Vorrichtung zum Bestimmen der gemeinsamen Frequenz zweier unabhängig veränderlicher Wechselgrössen, insbesondere bei einer Drehfeldmaschine

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen der gemeinsamen Frequenz ω zweier zeitlich voneinander unabhängiger veränderlicher elektrischer Wechselgrößen a_i, a₂, wobei den Wechselgrößen a₁ und a₂ eine mit der Frequenzzeitlich veränderliche Winkelgröße α gemäß der Beziehungzugeordnet ist. Die Größen a₁, a₂, α und ω sind also jeweils zeitabhängige Funktionen.

Bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist die feldorientierte Steuerung oder Regelung eines Drehfeldmaschinenantriebes. Ein derartiger Antrieb besteht aus einer von einem Umrichter gespeisten Drehfeldmaschine mit einer Vorrichtung zur Steuerung oder Regelung des Umrichters. Diese Vorrichtung benötigt einen in einer Flußbestimmungsvorrichtung bestimmbaren Winkel, der die momentane Richtung der Feldachse beschreibt (z. B. in Form zweier Wechselgrößen sin α, cos α, wobei x der Winkel zwischen der Feldachse und einer Ständerwicklungsachse oder Läuferachse sein kann). Ferner sind Sollwerte eingegeben, die die zur Feldachse parallele und dazu senkrechte Komponente der Ständerdurchflutung bzw. des Ständerstromes festlegen. Mit der feldparallelen Komponente kann die Stärke des Feldes auf einen für die Ausnutzung von Umrichter und Drehfeldmaschine optimalen (insbesondere konstanten) Wert eingestellt werden, während unabhängig davon mit der feldparallelen Komponente das Drehmoment bzw. die Drehzahl entsprechend den Anforderungen an den Antrieb eingestellt werden kann.

Ein derartiger Antrieb ist in der DE-C-2 833 542 oder der DE-A-3 026 202 beschrieben, wobei dort die Flußbestimmungseinrichtung aus Ständerströmen und Ständerspannungen zunächst zwei elektrische Größen ermittelt, die der EMK der Maschine zugeordnet sind. Durch Integration werden elektrische Größen bestimmt, durch die das Feld hinsichtlich des obenerwähnten Winkels α sowie des Feldbetrages festgelegt ist. Diese Flußbestimmungsvorrichtung verwendet die momentane Betriebsfrequenz, um durch Einstellung eines frequenzabhängigen Verstärkungsparameters eine Adaption an den jeweiligen Betriebszustand und letztlich bei jeder Betriebsfrequenz eine optimale Bedämpfung störender Oberschwingungen zu erreichen. Auch an anderen Stellen des Maschinenantriebs kann vorteilhaft eine Anpassung an die jeweilige Betriebsfrequenz vorgenommen werden. Im stationären Fall ist z. B. die Betriebsfrequenz einer Synchronmaschine gleich der Frequenz des um laufenden Feldes, so daß die Maschinenfrequenz gelegentlich selbst da verwendet wurde, wo besser die Frequenz des umlaufenden Feldes verwendet würde.

Auch die resultierende elektrische Durchflutung des Ständers, die aus den Strömen in den einzelnen Ständerwicklungen zusammengesetzt werden kann bzw. der resultierende Ständerstrom ist mit zwei Größen a₁ und a₂ darstellbar, die den Winkel der Durchflutungsachsen bezüglich einer raumfesten Achse, z B. einer Ständer wicklung, festlegen. Durch die zeitabhängige Größeist dabei auch die Größe der elektrischen Durchflutung bestimmt. Dadurch kann z. B. die Soll-Richtung α* des Ständerstromes aus zwei Sollwerten a₁*, a₂* für den Ständerstrom gebildet werden, die aus den erwähnten Sollwerten für die feldparallele und feldsenkrechte Ständerstromkomponente abgeleitet sind und gemäßin die Sollwerte i_a^*, i_b^*, i_c^* für die Ständerwicklungsströme umgerechnet werden können, oder es kann der Ist-Ständerstrom durch zwei Wechselgrößen a_i, a₂ beschrieben werden, die aus zwei Ständerwicklungs-Istwerten durch Umkehrung dieser Beziehungen gewonnen sind.

