DE102014209289A1

DE102014209289A1 - Verfahren zum Steuern einer Drehfeldmaschine, Schaltungsanordnung zum Durchführen des Verfahrens und Drehfeldmaschine

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Publication number: DE102014209289A1
Application number: DE102014209289.2A
Authority: DE
Inventors: Michael Meyer; Wilhelm Peters
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2014-05-16
Filing date: 2014-05-16
Publication date: 2015-11-19

Abstract

Ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung (100) zum Steuern einer aus einer Energiequelle durch Pulsweitenmodulation gespeisten, eine gewählte Drehrichtung (DR) aufweisenden, elektrischen Drehfeldmaschine (101) mit einer Vektorsteuerung ermöglichen eine Steigerung von Leistung und Drehmoment unter Einhaltung der Steuerungsstabilität. In je einem aus einer Folge von Abtastzeitintervallen (Tp) der Pulsweitenmodulation wird ein Vektor eines Spannungssollwertes (u*) durch eine vorbestimmte zeitliche Abfolge einer aus einer Gesamtanzahl ausgewählten Anzahl von Elementarvektoren (N0–N7) gebildet und die Drehfeldmaschine während des Abtastzeitintervalls mit der ausgewählten Anzahl der Elementarvektoren in der vorbestimmten zeitlichen Abfolge beaufschlagt. Die Elementarvektoren umfassen eine Beaufschlagung einzelner Stränge (a–c) eines Wicklungssystems der Drehfeldmaschine mit einer von Null verschiedenen Spannung beschreibende elementare Spannungsvektoren (N1–N6) und eine Beaufschlagung einzelner Stränge des Wicklungssystems der Drehfeldmaschine mit der Spannung Null beschreibende elementare Nullvektoren (N0, N7). In der ausgewählten Anzahl der Elementarvektoren ist die Abfolge unmittelbar aufeinanderfolgender elementarer Spannungsvektoren stets mit der gewählten Drehrichtung der Drehfeldmaschine synchronisiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer aus einer Energiequelle durch Pulsweitenmodulation gespeisten elektrischen Drehfeldmaschine. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Schaltungsanordnung zum Steuern einer Drehfeldmaschine mit einem derartigen Verfahren sowie eine derartige Drehfeldmaschine.
Stand der Technik
Aus der Druckschrift DE 34 38 504 C2 sind ein Verfahren und eine Einrichtung zur Regelung einer Drehfeldmaschine, die über einen Wechselrichter mit eingeprägter Eingangs-Gleichspannung gespeist wird, bekannt. Das Verfahren weist folgende Schritte auf: Bilden eines Fluss-Istwertes; Vergleich des Fluss-Istwertes mit einem Fluss-Sollwert; Bilden eines ersten Steuervektors mit einer einer Pulszahl des Wechselrichters entsprechenden Anzahl von diskreten Lagen, die zyklisch durchlaufen werden; Weiterschalten des ersten Steuervektors auf die nächste diskrete Lage, wenn der Fluss-Istwert den Fluss-Sollwert übersteigt. Dabei wird als Fluss-Istwert die Komponente des Ist-Flussraumzeigers senkrecht zur Richtung derjenigen diskreten Lage, die als nächstes vom ersten Steuervektor eingenommen werden soll, verwendet wird.
In 1 der Druckschrift DE 34 38 504 C2 sind Raumzeiger einer Ständerspannung und eines Gesamtflusses sowie Flussraumzeiger-Bahnkurven zur Erläuterung der direkten Selbstregelung für den Fluss im Feldschwächbereich einer Drehfeldmaschine dargestellt.
Wenn eine Drehfeldmaschine über einen dreiphasigen Wechselrichter bei konstanter Eingangsgleichspannung gespeist wird, kann der Spannungsraumzeiger, das ist der Raumzeiger der Ständerspannung, nur sieben in 1 der Druckschrift DE 34 38 504 C2 bezeichnete diskrete Werte annehmen.
Bei Grundfrequenztaktung nimmt der Spannungsraumzeiger in zyklischer Folge die bestimmten diskreten Werte an, die Verweildauer bei jedem diskreten Wert beträgt bei stationärem Betrieb ein Sechstel der Spannungsperiode. Der Zeitverlauf der drei Ständerwicklungsspannungen ergibt sich als Projektion des sich sprunghaft entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn bewegenden Spannungsraumzeigers auf die drei ruhenden Ständerwicklungsachsen (Projektionsachsen). Entsprechend erhält man linear unabhängige Komponenten des dreiphasigen Spannungssystems als Projektion auf zueinander orthogonale, ebenfalls ruhende Ständerachsen. Die Lage der orthogonalen Ständerachsen ist dadurch gekennzeichnet, daß eine erste der Ständerwicklungsachsen und eine erste der orthogonalen Ständerachsen zusammenfallen.
Vernachlässigt man die im Feldschwächbereich in der Regel gegenüber der Ständerspannung kleine Spannung aus Ständerwicklungswiderstand und Ständerstrom, die an den Kupferwiderständen der Ständerwicklungen abfällt, so bestimmt der jeweilige Augenblickswert des Spannungsraumzeigers eindeutig die Änderung der augenblicklichen Lage des Flussraumzeigers, d.h. des Raumzeigers für den Gesamtfluss hinsichtlich Geschwindigkeit und Richtung.
Bei stationärer Grundfrequenztaktung durchläuft die Spitze des Flussraumzeigers deshalb, wie in 1 der Druckschrift DE 34 38 504 C2 dargestellt, ein gleichseitiges Sechseck mit konstanter Bahngeschwindigkeit und geringfügig pulsierender Winkelgeschwindigkeit. Bei Grundfrequenztaktung besteht die einzige Möglichkeit zur Beeinflussung des Drehmoments der Drehfeldmaschine darin, die Zeitabstände zwischen den Umschaltungen des Spannungsraumzeigers zu steuern. Wegen der konstanten Bahngeschwindigkeit des Flussraumzeigers ergibt sich beim Durchlaufen eines großen Sechsecks eine vergleichsweise kleine mittlere Winkelgeschwindigkeit. Bei einer Erhöhung der Schaltfrequenz erfolgt der Umlauf auf einem kleineren Sechseck und die mittlere Winkelgeschwindigkeit vergrößert sich. Bei unveränderter Wellendrehzahl wird dadurch z. B. bei einer Induktionsmaschine der mittlere Schlupf und damit das Drehmoment verändert.
In 2 der Druckschrift DE 34 38 504 C2 ist hierzu eine mögliche Signalverarbeitungsstruktur für die direkte Selbstregelung des Gesamtflusses einer Drehfeldmaschine in Abhängigkeit von einer Führungsgröße für den Flussbetrag dargestellt.
Aus der Druckschrift DE 38 12 314 A1 sind ein Vektorsteuersystem und ein Vektorsteuerverfahren für Induktionsmotoren bekannt zur Vektorsteuerung eines Wechselstrom-Induktionsmotors, der durch Primärströme angetrieben wird, welche harmonische Komponenten bzw. Oberwellen enthalten. Entsprechend der Lehre dieser Druckschrift werden die Primärströme eines Induktionsmotors detektiert und in ein rotierendes Magnetfeld-Koordinatensystem transformiert. In Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel des bekannten Vektorsteuersystems bzw. Vektorsteuerverfahrens werden die Dreiphasen-Primärströme eines Induktionsmotors detektiert, so dass die detektierten Dreiphasenströme in Zweiphasenströme umgewandelt werden können. Die jeweils umgewandelten Phasenströme werden integriert und abgetastet, und zwar bei Intervallen mit einer Periode, die gleich oder ein ganzes Vielfaches der Periode der harmonischen Komponenten bzw. Oberwellen ist. Als Ergebnis dieses Integrationsprozesses werden die harmonischen Komponenten in den detektierten Primärstromwerten beseitigt. Die Integrationsergebnisse liefern somit Ergebnisse, die der Integration der Grundschwingungen der Primärströme entsprechen. Es wird dann die Differenz zwischen dem integrierten Wert des n-ten abgetasteten Werts, wobei n ein ganzer Wert bzw. eine ganze Zahl ist, und dem integrierten Wert des (n + 1)-ten abgetasteten Werts bestimmt, um auf diese Weise den momentanen Wert der Grundschwingung jedes Primärstroms zu erhalten. Diese momentanen Werte sind Vektorwerte im Stator-Koordinatensystem und werden mit Hilfe eines Koordinatentransformators in Vektorwerte transformiert, die im rotierenden Magnetfeld-Koordinatensystem liegen. Auf diese Weise werden Vektorkomponenten detektiert, z.B. eine Anregungsstromkomponente und eine Drehmomentstromkomponente. Die Anregungsstromkomponente und Drehmomentstromkomponente sind Stromkomponenten ohne harmonische Komponenten, so dass durch Vergleich dieser Werte mit einem Anregungsstrom-Befehlswert und einem Drehmomentstrom-Befehlswert sowie durch Steuerung der Primärspannung in einer solchen Richtung, dass die sich ergebenden Differenzen auf den Wert Null hin reduziert werden, es möglich ist, die Vektorsteuerung mit größerer Genauigkeit durchzuführen. Da die Detektorperiode für die Abtastung des integrierten Primärstroms so gewählt werden kann, dass sie gleich oder ein ganzes Vielfaches der Periode der harmonischen Komponenten ist, genügt es, einen mit niedriger Geschwindigkeit arbeitenden Prozessor zu verwenden, beispielsweise einen Niedriggeschwindigkeits-Prozessor mit 0,5 bis 3 ms (z. B. den von der Intel Corporation hergestellten 16 Bit-Mikroprozessor vom Typ 8095). In Übereinstimmung mit einem anderen Ausführungsbeispiel des bekannten Vektorsteuersystems bzw. Vektorsteuerverfahrens können Zweiphasenströme der drei Phasen direkt integriert werden, ohne eine Umwandlung von drei Phasen in zwei Phasen vornehmen zu müssen.
