DE3015162C2 - Anordnung zum Steuern eines Asynchronmotors über einen Frequenzumrichter - Google Patents

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Anordnung dieser Art ist aus der (älteren) DE- -OS 29 14 595 bekannt.

Beim Speisen von Wechselstrommotoren über einen frequenzveränderlichen Zwischenkreisumrichter treten gewisse Probleme auf. Wenn beispielsweise der Umrichter aus phasengesteuerten Thyristoren aufgebaut ist, die in Brückenschaltung angeordnet sind, muß die Kommutierungsverzögerung beachtet werden, die in der Zeit zwischen dem Stromübergang von einem vorher leitenden Thyristor zu dem neu gezündeten Thyristor vorhanden ist. Normalerweise reicht diese Überlappung von 10 bis 30° el. Beim Speisen eines Wechselstrommotors, beispielsweise eines Induktionsmotors mit hoher Motordrehzahl, kann es bis zu 120° el zwischen dem Zünden cificS neuen Tiiyi liiOi'S und dem

Übergang des Stroms auf die Motorphase, mit der der Thyristor verbunden ist, dauern. Deshalb ist es statt Verwendung eines rückführungslosen Systems, in welchem Thyristoren nach einem vorbestimmten Programm gezündet werden, für den gewünschten Betrieb zweckmäßiger, mit einem geschlossenen Regelkreis zu arbeiten.

in welchem die Thyristoren in Abhängigkeit von dem vorhandenen Winkel Θ zwischen dem Luftspaltfluß und dem Motorstrom gezündet werden, der auch als Luftspaltleistungsfaktor bezeichnet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine An-Ordnung zu schaffen, die Schaltung gemäß der eingangs erwähnten DE-OS 29 14 595 für den Betrieb im Feldschwächbereich auszurüsten.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Anordnung gelöst.

Aus der DE-OS 27 03 541 ist es an sich bekannt, bei Betrieb eines über einen Umrichter gespeisten Asynchronmotors mit direkter Flußführung im Konstantfluß- und Feldschwächbereich den Kennünienverlauf unterhalb des Typenpunktes des Motors als Funktion der Drehmomentführungsgröße zu beeinflussen.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Rg. 1 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Flg. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Betriebsweise der Erfindung,

Fig. 3A und 3B Kennlinien, die die Betriebscharakteristik eines bekannten System veranschaulichen,

Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung der Betriebsweise der Erfindung,

Rg. 5A und 5B Kennlinien, die die durch die Erfindung erzielte Betriebscharakteristik veranschaulichen,

Rg. 6 ein weiteres Diagramm zur Erläuterung der Betriebsweise der Erfindung,

Rg. 7 ein elektrisches Schaltbild einer Schaltung zur Erstellung eines veränderlichen Flußklemmwertes. Fig. 8 ein Diagramm, das die Übergangsfunktion der in Rg. 7 gezeigten Schaltung veranschaulicht

Rg. 9 eine Schaltung, die ein Vorspannungssignal für konstante Leistung liefert, und

Rg. 10 ein Diagramm, das die Übergangsfunktion der Schaltung von Rg. 9 zeigt.

Rg. 1 zeigt die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Das System enthält eine Quelle 12 veränderlichen Gleichstroms, die aus einem Gleichrichter 14 besteht, der durch eine geeignete Steuereinrichtung 16 gesteuert wird. Ein Strom Iac wird von der Quelle 12 über einen Gleichstromzwischenkreis abgegeben, der beispielsweise eine Drossel 18 enthält, die zum Glätten des Gleichstroms aus der Quelle dient. Die Drossel ist mit einer frequenzveränderlichen Wechselstromquelle 20 verbunden, die aus einem Wechselrichter 22 besteht, welcher durch eine Steuereinrichtung 24 gesteuert wird. Das Ausgangssignal der Wechselrichterschaltung wird an eine Last abgegeben, die in Rg. 1 als ein Motor 26 dargestellt ist.

Die Gleichstromquelle 12 ist in ihrer bevorzugten Form eine phasengesteuerte, mehrzweigigc Brücke, beispielsweise eine Sechs-Thyristor-Brücke, deren Eingang mit einer dreiphasigen Wechselstromquelle über Leitungen Li, L2 und /.3 verbunden ist. Die Steuereinrichtung 16 kann in bekannter Weise mit der Netzspannung synchronisiert sein und unter der Steuerung eines an die Signalleitung 32 angelegten Eingangssignale die bo an den Leitungen 34 und 36 erscheinende Gleichspan-

