DE60120341T2

DE60120341T2 - Verfahren für einen Frequenzwandler

Info

Publication number: DE60120341T2
Application number: DE60120341T
Authority: DE
Inventors: Samuli Heikkila
Original assignee: ABB Oy
Current assignee: ABB Oy
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2001-12-20
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2021-12-21
Also published as: EP1223666B1; ATE329402T1; JP2002209398A; EP1223666A2; US6552510B2; FI20002843L; JP3727268B2; US20020113570A1; EP1223666A3; DE60120341D1; FI112299B; FI20002843A0

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für einen Frequenzwandler, wenn der Frequenzwandler einen Motor steuert und drehmomentgesteuert ganz oder teilweise in einem feldabschwächenden Bereich arbeitet.
Durch die Verwendung von Frequenzwandlern kann die Drehzahl eines gesteuerten Motors deutlich über die Motornennfrequenz erhöht werden. Die Erhöhung der Drehzahl über die Nennfrequenz hinaus erfordert meistens eine Reduzierung in der Magnetisierung, wodurch sich die Ausgangsfrequenz über einen feldabschwächenden Punkt hinaus erhöht, d.h. die Maschine wird als in einem feldabschwächenden Bereich arbeitend bezeichnet.
Bisher wurde bei Lösungen mit direkter Drehmomentsteuerung versucht, einen Flusszeiger in dem feldabschwächenden Bereich so zu steuern, dass sein Kopf in den Raumkoordinaten einen Kreis bildet. Gleichzeitig hat man versucht, die Verwendung von Null-Zeigern zu vermeiden, indem die Spannung in den Motorpolen so hoch wie möglich gehalten wurde. Eine maximale Spannung würde erreicht, wenn der Flusszeiger ein Sechseck bilden würde. Jeder Winkel des Sechsecks würde den Richtungen von Spannungsvektoren entsprechen. Mit einer solchen Form wäre es theoretisch möglich, in dem feldabschwächenden Bereich eine 20% Steigerung des Drehmomentes im Vergleich zu einer kreisförmigen Fluss-Trajektorie zu erreichen. Eine Eliminierung der Null-Zeiger war jedoch bei den früheren Implementierungen und einem sechseckigen Fluss nicht erfolgreich und somit war es nicht möglich, eine Höchstspannung zu verwenden.
Bei den früheren Implementierungen basiert die Steuerung auf komplexen Berechnungen, die aufgrund der Komplexität in einem Langsam-Zeitbereich erfolgen müssen, wodurch die Stabilität und Dynamik der Steuerung bei hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten leiden.
Dokument DE 19640591C offenbart ein Verfahren zur Drehmomentregelung eines asynchronen Motors. Die Regelung basiert auf dem tatsächlichen Flusswert und dem Sektor des Flussvektors.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Zielsetzung der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das die oben genannten Nachteile vermeidet, und die Steuerung eines Motordrehmomentes in einem feldabschwächenden Bereich zuverlässiger als bisher ermöglicht. Dieses Ziel wird durch ein Verfahren der Erfindung erreicht, wie es in dem unabhängigen Anspruch 1 beansprucht wird.