Aus der Druckschrift DE 103 36 068 B4 ist ein Verfahren zur gesteuerten Einprägung eines Ständerstrom-Sollwertes und eines Drehmoment-Sollwertes für eine pulswechselrichtergespeiste Drehfeldmaschine bekannt, wobei ein Sollwert für eine feldbildende Stromkomponente des Ständerstrom-Sollwertes in Abhängigkeit eines vorbestimmten Rotorfluss-Sollwertes und eines ermittelten Rotorfluss-Istwertes und ein Sollwert für eine drehmomentbildende Stromkomponente des Ständerstrom-Sollwertes in Abhängigkeit eines vorbestimmten Drehmoment-Sollwertes des ermittelten Rotorfluss-Istwertes und einer ermittelten drehmomentbildenden Stromkomponente eines gemessenen Ständerstromes berechnet werden, wobei mit einem Ständerkreisfrequenz-Istwert, den Parametern frequenzabhängige Streuinduktivität und Ständerwiderstand der Ständermasche ein Integral der Ständerspannung als Stellgröße berechnet wird, aus dem eine aus off-line optimierten Pulsmustern ausgewählte Sollflussbahnkurve abgeleitet wird.
In der 7 der Druckschrift DE 103 36 068 B4 sind die möglichen Ausgangsspannungen eines Pulswechselrichters im statorfesten Raumzeigerkoordinatensystem gezeigt. Bei einem Zweipunktwechselrichter gibt es sechs Spannungszeiger mit einer Länge von 2/3 einer momentanen Zwischenkreisspannung und zwei Nullzeiger mit der Länge Null. Diese Spannungszeiger sind in der 7 der Druckschrift DE 103 36 068 B4 in einem statorfesten Raumzeiger-Koordinatensystem dargestellt. Wenn die Spannungszeitflächen wie ein Fluss (Klemmenfluss) betrachtet werden, können sie im Raumzeigersystem ebenso wie die Spannungszeiger als Zeiger beschrieben werden. Ein solcher Klemmenflusszeiger bewegt sich, wenn einer der sechs Spannungszeiger eingeschaltet ist, mit einer Geschwindigkeit von 2/3 der momentanen Zwischenkreisspannung pro Sekunde in Richtung des Spannungszeigers, bei eingeschaltetem Nullzeiger bleibt er stehen. Wenn bei Grundschwingungstaktung die Spannungszeiger nacheinander geschaltet werden, ergibt sich ein sechseckförmiger Verlauf des Klemmenflusszeigers.
Der Veröffentlichung des Skripts zur Vorlesung "Geregelte Drehstromantriebe" von Prof. Dr.-Ing. Joachim Böcker, Universität Paderborn, Fachgebiet Leistungselektronik und Elektrische Antriebstechnik, mit Stand vom 13.07.2012, sind Erläuterungen zur Pulsweitenmodulation bei Drehstromantrieben entnehmbar. Dieses Skript steht neben seinem vornehmlichen Zweck als vorlesungsbegleitende Unterlage für die Studenten der Universität Paderborn ausdrücklich auch anderen Interessierten über das Internet zur Verfügung und ist dazu über die Internet-Adresse http://wwwlea.uni-paderborn.de/fileadmin/Elektrotechnik/AG-LEA/lehre/geregeltedrehstrom/vorl esung/Geregelte_Drehstromantriebe.pdf abrufbar, z.B. gelesen am 10.03.2014 um 14:58 Uhr. In den dortigen Kapiteln 4.1 bis 4.3 auf den Seiten 60 bis 76 wird das Thema Pulsweitenmodulation behandelt. Insbesondere wird im Kapitel "4.1 Einsträngige Pulsweitenmodulation" ab Seite 60 eine Erläuterung des Prinzips der Pulsweitenmodulation gegeben, das im Kapitel "4.2 Dreisträngige Pulsweitenmodulation" ab Seite 63 auf drei Stränge erweitert wird. Im Kapitel "4.3 Vektormodulation" ist ab Seite 69 das Verfahren der Vektormodulation beschrieben.
Für die Pulsweitenmodulation wird eine Schaltfunktion erzeugt, indem ein Spannungssollwert mit einem dreiecksförmigen Modulationsträger verglichen wird. Das Ergebnis des Vergleichs ist unmittelbar die Schaltfunktion. Das Verfahren wird aufgrund der Form seines Modulationsträgers als Dreiecksmodulation bezeichnet. Ebenfalls gebräuchlich im Hinblick auf sinusförmige Sollwerte ist der Begriff Unterschwingungsverfahren.
Bei einer Pulsweitenmodulation mit dreiecksförmigem Modulationsträger für drei Stränge ergibt sich ein Spannungsvektor, der in einer Darstellung in einem in einem orthogonalen statorfesten Koordinatensystem aufgetragenen Spannungszeigerdiagramm in einer orthogonalen Ebene innerhalb eines gleichseitigen Sechsecks liegt, das in einer normierten Darstellung einen von Spitze zu Spitze gemessenen Durchmesser von 4, geteilt durch die Quadratwurzel von 3, aufweist. Jeder Soll-Spannungsvektor innerhalb dieses Sechsecks ist durch diese Modulation realisierbar. Durch diese Modulation ist in jedem Fall eine Aussteuerung als Betrag des Soll-Spannungsvektors in dieser normierten Darstellung unabhängig von seiner Richtung mit einem Wert kleiner oder gleich 1 umsetzbar, entsprechend einem in das Sechseck einbeschriebenen Kreis.
Bei einer Speisung der dreisträngigen Pulsweitenmodulation mit einem Umrichter aus einer Eingangsgleichspannung ist diese gleich einer maximalen verketteten Spannung zwischen zwei Strängen, die der Umrichter auf den Motor schalten kann. Dieses Potential wird aber von dem Modulationsverfahren der vorbeschriebenen Form nicht ausgenutzt. Eine Verschiebung eines Bezugspotentials der Spannungen der drei Stränge durch Addition einer Nullkomponente verändert die verketteten Spannungen nicht, aber erhöht den Aussteuerungsbereich auf einen Wert der Aussteuerung von 2, geteilt durch die Quadratwurzel von 3, also auf ungefähr den Wert 1,15. Durch die Nullpunktverschiebung wird die Spannungsausnutzung also um 15% gesteigert. Die Sollwerte der Strangspannungen verlieren dadurch ihre Sinusform, die verketteten Spannungen bleiben unverändert sinusförmig. Die mit der Dreiecksmodulation und Nullpunktverschiebung realisierbaren Soll-Spannungsvektoren liegen in der obigen normierten Darstellung in einem dem obigen, erstgenannten Sechseck umbeschriebenen, gleichseitigen zweiten Sechseck, das einen von Spitze zu Spitze gemessenen Durchmesser von 8/3 aufweist und dessen Spitzen in der obigen normierten Darstellung je mittig den Seiten des erstgenannten Sechsecks gegenüberliegen.
Bei der Vektormodulation wird vom Vektor des Spannungssollwerts in orthogonalen Komponenten ausgegangen. In einem vorgegebenen Zeitintervall, dem Abtastintervall, soll ein zeitlicher Mittelwert eines Umrichterausgangsspannungsvektors, welcher aus einer Abfolge elementarer Spannungsvektoren besteht, gleich dem gewünschten Spannungssollwert für dieses Zeitintervall sein. Dieser Mittelwert wird als Integral der innerhalb des Abtastintervalls nacheinander eingeschalteten elementaren Spannungsvektoren über der Zeitdauer des Abtastintervalls berechnet und ergibt sich vereinfacht aus einer vektoriellen Summe von Produkten der elementaren Spannungsvektoren mit den jeweiligen Zeitdauern ihres Einschaltens. Die elementaren Spannungsvektoren sind dabei Vektoren, die in der obigen normierten Darstellung vom Spannungsnullpunkt ausgehend die Ecken des zweiten Sechsecks, das einen von Spitze zu Spitze gemessenen Durchmesser von 8/3 aufweist, aufspannen, also eine Länge von je 4/3 haben, zuzüglich zweier Nullspannungsvektoren, nachfolgend auch als elementare Nullvektoren bezeichnet. Durch die elementaren Spannungsvektoren wird das zweite Sechseck in sechs Sektoren aufgeteilt.
In 1 der anliegenden Zeichnungen ist diese Aufteilung schematisch wiedergegeben, wobei mit N1 bis N6, in allgemeiner Zählweise Nn mit n = 1 bis n = 6, die elementaren Spannungsvektoren, mit N0 und N7 die elementaren Nullvektoren, und mit S1 bis S6, in allgemeiner Zählweise Sn mit n = 1 bis n = 6, die einzelnen Sektoren bezeichnet sind. Je nach Lage des Sollspannungsvektors, auch als Vektor des Spannungssollwertes bezeichnet, innerhalb des zweiten Sechsecks und damit innerhalb der einzelnen Sektoren S1 bis S6 reichen maximal drei der acht elementaren Spannungsvektoren N0 bis N7 für die Vektormodulation aus. Wenn der Sollvektor z.B. im durch einen ersten N1 und einen zweiten N2 der elementaren Spannungsvektoren begrenzten ersten Sektor S1 des Sechsecks liegt, reichen der erste N1 und der zweite N2 elementare Spannungsvektor zusammen mit einem der elementaren Nullvektoren N0 bzw. N7 aus, um den Spannungssollwert darzustellen. In dem mit H bezeichneten Bereich innerhalb des durch die Elementarvektoren N1 bis N6 aufgespannten Sechsecks ist der Vektor des Spannungssollwertes stellbar.
