DE10153332A1 - Verfahren zur Steuerung einer Klauenpol-Synchronmaschine - Google Patents
Verfahren zur Steuerung einer Klauenpol-SynchronmaschineInfo
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Abstract
Ein Verfahren zur Steuerung einer Klauenpol-Synchronmaschine mit verbesserter Steuerbarkeit, ohne zusätzliche Kosten zu verursachen. Der Betrieb der Klauenpol-Synchronmaschine wird über eine Vektorsteuerung einer Ankerspannung und eines Ankerstroms durchgeführt, die aus einer Wechselrichter-Energiequelle zugeführt werden, in Kombination mit einer Feldstromsteuerung. Wenn die Klauenpol-Synchronmaschine als Generator betrieben wird, wird der Feldstrom auf der Grundlage einer verlangten Ausgangsleistung und Rotationsgeschwindigkeit der Klauenpol-Synchronmaschine gesteuert, während eine Feldschwächungssteuerung mit dem Ankerstrom (id) durchgeführt wird durch Steuerung des Betrags und eines Phasendifferenzwinkels (PHI) des Ankerstroms (id).
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein
Steuerverfahren für eine Klauenpol-Synchronmaschine, welche
entworfen ist um als Dreiphasen-Generator oder Dreiphasen-
Elektromotor zu arbeiten. Insbesondere beschäftigt sich die
vorliegende Erfindung mit einem Steuerverfahren für eine
Klauenpol-Synchronmaschine, welches eine verbesserte
Steuerbarkeit des Betriebs der Klauenpol-Synchronmaschine
sicherstellen kann, ohne eine nennenswerte Zunahme der Größe
und der Kosten, die mit der Implementierung einhergehen.
Im allgemeinen ist ein Verbrennungsmotor für ein
Kraftfahrzeug oder dergleichen mit einer Dreiphasen-
Synchronmaschine ausgerüstet, welche als Generator oder als
Motor arbeitet. Um eine solche Dreiphasen-Synchronmaschine
unter Verwendung einer Wechselrichter-
Energieversorgungsquelle zu treiben bzw. anzusteuern, wird
ein Steuerverfahren gewählt, welches auf einer Kombination
einer Vektorsteuerung und einer Feldstromsteuerung beruht,
welches im Stand der Technik bekannt ist, wie zum Beispiel
offenbart in der japanischen Patentanmeldung mit der
Veröffentlichungsnummer 182380/1996 (JP-A-8-182380).
Für ein besseres Verständnis des der vorliegenden Erfindung
zugrunde liegenden Konzepts wird zunächst ausführlich ihr
technischer Hintergrund beschrieben.
Fig. 6 ist eine Perspektivansicht, welche einen Rotor einer
allgemeinen Klauenpol-Synchronmaschine zeigt.
In Fig. 6 umfasst der Rotor eine Welle 10, Feldpole
(Klauenpole) 11 und Feldspulen, welche in einem Körper
gebildet sind. Ventilatorschaufeln 14 zur Kühlung der
Feldspulen 12 sind jeweils auf der Peripherie beider
Endflächen des Motors angeordnet.
Als erstes betrachte man den Fall, bei dem die Dreiphasen-
Synchronmaschine als Motor betrieben wird (d. h.
Motorbetriebsmodus).
Das Drehmoment Te, das durch die Dreiphasen-Synchronmaschine
im Motorbetriebsmodus erzeugt wird, ist durch den folgen
Ausdruck (1) angegeben:
Te = 3{ψ.iq + (Ld - Lq)id.iq} (1)
wobei ψ die Gesamtflussverkettung darstellt, die durch den
Feldstrom if bestimmt wird, Ld and Lq die in d- und q-
Achsenkomponenten transformierte Synchroninduktivität
darstellen, ψ.iq ein durch die Flussverkettung ψ erzeugtes
Drehmoment darstellt, und der Ausdruck (Ld-Lq) id.iq ein
Reluktanzdrehmoment darstellt, wobei id und iq jeweils
Ankerphasenströme darstellen, wie unten ausgeführt.
Ferner stellt die oben erwähnte d-Achse die
Längsachsenrichtung dar, welche mit der Feldpolrichtung
übereinstimmt, und die q-Achse stellt die Querachsenrichtung
dar, welche senkrecht zur Feldpolrichtung steht. In diesem
Zusammenhang stellen id und iq die Ankerphasenströme für die
Vektorsteuerung dar, jeweils in d- und q-Achsenkomponenten
(Direkt- bzw. Längs- und Querachsenkomponenten)
transformiert. Die Ankerphasenströme id und iq haben eine
Beziehung mit dem Läuferstrom i (Phasenstrom), welche durch
den folgenden Ausdruck (2) gegeben ist.
i2 = id2 + iq2 (2)
Der Ankerstrom i ist ein Dreiphasenstrom. In der folgenden
Beschreibung wird jedoch nur zum Zwecke der einfacheren
Beschreibung angenommen, dass der Ankerstrom i ein
Zweiphasenstrom ist, der in der Lage ist, die gleiche
elektromotorische Kraft zu erzeugen wie der Dreiphasen-
Ankerstrom i, und wird dargestellt, indem der Phasenstrom id
entlang d-Achse (Längsachse) mit der Feldpolrichtung
übereinstimmt, und der Phasenstrom iq entlang der q-Achse
(Querachse), welche der d-Achse orthogonal ist.
