DE10036099A1 - Verfahren zur Regelung einer elektrischen Maschine mit Pulswechselrichter - Google Patents
Verfahren zur Regelung einer elektrischen Maschine mit PulswechselrichterInfo
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung einer elektrischen Maschine (1) mit einer Erregerwicklung (2) sowie einer Ständerwicklung (3). Der Ständerwicklung (3) ist an den Ausgangsklammern (10) eine Umrichterbrücke (5) nachgeordnet. Die elektrische Maschine (1) ist in den Regelbereichen feldorientierte Regelung (11), Feldschwächbetrieb (12) sowie im Diodenbetrieb (13) betreibbar. Der Übergang von einem der Regelbereiche (11, 12, 13) zu einem jeweils benachbarten der Regelbereiche (11, 12, 13) erfolgt durch eine Übersteuerung der Pulsweitenmodulation (26) und durch eine Begrenzung der Ausgänge von Stromreglern (34, 35) der Ständerwicklung (3) der elektrischen Maschine (1).
Description
Bei Generatoren, die bei Kraftfahrzeuganwendungen zum Einsatz gelangen, sind die
Anforderungen an die Dynamik des Drehmomentes nicht sonderlich hoch. Das
Drehmoment darf bei solchen, im Kraftfahrzeug einzusetzenden Generatoren nicht zu
rasch anwachsen, da sonst ein leistungsstarker Generator im Extremfall den
Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeuges abwürgen könnte. Werden Generatoren als
Klauenpolgeneratoren konstruiert und eingesetzt, werden diese mit einer Diodenbrücke
betrieben. Zur Leistungssteigerung gibt es jedoch Ansätze, diese Maschinen auch an einen
Pulswechselrichter zu betreiben. Neben der Forderung eines optimalen Wirkungsgrades für
alle Betriebspunkte des Generators, stellt sich hierbei die Frage nach einer geeigneten
Regelung des Generators über den gesamten Drehzahl- und Leistungsbereich.
Bei heutigen Anwendungsfällen von Klauenpolgeneratoren werden diese weitestgehend
mit nachgeschalteter B6-Gleichrichterbrücke betrieben. In diesem Falle bieten elektrische
Maschinen wie beispielsweise ein Klauenpolgenerator Vorteile, so unter anderem eine
kostengünstige Herstellbarkeit. Die Vorteile des Klauenpolgeneratorprinzips sollen
möglichst beibehalten werden, wenn zur Leistungssteigerung der verwendeten
Klauenpolgeneratoren diese Bauart von Generatoren mit Puls-Weiten-Modulation-
Umrichtern betrieben wird. Dadurch lassen sich die Klauenpolgeneratoren auch im
elektrisch motorischen Sinne betreiben. Das eröffnet dieser Generatorbauart interessante
Einsatzperspektiven für den Startvorgang eines Kraftfahrzeuges, die
Getriebesynchronisationen sowie weiterer Kfz-spezifischer Anwendungsfälle.
Neben einem Generatorbetrieb einer Klauenpolmaschine läßt sich diese auch im
Motorbetrieb betreiben, wobei der Umrichter von diesem Wechsel des Betriebsmodus
unberührt bleibt. Mittels des Reglers besteht eine Eingriffsmöglichkeit auf die elektrische
Maschine, nämlich auf den Erregerstrom und den Ständerstrom. Damit läßt sich nicht nur
eine Feldschwächung, sondern auch eine Gegendurchflutung im Ständer der elektrischen
Maschine in Längsrichtung gesehen realisieren. Ferner kann durch Reduzierung des
Erregerstroms des Polrades ein echter Feldschwächbetrieb eingerichtet werden. Bei der
Klauenpolmaschine besteht eine ausgeprägte magnetische Einachsigkeit, die stark vom
eingestellten Betriebspunkt abhängig ist und daher die Regelbarkeit einer solchen
elektrischen Maschine beeinflußt.
