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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Festlegung von Spannungstestimpulsfolgen an umrich- tergespeisten Drehfeldmaschinen zwecks Ermittlung der Flusslage ohne mechanischen Sensor wie es im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschrieben ist.
Nach dem derzeitigen Stand der Technik wird zum dynamisch hochwertig geregelten Betrieb von umrichtergespeisten Drehstrommaschinen die räumliche Lage des magnetischen Flusses in der Maschine benötigt. Diese Flusslage kann zufolge der Modulation der Streuinduktivität entlang des Luftspaltes der Maschine auch im Betriebsbereich um den Flussstillstand ohne mechanischen
Sensor ermittelt werden, indem in regelmassigen Abständen Spannungstestimpulsfolgen an die
Maschinenklemmen gelegt werden und die in den einzelnen Strängen der Maschine unterschiedli- chen Stromanstiege ausgewertet werden. Bei Asynchronmaschinen und Vollpolsynchronmaschi- nen tritt diese Modulation zufolge des Hauptflusses der Maschine auf, bei Schenkelpolsynchron- maschinen und Reluktanzmaschinen ist diese Modulation eine Folge der Achsigkeit des Rotors.
Die Spannungstestimpulsfolgen bestehen nach dem aktuellen Stand der Technik aus vier bis sechs unterschiedlichen Spannungsraumzeigern. Für die Dauer der Spannungstestimpulsfolgen wird dabei das Ansteuerverfahren für den Umrichter unterbrochen, wodurch im Stromverlauf der
Maschine zusätzliche Oberschwingungen auftreten und wodurch sich auch die Verluste in der
Maschine erhöhen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die zur Berechnung der Flusslage notwendigen Spannungs- testimpulse festzulegen, ohne dass dabei das Umrichteransteuerverfahren bzw. Stromregelverfah- ren unterbrochen werden muss.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der von Phasenstrominformationen in einem Raumzeigerbildungsglied gebildete Istwert des Statorstromraumzeigers und der von einem Regelungsglied vorgegebene Sollwert des Statorstromraumzeigers einem Summierglied zugeführt sind, wobei das Regelungsglied von einem Sollwertvorgabeglied einem Sollwert, beispielsweise einen Drehmomentsollwert, erhält, dass von einem Flusswinkelberechnungsglied der aktuelle Wert des Fiussraumzeigers berechnet und an das Regelungsglied weitergeleitet wird, dass das die Abweichung des Istwertes des Statorstromraumzeigers vom Sollwert des Statorstrom- raumzeigers darstellende Ausgangssignal des Summiergliedes mit dem Eingang eines Maschenenmodellgliedes verbunden ist, in weichem der Sollspannungsraumzeiger berechnet wird,
der nötig ist um den Istwert des Stromraumzeigers während einer Abtastperiode des Regelkreises an den vorgegebenen Sollwert heranzuführen, und dass der Ausgang dieses Maschinenmodellgliedes an einem Schalttripelauswahlglied angeschlossen ist, welches mit dem Flusswinkelberechnungs- glied verbunden ist, und dass Im Schaltsequenzauswahiglied jene Schaltzustandssequenz ausgewählt wird, die im Mittel über eine Abtastperiode den, dem Sollspannungsraumzeiger am nächsten liegenden Spannungsraumzeiger bildet und dass die Schaitszustandssequenz durch drei Schaltzustände gebildet wird, wobei die Abtastperiode zu gleichen Teilen in Einschaltdauer der jeweiligen Schaltzustände einer Sequenz aufgeteilt wird und dass,
falls mehrere Schaltzustandssequenzen für die mittlere Spannungsbildung zur Auswahl stehen jene Schaltzustandssequenz gewählt wird, die drei unterschiedliche, zur Flusswinkelberechnung geeignete Spannungsraumzeiger in der Maschine einprÅagt.
Dadurch wird erreicht, dass die zur Berechnung der Flusslage notwendige Spannungstestimpulsfolge sowie das Berechnungsverfahren zur Auswertung der Spannungstest ! mpu) sfo) ge derart umgestaltet werden, dass die Spannungstestimpulsfolge nun nicht mehr aus einer starren Folge von Schalthandlungen besteht, sondern eine beliebige Folge von drei Schalthandlungen mit drei unterschiedlichen Spannungsraumzeigern mit einer gewissen Mindestdauer zur Berechnung der Flusslage ausreichend ist.
