DE102012111051A1

DE102012111051A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Emulieren

Info

Publication number: DE102012111051A1
Application number: DE102012111051.4A
Authority: DE
Inventors: Thomas Hodrius; Stefan Uebener
Original assignee: SET POWER SYSTEMS GmbH
Current assignee: SET POWER SYSTEMS GmbH
Priority date: 2012-11-16
Filing date: 2012-11-16
Publication date: 2014-05-22
Also published as: WO2014076205A3; WO2014076205A2; EP2920600A2

Abstract

Erläutert wird unter anderem eine Vorrichtung (14, 14a, 14b), enthaltend: – eine Speichereinheit (M), wobei in der Speichereinheit (M, LUT1) zu einer Vielzahl von Werten für mindestens eine der folgenden Größen oder zu allen dieser Größen: – Längskomponente eines magnetischen Flusses oder eines oder des verketteten Flusses (Psi_d, Psi_d_D), – Querkomponente eines magnetischen Flusses oder eines oder des verketteten Flusses (Psi_q, Psi_q_D), jeweils mindestens ein Wert einer der folgenden Größen oder aller der folgenden Größen gespeichert ist: – Längskomponente eines Stromes (id), – Querkomponente eines oder des Stromes (iq).

Description

Das Emulieren von Elektromotoren/Generators kann mit Hilfe von Nachbildungseinheiten erfolgen. Es kann eine feldorientierte Nachbildung verwendet werden unter Verwendung eines Drehwinkelsensors oder auch ohne Signalgeber.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, enthaltend:

– eine erste Speichereinheit, wobei in der ersten Speichereinheit zu einer Vielzahl von Werten für mindestens eine der folgenden Größen oder zu allen dieser Größen:
– Längskomponente eines magnetischen Flusses oder eines verketteten Flusses,
– Querkomponente eines oder des magnetischen Flusses oder eines oder des verketteten Flusses,

– Längskomponente eines Stromes,
– Querkomponente eines oder des Stromes.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren enthaltend:

– Verwenden einer Vielzahl von Wertegruppen jeweils enthaltend mindestens einen Wert einer der folgenden Größen:
– Längskomponente eines magnetischen Flusses oder eines verketteten Flusses,
– Querkomponente eines oder des magnetischen Flusses oder eines oder des verketteten Flusses,

– Längskomponente eines Stromes,
– Querkomponente eines oder des Stromes,

Es ist Aufgabe von Weiterbildungen der Erfindungen eine einfach aufgebaute Vorrichtung anzugeben, die insbesondere eine genaue und/oder schnelle Emulation der E-Maschine ermöglicht, insbesondere einer rotierenden E-Maschine, bzw. genauer einer E-Maschine mit rotierenden Teilen. Außerdem soll ein zugehöriges Verfahren angegeben werden.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bzw. durch ein Verfahren gemäß dem nebengeordneten Verfahrensanspruch gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Vorrichtung kann enthalten:

– eine Speichereinheit, wobei in der Speichereinheit zu einer Vielzahl von Werten für mindestens eine der folgenden Größen oder zu allen dieser Größen:
– Längskomponente eines magnetischen Flusses oder eines verketteten Flusses, insbesondere in einem rotorfesten Koordinatensystem,
– Querkomponente eines oder des magnetischen Flusses oder Querkomponente eines oder des verketteten Flusses, insbesondere in einem oder in dem rotorfesten Koordinatensystem,

– Längskomponente eines Stromes, insbesondere in dem rotorfesten Koordinatensystem,
– Querkomponente eines oder des Stromes, insbesondere in dem rotorfesten Koordinatensystem.

So können bspw. mehr als 10, 100, 1000, mehr als 10000 oder mehr als hunderttausend Werte bzw. Wertegruppen der Längskomponente des Stromes oder der Querkomponente des Stromes gespeichert werden.
Es kann bspw. nur die Längskomponente des Stromes mit Hilfe der Speichereinheit ermittelt werden. Die Querkomponente des Stromes kann auf andere Art ermittelt werden, bspw. aus einer Nachbildung eines Elektromotors/Generators, die keine der Speichereinheit entsprechende Speichereinheit enthält.
Es kann bspw. aber auch nur die Querkomponente des Stromes mit Hilfe der Speichereinheit ermittelt werden. Die Längskomponente des Stromes kann auf andere Art ermittelt werden, bspw. aus einer Nachbildung eines Elektromotors/Generators, die keine der Speichereinheit entsprechende Speichereinheit enthält.
Es können jedoch auch sowohl die Längskomponente und die Querkomponente mit Hilfe der Speichereinheit ermittelt werden, wobei keine anderen Nachbildungen eines Elektromotors/Generators verwendet werden können bzw. müssen.
Die Werte der Flusskomponente bzw. der Flusskomponenten können Harmonische des magnetischen Flusses oder des verketteten Flusses berücksichtigen bzw. enthalten. So kann zu Flusskomponenten ein Wert addiert werden, der den Beitrag dieser Harmonischen wieder gibt. Alternativ werden Werte der Flusskomponente bzw. der Flusskomponenten als Eingangsgrößen für das Lesen der Speichereinheit verwendet, zu denen explizit keine solche Harmonische einer Gegen EMK hinzu addiert worden sind.
In einem ersten zweidimensionalen Feld können Werte der Längskomponente des Stroms für Werte der Längskomponente des Flusses und für Werte der Querkomponente des Flusses gespeichert werden. Alternativ oder zusätzlich können in einem zweidimensionalen Feld Werte der Querkomponente des Stroms für Werte der Längskomponente des Flusses und für Werte der Querkomponente des Flusses gespeichert werden.
Die Speichereinheit kann über Adressen adressiert werden. Den Adressen können nach einer Zuordnungsvorschrift Werte des magnetischen Flusses zugeordnet sein. So kann es Adressbereiche für jeweils einen Wert der Längskomponente geben, in denen jeweils eine Vielzahl von Werten der Querkomponente des Flusses adressierbar sind. Umgekehrt kann es Adressbereiche für jeweils einen Wert der Querkomponente geben, in denen jeweils eine Vielzahl von Werten der Längskomponente des Flusses adressierbar sind. Alternativ wird die Speichereinheit in einem FPGA realisiert.
Es kann eine lineare Interpolation oder eine bilineare Interpolation beim Zugriff auf das Feld oder auf beide Felder verwendet werden.
Durch das Verwenden einer Speichereinheit können Nichtlininearitäten zwischen Fluss und Strom auf einfache Weise implizit berücksichtigt werden. Insbesondere können nichtlineare Sättigungseffekte genauer berücksichtigt werden, z.B. im Eisen des Motors/Generators. Die Sättigungseffekte werden beim Aufnehmen der Werte bzw. Wertegruppen des Motors/Generators implizit berücksichtigt. Das Aufnehmen der Werte wird bspw. unten an Hand der 7 näher erläutert.
Durch das Verwenden der Speichereinheit ist die Nachbildung auch in einem weiteren Bereich parametrierbar. Die in der Speichereinheit gespeicherten Werte werden bspw. an einem Elektromotor/Generators gemessen oder aus einer räumlichen Simulation gewonnen. Die physikalischen Parameter des Motors/Generators sind demzufolge in den in der Speichereinheit enthaltenen Werten implizit enthalten, z.B. Länge des Rotors bzw. Stators, Durchmesser des Rotors oder Stators, Wicklungsanzahl und Windungszahl der Statorwicklungen, durch Permanentmagnete erzeugter Fluss, Luftspaltbreite zwischen Rotor und Stator. usw.
Außerdem kann die Speichereinheit sehr schnell ausgelesen werden, z.B. in einer Zeit kleiner als 10 ns (Nanosekunden). Dies ermöglicht eine schnelle Nachbildung der Maschinencharakteristik bzw. des Elektromotors/Generators, die sich kaum von der Charakteristik eines realen Elektromotor/Generators unterscheidet. Die Nachbildung kann die Grundlage für einen Emulator bilden, was unten noch näher erläutert wird.
Die Berücksichtigung der Längskomponente bzw. der Querkomponente des Flusses erlaubt eine einfache Nachbildung und ist für Regelungszwecke besonders gut geeignet, da es bspw. einfache physikalische Zusammenhänge zwischen diesen Komponenten und der Drehzahl und/oder dem Drehmoment des Motors/Generators gibt.
Aus erfassten bzw. gemessenen Werten, die vorzugsweise digitalisiert werden, können durch Transformation Eingangsgrößen für die Nachbildung bzw. Regelung erzeugt werden. Eine dieser Transformationen ist bspw. die Clarke und Park Transformation, die auch als d/q, dq0 bzw. Park-Transformation bezeichnet wird, wobei im Folgenden der Begriff "Clarke und Park Transformation" sowohl für eine Park als auch für eine Clarke Transformation sowie für die Abfolge einer Clarke und einer Park Transformation verwendet wird.
Die d/q-Transformation ist z.B. gegeben als:
I_d = Quadratwurzel(2/3)(Iucos(theta) + Ivcos(theta – 2Pi/3) + Iwcos(theta + 2Pi/3)),
I_q = Quadratwurzel(2/3)(– Iusin(theta) – Ivcos(theta – 2Pi/3) – Iwcos(theta + 2Pi/3)),
wobei I_d der Längsstrom, I_q der Querstrom, Iu, Iv, Iw die Phasenströme, theta der Drehwinkel und Pi die gleichnamige Zahl 3,14... ist.
Wird die d/q Transformation über eine zuvor durchgeführte Clarke-Transformation und die daraus gewonnenen Parameter I_alpha und I_beta durchgeführt, reduziert sich die d/q Transformation auf eine Drehung:
I_d = Quadratwurzel(2/3)(I_alphacos(theta) + I_betasin(theta)),
I_q = Quadratwurzel(2/3)(– I_alphasin(theta) + I_betacos(theta)).
An Stelle von Strömen können auf gleiche Weise auch Spannungen, Flüsse oder andere physikalische Größen transformiert werden. Es werden also bspw. 3 Phasen eines statorfesten Koordinatensystems in zwei Phasen eines rotorfesten Koordinatensystems umgewandelt und umgekehrt.
Transformationen bzw. Rück-Transformationen können ebenfalls verwendet werden, um von den bei der Nachbildung verwendeten Größen wieder zu Größen zu gelangen, die zur Ansteuerung eines Umrichters dienen können bzw. zur Emulation, d.h. Phasenspannungen bzw. Phasenströme oder PWM Signale (PulsWeitenModulation).
Der Motor kann bspw. ein permanentmagneterregter Synchronmotor (PMSM) sein, mit bspw. drei Phasen oder mehr als drei Phasen. Andere Motortypen/Generatortypen können ebenfalls unter Verwendung von Tabellen, die in der Speichereinheit gespeichert werden, nachgebildet werden, z.B. Asynchronmotoren, Gleichstrommotoren, fremd erregte Synchronmotoren bzw. entsprechende Generatoren.
Der Motor kann ein Motor großer Leistung sein, insbesondere mit einer Leistung größer als 1 kW (Kilowatt) oder größer als 10 kW oder größer als 100 kW. Solche Motoren können als Antriebsmotoren verwendet werden. Auch Motoren kleiner Leistung können emuliert werden, z.B. kleiner als 1 kW oder kleiner als 100 Watt.
Schalteinheiten bzw. Umrichter für diese Motoren bzw. deren Ansteuereinheiten können mit einem Emulator frühzeitig getestet werden. Der Emulator kann auch in der Produktion der Schalteinheiten bzw. Ansteuereinheiten für Testzwecke bzw. für die Qualitätsprüfung eingesetzt werden. Durch einfaches Umprogrammieren des Emulators bzw. Umschalten zwischen verschiedenen Speichereinheiten, in denen zu Flusskomponenten Ströme gespeichert sind, können schnell und unkompliziert voneinander verschiedene Motortypen berücksichtigt werden, was zu einer Verringerung des Aufwands im Vergleich zum Verwenden von echten Elektromotoren für den Test der Schalteinheit/Umrichter führt. Weitere technische Wirkungen sind:

– weniger Geräusche und keine Vibration beim Test,
– höhere Dynamik, insbesondere hinsichtlich Drehzahl und Last,
– Fehlerstimulation und Fehlernachbildung,
– kein Verschleiß,
– keine drehenden Teil, so dass die Anforderungen an den Arbeitsschutz sinken, etc.

Die Vorrichtung kann eine erste vorzugsweise elektronische Schalteinheit enthalten, wobei die Vorrichtung Anschlüsse enthalten kann, mit denen die erste Schalteinheit an eine zweite vorzugsweise elektronische Schalteinheit, bspw. die zu testende Schalteinheit, angeschlossen werden kann. Die Anschlüsse können Klemmen, insbesondere Schraubklemmen oder Klemmklemmen, Stecker oder Buchsen enthalten, so dass ein leichtes Anschließen möglich ist. Ggf. können Kopplungsspulen zwischen die beiden Schalteinheiten geschaltet werden. Typische Induktivitäten für diese Kopplungsspulen hängen vom zu emulierenden Motor ab und liegen bspw. im Bereich von 5 Mikrohenry bis 100 Millihenry.
Die erste Schalteinheit und/oder die zweite Schalteinheit kann ebenfalls ein Umrichter bzw. Inverter bzw. Wechselrichter sein, der mehrere Schaltzweige enthält, in denen jeweils mindestens zwei elektronische Leistungs-Schaltelemente angeordnet sind, z.B. Schalttransistoren wie FETs (FeldEffekt Transistor, MOSFETs (MetallOxid FET) oder IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor), usw. Die elektronischen Schalteinheiten können Leistungsschalteinheiten sein mit einer Schaltleistung größer als 1 Kilowatt oder größer als 10 Kilowatt oder größer 100 Kilowatt. Die beiden Schalteinheiten können also ein Paar bilden, wobei die erste Schalteinheit einen Elektromotor/Generator nachbildet und die zweite Schalteinheit die Nachbildung des Elektromotors betreibt. Im Gegensatz zu anderen Nachbildungen, z.B. HIL (Hardware In the Loop), fließen hohe reale Ströme, was die Grundlage für den realen Test von Prüflingsumrichtern bilden kann, z.B. von Halbleiterbauelementen und/oder einer Steuerung im Prüfling.
Die erste Schalteinheit und/oder die zweite Schalteinheit kann mindestens zwei Ausgänge oder mindestens drei Ausgänge enthalten oder haben, wobei je Ausgang mindestens zwei Schaltungszweige vorhanden sind, und wobei jeder Schaltungszweig mindestens zwei Schaltelemente enthält. Damit handelt es sich bei der Schalteinheit um eine Mehrphasenschalteinheit mit mindestens drei oder mindestens vier voneinander verschiedenen Stromführungsphasen je Ausgang. Die Stromführungsphasen entsprechen verschiedenen Schaltstellungen bzw. Schaltmodi der Schaltelemente. An Stelle von Schaltelementen lassen sich auch in bestimmen Maße auch Dioden einsetzen, insbesondere in Kombination mit Schalteinheiten in demselben Schaltungszweig.
Durch das Verwenden von mehreren Stromführungsphasen, lassen sich Oberwellen (ripple) der Ströme reduzieren. Die glatteren Schaltströme ermöglichen eine bessere Emulation bzw. Regelung eines Elektromotors.
Gerade die Kombination von Speichereinheit, in der zu Flusskomponenten ein Strom oder mehrere Ströme vermerkt sind, und Mehrphasenumrichter ermöglicht besonders gute Emulationsergebnisse.
Die zu einem Ausgangsanschluss gehörenden Schaltungszweige können jeweils mit einem Ende einer Spule verbunden sein. Die anderen Enden der Spulen können mit dem betreffenden Ausgangsanschluss verbunden sein. "Verbunden" bedeutet in dieser Anmeldung insbesondere elektrisch leitfähig verbunden.
Alternativ kann nur ein einphasiger Umrichter verwendet werden, bei dem je Ausgang nur ein Schaltungszweig verwendet wird.
Die Spulen sind bspw. handelsüblich und haben entsprechend angepasste Induktivitäten. Ein Beispiel für einen Mehrphasenumrichter/Inverter wird unten an Hand 2 noch näher erläutert.
Die Schalteinheit kann je Schaltungszweig mindestens drei oder mindestens vier Schaltelemente enthalten. Somit handelt es sich um einen Mehrpunkt- oder Multilevelinverter bzw. einen Mehrpunktumrichter. Durch die Verwendung mehrerer Schaltelemente in einer Brückenschaltung lässt sich die Spannungsbelastung der Schaltelemente verringern.
Insbesondere die Kombination von Mehrphasen- und Multilevelumrichter/Inverter sowie der Speichereinheit (Flusskomponenten, Ströme) ermöglicht eine besonders genaue Emulation bzw. Regelung. Ein Beispiel für einen Multilevelinverter wird ebenfalls unten an Hand 9 noch näher erläutert.
Alternativ kann aber auch nur ein einphasiger Multilevelumrichter verwendet werden, bei dem je Ausgang nur ein Schaltungszweig verwendet wird.
Die Vorrichtung kann eine Umschalteinheit enthalten, mit der in einen zweiten Betriebsmodus geschaltet werden kann, in dem für eine Längskomponente des magnetischen Flusses und/oder für eine Querkomponente des magnetischen Flusses ein Längsstrom und/oder ein Querstrom nach einer vorgegebenen Berechnungsvorschrift berechnet wird, insbesondere unter Verwendung mindestens eines Induktivitätswertes für eine Längsinduktivität oder für eine Querinduktivität.
Obwohl der Längsstrom und/oder der Querstrom in einem ersten Betriebsmodus auch mit der Speichereinheit ermittelt werden könnte, wird er bzw. werden sie auf andere Art und Weise ermittelt. Dies ermöglicht bspw. eine Vergleichsemulation. Auch kann ein Anwender mit weniger Parametern, bspw. nur für die Längsinduktivität und/oder die Querinduktivität eine Emulation im zweiten Betriebsmodus durchführen.
Die Vorrichtung kann zusätzlich zu der oben genannten Speichereinheit, die auch als erste Speichereinheit bezeichnet wird, eine zweite Speichereinheit enthalten, in der zu einer Vielzahl von Werten für einen elektrischen und/oder physikalischen Feldwinkel jeweils mindestens ein Wert einer der folgenden Größen bzw. Daten gespeichert ist:

– Längskomponente der Summe der Harmonischen des magnetischen Flusses oder des verketteten Flusses,
– Querkomponente der Summe der Harmonischen des magnetischen Flusses oder des verketteten Flusses.