Ein Rückführungsweg von der Wechselrichtereingangsspannung V/, die an einem Schaltungsknotenpunkt 38 erscheint, ist mit der Gleichstromquelle 12 bs über ein Filter 40 und einen Summierpunkt 42 verbunden. Das Signal, das auf der Leitung 32 erscheint, ist eine positive Rückführung (Mitkopplung) mit dem Verstärkungsfaktor eins. Wenn für den Augenblick jegliche weiteren Eingangssignale an dem Summierpunkt 42 außer Acht gelassen werden, bewirkt diese Rückführung, daß die Ausgangsspannung des Gleichrichters 14 mit derjenigen übereinstimmt, die durch den Wechselrichter 12 rückwirkt, nämlich Vj. Wenn an der Drossel 18 keine Gleichspannung anliegt, ist die Drossel bestrebt, einen konstanten Strom bei jedem Spannungswert aufrechtzuerhalten, der durch V/ eingestellt ist Wenn jedoch ein zweites Signal in den Summierpunkt 42 eingegeben wird, beispielsweise über eine Eingangsleitung 44, wird das Ergebnis eine Änderung in der Spannung an der Drossel 18 sein, die zu diesem zweiten Signal proportional ist Das ergibt dann eine zeitliche Änderung des Stroms Idc in der Drossel 18, die zu dem Signal an der Eingangsleitung 44 proportional ist Das positive Rückführungssignal über das Filter 40 hat somit bewirkt daß die Gleichspannungsquelle auf ein Eingangssignal hin, das an der Eingangsleitung 44 erscheint und gemäß Rg. 1 das Ausgangssignal eines im folgenden noch näher beschriebenen Verstärkers 46 darstellt in eine Gleichstromquelle umgewandelt worden ist

Der Wechselrichter 22 besteht vorzugsweise ebenfalls aus einem Sechs-Thyristor-Brückenwechselrichter der oben bereits angegebenen An und enthält die notwendigen Dioden und Kondensatoren zur Zwangskommutierung. Die Betriebsfrequenz des Wechseltrichters 22 wird, wie erwähnt durch die Einrichtung 24 gesteuert bei der es sich in bekannter Weise um einen spannungsgeregelten Oszillator handelt der einen Ringzähler speist dessen Ausgangssignale benutzt werden, um das Zünden der Thyristoren der Brücke einzuleiten. Bei dieser Art von Steuerung ist die Größe des auf der Leitung 48 erscheinenden Eingangssignals geeignet, die Wechselrichterausgangsfrequenz zu steuern.

Der Motor 26 ist ein Wechselstrommotor und vorzugsweise ein Wechselstrominduktionsmotor. Bekanntlich kann der dem Augenblicks-Luftspaltleistungsfaktor des Motors entsprechende Winkel Θ zwischen dem durch einen Strom /</ erzeugten Motorfluß und dem Motorstrom Im, wie er in Rg. 2 gezeigt ist, verändert werden, indem die Wechselrichterausgangsfrequenz geändert wird, da jedwede Differenz zwischen der Frequenz der Motorgegen-EMK und der Frequenz des Wechselrichterstroms als eine zeitliche Änderung des Phasenwinkels des Stroms gegenüber dem Fluß erscheint

In dem hier beschriebenen Regelsystem finden vier Signale Verwendung, die dem Luftspaltfluß Ψ, dem Winkel Θ, dem Absolutwert des Motorstroms I_n, bzw. der Istmotordrehzahl N entsprechen. Die drei Signale entsprechend Ψ, Θ und l_m werden durch geeignete Berechnungen aus Motorbetriebsparametern gewonnen und gehen aus einer in Rg. 1 mit der Bezugszahl 50 bezeichneten Einrichtung hervor. Der genaue Schaltungsaufbau der Einrichtung 50 ist, beispielsweise, aus der US-PS 40 88 934 bekannt

Gemäß der US-PS 40 88 934 bildet die Einrichtung 50 nicht nur die Signale entsprechend Ψ und Θ, sondern auch ein Signal, welches das Drehmoment T darstellt. Ein Signal, das den Motorstrom /.„ darstellt, wird weiter aus drei Stromfühlern 52 gewonnen, die den Leitungen

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Motor 26 verbinden, und in die Einrichtung 50 eingegeben. Zu dem Motorfluß proportionale Signale werden zwei dem Motor zugeordneten Flußspulen 54 entnommen. Gemäß der Darstellung in Fig. 1 gibt die Einrichtung 50 zusätzlich zu den Signalen entsprechend Ψ und Θ ein Signal \I_M\ ab, das zu dem Absolutwert des Motor-

Stroms I_n, proportional ist Dieses Signal stellt den Absolutwert der gleichgerichteten und verknüpften Einzelwerte der den drei Stromfühlern 52 entnommenen Signale dar. Dieses Signal wird über eine Signalleitung 56 an einen Summierpunkt 58 angelegt, der weiter unten noch näher erläutert ist.

Ein Tachometer 60 ist mechanisch gekuppelt mit dem Motor 26 (durch die gestrichelte Linie 62 dargestellt) und kann in bekannter Weise z. B. ein stationäres Ausgangsspannungssignal proportional zu der Istdrehzal N des Motors liefern.

