DE4032056C1 - Determining slip frequency for control of asynchronous motor - calculating cross product of stator current voltage and frequency vectors to increase stator frequency bandwidth towards DC - Google Patents
Determining slip frequency for control of asynchronous motor - calculating cross product of stator current voltage and frequency vectors to increase stator frequency bandwidth towards DCInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method according to the preamble of the claim 1 and an arrangement for performing the method.
Antriebe mit umrichtergespeisten Asynchronmotoren (ASM) für kleinere Leistungen und/oder mit nicht sehr hohen Anforderungen an das dynamische Verhalten werden in der Regel ohne Drehzahlgeber ausgeführt. Das bekannte dafür verwendete Verfahren ist die Steuerung der Statorspannung in Abhängigkeit der Statorfrequenz (U/f-Kennlinie) mit einem konstanten oder stromabhängigen Grundwert zur Kompensation des ohmschen Spannungsabfalls. Mit diesen Verfahren wird in grober Näherung der Statorfluß konstant gehalten.Drives with converter-fed asynchronous motors (ASM) for smaller ones Services and / or with not very high demands on the dynamic Behaviors are usually carried out without a speed sensor. The known method used for this is the control of the stator voltage depending on the stator frequency (U / f characteristic) with a constant or current-dependent basic value to compensate for the ohmic voltage drop. Using this method comes in rough approximation the stator flux was kept constant.
Wesentlich bessere dynamische Eigenschaften erreicht man mit einem konstanten Rotorfluß. Bei konstantem Rotorfluß sind Drehmoment- und Flußbildung in der ASM entkoppelt. Dazu muß jedoch die Statorspannung (oder der Statorstrom) nach Betrag und Phasenwinkel als Funktion eines konstanten Anteils, der Statorfrequenz und der Schlupffrequenz vorgegeben werden. Wird zusätzlich die Statorfrequenz durch einen Regelkreis mit unterlagerten Schlupffrequenz-Regelung gebildet, erhält man einen dynamisch guten und kippsicheren Antrieb.Much better dynamic properties can be achieved with a constant rotor flux. At constant rotor flux, torque and Flow formation decoupled in the ASM. However, this requires the stator voltage (or the stator current) as a function of magnitude and phase angle a constant component, the stator frequency and the slip frequency be specified. If the stator frequency is additionally determined by a Control loop formed with subordinate slip frequency control, receives you have a dynamically good and tilt-proof drive.
Die Kenntnis der Schlupffrequenz ist also für eine betriebssichere Antriebsführung unerläßlich.Knowing the slip frequency is therefore reliable Drive control indispensable.
Das erläuterte Verfahren ist bekanntgeworden durch die dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 5 zugrundeliegenden Veröffentlichung: "CONTROL METHODS FOR GOOD DYNAMIC PERFORMANCE INDUCTION MOTOR DRIVES BASED ON CURRENT AND VOLTAGE AS MEASURED QUANTITIES" von R. Joetten, G. Maeder, Mai 1982 Orlando/Florida/USA.The method explained has become known through the publication based on the preamble of claims 1 and 5: "CONTROL METHODS FOR GOOD DYNAMIC PERFORMANCE INDUCTION MOTOR DRIVES BASED ON CURRENT AND VOLTAGE AS MEASURED QUANTITIES " by R. Joetten, G. Maeder, May 1982 Orlando / Florida / USA.
Das darin beschriebene Verfahren der Schlupffrequenz-Ermittlung basiert auf der bekannten Beziehung: "Die Schlupffrequenz ist proportional dem inneren Drehmoment dividiert durch das Quadrat der Rotorflußverkettung, Gln. (8, 3)".The slip frequency determination method described therein is based on the known relationship: "The slip frequency is proportional to the internal torque divided by the square of the rotor flux linkage, Eq. (8, 3) ".
Unter der Voraussetzung, daß die Rotorflußverkettung konstant gehalten wird oder sich nur das langsam verändert, z. B. bei Feldschwächung, können die Komponenten der Rotorflußverkettung durch Komponenten der Rotor-EMK ausgedrückt werden, Gln. (10, 12). Dadurch werden Integratoren mit ihren Driftproblemen vermieden.Provided that the rotor flux linkage is kept constant will or only that slowly changes, e.g. B. in field weakening, can the components of the rotor flux chaining by components of the Rotor EMF can be expressed, Eq. (10, 12). This makes integrators avoided with their drift problems.
Daraus entsteht die Gl. (11) der Schlupffrequenz ω₂:From this the Eq. (11) the slip frequency ω₂:
Fig. 4 der Veröffentlichung zeigt eine entsprechende Schaltung zur Berechnung der Schlupffrequenz. Fig. 4 of the publication shows an equivalent circuit for calculating the slip frequency.
