DE102012224162A1 - Method for controlling induction machine of turbo compressor in compressor system, involves effecting field strengthening rotating field for operation of induction machine to increase rotational speed of induction machine - Google Patents

Method for controlling induction machine of turbo compressor in compressor system, involves effecting field strengthening rotating field for operation of induction machine to increase rotational speed of induction machine Download PDF

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Gilles Schmitt
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Abstract

The method involves effecting a field-weakening rotating field for the operation of an induction machine to reduce a rotational speed of the induction machine (901). A field strengthening rotating field is effected (902) for the operation of the induction machine to increase the rotational speed of the induction machine. A phase angle between the rotating field causing a current flow and a rotating field causing a voltage flow is reduced during the field-weakening effect, and increased during the field strengthening effect. An independent claim is also included for a compressor system.

Description

Stand der Technik State of the art

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern einer Drehfeldmaschine, beispielsweise für einen Turboverdichter sowie auf ein Verdichtersystem. The present invention relates to a method and an apparatus for controlling a rotating field machine, for example for a turbocompressor and to a compressor system.

Die Speisung einer schnelldrehenden elektrischen Maschine erfolgt üblicherweise mithilfe eines leistungselektronischen Stellglieds aus einer Gleichspannungsquelle. Eine solche Maschine wird z. B. bei einem elektrischen Turboverdichter eingesetzt. Das leistungselektronische Stellglied wird üblicherweise als Pulswechselrichter mit oder ohne nachgeschalteten Filter, beispielsweise in Form eines LC-Filters ausgeführt. Eine zweite Möglichkeit besteht darin, zwischen der Gleichspannungsquelle und dem Pulswechselrichter noch einen zusätzlichen DC/DC-Wandler einzusetzen, welcher eine Variation der Eingangsspannung des Pulswechselrichters ermöglicht. The feeding of a high-speed electric machine is usually carried out by means of a power electronic actuator from a DC voltage source. Such a machine is z. B. used in an electric turbocompressor. The power electronic actuator is usually designed as a pulse inverter with or without a downstream filter, for example in the form of an LC filter. A second possibility is to use between the DC voltage source and the pulse inverter nor an additional DC / DC converter, which allows a variation of the input voltage of the pulse inverter.

Die DE 10 2010 040 835 A1 beschreibt einen Filter für eine Dreiphasenwechselspannung und einen Dreiphasenwechselstrom zur Ansteuerung einer Drehfeldmaschine. The DE 10 2010 040 835 A1 describes a filter for a three-phase alternating voltage and a three-phase alternating current for controlling a rotating field machine.

Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention

Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern einer Drehfeldmaschine sowie ein Verdichtersystem gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Against this background, a method and an apparatus for controlling a rotary field machine and a compressor system according to the main claims are presented with the present invention. Advantageous embodiments emerge from the respective subclaims and the following description.

Eine Drehzahlverstellung einer Drehfeldmaschine kann dadurch bewirkt werden, dass die Drehfeldmaschine in Feldschwächung oder in Feldstärkung betrieben wird. Indem die Drehzahlverstellung über die Feldschwächung oder Feldstärkung bewirkt wird, kann ein hoher Gesamtwirkungsgrad einer die Drehfeldmaschine umfassenden oder steuernden Anordnung erreicht werden. A speed adjustment of a rotating field machine can be effected by operating the induction machine in field weakening or in field strengthening. By effecting the speed adjustment via the field weakening or field strengthening, a high overall efficiency of a system comprising or controlling the induction machine can be achieved.

Ein Verfahren zum Steuern einer Drehfeldmaschine für einen Turboverdichter umfasst die folgenden Schritte:
Bewirken einer Feldschwächung eines zum Betrieb der Drehfeldmaschine erzeugten Drehfeldes, um eine Drehzahl der Drehfeldmaschine zu verringern; und
Bewirken einer Feldstärkung des zum Betrieb der Drehfeldmaschine erzeugten Drehfeldes, um die Drehzahl der Drehfeldmaschine zu vergrößern. A method for controlling a rotary field machine for a turbocompressor comprises the following steps:
Causing a field weakening of a rotating field generated for operation of the induction machine to reduce a rotational speed of the rotating field machine; and
Causing a field strengthening of the rotating field generated for operation of the induction machine to increase the speed of the induction machine.

Unter einer Drehfeldmaschine, auch Drehstrommaschine genannt, kann ein Drehstrommotor verstanden werden, der mit Dreiphasenwechselstrom betrieben werden kann. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Elektromotor, eine Elektromaschine oder eine Synchronmaschine handeln. Gemäß einer Ausführungsform kann die Drehfeldmaschine zum Antreiben eines Turboverdichters zum Komprimieren von Gas verwendet werden. Je größer die Drehzahl der Drehfeldmaschine ist, umso mehr Gas kann von dem Turboverdichter je Zeiteinheit komprimiert werden. Unter einem Drehfeld kann ein magnetisches Feld verstanden werden, durch das eine Welle der Drehfeldmaschine angetrieben werden kann. Das Drehfeld kann sich aus mehreren Einzelfeldern zusammensetzten. Ein Einzelfeld kann durch eine elektrische Spule der Drehfeldmaschine erzeugt werden. In den Schritten des Bewirkens können somit die Einzelfelder geschwächt oder gestärkt werden. Die Feldschwächung oder Feldstärkung kann durchgeführt werden, um eine vorgegebene Drehzahländerung der Drehzahl der Drehfeldmaschine durchzuführen oder, um die Drehzahl der Drehfeldmaschine von einer aktuellen Drehzahl auf eine Solldrehzahl zu ändern. In einem Schritt des Ermittelns kann ein Betrag der Feldschwächung oder Feldstärkung ermittelt werden, der erforderlich ist, um eine vorgegebene Drehzahländerung oder eine vorgegebene Solldrehzahl zu erreichen. Under a rotating field machine, also called three-phase machine, a three-phase motor can be understood, which can be operated with three-phase alternating current. This may be, for example, an electric motor, an electric machine or a synchronous machine. In one embodiment, the induction machine may be used to drive a turbo-compressor to compress gas. The greater the speed of the induction machine, the more gas can be compressed by the turbo compressor per unit time. A rotating field can be understood as meaning a magnetic field through which a shaft of the induction machine can be driven. The rotating field can be composed of several individual fields. A single field can be generated by an electrical coil of the induction machine. In the steps of creating the individual fields can thus be weakened or strengthened. The field weakening or field strengthening may be performed to perform a predetermined speed change of the speed of the induction machine or to change the speed of the induction machine from a current speed to a desired speed. In a step of determining, an amount of field weakening or field strengthening required to achieve a predetermined speed change or a predetermined target speed may be determined.

Im Schritt des Bewirkens einer Feldschwächung kann ein Phasenwinkel zwischen einem das Drehfeld bewirkenden Strom und einer das Drehfeld bewirkenden Spannung verkleinert werden. Entsprechend kann im Schritt des Bewirkens einer Feldstärkung der Phasenwinkel zwischen dem das Drehfeld bewirkenden Strom und der das Drehfeld bewirkenden Spannung vergrößert werden. Der Phasenwinkel zwischen dem Strom und der Spannung kann einfach, beispielsweise unter Verwendung eines Phasenwinkel-Reglers realisiert werden. Durch die Veränderung des Phasenwinkels kann eine sehr schnelle Drehzahländerung erreicht werden. In the step of effecting field weakening, a phase angle between a current causing the rotating field and a voltage causing the rotating field can be reduced. Accordingly, in the step of effecting field strengthening, the phase angle between the current causing the rotating field and the voltage causing the rotating field can be increased. The phase angle between the current and the voltage can be easily realized, for example using a phase angle controller. By changing the phase angle, a very fast speed change can be achieved.