Durch geeignete Kombination je zweier der elementaren Spannungsvektoren und eines elementaren Nullvektors lassen sich alle Vektoren des Spannungssollwerts, die in dem durch die elementaren Spannungsvektoren aufgespannten zweiten Sechseck liegen, erzeugen. Der Aussteuerungsbereich der Vektormodulation ist also das gesamte von den elementaren Spannungsvektoren aufgespannte zweite Sechseck. Der Aussteuerungsbereich der Vektormodulation ist mit dem der dreisträngigen Dreiecksmodulation identisch, wenn bei letzterer die Nullpunktverschiebung angewendet wird. Unabhängig von der Richtung ist jeder Vektor des Spannungssollwerts mit einer normierten Länge kleiner als 2, geteilt durch die Quadratwurzel von 3, erzeugbar. Abhängig davon, in welchem Sektor der Vektor des Spannungssollwerts liegt, ergeben sich unterschiedliche Zeitdauern des Einschaltens der elementaren Spannungsvektoren. Die Zeitdauern für das Einschalten eines der elementaren Nullvektoren müssen die ersten beiden Zeitdauern zum vollständigen Abtastintervall ergänzen.
Obwohl die Zeiten für die aktiven elementaren Spannungsvektoren eindeutig aus dem vorgegebenen Spannungssollwert bestimmt werden, gibt es als Freiheitsgrade bei der konkreten Realisierung der Vektormodulation die Wahl des elementaren Nullvektors und die Wahl der Reihenfolge der beteiligten elementaren Spannungsvektoren innerhalb des Abtastintervalls. Darüber hinaus wird die Zeit für den elementaren Nullvektor gern auf Anfang und Ende des Abtastintervalls jeweils hälftig aufgeteilt. Beispielsweise sind die folgend für drei Typen von Modulationen angegebenen Varianten denkbar. Die Reihenfolgen der mit elementaren Spannungsvektoren N1 bis N6 und der elementaren Nullvektoren sind nur exemplarisch für die Sektoren 1 und 2, die vom ersten und zweiten bzw. vom zweiten und dritten elementaren Spannungsvektor begrenzt werden, angegeben.
Typ 1: Sektor 1: Reihenfolge N0, N1, N2, N7–N7, N2, N1, N0;
Typ 1: Sektor 2: Reihenfolge: N0, N3, N2, N7–N7, N2, N3, N0;
Typ 2: Sektor 1: Reihenfolge: N7 (bzw. N0), N1, N2, N7;
Typ 2: Sektor 2: Reihenfolge: N0 (bzw. N7), N2, N3, N0;
Typ 3: Sektor 1: Reihenfolge: N7 (bzw. N0), N2, N1, N7;
Typ 3: Sektor 2: Reihenfolge: N0 (bzw. N7), N3, N2, N0.
Dabei entspricht der Typ 1 im Ergebnis der Dreiecksmodulation mit Nullpunktverschiebung. Die Typen 1, 2 und 3 unterscheiden sich in der Anzahl von Umschaltungen der einzelnen Stränge innerhalb eines Abtastintervalls. Typ 1 schaltet z.B. in jedem Abtastintervall jeden Strang genau einmal, es gibt also insgesamt drei Umschaltungen. Bei den Typen 2 und 3 treten hingegen insgesamt vier Umschaltungen je Abtastintervall auf. Allerdings fallen hierbei einzelne Umschaltungen weg, wenn der Vektor des Spannungssollwerts von einem Abtastintervall zum nächsten den Sektor wechselt.
Für moderne, leistungsfähige Antriebe, insbesondere bei Fahrzeugen und dort vor allem bei Straßenfahrzeugen, bevorzugt für deren Traktionsantriebe, ist eine höchstmögliche Leistungsabgabe bzw. ein höchstmögliches Drehmoment bei zugleich geringem Gewicht und kompakter Bauform von entscheidender Bedeutung. Durch Pulsweitenmodulation aus einer Energiequelle gespeiste elektrische Drehfeldmaschinen bieten gute Voraussetzungen für das Erreichen dieses Ziels.
Nach dem obengenannten Skript zur Vorlesung "Geregelte Drehstromantriebe", Kapitel 8.7.6, Seiten 151 bis 154, steigt eine von der Drehmaschine induzierte Motorspannung bei konstantem Läuferfluss mit steigender Drehzahl etwa drehzahlproportional an. Aus der Energiequelle kann über einen die Pulsweitenmodulation vornehmenden, speisenden Umrichter nur eine maximale Spannung bereitgestellt werden, welche durch die Fläche des in 1 schematisch dargestellten Sechsecks beschränkt ist. Diese maximale Spannung bildet eine Spannungsgrenze, die bei weiterer Erhöhung der Drehzahl und konstantem Läuferfluss überschritten werden müsste. Größere Drehzahlen können nur erreicht werden, indem der Läuferfluss reduziert, d.h. geschwächt, wird. Dieser Betriebsbereich, d.h. Drehzahlbereich, wird daher als Flussschwächbereich bezeichnet. Durch die Schwächung des Läuferflusses sinkt im Flussschwächbereich das verfügbare Drehmoment. Dies kann durch einen vergrößerten Motorstrom jedoch nur begrenzt ausgeglichen werden, da auch der Motorstrom einer Stromgrenze unterliegt, wie im Skript zur Vorlesung "Geregelte Drehstromantriebe", Kapitel 2.10, Seite 44, oder Kapitel 8.7.5, Seiten 148 bis 150, erläutert ist.
Für elektrische Traktionsantriebe von Straßenfahrzeugen ist im Betrieb bei hohen Drehzahlen eine große Leistungsabgabe besonders bedeutsam. Daher kommt einer leistungssteigernden Steuerung darin eingesetzter Drehfeldmaschinen im Flussschwächbereich besondere Bedeutung zu. Diese Steuerung durch Pulsweitenmodulation gespeister Drehfeldmaschinen für elektrische Traktionsantriebe von Straßenfahrzeugen unterliegt dabei einer Reihe von Randbedingungen. Zu diesen gehört, dass die Drehfeldmaschinen feldorientiert geregelt betrieben werden. Eine weitere Randbedingung besteht darin, dass einem für die Steuerung einer solchen Drehfeldmaschine eingesetzten Stromregelkreis für den Betrieb im Flussschwächbereich eine Aussteuerungsregelung, d.h. eine Regelung der als Quotient aus der Amplitude des normierten Spannungssollwertes und der Amplitude des dreiecksförmigen Modulationsträgers definierten Aussteuerung der Pulsweitenmodulation, überlagert ist. Als Randbedingung wird ferner vorausgesetzt, dass die Drehfeldmaschine in ihrem oberen Drehzahlbereich eine geringe Pulszahl aufweist. Dabei ist die Pulszahl die Anzahl der Perioden des dreiecksförmigen Modulationsträgers der Pulsweitenmodulation pro elektrischer Umdrehung der Drehfeldmaschine, und eine elektrische Umdrehung der Drehfeldmaschine entspricht einer mechanischen Umdrehung der Drehfeldmaschine geteilt durch ihre Polpaarzahl. In einer anderen Definition entspricht die Pulszahl dem Quotienten aus Pulsfrequenz und Grundfrequenz, wobei die Pulsfrequenz die Frequenz des dreiecksförmigen Modulationsträgers der Pulsweitenmodulation und die Grundfrequenz die Anzahl der elektrischen Umdrehungen der Drehfeldmaschine pro Sekunde ist.
In einem Drehzahlbereich unterhalb des Flussschwächbereichs sind Leistung, Drehmoment und Drehzahl der Drehfeldmaschine durch Variation der Aussteuerung einstellbar. Der Vektor des Spannungssollwerts wird dabei innerhalb des durch die elementaren Spannungsvektoren aufgespannten Sechsecks, insbesondere innerhalb eines diesem Sechseck einbeschriebenen Kreises, gewählt. Durch eine sogenannte Übermodulation kann zwar der Vektor des Spannungssollwerts zum Zweck einer auch größer gewählt werden, dies geht jedoch zu Lasten der Stabilität der Steuerung bzw. Regelung der Drehfeldmaschine, d.h. der Stabilität des für die Steuerung der Drehfeldmaschine eingesetzten Stromregelkreises. Zur Wahrung dieser Stabilität muss eine Spannungsreserve für die Einstellung des Spannungssollwerts vorhanden sein bzw. verbleiben. Damit sind dieser Steuerungsmöglichkeit Grenzen gesetzt.
Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile
Die Erfindung hat die Aufgabe, bei einer Steuerung bzw. Regelung einer Drehfeldmaschine der beschriebenen Art eine weitere Steigerung der Leistung und/oder des Drehmoments bei Betrieb im Flussschwächbereich und insbesondere kleinen Pulszahlen bei gleichzeitiger Wahrung der Stabilität dieser Steuerung bzw. Regelung zu erzielen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Steuern einer aus einer Energiequelle durch Pulsweitenmodulation gespeisten, eine gewählte Drehrichtung aufweisenden, elektrischen Drehfeldmaschine mit einer Vektorsteuerung, bei der in je einem aus einer Folge von Abtastzeitintervallen der Pulsweitenmodulation ein Vektor eines Spannungssollwertes durch eine vorbestimmte zeitliche Abfolge einer aus einer Gesamtanzahl ausgewählten Anzahl von Elementarvektoren gebildet und die Drehfeldmaschine während des Abtastzeitintervalls mit der ausgewählten Anzahl der Elementarvektoren in der vorbestimmten zeitlichen Abfolge beaufschlagt wird, wobei die Elementarvektoren eine Beaufschlagung einzelner Stränge eines Wicklungssystems der Drehfeldmaschine mit einer von Null verschiedenen Spannung beschreibende elementare Spannungsvektoren und eine Beaufschlagung einzelner Stränge des Wicklungssystems der Drehfeldmaschine mit der Spannung Null beschreibende elementare Nullvektoren umfassen und wobei in der ausgewählten Anzahl der Elementarvektoren die Abfolge unmittelbar aufeinanderfolgender elementarer Spannungsvektoren stets mit der gewählten Drehrichtung der Drehfeldmaschine synchronisiert ist.
