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Beschreibung[de]
TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der elektrischen Antriebe. Sie betrifft ein Verfahren zum Steuern und Regeln eines elektrischen Antriebes, welcher einen Asynchronmotor umfasst, der von einem DC-AC-Stromrichter mit nachgeschaltetem Sinuswellen-Ausgangsfilter mit einer Wechselspannung einer vorgegebenen Kreisfrequenz versorgt wird.

STAND DER TECHNIK

Antriebe mit Asynchronmotoren, bei denen die zum Antrieb erforderliche Wechselspannung einer wählbaren Frequenz von einem DC-AC-Stromrichter aus einem Gleichspannungszwischenkreis oder einer anderen Gleichspannungsquelle durch entsprechendes Ansteuern von in einer Brückenschaltung angeordneten Leistungshalbleitern erzeugt wird, sind häufig am Ausgang des Stromrichters mit LC- Filtern ausgerüstet, die als Sinuswellen-Ausgangsfilter wirken und die steilflankigen Spannungspulse des Stromrichters in eine Sinusspannung variabler Frequenz und Amplitude für den Motor umwandeln.

Die Motorisolation und die Lager des Asynchronmotors, die bei gepulsten Stromrichtern aufgrund der steilen Flanken häufig mit Problemen behaftet sind, werden durch die gefilterte sinusförmige Spannung weit weniger gefährdet. Darüber hinaus verringern sich bei sinusförmiger Motorspannung die Eisenverluste, die hörbaren Geräusche in der Maschine, und die elektromagnetischen Störfelder.

Wenn ein Antrieb mit einem Sinuswellen-Ausgangsfilter ausgerüstet ist, müssen die natürlichen Schwingungen des Filters mitberücksichtigt werden. Der Stromrichter selbst muss so betrieben werden, dass diese Schwingungen gedämpft werden, da es üblicherweise nicht praktikabel ist, sich auf die natürliche Dämpfung des Filters zu verlassen. Weiterhin müssen auch die Wechselwirkungen zwischen dem Asynchronmotor und dem Filter berücksichtigt werden. Da der Asynchronmotor eine nichtlineare Last ist, sind diese Wechselwirkungen ziemlich komplex. Eine beim Antrieb eingesetzte Regelung sollte diese Probleme berücksichtigen.

Damit die Kombination aus Stromrichter, Filter und Asynchronmaschine stabil arbeitet und gleichzeitig ein schnelles dynamisches Verhalten zeigt, sollte für den Betrieb der Kombination eine einheitliche Lösung gefunden werden. Gleichzeitig ist es wünschenswert, den für die Regelung erforderlichen Aufwand an Messeinrichtungen und Messungen minimal zu halten.

Bekannte Regelungsmethoden benutzen meistens eine der zwei folgenden Lösungen:

  • - Es werden wenigstens zwei Sensoren zur Messung des Stromes in den Filterkondensatoren des Ausgangsfilters benutzt. Dies führt jedoch zu zusätzlichen Kosten und erfordert zusätzlichen Raum in der Anordnung
  • - Es wird in der Regelung für die Ausgangsspannung ein Hochpassfilter verwendet. Dies hat den Nachteil, dass das Anwortverhalten des Reglers sehr stark von der Ausgangsfrequenz abhängt, und dass es eine frequenzabhängige, zeitlich stabile Differenz zwischen dem Sollwert und dem Istwert der Ausgangsspannung gibt, die sich für Hochleistungs-Asynchronantriebe nachteilig auswirkt. Ausserdem ist das Hochpassfilter - ebenso wie ein Differentialregler - empfindlich gegenüber Messrauschen.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Steuern und Regeln eines Antriebes mit DC-AC-Stromrichter, Sinuswellen-Ausgangsfilter und Asynchronmaschine zu schaffen, welches mit geringem Messaufwand verbunden ist, eine sichere Dämpfung des Ausgangsfilters gewährleistet, unempfindlich gegen Rauschen ist und einen stabilen Betrieb des Antriebes über den gesamten Geschwindigkeits- und Drehmomentbereich ermöglicht, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.

Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, die Spannungen am Ausgang des Sinuswellen-Ausgangsfilters zu messen und als Regelgrösse zu verwenden. Die Regelung wird dabei in einem Referenzsystem durchgeführt, welches mit der Frequenz der vom Stromrichter erzeugten Ausgangswechselspannung rotiert.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung des komplexen Filterspannungsvektors die einzelnen Phasenspannungen eu, ev, und ew am Ausgang des Sinuswellen- Ausgangsfilters gemessen werden, dass die gemessenen Phasenspannungen nach Massgabe der Transformation





in die Komponenten eq, ed eines Raumvektors transformiert werden, wobei





der Transformationswinkel ist, und dass der komplexe Filterspannungsvektor aus den Komponenten eq, ed des Raumvektors nach Massgabe der Gleichung E = eq-jed, mit j = √-1, gebildet wird. Diese Transformationen haben den Vorteil, dass sie sehr leicht mittels eines an sich bekannten digitalen Signalprozessors (DSP) durchgeführt werden können. Gleichzeitig ist es von Vorteil, dass der Regler lediglich für Gleichspannungsgrössen ausgelegt sein muss.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahren nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass mittels einer im komplexen, rotierenden Bezugssystem arbeitenden proportionalen Regelstrecke und einer integrierenden Reglerstrecke aus der Differenz zwischen dem Sollspannungsvektor und dem komplexen Filterspannungsvektor für den DC-AC-Stromrichter ein komplexer Fluss-Sollspannungsvektor erzeugt wird, und dass der DC-AC-Stromrichter nach Massgabe dieses Fluss-Sollvektors pulsdauermoduliert angesteuert wird. Die Flusssteuerung ist im Zusammenhang mit dem als PI-Regler ausgebildeten Regler besonders einfach zu implementieren.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Regler umfasst, welcher eingangsseitig mit am Ausgang des Sinuswellen-Ausgangsfilters angeordneten Mitteln zur Messung der Phasenspannungen des Sinuswellen-Ausgangsfilters verbunden ist, dass der Regler ausgangsseitig über einen Pulsbreitenmodulator mit dem DC-AC- Stromrichter verbunden ist, dass der Regler eingangsseitig erste Transformationsmittel zur Erzeugung des komplexen Filterspannungsvektors aus den Eingangssignalen sowie Mittel zum Vergleichen des erzeugten komplexen Filterspannungsvektors mit einem vorgegebenen Sollspannungsvektor umfasst, und dass der Regler als komplexer PI-Regler ausgebildet ist.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 das Blockschaltbild eines Antriebes, welcher zur Umsetzung der Erfindung geeignet ist; und

Fig. 2 ein schematisches Blockdiagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels für eine Regelung bzw. einen Regler nach der Erfindung.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Die nachfolgend beschriebene Regelung geht aus von einem elektrischen Antrieb, wie er schematisch in Fig. 1 wiedergegeben ist. Der elektrische Antrieb 10 umfasst einen DC-AC-Stromrichter 14, der ausgangsseitig über ein Sinuswellen-Ausgangsfilter 15 einen Asynchronmotor 18 mit einer (3-phasigen) Wechselspannung einstellbarer Frequenz versorgt. Eingangsseitig ist der DC-AC-Stromrichter 14 in an sich bekannter Weise an einen Gleichspannungszwischenkreis 13 angeschlossen, der seinerseits mit dem Ausgang eines AC-DC-Stromrichters 12 verbunden ist, der einen an ein Wechselspannungsnetz anschliessbaren Wechselspannungseingang 11 aufweist.

