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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum drehgeberfreien, feldorientierten Regeln einer Asynchronmaschine.
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Stand der Technik
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Es ist aus der Praxis bekannt, dass eine Asynchronmaschine mittels eines feldorientiert arbeitenden Regelsystems beziehungsweise Führungssystems geregelt werden kann. Das Regelsystem arbeitet üblicherweise basierend auf einer Erfassung eines Statorstroms eines Stators der Asynchronmaschine, einer Statorspannung des Stators sowie einer Rotorposition und/oder einer Rotordrehzahl eines Rotors der Asynchronmaschine.
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Es ist ebenfalls bekannt, dass eine drehgeberfreie Regelung der Asynchronmaschine mittels eines drehgeberfreien und feldorientierten Regelsystems erfolgen kann, das frei von einer direkten Erfassung der Rotorposition bzw. der Rotordrehzahl arbeiten kann. Eine drehgeberfreie Führung der Asynchronmaschine kann beispielsweise auf das Vorsehen eines teuren Drehgebers verzichten, so dass die Asynchronmaschine kostengünstig und kompakt gefertigt sein kann.
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In
DE 42 09 305 A1 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zur feldorientierten Regelung von Asynchronmaschinen mit dynamisch hochwertiger Erfassung von deren im elektrisch eingeschwungenen Zustand benötigten Statorspannungen beschrieben.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Simulieren eines Feldwinkels zwischen einem eine Asynchronmaschine beschreibenden statororientierten Koordinatensystem und einem die Asynchronmaschine beschreibenden simulierten feldorientierten Koordinatensystem mittels eines Modells, insbesondere eines Maschinenmodells, bereitgestellt, wobei die Asynchronmaschine drehgeberfrei, feldorientiert und mit einer gestuften, insbesondere einer stufig einstellbaren, Spannung betrieben wird, mit Bereitstellen einer simulierten feldorientierten mittels eines Rotorflusses eines Rotors der Asynchronmaschine in einem Stator der Asynchronmaschine induzierten Statorspannung, Bestimmen einer Winkeldifferenz zwischen dem zu simulierenden Feldwinkel und einem Feldwinkel zwischen dem statororientierten Koordinatensystem und einem die Asynchronmaschine beschreibenden feldorientierten Koordinatensystem basierend auf der simulierten feldorientierten induzierten Statorspannung und Simulieren des Feldwinkels basierend auf der bestimmten Winkeldifferenz.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann es ermöglichen, einen Feldwinkel zu simulieren bzw. nachbilden, der zwischen einem statororientierten Koordinatensystem und einem simulierten bzw. nachgebildeten feldorientierten Koordinatensystem definiert sein kann. Dazu kann aus einer simulierten feldorientierten in einem Stator der Asynchronmaschine induzierten Statorspannung, die aufgrund eines Rotorflusses eines Rotors der Asynchronmaschine in Statorwicklungen des Stators hervorgerufen werden kann, eine Winkeldifferenz berechnet werden. Die Winkeldifferenz kann einem Winkelversatz oder einem Fehlwinkel zwischen dem zu simulierenden Feldwinkel und einem Feldwinkel entsprechen, der zwischen dem statororientierten Koordinatensystem und einem tatsächlichen feldorientierten Koordinatensystem gemessen sein kann. Der zu simulierende Feldwinkel kann dann unter Verwendung der ermittelten Winkeldifferenz simuliert bzw. nachgebildet werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere auf einem Ansatz beruhen, der bei einem Regelsystem für eine Asynchronmaschine, das bzw. die einen Drehgeber verwenden kann, zur Nachbildung eines Schlupfwinkels zwischen einem Rotorfluss und einem Statorfluss verwendet werden kann. Da die simulierte induzierte Statorspannung eine einfach zugängliche Größe in einem der Asynchronmaschine zugeordneten Regelsystem sein kann, kann die Simulation des Feldwinkels besonders einfach und genau bewerkstelligt werden.
