Richtung leitfähigen Einrichtungen 42a und 42b enthalten jeweils eine parallelgeschaltete Filteranordnung 50. Die Filteranordnung 50 enthält eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 52 und einem Kondensator 54 und dient zum Filtern von während des Wechselrichter- und Gleichrichterbetriebes erzeugten Hochspannungsimpulsen und damit zur Verringerung der Beanspruchung der Thyristoren.

Zwischen den Wechselrichtern 16 und die Batterie 18 ist eine Stromabfühlanordnung 56 gekoppelt, die ein Signal veränderlicher Amplitude in Abhängigkeit von der Amplitude des über die Verbindungsleitung vom Wechselrichter 16 aufgenommenen Stromes liefert.

Der mitjder Batterie 18 (Fig. 1) gekoppelte Felderreger 14 (Feldstromversorgung) speist die im Motor/Generator 12 enthaltene Feldspule 15, um das für den Betrieb der Maschine erforderliche Gleichstromfeld zu erzeugen.

Fig. 3 ist ein mehr ins Einzelne gehendes Blockschaltbild der Einrichtung zur Steuerung des in Fig. 1 dargestellten Wechselrichter-Synchronmaschinen-Antriebssystems 10. Diese Einrichtung enthält einen Steuerteil 58 mit einer ersten äußeren Regel- bzw. Steuerschleife 60 zum Erzeugen eines Phasenwinke lkommando- oder Sollwertsignales entsprechend einem gewünschten Maschinen-Phasenwinkelwert in Abhängigkeit von einer durch die Bedienungsperson vorgegebenen Sollast oder Laständerung. Ein Strom-Kommando- oder Strom-Sollwert-Signal I* , das einen Befehl von einer Bedienungsperson für einen gewünsch-

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ten Wechselrichterstromwert (entsprechend einer gewünschten Maschinenbelastung) darstellt, wird dem Eingang eines Strombegrenzers 62 zugeführt. Der Strombegrenzer 62 begrenzt das Stromsollwertsignal derart, daß der maximal zulässige Strom, der über die Verbindung zum Wechselrichter fließen darf, bei dem gewünschten, von der Bedienungsperson vorgegebenen Stromwert nicht überschritten wird. Das Stromsollwertsignal am Ausgang des Strombegrenzers 62 wird einem ersten Eingang eines Summierverstärkers 64 zugeführt, dessen zweiter Eingang mit der Stromabfühlanordnung 56 gekoppelt ist. Der Summierverstärker 64 liefert an seiner Ausgangsklemme ein mittleres oder Zwischen-Stromwertsignal in Abhängigkeit von der Größe der Differenz zwischen dem von der Bedienungsperson vorgegebenen Stromwert I__o und der Amplitude des vom Wechselrichter 16 über die Ver-

bindung aufgenommenen Stromes.

Mit dem Ausgang des Summierverstärkers 64 oder in eine zweite Regel- oder Steuerschleife 70 ist eine Stromregelanordnung über einen Schalter 68 gekoppelt, die ein Maschinenphasenwinkelkommando- oder Sollwertsignal in Abhängigkeit von dem Zwischen-Stromwertsignal erzeugt, wenn sich der Schalter 68 in der Stellung "Fahrt" befindet. Die innere Regelschleife 70 ist mit einer relativ hohen Verstärkung ausgelegt, so daß, wenn die Schleife durch den Schalter 68 (in dessen "Start"- oder "Anfahr"-Stellung) geschlossen ist, durch den Stromregler 66 ein gewünschtes Phasenwinkelsignal festen oder konstanten Wertes für die anfängliche Maschinenerregung erzeugt wird. Das Phasenwinkelsollwertsignal festen Wertes, sinG**, das den Sollwert des Maschinenphasenwinkels zwischen dem Phasenstrom und dem Luftspaltfluß für das anfängliche Starten oder Anfahren der Maschine darstellt, wird einem ersten Eingang eines Summierverstärkers 72 zugeführt, dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang des Stromreglers 66 verbunden ist, so daß eine Rückführungsschleife um den Stromregler geschlossen wird. Unter diesen Bedingungen wird ein Signal, das die Differenz zwischen sinB** und dem Ausgang des Stromreglers 66 darstellt, dessen Eingang aufgedrückt und

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an seinem Ausgang entsteht ein Null-Gleichgewichtszustands-Fehler-Phasenwinkelkommando- oder Sollwertsignal sine*.