Das Sinuswellen-Ausgangsfilter 15 ist als LC-Filter ausgebildet und umfasst drei mit den Phasen in Serie liegenden Filterinduktivitäten 16 und drei von den Phasen zu einem gemeinsamen Verbindungspunkt geführten Filterkondensatoren 17. Zur Regelung des Antriebs 10 ist ein Regler 19 vorgesehen, der einen gemessenen Istwert des Antriebs mit einem vorgegebenen Sollwert vergleicht und nach Massgabe des Vergleichsergebnisses in die Steuerung des DC-AC-Stromrichters 14 eingreift.

Die vereinfachte (schematisierte) Darstellung eines Reglers 19 in Funktionsblöcken gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 2 wiedergegeben. Die geregelte Grösse ist ein komplexer Filterspannungsvektor E, der im Subtrahierer 21 mit einem vorgegebenen Sollspannungsvektor E* verglichen wird. Der Filterspannungsvektor E wird wie folgt gebildet: Am Ausgang des Sinuswellen-Ausgangsfilters 15 werden die einzelnen Phasenspannungen eu, ev, und ew gemessen. Die gemessenen Phasenspannungen werden über einen Filterspannungseingang 33 eingegeben und in einem Transformationsblock 28 nach Massgabe der Transformation





in die Komponenten eq, ed eines Raumvektors transformiert, wobei





(ω = erwartete Kreisfrequenz der Wechselspannung am Ausgang des Sinuswellen-Ausgangsfilter 15) der Transformationswinkel ist. Aus den Komponenten eq, ed des Raumvektors wird dann in einem ersten Wandler 27 nach Massgabe der Gleichung E = eq-jed, mit j = √-1, der Filterspannungsvektor E gebildet und anschliessend durch Multiplikation mit dem Faktor ejωt in einem ersten Multiplizierer 24 in ein mit der Kreisfrequenz ω rotierendes Bezugssystem transformiert.

Die im Subtrahierer 21 aus dem am Sollspannungseingang 20 anliegenden Sollspannungsvektor E* und dem Filterspannungsvektor E gebildete Differenz wird einerseits auf einen integrierenden Reglerzweig mit einem ersten Verstärker 22 und einem Integrierer 25 und andererseits auf einen proportionalen Reglerzweig mit einem zweiten Verstärker 23 gegeben. Die beiden Verstärker 22, 23 haben jeweils komplexe Verstärkungsfaktoren k1 = k11+jk12 und k2 = k21+jk22. Die Ausgangsgrössen beider Filterzweige werden in einem Addierer 26 summiert und bilden dann einen komplexen Fluss-Sollvektor Ψ*v, der durch Multiplikation mit dem Faktor e-jωt in einem zweiten Multiplizierer 29 aus dem rotierenden Bezugssystem zurücktransformiert wird, und anschliessend in einem zweiten Wandler 30 wieder auf die realen Komponenten Ψα* und Ψβ* reduziert wird. Mit diesen Komponenten wird dann ein Pulsbreitenmodulator 31 angesteuert, der seinerseits über einen Steuersignalausgang 32 entsprechende Steuersignale zum Ansteuern der Leistungsschalter im DC-AC-Stromrichter 14 abgibt.

Der DC-AC-Stromrichter 14 und das nachfolgende Sinuswellen-Ausgangsfilter 15 können im komplexen, rotierenden Bezugssystem durch das folgende Gleichungssystem beschrieben werden:





mit dem Filterspannungsvektor E und seiner zeitlichen Ableitung, dem Laststromvektor IL, dem Raumvektor Ψe des Sinuswellen-Ausgangsfilters 15, dem Raumvektor Ψv, des Stromrichterflusses, und den Werten L und C der Filterinduktivität 16 bzw. des Filterkondensators 17. Der Raumvektor Ψe des Sinuswellen-Ausgangsfilters 15 ist dabei in einem stationären Bezugssystem definiert durch





der Raumvektor Ψv des Stromrichterflusses durch





wobei V der zu E analoge komplexe Vektor der Stromrichterausgangsspannung ist.