Andererseits ist die Ausgangsleistung Pg, welche durch die
Dreiphasen-Synchronmaschine im Generatorbetriebsmodus erzeugt
wird, gegeben durch:
Pg = 3{ω.ψ.iq + i2 + ω(Ld - Lq)id.ig} (3)
wobei ω eine elektrische Winkelgeschwindigkeit darstellt,
welche der Drehgeschwindigkeit entspricht, und R den
Ankerwiderstandswert in jeder Phase darstellt. Im übrigen
wird in den oben erwähnten Ausdrücken angenommen, dass die
Polaritäten im Motorbetriebsmodus positiv sind.
Im allgemeinen, im Fall einer Synchronmaschine mit
Schenkelpol, ist es bekannt, dass die Beziehung zwischen den
Synchroninduktivitäten Ld und Lq die Bedingung erfüllt,
welche durch den unten angegebenen Ausdruck (4) gegeben ist:
Ld < Lq (4)
Ferner, in der Synchronmaschine mit zylindrischem Pol, ist es
bekannt, dass die Beziehung zwischen den
Synchroninduktivitäten Ld und Lq die durch den folgenden
Ausdruck (5) gegebene Bedingung erfüllt:
Ld = Lq (5)
Ferner, in der Synchronmaschine mit eingebettetem Pol ist die
magnetische Permeabilität in der d-Achsenrichtung (NS-
Polrichtung) die den Magneten umschließt, kleiner als die
magnetische Permeabilität in der q-Achsenrichtung (d. h. die
Richtung orthogonal zur NS-Polrichtung), welche magnetische
Materialien umschließt, wie Eisen. Somit erfüllt die
Beziehung zwischen den Synchroninduktivitäten Ld und Lq
folgende Bedingungen:
Ld < Lq (6)
Wie man aus den Ausdrücken (1) und (3) erkennt, welche oben
erwähnt wurden, kann im Falle der Synchronmaschinen mit
Schenkelpol und mit zylindrischem Pol, welche durch die oben
angegebenen Ausdrücke (4) bzw. (5) gegebenen Bedingungen
erfüllen, ein maximales Drehmoment im Motorbetriebsmodus
erzeugt werden, während eine maximale Ausgangsleistung im
Generatorbetriebsmodus erzeugt werden kann, wenn die
Synchronmaschine mit dem Längsstrom id von Null (id = 0) für
den gleichen Ankerstrom i gesteuert wird.
Andererseits, im Fall der Synchronmaschine mit eingebettetem
Pol, welche die durch den oben angegebenen Ausdruck (6)
gegebene Bedingung erfüllt, kann ein maximales Drehmoment im
Motorbetriebsmodus erhalten werden, während eine maximale
Ausgangsleistung im Generatorbetriebsmodus erhalten werden
kann, wenn die Synchronmaschine mit dem Längsstrom id
negativer Polarität (id ≦ 0) gesteuert wird. Dieser Längsstrom
id negativer Polarität wird als Feldschwächungsstrom
bezeichnet.
Im Gegensatz dazu, im Fall der Klauenpol-Synchronmaschine,
welche zu der Art von Synchronmaschine mit Schenkelpol
gehört, wird die durch den Ausdruck (4) gegebene Bedingung
erfüllt. Folglich wird die Steuerung mit dem Längsstrom id
von Null (id = 0) durchgeführt, und es wird keine
Feldschwächungssteuerung mit dem Ankerstrom durchgeführt.
Übrigens kann die Anschlussspannung V der Synchronmaschine
abhängig von der Drehgeschwindigkeit ω, der Flussverkettung
ψ zwischen dem Fluss, der durch den Feldstrom if und die
Ankerwicklungen erzeugt wird, der Induktivität Ld und des
Widerstands R des Ankers bestimmt werden, und ist durch den
folgenden Ausdruck (7) gegeben.
V = √{(ω.ψ + ω.Ld.id + R.ig)2 + (ω.Lq.iq - R.id)2} (7)
Die vorher erwähnte Feldschwächungssteuerung mit der Hilfe
des Ankerstroms soll bedeuten, dass der Längsstrom id des
Ankers dazu gebracht wird in die inverse Richtung zu fließen,
so dass der magnetische Fluss in die entgegengesetzte
Richtung relativ zur elektromotorischen Gegenkraft E(= ω.ψ)
des Ankers erzeugt wird, im Hinblick auf die Ermöglichung des
Regelns oder Einstellens der Anschlussplanung V, welche durch
den obigen Ausdruck (7) gegeben ist, unter der Steuerung mit
dem Wechselrichter.
Dementsprechend wird bewirkt, dass der Ankerlängsstrom id in
eine solche Richtung fließt, um den magnetischen Fluss in die
entgegengesetzte Richtung relativ zu dem vom Feldstrom if
erzeugten Magnetfeld zu erzeugen.
Nebenbei, wenn der Phasendifferenzwinkel zwischen der
elektromotorischen Gegenkraft E des Ankers und des
Ankerstroms durch ϕ dargestellt wird, sind der Längsstrom (d-
Achsenstrom) id und der Querstrom (q-Achsenstrom) iq durch
die folgenden Ausdrücke (8) bzw. (9) gegeben.
id = i.sinϕ (8)
iq = i.cosϕ (9)
Bislang wird bei der Wechselrichtersteuerung des Ankerstroms
i anhand der Längsstromkomponente id und der
Querstromkomponente iq keine Feldschwächungssteuerung mit dem
Ankerstrom i durchgeführt, außer für die Permanentmagnet-
Synchronmaschine mit eingebettetem Pol, welche die inverse
Charakteristik des Schenkelpols aufweist.
Unter diesen Umstanden, wird bei der variablen
Geschwindigkeitssteuerung der Klauenpol-Synchronmaschine nur
die Steuerung mit dem Längsstrom id von Null (id = 0)
durchgeführt, d. h. die Steuerung mit dem Ankerstrom i,
welcher in Phase ist mit der elektromotorischen Gegenkraft E
des Ankers, und es wird keine Feldschwächungs-Steuerung mit
dem Ankerstrom durchgeführt.