Dabei kann in den Schritten des Bewirkens die das Drehfeld bewirkende Spannung konstant gehalten werden. Somit kann die Spannung bei einer Ausgangsdrehzahl einen Spannungswert aufweisen, während einer Veränderung der Drehzahl aufgrund einer Feldänderung oder Feldstärkung ebenfalls den Spannungswert und beim Erreichen einer von der Ausgangsdrehzahl abweichenden Solldrehzahl ebenfalls den Spannungswert aufweisen. Vorteilhafterweise kann die Drehzahl der Drehfeldmaschine unter Verwendung ein und derselben Spannung innerhalb eines Drehzahlbereichs eingestellt werden. Somit ist zumindest innerhalb des Drehzahlbereichs zur Veränderung der Drehzahl keine Veränderung der das Drehfeld bewirkenden Spannung erforderlich. In this case, in the steps of effecting the voltage causing the rotating field can be kept constant. Thus, the voltage at an output speed may have a voltage value, while a change in speed due to a field change or field strengthening also the voltage value and upon reaching a deviating from the output speed target speed also the voltage value. Advantageously, the speed of the induction machine can be adjusted using one and the same voltage within a speed range. Thus, at least within the speed range for changing the speed, no change in the voltage causing the rotating field is required.

Das Verfahren kann einen Schritt des Verringerns der das Drehfeld bewirkenden Spannung ansprechend auf den Schritt des Bewirkens einer Feldschwächung umfassen, um die Drehzahl der Drehfeldmaschine weiter zu verringern. Beispielsweise kann die Drehzahl zunächst innerhalb eines vorgegebenen Drehzahlbereichs oder bis zu einer durch die Feldschwächung maximal erreichbaren Grenze verringert werden, ohne dass die das Drehfeld bewirkende Spannung verringert wird. Anschließend kann die das Drehfeld bewirkende Spannung verringert werden, um die Drehzahl noch weiter verringern zu können. Die Veränderung der Spannung kann stufenweise erfolgen. Beispielsweise können zumindest zwei mögliche Spannungswerte für die das Drehfeld bewirkende Spannung einstellbar sein, und die Spannung kann sprunghaft zwischen den zumindest zwei möglichen Spannungswerten umgeschaltet werden. Alternativ kann die Spannung kontinuierlich verändert werden, um zwischen den zumindest zwei möglichen Spannungswerten umschalten zu können. The method may include a step of decreasing the voltage causing the rotating field in response to the step of effecting field weakening to further reduce the speed of the induction machine. For example, the speed can first be reduced within a predetermined speed range or up to a maximum achievable by the field weakening limit, without the voltage causing the rotating field is reduced. Subsequently, the rotating field causing voltage can be reduced in order to reduce the speed even further. The change of tension can be done gradually. For example, at least two possible voltage values for the voltage causing the rotating field can be adjustable, and the voltage can be jumped over between the at least two possible voltage values. Alternatively, the voltage can be changed continuously in order to be able to switch between the at least two possible voltage values.

Entsprechend dazu kann das Verfahren einen Schritt des Vergrößerns der das Drehfeld bewirkenden Spannung ansprechend auf den Schritt des Bewirkens einer Feldstärkung umfassen, um die Drehzahl der Drehfeldmaschine weiter zu erhöhen. Beispielsweise kann die Drehzahl zunächst innerhalb eines vorgegebenen Drehzahlbereichs oder bis zu einer durch die Feldstärkung maximal erreichbaren Grenze erhöht werden, ohne dass die das Drehfeld bewirkende Spannung erhöht wird. Anschließend kann die das Drehfeld bewirkende Spannung erhöht werden, um die Drehzahl noch weiter erhöhen zu können. Accordingly, the method may include a step of increasing the voltage causing the rotating field in response to the step of effecting field strengthening to further increase the rotational speed of the rotating field machine. For example, the speed can first be increased within a predetermined speed range or up to a maximum achievable by the field strengthening limit without the voltage causing the rotating field is increased. Subsequently, the rotating field causing voltage can be increased in order to increase the speed even further.

Das Verfahren kann einen Schritt des Bereitstellens eines Dreiphasenwechselstroms und einer Dreiphasenwechselspannung umfassen, um das Drehfeld erzeugen zu können. Dabei kann in den Schritten des Bewirkens eine Phasenbeziehung zwischen dem Dreiphasenwechselstrom und der Dreiphasenwechselspannung angepasst werden, um die Feldschwächung oder die Feldstärkung zu bewirken. Die Dreiphasenwechselspannung kann an Schnittstellen zu der Drehfeldmaschine bereitgestellt werden. Durch die Phasenbeziehung kann jeweils ein Phasenwinkel zwischen einem Strom und einer Spannung einer Phase des Dreiphasenwechselstroms bzw. der Dreiphasenwechselspannung definiert werden. Dabei können die Phasenwinkel der drei Phasen gleich sein. The method may include a step of providing a three-phase alternating current and a three-phase alternating voltage to generate the rotating field. In doing so, in the steps of effecting, a phase relationship between the three-phase alternating current and the three-phase alternating voltage can be adjusted to effect the field weakening or the field strengthening. The three-phase AC voltage can be provided at interfaces to the induction machine. By the phase relationship, a phase angle between a current and a voltage of a phase of the three-phase alternating current or the three-phase alternating voltage can be defined in each case. The phase angles of the three phases can be the same.

Im Schritt des Bereitstellens können der Dreiphasenwechselstrom unter Verwendung einer Puls-Amplituden-Modulation aus einem Gleichstrom und die Dreiphasenwechselspannung unter Verwendung einer weiteren Puls-Amplituden-Modulation aus einer Gleichspannung erzeugt werden. In den Schritten des Bewirkens kann die Phasenbeziehung zwischen dem Dreiphasenwechselstrom und der Dreiphasenwechselspannung durch Anpassen der Puls-Amplituden-Modulationen angepasst werden, um die Feldschwächung oder die Feldstärkung zu bewirken. Durch geeignete Puls-Amplituden-Modulationen können der Dreiphasenwechselstrom und die Dreiphasenwechselspannung einfach generiert werden. In the step of providing, the three-phase alternating current can be generated from a direct current using a pulse amplitude modulation and the three-phase alternating voltage can be generated by using a further pulse amplitude modulation from a direct current voltage. In the steps of effecting, the phase relationship between the three-phase alternating current and the three-phase alternating voltage can be adjusted by adjusting the pulse-amplitude modulations to effect the field weakening or the field strengthening. By suitable pulse-amplitude modulations, the three-phase alternating current and the three-phase alternating voltage can be easily generated.

Dabei kann das Verfahren einen Schritt des Durchführens einer Gleichspannungswandlung umfassen, um die Gleichspannung erzeugen zu können. Dabei kann die Gleichspannung mit einem ersten Spannungswert für einen ersten Drehzahlbereich der Drehfeldmaschine und mit einem zweiten Spannungswert für einen zweiten Drehzahlbereich der Drehfeldmaschine erzeugt werden. Eine Größe des ersten Drehzahlbereichs kann so gewählt sein, dass die Drehzahl der Drehfeldmaschine durch das Bewirken der Feldschwächung und der Feldstärkung innerhalb des gesamten ersten Drehzahlbereichs unter Verwendung der Gleichspannung mit dem ersten Spannungswert variiert werden kann. Eine Größe des zweiten Drehzahlbereichs kann so gewählt sein, dass die Drehzahl der Drehfeldmaschine durch das Bewirken der Feldschwächung und der Feldstärkung innerhalb des gesamten zweiten Drehzahlbereichs unter Verwendung der Gleichspannung mit dem zweiten Spannungswert variiert werden kann. Beispielsweise kann der komplette Drehzahlbereich der Drehfeldmaschine in mehrere Drehzahlbereiche unterteilt sein, und jedem Drehzahlbereich kann ein eigener Spannungswert zugeordnet sein. Dabei kann jedem Drehzahlbereich nur ein einziger Spannungswert zugeordnet sein, der verwendet werden kann, um die Drehzahl der Drehfeldmaschine innerhalb dieses Drehzahlbereichs zu betreiben. Auf diese Weise kann eine Einrichtung zur Durchführung der Gleichspannungswandlung in günstigen Betriebspunkten betrieben werden. In this case, the method may include a step of performing a DC voltage conversion in order to generate the DC voltage can. In this case, the DC voltage can be generated with a first voltage value for a first speed range of the induction machine and with a second voltage value for a second speed range of the induction machine. A magnitude of the first speed range may be selected such that the speed of the induction machine may be varied by effecting the field weakening and the field strength within the entire first speed range using the DC voltage having the first voltage value. A magnitude of the second speed range may be selected such that the speed of the induction machine may be varied by effecting the field weakening and the field strength within the entire second speed range using the DC voltage having the second voltage value. For example, the entire speed range of the induction machine can be divided into several speed ranges, and each speed range can be assigned its own voltage value. In this case, each speed range can be assigned only a single voltage value, which can be used to operate the speed of the induction machine within this speed range. In this way, a device for carrying out the DC voltage conversion can be operated in favorable operating points.