Weiters wird die Erzeugung der Spannungstestimpulsfolge in ein erfindungsgemässes Verfahren zur Ansteuerung das Umrichters nach Anspruch 1 integriert, wodurch es möglich ist, den Statorstromraumzeiger der Maschine ständig mit geringer Abweichung von einem vorgegebenen Sollwert zu führen und so die im Stromverlauf auftretenden Oberschwingungen zu reduzieren.
Dabei wird am Beispiel eines prädiktiven Stromreglers als Umrichteransteuerverfahren in Kombination mit einem dreiphasigen Zweipunkt-Umrichter das zeitliche Abtastintervall dieses Stromreglers In drei gleiche zeitliche Abschnitte unterteilt und für jeden dieser Abschnitte ein eigener Schaltzustand des Umrichters vorgegeben. Es wird also während jedes zeitlichen Abtastintervalls des Stromreglers ein Schaittnpe ! ausgegeben. Damit ist es möglich, gemittelt über eine zeitliche
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Abtastperiode des Stromreglers unterschiedliche Spannungsraumzeiger an den Maschinenklemmen zu erzeugen, deren Anfangspunkte im Ursprung der Raumzeigerebene liegen und deren Endpunkte auf drei konzentrischen symmetrischen Sechsecken oder auch im Ursprung der Raumzeigerebene hegen.
Liegt der Fall vor, dass der gewünschte, uber eine zeitliche Abtastperiode des Stromreglers im Mittel einzustellende Endpunkt des Spannungsraumzeiger nicht auf dem äussersten der drei Sechsecke liegt, was im stationären Betriebsfall kleiner Statorgrundfrequenzen fast ausschliesslich zutrifft, so ist dieser Endpunkt des Spannungsraumzeigers durch mehrere unterschiedliche Schalttripel realisierbar.
In diesem Fall existiert also ein Freiheitsgrad bei der Auswahl des geeigneten Schalttripels.
Dieser Freiheitsgrad wird nun erfindungsgemäss dazu benützt, jeweils das Schalttripel auszuwählen, das einer zur Berechnung der Flusslage notwendigen Spannungstest ! mpuisfo ! ge entspncht.
Dadurch kann das Umrichteransteuerverfahren, für den Fall, dass sich der gewünschte Endpunkt des, zum Heranführen des Istwertes des Statorstromes an den Sollwert notwendige, Spannungsraumzeigers nicht auf dem äussersten der drei Sechsecke befindet, sichergestellt ist, dass zur gleichen Zeit auch eine zur Berechnung der Fluss lage geeignete Spannungstestimpulsfolge ausgegeben wird.
Die Erfindung wird im weiteren anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Figur 1 Anordnung zu Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens nach Anspruch 1 (Blockschaltbild einer Umrichter-ansteuerung).
Figur 2 Lage der Spannungsraumzeiger des Umrichters in der Raumzeigerebene die durch die unterschiedlichen Schaltzustände erzeugt werden
Figur 3 Die Realisierung der Spannungstestimpulsfolge am Beispiel eines pradiktiven Stromreglers in der Raumzeigerebene.
In Figur 1 ist eine Vorrichtung zur Umsetzung des erfindungsgemässen Verfahrens als Blockschaltbild für einen prädiktiven Stromregler in der Raumzeigerebene und für einen dreiphasigen aus einem Spannungsnetz versorgten Umrichter mit angeschlossener Drehstrommaschine erläutert. Dabei ist der erste Eingang einer Drehstrommaschine 1 über eine erste Energieleitung 13 mit dem ersten Ausgang eines Umrichter 2 verbunden und der zweite Eingang der Drehstrommaschine 1 ist über eine zweite Energieleitung 14 mit einem ersten Stromsensor 4 und mit dem zweiten Ausgang des Umrichters 2 verbunden und der dritte Eingang der Drehstrommaschine 1 ist über eine dritte Energieleitung 15 mit einem zweiten Stromsensor 5 und mit dem dritten Ausgang des Umrichters 2 verbunden. Der Umrichter 2 ist über eine vierte Energieieitung 27 an das Spannungsnetz 3 geschaltet.
