DE10157257B4 - Toroidal gewickelter Asynchronmotorgenerator mit wählbarer Polzahl - Google Patents

Toroidal gewickelter Asynchronmotorgenerator mit wählbarer Polzahl Download PDF

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Abstract

Elektrische Maschinenanordnung, aufweisend:
eine Induktionsmaschine (102) mit einem Stator und einem Läufer, wobei der Stator eine Vielzahl von Phasenwicklungen aufweist, die im Stern verschaltet sind;
einen Wechselrichter mit einer Mehrzahl von Festkörperschaltern in Halbbrückenanordnung und zugehörigen Freilaufdioden mit entsprechenden Regelungseinrichtungen und mit der gleichen Phasenanzahl wie die Induktionsmaschine (102), wobei der Wechselrichter derart angeschlossen ist, dass dieser die Wicklungen selektiv erregen kann; und
einen programmierbaren Mikroprozessor, der operativ mit dem Wechselrichter verbunden ist und ein Programm zum Regeln des Wechselrichters aufweist, das den Betrieb der Induktionsmaschine (102) unter Verwendung einer Polphasen-Modulation ermöglicht, bei der die Phasenwicklungen in einer beliebig vorgebbaren, während des Betriebs beliebig variierbaren Polphasenkonfiguration verbunden werden, wobei bei jeder Polphasenkonfiguration alle Phasenwicklungen erregt werden,
wobei das Programm eine Vektorregelung der Induktionsmaschine durchführt, wobei die Vektorregelung an die jeweilige Polphasenkonfiguration entsprechend angepasst wird, wobei die Vektorregelung ohne Drehzahlsensor und ohne Positionssensor durchführbar ist;...

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vektorregelung einer Induktionsmaschine mit wählbarer Polzahl. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Vektorregelung einer Mehrphasen-Induktionsmaschine eines Starter-Drehstromgenerators mit wählbarer Polzahl.
  • Ringförmig bzw. toroidal gewickelte Induktionsmaschinen werden für verschiedene Anwendungen eingesetzt. Ein bekanntes Verfahren zur Änderung der Maschinenpolzahl ohne die Notwendigkeit von Schaltschützen oder mechanischen Schaltern wird als Polphasen-Modulation (PPM) bezeichnet.
  • Das PPM-Verfahren wird nachfolgend kurz erläutert. Grundsätzlich stellt die Polphasen-Modulation ein Verfahren zur Änderung der Polpaaranzahl der Wicklung einer Wechselstrommaschine ohne Notwendigkeit von Schaltschützen oder mechanischen Schaltern dar. Dem Begriff nach ist die PPM mathematisch eine verallgemeinerte Form des Polamplituden-Modulation(PAN)-Verfahrens:
    • • Die Anzahl der Phasen bei der PAN ist festgelegt, während diese bei der PPM variieren kann.
    • • Die PAN ermöglicht eine Poländerung nur in einem Verhältnis p:(p – 1), wohingegen bei der PPM ein beliebiges Verhältnis möglich ist.
  • Die PPM wird durch Auswahl der Polpaaranzahl durch Regelung der Phasenverschiebung zwischen Strömen in den Elementarphasen (elementarg phases) implementiert, wobei jede Elementarphase aus einer Spule oder einer Gruppe von in Reihe geschalteten Spulen besteht. Da bei jeder Polpaarkombination alle Leiter der Wicklung erregt werden, wird bei einer Maschine mit PPM das aktive Material wesentlich besser ausgenutzt als bei einer konventionellen Maschine mit separaten Wicklungen für jedes Polpaar.