Auch in diesem Fall kann es vorteilhaft sein, die Richtungsänderung der Gesamtdurchflutung, das heißt die Frequenz, mit der sich z. B. der Winkel zwischen Ständerstrom und raumfester Bezugsachse, Läuferachse oder Feldachse ändert, aus vorgegebenen oder meßtechnisch zugänglichen Wechselgrößen a₁ und a₂ zu bestimmen. Da die feldparallele und feldsenkrechte Stromkomponente beim feldorientierten Betrieb unabhängig voneinander vorgegeben werden, sind auch die Wechselgrößen a₁ und a₂ entsprechend veränderlich; die Frequenz ω = d α/dt hängt daher nicht nur von einer Wechselgröße und deren zeitlicher Änderung ab, sondern auch von der anderen Wechselgröße (oder der Betragsgröße c) und deren Änderung. Aufgrund dieser Abhängigkeiten ist zu erwarten, daß sich die Berechnung der Änderungsfrequenz des Winkels α nur mittels verhältnismäßig hohen apparativen Aufwandes möglich ist.

Die Bestimmung der Richtungsänderung (z. B. Umlauffrequenz bezüglich der Läuferachse) des Feldes und der elektrischen Stönderdurchflu tung oinor Drohfoldmaschino sind lediglich zwei augenfällige Anwendungen für die in der Drehstromtechnik häufigere Aufgabe, aus zwei Wechselgrößen a₁ und a₂, die über eine mit der Frequenz ω veränderliche Winkelgröße α (z. B. einer Phasendifferenz) entsprechend der Beziehungvoneinander abhängen, die Frequenz ω zu ermitteln.

Obwohl diese Frequenz ω von den Wechselgrößen selbst und auch von deren zeitlichen Änderungen abhängen, wie bereits erwähnt wurde, soll bei der Schaltung zur Bestimmung der Frequenz auf die Verwendung von Differenzierern verzichtet werden, da Differenziationsschaltungen nur einen begrenzten Rechenbereich besitzen, der bei stark oberschwingungsbehafteten oder nahezu sprunghaft veränderlichen Eingangsgrößen rasch überschritten wird. Außerdem bringen Differentiationsschaltungen zwangsläufig Phasenfehler mit sich, die insbesondere bei höheren Winkelgeschwindigkeiten zu störenden Rechenfehlern führen.

Diese Forderungen werden gemäß der Erfindung von einer Schaltung erfüllt, bei der die Wechselgrößen jeweils einem Glättungsglied mit dem gleichen Übertragungsverhalten zugeführt sind und daß die Wechselgrößen a₁ und a₂ und die Ausgangsgrößen d₁, d₂ der beiden Glättungsglieder einer Rechenschaltung aufgeschaltet sind, an deren Ausgang die Größeals der Frequenz proportionaler Wert abgegriffen ist. Das Rechenwerk ist vorteilhaft nur aus Multiplizierern, Additionsgliedern und einem oder mehreren Dividierern aufgebaut. Bevorzugt sind die Wechselgrößen ai, a₂ den Glättungsgliedern und dem Rechenwerk als normierte Größen über eine Normierungsschaltung aufgeschaltet, die aus den Wechselgrößen normierte Wechselgrößenbildet.

Die Schaltung nach der Erfindung sowie ihre vorteilhafte Anwendung bei einem Drehfeldmaschinenantrieb sind anhand von drei Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt den zeitlichen Verlauf zweier elektrischer Wechselgrößen, denen zu jedem Zeitpunkt eine beiden Wechselgrößen gemeinsame Winkelgröße n durch die Beziehung ai/a₂ =ctg α zugeordnet ist, wobei bei dem gezeigten Verlauf der Winkelgrößen die gemeinsame Frequenz ω=d α/dt zugeordnet ist.

Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Bestimmung dieser Frequenz ω.

Fig. 3 stollt schematisch eine Vorrichtung zur Steuerung einer Drehfeldmaschine unter Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltung dar.

Zur Verdeutlichung der Verhältnisse sei angenommen, die gemeinsame Frequenz ω sei konstant, so daß die Winkelgröße α eine lineare Funktion α=ω. t der Zeit t ist und die Winkelgrößen gemäßdurch eine zeitabhängige Größe c bestimmt sind. Dies ist in Fig. 1 dargestellt, wobei c in der ersten Halbwelle von a₁ einen konsanten (höheren) Wert und in der zweiten Halbwelle vorübergehend einen kleineren Wert annimmt. In der dritten Halbwelle findet ein Übergang auf einen geringeren Wert von c statt, der in der vierten Halbwelle beibehalten wird.