Ziel der Regelung ist es nun, den Raumvektor Ψv des Stromrichterflusses so zu verändern, dass der Filterspannungsvektor E sich gleich dem Sollspannungsvektor E* einstellt. Die Reglerblöcke 21, 22, 23 und 25 gehen dabei nach dem folgenden Gleichungssystem in die Regelung ein:





wobei ωf die Resonanzfrequenz der LC-Kombination des Sinuswellen-Ausgangsfilters 15 ist, k1 und k2 die beiden komplexen Verstärkungsfaktoren sind, und E* den Sollspannungsvektor bezeichnet (die mit einem Punkt überschriebenen Grössen stehen jeweils für die erste zeitliche Ableitung).

Die Regelung soll dafür sorgen, dass im rotierenden, komplexen Bezugssystem der Filterspannungsvektor E konstant und gleich dem konstanten vorgegebenen Sollspannungsvektor E* ist. Wenn dies erreicht ist, ist dabei impliziert, dass die Phasenspannungen im Filter die gewünschte Frequenz und Amplitude aufweisen. Gleichzeitig wird mit dieser Regelung automatisch sichergestellt, dass die natürlichen Schwingungen des Sinuswellen-Ausgangsfilters 15 weggedämpft werden, weil zu jedem Zeitpunkt die Regelung dafür sorgt, dass die Vektoren E und E* parallel sind. Im Unterschied zu den bisher bekannten und eingesetzten Regelungsverfahren, bei denen die Ströme in den Filterkondensatoren 17 gemessen werden, werden beim vorliegenden Verfahren keine Kenntnisse der Kondensatorströme benötigt, wodurch Stromsensoren eingespart und damit Kosten und Raumbedarf reduziert werden.

Der Regler 19 erzeugt den gewünschten Fluss-Sollvektor Ψ*v für den DC-AC- Stromrichter 15. Dies ist der Wert, den - wie weiter oben angegeben - das Zeitintegral der komplexen Stromrichterausgangsspannung V haben soll. Der Stromrichter 14 wird dann so pulsbreitenmoduliert angesteuert, dass dieser Wert erreicht bzw. angenähert wird. In einem speziellen Fall kann der Sollspannungsvektor E* als reelle Grösse (Imaginärteil = 0) spezifiziert werden. Der Regler wird dann die Filterspannung auf die Quadraturachse (q-Achse) des rotierenden Bezugssystems ausrichten und die Grösse der Filterspannung auf den Wert E = |E*| einregeln. Eine Aenderung in der Ausgangsfrequenz wird durch eine Aenderung der Transformationsgeschwindigkeit ω erreicht. Der Regler stellt dann die verschiedenen elektrischen Grössen so ein, dass die vorgegebenen Werte in dem neuen rotierenden Bezugssystem erfüllt werden.

Die komplexen Verstärkungsfaktoren k1 und k2 werden nach Massgabe der bekannten ungefähren Werte für die Parameter des Asynchronmotors 18 und der Werte der Filterinduktivitäten 16 und der Filterkondensatoren 17 so gewählt, dass der Regler 19 ein stabiles Regelverhalten und eine schnelle Regelantwort aufweist. Das resultierende Regelverfahren kann auf diese Weise die natürliche Resonanz des Sinuswellen-Ausgangsfilters 15 und die Wechselwirkungen zwischen dem Filter und dem Asynchronmotor 18 bedämpfen. Darüber hinaus sorgt es für einen stabilen Betrieb des Motors. Schliesslich kann die Reglerstruktur auf besonders einfache Weise mit Hilfe eines digitalen Signalprozessors DSP implementiert werden.

