DE3829671A1 - Regulation of converter-powered synchronous machines - Google Patents

Regulation of converter-powered synchronous machines

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Abstract

Dynamically high-quality regulation of the converter-powered synchronous machine is made possible by decoupling which leads to regulation of the stator voltage vector relative to the rotor. This makes it possible to preset, in addition to the voltage level, the electric moment of the machine, so that interference acting on the three-phase side is quickly eliminated and a superimposed rotational-speed regulator can act in the same way as for a mechanically driven machine. The regulation process can be applied to all combinations of types of synchronous machine and types of converters.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung von umrichtergespeisten Synchronmaschinen.The invention relates to a method for regulating converter-fed Synchronous machines.

Ein solche Konfiguration kann z.B. für die Bildung eines Inselnetzes mit einem Batteriespeicher dienen, der bei der Nutzung erneuerbarer Energien den Ausgleich zwischen Leistungsangebot und -bedarf und somit die Frequenzhaltung ermöglicht.Such a configuration can e.g. for the formation of an island network with one Battery storage serve to balance the use of renewable energy between the range of services and the need for frequency maintenance.

Fig. 1 zeigt die Regelung einer umrichtergespeisten Synchronmaschine im Insel­ betrieb beim derzeitigen Stand der Technik. Es wird deutlich, daß bei den durch Stromerzeuger oder Verbraucher auf der Drehstromseite hervorgerufenen Störungen im inneren Regelkreis zwar der Betrag der Spannung ausgeregelt wird, nicht aber das elektrische Moment. Dies erfolgt erst im wesentlich langsameren Drehzahl­ regelkreis. Damit entstehen aber außer den Drehzahlschwankungen auch länger­ dauernde Störungen in der Lage des Spannungsvektors, was zur Folge hat, daß die Zündsteuereinrichtungen von an der Drehstromseite betriebenen Stromrichtern gestört werden. Dies ruft vorübergehend Überströme hervor, die die Stromrichter gefährden bzw. zum Schlagen von Sicherungen führen. Fig. 1 shows the control of an inverter-fed synchronous machine in island operation in the current state of the art. It is clear that in the case of the disturbances in the inner control loop caused by power generators or consumers on the three-phase side, the amount of the voltage is corrected, but not the electrical moment. This takes place only in the much slower speed control loop. However, in addition to the speed fluctuations, there are also longer-lasting disturbances in the position of the voltage vector, with the result that the ignition control devices are disturbed by converters operated on the three-phase side. This temporarily causes overcurrents that endanger the power converter or cause fuses to blow.

Im Verbundbetrieb ergeben sich in ähnlicher Weise mit den Abweichungen des elek­ trischen Moments Schwankungen der eingespeisten Wirkleistung, wodurch im Netz Pendelungen angeregt werden.In a combined operation, the deviations of the elek result in a similar way trical moments fluctuations in the active power fed in, resulting in the grid Commutes are stimulated.

Aufgabe der Erfindung ist es, mit einer Synchronmaschine und einem Umrichter Störungen in einem Drehstromnetz möglichst schnell auszuregeln.The object of the invention is with a synchronous machine and a converter Correct faults in a three-phase network as quickly as possible.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Spannungsvektor bestehend aus den orthogonalen Komponenten der Ständerspannung außer im Betrag auch in der Lage relativ zum Rotor der Maschine geregelt wird.This object is achieved in that the voltage vector consisting of the orthogonal components of the stator voltage except in the amount is also able to be regulated relative to the rotor of the machine.

Eine weitere Ausbildung der Erfindung basiert darauf, daß der Spannungsvektor um den mechanischen Winkel der Maschine so zurückgedreht wird, daß die entstehenden Spannungskomponenten für die Längs- und Querachse der Maschine getrennt erfaßt werden.Another embodiment of the invention is based on the fact that the voltage vector around the mechanical angle of the machine is turned back so that the resulting Voltage components for the longitudinal and transverse axes of the machine are recorded separately will.

Weitere mögliche Ausgestaltungen sind durch die Ansprüche 3 bis 11 gekennzeich­ net.Further possible configurations are characterized by claims 3 to 11 net.