  • Im Gegensatz zu der Dahlander-Schaltung, bei der nur ein Verhältnis, nämlich 2:1, zwischen der Anzahl der von einer einzigen Wicklung geschaffenen Polpaare möglich ist, ist die Anzahl der Polpaare bei der PPM beliebig. Eine PPM-Wicklung stellt somit eine verallgemeinerte Dahlander-Wicklung mit einer beliebigen Anzahl von zwei oder mehreren verschiedenen Polpaaren dar. Die Dahlander-Wicklung wird normalerweise bei niedrigeren Drehzahlen mit voller Schrittweite und entsprechend bei höheren Drehzahlen mit halbem Polschritt, d.h. y + τp/2, betrieben (in diesem Zusammenhang bedeutet y der Wicklungsschritt und τp ist der Polschritt, jeweils als Anzahl der Schlitze ausgedrückt). Die PPM-Wicklung wird andererseits in der Regel derart aufgebaut, dass diese bei höheren Drehzahlen einen vollen Schritt ausführt, wenn die Polpaaranzahl bei niedrigeren Drehzahlen ungerade ist, und einen verkürzten Schritt bei höheren Drehzahlen aufweist, wenn die Polpaaranzahl bei niedrigeren Drehzahlen gerade ist.
  • Die Anzahl der Polpaare p stellt eine Funktion der Gesamtzahl der Statorschlitze N, der Wicklungszone q und der Phasenanzahl m gemäß folgender Gleichung dar: p = N/2qm (1),wobei p und m offensichtlich ganzzahlig sein müssen und q normalerweise ebenfalls ganzzahlig ist. Dies bedeutet, dass eine m-phasige Maschine mit N Schlitzen mit mehreren Polpaaren aufgebaut werden kann, deren Anzahl von dem Wert q abhängt. Grundsätzlich werden bei einem PPM-Verfahren Wechselrichterschalter eingesetzt, um die Maschinenspulen in der gewünschten Polphasenkonfiguration zu verbinden. Die Grundsätze der PPM werden nachfolgend anhand eines Beispiels für zwei verschiedene Polpaarzahlen, die von einer einzigen Wicklung erzeugt werden, erläutert. Da die Wicklungskonfiguration der PPM als Funktion der Polpaaranzahl bei niedrigeren Drehzahlen variiert, werden – ohne Beschränkung der Allgemeinheit – die Grundsätze der PPM anhand einer Toroidalmaschine mit 72 Schlitzen und 4/12 Polen erläutert.
  • Beispielhaft wird nachfolgend eine ringförmig gewickelte Induktionsmaschine mit 72 Schlitzen am Stator erörtert, wobei jede Elementarspule einen Schlitz verwendet. Zwei angrenzende Elementarspulen, die in Reihe geschaltet sind, bilden eine Spule, so dass die Gesamtzahl der Spulen 36 beträgt.
  • Bei einer 12-poligen Verbindung weist die Maschine drei Spulen pro Pol auf. Die Spulen sind in drei Phasen konfiguriert, die als A, B und C bezeichnet sind, so dass jede Phase 12 Spulen aufweist. Die Spulenanordnung und Wicklungsrichtung sind in 1 gezeigt. Das (+)- oder (–)-Zeichen, das jeder Phase zugeordnet ist, spezifiziert, ob die Spule in einer positiven oder negativen Richtung gewickelt ist.
  • Zum Beispiel besteht die Phase A aus den Spulen 1, 7, 13, 19, 25 und 31, die in einer positiven Richtung gewickelt sind, und den Spulen 4, 10, 16, 22, 28 und 34, die in einer negativen Richtung gewickelt sind, wobei diese sämtlich parallel geschaltet sind. 2 zeigt die Anschlüsse aller Spulen, die zu Phase A gehören, für eine 12-polige Konfiguration. Das Zeichen (') deutet den Anfang einer Spule an; das Zeichen ('') deutet das Spulenende an. In obigem Schema sind die Spulen #1, #7, #13, #19, #25 und #31 positiv gewikkelte Spulen, während die Spulen #4, #10, #16, #22, #28 und #34 negativ gewickelte Spulen sind. Es ist zu beachten, dass ein Ende jeder Spule an den Mittelpunkt des jeweiligen Wechselrichterzweigs angeschlossen ist, während das andere Ende mit dem Motornullleiter verbunden ist. Der Wechselrichter verfügt über insgesamt 72 Schalter.