Der Stromregler 66 enthält einen Verstärker mit einer Integral + Proportional-Ubertragungskennlinie (PI-Charakteristik). Es sind verschiedene Verstärkerschaltungen mit einer PI-Charakteristik bekannt und welche spezielle Schaltung man jeweils verwenden wird, hängt von den Konstruktionsparametern der Einrichtung ab. Nähere Einzelheiten des Stromreglers 66 sind daher nicht dargestellt. Eine genauere Erläuterung von Verstärkern mit PI-Charakteristik findet sich z.B. in dem Buch "Servomechanisms and Regulating System Design" von Chestnut and Mayer, Verlag John Wiley & Son, New York, 1955 auf den Seiten 121 bis 125.

Das Ausgangssignal des Stromreglers 66 wird durch einen Winkelbegrenzer 74 so begrenzt, daß der Sollwert des Maschinenphasenwinkels sinG* den maximal zulässigen Wert überschreitet. Durch eine Winkelmeßanordnung 76, der Phasenstrom- und Leitungsspannungssignale zugeführt werden, die vom Phasenstrom bzw. der Klemmen- oder Leitungsspannung des Induktionsmotor/Generators 12 gewonnen werden, wird ein Ausgangssignal erzeugt, das den Istwert des Maschinenphasenwinkels zwischen dem Phasenstrom und dem Luftspaltfluß darstellt. Es gibt verschiedene Anordnungen um den Istwert des Phasenwinkels der Maschine zu bestimmen, der durch sinG von Maschinenphasenstrom- und Klemmen- oder Leitungsspannungssignalen dargestellt wird. Eine für eine solche Winkelmeßanordnung 76 (Winkelgeber) geeignete Leitung ist aus der bereits erwähnten US-PS 4 088 934 bekannt.

Das Ausgangssignal sinG der Winkelmeßanordnung 76 wird seinerseits in einem Summierverstärker 78 mit dem Phasenwinkel-Sollwertsignal είηθ* algebraisch summiert, so daß beim Ausgang des Verstärkers 78 ein resultierendes Winkelfehlersignal auftritt, das die Differenz zwischen den Eingangssignalen herstellt.

Der Eingang eines Winkelreglers 80 ist über einen Schalter 82 mit dem Ausgang des Summierverstärkers 78 gekoppelt, wenn sich

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der Schalter 82 in der Stellung "Fahrt" befindet, und dient dazu, ein Frequenzkommando- oder Frequentiellwertsignal zu erzeugen, das die Thyristordurchschaltintervalle im Wechselrichter 16 in Abhängigkeit vom Phasenwinkelsollwertsignal sinG steuert.

Die innere Steuer- oder Regelschleife 84 ist mit einer verhältnismäßig hohen Verstärkung ausgelegt, so daß wenn die Schleife durch den Schalter 82 geschlossen ist, den Wechselrichter 16 durch den Winkelregler 80 ein rampen- oder sägezahnförmiges Anfahr- oder Startfrequenzsollwertsignal f** zugeführt wird, um das Inverter-Synchronmaschinen-Antriebssystern 10 zu synchronisieren. Das langsam ansteigende sägezahnförmige Anfahr-Frequenzsollwertsignal, dessen Amplitude anfangs den Wert Null hat, wird einem ersten Eingang eines Summierverstärkers 86 zugeführt, dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang des Winkelreglers 80 gekoppelt ist, um die Schleife um diesen zu vervollständigen. Unter diesen Bedingungen wird dem Eingang des Winkelreglers 80 ein Signal aufgedrückt, das die Amplitudendifferenz zwischen f** und dem Ausgangssignal des Winkelerregers 80 darstellt.

