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Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Verfahren zur Regelung einer Drehfeldmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Stand der Technik

Mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik Bezug, wie er aus einer Veröffentlichung von H. P. Bauer und M. Buschmann, CONTROL SYSTEM FOR A THREE PHASE GTO INVERTER FOR MASS TRANSIT APPLICATIONS, EPE-Proceedings, Firenze (1991) Heft 4, S. 638-643, bekannt ist. Dort werden Drehfeldmaschinen einer Untergrundbahn mit direkter Selbstregelung betrieben und aus einem Gleichspannungsnetz über Wechselrichter gespeist. Dabei werden Gleichspannungsoszillationen, z. B. infolge von Stromabnehmersprüngen, mittels Eingangsfiltern unterdrückt.

Bei einem starken Anstieg der Speisespannung kann es passieren, daß die Regelung den magnetischen Ständerfluß der Drehfeldmaschine schneller hochfährt, als es der Zeitkonstante des Rotors entspricht. Dies kann bei einer langen Dauer des Anstiegs entweder eine Momentenüberhöhung oder sogar ein "Kippen" der Drehfeldmaschine zur Folge haben. Typischerweise treten diese Probleme nur im Feldschwächbereich auf, in dem die Stellreserve gering ist.

Zum einschlägigen Stand der Technik wird zusätzlich auf die Dissertation an der Ruhr-Universität Bochum, 1988, von J. Hodapp, "Die direkte Selbst-Regelung einer Asynchronmaschine mit einem Signalprozessor", veröffentlicht in:

Fortschrittberichte VDI, Reihe 8, Nr. 175: Meß-, Steuerungs- und Regelungstechnik, VDI-Verlag Düsseldorf, 1989, S. 3-47, hingewiesen, in der Berechnungen von magnetischem Ständerfluß und Drehmomentistwert einer Drehfeldmaschine angegeben sind, die auch bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist, löst die Aufgabe, ein Verfahren zur Regelung einer Drehfeldmaschine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, daß ein Kippen der Drehfeldmaschine infolge von Schwankungen der Speisespannung vermieden wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß weniger Betriebsstörungen auftreten.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich leicht auf vorhandene Regelungen übertragen, da sowohl der zu überwachende Anstieg des magnetischen Flusses, die Filterzeitkonstante der Spannungsfilterung und auch die zulässige Abweichung der Speisespannung leicht zu erfassen sind. Diese Überwachungen und Erfassungen können parallel zur normalen Regelung durchgeführt werden. Der Regler bleibt auch im Fehlerfall/Problemfall aktiv; er wird nur kurzzeitig durch eine Nullspannungsschaltung "überstimmt". Es ergeben sich dadurch jedoch fließende Übergänge vom Normalbetrieb zum Störungsfall und umgekehrt, wobei in jedem Fall der Antrieb aktiv bleibt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Drehmomentregelschaltung einer Drehfeldmaschine,

Fig. 2 und 4 zeitliche Verläufe einer Speisegleichspannung für die Drehfeldmaschine und

Fig. 3 und 5 zeitliche Verläufe von Ständerstrom und Drehmoment der Drehfeldmaschine.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Fig. 1 zeigt eine Induktions- bzw. Asynchron- bzw. Drehfeldmaschine (2), die über einen 3phasigen Wechselrichter (1) aus einer Gleichspannungsquelle mit einem Pluspol (P) und einem Minuspol (N) mit einer Speisegleichspannung (Ud) gespeist wird. Ein Kondensator (C) dient zur Stabilisierung dieser Speisegleichspannung (Ud). Die Speisegleichspannung (Ud) kann z. B. die Zwischenkreisgleichspannung eines nicht dargestellten Umrichters mit einem Gleichspannungszwischenkreis sein. Der Gleichspannungszwischenkreis bildet dann zusammen mit dem Wechselrichter (1) und der Drehfeldmaschine (2) die Regelstrecke und der Wechselrichter (1) das Stellglied der Regelstrecke. Zur Regelung eignen sich schnelle und dynamische Regelverfahren, die auf Mikroprozessoren realisiert werden, z. B. das Verfahren der direkten Selbstregelung.

Ein Drehmomentregler (3), dem eingangsseitig ein Drehmomentistwert (Mx) und ein z. B. von einer nicht dargestellten, übergeordneten Regelung vorgebbarer Drehmomentsollwert (Mr) zugeführt sind, liefert ausgangsseitig eine Reglerstellgröße (S3) über einen Öffner (4) an einen Zündimpulswandler (5). Dieser liefert ausgangsseitig Wechselrichtersteuersignale (SR, SS, ST) für 3 Wechselstromphasen (R, S, T) an den Wechselrichter (1).

