DE102016102635A1

DE102016102635A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen mindestens eines Maschinenparameters

Info

Publication number: DE102016102635A1
Application number: DE102016102635.2A
Authority: DE
Inventors: Jan Friedmann; Rolf Hoffmann
Original assignee: Wittenstein SE
Current assignee: Wittenstein SE
Priority date: 2016-02-15
Filing date: 2016-02-15
Publication date: 2017-08-17

Abstract

Verfahren zum Bestimmen mindestens eines Maschinenparameters einer permanenterregten mehrphasigen elektrischen Synchronmaschine mit einem Rotor und einem Stator, welcher Statorspulen aufweist, umfassend: Rotieren des Rotors mit einer Rotordrehzahl; Beaufschlagen der Statorspulen der Synchronmaschine mit einem elektrischen Drehfeld, wobei das elektrische Drehfeld eine sich von der Rotordrehzahl unterscheidende Drehfrequenz aufweist, Hinzufügen eines hochfrequenten Spannungssignals in einem Strom-Regelkreis des elektrischen Drehfelds; Bestimmen der Phasenströme und der Phasenspannungen einer jeden Phase der Synchronmaschine; Bestimmen des mindestens einen Maschinenparameters in Abhängigkeit der Phasenströme und der Phasenspannungen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen mindestens eines Maschinenparameters einer permanenterregten mehrphasigen Synchronmaschine. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Bestimmen mindestens eines Maschinenparameters einer permanenterregten mehrphasigen Synchronmaschine. Ebenfalls als Bestandteil dieser Offenbarung wird ein Verfahren zum Betreiben einer permanenterregten mehrphasigen elektrischen Synchronmaschine mit einem Regelungsverfahren angegeben, wobei mindestens ein Maschinenparameter mit einem hierin offenbarten Verfahren bestimmt wurde.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren oder Vorrichtungen zum Bestimmen von Maschinenparametern von permanenterregten mehrphasigen Synchronmaschinen bekannt.
Beispiele für Maschinenparameter von elektrischen Maschinen sind die Impedanzen der einzelnen Phasen der Maschine oder deren reellwertige oder komplexwertige Bestandteile. Äquivalent zur Impedanz ist deren Kehrwert, die Admittanz. Beispielsweise ist es für verschiedene technische Zwecke interessant, die Induktivität der Phasen oder die Induktivität der Achsen der elektrischen Maschine zu ermitteln.
Beispielsweise offenbart die US-Patentschrift 9,231,510 B2 eine Steuerungsvorrichtung für eine elektrische Maschine mit einem Spannungs-Erzeugungsbereich zum Erzeugen einer Spannung, einem Spannungs-Anlegungsbereich zum Anlegen der erzeugten Spannung an die Maschine, einem Strom-Detektionsbereich zum Detektieren des in der Maschine fließenden Stroms, und einem Induktivitäts-Berechnungsbereich zum Berechnen der Induktivität der Maschine. Der Spannungs-Erzeugungsbereich erzeugt konstante Gleichspannungen, welche von dem Spannungs-Anlegungsbereich an die Maschine angelegt werden. Der Induktivitäts-Berechnungsbereich berechnet die Induktivität aus einer willkürlichen Auswahl der erzeugten Gleichspannungen und den zugehörigen detektierten Stromwerten.
Allerdings haben sich die mit aus der US 9,231,501 B2 bekannten Verfahren bestimmten Parameter bei einigen Anwendungen als zu ungenau oder zu global gezeigt.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren oder eine verbesserte Vorrichtung zum Bestimmen mindestens eines Maschinenparameters einer permanenterregten mehrphasigen elektrischen Synchronmaschine anzugeben. Insbesondere sollte die Bestimmungsgenauigkeit des mindestens einen Maschinenparameters gegenüber den herkömmlichen Lösungen mit möglichst einfachen Mitteln verbessert sein, oder die Zeitdauer der Bestimmung sollte gering sein.
Die Aufgabe wird z. B. gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 oder durch eine Vorrichtung gemäß dem nebengeordneten Anspruch. Weiterbildungen des Verfahrens oder der Vorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bei typischen Ausführungsformen der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Bestimmen mindestens eines Maschinenparameters einer permanenterregten mehrphasigen elektrischen Synchronmaschine mit einem Rotor und einem Stator, welcher Statorspulen aufweist, Folgendes:

– Rotieren des Rotors mit einer Rotordrehzahl;
– Beaufschlagen der Statorspulen der Synchronmaschine mit einem elektrischen Drehfeld, wobei das elektrische Drehfeld eine sich von der Rotordrehzahl unterscheidende Drehfrequenz aufweist;
– Hinzufügen eines hochfrequenten Spannungssignals in einem Strom-Regelkreis für das elektrische Drehfeld;
– Bestimmen der Phasenströme und der Phasenspannungen einer jeden Phase der Synchronmaschine;
– Bestimmen des mindestens einen Maschinenparameters in Abhängigkeit der Phasenströme und der Phasenspannungen.

Typischerweise ist das Rotieren des Rotors mit der Rotordrehzahl ein aktives Rotieren, ein angetriebenes Rotieren bzw. ein externes Rotieren. Bei Ausführungsformen kann für das Rotieren des Rotors mit der Rotordrehzahl beispielsweise eine Antriebsmaschine, typischerweise eine elektrische oder eine hydraulische Antriebsmaschine zum Einsatz kommen. Die Rotordrehzahl ist typischerweise zumindest über einen Teilzeitraum des Verfahrens oder während der überwiegenden Dauer oder während der gesamten Dauer des Verfahrens konstant.
Das hochfrequente Spannungssignal wird typischerweise einem Ausgangssignal oder einer Stellgröße des Strom-Regelkreises hinzugefügt. Typischerweise werden in dem Strom-Regelkreis die Ströme für die d-Achse und die Ströme für die q-Achse geregelt. Beispielsweise wird mit dem Ausgangssignal oder der Stellgröße des Strom-Regelkreises ein Treiber oder eine Leistungsendstufe der Synchronmaschine angesteuert. Typischerweise wird zum Hinzufügen das hochfrequente Spannungssignal zu dem Ausgangssignal oder der Stellgröße addiert.
Die Abtriebswelle der Antriebsmaschine ist bei Ausführungsformen direkt oder über ein Getriebe mit der Welle der Synchronmaschine drehfest verbunden. Das Nenn-Drehmoment bzw. das maximale Drehmoment der Antriebsmaschine, bei manchen Ausführungsformen inklusive Getriebe, ist typischerweise größer als das Nenn-Drehmoment bzw. das maximale Drehmoment der elektrischen Synchronmaschine, typischerweise mindestens 2 mal so groß oder mindestens dreimal so groß. Die Antriebsmaschine verfügt damit bei Ausführungsformen über eine Drehmomentreserve gegenüber der elektrischen Synchronmaschine. So kann gewährleistet werden, dass die Bestimmung des Maschinenparameters auch für die maximale Belastung der Synchronmaschine erfolgen kann. Die maximale Belastung der Synchronmaschine ist beispielsweise ein Maximalmoment oder ein Bemessungsmoment der Synchronmaschine. Bei weiteren Ausführungsformen wird das Drehmoment der Synchronmaschine durch die Regeleinrichtung derart begrenzt, dass es höchstens 50% oder höchstens 40% eines Auslegungs-Drehmomentes der Antriebsmaschine, ggf. inklusive Getriebe entspricht. Das Auslegungs-Drehmoment der Antriebsmaschine ist beispielsweise ein Maximalmoment oder ein Bemessungsmoment der Antriebsmaschine. Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst die Antriebsmaschine einen Antriebsregler. Dieser kann beispielsweise verwendet werden, die Drehzahl der Antriebsmaschine konstant zu halten oder entsprechend einer Soll-Antriebsdrehzahl zu regeln.
Das elektrische Drehfeld ist typischerweise dazu geeignet, den Rotor der Synchronmaschine mit der Drehfrequenz des elektrischen Drehfelds rotieren zu lassen, wenn nicht verfahrensgemäß der Rotor mit der Rotordrehzahl angetrieben würde.
Die Rotordrehzahl unterscheidet sich von der Drehfrequenz des elektrischen Drehfelds. Typischerweise unterscheidet die Rotordrehzahl sich von der Drehfrequenz des elektrischen Drehfelds zumindest während eines Teilzeitraumes, während der überwiegenden Dauer oder während der gesamten Dauer des Verfahrens. Der Unterschied zwischen der Rotordrehzahl und der Drehfrequenz ist typischerweise konstant oder im Wesentlichen konstant. Beispielsweise ist der Unterschied größer gleich 0,5 Hz oder größer gleich 1 Hz oder größer gleich 2 Hz.