Eine Vorrichtung zum Steuern einer Drehfeldmaschine für einen Turboverdichter ist ausgebildet, um die Schritte eines Verfahrens zum Steuern einer Drehfeldmaschine für einen Turboverdichter in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden. An apparatus for controlling a rotating field machine for a turbocompressor is configured to perform the steps of a method for controlling a rotating field machine for a turbocompressor in corresponding devices. Also by this embodiment of the invention in the form of a device, the object underlying the invention can be solved quickly and efficiently.

Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind. In the present case, a device can be understood as meaning an electrical device which processes sensor signals and outputs control and / or data signals in dependence thereon. The device may have an interface, which may be formed in hardware and / or software. In the case of a hardware-based embodiment, the interfaces can be part of a so-called system ASIC, for example, which contains a wide variety of functions of the device. However, it is also possible that the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components. In a software training, the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.

Ein Verdichtersystem weist folgende Merkmale auf:
einen Turboverdichter zum Komprimieren eines Gases;
eine Drehfeldmaschine zum Antreiben des Turboverdichters; und
eine genannte Vorrichtung zum Steuern einer Drehfeldmaschine. A compressor system has the following features:
a turbo-compressor for compressing a gas;
a rotating field machine for driving the turbocompressor; and
a said device for controlling a rotating field machine.

Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn der Programmcode auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird. Somit können die in dem Programmcode definierten Schritte des Verfahrens von Einrichtungen des Computers oder der Vorrichtung umgesetzt werden. A computer program product with program code which can be stored on a machine-readable carrier such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and is used to carry out the method according to one of the embodiments described above if the program code is present on a computer or a device is also of advantage is performed. Thus, the steps of the method defined in the program code can be implemented by devices of the computer or device.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen: The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 eine Darstellung eines Verdichtersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 1 an illustration of a compressor system according to an embodiment of the present invention.

2 ein phasenorientiertes Ersatzschaltbild einer Drehfeldmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 2 a phase-oriented equivalent circuit diagram of a rotating field machine according to an embodiment of the present invention;

3 ein feldorientiertes Ersatzschaltbild einer Drehfeldmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 3 a field-oriented equivalent circuit diagram of a rotating field machine according to an embodiment of the present invention;

4 ein feldorientiertes Ersatzschaltbild einer Drehfeldmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 4 a field-oriented equivalent circuit diagram of a rotating field machine according to an embodiment of the present invention;

5 ein Zeigerdiagramm einer Drehfeldmaschine für einen Normalbetrieb gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 5 a phasor diagram of a rotating field machine for normal operation according to an embodiment of the present invention;

6 ein Zeigerdiagramm einer Drehfeldmaschine für einen Feldschwächungsbetrieb gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 6 a phasor diagram of a rotating field machine for a field weakening operation according to an embodiment of the present invention;

7 ein Zeigerdiagramm einer Drehfeldmaschine für einen Feldstärkungsbetrieb gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 7 a phasor diagram of a rotating field machine for a field strengthening operation according to an embodiment of the present invention;

8 eine Darstellung eines Verdichtersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und 8th an illustration of a compressor system according to an embodiment of the present invention; and

9 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Steuern einer Drehfeldmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 9 a flowchart of a method for controlling a rotating field machine according to an embodiment of the present invention.

In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird. In the following description of preferred embodiments of the present invention, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various figures and similarly acting, wherein a repeated description of these elements is omitted.

1 zeigt eine Darstellung eines Verdichtersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt ist Gleichspannungswandler 101, ein Pulswechselrichter 103 und eine Drehfeldmaschine 105. Die Drehfeldmaschine 105 stellt gemäß diesem Ausführungsbeispiel einen Antrieb für einen Verdichter dar. Alternativ kann die Drehfeldmaschine 105 auch zum Antreiben einer anderen Einrichtung eingesetzt werden. Der Verdichter ist hier lediglich beispielhaft genannt. 1 shows an illustration of a compressor system according to an embodiment of the present invention. Shown is DC-DC converter 101 , a pulse inverter 103 and an induction machine 105 , The induction machine 105 represents according to this embodiment, a drive for a compressor. Alternatively, the induction machine 105 also be used to power another device. The compressor is mentioned here merely as an example.

Der Gleichspannungswandler 101 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel als ein DC/DC-Wandler ausgeführt. Der Gleichspannungswandler 101 ist ausgebildet, um eine an einem Eingang des Gleichspannungswandlers 101 anliegende Eingangsspannung uDC1 und einen an dem Eingang anliegenden Eingangsstrom iDC1 eines Hochspannungsnetzes in eine Gleichspannung uDC2 und einen Gleichstrom IDC2 zu wandeln und die Gleichspannung uDC2 und den Gleichstrom IDC2 an einem Ausgang des Gleichspannungswandlers 101 auszugeben. The DC-DC converter 101 is designed according to this embodiment as a DC / DC converter. The DC-DC converter 101 is designed to be connected to an input of the DC-DC converter 101 applied input voltage u DC1 and a voltage applied to the input input current i DC1 of a high voltage network to a DC voltage u DC2 and a DC I DC2 to convert and the DC voltage u DC2 and the DC current I DC2 at an output of the DC-DC converter 101 issue.

Der Pulswechselrichter 103 ist ausgebildet, um unter Verwendung der Gleichspannung uDC2 und des Gleichstroms IDC2 drei Eingangsströme im1, im2, im3 und drei Eingangsspannungen um1, um2, um3 zu erzeugen und an drei Anschlüssen 1, 2, 3 der Drehfeldmaschine 105 bereitzustellen. Die drei Eingangsströme im1, im2, im3 bilden einen Dreiphasenwechselstrom und die drei Eingangsspannungen um1, um2, um3 bilden eine Dreiphasenwechselspannung zum Betreiben der Drehfeldmaschine 105. The pulse inverter 103 is designed to generate three input currents i m1 , i m2 , i m3 and three input voltages u m1 , u m2 , u m3 using the DC voltage u DC2 and the DC current DC2 , and at three terminals 1, 2, 3 of the induction machine 105 provide. The three input currents i m1 , i m2 , i m3 form a three-phase alternating current and the three input voltages u m1 , u m2 , u m3 form a three-phase alternating voltage for operating the induction machine 105 ,