Ein Funktionsgeber (6) erhält eingangsseitig diese Wechselrichtersteuersignale (SR, SS, ST), ein zur Speisegleichspannung (Ud) proportionales Signal sowie Phasenstromistwertsignale (iR, iS, iT) vom Ausgang des Wechselrichters (1) und liefert ausgangsseitig ein zum magnetischen Ständerfluß (ψs) proportionales Signal an ein Differenzierglied (7). Es ist ausreichend, wenn anstelle von 3 Phasenstromistwerten (iR, iS, iT) nur 2 vorgegeben werden und der 3. über die Stromsumme berechnet wird. Die Berechnung des magnetischen Ständerflusses (ψs) kann z. B. gemäß den Berechnungen der eingangs genannten Dissertation erfolgen. Das Differenzierglied (7) liefert ausgangsseitig ein zur magnetischen Flußänderung (Δψs) proportionales Signal an einen nichtnegierenden Eingang eines 1. Komparators (8), an dessen negierendem Eingang ein vorgebbarer Grenzwert der magnetischen Flußänderung (Δψsr) anliegt und der ausgangsseitig über ein UND-Glied (9) mit einem Steuereingang des Öffners (4) in Steuerverbindung steht. Ist das Ausgangssignal des UND-Gliedes (9) gleich 0, so ist der Öffner (4) geschlossen, andernfalls während einer vorgebbaren Zeitdauer im Bereich von 150 µs-500 ms geöffnet. Der Grenzwert der magnetischen Flußänderung (Δψsr) entspricht der Zeitkonstante des Rotors der Drehfeldmaschine (2); er ist so gewählt, daß die Drehfeldmaschine (2) "kippen" würde, wenn die magnetische Flußänderung (Δψs) diesen Grenzwert überschreiten würde. Die Rotorzeitkonstante ergibt sich aus dem Verhältnis von Streuinduktivität zu Rotorwiderstand der Drehfeldmaschine (2); sie bestimmt die mögliche Flußanstiegsgeschwindigkeit.

Wird der Anstieg des magnetischen Ständerflusses (ψs) schneller als die Rotorzeitkonstante, so würde bei längerer Aussteuerung der Rotorfluß dem magnetischen Ständerfluß (ψs) nicht mehr folgen können und somit die Drehfeldmaschine (2) "kippen". Aus diesem Grund muß der Anstieg des magnetischen Ständerflusses (ψs) überwacht werden. Ein 1. Schutzmaßnahmekriterium für einen unzulässigen Spannungsanstieg ist erfüllt, wenn der magnetische Ständerflußanstieg (Δψs) schneller ist als der Rotorflußanstieg, der maximal nur mit der Rotorzeitkonstante erfolgen kann. Der Ständerflußanstieg (Δψs) wird daher im Komparator (8) mit dem maximal zulässigen Rotorflußanstieg (Δψsr) verglichen.

Einem PTI-Filter bzw. Tiefpaßfilter (10) sind eingangsseitig das zur Speisegleichspannung (Ud) proportionale Signal und eine vorgebbare Eck- oder Grenzfrequenz (fe) in einem Frequenzbereich von 5 Hz . . . 20 Hz zugeführt; ausgangsseitig liefert es ein gefiltertes Spannungssignal (UF) an einen negierenden Eingang eines 2. Komparators (11), der ausgangsseitig mit einem 2. Eingang des UND-Gliedes (9) verbunden ist. Die Grenzfrequenz (fe) ist so gewählt, daß in der Speisegleichspannung (Ud) enthaltene Oberschwingungen das Tiefpaßfilter (10) nicht passieren können. Einem nichtnegierenden Eingang des Komparators (11) ist das zur Speisegleichspannung (Ud) proportionale Signal zugeführt und einem weiteren negierenden Eingang ein vorgebbarer Spannungsdifferenzgrenzwert (ΔUr).

Dadurch ist ein 2. Schutzmaßnahmekriterium definiert. Ist diese gefiltere Spannung (UF) um eine projektabhängig einstellbare Schwelle (ΔUr) kleiner als die ungefilterte Speisegleichspannung (Ud), dann ergibt sich in Verbindung mit dem 1. Schutzmaßnahmekriterium bereits ein eindeutiger Nachweis eines unzulässig steilen Spannungsanstiegs ΔU = Ud - UF.