Die bei der Pulsweitenmodulation durch Vergleich des Spannungssollwertes mit dem dreiecksförmigen Modulationsträger erzeugte Schaltfunktion weist dabei für jede Periode des Modulationsträgers ein Abtastzeitintervall auf, wie dies im zitierten Skript zur Vorlesung "Geregelte Drehstromantriebe" in den zum Kapitel 4.4 auf der Seite 78 wiedergegebenen Diagrammen dargestellt ist. Diese Abtastzeitintervalle bilden somit eine zeitliche Folge.
Die erfindungsgemäße Vektorsteuerung gründet sich auf eine Gesamtanzahl von Elementarvektoren, von denen einige elementare Spannungsvektoren bilden, die übrigen sind elementare Nullvektoren. Die elementaren Spannungsvektoren und die elementaren Nullvektoren beschreiben eine Beaufschlagung der einzelnen Stränge des Wicklungssystems der Drehfeldmaschine mit Spannungen durch unterschiedliche Schaltzustände eines die Drehfeldmaschine speisenden Umrichters. Speziell beschreiben die elementaren Spannungsvektoren eine Beaufschlagung der einzelnen Stränge des Wicklungssystems der Drehfeldmaschine mit einer von Null verschiedenen Spannung, wohingegen die elementaren Nullvektoren eine Beaufschlagung der einzelnen Stränge des Wicklungssystems der Drehfeldmaschine mit der Spannung Null beschreiben.
Aus der Gesamtanzahl der Elementarvektoren wird nun für jedes Abtastzeitintervall eine ausgewählte Anzahl von Elementarvektoren gewählt. Die ausgewählte Anzahl von Elementarvektoren enthält eine für jedes Abtastzeitintervall individuelle Auswahl elementarer Spannungsvektoren und/oder elementarer Nullvektoren aus der Gesamtanzahl der elementaren Spannungsvektoren und elementaren Nullvektoren. Die elementaren Spannungsvektoren und/oder elementaren Nullvektoren der ausgewählten Anzahl werden innerhalb des betreffenden Abtastzeitintervalls in einer bestimmten, für jedes der Abtastzeitintervalle individuell bestimmten Reihenfolge, die als vorbestimmte zeitliche Abfolge bezeichnet ist, dem Wicklungssystem der Drehfeldmaschine beaufschlagt. Dadurch wird in dem betreffenden Abtastzeitintervall der Vektor des Spannungssollwertes gebildet, und zwar als über die Dauer des betreffenden Abtastzeitintervalls gebildeter zeitlicher Mittelwert eines durch die ausgewählte Anzahl der Elementarvektoren aufgespannten Ausgangsspannungsvektors des die Drehfeldmaschine speisenden Umrichters.
Unmittelbar aufeinanderfolgende elementare Spannungsvektoren sind dann solche, die ohne Zwischenschaltung wenigstens eines elementaren Nullvektors in der vorbestimmten zeitlichen Abfolge aufeinanderfolgen. In dieser Weise unmittelbar aufeinanderfolgende, d.h. unmittelbar aufeinanderfolgend geschaltete, elementare Spanungsvektoren bilden je eine Abfolge unmittelbar aufeinanderfolgender elementarer Spannungsvektoren und sind erfindungsgemäß stets mit der Drehrichtung der Maschine synchronisiert, es können aber – durch eine Zwischenschaltung eines oder auch mehrerer der elementaren Nullvektoren – sich Abfolgen von elementaren Spannungsvektoren wiederholen, wie nachfolgend noch näher dargestellt ist.
Grundsätzlich sind je nach Verwendungszweck und Einsatzgebiet, z.B. für Traktionsantriebe bei Straßen- oder Schienenfahrzeugen, unterschiedlich gestaltete Energiequellen möglich. Bevorzugt ist die Energiequelle jedoch eingerichtet zum Abgeben im Wesentlichen einer elektrischen Gleichspannung. Besonders bevorzugt ist die Energiequelle eine Traktionsbatterie eines elektrisch angetriebenen Straßenfahrzeugs.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass beim Speisen einer Drehfeldmaschine der beschriebenen Art die Höhe der Spannungsgrundwelle, nachfolgend auch als Spannungsgrundschwingung bzw. Grundschwingung bezeichnet, ausschlaggebend für Leistung bzw. Drehmoment der Drehfeldmaschine beim Betrieb im Flussschwächbereich ist. Die Spannungsgrundwelle ist dabei eine Spannungskomponente des Vektors des Spannungssollwertes, deren Frequenz dem Kehrwert der Anzahl elektrischer Umdrehungen der Drehfeldmaschine pro Sekunde entspricht. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird nun auf einfache, überraschende Weise eine Erhöhung dieser Spannungsgrundwelle erzielt, ohne die Aussteuerung erhöhen zu müssen. Damit ist eine merkbare Steigerung von Leistung bzw. Drehmoment der Drehfeldmaschine unter Beibehaltung der Stabilität der Regelung möglich. Das erfindungsgemäße Verfahren wirkt sich besonders günstig bei geringen Pulszahlen, insbesondere bei Pulszahlen im niedrigen zweistelligen Bereich, aus, wobei die Pulszahl sich wie angegeben aus dem Quotienten aus Pulsfrequenz und Grundfrequenz berechnet und die Pulsfrequenz vorzugsweise konstant ist, wohingegen die Grundfrequenz proportional zur Geschwindigkeit eines durch die Drehfeldmaschine angetriebenen Fahrzeugs ist. Somit entspricht eine geringe Pulszahl einer hohen Geschwindigkeit des Fahrzeugs und eine hohe Pulszahl einer geringen Geschwindigkeit des Fahrzeugs. Pulszahlen im niedrigen zweistelligen Bereich treten aber bei hohen Drehzahlen schon deswegen auf, weil die Frequenz des Modulationsträgers der Pulsweitenmodulation zwecks Vereinfachung und Kostenreduktion für mit der Drehfeldmaschine aufzubauende Antriebe regelmäßig so gering wie möglich gewählt wird oder, insbesondere für Elektrofahrzeuge, durch gesetzliche Vorgaben auf derartige Werte festgelegt ist, z.B. auf 10 kHz.
Im Resultat ermöglicht die Erfindung eine Erhöhung der Spannungsgrundwelle im Flussschwächbereich bei gleichem Aussteuergrad durch drehrichtungsabhängige Wahl der Schaltreihenfolge der jeweils ausgewählten, d.h. aktiven elementaren Spannungsvektoren. Die Schaltreihenfolge, d.h. Abfolge, der aktiven elementaren Spannungszeiger und die Lage des bzw. der elementaren Nullvektoren sind im Rahmen der Pulsweitemodulation, d.h. des angewandten Vektormodulationsverfahrens, ein nutzbarer Freiheitsgrad. Durch geschickte, drehrichtungsabhängige Wahl der Schaltreihenfolge ermöglicht die Erfindung, den Inhalt der Spannungsgrundwelle zu erhöhen. Dieser Effekt macht sich deutlich bei kleinen Pulszahlen bemerkbar. Dazu wird der Freiheitsgrad der Wahl der Schaltreihenfolge von aktiven elementaren Spannungsvektoren und elementaren Nullvektoren zur Maximierung der Spannungsgrundwelle im Flussschwächbereich und damit des stellbaren Drehmoments bei konstantem Aussteuergrad, d.h. konstanter Aussteuerung, ausgenutzt. Vorteil gegenüber einer Erhöhung der Spannungsgrundwelle mittels Übermodulation ist, dass der Aussteuergrad und damit eine Stellgrößenreserve der Stromregler unverändert bleibt. Die Stabilität der Stromregler wird nicht nachteilig beeinflusst. Die Erfindung ist besonders bevorzugt einsetzbar bei feldorientiert geregelten Traktionsantrieben für Straßen- und Schienenfahrzeuge.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine dreisträngige Pulsweitenmodulation vorgesehen, wobei eine Gesamtanzahl von acht Elementarvektoren, davon sechs elementare Spannungsvektoren und zwei elementare Nullvektoren, vorgesehen ist, wobei die sechs elementaren Spannungsvektoren in einem in einem statorfesten Koordinatensystem der Drehfeldmaschine aufgetragenen Spannungszeigerdiagramm entlang der Drehrichtung gleichmäßig über eine elektrische Umdrehung der Drehfeldmaschine verteilt sind und wobei je eine der aus dieser Gesamtanzahl ausgewählten Anzahlen der Elementarvektoren wenigstens zwei der elementaren Spannungsvektoren und wenigstens einen der elementaren Nullvektoren umfasst und daraus für je eines der Abtastzeitintervalle die vorbestimmte zeitliche Abfolge zum Bilden des Vektors des Spannungssollwertes gebildet wird.
Vorteilhaft ist diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens an Drehstrommaschinen üblicher Bauart als spezielle Ausführung einer Drehfeldmaschine angepasst. Besonders bevorzugt wird dabei der Vektor des Spannungssollwertes in jedem der Abtastzeitintervalle durch eine vorbestimmte zeitliche Abfolge einer ausgewählten Anzahl von je genau drei Elementarvektoren gebildet, von denen je zwei elementare Spannungsvektoren sind und der dritte ein wählbarer der elementaren Nullvektoren ist. Damit lassen sich die Schaltvorgänge im die Drehfeldmaschine speisenden Umrichter einfach gestalten, d.h. es läßt sich insbesondere die Zahl dieser Schaltvorgänge niedrig halten.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einem n-ten Abtastzeitintervall der Vektor des Spannungssollwertes in einem n-ten Sektor des Spannungszeigerdiagramms, der sich zwischen einem n-ten und einem (n + 1)-ten, dem n-ten in der Drehrichtung der Drehfeldmaschine folgenden der elementaren Spannungsvektoren erstreckt, gebildet, umfasst dazu die ausgewählte Anzahl von Elementarvektoren wenigstens einen der Nullvektoren, den n-ten und den (n + 1)-ten elementaren Spannungsvektor und wird der Vektor des Spannungssollwertes im n-ten Sektor des Spannungszeigerdiagramms aus der nachstehend aufgeführten zeitlichen Abfolge dieser Elementarvektoren gebildet, wobei jeder der aufgelisteten Elementarvektoren dem Wicklungssystem der Drehfeldmaschine für die Dauer je eines Teils des n-ten Abtastzeitintervalls in dieser Abfolge beaufschlagt wird: einer der elementaren Nullvektoren, der n-te elementare Spannungsvektor, der (n + 1)-te elementare Spannungsvektor, einer der elementaren Nullvektoren, der n-te elementare Spannungsvektor, der (n + 1)-te elementare Spannungsvektor, und wird diese Bildung des Vektors des Spannungssollwertes zyklisch fortgeführt, wobei n Zählindex für die Abtastzeitintervalle, die Elementarvektoren und die Sektoren ist und zyklisch umlaufend die Werte n = 1, 2, 3, 4, 5, 6 annimmt und wobei in dieser Zählweise der Zählindex (n + 1) für n = 6 den Wert 1 annimmt.
