<Desc/Clms Page number 1>
Die Erfindung betrifft eine Messmethode der sensorlosen Drehwinkelerfassung des Rotors ei- ner dämpferlosen permanenterregten, wechselrichtergespeisten Synchronmaschine durch Mess- signale, die vom Wechselrichter generierte Spannungssprunge sind und die einem Rechner zuge- führt werden, der aus der Winkelabhängigkeit der Statorreaktanz die Rotorstellung berechnet, weiters ein Spannungsraumzeiger der durch das Anlegen der positiven bzw.
der negativen Wech- selrichterzwischenkreisspannung an die Maschinenklemmen vorgegeben wird, wobei ein Strom- raumzeiger durch Messung der Strangströme bestimmt ist, weiters die Vorgabe des Spannungs- raumzeigers mit geänderter Spannungsraumzeigerichtung, in der strangzahlgleichen Anzahl, in verschiedenen Strängen wiederholt wird und aus einem ermittelten Quotienten ein komplexer
Kennwert, gemäss der konventionellen Raumzeigerdefinition, gebildet wird, und weiters in Richtung der durch den komplexen Kennwert festgestellten Magnetisierungsachse, den Strängen der Sta- torwicklung, ein einziges Mal zum Start der Maschine ein Stromraumzeiger zum Zweck der Ände- rung der Magnetisierung eingeprägt wird und ein Quotient bestimmt wird, sodann ein Stromraum- zeiger,
in die Gegenrichtung zum zuvor eingeprägten Stromraumzeiger eingeprägt wird und wie- derum ein neuer Quotient bestimmt wird.
Permanentmagneterregte Synchronmaschinen gewinnen durch die Fortschritte auf dem Sektor der Magnetmaterialien, der Leistungs- und Informationselektronik zunehmend an Bedeutung in der Antriebstechnik, Sie zeichnen sich gegenüber Asynchronmaschinen durch eine einfachere rege- lungstechnische Struktur und höheren Wirkungsgrad aufgrund der sehr geringen Rotorverluste aus.
Für die Durchführung der Regelalgorithmen bei dynamisch hochwertigen feld- bzw. polradori- entierten Regelkonzepten ergibt sich die Notwendigkeit eines mechanischen Gebers zur Erfassung der Polradposition. Es ist daher ein Ziel vieler Forschungsaktivitäten, den mechanischen Gebers durch mathematische Modelle oder durch Ausnützung physikalischer Effekte zu ersetzen.
Die DE-OS 38 20 125 A1 befasst sich mit einem Verfahren zum Steuern der Drehzahl eines Elektromotors unter Verwendung eines Frequenzwandlers. Dieses Verfahrens behandelt die Anwendung bei Induktionsmotoren und ist bei Synchronmaschinen nicht anwendbar.
Es sind verschiedene Verfahren zur Lageerfassung des Polrades einer permanentmagneter- regten Synchronmaschine bekannt.
Ein derartiges Verfahren wird im Kapitel "Algorithmus zur rechnerischen Erfassung der Polrad- lage einer permanentmagneterregten Synchronmaschine ohne Lagegeber" von M. Schrödl und T.
Stefan im Tagungsbuch (Seite 48 bis 54) der ETG/VDE-Konferenz "Antriebssysteme für die Gerä- te- und Kraftfahrzeugtechnik", veranstaltet 1988 in Bad Nauheim, BRD, beschrieben. Dabei erfolgt die Erfassung der Polradlage bei Vollpolmaschinen durch Auswertung der induzierten Spannung.
Ab einer gewissen mechanischen Drehzahl kann ein dauermagneterregter Rotor selbst als Lage- geber verwendet werden, da ein in einer Statorwicklung induzierter Spannungsraumzeiger im allgemeinen in eindeutiger Weise mit der gesuchten Rotorposition in Zusammenhang steht. Dabei können auch nichtsinusförmige Induktionsverteilungen im Luftspalt zugelassen werden. Dieser induzierter Spannungsraumzeiger kann aus den Klemmenspannungen unter Berücksichtigung der ohmschen und induktiven Spannungsabfälle berechnet werden. Ein weiteres Verfahren, das die Rotorlageninformation aus der induzierten Spannung ableitet, ist in der DE-OS 33 06 642 A1 geoffenbart.
Darin gestattet ein mit abschaltbaren Halbleiterschaltern ausgerüsteter Umrichter den Betrieb der Synchronmaschine in einem Zustand, in dem zwischen dem blockförmigen, lückenden Strom jedes Wicklungsstranges und der darin vom rotierenden Polrad induzierten Spannung keine nennenswerten Phasenverschiebung besteht. Eine elektronische Winkelerfassungseinrichtung erfasst in den Stromlücken die vom rotierenden Polrad induzierte Spannung mit ihren Nulldurch- gängen und leitet daraus nach einem Integrationsverfahren die Winkellage des Polrades ab.