So können in der zweiten Speichereinheit mehr als 10, 100, 1000 Wertegruppen bzw. mehr als 10000 Wertegruppen gespeichert werden. Es kann vor dem Lesen der zweiten Speichereinheit eine Rundung des Wertes des elektrischen Feldwinkels durchgeführt werden. Auch kann ein Interpolation zwischen Werten durchgeführt werden, die aus der zweiten Speichereinheit ausgelesen worden sind.
Das Berücksichtigen der Harmonischen ermöglicht sehr exakte Emulationen bzw. Regelungen, insbesondere in Kombination mit einem Mehrphaseninverter und/oder einem Multilevelinverter sowie insbesondere in Kombination mit der im Anspruch 1 genannten Speichereinheit.
Bei Anwendungen mit Simulationsschritten bzw. Emulationsschritten im vergleichsweise großen Millisekundenbereich kann an Stelle des Verwendens der zweiten Speichereinheit (z.B. LUT – Look Up Table) auch eine Echtzeitberechnung Harmonischen bzw. der Gegen EMK durchgeführt werden, wobei eine Berechnungsformel verwendet werden kann.
Die Vorrichtung kann eine erste Addiereinheit enthalten, die einen Wert einer Längskomponente des magnetischen Flusses oder des verketteten Flusses mit einem Wert der Längskomponente der Summe der Harmonischen des magnetischen Flusses oder des verketteten Flusses aus der zweiten Speichereinheit addiert, wobei das Ausgabedatum der ersten Addiereinheit als Eingangsdatum für das Lesen der ersten Speichereinheit verwendet wird.
Die Vorrichtung kann alternativ oder zusätzlich eine zweite Addiereinheit enthalten, die einen Wert einer Querkomponente des magnetischen Flusses oder des verketteten Flusses mit einem Wert der Querkomponente der Summe der Harmonischen des magnetischen Flusses oder des verketteten Flusses aus der zweiten Speichereinheit addiert, wobei das Ausgabedatum der zweiten Addiereinheit als Eingangsdatum für das Lesen der ersten Speichereinheit verwendet wird.
Besonders gute Ergebnisse werden erreicht, wenn sowohl die erste Addiereinheit als auch die zweite Addiereinheit verwendet werden. Alternativ kann es aber auch Anwendungen geben, für die das Verwenden der ersten Addiereinheit ohne die zweite Addiereinheit oder das Verwenden der zweiten Addiereinheit ohne die erste Addiereinheit ausreichend sind.
Die Eingangsdaten beim Lesen der ersten Speichereinheit können aber auch Flusskomponenten sein, zu denen keine Harmonischen des magnetischen Flusses oder des verketteten Flusses addiert worden sind. Insbesondere bei zeitkritischen Emulationen oder Simulationen kann so die Rechenzeit verkürzt werden und dennoch eine Genauigkeit erreicht werden, die für einige Anwendungen ausreichend ist.
Mit einer weiteren Umschalteinheit kann auch hier zwischen Betriebsmodi mit bzw. ohne Berücksichtigung von Harmonischen gewechselt werden. Damit werden dem Anwender weitere Wahlmöglichkeiten gegeben.
Die Vorrichtung bzw. eine in der Vorrichtung enthaltenden Steuereinheit kann ein Maschinenmodell eines Elektromotors/Generators berechnen, vorzugsweise mit einer Simulationsschrittdauer kleiner als 1 Mikrosekunde oder kleiner als 100 Nanosekunden. Diese kurze Simulationsschrittdauer ist insbesondere möglich auf Grund des Verwendens der ersten Speichereinheit und oder der zweiten Speichereinheit. Außerdem kann diese Schrittdauer erreicht werden, wenn ein FPGA (Field Programmable Gate Array) oder eine andere Steuerschaltung ohne Prozessor verwendet wird. Die Simulationsschrittdauer bzw. die Emulationsschrittdauer ist bspw. größer als 1 ns (Nanosekunde). Es kann auf Grund der kurzen Simulationsdauer eine sehr genaue Nachbildung erfolgen.
Der Elektromotor kann ein Synchronmotor sein, insbesondere ein permanentmagneterregter Synchronmotor. Ein permanentmagneterregter Synchronmotor gestattet bspw. eine sehr kompakte Bauweise. Alternativ kann ein anderer Elektromotortyp emuliert werden, z.B. ein fremd erregter Synchronmotor, ein Asynchronmotor usw. Der Generator kann ein Synchrongenerator oder ein Asynchrongenerator sein. Es können Innenläufer und Außenläufer E-Maschinen simuliert werden.
Die Vorrichtung kann eine Regelschaltung enthalten, insbesondere eine Stromregelschalung. So kann auch eine Emulation eines Elektromotors eine Stromregelung enthalten, um zu erfassten oder gemessenen Spannungswerten gemäß einer Charakteristik des zu emulierenden Motors Sollströme einzuregeln, wobei die Abweichung zu erfassten bzw. gemessenen Ist-Strömen möglichst klein sein sollen.
Bei einer ersten Variante kann eine direkte Stromregelung der Phasenströme in einem statorfesten Koordinatensystem des zu emulierenden Motors durchgeführt werden. Aus einer Nachbildungseinheit ausgegebene Längs- und Querstromwerte werden über eine Transformation in Soll-Phasenströme umgewandelt und dann für die Regelung verwendet.
Bei einer anderen Variante kann eine Regelung in Feldkoordinaten durchgeführt werden, d.h. bzgl. des sich drehenden Rotorfeldes in rotorfesten Koordinaten. In diesem Fall können die aus der Nachbildungseinheit ausgegebenen Werte für den Längsstrom bzw. den Querstrom ohne Transformation zur Stromregelung verwendet werden. Die erfassten Ist-Ströme können transformiert und dann der Regeleinheit zugeführt werden. Ausgangswerte der Regeleinheit können nach einer umgekehrten Transformation zur Ansteuerung der Schalteinheit bzw. des Umrichters/Inverters verwendet werden.
In beiden Fällen können am Ausgang der Regeleinheit bzw. nach der umgekehrten Transformation vorzugsweise digitale Spannungswerte zur Verfügung stehen. Ausgehend von diesen Spannungswerten werden dann Werte für eine Pulsweitenmodulation (PWM) ermittelt, um diese Spannungswerte am Ausgang des Umrichters/Inverters bzw. des ersten Umrichters/Inverters zu erzeugen, was auch als Vektormodulation bezeichnet wird. Basierend auf den PWM Werten werden dann die Schaltelemente der Schalteinheit bzw. des Umrichters/Inverters angesteuert.
Die Sollströme der Stromregelschaltung können also die Ausgangsdaten der ersten Speichereinheit sein oder transformierte Ströme dieser Ströme. Als Transformation kann eine inverse bzw. umgekehrte Clarke und Park Transformation verwendet werden.
Damit entsteht eine einfache aber wirkungsvolle Stromregelung. Eine Stromregelung ist im Vergleich zu einer Spannungsregelung wesentlich stabiler hinsichtlich von Störeinflüssen, d.h. der Störabstand ist größer.
Bei Ausgestaltungen einer der oben erläuterten Vorrichtungen enthält die Vorrichtung mindestens eine der folgenden Komponenten oder auch alle dieser Komponenten:

– mindestens zwei Stromsensoren zum Erfassen oder Messen von Phasenströmen des zu emulierenden Motors, und/oder
– mindestens drei Spulen, die zur Kopplung dienen können und Induktivitätswerte im Bereich von 5 Mikrohenry bis 100Millihenry haben können, und/oder
– mindestens zwei Spannungssensoren zum Messen von Phasenspannungen an den Motorphasen des zu emulierenden Motors.

Ein Verfahren kann die folgenden Schritte enthaltend:

– Verwenden einer Vielzahl von Wertegruppen jeweils enthaltend mindestens einen Wert einer der folgenden Größen bzw. Daten:
– Längskomponente eines magnetischen Flusses oder eines verketteten Flusses,
– Querkomponente eines bzw. des magnetischen Flusses oder eines bzw. des verketteten Flusses,

– Längskomponente eines Stromes,
– Querkomponente eines bzw. des Stromes,

"Zugehörig" kann wieder bedeuten, dass der entsprechende Strom für den entsprechenden Fluss ermittelt worden ist, bspw. gemessen bzw. erfasst oder simuliert.
Für das Verfahren gelten die oben für die Vorrichtung genannten technischen Wirkungen ebenfalls. Bei Weiterbildungen des Verfahrens unter Verwendung der oben genannten Vorrichtungen gelten die für die Vorrichtungen genannten technischen Wirkungen ebenfalls entsprechend.
Die Wertegruppen können an einem Elektromotor erfasst werden oder aus einem räumlichen Simulationsmodell eines Elektromotors oder Elektro-Generators bzw. Strom-Generators gewonnen werden. Beim Erfassen bzw. Messen an einem Elektromotor bzw./Generator werden die Wertegruppen sehr genau erfasst in Übereinstimmung mit den tatsächlichen Gegebenheiten.
Bei einer Entwicklung eines Elektromotors/Generator gibt es den Motor/Generator ggf. noch nicht, so dass Simulationsdaten eine Alternative bilden, bspw. Daten einer finiten Elemente Methode (FEM) oder einer finiten Differenzen Methode (FDM) oder einer anderen Simulation, die räumliche Gegebenheiten im Elektromotor/Generator berücksichtigt, insbesondere lokale Feldverteilungen im Luftspalt.
An Stelle eines Elektromotors kann bei den genannten Vorrichtungen und Verfahren auch ein Stromgenerator emuliert oder geregelt werden.
Mit anderen Worten ausgedrückt, wird unter anderem eine Anwendung eines Emulators einer elektrischen Maschine für Antriebsumrichtertests bei der Entwicklung von elektrischen Antrieben angegeben.
Ein Elektromaschinen-Emulator ist ein Testkonzept, welches den Leistungsfluss einer realen E-Maschine (Elektromaschine) emuliert. Die Leistungsstufe eines zu testenden Umrichters kann ohne Hardwareänderungen betrieben werden, wenn ein Emulator verwendet wird.
Ein Umrichterteststand ist in 1 gezeigt. Eine erste Gleichspannungs-Energieversorgungen kann für das zu testende Gerät (DUT Device Under Test; UUT Unit Under Test) verwendet werden und eine zweite Gleichspannungs-Energieversorgungen kann für den Emulator verwendet werden. Die bspw. drei Phasenleitungen des DUT werden an den Emulator über Koppelinduktivitäten gekoppelt. Die 1 zeigt die Struktur des Hardwareaufbaus. Die Phasenströme und Phasenspannungen werden im Emulator gemessen. Die gemessenen Phasenströme sind Eingangsvariablen für ein Echtzeit E-Maschinenmodell. Im Innern des Modells werden Zielphasenströme berechnet durch die numerische Lösung von Differentialgleichungen. Die Ziel- und die tatsächlichen Phasenströme werden als Eingangsvariablen für einen Stromregler verwendet, der bspw. einen Mehrphasenumrichter, siehe 2, und/oder Multilevelumrichter, siehe 9, bzw. Inverter steuert.
Die entsprechenden Phasenströme, die in der realen Maschine fließen würden, werden bspw. kontinuierlich eingestellt durch Kombinieren des E-Maschinenmodells, des Stromreglers und des Umrichters. Die Position der E-Maschine bzw. der Rotordrehwinkel kann für die feldorientierte Regelung erforderlich sein. Die Position wird bspw. mit einem Resolver, einem Encoder oder einem Hallsensor ermittelt. Dieses Positionssignal wird elektrisch durch den Emulator simuliert. Alternativ kann eine geberlose Emulation verwendet werden. Die Spannungserfassung, die Modellberechnung, die Stromregelung und die PWM Erzeugung finden bspw. in einem FPGA (Field Programmable Gate Array) statt. Die Emulationsgenauigkeit kann hauptsächlich von der Leistungsfähigkeit des E-Maschinenmodells abhängen.
Ein lineares Modell mit konstanten Induktanzen wird in den folgenden Gleichungen (1) angegeben:
ud = Rs id + Ld (d id)/dt – omega Lq iq,
uq = Rs iq + Lq (d iq)/dt + omega Ld id – omegapsi_p,
wobei gilt:

– ud ist die Längskomponente der Statorspannung im rotorfesten Koordinatensystem,
– Rs ist der ohmsche Widerstand der Statorwicklung,
– id ist die Längskomponente des Statorstromes im rotorfesten Koordinatensystem,
– Ld ist die Längsinduktivität einer der Statorwicklungen im rotorfesten Koordinatensystem,
– Lq ist die Querinduktivität der Statorwicklung im rotorfesten Koordinatensystem,
– uq ist die Querkomponente der Statorspannung im rotorfesten Koordinatensystem,
– iq ist die Querkomponente des Statorstroms im rotorfesten Koordinatensystem,
– omega ist die Drehwinkelgeschwindigkeit des Drehfeldes,
– psi_p ist der Permanentmagnetfluss, und
– (d)/dt ist die erste zeitliche Ableitung.

Der Nachteil dieses Models besteht darin, dass die Sättigung bzw. die Sättigungen, z.B. im weichmagnetischen Eisen, des Elektromotors/-generators und die Flussharmonischen vernachlässigt werden. Hier wird bspw. ein Modell verwendet, das diese Beschränkungen nicht hat. Die Modellgleichungen werden in einem rotorfesten dq-Koordinatensystem beschrieben. In diesem Fall besteht der erste Schritt darin, die Eingangsphasenspannungen in das dq-System mit Hilfe der Clarke und Park Transformation zu transformieren. Die folgenden Gleichungen (2) beschreiben das flussbasierte Modell:
ud = Rs id + (d psi_d)/dt – omega psi_q,
uq = Rs iq + (d psi_q)/dt + omega Ld id – omega psi_d,
wobei zusätzlich zu den oben genannten Größen gilt:

– psi_d ist die Längskomponente des magnetischen Flusses bzw. des verketteten Flusses im rotorfesten Koordinatensystem, und
– psi_q ist die Querkomponente des magnetischen Flusses bzw. des verketteten Flusses im rotorfesten Koordinatensystem.

Die folgende Gleichung (3) berechnet das Luftspaltmoment bzw. das elektrische Moment:
Te = 3/2 p(psi_d iq – psi_q id)
wobei zusätzlich gilt:

– p ist die Polpaarzahl.

In der 5 ist die Implementierung des flussbasierten PMSM Models gezeigt. Der Block 520 wird auch als psi_dq nach idq Block bezeichnet und enthält die Umwandlung der verketteten Flüsse psi_d und psi_q in die Statorströme id und uq. Flussharmonische können optional addiert werden zu den verketteten Flüssen psi_d und psi_q als eine Funktion des elektrischen Maschinenwinkels phi_el. Die verketteten Flüsse, welche die Flussharmonischen enthalten, werden mit psi_d_D (Dach) und psi_q_D in den Gleichungen (4) beschrieben:
psi_d_D = psi_d + psi_d,harm = psi_d + fhd(phi_el),
psi_q_D = psi_q + psi_q,harm = psi_q + fhq(phi_el),
wobei die Funktionen fhd und fhq gemäß der folgenden Gleichungen (5) berechnet werden können:
fhd(phi_el) = Summe von k = 1 bis unendlich über:
(psi_h,6k – 1 + psi_h,6k + 1)cos(6phi_el),
fhq(phi_el) = Summe von k = 1 bis unendlich über:
(– psi_h,6k + psi_h,6k + 1)sin(6phi_el).
Zum Beachten der Sättigungseffekte, können die verketteten Flüsse psi_d_D und psi_q_D mit Hilfe eines Kennlinienfeldes oder mehrerer Kennlinienfelder in Statorströme konvertiert werden.
Die id und iq Stromkomponenten werden bspw. in zwei zweidimensionalen Look-Up Tabelle gespeichert, wobei psi_d_D und psi_q_D die Eingangsvariablen sind. Die Datengewinnung der Flusstabelle wird unten näher erläutert.
Gleichungen (6) lauten:
id = f1^–1(psi_d_D, psi_q_D),
iq = f2^–1(psi_d_D, psi_q_D).
Alternativ können die d- und q-Ströme mit konstanten Induktanzen bzw. Induktivitäten berechnet werden, was den Gleichungen (1) entspricht, siehe Gleichungen (7):
id = (psi_d_D – psi_p)/Ld,
iq = psi_q_D/Lq.
Das bevorzugte Modell kann durch einen Schalter gewählt werden. 6 zeigt die Implementierung des psi_dq nach idq Blocks, der die Flusstabelle und die harmonische Tabelle des PMSM Modells enthält. Der Vorteil des flussbasierten Modells ist die hohe Genauigkeit der Simulation von Sättigungseffekten und die hohe Genauigkeit der Nachbildung von harmonischen Oberwellen.
Zur Gewinnung der Daten kann zuerst die E-Maschinencharakteristik aufgenommen werden, um die zweidimensionale Look Up Tabellen gemäß den Gleichungen (6) aufzufüllen mit den akkuraten Daten. Eine Möglichkeit die verketteten Flüsse psi_d und psi_q in Hinblick auf id und iq zu erhalten, besteht in einer FEM (Finite Elemente Methode) Analyse. Diese Lösung hat den Vorteil, dass die E-Maschine als physikalische Einheit noch nicht existieren muss, z.B. in frühen Entwicklungsstufen. Wenn ein DUT der Zielmaschine vorhanden ist, ist eine Charakterisierung der E-Maschine auf einem Dyno Teststand (Dynamometer) möglich, siehe 7.
Die 7 zeigt ein Beispiel für einen solchen Teststand und die Messeinrichtungen. Die Hauptkomponenten des Teststandaufbaus sind der Umrichter mit Steuereinheit, die E-Maschine und die Lastmaschine. Zwei Oszilloskope mit zusammen acht Kanälen werden als Messaufbau verwendet. Aufgrund der Sternpunktsymmetrie sind nur zwei Ströme ia, ib und zwei Spannungen uab, ubc erforderlich, um das System vollständig zu bestimmen. Der Umrichter verwendet einen integrierten Resolver zur Untersuchung der Rotorposition. Der elektrische Winkel phi_el kann durch Messen und Demodulation der drei Resolversignale (sin, cos, ext) erhalten werden. Mit den gemessenen Phasenströmen iabc und uabc und dem berechneten elektrischen Winkel phi_el werden die festen Statorwerte in das rotorfeste Koordinatensystem transformiert durch die Clarke und Park Transformation.
Mit den invertierten Flusstabellen kann das E-Maschinenmodell mit Daten der realen E-Maschine gefüllt werden. Schließlich können die Look Up Tabellen für die Flussharmonischen fhd und fhq durch Fourier Analyse der Gegen EMK der Zielmaschine gefüllt werden gemäß den Gleichungen (5).
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff "kann" verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:
1 einen Teststand für einen zu testenden Umrichter,
2 einen im Teststand enthaltenen Umrichter,
3 einen Elektromotoremulator mit einer direkten Stromregelung,
4 einen Elektromotoremulator mit einer Stromregelung in Feldkoordinaten,
5 eine Nachbildungseinheit des Emulators,
6 eine Mappingeinheit des Emulators,
7 einen Messstand zum Erfassen von Parametern eines Elektromotors,
8 Verfahrensschritte zum Ermitteln von Maschinendaten für die Emulation, und
9 einen Zweig eines Mehrpunktumrichters.
Die 1 zeigt einen Teststand 10 für einen zu testenden Umrichter 12, der auch als Prüfling bezeichnet wird. Der Teststand 10 enthält den Prüfling 12 (Umrichter/Inverter) sowie ein Testgerät 14 bzw. einen Emulator. Das Testgerät 14 hat drei Anschlüsse 20, 22, 24, über die es mit dem Prüfling 12 verbunden ist. Die Verbindung erfolgt über drei Leitung 30, 32, 34 zur Seite des Prüflings 12 hin sowie über drei Leitungen 130, 132 und 134 innerhalb des Testgerätes 14.
Der Prüfling 12 enthält:

– eine Plusleitung 40,
– eine Masseleitung 42,
– einen Zwischenkreis-Kondensator 44, der zwischen der Plusleitung 40 und der Masseleitung 42 liegt, und
– drei Halbbrückenzweige 50, 52, 54, die jeweils zwischen der Plusleitung 40 und der Masseleitung 42 liegen.

Im Halbbrückenzweig 50 befinden sich zwei Schaltelemente 60, 62 (IGBT, GTO (Gate Turn-Off thyristor), etc.), die über eine Leitung 64 verbunden sind. Im Halbbrückenzweig 52 befinden sich zwei Schaltelemente 70, 72 (IGBT, GTO, etc.), die über eine Leitung 74 verbunden sind. Im Halbbrückenzweig 54 befinden sich zwei Schaltelemente 80, 82 (IGBT, GTO, etc.), die über eine Leitung 84 verbunden sind.
Die Leitung 64 ist mit der Leitung 30 verbunden. Die Leitung 74 ist mit der Leitung 32 verbunden. Ebenso ist die Leitung 84 mit der Leitung 34 verbunden.
Gateanschlüsse 90 bis 100 der Schaltelemente 60, 62, 70, 72, 80 und 82 werden in an sich bekannter Weise angesteuert.
Das Testgerät 14 enthält:

– eine Motor-Nachbildungseinheit 110 bzw. MM (MaschinenModell), siehe 5,
– einen Inverter 112 bzw. Umrichter, siehe 2,
– einen Stromregler 114, siehe 3 bzw. 4, und
– drei Kopplungs-Spulen 120 bis 124 bzw. Entkopplungsspulen.

