DE102013209334A1

DE102013209334A1 - Simulieren einer feldorientierten in einem Stator einer Asynchronmaschine induzierten Statorspannung

Info

Publication number: DE102013209334A1
Application number: DE201310209334
Authority: DE
Inventors: Holger Fink
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2013-05-21
Filing date: 2013-05-21
Publication date: 2014-11-27

Abstract

Es ist ein Verfahren zum Simulieren einer feldorientierten mittels einen Rotorfluss eines Rotors einer Asynchronmaschine in einem Stator der Asynchronmaschine induzierten Statorspannung (uind,φ#) mittels eines Modells, insbesondere eines Maschinenmodells, beschrieben. Die Asynchronmaschine wird drehgeberfrei, feldorientiert und mittels einer gestuften Spannung betrieben. Das Verfahren weist Bereitstellen einer Statorspannung (us,1,2,3) des Stators, Bereitstellen eines Statorstroms (is,1,2,3) des Stators und Simulieren der feldorientierten induzierten Statorspannung (uind,φ#) basierend auf der bereitgestellten Statorspannung (us,1,2,3) und dem bereitgestellten Statorstrom (is,1,2,3) auf. Dadurch kann das erfindungsgemäße Verfahren besonders einfach und exakt durchgeführt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum drehgeberfreien, feldorientierten Regeln einer Asynchronmaschine.
Stand der Technik
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.
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.
DE 196 46 457 A1 und DE 42 09 305 C2 beschreiben Verfahren zur drehgeberfreien, feldorientierten Regelung einer Asynchronmaschine.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Simulieren einer feldorientierten mittels eines Rotorflusses eines Rotors einer Asynchronmaschine in einem Stator einer Asynchronmaschine induzierten Statorspannung mittels eines Modells, insbesondere eines Maschinenmodells, bereitgestellt, wobei die Asynchronmaschine drehgeberfrei, feldorientiert und mittels einer gestuften Spannung betrieben wird, mit Bereitstellen einer Statorspannung des Stators, Bereitstellen eines Statorstroms des Stator und Simulieren der feldorientierten induzierten Statorspannung basierend auf der bereitgestellten Statorspannung und dem bereitgestellten Statorstrom.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine feldorientierte in einem Stator einer Asynchronmaschine induzierte Statorspannung simuliert oder nachgebildet werden, indem für die Simulation oder Nachbildung eine an einem Stator der Asynchronmaschine anliegende Statorspannung und ein im Stator fließender Statorstrom beispielsweise mittels entsprechender Sensoren erfasst oder als vorgegebene Eingabewerte für das Verfahren verwendet werden. Die induzierte Statorspannung kann dabei aufgrund einer zeitlichen Veränderung eines Rotorflusses eines Rotors der Asynchronmaschine, die auf den Stator wirken kann, in Statorwicklungen des Stators induziert werden. Die simulierte feldorientierte induzierte Statorspannung kann beispielsweise verwendet werden, um einen Fehlwinkel zwischen einem simulierten Feldwinkel, der zwischen einem statororientierten Koordinatensystem und einem simulierten oder nachgebildeten Koordinatensystem gemessen sein kann, und einem tatsächlichen Feldwinkel, der zwischen dem statororientierten Koordinatensystem und einem tatsächlichen feldorientierten Koordinatensystem gemessen sein kann, zu ermitteln, der insbesondere zur Nachführung des feldorientierten Koordinatensystems verwendet werden kann. Ferner kann die simulierte induzierte Spannung als Basis für eine Simulation eines Magnetisierungsstroms dienen, der für eine Magnetisierungsstromregelung der drehgeberfreien feldorientierten Regelung bzw. Führung der Asynchronmaschine erforderlich sein kann. Insgesamt kann die simulierte induzierte Statorspannung eine zentrale Größe für eine drehgeberfreie feldorientierte Regelung bzw. Führung der Asynchronmaschine darstellen, bei der insbesondere eine Drehzahl bzw. ein Drehmoment des Rotors der Asynchronmaschine geregelt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann besonders einfach und exakt durchgeführt werden, da wenige gemessene oder einfach zu bestimmende Betriebswerte von den Betrieb der Asynchronmaschine beschreibenden Größen oder Parametern zur Simulation der feldorientierten induzierten Statorspannung und daher zur Regelung der Asynchronmaschine verwendet werden können.
