DE3211182C2 - Method for regulating the torque of an asynchronous machine - Google Patents
Method for regulating the torque of an asynchronous machineInfo
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Abstract
Bei diesem Verfahren zur Regelung des Drehmomentes einer Asynchronmaschine (1), die über einen Wechselrichter (2) bzw. Umrichter aus einer Gleichstromquelle (3) bzw. Wechselstromquelle speisbar ist, wird die Ständerfrequenz (f ↓1) durch Addition eines rückgeführten Drehfrequenz-Istwertes (f ↓n) und einer einem vorgegebenen Drehmoment (M) entsprechenden Schlupffrequenzvorgabe (f ↓2 ↓V) gebildet. Die Rückführung des Drehfrequenz-Istwertes (f ↓n) erfolgt dabei verzögert. Hierdurch vermindert sich bei schnellen Änderungen des Drehfrequenz-Istwertes (f ↓n) der Drehmoment-Istwert (M ↓i ↓s ↓t) an der Asynchronmaschine (1), was drehzahlstabilisierend wirkt. Das Verfahren wird insbesondere zur Regelung der Antriebe von Schienenfahrzeugen eingesetzt.In this method for regulating the torque of an asynchronous machine (1), which can be fed via an inverter (2) or converter from a direct current source (3) or alternating current source, the stator frequency (f ↓ 1) is determined by adding a returned actual rotary frequency value (f ↓ n) and a slip frequency specification (f ↓ 2 ↓ V) corresponding to a predetermined torque (M). The feedback of the actual rotational frequency value (f ↓ n) is delayed. As a result, the actual torque value (M ↓ i ↓ s ↓ t) on the asynchronous machine (1) decreases with rapid changes in the actual rotational frequency value (f ↓ n), which has a stabilizing effect on the speed. The method is used in particular to control the drives of rail vehicles.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung des Drehmomentes einer Asynchronmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method for regulating the torque of an asynchronous machine according to the preamble of claim 1.
Ein solches Verfahren ist aus der DE-OS 23 61 339 bekannt und wird insbesondere bei drehmomentgeregelten Antrieben von Schienenfahrzeugen eingesetzt. Bei diesem Verfahren wird eine bestimmte Schlupffrequenz vorgegeben und durch Änderung der Ständerfrequenz eingestellt. Die Schlupffrequenz wird mit Hilfe eines Funktionsbildners in Abhängigkeit vom Drehmoment-Sollwert vorgegeben.Such a method is known from DE-OS 23 61 339 and is used in particular in the case of torque-controlled Drives used by rail vehicles. This procedure uses a certain slip frequency specified and set by changing the stator frequency. The slip frequency is with the help a function generator depending on the torque setpoint.
Bei schnellen Änderungen des Läufer-Drehfrequenz-Istwertes, z. B. während eines Schleudervorganges bei Schienenfahrzeugen, gibt die Asynchronmaschine weiterhin das durch die Schlupffrequenzvorgabe bestimmte Drehmoment ab. Die Ständerfrequenz ist damit sehr starr an die momentane Drehfrequenz gekoppelt.In the event of rapid changes in the actual value of the rotor rotational frequency, e.g. B. during a spin process Rail vehicles, the asynchronous machine continues to provide what is determined by the slip frequency specification Torque. The stator frequency is thus very rigidly coupled to the current rotational frequency.
Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung des Drehmomentes
einer Asynchronmaschine anzugeben, das bei schnellen Änderungen des Drehfrequenz-Istwertes in
der Weise stabilisierend wirkt, daß eine Neigung zum Schleudern oder Gleiten einer Antriebsachse
Schienenfahrzeuges vermindert wird.On this basis, the invention is based on the object of specifying a method for regulating the torque of an asynchronous machine, which has a stabilizing effect in the event of rapid changes in the actual rotational frequency value in such a way that there is a tendency for a drive axle to skid or slide
Rail vehicle is reduced.
