STARTING DEVICE FOR THE FIELD-ORIENTED CONTROL OR REGULATION OF AN ASYNCHRONOUS MACHINE

Abstract: 1. Start device (8, 9, 11, 25, 26, 29) for a controlled or regulated asynchronous machine (1) wherein the stator winding is fed by a controllable rectifier (2) and the field orientated control or regulation unit contains : a) a flux detective device (3, 4, 5) which forms output values (cosphi, sinphi) corresponding to the particular position of the magnetic main flux vector (Fr, Fj) of the asynchronous machine relative to a stationary reference vector in the stator and b) a co-ordinate converter (6) which is supplied with the output values from the flux detection device (3, 4, 5) and which converts two input values (b, w) which correspond to the components of a predetermined vector relative to the particular position of the main flux vector into control values (I*R , I*S , I*T ) for the rectifier which are such that in the event of a change in one component (b) of the predetermined vector, only that component (Ib) of the stator current which is parallel to the main flux vector is influenced, and in the case of the other component (w) only that component (Iw) of the stator current which is perpendicular thereto is influenced, characterized by a swither-over device (8, 9, 11) by means of which, prior to the start of the asynchronous machine, the co-ordinate converted (6) is supplied temporarily not with the output values (cos phi, sin phi) of the flux detection device (3, 4, 5), but with values (Va, Vb) which correspond to a predetermined position of the main flux vector and which moreover keep that input value (w) which influences the component (Iw) of the stator current which is perpendicular to the main flux vector at a value (w' = 0) which serves to limit to zero the component of the stator current which is perpendicular to the main flux vector.

Description: Startvorrichtung für die feldorientierte Steuerung oder Regelung einer Asynchronmaschine Die Erfindung betrifft eine Startvorrichtung für die Steuerung oder Regelung einer Asynchronmaschine, bei der die Ständerstromwicklung von einem steuerbaren Stromrich- ter gespeist ist und die Steuerung oder Regelung eine Flusserfassungseinrichtung und einen Koordinatenwandle r enthält, wie sie im Oberbegriff des Anspruches 1 angegeben sind. Eine derartige Steuerung oder Regelung einer Asynchronmaschine wird als "feldorientiert" bezeichnet und ist aus der deutschen Patentschrift 19 41 312 bekannt. Anhand eines in Figur 1 gezeigten Vektordiagrammes und eines Prinzipschaltbildes nach Figur 2 sei Arbeitsweise und Aufbau einer derartigen Anlage erläutert. Als Asynchronmaschine ist in Figur 2 ein dreiphasiger Asynchronmotor 1 mit den drei Ständer-Phasenwicklungen R, S, T dargestellt. Die Ständerwicklungen werden gespeist durch einen an ein Drehstromnetz N angeschlossenen Wechselrichter 2. Die Vektoren r und i in Figur 1 stellen ein orthogonales Ko ordinatensystem dar, dessen Ursprung in der Drehachse des Motors liegt und im Ständer fest vorgegeben ist, wobei der Vektor r parallel z.B. zur Wicklung gewählt ist. Der Ständerstrom, mit dem die Asynchronmaschine durch den Wechselrichter 2 gespeist wird, kann als Vektor I durch die ständerbezogenen Komponenten Ir und Ij dargestellt werden. Er rotiert im ständerbezogenen Koordinatensystem um den Koordinatenursprung, z.B. entgegen dem Ul?rzeiger- sinn. Andererseits kann die momentane Lage des rotierenden magnetischen Feldes durch den in diesem Koordinatensystem rotierenden Vektor F des magnetischen Hauptflusses mit den Komponenten Fr und Fj wiedergegeben werden, wobei der Dre- winkel des Flussvektores F bezüglich des Bezugsvektors r mit w bezeichnet ist. Es kann nun ein feldorientiertes Koordinatensystem eingeführt werden. Als die eine Koordi nate dieses