Wie vorstehend bereits erwähnt, wiederholen sich bei dieser Abfolge der Elementarvektoren in der ausgewählten Anzahl von Elementarvektoren Abfolgen von elementaren Spannungsvektoren unter Zwischenschaltung eines der elementaren Nullvektoren, und zwar wiederholt sich die aus dem n-ten elementaren Spannungsvektor und dem (n + 1)-ten elementaren Spannungsvektor gebildete Abfolge nach der Zwischenschaltung eines der elementaren Nullvektoren. Dabei ist die Reihenfolge der elementaren Spannungsvektoren in dieser Abfolge mit der Drehrichtung der Drehfeldmaschine synchronisiert, denn der Übergang zwischen den elementaren Spannungsvektoren in der Reihenfolge der Beaufschlagung folgt dieser Drehrichtung.
Nach einer anderen bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einem n-ten Abtastzeitintervall der Vektor des Spannungssollwertes in einem n-ten Sektor des Spannungszeigerdiagramms, der sich zwischen einem n-ten und einem (n + 1)-ten, dem n-ten in der Drehrichtung der Drehfeldmaschine folgenden der elementaren Spannungsvektoren erstreckt, gebildet, umfasst dazu die ausgewählte Anzahl von Elementarvektoren wenigstens einen der Nullvektoren, den n-ten und den (n + 1)-ten elementaren Spannungsvektor und wird der Vektor des Spannungssollwertes im n-ten Sektor des Spannungszeigerdiagramms aus der nachstehend aufgeführten zeitlichen Abfolge dieser Elementarvektoren gebildet, wobei jeder der aufgelisteten Elementarvektoren dem Wicklungssystem der Drehfeldmaschine für die Dauer je eines Teils des n-ten Abtastzeitintervalls in dieser Abfolge beaufschlagt wird: einer der elementaren Nullvektoren, der n-te elementare Spannungsvektor, der n-te elementare Spannungsvektor, einer der elementaren Nullvektoren, der (n + 1)-te elementare Spannungsvektor, der (n + 1)-te elementare Spannungsvektor, und wird diese Bildung des Vektors des Spannungssollwertes zyklisch fortgeführt, wobei n Zählindex für die Abtastzeitintervalle, die Elementarvektoren und die Sektoren ist und zyklisch umlaufend die Werte n = 1, 2, 3, 4, 5, 6 annimmt und wobei in dieser Zählweise der Zählindex (n + 1) für n = 6 den Wert 1 annimmt.
In dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wiederholen sich im Gegensatz zur voraufgehend beschriebenen Ausführungsform die Abfolgen von Elementarvektoren nicht. Dafür umfasst die genannte Abfolge der Elementarvektoren in der ausgewählten Anzahl von Elementarvektoren zwei Abfolgen aus je einer zweimalig nacheinander erfolgenden Beaufschlagung mit zuerst dem n-ten elementaren Spannungsvektor und nach Zwischenschaltung eines der elementaren Nullvektoren mit anschließend dem (n + 1)-ten elementaren Spannungsvektor. Dabei ist die Reihenfolge der elementaren Spannungsvektoren in dieser Abfolge ebenfalls mit der Drehrichtung der Drehfeldmaschine in dem Sinne synchronisiert, dass innerhalb keiner der Abfolgen der elementaren Spannungsvektoren ein Rücksprung entgegen der Drehrichtung auftritt. Darüber hinaus werden die Schaltvorgänge des Umrichters bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders einfach, da beim zweimalig nacheinander erfolgenden Beaufschlagen mit demselben elementaren Spannungsvektor ein dazwischenliegender Schaltvorgang gespart werden kann.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Schaltungsanordnung zum Steuern einer aus einer Energiequelle durch Pulsweitenmodulation gespeisten, eine gewählte Drehrichtung aufweisenden, elektrischen Drehfeldmaschine mit einer Vektorsteuerung, nach einem Verfahren der vorbeschriebenen Art, gekennzeichnet durch eine Pulsweitenmodulationsstufe zum pulsweitenmodulierten Speisen der Drehfeldmaschine aus der Energiequelle, wobei die Pulsweitenmodulationsstufe eingerichtet ist zum Empfangen eines die Drehrichtung der Drehfeldmaschine bestimmenden Drehrichtungssteuersignals und zum in jedem Abtastzeitintervall der Drehrichtung gemäßen Bestimmen der vorbestimmten zeitlichen Abfolge der aus der Gesamtanzahl ausgewählten Anzahl der Elementarvektoren zum Bilden des Vektors des Spannungssollwertes für dieses Abtastzeitintervall.
Bei dieser erfindungsgemäßen Ausbildung der Schaltungsanordnung wird somit ein der Pulsweitenmodulationsstufe zugeführtes Drehrichtungssteuersignal als Information für die Synchronisation ausgewertet zum Steuern der vorbestimmten zeitlichen Abfolgen der Elementarvektoren für das Bilden des Vektors des Spannungssollwertes in jedem der Abtastzeitintervalle. Von der Pulsweitenmodulationsstufe wird unmittelbar der die Drehfeldmaschine speisende Umrichter gesteuert. Mit dieser Ausbildung ist es möglich, die Erfindung in bereits bestehende Regelungseinrichtungen für Drehfeldmaschinen einzufügen, wobei an diesen Regelungseinrichtungen nur geringfügige Änderungen bzw. Ergänzungen vorgenommen werden müssen. Dies ist besonders wirtschaftlich und kostengünstig. Außerdem können dadurch erprobte Regelungseinrichtungen und ihre Dimensionierung vorteilhaft weiter eingesetzt werden.
Die oben genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine Drehfeldmaschine mit einer Steuerung nach einem Verfahren gemäß der vorbeschriebenen Art und/oder mit einer Schaltungsanordnung der vorbeschriebenen Art. Die derart ausgebildete Drehfeldmaschine weist insbesondere im Feldschwächbereich bei hohen Drehzahlen eine deutliche Leistungssteigerung und/oder eine Steigerung des Drehmoments auf, was insbesondere für Traktionsantriebe von Straßen- und/oder Schienenfahrzeugen vorteilhaft ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In der Zeichnung, in der übereinstimmende Elemente in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sind und zu der auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird, zeigen:
1 ein Schema eines Spannungszeigerdiagramms einer Drehfeldmaschine mit der Lage der Elementarvektoren und dem durch sie aufgespannten Sechseck, innerhalb dessen der Vektor des Spannungssollwertes stellbar ist, nach dem Stand der Technik,
2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Synchronisation der Abfolge elementarer Spannungsvektoren mit der Drehrichtung der Drehfeldmaschine,
3a und 3b eine schematische Darstellung einer zeitlichen Abfolge von Elementarvektoren beim Unterschwingungsverfahren gemäß dem Stand der Technik,
4a und 4b eine schematische Darstellung einer zeitlichen Abfolge von Elementarvektoren bei einem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
5a und 5b eine schematische Darstellung einer zeitlichen Abfolge von Elementarvektoren bei einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
6 ein Spannungszeigerdiagramm mit einer Darstellung resultierender Flusstrajektorien der Verfahren nach den 3a, 3b, 4a, 4b, 5a und 5b,
7 eine Darstellung des Grundwelleninhalts der gemäß den Verfahren nach den 3a, 3b, 4a, 4b, 5a und 5b gebildeten Vektoren des Spannungssollwertes, aufgetragen über der Pulszahl, und
8 eine blockschematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Steuern einer Drehfeldmaschine.
Die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im nachfolgenden näher beschrieben.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
In 2, die noch einmal das schematische Spannungszeigerdiagramm der 1 mit den Elementarvektoren N0 bis N7, dem durch die Elementarvektoren N1 bis N6 aufgespannten Sechseck und dem mit H bezeichneten Bereich innerhalb des Sechsecks zeigt, ist eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Synchronisation der Abfolge elementarer Spannungsvektoren mit der Drehrichtung DR der Drehfeldmaschine dargestellt; die Richtung der Synchronisation der Abfolge elementarer Spannungsvektoren ist mit SR bezeichnet. Im dargestellten Beispiel sind beide Richtungen DR, SR im Gegenuhrzeigersinn ausgerichtet. In einer Abwandlung können beide Richtungen ebenso im Uhrzeigersinn ausgerichtet sein; eine Umsteuerung der Drehfeldmaschine ist somit einfach möglich, wobei die erfindungsgemäße Betriebsweise und die damit erzielten Vorteile für beide Drehrichtungen DR gegeben sind.