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Da die mittels des Verfahrens bestimmte Winkeldifferenz dem Fehlwinkel entsprechen kann, mit dem das simulierte feldorientierte Koordinatensystem von dem feldorientierten Koordinatensystem abweichen kann, kann der simulierte Feldwinkel insbesondere zur Nachführung des simulierten feldorientierten Koordinatensystems verwendet werden, indem eine Anpassung des nachgebildeten Feldwinkels an den tatsächlichen Feldwinkel bewirkt werden kann. Dadurch kann eine feldorientierte Regelung der Asynchronmaschine besonders exakt sein.
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Das Verfahren kann ferner Simulieren einer Statorkreisfrequenz basierend auf der bestimmten Winkeldifferenz und einer simulierten Schlupfkreisfrequenz aufweisen, mit der der Rotorfluss relativ zu einem Statorfluss des Stators der Asynchronmaschine rotieren kann, wobei das Simulieren des Feldwinkels basierend auf der simulierten Statorkreisfrequenz durchgeführt werden kann. Somit kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zusätzlich zu dem simulierten Feldwinkel eine Statorkreisfrequenz simuliert werden, so dass mittels des Verfahrens mehrere Ergebnisse erzeugt werden können und eine von dem Verfahren getrennte Simulation der Statorkreisfrequenz vermieden werden kann. Ferner kann durch die Verwendung der simulierten Schlupfkreisfrequenz zeitlich begrenzte Abweichungen des simulierten Feldwinkels bei schnellen Änderungen der Schlupfkreisfrequenz vermieden werden.
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Das Simulieren der Statorkreisfrequenz kann Integrieren der bestimmten Winkeldifferenz über eine Zeit, Verstärken der bestimmten Winkeldifferenz mit einem Verstärkungsfaktor, Addieren der integrierten Winkeldifferenz und der verstärkten Winkeldifferenz, um eine simulierte elektrische Kreisfrequenz des Rotors des Asynchronmaschine zu erzeugen, und Addieren der simulierten elektrischen Kreisfrequenz und der simulierten Schlupfkreisfrequenz, um die simulierte Statorkreisfrequenz zu erzeugen, aufweisen. Dadurch kann der Regelkreis zum Simulieren und/oder Nachführen des Feldwinkels mittels eines sogenannten PI-Reglers dargestellt werden, auf dessen Ausgang zusätzlich eine in einem Regelsystem der Asynchronmaschine simulierte oder nachgebildete Schlupfkreisfrequenz als Vorsteuerung aufgeschaltet werden kann.
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Das Verfahren kann ferner Integrieren der simulierten Statorkreisfrequenz über eine Zeit aufweisen, wobei das Simulieren des Feldwinkels basierend auf der integrierten simulierten Statorkreisfrequenz durchgeführt werden kann. Eine Zeitintegration der simulierten Statorkreisfrequenz kann beispielsweise mittels eines digitalen Integrierers durchgeführt werden und/oder eine entsprechende Normierung der integrierten Statorkreisfrequenz durch eine geeignet gewählte Zeitkonstante berücksichtigen. Dadurch kann der Feldwinkel besonders einfach mittels einer Definition der Statorkreisfrequenz als Ableitung des Feldwinkels nach der Zeit, also ωs = dφ/dt ermittelt werden.
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Das Bestimmen der Winkeldifferenz kann Bilden eines Verhältnisses zwischen einer Längskomponente und einer Querkomponente der simulierten induzierten Statorspannung aufweisen. Diese Maßnahme kann eine Erkenntnis nutzen, dass für kleine Winkelbeträge der Winkeldifferenz durch eine Tangensfunktion am Wert der Winkeldifferenz angenähert werden kann, die wiederum proportional zu einem Verhältnis zwischen der Längskomponente und der Querkomponente der simulierten induzierten Statorspannung sein kann.