Nachteilig dabei ist, dass diese Auswertungen erst ab einer gewissen Mindestdrehzahl erfolgen kann, da die induzierte Spannung proportional mit der Drehzahl abnimmt und diese Verfahren bei Stillstand der Maschine deshalb nicht funktionieren.
Über ein anderes Verfahren berichtet das Kapitel "Detection of the rotor position of a perma- nent magnet synchronous machine at standstill" von M. Schrödl, enthalten in den Proceedings, die zur "International Conference on Electric Machines" 1986 in Pisa, Italien, publiziert wurden. Bei diesem Verfahren wird mittels elektrischer Testsignale die von den permanenten Magneten her- vorgerufene, variierende magnetische Sättigung gemessen. Da sich diese Art der Messung repro-
<Desc/Clms Page number 2>
duzieren lässt, ist die Rotorposition exakt feststellbar. Die für die Durchführung der Messung not- wendigen Kenntnis der Polarität der Magnete lässt sich durch Veränderung des magnetischen Arbeitspunktes und die Messung seiner Auswirkung auf die Impedanz feststellen. Es ist hier die Eruierung der Rotorposition auch bei stillstehender Maschine möglich.
In der US 4,450,396 A ist eine elektrisch geregelte Synchronmaschine, bei der die momentane Rotorposition zur Regelung verwendet wird, beschrieben. Die Rotorposition ihrerseits wird dabei aus der Kopplungsinduktivität zwischen Anker und Feldwicklungen, die wiederum von der momen- tanen Lage des magnetisch permeablen Rotors beeinflusst wird, gewonnen. Es werden dabei auch bei Stillstand dem Stator Spannungsimpulse aufgeprägt und aus dem sich einstellenden Strom die Rotorlage bestimmt.
Aus der EP 228 535 A1 ist eine nach der Rotorlage orientierte Regelung für eine Synchronma- schine bekannt. Diese ist geeignet die Maschine vom Stillstand weg, unter Last, hochzufahren.
Dabei wird eine hochfrequente Spannung oder ein hochfrequenter Strom den Ständerwicklungen eingeprägt. Die sich daraus ergebende andere Grösse, Strom oder Spannung, wird aufgenommen und aus dem Minimum der dabei entstehenden Hüllkurve auf die Lage des Gesamtflusses der Maschine geschlossen.
Der Nachteil dieser Verfahren besteht darin, dass durch die Notwendigkeit einer zusätzlichen analogen Stromquelle oder Spannungsquelle die Messungen sehr aufwendig werden.
Auch die Dissertation "Die permanenterregte umrichtergespeiste Synchronmaschine ohne Pol- radgeber als drehzahlgeregelter Antrieb" von H. Vogelmann (Universität Karlsruhe, BRD, 1986) befasst sich mit einem Verfahren zur Ortung der Polradlage. Dabei wird ein mittels eines Umrich- ters erzeugter, relativ hochfrequentierter Strom als Prüfsignal dem eigentlichen Nutzsignal überla- gert. Der Grundgedanke dabei ist, dass ein in eine gewisse (Raumzeiger-) Richtung aufgeschalte- tes elektrisches Wechselsignal aufgrund der unterschiedlichen Induktivität in Längs- und Querach- se im allgemeinen auch in der orthogonalen Richtung eine Reaktion hervorruft. Nur für den Fall, dass das Wechselsignal genau in der Rotor-Längs- bzw.-Querrichtung aufgebracht wird, tritt eine derartige Verkopplung nicht auf.
Damit ergibt sich ein Kriterium, ob das Signal in die gesuchte ausgezeichnete Richtung appliziert wird oder nicht. Eine Voraussetzung zur Erreichung exakter Messergebnisse ist eine permanentmagneterregte Synchronmaschine mit Schenkelpolcharakter, also mit ungleichen Induktivitäten in Längs- und Querrichtung, wie etwa bei flusskonzentrierenden Anordnungen. Der überwiegende Teil der permanentmagneterregten Synchronmaschinen wird jedoch nicht in flusskonzentrierender Bauweise ausgeführt, sondern mit konstantem Luftspalt und auf die Rotoroberfläche aufgeklebten Magneten. Dies ist fertigungstechnisch einfacher und erlaubt bei Verwendung von hochwertigen Samarium-Kobalt- bzw. Neodym-Eisen-Magneten Luftspaltin- duktionen von etwa 1 Tesla.
Bei den erwähnten Ortungsverfahren besteht also der Nachteil, dass damit nur bei Maschinen mit ausgeprägter Schenkelpolcharakteristik brauchbare Ergebnisse erzielbar sind.