Die Erfindung basiert auf der Vorstellung, dass die Veränderung, die durch den Spannungsvektorwechsel zum Drehmoment verursacht wird, auf einfache und zuverlässige Art und Weise vorhergesagt werden kann. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Drehmoment in dem schnellsten Zeitbereich der Steuerung vorhergesagt werden, wodurch die Dynamik und Stabilität der Steuerung gewährleistet sind. Außerdem ist es mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, in einem feldabschwächenden Bereich die gesamte Spannung des Zwischenkreises des Frequenzwandlers zu nutzen, da die Steuerung, die mit Hilfe des Verfahrens implementiert wird, keine Nullspannungs-Vektoren verwendet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nun im Detail anhand der bevorzugten Ausführungsarten und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 die Spannungsvektoren und den Flusskreis eines Frequenzwandlers,
2 ein Bezugsdrehmoment und ein tatsächliches Drehmoment in einem Zeitbereich,
3 die Vorhersage eines Drehmoment-Vektors als Vektor-Diagramm, und
4 ein Ablaufdiagramm für das erfindungsgemäße Verfahren.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Wenn ein Frequenzwandler in einem stationären, konstanten Flussbereich arbeitet, zieht der Flussvektor eine kreisförmige Trajektorie. In einem solchen Fall kann das Drehmoment auf einfache Art und Weise innerhalb der Hysteresegrenzen gehalten werden, indem bei den erforderlichen Momenten Null-Vektoren verwendet werden. Wenn sich die Frequenz erhöht, werden im Durchschnitt weniger Nullvektoren verwendet, und der Winkel des Flussvektors beeinflusst die Anzahl von Null-Vektoren. Die meisten Null-Vektoren werden dann verwendet, wenn sich der Flussvektor nahe an den Sektorkanten befindet und die wenigsten Null-Vektoren werden verwendet, wenn sich der Flussvektor im mittleren Abschnitt der Sektoren befindet. Wenn sich die Ausgangsfrequenz bis zum feldabschwächenden Punkt hin erhöht, werden in den mittleren Bereichen der Sektoren keine Null-Vektoren verwendet. In dieser Situation kann die Drehmomentsteuerung das Drehmoment nicht innerhalb der Hysteresegrenzen halten und die feldabschwächende Steuerung sollte den Fluss derart reduzieren, dass das Drehmoment steuerbar bleibt.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Drehmomentsteuerung so durchgeführt, dass der verwendete Statorfluss gleichzeitig geringer wird. In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Drehmomentschätzung T_pred vorhergesagt, die erreicht werden würde, wenn zum Zeitpunkt der Vorhersage ein Spannungsvektorwechsel einträte, die vorhergesagte Drehmomentschätzung mit einem Bezugsdrehmoment verglichen wird, die Richtung der Bewegung und des Sektors eines Statorflussvektors definiert wird und der Spannungsvektorwechsel durchgeführt wird, wenn die vorhergesagte Drehmomentschätzung geringer ist als das Bezugsdrehmoment und der Sta torflussvektor sich in eine positive Bewegungsrichtung bewegt oder wenn die Drehmomentschätzung größer ist als das Bezugsdrehmoment und sich der Statorflusswechsel in eine negative Bewegungsrichtung bewegt.
Dies wird derart durchgeführt, dass zum geeignetsten Zeitpunkt ein einzelner Vektor ausgewählt wird, der das Bezugsdrehmoment in einem vorhergesagten Augenblick implementiert. Außerdem wird dieser Spannungsvektor aufrechterhalten, bis das Bezugsdrehmoment erreicht ist, es sei denn, ein zweiter Spannungsvektor sollte zu einem früheren Zeitpunkt gewählt werden. Es gibt dann keinen Versuch, den Fluss kreisförmig zu halten. Zum Zeitpunkt der Vorhersage löst sich der Fluss von dem Kreis und hängt sich zum vorhergesagten Zeitpunkt wieder an ihn an.
Wenn sich der Betriebspunkt der gesteuerten Maschine in dem feldabschwächenden Bereich oder nahe bei ihm befindet, wird im schnellsten Zeitbereich geprüft, ob die Flussanpassung der Erfindung gestartet werden sollte oder nicht. 1 zeigt die Spannungsvektoren U1 bis U6 des Frequenzwandlers und den Flusskreis.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung findet die Vorhersage der Drehmomentschätzung T_pred auf der Grundlage eines definierten Statorfluxvektors Ψ s und Rotorfluxvektors ϕ r und der Stator- und Rotorfluxvektor-Schätzungen statt, die durch einen möglicherweise implementierten Spannungsvektor erzeugt wurden.
Der Rotorfluxvektor ϕ r lässt sich in reduzierter Form als Funktion von Statorfluss und Strom definieren ϕ r = ψ s – δLs i x, (1)wobei δL_s ein konstanter Term in Bezug auf den gesteuerten Motor ist.