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Insbesondere können die in der Anmeldung genannten Größen, wie beispielsweise die induzierte Statorspannung, Raumvektoren in dem statororientierten Koordinatensystem, in dem feldorientierten Koordinatensystem und/oder in dem simulierten feldorientierten Koordinatensystem darstellen. Dabei kann das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung von Werten dieser Größen durchgeführt werden und/oder einen zeitabhängigen Verlauf dieser Größen berücksichtigen, bei dem eine Vielzahl der entsprechenden Werte betrachtet werden kann. Die in der Anmeldung genannten Kreisfrequenzen, Winkel und Winkeldifferenzen können Werte, also Skalare, sein.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Simulationsvorrichtung zum Simulieren eines Feldwinkels zwischen einem eine Asynchronmaschine beschreibenden statororientierten Koordinatensystem und einem die Asynchronmaschine beschreibenden simulierten feldorientierten Koordinatensystem mittels eines Modells, insbesondere eines Maschinenmodells, wobei die Asynchronmaschine drehgeberfrei, feldorientiert und mit einer stufigen Spannung betreibbar ist, mit einer Einheit zum Bereitstellen einer simulierten feldorientierten mittels eines Rotorflusses eines Rotor der Asynchronmaschine in einem Stator der Asynchronmaschine induzierten Statorspannung, einer Einheit zum Bestimmen einer Winkeldifferenz zwischen dem zu simulierenden Feldwinkel und einem Feldwinkel zwischen dem statororientierten Koordinatensystem und einem die Asynchronmaschine beschreibenden feldorientierten Koordinatensystem basierend auf der simulierten feldorientierten induzierten Statorspannung und einer Simulationseinheit zum Simulieren des Feldwinkels basierend auf der bestimmten Winkeldifferenz. Die Simulationsvorrichtung kann zum Durchführen des oben beschriebenen Verfahrens eingerichtet sein und entsprechende Einheiten aufweisen. Die erste Einheit kann insbesondere als Schnittstelle zum Empfangen der simulierten induzierten Statorspannung oder als Einheit zum Simulieren der induzierten Statorspannung ausgebildet sein. Die Einheit zum Bestimmen der Winkeldifferenz kann insbesondere Teil der Simulationseinheit sein. Die Einheit zum Bestimmen der Winkeldifferenz und/oder die Simulationseinheit können Teil einer Verarbeitungseinheit, insbesondere eines Prozessors, sein und/oder mittels Integrations-, Verstärkungs-, Divisions-, Additions- und/oder Subtraktionseinheiten oder -glieder realisiert sein.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Regelsystem zum drehgeberfreien, feldorientierten Regeln einer Drehzahl und/oder eines Drehmoments eines Rotors einer mittels einer gestuften Spannung betreibbaren Asynchronmaschine, die die oben beschriebene Simulationsvorrichtung aufweist.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung, mit einer Asynchronmaschine, einer Spannungsquelle, die zum Ausgeben einer gestuften Spannung an die Asynchronmaschine eingerichtet ist, und dem oben beschriebenen Regelsystem. Die Spanungsquelle kann insbesondere eingerichtet sein, die der Asynchronmaschine zuführbare Ausgabespannung stufig oder in Stufen einzustellen und/oder als Batteriedirektinverter ausgebildet sein.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Blockdarstellung einer Anordnung mit einer mittels einer gestuften Spannung betreibbaren Asynchronmaschine und einem Regelsystem zum drehgeberfreien feldorientierten Regeln einer Drehzahl der Asynchronmaschine;
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2 eine schematische Blockdarstellung des Regelsystems in 1;
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3 ein Ersatzschaltbild der Asynchronmaschine in 1 in einem feldorientierten Koordinatensystem;
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4 eine schematische Darstellung eines Raumvektors der in einem Stator der Asynchronmaschine in 1 induzierten Statorspannung in einem statororientierten Koordinatensystem, in einem feldorientierten Koordinatensystem und in einem simulierten feldorientierten Koordinatensystem;
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5 ein schematisches Blockdiagramm einer in 2 dargestellten Einheit zum Bestimmen einer Winkeldifferenz zwischen einem simulierten Feldwinkel und einem Feldwinkel; und
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6 ein schematisches Blockdiagramm einer in 2 dargestellten Simulationseinheit zum Simulieren des Feldwinkels und eines Ausschnitts einer in 2 dargestellten Drehzahlregelstrecke.