Der Ausgang des ersten Stromsensors 4 ist über eine erste Signalleitung 16 mit dem ersten Eingang eines Raumzeigerbildungsgliedes 6 und über eine zweite Signalleitung 18 mit dem ersten Eingang eines Flusswinkelberechnungsgliedes 10 verbunden und der Ausgang des zweiten Stromsensors 5 ist über eine dritte Signalleitung 17 mit dem zweiten Eingang des Raumzeigerbildungsgliedes 6 und über eine vierte Signalleitung 19 mit dem zweiten Eingang des Flusswinkelberechnungsgliedes 10 verbunden und der Ausgang des Raumzeigerbildungsgliedes 6, der dem Istwert des Statorstromraumzeiger entspricht,
ist über eine fünfte Signalleitung 20 mit dem negativen Eingang eines Summiergliedes 7 verbunden und der Ausgang eines Sollwertvorgabegliedes 12 ist über eine sechste Signalleitung 26 mit dem ersten Eingang eines Regeiungsghedes 11 verbunden und der Ausgang des Regelungsgliedes 11, der dem Sollwert des Statorstromraumzeigers entspricht, ist über eine siebente Signalleitung 28 mit dem positiven Eingang des Summiergliedes 7 verbunden und der Ausgang des Summiergliedes 7 ist über eine achte Signalleitung 21 mit dem Eingang eines Maschinenmodellgliedes 8 verbunden, in dem die Maschine durch eine grundschwingungsfrequente innere Spannung und eine in Serie geschaltene Induktivität angenähert wird, und der Ausgang des Maschinenmodellgliedes 8,
der den Sollspannungsraumzeiger darstellt der nötig ist um den Istwert des Stromraumzeigers während einer Abtastperiode des Regelkreises an den vorgegebenen Sollwert heranzuführen, ist über eine neunte Signalleitung 22 mit dem Eingang des Schalttripelauswahlgliedes 9 verbunden und das Schalttripelauswahlglied 9 ist über eine zehnte Signalleitung 23 mit dem Umrichter 2 verbunden und das Schalttrlpelauswahl- glied 9 ist uber eine elfte Signalleitung 24 mit dem Flusswinkelberechnungsglied 10 verbunden und das Flusswinkelberechnungsglied 10 ist über eine zwölfte Signalleitung 25 mit dem Regelungsglied 11 verbunden
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In dem Ausführungsbeispiel der hochdynamisch geregelten,
von einem Umrichter mit Spannungszwischenkreis gespeisten Drehstrommaschine werden daher die Strangstrome der Maschine 1 mittels der belden Stromsensoren 4 und 5 gemessen. Aus diesen Messwerten wird in einem Raumzeigerbildungsglied 6 der Statorstromraumzeiger der Maschine gebildet und in einem Summierglied 7 die Abweichung des gemessenen Statorstromraumzeigers von dem, von dem Regelungsglied 11 vorgegebenen Sollstromraumzeiger bestimmt Das Regelungsglied 11 erhält dabei von dem Sollwertvorgabeglied 12 beispielsweise einen Drehmomentsollwert vorgegeben Von dem Flusswinkelberechnungsglied 10 wird der aktuelle Wert des Flussraumzeigers berechnet und an die Maschinenregelung 11 weitergeleitet Aus dem Ausgang des Summiergliedes 7, das die Abweichung des Istwertes des Statorstromraumzeigers von seinem Sollwert darstellt, wird durch das Maschinenmodell 8,
in dem die Maschine durch eine grundschwingungsfrequente Innere Spannung und eine in Serie geschaltene Induktivität angenähert wird, der Sollspannungsraumzeiger berechnet, der nötig ist um den Istwert des Stromraumzeigers während einer Abtastperiode des Regelkreises an den vorgegebenen Sollwert heranzuführen Der Sollspannungsraumzeiger ist mit dem Block Schalttripelauswahlglled 9 verbunden, in dem von den insgesamt siebenunddreissig möglichen Spannungsraumzeigern erfindungsgemäss derjenige ausgewählt der dem Sollspannungsraumzeiger in Phase und Betrag am nächsten liegt. Spannungsraumzeiger deren Endpunkte am äussersten Sechseck 52 liegen konnen dabei jeweils nur mit einem Schalttripel erzeugt werden.