Die Drehfeldmaschine 105 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel als eine Synchronmaschine ausgeführt. Die Drehfeldmaschine 105 weist drei Spulen auf, an die die jeweils eine der Eingangsspannungen um1, um2, um3 angelegt wird und die jeweils von einem der Eingangsströme im1, im2, im3 gespeist werden. Jede der Spulen ist ausgebildet, um angeregt durch den jeweiligen der Eingangsströme im1, im2, im3 ein Magnetfeld zum Antreiben einer Welle der Drehfeldmaschine zu erzeugen. Abhängig von den Eingangsströmen im1, im2, im3 und den Eingangsspannungen um1, um2, um3 kann ein Drehmoment M und eine Drehzahl n der Drehfeldmaschine 105 eingestellt werden. The induction machine 105 is designed according to this embodiment as a synchronous machine. The induction machine 105 has three coils, to each of which one of the input voltages u m1 , u m2 , u m3 is applied and each fed by one of the input currents i m1 , i m2 , i m3 become. Each of the coils is configured to generate a magnetic field for driving a shaft of the rotating field machine excited by the respective one of the input currents i m1 , i m2 , i m3 . Depending on the input currents i m1 , i m2 , i m3 and the input voltages u m1 , u m2 , u m3 can be a torque M and a speed n of the induction machine 105 be set.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann die Drehzahl n der Drehfeldmaschine 105 verändert werden, indem ein Phasenwinkel zwischen den Eingangsströmen im1, im2, im3 und den Eingangsspannungen um1, um2, um3 verändert wird. Dabei kann ein Betrag der Eingangsspannungen um1, um2, um3 konstant gehalten werden. According to this embodiment, the rotational speed n of the induction machine can 105 be changed by a phase angle between the input currents i m1 , i m2 , i m3 and the input voltages u m1 , u m2 , u m3 is changed. In this case, an amount of the input voltages u m1 , u m2 , u m3 can be kept constant.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die in 1 gezeigte Anordnung zur Speisung eines elektrischen Turboverdichters über den Pulswechselrichter 103 mit vorgeschaltetem DC/DC-Wandler 101 eingesetzt werden. According to one embodiment, the in 1 shown arrangement for feeding an electric turbocompressor via the pulse inverter 103 with upstream DC / DC converter 101 be used.

Wird der Pulswechselrichter 103 mit dem Modulationsverfahren „Puls-Amplituden-Modulation (PAM)" betrieben, so können die verwendeten Leistungshalbleiter mit der Grundfrequenz der Synchronmaschine 105 getaktet werden. Erfolgt eine Steuerung der Drehzahl n der Synchronmaschine über eine Steuerung des Phasenwinkels, so ist es nicht mehr erforderlich, die Spannung UDC2 immer proportional zur Drehzahl n der Synchronmaschine 105 zu verändern, damit die Maschinenströme nicht unzulässig hohe Werte annehmen und keine zu hohen Wärmeverluste in der Maschine entstehen. Daher ist es auch nicht mehr erforderlich, dass der DC/DC-Wandler 103 die Spannung UDC2 im Bereich von 0V bis zur maximalen Klemmenspannung um,max variieren kann. Dadurch können sehr viele Wärmeverluste im DC/DC-Wandler 101 vermieden werden und der Gesamtwirkungsgrad der Anordnung kann sehr hoch sein. Will the pulse inverter 103 operated with the modulation method "pulse amplitude modulation (PAM)", so the power semiconductors used with the fundamental frequency of the synchronous machine 105 be clocked. If a control of the speed n of the synchronous machine via a control of the phase angle, so it is no longer necessary, the voltage U DC2 always proportional to the speed n of the synchronous machine 105 To change, so that the machine currents do not assume unacceptably high levels and not too high heat losses in the machine. Therefore, it is no longer necessary for the DC / DC converter 103 the voltage U DC2 can vary in the range of 0V up to the maximum terminal voltage u m, max . This can cause a lot of heat losses in the DC / DC converter 101 can be avoided and the overall efficiency of the arrangement can be very high.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel erfolgt eine verlustarme Ansteuerung der Drehfeldmaschine 105, beispielsweise eines elektrischen Turboverdichters mittels einer modifizierten Puls-Amplituden-Modulation. According to one embodiment, a low-loss control of the induction machine takes place 105 , For example, an electric turbocompressor by means of a modified pulse-amplitude modulation.

Dadurch können eine Ansteuerung und ein Betrieb des elektrischen Turboverdichters im gesamten Drehzahlbereich realisiert werden. Dabei sollen die im Turboverdichter entstehenden Zusatzverluste aufgrund der taktenden Arbeitsweise eines leistungselektronischen Stellglieds möglichst klein gehalten werden, um eine Überhitzung des Rotors der Drehfeldmaschine 105 zu vermeiden. Gleichzeitig soll die Belastung der verwendeten leistungselektronischen Bauteile möglichst gering gehalten werden. Dies wird erreicht, in dem der DC/DC-Wandler 101 ausschließlich in günstigen und konstanten Betriebspunkten betrieben wird. Die nötige Drehzahländerung der Drehfeldmaschine 105 in Form eines E-Motors oder einer E-Maschine wird dabei durch ein Verfahren zum Steuern einer Drehfeldmaschine für einen Turboverdichter ermöglicht. As a result, a control and operation of the electric turbocompressor can be realized in the entire speed range. In this case, the additional losses arising in the turbocompressor should be kept as small as possible due to the clocking operation of a power electronic actuator to overheat the rotor of the induction machine 105 to avoid. At the same time, the load on the power electronic components used should be kept as low as possible. This is achieved in which the DC / DC converter 101 is operated exclusively in favorable and constant operating points. The required speed change of the induction machine 105 in the form of an electric motor or an electric motor is made possible by a method for controlling a rotating field machine for a turbocompressor.

Die Puls-Amplituden-Modulation, die von dem Pulswechselrichter 103 durchgeführt werden kann, wird so beeinflusst, dass die Synchronmaschine 105 in Feldschwächung bzw. in Feldstärkung betrieben wird. Dadurch ist eine Drehzahlverstellung der Drehzahl n der Drehfeldmaschine 105 möglich, obwohl der DC/DC-Wandler 101 seine Ausgangsspannung UDC2 nicht verändert. In hochdynamischen Anwendungen kann dadurch die geforderte Dynamik des DC/DC-Wandlers 101 reduziert werden, indem schnelle Zustandsänderungen zu erst über Feldstärkung bzw. Feldschwächung realisiert werden, bevor eventuell die DC/DC-Spannung UDC2 angepasst wird. Dadurch ist es nicht erforderlich, dass der DC/DC-Wandler 101 den gesamten Spannungsbereich und vor allem nicht den gesamten Dynamikbereich abdeckt. Die Wärmeverluste in der Drehfeldmaschine 105 nehmen aufgrund der Feldstärkung bzw. Feldschwächung zwar leicht zu, aber der Gesamtwirkungsgrad des Systems aus DC/DC-Wandler 101 und Pulswechselrichter 103 wird höher, da der DC/DC-Wandler 101 in günstigen und eventuell in stationären Arbeitspunkten betrieben werden kann. The pulse amplitude modulation provided by the pulse inverter 103 can be performed is so influenced that the synchronous machine 105 operated in field weakening or in field strengthening. As a result, a speed adjustment of the rotational speed n of the induction machine 105 possible, although the DC / DC converter 101 its output voltage U DC2 not changed. In highly dynamic applications, this can provide the required dynamics of the DC / DC converter 101 can be reduced by rapid state changes to be realized only on field enhancement or field weakening before eventually the DC / DC voltage U DC2 is adjusted. This does not require that the DC / DC converter 101 covers the entire voltage range and especially not the entire dynamic range. The heat losses in the induction machine 105 Although due to the field strengthening or weakening slightly increase, but the overall efficiency of the system of DC / DC converter 101 and pulse inverters 103 gets higher as the DC / DC converter 101 can be operated in favorable and possibly in stationary operating points.

Die Drehfeldmaschine 105 wird durch den Pulswechselrichter 105 mit dem Modulationsverfahren Puls-Amplitudenmodulation angesteuert. Der DC/DC-Wandler 101 wird in Abhängigkeit der gewünschten Drehzahl n der Drehfeldmaschine 105 in konstanten Arbeitspunkten betrieben. Die Anzahl der konstanten Arbeitspunkte wird in Abhängigkeit der DC-Spannungen und des möglichen Drehzahlbereichs der Drehfeldmaschine 105 festgelegt. In diesen konstanten Arbeitspunkten wird nun versucht, die Spannung UDC2 möglichst konstant zu halten. The induction machine 105 is through the pulse inverter 105 controlled by the modulation method pulse amplitude modulation. The DC / DC converter 101 is dependent on the desired speed n of the induction machine 105 operated at constant operating points. The number of constant operating points depends on the DC voltages and the possible speed range of the induction machine 105 established. In these constant operating points is now trying to keep the voltage U DC2 as constant as possible.