Das Drehmoment, das meistens als Vektorprodukt aus Statorflus und Strom berechnet wird, kann auch mittels der Stator- und Rotorflüsse berechnet werden
Somit erhält man am Ende der Anpassung durch die Vorhersage des Verhaltens des Stator- und Rotorflusses einen Vorhersagewert für das Drehmoment. Es ist klar, dass die Größe des Statorflusses nicht von dem Motor gemessen werden kann, doch er wird in dem Frequenzwandler durch die Verwendung eines Modells geschätzt, das aus dem Motor hergestellt wurde.
Die Durchführung der Anpassung und die Funktionsweise des Verfahrens werden nun unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. Die Figur zeigt den definierten Statorfluxvektor Ψ s und den Rotorfluxvektor ϕ r . Die Figur zeigt auch einen Spannungsvektor U3, dessen Wahl den Statorfluss in die gewünschte Richtung bewegt. Aus Symmetriegründen bilden sowohl der Anfangspunkt der Anpassung als auch ihr Endpunkt denselben Winkel mit der Kantenlinie OA des Sektors. Somit ist der vorhergesagte Statorfluss Ψ spΨsp ein Spiegelbild des definierten Statorflusses und seine Richtung lässt sich am einfachsten dadurch berechnen, dass man einen neuen Satz Koordinaten definiert, der an der Kantenlinie OA der Sektoren angehängt wird, und indem man bei den erforderlichen Flussvektoren eine Koordinatenumwandlung durchführt.
Die Koordinatenumwandlung kann durch Definition eines Einheitsvektors s durchgeführt werden, der parallel zu der Kantenlinie der Sektoren verläuft und dessen Position in dem Stator-Koordinatensystem definiert ist s = sx + j·sy.
Der Statorfluxvektor wird wiederum in demselben Koordinatensystem definiert ψ s = flx + j·fly.
Die Koordinaten des Statorflusses können nun in dem Kantenlinien-Koordinatensystem wie folgt berechnet werden:
wobei flx die x-Richtungskomponente des Flusses und fly die y-Richtungskomponente ist.
Um einen vorhergesagten Statorflussvektor zu berechnen, sollte der definierte Statorflussvektor im Ausmaß des Winkels 2·atan(ay/ax) gedreht werden. Der vorhergesagte Statorflussvektor kann jedoch unter Verwendung einer trigonometrischen Funktion einfach durch zweifache Multiplikation des Statorflussvektors mit dem Vektor ax + j·ay berechnet werden. Der vorhergesagte Statorflussvektor lässt sich präsentieren durch Verwendung
der Hilfsvariablen fx und fy in der Komponentenform Ψ sp = flx_pred + j·fly_pred:
Um einen vorhergesagten Rotorflussvektor Φ_rp zu berechnen, sollte man zunächst die Zeit Δt definieren, die die zu verwendende Anpassung benötigt. Das heißt, die Zeit, während der der Spannungsvektor, der zum Vorhersagezeitpunkt gewählt wurde, gültig bleibt. Nehmen wir an, dass während der Anpassung die Spannung Uc des Zwischenkreises des Frequenzwandlers konstant ist, in welchem Fall der Betrag ΔΨ_s des Statorflusswechsel wie folgt lautet:
Dann wird ΔΨ_s erneut in dem Kantenlinien-Koordinatensystem in 3 wie folgt definiert: Δψs = 2·ay (6)
Durch Eliminieren von ΔΨ_s aus den vorherigen Gleichungen, beträgt die Zeit Δt
Während der Anpassung treten in der Winkelgeschwindigkeit des Rotorflusses infolge der Trägheitsmasse des Rotors keine bedeutenden Veränderungen auf. Deshalb dreht sich der Rotorfluss während der Anpassung im Umfang des Winkels φ = Δt ω_s, wobei ω_s eine durchschnittliche Ausgangsfrequenz des Frequenzwandlers während der Anpassung ist. Somit lautet der Drehwinkel des Rotorflusses während der Anpassung
Unter der Annahme, dass sich die Amplitude des Rotorflusses während der Anpassung nicht verändert, erhält man den vorhergesagten Rotorflussvektor durch Drehen des ursprünglichen Rotorflusses um den Winkel φ, d.h. ϕ rp = (cosφ + jsinφ)ϕ r (9)
Auf diese Art und Weise werden die vorhergesagten Rotor- und Statorflussvektoren auf einfache Art und mit genügender Genauigkeit erzeugt, so dass das vorhergesagte Drehmoment daraus nach folgender Gleichung (2) berechnet werden kann
Wenn eine Drehmomentschätzung eines künftigen Zeitpunktes wie oben beschrieben vorhergesagt wurde, wird diese Schätzung mit dem Bezugsdrehmoment gemäß der Erfindung verglichen. Wenn das Ergebnis des Vergleichs so ausfällt, dass das vorhergesagte Drehmoment kleiner ist als das Bezugsdrehmoment, wenn der Fluss sich in eine positive Richtung dreht, oder wenn das vorhergesagte Drehmoment größer ist als das Bezugsdrehmoment, wenn der Fluss sich in eine negative Richtung dreht, sollte die Anpassung unter Verwendung des Spannungsvektors, der bei der Durchführung der Vorhersage verwendet wurde, sofort durchgeführt werden. Die Verwendung dieses Spannungsvektors ist der rascheste und optimalste Weg, um das Bezugsdrehmoment zu erreichen.