Spannungsraumzeiger, deren Endpunkte am mittleren Sechseck 53 liegen können dabei von jeweils zwei bzw. drei unterschiedlichen Schalttripein erzeugt werden. Spannungsraumzeiger deren Endpunkte am innersten Sechseck 54 liegen können dabei von jeweils fünf unterschiedlichen Schaittnpe ! erzeugt werden. Der Spannungsraumzeiger mit Endpunkt im Ursprung 42 kann dabei von sechs unterschiedlichen Schalttripel erzeugt werden.
Die Möglichkeit unterschiedliche Schalttripel verwenden zu können wird erfindungsgemäss vom Block Schalttripelauswahlglied 9 dazu benützt jeweils das Tripel zu wählen, das nur einen Schaltzustand Z beinhaltet und zusatzlich noch zwei unterschiedliche Schaltzustande aufweist. Damit ist es erfindungsgemäss möglich, einerseits den Stromraumzeiger auf seinen Sollwert zu regeln und gleichzeitig Testspannungsimpulsfolgen zu erzeugen die zur Berechnung der Flusslage geeignet sind.
Bei dieser Anordnung ist es auf relativ einfache Art und Weise möglich, das erfindungsgemässe Verfahren laut Anspruch 1 zu verwirklichen
In Figur 2 ist entsprechend dem Stand der Technik die Lage der, durch die unterschiedlichen Schaltzustände eines Umrichters mit Spannungszwischenkreis festgelegten Raumzeiger der Umnchterausgangsspannung in der komplexen Raumzeigerebene dargestellt Dabei zeigt die waagrechte Koordinatenachse 30 in Richtung positiver reeller Werte der Raumzeigerebene, die senkrecht dazu stehende Koordinatenachse 31 zeigt in Richtung positiver imaginärer Werte und der Ursprung des Koordinatensystems ist durch den Schnittpunkt 32 der Koordinatenaschse 30 mit der Koordinatenaschse 31 festgelegt.
Definitionsgemäss fällt die Strangachse des ersten Stranges der Maschine mit der reellen Koordinatenachse 30 zusammen, wobei die Richtung der Strangachse des ersten Stranges in die Richtung positiver reeller Werte zeigt. Die Strangachse des zweiten Stranges der Maschine liegt gegenüber der Strangachse des ersten Stranges um 1200 in mathematisch positiver Drehrichtung um den Ursprung 32 verdreht in der Raumzeigerebene und zeigt in Richtung des Spannungsraumzeigers 35.
Die Strangachse des dritten Stranges der Maschine liegt gegenüber der Strangachse des ersten Stranges um 2400 in mathematisch positiver Drehrichtung um den Ursprung 32 verdreht in der Raumzeigerebene und zeigt in Richtung des Spannungsraumzeigers 37 Durch unterschiedliche Schaltzustände der Leistungsschalter des Umrichters lassen sich insgesamt sieben unterschiedliche Spannungsraumzeiger erzeugen die mit den Bezugszeichen 33,34, 35,36, 37,38 und 32 gekennzeichnet sind. Der Spannungsraumzeiger 32 mit der Lange null fallt mit dem Ursprung 32 des Koordinatensystems zusammen und tritt dann auf, wenn die Schalter aller drei Phasen des Umrichters 2 den gleichen Schaltzustand aufweisen.
Diese Schalterkombinationen werden im Folgenden mit Z bezeichnet und nicht weiter unterschieden Der in die positive Richtung des ersten Stranges orientierte Spannungsraumzeiger 33 tritt auf, wenn der erste Strang der Maschine an positive Zwischenkreisspannung geschaltet ist und die beiden anderen Stränge an negative Zwischenkreisspannung geschaltet sind. Diese Schalterkombination wird im folgenden mit +1 bezeichnet. Der in die negative Richtung des ersten Stranges orientierte Spannungsraumzeiger 36 tritt auf, wenn der erste Strang der Maschine an negative Zwischen-
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kreisspannung geschaltet Ist und die beiden anderen Stränge an positive Zwischenkreisspannung geschaltet sind. Diese Schalterkombination wird im Folgenden mit -1 bezeichnet.