Diese Aufgabe wird gemäß einer ersten VarianteThis task is according to a first variant
durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst Die Aufgabe wird gemäß einer zweiten Variante durch die im Anspruch 2 gekennzeichneten Merkmale gelöstachieved by the features characterized in claim 1. The object is achieved according to a second variant solved by the features characterized in claim 2
Die mit der Erfindung eraielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß sich die Asynchronmaschine infolge der verzögerten Rückführung des Drehfrequenz-Istwertes bzw. der Verzögerung des Ständerfrequenz-Sollwertes bei schnellen Drehfrequenzänderungen ähnlich wie an einem Netz mit konstanter Spannung und Frequenz verhält Die Ständerfrequenz ist nicht mehr so starr an die momentane Drehfrequenz gekoppelt Bei Beginn eines Schleuder- oder Gleitvorganges bei Schienenfahrzeugen verringert sich somit das Drehmoment und die Antriebsachse wird auf diese Weise stabilisiert Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnetThe advantages achieved with the invention are in particular that the asynchronous machine as a result the delayed return of the actual rotational frequency value or the delay of the stator frequency setpoint in the case of rapid changes in the frequency of rotation, similar to a network with constant voltage and Frequency behaves The stator frequency is no longer so rigidly coupled to the current rotational frequency The start of a skidding or sliding process in rail vehicles thus reduces the torque and the drive axle is stabilized in this way. Advantageous embodiments of the invention are shown in FIG characterized the subclaims
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung erläutertAn embodiment of the invention is as follows explained with reference to the drawing
In der Zeichnung ist eine Asynchronmaschine 1 dargestellt, die über einen selbstgeführten Wechselrichter 2 aus einer Gleichstrom- bzw. Gleichspannungsquelle 3 gespeist wird. Die Eingangsspannung des Wechselrichters 2 ist mit [/cdertjingangsstromistmit Ie bezeichnet Der Wechselrichter 2 gibt ausgangsseitig eine Spannung Ua von variabler Höhe und Frequenz ab. Zur Er-The drawing shows an asynchronous machine 1 which is fed from a direct current or direct voltage source 3 via a self-commutated inverter 2. The input voltage of the inverter 2 is denoted by [/ cdertjingangsstromistmit Ie . The inverter 2 emits a voltage Ua of variable magnitude and frequency on the output side. To the
mittiung des Drehfrequenz-Istwertes /„ der Asynchronmaschine 1 ist eine Drehfrequenz-Erfassungseinrichtung 4 vorgesehen.Communication of the actual rotational frequency value / "of the asynchronous machine 1, a rotational frequency detection device 4 is provided.
Zur Ansteuerung des Wechselrichters 2 dient ein Maschinenregler 5, dem eingangsseitig ein Drehmoment-Sollwert M sowie der Drehfrequenz-Istwert /„ zugeführt v/erden. Daneben können dem Maschinenregler 5 gegebenenfalls auch die Eingangsspannung Ue sowie der Eingangsstrom Ie des Wechselrichters 2 oder auch der Ständerstrom I\ zugeleitet wt/den (nicht dargestellt). Der Maschinenregler 5 enthält unter anderem einen Funktionsgeber 6, der ausgangsseitig einen Ständerspannungswert Ü\ bzw. einen Ständerstromwert 1\ (Amplitudenwerte) sowie einen Schlupffrequenz-Vorgabewert /2 ν in Abhängigkeit von den eingangsseitig anliegenden Größen Drehmoment-Sollwert M und Drehfrequenz-Istwert /"„abgibtA machine controller 5 is used to control the inverter 2, to which a torque setpoint value M and the rotational frequency actual value / are supplied on the input side. In addition, the input voltage Ue and the input current Ie of the inverter 2 or the stator current I \ can optionally also be fed to the machine controller 5 (not shown). The machine controller 5 contains, among other things, a function generator 6, which on the output side generates a stator voltage value Ü \ or a stator current value 1 \ (amplitude values) as well as a slip frequency default value / 2 ν depending on the input-side values of the torque setpoint M and the rotational frequency actual value / ""Gives
Der Vorgabewert für die Schlupffrequenz hv wird einer Additionsstellf; 7 mit psitivem Vorzeichen zugeleitet Als weiterer Summand liegt der Additionsstelle 7 ein verzögerter Drehfrequenz-Istwert /„' an. Zur Verzögerung des Drehfrequenz-Istwertes f„' ist im Maschinen-• regler 5 ein Verzögerer 8 vorgesehen, der die Drehfrequenz f„ direkt von der Erfassungseinrichtung 4 empfängt Die Additionsstelle 7 bildet die Ständerfrequenz f\ = fn + fivund leitet diese einem Steuersatz 9 zu. Der weitere Eingang des Steuersatzes 9 wird vom Ständerspannungswert Ü\ bzw. Ständerstromwert Λ beaufschlagt Der Steuersatz 9 bildet aus den Signalen f\ und Ü{ bzw. /1 die Zündimpulse 2Tfür den Wechselrichter 2 in der Weise, daß an dessen Ausgang ein dreiphasiges Spannungssystem entsprechender Spannung und Frequenz entsteht.The default value for the slip frequency hv is an addition control; 7 supplied with a positive sign. As a further summand, the addition point 7 has a delayed rotational frequency actual value / "". To delay the rotational frequency actual value of f "'controller 5 is in mechanical • a retarder 8 is provided, the rotation frequency f" receives directly from the detector 4, the addition point 7 forms the stator frequency f \ = fn + fivund this derives a control set 9 to . The further input of the control set 9 from the stator voltage value Ü \ or stator current value Λ acted upon the rate 9 forms f from the signals \ and Ü {or / 1, the firing pulses 2Tfür the inverter 2 in such a manner that corresponding to the output of a three-phase voltage system Voltage and frequency arise.