Die 3a und 3b zeigen eine schematische Darstellung einer zeitlichen Abfolge von Elementarvektoren beim Unterschwingungsverfahren gemäß dem Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht. Dabei wird eine Drehrichtung DR der Drehfeldmaschine im Gegenuhrzeigersinn wie in 2 angegeben angenommen. Der Vektor des Spannungssollwertes dreht sich in 2 mit der Drehrichtung DR. Dabei zeigt jede der 3a und 3b die vorbestimmte zeitliche Abfolge der Elementarvektoren während einer Periode der Pulsweitenmodulation, d.h. des Modulationsträgers, mit der Periodendauer Tp. Innerhalb dieser Periodendauer Tp wird zu Schaltzeitpunkten t1 bis t6 von einem zum nächsten Elementarvektor umgeschaltet. Die nacheinander geschalteten Elementarvektoren sind in ihrer zeitlichen Abfolge in der jeweilig obersten Zeile der Diagramme der 3a und 3b angegeben und in der jeweilig dritten Zeile graphisch symbolisiert. In der zweiten Zeile jedes der Diagramme nach 3a und 3b findet sich eine symbolische Angabe für Schalterstellungen dreier Halbbrücken eines dreiphasigen bzw. dreisträngigen Umrichters, über den die Drehfeldmaschine aus der Energiequelle gespeist wird und mit dem die einzelnen Elementarvektoren der Drehfeldmaschine beaufschlagt werden, wobei für die Energiequelle eine Gleichspannungsquelle angenommen ist. Dabei bedeutet ein Zeichen „–“, dass ein betreffender Wicklungsstrang bzw. eine betreffende Motorphase auf ein niedriges Gleichspannungspotential der Gleichspannungsquelle geschaltet ist, ein Zeichen „+“ bedeutet, dass der betreffende Wicklungsstrang bzw. die betreffende Motorphase auf ein hohes Gleichspannungspotential der Gleichspannungsquelle geschaltet ist, und „???“ deutet die zwei Möglichkeiten an, mit denen der elementare Nullvektor geschaltet werden kann, nämlich einmal als elementarer Nullvektor N0 und zum anderen als elementare Nullvektor N7, entsprechend einer symbolischen Darstellung durch „+++“ oder „–––“.
Durch die vorbestimmte zeitliche Abfolge der Elementarvektoren während einer Periodendauer Tp des Modulationsträgers wird im Mittel der gewünschte Vektor des Spannungssollwertes während dieser Periodendauer Tp gestellt. 3a zeigt dazu die vorbestimmte zeitliche Abfolge der Elementarvektoren für das Stellen des Vektors des Spannungssollwertes im ersten Sektor S1, und 3b zeigt die vorbestimmte zeitliche Abfolge der Elementarvektoren für das Stellen des Vektors des Spannungssollwertes im zweiten Sektor S2 des Sechsecks im Spannungszeigerdiagramm. Es ist bei dieser Darstellung des Standes der Technik erkennbar, dass die darin auftretenden Abfolgen unmittelbar aufeinanderfolgender elementarer Spannungsvektoren nicht mit der gewählten Drehrichtung DR der Drehfeldmaschine synchronisiert sind, sondern vielmehr die Richtung wechseln, so z.B. in den Abfolgen N1–N2 und N2–N1 in 3a und in den Abfolgen N3–N2 und N2–N3 in 3b.
In den 4a und 4b ist in mit den 3a und 3b identischer Darstellungsweise eine schematische Darstellung einer zeitlichen Abfolge von Elementarvektoren bei einem auch als „Verfahren 1“ bezeichneten ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wiedergegeben. Hier erfolgt die Bildung des Vektors des Spannungssollwertes durch mit der Drehrichtung DR der Drehfeldmaschine synchronisierte Abfolgen unmittelbar aufeinanderfolgender elementarer Spannungsvektoren innerhalb der vorbestimmten zeitlichen Abfolgen der Elementarvektoren. Insbesondere ist dies gemäß 4a für den ersten Sektor S1 die zweimal nacheinander geschaltete Abfolge N1–N2 und gemäß 4b im zweiten Sektor S2 die zweimal nacheinander geschaltete Abfolge N2–N3.
Eine schematische Darstellung einer zeitlichen Abfolge von Elementarvektoren bei einem auch als „Verfahren 2“ bezeichneten zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigen in mit den 3a, 3b, 4a, 4b identischer Darstellungsweise die 5a und 5b. Die mit der Drehrichtung DR der Drehfeldmaschine synchronisierten Abfolgen unmittelbar aufeinanderfolgender elementarer Spannungsvektoren innerhalb der vorbestimmten zeitlichen Abfolgen der Elementarvektoren werden hier durch zweimaliges Schalten jeweils desselben elementaren Spannungsvektors gebildet. Insbesondere sind dies gemäß 5a für den ersten Sektor S1 der zweimal nacheinander geschaltete elementare Spannungsvektor N1, der eine Abfolge N1–N1 darstellt, und der danach zweimal nacheinander geschaltete elementare Spannungsvektor N2, der eine Abfolge N2–N2 darstellt. Gemäß 5b sind dies im zweiten Sektor S2 der zweimal nacheinander geschaltete elementare Spannungsvektor N2, der eine Abfolge N2–N2 darstellt, und der danach zweimal nacheinander geschaltete elementare Spannungsvektor N3, der eine Abfolge N3–N3 darstellt. Da in der praktischen Ausführung dieses „Verfahrens 2“ in der Abfolge der zweimal nacheinander geschalteten elementaren Spannungsvektoren kein Schaltvorgang erfolgt, sind die Angaben t2 und t5 der betreffenden Schaltzeitpunkte in den 5a und 5b in Klammern geschrieben.
6 stellt ein Spannungszeigerdiagramm mit einer Darstellung resultierender Flusstrajektorien der Verfahren nach den 3a, 3b, 4a, 4b, 5a und 5b dar. Jede dieser Flusstrajektorien stellt den zeitlichen Verlauf der Spitze des Vektors eines Gesamtfluss-Istwertes, der in einer normierten Darstellung gemäß 6 mit dem Vektor des Spannungssollwertes übereinstimmt, für eines der verschiedenen Verfahren dar. Die Drehrichtung DR der Drehfeldmaschine ist wieder im Gegenuhrzeigersinn angenommen. Insbesondere ist mit P*u die Flusstrajektorie des Vektors des Gesamtfluss-Istwertes beim Unterschwingungsverfahren nach dem Stand der Technik zum Vergleich, mit P*1 die Flusstrajektorie des Vektors des Gesamtfluss-Istwertes beim "Verfahren 1" und mit P*2 die Flusstrajektorie des Vektors des Gesamtfluss-Istwertes beim "Verfahren 2" bezeichnet. Die Darstellung ist in einer durch Raumrichtungen alpha und beta eines orthogonalen, statorfesten Koordinatensystems der Drehfeldmaschine aufgespannten Ebene vorgenommen; entsprechend sind die Koordinatenachsen im Fluss- bzw. Spannungszeigerdiagramm der 6 mit den Komponenten Palpha~, Pbeta~ des Gesamtfluss-Istwertes und ualpha*, ubeta* des Spannungssollwertes u* bezeichnet.
Im Diagramm der 6 wird deutlich, dass bei den erfindungsgemäßen „Verfahren 1“ und „Verfahren 2“ die – bildlich formuliert – „Ecken der Flusstrajektorie“ stets „nach außen geklappt“ sind. Dies ist beim Unterschwingungsverfahren nicht der Fall. Der dadurch im Mittel erhöhte Betrag des Sollflusses P* führt zu einem höheren Grundschwingungsanteil, auch als Grundwelleninhalt bezeichnet, der gepulsten Spannungen. Proportional hierzu steigen auch mittleres Drehmoment und Leistung der Drehfeldmaschine. Dieser Effekt macht sich bei kleinen Pulszahlen, z.B. bei einer Pulszahl von np = 10, deutlich bemerkbar.
Die Kreise im Diagramm nach 6 zeigen die zu den einzelnen Flusstrajektorien P*u, P*1 und P*2 gehörenden Grundschwingungsanteile P*uG, P*1G bzw. P*2G. Es ist deutlich, dass durch das „Verfahren 1“ und mehr noch durch das „Verfahren 2“ der Grundschwingungsanteil des Spannungssollwertes u* und des Sollflusses P* gegenüber dem Unterschwingungsverfahren gesteigert wird.
In 6 sind außerdem für das vorgenannte Betriebsbeispiel mit der niedrigen Pulszahl von np = 10 Abtastpunkte ap dargestellt. Dem Wert der Pulszahl gemäß sind hier zehn Abtastpunkte ap für zehn Abtastzeitintervalle entsprechend zehn Perioden Tp des Modulationsträgers der Pulsweitenmodulation in jeder elektrischen Umdrehung der Drehfeldmaschine vorhanden.
7 gibt eine Darstellung des mit |c1| bezeichneten Grundwelleninhalts der gemäß den Verfahren nach den 3a, 3b, 4a, 4b, 5a und 5b gebildeten Vektoren des Spannungssollwertes u* bzw. des Sollflusses P*, aufgetragen über der Pulszahl np, wieder. Dabei sind die Grundwelleninhalte zu den einzelnen Flusstrajektorien P*u, P*1 und P*2 mit den Symbolen der zugehörenden Grundschwingungsanteile P*uG, P*1G bzw. P*2G gekennzeichnet. Es ist erkennbar, dass besonders für niedrige Pulszahlen np, d.h. solche im niedrigen zweistelligen Wertebereich, nicht nur eine deutliche Anhebung der Grundwelleninhalte durch die Erfindung erzielt wird, sondern im Gegensatz zum Unterschwingungsverfahren zu niedrigen Pulszahlen np, d.h. zu hohen Drehzahlen, hin eine mit der Drehzahl zunehmende Steigerung der Grundwelleninhalte |c1| auftritt.