Das Verfahren kann ferner Bestimmen einer simulierten feldorientierten Statorspannung basierend auf der bereitgestellten Statorspannung und einem simulierten Feldwinkel, der zwischen einem statororientierten Koordinatensystem und einem simulierten feldorientierten Koordinatensystem gemessen sein kann, und Bestimmen eines simulierten feldorientierten Statorstroms basierend auf dem bereitgestellten Statorstrom und dem simulierten Feldwinkel aufweisen, wobei das Simulieren der feldorientierten induzierten Statorspannung basierend auf der simulierten feldorientierten Statorspannung und dem simulierten feldorientierten Statorstrom durchgeführt werden kann. Die Simulation der feldorientierten induzierten Statorspannung kann folglich besonders einfach mittels einer Park-Transformation erfolgen, bei der der bestimmte Statorstrom und die bestimmte Statorspannung in die entsprechenden Größen im simulierten, feldorientierten Koordinatensystem übergeführt werden können.
Das Verfahren kann ferner Simulieren einer feldorientierten in einem Betrieb der Asynchronmaschine stationär erforderlichen Statorspannung basierend auf einer feldorientierten in einem Betrieb der Asynchronmaschine stationär erforderlichen Statorspannung mittels einer Übertragungsfunktion aufweisen, die von einer feldorientierten Statorinduktivität des Stators abhängen kann, wobei das Simulieren der feldorientierten induzierten Statorspannung zusätzlich basierend auf der simulierten feldorientierten im Betrieb stationär erforderlichen Statorspannung durchgeführt werden kann. Die Übertragungsfunktion kann insbesondere als Tiefpass-Übertragungsfunktion ausgebildet sein. Die simulierte stationär erforderliche Statorspannung kann besonders einfach mittels der Übertragungsfunktion aus der feldorientierten im Betrieb stationär erforderlichen Statorspannung abgeleitet werden, die in einer einem Statorstromregler zugeordneten Statorstromregelstrecke des Regelsystems der Asynchronmaschine zur Störgrößenaufschaltung bzw. als Führungsgrößengenerator eingesetzt werden kann.
Das Verfahren kann ferner Multiplizieren des simulierten feldorientierten Statorstroms mit einem ersten Proportionalitätsfaktor, der indikativ für einen feldorientierten Statorwiderstand sein kann, und Multiplizieren des simulierten feldorientierten Statorstroms mit einem zweiten Proportionalitätsfaktor aufweisen, der indikativ für eine feldorientierte Statorinduktivität und eine feldorientierte Statorkreisfrequenz sein kann, mit der ein feldorientiertes Koordinatensystem relativ zu dem statororientierten Koordinatensystem rotieren kann, wobei das Simulieren der feldorientierten induzierten Statorspannung Subtrahieren des mit dem ersten Proportionalitätsfaktor multiplizierten simulierten feldorientierten Statorstroms und des mit dem zweiten Proportionalitätsfaktor multiplizierten simulierten feldorientierten Statorstroms von der simulierten feldorientierten im Betrieb stationär erforderlichen Statorspannung aufweisen kann. Diese Maßnahme kann eine besonders robuste und störungsunanfällige Ermittlung der feldorientierten induzierten Statorspannung bewerkstelligen, da die zu simulierende Größe eine Funktion des simulierten feldorientierten Statorstroms und insbesondere der simulierten feldorientierten Statorspannung sein kann und insbesondere mathematisch aufwändige und fehlerabfällige Ermittlungen einer Zeitableitung des simulierten feldorientierten Statorstroms und/oder der simulierten feldorientierten Statorspannung nicht berücksichtigt werden müssen. Daher kann das erfindungsgemäße Verfahren besonders einfach und exakt durchgeführt werden und in der Praxis üblicherweise auftretende Systemunruhen infolge einer Ermittlung der Ableitung einer der zuvor genannten Größen nach der Zeit können unterbleiben.
Das Simulieren der feldorientierten induzierten Statorspannung kann unter Verwendung von u_ind,φ# = u_s,st,φ# – ω_s·K_Lσ·R(π/2)·i_s,φ# – K_Rs·i_s,φ# durchgeführt werden, wobei u_ind,φ# die simulierte feldorientierte Statorspannung bezeichnen kann, u_s,st,φ# eine simulierte feldorientierte in einem Betrieb der Asynchronmaschine stationär erforderliche Statorspannung bezeichnen kann, ω_s eine feldorientierte Statorkreisfrequenz bezeichnen kann, mit der ein feldorientiertes Koordinatensystem relativ zu einem statororientierten Koordinatensystem rotieren kann, K_Lσ einen Streckenparameter bezeichnen kann, der indikativ für einen feldorientierten Statorwiderstand sein kann, R(π/2) eine Drehmatrix bezeichnen kann, i_s,φ# einen simulierten feldorientierten Statorstrom bezeichnen kann und K_Rs einen Streckenparameter bezeichnen kann, der indikativ für einen feldorientierten Statorwiderstand sein kann. Diese Art der Simulation kann sich an einem durch die Bauweise der Asynchronmaschine vorgegebenen Ersatzschaltbild in einem feldorientierten Koordinatensystem orientieren und regelungstechnisch mittels entsprechender Integrations-, Transformations-, Verstärkungs- und/oder Multiplikationseinheiten oder -glieder einer dem Verfahren zugeordneten Simulationsvorrichtung realisiert werden.