feldorientierten Koordinatensystems kann der in Richtung des Flussvektors F zeigende Einheitsvektor f vorgegeben werden. Die beiden feldorientierten Komponenten des Ständerstromvektors sind mit Ib und Iw bezeichnet. Die Komponente Ib ist parallel zum jeweiligen Flussvektor und entspricht dem Erregerstrom einer Gleichstrommaschine, während die zum Flussvektor senkrechte Komponente 1w die das Drehmoment erzeugende Wirkstromkomponente ist und dem Ankerstrom einer Gleichstrommaschine entspricht. Die Anordnung nach Figur 2 erlaubt eine Regelung oder Steuerung der Asynchronmaschine mit ähnlichen Eigenschaften wie bei einer Gleichstrommaschine, wenn die beiden Komponenten Ib und Iw unabhängig voneinander beeinflussbar sind. Dazu muss die relative Lage des jeweiligen Flussvektors bezüglich des ständerbezogenen Koordinatensystems, d.h. der Drehwinkel ? , erfasst werden. Dieser Winkel kann direkt durch induktive Messwertgeber, z.B. Ballsonden, erfasst werden. Der Winkel kann aber auch mittelbar berechnet werden, we-nn die Spannung und der Strom an den Stä- derwicklungseingängen erfasst wird. Gemäss Figur 2 werden die rechtwinkeligen ständerbezogenen Koordinaten Fr und Fj des Flussvektors F durch die induktiven Messwertgeber 3 erfasst und über eine Kompensierungseinrichtung 4 in einen Vektoranalysator 5 eingegeben. Wird der Betrag des Vektors F mit F bezeichnet, so gelten die Beziehungen Fr = F cosw (1) Fj = F sinf DerVektoranalysator 5 transformiert den durch Fr und Fj vorgegebenen Vektor in den Einheitsvektor f mit den ständerbezogenen Koordinaten cos T , sint .-Die Ausgangs grössen des Vektoranalysators 5 sind die Komponenten cos und sin Y des in Richtung des Flussvektors zeigenden Ein- heitsvektors f. Sie werden in einen ILoordinatellwandler 6 eingegeben, der ferner von zwei Eingangsgrössen beaufschlagt ist, die als die Variablen b und w die feldorientierten Koordinaten eines Vektors darstellen. b dient als Soll-Magnetisierungsstromkomponente und w als Soll-'Wirk- stromkomponente des Standerstromes. Mit ITilfe der beiden die jeweilige Lage des magnetischen Hauptflussvektors beschreibenden Ausgangsgrössen cos T und sin # überführt der Koordinatenwandler 6 in einer Koordinatentransformation die feldorientiert vorgegebenen Komponenten b und w in diejenigen Grössen Ir* und Ij* im ständerbezogenen Koordinatensystem, die für die Steuerung oder Regelung des Wechselrichters 2 benötigt werden. Mit der Eingangsgrösse b wird also nur die Magnetisierungsstromkomponente Ib und mit der anderen Eingangsgrösse w nur die das Drehmoment erzeugende Wirkstromkomponente 1w des Stunderstroms beeinflusst. Die Koordinatentransformation selber wird ausgeführt, wie man anhand des Vektordiagremms von Figur 1 erkennt, nach den Formeln Ir* = b . cos # - w . sin # (2) Ij* = b . sin # + w . cos # Da jedoch die Asynchronmaschine 1 und der Wechselrichter 2 für Drehstrom ausgelegt sind, werden diese Grössen Ir* und Ij* des ständerbezogenen Koordinatensystems (Achsen r, i),die am Ausgang des Koordinatenwandlers 6 anstehen, in einer Transformationsschaltung 7 in die ständerbezogenen Grössen IR*, IS* und IT für die drei Achsen R, S, T der Ständerwicklung gemäss den Formeln umgewandelt: : IR* = Ir* IS* = - 1/2 Ir*+ #3 / 2 Ij* (3) IT = - 1/2 Ir*- #3 / 2 Ij* Entsprechend diesen drei Grössen 1R*, IS* und I speist der Wechselrichter 2 die Asynchronmaschine mit den drei Set an derströmen IR, IS und 1T Folglich wird die Magnetisierungs- stromkomponente Ib nur durch Veränderungen der Eingangsgrö sse b und die Wirkstromkomponente Iw nur durch Änderungen der Eingangsgrösse w beeinflusst. Der Aufbau der in Figur 2 gezeigten Elemente und eines Regelkreises für den Ständerstrom sind im einzelnen aus der erwähnten deutschen Patentschrift 19 41 312 bekannt. Mit der bisher beschriebenen