In der US 4,814,677 ist eine feldorientierte Regelung eines Permanentmagnetmotors geoffen- bart, wobei aus den Spannungen und Strömen in den Motorsträngen ein Drehvektorsignal gewon- nen wird, mit dem eine zum Rotor synchrone Strombeschaltung gesteuert wird. Ferner wird eine Rechteckstromimpulsbeschaltung beschreiben, die über einen drehmomentgesteuerten Anlauf hinaus auch die zur weiteren Ansteuerung der Maschine erforderliche Bestimmung der Rotorposi- tion durchführt.
Auch bei diesem Verfahren funktioniert die Bestimmung der Rotorposition nicht bei Stillstand.
Beim Hochlauf wird deshalb zuerst ein kleiner Strom eingeprägt der verwendet wird, um den Rotor auszurichten und erst im Anschluss daran wird der Motor hochgefahren. Allerdings bleibt die Einschränkung, dass die Bestimmung der Rotorposition bei diesem Verfahren bei kleinen Drehzah- len nicht oder nur eingeschränkt verwendbar ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Messmethode zur geberlosen Lageerfassung des Rotors einer permanentmagneterregten Synchronmaschine durch Messung ausschliesslich elektri- scher Grössen zu realisieren und die Nachteile bzw. Ungenauigkeiten der bekannten Erfindungen zu vermeiden.
Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst. Diese ist dadurch gekennzeichnet, dass der Quo- tient aus Spannungsraumzeigerbetrag und zeitlicher Änderung des Stromraumzeigerbetrages ermittelt wird, und dieser Quotient mit der doppelten Periodizität einer Polteilung zwischen einem
<Desc/Clms Page number 3>
Höchstwert zwischen zwei benachbarten Magneten und einem Tiefstwert in der Magnetmitte schwankt, und dass das Argument des komplexen Kennwertes mit dem doppelten Wert der elektri- schen Polradlage verknüpft ist, und dass die Magnetisierungsrichtung in einer festgestellten Mag- netisierungsachse der Stromraumzeigerachse erkannt wird, in der das Minimum vom zuvor ermit- telten Quotienten und vom neu ermittelten Quotienten aufgetreten ist.
Ein Raumzeiger ( kann für Strom i, Spannung u oder Flussverkettung stehen) ist bekann- terweise folgendermassen definiert (angegeben für den technisch wichtigsten Fall des Dreiphasen- systems mit den Phasen 1, 2,3):
EMI3.1
j... imaginäre Einheit
Der Spannungsraumzeiger wird durch das Anlegen der positiven bzw. der negativen Wechsel- richterzwischenkreisspannung an die Maschinenklemmen vorgegeben, wobei der Stromraumzei- ger durch Messung der Strangströme bestimmt ist (siehe obige Definitionsgleichung). Der Quotient x aus Spannungsraumzeigerbetrag und zeitlicher Änderung des Stromraumzeigerbetrages schwankt mit der doppelten Periodizität einer Polteilung zwischen einem Höchstwert zwischen zwei benachbarten Magneten und einem Tiefstwert in der Magnetmitte.
Dieser Messschritt wird mit geänderter Spannungsraumzeigerrichtung, in der vorzugsweise strangzahlgleichen Anzahl, in verschiedenen Strängen wiederholt und aus dem ermittelten Quotienten x(a) oder y(s) ein komple- xer Kennwert, vorzugsweise gemäss der konventionellen Raumzeigerdefinition, gebildet, dessen Argument mit dem doppelten Wert der elektrischen Polradlage y verknüpft ist.
Mathematisch lässt sich dieser Quotient x=us/di-s/dr, der als komplexe differentielle Induktivität
EMI3.2
interpretiert wird, bzw. dessen Kehrwert y=di/dr durch folgende Funktion ausdrücken: us
EMI3.3
8 ist der Winkel zwischen Spannungsraumzeiger us und der gesuchten Rotorposition y:
8=argus-y (0. 3) y ist definiert als der Winkel der Magnetachse (auch als Längsachse oder d-Achse bezeichnet) relativ zur Strangachse 1. s nimmt also bei einem Spannungsraumzeiger in Richtung Strang 1 den Wert @1= -y, bei einem Spannungsraumzeiger in Richtung Strang 2 den Wert 62 = 120 -y (drei- strängige Maschine) usw. an.
In die so festgestellte Magnetisierungsachse wird ein einziges Mal zum Start der Maschine ein Stromraumzeiger zum Zweck der Änderung der Magnetisierung eingeprägt und - wie oben ge- schildert - eine Quotientenbestimmung !Start durchgeführt, sodann ein Stromraumzeiger in die Gegenrichtung zum zuvor eingeprägten Stromraumzeiger eingeprägt und wiederum der neue Quotient xStartll bestimmt und dann aus der Tatsache, dass die Magnetisierungsrichtung mit dem Minimum der Beträge vom jeweils zuvor ermittelten Quotienten xStartl und vom jeweils neu ermittelten Quotienten xStartll korrespondiert, die Magnetisierungsrichtung (entspricht der Polrad- lage y) in der festgestellten Magnetisierungsachse jener Stromraumzeigerachse entspricht, in der das Minimum vom jeweils zuvor ermittelten Quotienten und vom jeweils neu ermittelten Quotienten aufgetreten ist.