Wie in der eingangs erwähnten DE-OS 29 14 595 wird hier ein System beschrieben, das Signale bildet, die den gewünschten Augenblickswert des elektrischen Drehmoments des Wechselstrommotors und den gewünschten Augenblickswert des Winkels ©zwischen dem Luftspaltfluß und dem Motorstrom darstellen. Durch Bilden eines Drehmomentreferenzsignals werden geeignete Fehlersignale erzeugt, von denen das erste dazu dient, den Gleichstrom in dem Zwischenkreis zu steuern, während das zweite dazu dient, den Zündwinkel des Wechselrichters in bezug auf den Motorfluß so zu steuern, daß der Luftspaltleistungsfaktor an dem Motor geregelt wird. Bei der vorliegenden Erfindung werden Drehmoment- und Winkelfehlersignale an die Signalleitungen 32 bzw. 48 angelegt Die vorliegende Erfindung weicht von dem bekannten System in mehrfacher Hinsicht ab, hauptsächlich in der Art und Weise, wie der Winkel Θ und der Fluß Ψ geregelt werden. Das kann unter Bezugnahme auf die Flg. 4 bis 6 erläutert werden.

In dem bekannten System wird ein konstanter Winkel Θ gemäß Rg. 2 in dem gesamten Betriebsbereich des Systems aufrechterhalten, mit Ausnahme in der Nähe des Drehmoments Null. Die Kennlinien für den Fluß Ψ und den Winkel Θ wurden in dem System so gebildet, wie es in den Fig. 3A und 3B gezeigt ist Eine solche Betriebscharakteristik ist zwar für gewisse Motorbetriebsdrehzahlen akzeptabel, sie ist jedoch bei anderen Drehzahlen mit Einschränkungen verbunden.

Wenn eine Drehzahl CaIs die Eck- oder Typenpunkt-Drehzahl definiert wird, bei der die Motorspannung bei vollem Drehmoment mit der maximalen Spannungsgrenze der frequenzveränderlichen Stromquelle übereinstimmt so zeigt Fig. 4 sowohl den Stand der Technik als auch die verbesserte Leistungsfähigkeit die durch die vorliegende Erfindung erzieh wird. Das Gebiet I bezeichnet das Gebiet eines möglichen Systembetriebes, während das Gebiet II ein Gebiet bezeichnet in welchem ein Betrieb nicht möglich ist wobei der Ordinatenwert 1,0 die normierte Maximalspannung der Quelle angibt Die in Fig. 4 mit ausgezogenen Linien dargestellten Kurven stellen eine Schar von Kurven konstanten Winkels Θκ für verschiedene konstante Drehzahlen bezogen auf die Drehzahl C dar. Für Drehzahlen in dem Bereich von 0 bis 1,0 Ckann das maximale Drehmoment angegeben durch den normierten Wert 1,0, geliefert werden, wie es die Kurven 64, 65, 66, 68 zeigen. Für einen Betrieb bei Drehzahlen oberhalb der Drehzahl C zeigen die Kurven 70,72,74,76 und 78, daß das lieferbare maximale Drehmoment durch den Punkt begrenzt wird, wo die Kurven konstanten Winkels Θκ die Grenze der normierten Spannung der Quelle schneiden. Demgemäß nimmt bei bekannten Systemen das lieferbare Ausgangsdrehmoment schnell ab, wenn die Drehzahl über C erhöht wird. Die Erfindung ist dagegen auf eine Einrichtung zum Optimieren des lieferbaren Drehmoments für Drehzahlen oberhalb der Drehzahl C durch Umschalten auf eine Betriebsart mit modifizierter Winkelführungsgröße bei über der Drehzahl C liegenden Drehzahlen gerichtet. Demgemäß wird eine Modifizierung von Fluß- und Winkel-6>-Kennlinien. wie sie in den Fig. 5A und 5B gezeigt sind, benutzt.

Beispielsweise entsprechen in Fig. 5A Kurvenabschnitte b ... e dem Flußprogramm, das in dem vorgenannten bekannten System bereitgestellt wird. Ein solches Programm ist für Betriebsdrehzahlen in dem Drehzahlbereich von 0—1,0c erwünscht; für Drehzahlen über I₁OC wird der Fluß jedoch auf vorbestimmte kleinere Werte als V™, geklemmt. Wenn beispielsweise eine Drehzahl von 1.33C erwünscht ist, besteht das Flußprogramm aus Flußkurvenabschnitten b, c, c/und f, während es für eine Betriebsdrehzahl von 2,OC aus Abschnitten b und h besteht. Die Abschnitte /"und h zeigen geklemmte (konstant gehaltene) Werte an.

Die Winkel-0-Kennlinie in Fig. 5B. die zusammen mit dem Flußprogramm von Fig. 5A betrachtet werden soll, zeigt daß Kurvenabschnitte m und η eine Betriebsart mit konstantem Winkel Θκ für den Drehzahlbereich von 0—1,0c angeben. Das entspricht außerdem der Kurve, die in Fig. 3B gezeigt ist. Für Drehzahlen über der Drehzahl C, beispielsweise bei einer Drehzahl von 1.32C, besteht das gewünschte Winkelprogramm aus Kurvenabschnitten m, η und o, während für Betriebsdrehzahlen bei 2,0Cdas gewünschte Winkelprogramm aus Kurvenabschnitten m und q besteht Die Abschnitte ο, ρ und q verlangen einen variablen Winkel 6>* Die Fluß- und Winkelprogramme, die durch die in den Fig. 5A und 5 B gezeigten Kurven charakterisiert sind, sind weiter geeignet für einen Motorbetrieb mit konstanter Leistungsabgabe oberhalb der Drehzahl C in einer spannungsbegrenzten Betriebsart mit verringertem Fluß, welch letztere aus Fig. 5 A hervorgeht