Einrichtung kann jedoch beim Startbeginn der Induktlonsmaschine die Lage des Flussvektors nicht erfasst werden, da zunächst kein magnetischer Fluss induziert und daher auch die entsprechenden Signale nicht erfasst werden können, die nötig sind, um den Koordinatenwandler zu speisen. Folglich können Eingangsgrössen, die im feldbezogenen Koordinatensystem vorgegeben sind, nicht in das ständerbezogene System überführt werden. Daher ist eine Startvorrichtung erforderlich. Es ist eine Startvorrichtung mit einem Zweiphasen-Oszillator denkbar, dessen Ausgangssignale während des Startvorganges anstelle der Ausgangs signale des Vektoranalysators 5 dem Koordinatenwandler 6 zugeführt werden. Dadurch wird ein magnetischer Fluss in der Asynchronmaschine induziert und die Ausgangssignale des Zweiphasen-Oszillators können nun durch die Ausgangssignale des Vektorana- lysators 5 ersetzt werden. Wenn jedoch in diesem Fall die Ausgangssignale des Zweiphasenoszillators nicht in ihrer Phase mit den Ausgangssignalen des Vektoranalysators 5 koinzidieren, werden Störungen in der Regelung erzeugt, die durch sprunghafte Änderungen unmittelbar nach dem Umschalten vom Zweiphasenoszillator auf den Vektoranalysator entstehen. Dies kann zu Fehlstarten führen. Um Pha- senkoinzidenz zwischen den Signalen während der Umschaltung zu erzeugen, wären dann zusätzliche aufwendige Schal tungen erforderlich. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Asyn- chrommaschine mit einer derartigen feldorientierten Regelung oder Steuerung eine einfache Startvorrichtung anzugeben, die zuverlässig ein sanftes Anlaufen der Asynchronmaschine ermöglicht. Die Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Mit dieser Startvorrichtung werden dem Keordinatenwandler zuncst Eingangsgrössen vorgegeben, die einer vorgegebenen Lage des Magnetflussvektors entsprechen. Diese Eingangsgrössen können als Gleichgrössen vorgegeben werden und machen die Verwendung eines Oszillators für die Starthilfe überflüssig. In dieser ersten Startphase, in der Gleichgrössen vorgegeben werden, wird in der Asynchronmaschine ein magnetisches Feld erzeugt, dessen Hauptflussvektor die durch die vorgegebenen Eingangsgrössen bestimmte Lage einnimmt. Dabei beginnt noch kein Umlauf der Asynchronmaschi- ne. Vielmehr beginnt der Umlauf der Asynchronmaschine nicht, bevor von den vorgegebenen Eingangsgrössen auf die Ausgangsgrössen der Flusserfassungseinrichtung umgeschaltet und die das Drehmoment bestimmende Wirkstromkomponente von der Begrenzung auf den Wert Null befreit wird. Auf diese Weise ist ein zuverlässiges und sanftes Anlaufen mittels eier einfachen Startvorrichtung gesichert. Anhand der Figuren 3 bis 5 wird die Erfindung näher erläutert. Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei entsprechend Figur 2 mit 1 die Asynchronmaschine, mit 2 der Stromrichter mit zugehöriger Steuerung oder Regelung, mit 3, 4 und 5 die Elemente der Flusserfassungsein richtung, mit 6 der Koordinatenwandler und mit 7 eine den Steuereingängen des Wechselrlchters vorgeschaltete Transformationsschaltung bezeichnet ist. Die Umschalteinrichtung besteht aus Umschaltern 8 und 9, die die Eingonge 23 und 24 des Koordinatenwandlers von den Ausgängen 21 und 22 des in der Flusserfassungseinrichtung vorgesehenen Vektoranalysators 5 auf Eingänge 25 und 26 legen. In der durch ausgezogene Linien dargestellten Schalterstellung werden Gleichspannungen Va und Vb als Eingangsgrössen an den Koordinatenwandler gelegt. Die Gleichspanrswlfflen Va und Vb können beliebig gewählt werden, falls EMI6.1 gleich dem Betrag des Einheitsvektors f während des Umlaufes der Asynchronmaschine ist, d.h.falls gilt EMI6.2 Uber die Eingänge 27 und 28 werden dem Koordinatenwandler die Eingangsgrössen b und w vorgegeben. Für die Umschaltung ist jedoch ferner ein