8 zeigt eine blockschematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäß ausgestalteten Schaltungsanordnung 100 zum Steuern einer Drehfeldmaschine 101. Die Schaltungsanordnung umfasst einen Aussteuerungsregler 102, eine Drehmomentsteuerstufe 103, einen Stromregler 104, eine Umwandlungsstufe 105, eine Betragsbildungsstufe 106, eine Komparatorstufe 107 und eine Pulsweitenmodulationsstufe 108. Der Aussteuerungsregler 102 ist eingangsseitig mit einem Ausgang einer ersten Additionsstufe 109 verbunden, deren Eingängen 110, 111 je ein einen Sollaussteuergrad a* bzw. einen Istaussteuergrad a beschreibendes Signal zuführbar sind. Von der ersten Additionsstufe 109 ist ein eine Differenz a* – a beschreibendes Signal dem Aussteuerungsregler 102 zuleitbar, der daraus ein den Sollfluss P* beschreibendes Signal bildet und dieses über eine Leitungsverbindung 112 an die Drehmomentsteuerstufe 103 abgibt. Einem weiteren Eingang 113 der Drehmomentsteuerstufe 103 ist ein ein Solldrehmoment T* beschreibendes Signal zuführbar. Aus dem Sollfluss P* und dem Solldrehmoment T* wird in der Drehmomentsteuerstufe 103 ein durch einen zweielementigen Vektor dargestellte Sollströme idq* für eine d- und eine q-Richtung beschreibendes Signal erzeugt und einem ersten Eingang 115 einer zweiten Additionsstufe 114 zugeleitet, deren zweitem Eingang 116 ein durch einen zweielementigen Vektor dargestellte Istströme idq für die d- und die q-Richtung beschreibendes Signal zuführbar ist. Dabei ist mit d eine Raumrichtung in einem flussorientierten Koordinatensystem in Richtung des Vektors eines Permanentflusses und mit q eine Raumrichtung im flussorientierten Koordinatensystem quer zur Richtung des Vektors des Permanentflusses bezeichnet, wobei der Permanentfluss ein durch Permanentmagnete im Rotor der Drehfeldmaschine 101 hervorgerufener Fluss ist.
Ein in der zweiten Additionsstufe 114 gebildetes, die Differenz idq* – idq beschreibendes Signal wird dann einem Eingang 117 des Stromreglers 104 zugeführt, an dessen Ausgang 118 ein durch einen zweielementigen Vektor dargestellte Sollspannungen udq* für die d- und die q-Richtung beschreibendes Signal abgegeben wird. Dieses Signal wird in der Umwandlungsstufe 105 durch eine Koordinatentransformation entweder in ein Signal für die Sollspannung uabc* für drei Phasen a, b, c der Drehfeldmaschine 101 oder hier bevorzugt in ein Signal für die Komponenten ualpha*, ubeta* des Spannungssollwertes u* in alpha- und beta-Richtung umgewandelt und in dieser Form der Pulsweitenmodulationsstufe 108 zugeleitet.
Das die Sollspannungen udq* für die d- und die q-Richtung beschreibende Signal wird andererseits über eine Verbindung 119 der Betragsbildungsstufe 106 zugeführt, in der daraus ein den Betrag, d.h. die Länge, |u|* des Vektors u* des Spannungssollwertes, mit anderen Worten den Sollwert der Spannungszeigerlänge, beschreibendes Signal erzeugt wird. Das den Betrag |u|* des Vektors u* des Spannungssollwertes beschreibende Signal wird einem ersten Eingang 120 der Komparatorstufe 107 zugeleitet. Einem zweiten Eingang 121 der Komparatorstufe 107 wird ein einen Istwert einer Zwischenkreisspannung Udc, d.h. einer von der Energiequelle abgegebenen Spannung, beschreibendes Signal zugeführt. Aus den Signalen für |u|* und Udc wird in der Komparatorstufe 107 das Signal für den Istaussteuergrad a gebildet und dem Eingang 111 der ersten Additionsstufe 109 zugeleitet.
Das der Pulsweitenmodulationsstufe 108 zugeleitete Signal für die Komponenten ualpha*, ubeta* des Spannungssollwertes u* in alpha- und beta-Richtung wird vorteilhaft über je einen Eingangsanschluss 122 bzw. 123 der Pulsweitenmodulationsstufe 108 geführt. Die Pulsweitenmodulationsstufe 108 erzeugt daraus eine Schaltfunktion sabc für die drei Phasen a, b, c der Drehfeldmaschine 101, die über einen Ausgang 124 der Pulsweitenmodulationsstufe 108 abgegeben wird und durch die ein Umrichter 125 zum Speisen der Drehfeldmaschine 101 aus einer die Zwischenkreisspannung Udc abgebenden Energiequelle gesteuert wird. Erfindungsgemäß weist die Pulsweitenmodulationsstufe 108 ferner einen Drehrichtungssignaleingang 126 auf zum Zuführen eines die Drehrichtung DR der Drehfeldmaschine 101 bestimmenden Drehrichtungssteuersignals DRS und zum in jedem Abtastzeitintervall Tp der Drehrichtung DR gemäßen Bestimmen der vorbestimmten zeitlichen Abfolge der aus der Gesamtanzahl ausgewählten Anzahl der Elementarvektoren N0 bis N7 zum Bilden des Vektors des Spannungssollwertes u* für dieses Abtastzeitintervall Tp.
Der Sollausteuergrad a* bestimmt im Flussschwächbereich die Sollspannungen uabc*. Der Grundwelleninhalt durch diese Sollspannungen uabc* an der Drehfeldmaschine 101 hervorgerufener pulsweitenmodulierter Istspannungen uabc kann bei konstantem Sollaussteuergrad a* durch das erfindungsgemäß optimierte Pulsweitenmodulationsverfahren erhöht werden. Dieser Effekt macht sich deutlich im oberen Bereich der Drehzahl DR bei kleinen Pulszahlen np bemerkbar und führt hier zu einer Erhöhung von Drehmoment und Leistung der Drehfeldmaschine 101 bei konstantem Sollausteuergrad a*.
Bezugszeichenliste

100: Schaltungsanordnung
101: Drehfeldmaschine
102: Aussteuerungsregler
103: Drehmomentsteuerstufe
104: Stromregler
105: Umwandlungsstufe
106: Betragsbildungsstufe
107: Komparatorstufe
108: Pulsweitenmodulationsstufe
109: Erste Additionsstufe
110: Eingang von 109 für a*
111: Eingang von 109 für a
112: Leitungsverbindung
113: Weiterer Eingang von 103 für T*
114: Zweite Additionsstufe
115: Erster Eingang von 114 für idq*
116: Zweiter Eingang von 114 für idq
117: Eingang von 104 für idq*-idq
118: Ausgang von 104 für udq*
119: Verbindung
120: Erster Eingang von 107 für |u|*
121: Zweiter Eingang von 107 für Udc
122: Eingangsanschluss von 108 für ualpha*
123: Eingangsanschluss von 108 für ubeta*
124: Ausgang von 108
125: Umrichter
126: Drehrichtungssignaleingang von 108 für DRS
|c1|: Normierter Grundwelleninhalt der gepulsten Spannung.
|u|*: Sollwert Spannungszeigerlänge (Betrag / Länge des Vektors des Spannungssollwertes)
a: Istaussteuergrad
a*: Sollaussteuergrad
a, b, c: Indizierung für die drei Phasen der Drehfeldmaschine
alpha: Erste Raumrichtung im orthogonalen statorfesten Koordinatensystem
ap: Abtastpunkt
beta: Zweite Raumrichtung im orthogonalen statorfesten Koordinatensystem
d: Raumrichtung im flussorientierten Koordinatensystem: In Richtung des Vektors des Sollflusses P*
DR: Drehrichtung der Drehfeldmaschine 101
DRS: Drehrichtungssteuersignal
H: Bereich innerhalb des durch N1 bis N6 aufgespannten Sechsecks, in dem der Vektor des Sollspannungswertes stellbar ist
idq: Istströme für d-und q-Richtung (2-elementiger Vektor)
idq*: Sollströme für d- und q-Richtung (2-elementiger Vektor)
n: Index für die PWM-Periode
N0: Bezogener elementarer Nullvektor
N1: Bezogener elementarer Spannungsvektor
N2: Bezogener elementarer Spannungsvektor
N3: Bezogener elementarer Spannungsvektor
N4: Bezogener elementarer Spannungsvektor
N5: Bezogener elementarer Spannungsvektor
N6: Bezogener elementarer Spannungsvektor
N7: Bezogener elementarer Nullvektor
Nn: Bezogener elementarer Spannungsvektor, allgemeine Umschreibung, Zählweise n = 1...6
np: Pulszahl
P*: Sollfluss
P*u: Flusstrajektorie des Vektors des Gesamtfluss-Istwertes beim Unterschwingungsverfahren
P*uG: Grundschwingungsanteil der Flusstrajektorie des Vektors des Gesamtfluss-Istwertes beim Unterschwingungsverfahren
P*1: Flusstrajektorie des Vektors des Gesamtfluss-Istwertes beim "Verfahren 1"
P*1G: Grundschwingungsanteil der Flusstrajektorie des Vektors des Gesamtfluss-Istwertes beim "Verfahren 1"
P*2: Flusstrajektorie des Vektors des Gesamtfluss-Istwertes beim "Verfahren 2"
P*2G: Grundschwingungsanteil der Flusstrajektorie des Vektors des Gesamtfluss-Istwertes beim "Verfahren 2"
Palpha~: Normierter Flusszeiger in Alpha-Richtung
Pbeta~: Normierter Flusszeiger in Beta-Richtung
q: Raumrichtung im flussorientierten Koordinatensystem: Quer zur Richtung des Vektors des Sollflusses P*
S1: Sektor im Spannungszeigerdiagramm zwischen den elementaren Spannungsvektoren N1 und N2
S2: Sektor im Spannungszeigerdiagramm zwischen den elementaren Spannungsvektoren N2 und N3
S3: Sektor im Spannungszeigerdiagramm zwischen den elementaren Spannungsvektoren N3 und N4
S4: Sektor im Spannungszeigerdiagramm zwischen den elementaren Spannungsvektoren N4 und N5