Fig. 6 zeigt, daß gemäß der Betriebsart mit konstantem Schlupf (Θκ) ein spezifischer Flußwert jedem Drehmomentwert zugeordnet ist, wenn die Drehzahl unter dem Eckpunkt, also unter C liegt. Sie zeigt weiter, daß für ein Drehmoment das kleiner als der Maximalwert ist. diese Betriebsart sich über die Drehzahl C erstrekken kann. Der Übergang im Bereich auf den veränderlichen Winkel Θ, erfolgt bei der Drehzahl, bei der der Flußwert welcher einem bestimmten Drehmomentwert im Konstantwinkelbetrieb zugeordnet ist den für diese Drehzahl zugelassenen maximalen Fluß schneidet.

Fig. i zeigt in Blockschaltbildform die gegenwärtig bevorzugte Anordnung zur Realisierung der erwünschten Kennwerte für den Betrieb eines frequenzveränderlichen Wechselstrommotorantriebs, der einen Betrieb mit konstantem Schlupf (konstantem Winkel) mit einem Betrieb mit konstanter Leistung und veränderlichem Schlupf (veränderlichem Winkel) kombiniert mit einem Übergangsbereich, der eine Funktion sowohl der Belastung als auch der Drehzahl ist. Die Steuerung beginnt mit der Bildung eines Drehmomentreferenzsignals. In der dargestellten Anordnung wird das Drehmomentreferenzsignal durch eine Drehzahlreglerschaltung 79 erzeugt Eine Drehzahlführungsgröße wird darin mit Hilfe eines durch eine Bedienungsperson einstellbaren Stellwiderstandes 80 gebildet der ein Signal auf einer Leitung 82 abgibt das zu einer Sollmotordrehzahl proportional ist Das Istmotordrehzahlsignal N aus dem Tachometer 60 wird mit dem Drehzahlreferenzsignal mittels eines Summierpunktes 84 verknüpft so daß das Ausgangssignal des Summierpunktes 84 ein Signal sein wird, das zu der Differenz zwischen der Soll- und der Istmotordrehzahl proportional ist Dieses Differenzsignal wird an einen Verstärker 86 über eine Leitung 87

angelegt, der eine für die Drehzahlregelung geeignete Übergangsfunktion G\ hat. Gewöhnlich ist diese Übergangsfunktion eine Integrationsfunktion, die beispielsweise durch folgende Gleichung ausgedrückt werden kann:

/C(I + tS) S

wobei K die Konstante, t die Zeitkonstante und 5 der Laplace-Operator ist. Das Ausgangssignal des Verstärkers 86 ist ein Signal, das als Drehmomentreferenzsignal T* bezeichnet wird und zu dem Solldrehmoment proportional ist. Das Drehmomentreferenzsignal T* wird einer die Amplitude festhaltende Klemmschaltung 89 zugeführt, die die Drehmomentführungsgröße auf das maximale Drehmoment begrenzt, für das der Motor und der Umrichter ausgelegt sind. Die Maximaldrehmomentführungsgröße ist als T*_mi>x definiert was einer normierten Drehmomentführungsgröße von 1,0 entspricht

Der Zweck der Gleichstromquelle 12 besteht, wie oben erwähnt, darin, einen Gleichstrom Idc zu liefern, dessen Größe sich gemäß dem Solldrehmoment ändert, und demgemäß wird ein Drehmomentsteuerkanal zuerst betrachtet. Da die Erfindung einen Motorbetrieb sowohl in der Vorwärts- als auch in der Rückwärtsrichtung vorsieht, und da in den beiden Fällen das Drehmomentreferenzsignal T* an dem Schaltungsknotenpunkt 88 die eine bzw. andere Polarität haben kann, wird das Drehmomentreferenzsignal T* zuerst an eine Absolutgrößenschaltung 90 angelegt Das Ausgangssignal derselben erscheint auf einer Leitung 92 und bildet ein Eingangssignal für den weiter oben erwähnten Summierpunkt 58, in den außerdem der Absolutwert j/_m| des Motorstroms eingegeben wird. Wenn für den Augenblick das dritte Eingangssignal des Summierpunktes 58 außer acht gelassen wird, ist das auf der Leitung 61 erscheinende Ausgangssignal ein Signal, das zu der Differenz zwischen dem Drehmomentreferenzsignal T* und dem Strom |/_m| proportional ist und das Stromfehlersignal darstellt, welches dem Summierpunkt 42 über den Verstärker 46 zugeführt wird. Das Rückführungssignal Vi. das, wie weiter oben erwähnt dem Summierpunkt 42 über das Filter 40 zugeführt wird, bewirkt, daß der Strom inc gemäß dem Signal an dem Eingang des Summierpunktes 42 gesteuert wird und entsprechend auf der Leitung 34 erscheint Da das Drehmoment zunimmt, wenn der Motorstrom zunimmt was aus Flg. 2 ersichtlich ist in der der Strom Z₉, welcher das Drehmoment erzeugt als gleich I_n, sin Θ dargestellt ist werden Drehmomentfehler durch das Stromfehlersignal korrigiert das an die Steuereinrichtung 16 aus dem Summierpunkt 42 über die Leitung 32 angelegt wird.