weiterer Umschalter 11 vorgesehen, der mit dem Koordinatenwandler-Eingang 28 für die Eingangsgrösse w verbunden ist. Bei der in Figur 3 durch eine ausgezogene Linie dargestellten Schalterstellung ist der Eingang 28 mit einer Eingangsklemme 29 verbunden, über die eine Eingangsspannung w' angelegt werden kann. Die Eingangsspannung w' wird im wesentlichen auf dem Wert Null gehalten. Während des Startes werden die Schalter 8 bis 11 in der angegebenen Position gehalten. In diesem Fall sind die an den Ausgängen des Koordinatenwandlers anstehenden Grö ssen Ir* und Ij* durch die folgenden Gleichungen gegeben: Ir* = b . Va Ijh = b . Vb (2') wobei nach (2) von den Beziehungen w = w' = 0, cosyc Va und sin T = Vb Gebrauch gemacht wird. Die beiden Komponen- ten Ir und Ij des Ist-Ständerstromes sind zeitlich konstant, da sie auf den durch diese Formeln angegebenen Sollwerten gehalten werden. So wird der Ständerstromvektor zu einem räumlich feststehenden Vektor Io mit dem Betrag b und dem Winkel fo = tan (Va/Vb). Da der Ständerstromvektor Io nicht umläuft, läuft auch die Asynchronmaschine 1 nicht an, so dass der Flussvektor F in der Asynchronmaschine in dieser Anlaufphase ein feststehender räumlicher Vektor Fo wird, der im wesentlichcn die gleiche Richtung hat wie der nichtumlaufende Ständerstromvektor. In diesem Fall (Figur 4) sind die Spannungen Va und Vb so ge wählt, dass sie die obige Gleichung 4 erfüllen, z.B. Va = cos 300 = F /2 und Vb = sin 300 = 1/2. Das Vektordiagramm der Asynchronmaschine ist dann durch Figur 4 gegeben. Es kann dabei Ib = Io und Iw = O gewählt werden. Wenn nun die Umschalter 8 bis 11 in die andere Lage, die durch gestrichelte Linien dargestellt ist, umgelegt werden, werden die auf die Eingänge 23 und 24 des Koordinatenwandlers 6 aufzuschaltende Signale nicht plötzlich verändert, sondern die Wirkleistungskomponente des Ständerstroms wird durch Anheben der vorgegebenen Grösse w erzeugt, so dass ein sanftes Anlaufen ohne Fehlstart möglich ist. Vorteilhaft wird die Anstiegsgeschwindigkeit für die Eingangsgrösse w innerhalb zweckmässiger Grenzen beschränkt. Soll für die Magnetisierungsstromkomponente Ib und die Wirkstromkomponente Iw eine Stromregelung erfolgen, so kann dies auf die in Figur 5 gezeigte Weise durch einen Regelverstärker geschehen, der den Eingängen 27, 28 für die feldorientierten Eingangsgrössen w, b angeschlossen ist. Die am Eingang 27 des Koordinatenwandlers 6 einzugebende vorgegebene Grösse b wird von einem Magnetisierungs- strom-Regelverstärker 41 geliefert, der den Istwert Ib der Magnetisierungsstromkomponente auf den Sollwert Ib* regelt. Dieser Sollwert Ib* über einen Eingabe eingang oder von einen (nIcht dargestellten) Verstärker zur Begrenzung der veränderlichen Ausgangsgrösse vorgegeben werden. Ferner wird die am Eingang 28 des Koordinatenwandlers 6 einzuspeisende vorgegebene Grösse w von einem Wirkstrom-Regelverstärker 42 geliefert, der den Istwert der Wirkstromkomponente Iw auf den vorgegebenen Sollwert Iw* regelt. Dieser Sollwert 1w* kann ebenfalls an einem Eingabeeingang oder an einem Verstärker zur Begrenzung des veränderlichen Ausgangssignales abgegriffen werden. Die beiden Stromregler 41 und 42 sind als PI-Regler aus gefXlrt. Einzelheiten der Schaltung sind aus der erwähnten deutschen Patentschrift 19 41 312 bekannt. Darüberhinaus kann als Teil der Startvorrichtung nach der Erfindung der Wirkstrom-Regelverstärker 42 mit Dioden beschaltet sein, um die Wirkstromkomponente auf den Wert tlOtt zu begrenzen. Durch Aufschaltung der Sparmlung "O" als Begrenzung für den Reglerausgang wird bei den in Figur 5 in ausgezogenen Linien dargestellten Schalterstellungen der Schalter 18 und 19 die Ausgangsspannung des Regelverstärkers 42 (d.h. die vorgegebene Grösse w) zur Vorbereitung des Anlaufes vorübergehend