S5: Sektor im Spannungszeigerdiagramm zwischen den elementaren Spannungsvektoren N5 und N6
S6: Sektor im Spannungszeigerdiagramm zwischen den elementaren Spannungsvektoren N6 und N1
Sn: Sektor im Spannungszeigerdiagramm, allgemeine Umschreibung, Zählweise n = 1...6
sabc: Schaltfunktion für die drei Phasen a, b, c
SR: Richtung der Synchronisation der Abfolge elementarer Spannungsvektoren mit der Drehrichtung der Drehfeldmaschine
T*: Solldrehmoment
t1: Schaltzeitpunkt 1 der PWM-Periode
t2: Schaltzeitpunkt 2 der PWM-Periode
t3: Schaltzeitpunkt 3 der PWM-Periode
t4: Schaltzeitpunkt 4 der PWM-Periode
t5: Schaltzeitpunkt 5 der PWM-Periode
t6: Schaltzeitpunkt 6 der PWM-Periode
Tp: Dauer einer Periode der Pulsweitenmodulation, d.h. des Modulationsträgers ("PWM-Periode")
u*: Vektor des Spannungssollwertes
uabc: Istspannung für die drei Phasen a, b, c
uabc*: Sollspannung für die drei Phasen a, b, c
ualpha*: Sollspannung in Alpha-Richtung
ubeta*: Sollspannung in Beta-Richtung
Udc: Istwert Zwischenkreisspannung (Udc* in muss durch Udc ersetzt werden)
udq*: Sollspannungen für d- und q-Richtung (2-elementiger Vektor)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3438504 C2 [0002, 0003, 0004, 0007, 0008]
DE 3812314 A1 [0009]
DE 10336068 B4 [0010, 0011, 0011]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

"Geregelte Drehstromantriebe" von Prof. Dr.-Ing. Joachim Böcker, Universität Paderborn, Fachgebiet Leistungselektronik und Elektrische Antriebstechnik, mit Stand vom 13.07.2012 [0012]
http://wwwlea.uni-paderborn.de/fileadmin/Elektrotechnik/AG-LEA/lehre/geregeltedrehstrom/vorl esung/Geregelte_Drehstromantriebe.pdf [0012]
"Geregelte Drehstromantriebe", Kapitel 8.7.6, Seiten 151 bis 154 [0022]
"Geregelte Drehstromantriebe", Kapitel 2.10, Seite 44, oder Kapitel 8.7.5, Seiten 148 bis 150 [0022]
"Geregelte Drehstromantriebe" in den zum Kapitel 4.4 auf der Seite 78 [0027]

Claims

Verfahren zum Steuern einer aus einer Energiequelle durch Pulsweitenmodulation gespeisten, eine gewählte Drehrichtung (DR) aufweisenden, elektrischen Drehfeldmaschine (101) mit einer Vektorsteuerung, bei der in je einem aus einer Folge von Abtastzeitintervallen (Tp) der Pulsweitenmodulation ein Vektor eines Spannungssollwertes (u*) durch eine vorbestimmte zeitliche Abfolge einer aus einer Gesamtanzahl ausgewählten Anzahl von Elementarvektoren (N0, ...N7) gebildet und die Drehfeldmaschine (101) während des Abtastzeitintervalls (Tp) mit der ausgewählten Anzahl der Elementarvektoren (N0, ...N7) in der vorbestimmten zeitlichen Abfolge beaufschlagt wird, wobei die Elementarvektoren (N0, ...N7) eine Beaufschlagung einzelner Stränge (a, b, c) eines Wicklungssystems der Drehfeldmaschine (101) mit einer von Null verschiedenen Spannung beschreibende elementare Spannungsvektoren (N1, ...N6) und eine Beaufschlagung einzelner Stränge (a, b, c) des Wicklungssystems der Drehfeldmaschine (101) mit der Spannung Null beschreibende elementare Nullvektoren (N0, N7) umfassen und wobei in der ausgewählten Anzahl der Elementarvektoren (N0, ...N7) die Abfolge unmittelbar aufeinanderfolgender elementarer Spannungsvektoren (N1, ...N6) stets mit der gewählten Drehrichtung (DR) der Drehfeldmaschine (101) synchronisiert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine dreisträngige Pulsweitenmodulation, wobei eine Gesamtanzahl von acht Elementarvektoren (N0, ...N7), davon sechs elementare Spannungsvektoren (N1, ...N6) und zwei elementare Nullvektoren (N0, N7), vorgesehen ist, wobei die sechs elementaren Spannungsvektoren (N1, ...N6) in einem in einem statorfesten Koordinatensystem (alpha, beta) der Drehfeldmaschine (101) aufgetragenen Spannungszeigerdiagramm entlang der Drehrichtung (DR) gleichmäßig über eine elektrische Umdrehung der Drehfeldmaschine (101) verteilt sind und wobei je eine der aus dieser Gesamtanzahl ausgewählten Anzahlen der Elementarvektoren (N0, ...N7) wenigstens zwei der elementaren Spannungsvektoren (N1, ...N6) und wenigstens einen der elementaren Nullvektoren (N0, N7) umfasst und daraus für je eines der Abtastzeitintervalle (Tp) die vorbestimmte zeitliche Abfolge zum Bilden des Vektors des Spannungssollwertes (u*) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem n-ten Abtastzeitintervall (Tp) der Vektor des Spannungssollwertes (u*) in einem n-ten Sektor (Sn) des Spannungszeigerdiagramms, der sich zwischen einem n-ten und einem (n + 1)-ten, dem n-ten in der Drehrichtung (DR) der Drehfeldmaschine (101) folgenden der elementaren Spannungsvektoren (N1, ...N6) erstreckt, gebildet wird, dass dazu die ausgewählte Anzahl von Elementarvektoren (N0, ...N7) wenigstens einen der Nullvektoren (N0, N7), den n-ten und den (n + 1)-ten elementaren Spannungsvektor (Nn, Nn + 1) umfasst und dass der Vektor des Spannungssollwertes u* im n-ten Sektor (Sn) des Spannungszeigerdiagramms aus der nachstehend aufgeführten zeitlichen Abfolge dieser Elementarvektoren (N0, ...N7) gebildet wird, wobei jeder der aufgelisteten Elementarvektoren (N0, ...N7) dem Wicklungssystem der Drehfeldmaschine (101) für die Dauer je eines Teils des n-ten Abtastzeitintervalls (Tp) in dieser Abfolge beaufschlagt wird: einer der elementaren Nullvektoren (N0, N7), der n-te elementare Spannungsvektor (Nn), der (n + 1)-te elementare Spannungsvektor (Nn + 1), einer der elementaren Nullvektoren (N0, N7), der n-te elementare Spannungsvektor (Nn), der (n + 1)-te elementare Spannungsvektor (Nn + 1), und dass diese Bildung des Vektors des Spannungssollwertes u* zyklisch fortgeführt wird, wobei n Zählindex für die Abtastzeitintervalle (Tp), die Elementarvektoren (N0, ...N7) und die Sektoren (S1, ...S6) ist und zyklisch umlaufend die Werte n = 1...6 annimmt und wobei in dieser Zählweise der Zählindex (n + 1) für n = 6 den Wert 1 annimmt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem n-ten Abtastzeitintervall (Tp) der Vektor des Spannungssollwertes (u*) in einem n-ten Sektor (Sn) des Spannungszeigerdiagramms, der sich zwischen einem n-ten und einem (n + 1)-ten, dem n-ten in der Drehrichtung (DR) der Drehfeldmaschine (101) folgenden der elementaren Spannungsvektoren (Nn, Nn + 1) erstreckt, gebildet wird, dass dazu die ausgewählte Anzahl von Elementarvektoren (N0,...N7) wenigstens einen der Nullvektoren (N0, N7), den n-ten und den (n + 1)-ten elementaren Spannungsvektor (Nn, Nn + 1) umfasst und dass der Vektor des Spannungssollwertes (u*) im n-ten Sektor (Sn) des Spannungszeigerdiagramms aus der nachstehend aufgeführten zeitlichen Abfolge dieser Elementarvektoren (N0, ...N7) gebildet wird, wobei jeder der aufgelisteten Elementarvektoren (N0, ...N7) dem Wicklungssystem der Drehfeldmaschine (101) für die Dauer je eines Teils des n-ten Abtastzeitintervalls (Tp) in dieser Abfolge beaufschlagt wird: einer der elementaren Nullvektoren (N0, N7), der n-te elementare Spannungsvektor (Nn), der n-te elementare Spannungsvektor (Nn), einer der elementaren Nullvektoren (N0, N7), der (n + 1)-te elementare Spannungsvektor (Nn + 1), der (n + 1)-te elementare Spannungsvektor (Nn + 1), und dass diese Bildung des Vektors des Spannungssollwertes (u*) zyklisch fortgeführt wird, wobei n Zählindex für die Abtastzeitintervalle (Tp), die Elementarvektoren (N0, ...N7) und die Sektoren (S1, ...S6) ist und zyklisch umlaufend die Werte n = 1...6 annimmt und wobei in dieser Zählweise der Zählindex (n + 1) für n = 6 den Wert 1 annimmt.
Schaltungsanordnung (100) zum Steuern einer aus einer Energiequelle durch Pulsweitenmodulation gespeisten, eine gewählte Drehrichtung (DR) aufweisenden, elektrischen Drehfeldmaschine (101) mit einer Vektorsteuerung, nach einem Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Pulsweitenmodulationsstufe (108) zum pulsweitenmodulierten Speisen der Drehfeldmaschine (101) aus der Energiequelle, wobei die Pulsweitenmodulationsstufe (108) eingerichtet ist zum Empfangen eines die Drehrichtung (DR) der Drehfeldmaschine (101) bestimmenden Drehrichtungssteuersignals (DRS) und zum in jedem Abtastzeitintervall (Tp) der Drehrichtung (DR) gemäßen Bestimmen der vorbestimmten zeitlichen Abfolge der aus der Gesamtanzahl ausgewählten Anzahl der Elementarvektoren (N0, ...N7) zum Bilden des Vektors des Spannungssollwertes (u*) für dieses Abtastzeitintervall (Tp).
Drehfeldmaschine (101), gekennzeichnet durch eine Steuerung nach einem Verfahren gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 4 und/oder durch eine Schaltungsanordnung (100) nach Anspruch 5.