  • In einer Konfiguration mit hoher Drehzahl arbeitet die Maschine mit 9 Spulen pro Pol. In diesem spezifischen Beispiel existieren 9 Phasen, wobei jede vier Spulen aufweist (zwei in einer positiven und zwei in einer negativen Richtung gewickelt). Die Spulenanordnung und die Richtung, in der die Spulen gewickelt sind, sind in 3 gezeigt. Wie zuvor angegeben, spezifiziert das (+)- oder (–)-Zeichen, das jeder Phase zugeordnet ist, ob die Spule in einer positiven oder negativen Richtung gewickelt ist. Zum Beispiel besteht die Phase A aus positiv gewickelten Spulen 1 und 19 und negativ gewickelten Spulen 10 und 28. Durch Vergleich der Spulen mit den gleichen Nummern (in den 1 und 3) ist ersichtlich, dass sich die Richtung, in der jede Spule gewickelt ist, nicht ändert, wenn die Anzahl der Pole der Maschine geändert wird, was bedeutet, dass ein Polungswechsel nur erreicht werden kann, indem die festgelegten gewickelten Spulen auf geeignete Weise beschaltet werden (zum Beispiel ist Spule #5 stets in einer positiven Richtung gewickelt, Spule #2 ist stets in einer negativen Richtung gewickelt, usw.).
  • 4 zeigt bei diesem Beispiel eines 4-poligen Anschlusses den Anschluss aller Spulen, die zu der Phase A gehören. Die Änderung der Polanzahl wird über eine Wechselrichterregelung erreicht, d.h. durch Auswählen der Sequenz, in der die Spulen erregt werden. Die Spulen werden über die Wechselrichterregelung neu angeordnet und geeigneten Phasen neu zugeteilt.
  • Das obige Beispiel mit der Anzahl an Polen, der Anzahl an Phasen und der Anzahl an Statorschlitzen soll lediglich dazu dienen, den Grundsatz des Polphasen-Modulationsverfahrens zu erläutern. Die Poländerung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Konfigurationen beschränkt – zum Beispiel kann eine 4-polige Konfiguration auch mit einer 3-Phasenwicklung realisiert werden. Die nötige Flexibilität der Rekonfiguration der Maschinenwicklung durch geeignete Beschaltung der ausgewählten Spulen wird durch die Kombination des ringförmig gewickelten Motors und der Wechselrichterspeisung erreicht.
  • Es gibt zwei grundlegende Verfahren zur Durchführung einer Vektorregelung:
    • A. Das indirekte Verfahren, bei dem dem Motor eine spezifische, vorberechnete Schlupfdrehzahl auferlegt wird. Solange die korrekte Schlupfdrehzahl aufrechterhalten wird (sowohl bei transienten Zuständen als auch im statischen Zustand), arbeitet der Antrieb mit einer entkoppelten (unabhängigen) Regelung des Motorabtriebsdrehmoments und des Läuferflusses.
    • B. Das direkte Verfahren, bei dem eine Position des Läuferflusses entweder direkt gemessen wird oder aus einer Messung anderer Motorvariablen berechnet wird. Wenn eine derartige Messung die Messung der Motordrehzahl oder Position nicht einschließt, nennt man die Regelung "sensorlos". Auch wenn am häufigsten der Läuferfluss herangezogen wird, kann auch der Luftspalt oder der Statorfluss berechnet oder gemessen werden. Die Flussposition wird dann für eine korrekte Orientierung der Antriebsregelung verwendet.
  • Diese Vektorregelungsverfahren wurden jedoch bislang nicht in Verbindung mit Induktionsmaschinen und einer Polphasen-Modulation eingesetzt.
  • Aus DE 199 00 282 A1 ist eine Drehfeld-Synchronmaschine bekannt, bei welcher im Motorbetrieb zu höheren Drehzahlen hin die wirksame Windungszahl in Stufen durch entsprechende Ansteuerung bzw. Block-Einschaltung der Transistoren reduziert wird, während im Generatorbetrieb die Reduzierung der wirksamen Windungszahl automatisch erfolgt.