Aus EP 0 762 596 A1 ist eine KfZ-Generator-Regelung bekannt, die einen Gleichstrom
bereitstellt, welche an einem Gleichstromausgang abgegriffen werden kann. Eine
Dreiphasen-Ständerwicklung hat drei Ausgangsklemmen; ein Rotor ist mit den
Ständerwicklungen magnetisch gekoppelt, in welchem eine elektromotorische Kraft
erzeugt wird. Zwischen dem Gleichstromausgang und den drei Ausgangsklemmen der
Ständerwicklung ist eine Gleichrichterbrücke geschaltet, die mittels eines Controllers
gesteuert wird, um den Phasenversatz zwischen der elektromotorischen Kraft in der
Ständerwicklung und den Strangspannungen der Ausgangsklemmen der Ständerwicklung
zu steuern.
Anstelle von Dioden in Gleichrichterbrücken werden ansteuerbare Schaltelemente
eingesetzt, die über eine separate Ansteuervorrichtung ansteuerbar sind.
Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Regelverfahren für eine elektrische Maschine,
läßt sich durch eine gezielte Übersteuerung der Pulsweitenmodulation ein sicherer
Übergang vom sinusförmigen Regelbetrieb in den Blockbetrieb und weiter in einen
zweiten Regelbereich erzielt werden. Da die Regelstrategie für die an der
Klauenpolmaschine sich einstellende Regelbereiche drei verschiedenen Regelbereichen
und deren Anforderungen gerecht werden muß, müssen die Grenzen der aneinander
angrenzenden Regelbereiche erkannt werden, so daß ein Umschalten von einer
Regelstrategie auf die andere ohne größere Probleme durchgeführt werden kann. Mit ein-
und derselben Regelstruktur, PI-Bausteine enthaltend, kann vom Regelbereich einer
feldorientierten Regelung zum Regelbereich, in dem nach Feldschwächung geregelt wird,
übergangen werden, ohne einen anderen Regler einsetzen zu müssen. Der Wechsel der
Regelbereiche erfolgt ruckfrei und damit unmerklich für den außenstehenden Beobachter.
Im Gegensatz zu bisherigen Regelverfahren, die weitestgehend auch mit sinusförmig
verlaufenden Spannungen und Strömen arbeiten, wird im erfindungsgemäßen
Regelverfahren auf Blockspannungen übergegangen, die eine bessere
Spannungsausnutzung ermöglichen.
Neben einem Grunddrehzahlbereich läßt sich automatisch ein Feldschwächbetrieb
realisieren, da sich der Längsstrom in der elektrischen Maschine aufgrund der
Maschineneigenschaften automatisch einstellt. Bei bisherigen Regelverfahren von
Generatoren, die in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, wird auf tabellarisch niedergelegte
Zusammenhänge von Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine, Netzspannung und der
gewünschten Ausgangsleistung zurückgegriffen, die mit den Sollströmen des
einzusetzenden Generators korreliert sind. Dabei wird eine Stromregelung über den
gesamten Regelbereich des Generators vorausgesetzt, was jedoch bei Betrieb der
elektrischen Maschine mit einem Umrichter nur mit Spannungsreserve möglich ist. Da der
Umrichter durch die Umrichterdeckenspannung begrenzt ist, muß zu dieser Spannung eine
Reserve eingehalten werden, wodurch sich die Leistungsabgabe reduziert. Diese
Begrenzung kann durch den Einsatz des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens
überwunden werden.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend detailliert erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 eine elektrische Maschine mit nachgeordneter Umrichterbrücke,
Fig. 2 drei Regelbereiche einer elektrischen Maschine, den feldorientierten
Regelbereich, den Feldschwäch-Regelbereich sowie den Diodenbetrieb-
Regelbereich,
Fig. 3 die Regelstruktur für eine im feldorientierten Regelbereich liegende
Regelung einer elektrischen Maschine,
Fig. 4 eine Steuerregler-Konfiguration für ein d, q-System,
Fig. 5 eine vereinfachte Darstellung eines Entkopplungnetzwerkes als Teil eines d,
q-Systems,
Fig. 6 eine Stromregler-Konfiguration für die Regelbereiche der feldorientierten
Regelung und des Feldschwächungsbetriebes mit Ausgangswertbegrenzung
und Vorsteuerungsabzweig.
Aus Fig. 1 geht eine elektrische Maschine mit nachgeordneter Umrichterbrücke, die
vorzugsweise als B6-Gleichrichterbrücke geschaltet sein kann, hervor.