Die Gl. (11) hat jedoch in der praktischen Realisierung zwei wesentliche Nachteile:The Eq. However, (11) has two main practical implications Disadvantage:
- 1. Da die Komponenten der Rotor-EMK e2 α, e2 β der Statorfrequenz ω1 proportional sind, ändern sich Zähler und Nenner des Quotienten quadratisch mit der Statorfrequenz. Das führt bei großem Statorfrequenzbereich zu sehr großen Zahlenbereichen, die zumindest von einem analogen Dividierer nicht mehr mit der erforderlichen Genauigkeit verarbeitet werden können. 1. Since the components of the rotor EMF e 2 α , e 2 β are proportional to the stator frequency ω 1 , the numerator and denominator of the quotient change quadratically with the stator frequency. In the case of a large stator frequency range, this leads to very large number ranges, which at least can no longer be processed with the required accuracy by an analog divider.
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2. Die Komponenten der Rotor-EMK werden gemäß Gl. (12) gebildet, indem
von der Stator-Klemmenspannung U1 α, β der ohmsche Spannungsabfall
R1i1 α, β und der induktive (1/K11)di1 α, β/dt subtrahiert werden.
Der Statorwiderstand R₁ in der Rechenschaltung Fig. 4 ist ein
konstanter Parameter, während der in der ASM thermisch veränderlich
ist. Die gemessene Rotor-EMK wird also von der wahren Rotor-EMK in
der ASM abweichen. Dies führt bei Reduzierung der Statorfrequenz
zu einem steigenden Fehler. Es wird daher in der genannten Veröffentlichung
auf Seite 400 links unten eine Statorfrequenz von
+/- 3 . . . 5% ihres Nennwertes als untere Grenze der Brauchbarkeit
des Verfahrens genannt.
Für den Bereich zwischen dieser Grenze und der Statorfrequenz Null, der beim Anfahren, Stillsetzen und Reversieren durchfahren wird, werden auf Seite 402 der Veröffentlichung links unten zusätzliche Maßnahmen vorgeschlagen. Danach wird der Ausgang der Rechenschaltung in dem Frequenzbereich um Null unterdrückt und die Verstellgeschwindigkeit der Statorfrequenz diesen Bereich verläßt. Beim Reversieren durch den Frequenzbereich um Null kann in verfeinerter Methode die Verstellgeschwindigkeit auf dem Wert kurz vor Erreichen dieses Bereiches gehalten werden.2. The components of the rotor EMF are according to Eq. (12) formed by subtracting the ohmic voltage drop R 1 i 1 α, β and the inductive (1 / K 11 ) di 1 α, β / dt from the stator terminal voltage U 1 α, β . The stator resistor R₁ in the arithmetic circuit Fig. 4 is a constant parameter, during which is thermally variable in the ASM. The measured rotor EMF will therefore deviate from the true rotor EMF in the ASM. This leads to an increasing error when the stator frequency is reduced. There is therefore a stator frequency of +/- 3 in the publication cited on page 400 bottom left. . . 5% of their nominal value as the lower limit of the usability of the method.
Additional measures are proposed on page 402 of the publication for the area between this limit and the stator frequency zero, which is traversed when starting, stopping and reversing. The output of the arithmetic circuit is then suppressed in the frequency range around zero and the adjustment speed of the stator frequency leaves this range. When reversing through the frequency range around zero, the adjustment speed can be kept at the value shortly before reaching this range in a refined method.
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, mit einer Weiterentwicklung des in der zitierten Veröffentlichung beschriebenen Verfahrens die untere Grenze der Statorfrequenz so nahe an Null heranzubringen, daß zusätzliche Maßnahmen nicht erforderlich sind und der Antrieb im gesamten Statorfrequenzbereich mit Ausnahme von "Null" schlupffrequenzgeführt ist.It is the aim of the present invention, with a further development the procedure described in the cited publication to bring the lower limit of the stator frequency so close to zero that additional measures are not necessary and the drive in the entire stator frequency range with the exception of "zero" slip frequency is.
Zur Erläuterung des erweiterten Verfahrens wird zunächst das Verhalten der ASM durch ein auf die statorfesten α,β-Achsen bezogenes Gleichungssystem beschrieben, dem die Meßwerte zugeordnet sind.Behavior is used to explain the extended procedure the ASM by means of an equation system related to the stator-fixed α, β axes to which the measured values are assigned.
Dies geschieht in Anlehnung an die Aussagen der Bücher von: H. Kleinrath/Stromrichtergespeiste Drehfeldmaschinen, Springer-Verlag 1980; H. Bühler/Einführung in die Theorie geregelter Drehstromantriebe Band 1 Grundlagen und Band 2 Anwendungen. Birkhäuser-Verlag, 1. Auflage 1977This is based on the statements of the books by: H. Kleinrath / converter-fed induction machines, Springer-Verlag 1980; H. Bühler / Introduction to the theory of regulated three-phase drives Volume 1 basics and Volume 2 applications. Birkhäuser-Verlag, 1st edition 1977
Die Größen und Konstanten sind normiert. Das mit Statorkreisfrequenz fSωN umlaufende x,y-Koordinatensystem wird auf den Raumvektor Rotorflußverkettung Ψ R ausgerichtet - Bild 1.The sizes and constants are standardized. The x, y coordinate system rotating with stator angular frequency f S ω N is aligned with the space vector rotor flux linkage Ψ R - Figure 1.