Der Vorteil des Verfahrens liegt darin, daß mit Betrag und Lage des Spannungs­ vektors zum Rotor auch das elektrische Moment der Synchronmaschine festliegt. Mit der Regelung des Spannungsvektors können alle drehstromseitig angreifenden Störungen schnell im inneren Regelkreis ausgeregelt werden. Daher können auch in Inselnetzen herkömmliche Stromrichtergeräte, deren Zündsteuerung für die Funk­ tion am starren Netz ausgelegt sind, eingesetzt werden. Überlagerte Regelungen für die Drehzahl im Inselbetrieb, bzw. für für die Wirkleistung im Verbund­ betrieb können genauso ausgelegt werden wie im herkömmlichen Fall für Synchron­ maschinen mit steuerbarem mechanischen Antrieb. The advantage of the method is that the amount and location of the voltage vector to the rotor, the electrical torque of the synchronous machine is also fixed. With the regulation of the voltage vector, all those attacking on the three-phase side can Faults are quickly corrected in the inner control loop. Therefore also in Off-grid conventional converter devices, their ignition control for the radio tion on the rigid network. Superimposed regulations for the speed in island operation or for the active power in the network operation can be designed in the same way as in the conventional case for synchronous operation machines with controllable mechanical drive.  

Bei der weiteren Ausbildung können auf einfache Weise durch Messung der Rotor­ lage z.B. mit einem inkrementellen Drehgeber die Komponenten z.B. in einem Mikrorechner so gedreht werden, daß sie in der Längs- und Querachse der Maschine liegen, also genau in den Achsen unterschiedlicher Dynamik. Bei einer fremd­ erregten Maschine greift die Erregung in der Längsachse ein, so daß eine lineare Strecke entsteht, für die ein einfacher linearer Regler ausreicht. Die Regler in den beiden Achsen können weitgehend unabhängig voneinander eingestellt werden und lassen sich so modifizieren, daß Stromrichter vor Zerstörung durch Über­ ströme geschützt werden.In further training, the rotor can be measured in a simple manner e.g. with an incremental encoder the components e.g. in one Microcomputers are rotated so that they are in the longitudinal and transverse axes of the machine lie exactly in the axes of different dynamics. With a stranger excited machine engages the excitation in the longitudinal axis, so that a linear A route is created for which a simple linear controller is sufficient. The controls in the two axes can be set largely independently of each other and can be modified in such a way that converters are protected from being destroyed by over currents are protected.

Das dominierende synchrone Drehmoment einer Synchronmaschine kann durch Heraus­ rechnen des Erregerstroms proportional zu der in der Querachse induzierten Spannung angenommen werden, so daß ein überlagerter Drehzahlregler oder Wirk­ leistungsregler ebenso wie über ein mechanisches Antriebsmoments über den Soll­ wert der in der Querachse induzierten Spannung eingreifen kann.The dominant synchronous torque of a synchronous machine can be obtained by pulling it out calculate the excitation current proportional to that induced in the transverse axis Voltage are assumed so that a superimposed speed controller or active power controller as well as via a mechanical drive torque above the target value of the voltage induced in the transverse axis can intervene.

Tabelle 1 Table 1

Steuereingriffe in Synchronmaschine und Stromrichter Control interventions in the synchronous machine and converter

Das Verfahren kann auf alle Kombinationen von Bauarten der Synchronmaschine und Bauarten von Umrichtern angewendet werden. In Tabelle 1 sind die Anzahl der mög­ lichen Steuereingriffe eingetragen. The method can be applied to all combinations of types of synchronous machine and Types of converters can be used. Table 1 shows the number of possible tax interventions entered.  