Die elektrische Maschine 1 - hier nur schematisch durch eine Erregerwicklung 2 und eine
Ständerwicklung 3 dargestellt - ist über Strang-Anschlußklemmen 10 mit einer
Gleichrichterbrücke 5 verbunden. Der in der Erregerwicklung fließende Strom iF ist mit
Bezugszeichen 4 indentifiziert. Die Gleichrichterbrücke 5 muß bei Regelung der
elektrischen Maschine 1 im Diodenbetrieb 13 (entspricht Regelbereich III) nicht gesteuert
werden. Die Leistungsabgabe wird im Regelbereich 13 durch den Erregerstrom geregelt.
Eine Regelung in diesem Regelbereich über die Ständerströme erfolgt erst dann wieder,
wenn die geforderte elektrische Leistung im Regelbereich 13, dem Regelbereichdioden
betrieb, nicht mehr erreicht werden kann. Der Regelbereich 13 wird dann verlassen.
Parallel zur Netzspannung unetz, gekennzeichnet durch Bezugszeichen 7, ist eine Kapazität
6 geschaltet, sowie eine veränderliche Last 8, angedeutet durch einen verstellbaren
ohmschen Widerstand 9.
Aus der Darstellung gemäß Fig. 2 geht die Lage der Regelbereiche feldorientierte
Regelung, Feldschwächbetrieb sowie Diodenbetrieb hervor.
In der Darstellung gemäß Fig. 2 ist der Regelbereich I für die feldorientierte Regelung
begrenzt durch die Leistungsgrenze 16 der elektrischen Maschine 1 sowie durch deren
Spannungsgrenze 17. In diesem Bereich besteht ein linearer Zusammenhang von Drehzahl
14 zu abgegebener elektrischer Leistung 15 im Generatorbetrieb der elektrischen Maschine
1.
Der Feldschwächbereich II, identifiziert durch Bezugszeichen 12, ist nach unten vom
Verlauf des Leistungsfaktors cosϕ = 1 (bzw. = -1), nach oben hingegen durch die
Leistungsgrenze 16 sowie durch die Spannungsgrenze 17 begrenzt.
Der Diodenbetrieb III, Bezugszeichen 13, findet seine Begrenzung im Verlauf 18 des
Leistungsfaktors cosϕ = 1 (bzw. = -1), der sich asymptotisch an den Verlauf 16 der
Leistungsgrenze der elektrischen Maschine 1 annähert.
Der Regelbereich I, Bezugszeichen 11 entspricht einer feldorientierten Regelung. In
diesem Bereich erreicht die Klemmenspannung der elektrischen Maschine 1 noch nicht die
Deckenspannung (die maximal mögliche Ausgangsspannung maschinenseitig) der
Umrichterbrücke 5. Der maximale Wirkungsgrad der elektrischen Maschine 1 wird
erreicht, wenn im Ständer 3 bei konstanter Leistungsabgabe der minimale Strom fließt.
Wird die magnetische Einachsigkeit, die einer Klauenpolmaschine eigen ist, zunächst
vernachlässigt, ist dies erreicht, wenn im Ständer 3 ein reiner Querstrom iq fließt und der
Längsstrom id zu 0 wird. Im Regelbereich I (Bezugszeichen 11) ist die Umrichterbrücke 5
noch nicht an ihrer Spannungsgrenze angelangt und kann den gewünschten Ständerstrom
einstellen. Der Erregerstrom iF wird auf seinen maximalen Wert eingestellt, wodurch
erreicht wird, daß für die geforderte elektrische Leistung ein Minimum an Ständerstrom
erforderlich wird. Die Verluste in der Ständerwicklung 3 überschreiten bei weitem die
Erregerverluste, daher ist es günstig, den Erregerstrom iF auf den Maximalwert zu steigern
und den Ständerstrom zu minimieren, um den Wirkungsgrad zu optimieren. Das maximale
Moment ist durch den maximalen Ständerstrom beschränkt, die Leistung nimmt linear mit
der Drehzahl 14 zu.