Wie aus dem obigen hervorgeht, wurde bei der herkömmlichen
Klauenpol-Synchronmaschinensteuerung die
Feldschwächungssteuerung beruhend auf der Regelung des
Phasendifferenzwinkels ϕ des Ankerstroms nicht verwendet.
Folglich, um das Drehmoment oder die Ausgangsleistung der
Klauenpol-Synchronmaschine zu vergrößern, ist es erforderlich
entsprechend den Feldstrom oder den Ankerstrom zu vergrößern.
Dies bedeutet jedoch, dass die Klauenpol-Synchronmaschine mit
großen Abmessungen implementiert sein muss, wobei auch die
Energieversorgungs-Leistungsfähigkeit erhöht werden muss, was
zu einem Problem führt, das zu lösen bleibt.
Im Lichte des oben beschriebenen Standes der Technik ist es
eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das oben erwähnte
Problem zu lösen, durch Bereitstellung eines verbesserten
Verfahrens der Steuerung einer Klauenpol-Synchronmaschine,
welches eine verbesserte Steuerbarkeit des Betriebs der
Klauenpol-Synchronmaschine sicherstellen kann, ohne
zusätzlichen Aufwand zu verursachen.
Im Hinblick auf die obige und andere Aufgaben, welche mit dem
Fortgang der Beschreibung in Erscheinung treten, wird gemäß
eines Aspekts der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur
Steuerung einer Klauenpol-Synchronmaschine geschaffen, durch
eine Kombination einer Vektorsteuerung einer Ankerspannung
und eines Ankerstroms, die aus einer Wechselrichter-
Energiequelle zugeführt werden, in Kombination mit einer
Feldstromsteuerung, wobei wenn die Klauenpol-Synchronmaschine
als Generator betrieben wird, die Feldstromsteuerung auf der
Grundlage einer verlangten Ausgangsleistung und
Rotationsgeschwindigkeit der Klauenpol-Synchronmaschine
durchgeführt wird, während die Feldschwächungssteuerung mit
dem Ankerstrom durchgeführt wird, indem der Betrag des
Ankerstroms und sein Phasendifferenzwinkel gesteuert werden.
In einem bevorzugten Modus zur Verwirklichung des Verfahrens
zur Steuerung der Klauenpol-Synchronmaschine, welche als
Generator betrieben werden soll, wie oben erwähnt, kann eine
Befehlswert-Abbildung bzw. -Zuordnung im voraus für die
Speicherung vorbereitet werden, in welcher Beträge des
Feldstroms und des Ankerstroms der Klauenpol-Synchronmaschine
in Beziehung mit einem Befehlswert für den
Phasendifferenzwinkel des Ankerstroms gespeichert werden,
entsprechend der verlangten Ausgangsleistung und
Rotationsgeschwindigkeit der Klauenpol-Synchronmaschine, und
den Beträgen des Feldstroms, so dass der Ankerstrom, der
durch die Klauenpol-Synchronmaschine zum Fliessen gebracht
wird, und der Befehlswert für den verlangten Differenzwinkel
des Ankerstroms durch Bezug auf die Befehlswert-Abbildung
bestimmt werden können.
In einem anderen Bevorzugten Modus zur Verwirklichung des
oben erwähnten Verfahrens kann der Befehlswert für den
Phasendifferenzwinkel des Ankerstroms, der in der
Befehlswert-Abbildung gespeichert werden soll, auf einen Wert
eingestellt sein, welcher die Erzeugung der verlangten
Ausgangsleistung mit maximaler Effizienz erlaubt.
Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung, wird
ein Verfahren zur Steuerung einer Klauenpol-Synchronmaschine
geschaffen, durch eine Vektorsteuerung einer Ankerspannung
und eines Ankerstroms, die aus einer Wechselrichter-
Energiequelle zugeführt werden, in Kombination mit einer
Feldstromsteuerung, wobei wenn die Klauenpol-Synchronmaschine
als Motor betrieben wird, die Feldstromsteuerung auf der
Grundlage eines verlangten zu erzeugenden Drehmoments und
einer verlangten Rotationsgeschwindigkeit der Klauenpol-
Synchronmaschine durchgeführt wird, während eine
Feldabschwächungssteuerung mit dem Ankerstrom verwirklicht
wird, durch Steuerung des Betrags des Ankerstroms und seines
Phasendifferenzwinkels.
In einem bevorzugten Modus zur Verwirklichung des Verfahrens
zur Steuerung der Klauenpol-Synchronmaschine, welche als
Elektromotor betrieben werden soll, wie oben erwähnt, kann
eine Befehlswert-Abbildung bzw. -Zuordnung im voraus für die
Speicherung vorbereitet werden, in welcher Beträge des
Feldstroms und des Ankerstroms der Klauenpol-Synchronmaschine
in Beziehung mit einem Befehlswert für den
Phasendifferenzwinkel des Ankerstroms gespeichert sind,
entsprechend dem verlangten Drehmoment und der verlangten
Rotationsgeschwindigkeit der Klauenpol-Synchronmaschine, so
dass die Beträge des Feldstroms und des Ankerstroms, die der
Klauenpol-Synchronmaschine zugeführt werden sollen, und der
Befehlswert für den Phasendifferenzwinkel des Ankerstroms
durch Bezug auf die Befehleswert-Abbildung bestimmt werden
können.