Ein Ausführungsbeispiel mit fremdgeführtem Stromrichter und elektrisch erregter Synchronmaschine ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.An embodiment with externally controlled power converter and electrically excited Synchronous machine is shown in the drawings and is described in more detail below explained.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 Die übliche Regelung einer stromrichtergespeisten Synchronmaschine gliedert sich in die Regelung (1) des Spannungsbetrags |U |, der aus der Span­ nungsregelstrecke (2) durch Betragsbildung entsteht, und die Regelung (3) der Drehzahl Ω auf, die über einen unterlagerten Stromregler (4) eingreift. Die Stö­ rungen aufgrund der Lastströme I dlast und I qlast werden erst durch den Drehzahl­ regelkreis vollständig ausgeglichen. Fig. 1 The usual regulation of a converter-fed synchronous machine is divided into the regulation ( 1 ) of the voltage amount | U |, which arises from the voltage controlled system ( 2 ) by forming an amount, and the control ( 3 ) of the speed Ω , which intervenes via a subordinate current controller ( 4 ). The faults due to the load currents I dlast and I qlast are only fully compensated for by the speed control loop.

Fig. 2 Die Regelung (5) des Spannungsvektors gleicht die Störungen durch I dlast und I qlast bereits im inneren Kreis aus. Der überlagerte Drehzahlregler gibt einen Momentensollwert M soll vor, der zusammen mit dem Sollwert |U | soll für den Spannungsbetrag zur Berechnung der Sollwerte U dsoll und U qsoll benutzt wird. Fig. 2 The regulation ( 5 ) of the voltage vector compensates for the disturbances by I dlast and I qlast in the inner circle. The superimposed speed regulator is a torque setpoint M to front, together with the target value | U | should be used for the voltage amount to calculate the setpoints U dsoll and U qsoll .

Fig. 3 Der Belastungzustand einer Synchronmaschine ist an Betrag und Lage des Spannungsvektors U relativ zum Rotor (6) zu erkennen. Der Polradwinkel ϑ kenn­ zeichnet die Verdrehung des Spannungsvektors U gegen die Achse der Erregung q. Fig. 3 The load state of a synchronous machine can be seen from the amount and position of the voltage vector U relative to the rotor ( 6 ). The pole wheel angle ϑ characterizes the rotation of the voltage vector U against the axis of excitation q .

Fig. 4 Die Vorrichtung zeigt einen fremdgeführten batteriegespeisten Thyristorstromrichter und einen Transistorsteller (7) nach Anspruch 7, der eine Synchronmaschine (8) erregt. Über den Transformator (9) wird die Anpassung der Drehspannung an die Spannung der Batterie (10) vorgenommen. Nach der Messung (11) der drehstromseitigen Größen erfolgt die Umrechnung in den Vektoren entsprechend Anspruch 3. Die Messung von Lage und Drehzahl (12) erfolgt nach den Ansprüchen 9 und 10 in einem Rechnersystem, welches die Impulse eines inkremen­ tellen Drehgebers (13) auswertet. Die Vektordrehung (14) erfolgt nach Anspruch 6 ebenso im Rechner wie nach Anspruch 5 die Regelung (15) von Spannungsvektor und Drehzahl. Hiervon wird die Zündsteuerung (16) angesteuert, die die Stromrichter­ ventile (17) ansteuert und die nach Anspruch 8 ebenfalls im Rechnersystem imple­ mentiert sein kann. Fig. 4 The device shows an externally operated battery-powered thyristor power converter and a transistor actuator ( 7 ) according to claim 7, which excites a synchronous machine ( 8 ). The transformer ( 9 ) is used to adapt the three-phase voltage to the voltage of the battery ( 10 ). After the measurement ( 11 ) of the three-phase parameters, the conversion into the vectors is carried out in accordance with claim 3. The position and speed ( 12 ) are measured in accordance with claims 9 and 10 in a computer system which evaluates the pulses of an incremental encoder ( 13 ) . The vector rotation ( 14 ) takes place according to claim 6 in the computer as well as according to claim 5 the regulation ( 15 ) of voltage vector and speed. This controls the ignition control ( 16 ), which controls the converter valves ( 17 ) and which can also be implemented in the computer system according to claim 8.

Fig. 5 Die Regelung der in der Längsachse induzierten Spannung U q kann bei­ spielsweise durch Rückführung von Längsachsenstrom I d und Erregerstrom I f sowie durch integralen und proportionalen Anteil der Regelabweichung erfolgen. Fig. 5 Control of the currents induced in the longitudinal axis voltage U q can take place at example by feedback from the longitudinal axis current I d and exciting current I f, as well as integral and proportional part of the control deviation.