Derartige Verhältnisse liegen z. B. bei einer Drehfeldmaschine vor, wobei c die Stärke und ω die Umlauffrequenz des magnetischen Feldes darstellt, während die Wechselgrößen a₁ und a₂ z. B. die Hallspannungen zweier am Umfang der Ständerwicklung um 90° gegeneinander versetzter Sonden sind. An Stelle der Hallspannungen können zur Erfassung des magnetischen Drehfeldes auch simulierte Spannungen verwendet werden, die aus den Ständerspannungen und -strömen abgeleitet werden. Der Winkel α entspricht dabei dem Winkel zwischen der magnetischen Feldachse und einer ständerbezogenen Bezugsachse. Fig. 1 macht deutlich, daß die Veränderung des Winkels α aus dem Verlauf der Wechselgrößen a₁, a₂ nicht ohne weiteres ersichtlich ist, selbst wenn ω=d a/dt konstant ist. Im allgemeinen Fall ergeben sich noch unübersichtlichere Verhältnisse, bei denen aber immer noch den Wechselgrößen a₁ und a₂ eine gemeinsame Frequenz zugeschrieben werden kann.

Zur Bestimmung der jeweiligen Momentanwerte dieser gemeinsamen Frequenz ω dient die Schaltung nach Fig. 2, deren Eingängen A1, A2 die Wechselgrößen a₁, a₂ zugeführt werden. Für jede Wechselgröße ist ein Glättungsglied 1 bzw. 2 vorgesehen, die ein gleiches Übergangsverhalten haben (Verzögerungsglieder erster Ordnung, Übergangsfunktion V/(1 +sT) mit der Proportionalverstärkung V und der Zeitkonstanten T). Die Ausgangsgrößen di und d₂ der beiden Glättungsglieder sind jeweils ersten Multiplizierern M11 und M22 in der Rechenschaltung 3 zugeführt, um die Produkte a₁. d₁ und a₂. d₂ zu bilden. Die Ausgangssignale beider Multiplizierer sind einer ersten Additionsstelle E₁ zugeführt, an deren Ausgang nunmehr die Größeansteht. Ferner sind in der Rechenschaltung 3 zwei weitere Multiplizierer M12 und M21 zur Bildung der Produkte d₁ . a₂ und d₂ . a₁ vorgesehen, deren Ausgänge einer zweiten Additionsstelle E2 zugeführt sind, an deren Ausgang nunmehr die Größeanliegt. Ein Dividierer D bildet aus den Ausgangssignalen der beiden Additionsstellen den Quotienten e_2/e_l, der am Ausgang 4 der Rechenschaltung abgegriffen werden kann und direkt proportional der gewünschten Frequenz ω ist. Es zeigt sich, daß die Proportionalitätskonstante gleich der Zeitkonstante der Glättungsglieder 1 bzw. 2 ist.

Fig. 2 stellt den Aufbau der Rechenschaltung 3 aus vier Multiplizierern, zwei Additionsgliedern und einen Dividierer dar. Die mathematischen Operationen können auch in anderer Reihenfolge (unter Umständen unter Verwendung mehrerer Dividierer) durchgeführt werden, um den der gewünchten Frequenz proportionalen Quotienten zu erhalten. Wesentlich ist, daß hierfür nur statische Rechenglieder verwendet werden, d. h. Rechenglieder, deren Ausgangsgrößen Momentanwerte darstellen, die nur von den Momentanwerten der Eingangsgrößen abhängen, also kein frequenz- und zeitabhängiges Übergangsverhalten aufweisen.

Die Amplituden der Ausgangsgrößen der Additionsglieder E1 und E2 werden um so kleiner, je kleiner (a₁² + a₂²) wird, was für die Genauigkeit und den Rechenbereich des Dividierers D von Bedeutung werden kann. Daher ist es vorteilhaft, wenn den Eingängen A1, A2 eine Normierungsschaltung 5 vorgeordnet ist, die die Wechselgrößen a₁ und a₂ in entsprechend normierte Wechselgrößenumrechnet. Diese normierten Wechselgrößen werden nun den Glättungsgliedern und der Rechenschaltung zugeführt, ohne daß sich dabei am Wert der am Ausgang 4 abgreifbaren Frequenz etwas ändert.

Die Vorrichtung nach der Erfindung kann beispielsweise in einem Drehfeldmaschinenantrieb verwendet werden, wie er in Fig. 3 gezeigt ist. Er besteht aus einem Umrichter, einer Drehfeldmaschine, beispielsweise einer Asynchronmaschine, einer Flußbestimmungsvorrichtung und einer Umrichtersteuerung.

Der Umrichter kann z. B. einen Zwischenkreis mit eingeprägtem Gleichstrom enthalten. Über einen Steuersatz 20 wird der netzseitige Gleichrichter 21 so geregelt, daß der Zwischenkreisstrom einen über die Leitung 22 eingegebenen, dem gewünchten Betrag der Ständerdurchflutung der Asynchronmaschine entsprechenden Sollwert einnimmt.