Insbesondere können die in der Anmeldung genannten Größen, wie beispielsweise die induzierte Statorspannung, der Statorstrom, die Statorspannung, und/oder die im Betrieb stationär erforderliche 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 Erfindung betrifft ferner eine Simulationsvorrichtung zum Simulieren einer feldorientierten mittels eines Rotorflusses eines Rotors einer Asynchronmaschine in einem Stator der Asynchronmaschine induzierten Statorspannung mittels eines Modells, insbesondere eines Maschinenmodells, wobei die Asynchronmaschine drehgeberfrei, feldorientiert und mittels einer gestuften Spannung betreibbar ist, mit einer ersten Einheit zum Bereitstellen einer Statorspannung des Stators, einer zweiten Einheit zum Bereitstellen eines Statorstroms des Stators und einer Simulationseinheit zum Simulieren der feldorientierten induzierten Statorspannung basierend auf der bereitgestellten Statorspannung und dem bereitgestellten Statorstrom. Die Simulationsvorrichtung kann zum Durchführen des Verfahrens eingerichtet sein und entsprechende Einheiten aufweisen. Die erste und/oder zweite Einheit können dabei insbesondere als Sensor zum Erfassen der jeweiligen Größe und/oder oder als Schnittstelle zum Empfangen der jeweiligen Größe ausgebildet sein.
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.
Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung, insbesondere ein Antriebssystem, mit einer Asynchronmaschine, einer Spannungsquelle, die zum Ausgeben einer gestuften Spannung an die Asynchronmaschine eingerichtet ist, und dem oben beschriebenen Regelsystem. Die Spannungsquelle kann insbesondere eingerichtet sein, die der Asynchronmaschine zuführbare Ausgabespannung stufig oder in Stufen einzustellen und/oder als Batteriedirektinverter ausgebildet sein.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert.
Es zeigen:
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;
2 eine schematische Blockdarstellung des Regelsystems in 1;
3 ein Ersatzschaltbild der Asynchronmaschine in 1 in einem feldorientierten Koordinatensystem;
4 eine schematische Blockdarstellung einer in 2 gezeigten ersten Simulationsvorrichtung zum Simulieren einer feldorientierten in einem Stator der Asynchronmaschine in 1 induzierten Statorspannung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
5 eine schematische Blockdarstellung einer Statorstromregelstrecke in 2.
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 statischen Anlagen, wie beispielsweise in einem Windkraftwerk, oder in einem Fahrzeug, beispielsweise in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug, verwendet werden kann. Die Anordnung 10 kann auch Teil eines Transaktionsantriebs sein.
Die Spannungsquelle 12 ist mit drei Spannungszweigen 17a, 17b, 17c ausgebildet ist, deren gestufte 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.
Das in 2 dargestellte Regelsystem 16 weist eine erste und zweite Park-Transformationeinheit 22, 24 zum Transformieren von Werten vektorieller Größen zwischen einem statororientierten Koordinatensystem mit den Koordinatenachsen 1, 2, 3 und einem feldorientierten Koordinatensystem mit den Koordinatenachsen d, q unter Verwendung eines Feldwinkels φ, eine erste Simulationsvorrichtung 26 zum Simulieren einer feldorientierten, aufgrund eines Rotorflusses Ψ_r des Rotors in einem Stator der Asynchronmaschine 14 induzierten Statorspannung u_ind,φ# mittels eines Maschinenmodells und einer simulierten feldorientierten in einem Betrieb der Asynchronmaschine 14 stationär erforderlichen Statorspannung u_s,st,φ# mittels des Maschinenmodells, eine zweite Simulationsvorrichtung 28 zum Simulieren eines feldorientierten Magnetisierungsstroms i_mg,# des Rotors der Asynchronmaschine 14 mittels des Maschinenmodells, eine dritte Simulationsvorrichtung 30 zum Simulieren einer Drehzahl n_# des Rotors der Asynchronmaschine 14 mittels des Maschinenmodells, eine Drehzahlregelvorrichtung 32 zum Regeln der Drehzahl n des Rotors der Asynchronmaschine 14 mittels einer Magnetisierungsstromregelung zum Regeln eines Magnetisierungsstroms i_mg des Rotors der Asynchronmaschine 14 und eine Statorstromregelvorrichtung 34 zum Regeln des Statorstroms i_s,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 i_s,φ dient, und eine Drehzahlregelstrecke 40 des Regelsystems 16, die zum Regeln des Magnetisierungsstrom i_mg 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 41 zum Erfassen einer feldorientierten Statorspannung u_s,φ des Stators der Asynchronmaschine 14 und ein zweiter Sensor 42 zum Erfassen eines feldorientierten Statorstroms i_s,φ des Stators sind jeweils mit der ersten, zweiten und dritten Simulationsvorrichtung 26, 28, 30 gekoppelt.