  • In Osama, M. et al.: "Experimental and finite element analysis of an electronic pole-change drive" in Industry Applications Conference, 1999, thirty-fourth IAS Annual Meeting, Conference Record of the 1999 IEEE, Volume: 2, 3–7 Oct. 1999, Page: 914–921 vol. 2 wird eine experimentelle und theoretische Analyse einer Induktionsmaschine mit elektronisch erfolgender Pol-Änderung beschrieben, die mittels Umkehrung der in den Wicklungsgruppen fließenden Ströme erreicht wird, wobei durch Anwendung dieses Prinzips eine 8/4 Pol-Induktionsmotoransteuerung oder eine 4/2-Pol-Induktionsmotoransteuerung realisiert werden.
  • Aus US 6,008,616 A ist ein Induktionsmotor bekannt, bei welchem eine elektronische Änderung der Polzahl zwischen n und 2n (n = 2, 4, ...) erfolgt.
  • Aus DE 198 29 442 A1 ist eine Einrichtung zur Umschaltung der Windungszahl im Starter- und Generatorbetrieb eines Drehstromgenerators bekannt, bei welcher mittels einer Stellvorrichtung die Kontakte so miteinander verbunden werden, dass eine Parallel- oder eine Reihenschaltung der Spulen vorliegt.
  • Ringförmig gewickelte Induktionsmaschinen mit Polphasen-Modulation sind aus der als nächstkommender Stand der Technik anzusehenden US 5 977 679 A bekannt.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine alternative elektrische Maschinenanordnung bzw. eine Kraftfahrzeugantriebseinrichtung zu schaffen, die im Motor- und Generatormodus über einen weiten Drehzahl- und Drehmomentbereich arbeitet, wobei die Zielvorgabe eines großen Drehmoments und einer niedrigen Drehzahl beim Starten des Motors und die Zielvorgabe einer hohen Effizienz und eines weiten Drehzahlbereichs des Generators bei Verwendung eines kombinierten Drehstromgenerator-Starters miteinander vereinbart werden können.
  • Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe durch Kombination des PPM-Verfahrens für die Poländerung mit einer Vektorregelung. Die Verwendung einer Toroidalmaschine erleichtert zum einen die Implementierung des PPM-Verfahrens und wird zum anderen auch im Hinblick auf eine verbesserte Warmeübertragung bevorzugt.
  • Die Maschinenanordnung weist eine Motoranordnung mit einer Induktionsmaschine mit einem ringförmig gewickelten Stator und einem Käfigläufer auf. Der ringförmig gewickelte Stator weist eine Vielzahl von Phasenwicklungen auf. Ein Wegfühler ist operativ – d.h. in Wirkverbindung – mit der Induktionsmaschine verbunden, um eine Positionsanzeige bereitzustellen, die eine relative Position des Läufers und des Stators anzeigt. Die Motoranordnung weist weiterhin einen Wechselrichter mit einer Vielzahl von Festkörperschaltern („solid state switches") und einer Regelung auf. Der Wechselrichter weist die gleiche Phasenanzahl wie die toroidale Induktionsmaschine auf. Der Wechselrichter ist derart angeschlossen, dass dieser die Phasenwicklungen selektiv erregt. Ein programmierbarer Mikroprozessor, z.B. ein Digitalsignalprozessor, ist operativ mit der Induktionsmaschine verbunden und weist ein Programm auf, mit dem die Vektorregelung der Induktionsmaschine durchgeführt wird. Das Programm regelt den Wechselrichter derart, dass die Induktionsmaschine mit einer vorbestimmten Polenanzahl unter Verwendung der Polphasen-Modulation arbeitet.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um gleiche oder ähnliche Teile oder Elemente zu bezeichnen. Es zeigen:
  • 1 eine Tabelle, die die Phasen- und Spulenanschlüsse für eine 12-polige Maschinenkonfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert;