4 ist ein Ablaufdiagramm für die Funktionsweise des Verfahrens gemäß der Erfindung. Das Ablaufdiagramm wird beispielsweise in dem schnellsten Zeitbereich der Steuerung implementiert. Wenn das Verfahren begonnen wird, wird ein Sektor S, in dem sich der Statorflussvektor zur fraglichen Zeit befindet, in 40 definiert. Im nächsten Schritt 41 wird der Sektor geprüft, um festzustellen, ob es derselbe ist wie während der vorherigen Ausführungszeit. Wenn sich der Sektor geändert hat, erhält eine Variable Sprev 42 den Wert des gegenwärtigen Sektors S. Gleichzeitig wird eine Statusvariable F auf den Wert 0 aktualisiert und die Routine bewegt sich zum Ende des Diagrammes. Wenn die Statusvariable F den Wert 1 hat, setzt sich der Beginn der Flussanpassung fort (der Sektor hat sich noch nicht geändert). Dies wird in Block 43 geprüft. Wenn sich der Beginn der Flussanpassung fortsetzt, bewegt sich die Routine zum Ende des Diagrammes. Wenn sich der Sektor nicht geändert hat, (S = Sprev) und sich das Ende der Anpassung fortsetzt (F = 0), wird eine Vorhersage des fraglichen Zeitpunktes in 44 für das Drehmoment berechnet. Die Berechnung der Vorhersage wird wie oben beschrieben gemäß den Gleichungen (3) bis (10) durchgeführt.
Ob eine neue Bezugsspannung implementiert werden muss, wird in 45 auf der Basis der definierten Drehmomentvorhersage, dem Bezugsdrehmoment und der Statorfluss-Drehrichtung definiert. Die Definition erfolgt durch einfache Berechnung der Differenz zwischen der Vorhersage und dem Bezug und Multiplikation dieser Differenz mit der Winkelgeschwindigkeit des Stators. Wenn dieses Produkt kleiner Null ist, wird der Spannungsvektor in 46 geändert, andernfalls bewegt sich die Routine zum Ende des Diagrammes. Wenn der Spannungsvektor geändert wird, erhält die Statusvariable F in 47 den Wert 1 als Anzeige für die nächste Runde, dass eine Anpassung durchgeführt wird, doch der Wechselpunkt des Sektors wurde noch nicht erreicht.
2 zeigt, wie das tatsächliche Drehmoment mitschwingt, sobald der Fluss unter Einsatz des Verfahrens der Erfindung durch den Sektor fließt. Das Steuerungsverfahren ist jedoch stabil, denn falls aus irgendeinem Grund das tatsächliche Drehmoment nach der Anpassung kleiner ist als vorausgesagt, beginnt die nächste Anpassung früher und verursacht eine Reduzierung in dem Statorfluss und die Differenz zwischen dem tatsächlichen Drehmoment und dem Bezugsdrehmoment nimmt nicht mehr zu. Dies basiert auf dem Merkmal der Erfindung, dass das Steuerungsverfahren kontinuierlich den optimalsten Anpassungszeitpunkt berechnet. Es kann zwar sein, dass das System einen permanenten Drehmomentfehler infolge der Drehmomentvorhersage aufweist, doch die Drehmomentsteuerung kann dem Bezugsdrehmoment immer noch genau folgen. Ein möglicher permanenter Fehler in der Drehmomentsteuerung sollte auf jeden Fall beispielsweise mit Hilfe eines Integrators kompensiert werden.