In einem weiteren bevorzugten Modus zur Verwirklichung des
gerade oben erwähnten Verfahrens, kann der Befehlswert für
den Phasendifferenzwinkel des in der Befehlswert-Abbildung zu
speichernden Ankerstroms auf einen Wert eingestellt sein,
welcher die Erzeugung des verlangten Drehmoments mit einer
maximalen Effizienz erlaubt.
Dank des Steuerverfahrens für Klauenpol-Synchronmaschinen
nach der vorliegenden Erfindung, welches oben beschrieben
wurde, ist es möglich eine Klauenpol-Synchronmaschine mit
verbesserter Steuerleistungsfähigkeit zu steuern, ohne
Bewirkung irgend eines nennenswerten zusätzlichen Aufwands
bezüglich der Struktur der Klauenpol-Synchronmaschine und
ihrer Wechselrichter-Energieversorgungsschaltung.
Die obige und weitere Aufgaben, Merkmale und begleitende
Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser
verständlich durch die Lektüre der folgenden Beschreibung von
bevorzugten Ausführungen der Erfindung, welche nur als
Beispiele in Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen
herangezogen werden.
Im Verlauf der folgenden Beschreibung wird auf die
Zeichnungen Bezug genommen, in welchen
Fig. 1 eine Ansicht ist, welche nur schematisch und
allgemein eine Struktur einer Klauenpol-
Synchronmaschine zeigt, auf welche eine erste
Ausführung der vorliegenden Erfindung angewendet
werden kann;
Fig. 2 eine Ansicht ist, um graphisch Betriebskennzeichen
in dem Fall zu veranschaulichen, in dem die
Klauenpol-Synchronmaschine als Elektromotor unter
einer Feldschwächungssteuerung gemäß der ersten
Ausführung der Erfindung betrieben wird;
Fig. 3 ein Charakteristikdiagramm ist, welches graphisch
eine Charakteristikbeziehung zwischen einem
Phasendifferenzwinkel und einer Ausgangsleistung
der Klauenpol-Synchronmaschine veranschaulicht,
wenn sie als Generator arbeitet;
Fig. 4 ein Charakteristikdiagramm ist, das graphisch eine
Charakteristikbeziehung zwischen dem
Phasendifferenzwinkel und der Ausgangsleistung der
Klauenpol-Synchronmaschine veranschaulicht, wenn
sie als Elektromotor arbeitet; und
Fig. 5 eine Ansicht ist, welche schematisch und allgemein
eine Struktur einer herkömmlichen Synchronmaschine
mit eingebettetem Pol zeigt.
Fig. 6 ist eine Perspektivansicht, welche einen Rotor
einer herkömmlichen Klauenpol-Synchronmaschine
zeigt.
Die vorliegende Erfindung wird ausführlich im Zusammenhang
mit dem beschrieben, was gegenwärtig als bevorzugte oder
typische Ausführungen angesehen werden, unter Bezugnahme auf
die Zeichnungen. In der folgenden Beschreibung bezeichnen
gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Dinge durch
alle Ansichten hindurch.
Fig. 1 ist eine Ansicht, welche nur schematisch und allgemein
eine Struktur einer Klauenpol-Synchronmaschine zeigt, auf
welche eine erste Ausführung der vorliegenden Erfindung
angewendet werden kann.
In der Figur enthält die Klauenpol-Synchronmaschine ein
Feldsystem 1, welches als ein Rotor implementiert ist. Zum
Zwecke der Vereinfachung der Darstellung wird das Feldsystem
1 nur mit zwei magnetischen Polen dargestellt. Das Feldsystem
1 enthält eine Feldspule 2, welche um einen Kern gewickelt
ist, welcher einen Teil des Feldsystems 1 bildet, und der ein
Feldstrom zugeführt wird, um das Feldsystem 1 zu erregen, um
dadurch einen magnetischen Fluss ψ in der d-Achsenrichtung
(d. h. der Längsachsenrichtung) zu erzeugen.
Die Klauenpol-Synchronmaschine enthält ferner Ankerspulen 3d
und 3q, welche als Bestandteile eines Stators implementiert
sind, der um das Feldsystem 1 angeordnet ist. Die Ankerspule
3d für die Längsachse oder d-Achse (welche auch als d-Achsen-
Ankerspule 3d bezeichnet wird) ist ausgebildet, nach der
Erregung durch einen Ankerstrom id (d-Achsen-Ankerstrom)
einen magnetischen Fluss ϕd zu erzeugen, um das magnetische
Feld zu schwächen, während die Ankerspule 3q für die
Querachse oder q-Achse (auch als q-Achsen-Ankerspule 3q
bezeichnet) nach Erregung durch einen Ankerstrom iq (q-
Achsen-Ankerstrom) einen magnetischen Fluss ϕq erzeugt.
Die magnetischen Flüsse ϕd und ϕq, die durch die d- bzw. q-
Achsen-Ankerspulen 3d und 3q erzeugt wurden, werden zu einem
magnetischen Fluss überlagert, der einen
Phasendifferenzwinkel ϕ relativ zur q-Achse hat. Der
überlagerte oder kombinierte magnetische Fluss wirkt zusammen
mit dem Feldsystem 1, um dadurch ein Drehmoment oder
elektrische Leistung in dem Motor- oder Generator-
Betriebsmodus zu erzeugen.
In Zusammenhang mit der oben beschriebenen Klauenpol-
Synchronmaschine lehrt die vorliegende Erfindung, dass wenn
die Klauenpol-Synchronmaschine als Generator betrieben wird
(Generatorbetriebsmodus), der Feldstrom auf der Grundlage
einer verlangten Ausgangsleistung und
Rotationsgeschwindigkeit der Klauenpol-Synchronmaschine
gesteuert wird, während die Feldschwächungssteuerung mit dem
Ankerstrom verwirklicht wird, durch Steuern des Betrags und
des Phasendifferenzwinkels ϕ des Ankerstroms.