Der Winkelregler 80 enthält vorzugsweise einen Verstärker mit einer Integral +.Proportional-Übertragungskennlinie (PI-Charakteristik), so daß er ein Null-Gleichgewichtszustands-Fehlerfrequenzkommandosignal liefert, wenn seinem Eingang das Ausgangssignal des Summierverstärkers 86, das die Differenz zwischen dem Maschinen-Anfahr-Frequenzsignal f** und dem durch den Winklerregler 80 erzeugten Frequenzkommandosignal darstellt, zugeführt wird. Dies ergibt eine hohe Verstärkung für die Rückführungsschleife 84.

Das Stromsollwertsignal I _ wird ferner einer Polaritätsverarbeitungsschaltung 90 zugeführt, die in Abhängigkeit von der Polarität des Signal I* ein entsprechendes digitales Motor/-

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Brems-Signal erzeugt. Das digitale Motor/Brems-Signal wird der in Fig. 2 dargestellten Thyristorsteuer- oder Zündschaltung 4 5 zugeführt und bewirkt, daß die in zwei Richtungen leitfähigen Einrichtungen 38a bis 38f in entsprechender Weise in Wechselrichter- oder Gleichrichterbetrieb arbeiten. Solche Polaritätsverarbeitungsschaltungen sind bekannt, so daß nähere Einzelheiten nicht dargestellt zu werden brauchen. Genauere Informationen über solche Schaltungen finden sich z.B. im "Linear Integrated Circuits Application Handbook" der Fairchild Semiconductor Corp., 1967, Kapitel F, Seiten 165 bis 173.

Im folgenden soll nun die Arbeitsweise der mit der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung 58 gekoppelten Wechselrichter-Synchronmaschinen-Einheit 10 gemäß Fig. 1, 2 und 3 erläutert werden. Es sei angenommen, daß sich der Induktionsmotor/Generator 12 anfänglich in Ruhe befindet und daß der Batterieschalter 22 offen ist, so daß der über die Verbindung von der Batterie zum Wechselrichter 16 fließende Strom den Wert Null hat. Um den Motor/Generator 12 in Betrieb zu setzen, so daß sich das Schwungrad zu drehen beginnt, wird der Batterieschalter 22 geschlossen, während sich die Schalter 24, 30 und 68 jeweils in ihrer Start-Stellung befinden. Ein Phasenwinkelsollwertsignal sinG** festen Wertes wird dann mit dem Ausgangssignal des Stromreglers 66 (das anfänglich Null ist) kombiniert und dem Eingang des Stromreglers wird ein Signal zugeführt, das die Differenz zwischen den kombinierten Signalen darstellt. Die Regelschleife 70, die eine hohle Verstärkung hat, bewirkt, daß der Stromregler 66 praktisch sofort ein Phasenwinkelsollwertsignal erzeugt, das im wesentlichen gleich dem Phasenwinkelsignal sinG** festen Wertes ist. Das am Ausgang des Stromreglers 66 erzeugte feste Phasenwinkelsollwertsignal wird durch den Winkelbegrenzer 74 derart begrenzt, daß der maximal zulässige Phasenwinkelwert der Maschine am Ausgang des Winkelbegrenzers 74 nicht überschritten wird. Das Ausgangssignal des Winkelbegrenzers 74 wird mit dem Maschinenphasenwinkelistwert-

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signal verglichen, das durch die Winkelmeßanordnung 76 erzeugt wird, und ein die Differenz zwischen diesen Signalen darstellendes resultierendes Winkelfehlersignal wird am Ausgang des Summierverstärkers 78 erzeugt. Der Winkelregler 80 liefert in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Summierverstärkers 78 ein Frequenzkommando- oder Sollwertsignal an den entsprechenden Frequenzeingang f der Steuer- oder Zündschaltung 45 (Fig. 2), die vorher durch die Polaritätsverarbeitungseinrichtung 90 auf die Betriebsart "Wechselrichten" eingestellt worden war. Das auf diese Weise dem Frequenzeingang f der Zündschaltung 45 zugeführte Frequenzsollwertsignal bewirkt dementsprechend, daß die Zünschaltung die Thyristoren 4 6 der steuerbaren, in beiden Richten leitfähigen Einrichtungen 38a bis 38f zusammen mit dem Hilfsthyristor 42a bzw. 42b durchschaltet, so daß in den drei Phasenwicklungen 40a, 40b und 40c der Maschine entsprechende Phasenströme fließen, und zwar genauso, wie der Strom während Zwangskommotierintervallen durch eine konventionelle Dreiphasenbrückenwechselrichterschaltung fließt. Die Arbeitsweise von Dreiphasenbrückenwechselrichterschaltungen ist bekannt, siehe z.B. das Buch von L. Gyugyi und B. R. Pelly "Static Power Frequency Changers", Verlag Wiley Interscience, 1976, Seiten 19 bis 24. Wenn die Drehzahl des Motor/Generators 12 über eine bestimmte kritische Drehzahl ansteigt (d.h. eine Drehzahl, bei der die Rück-EMK ausreicht, die Thyristoren 46 zu kommutieren), hält die Zündschaltung 45 die Thyristoren 42a und 42b gesperrt, während sie die Thyristoren 46, wie oben beschrieben, durchschaltet und diese nun durch die Rück-EMK komirutiert werden.