Der mit II gekennzeichnete Regelbereich entspricht dem Feldschwächbereich 12. Der
Bereich II wird erreicht, wenn die Maschinenspannung der elektrischen Maschine 1, die
Deckenspannung d. h. den Maximalspannungswert des Umrichters 5 erreicht hat. Der
Umrichter 5 kann die Spannung an den Klemmen 10 nicht mehr weiter steigern. Durch
einen Längsstrom id in der elektrischen Maschine 1 wird ein Feldschwächbereich realisiert.
Der Erregerstrom iF bleibt aber auf seinem maximalen Wert, um einen minimalen
Ständerstrom zu erreichen, was günstige Auswirkungen auf den mit der elektrischen
Maschine 1 erzielbaren Wirkungsgrad hat. Durch die Leistungsgleichung
wird deutlich, daß die Leistung nicht durch den Ständerlängsstrom id beeinflußt wird,
sondern durch den Ständerquerstrom iq. Jedoch muß mit wachsender Drehzahl 14 der
Querstrom iq der elektrischen Maschine reduziert werden, da der Ständer zusätzlich einen
Längsstrom id führen muß.
Der Querstrom iq der elektrischen Maschine ist wegen des Generatorbetriebes negativ. Der
Längsstrom id ist ebenfalls negativ, um eine Feldschwächung zu erreichen.
Der dritte Regelbereich, gekennzeichnet mit dem Bezugszeichen 13, entspricht dem
Diodenbetrieb der Umrichterbrücke 5.
Wenn der Längsstrom id in der elektrischen Maschine 1 ein Wert erreicht, bei dem der
Leistungsfaktor cosϕ der elektrischen Maschine 1 den Wert -1 erreicht hat, ist eine
Änderung der Regelstruktur angezeigt. Der Regelbereich 2 des Feldschwächbetriebes
könnte durchaus weiter zu höheren Drehzahl hin fortgesetzt werden, jedoch wird ein
besserer Wirkungsgrad an der elektrischen Maschine 1 dann erzielt, wenn der Erregerstrom
4 der elektrischen Maschine 1 reduziert wird. Bei der Randbedingung einer konstanten
Klemmenspannung 10 erreicht der Wirkungsgrad ein Maximum, wenn der Leistungsfaktor
cosϕ den Wert 1 (-1) (Generatorbetrieb) erreicht. Strom und Spannung sind dann in Phase
und für den Fall konstanter Netzspannung uNetz (Dachspannung der Umrichterbrücke 5) ist
der Strangstrom dann am geringsten und somit die Verlustleistung auch am geringsten. Der
Diodenbetrieb entspricht dem heutigen Betrieb eines Generators mit B6-Diodenbrücke.
Die Regelung der Abgabeleistung erfolgt über den Erregerstrom iF, Bezugszeichen 4, an
der Erregerwicklung 2. Die Randbedingung maximaler Klemmenspannung 10 bei cosϕ =
-1 wird durch die Gleichrichterbrücke bereits erfüllt. Im Regelbereich III (Diodenbetrieb)
ist die Ventilansteuerung deaktiviert. Die Brückenventile der Umrichterbrücke 5 schalten
nicht, die Umrichterbrücke wird durch die Paralleldioden zum einfachen
Diodengleichrichter. Der Regler läuft weiter mit, ohne jedoch in die Umrichterbrücke 5
einzugreifen, erst wenn die Bedingung für den Regelbereich III unterschritten wird,
schalten die Brückenventile. Die Regelung der Ständerströme über die Steuerung der
Klemmenspannung 10 wird in diesem Regelbereich sinnvollerweise ausgeschaltet. Die
weitere Regelung der elektrischen Maschine erfolgt über den Erregerstrom iF,
Bezugszeichen 4. Die Regelung der Ständerströme R, S, T ist erst dann wieder
zuzuschalten, wenn die geforderte elektrische Leistung 15 im Regelbereich 3,
Bezugszeichen 13 nicht mehr erreicht werden kann.
Bei Diodenbetrieb können die Diodendurchlaßverluste dadurch reduziert werden, daß
während der Durchlaßzeit der Dioden parallel der Feldeffekttransistor durchgeschaltet
wird. Die Durchlaßverluste eines Feldeffekttransistors sind wesentlich geringer im
Vergleich mit den Diodendurchlaßverlusten, die an der Umrichterbrücke 5 gemäß Fig. 1
erzeugt werden. Somit kann die entstehende Verlustleistung der elektrischen Maschine 1
im Generatorbetrieb reduziert werden, was zu Vorteilen bei der Maschinenkühlung führt.