Anwendungen für das erfindungsgemässe Regelverfahren ergeben sich beispielsweise bei Motorantrieben, bei denen zum Schutze der Motorisolation und der Lager Sinuswellen-Ausgangsfilter eingesetzt werden. Dies ist typischerweise der Fall, wenn elektronische Antriebsstromrichter mit Motoren älterer Bauart kombiniert werden. Darüber hinaus werden bei 400-Hz-Bodennetzen für Flughäfen häufig sinusförmige Ausgangsspannungen gefordert. Weitere zukünftige Anwendungen von Leistungsstromrichtern mit Sinusausgangsspannung und damit des vorgeschlagenen Regelungsverfahrens können Module für leistungselektronische Bausteine sein. Bezugszeichenliste 10elektrischer Antrieb

11Wechselspannungseingang

12AC-DC-Stromrichter

13Gleichspannungszwischenkreis

14DC-AC-Stromrichter

15Sinuswellen-Ausgangsfilter

16Filterinduktivität

17Filterkondensator

18Asynchronmotor

19Regler

20Sollspannungseingang

21Subtrahierer

22, 23Verstärker

24, 29Multiplizierer

25Integrierer

26Addierer

27, 30Wandler

28Transformationsblock

31Pulsbreitenmodulator

32Steuersignalausgang

33Filterspannungseingang


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum Steuern und Regeln eines elektrischen Antriebes, welcher einen Asynchronmotor (18) umfasst, der von einem DC-AC-Stromrichter (14) mit nachgeschaltetem Sinuswellen-Ausgangsfilter (15) mit einer Wechselspannung einer vorgegebenen Kreisfrequenz (ω) versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung am Ausgang des Sinuswellen-Ausgangsfilters (15) gemessen wird, dass der gemessenen Filterspannung in einem mit der Kreisfrequenz (ω) rotierenden komplexen Bezugssystem ein komplexer Filterspannungsvektor (E) zugeordnet wird, und dass der DC-AC-Stromrichter (14) derart angesteuert wird, dass der komplexe Filterspannungsvektor (E) einem vorgegebenen Sollspannungsvektor (E*) entspricht.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung des komplexen Filterspannungsvektors (E) die einzelnen Phasenspannungen eu, ev, und ew am Ausgang des Sinuswellen-Ausgangsfilters (15) gemessen werden, dass die gemessenen Phasenspannungen nach Massgabe der Transformation





    in die Komponenten eq, ed eines Raumvektors transformiert werden, wobei





    der Transformationswinkel ist, und dass der komplexe Filterspannungsvektor (E) aus den Komponenten eq, ed des Raumvektors nach Massgabe der Gleichung E = eq-jed, mit j = √-1, gebildet wird.
  3. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer im komplexen, rotierenden Bezugssystem arbeitenden proportionalen Regelstrecke (23) und einer integrierenden Reglerstrecke (22, 25) aus der Differenz zwischen dem Sollspannungsvektor (E*) und dem komplexen Filterspannungsvektor (E) für den DC-AC-Stromrichter (14) ein komplexer Fluss-Sollvektor (Ψ*v) erzeugt wird, und dass der DC-AC-Stromrichter nach Massgabe dieses Fluss-Sollvektors (Ψ*v) pulsdauermoduliert angesteuert wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Umwandlung der verschiedenen Mess- und Regelgrössen ein digitaler Signalprozessor (DSP) verwendet wird.
  5. 5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Regler (19) umfasst, welcher eingangsseitig mit am Ausgang des Sinuswellen-Ausgangsfilters (15) angeordneten Mitteln zur Messung der Phasenspannungen des Sinuswellen-Ausgangsfilters (15) verbunden ist, dass der Regler (19) ausgangsseitig über einen Pulsbreitenmodulator (31) mit dem DC-AC-Stromrichter (14) verbunden ist, dass der Regler (19) eingangsseitig erste Transformationsmittel (24, 27, 28) zur Erzeugung des komplexen Filterspannungsvektors (E) aus den Eingangssignalen sowie Mittel (21) zum Vergleichen des erzeugten komplexen Filterspannungsvektors (E) mit einem vorgegebenen Sollspannungsvektor (E*) umfasst, und dass der Regler (19) als komplexer PI-Regler ausgebildet ist.






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