Anstelle des an einer Gleichstromquelle bzw. Gleichspannungsquelle 3 liegenden Wechselrichters 2 kann auch ein durch eine Wechselspannungsquelle bzw. Wechselstromquelle gespeister Umrichter vorgesehen sein. Des weiteren kann auch ein Drehzahlregler eingesetzt werden, der den Drehfrequenz-Istwert f„ sowie ei-Instead of the inverter 2 connected to a direct current source or direct voltage source 3, a converter fed by an alternating voltage source or alternating current source can also be provided. Furthermore, a speed controller can also be used, which determines the actual rotational frequency value f " and a
nen Drehfrequenz-Sollwert eingangsseitig empfängt und den Drehmoment-Sollwert Mausgangsseitig abgibt (nicht dargestellt).NEN rotational frequency setpoint receives on the input side and outputs the torque setpoint M on the output side (not shown).
Bei Auftreten einer schnellen Änderung des Drehfrequenz-Istwertes f„, z. B. beim Schleudern der durch die Asynchronmaschine 1 angetriebenen Antriebsachse eines Schienenfahrzeuges, gelangt der erhöhte Wert der Frequenz f„ infolge des zwischengeschalteten Verzögerers 8 im ersten Augenblick nicht sofort zur Additionsstelle 7, d. h. der momentane Wert der Ständerfrequenz f-, bleibt zunächst erhalten. Infolge der Erhöhung des Drehfrequenz-Istwertes f„ sinkt der Wert der Schlupffrequenz /j in der Maschine 1, wodurch sich der Drehmoment-Istwert Ma, verringert. Infolge der Verringerung des Drehmomentes M,s, bei Beginn des Schleuder-Vorganges wird die Antriebsachse des Schienenfahrzeuges stabilisiert und das Schleudern klingt ab.If there is a rapid change in the actual rotational frequency value f ", z. B. when the drive axle of a rail vehicle driven by the asynchronous machine 1 spins, the increased value of the frequency f " does not immediately reach the addition point 7 due to the interposed delay 8 at the first moment, ie the current value of the stator frequency f- is initially retained. As a result of the increase in the actual rotational frequency value f i, the value of the slip frequency / j in the machine 1 decreases, as a result of which the actual torque value Ma decreases. As a result of the reduction in the torque M, s , at the start of the skidding process, the drive axle of the rail vehicle is stabilized and the skidding subsides.
In gleicher Weise wird beim Bremsen eine gleitende Achse stabilisiert.A sliding axis is stabilized in the same way when braking.
Bei Vorgabe des Drehfrequenz-Istwertes /„ als Impulsreihe (Erfassungseinrichtung 4 = digitaler Impulsgeber) erfolgt die Verzögerung mit Hilfe einer· Phasenregelkreises (PLL = Phase-Locked Loop, siehe beispielsweise H. Geschwinde, Einführung in die PLL-Technik, Vieweg-Verlag. 1978, Seite 3).When specifying the actual rotational frequency value / "as a series of pulses (Detection device 4 = digital pulse generator) the delay takes place with the aid of a phase-locked loop (PLL = phase-locked loop, see for example H. Geschwinde, Introduction to PLL technology, Vieweg publishing house. 1978, page 3).