Wird eine Drehzahländerung der Drehfeldmaschine 105 gefordert, so wird diese in Abhängigkeit des Vorzeichens der Änderung entweder durch Feldschwächung oder Feldstärkung durchgeführt. Ist die gewünschte Drehzahländerung so groß, dass die Zieldrehzahl der Drehfeldmaschine 105 trotz Feldschwächung oder Feldstärkung nicht erreicht werden kann, so wird der Arbeitspunkt des DC/DC-Wandlers 101 gewechselt, um den DC/DC-Wandler 101 in einem neuen Arbeitspunkt zu betreiben, welcher die Zieldrehzahl ermöglicht. Will a speed change of the induction machine 105 required, this is carried out either by field weakening or field strengthening, depending on the sign of the change. Is the desired speed change so large that the target speed of the induction machine 105 despite field weakening or field strengthening can not be achieved, the operating point of the DC / DC converter 101 changed to the DC / DC converter 101 operate at a new operating point, which allows the target speed.

Im Normalbetrieb wird die Drehfeldmaschine 105 mit Phasenströmen im1, im2, im3 und Phasenspannungen um1, um2, um3 beaufschlagt, bei denen der Phasenwinkel ρ zwischen Strom im1, im2, im3 und Spannung um1, um2, um3 positive Werte aufweist. Die Spannung um1, um2, um3 eilt also dem Strom im1, im2, im3 voraus. Der Strom im1, im2, im3 weist dabei einen Phasenwinkel von ρi = 0° auf. Verdeutlicht wird dieser Zusammenhang anhand der Ersatzschaltbilder in den 2 bis 4 sowie anhand der Zeigerdiagramme entsprechend den Figuren 5 bis 7. In normal operation, the induction machine is 105 with phase currents i m1 , i m2 , i m3 and phase voltages u m1 , u m2 , u m3 applied, in which the phase angle ρ between current i m1 , i m2 , i m3 and voltage u m1 , u m2 , u m3 positive values , The voltage u m1 , u m2 , u m3 thus leads the current i m1 , i m2 , i m3 ahead. The current i m1 , i m2 , i m3 in this case has a phase angle of ρ i = 0 °. This relationship is illustrated by the equivalent circuit diagrams in the 2 to 4 as well as the pointer diagrams according to the figures 5 to 7 ,

2 zeigt ein phasenorientiertes Ersatzschaltbild einer Drehfeldmaschine 105 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei kann es sich um die in 1 gezeigte Drehfeldmaschine 105 handeln. 2 shows a phase-oriented equivalent circuit diagram of a rotary field machine 105 according to an embodiment of the present invention. This may be the in 1 shown induction machine 105 act.

Das Ersatzschaltbild zeigt zwei Anschlüsse, zwischen denen eine Spannung u p / hm anliegt. An einem ersten der Anschlüsse wird ein Strom i ph / m eingespeist. Zwischen den Anschlüssen weist das Ersatzschaltbild eine Reihenschaltung aus einem Widerstand Rm, an dem eine Spannung u ph / Rm abfällt, einer Spule Lm, an der eine Spannung u ph / Lm abfällt und einer Spannungsquelle auf, an der eine Spannung u ph / ind abfällt. The equivalent circuit diagram shows two connections, between which a voltage up / hm is applied. At a first of the connections becomes a current i ph / m fed. Between the terminals, the equivalent circuit has a series connection of a resistor R m to which a voltage u ph / Rm falls off, a coil L m at which a voltage u ph / lm drops and a voltage source at which a voltage u ph / ind drops.

3 zeigt ein feldorientiertes Ersatzschaltbild einer Drehfeldmaschine 105 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei kann es sich um die in 1 gezeigte Drehfeldmaschine 105 handeln. 3 shows a field-oriented equivalent circuit diagram of a rotary field machine 105 according to an embodiment of the present invention. This may be the in 1 shown induction machine 105 act.

Das Ersatzschaltbild zeigt zwei Anschlüsse, zwischen denen eine Spannung umd anliegt. An einem ersten der Anschlüsse wird ein Strom imd eingespeist. Zwischen den Anschlüssen weist das Ersatzschaltbild eine Reihenschaltung aus einem Widerstand Rm, an dem eine Spannung uRmd abfällt, einer Spannungsquelle, an der eine Spannung –ω·Lm·imq abfällt und einer Spule Lm auf, an der eine Spannung uLmd abfällt. The equivalent circuit diagram shows two connections between which a voltage u md is applied. At a first of the terminals, a current i md is fed. Between the terminals, the equivalent circuit has a series connection of a resistor R m , at which a voltage u Rmd drops, a voltage source at which a voltage -ω · L m · i mq drops and a coil L m on which a voltage u Lmd falls off.

4 zeigt ein weiteres feldorientiertes Ersatzschaltbild einer Drehfeldmaschine 105 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei kann es sich um die in 1 gezeigte Drehfeldmaschine 105 handeln. 4 shows a further field-oriented equivalent circuit diagram of a rotary field machine 105 according to an embodiment of the present invention. This may be the in 1 shown induction machine 105 act.

Das Ersatzschaltbild zeigt zwei Anschlüsse, zwischen denen eine Spannung umq anliegt. An einem ersten der Anschlüsse wird ein Strom imq eingespeist. Zwischen den Anschlüssen weist das Ersatzschaltbild eine Reihenschaltung aus einem Widerstand Rm, an dem eine Spannung uRmq abfällt, einer Spannungsquelle, an der eine Spannung ω·Lm·imd abfällt und einer Spule Lm auf, an der eine Spannung uLmq abfällt. The equivalent circuit diagram shows two connections between which a voltage u mq is applied. At a first of the terminals, a current i mq is fed. Between the terminals, the equivalent circuit diagram comprises a series arrangement of a resistor R m , at which a voltage u Rmq drops, a voltage source at which a voltage ω · L m · i md drops and a coil L m , at which a voltage u Lmq drops.

Die in den 2 bis 4 gezeigten Ersatzschaltbilder zeigen das phasenorientierte und das feldorientierte, vereinfachte Ersatzschaltbild einer E-Maschine 105. The in the 2 to 4 shown equivalent circuit diagrams show the phase-oriented and the field-oriented, simplified equivalent circuit diagram of an e-machine 105 ,

5 zeigt ein Zeigerdiagramm einer Drehfeldmaschine für einen Normalbetrieb gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei kann es sich um die in 1 gezeigte Drehfeldmaschine handeln. 5 shows a phasor diagram of a rotating field machine for normal operation according to an embodiment of the present invention. This may be the in 1 shown induction machine act.

Gezeigt ist ein erster Zeiger, der sich aus Vektoren für einen Strom im, der gleich einem Strom imq ist, einer Spannung uind und einer Spannung uRs zusammensetzt. Der erste Zeiger steht bei 0°. Ein zweiter Zeiger stellt eine Spannung um dar. Zwischen dem ersten Zeiger und dem zweiten Zeiger besteht ein Phasenwinkel ρu = ρ. Ein eine Spannung uLs darstellender Vektor verbindet den ersten Zeiger mit dem zweiten Zeiger. Dabei steht der die Spannung uLs darstellende Vektor senkrecht zu dem ersten Zeiger. Ein weiterer Zeiger stellt einen Vektor ΨPM dar und steht bei 270°. Die Zeiger drehen sich entgegen dem Uhrzeigersinn mit einer Winkelgeschwindigkeit ω. Für den gezeigten Normalbetrieb gilt id = 0A und ρi = 0°. Shown is a first pointer composed of vectors for a current i m equal to a current i mq , a voltage u ind, and a voltage u Rs . The first pointer is at 0 °. A second pointer represents a voltage u m . Between the first pointer and the second pointer there is a phase angle ρ u = ρ. A vector representing a voltage u Ls connects the first pointer to the second pointer. In this case, the vector representing the voltage u Ls is perpendicular to the first pointer. Another pointer represents a vector Ψ PM and stands at 270 °. The hands rotate counterclockwise at an angular velocity ω. For the normal operation shown i d = 0A and ρ i = 0 °.