Der Vorteil der erfindungsgemässen Messmethode besteht sowohl in ihrer grossen Genauigkeit als auch darin, dass für die Polradortung keine analogen Zusatzstromquellen benötigt werden, sondern der - ohnehin vorhandene - speisende Wechselrichter als Messsignalgenerator eingesetzt wird. Weiteres ist vorteilhaft, dass mit der Erfindung die exakte Polradortung bei beliebiger Last durchführbar ist und dass der übersichtliche Schaltungsaufbau äusserste Betriebssicherheit garan- tiert. Zu dem kann die erfindungsgemässe Messmethode bei den gängigen Regelkonzepten (Tole- ranzbandführung, Pulsmustervorgabe usw. ) problemlos implementiert werden.
<Desc/Clms Page number 4>
Bei der vorliegenden Erfindung werden zwei hintereinander folgende Messungen mit kurzer Messfrequenz durchgeführt. Auf diese Weise wird der Effekt der vom Magneten herrührenden rotatorisch induzierten Spannung kompensiert. Dadurch funktioniert die Messmethode bei allen Drehzahlen, wobei auch im tiefsten Drehzahlbereich und im Stillstand dieselbe hohe Genauigkeit gegeben ist.
Ein Merkmal der Erfindung besteht darin, dass eine Messung mit momentanen Schätzwerten von Drehwinkel und Drehzahl sowie einem Stromraumzeiger durchgeführt wird. Dadurch ist es möglich, mit nur einer Messung und in Kombination mit tabellarischen Korrekturwerten, eine hohe Genauigkeit zu erzielen.
Im Rahmen der Erfindung ist weiteres vorgesehen, dass die zufolge der Spannungssprünge auftretenden und zur Berechnung der zeitlichen Änderung des Stromraumzeigerbetrages notwen- digen Stromänderungen von zwischen Wechselrichter und Synchronmaschine angeordneten Stromwandlern abgenommen werden.
An Hand von Ausführungsbeispielen soll nun die Erfindung, unter Verwendung dreistrangiger Synchronmaschinen, näher erläutert werden. (Dasselbe erfindungsgemässe Prinzip ist für Syn- chronmaschinen mit anderen Strangzahlen in gleicher Weise anwendbar. ) Dabei sind in Fig. 1 und 2 Raumzeigerdiagramme eines Messvorganges dargestellt. Fig. 3 zeigt eine Messmethode mit fixen Messzeiten. In Fig. 4 ist die Integration der erfindungsgemässen Methode in eine Spannungssteue- rung mit fixem Pulsmuster dargestellt. Die Anwendung der Erfindung mit definierten Stromände- rungen bei einem Antrieb mit Toleranzband-Stromregler ist in Fig. 5 aufgezeigt. In diesen drei Figuren 3,4, 5 ist die Schaltung jeweils nur für einen Strang der Statorwicklung gezeichnet ; sie ist für die beiden anderen Stränge selbstverständlich analog.
Die erfindungsgemässe Methode basiert auf der Tatsache, dass bei Luftspaltinduktionswerten von etwa 1 Tesla gewisse Eisenpartien in der Maschine gesättigt werden. Bei Permanentmagnet- erregung werden in erster Linie die Statorzähne beträchtlich gesättigt. Weiters ist, bei entspre- chender Auslegung, eine gewisse Sättigung im Joch denkbar.
Ein (kleines) Statorstromsignal ruft im Stator ein zusätzliches Magnetfeld hervor, das je nach Stromzeigerrichtung auf Pfaden mit unterschiedlichen magnetischen Leitwerten verläuft. Bei einem Stromraumzeiger parallel zum Raumzeiger des vom Dauermagneten hervorgerufenen magneti- schen Flusses verläuft das Zusatzmagnetfeld in den magnetisch stark belasteten Gebieten, bei Aufbringung des Stromraumzeigers normal dazu werden die gesättigten Gebiete weitgehend nicht berührt.
Die magnetische Verteilung in der Maschine definiert also für jede Raumzeigerrichtung eines Mess-Statorstromes einen Arbeitspunkt auf der magnetischen Kennlinie, die den Zusammenhang zwischen den Raumzeigerbeträgen von Durchflutung und magnetischem Fluss angibt. Je nach betrachteter Raumzeigerrichtung schwankt dieser Arbeitspunkt zwischen einem Minimalwert im linearen Teil und einem Maximalwert in der Krümmung der Kennlinie. Diese Modulation des Ar- beitspunktes kann durch Messung der differentiellen Induktivität der betrachteten Raumzeigerrich- tung erfasst werden. Dabei ist die Stromänderung im Vergleich zum Nennstrom vernachlässigbar klein, so dass die magnetischen Verhältnisse fast nicht beeinflusst werden. Der Einfluss des Stator- widerstandes ist dabei so klein, dass er vernachlässigt werden kann.