Das Zu- bzw. Abschalten der Ventile der Umrichterbrücke 5 kann entweder direkt in
Abhängigkeit von dem gemessenen Strom gesteuert werden oder aber, indem die Längs-
und Querspannung Ud bzw. Uq entsprechend in gemessenen Längs- und Querströmen, d. h.
Id bzw. Iq vorgegeben wird.
In Fig. 3 ist die Regelstruktur für eine im feldorientierten Regelbereich I liegende
Regelung der elektrischen Maschine 1 angegeben.
Im Regelbereich 11 der feldorientierten Regelung der elektrischen Maschine 1 wird der
Erregerstrom 4 auf seinen Maximalwert eingestellt. Bei kalter Erregerwicklung 2 kann der
Erregerstrom erhöht werden und die elektrische Maschine in ihrer Leistung erheblich
gesteigert werden. Aus einer am übergeordneten Spannungsregler 23 ermittelten
Spannungsabweichung ΔU = Usoll - Uist wird über einen Netzfaktor eine geforderte
Netzleistung ermittelt die sich gemäß Psoll = K.ΔU ergibt. Aus dieser Solleistung und der
gemessenen Maschinendrehzahl 14 - ermittelt über einen Lagegeber 20 - kann der für
diese Leistung notwendige Strom in der Querachse abgeleitet werden gemäß
Für den Generatorbetrieb sind Psoll und Iq,soll negativ zu wählen. Der Summenstrom I1 ist
auf einen Maximalwert zu beschränken um die elektrische Maschine 1 nicht zu überlasten.
Der Strom wird gemessen und kann in einem übergeordneten Spannungsregler 23 begrenzt
werden, indem die elektrische Leistung 15 zurückgenommen wird.
An der elektrischen Maschine 1 können die Ist-Werte des Längsstromes Id und des
Querstromes Iq nicht direkt gemessen werden. Die gemessenen momentanen Werte der
Klemmengrößen 10 werden zunächst durch eine Transformation 21 in das d, q-System
übertragen. Da nur zwei der drei Strangströmen gemessen werden, kann mit der Bedingung
iR + iS + iT = 0
die Transformation in folgender Form geschrieben werden:
Die Ausgangsgrößen der Transformationsstufe 21 Id,ist, bzw. Iq,ist werden an einen
Stromregler 22 übertragen. Der Stromregler 22 kann aufgeteilt sein in eine Regelung für
den Querstrom 34 bzw. eine Regelung für den Längsstrom 35. Die beiden Regelbausteine
29.1, 29.2 können einfache PI-Regler mit einer Vorsteuerung 31 sein. Den
Reglerausgängen wird an einem Summationspunkt 30 jeweils die Vorsteuerung mit einem
Verstärkungsfaktor 1 überlagert:
I' d = Idsoll + id Regler
I' q = Iqsoll + iq Regler.
Diese Ausgangsgrößen des unterlagerten Stromreglers 22 werden auf ein
Entkopplungsnetzwerk 24 gegeben, welches mit dem Stromregler in Reihe geschaltet ist.
Dies erlaubt nicht nur eine Vorsteuerung, sondern insbesondere auch eine Aufhebung der
gegenseitigen Kopplung der beiden Regler 34, 35 für den Querstrom bzw. den Längsstrom
über die unterlagerte Spannungssteuerung und die elektrische Maschine 1.
Das Entkopplungsnetzwerk 24 ist als Teil des d, q-Systems in Fig. 5 näher beschrieben.
Aus der Darstellung gemäß Fig. 5 geht hervor, daß die Ausgangsgrößen des Stromreglers
22 als Stromwerte an das Entkopplungsnetzwerk 24 übertragen werden, aus denen die
erforderlichen Spannungswerte für die elektrische Maschine 1 ermittelt werden. Im
Entkopplungsnetzwerk 24 ist ein vereinfachtes Modell der elektrischen Maschine
enthalten, anhand dessen sich die erforderlichen Spannungen Ud,soll bzw. Uq,soll ermitteln
lassen. Eingangsgrößen des Entkopplungsnetzwerkes sind die bereits angesprochenen
Stromwerte des Stromreglers 22 I' d, I' q, die Drehzahl n (Bezugszeichen 14), abgegriffen
am Lagegeber 20, sowie der Erregerstrom IF der Erregerwicklung 2 der elektrischen
Maschine 1.