In diesem Zusammenhang lehrt die vorliegende Erfindung
ferner, im voraus eine Befehlswert-Tabelle oder -Abbildung
für die Speicherung vorzubereiten, in welcher die Beträge des
Feldstroms und des Ankerstroms der Klauenpol-Synchronmaschine
in Beziehung mit dem Befehlswert für den
Phasendifferenzwinkel ϕ des Ankerstroms entsprechend der
verlangten Ausgangsleistung und Rotationsgeschwindigkeit der
Klauenpol-Synchronmaschine gespeichert werden, so dass die
Beträge des Feldstroms und des Ankerstroms, die man durch die
Klauenpol-Synchronmaschine fließen lässt, und der Befehlswert
für den Phasendifferenzwinkel ϕ durch Bezug auf die oben
erwähnte Befehlswert-Abbildung bestimmt werden können.
Andererseits, wenn die Klauenpol-Synchronmaschine als Motor
betrieben wird (d. h. im Motorbetriebsmodus), lehrt die
vorliegende Erfindung, dass der Feldstrom auf der Grundlage
eines auszugebenden verlangten Drehmoments und der
Rotationsgeschwindigkeit der Klauenpol-Synchronmaschine
bestimmt wird, während die Feldschwächungssteuerung mit dem
Ankerstrom verwirklicht wird, durch Steuerung des Betrags und
des Phasendifferenzwinkels des Ankerstroms.
In jenem Fall schlägt die vorliegende Erfindung vor, im
voraus eine Befehlswert-Tabelle oder -Abbildung zur
Speicherung vorzubereiten, in welcher die Beträge des
Feldstroms und des Ankerstroms der Klauenpol-Synchronmaschine
in Beziehung mit dem Befehlswert für den
Phasendifferenzwinkel ϕ des Ankerstroms entsprechend dem zu
erzeugenden, verlangten Drehmoment und der
Rotationsgeschwindigkeit der Klauenpol-Synchronmaschine
gespeichert sind, so dass die Beträge des Feldstroms und des
Ankerstroms, die der Klauenpol-Synchronmaschine zugeführt
werden sollen, und der Befehlswert für den
Phasendifferenzwinkel durch Bezug auf die oben erwähnte
Befehlswert-Abbildung bestimmt werden können.
In diesem Zusammenhang, wenn die Klauenpol-Synchronmaschine
als Generator betrieben werden soll, sollte der Befehlswert
für den Phasendifferenzwinkel des Ankerstroms auf einen Wert
eingestellt sein, bei dem die verlangte Ausgangsleistung mit
maximaler Effizienz bzw. maximalem Wirkungsgrad erzeugt
werden kann, während wenn die Klauenpol-Synchronmaschine als
Motor betrieben wird, der Befehlswert für den
Phasendifferenzwinkel des Ankerstroms als ein Wert
eingestellt sein sollte, bei dem das verlangte Drehmoment mit
maximaler Effizienz bzw. maximalem Wirkungsgrad erzeugt
werden kann.
Nun wird auf Fig. 2 Bezug genommen, welche eine Ansicht ist,
um graphisch die Betriebscharakteristiken in dem Fall zu
veranschaulichen, in dem die Klauenpol-Synchronmaschine als
Motor unter der Feldschwächungssteuerung betrieben wird. In
der Figur ist der Feldstrom if entlang der Abszisse gezogen,
und die Flussverkettung ψ in der d-Achsenrichtung
(Längsrichtung) entlang der Ordinate gezogen. Wie man in Fig.
2 sieht, wird die Flussverkettung ψ bei einem vorbestimmten
Pegel des Feldstroms if gesättigt.
In Fig. 2 bezeichnet das Referenzsymbol M die
Gegeninduktivität der Feldspule 2 und der Ankerspulen 3 (3d
und 3q), ifo bzw. ψo bezeichnen Flussarbeitspunkte, wenn die
Feldschwächungssteuerung ungültig gemacht wird (d. h. wenn
id = 0), ifl bzw. ψ1 bezeichnen Flussarbeitspunkte in dem
Zustand, in dem der Feldschwächungs-Ankerstrom id gespeist
wird (d. h. wenn id<0), und M.if bezeichnet eine scheinbare
oder virtuelle Flussverkettung, welche bestimmt werden kann
in Übereinstimmung mit der linearen Charakteristik (Steigung
der Gegeninduktivität M) aus dem Arbeitspunkt der
Flussverkettung ψ1.
Als nächstes, unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2, wird
konkret das Feldschwächungssteuerungs-Verfahren nach der
ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung beschrieben,
unter der Annahme, als Beispiel, dass die Klauenpol-
Synchronmaschine als Motor betrieben wird.
In Fig. 2 kann zunächst das Drehmoment Te (welches nur zum
Zwecke der einfacheren Beschreibung als einzelphasig
angesehen wird), das aufgrund der Flussverkettung ψo in der
Klauenpol-Synchronmaschine erzeugt wird (im
Motorbetriebsmodus), wenn der Ankerstrom id Null ist, in
Anbetracht des Ausdrucks (1) durch den folgenden Ausdruck
(10) angegeben werden:
Te = ψo.iq (10)
Wenn der Feldschwächungs-Ankerstrom id negativer Polarität
zum Fließen gebrach wird, nimmt die Flussverkettung im
magnetischen Kreis den Wert ψ1 an, der in Fig. 2 gezeigt
ist, verbleibt aber scheinbar oder virtuell bei ψo. Somit
kann das Drehmoment Te in Anbetracht des Ausdrucks (11) durch
den folgenden Ausdruck angegeben werden.