In 5 ist das Zeigerdiagramm für den Normalbetrieb der Drehfeldmaschine ohne Feldschwächung bzw. Feldstärkung zu sehen. Dabei entspricht der Phasenwinkel ρ genau dem Winkel ρu, da der feldbildende Strom imd = 0 A beträgt. In 5 is the phasor diagram for normal operation of the induction machine without field weakening or field strengthening to see. The phase angle ρ corresponds exactly to the angle ρ u , since the field-forming current i md = 0 A.

6 zeigt ein Zeigerdiagramm einer Drehfeldmaschine für einen Feldschwächebetrieb gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei kann es sich um die in 1 gezeigte Drehfeldmaschine handeln. 6 shows a phasor diagram of a rotating field machine for a field weakening operation according to an embodiment of the present invention. This may be the in 1 shown induction machine act.

Gezeigt ist ein erster Zeiger, der sich aus Vektoren für einen Strom imq und einer Spanung uind zusammensetzt. Der erste Zeiger steht bei 0°. Ein zweiter Zeiger stellt eine Spannung um dar. Zwischen dem ersten Zeiger und dem zweiten Zeiger besteht ein Phasenwinkel ρu. Ein dritter Zeiger stellt einen Strom im dar. Zwischen dem ersten Zeiger und dem dritten Zeiger besteht ein Phasenwinkel ρi. Zwischen dem dritten Zeiger und dem zweiten Zeiger besteht ein Phasenwinkel ρ = ρu – ρi. Ein eine Spannung uRs und ein eine Spannung uLs darstellender Vektor, die senkrecht zueinander stehen, verbinden den ersten Zeiger mit dem zweiten Zeiger. Der die Spannung uLs darstellende Vektor wird durch die aufeinander senkrecht stehenden Vektoren –ω·Ls·imd und ω·Ls·imq gebildet. Ein weiterer Zeiger stellt einen Vektor ΨPM dar und steht bei 270°. Ferner ist ein Vektor eines Stroms –imd gezeigt. Durch die Vektoren der Ströme imq, im und –imd wird ein Rechteck aufgespannt. Die Zeiger drehen sich entgegen dem Uhrzeigersinn mit einer Winkelgeschwindigkeit ω. Für den gezeigten Feldschwächbetrieb gilt, dass imd kleiner als 0A, ρi größer als 0°, ρu größer als 0° und ρ = ρu – ρi ist. Shown is a first pointer composed of vectors for a current i mq and a voltage u ind . The first pointer is at 0 °. A second pointer represents a voltage u m . Between the first pointer and the second pointer there is a phase angle ρ u . A third pointer represents a current i m . There is a phase angle ρ i between the first pointer and the third pointer. Between the third pointer and the second pointer there is a phase angle ρ = ρ u - ρi. A voltage u Rs and a voltage u Ls representative vector, which are perpendicular to each other, connect the first pointer to the second pointer. The vector representing the voltage u Ls is formed by the mutually perpendicular vectors -ω · L s · i md and ω · L s · i mq . Another pointer represents a vector Ψ PM and stands at 270 °. Furthermore, a vector of a current -i md is shown. By the vectors of the currents i mq , i m and -i md a rectangle is spanned. The hands rotate counterclockwise at an angular velocity ω. For the field weakening operation shown, i md is less than 0A, ρ i is greater than 0 °, ρ u is greater than 0 °, and ρ = ρ u -ρ i .

Die Feldschwächung wird durch den negativen feldbildenden Strom imd realisiert. Dabei kann der Stromvektor dem resultierenden Spannungsvektor vorauseilen. Der Phasenwinkel ρ kann damit positive oder negative Werte aufweisen, ist aber immer kleiner als im Betrieb ohne Feldschwächung. Das entsprechende Zeigerdiagramm ist in 6 gezeigt. Durch die Feldschwächung kann eine konstante Drehzahl ω, mit einem kleineren Spannungsvektor um realisiert werden, als ohne Feldschwächung. Umgekehrt kann bei einem konstanten Spannungsvektor um und somit einer konstanten Spannung UDC2 eine höhere Drehzahl ω realisiert werden. The field weakening is realized by the negative field-forming current i md . In this case, the current vector can be the resulting Precede voltage vector. The phase angle ρ can thus have positive or negative values, but is always smaller than in operation without field weakening. The corresponding phasor diagram is in 6 shown. Due to the field weakening, a constant rotational speed ω can be realized with a smaller voltage vector u m than without field weakening. Conversely, with a constant voltage vector u m and thus a constant voltage U DC2, a higher rotational speed ω can be realized.

7 zeigt ein Zeigerdiagramm einer Drehfeldmaschine für einen Feldstärkungsbetrieb gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei kann es sich um die in 1 gezeigte Drehfeldmaschine handeln. 7 shows a phasor diagram of a rotating field machine for a field strengthening operation according to an embodiment of the present invention. This may be the in 1 shown induction machine act.

Gezeigt ist ein erster Zeiger, der sich aus Vektoren für einen Strom imq und einer Spanung uind zusammensetzt. Der erste Zeiger steht bei 0°. Ein zweiter Zeiger stellt eine Spannung um dar. Zwischen dem ersten Zeiger und dem zweiten Zeiger besteht ein Phasenwinkel ρu. Ein dritter Zeiger stellt einen Strom im dar. Zwischen dem ersten Zeiger und dem dritten Zeiger besteht ein Phasenwinkel ρi. Zwischen dem dritten Zeiger und dem zweiten Zeiger besteht ein Phasenwinkel ρ = ρu – ρi. Ein eine Spannung uRs und ein eine Spannung uLs darstellender Vektor, die senkrecht zueinander stehen, verbinden den ersten Zeiger mit dem zweiten Zeiger. Der die Spannung uLs darstellende Vektor wird durch die aufeinander senkrecht stehenden Vektoren ω·Ls·imd und ω·Ls·imq gebildet. Ein weiterer Zeiger stellt einen Vektor ΨPM dar und steht bei 270°. Ferner ist ein Vektor eines Stroms imd gezeigt. Durch die Vektoren der Ströme imq, im und imd wird ein Rechteck aufgespannt. Die Zeiger drehen sich entgegen dem Uhrzeigersinn mit einer Winkelgeschwindigkeit ω. Für den gezeigten Feldstärkungsbetrieb gilt, dass imd größer als 0A, ρi kleiner als 0°, ρu größer als 0° und ρ = ρu – ρi ist. Shown is a first pointer composed of vectors for a current i mq and a voltage u ind . The first pointer is at 0 °. A second pointer represents a voltage u m . Between the first pointer and the second pointer there is a phase angle ρ u . A third pointer represents a current i m . There is a phase angle ρ i between the first pointer and the third pointer. Between the third pointer and the second pointer there is a phase angle ρ = ρ u - ρi. A voltage u Rs and a voltage u Ls representative vector, which are perpendicular to each other, connect the first pointer to the second pointer. The vector representing the voltage u Ls is formed by the mutually perpendicular vectors ω * L s * i md and ω * L s * i mq . Another pointer represents a vector Ψ PM and stands at 270 °. Furthermore, a vector of a current i md is shown. By the vectors of the currents i mq , i m and i md a rectangle is spanned. The hands rotate counterclockwise at an angular velocity ω. For the field enhancement mode shown, i md is greater than 0A, ρ i is less than 0 °, ρ u is greater than 0 ° and ρ = ρ u - ρ i .