Das Modell der elektrischen Maschine gemäß Fig. 5 kann vereinfacht werden, für den Fall,
daß der Erregerstrom IF als konstant betrachtet wird und das Modell auf den stationären
Betrieb beschränkt wird.
Bei den hier vorgesehenen Anwendungen als Kraftfahrzeuggenerator werden keine
extremen Anforderungen an die Dynamik der Stromregelung gestellt. Daher ist eine
statische Betrachtung eines Entkopplungsnetzwerkes 24 wie in Fig. 5 dargestellt
hinreichend. Das Modell des Entkopplungsnetzwerkes 24 ist unempfindlich gegen
Modellungenauigkeiten und Parameterfehler. Mittels der Stromregelung 22 lassen sich
Fehler in den Maschinenparametern des Entkopplungsnetzwerkes 24 gemäß Fig. 5
ausgleichen, die Sollwerte der Ströme werden erreicht, da diese sich mit der Stromregelung
22 regeln lassen. Bei starker Abweichung der Maschinenparameter leidet die Qualität der
Stromregelung, die Dynamik verschlechtert sich, daß das Entkopplungsnetzwerk 24 dann
nicht mehr für eine komplette Entkopplung der beiden Regler 34 bzw. 35 in d- und q-
Richtung, bezogen auf die Ständerwicklung 3, sorgt. Die Regler 34 bzw. 35 beeinflussen
sich gegenseitig. Eine spürbare Verschlechterung der Regelergebnisse der Stromregelung
22 stellt sich hingegen erst bei einer groben Abweichung der Parameter ein.
Die Sollwerte für die Spannungen der Maschine gemäß des d, q-Systemes werden an eine
Rücktransformationsstufe 25 übertragen, wo sie auf die Klemmengrößen R, S, T der
elektrischen Maschine 1 rücktransformiert werden. Die Amplitudenwerte des d, q-
Systemes können in einfacher Weise in die drei Sollwerte der Strangspannungen
umgerechnet werden, wenn die Lage des Läufers α verwendet wird, welche über den
Lagegeber 20 einfach zu ermitteln ist.
Die Grenze des feldorientierten Regelbereiches 11 steht im Dachwert der Sollwert Usoll
(die Strangspannung bei Sternschaltung des Ständers) wenn dieser die halbe Netzspannung
UNetz/2 erreicht. In diesem Falle ist der lineare Bereich der Spannungssteuerung
(Pulsweitenmodulation) erreicht. Der lineare Bereich kann um bis zu 15% erhöht werden
auf Usoll = UNetz/√3 durch eine Nullspannungsaufschaltung. Wird die
Pulsweitenmodulation 26 hingegen übersteuert, d. h. der Umrichter 5 wird mit höheren
Sollspannungen angesteuert, lassen sich Grundwellen im Strang der elektrischen Maschine
1 bis zu 27% über den Werten der Sinusspannungen erzielen. Die Pulsweitenmodulation
26 erzeugt in ihrem nichtlinearen Bereich Usoll < ½UNetz durch Übersteuerung einer
Ausgangsspannung mit der Grundwelle bei einer Übersteuerung von 2, eine Ausgangs
grundwelle von 0,609 UNetz, sowie bei einer Übersteuerung von 5 eine
Ausgangsgrundwelle von 0,632 UNetz. Der theoretisch erzielbare Werte ist damit zu 99,3%
erreicht.
Im Regelbereich II bleibt der Erregerstrom 4 der elektrischen Maschine 1 weiterhin auf
seinem Maximalwert, die Umrichterbrücke 5 arbeitet in der Grundfrequenzsteuerung. Die
Schaltfrequenz der Umrichterventile entspricht der Grundwellenfrequenz der elektrischen
Maschine 1. Die Eingriffsmöglichkeit in die Leistungsabgabe besteht in der Variation des
Lastwinkels ϕ.