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Eine in 1 gezeigte Anordnung 10 weist eine als Batteriedirektinverter ausgebildete Spannungsquelle 12 auf, mittels der eine als Käfigläufer ausgebildete Asynchronmaschine 14 betreibbar ist. Ein Regelsystem 16 der Anordnung 10 dient zum drehgeberfreien, feldorientierten Regeln einer Drehzahl und/oder eines Drehmoments eines Rotors der Asynchronmaschine 14. Die Anordnung 10 ist Teil eines Elektroantriebs, der in stationären Anlagen, wie beispielsweise in einem Windkraftwerk, oder in einem Fahrzeug, beispielsweise in einem Hybrid oder Elektrofahrzeug, verwendet werden kann.
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Die Spannungsquelle 12 ist mit drei Spannungszweigen 17a, 17b, 17c ausgebildet, deren stufig skalierbare einstellbare Ausgabespannungen über einen jeweiligen Pluspol U, V, W der Asynchronmaschine 14 zuführbar sind. Jeder Spannungszweig 17a, 17b, 17c ist mit einer Vielzahl von Batteriemodulen mit Koppeleinrichtungen versehen, die der Übersicht halber lediglich in dem Spannungszweig 17c mit den Bezugszeichen 18a bzw. 18b bezeichnet sind. Optionale Trenneinrichtungen 20a und optionale Lade und Trenneinrichtungen 20b der Spannungszweige 17a, 17b, 17c sind jeweils mit einem Batteriemodul 18a bzw. 18b der Spannungszweige 17a, 17b, 17c gekoppelt. Minuspole des Batteriedirektinverters 12 sind zu einem Sternpunkt verbunden, können allerdings auch elektrisch voneinander getrennt sein. Obwohl die Spannungsquelle 12 als wiederaufladbar ausgebildet ist und einen Akkumulator bzw. ein Akkumulatorsystem darstellt, wird die Spannungsquelle 12 entsprechend des üblichen Sprachgebrauchs als Batterie bzw. als Batteriesystem bezeichnet.
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Das in 2 dargestellte Regelsystem 16 weist eine erste und zweite Park-Transformationseinheit 22, 24 zum Transformieren von dreidimensionalen Werten einer Größe zwischen einem statororientierten Koordinatensystem mit zueinander orthogonalen Koordinatenachsen 1, 2, 3 und einem feldorientierten Koordinatensystem mit zueinander orthogonalen Koordinatenachsen d, q unter Verwendung eines Feldwinkels φ auf. Das Regelsystem 16 weist ferner eine erste Simulationsvorrichtung 26 zum Simulieren einer feldorientierten, aufgrund eines Rotorflusses Ψr des Rotors in einem Stator der Asynchronmaschine 14 induzierten Statorspannung uind,φ# mittels eines Maschinenmodells und zum Simulieren einer simulierten feldorientierten in einem stationären Betrieb oder elektrisch eingeschwungenen Zustand der Asynchronmaschine 14 erforderlichen Statorspannung us,st,φ# mittels des Maschinenmodells, eine zweite Simulationsvorrichtung 28 zum Simulieren eines feldorientierten Magnetisierungsstroms img,# des Rotors der Asynchronmaschine 14 mittels des Maschinenmodells und eine dritte Simulationsvorrichtung 30 zum Simulieren einer Drehzahl n# des Rotors der Asynchronmaschine 14 mittels des Maschinenmodells auf. Die erste, zweite und dritte Simulationsvorrichtung 26, 28, 30 arbeiten in einem simulierten oder nachgebildeten Koordinatensystem, das mittels zueinander orthogonaler Koordinatenachsen d#, q# definiert ist.