Wie oben erwähnt, bleibt der Schalter 82 während dieses Intervalles der anfänglichen Maschinenerregung in der Stellung "Fahrt", so daß der Winkelregler 80 ein Frequenzsollwertsignal in Abhängigkeit vom Phasenwinkelsollwertsignal am Ausgang des Summierverstärkers 78 erzeugt. Der Motor/Generator 12 kann während der anfänglichen Erregungsintervalle alternativ mit dem Wechselrichter 16 synchronisiert werden, indem man den Schalter 82 anstelle des Schalters 68 auf die Stellung "Start" stellt. Durch das Koppeln der Winkelreglerschaltung 80 mit dem

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Ausgang des Summierverstärkers 86 wird ein langsam ansteigendes Frequenzsollwertsignal f**, das die Maschinenanfahrfrequenz darstellt, dem Frequenzeingang f der Steuer- oder Zündschaltung 45 zugeführt. Das langsam ansteigende Frequenzsollwertsignal f** erlaubt ein ungeregeltes Anfahren der Maschine (bei offener Regelschleife) bis zu einer vorgegebenen Drehzahl, bei der die durch die Zündschaltung 45 gesteuerte Wechselrichterschaltfolgefrequenz dann gleich der oben erwähnten wirkt.

Nachdem der Induktionsmotor/Generator 12 einmal anfänglich erregt oder angefahren worden ist, werden die Schalter 24, 68 und 82 jeweils auf "Fahrt" gestellt, wodurch der Motor/Generator 12 nun auf Laständerungen anspricht, die von einer Bedienungsperson vorgegeben werden. Dies ist aus folgendem ersichtlich: Für die Zwecke der Erläuterung sei angenommen, da der Motor/-Generator 12 läuft, jedoch mit einer Drehzahl, die kleiner ist als ein gewünschter Lastzustand. Um die Drehzahl des Motor/-Generators auf die gewünschte Sollast zu bringen, wird dem eingang des Strombegrenzers 62 ein Stromsollwertsignal I^ zugeführt, das einen Befehl der Bedienungsperson für eine bestimmte Erregung oder Last der Maschine darstellt. Das begrenzte Stromsollwertsignal wird im Summierverstärker 64 mit dem durch die Stromabfühlanordnung 56 gemessenen Istwert des durch die Verbindung zwischen Batterie und Wechselrichter fließenden Stromes verglichen, und ein die Differenz dieser Stromwerte darstellendes Signal wird dem Eingang des Stromreglers 66 zugeführt, der als Reaktion hierauf ein entsprechendes Phasenwinkelvollwertsignal erzeugt. Das gegebenenfalls durch den Winkelbegrenzer 74 begrenzte Phasenwinkelsollwertsignal sine* wird im Summierverstärker 78 mit einem Signal verglichen, das den Phasenwinkelistwert sin9 der Maschine darstellt und ein die Differenz dieser Phasenwinkel darstellendes Signal wird dem Eingang des Winkelreglers 80 zugeführt, der als Reaktion hierauf ein Frequenzsollwertsignal erzeugt. Die Steuer- oder Zündschaltung 45 ändert die DurchschaltIntervalle zu dem Wechsel-

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richter dann entsprechend diesem Frequenzsollwertsignal, so daß die Frequenz der Erregung oder Speisung der Maschine derart verändert wird, daß sich die gewünschte Maschinendrehzahl ergibt.