Die Feldstärkung wird durch einen positiven feldbildenden Strom id realisiert. Dabei kann der Stromvektor dem resultierenden Spannungsvektor nacheilen. Der Phasenwinkel ρ kann damit negative oder positive Werte aufweisen, ist aber immer größer als im Betrieb ohne Feldstärkung. Das entsprechende Zeigerdiagramm ist in 7 zu sehen. Durch die Feldstärkung kann eine konstante Drehzahl ω, mit einem größeren Spannungsvektor um realisiert werden, als ohne Feldstärkung. Umgekehrt kann bei einem konstanten Spannungsvektor um und somit einer konstanten Spannung UDC2 eine kleinere Drehzahl ω realisiert werden. The field strengthening is realized by a positive field-forming current i d . In this case, the current vector can lag the resulting voltage vector. The phase angle ρ can thus have negative or positive values, but is always greater than in operation without field strengthening. The corresponding phasor diagram is in 7 to see. By the field strengthening, a constant speed ω can be realized with a larger voltage vector u m than without field strengthening. Conversely, at a constant voltage vector u m and thus a constant voltage U DC2 a smaller speed ω can be realized.

Insgesamt kann mit einer konstanten Spannung UDC2 die Drehzahl der Drehfeldmaschine durch Feldschwächung oder Feldstärkung innerhalb von physikalischen Grenzen erhöht oder reduziert werden. Die Feldbeeinflussung wird in beiden Fällen durch die Einstellung des Phasenwinkels ρ durchgeführt. Für die Puls-Amplituden-Modulation kann dies durch einen einfachen Phasenwinkel-Regler realisiert werden. Dieser wird auf Basis der gewünschten Solldrehzahl der Drehfeldmaschine die Steuerung der Spannungslevels von Um2 durch den DC/DC-Wandler und des Phasenwinkels ρ durch den Pulswechselrichter durchführen. Overall, with a constant voltage U DC2, the speed of the induction machine can be increased or reduced by field weakening or field strengthening within physical limits. The field influence is carried out in both cases by adjusting the phase angle ρ. For the pulse amplitude modulation, this can be realized by a simple phase angle controller. This will perform the control of voltage levels of U m2 through the DC / DC converter and the phase angle ρ by the pulse inverter based on the desired speed of the rotating field machine.

8 zeigt eine Darstellung eines Verdichtersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt ist ein Turboverdichter 807 zum Komprimieren eines Gases. Der Turboverdichter 807 wird von einer Drehfeldmaschine 105 zum Antreiben des Turboverdichters 807 angetrieben. Die Drehfeldmaschine 105 kann wiederum von einer Vorrichtung 809 zum Steuern der Drehfeldmaschine 105 gesteuert werden. Die Vorrichtung 809 ist ausgebildet, um ein Ansteuersignal zum Erzeugen eines Drehfelds in der Drehfeldmaschine 105 bereitzustellen. Beispielsweise kann die Vorrichtung 809 einen Gleichspannungswandler und einen Pulsweitenregler umfassen, wie sie in 1 gezeigt sind. 8th shows an illustration of a compressor system according to an embodiment of the present invention. Shown is a turbo compressor 807 for compressing a gas. The turbo compressor 807 is from an induction machine 105 to power the turbo compressor 807 driven. The induction machine 105 can turn from a device 809 for controlling the induction machine 105 to be controlled. The device 809 is configured to be a drive signal for generating a rotating field in the induction machine 105 provide. For example, the device 809 a DC-DC converter and a pulse width controller, as in 1 are shown.

Die Vorrichtung 809 weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine erste Einrichtung 811 zum Bewirken einer Feldschwächung des Drehfeldes der Drehfeldmaschine 105 und eine zweite Einrichtung 812 zum Bewirken einer Feldstärkung des Drehfeldes der Drehfeldmaschine 105 auf. Durch die Feldschwächung eines aktuellen Drehfeldes der Drehfeldmaschine 105 kann eine aktuelle Drehzahl der Drehfeldmaschine 105 verringert werden. Die erste Einrichtung 811 kann ausgebildet sein, um einen Wert für eine Drehzahländerung zu empfangen oder zu ermitteln, durch die eine aktuelle Drehzahl der der Drehfeldmaschine 105 auf eine Solldrehzahl geändert werden kann, die geringer als die aktuelle Drehzahl ist. Die zweite Einrichtung 811 kann ausgebildet sein, um einen Wert für eine Drehzahländerung zu empfangen oder zu ermitteln, durch die die aktuelle Drehzahl der der Drehfeldmaschine 105 auf eine Solldrehzahl geändert werden kann, die größer als die aktuelle Drehzahl ist. Entsprechend kann durch die Feldstärkung des aktuellen Drehfeldes der Drehfeldmaschine 105 eine aktuelle Drehzahl der Drehfeldmaschine 105 vergrößert werden. Beispielsweise kann die erste Einrichtung 811 ausgebildet sein, um das Steuersignal zum Ansteuern der Drehfeldmaschine 105 so zu ändern, das das durch das Steuersignal erzeugte Drehfeld der Drehfeldmaschine 105 abgeschwächt wird. Entsprechend kann die zweite Einrichtung 812 ausgebildet sein, um das Steuersignal zum Ansteuern der Drehfeldmaschine 105 so zu ändern, das das durch das Steuersignal erzeugte Drehfeld der Drehfeldmaschine 105 gestärkt wird. The device 809 has according to this embodiment, a first device 811 for effecting field weakening of the rotating field of the rotary field machine 105 and a second device 812 for effecting a field strengthening of the rotating field of the rotary field machine 105 on. Due to the field weakening of a current rotating field of the induction machine 105 can be a current speed of the induction machine 105 be reduced. The first device 811 may be configured to receive or determine a value for a speed change, by which a current speed of the induction machine 105 can be changed to a target speed that is less than the current speed. The second device 811 may be configured to receive or determine a value for a speed change, by which the current speed of the rotary field machine 105 can be changed to a target speed that is greater than the current speed. Accordingly, by the field strengthening of the current rotating field of the induction machine 105 a current speed of the induction machine 105 be enlarged. For example, the first device 811 be formed to the control signal for driving the induction machine 105 to change, that the rotating field of the induction machine generated by the control signal 105 is weakened. Accordingly, the second device 812 be formed to the control signal for driving the induction machine 105 to change, that the rotating field of the induction machine generated by the control signal 105 is strengthened.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Ansteuersignal ein getaktetes Stromsignal und ein getaktetes Spannungssignal und die Einrichtungen 811, 812 sind ausgebildet, um zum Bewirken einer Veränderung des Drehfelds einen Phasenunterschied zwischen dem getakteten Stromsignal und dem getakteten Spannungssignal zu verstellen, wie es beispielsweise anhand der 5 bis 7 gezeigt ist. According to an embodiment, the drive signal comprises a clocked current signal and a clocked voltage signal and the facilities 811 . 812 are configured to adjust a phase difference between the pulsed current signal and the pulsed voltage signal to effect a change in the rotating field, as described, for example, with reference to FIGS 5 to 7 is shown.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die erste Einrichtung 811 ferner ausgebildet, um eine Amplitude des getakteten Spannungssignals zu verringern. Entsprechend ist die zweite Einrichtung 812 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ferner ausgebildet, um die Amplitude des getakteten Stromsignals zu erhöhen. According to one embodiment, the first device 811 further configured to reduce an amplitude of the pulsed voltage signal. Accordingly, the second device 812 According to this embodiment, further configured to increase the amplitude of the pulsed current signal.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die erste Einrichtung 811 und die zweite Einrichtung 812 auch für sich alleine eine Vorrichtung zum Ansteuern der Drehfeldmaschine 105 bilden und beispielsweise separat zu dem in 1 gezeigten Spannungswandler und Pulswechselrichter angeordnet sein. According to one embodiment, the first device 811 and the second device 812 also for itself a device for driving the induction machine 105 form and, for example, separate from the one in 1 be shown voltage converter and pulse inverter arranged.

9 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Steuern einer Drehfeldmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Schritte des Verfahrens können beispielsweise von der in 8 gezeigten Vorrichtung zum Steuern einer Drehfeldmaschine ausgeführt werden. 9 shows a flowchart of a method for controlling a rotating field machine according to an embodiment of the present invention. The steps of the method may be, for example, from the in 8th shown apparatus for controlling a rotating field machine can be performed.