Fig. 6 Für die Regelung der in der Querachse induzierten Spannung U d kann neben proportionalem und integralem Anteil der Regelabweichung zusätzlich der Gleichstrom I g bzw. der Querachsenstrom I q zurückgeführt werden. Fig. 6 In order to regulate the voltage U d induced in the transverse axis, in addition to the proportional and integral part of the control deviation, the direct current I g or the transverse axis current I q can also be fed back.

Fig. 7 Der Drehzahlregelkreis kann auf einfache Weise überlagert werden, da für das Führungsverhalten der unterlagerten Regelung ersatzweise ein Verzö­ gerungsglied angenommen werden kann, wenn der Einfluß des Erregerstroms auf das elektrische Moment - wie z.B. weitgehend durch die eingezeichnete Division - kompensiert wird. Fig. 7 The speed control loop can be superimposed in a simple manner, since a delay element can be assumed for the management behavior of the subordinate control if the influence of the excitation current on the electrical moment - such as largely by the division shown - is compensated.

Fig. 8 Der Teil a) zeigt die an einer Laboranlage gemessene Reaktion der in der Längsachse induzierten Spannung U q auf Zuschaltung einer kapazitiven Last. Der Teil b) gibt die Reaktion der in der Querachse induzierten Spannung U d beim Zuschalten einer ohmschen Last wieder und der Teil c) zeigt die Reaktion des überlagerten Drehzahlregelkreises auf ein mechanisches Störmoment. Fig. 8 Part a) shows the response of the voltage U q induced in the longitudinal axis to a capacitive load, measured in a laboratory system. Part b) shows the reaction of the voltage U d induced in the transverse axis when an ohmic load is switched on, and part c) shows the reaction of the superimposed speed control loop to a mechanical disturbance torque.

Claims (11)

1. Verfahren zur Regelung von umrichtergespeisten Synchronmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus den drehstromseitigen Spannungen gebildeter Vektor sowohl im Betrag als auch in der Lage relativ zum Rotor der Maschine geregelt wird.1. A method for controlling converter-fed synchronous machines, characterized in that a vector formed from the three-phase voltages is regulated both in magnitude and in position relative to the rotor of the machine. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsvektor um den mechanischen Winkel der Maschine zurückgedreht wird, so daß die entstehenden Spannungskomponenten in der Längs- und Querachse der Maschine erfaßt werden.2. The method according to claim 1, characterized in that the voltage vector around the mechanical angle of the machine is turned back so that the resulting Stress components in the longitudinal and transverse axes of the machine can be detected. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Spannungen der Maschine ein Vektor gebildet wird.3. The method according to claim 1, characterized in that from the tensions Machine a vector is formed. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Regelung für den Spannungsvektor eingegriffen wird, um den Stromrichterstrom zu begrenzen.4. The method according to claim 1, characterized in that in the scheme for the voltage vector is intervened to limit the converter current. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Drehzahlregler den Sollwert für die in der Querachse induzierte Spannung beeinflußt.5. The method according to claim 1, characterized in that a speed controller Target value for the voltage induced in the transverse axis is influenced. 6. Vorrichtung für 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rechnersystem die Vektor­ drehung nach 2. vornimmt.6. Device for 1, characterized in that a computer system the vector rotation after 2nd. 7. Vorrichtung für 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein getakteter Transistorstel­ ler die Synchronmaschine erregt.7. The device for 1, characterized in that a clocked transistor position ler excited the synchronous machine. 8. Vorrichtung für 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rechnersystem den Leistungsteil eines Stromrichters ansteuert.8. The device for 1, characterized in that a computer system Controls the power section of a converter. 9. Vorrichtung für 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl digital durch das Rechnersystem gemessen wird.9. The device for 1, characterized in that the speed digitally by the Computer system is measured. 10. Vorrichtung für 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorlage digital vom Rechnersystem gemessen wird.10. The device for 1, characterized in that the rotor position digitally from Computer system is measured. 11. Vorrichtung für 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein inkrementeller Drehgeber verwendet wird.11. The device for 1, characterized in that an incremental encoder is used.
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