Um die sich bei Messung mittels einer analogen Messspannungsquelle und sinusförmigen Mess- signalen ergebenden Nachteile (Messung nur bei stillstehendem, unbelastetem Rotor möglich; grosser Mess- und Rechenaufwand, Messsignalgenerator als Zusatzeinrichtung ist während der Messung anstatt des Umrichters auf die Synchronmaschine geschaltet) zu vermeiden, ist bei der erfindungsgemässen Methode der Wechselrichter selbst als Messsignalgenerator eingesetzt.
Stillstehende Maschine :
Als Messsignal werden geschaltete Spannungen aus den Wechselrichterzweigen auf die Syn- chronmaschine geschaltet. Die Spannung kann positives oder negatives Wechselrichter-Eingangs- potential annehmen. Jeder Wechselrichterzweig ist dabei mit einer Strangwicklung verbunden. Es wird dann die differentielle Induktivität bzw. deren Kehrwert, bis auf einen konstanten Faktor, aufgrund des Anstiegs des Statorstromraumzeigerbetrages ermittelt, da die geschalteten Span- nungen in ihrem Betrag während eines Zyklusses zusammengehöriger Messungen sich nicht ändern und in ihrem Argument bekannt sind und die Induktivität als Quotient von Spannung und
<Desc/Clms Page number 5>
Stromanstieg definiert ist. Hierbei handelt es sich also um eine Messung, welche einer Induktivi- tätsmessung gleichwertig ist.
Der Stromraumzeiger wird durch Messung von mindestens n Stator- strangstromen durch Anwendung der bekannten Statorstromraumzeiger-Definitionsgleichung (siehe Seite 5, Z. 4 - 6) ermittelt, wobei n gleich der Strangzahl minus 1 ist, soferne der Sternpunkt der Maschine nicht nach aussen geführt ist. Damit ist für die möglichen Spannungsraumzeigerrich- tungen (0,120, 240 Grad bei Dreiphasensystemen) eine Messung mit äquivalentem Aussagewert wie mittels einer analogen Zusatzsignalquelle erzielbar. Durch wiederholte Messungen während des Betriebes kann eine statistische Auswertung der anfallenden Information durchgeführt und somit eine grosse Messgenauigkeit erzielt werden.
Rotierende Maschine:
Durch Kombination von zwei Messungen wird der Effekt der rotatorisch induzierten Spannung weitestgehend eliminiert. Es werden zwei Messungen durchgeführt, wobei nach der ersten Mes- sung in einem Zweig (beispielsweise Zweig A oder alternativ in allen anderen Zweigen ausser A; beides bewirkt eine Messung in die gleiche Raumzeigerrichtung) eine Schalthandlung durchgeführt wird. Das heisst, es wird in der zweiten Messung durch Änderung des Wechselrichter-Schaltzu- standes das Argument des Statorspannungsraumzeigers gegenüber jenem während der ersten Messung verändert ; wird somit kein zusätzlicher Impuls überlagert, sondern ein Spannungs- raumzeigersprung durchgeführt. Sodann wird der Wert der Messung 2 vom Wert der Messung 1 subtrahiert.
Der Spannungsdifferenzraumzeiger weist in die Richtung des mit dem geschalteten Wechselrichterzweig verbundenen Stranges, so dass es genügt, die Stromänderung während der Intervalle I und 11 nur im betreffenden Strang zu messen. (Durch die verschiedenen Induktivitäten aufgrund der Vorsättigung weichen Spannungs- und Messstromraumzeiger leicht voneinander ab.
Bei üblichen Sättigungsverhältnissen beträgt diese Abweichung maximal 7 Grad. Diese Abwei- chung ist jedoch ein reproduzierbarer Effekt und dadurch ein korrigierbarer Fehler.) Durch diese Messstrategie wird die Auswirkung der rotatorisch induzierten Spannung kompensiert. (Die nähere Erläuterung dieses Vorganges erfolgt im übernächsten Abschnitt.)
Bei höheren Drehzahlen ist die Drehung während der Messzeit nicht vernachlässigbar. In die- sem Fall kann der Messvorgang des Intervalls 11 in zwei Teilmessungen aufgespaltet werden, wobei der erste Teil vor und der zweite Teil nach Intervall 1 durchgeführt wird. (In beiden Teilmessungen wird der gleiche Statorspannungsraumzeiger angelegt. ) Dadurch tritt jeweils praktisch derselbe (mittlere) Wert der induzierten Spannung auf. Dabei genügt es, wenn nur eine Messung in zwei Teilmessungen aufgespaltet wird.