Die Gleichungen der ASM im statorfesten α,β-System lauten:The ASM equations in the stator-fixed α, β system are:
Aus Gln. (20, 22, 23) wird:From Eq. (20, 22, 23) will:
Darin ist die Rotor-EMK:Here is the rotor EMF:
e R = eA + jeB e R = e A + each B
Mit dem Ansatz gemäß Bild 1 (Diagramm der Raumkonvektoren):With the approach according to Figure 1 (diagram of the room convectors):
Kann die linke Seite der Gl. (25) in eine transformatorische und eine rotatorische Spannung zerlegt werden:Can the left side of Eq. (25) into a transformative and a rotational voltage can be broken down:
Mit der Vernachlässigung:With the neglect:
erhält man ohne Integration die aus der zitierten Veröffentlichung bekannte einfache Beziehung der Rotorflußverkettung:you get the one from the cited publication without integration known simple relationship of rotor flux chaining:
Ψ R = ΨA + jΨB Ψ R = Ψ A + jΨ B
Diese in Gl. (24) eingesetzt ergibt das Produkt "Statorfrequenz mal inneres Drehmoment":This in Eq. (24) inserted results in the product "Stator frequency times internal torque":
fsmi ≈ iaeA + iβeB (33)f s m i ≈ i a e A + i β e B (33)
Nun muß für die Rotorflußverkettung ebenfalls eine Beziehung in der Form fsΨ2 R gefunden werden, um den Zahlenbereich des Quotienten in Gl. (45) einzuschränken.Now a relationship in the form f s Ψ 2 R must also be found for the rotor flux chaining in order to cover the number range of the quotient in Eq. (45) restrict.
Dazu werden aus Gln. (21, 23, 29) weitere Beziehungen für die Komponenten der Rotorflußverkettung gebildet:For this purpose, from Eq. (21, 23, 29) further relationships for the components the rotor flux linkage formed:
Die Änderung der Rotorflußverkettung kann hier nicht wie in Gl. (30) vernachlässigt werden wegen TR»1/ωN.The change in the rotor flux linkage cannot here as in Eq. (30) are neglected because of T R »1 / ω N.
Gl. (34) mit ΨA erweitert, Gl. (35) mit ΨB erweitert und addiert ergibt:Eq. (34) expanded with Ψ A , Eq. (35) expanded and added with Ψ B results in:
Mit Gln. (31, 32) und folgendem Ansatz wird:With Gln. (31, 32) and the following approach:
Da es sich um eine Integration mit fester Gegenkopplung handelt, bestehen keine Driftprobleme.Since it is an integration with fixed negative feedback, exist no drift problems.
Aus der US-PS 44 42 393 ist die Verwendung des Skalarproduktes (inneres Produkt) entsprechend Gleichung (33) und des Kreuzungsproduktes (äußeres Produkt) entsprechend Gleichung (38) aus Spannungs- und Stromvektor bekannt. Bei dem Spannungsvektor handelt es sich jedoch um die unverminderte Statorspannung, weshalb die Ergebnisse gemäß der Beschreibung in Spalte 6, oben, der US-PS 44 42 393 die Motor zugeführte Wirkleistung Wy und Blindleistung Wx bedeuten. Die in dieser Patentschrift im Abstract, Zeile 4 von unten angedeutete Ermittlung der Schlupffrequenz ergibt keinen Hinweis auf die Gewinnung von Universalfunktionen. Demgegenüber werden erfindungsgemäß Universalfunktionen entwickelt, die auf einfachere Weise analog oder digital abgearbeitet werden können.From US-PS 44 42 393 the use of the dot product (inner product) according to equation (33) and the crossing product (outer product) according to equation (38) from voltage and current vector is known. However, the voltage vector is the undiminished stator voltage, which is why the results according to the description in column 6, above, of US Pat. No. 4,442,393 mean the active power W y and reactive power W x supplied to the motor. The determination of the slip frequency indicated in the abstract, line 4 from below in this patent specification gives no indication of the acquisition of universal functions. In contrast, according to the invention, universal functions are developed which can be processed in a simpler manner, analog or digital.
Es existiert eine einfache Lösung für:There is a simple solution for:
ΨR = konst. ⇒ fSΨ²R = xR (iαeB - iβeA) (39)Ψ R = const. ⇒ f S Ψ² R = x R (i α e B - i β e A ) (39)
Für das Kreuzprodukt aus Statorstrom und Rotor-EMK kann auch eine andere Beziehung verwendet werden, da sich der ohmsche Spannungsabfall aufhebt, wie folgende Rechnung zeigt:For the cross product of stator current and rotor EMF can also another relationship can be used because the ohmic Voltage drop cancels out, as the following calculation shows:
Damit läßt sich ein Zusammenhang zwischen der vom Modell ermittelten Rotorflußverkettung und der wahren Rotorflußverkettung in der ASM ableiten - hierzu wird folgende Kennzeichnung eingeführt:This allows a relationship to be established between the model Rotor flux chaining and the real rotor flux chaining in the ASM derive - the following labeling is introduced:
AMS-Größen Index 1
Modell-Größen Index 2AMS size index 1
Model sizes index 2
Unter der Voraussetzung, daß die Statorgrößen Klemmenspannung, Strom und Frequenz mit vernachlässigbaren Fehlern gemessen werden, erhält man aus Gln. (40, 41, 42) und dem Ansatz gemäß Bild 1:Provided that the stator sizes of terminal voltage, current and frequency are measured with negligible errors, Eq. (40, 41, 42) and the approach according to Figure 1:
Das vom Modell ermittelte Kreuzprodukt und somit auch fS1Ψ²R2 ist also unabhängig vom thermisch veränderlichen Statorwiderstand rS1. Lediglich bei Fehlanpassung der Streureaktanz xσ 2 entsteht ein Fehler, der jedoch zumindest im stationären Betrieb frequenzproportional und daher unkritisch ist.The cross product determined by the model and thus also f S1 Ψ² R2 is therefore independent of the thermally variable stator resistance r S1 . An error only arises when the scattering reactance x σ 2 is mismatched, which, however, is frequency-proportional and therefore uncritical, at least in stationary operation.