Die Frequenz des hinzugefügten Spannungssignals wird beispielsweise so gewählt, dass sie auf die Stromregelung für das elektrische Drehfeld zumindest im Wesentlichen keinen nennenswerten Einfluss hat. Es kann z. B. davon ausgegangen werden, dass ein nennenswerter Einfluss auf die Regelung nicht mehr vorliegt, wenn das System (z. B. ein zur Stromregelung eingesetzter Regler) das hinzugefügte Spannungssignal um –10 dB oder stärker dämpft. Typischerweise ist die Frequenz des hinzugefügten Spannungssignals gleich groß wie oder größer als die dreifache Reglerbandbreite der zur Stromregelung eingesetzten Regeleinrichtung bei geschlossenem Regelkreis. Beträgt in einem Beispiel, das nicht einschränkend aufzufassen ist, die Reglerbandbreite 430 Hz bzw. 450 Hz bei geschlossenem Regelkreis, dann wird typischerweise z. B. die Frequenz des hinzugefügten Spannungssignals gleich groß wie oder größer als 1290 Hz bzw. 1350 Hz gewählt. Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist die Frequenz des hinzugefügten Spannungssignals gleich groß wie oder größer als die doppelte Reglerbandbreite der zur Stromregelung eingesetzten Regeleinrichtung bei geschlossenem Regelkreis.
Die Phasenströme und die Phasenspannungen einer jeden Phase der Synchronmaschine werden beispielsweise mittels Messeinrichtungen innerhalb der Regeleinrichtung oder mittels einzeln vorgesehener Messeinrichtungen bestimmt.
Der in Abhängigkeit der Phasenströme und der Phasenspannungen bestimmte mindestens eine Maschinenparameter zeigt typischerweise eine höhere Genauigkeit als bei den herkömmlichen Verfahren. Das hierin offenbarte Verfahren ist typischerweise schneller durchführbar als ein herkömmliches Verfahren zum Bestimmen mindestens eines Maschinenparameters. Beispielsweise kann mit dem hierin offenbarten Verfahren der mindestens eine Maschinenparameter in weniger als 5 Minuten oder in weniger als 3 Minuten oder in ungefähr 2 Minuten oder weniger bestimmt werden.
Bei typischen Ausführungsformen umfasst der mindestens eine Maschinenparameter einen Mittelwert der Admittanzen der Phasen der Synchronmaschine.
Wie hierin verwendet, sind von dem Begriff der Admittanz auch diejenigen Größen umfasst, welche einzeln den reellwertigen oder den komplexwertigen Anteil der elektrischen Admittanz bilden. Ferner sei darauf hingewiesen, dass aus der elektrischen Admittanz auf einfache Weise durch Kehrwertbildung die elektrische Impedanz hergeleitet werden kann und umgekehrt. Typischerweise sind auch Rechenverfahren umfasst, welche in zumindest einem der Rechenschritte den entsprechenden Impedanz-Wert verwenden. Der Begriff der Admittanz, wie hierin verwendet, kann auch weiter gefasst sein. Insbesondere kann er eine Stromänderung bezeichnen, die in die Spannungsebene projiziert wird und anhand des Betrags der Spannung skaliert wird, beispielsweise normiert wird.
Ein Mittelwert der Admittanzen der Phasen der Synchronmaschine, wie hierin verwendet, wird typischerweise als Parameter für ein Modell einer idealen Synchronmaschine verwendet. Als ideale Synchronmaschine wird beispielsweise eine magnetisch vollständig isotrope Synchronmaschine angesehen.