Obwohl die Sensoren 41, 42 schaltungstechnisch dargestellt sind, als dass sie zum Erfassen der feldorientierten Größen eingerichtet sind, versteht es sich, dass die Sensoren Werte im statororientierten Koordinatensystem erfassen, die in entsprechende Größen im feldorientierten Koordinatensystem bzw. im simulierten feldorientierten Koordinatensystem umgewandelt werden.
Eine mit einem Stern „*“ gekennzeichnete Größe bezeichnet in 2 eine Sollgröße einer zu regelnden Größe, Ω bezeichnet eine Drehfrequenz des Rotors im statororientierten Koordinatensystem und n_* bezeichnet eine Steuerdrehzahl für die Drehzahlregelvorrichtung 32. Ferner sind vektorielle Größen in den 2 bis 5 mittels eines Pfeils gekennzeichnet, während diese Größen in der Beschreibung ohne Pfeil gekennzeichnet sind.
Eine erste Schnittstelleneinheit 43 der ersten Simulationsvorrichtung 26 ist zum Empfangen der mittels des ersten Sensors 41 gemessenen feldorientierten Statorspannung u_s,φ und eine zweite Schnittstelleneinheit 44 der ersten Simulationsvorrichtung 26 ist zum Empfangen des mittels des zweiten Sensors 42 gemessenen feldorientierten Statorstroms i_s,φ eingerichtet. Die erste und zweite Schnittstelleneinheit 43, 44 sind jeweils mit einer ersten Simulationseinheit 45 der ersten Simulationsvorrichtung 26, die zum Simulieren einer in einem Betrieb der Asynchronmaschine 14 stationär erforderlichen Statorspannung u_s,st,φ# basierend auf der feldorientierten Statorspannung u_s,φ und des feldorientierten Statorstroms i_s,φ eingerichtet ist, und einer zweiten Simulationseinheit 46 der ersten Simulationsvorrichtung 26 gekoppelt, die zum Simulieren einer aufgrund des Rotorflusses Ψ_r des Rotors in Statorwicklungen des Stators induzierten Statorspannung u_ind,φ# basierend auf der feldorientierten Statorspannung u_s,φ#, des feldorientierten Statorstroms i_s,φ# und des im Betrieb stationär erforderlichen Statorstroms u_s,st,φ# eingerichtet ist. Die erste Simulationseinheit 45 ist dazu mit der zweiten Simulationseinheit 46 und zusätzlich mit einer dritten Schnittstelleneinheit 47 der Simulationsvorrichtung 26 gekoppelt, die zum Ausgeben der simulierten feldorientierten im Betrieb stationär erforderlichen Statorspannung u_s,st,φ# an den Statorstromregler 34 eingerichtet ist. Die zweite Simulationseinheit 46 ist mit einer vierten Schnittstelleneinheit 48 der Simulationsvorrichtung 26 gekoppelt, die zum Ausgeben der simulierten feldorientierten induzierten Statorspannung u_ind,φ# an die zweite Simulationsvorrichtung 28 eingerichtet ist.
Zumindest eine Einheit bzw. Vorrichtung der Einheiten 43–48 der ersten Simulationsvorrichtung 26, der zweiten Simulationsvorrichtung 28 und der dritten Simulationsvorrichtung 30 ist mittels Hardware und/oder Software realisiert. Ferner können zumindest zwei Elemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus den Einheiten 43–48 und den Vorrichtungen 26, 28, 30 einstückig bzw. als gemeinsamer Code realisiert sein.