Der in die positive Richtung des zweiten Stranges orientierte Spannungsraumzeiger 35 tritt auf, wenn der zweite Strang der Maschine an positive Zwischenkreisspannung geschaltet ist und die beiden anderen Stränge an negative Zwischenkreisspannung geschaltet sind. Diese Schalterkombination wird im Folgenden mit +2 bezeichnet. Der in die negative Richtung des zweiten Stranges orientierte Spannungsraumzeiger 38 tritt auf, wenn der zweite Strang der Maschine an negative Zwischenkreisspannung geschaltet ist und die beiden anderen Stränge an positive Zwischenkreisspannung geschaltet sind Diese Schaiterkombinaüon wird im folgenden mit-2 bezeichnet.
Der in die positive Richtung des dritten Stranges orientierte Spannungsraumzeiger 37 tritt auf, wenn der dritte Strang der Maschine an positive Zwischenkreisspannung geschaltet ist und die beiden anderen Stränge an negative Zwischenkreisspannung geschaltet sind. Diese Schalterkombination wird im folgenden mit +3 bezeichnet. Der in die negative Richtung des dritten Stranges orientierte Spannungsraumzeiger 34 tritt auf, wenn der dritte Strang der Maschine an negative Zwischenkreisspannung geschaltet ist und die beiden anderen Stränge an positive Zwischenkreisspannung geschaltet sind.
Diese Schalterkombination wird im folgenden mit-3 bezeichnet.
In Figur 3 ist ein Ausschnitt der mit Hilfe eines prädiktiven Stromreglers konstanter Abtastzeit und drei gleichen Schaltintervallen pro Stromreglerabtastzeit erzeugten Spannungsraumzeiger erläutert. Weiters ist erläutert, wie einige Spannungsraumzeiger durch unterschiedliche Schaltfolgen darstellbar sind und wie dieser Freiheitsgrad zur erfindungsgemässen Erzeugung von Testimpulsen verwendet werden kann.
Die Vorgänge sind anhand eines 600-Sektors der Raumzeigerebene erläutert. Die Vorgangsweise in den restlichen Sektoren folgt zyklisch aus dem erlauterten Sektor durch entsprechende Vertauschung der einzelnen Phasenschaltzustände.
Die waagrechte Koordinatenachse 40 entspricht der reellen Achse und die senkrechte Koordinatenachse 41 entspricht der imaginären Achse der Raumzeigerebene. Der Ursprung des Koordinatensystems liegt im Schnittpunkt 42 der reellen Achse 40 mit der imaginären Achse 41. Die Richtung der ersten Strangachse der Maschine fällt, wie in Figur 2 erläutert mit der reellen Achse 40 zusammen.
Der Spannungsraumzeiger 56 zeigt in Richtung der negativen Achse des dritten Stranges der Maschine Für das Beispiel eines Stromreglers dessen Abtastzeit in drei gleich lange Zeitintervalle unterteilt wird ergibt sich über eine Abtastzeit des Stromreglers gemittelt der Spannungsraumzeiger 57 mit dem Endpunkt 43 unter anderem dann, wenn während eines der drei gleich langen Zeltintervalle der Schaltzustand +1 vom Umrichter ausgegeben wird und wenn während der beiden anderen Zeitintervalle der Schaltzustand Z ausgegeben wird.
Als Schalttripel geschrieben lautet die Schaltfolge damit +1ZZ. Der Spannungsraumzeiger 57 wird über eine Stromreglerabtastzeit gemittelt aber auch durch die Schalttripel-2-3Z, +1-1+1, +1-2+2 und +1-3+3 gebildet
Dementsprechend ergibt sich ein über eine Abtastzeit gemittelter Spannungsraumzeiger mit dem Endpunkt 44 unter anderem dann, wenn während zweier der drei gleich langen Zeitintervalle der Schaltzustand +1 vom Umrichter ausgegeben wird und wenn während des verbleibenden Zeitintervalls der Schaltzustand Z ausgegeben wird, also mit dem Schalttripel +1+1Z. Dieser Spannungsraumzeiger mit dem Endpunkt 44 ergibt sich aber auch mit dem Schalttripel +1-2-3.