Die Leitung 130 führt zu der Spule 120. Die Leitung 132 führt zu der Spule 122. Ebenso führt die Leitung 134 zu der Spule 124. Die anderen Enden der Spulen 120, 122 und 124 sind mit den Ausgängen des Umrichters 112 verbunden.
An der Leitung 130 bis 134 ist jeweils ein Stromsensor 140, 142 bzw. 144 angeordnet. Es können auch nur zwei Stromsensoren verwendet werden, da sich der dritte Strom durch Differenzbildung aus den beiden anderen Strömen ermitteln lässt. Die Stromsensoren 140 bis 144 erfassen die Phasenströme ia, ib und ic, vorzugsweise digital. Die Ausgangsdaten der Stromsensoren 140 bis 144 werden zum Stromregler 114 übertragen, siehe Datenübertragungen 150 bis 154.
Ein Spannungssensor 160 ist zwischen die Leitungen 130 und 132 geschaltet und erfasst die Phasenspannung uab, vorzugsweise digital. Ein Spannungssensor 162 ist zwischen die Leitungen 132 und 134 geschaltet und erfasst die Phasenspannung ubc, vorzugsweise digital. Die Phasenspannung uac kann ebenfalls erfasst werden, lässt sich aber auch durch Differenzbildung aus den anderen beiden Phasenspannungen berechnen.
Die Phasenspannungen werden zur Nachbildungseinheit 110 übertragen, siehe Datenübertragung 170, 172.
Ausgangsgrößen des Stromreglers 114 werden zum Umrichter 112 übertragen, siehe Datenübertragung 180 bis 184, z.B. digitale PWM Werte (PulsWeitenModulation).
Weiterhin werden Ausgangsdaten der Nachbildungseinheit 110 zum Stromregler 114 übertragen, insbesondere Sollgrößen, siehe Datenübertragung 190 bis 194, was unten an Hand der 3 bzw. 4 noch näher erläutert wird.
Das Testgerät 14 kann ggf. mit einem Prozessor P realisiert werden, der Programmbefehle ausführt, die in einem digitalen Speicher M gespeichert sind. Der Prozessor P kann ein Mikroprozessor sein oder Bestandteil eines Mikrocontrollers.
Schnelle Simulationszyklen bzw. Emulationszyklen lassen sich erreichen, wenn zusätzlich oder alternativ zu dem Prozessor P eine Schaltung ohne Prozessor zur Steuerung und zur Nachbildung verwendet wird, z.B. ein FPGA 196.
Die Speichereinheit M ist bspw. ein ROM (Read Only Memory), ein EPROM (Erasable ROM), ein EEPROM (Electrically EPROM) ein Flash EEPROM, oder ein anderer geeigneter Speicher. Die Speichereinheit kann auch in einem FPGA realisiert sein. In der Speichereinheit M kann eine Tabelle LUT1 (Look Up Table bzw. Nachschautabelle) oder es können zwei Tabellen LUT1 und LUT2 gespeichert werden. Beide Fälle werden unten näher erläutert.
Über eine Datenübertragungsverbindung 198 oder eine Leitung kann der elektrische Drehwinkel phi_el vom Testgerät 14 zum Umrichter 12 kommuniziert werden.
Bei anderen Ausführungsbeispielen werden Motoren mit zwei, typisch drei oder mehr als drei Phasen emuliert, so dass bspw. entsprechend mehr Spulen 120 bis 124 sowie weitere Umrichter oder andere Umrichter erforderlich sind.
Die Funktion des Testgerätes 12 ergibt sich aus den Erläuterungen zu den folgenden Figuren sowie aus der Einleitung. Im Ergebnis kann ein Elektromotor durch das Testgerät 10 emuliert werden, um bspw. den Umrichter 12 zu testen.
Die 2 zeigt einen im Teststand 10 enthaltenen Umrichter 112. Alternativ können auch andere Umrichter verwendet werden, bspw. Umrichter, die wie der Umrichter 12 aufgebaut sind.
Der Umrichter 112 ist ein Mehrphasenumrichter, der im Beispiel vier Schaltungszweige je Schaltphase enthält, wobei in der 2 die Schaltungszweige für die erste Phase vollständig angegeben sind und die Schaltungszweige für die anderen Phasen angedeutet sind. Der Umrichter 112 kann auch mehr als drei Ausgangsphasen haben. Die Schaltungszweige sind zwischen einer Plusleitung 200 und einer Minusleitung 202 mit Massepotential angeschlossen.
Der erste Schaltungszweig bis der vierte Schaltungszweig gehören zur ersten Phase. Der erste Schaltungszweig enthält ein Schaltelement S1, eine Leitung L1 und ein Schaltelement s1. Ebenso enthält der zweite, dritte bzw. vierte Schaltungszweig ein Schaltelement S2, S3 bzw. S4, eine Leitung L2, L3 bzw. L4 und ein Schaltelement s2, s3 bzw. s4.
Die Leitung L1 ist mit einer Leitung l1 verbunden, die zu einer Spule 220 führt. Ebenso ist die Leitung L2, L3 bzw. L4 mit einer Leitung l2, l3 bzw. l4 verbunden, die zu einer Spule 222, 224 bzw. 226 führt. Die anderen Enden der Spulen 220 bis 226 sind mit einem Phasenanschluss 228 verbunden, d.h. mit einem Ausgang des Umrichters 112.
Der fünfte Schaltungszweig bis der achte Schaltungszweig gehören zur zweiten Phase. Der fünfte Schaltungszweig enthält ein Schaltelement S5, eine Leitung L5 und ein Schaltelement s5. Ebenso enthält der sechste, siebte bzw. achte Schaltungszweig ein Schaltelement S6, S7 bzw. S8, eine Leitung L6, L7 bzw. L8 und ein Schaltelement s6, s7 bzw. s8.
Die Leitung L5 ist mit einer Leitung l5 verbunden, die zu einer Spule 230 führt. Ebenso ist die Leitung L6, L7 bzw. L8 mit einer Leitung l6, l7 bzw. l8 verbunden, die zu einer fünften Spule 232, zu einer sechsten Spule 232 bzw. zu einer achten Spule 234 führt. Die anderen Enden der Spulen 230 bis 234 sind mit einem Phasenanschluss 238 verbunden, d.h. mit einem Ausgang des Umrichters 112.
Der neunte Schaltungszweig bis der zwölfte Schaltungszweig gehören zur dritten Phase. Der neunte Schaltungszweig enthält ein Schaltelement S9, eine Leitung L9 und ein Schaltelement s9. Ebenso enthält der zehnte, elfte bzw. zwölfte Schaltungszweig ein Schaltelement S10, S11 bzw. S12, eine Leitung L10, L11 bzw. L12 und ein Schaltelement s10, s11 bzw. s12.
Die Leitung L9 ist mit einer Leitung l9 verbunden, die zu einer Spule 240 führt. Ebenso ist die Leitung L10, L11 bzw. L12 mit einer Leitung l10, l11 bzw. l12 verbunden, die zu einer zehnten Spule 242, zu einer elften Spule 242 bzw. zu einer zwölften Spule 244 führt. Die anderen Enden der Spulen 240 bis 244 sind mit einem Phasenanschluss 248 verbunden, d.h. mit einem Ausgang des Umrichters 112.
Weitere Schaltelemente 210, 212 sind durch Punkte angedeutet. Ein Ersatzschaltbild 218 zeigt, dass die Schaltelemente S1 bis S12 und s1 bis s12 durch Schalttransistoren oder andere elektronische Leistungsschalter gebildet werden können, vorzugsweise mit antiparallel geschalteter Diode.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird der Mehrphasenumrichter 112 zusätzlich oder alternativ auch als Mehrpunktumrichter ausgeführt, wobei eine Teilspannung 250 und eine Teilspannung 252 verwendet werden, die zueinander symmetrisch bezogen auf ein Massepotential 254 sind. Ein Mehrpunktumrichter wird unten an Hand der 9 näher erläutert. Es können auch mehr als zwei Teilspannungen je Schaltungszweig verwendet werden.
Die Schaltelemente S1 bis S12 und s1 bis s12 werden so angesteuert, dass sich geringe Oberwellen der Ausgangsströme und Ausgangsspannungen ergeben, siehe Einleitung.
Die 3 zeigt einen Elektromotoremulator 14a mit einer direkten Stromregelung. Der Emulator 14a kann an Stelle des Emulators 14 verwendet werden. Eine Transformationseinheit 302 führt eine Clarke und Park Transformation durch. Die Eingangsdaten der Transformation sind die Phasenspannungen uab und ubc, siehe Datenübertragung 170 und 172. Die Ausgangsdaten der Transformation sind die Längsspannung ud und die Querspannung uq, die beide der Nachbildungseinheit 110 zugeführt werden.
Die Nachbildungseinheit 110 gibt Werte für den Längsstrom id und Werte für den Querstrom iq aus, die über eine Rücktransformation 304 in Phasenströme umgewandelt werden. Diese Phasenströme werden über die Datenübertragungswege 190 bis 194 als Sollgrößen zu einem Stromregler 114a übertragen. Der Stromregler 114a ist gemäß den bekannten Prinzipien der Regelungstechnik aufgebaut und kann an Stelle des Stromreglers 14 verwendet werden.
Dem Stromregler 114a werden als Istgrößen die erfassten Phasenströme ia, ib und ic zugeführt, siehe Datenübertragungen 150, 152 und 154. Der Stromregler 114a gibt Spannungsdaten oder PWM Daten aus, die direkt zur Ansteuerung des Umrichters 112 verwendet werden können, siehe Datenübertragungen bzw. Leitungen 180, 182 und 184. Im Falle eines Mehrphasenumrichters können aus einem PWM Signal durch Phasenverschiebungen die PWM Signale zur Ansteuerung der Schaltelemente derselben Phase erzeugt werden.
Die 4 zeigt einen Elektromotor-Emulator 14b mit einer Stromregelung in Feldkoordinaten. Der Emulator 14b kann an Stelle des Emulators 14 verwendet werden. Eine Transformationseinheit 402 führt eine Clarke und Park Transformation durch. Die Eingangsdaten der Transformation sind die Phasenspannungen uab und ubc, siehe Datenübertragung 170 und 172. Die Ausgangsdaten der Transformation sind die Längsspannung ud und die Querspannung uq, die beide der Nachbildungseinheit 110 zugeführt werden.
Die Nachbildungseinheit 110 gibt Werte für den Längsstrom id und Werte für den Querstrom iq aus, die über Datenübertragungswege 404 und 406 als Sollgrößen zu einem Stromregler 114b übertragen werden. Der Stromregler 114b ist gemäß den bekannten Prinzipien der Regelungstechnik aufgebaut und kann an Stelle des Stromreglers 14 verwendet werden.
Dem Stromregler 114b werden als Istgrößen die transformierten der erfassten Phasenströme ia, ib und ic zugeführt. Dazu werden über Datenübertragungen 150a, 152a und 154a Eingangsgrößen für eine Clarke und Park Transformation an eine Transformationseinheit 412 geführt. Die Transformationseinheit 412 gibt Werte eines Ist-Längsstromes und einen Ist-Querstromes aus, die über Datenübertragungen 414 und 416 zum Stromregler 114b geführt werden.
Der Stromregler 114b gibt Spannungsdaten oder PWM Daten aus, die zunächst rücktransformiert werden, siehe Transformationseinheit 420, und dann zur Ansteuerung des Umrichters 112 verwendet werden können, siehe Datenübertragungen bzw. Leitungen 180a, 182a und 184a. Im Falle eines Mehrphasenumrichters können aus einem PWM Signal durch Phasenverschiebungen die PWM Signale zur Ansteuerung der Schaltelemente derselben Phase erzeugt werden.
Die 5 zeigt eine Nachbildungseinheit 110 des Emulators bzw. Testgerätes 14. Die Nachbildungseinheit 110 enthält:

– Addier-/Subtrahiereinheiten 500, 502,
– Integriereinheiten 504, 506,
– Produkteinheiten 508, 510,
– Faktoreinheiten 512, 514,
– eine Mappingeinheit 520,
– Produkteinheiten 522, 524,
– eine Addier-/Subtrahiereinheit 526,
– eine Faktoreinheit 528, die an ihrem Ausgang das elektrische Moment bzw. das Luftspaltmoment Te ausgibt, siehe Gleichung (3),
– eine Addier-/Subtrahiereinheit 530, und
– eine Integrier-/Faktoreinheit 532, die auch den Faktor 1/J multipliziert, wobei J das Trägheitsmoment des emulierten Motors und/oder der emulierten Last M_Last ist.

Mit den Einheiten 500 bis 520 werden die Gleichungen (2) nachgebildet. Mit den Einheiten 522 bis 528 wird die Gleichung (3) nachgebildet. Zwischen omega_M und omega besteht über die Polpaarzahl p Proportionalität.
Somit bestehen die folgenden Verbindungen bzw. Datenübertragungswege:

– ein Weg 540 vom Ausgang der Addier-/Subtrahiereinheit 500 zum Eingang der Integriereinheit 504,
– ein Weg 542 vom Ausgang der Integriereinheit 504 zu einer Verzweigung, von der die folgenden Wege wegführen: – ein Weg 544 zu einem Eingang psi_d (Längskomponente des Statorstroms im rotorfesten Koordinatensystem) des Blocks 520, – ein Weg 546 zu einem Eingang der Produkteinheit 522, und – ein Weg 548 zu einem Eingang der Produkteinheit 508,
– ein Weg 552 vom Ausgang der Produkteinheit 508 zu einem Eingang der Addier-/Subtrahiereinheit 502, wobei der Eingangswert subtrahiert wird und wobei die Querspannung uq addiert wird,
– ein Weg 554 vom Ausgang der Addier-/Subtrahiereinheit 502 zum Eingang der Integriereinheit 506,
– ein Weg 556 vom Ausgang der Integriereinheit 506 zu einer Verzweigung, von der die folgenden Wege wegführen: – ein Weg 558 zu einem Eingang psi_q (Querkomponente des verketteten Flusses im rotorfesten Koordinatensystem) des Blocks 520, – ein Weg 560 zu einem Eingang der Produkteinheit 524, und – ein Weg 562 zu einem Eingang der Produkteinheit 510,
– ein Weg 564 vom Ausgang der Produkteinheit 510 zu einem Eingang der Addier-/Subtrahiereinheit 500, wobei der Eingangswert addiert wird und wobei die Längsspannung ud addiert wird,
– ein Weg 566 von einem Ausgang id (Längskomponente des Statorstroms im rotorfesten Koordinatensystem) des Blocks 520 zu einem Eingang der Faktoreinheit 512, die den Wert Rs zu dem Eingangswert multipliziert,
– ein Weg 568 vom Ausgang der Faktoreinheit 512 zu einem Eingang der Addier-/Subtrahiereinheit 500, wobei der Eingangswert subtrahiert wird,
– ein Weg 570 von einem Ausgang iq (Querkomponente des Statorstroms im rotorfesten Koordinatensystem) des Blocks 520 zu einem Eingang der Faktoreinheit 514, die den Wert Rs zu dem Eingangswert multipliziert,
– ein Weg 572 vom Ausgang der Faktoreinheit 514 zu einem Eingang der Addier-/Subtrahiereinheit 502, wobei der Eingangswert subtrahiert wird,
– ein Weg 574 vom Ausgang id des Blocks 520 zu einem Eingang der Produkteinheit 524,
– ein Weg 576 vom Ausgang iq des Blocks 520 zu einem Eingang der Produkteinheit 522,
– ein Weg 578 vom Ausgang der Produkteinheit 522 zu einem Eingang der Addier-/Subtrahiereinheit 526, wobei der Eingangswert addiert wird,
– ein Weg 580 vom Ausgang der Produkteinheit 524 zu einem Eingang der Addier-/Subtrahiereinheit 526, wobei der Eingangswert in der Addier-/Subtrahiereinheit 526 subtrahiert wird,
– ein Weg 582 vom Ausgang der Addier-/Subtrahiereinheit 526 zum Eingang der Faktoreinheit 528, die den Faktor 3/2 p zu ihrem Eingangswert multipliziert,
– ein Weg 584 vom Ausgang der Faktoreinheit 528 zu einem Eingang der Addier-/Subtrahiereinheit 530, wobei der Eingangswert in der Addier-/Subtrahiereinheit 530 addiert wird und wobei ein Wert für das Lastmoment M_Last subtrahiert wird,
– ein Weg 586 vom Ausgang der Addier-/Subtrahiereinheit 530 zum Eingang der Intergrier-/Faktoreinheit 532, und
– ein Weg 588 vom Ausgang der Intergrier-/Faktoreinheit 532, wobei omega_M ausgegeben wird, d.h. die mechanische Drehwinkelgeschwindigkeit.

Der Wert für das Lastmoment M_Last wird bspw. von außen vorgegeben, und kann auch variieren. Optional kann der Block 520 eine weitere Eingangsgröße phi_el haben, siehe Pfeil 590. Bei der Eingangsgröße phi_el handelt es sich um einen physikalischen oder elektrischen Drehwinkel, der bspw. aus den Transformation bekannt ist.
Ohne die Eingangsgröße phi_el enthält der Block 520 nur die Tabelle LUT1. Bei Berücksichtigung der Eingangsgröße phi_el enthält der Block 520 zwei Tabellen LUT1 und LUT2. Beide Fälle werden im Folgenden an Hand der 6 näher erläutert.
Die 6 zeigt eine Mappingeinheit 520 bzw. den Block 520 des Emulators 14. Die Mappingeinheit 520 enthält ihrerseits:

– zwei optionale Mappingeinheit 600, 602, die auch als Tabelle LUT2 bezeichnet werden,
– zwei Addiereinheiten 604, 606,
– zwei Mappingeinheit 610, 612, die auch als Tabelle LUT1 bezeichnet werden können,
– eine Addier-/Subtrahiereinheit 614, und
– zwei Faktoreinheiten 616, 618, wobei die Faktoreinheit 616 den Faktor 1/Ld zu ihrem Eingangswert multipliziert und wobei die Faktoreinheit 616 den Faktor 1/Lq zu ihrem Eingangswert multipliziert.

Mit den Einheiten 600 bis 612 werden die Gleichungen (4) nachgebildet. Mit den Einheiten 614 bis 618 werden die Gleichungen (7) nachgebildet. Die Mappingeinheiten 600 und 602 realisieren die Gleichungen (5).
Somit bestehen die folgenden Verbindungen bzw. Datenübertragungswege:

– ein Weg 630 für die Eingangsgröße psi_d, wobei der Weg 630 zu einem Eingang der Addiereinheit 604 führt,
– ein Weg 632 für die optionale Eingangsgröße phi_el, wobei der Weg 632 zu einer Verzweigung führt, von der die folgenden Wege abzweigen: – ein Weg 634, der zu einem Eingang der Mappingeinheit 600 führt, – ein Weg 636, der zu einem Eingang der Mappingeinheit 602 führt,
– ein Weg 638 für die Eingangsgröße psi_q, wobei der Weg 638 zu einem Eingang der Addiereinheit 606 führt,
– ein Weg 640, der vom Ausgang der Mappingeinheit 600 zu einem Eingang der Addiereinheit 604 führt,
– ein Weg 642, der vom Ausgang der Mappingeinheit 602 zu einem Eingang der Addiereinheit 606 führt,
– ein Weg 644, der von einem Ausgang der Addiereinheit 604 zu einer Verzweigung führt, von der die folgenden Wege abzweigen: – ein Weg 646 zu einem Eingang der Mappingeinheit 610, die die Umkehrfunktion zu einer Funktion f1 realisiert, die durch Aufnehmen der Kennlinienfelder erfasst werden kann, – ein Weg 648 zu einem Eingang der Mappingeinheit 612, die die Umkehrfunktion zu der oben genannten Funktion f2 realisiert, die durch Aufnehmen der Kennlinienfelder erfasst werden kann, und – ein Weg 650 zu einem Addier-Eingang der Addier-/Subtrahiereinheit 614, wobei der Addiereinheit 614 auch der Wert psi_p zwecks Subtraktion zugeführt wird,
– ein Weg 651 führt vom Ausgang der Addier-/Subtrahiereinheit 614 zu einem Eingang der Faktoreinheit 616,
– ein Weg 652, der von einem Ausgang der Addiereinheit 606 zu einer Verzweigung führt, von der die folgenden Wege abzweigen: – ein Weg 654 zu einem Eingang der Mappingeinheit 610, – ein Weg 656 zu einem Eingang der Mappingeinheit 612, und – ein Weg 658 zu einem Eingang der Faktoreinheit 618.