Damit ist ein vom Ständerwiderstand unabhängiges Produkt "Statorfrequenz mal Quadrat der Rotorflußverkettung" gefunden.This is a product "stator frequency independent of the stator resistance times square of the rotor flux linkage ".
Die bekannte Beziehung für die Schlupffrequenz fR erhält man, indem Gl. (34) mit -ΨB, Gl. (35) mit ΨA erweitert und addiert, sowie Gl. (24) eingefügt wird:The known relationship for the slip frequency f R can be obtained from Eq. (34) with -Ψ B , Eq. (35) expanded and added with Ψ A , as well as Eq. (24) is inserted:
Die Schlupffrequenz wird also verzögerungsfrei ermittelt, wenn gemäß Bild 1 die Steuerung oder Regelung des Antriebs feldorientiert auf den Rotorfluß aufgebaut ist.The slip frequency is thus determined without delay if according to Fig. 1 the control or regulation of the drive in a field-oriented manner Rotor flux is established.
Der Quotient rechts in Gl. (45) wird mittels Gl. (33, 38) durch ein Motormodell gemäß Bild 2 realisiert, wobei im transienten Betrieb bei sehr kleiner Statorfrequenz eine geringe abklingende Störfunktion in fR/rR auftreten kann, da eine mögliche Rotorflußänderung in Gl. (30) vernachlässigt wurde.The quotient on the right in Eq. (45) is calculated using Eq. (33, 38) realized by a motor model according to Figure 2, whereby a small decaying disturbance function in f R / r R can occur in transient operation at a very low stator frequency, since a possible rotor flux change in Eq. (30) was neglected.
Es ist jedoch der ohmsche Statorspannungsabfall in Gl. (33) für das innere Drehmoment noch enthalten. Zur Lösung dieses Problems wird eine weitere Veröffentlichung herangezogen: U. Baader/Dissertation: Die Direkte-Selbstregelung (DSR). Ein Verfahren zur hochdynamischen Regelung von Drehfeldmaschinen. Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 21 Nr. 35 Düsseldorf/VDI-Verlag 1988.However, it is the ohmic stator voltage drop in Eq. (33) for the inside Torque still included. To solve this problem, a further publication used: U. Baader / Dissertation: The direct self-regulation (DSR). A process for highly dynamic Control of induction machines. Progress reports VDI, row 21 No. 35 Düsseldorf / VDI publishing house 1988.
In der Dissertation, Kapitel 4.1.1 "Das Motormodell", ist für ein Modell der ASM zur Ständerflußbestimmung ein Verfahren zur Synchronisation von Modell und ASM beschrieben, insbesondere in den gestrichelt umrandeten Blöcken in Bild 4.1.1/2.In the dissertation, chapter 4.1.1 "The engine model", is for one model the ASM for stator flow determination a method for synchronization described by model and ASM, especially in the dashed framed blocks in Figure 4.1.1 / 2.
Es werden die vom Modell berechneten Komponenten des Ständerstroms i′s α, i′s β mit den wahren der ASM is α, is β verglichen und die Differenz PI-Reglern zugeführt. Deren Stellgrößen korrigieren das Modell so, daß die berechneten Komponenten der Ständerflußverkettung Ψµα,β den wahren Werten der ASM nahezu betrags- und phasengetreu folgen. The components of the stator current i ′ s α , i ′ s β calculated by the model are compared with the true ASM i s α , i s β and the difference is fed to PI controllers. The manipulated variables correct the model in such a way that the calculated components of the stator flux chaining Ψ µα, β follow the true values of the ASM almost true to the amount and phase.
Dieses Verfahren soll auch hier angewendet werden. Für das Produkt Statorfrequenz fS1 mal Modell-Statorstrom i S2 wird aus Gln. (21, 23, 30) die Beziehung abgeleitet, unter der für die weitere Berechnung geltenden Voraussetzung:This procedure should also be used here. For the product stator frequency f S1 times model stator current i S2 , Eq. (21, 23, 30) derived the relationship, under the prerequisite for the further calculation:
ΨR = konst.Ψ R = const.