Als nächstes wird der Signalkanal zur Steuerung des Winkels Θ beschrieben, wie er zur Steuerung der Frequenz des Wechselrichters 22 in beiden Betriebsarten benutzt wird.

Es wird nun auf den linken Teil von Flg. 1 Bezug genommen, in welchem die Bezugszahl 94 eine Begren-/erschaltung bezeichnet die im wesentlichen ein Ausgangssigna] konstanter Größe liefert dessen Polarität sich aber gemäß der Polarität des Drehmomentreferenzsignals T* ändert welches der Begrenzerschaltung über die Leitung 96 von dem Schaltungsknotenpunkt 88 her zugeführt wird. Die Begrenzerschaltung 94 liefert ein Ausgangssignal, welches aus einem Winkelreferenzsignal besteht das dem Winkel Θκ entspricht und an eine Multiplizierschaltung 98 angelegt wird. Dieses Eingangssignal entspricht den in Fig. 5B gezeigten Kurvenabschnitten m und n. Darüber hinaus ist eine konstante Leistung einstellende Vorspannungsschaltung 100 (Fig. 9) vorgesehen, die den Winkel Θ für Betriebsdreh-

s zahlen oberhalb der Drehzahl C ändert. Das Θ-Vorspannungssignal führt zu den ©,.-Kennlinienabschnitten ο, ρ und q, die in Fig. 5B gezeigt sind. Dieses Ausgangssignal, das auf einer Leitung 102 erscheint, wird über einen Summierpunkt 104 an die Multiplizierschaltung 98 angelegt. Wenn für den Augenblick das andere Eingangssignal des Summierpunktes 104 vernachlässigt wird, ist zu erkennen, daß das Ausgangssignal der Multiplizierschaltung 98 ein Signalgemisch darstellt, das den in Rg. 5B gezeigten Kennlinien entspricht. Die Winkel-Vorspannungsschaltung 100 empfängt drei Eingangssignale, nämlich das Drehmomentreferenzsignal T* das Signal entsprechend der Motordrehzahl N und ein konstantes Signal Y, welches zu der Summe aus dem der Drehzahl C entsprechenden Signal und dem maximal möglichen Drehmomentreferenzsignal T*_max proportional ist.

Das Ausgangssignal der Multiplizierschaltung 98 wird an einen Eingang eines Summierpunktes 106 angelegt an dessen anderen Eingang das dem Winkel Θ entsprechende Signal angelegt wird, welches auf einer Leitung 108 aus der Einrichtung 50 erscheint Diese beiden Signale bilden ein Frequenzfehlersignal, das über einen Verstärker 110 an einen weiteren Summierpunkt 112 angelegt wird, dessen zweiter Eingang über eine Leitung 114 das Motordrehzahlsignal empfängt Das Ausgangssignal des Summierpunktes 112 bildet die Frequenzführungsgröße, die an die Steuereinrichtung 24 zum Steuern des Frequenzausgangssignals des Wechselrichters 22 angelegt wird, wie es in der DE-OS 29 14 595 vorgeschlagen ist.

Wenn das Drehmomentreferenzsignal T* Null ist wird das Winkelreferenzsignal aus der als Θκ-Programmgenerator dienenden Schaltung 94 und der Vorspannschaltung 100 Null sein. Das bildet den Zustand ohne Belastung für den Motor, bei welchem der Leistungsfaktor nur Null sein kann, und deshalb muß der Winkel Θ ebenfalls Null sein. Gemäß Vorstehendem ist somit die Winkel-©-Regelschleife im wesentlichen eine phasenstarre Schleife, die einen Winkelfehler abfühlt um die Frequenz und damit den Luftspaltleistungsfaktor des Motors zu steuern.

Somit wird durch Steuern des Motorstroms /„, und des Winkels Θ gemäß einem vorbestimmten Programm eine präzise Steuerung über das Drehmoment und den

so Fluß in dem Motor aufrechterhalten. Außerdem sollte jedoch beachtet werden, daß diese präzise Steuerung nur erzielt werden kann, wenn die Motorkennlinien sehr konstant linear und sehr genau bekannt sind, so daß der Winkel Θ sehr präzise berechnet werden kann. Da eine solche lineare Kennlinie nicht vorhanden ist kommt ein zusätzlicher Parameter zu den Steuerfunktionen, bei dem es sich um den Wert des Motorflusses Ψ handelt Dieser Parameter wird benutzt um ein Trimmsigna] niedriger Verstärkung zum Modifizieren sowohl des Drehmomentsteuersignals als auch des Frequenzsteuersignals zu erzeugen, um sicherzustellen, daß der Motorfluß für jeden Drehmomentwert auf dem richtigen Wert ist
Zum besseren Verständnis des Erfordernisses des dritten Parameters ist eine Bezugnahme auf die Fig. 3A und 3B angebracht Fig. 3A zeigt beispielsweise eine parabolische Kennlinie für den Fluß in Abhängigkeit vom Drehmoment bei Betriebszuständen mit konstan-