  • 2 eine schematische Darstellung der Anschlüsse der Phase A für die 12-polige Maschinenkonfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 3 eine Tabelle, die die Phasen- und Spulenanschlüsse für eine 4-polige Maschinenkonfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert;
  • 4 eine schematische Darstellung der Anschlüsse der Phase A für die 4-polige Maschinenkonfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 5 eine perspektivische Ansicht eines Fahrzeugs mit Eigenantrieb mit einem integrierten Drehstromgenerator-Starter gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 6 eine schematische Erläuterung einer Implementierungsweise einer indirekten feld-orientierten Regelung für den Motorbetrieb unter besonderer Berücksichtigung der Messung der Läuferposition (Winkel θr) und der Berechnung der Läuferflussposition (Winkel θ);
  • 7 eine schematische Erläuterung einer möglichen Implementierungsweise einer indirekten feld-orientierten Regelung für die Anwendung als Generator, wobei eine Gleichstrom-Zwischenkreisspannung als Eingabegröße verwendet wird, die das Generatorwiderstandsdrehmoment bestimmt, und wobei die Flussregelung, die Schlupfdrehzahlberechnung und die Erzeugung der Synchrondrehzahl (Winkel θ) wie bei der in 6 gezeigten Motorregelung unter gleicher Bezeichnung der Regelblöcke durchgeführt werden; und
  • 8 ein schematisches Funktionsschema des integrierten Starter-Drehstromgenerators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 5 zeigt ein Fahrzeug 100 mit Eigenantrieb, mit einer integrierten Starter-Drehstromgenerator-Induktionsmaschine 102, die zwischen einem Motor 104 und einem Getriebe 106 angeordnet ist. Ein integrierter Starter-Drehstromgenerator-Regler 108 (starter alternator controller, auch als SAM bezeichnet) befindet sich in der Nähe des Starter-Drehstromgenerators 102, um diesen zu regeln. Der integrierte Starter-Drehstromgenerator-Regler 108 ist operativ mit einer 42V-Batterie 110, einer 12V-Batterie 111 und einer Fahrzeugsystemregelvorrichtung (VSC) und einer Batteriesteuerungsvorrichtung 112 (BMC) verbunden.
  • Die Vektorregelung während des Motorbetriebs wird im Folgenden näher erläutert. Der Motorbetrieb kann entweder anhand der Soll-Drehzahl oder anhand des Soll-Drehmoments als Eingangsgröße erfolgen. Die vorliegende Erfindung ist in beiden Fällen anwendbar. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird nachfolgend die Implementierung auf der Basis der Soll-Drehzahl beschrieben. Eine der möglichen Implementierungen zur Regelung der Motordrehzahl ist schematisch in 6 dargestellt.
  • Die Soll-Drehzahl ω* wird mit der gemessenen Drehzahl ωr verglichen. Die Drehzahlabweichung wird durch einen Drehzahlregler (Block 1) verarbeitet, dessen Ausgabe einen Drehmomentbefehl T* definiert. Dieses Drehmoment wird in eine Stromkomponente des Soll-Drehmoments, iq* in Block 2, umgewandelt. Dieser Strom wird mit der das gemessene Drehmoment erzeugenden Komponente iqfb verglichen. Die Stromabwei chung bzw. der Stromfehler wird dann als Eingangsgröße für den q-Stromregler (Block 3) verwendet, dessen Ausgangssignal die q-Komponente der Soll-Motorspannung Vq* definiert.
  • In Block 4 wird der Soll-Motorfluss Ψdr* in die Soll-Flusskomponente des Statorstroms ids* umgewandelt. Dieser Strom wird mit der gemessenen Flussstromkomponente idfb verglichen. Die resultierende Stromabweichung wird durch den d-Stromregler (Block 5) verarbeitet, dessen Ausgabe die d-Komponente der Soll-Motorspannung Vd* definiert. Es ist zu beachten, dass im Falle einer Feldschwächung das Soll-Flussniveau Ψdr* entsprechend verringert wird.