Ein in 3 dargestelltes Ersatzschaltbild der Asynchronmaschine 14 weist einen Statorzweig 49 mit einem Statorinduktivität 50 mit der Bezeichnung L_σ, einem Statorwiderstand 52 mit der Bezeichnung R_s und einer Einheit 54 auf. Der Statorzweig 48 ist mit einem Rotorzweig 56 gekoppelt, der eine Rotorinduktivität 58 mit der Bezeichnung L_r, einen Rotorwiderstand 60 mit der Bezeichnung R_r, eine erste Einheit 62 und eine zweite Einheit 64 aufweist. Die Größe ω_s bezeichnet eine feldorientierte Statorkreisfrequenz, mit der das feldorientierte Koordinatensystem relativ zum statororientierten Koordinatensystem rotiert.
Basierend auf einer Analogie zwischen einer feldorientierten induzierten Statorspannung, die aus 3 zu u_ind,φ = u_s,st,φ – ω_s·K_Lσ·R(π/2)·i_s,φ – K_Rs·i_s,φ ableitbar ist, und der simulierten feldorientierten induzierten Statorspannung u_ind,φ# ist die Simulationsvorrichtung 26 dazu eingerichtet, die simulierte feldorientierte Statorspannung u_ind,φ# unter Verwendung von u_ind,φ# = u_s,st,φ# – ω_s·K_Lσ·R(π/2)·i_s,φ# – K_Rs·i_s,φ# zu simulieren. Die Größe K_Lσ bezeichnet einen Streckenparameter, der indikativ für den feldorientierten Statorwiderstand R_s ist. Die Größe R(π/2) bezeichnet eine Drehmatrix, die am Wert π/2 ausgewertet wird. Die Größe K_Rs bezeichnet einen Streckenparameter, der indikativ für den Statorwiderstand R_s ist. Die feldorientierte zum Betrieb stationär erforderliche Statorspannung u_s,st,φ bzw. die entsprechend simulierte Größe u_s,st,φ# sind mittels einer Tiefpassübertragungsfunktion u_s,st,φ#/u_s,st,φ = 1/(1 + p·T_b,is + q_2b,is·p²·(T_b,is)²) miteinander verbunden. Dabei gelten die Gleichungen T_b,is = G_b,is·T_lb,is und q_2b,is = T_Lσ/((G_b,is)²·T_lb,is).
Die in 4 dargestellte Blockdarstellung der ersten Simulationsvorrichtung 26 fasst die Funktionsweise der ersten und zweiten Simulationseinheit 45, 46 der ersten Simulationsvorrichtung 26 zusammen. Eine erste und zweite Transformationseinheit 66, 68 der ersten Simulationsvorrichtung 26 sind dazu eingerichtet, unter Berücksichtigung eines simulierten Feldwinkels φ_#, der zwischen dem statororientierten Koordinatensystem und einem simulierten feldorientierten Koordinatensystem mit den Achsen d#, q# gemessen ist, die von dem Sensor 41 erfasste Statorspannung u_s,1,2,3 bzw. den von dem Sensor 42 erfassten Statorstrom i_s,1,2,3 in entsprechende simulierte feldorientierte Größen u_s,φ#, i_s,φ# umzuwandeln.