Te = ψ0.iq + (Ld - Lq)id.iq (11)
Aus dem obigen Ausdruck geht hervor, dass solange wie Ld-Lq = 0
gilt, das Reluktanzdrehmoment unverändert bleibt, unabhängig
von dem Ankerstrom id, was bedeutet, dass das erzeugte
Drehmoment Te den gleichen, durch den Ausdruck (10) gegebenen
Wert annimmt.
An diesem Punkt, wenn der Feldstrom if der Feldspule 2
zugeführt wird, kann die Flussverkettung ψf in Anbetracht
der Gegeninduktivität M zwischen der Feldspule 2 und der
Ankerspule 3 wie folgt angegeben werden:
= ψf = M.if (12)
Aus dem obigen Ausdruck (12) wird die Gegeninduktivität Mo
für den d-Achsen-Ankerstrom id von Null (id = 0) durch den
folgenden Ausdruck (13) angegeben.
Mo = ψo/if (13)
Somit, indem der Ausdruck (10) umgeschrieben wird, während
der obige Ausdruck (13) berücksichtigt wird, kann das
Drehmoment Te, das erzeugt wird, wenn der d-Achsen-Ankerstrom
id Null ist (id = 0), wie folgt ausgedrückt werden:
Te = Mo.if.iq (14)
Andererseits, wenn der d-Achsen-Ankerstrom id von negativer
Polarität zum Fliessen gebracht wird, wird die
Gegeninduktivität M1 durch den folgenden Ausdruck (15)
angegeben.
M1 = ψ1/(if + id) (15)
In diesem Fall wird das Drehmoment Te durch den folgenden
Ausdruck (16) angegeben, ähnlich dem Ausdruck (14).
Te = M1.if.iq (16)
Wie aus dem obigen Ausdruck (16) hervorgeht, kann der
scheinbare oder virtuelle Fluss ψd, der erzeugt wird, wenn
der d-Achsen-Ankerstrom id von negativer Polarität (d. h. der
Ankerstrom für die Feldschwächungssteuerung) zugeführt wird,
durch den folgenden Ausdruck (17) angegeben werden, ähnlich
dem Ausdruck (12).
yd = M.if (17)
Übrigens kann das Reluktanzdrehmoment, das durch den
Ausdruck(Ld-Lq)id.iq im zuvor erwähnten Ausdruck (11)
dargestellt wird, wie folgt ausgedrückt werden.
(Ld - Lq)id.iq = Ld.id.iq - Lq.id.iq
= ψd.iq - ψq.id (18)
Somit wird der magnetische Fluss ψd aufgrund des Ankerstroms
id als außerhalb des magnetischen Flusses Wo angesehen, der
erzeugt wird, wenn der Ankerstrom id Null beträgt.
Ferner wird der magnetische Fluss ψo für den Ankerstrom id
von Null bei einem niedrigen Pegel des letzteren gesättigt,
wie in Fig. 2 ersichtlich. Dementsprechend, wenn die
Flussverkettung ψ für den Ankerstrom id von Null in dem
Zustand betrachtet wird, in dem der Ankerstrom id dazu
gebracht wird in der Nähe des Gebiets vor der Sättigung zu
fließen, kann es so angesehen werden, dass der Arbeitspunkt
auf dem geradlinigen Abschnitt der charakteristischen Kurve
liegt, der die lineare Beziehung zwischen dem Feldstrom if
und der Flussverkettung ψ darstellt (siehe den Punkt M.if,
der in Fig. 2 gezeigt ist).
Anders ausgedrückt, mit der Feldschwächungssteuerung auf der
Grundlage des d-Achsen-Ankerstroms id, wird der Feldstrom if
effektiv oder virtuell erniedrigt, wodurch der Arbeitspunkt
von der Flussverkettung ψo nach ψ1 geändert wird (siehe
Fig. 2), was bedeutet, dass die magnetische Sättigung
virtuell oder effektiv nichtig gemacht wird.
In der vorangehenden Beschreibung wurde angenommen, dass der
q-Achsen-Ankerstrom jq einen festen Wert annimmt. In diesem
Zusammenhang ist zu beachten, dass durch Änderung des
Phasendifferenzwinkels ϕ (siehe Fig. 1) bei konstant
gehaltenem q-Achsen-Stromwert, die Flussverkettung ψ und
folglich das Drehmoment Te, wie es erzeugt wird, insgesamt
vergrößert werden kann, obwohl der q-Achsen-Ankerstrom iq
mehr oder weniger abnimmt, da der Einfluss der magnetischen
Sättigung durch den d-Achsen-Ankerstrom id gemildert wird,
wodurch die Flussverkettung ψ entsprechend vergrößert werden
kann.
Als nächstes wird auf Fig. 3 Bezug genommen, welche ein
Charakteristik-Diagramm ist, das graphisch eine
Charakteristikbeziehung zwischen dem Phasendifferenzwinkel ϕ
und der Ausgangsleistung der Klauenpol-Synchronmaschine
veranschaulicht, wenn sie als Generator betrieben wird (d. h.
im Generatorbetriebsmodus). Genauer ist in der Figur die
Beziehung zwischen dem Phasendifferenzwinkel ϕ und der
Ausgangsleistung Pe gezeigt, gemessen wenn nur der
Phasendifferenzwinkel ϕ in dem Zustand geändert wird, in dem
der Feldschwächungs-Ankerstrom id zugeführt wird, ohne
Änderung des Betrags des Ankerstroms i, während die
Rotationsgeschwindigkeit, der Feldstrom if und die
Anschlussspannung V jeweils konstant gehalten werden.