Die induzierte Spannung ist bei höheren Drehzahlen nicht vernachlässigbar. Durch diese Spannung erfolgt die Stromänderung (#is)1-11 nicht mehr parallel zum angelegten Statorspannungs- raumzeiger Us sondern in die Richtung der Differenz zwischen Statorspannungs- und induziertem Spannungsraumzeiger. Die Messung erfolgt also in den Intervallen I und 11 scheinbar in mehr oder weniger abweichende Raumzeigerrichtungen. Es ist (unter Verwendung der Raumzeigerrech- nung), mathematisch eindeutig nachweisbar, dass die Messung durch die Differenzbildung der zwei Intervalle wirklich den Induktivitätswert der gewünschten Richtung liefert.
Die zwei Intervalle I, II werden durch folgende Gleichungen beschrieben :
EMI5.1
Die Subtraktion von (1) und (2) liefert unter der Annahme, dass sich die Rotorposition während des Messintervalles praktisch nicht ändert:
EMI5.2
Fig. 1 zeigt das Raumzeigerdiagramm eines Messvorganges für die stillstehende Synchron- maschine, während in Fig. 2 das Raumzeigerdiagramm eines Messvorganges einer mit wm rotie- renden Synchronmaschine dargestellt ist, wobei die d-Achse mit der Magnetachse zusammenfällt und die q-Achse senkrecht auf der d-Achse steht.
Man denkt sich, wie bei der Beschreibung von Schenkelpol-Synchronmaschinen üblich, die
<Desc/Clms Page number 6>
unterschiedlichen magnetischen Leitfähigkeiten durch zwei unterschiedliche Reaktanzwerte für die Längsachse und für die Querachse berücksichtigt. Diese Annahme liefert für den vorliegenden Fall eine sehr gute Beschreibung der Verhältnisse, da die Unterschiede in den Reaktanzen für die Längs- und Querrichtung sehr gering sind, so dass Effekte höherer Ordnung vernachlässigt werden können.
Es sei darauf hingewiesen, dass durch die Vorsättigung der Längsachse (d-Achse) die Reak- tanz kleiner ist als die Querreaktanz. Eine mathematische Beschreibung der elektromagnetischen Verhältnisse ist am besten in einem rotorfesten Koordinatensystem möglich, dessen reelle Achse zweckmässigerweise in die Richtung des Raumzeigers des vom Permanentmagneten hervorgeru- fenen Flusses (oder exakter im Hinblick auf die Anwendbarkeit des Superpositionsprinzips von Durchflutungen: in die Richtung eines fiktiven, diesen Fluss hervorrufenden Stromraumzeigers ifikt,M) zeigt.
Die Statorspannungsgleichung nimmt dann in diesem Koordinatensystem folgende Gestalt an (unter Vernachlässigung der ohmschen Spannungsabfälle):
EMI6.1
Die Flussverkettungsgleichungen lauten für die beiden Achsen unter obig getroffenen Annah- men (Index o bedeutet "Arbeitspunkt"):
EMI6.2
wobei der Parameter k je nach Schalterstellung des Wechselrichters den Wert 0 (bei Stellung 0,0, 0 und 1,1, 1) oder den Wert-1 (bei Invertierung sämtlicher Zustände gegenüber dem Intervall I) annehmen kann.
Subtrahiert man beide Gleichungssysteme voneinander, so sieht man, dass unter der Voraus- setzung einer ausreichend kurzen Messzeit (Messzeit wesentlich kürzer als wm-1) der Einfluss der rotatorisch induzierten Spannung verschwindet:
EMI6.3
Dieser Sachverhalt ist in Fig. 1 für die stillstehende Maschine, und in Fig. 2 für die rotierende Maschine dargestellt. Der Messabschnitt 11 ist durch die Variante "Klemmenkurzschluss" realisiert.
EMI6.4
Abschnitt auf.
In den Diagrammen It. Fig. 1 und 2 sind Grössen, die physikalisch Strömen entsprechen, strich- liert, und solche, die Flussverkettungen entsprechen, durchgezogen dargestellt. Es sei hier erwähnt, dass die Stromänderungen (#is) und (#is)11 während der Messphase wesentlich kleiner als der Nenn- strom sind.
Zum Start des Systems ist es unbedingt notwendig, die Polarität des Permanentmagneten zu bestimmen, da sonst die bestimmte Rotorposition mit einer Unsicherheit von 180 Grad (elektrisch)
<Desc/Clms Page number 7>
behaftet ist. Dies ist dann begründet, dass die Induktivitätsschwankungen sich zweimal pro elektri- scher Umdrehung wiederholen.
Im vorliegenden Fall erfolgt die Polaritätsbestimmung durch alleinige Verwendung des Wech- selrichters. Nach der Bestimmung der Richtung minimaler und maximaler Induktivität, welche unmittelbar mit der Polradlage bzw. der Magnetisierungsrichtung des Rotors zusammenhängt, wird in etwa diese Richtung ein relativ grosser Statorstromraumzeiger aufgebracht, wodurch eine gewis- se Verschiebung des magnetischen Arbeitspunktes erfolgt. In diesem neuen magnetischen Ar- beitspunkt wird nun eine Induktivitätsmessung, wie zuvor beschrieben, durchgeführt. Ob dieses Zusatzsignal eine Erhöhung oder eine Verminderung der Sättigung gebracht hat, kann entschieden werden, wenn genau die entgegengesetzte Zusatzdurchflutung aufgebracht und wieder die diffe- rentielle Induktivität bestimmt wird.