  • Die Soll-Schlupfdrehzahl ωs wird in Block 6 gemäß der Gleichung
    Figure 00110001
    berechnet.
  • Die auf diese Weise berechnete Schlupfdrehzahl wird integriert und der Schlupfwinkel θs wird zu der gemessenen Läuferposition θr addiert, um die Position des Läuferflusses θ zu erhalten. Die Position des Läuferflusses wird dann verwendet, um eine Umwandlung zwischen dem feststehenden Bezugssystem, in dem die Motorströme gemessen werden, und dem sich synchron drehenden Bezugssystem, in dem die Regelung erfolgt, durchzuführen. Diese Umwandlung erfolgt in Block 7. Der Flusspositionswinkel wird weiterhin dazu verwendet, die berechneten Soll-Motorspannungen Vq* und Vd* von dem sich synchron drehenden Bezugssystem in das feststehende Bezugssystem (Block 8) umzuwandeln, wobei sich die Soll-Phasenspannungen VA, VB und Vc ergeben. Die Soll-Phasenspannungen definieren das Wechselrichter-PBM-Muster und somit die Motoreingangsspannungen. Schließlich wird die gemessene Läuferposition θr in geeigneter Weise differenziert, um die Motorrückkopplungsdrehzahl ωr zu erhalten. Dieses Signal wird dann verwendet, um die Rückkopplungsschleife der Fahrgeschwindigkeit zu schließen.
  • Im Betrieb als Generator erhält die Induktionsmaschine eine Blindleistung von der angeschlossenen Stromversorgung (wie zum Beispiel einer Batterie) und liefert der Last eine Wirkleistung. Eine Generatorregelung kann anhand verschiedener, nachfolgend angegebener Variablen als Solleingangssignal durchgeführt werden:
    • A. Gleichstrom-Verteilungsspannung (Gleichstrom-Zwischenkreisspannung, DC link voltage). In diesem Fall hält die Generatorregelung die gewünschte Spannung an den Wechselrichter-Gleichstromanschlüssen aufrecht, und zwar unabhängig von der Generatordrehzahl oder der Stromlast. Dies stellt die übliche Regelungskonfiguration dar.
    • B. Generatorausgangsstrom. In diesem Falle hält die Regelung den Gleichstrom-Zwischenkreis-Ausgabestrom des Generators auf einem spezifizierten Wert. Diese Konfiguration wird manchmal verwendet, um z.B. den Batterieladestrom zu regeln.
    • C. Generatordrehzahl. In diesem Falle wird der Generator mit einer spezifizierten Drehzahl betrieben, und zwar unabhängig von der Last und der Kraftmaschine (prime mover). Diese Konfiguration wird manchmal verwendet, um die Effizienz eines Windmotorkraftwerks (wind turbine generating section) zu optimieren.
    • D. Wirkleistung. In diesem Fall regelt die Regelung die von dem Generator zugeführte Leistung auf das gewünschte Niveau. Dieser Modus stellt eine Kombination der ersten beiden Modi dar.
  • Es können auch andere Variablen als Solleingaben verwendet werden.
  • Wie zuvor angegeben, kann jede der Konfigurationen A bis D entweder durch eine direkte oder eine indirekte Vektorregelung implementiert werden. Das Generatorregelungskonzept wird nachfolgend anhand einer indirekten Vektorregelung erläutert. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird nachfolgend eine Regelung, die die Gleichstromspannung auf einem gewünschten Niveau hält, beschrieben. Diese Regelung ist in 7 schematisch dargestellt.