Um ein Kippen der Drehfeldmaschine (2) oder Überströme zu vermeiden, könnte nur die Leistung des Antriebs reduziert werden, bis wieder stabile Verhältnisse vorhanden sind. Dies hätte jedoch den Nachteil, daß dann z. B. bei Traktionsfahrzeugen die elektrische Bremse nicht sofort zur Verfügung steht. Eine Lösung dieses Problems besteht darin, daß die Ständerflußaufbaugeschwindigkeit (Δψs) so verkleinert wird, daß der Rotorfluß folgen kann und die Drehfeldmaschine (2) nicht kippt. Ferner muß der Drehmomentistwert (Mx) unter Kontrolle gehalten werden, damit die Anlage nicht zusätzlich durch Drehmomentüberhöhungen mechanisch belastet wird. Gleichzeitig sollte weiterhin soviel Leistung wie möglich zur Verfügung gestellt werden.

Diese 3 Forderungen können alle realisiert werden, wenn zur Verringerung der Ständerflußaufbaugeschwindigkeit (Δψs) der magnetische Ständerfluß (ψs) kurzzeitig reduziert oder angehalten wird, damit der Rotorfluß die Möglichkeit hat, dem schnellen Ständerflußanstieg zu folgen. Dies kann dadurch bewirkt werden, daß zwischenzeitlich alle 3 Stränge des Wechselrichters (1) auf ein reduziertes oder auf das gleiche Potential gelegt werden, die Drehfeldmaschine (2) also zwischen ihren Klemmen nur eine reduzierte oder keine Spannung mehr anliegen hat. Durch die "Nullspannungsschaltung" wird der Ständerflußaufbau angehalten, und der Rotorfluß kann dem Ständerflußaufbau folgen. In diesem Fall ergeben sich auch automatisch kleinere Phasenströme (iR, iS, iT), da der Rotor durch diese kurzzeitige Maßnahme nicht mehr "wegkippt". Das Drehmoment (M), das beim Kippen des Rotors außer Kontrolle geraten würde, wird durch die Schaltung der Nullspannung ebenfalls in einem geringen Toleranzband gehalten, wodurch auch die Drehmomentübersteuerungen nicht mehr auftreten. Außerdem steht in diesem Betriebsfall weiterhin möglichst viel Leistung zur Verfügung, und es ergeben sich auch keine Wartezeiten, falls z. B. bei Traktionsfahrzeugen eine Notbremsung eingeleitet werden muß.

Durch die UND-Verknüpfung der beiden Ausgangssignale der Komparatoren (8) und (11) wird der Schaltkontakt des Öffners (4) geöffnet und damit vorzugsweise die "Nullspannung" an den Klemmen der Drehfeldmaschine (2) hergestellt. Dabei ist die Zeitdauer, in welcher eine Nullspannung geschaltet wird, einstellbar im Bereich von 150 µs-500 ms; sie entspricht etwa der Ausschaltdauer der im Wechselrichter (1) verwendeten GTO-Thyristoren. Die Reglerstellgröße (S3) wird während dieser Zeitdauer nicht beachtet. Dabei muß im Wechselrichter (1) jeweils diejenige Nullspannung geschaltet werden, bei der am wenigsten Ventile geschaltet werden müssen, um die maximale Taktfrequenz klein zu halten. Dies ist in dem Zündimpulswandler (5) mit realisiert.

Um zu verhindern, daß der Eingriff in die normale Regelung zu häufig erfolgt und somit die Regelung nicht mehr richtig arbeiten kann, wird bei Beginn einer Nullspannungsschaltung die Filterung der Speisegleichspannung (Ud) neu bei dem aktuellen ungefilterten Wert begonnen. Dadurch erfolgt ein erneuter Eingriff erst dann, wenn sich wieder eine Abweichung ergibt, die größer als die vorgegebene Schwelle (ΔUr) ist und gleichzeitig der Flußanstieg (ψx) immer noch oder wieder zu groß ist.

Die Wirkung der erfindungsgemäßen Maßnahme wird anhand der Fig. 2-5 erläutert.