Zur Erläuterung der Arbeitsweise des Wechselrichter-Synchronmaschinen-Antriebssystems 10 für ein mit Energiespeicherung in einem Schwungrad arbeitendes Elektrofahrzeug soll nun unter Bezugnahme auf die Fig. 4a, 4b und 4c erläutert werden. Die sich nach dem Umlegen des Schalters 30 in die Stellung "Fahrt" ergebende Spannung an dem in den Fig. 1 und 3 dargestellten Fahrmotor 28 ist in Fig. 4a als Funktion der Zeit dargestellt, während der entsprechende Gleichstrom, der dabei aufgenommen wird, in Fig. 4b als Funktion der Zeit dargestellt ist. Wenn der Batterieschalter 22 geöffnet ist und der Schalter 30 in die Stellung "Fahrt" umgelegt wird, um das anfänglich stehende Fahrzeug anfahren zu lassen, nimmt die Spannung am Fahrmotor 28 linear mit der Zeit zu, bis ihr Wert die Spannung der Batterie 18 erreicht. Dies ist im Betriebsbereich 1 in Fig. 4a dargestellt. Wie Fig. 4 zeigt, ist der entsprechende Gleichstrom, der vom Fahrmotor 28 während dieses Intervalles aufgenommen und vom Wechselrichter 16 (der nun im Gleichrichterbetrieb arbeitet) geliefert wird, konstant als Ergebnis der Umwandlung von kinetischer Energie des Schwungrades in elektrische Energie durch den Motor/Generator 12.

Während des Betriebsbereiches 2 (Batterieschalter 22 geschlossen) steuert die in den Fig. 1 und 3 dargestellte Felderregungseinrichtung 35 den Ankerstrom des Fahrmotors 28 durch Schwächen dessen Feldes mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit in Abhängigkeit von einem zugeführten Bedienungspersonoder Fahrer-Steuersignal. Während dieser Zeit nimmt der vom Wechselrichter 16 zugeführte Strom entsprechend ab, obgleich die Spannung am Fahrmotor 28 konstant und gleich der Spannung der Batterie 18 bleibt, und der Rest des vom Fahrmotor 28 aufgenommenen Stromes wird von der Batterie 18 geliefert, wie

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es in Fig. 4b dargestellt ist. Wenn eine konstante Geschwindigkeit {Sollgeschwindigkeit) erreicht ist, wird der Strom für den Fahrmotor nur noch von der Batterie 18 geliefert, er hat dabei jedoch einen verhältnismäßig geringen Wert, wie in Fig. 4b dargestellt ist.

Wenn während eines Bremsintervalles, also beim Abbremsen des Fahrzeuges (Batterieschalter 22 geöffnet; Betriebsart 3), die Drehzahl des Fahrmotors 28 verringert werden soll, tritt am Fahrmotor 28 anfänglich eine Spannungsspitze (Gleichspannungsmaximum oder Gleichspannungsspitzenwert) auf, da der Fahrmotor 28 während dieses Intervalles als Generator arbeitet. Der Wechselrichter 16 arbeitet nun dementsprechend im Wechselrichterbetrieb, wobei er dazu dient, die kinetische Energie des Fahrzeugs (abzüglich Verluste) in das Schwungrad zurückzuübertragen. Der Fahrmotorstrom wird negativ, da der Fahrmotor 28 nun als Generator arbeitet.

Die Schwungraddrehzahl ist als Funktion der Zeit während der Betriebsarten 1 bis 3 in Fig. 4c dargestellt, sie bleibt relativ konstant. Die Schwungraddrehzahl nimmt während der Betriebsarten 1 und 2 mit zunehmender Fahrmotordrehzahl etwas ab, da mechanische Energie durch den Motor/Wechselspannungsgenerator 12 in elektrische Energie umgesetzt wird, während die Schwungraddrehzahl während des Bremsintervalles (Betriebsart 3) wieder zunimmt, wenn im Schwungrad durch Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie wieder mechanische Energie gespeichert wird.