  • Die Reglung ist im Wesentlichen sehr ähnlich zu der Motorreglung gemäß 6 und es gelten hierfür die gleichen Bemerkungen und Regelblockbezeichnungen wie vorstehend erläutert. Die Spannungsrückkopplungsschleife ist analog der Drehzahlrückkopplungsschleife in 6 ausgebildet, da in beiden Fällen die Wirkleistung der Maschine geregelt wird. Die Soll-Spannung V* wird mit der gemessenen Gleichstromspannung Vfb verglichen. Der Unterschied zwischen diesen beiden Spannungen wird über den Spannungsregler (Block #1) verarbeitet. Die Reglerausgabe wird durch die Statorfrequenz ω dividiert, um die Abhängigkeit von dem Drehzahlsignal auszugleichen, und mit (–1) multipliziert, um die korrekte Richtung des Spannungsreglers zu ergeben, d.h. die den Generator-Soll-Drehmoment erzeugende Stromkomponente iq*. Dieses Befehlssignal wird mit dem das gemessene Drehmoment erzeugenden Strom iqfb verglichen. Der Unterschied wird über den q-Stromregler (Block #3) verarbeitet, dessen Ausgabe die Soll-q-Spannungskomponente Vq* darstellt.
  • Der Eingangsspannungsbefehl V* bestimmt den Generatorbetriebspunkt, d.h. den Sollstrom iq* und das Generatorwiderstandsdrehmoment. Z. B. führt iq* = 0 zu einem Betrieb mit synchroner Drehzahl. In der Tat ermöglicht die Regelung von iq* sehr sanfte Übergänge zwischen dem Motor- und dem Generatormodus, während das Maschinenfeld konstant gehalten wird.
  • In dem Funktionsschema für die ISA, wie in 8 gezeigt, wird eine Optimierungsfunktionalität zur Basisregelung (6 und 7) addiert, wobei die Modusumschaltungen mittels eines Satzes von Softwareweichen S1 und S2 gesteuert werden. S1 wählt die Befehlsquelle für iqs* (Motor- oder Spannungsregelung) und gleichzeitig definiert die Polzahl S2 das Flussniveau (maximal für den Motorbetrieb oder einstellbar im Fall eines Generators). Der Weichenzustand wird in der oberen Position mit "1" und in der unteren Position mit "0" bezeichnet. 8 zeigt weiterhin den Motorbetrieb anhand des Solldrehmoments Tcrank im Gegensatz zur Drehzahlregelung gemäß den 6 und 7. Für einen 3-phasigen, 12-poligen (12p) Betrieb (großes Drehmoment, Starten bei niedriger Drehzahl) werden die Weichen S1 auf 1 und S2 auf 1 eingestellt.
  • Wenn eine verlängerte Start- oder Fahrzeuganfahrunterstützung (oder sogar ein Hochaufladen bzw. high end boosting) gewünscht ist, wird S1 = 1 und S2 = 0 gesetzt, so dass das Flussprogramm für die Feldschwächung bei hoher Drehzahl eingeschaltet ist. Dabei wird der Wechselrichtermodus (12P, 3ϕ oder 4P, 9ϕ) durch S1 gewählt.
  • Im Generatormodus (S1 = 0 oder Standard) wird der Drehmomentmodus abgewählt und der spannungsgeregelte Modus eingeschaltet. Der Spannungsregelpunkt V*rag wird mit der Spannung der Batterie Vb verglichen. Die Ausgabe des Spannungsreglers wird verstärkt und über kv skaliert, wodurch sich ein Drehmomentstrombefehl i*qs als Eingabe in einen Synchronrahmen-Stromregler ergibt, wobei dieser mit dem Rückkopplungsstrom IDQ verglichen wird.
  • Die Ausgabe des Stromreglers definiert den Spannungsbefehl V*dqs, wie zuvor beschrieben. Dieser Spannungsbefehl in dem synchronen Bezugssystem bzw. -rahmen (frame) wird zunächst unter Verwendung des Flusspositionswinkels θ zu einem 2-phasigen feststehenden (α-β-Bezugssystem), und dann zu einem 9-phasigen Bezugssystem umgewandelt (für den Motorbetrieb erfolgt die Umwandlung offensichtlich zum 3-phasigen Bezugssystem).
  • Die Flussoptimierung wählt das beste Flussniveau für einen Generator- oder Motorbetrieb mit hoher Drehzahl aus (für einen Motorstart bei geringer Drehzahl wird der maximale Fluss ausgewählt).