Fig. 2, in der auf der Ordinate die Speisegleichspannung (Ud) und auf der Abszisse die Zeit (t) aufgetragen sind, zeigt eine grobe Übersicht eines Einbruchs der Speisegleichspannung (Ud) in einem Gleichspannungszwischenkreis. Zu einem Zeitpunkt (t0) erfolgt eine Unterbrechung der Einspeisung, wodurch die Speisegleichspannung (Ud) nur noch durch die im Kondensator (C) enthaltene Energie gehalten wird und durch die weitere Belastung zu sinken beginnt. Zu einem Zeitpunkt (t1) ist die Einspeisung wieder aktiv, und die Speisegleichspannung (Ud) steigt steil an, da es sich fast um eine ungedämpfte Aufladung des Kondensators (C) handelt. Zu einem Zeitpunkt (t2) hat die Speisegleichspannung (Ud) wieder ihren Nennwert erreicht, und der normale Betrieb kann fortgesetzt werden. Überschwingungen der Speisegleichspannung (Ud) und stets vorhandene Oberschwingungen werden bei dieser Betrachtung vernachlässigt. Durch die Regelung wird während der Zeit von (t0) bis (t1) in Abhängigkeit von der Speisegleichspannung (Ud) die Leistungsaufnahme reduziert.

Fig. 3, in der auf der Ordinaten ein Strom (i) sowie das Drehmoment (M) der Drehfeldmaschine (2) aufgetragen sind, zeigt den zeitlichen Verlauf des Effektivwertes eines Phasenstromes (iR) und des Drehmomentes (M) der Drehfeldmaschine (2), entsprechend dem Verlauf der in Fig. 2 dargestellten Speisegleichspannung (Ud). Dabei würde sich ohne die erfindungsgemäße Schutzmaßnahme der gestrichelt angedeutete Verlauf nach dem Zeitpunkt (t1) einstellen und zum Kippen der Drehfeldmaschine (2) führen, da der Aufbau des magnetischen Ständerflusses (ψs) schneller als mit der Rotorzeitkonstante erfolgen würde. Mit der erfindungsgemäßen Maßnahme kann der Stromanstieg unter Kontrolle gehalten werden, da der magnetische Ständerfluß (ψs) geregelt aufgebaut wird. Außerdem wird das Drehmoment (M) klein gehalten, bis mit dem erforderlichen magnetischen Ständerfluß (ψs) direkt wieder das geforderte Drehmoment (M) eingestellt werden kann, vgl. die ausgezogen dargestellten Kurven.

In den Fig. 4 und 5, die den Fig. 2 und 3 entsprechen, ist der Zeitbereich vom Zeitpunkt (t1) bis zum Zeitpunkt (t2) gedehnt dargestellt, um die Wirkungsweise der Erfindung zu verdeutlichen.

Durch den langsamen Abfall der Speisegleichspannung (Ud) vom Zeitpunkt (t0) bis zum Zeitpunkt (t1) ergab sich keine Abweichung zwischen der gefilterten Spannung (UF) und der ungefilterten Speisegleichspannung (Ud). Bei dem steilen Spannungsanstieg im Zeitpunkt (t1) ergibt sich durch die Zeitkonstante der Filterung im Tiefpaßfilter (10) eine Totzeit. Zu einem Zeitpunkt (t11) ist die Differenz der gestrichelt dargestellten gefilterten Spannung (UF) zur aktuellen Speisegleichspannung (Ud) größer als der eingestellte Komparatorschwellwert (ΔUr). Da durch den steilen Spannungsanstieg der Drehmomentregler (3) von einer nicht dargestellten Flußsteuerung, die parallel zum Drehmomentregler (3) den magnetischen Fluß der Drehfeldmaschine (2) steuert, einen zu steilen Flußanstieg fordert, sind beide Schutzmaßnahmekriterien erfüllt, so daß eine Nullspannungsschaltung ausgelöst wird. Der Wert der gefilterten Spannung (UF) wird auf den Wert der aktuellen Speisegleichspannung (Ud) gesetzt, und die Filterung beginnt neu mit diesem aktuellen Wert. Durch die Schaltung der Nullspannung wird der Strom- und Momentenanstieg verhindert. Zu einem Zeitpunkt (t12) wird wieder der Flußaufbau zugelassen bis zu einem Zeitpunkt (t13). Dieser Vorgang wiederholt sich mit einer Nullspannungsschaltung zwischen dem Zeitpunkt (t13) und einem Zeitpunkt (t14) sowie mit einem nachfolgenden Aufbau des magnetischen Ständerflusses (ψs) bis zu einem Zeitpunkt (t15) usw. Durch dieses Verhalten wird das Drehmoment (M) bei 0 gehalten, und der Stromanstieg geschieht nur durch den Flußaufbau, der durch die Nullspannungsschaltungen reduziert wird. Sobald der magnetischen Ständerfluß (ψs) den erforderlichen Wert erreicht hat, kann das Drehmoment (M) nachgefahren werden. Danach kann der Normalbetrieb fortgesetzt werden.