tem Winkel Θ_κ. Fig. 5A zeigt jedoch, daß diese parabolische Kennlinie nur für Betriebsdrehzahlen von 0 bis 1,OC erforderlich ist, und daß für Drehzahlen oberhalb der Drehzahl C der Fluß auf kleinere konstante Werte begrenzt wird, die durch Abschnitte f, g und h in Fig. 5A charakterisiert sind. In der in Fig. 1 gezeigten bevorzugten Ausführungsform wird das erwünschte Flußprogranim durch ein Kennlinienglied 116 realisiert, das beispielsweise aus einer einfachen, größenbegrenzten Absolutwertschaltung besteht, welche eine derartige Versetzung einführt, daß das Ausgangssignal auch dann einen endlichen Wert hat, wenn das Signal an dem Schaltungsknotenpunkt 88 Null ist. Darüber hinaus ist eine veränderliche Klemmschaltung 118, die den in Fig. 7 gezeigten Schaltungsaufbau hat, mit dem Kennlinienglied 116 verbunden. Die veränderliche Klemmschaltung 118 empfängt zwei Gingangssignale, die der Motordrehzahl N, welche auf einer Leitung 83 erscheint, bzw. einem Signal X entsprechen, das der Drehzahl C entspricht, multipliziert mit einer vorbestimmten Konstanten K\, d. h. (K)C. Die veränderliche Klemmschaltung 118 realisiert die Abschnitte f, g und A, die in Fig. 5A gezeigt sind, wenn sie in Verbindung mit dem Kennlinienglied 116 verwendet wird. Dessen Ausgangssignal, das nun ein Flußreferenzsignal enthält, wird dem einen Eingang eines Summierpunktes 120 zugeführt. Der andere Eingang ist das dem Fluß Ψ entsprechende Signal aus der Einrichtung 50. das daran über eine Schaltjngsleitung 122 angelegt wird. Das Signal hat, wie oben erwähnt, eine Größe, die zu dem Augenblickswert des Motorluftspaltflusses proportional ist. Das Ausgangssignal des Summierpunktes 120 bildet ein Flußfehlersignal und erscheint auf einer Leitung 124. Das Flußfehlersignal wird an den Summierpunkt 58 in einem positiven Sinne über einen Verstärker 126 angelegt, dessen Eingang mit dem Schaltungsknotenpunkt 128 verbunden ist Diese positive Addition hat die Wirkung, daß, wenn der Augenblicksfluß kleiner als der erwünschte ist, das Flußfehlersignal, das an dem Summierpunkt 58 anliegt, eine Zunahme des dem Wechselrichter 22 zuzuführenden Stroms bewirkt Umgekehrt wenn der Ruß höher als erwünscht ist, wird dem Wechselrichter ein kleinerer Strom zugeführt Das Flußfehlersignal, das an dem Schaltungsknotenpunkt 128 erscheint, wird außerdem an den Surnrnierpunkt 104 über eine Begrenzerschaltung 130 und einen Verstärker 132 angelegt, so daß für ein Flußfehlersignal Null ein Wert Eins an den Summierpunkt 104 angelegt wird. Diese Verbindung bewirkt daß der Winkel Θ verkleinert wird, wenn der Istfluß kleiner als das Flußprogramm ist

Die Gesamtwirkung der in Fig. 1 gezeigten Schaltungsanordnung besteht darin, daß man den Betrieb über eine Typenpunkt-Drehzahl (C) hinaus bei weniger als dem vollen Drehmoment ausdehnen kann, ohne den Winkel Θ zu ändern, bis die Motorspannung ihren Grenzwert erreicht d. h. bis der Fluß den Klemmwert erreicht Oberhalb dieser Drehzahl und dieses Drehmoments kann ein zusätzlicher Betriebsbereich erzielt werden, indem der Winkel θ geändert wird. Das wird durch die in Fig. 1 gezeigte Anordnung automatisch erreicht Während eine KonsUintwinkelsteuerung beibehalten wird, durch die der Fluß mit der Belastung über einem möglichst großen Teil des Belastungs- und Drehzahlbereiches ansteigt schaltet anschließend ein Betriebsschalter auf eine modifizierte Steuerung mit veränderlichem Winkel um, während eine konstante Ausgangsleistung aufrechterhalten wird. Das ist durch das Diagramm in Fig. 6 gezeigt, welches die Motorleistungskennlinien für T* = T*_maK zeigt.

Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Flußklemmschaltung 118, die in Fig. 1 gezeigt ist. An Eingangsklemmen 134 und 136 werden Signale angelegt, die der Motordrehzahl N bzw. A"(die Drehzahl C multipliziert mit einer vorbestimmten Konstanten K) entsprechen. Das Signal N wird von dem Tachometer 60 über die Leitung 83 geliefert. Da das Signal X eine feste Größe hat, kann ein analoges Signal desselben erzeugt werden.

beispielsweise durch einen einfachen festen Spannungsteiler 135, der an einer Spannungsquelle V + liegt. Die Eingangsklemme 134 ist mit einer Gleichrichterschaltung 138 verbunden, die ein Ausgangssignal liefert, das dem Absolutwert von /V, d. H. \N\ entspricht. Mit dem

t5 Ausgang der Gleichrichterschaltung 138 ist ein fester Widerstand 140 verbunden, der mit einem Schaltungsknotenpunkt 142 zusammen mit einem weiteren festen Widerstand 144 verbunden ist, der andererseits mit der Eingangsklemme 136 verbunden ist. Der Schaltungsknotenpunkt 142 ist mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 146 verbunden, dessen Ausgangsknotenpunkt 152 mit einer Parallelschaltung aus einer Z-Diode 148 und einem festen Widerstand 150 verbunden ist, die andererseits mit dem Eingangsknotenpunkt 142 verbunden ist. Eine Ausgangskopplungsdiode 154 verbindet die Schaltung mit dem Kennlinienglied 116, das in Fig. 1 gezeigt ist Die in Fig. 7 gezeigte Schaltungsanordnung hat eine Übergangskennlinie, wie sie in Fig. 8 gezeigt ist, wobei der Knickpunkt 155 der Durchbruchspannung der Z-Diode 148 und der Drehzahl C des Systems entspricht. Die Schaltung ist weiter so betreibbar, daß der Widerstand 150 die Steigung der Ausgangskennlinie nach dem Knickpunkt 155 steuert, und er ist ideal ausgewählt, damit sich eine Hyperfunktion 1//Vergibt Diese Hyperbel kann in einem begrenzten Gebiet zwar durch eine gerade Linie angenähert werden, für große Drehzahlbereiche kann aber ein nichtlineares Rückkopplungselement den Widerstand 150 ersetzen, um die Hyperbel nachzubilden. Demgemaß ist mit der linearen Nachbildung der Hyperbel der Ausgangswert der Schaltung 118 bis zu der Drehzahl C konstant, daran anschließend fällt er aber mit einer konstanten Steigung ab, die der idealen Hyperbel angenähert ist, was, wie oben beschrieben, bewirkt, daß der Fluß Ψ auf gegenüber Ψπ,_ίλ verringerte Werte geklemmt wird, wenn die Drehzahl über die Drehzahl C erhöht wird.

Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Vorspannschaltung 100 von Fig. 1. Drei Eingangsklemmen 156,

so 158 und 160 empfangen ein Signal entsprechend der Motordrehzahl N, das Drehmomentreferenzsignal T* bzw. ein konstantes Signal Y=C+ T*_max. Ein Analogsignal, das dem festen Wert von Y entspricht, kann mit Hilfe einer Spannungsteilerschaltung 161 erhalten werden, die an die feste Spannungsquelle V + angeschlossen ist Die Eingangsklemme 156 ist mit einer Gleichrichterschaltung 162 verbunden, die ein Ausgangssignal des Absolutwertes der Motordrehzahl mit einem negativen Vorzeichen liefert d.h. — \N\, und mit einem Schaltungsknotenpunkt 164 über einen festen Widerstand 166 verbunden ist Die Eingangsklemme 158 ist mit einer Gleichrichterschaitung 168 verbunden, die ein Ausgangssignal des Absolutwertes des Drehmomentreferenzsignals ebenfalls mit einem negativen Vorzeichen liefert d.h. —IT*!. Dieses Signal wird ebenfalls an den Schaltungsknotenpunkt 164 über einen festen Widerstand 170 angelegt Schließlich ist die Eingangsklemme 160 mit einem festen Widerstand 172 verbunden, der

ebenfalls mit dem Schaltungsknotenpunkt 164 verbunden ist. Der Schaltungsknotenpunkt 164 ist mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 174 verbunden, dessen Ausgang mit der Diode 176 verbunden ist. Die Diode ist ihrerseits mit einem Schaltungs- knotenpunkt 178 verbunden, mit welchem ein Rückkopplungswiderstand 180 verbunden ist, dessen entgegengesetztes Ende mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 174 verbunden ist. Die Zahlenwerte der Widerstände 166,170, 172 können so gwählt werden, daß sie gleich sind, wodurch sich eine derartige Skalierung oder ein derartiger Maßstab ergibt, daß T*_max gleich Cist. Das konstante Signal Y=C+ T*_ma, wird weiter so ausgewählt, daß die Diode 176 bei Drehzahlen oberhalb der Drehzahl C für eine erhöhte Dreh- momentführungsgröße leitet und sich somit die in Rg, 10 gezeigten Übergangsfunktionen ergeben. Der Rückkopplungswiderstand 180 legt den Verstärkungsfaktor der Schaltung fest und wird in Übereinstimmung mit den Motorparametern so ausgewählt, daß ein Winkel Θ festgelegt wird, welcher bewirkt, daß der Fluß bei T'max gleich dem durch die Klemmschaltung 118 bei jeder Drehzahl eingestellten Grenzwert ist.