Ferner ist Fig. 4 ein Charakteristik-Diagramm, welches
graphisch eine Charakteristik-Beziehung zwischen dem
Phasendifferenzwinkel ϕ und dem Ausgangsdrehmoment Te der
Klauenpol-Synchronmaschine veranschaulicht, wenn sie als
elektrischer Motor betrieben wird (im Motorbetriebsmodus).
Genauer gesagt ist in der Figur die Beziehung zwischen dem
Phasendifferenzwinkel ϕ und dem Ausgangsdrehmoment Te
gezeigt, gemessen wenn nur der Phasendifferenzwinkel ϕ in dem
Zustand geändert wird, in dem der Feldschwächungs-Ankerstrom
id zugeführt wird, ohne Änderung des Betrags des Ankerstroms
i, während die Rotationsgeschwindigkeit, der Feldstrom if und
die Anschlussspannung V jeweils konstant gehalten werden.
Wie man in Fig. 3 sieht, wenn die Klauenpol-Synchronmaschine
als Generator betrieben wird, nimmt die beim
Phasendifferenzwinkel ϕ von α (≒ 22°) erzeugte
Ausgangsleistung ungefähr 15% zu, im Vergleich mit der
Ausgangsleistung, die beim Phasendifferenzwinkel ϕ von null
Grad erzeugt wird.
Ähnlich ist aus Fig. 4 ersichtlich, dass wenn die Klauenpol-
Synchronmaschine als Elektromotor betrieben wird, das
Drehmoment, das beim Phasendifferenzwinkel ϕ von β (≒ 10°)
erzeugt wird, ungefähr 10% zunimmt, verglichen mit dem
Drehmoment, das beim Phasendifferenzwinkel ϕ von null Grad
erzeugt wird.
Wie nun aus der vorangehenden Beschreibung verständlich ist,
ist es möglich die Ausgangsleistung Pe und das
Ausgangsdrehmoment Te der Klauenpol-Synchronmaschine zu
vergrößern, indem die Feldschwächungssteuerung mit dem
Achsen-Ankerstrom id gemäß der Lehre der vorliegenden
Erfindung durchgeführt wird. Dies bedeutet, dass der
Freiheitsgrad zur Regelung des Feldstroms if bedeutend
vergrößert werden kann im Vergleich mit der herkömmlichen
Technik zur Einstellung der Anschlussspannung V innerhalb des
Wechselrichter-Steuerfreigabebereichs, durch Verringerung nur
des Feldstroms if (d. h. durch Verringerung der
Flussverkettung ψ), und dass gemäß der Lehre der
vorliegenden Erfindung die Klauenpol-Synchronmaschine als
Generator betrieben werden kann, der in der Lage ist eine
hohe Ausgangsleistung zu erzeugen, oder als Elektromotor, der
in der Lage ist ein hohes Ausgangsdrehmoment zu erzeugen, bis
hinauf in einen Bereich hoher Rotationsgeschwindigkeit.
Somit, indem die Feldschwächungs-Steuerung mit dem d-Achsen-
Ankerstrom id durchgeführt wird, kann ein hohes
Ausgangsdrehmoment oder eine hohe Ausgangsleistung über einen
weiten Geschwindigkeitsbereich erhalten werden, mit ein und
derselben Klauenpol-Maschine und Steuereinheit, in beiden
Betriebsmoden, in welchen die Klauenpol-Synchronmaschine als
Motor bzw. als Generator betrieben wird.
Andererseits bedeutet dies, dass für ein gleiches verlangtes
Drehmoment oder eine gleiche Ausgangsleistung, die Klauenpol-
Synchronmaschine und die Steuereinheit kompakt implementiert
werden können. In anderen Worten, sie können mit verringerter
Größe verwirklicht werden.
Ferner, indem die Feldschwächungs-Steuerung mit dem
Ankerstrom id durch Steuerung des Phasendifferenzwinkels ϕ
des Ankerstroms in der Klauenpol-Synchronmaschine
durchgeführt wird, ist es möglich die Ausgangsleistung der
Klauenpol-Synchronmaschine im Generatorbetriesmodus zu
vergrößern, oder das Ausgangsdrehmoment Te im
Motorbetriebsmodus, abhängig vom Betrag des
Phasendifferenzwinkels ϕ, verglichen mit dem Fall, bei dem
der Phasendifferenzwinkel ϕ des Ankerstroms Null beträgt
(d. h. id = 0).
Genauer gesagt, durch Wählen des geeigneten oder passenden
Phasendifferenzwinkels ϕ (d. h. α oder β) des Ankerstroms für
die verlangte Ausgangsleistung in dem Generatorbetriebsmodus
oder für das verlangte Drehmoment im Motorbetriebsmodus,
während die in den Fig. 3 oder 4 gezeigten
Charakteristiken berücksichtigt werden, kann eine erhöhte
Ausgangsleistung Pe oder ein erhöhtes Ausgangsdrehmoment Te
mit den gleichen Beträgen des Feldstroms if und des
Ankerstroms i erhalten werden, verglichen mit dem herkömmlich
gewählten Betriebsmodus, bei dem der Phasendifferenzwinkel ϕ
null beträgt.
In diesem Zusammenhang sollte erwähnt werden, dass die
Befehlswert-Abbildung oder -Tabelle des
Phasendifferenzwinkels ϕ, auf welche Bezug genommen wird bei
der Durchführung der Feldschwächungs-Steuerung der Klauenpol-
Synchronmaschine, so vorbereitet ist, dass sie die Werte von
α und/oder β enthält (siehe Fig. 3 und 4), welche so
bestimmt sind, dass die verlangte Ausgangsleistung oder das
verlangte Drehmoment mit maximaler Effizienz bzw. maximalem
Wirkungsgrad erhalten werden können.