Die Anzahl der Schutzeingriffe hängt von der Dauer des Spannungsanstiegs, der eingestellten Filterzeitkonstanten und der zulässigen magnetischen Flußänderung (Δψs) ab. Es kann zwar in dem Zeitbereich vom Zeitpunkt (t1) bis (t2) nur geringfügig Drehmoment (M) übertragen werden, aber danach kann der Betrieb ohne Unterbrechung fortgesetzt werden, während die Anlage ohne diesen Eingriff gekippt wäre und dann komplett neu hochgefahren werden müßte.

Bezugszeichenliste

1 Wechselrichter

2 Drehfeldmaschine, Asynchronmaschine

3 Drehmomentregler

4 Öffner

5 Zündimpulswandler

6 Funktionsgeber

7 Differenzierglied

8, 11 1. bzw. 2. Komparatoren

9 UND-Glied

10 Tiefpaßfilter

C Kondensator, Zwischenkreiskondensator

fe Eckfrequenz, Grenzfrequenz

i Strom

iR, iS, iT Phasenströme

N negativer Pol

M Drehmoment von 2

Mr Drehmomentsollwert

Mx Drehmomentistwert

P positiver Pol

R, S, T Wechselstromphasen

S3 Reglerstellgröße

SR, SS, ST Wechselrichtersteuersignale

t Zeit

t0-t15 Zeitpunkte

U Spannung

Ud Speisegleichspannung

UF Filterausgangsspannung, gefiltertes Spannungssignal

ΔU Spannungsdifferenz

ΔUr Spannungsdifferenzgrenzwert

ψs magnetischer Ständerfluß

Δψs magnetische Flußänderung

Δψsr Grenzwert der magnetischen Flußänderung


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Regelung einer Drehfeldmaschine (2),
    1. a) welche über mindestens einen durch Wechselrichtersteuersignale (SR, SS, ST) steuerbaren Wechselrichter (1) mit einer Speisegleichspannung (Ud) in Wirkverbindung steht,
    2. b) wobei ein magnetischer Ständerfluß (ψs) der Drehfeldmaschine (2) über diesen Wechselrichter (1) einstellbar ist,
  2. dadurch gekennzeichnet,
    1. c) daß in Abhängigkeit von einer Grenzwertüberschreitung einer magnetischen Flußänderung (Δψs) der Drehfeldmaschine (2) deren magnetischer Ständerfluß (ψs) reduziert wird.
  3. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    1. a) daß die Speisegleichspannung (Ud) gefiltert wird,
    2. b) daß die Amplitude der gefilterten Spannung (UF) mit der Amplitude der ungefilterten Speisegleichspannung (Ud) verglichen wird und
    3. c) daß in Abhängigkeit von einer Grenzwertüberschreitung einer Spannungsdifferenz (ΔU) der Amplituden von Speisegleichspannung (Ud) und gefilterter Spannung (UF) der magnetische Ständerfluß (ψs) der Drehfeldmaschine (2) reduziert wird.
  4. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterung eine Tiefpaßfilterung ist, welche in der Speisegleichspannung (Ud) enthaltene Oberschwingungen nicht durchläßt.
  5. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
    1. a) daß bei der Filterung der Speisegleichspannung (Ud) mit derem aktuellem ungefiltertem Wert begonnen wird,
    2. b) wenn bei bestehender Grenzwertüberschreitung der zeitlichen Änderung des magnetischen Ständerflusses (Δψs)
    3. c) eine Grenzwertüberschreitung der Spannungsdifferenz (ΔU) der Amplituden von Speisegleichspannung (Ud) und gefilterter Spannung (UF) erfolgt.
  6. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit einer Grenzwertüberschreitung der magnetischen Flußänderung (Δψs) und der Spannungsdifferenz (ΔU) der Amplituden von Speisegleichspannung (Ud) und gefilterter Spannung (UF) der Drehfeldmaschine (2) während einer vorgebbaren Zeitdauer deren Stromzuführungen auf ein reduziertes Potential gebracht werden.
  7. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit einer Grenzwertüberschreitung der magnetischen Flußänderung (Δψs) und der Spannungsdifferenz (ΔU) der Amplituden von Speisegleichspannung (Ud) und gefilterter Spannung (UF) der Drehfeldmaschine (2) während einer vorgebbaren Zeitdauer deren Stromzuführungen auf gleiches Potential gebracht werden.
  8. 7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgebbare Zeitdauer im Bereich von 150 µs-500 ms liegt.






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