Der Einsatz eines Phasenregelkreises hat den Vorteil, daß der in ihm enthaltene Phasendetektor den Differenzwinkel (Phasenwinkel) Δφ ■= J (f„ — fn')dt ermittelt, um den das umlaufende Ständerspannungssystem durch die Verzögerung von fr. zurückbleibt. Die Verstärkung des Regelkreises kann in Abhängigkeit von Δφ so beeinflußt werden, daß Δφ einen Grenzwert nicht überschreitet. Auf diese Weise kann die Dynamik des Verzögerers 8 und damit die stabilisierende Wirkung beim Schleudern und Gleiten verbessert werden, ohne daß durch eine zu große Verschiebung Δφ des Spannungssystems Pendeimomente entstehen können.The use of a phase-locked loop has the advantage that the phase detector contained in it determines the difference angle (phase angle) Δφ ■ = J (f " - f n ') dt by which the rotating stator voltage system due to the delay of f r . remains behind. The gain of the control loop can be influenced as a function of Δφ in such a way that Δφ does not exceed a limit value. In this way, the dynamics of the retarder 8 and thus the stabilizing effect during skidding and sliding can be improved without pendulum moments being able to arise due to an excessive displacement Δφ of the tension system.
Die Stabilisierung einer schleudernden oder gleitenden Achse ergibt sich auch dann, wenn statt der Drehfrequenz /„ fs Ständerfrequenz /j verzögert wird, wenn also der Verzögerer 8 zwischen der Summationsstelle 7 und dem Steuersatz 8 angeordnet wird (gestrichelter Block in der Figur; die Drehfrequenz /„ wird bei dieser Variante der Additionsstelle 7 direkt, d. h. unverzögert zugeführt).The stabilization of a skidding or sliding axis also results if instead of the rotational frequency / "Fs stator frequency / j is delayed when So the delay 8 is arranged between the summation point 7 and the tax rate 8 (dashed line Block in the figure; the rotational frequency / "is at this Variant of the addition point 7 directly, d. H. supplied without delay).
Falls die Signale Schlupffrequea'.vorgabe hν und Drehfrequenz fn Impulsfolgen sind und die Ständerfrequenz f\ durch direkte Addition dieser Folgen gebildet wird, hat diese Anordnung den Vorteil, daß die Äquidistanz der /r!mpulse veibessert wird. Damit wird der Oberschwingungsgehalt des Drehmoments verringert.If the signals hv and Schlupffrequea'.vorgabe rotation frequency f n pulse trains and the stator frequency f \ by direct addition of these sequences is formed, this arrangement has the advantage that the equidistance is the / r mpulse veibessert!. This reduces the harmonic content of the torque.
Der Verrögerer 8 kann sowohl bei analoger als auch bei digitaler Erfassung des Drehfrequenz-Istwertes mit unterschiedlichen Charakteristiken ausgeführt werden, z. B. als Verzögerungsglied erster oder zweiter Ordnung (siehe z. B. L. Merz, Grundkurs der Regelungstechnik, Oldenbourg-Verlag. München, 1964, Seite B/49 bis B/ 53) oder als Anstiegsbegrenzer, der die Änderungsgeschwindigkeit der Eingangsgröße fn auf einen bestimmten Maximalwert begrenzt. Um den Beginn des Schleuderns oder Gleitens einer Antriebsachse im gesamten Drehzahlbereich möglichst schnell zu erfassen, werden die Zeitkonstanten des Verzögerers in Abhängigkeit von der Drehfrequenz f„ verändert.The delay device 8 can be designed with different characteristics for both analog and digital acquisition of the actual rotational frequency value, e.g. B. as a first or second order delay element (see, for example, BL Merz, Basic Course in Control Engineering, Oldenbourg-Verlag. Munich, 1964, pages B / 49 to B / 53) or as a rise limiter that reduces the rate of change of the input variable f n to a certain Maximum value limited. In order to detect the beginning of the skidding or sliding of a drive axle in the entire speed range as quickly as possible, the time constants of the decelerator are changed as a function of the rotational frequency f " .
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Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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1982
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