Aus dem ASM-Statorstrom fS1 i S1 als Sollwert und dem Istwert fS1 i S2 wird die Differenz gebildet und in Komponenten zerlegt zwei gleichartigen Reglern zugeführt - wie im Bild 2 dargestellt. Deren gemeinsame Regelstrecke hat im Niederfrequenzbereich Proportionalverhalten, so daß Integralregler eingesetzt werden können. Zur Untersuchung der Regelvorgänge wird das drehfeldfeste x,y-System gewählt, und die in dieses transformierten Raumvektoren werden mit einem hochgestellten Index k gekennzeichnet. Die Stellgrößen der Regler werden zu einem komplexen Raumvektor y k R zusammengefaßt, er lautet:The difference is formed from the ASM stator current f S1 i S1 as the setpoint and the actual value f S1 i S2 and broken down into components, supplied to two similar controllers - as shown in Figure 2. Their common controlled system has proportional behavior in the low frequency range, so that integral controllers can be used. The x, y system, which is fixed in the rotating field, is selected for examining the control processes, and the space vectors transformed into this are identified by a superscript k. The manipulated variables of the controllers are combined into a complex room vector y k R , which reads:
Im stationären Betrieb:In stationary operation:
haben die I-Regler eine endliche Verstärkung 1/(ωNTi), weil sie ja im ursprünglichen statorfesten α,β-System Wechselgrößen verarbeiten müssen. Nun kann die Integrationszeitkonstane Ti sehr klein gemacht werden (was später noch erläutert wird), so daß die Regelabweichung praktisch Null ist - jetzt wieder im statorfesten α,β-System dargestellt:the I-controllers have a finite gain 1 / (ω N T i ) because they have to process alternating variables in the original stator-fixed α, β system. Now the integration time constant T i can be made very small (which will be explained later), so that the control deviation is practically zero - now shown again in the stator-fixed α, β system:
ωNTi 0,01 ⇒ i S1 - i S2 → 0 (49)ω N T i 0.01 ⇒ i S1 - i S2 → 0 (49)
Aus Gl. (46) werden die Komponenten des Modell-Statorstroms abgeleitet:From Eq. (46) the components of the model stator current are derived:
Nach Einsetzen der Gln. (33, 39, 42, 45, 49) erhält man zwei Beziehungen, nach denen die beiden geregelten Komponenten eA2, eB2 der Rotor-EMK bestimmt sind:After insertion of the Eq. (33, 39, 42, 45, 49) two relationships are obtained, according to which the two regulated components e A2 , e B2 of the rotor EMF are determined:
Für den Fall der korrektiven Anpassung der Modell- an die ASM-Parameter:In the case of corrective adaptation of the model to the ASM parameters:
x′h2 = x′h1 x ′ h2 = x ′ h1
xσ 2 = xσ 1⇒ iα 1eβ 2 - iβ 1eα 2 = iα 1eB1 - iβ 1-eA1 x σ 2 = x σ 1 ⇒ i α 1 e β 2 - i β 1 e α 2 = i α 1 e B1 - i β 1 -e A1
nach Gl. (44) ergeben sich die Lösungen aus Gln. (52, 53):according to Eq. (44) the solutions result from Eq. (52, 53):
eA2 ≈ eA1; eB2 ≈ eB1 (54)e A2 ≈ e A1 ; e B2 ≈ e B1 (54)
Damit stimmen die Modell-Komponenten der Rotor-EMK mit den wahren der ASM überein, und der thermisch veränderliche ohmsche Statorspannungsabfall ist zumindest bei korrekter Anpassung eliminiert.This means that the model components of the rotor EMF match the real ones ASM and the thermally variable ohmic stator voltage drop is eliminated at least with correct adjustment.
Die Regelkreise werden für den Leerlauffall fR2 = 0 dimensioniert. Dann greift nämlich jeder Regler gemäß Gln. (50, 51) seinen Istwert nur aus der Spannung des jeweils anderen Kanals ab, so daß zwei in Reihe geschaltete Integralregler die Übertragungsfunktion bilden, was Instabilität bedeuten würde. Zur Abhilfe werden die Stellgrößen der Regler yA, yB gemäß Bild 2 fest gekoppelt, jeweils bewertet mit dem Faktor K. Damit werden die Regelkreise bedämpft und stabilisiert, wie die Übertragungsfunktion Go(S) der offenen Regelkreis im drehfeldfesten x,y-System zeigt, wobei im Niederfrequenzbereich Proportionalverhalten der Regelstrecke vorausgesetzt ist:The control loops are dimensioned for idling f R2 = 0. Then every regulator takes effect according to Eq. (50, 51) only derives its actual value from the voltage of the other channel, so that two integral controllers connected in series form the transfer function, which would mean instability. To remedy this, the manipulated variables of the controllers y A , y B are permanently coupled as shown in Figure 2, each weighted with the factor K. This dampens and stabilizes the control loops, like the transfer function G o (S) of the open control loop in the x, y- System shows, where proportional behavior of the controlled system is required in the low frequency range:
fR2 = 0f R2 = 0
Daraus lassen sich die Durchtrittsfrequenz ωd und der zugehörige Phasenwinkel ϕo(ωd) berechnen:The crossing frequency ω d and the associated phase angle ϕ o (ω d ) can be calculated from this:
Im stationären Betrieb hat der geschlossene Regelkreis die Übertragungsfunktion:In stationary operation, the closed control loop has the Transfer function:
Um diese Bedingung einzuhalten, muß ωNT′i sehr klein gemacht werden , wie schon in Gl. (49) festgelegt, was nach Gl. (56) eine hohe Durchtrittsfrequenz bedeutet. Wird das Motormodell gemäß Bild 2 in Analogtechnik aufgebaut, bestimmt das Hochfrequenzverhalten der eingesetzten Operationsverstärker und Funktionsbausteine die zulässige Höhe der Durchtrittsfrequenz, indem sie an dieser Stelle noch keine nennenswerte Phasennacheilung haben dürfen.In order to meet this condition, ω N T ′ i must be made very small, as already in Eq. (49) stipulates what according to Eq. (56) means a high crossover frequency. If the motor model is built in analog technology as shown in Figure 2, the high-frequency behavior of the operational amplifiers and function blocks used determines the permissible level of the crossover frequency, since they must not have any significant phase lag at this point.