Legt man einen konstanten Statorspannungsraumzeiger an den Stator der Maschine, so ändert sich, wenn der Bereich magnetischer Sättigung erreicht wird, der Betrag des mit dem Stator verket- teten Flusses s linear mit der Zeit, während der Statorstrom is progressiv zunimmt. Die vorerwähn- te Induktivitätsmessung erfolgt beispielsweise mit einem konstanten Statorstromänderungsintervall (#is)1-11 Die Zeiten zwischen den im Kapitel "Stillstehende Maschine" beschriebenen Schalthand- lungen sind dann proportional zur differentiellen Induktivität.
Die geringe Statorinduktivität hat zur Folge, dass selbst Ströme in der Grössenordnung des Nennwertes keine gravierende Änderung der Sättigungsverhältnisse in der Maschine nach sich ziehen. Es werden zwar die "Induktivitäts-Ellipsen" etwas abgeplattet, jedoch bleibt der Verlauf der winkelabhängigen Induktivität erhalten und der Effekt der von dieser Induktivität abhängigen Sta- torstromraumzeiger-Anderungsgeschwindigkeit messbar. Unter "Induktivitätsellipse" wird dabei jene Kurve verstanden, die entsteht, wenn die Grösse der differentiellen Induktivität in einem polaren Koordinatensystem in Abhangigkeit von der Rotorstellung aufgetragen wird. Es besteht die Mög- lichkeit, die lastabhängigen Sättigungsverhältnisse in einem Festwertspeicher abzulegen und die entsprechenden Kennwerte je nach Laststrom abzufragen.
Die Lastpunkte können dahingehend eingeschränkt werden, dass nur flussnormale, also drehmomentbildende Statorstromkomponenten auftreten.
Zur praktischen Bestimmung der Rotorposition sind verschiedene Möglichkeiten des Messab- laufs denkbar. Die zwei wichtigsten Varianten sind, ein festes Messintervall oder einen festen Sta- torstromänderungsbetrag vorzugeben.
Bei Vorgabe eines festen Messintervalls wird die Zeit des Intervalls I gleich der des Intervalls n (siehe Kapitel "Rotierende Maschine") und konstant gesetzt. Nimmt man an, dass die Induktivität in Richtung des Stranges A gemessen werden soll, so ist der Zustand der Wechselrichterzweige A, B, C im Intervall I beispielsweise 1,0, 0 (1 bedeutet: Wechselrichterzweig an positivem Zwischen- kreispotential) und im Intervall 11 beispielsweise 0,0, 0 oder 1, 1, 1 oder 0,1, 1. In jedem Fall zeigt der Stator-Differenzspannungsraumzeiger in Richtung zur Strangachse A. Legt man gedanklich die reelle Achse des Raumzeiger-Koordinatensystems in die zu messende Strangachse, so ergibt sich, dass der Kehrwert der gesuchten Induktivität proportional der Differenz der betreffenden Stator-Strangstromänderungen im IntervallI und 11 ist.
Fig. 3 zeigt eine Schaltungsvariante der erfindungsgemässen Methode mit fixen Messzeiten für eine stromgeregelte, permanentmagneterregte Synchronmaschine, und zwar in einem Strang 1 der Statorwicklung, wobei die Methode in eine konventionelle Regelung eingebunden ist. Die Erfas- sung des Stromistwertes erfolgt über einen Stromwandler 6, der Stromistwert wird dem N-Eingang eines Komparators 2 ohne Hysterese zugeführt. Die Regelung des Stator-Strangstromes erfolgt so, dass mit Hilfe des Komparators 2 ohne Hysterese ein Soll-Ist-Vergleich durchgeführt wird. Aus diesem Soll-Ist-Vergleich ergibt sich, ob ein betroffener Brückenzweig des Wechselrichters 3 bis zum jeweils nächsten Abfragezeitpunkt auf positives oder negatives Zwischenkreispotential ge- schaltet wird bzw. geschaltet bleibt.
Ein D-Flipflop 4 erlaubt diese Schaltzustandsänderung des Brückenzweiges des Wechselrichters 3 zu positiven (oder alternativ negativen) Flanken des Takt- signals.