Eine Umschalteinheit 620, 622 ähnelt einem Zweifachwechselschalter, dessen Wechselschalter gleichzeitig umgeschaltet werden. Ein Mittelpunkt a der Umschalteinheit 620 ist mit einer Ausgangsgröße id verknüpft, siehe Weg 668. Ein Punkt b der Umschalteinheit 620 ist mit dem Ausgang der Mappingeinheit 610 verknüpft, siehe Weg 660. Ein Punkt c der Umschalteinheit 620 ist mit dem Ausgang der Faktoreinheit 616 verknüpft, siehe Weg 664.
Ein Mittelpunkt d der Umschalteinheit 622 ist mit einer Ausgansgröße iq verknüpft, siehe Weg 670. Ein Punkt e der Umschalteinheit 622 ist mit dem Ausgang der Mappingeinheit 612 verknüpft, siehe Weg 662. Ein Punkt f der Umschalteinheit 622 ist mit dem Ausgang der Faktoreinheit 618 verknüpft, siehe Weg 666.
In dem in der 6 gezeigten Schaltmodus der Umschalteinheiten 620 und 622 sind die Punkte a und b sowie die Punkte d und e verbunden. In diesem Schaltmodus werden die Tabellen LUT1, d.h. Mappingfunktionen 610 und 612, sowie LUT2, d.h. Mappingfunktionen 600 und 602, benutzt. In dem anderen Schaltmodus, d.h. Punkte a und c sowie Punkte d und f verbunden, werden dagegen zwar die Mappingfunktionen 600 und 602 benutzt, jedoch werden an Stelle der Mappingfunktionen 610 und 612 die Faktoreinheiten 616 und 618 benutzt.
Bei einem anderen Beispiel sind die Mappingfunktionen 600 und 602 nicht vorhanden, so dass auch die Addiereinheiten 604 und 606 entfallen. Alternativ kann durch eine nicht dargestellte Umschalteinheit zwischen einem Betriebsmodus mit Verwendung der Mappingeinheiten 600 und 602 und einem Betriebsmodus ohne Verwendung der Mappingeinheiten 600 und 602 umgeschaltet werden.
Die 7 zeigt einen Messstand 700 zum Erfassen von Parametern eines Elektromotors 704. Der Messstand 700 wird auch als Erfassungseinheit 700 bezeichnet, wenn bspw. die erfassten Größen nicht auf SI (System International) Größen zurückgeführt werden.
Der Messstand 700 enthält:

– einen Umrichter bzw. Inverter 702, z.B. einen handelsüblichen Inverter bzw. Umrichter,
– einen Elektromotor 704, d.h. der Elektromotor, dessen Parameter erfasst werden sollen,
– eine Lastmaschine 706,
– und zwei Mehrkanaloszilloskope 708, 710. Eine Synchronisationsleitung 712 verbindet die beiden Mehrkanaloszilloskope 708, 710. Die beiden Mehrkanaloszilloskope 708, 710 erfassen die folgenden Größen:
– Strom bzw. Phasenstrom ia, ib,
– Spannung bzw. Phasenspannung Uab, Ubc,
– Wellenmoment,
– Resolverspannung URes (sin, cos, ext).

Leitungen 720 bis 724 verbinden den Umrichter 702 mit dem Motor 704. An der Leitung 720 ist ein Stromsensor 730 angeordnet, der den Strom ia erfasst. Das Erfassungsergebnis wird über eine Leitung 740 zum Oszilloskop 708 übertragen. An der Leitung 722 ist ein Stromsensor 732 angeordnet, der den Strom ib erfasst. Das Erfassungsergebnis wird über eine Leitung 742 zum Oszilloskop 708 übertragen.
Zwischen den Leitungen 720 und 722 ist ein Spannungssensor 750 zum Erfassen der Spannung uab angeordnet. Eine Leitung 760 überträgt das Erfassungsergebnis, z.B. einen Analogwert, zum Oszilloskop 708. Zwischen den Leitungen 722 und 724 ist ein Spannungssensor 752 zum Erfassen der Spannung ubc angeordnet. Eine Leitung 762 überträgt das Erfassungsergebnis, z.B. einen Analogwert, zum Oszilloskop 710. Drei Resolverleitungen 770 kommen vom Motor 704 und führen zum Oszilloskop 710.
Eine Welle 772 verbindet den Elektromotor 704 und die Lastmaschine 706, die bspw. ebenfalls ein Elektromotor bzw. Generator ist. An der Welle 772 ist ein Drehmomentsensor 774 zur Erfassung von eines Wellenmoments angeordnet, das auch von dem elektrischen Moment Te abhängt. Eine Leitung 776 führt vom Drehmomentsensor 774 zum Oszilloskop 708.
Der Messstand 700 wird so verwendet, wie es oben in der Einleitung erläutert worden ist. Insbesondere werden mit dem Messstand 700 Wertegruppen erfasst, wie im Folgenden an Hand der 8 erläutert wird.
Die 8 zeigt Verfahrensschritte zum Ermitteln von Maschinendaten für die Emulation. Das Verfahren beginnt in einem Verfahrensschritt 800. Die Verfahrensschritte werden im Folgenden auch kurz als Schritt bezeichnet.
Dem Schritt 800 folgt ein Schritt 802 in dem mit dem Teststand 700 die folgenden Wertegruppen ermittelt werden:

– psi_d, psi_q, id und iq, siehe die in der Einleitung angegebenen Gleichungen.

In einem optionalen Schritt S804 können die Harmonischen fhd und fhq ermittelt werden, siehe die in der Einleitung angegebenen Gleichungen.
In einem optionalen Schritt S806 können die im Schritt S804 ermittelten Harmonischen in der zweiten Speichereinheit bzw. in der Tabelle LUT2 gespeichert und später auch für die Emulation verwendet werden.
In einem Schritt S810 werden die im Schritt S824 ermittelten Werte für id und iq in der ersten Speichereinheit bzw. in der Tabelle LUT1 gespeichert und später auch für die Emulation verwendet.
Das Verfahren wird in einem Schritt S812 beendet. Die ermittelten Werte werden dann für eine Emulation oder für die Regelung eines Elektromotors verwendet.
Die Reihenfolge der Schritte S802 bis S810 kann auch verändert werden, bspw. Schritt S810 vor Schritt S804 oder Schritte S804 und S806 vor Schritt S802.
Die 9 zeigt einen Schaltungszweig 901 eines Mehrpunktumrichters bzw. Multilevelinverters 900. Der Schaltungszweig 901 enthält vier in Reihe geschaltete Schaltelemente SE1 bis SE4, die jeweils einen IGBT oder einen anderen elektronischen Leistungsschalter mit optionaler antiparallel geschalteter Diode enthalten.
Das erste Schaltelement SE1 liegt an einer Plusleitung 914. Das letzte SchaltelementSE4 liegt an einer Minusleitung 916. Zwischen der Plusleitung 914 und einem Massepotential 904 auf einer Leitung 912 liegt eine Plusspannung 902. Eine Minusspannung 906 liegt zwischen der Leitung 912 und der Minusleitung 916. Die Plusspannung 902 und die Minusspannung 906 haben absolute Spannungswerte, die der halben Betriebsspannung entsprechen.
Eine Diode D1 liegt mit ihrer Kathode am Emitter des Schaltelements SE1 und am Kollektor des Schaltelements SE2. Die Anode der Diode D1 liegt an der Leitung 912. Eine Diode D2 liegt mit ihrer Kathode an der Leitung 912. Die Anode der Diode D2 liegt am Emitter des Schaltelements SE3 und am Kollektor des SchaltelementsSE4. Eine Leitung 910 führt vom Emitter des Schaltelements SE2 sowie vom Kollektor des Schaltelements SE3 zu einer ersten Phase des zu emulierenden Motors.
Die Leitung 912 ist auf die gleiche Art noch mit bspw. zwei Schaltzweigen des Umrichters 900 verbunden, die wie der Schaltzweig 901 aufgebaut sind und die Spannungen für zwei weitere Emulatorphasen erzeugen. Es können auch mehr als vier Schaltelemente je Schaltungszweig verwendet werden.
Der Umrichter 900 ermöglicht geringere Schaltspannungen an den Schalteinheiten SE1 bis SE4. Gateanschlüsse der Schaltelemente SE1 bis SE4 sowie der weiteren Schaltelemente des Umrichters 900 werden zweckmäßig angesteuert.
Die Ausführungsbeispiele sind nicht maßstabsgetreu und nicht beschränkend. Abwandlungen im Rahmen des fachmännischen Handelns sind möglich. Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben worden ist, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Die in der Einleitung genannten Weiterbildungen und Ausgestaltungen können untereinander kombiniert werden. Die in der Figurenbeschreibung genannten Ausführungsbeispiele können ebenfalls untereinander kombiniert werden. Weiterhin können die in der Einleitung genannten Weiterbildungen und Ausgestaltungen mit den in der Figurenbeschreibung genannten Ausführungsbeispielen kombiniert werden.
Bezugszeichenliste