Die Durchtrittsfrequenz wird sicher über 2 π · 5 kHz liegen, was nach der Bedingung der Gl. (49) eine maximale Statorfrequenz von größer 130 Hz bedeutet.The crossover frequency will surely be above 2π5 kHz, which according to the Condition of Eq. (49) a maximum stator frequency of greater than 130 Hz means.
Der Phasenabstand in Gl. (57) hängt fast ausschließlich von dem Kopplungsfaktor K ab. Ein Wert K=0,5 ergibt 48° Phasenabstand, der teilweise durch die Elemente der Regelstrecke aufgezehrt werden kann. Mit K=0 ist auch der Phasenabstand Null und es entsteht die zuvor beschriebene Instabilität.The phase distance in Eq. (57) depends almost exclusively on the coupling factor K from. A value of K = 0.5 results in 48 ° phase separation, which in part can be consumed by the elements of the controlled system. With K = 0 is also the phase distance zero and the previously described arises Instability.
In Bild 2 ist das Strukturdiagramm des Motormodells dargestellt. Eingangsseitig sind die Meßwerte der Statorgrößen uα 1, uβ 1, iα 1, ib 1, fs1 angelegt. Die daraus ermittelte Modellgrößen sind mit dem Index 2 gekennzeichnet. Dabei wird vorausgesetzt, daß Meßfehler vernachlässigbar sind und Rechnungsfehler des Modells durch Fehlanpassung seiner Parameter bedingt sind. Figure 2 shows the structural diagram of the engine model. The measured values of the stator sizes u α 1 , u β 1 , i α 1 , i b 1 , f s1 are applied on the input side. The model sizes determined from this are marked with index 2. It is assumed that measurement errors are negligible and calculation errors of the model are due to mismatching of its parameters.
Das Kreuzprodukt aus Statorstrom und Rotor-EMK zur Flußberechnung nach Gl. (38) wird in den Mulitplizierern 3a, 3b und dem Summierpunkt 6 gebildet mit den Spannungen eα 2, eβ 2 gemäß der rechten Seite von Gl. (42). Es kann aber auch deren linke Seite mit e*A2, e*B2 der Summierpunkte 5a, 5b verwendet werden, da sich die ohmschen Spannungsabfälle aus 4a, 4b aufheben.The cross product of stator current and rotor EMF for flow calculation according to Eq. (38) is formed in the multipliers 3 a, 3 b and the summing point 6 with the voltages e α 2 , e β 2 according to the right side of Eq. (42). However, its left side can also be used with e * A2 , e * B2 of the summing points 5 a, 5 b, since the ohmic voltage drops from 4 a, 4 b cancel each other out.
Im Block 8 ist gemäß Gl. (38) rechts der letzte Summand realisiert. Dieser hat nur bei schnellen Änderungen der Statorfrequenz einen nennenswerten Einfluß, so daß für deren kurze Dauer bei der Betriebsart ohne Feldschwächung die Rotorflußverkettung ΨR2 gleich dem Nennwert ΨR2N gesetzt wird.In block 8 , according to Eq. (38) realized the last summand on the right. This only has a significant influence on rapid changes in the stator frequency, so that the rotor flux linkage Ψ R2 is set to the nominal value Ψ R2N for its short duration in the operating mode without field weakening.