In der in 1 gezeigten Art und Weise gibt es in der teilweisen Feldabschwächung Punkte zwischen den Anpassungen, in denen der Statorfluss dem Flusskreis folgt, der von dem Bezugsfluss definiert wird. Dies geschieht dann, wenn der Statorfluss den Bezugswert vor dem Beginn der nächsten Anpassung erreicht. Im Betrieb bei vollständiger Feldabschwächung berührt der Statorfluss den Kreis des Bezugsflusses nur an Stellen parallel zu den Spannungsvektoren und der Fluss wird sechseckig. Dasselbe Steuerungsprinzip funktioniert sowohl bei vollständiger als auch bei teilweiser Feldabschwächung, da das vorhergesagte Drehmoment nach jeder Anpassung dem Bezugswert entspricht. Wenn das tatsächliche Drehmoment versuchen sollte, unter den Bezugswert zu fallen, geschieht bei dem vorhergesagten Drehmoment dasselbe, in welchem Fall das Steuerungssystem der Erfindung automatisch größere Anpassungen auswählt.
Es ist für einen Fachmann auf dem Gebiet offensichtlich, dass die Technologie zwar fortschreitet, aber die Grundidee der Erfindung auf viele verschiedene Arten implementiert werden kann. Die Erfindung und ihre Ausführungsarten sind somit nicht auf die oben beschriebenen Beispiele begrenzt, sondern können innerhalb des Geltungsbereichs der Ansprüche variieren.

Claims

Verfahren zum Anpassen des Ausgangsspannungsvektors eines Frequenzkonverters, wenn der Frequenzkonverter einen Motor steuert und teilweise oder gänzlich in einem feldabschwächenden Bereich drehmomentreguliert im Betrieb ist, die Schritte umfassend, Bestimmen des Statorflussvektors (ψ s) und des Rotorflussvektors (Φ r) des durch den Frequenzkonverter gesteuerten Motors, Bestimmen des Sektors (40) und der Bewegungsrichtung (41) des Statorflussvektors (ψ s) in dem Motor, Bestimmen des nachfolgend zur Verwendung herangezogenen Ausgangsspannungsvektors (U3) auf der Basis der Bewegungsrichtung, Berechnen (44) einer Drehmomentschätzung (T_pred) für einen zukünftigen Zeitpunkt, unter der Annahme, dass der bestimmte Ausgangsspannungsvektor (U3) zur Verwendung im Berechnungszeitpunkt herangezogen wird, wobei die Drehmomentschätzung auf der Basis von Stator- und Rotorflussvektorschätzungen (ψ sp, Φ rp) berechnet wird, die aus den bestimmten Stator- und Rotorflussvektoren (45) (Ψ s, Φ r) berechnet werden, Bestimmen auf der Basis der berechneten Drehmomentschätzung (T_pred), einem Referenzdrehmoment (T_ref) und der Bewegungsrichtung des Statorflussvektors, ob die Notwendigkeit besteht, den Ausgangsspannungvektor zu verändern, und den bestimmten Ausgangsspannungsvektor (U3) zur Verwendung heranzuziehen (46), wenn die vorhergesagte Drehmomentschätzung (T_pred) kleiner ist als das Referenzdrehmoment (T_ref) und der Statorflussvektor (ψ s) sich in einer positiven Bewegungsrichtung bewegt oder wenn die Drehmomentschätzung (T_pred) größer ist als das Referenzdrehmoment (T_ref) und sich der Statorflussvektor (ψ s) in eine negative Bewegungsrichtung bewegt.
Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen der Statorflussvektorschätzung (ψ sp) und der Kantenlinie (OA) des Sektors dem Winkel zwischen dem bestimmten Statorflussvektor (ψ s) und der Kantenlinie (OA) des Sektors entspricht.