Ein erster Signalverarbeitungsabschnitt 70 der ersten Simulationsvorrichtung 26 ist als Störgrößenbeobachter ausgebildet und dazu eingerichtet, eine simulierte feldorientierte in einem Betrieb der Asynchronmaschine 14 stationär erforderliche Statorspannung u_s,st,φ# auf Basis des simulierten feldorientierten Statorstroms i_s,φ# und der simulierten feldorientierten Statorspannung u_s,φ# zu erzeugen. Dazu weist der erste Signalverarbeitungsabschnitt 70 ein erstes Subtraktionsglied 72, ein Integrationsglied 74, ein zweites Subtraktionsglied 76, ein Verstärkungsglied 78 und ein zweites Integrationsglied 80 auf. Die simulierte feldorientierte Statorspannung u_s,φ# wird mittels des Subtraktionsglied 72 und des eine Integrationskonstante T_Lσ aufweisenden Integrationsglieds 74 in einen simulierten feldorientierten Statorstrom i_s,b,φ# umgewandelt, von dem der simulierte feldorientierte Statorstrom i_s,φ# mittels des zweiten Subtraktionsglieds 76 subtrahiert wird. Ein Ausgabesignal des Subtraktionsglieds 76 wird dem Verstärkungsglied 78 zugeführt, das einen Verstärkungsfaktor G_b,is zu dem Ausgabesignal des zweiten Subtraktionsglieds 76 multipliziert und ein entsprechend multipliziertes Signal an das Subtraktionsglied 72 ausgibt. Das Ausgabesignal des zweiten Subtraktionsglieds 76 wird ebenfalls dem zweiten Integrationsglied 80 zugeführt, das durch eine Integrationskonstante T_lb,is gekennzeichnet ist und dessen Ausgabesignal die simulierte feldorientierte in dem Betrieb stationär erforderliche Statorspannung u_s,st,φ# ist. Diese Statorspannung u_s,st,φ# wird dem ersten Subtraktionsglied 72 zugeführt. Das erste Subtraktionsglied 72 subtrahiert die erzeugte simulierte feldorientierte im Betrieb stationär erforderliche Statorspannung u_s,st,φ# und das vom Verstärkungsglied 78 ausgegebene Signal von der simulierten feldorientierten Statorspannung u_s,φ#. Die simulierte feldorientierte im Betrieb stationär erforderliche Statorspannung u_s,st,φ# wird ebenfalls einem dritten Subtraktionsglied 82 zugeführt, das von der zuletzt genannten Größe ein Ausgabesignal eines zweiten Signalverarbeitungsabschnitts 84 der ersten Simulationsvorrichtung 26 subtrahiert.
Der zweite Signalverarbeitungsabschnitt 84 weist ein zweites Verstärkungsglied 86 auf, das den von der Transformationseinheit 86 ausgegebenen simulierten feldorientierten Statorstrom i_s,φ# mit einem Streckenparameter K_Rs des Verstärkungsglieds 86 multipliziert, der indikativ für den Statorwiderstand R_s ist.
Von einem Ausgabesignal des dritten Subtraktionsglieds 82 wird ein Ausgabesignal eines dritten Signalverarbeitungsabschnitts 88 der ersten Simulationsvorrichtung 26 mittels eines vierten Subtraktionsglieds 90 subtrahiert. Der dritte Signalverarbeitungsabschnitt 88 weist ein Multiplikationsglied 92 auf, das den von der zweiten Transformationseinheit 68 ausgegebenen simulierten feldorientierten Statorstrom i_s,φ# mit der simulierten Statorkreisfrequenz ω_s multipliziert. Ein Drehglied 94 erzeugt eine Drehung oder Rotation des Ausgabesignals des Multiplikationsglieds 92 mittels einer Drehmatrix R(π/2) am Wert π/2 und gibt ein entsprechendes Ausgabesignal an ein drittes Verstärkungsglied 96 aus. Das dritte Verstärkungsglied 96 multipliziert das Ausgabesignal des Drehglieds 94 mit einem Streckenparameter K_Lσ, der indikativ für die Statorinduktivität L_σ ist. Das Ausgabesignal des dritten Verstärkungsglieds 96 wird dem vierten Subtraktionsglied 90 zugeführt, das das Ausgabesignal des dritten Verstärkungsglieds 96 vom Ausgabesignal des dritten Subtraktionsglieds 82 abzieht und die induzierte Statorspannung u_ind,φ# erzeugt.