Der über eine Abtastzelt gemittelte Spannungsraumzeiger mit dem Endpunkt 45 ergibt sich nur mit dem Schalttripel +1+1+1.
Der uber eine Abtastzelt gemittelte Spannungsraumzeiger mit dem Endpunkt 50 ergibt sich dann, wenn eines der Schalttripel +1+1+2 oder +1-3Z oder -3-3-2 geschaltet wird.
Der über eine Abtastzeit gemittelte Spannungsraumzeiger 55 mit dem Endpunkt 46 ergibt sich nur dann, wenn das Schalttripel +1 +1-3 geschaltet wird
Der über eine Abtastzeit gemittelte Spannungsraumzeiger mit dem Endpunkt 47 ergibt sich nur dann, wenn das Schalttripel -3-3+1 geschaltet wird.
Der über eine Abtastzeit gemittelte Spannungsraumzeiger mit dem Endpunkt 48 ergibt sich nur dann, wenn das Schalttripel -3-3-3 geschaltet wird.
Der über eine Abtastzeit gemittelte Spannungsraumzeiger mit dem Endpunkt 49 ergibt sich dann, wenn eines der beiden Schalttripel -3-3Z oder -3+1 +2 geschaltet wird.
Der über eine Abtastzeit gemittelte Spannungsraumzeiger mit dem Endpunkt 51 ergibt sich
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dann, wenn eines der Schalttripel-3ZZ oder +1+2Z oder-3-3+3 oder-3+1-1 oder-3+2-2 geschaltet wird.
Der über eine Abtastzeit gemittelte Spannungsraumzeiger mit dem Endpunkt 42 ergibt sich dann, wenn eines der Schalttripel ZZZ oder +1-1Z oder +2-2Z oder +3-3Z oder +1+2+3 oder - 1-2-3 geschaltet wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur statorstromoberschwingungsarmen Festlegung von Spannungstestimpuls- folgen an umrichtergespeisten Drehfeldmaschinen zwecks Ermittlung der Flusslage ohne mechanischen Sensor Im Bereich des Flussstillstandes und kleiner Statorgrundfrequenzen, dadurch gekennzeichnet, dass der von Phasenstrominformationen in einem Raumzeiger- bildungsglied (6) gebildete Istwert des Statorstromraumzeigers und der von einem Rege- lungsglied (11) vorgegebene Sollwert des Statorstromraumzeigers einem Summierglied (7) zugeführt sind, wobei das Regelungsglied (11) von einem Sollwertvorgabeglied (12) einem
Sollwert, beispielsweise einen Drehmomentsollwert, erhält, dass von einem Flusswinkelbe- rechnungsglied (10) der aktuelle Wert des Flussraumzeigers berechnet und an das Rege- lungsglied (11)
weitergeleitet wird, dass das die Abweichung des Istwertes des Statorstrom- raumzeigers vom Sollwert des Statorstromraumzeigers darstellende Ausgangssignal des
Summiergliedes (7) mit dem Eingang eines Maschinenmodellgliedes (8) verbunden ist, in welchem der Sollspannungsraumzeiger berechnet wird, der nötig ist um den Istwert des
Stromraumzeigers während einer Abtastperiode des Regelkreises an den vorgegebenen
Sollwert heranzuführen, und dass der Ausgang dieses Maschinenmodellgliedes (8) an ei- nem Schalttripelauswahlglied (9) angeschlossen ist, welches mit dem Ftusswmketberech- nungsglied (10) verbunden ist, und dass im Schaltsequenzauswahlglied (9) jene Schaltzu- standssequenz ausgewählt wird, die im Mittel über eine Abtastperiode den,
dem Sollspan- nungsraumzeiger am nächsten liegenden Spannungsraumzeiger bildet und dass die
Schaltszustandssequenz durch drei Schaltzustände gebildet wird, wobei die Abtastperiode zu gleichen Teilen in Einschaltdauer der jeweiligen Schaltzustände einer Sequenz aufge- teilt wird und dass, falls mehrere Schaltzustandssequenzen für die mittlere Spannungsbil- dung zur Auswahl stehen jene Schaltzustandssequenz gewählt wird, die drei unterschied- liche, zur Flusswinkelberechnung geeignete Spannungsraumzeiger in der Maschine ein- prägt.