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Zusätzlich weist das Regelsystem 16 eine feldorientiert arbeitende Drehzahlregelvorrichtung 32 zum Regeln der Drehzahl n des Rotors der Asynchronmaschine 14 mittels einer in der Drehzahlregelvorrichtung 32 implementierten, feldorientiert arbeitenden Magnetisierungsstromregelung zum Regeln eines Magnetisierungsstroms img des Rotors der Asynchronmaschine 14 und eine feldorientiert arbeitende Statorstromregelvorrichtung 34 zum Regeln des im Stator fließenden Statorstroms is,φ des Stators der Asynchronmaschine 14 auf. Über ein Stellglied 36 des Regelsystems 16 ist die vom Batteriedirektinverter 12 ausgebbare gestufte Ausgabespannung regelbar, die an Maschinenklemmen der Asynchronmaschine 14 einspeisbar ist. Eine Statorstromregelstrecke 38 des Regelsystems 16, die zum Regeln eines feldorientierten Statorstroms is,φ dient, und eine Drehzahlregelstrecke 40 des Regelsystems 16, die zum Regeln des Magnetisierungsstrom img und der Drehzahl n des Rotors der Asynchronmaschine 14 dient, bilden die Asynchronmaschine 14 mittels der entsprechenden Zusammenhänge zwischen jeweiligen Eingangsgrößen und Ausgangsgrößen der Regelstrecken 38, 40 nach. Ein erster Sensor 42 zum Erfassen einer feldorientierten Statorspannung us,φ des Stators der Asynchronmaschine 14 und ein zweiter Sensor 44 zum Erfassen eines feldorientierten Statorstroms is,φ des Stators sind jeweils mit der ersten, zweiten und dritten Simulationsvorrichtung 26, 28, 30 gekoppelt.
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Obwohl die Sensoren 42, 44 schaltungstechnisch dargestellt sind, als dass die Sensoren 42, 44 zum Erfassen der feldorientierten Größen eingerichtet sind, versteht es sich, dass die Sensoren Werte im statororientierten Koordinatensystem erfassen, die mittels der Transformationseinheit 22 in entsprechende Größen des feldorientierten Koordinatensystems umgewandelt werden.
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Die dritte Simulationsvorrichtung 30 weist eine erste Schnittstelle 46 zum Empfangen der simulierten induzierten Statorspannung uind,φ#, eine Einheit 48 zum Bestimmen einer Winkeldifferenz Δφ zwischen dem zu simulierenden Feldwinkel φ# und dem Feldwinkel φ mittels des Maschinenmodells, eine Simulationseinheit 50 zum Simulieren des Feldwinkels φ# basierend auf der bestimmten Winkeldifferenz Δφ mittels des Maschinenmodells und eine Schnittstelle 52 zum Ausgeben des simulierten Feldwinkels φ# auf.
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Zumindest eine der Einheiten 46–52 der dritten Simulationsvorrichtung 30 und/oder zumindest eine Vorrichtung der ersten Simulationsvorrichtung 26, der zweiten Simulationsvorrichtung 28 und der dritten Simulationsvorrichtung 30 sind mittels Hardware und/oder Software realisiert. Ferner können zumindest zwei Elemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus den Einheiten 46–52 und den Vorrichtungen 26, 28, 30 einstückig bzw. als gemeinsamer Code realisiert sein.