Der lastseitige Wechselrichter 23 wird vom entsprechenden Steuersatz 24 so gesteuert, daß der Zwischenkreisstrom auf die drei Ausgänge R, S, T und die daran angeschlossenen Wicklungen des Ständers derart verteilt werden, daß sich in dem Ständer eine vorgegebene Richtung für die Ständerdurchflutung ergibt.

Der Flußbestimmungsvorrichtung sind Istwerte für Ständerstrom und Ständerspannung zugeführt. Diese Istwerte sind über entsprechende Meßwandler an den Eingängen der Drehfeldmaschine abgegriffen. Daraus werden in einem EMK-Detektor 25 zwei Größen gebildet, die die EMK der Maschine hinsichtlich Betrag und Richtung erfassen, wie z. B. in der DE-A-3 034 275 beschrieben ist. Jede dieser elektrischen Größen wird einem Wechselspannungsintegrator 26, 27 zugeführt, der durch Integration daraus die Wechselgrößen a_i und a₂ bildet, die das Feld der Maschine in Betrag und Richtung bestimmen. Anschließend werden diese Wechselgrößen in der Normierungsschaltung 28, die die Normierungsgrößebildet, in entsprechend normierte Wechselgrößen ai/c, a_2/c umgerechnet, wobei diese normierten Wechselgrößen nunmehr die Richtung des Feldes in der Maschine beschreiben.

Zur Steuerung der Maschine wird aus der Normierungsgröße c und einem Sollwert ψ* für den Betrag des Feldes eine Regelabweichung gebildet, die einem entsprechenden Regler 29 zugeführt wird, der daraus einen Sollwert ii^* bildet. Ein zweiter Sollwert i₂^* wird z. B. von einem Regler 30 gebildet, dem die Regelabweichung zwischen der Drehzahl n der Maschine und einem vorgegebenen Drehzahlsollwert n^* zugeführt ist. Die beiden Sollwerte i, und i₂^* legen die Ständerdurchflutung in ihrem Betrag und Richtung (bezogen auf die Feldachse) fest.

Aus diesen beiden Sollwerten und den die Feldrichtung bestimmenden normierten Wechselgrößen ermittelt die Steuereinrichtung 31 einerseits den gewünschten Betrag des Ständerstromes, der für den Steuersatz 20 benötigt wird, andererseits die Aufteilung des Ständerstromes auf die drei Stromzuleitungen R, S, T der Asynchronmaschine, die vom Steuersatz 24 benötigt wird.

Die zur Flußbestimmung benötigten Wechselspannungsintegratoren 26 und 27 sind so aufgebaut, daß sie eine Nullpunktsdrift unterdrücken. Dazu wird jede elektrische Ausgangsgröße des EMK-Detektors jeweils einem Integrator 32 zugeführt, dessen Ausgangsgröße, nämlich die Wechselgröße a₂, über eine Rückführungsleitung mit einer Nullpunktregelschaltung zum Integratoreingang zurückgeführt ist. Diese Nullpunktregelschaltung enthält einen p-Regler 33, dem über einen Multiplizierer die entsprechende Wechselgröße, verstärkt mit einem von der Frequenz ω des Feldes abhängigen Faktor zugeführt ist. Ferner ist ein I-Regler 35 vorgesehen, dem über einen anderen Multiplizierer 36 die Wechselgröße, verstärkt um einen weiteren, von der Frequenz ω abhängigen Faktor, zugeführt ist. Beide Reglerausgänge sind dem Integratoreingang aufgeschaltet. Es kann aber auch vorgesehen sein, dem Integratoreingang weitere Größen aufzuschalten, wie dies in der DE-A-3 026 202 beschrieben ist.

Durch die frequenzabhängigen Faktoren in der Nullpunktregelschaltung kann nun nicht nur erreicht werden, daß eine Nullpunktsdrift der Integratoren unterdrückt wird, vielmehr kann ein Integratorfehler in dem gesamten Frequenzbereich nahezu völlig vermieden werden. Insbesondere kann damit auch der gesamte Antrieb jeweils mit einer optimalen, an den jeweiligen Betriebszustand adaptierten Weise bedämpft werden.

Zur Ermittlung der Frequenz ω des Feldes wird die erfindungsgemäße Vorrichtung eingesetzt, wobei bereits ausgenutzt werden kann, daß bei dem bisher beschriebenen Aufbau des Antriebes neben den Wechselgrößen a_i, a₂ auch die normierten Wechselgrößen ai/c, a₂/c zur Verfügung stehen. Es erübrigt sich also die in Fig. 2 gezeigte Normierschaltung, vielmehr werden die normierten Wechselgrößen den Glättungsgliedern 1, 2 und der Rechenschaltung 3 zugeführt, um die Frequenz ω des Feldes zu ermitteln.