10: Teststand
12: Prüfling
14, 14a, 14b: Testgerät
20, 22, 24: Anschluss
30, 32, 24: Leitung
40: Plusleitung
42: Masseleitung
44: Kondensator
50, 52, 54: Halbbrückenzweig
60, 62: Schaltelement
64: Leitung
70, 72: Schaltelement
74: Leitung
80, 82: Schaltelement
84: Leitung
90 bis 100: Gateanschluss
110: Motornachbildungseinheit
112: Umrichter/Inverter
114, 114a, 114b: Stromregler
120 bis 124: Kopplungsspule
130 bis 134: Leitung
140 bis 144: Stromsensor
150 bis 154: Datenübertragung
150a bis 154a: Datenübertragung
160, 162: Spannungssensor
170, 172: Datenübertragung
180 bis 184: Datenübertragung
190 bis 194: Datenübertragung
P: Prozessor
M: Speicher
196: FPGA
LUT1, LUT2: Tabelle
198: Datenübertragung
S1 bis S12: Schaltelement
s1 bis s12: Schaltelement
200: Plusleitung
202: Minusleitung
210, 212: weitere Schaltelemente
218: Ersatzschaltbild
L1 bis L12: Leitung
l1 bis l12: Leitung
220 bis 226: Spule
228: Phasenanschluss
230 bis 234: Spule
238: Phasenanschluss
240 bis 244: Spule
248: Phasenanschluss
250, 252: Teilspannung
254: Massepotential
302: Transformationseinheit
304: Transformationseinheit
402: Transformationseinheit
404, 406: Datenübertragung
412: Transformationseinheit
414, 416: Datenübertragung
420: Transformationseinheit
500, 502: Addier-/Subtrahiereinheit
504, 506: Integriereinheit
508, 510: Produkteinheit
512, 514: Faktoreinheit
520: Mappingeinheit
522, 524: Produkteinheit
526: Addier-/Subtrahiereinheit
528: Faktoreinheit
530: Addier-/Subtrahiereinheit
532: Integrier-/Faktoreinheit
540 bis 588: Verbindung
590: Eingangsgröße
600, 602: Mappingeinheit
604, 606: Addiereinheit
610, 612: Mappingeinheit
614: Addier-/Subtrahiereinheit
616, 618: Faktoreinheit
620, 622: Umschalteinheit
a bis f: Anschluss
630 bis 670: Verbindung
700: Erfassungseinheit
702: Inverter
704: Elektromotor
706: Lastmaschine
708, 710: Oszilloskop
712: Synchronisationsleitung
ia, ib: Strom
Uab, Ubc: Spannung
Te: elektrisches Moment
URes: Resolverspannung
720 bis 724: Leitung
730, 732: Stromsensor
740, 742: Leitung
750, 752: Spannungssensor
760, 762: Leitung
770: Resolverleitung
772: Welle
774: Drehmomentsensor
776: Leitung
800 bis 810: Verfahrensschritt
900: Multilevelinverter
901: Schaltungszweig
902: Plusspannung
904: Massepotential
906: Minusspannung
SE1 bis SE4: Schaltelement
D1, D2: Diode
910, 912: Leitung
914: Plusleitung
916: Minusleitung

Claims

Vorrichtung (14, 14a, 14b), enthaltend eine erste Speichereinheit (M, LUT1), wobei in der Speichereinheit (M, LUT1) zu einer Vielzahl von Werten für mindestens eine der folgenden Größen oder aller dieser Größen: Längskomponente eines magnetischen Flusses oder eines verketteten Flusses (Psi_d, Psi_d_D), Querkomponente eines oder des magnetischen Flusses oder eines oder des verketteten Flusses (Psi_q, Psi_q_D), jeweils mindestens ein Wert einer der folgenden Größen oder aller der folgenden Größen gespeichert ist: Längskomponente eines Stromes (id), Querkomponente eines oder des Stromes (iq).
Vorrichtung (14, 14a, 14b) nach Anspruch 1, enthaltend eine erste Schalteinheit (112), wobei die Vorrichtung (14, 14a, 14b) vorzugsweise Anschlüsse (20 bis 24) enthält, mit der sie an eine zweite Schalteinheit (12) angeschlossen werden kann.
Vorrichtung (14, 14a, 14b) nach Anspruch 2, wobei die erste Schalteinheit (112) und/oder die zweite Schalteinheit (12) eine Leistungsschalteinheit ist mit einer Schaltleistung größer als 1 Kilowatt oder größer als 10 Kilowatt oder größer als 100 Kilowatt.
Vorrichtung (14, 14a, 14b) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die erste Schalteinheit (112) mindestens zwei Ausgänge oder mindestens drei Ausgänge (228, 238, 248) enthält oder hat, wobei je Ausgang (228) mindestens zwei Schaltungszweige (S1, L1, s1; S2, L2, s2) vorhanden sind, und wobei jeder Schaltungszweig (S1, L1, s1; S2, L2, s2) mindestens zwei Schaltelemente (S1, s1) enthält.
Vorrichtung (14, 14a, 14b) nach Anspruch 4, wobei die zu einem Ausgang gehörenden Schaltungszweige (S1, L1, s1) jeweils mit einem Ende einer Spule (220 bis 226) verbunden sind, und wobei die anderen Enden der Spulen (220 bis 226) mit dem Ausgang (228) verbunden sind.
Vorrichtung (14, 14a, 14b) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die erste Schalteinheit (900) je Schaltungszweig (901) mindestens drei oder mindestens vier Schaltelemente (SE1 bis SE4) enthält.
Vorrichtung (14, 14a, 14b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, enthaltend eine Umschalteinheit (620, 622), mit der in einen zweiten Betriebsmodus geschaltet werden kann, in dem für eine Längskomponente des magnetischen Flusses oder des verketteten Flusses (Psi_d) und/oder für eine Querkomponente des magnetischen Flusses oder des verketteten Flusses (Psi_q) ein Längsstrom (id) und/oder ein Querstrom (iq) nach einer vorgegebenen Berechnungsvorschrift (616, 618) berechnet wird, insbesondere unter Verwendung mindestens eines Induktivitätswertes für eine Längsinduktivität (Ld) oder für eine Querinduktivität (Lq).
Vorrichtung (14, 14a, 14b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Speichereinheit (M, LUT1) eine erste Speichereinheit ist, und wobei die Vorrichtung (14, 14a, 14b) eine zweite Speichereinheit (600, 602) enthält, in der zu einer Vielzahl von Werten für einen elektrischen und/oder physikalischen Feldwinkel (phi_el) jeweils mindestens ein Wert einer der folgenden Größen gespeichert ist: Längskomponente (fhd) der Summe der Harmonischen des Flusses, Querkomponente (fhq) der Summe der Harmonischen des Flusses.
Vorrichtung (14, 14a, 14b) nach Anspruch 8, mit einer ersten Addiereinheit (604), die einen Wert einer Längskomponente des magnetischen Flusses (Psi_d) mit einem Wert der Längskomponente (fhd) der Summe der Harmonischen aus der zweiten Speichereinheit (600) addiert, wobei das Ausgabedatum der ersten Addiereinheit (600) als Eingangsdatum für das Lesen der ersten Speichereinheit (610, 612) verwendet wird, und/oder mit einer zweiten Addiereinheit (606), die einen Wert einer Querkomponente des magnetischen Flusses (Psi_q) mit einem Wert der Querkomponente (fhq) der Summe der Harmonischen aus der zweiten Speichereinheit (602) addiert, wobei das Ausgabedatum der zweiten Addiereinheit (606) als Eingangsdatum für das Lesen der ersten Speichereinheit (610, 612) verwendet wird.
Vorrichtung (14, 14a, 14b) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Eingangsdaten Flusskomponenten (Psi_d, Psi_q) sind, zu denen keine Harmonischen des Flusses, insbesondere des verketteten Flusses, addiert worden sind.
Vorrichtung (14, 14a, 14b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, enthaltend eine Steuereinheit (P, 196), die ein Maschinenmodell (110) eines Elektromotors (704) oder Generators berechnet, vorzugsweise mit einer Simulationsschrittdauer kleiner als 1 Mikrosekunde oder kleiner als 100 Nanosekunden.
Vorrichtung (14, 14a, 14b) nach Anspruch 11, wobei der Elektromotor (704) ein Synchronmotor ist, insbesondere ein mit Permanentmagneten erregter Synchronmotor oder ein fremd erregter Synchronmotor ist, oder wobei der Elektromotor ein Asynchronmotor ist, oder wobei der Generator ein Synchrongenerator oder ein Asynchrongenerator ist.
Vorrichtung (14, 14a, 14b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, enthaltend eine Regelschaltung (114, 114a, 114b), insbesondere eine Stromregelschalung.
Vorrichtung (14, 14a, 14b) nach Anspruch 13, wobei die Sollströme der Stromregelschaltung die Ausgangswerte der ersten Speichereinheit (M, LUT1) oder transformierte (T) dieser Ströme sind.
Vorrichtung (14, 14a, 14b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (14, 14a, 14b) ein Emulator für einen Elektromotor und/oder für einen Generator ist.
Verfahren, insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, enthaltend: Verwenden einer Vielzahl von Wertegruppen jeweils enthaltend mindestens einen Wert einer der folgenden Größen: Längskomponente eines magnetischen Flusses oder eines verketteten Flusses (Psi_d, Psi_d_D), Querkomponente eines oder des magnetischen Flusses (Psi_q, Psi_q_D) oder eines oder des verketteten Flusses, und jeweils enthaltend zugehörig mindestens einen Wert einer der folgenden Größen oder aller der folgenden Größen: Längskomponente eines Stromes (id), Querkomponente eines oder des Stromes (iq), wobei die Wertegruppen für eine Emulation einer Elektromaschine verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Wertegruppen an einem Elektromotor (704) oder Generators erfasst werden oder wobei die Wertegruppen aus einem räumlichen Simulationsmodell eines Elektromotors (704) oder Generators gewonnen werden.