Die zusätzliche Messeinrichtung besteht aus einer Logik 5, welche unabhängig vom Soll-Ist- Vergleich bei Bedarf einen Messzyklus durchführt. Dieser besteht, wie bereits erwähnt, aus zwei Zeitperioden I und 11. die in diesem Fall gleich lang sind. Bei höherer Drehzahl kann die Messung auf vier Zeitperioden ausgedehnt werden (Zyklenfolge 1-11-11-1 oder umgekehrt), wodurch für beide
<Desc/Clms Page number 8>
Messabschnitte die gleiche mittlere Rotorposition vorliegt.
Neben dieser Logik 5 wird noch eine Istwerterfassung bzw. -verarbeitung durchgeführt, welche die Grösse der Statorstromänderung erfasst. Die Statorstromistwerterfassung erfolgt über einen Stromwandler 6, der Statorstromistwert wird dem N-Eingang des Komparators 2 und einem Modul 8 für analoge Signalverarbeitung eines Rechners 7 zugeführt. Vom Modul 8 für analoge Signalver- arbeitung erfolgt die Information bezüglich des Statorstromsollwertes an den P-Eingang des Kom- parators 2.
Zwei Leitungen 10 bzw. 11 verbinden ein Modul 9 für digitale Steuerung mit der Logik 5 und übertragen Informationen über den Komparator- bzw. Brückenstatus. Über eine Leitung 12 wird der Synchronisiertakt vom Modul 9 für digitale Steuerung dem dynamischen Eingang des D-Flipflops 4 zugeführt.
In Fig. 4 wird die anhand von Fig. 3 beschriebene Methode in eine Spannungssteuerung mit fixem Pulsmuster integriert. Dabei werden in das Pulsmuster die Messzyklen direkt eingefügt ; dieSignalverarbeitung wird dann über Statusleitungen informiert, wann ein Messzyklus durchgeführt wird. Fig. 4 zeigt wiederum die Statorwicklung einer permanentmagneterregten Synchronmaschine - mit der erfindungsgemässen Schaltung für einen Strang 21 - und einen Wechselrichter-Brücken- zweig 22. Ein Pulsmustergenerator 23 mit integrierten Messzyklen erhält über zwei Leitungen 24 bzw. 25 die Spannungs- bzw. Frequenzvorgabe von einem Steuerungsmodul 26. Die Übermittlung des Ansteuersignals vom Pulsmustergenerator 23 zum Wechselrichter-Brückenzweig 22 erfolgt über eine Leitung 30.
Die Statorstromistwerterfassung zur Messung der Stromänderung erfolgt über einen Stromwandler 28, der Stromistwert wird über eine Leitung 29 dem Steuerungsmodul 27 zugeführt.
Ein wichtiger Spezialfall ist gegeben, wenn die Statorstromänderung des Messabschnittes I definiert und gleich der negativen Änderung des Abschnittes 11 gesetzt ist. In diesem Fall sind die Zeiten der Messabschnitte I und 11 zu messen. Die Summe ihrer Kehrwerte ist dann proportional der invertierten Induktivität. Diese Methode eignet sich besonders gut zur Implementierung bei Maschi- nen mit Toleranzband-Stromregelung, wie in Fig. 5 gezeigt wird.
Das Prinzip der Stromregelung beruht darauf, dass die Differenz zwischen Statorstrom-Soll und -Istwert einem hysteresebehafteten Komparator 42 zugeführt wird. Der logische Ausgang des Komparators 42 steuert einen für einen Strang 41 zuständigen Wechselrichter-Brückenzweig 43, wodurch der Strom (meist) am Verlassen des durch die Hysterese definierten Toleranzbandes gehindert wird.
Die Erweiterung für die Positionsmessung besteht - ähnlich wie beim Methode nach Fig. 3 - aus einer übergeordneten Logik 45 für den Messvorgang, wodurch eine Kontrolle über eine Wech- selrichter-Treiber- und Ansteuerlogik 44, unabhängig vom Komparator 42, möglich ist. Die Stator- stromistwerterfassung erfolgt über einen Stromwandler 46, der Stromistwert wird dem N-Eingang des Komparators 42 zugeführt. Von einem Steuerungsmodul 47 erfolgt die Information bezüglich des Stromsollwertes an den P-Eingang des Komparators 42. Zwei Leitungen 48 bzw. 49 verbinden das Steuerungsmodul 47 mit der übergeordneten Logik 45 für den Messvorgang und übertragen die Informationen über den Komparator- bzw.
Brückenstatus
Ein Messzyklus wird nun durchgeführt, indem der Stromsollwert im betreffenden Zweig konstant gehalten wird und Schalthandlungen in den anderen Zweigen unterbunden werden. Dadurch wird im erstgenannten Strang 41 der gewünschte Stromverlauf erreicht, Die Komparatorfunktion in diesem Zweig bleibt aufrecht. Da bei dieser Methode nur Zeiten gemessen werden, ist hier, im Gegensatz zur Methode nach Fig. 3, keine Analog/Digitalwandlung für einen angeschlossenen Rechner erforderlich.
**WARNUNG** Ende DESC Feld kannt Anfang CLMS uberlappen**.