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Der Vollständigkeit halber wird angemerkt, dass in 2 mittels Ω eine mechanische Kreisfrequenz des Rotors im feldorientierten Koordinatensystem und mittels n* eine Steuerdrehzahl für die Drehzahlregelvorrichtung 32 bezeichnet wird. Ferner sind vektorielle Größen in den 2 bis 6 mittels eines Pfeils gekennzeichnet, während diese Größen in der Beschreibung ohne Pfeil gekennzeichnet sind.
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Ein in 3 dargestelltes Ersatzschaltbild der Asynchronmaschine 14 weist einen Statorzweig 54 mit einem Statorinduktivität 56 mit der Bezeichnung Lσ, einem Statorwiderstand 58 mit der Bezeichnung Rs und einer Einheit 60 auf. Der Statorzweig 54 ist mit einem Rotorzweig 62 gekoppelt, der eine Rotorinduktivität 64 mit der Bezeichnung Lr, einen Rotorwiderstand 66 mit der Bezeichnung Rr, eine erste Einheit 68 und eine zweite Einheit 70 aufweist. Die Größe ωs bezeichnet eine feldorientierte Statorkreisfrequenz, mit der das feldorientierte Koordinatensystem relativ zum statororientierten Koordinatensystem rotiert. Die Größe zP bezeichnet eine Polpaaranzahl des Rotors der Asynchronmaschine 14.
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Unter Berücksichtigung von 2 verwendet die dritte Simulationsvorrichtung 30 den Zusammenhang uind,φ = TLr*d/dtimg,φ + ωs*KLr*R(π/2)*img,φ = (KRr*(isd – img), ωs*KLr*img)t. Dabei gelten die Zusammenhänge TLr = Lr*iB/uB und KLr = TLr/TB = (Lr*iB)/(uB*TB), wobei iB, uB und TB die Bezugsgrößen bzw. Normierungsgrößen für Ströme, Spannungen und Zeitkonstanten des Regelsystems 16 tsind und R(π/2) eine Drehmatrix für den Wert (π/2) und (a, b) einen transponierten Vektor bezeichnen. Für die Längskomponente uindd der feldorientierten Statorspannung uind,φ und die Querkomponente uindq der feldorientierten Statorspannung uind,φ gilt entsprechend uindd = TLr*d/dtimg = KRr*(isd – img) und uindq = ωs*KLr*img mit KRr = (Rr*iB)/uB.
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Da der Rotorwiderstand Rr und damit der Streckenparameter KRr bei Käfigläufer-Asynchronmaschinen 12 kleine Werte aufweisen, kann die Längskomponente uindd der feldorientierten Statorspannung uind,φ bei Ausgleichsvorgängen im Regelsystem 16 für den Magnetisierungsstrom img,φ, also wenn die Längskomponente isd des feldorientierten Statorstroms is,φ ungleich zum feldorientierten Magnetisierungsstrom img,φ ist (is,φ ≠ img,φ), mit sehr guter Näherung zu Null angenommen werden (uindd = 0). Der Raumvektor der feldorientierten induzierten Statorspannung uind,φ weist somit im Vergleich zum in 4 dargestellten und im Folgenden mit dem Bezugszeichen 72 versehenen statororientierten Koordinatensystem, das mittels einer ersten Achse a und einer zweiten Achse b definiert ist, im feldorientierten Koordinatensystem 74, das mittels einer Längsachse d und einer Querachse q definiert ist, im Wesentlichen nur eine Querkomponente uindq in Richtung der Querachse q auf (uind,φ = (0, uindq)t). In einem simulierten oder nachgebildeten feldorientierten Koordinatensystem 76, das mittels einer Simulationslängsachse d# und einer Simulationsquerachse q# definiert ist, gilt für den tRaumvektor der induzierten Spannungen uind,φ# = (uindd,#, uindq,#)t = R(Δφ)*uind,φ = uindq*(–sin(Δφ), cos(Δφ))t. Damit gilt für die Längskomponente uindd,# der simulierten feldorientierten Statorspannung uindd,# = –sin(Δφ)*uindq und die Querkomponente uindq,# der simulierten feldorientierten Statorspannung uindq,# = +cos(Δφ)* uindd. Daher gilt tan(Δφ) = uindd,#/uindq,# und, als Näherung für kleine Beträge der Winkeldifferenz Δφ, tan(Δφ) = –uindd,#/uindq,# ≈ Δφ.