Die in 5 dargestellte Statorstromregelstrecke 38 verdeutlicht einen regelungstechnischen Zusammenhang zwischen der feldorientierten Statorspannung u_s,φ und dem feldorientierten Statorstrom i_s,φ. Eine Längskomponente u_sd der feldorientierten Statorspannnung u_s,φ wird mittels eines ersten Subtraktionsglieds 98a mit einer Störung in Form einer Längskomponente u_sd,st der im Betrieb stationär erforderlichen Statorspannung u_s,st,φ beaufschlagt. Das Ausgabesignal u_sd,δ des ersten Subtraktionsglieds 98a wird mittels eines ersten Integrationsglieds 100a integriert, das eine Integrationskonstante T_Lσ aufweist und eine Längskomponente i_sd des feldorientierten Statorstroms i_s,φ ausgibt. Die Längskomponente i_sd des feldorientierten Statorstroms i_s,φ wird einem ersten Verstärkungsglied 102a zugeführt, das einen Streckenparameter K_Rs, der indikativ für den Statorwiderstand R_s ist, mit dem zugeführten Signal multipliziert. Ein Ausgabesignal des ersten Verstärkungsglieds 102a wird einem Additionsglied 104a zugeführt, dessen Ausgabesignal die Längskomponente u_sd,st der feldorientierten im Betrieb stationär erforderlichen Statorspannung u_s,st,φ ist. Ferner wird die Längskomponente i_sd des feldorientierten Statorstoms i_s,φ einem zweiten Subtraktionsglied 106 zugeführt, das einen Magnetisierungsstrom i_mg von der Längskomponente i_sd der feldorientierten Statorspannung i_s,φ subtrahiert. Dabei wird der Magnetisierungsstrom i_mg mittels eines zweiten Integrationsglieds 108 erzeugt, das mit einer Integrationskonstante T_r das Ausgabesignal des zweiten Subtraktionsglieds 106 integriert. Das Ausgabesignal des zweiten Subtraktionsglieds 106 wird auch einem zweiten Verstärkungsglied 110a zugeführt, das einen Streckenparameter K_Rr, der indikativ für den Rotorwiederstand R_r ist, mit dem Eingangssignal multipliziert und als Ausgabesignal eine Längskomponente u_indd der feldorientierten induzierten Spannung u_indd ausgibt, die dem Additionsglied 104a zugefügt wird. Eine Verarbeitung einer Querkomponente u_sq der feldorientierten Statorspannung u_s,φ erfolgt in gleicher Weise wie die zuvor beschriebene Signalverarbeitung der Längskomponente u_sd der feldorientierten Statorspannung u_s,φ. Dabei wird allerdings die mittels des zweiten Subtraktionsglieds 106 ausgeführte Subtraktion und die mittels des zweiten Integrationsglieds 108 ausgeführte Integration nicht durchgeführt und die zugehörigen Komponenten 106, 108 sind nicht vorhanden.
Eine nicht-lineare Kopplung zwischen der Längskomponente i_sd und der Querkomponente i_sq des feldorientierten Statorstroms i_s,φ wird mittels eines dritten regelbaren Verstärkungsglieds 112a erzeugt, das ein Eingangssignal, die Querkomponente i_sq des feldorientierten Statorstroms i_s,φ, mit einen Streckenparameter –ω_sK_Lσ multipliziert, der indikativ für ein Produkt aus der Statorkreisfrequenz ω_s und dem Streckenparameter K_Lσ ist, und dessen Ausgangssignal dem Additionsglied 104a zugeführt wird. Dabei ist der Streckenparameter K_Lσ einer Statorinduktivität Lσ zugeordnet. Die Längskomponente i_sd des feldorientierten Statorstroms i_s,φ wird ebenfalls einem dritten regelbaren Verstärkungsglied 112b zugeführt, das das Eingangssignal mit einem zum Streckenparameter des Verstärkungsglieds 112a vorzeichenvertauschten Streckenparameter ω_sK_Lσ multipliziert. Der Streckenparameter des dritten Verstärkungsglieds 112b ist indikativ für ein Produkt aus der Statorkreisfrequenz ω_s und dem Streckenparameter K_Lσ. Ein Ausgabesignal des dritten Verstärkungsglieds 112b wird dem ersten Subtraktionsglied 104b zugeführt.
Das der Simulationsvorrichtung 26 zugrunde liegende Verfahren ist im Vergleich zu einer Simulation der feldorientierten Statorspannung unter Verwendung von u_ind,φ = u_s,φ – T_Lσ·d/dt(i_s,φ) – ω_s·K_Lσ·R(π/2)·i_s,φ – K_Rs·i_s,φ besonders robust, da auf eine Verwendung einer Zeitableitung des feldorientieren Statorstroms i_s,φ verzichtet wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19646457 A1 [0004]
DE 4209305 C2 [0004]

Claims

Verfahren zum Simulieren einer feldorientierten mittels eines Rotorflusses (Ψ_r) eines Rotors einer Asynchronmaschine (14) in einem Stator der Asynchronmaschine (14) induzierten Statorspannung (u_ind,φ#) mittels eines Modells, insbesondere eines Maschinenmodells, wobei die Asynchronmaschine (14) drehgeberfrei, feldorientiert und mittels einer gestuften Spannung betrieben wird, mit: – Bereitstellen einer Statorspannung (u_s,1,2,3) des Stators, – Bereitstellen eines Statorstroms (i_s,1,2,3) des Stators und – Simulieren der feldorientierten induzierten Statorspannung (u_ind,φ#) basierend auf der bereitgestellten Statorspannung (u_s,1,2,3) und dem bereitgestellten Statorstrom (i_s,1,2,3).