Wird das Motormodell in Analogtechnik aufgebaut, dann stehen handelsüblich nur Zweiquadrant-Dividierer zur Verfügung, wobei der Nenner nicht vorzeichenvariabel und außerdem aus Genauigkeitsgründen einen Minimalwert nicht unterschreiten darf. Daher wird das von Block 10 gelieferte Produkt fS1Ψ²R2 im Block 18 in Betrag und Vorzeichen aufgeteilt. Der Betrag wird dem Nennereingang des Dividierers 21 über die Minimalwertbegrenzung 20, No zugeführt. Mit No kann dem Ausgang des Dividierers 21, wenn er bei einer Statorfrequenz nahe Null undefiniert ist, der Wert Null zugeordnet werden. Das Vorzeichen aus Block 13 wird dem Ausgang des Dividierers 21 über den Polaritätsschalter 22 wieder hinzugefügt, so daß am Hauptausgang 27 die vorzeichenrichtige, auf den Rotorwiderstand bezogene Schlupffrequenz fR2/rR2 erscheint. Das Vorzeichensignal zum Betätigen des Polaritätsschalters 22 kann auch von der Statorfrequenz fs1 abgeleitet werden, da es beim Drehfeldrichtungswechsel geschaltet werden muß.If the motor model is built in analog technology, only two-quadrant dividers are available commercially, whereby the denominator cannot be variable and, for reasons of accuracy, must not fall below a minimum value. Therefore, the product f S1 R2² R2 delivered by block 10 is divided into amount and sign in block 18 . The amount is fed to the denominator input of the divider 21 via the minimum value limitation 20 , N o . With N o , the value of zero can be assigned to the output of the divider 21 if it is undefined at a stator frequency close to zero. The sign from block 13 is added again to the output of the divider 21 via the polarity switch 22 , so that the correct slip frequency f R2 / r R2 , which is based on the rotor resistance, appears at the main output 27 . The sign signal for actuating the polarity switch 22 can also be derived from the stator frequency f s1 , since it has to be switched when the rotating field direction is changed.
Bei Ausführung des Motormodells in Digitaltechnik sind die Funktionen 19, 20, 22 nicht erforderlich, und der Ausgang von Block 10 bildet direkt den Nenner des Quotienten 21. Dessen unbestimmter Wert ist dann auf Statorfrequenz Null beschränkt, und über eine bedingte Verzweigung kann ihm ein bestimmter Wert zugewiesen werden.When executing the engine model in digital technology, functions 19, 20, 22 are not required, and the output of block 10 directly forms the denominator of quotient 21 . Its undetermined value is then limited to zero stator frequency, and a certain value can be assigned to it via a conditional branching.
Die Modell-Statorströme fS1iα 2, fS1iβ 2 werden gemäß Gln. (50, 51) in den Summierpunkten 24a, 24b gebildet und mit dem Modell-Parameter in 23a, 23b versehen in den Reglereingängen 12a, 12b von den in den Multiplizierern 11a, 11b erzeugten ASM-Statorströmen fS1iα 1, fS1iβ 1 subtrahiert. Die Differenzen beeinflussen über die Stellgrößen yA, yB der Regler 13a, 13b die Komponenten der Rotor-EMK eA2, eB2 in den Summierpunkten 15a, 15b im Sinne einer Korrektur gemäß Gln. (54) der von den Summierpunkten 5a, 5b kommenden Vorgabewerte e*A2, e*B2. Diese werden insbesondere bei kleiner Statorfrequenz infolge des in 4a, 4b unabhängig von der angeschlossenen ASM fest eingestellten Modell-Statorwiderstandes rS2 stark fehlerhaft sein, je nach exemplarischer Streuung oder thermischem Zustand der ASM. The model stator currents f S1 i α 2 , f S1 i β 2 are calculated according to Eq. (50, 51) formed in the summing points 24 a, 24 b and provided with the model parameter in 23 a, 23 b in the controller inputs 12 a, 12 b of the ASM stator currents f generated in the multipliers 11 a, 11 b S1 i α 1 , f S1 i β 1 subtracted. The differences influence the components of the rotor EMF e A2 , e B2 in the summing points 15 a, 15 b via the manipulated variables y A , y B of the controllers 13 a, 13 b in the sense of a correction according to Eq. (54) of the default values e * A2 , e * B2 coming from the summation points 5 a, 5 b. These will be severely faulty, in particular at a low stator frequency, due to the model stator resistance r S2 that is permanently set in FIG. 4 a, 4 b, regardless of the connected ASM, depending on the exemplary scatter or the thermal state of the ASM.
Bei höherer Statorfrequenz, z. B. im Feldschwächbereich, wird dieser Fehler bedeutungslos, so daß die Wirkung der Regler 13a, 13b frequenzabhängig oder auf andere Weise abnehmen darf. Damit ist die Anordnung auch für den Betrieb mit Statorfrequenzen über den genannten 130 Hz geeignet.At higher stator frequency, e.g. B. in the field weakening range, this error becomes meaningless, so that the effect of the controller 13 a, 13 b may decrease depending on frequency or in some other way. The arrangement is therefore also suitable for operation with stator frequencies above the 130 Hz mentioned.
In den Multiplizierern 17a, 17b und dem Summierpunkt 18 wird das Skalarprodukt aus Statorstrom iα 1, ib 1 und Rotor-EMK eA2, eB2 gebildet, das gleich dem Produkt Statorfrequenz mal inneres Drehmoment fS1mi2 ist und dem Zählereingang des Dividierers 21 zugeführt wird.In the multipliers 17 a, 17 b and the summing point 18 , the scalar product of stator current i α 1 , i b 1 and rotor EMF e A2 , e B2 is formed, which is equal to the product stator frequency times internal torque f S1 m i2 and that Counter input of the divider 21 is supplied.