Die Regelbereiche 11 bzw. 12 gemäß Fig. 2 können durch dieselbe Regelstruktur
abgedeckt werden. Es ist kein Umschalten der Regelung erforderlich. Durch gezielte
Übersteuerung der Pulsweitenmodulation 26 ist der Bereich 12 abgedeckt und gleichzeitig
erfolgt der Übergang zur Grundfrequenzsteuerung durch eine Übersteuerung des
Pulsweitenmodulationsgenerators 26.
Aus der Darstellung gemäß Fig. 6 ist ein Stromregler für die Bereiche 11 und 12 gemäß
der Darstellung der Regelbereiche aus Fig. 2 dargestellt. Wird der Längsstrom Id auf
ungefähr 0 vorgegeben, läßt sich dieser im Regelbereich II (Bezugszeichen 12) in der
Längsachse nicht mehr auf seinem Sollwert eingestellt halten. Die Regeldifferenz im
Regler des Längsstroms Id wird positiv, so daß der Reglerausgang auf einen Maximalwert
zu beschränken ist
Id,soll = 0 Id,ist < 0 und I'd = I'd,max < 0.
Iq,soll wird ebenfalls nach der obigen Näherung (Gl. 1) vorgegeben. Der Stromregler 34 für
den Querstrom Iq gemäß Fig. 6 ist auf einen entsprechend höheren Wert zu beschränken.
Der Regler 34 beginnt zu übersteuern und stellt den Querstrom wieder richtig ein. Durch
diese Regelung wird der Querstrom korrekt eingestellt, der Längsstrom Id stellt sich frei
ein. Er nimmt die für den jeweiligen Betriebspunkt der elektrischen Maschine
erforderlichen Wert für den Längsstrom automatisch an.
Das Entkopplungsnetzwerk 24 rechnet die Stromwerte der Regler 34, 35 in die
entsprechenden Sollspannungen für die elektrische Maschine um. Dabei wird wieder das
Entkopplungsnetzwerk gemäß Fig. 5 für den stationären Betrieb zugrunde gelegt. Die
Stromregelung mit den Stromreglern 34 bzw. 35 für Querstrom und Längsstrom führt zu
einer Spannungsverschiebung in Richtung auf die Längsspannung Ud. Die Verschiebung
der Spannungswerte in Richtung auf Ud ist erwünscht, da hierdurch Uq die Spannung in
Querrichtung reduziert wird und somit Id der Längsstrom weiter in den negativen
Wertbereich verschoben werden kann. Dies bedeutet eine sich einstellende
Feldschwächung durch den Ständerstrom. Der Übersteuerungswert ist so zu wählen, daß
der gesamte Regelbereich II (Regelbereichfeldschwächung mit Bezugszeichen 12)
abgedeckt werden kann.
Im Regelbereich III, Bezugszeichen 13 gemäß Fig. 2 wird die Ventilansteuerung an der
Umrichterbrücke 5 deaktiviert. Die Brückenventile schalten nicht mehr, die
Umrichterbrücke 5 wird in diesem Regelbereich Diodenbetrieb durch die Paralleldioden
zum einfachen Diodengleichrichter. Der Regler läuft weiter mit, ohne jedoch in die
Umrichterbrücke 5 regelnd einzugreifen. Die Regelung der Ständerströme über die
Steuerung der Klemmenspannung 10 wird in diesem Regelbereich 13 sinnvollerweise
ausgeschaltet. Die weitere Regelung erfolgt über den Erregerstrom 4 an der
Erregerwicklung 2 der elektrischen Maschine 1. Die Regelung der Ständerströme R, S, T
ist erst dann wieder zuzuschalten, wenn die geforderte Leistung im Regelbereich 13 nicht
mehr erreicht werden kann.
Selbstverständlich kann nach diesem Verfahren, ohne jedoch den Regelbereich III 13, auch
eine permanenterregte Maschine geregelt werden. Der Bereich des Regelbereiches III kann
hierbei voll durch einen Feldschwächbereich (Regelbereich II) abgedeckt werden. IF ist
dann als eine Konstante anzusehen. Das Regelverfahren ist sowohl für generatorischen, als
auch für motorischen Betrieb möglich.