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit: – Bestimmen einer simulierten feldorientierten Statorspannung (u_s,φ#) basierend auf der bereitgestellten Statorspannung (u_s,1,2,3) und einem simulierten Feldwinkel (φ_#), der zwischen einem statororientierten Koordinatensystem und einem simulierten feldorientierten Koordinatensystem gemessen ist, und – Bestimmen eines simulierten feldorientierten Statorstroms (i_s,φ#) basierend auf dem bereitgestellten Statorstrom (i_s,1,2,3) und dem simulierten Feldwinkel (φ_#), wobei das Simulieren der feldorientierten induzierten Statorspannung (u_ind,φ#) basierend auf der simulierten feldorientierten Statorspannung (u_s,φ#) und dem simulierten feldorientierten Statorstrom (i_s,φ#) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, ferner mit: – Simulieren einer feldorientierten in einem Betrieb der Asynchronmaschine (14) stationär erforderlichen Statorspannung (u_s,st,φ#) basierend auf einer feldorientierten in einem Betrieb der Asynchronmaschine (14) stationär erforderlichen Statorspannung (u_s,st,φ) mittels einer Übertragungsfunktion, die von einer feldorientierten Statorinduktivität (L_σ) des Stators abhängt, wobei das Simulieren der feldorientierten induzierten Statorspannung (u_ind,φ#) zusätzlich basierend auf der simulierten feldorientierten im Betrieb stationär erforderlichen Statorspannung (u_s,st,φ#) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 und 3, ferner mit: – Multiplizieren des simulierten feldorientierten Statorstroms (i_s,φ#) mit einem ersten Proportionalitätsfaktor (K_Rs), der indikativ für einen feldorientierten Statorwiderstand (R_s) ist, und – Multiplizieren des simulierten feldorientierten Statorstroms (i_s,φ#) mit einem zweiten Proportionalitätsfaktor (K_Lσ), der indikativ für eine feldorientierte Statorinduktivität (L_σ) und eine feldorientierte Statorkreisfrequenz (ω_s) ist, mit der ein feldorientiertes Koordinatensystem relativ zu dem statororientierten Koordinatensystem rotiert, wobei das Simulieren der feldorientierten induzierten Statorspannung (u_ind,φ#) Subtrahieren des mit dem ersten Proportionalitätsfaktor (K_Rs) multiplizierten simulierten feldorientierten Statorstroms (i_s,φ#) und des mit dem zweiten Proportionalitätsfaktor (K_Lσ) multiplizierten simulierten feldorientierten Statorstroms (i_s,φ#) von der simulierten feldorientierten im Betrieb stationär erforderlichen Statorspannung (u_s,st,φ#) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Simulieren der feldorientierten induzierten Statorspannung (u_ind,φ#) unter Verwendung von u_ind,φ# = u_s,st,φ# – ω_s·K_Lσ·R(π/2)·i_s,φ# – K_Rs·i_s,φ# durchgeführt wird, wobei u_ind,φ# die simulierte feldorientierte Statorspannung bezeichnet, u_s,st,φ# eine simulierte feldorientierte in einem Betrieb der Asynchronmaschine (14) stationär erforderliche Statorspannung bezeichnet, ω_s eine feldorientierte Statorkreisfrequenz bezeichnet, mit der ein feldorientiertes Koordinatensystem relativ zu einem statororientierten Koordinatensystem rotiert, K_Lσ einen Streckenparameter bezeichnet, der indikativ für eine feldorientierte Statorinduktivität (L_σ) ist, R(π/2) eine Drehmatrix bezeichnet, i_s,φ# einen simulierten feldorientierten Statorstrom bezeichnet und K_Rs einen Streckenparameter bezeichnet, der indikativ für einen feldorientierten Statorwiderstand (R_s) ist.
Simulationsvorrichtung (26) zum Simulieren einer feldorientierten mittels eines Rotorflusses (Ψ_r) eines Rotors einer Asynchronmaschine (14) in einem Stator der Asynchronmaschine (14) induzierten Statorspannung (u_ind,φ#) mittels eines Modells, insbesondere eines Maschinenmodells, wobei die Asynchronmaschine (14) drehgeberfrei, feldorientiert und mittels einer gestuften Spannung betreibbar ist, mit: – einer ersten Einheit (43) zum Bereitstellen einer Statorspannung (u_s,1,2,3) des Stators, – einer zweiten Einheit (44) zum Bereitstellen eines Statorstroms (i_s,1,2,3) des Stators und – einer Simulationseinheit (46) zum Simulieren der feldorientierten induzierten Statorspannung (u_ind,φ#) basierend auf der bereitgestellten Statorspannung (u_s,1,2,3) und dem bereitgestellten Statorstrom (i_s,1,2,3).