Die Stellgrößen der Regler 13a, 13b sind über die Pfade yA, 14a, 16a und 14b addierend und yB, 14b, 16b nach 14a subtrahierend gegenseitig fest gekoppelt, jeweils bewertet mit dem Faktor K vorzugsweise im Bereich 0<K1, zur Stabilisierung der Regelkreise.The manipulated variables of the controllers 13 a, 13 b are y via the paths A, 14 a, 16 a and 14 14 b adding and y B, b, 16 b to 14 a subtracting mutually rigidly coupled, each evaluated by a factor of K is preferably in the Range 0 <K1, to stabilize the control loops.
In Bild 3 ist die Struktur einer Zusatzschaltung zum Motormodell für den Betrieb mit Feldschwächung dargestellt. Figure 3 shows the structure of an additional circuit for the motor model for operation with field weakening.
Dabei wird davon ausgegangen, daß der Vorgabewert der Rotorflußverkettung Ψ*R2 in der übrigen Steuerung oder Regelung des Antriebs vorhanden ist und mitbenutzt werden kann, wie auch in der Veröffentlichung von R. Joetten und G. Maeder in Fig. 7 unten links dargestellt.It is assumed that the default value of the rotor flux linkage Ψ * R2 is present in the rest of the control or regulation of the drive and can be used, as also shown in the publication by R. Joetten and G. Maeder in Fig. 7 bottom left.
Mit der Zusatzschaltung wird gemäß Gl. (38) rechts der letzte Summand bei veränderlicher Rotorflußverkettung ΨR2 realisiert, wobei für diese zur Vermeidung einer Mitkopplung der Vorgabewert Ψ*R2 verwendet wird. Er wird im Mulitplizierer 8.1 quadriert und in einem weiteren Multiplizierer 8.2 mit dem Differentialquotienten der Statorfrequenz sfS1 aus Block 8, der mit der halben Rotorzeitkonstanten TR2 bewertet ist, multipliziert. Das Ergebnis wird im Summierpunkt 9 addiert und gemäß Bild 2 weiterverarbeitet.With the additional circuit, according to Eq. (38) on the right the last summand is realized with variable rotor flux linkage Ψ R2 , the default value Ψ * R2 being used to avoid positive feedback. It is squared in the multiplier 8.1 and multiplied in a further multiplier 8.2 by the differential quotient of the stator frequency sf S1 from block 8 , which is weighted with half the rotor time constant T R2 . The result is added at summing point 9 and processed according to Figure 2.
Claims (9)
daß aus der ermittelten Schlupffrequenz und dem EMK-Vektor nach den Gleichungen (50, 51) ein Modell-Stromvektor gebildet wird, daß der Modell-Stromvektor mit dem gemessenen Stromvektor in Reglern komponentenweise verglichen wird, und
daß die Regler die Komponenten des EMK-Vektors korrigieren.4. The method according to claim 1, characterized in
that from the determined slip frequency and the EMF vector according to equations ( 50, 51 ) a model current vector is formed, that the model current vector is compared component by component with the measured current vector in controllers, and
that the controllers correct the components of the EMF vector.
mit Summationsstellen (2, 5), die aus dem gemessenen Spannungs- und Stromvektor durch Subtraktion der ohmschen und induktiven Spannungsabfälle einen EMK-Vektor bilden,
mit einer Schaltung (17, 18), die das innere Produkt des Stromvektors und des EMK-Vektors als Maß für das innere Drehmoment bildet,
mit einem Dividierer, der das innere Drehmoment durch das aus Strom- und Spannungsvektor gebildete Quadrat des Rotorflusses teilt und so die Schlupffrequenz ermittelt, gekennzeichnet durch,
eine Schaltung, die das mit der Rotorinduktivität XR2 multiplizierte Kreuzprodukt des Stromvektors und des um den Spannungsabfall an der gesamten Stromreaktanz verminderten Spannungsvektors eα 2, eβ 2 bildet und einem Addierer (9) zuführt,
einem Differenzierer (8), der das differenzierte und mit dem Faktor bewertete Statorfrequenzsignal fs dem Addierer zuführt,
einem dem Addierer nachgeschalteten Integrierer mit der Integrationskonstante TR2/2 und einer direkten Rückkopplung auf den Addierer, dessen Ausgangssignal als mit der Ständerfrequenz fs multipliziertes Quadrat der Rotorflusses dem Dividierer (21) zugeführt wird.5. Arrangement for performing the method according to claim 1,
with summation points ( 2, 5 ), which form an EMF vector from the measured voltage and current vector by subtracting the ohmic and inductive voltage drops,
with a circuit ( 17, 18 ) which forms the inner product of the current vector and the EMF vector as a measure of the inner torque,
with a divider which divides the internal torque by the square of the rotor flux formed from the current and voltage vector and thus determines the slip frequency, characterized by
a circuit which forms the cross product of the current vector multiplied by the rotor inductance X R2 and the voltage vector e α 2 , e β 2 reduced by the voltage drop across the entire current reactance and feeds it to an adder ( 9 ),
a differentiator ( 8 ) that differentiates and with the factor supplies weighted stator frequency signal f s to the adder,
an integrator connected downstream of the adder with the integration constant T R2 / 2 and a direct feedback to the adder, the output signal of which is fed to the divider ( 21 ) as a square of the rotor flux multiplied by the stator frequency f s .
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