Zahlreiche Modifikationen und Variationen der vorliegenden
Erfindung sind im Lichte der oben offenbarten Techniken
möglich. Es versteht sich daher, dass die Erfindung innerhalb
des Umfangs der angehängten Ansprüche anders umgesetzt werden
kann, als speziell beschrieben.
Claims (6)
1. Verfahren zur Steuerung einer Klauenpol-Synchronmaschine
durch eine Kombination einer Vektorsteuerung einer
Ankerspannung und eines Ankerstroms, die aus einer
Wechselrichter-Energiequelle zugeführt werden, in
Kombination mit einer Feldstromsteuerung,
wobei wenn die Klauenpol-Synchronmaschine als Generator betrieben wird, die Feldstromsteuerung auf der Grundlage einer verlangten Ausgangsleistung und Rotationsgeschwindigkeit der Klauenpol-Synohronmaschine durchgeführt wird, während die Feldschwächungssteuerung mit dem Ankerstrom durchgeführt wird durch Steuerung des Betrags des Ankerstroms und seines Phasendifferenzwinkels (ϕ).
wobei wenn die Klauenpol-Synchronmaschine als Generator betrieben wird, die Feldstromsteuerung auf der Grundlage einer verlangten Ausgangsleistung und Rotationsgeschwindigkeit der Klauenpol-Synohronmaschine durchgeführt wird, während die Feldschwächungssteuerung mit dem Ankerstrom durchgeführt wird durch Steuerung des Betrags des Ankerstroms und seines Phasendifferenzwinkels (ϕ).
2. Verfahren zur Steuerung einer Klauenpol-Synchronmaschine
nach Anspruch 1, wobei wenn die Klauenpol-
Synchronmaschine als Generator betrieben wird, eine
Befehlswert-Abbildung vorher vorbereitet und gespeichert
wird, in welcher Beträge des Feldstroms und des
Ankerstroms der Klauenpol-Synchronmaschine in Beziehung
mit einem Befehlswert für den Phasendifferenzwinkel (ϕ)
des Ankerstroms entsprechend der verlangten
Ausgangsleistung und Rotationsgeschwindigkeit der
Klauenpol-Synchronmaschine gespeichert ist, und
wobei die Beträge des Feldstroms und des Ankerstroms, die durch die Klauenpol-Synchronmaschine zum Fliessen gebracht werden, und der Befehlswert für den Phasendifferenzwinkel (ϕ) des Ankerstroms durch Bezug auf die Befehlswert-Abbildung bestimmt werden.
wobei die Beträge des Feldstroms und des Ankerstroms, die durch die Klauenpol-Synchronmaschine zum Fliessen gebracht werden, und der Befehlswert für den Phasendifferenzwinkel (ϕ) des Ankerstroms durch Bezug auf die Befehlswert-Abbildung bestimmt werden.
3. Verfahren zur Steuerung einer Klauenpol-Synchronmaschine
nach Anspruch 2, wobei der Befehlswert für den
Phasendifferenzwinkel des Ankerstroms, der in der
Befehlswert-Abbildung gespeichert ist, auf einen Wert
eingestellt ist, der es erlaubt die verlangte
Ausgangsleistung mit einer maximalen Effizienz zu
erzeugen.
4. Verfahren zur Steuerung einer Klauenpol-Synchronmaschine
durch eine Vektorsteuerung einer Ankerspannung und eines
Ankerstroms, die aus einer Wechselrichter-Energiequelle
zugeführt werden, in Kombination mit einer
Feldstromsteuerung, wobei wenn die Klauenpol-
Synchronmaschine als Motor betrieben wird, die
Feldstromsteuerung auf der Grundlage eines zu
erzeugenden, verlangten Drehmoments und einer verlangten
Rotationsgeschwindigkeit der Klauenpol-Synchronmaschine
durchgeführt wird, während eine Feldschwächungssteuerung
mit dem Ankerstrom verwirklicht wird, durch Steuerung
des Betrags des Ankerstroms und seines
Phasendifferenzwinkels (ϕ).
5. Verfahren zur Steuerung einer Klauenpol-Synchronmaschine
nach Anspruch 4, wobei wenn die Klauenpol-
Synohronmaschine als Elektromotor betrieben wird, eine
Befehlswert-Abbildung im voraus vorbereitet und
gespeichert wird, in welcher Beträge des Feldstroms und
des Ankerstroms der Klauenpol-Synchronmaschine in
Beziehung mit einem Befehlswert für den
Phasendifferenzwinkel des Ankerstroms entsprechend dem
verlangten Drehmoment und der verlangten
Rotationsgeschwindigkeit der Klauenpol-Synchronmaschine
gespeichert sind, und
wobei die Beträge des Feldstroms und des Ankerstroms, die der Klauenpol-Synchronmaschine zugeführt werden sollen, und des Befehlswert für den Phasendifferenzwinkel ϕ des Ankerstroms durch Bezug auf die Befehlswert-Abbildung bestimmt werden.
wobei die Beträge des Feldstroms und des Ankerstroms, die der Klauenpol-Synchronmaschine zugeführt werden sollen, und des Befehlswert für den Phasendifferenzwinkel ϕ des Ankerstroms durch Bezug auf die Befehlswert-Abbildung bestimmt werden.
6. Verfahren zur Steuerung einer Klauenpol-Synchronmaschine
nach Anspruch 5, wobei der Befehlswert für den
Phasendifferenzwinkel des Ankerstroms, der in der
Befehlswert-Abbildung gespeichert ist, auf einen Wert
eingestellt ist, welcher es erlaubt das verlangte
Drehmoment mit einer maximalen Effizienz zu erzeugen.
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