Das im Vorstehenden beschriebene Steuersystem für ein Wechselrichter-Synchronmaschinen-Antriebssystem mit automatischer Einstellung oder Einjustierung der Zünd- oder Durchschaltintervalle des Wechselrichters zur Änderung der Frequenz des die Maschine speichernden Wechselstromes in Abhängigkeit von durch eine Bedienungsperson oder einen Fahrer vorgegebenen

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Laständerungen gewährleistet eine schnelle Synchronisation des Wechselrichters mit der Synchronmaschine während des Anfahrens der Maschine.

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Claims (14)

1. GENERAL ELECTRIC COMPANY Schenectady, N.Y., V.St.A.

   Verfahren und Einrichtung zum Steuern einer Synchron-

   maschine

   Patentansprüche

   / 1. jVerfahren zum Steuern einer Synchronmaschine, die durch eine ^ von einem Wechselrichter stammende Wechselspannung veränderbarer Frequenz gespeist wird, dadurch gekennzeichnet , daß ein Phasenwinkelsollwertsignal erzeugt wird, welches während anfänglicher Maschinenspeisungsintervalle von einem konstanten Phasenwinkelwert abhängt und während anderer als der anfänglichen Maschinenspeisungsintervalle durch eine Bedienungsperson veränderbar ist; daß ein Frequenzsollwertsignal erzeugt wird, dessen Größe proportional der Winkeldifferenz zwischen dem Phasenwinkelsollwertsignal und einem Signal ist, welches den Istwert der Phasenwinkeldifferenz zwischen dem Luftspaltfluß und dem Strom der Maschine repräsentiert; und daß die Speisung der Synchronmaschine in Abhängigkeit von dem Frequenzsollwertsignal geändert wird.

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   ORIGINAL INSPECTED
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt des Erzeugens des Frequenzsollwertsignals mit einer Größe, die proportional der Winkeldifferenz zwischen dem Phasenwinkelsollwertsignal und einem den Istwert der Phasenwinkeldifferenz zwischen dem Luftspalt fluß und dem Strom in der Maschine darstellenden Signal während anderer Intervalle als während der anfänglichen Maschinenspeisung oder -erregung auftritt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Erzeugung des Phasenwinkelsollwertsignals während anderer als der anfänglichen Maschinenspeisungsintervalle ein von einer Bedienungsperson vorgegebenes Stromwertsignal mit einem Signal, das den Istwert des über eine Verbindung zum Wechselrichter fließenden Gleichstromes darstellt, algebraisch summiert werden und ein der Größe der Differenz dieser Signale entsprechendes Signal erzeugt wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

   riott das von der Bedienungsperson vorgegebene Stronjtfertsignal vor der algebraischen Summierung mit dem den Istwert des über die Verbindung zum Wechselrichter fließenden Stromes darstellenden Signal auf einen Wert unter einem vorgegebenen, maximal zulässigen Wechselrichterverbindungsstromwert begrenzt wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasenwinkelsollwertsignal derart begrenzt wird, daß es einen vorgegebenen Phasenwinkelwert der Maschine nicht überschreitet.
6. 6. Verfahren zum Steuern einer Synchronmaschine, die durch eine von einem Wechselrichter gelieferte Wechselspannung

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   veränderbarer Frequenz erregt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Frequenzkonunandosignal als Antwort auf ein Maschinenanfahrfrequenzsignal während anfänglicher Maschinenerregungsintervalle und in Antwort auf von einer Bedienungsperson befohlene Laständerungen während anderer Zeitintervalle als der anfänglichen Maschinenerregungsintervalle erzeugt wird und

   daß die Frequenz der frequenzveränderlichen Wechselspannung durch das Frequenzkonunandosignal gesteuert bzw. geändert wird.
7. 7. Einrichtung zum Steuern einer Synchronmaschine in einem Wechselrichter-Synchronmaschinen-Antriebssystem, das die Synchronmaschine, eine Quelle für eine frequenzveränderliche Wechselspannung zum Speisen der Maschine und eine mit der Maschine gekoppelte Vorrichtung zum Erzeugen eines Signales, das den Istwert der Phasenwinkeldifferenz zwischen Maschinenluftspaltfluß- und Maschinenstromsignalen darstellt, enthält, gekennzeichnet durch eine Anordnung (58, 60, 70) zum Erzeugen eines Phasenwinkelsollwertsignales in Abhängigkeit von einem vorgegebenen festen Maschinenphasenwinkelwert während anfänglicher Maschinenspeisungsintervalle (Anfahrintervalle) und in Abhängigkeit von durch eine Bedienungsperson vorgegebenen Laständerungen während anderer Zeitintervalle als der anfänglichen Maschinenspeisungsintervalle;