Wenn eine Drehzahl der Drehfeldmaschine verringert werden soll, so wird in einem Schritt 901 eine Feldschwächung eines zum Betrieb der Drehfeldmaschine erzeugten Drehfeldes bewirkt. Wenn dagegen die Drehzahl der Drehfeldmaschine vergrößert werden soll, so wird in einem Schritt 902 eine Feldstärkung des zum Betrieb der Drehfeldmaschine erzeugten Drehfeldes bewirkt. If a speed of the induction machine is to be reduced, then in one step 901 a field weakening of a rotary field generated for operation of the induction machine causes. If, however, the speed of the induction machine is to be increased, so in one step 902 a field strengthening of the rotary field generated for the operation of the induction machine causes.

Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. The embodiments described and shown in the figures are chosen only by way of example. Different embodiments may be combined together or in relation to individual features. Also, an embodiment can be supplemented by features of another embodiment. Furthermore, method steps according to the invention can be repeated as well as carried out in a sequence other than that described.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102010040835 A1 [0003] DE 102010040835 A1 [0003]

Claims (10)

Verfahren zum Steuern einer Drehfeldmaschine (105) für einen Turboverdichter (807), das die folgenden Schritte umfasst: Bewirken (901) einer Feldschwächung eines zum Betrieb der Drehfeldmaschine (105) erzeugten Drehfeldes, um eine Drehzahl der Drehfeldmaschine (105) zu verringern; und Bewirken (902) einer Feldstärkung des zum Betrieb der Drehfeldmaschine (105) erzeugten Drehfeldes, um die Drehzahl der Drehfeldmaschine (105) zu vergrößern. Method for controlling an induction machine ( 105 ) for a turbocompressor ( 807 ), which includes the following steps: 901 ) a field weakening of a to the operation of the induction machine ( 105 ) generated by a rotating speed of the rotary field machine ( 105 ) to reduce; and effect ( 902 ) a field strengthening of the operation of the induction machine ( 105 ) to the rotational speed of the induction machine ( 105 ) to enlarge. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem im Schritt des Bewirkens (901) einer Feldschwächung ein Phasenwinkel zwischen einem das Drehfeld bewirkenden Strom und einer das Drehfeld bewirkenden Spannung verkleinert wird und im Schritt des Bewirkens (902) einer Feldstärkung der Phasenwinkel zwischen dem das Drehfeld bewirkenden Strom und der das Drehfeld bewirkenden Spannung vergrößert wird. Method according to claim 1, wherein in the step of effecting ( 901 ) a field weakening a phase angle between a current causing the rotating field and a rotating field causing voltage is reduced and in the step of effecting ( 902 ) a field strengthening of the phase angle between the rotating field causing current and the rotating field causing voltage is increased. Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem in den Schritten des Bewirkens (901, 902) die das Drehfeld bewirkende Spannung konstant gehalten wird. Method according to claim 2, wherein in the steps of effecting ( 901 . 902 ) the voltage causing the rotating field is kept constant. Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, mit einem Schritt des Verringerns der das Drehfeld bewirkenden Spannung ansprechend auf den Schritt des Bewirkens einer Feldschwächung, um die Drehzahl der Drehfeldmaschine (105) weiter zu verringern. Method according to claim 2 or 3, comprising a step of reducing the voltage causing the rotating field in response to the step of effecting a field weakening to reduce the rotational speed of the rotating field machine ( 105 ) continue to decrease. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, mit einem Schritt des Vergrößerns der das Drehfeld bewirkenden Spannung ansprechend auf den Schritt des Bewirkens einer Feldstärkung, um die Drehzahl der Drehfeldmaschine (105) weiter zu erhöhen. Method according to one of claims 2 to 4, comprising a step of increasing the voltage causing the rotating field in response to the step of effecting a field strengthening to the rotational speed of the rotary field machine ( 105 ) continue to increase. Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Schritt des Bereitstellens eines Dreiphasenwechselstroms und einer Dreiphasenwechselspannung, um das Drehfeld zu erzeugen, wobei in den Schritten des Bewirkens (901, 902) eine Phasenbeziehung zwischen dem Dreiphasenwechselstrom und der Dreiphasenwechselspannung angepasst wird, um die Feldschwächung oder die Feldstärkung zu bewirken. Method according to one of the preceding claims, comprising a step of providing a three-phase alternating current and a three-phase alternating voltage to generate the rotating field, wherein in the steps of effecting ( 901 . 902 ) a phase relationship between the three-phase alternating current and the three-phase alternating voltage is adjusted to effect the field weakening or the field strengthening. Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem im Schritt des Bereitstellens der Dreiphasenwechselstrom unter Verwendung einer Puls-Amplituden-Modulation aus einem Gleichstrom und die Dreiphasenwechselspannung unter Verwendung einer weiteren Puls-Amplituden-Modulation aus einer Gleichspannung erzeugt werden und in den Schritten des Bewirkens (901, 902) die Phasenbeziehung zwischen dem Dreiphasenwechselstrom und der Dreiphasenwechselspannung durch Anpassen der Puls-Amplituden-Modulationen angepasst wird, um die Feldschwächung oder die Feldstärkung zu bewirken. Method according to claim 6, wherein in the step of providing the three-phase alternating current using a pulse amplitude modulation from a direct current and the three-phase alternating voltage using a further pulse amplitude modulation are generated from a direct voltage and in the steps of effecting ( 901 . 902 ) the phase relationship between the three-phase alternating current and the three-phase alternating voltage is adjusted by adjusting the pulse-amplitude modulations to effect the field weakening or the field strengthening. Verfahren gemäß Anspruch 7, mit einem Schritt des Durchführens einer Gleichspannungswandlung um die Gleichspannung zu erzeugen, wobei die Gleichspannung mit einem ersten Spannungswert für einen ersten Drehzahlbereich der Drehfeldmaschine (105) und mit einem zweiten Spannungswert für einen zweiten Drehzahlbereich der Drehfeldmaschine (105) erzeugt wird, und eine Größe des ersten Drehzahlbereichs so gewählt ist, dass die Drehzahl der Drehfeldmaschine (105) durch das Bewirken der Feldschwächung und der Feldstärkung innerhalb des gesamten ersten Drehzahlbereichs unter Verwendung der Gleichspannung mit dem ersten Spannungswert variiert werden und eine Größe des zweiten Drehzahlbereichs so gewählt ist, dass die Drehzahl der Drehfeldmaschine (105) durch das Bewirken der Feldschwächung und der Feldstärkung innerhalb des gesamten zweiten Drehzahlbereichs unter Verwendung der Gleichspannung mit dem zweiten Spannungswert variiert werden kann. A method according to claim 7, comprising a step of performing a DC-DC conversion to generate the DC voltage, the DC voltage having a first voltage value for a first rotational speed range of the AC machine ( 105 ) and with a second voltage value for a second speed range of the induction machine ( 105 ) is generated, and a size of the first speed range is selected so that the speed of the induction machine ( 105 ) are varied by effecting the field weakening and the field strengthening within the entire first rotational speed range using the DC voltage having the first voltage value, and a magnitude of the second rotational speed range is selected such that the rotational speed of the rotating field machine ( 105 ) can be varied by effecting the field weakening and the field strengthening within the entire second rotational speed range using the DC voltage having the second voltage value. Vorrichtung zum Steuern einer Drehfeldmaschine (105) für einen Turboverdichter (807), die ausgebildet ist, um die Schritte (901, 902) eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen. Device for controlling an induction machine ( 105 ) for a turbocompressor ( 807 ), which is adapted to the steps ( 901 . 902 ) of a method according to one of claims 1 to 8. Verdichtersystem mit folgenden Merkmalen: einem Turboverdichter (807) zum Komprimieren eines Gases; eine Drehfeldmaschine (105) zum Antreiben des Turboverdichters (807); und eine Vorrichtung (809) zum Steuern einer Drehfeldmaschine (105) gemäß Anspruch 9. Compressor system with the following features: a turbocompressor ( 807 ) for compressing a gas; an induction machine ( 105 ) for driving the turbocompressor ( 807 ); and a device ( 809 ) for controlling an induction machine ( 105 ) according to claim 9.
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