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Die in 5 detaillierter dargestellte Einheit 48 weist ein Koordinatenzerlegungsglied 78 auf, das eine Längskomponente uindd,# der simulierten induzierten Statorspannung uind,φ# und eine Querkomponente uindq,# der simulierten induzierten Statorspannung uind,φ# ausgibt. Ein Verstärkungsglied 80 multipliziert die zugeführte Längskomponente uindd,# der simulierten induzierten Statorspannung uind,φ# mit einem Faktor –1 und gibt die negative Längskomponente –uindd,# der simulierten induzierten Statorspannung uind,φ# aus. Das Ausgabesignal des Verstärkungsglieds 80 und die von dem Koordinatenaufspaltungsglied 78 ausgegebene Querkomponente uindq,# der simulierten induzierten Statorspannung uind,φ# werden einem Divisionsglied 82 zugeführt, das ein Verhältnis zwischen beiden Eingangssignalen zu tan(Δφ) = –uindd,#/uindq,# berechnet. Ein Ausgabesignal des Divisionsglieds 82 entspricht unter der Annahme, dass die Winkeldifferenz Δφ kleine Beträge aufweist, der Winkeldifferenz Δφ = φ# – φ zwischen dem simulierten Feldwinkel φ# und dem Feldwinkel φ, da tan(Δφ) ≈ Δφ gilt.
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Die in 6 detaillierter gezeigte Simulationseinheit 50 empfängt die von der Einheit 48 bestimmte Winkeldifferenz Δφ und führt diese einer Regeleinheit 84 zu, die mittels eines PI-Reglers 86 und einem ersten Additionsglied 88 gebildet wird. Der PI-Regler 86 weist ein Verstärkungsglied 90, das die Winkeldifferenz Δφ mit einem Verstärkungsfaktor KPI,φ multipliziert, ein erstes Integrationsglied 92, das die Winkeldifferenz Δφ über eine Zeit unter Verwendung einer Integrationskonstanten TPI,φ integriert, und ein zweites Additionsglied 94 auf, das die Ausgabesignale des Verstärkungsglieds 90 und des Integrationsglieds 92 addiert. Das Ausgabesignal des zweiten Additionsglieds 94 ist eine simulierte elektrische Rotorkreisfrequenz Ωr,# und wird dem ersten Additionsglied 88 zugeführt, das das zugeführte Ausgabesignal und eine simulierte Schlupfkreisfrequenz ωr,# addiert und die simulierte Statorkreisfrequenz ωs,# ausgibt. Die simulierte Schlupfkreisfrequenz ωr,# ist einem Schlupf zwischen einem Rotorfluss Ψr,# und einem Statorfluss Ψs,# zugeordnet. Eine dem Regler 84 nachgeschaltete Einheit 96, die als digitaler Integrierer ausgebildet ist, weist ein zweites Integrationsglied 98 auf, das die simulierte Statorkreisfrequenz ωs,# über eine Zeit unter Verwendung einer Integrationskonstanten TB gemäß dem Zusammenhang φ# = (1/TB)* ∫ωs,# dt integriert. Ein Ausgabesignal des zweiten Integrationsglieds 98 entspricht dem simulierten Feldwinkel φ#.