Es ist somit eine Schaltung zum Programmieren von optimierten Fluß- und Winkelführungsgrößen in Abhängigkeit von dem Drehmoment und der Drehzahl gezeigt und beschrieben worden, die einem geschlossenen Regel-System zugeführt werden, um eine Betriebsart mit konstantem Schlupf mit einer Betriebsart mit konstanter Leistung zu verknüpfen und dadurch bei jeder Drehzahl das maximale Drehmoment zu liefern, das innerhalb der Spannungs- und Stromgrenzen der Stromquelle erzeugt werden kann.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

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Claims (7)

Patentansprüche

1. Anordnung zum Steuern eines Asynchronmotors über einen Frequenzumrichter mit eingeprägtem Zwischenkreisstrom, bestehend aus

a) einem Drehzahlregler, dessen Ausgang einen Drehmoment-Sollwert darstellt,

b) einem Drehmoment-Regelkreis, dem die Absolutgrößen eines aus den Betriebsparametern errechneten Motorstrom-Istwerts und des Drehmoment-Sollwerts zugeführt werden, und dessen Ausgangssignal einem Regler für den Zwischenkreisstrom zugeführt wird,

c) einem Feldwinkel-Regelkreis, dem als Sollwert ein dem Drehmoment-Sollwert propor- tionales und in seiner Absolutgröße begrenztes Signal und als Istwert ein aus den Betriebsparametern errechneter Phasenwinkel zwischen dem Motorstrom und dem Motor-Luftspaltfluß zugeführt wird, und dessen schlupffrequenzproportionales Ausgangssignal zu einem der mechanischen Drehzahl proportionalen Signal addiert wird und die Frequenz des Umrichters steuert,

d) und einem Fluß-Regelkreis, dem als Sollwert der über ein Kennlinienglied bewertete Drehmoment-Sollwert und ein aus den Betriebsparametern berechneter Fluß-Istwert zugeführt wird, und dessen Ausgangssignal als Zusatzsignal auf die Vergleichsstelle des Drehmomentregelkreises, und über ein Multiplizierglied auf den Sollwert des Feldwinkelregelkreises einwirkt, wobei

d1) das Kennlinienglied zu dem Absolutwert des Drehmoment-Sollwerts einen festen Wert addiert und die Summe in ihrer Größe auf einen Maximalwert begrenzt,
dadurch gekennzeichnet, daß im Feldschwächebetrieb der Maximalwert im Kennlinienglied (116) abhängig vom Drehzahl-Istwert reduziert wird, und daß dem Ausgangssignal des Flußreglers vor der Multiplikationsstelle ein dem Drehzahl-Istwert und dem Drehmoment-Sollwert im wesentlichen proportionales, mit einer Vorspannung versehenes und nach unten auf Null begrenztes Signal (Leitung 102) zugeführt wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Kennlinienglied (116) eine veränderbare Klemmschaltung (118) verbunden ist, welche in der Lage ist, die Größe des Ausgangssignals des Kennliniengliedes (116) auf in Abhängigkeit vom Drehzahl-Istwert gewählten Werten festzuhalten.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Typenpunkt-Drehzahl (C) des Motors (26) einen Drehzahl-Referenzwert des Drehzahlreglers bildet.

4. Anordnung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Klemmwert der Klemmschaltung (118) von der die Typenpunkt-Drehzahl (C) des Motors übersteigenden Motor-

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5. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die ein konstantes. Signal (Y) proportional zu der Summe aus einem dem maximal möglichen Drehmoment entsprechenden Referenzsignal und einem der Typenpunkt-Drehzahl (C) des Motors entsprechenden Signal liefert

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß das Ausgangssigna] des Flußreglers beeinflußende Signal von einer Vorspannungsschaltung (100) erzeugt wird, die

,Schaltungen (162,168) zum Erzeugen von Signalen entsprechend den Absolutwerten des Drehzahl-Istwertes und des Drehmoment-Sollwertes;
einen Summierkreis (164), an dem diese Absolutwertsignale und das konstante Signal (Y) anliegen: und

einen Operationsverstärker (174) enthält der einen mit dem Summierkreis verbundenen Eingang hat und dessen Ausgang mit einem Ausgangsknotenpunkt (178) verbunden ist welcher mit dem Fluß-Regelkreis verbunden ist wobei eine Diode (176) zwischen den Ausgang des Operationsverstärkers (174) und den Ausgangsknotenpunkt (178) und ein Rückkopplungswiderstand (180) zwischen den Ausgangsknotenpunkt (178) und den Eingang des Operationsverstärkers (174) geschaltet sind.

7. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die veränderbare Klemmschaltung (118)

eine Schaltung (138) zum Erzeugen eines dem Absolutwert der Motordrehzahl entsprechenden Signals;

einen Summierkreis (142), an welchem das dem Absolutwert der Ist-Motordrehzahl entsprechende Signal und ein einem vorbestimmten Drehzahl-Referenzwert proportionales Signal anliegen;
einen Operationsverstärker (146), der einen mit dem Summierkreis (142) verbundenen Eingang hat und auf das von diesem gelieferte Summensignal anspricht;

eine Z-Diode (148) und einen elektrischen Widerstand (150), welche parallel zwischen den Ausgang des Operationsverstärkers (146) und dessen Eingang geschaltet sind; und

eine Schaltung enthält, die den Ausgang des Operationsverstärkers (146) mit dem Kennlinienglied (116) verbindet.