  • Die Schlupfberechnung und die Synthese des Flusspositionswinkels θ erfolgen auf die gleiche Weise wie zuvor beschrieben.
  • Es sei betont, dass die hier angegebenen Beispiele für die Durchführung des Polwechsels (PPM, 1–4) und der Vektorregelung (6–8) nur zur Illustration der Erfindung angegeben sind und in keiner Weise die hier beanspruchten Konzepte beschränken sollen. Weiterhin kann der vorstehend erwähnte Mikroprozessor von jedem Typ sein, einschließlich eines DSP, eines in einem Computer angeordneten Mikroprozes sors oder anderer Arten von Mikroprozessoren, die aus dem Stand der Technik wohl bekannt sind. Weiterhin kann die vorstehend beschriebene Vektorregelung gleichfalls durchgeführt werden kann, indem ein sensorloses Verfahren verwendet wird, das im Stand der Technik bekannt ist.

Claims (7)

  1. Elektrische Maschinenanordnung, aufweisend: eine Induktionsmaschine (102) mit einem Stator und einem Läufer, wobei der Stator eine Vielzahl von Phasenwicklungen aufweist, die im Stern verschaltet sind; einen Wechselrichter mit einer Mehrzahl von Festkörperschaltern in Halbbrückenanordnung und zugehörigen Freilaufdioden mit entsprechenden Regelungseinrichtungen und mit der gleichen Phasenanzahl wie die Induktionsmaschine (102), wobei der Wechselrichter derart angeschlossen ist, dass dieser die Wicklungen selektiv erregen kann; und einen programmierbaren Mikroprozessor, der operativ mit dem Wechselrichter verbunden ist und ein Programm zum Regeln des Wechselrichters aufweist, das den Betrieb der Induktionsmaschine (102) unter Verwendung einer Polphasen-Modulation ermöglicht, bei der die Phasenwicklungen in einer beliebig vorgebbaren, während des Betriebs beliebig variierbaren Polphasenkonfiguration verbunden werden, wobei bei jeder Polphasenkonfiguration alle Phasenwicklungen erregt werden, wobei das Programm eine Vektorregelung der Induktionsmaschine durchführt, wobei die Vektorregelung an die jeweilige Polphasenkonfiguration entsprechend angepasst wird, wobei die Vektorregelung ohne Drehzahlsensor und ohne Positionssensor durchführbar ist; wobei das Programm derart ausgebildet ist, dass dieses die Steuerung der Induktionsmaschine (102) zwischen einem Motorbetriebsmodus und einem Generatorbetriebsmodus umschaltet, wobei sowohl in dem Motorbetriebsmodus als auch in dem Generatorbetriebsmodus die Induktionsmaschine (102) mit einer gewünschten Polzahl betreibbar ist, indem über die Wechselrichterregelung die Reihenfolge, in der die Wicklungen erregt werden, entsprechend der gewünschten Polzahl angeordnet und geeignete Phasen entsprechend zugeteilt werden.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Programm derart ausgebildet ist, dass dieses die Induktionsmaschine (102) als Generator ansteuert.
  3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator als ringförmig gewickelter Stator ausgebildet ist.
  4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer als Käfigläufer ausgebildet ist.
  5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der programmierbare Mikroprozessor als Digitalsignalprozessor ausgebildet ist.
  6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Wegfühler, der operativ mit der Induktionsmaschine (102) verbunden ist, um eine Positionsanzeige bereitzustellen, die eine relative Position des Läufers und des Stators anzeigt.
  7. Kraftfahrzeugantriebseinrichtung mit einer elektrischen Maschinenanordnung, wobei die elektrische Maschinenanordnung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
DE10157257A 2000-12-02 2001-11-22 Toroidal gewickelter Asynchronmotorgenerator mit wählbarer Polzahl Expired - Fee Related DE10157257B4 (de)

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US09/728,889 US6876176B2 (en) 2000-12-02 2000-12-02 Toroidally wound induction motor-generator with selectable number of poles and vector control

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