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Die in 6 ebenfalls gezeigte Feldwinkelregelstrecke 100 bildet einen Abschnitt der Drehzahlregelstrecke 40 in 2. Ein erstes Integrationsglied 102 der Feldwinkelregelstrecke 100 empfängt einen Winkel α, den der Rotor bezüglich des statororientierten Koordinatensystems aufweist, und integriert den Winkel α unter Verwendung einer Integrationskonstanten TB über eine Zeit und gibt die mechanische Rotorwinkelgeschwindigkeit oder Rotorkreisfrequenz Ω des Rotors an ein Verstärkungsglied 104 aus. Das Verstärkungsglied 104 verstärkt die zugeführte Rotorkreisfrequenz Ω mit einem Verstärkungsfaktor zP, der der Polpaarzahl des Rotors entspricht, und gibt eine elektrische Rotorwinkelgeschwindigkeit oder Rotorkreisfrequenz Ωr des Rotors aus. Die ausgegebene elektrische Rotorkreisfrequenz Ωr wird mittels eines Additionsglieds 106 mit der Schlupfkreisfrequenz ωr addiert, die einem Schlupf des Rotorfelds relativ zum Statorfeld zugeordnet ist, und gibt als Ergebnis die Statorkreisfrequenz ωs aus. Die ausgegebene Statorkreisfrequenz ωs wird einem zweiten Integrationsglied 108 zugeführt, das die empfangene Statorkreisfrequenz ωs unter Verwendung der Integrationskonstanten TB über eine Zeit integriert und den Feldwinkel φ ausgibt.
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Ein Subtraktionsglied 110 der Simulationseinheit 50 errechnet eine Differenz zwischen dem mittels der Regeleinheit 84 und der Einheit 96 simulierten Feldwinkel φ# und dem von der Feldwinkelregelstrecke 100 ausgegebenen Feldwinkel φ und gibt die Winkeldifferenz Δφ aus, die der Regeleinheit 84 zugeführt wird. Das Subtraktionsglied 110 stellt ein optionales Bauteil dar und soll veranschaulichen, dass die Simulation des Feldwinkels φ# der Asynchronmaschine 14 als Regelkreis verstanden werden kann, der mittels der gestrichelten Linien in 6 angedeutet ist und mittels dem der simulierte Feldwinkels φ# dem tatsächlichen Feldwinkel φ nachgeführt werden kann. Bei diesem Regelkreis ersetzt die von dem Subtraktionsglied 110 ausgegebene Winkeldifferenz Δφ die von der Einheit 48 ausgegebene Winkeldifferenz Δφ.
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Für die Simulation oder Nachbildung des Feldwinkels φ# ergibt sich eine Übertragungsfunktion bei einer simulierten Rotorkreisfrequenz ωr# von Null bzw. wenn keine Addition mittels des ersten Additionsglieds 88 erfolgt, zu (φ#/φ)|ωr#=0 = (1 + p*Tφ)/(1 + p*Tφ + q2,φ*p2*(Tφ)2).
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Dabei gelten die Zusammenhänge Tφ = KPI,φ*TPI,φ und q2,φ = (1/KPI,φ)2*(TB/ TPI,φ). Bei dieser Übertragungsfunktion würde die Winkeldifferenz Δφ, also der Fehlwinkel zwischen dem feldorientierten Koordinatensystem 74 und dem simulierten feldorientierten Koordinatensystem 76, das den Berechnungen der ersten Simulationsvorrichtung 26, der zweiten Simulationsvorrichtung 28 und der dritten Simulationsvorrichtung 30 bei der Simulation der jeweiligen Größen zu Grunde gelegt wird, bei einer schnellen Änderung der Schlupfkreisfrequenz ωr vorübergehend bis zum Einstellen eines stationären Zustands größere Abweichungen aufweisen. Um diese Abweichungen zu verhindern, wird dem Ausgabesignal des PI-Reglers 86 in ähnlicher Weise zu einer Vorsteuerung die simulierte Schlupfkreisfrequenz ωr,# aufgeschaltet. Dadurch wird eine dynamisch hochwertige Simulation der Statorkreisfrequenz ωs,# und des Feldwinkels φ# bewerkstelligt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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