auf Null gehalten. Die den Eingängen 23 und 24 des Koordinatenwandlers 6 vorgeschalteten Umschalter 8 und 9 sind entsprechend Figur 3 ausgeführt. Zu Beginn des Anlaufes liegen die Schalter 8, 9, 18 und 19 in der ausgezogen dargestellten Stellung und der Sollwert Ib* wird mit einer passenden Geschwindigkeit vom Wert 0 auf den gewünschten Wert hochgefahren. Dabei wird die Bedingung Iw* = 0 eingehalten, so dass der Vektor Fo des anfangs erregten magnetischen Feldes, der dabei im ständerbezogenen Koordinatensystem räumlich fixiert ist, auf die gleiche Weise gebildet wird wie im Zusammenhang mit Figur 3 bereits beschrieben wurde. Nachdem der Sollwert Ib* den gewünschten Endwert erreicht hat, liegt ein stationarer Zustand vor, entsprechend Ib = Ib*, cos %ffi= = Va, sin y = Vb. Selbst wenn zu diesem Zeitpunkt durch geringfügige Störungen Iw von dem vorgegebenen Wert 1w* = 0 abweicht, ist das Ausgangssignal w des Regelverstärkers 42 auf dem Wert 0 durch die Schalter 18 und 1S gehalten. Nachdem dieser stationäre Zustand erreicht ist, werden die Schalter 8, 9, 18 und 19 in die gestrichelt dargestellte Position umgelegt. Da zu diesem Zeitpunkt die Eeziehung cos T = Va und sin # = Vb vorliegen, wird durch diese Umschaltung keine plötzliche Änderung hervorgerufen. Da äber der Regler 42 nunmehr von der Begrenzung seines Ausganges auf den Wert 0 gelöst und freigegeben wird, kann der Istwert Iw der Wirkstromkomponente durch Hochfahren des Sollwertes 1w* mit einer passenden Geschwindigkeit angehoben werden, so dass die Asynchronmaschine zuverlässig und sanft anlaufen kann. Entsprechend diesen Erläuterungen kann gemäss der Brfin- dung ein zuverlässiger und sanfter Start der Asynchronmschine durch eine bemerkenswert einfache Startvorrichtung, die im wesentlichen aus Umschaltern und einer geeigneten Vorgabe von Gleichspannungswerten gebildet wird, erreicht werden. 5 Figuren 1 Patentanspruch

Claims: Patentanspruch Startvorrichtung (8, 9, 11, 25, 26, 29) für eine Asynchronmaschine (1), bei der die Ständerwicklur,g von einem steuerbaren Stromrichter (2) gespeist ist und die Steuerung oder Regelung enthalt: a) eine Flusserfassungseinrichtung (3, 4, 5), die der je- weiligen Lage des magnetischen Hauptflussvektors (Fr, Fj) der Asynchronmaschine, bezogen auf einen im Stän der ortsfest festgelegten Eezugsvektor, entsprechende Ausgangsgrössen (costp, sind) bildet und b) einen von den Ausgangsgrössen der Flusserfassungseinrich tung (3, 4, 5) beaufschlagten Koordinatenwandler (6), der zwei den Komponenten eines vorgegebenen Vektors, bezogen auf die jeweilige Lage des Hauptflussvektors, entsprechende Eingangsgrössen (, w) in derartige Steuergrössen (IR, Is, IT) für den Stromrichter wmwan- delt, dass bei einer Änderung der einen Komponente (b) des vorgegebenen Vektors nur die zum Hauptflussvektor parallele Komponente (Ib) des Ständerstroms und mit der anderen Komponente (w) nur die dazu senkrechte Komponente (Iw) des Ständerstroms beeinflusst wird. g e k e n n z e i c h n e t durch eine Umschaltung (8, 9, 11), durch die der Koordinatenwandler (6) vor dem Start der Asynchronmaschine vorübergehend anstelle der Ausgangsgrössen (cos , sin'f) der Flusserfassungseinrlch- tung (3, 4, 5) mit Grössen (Va, Vb) beaufschlagt wird, die einer vorgegebenen Lage des Hauptflussvektors entsprechen, und durch die ferner diejenige Eingangsgrösse (w), die die zum Hauptflussvektor senkrechte Komponente (Iw) des Ständerstroms beeinflusst, auf einen Wert (w' = 0) gehalten wird, durch den die zum Hauptflussvektor senkrechte Kom- ponente des Ständerstroms auf den Wert Null begrenzt wird.

Inventors: NAKAHARA, KAZUHITO, DIPL.-ING., YANASE, TAKAO, DIPL.-ING.
Applicants: FUJI ELECTRIC CO LTD, FUJI ELECTRIC CO. LTD.
Application year: 1980
Main classification: H02P1
IPC codes: H02P1, H02P21