1
Elektrische Maschine
2
Erregerwicklung
3
Ständerwicklung
4
Erregerstrom IF
5
Umrichterbrücke
6
Kapazität
7
Klemmenspannung
8
Last
9
verstellbarer Widerstand
10
Phasenstrang
11
1. Regelbereich (feldorientierte Regelung)
12
2. Regelbereich (Feldschwächbereich)
13
3. Regelbereich (Diodenbetrieb)
14
Drehzahl
15
Leistung
16
Leistungsgrenze
17
Spannungsgrenze
18
Leistungsfaktor cosϕ
19
Netzanschlüsse
20
Lagegeber n, α
21
Strommeßeinrichtung
22
Stromregler
23
Spannungsregler
24
Entkopplungsnetzwerk
25
Transformations R, S, T
26
PWM-Generator
27
Steuersignale
28
Schaltelement
29.1
PI-Baustein
29.2
PI-Baustein
30
Summationspunkt
31
Vorsteuerungsabzweig
32
Drehzahlsignal
33
Erregerstrom
34
Querstromregler
35
Längsstromregler
36
Längsinduktivität
37
Querinduktivität
38
weitere Induktivität
39
PI Baustein mit Begrenzung
40
Vorsteuerung
Claims (12)
1. Verfahren zur Regelung einer elektrischen Maschine (1), eine Erregerwicklung (2)
sowie eine Ständerwicklung (3) umfassend, wobei der Ständerwicklung (3) an deren
Ausgangsklemmen (10) eine Umrichterbrücke (5) nachgeordnet ist, und die elektrische
Maschine (1) in den Regelbereichen feldorientierte Regelung (11), Feldschwächbetrieb
(12) und Diodenbetrieb (13) betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang
vom Regelbereich (11) zu einem benachbarten Regelbereich (12) durch eine
Übersteuerung der Pulsweitenmodulation (26) und eine Begrenzung der Ausgänge von
Stromreglern (34, 35) der Ständerwicklungen (3) der elektrischen Maschine (1) sowohl
im Generator - als auch im Motorbetrieb - erfolgt.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an den
Ausgangsklemmen (10) der elektrischen Maschine (1) gemessenen Stromwerten von
RST-System (1) mittels einer Transformationsstufe (21) in ein d, q-System (22, 24, 25)
übertragen werden.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzung der
Ausgänge der Stromregler (34, 35) im Entkopplungsnetzwerk erfolgt, die auf die
Induktivitäten (36, 37) der Ständerwicklung (3) wirken.
4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromregelung der
elektrischen Maschine (1) in eine Querstromregelung (34) und eine
Längsstromregelung (35) der Ständerwicklung (3) mit PI-Bausteinen (29.1, 29.2; 39)
aufgeteilt wird.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die PI-Bausteine der
Stromregler (34, 35) einen auf einen ausgangsseitig vorgesehenen Summationspunkt
(30) aufgeschaltete Vorsteuerung (31, 40) umfassen.
6. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromregler (34, 35)
mit ihren Ausgängen auf die Eingänge eines Entkopplungsnetzwerkes (24)
aufgeschaltet sind und eine Vorsteuerung der elektrischen Maschine (1) zulassen.
7. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromregler (34, 35)
und das Entkopplungsnetzwerk (24) in Reihe geschaltet sind.
8. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsgrößen
Ud,soll, Uq,soll des im d, q-System enthaltenen Entkopplungsnetzwerkes (24) mittels einer
Rücktransformationsmatrix (25) auf die Klemmenwerte (10) des RST-Systems (1)
rücktransformiert werden.
9. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangswerte für den
Querstrom iq,soll am Stromregler (34) beschränkt werden und sich der Längsstrom id an
der Ständerwicklung (3) frei einstellen kann.
10. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Betrieb der
elektrischen Maschine (1) im Diodenbetrieb (13) die Umrichterbrücke (5) als
Diodengleichrichter betrieben wird.
11. Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Diodenbetrieb ab
cosϕ = -1 die Ventile gesperrt werden.
12. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während der Durchlaßzeit
der Diodenfeldeffekt Transistoren durchgeschaltet werden und die Verlustleistung der
elektrischen Maschine reduzieren.
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