   eine Vergleichsanordnung (78), die mit der Anordnung zum Erzeugen des Phasenwinkelsollwertsignals und der Anordnung (76) zum Erzeugen des Signales entsprechend dem Istwert der Differenz zwischen dem Luftspaltfluß und dem Strom der Maschine gekoppelt ist; und

   einen Winkelregler (18), der mit der Vergleichsanordnung zum' Erzeugen eines Frequenzsollwertsignales und der Quelle für die frequenzveränderliche Wechselspannung zum Ändern

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   der Frequenz dieser Wechselspannung gekoppelt ist.
8. 8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung (58, 60, 70) zum Erzeugen des Phasenwinkelsollwertsignales enthält:

   einen ersten summierenden Verstärker (64) mit einem ersten Eingang, dem ein von einer Bedienungsperson einstellbares Stromwertsignal d_DC*) zuführbar ist, und einem zweiten Eingang, der mit der Wechselspannungsquelle veränderbarer Frequenz gekoppelt ist und ein Signal erhält, welches von dem von dieser über eine Verbindungsleitung aufgenommenen Eingangsstrom abhängt, wobei der erste summierende Verstärker an seinem Ausgang ein Fehlersignal liefert, das von der Amplitudendifferenz der Signale an den beiden Eingängen abhängt;

   eine Stromregleranordnung zum Erzeugen eines Frequenzsollwertsignales in Abhängigkeit von einem zugeführten Eingangssignal; und

   einen zweiten summierenden Verstärker (66) mit einem ersten Eingang, dem ein Phasenwinkelsollwertsignal konstanten Wertes zuführbar ist, und einem zweiten Eingang, der mit dem Ausgang der Stromregleranordnung (66) gekoppelt ist, wobei der Eingang der Stromregleranordnung (66) während Intervallen einer anfänglichen Maschinenerregung bzw. -speisung mit dem Ausgang des zweiten summierenden Verstärkers und während anderer als der anfänglichen Maschinenspeisungsintervalle mit dem Ausgang des ersten summierenden Verstärkers gekoppelt ist, um ein Phasenwinkelsteuersignal zu erzeugen, das von den Ausgangssignalen des ersten bzw. zweiten summierenden Verstärkers abhängt.
9. 9. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromregleranordnung (66) einen Verstärker mit einer integralen plus proportionalen übertragungscharakteristik enthält.

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10. 10. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem ersten Eingang des ersten summierenden Verstärkers eine Strombegrenzungsanordnung verbunden ist, um das von der Bedienungsperson vorgebbare Stromsollwertsignal unter einem vorgegebenen maximalen Stromwert zu halten.
11. 11. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Ausgang der Stromregleranordnung eine Winkelbegrenzungsanordnung gekoppelt ist, die das durch die Stromregleranordnung erzeugte Phasenwinkelsollwertsignal unter einem vorgegebenen, maximal zulässigen Winkelwert zu halten.
12. 12. Einrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen summierenden Verstärker mit einem ersten Eingang, dem ein Maschinenanfahrfrequenzsignal zuführbar ist, und einem zweiten Eingang, der mit dem Ausgang der Winkelregleranordnung gekoppelt ist, und durch eine Schaltvorrichtung, die den Eingang der Winkelregleranordnung während Maschinenfanfahrintervallen mit dem Ausgang des Summierverstärkers und während anderer als der Maschinenanfahrintervalle mit dem Ausgang des Vergleichers koppelt.
13. 13. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleicheranordnung einen summierenden Verstärker enthält.
14. 14. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als summierender Verstärker eine Differenzverstärkerschaltung dient, der die Eingangssignale mit entsprechender Polung zugeführt sind.

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