Der Mittelwert der Admittanzen, der mittels des hierin beschriebenen Verfahrens typischerweise mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann, wird typischerweise bei bestimmten technischen Anwendungsgebieten verwendet werden, beispielsweise bei der Parametrierung des Umrichters einer elektrischen Synchronmaschine im Zuge der Fertigung, bei der Einstellung einer Regelungseinrichtung oder dergleichen.
Bei typischen Ausführungsformen umfasst der mindestens eine Maschinenparameter zusätzlich eine Differenz der Admittanzen der Achsen der Synchronmaschine. Die Achsen der Synchronmaschine sind typischerweise zwei aufeinander senkrecht stehende Achsen eines rotorfesten Koordinatensystems. Typischerweise werden die Achsen der Synchronmaschine von einer d-Achse und von einer q-Achse in einem rotorfesten Koordinatensystem gebildet, indem die phasenfesten a-b-c-Achsen der Synchronmaschine mathematisch in einem zweiphasigen α-β-Koordinatensystem abgebildet werden (Schritt 1), und indem die α-β-Koordinaten anschließend in die Achsen des Magnetfeldes des Rotors transformiert werden (Schritt 2), um eine Transformation in das d-q-System zu erreichen.
Eine Differenz der Admittanzen der Achsen der Synchronmaschine, wie hierin verwendet, ist typischerweise ein Unterschied zwischen einer idealen Synchronmaschine und einer realen Synchronmaschine. Der Unterschied zwischen der vollständig isotropen Synchronmaschine und der realen Synchronmaschine kann sich z. B. aus einer Anisotropie der realen Synchronmaschine ergeben.
Die Differenz der Admittanzen, die mittels des hierin beschriebenen Verfahrens typischerweise mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann, wird typischerweise bei bestimmten technischen Anwendungsgebieten verwendet werden, beispielsweise bei der Parametrierung des Umrichters einer elektrischen Synchronmaschine im Zuge der Fertigung, bei der Einstellung einer Regelungseinrichtung oder dergleichen.
Bei typischen Ausführungsformen umfasst der mindestens eine Maschinenparameter zusätzlich zu dem Mittelwert der Admittanzen auch eine mittlere Achseninduktivität der Achsen der Synchronmaschine oder eine mittlere Phaseninduktivität der Phasen der Synchronmaschine. Die mittlere Achseninduktivität der Achsen oder die mittlere Phaseninduktivität der Phasen der Synchronmaschine werden typischerweise aus dem Mittelwert der Admittanzen der Synchronmaschine bestimmt, beispielsweise mathematisch bestimmt oder in einem Online-Schätzverfahren bestimmt.
Die mittlere Achseninduktivität der Achsen oder die mittlere Phaseninduktivität der Phasen, die mittels des hierin beschriebenen Verfahrens typischerweise mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann, wird typischerweise bei bestimmten technischen Anwendungsgebieten verwendet, beispielsweise bei der Parametrierung des Umrichters einer elektrischen Synchronmaschine im Zuge der Fertigung, bei der Einstellung einer Regelungseinrichtung oder dergleichen.
Bei weiteren Ausführungsformen umfasst der mindestens eine Maschinenparameter zusätzlich zu dem Mittelwert der Admittanzen und zusätzlich zu der Differenz der Admittanzen auch mindestens eine Achseninduktivität der Achsen der Synchronmaschine oder mindestens eine Phaseninduktivität der Phasen der Synchronmaschine. Die Achseninduktivität der Achsen oder die Phaseninduktivität der Phasen der Synchronmaschine werden typischerweise aus dem Mittelwert der Admittanzen und aus der Differenz der Admittanzen der Synchronmaschine bestimmt, beispielsweise mathematisch bestimmt oder in einem Online-Schätzverfahren bestimmt. Beispielsweise wird die Achseninduktivität Ld der d-Achse im d-q-Koordinatensystem bestimmt, oder es wird die Achseninduktivität Lq der q-Achse im d-q-Koordinatensystem bestimmt. Typischerweise wird die jeweilige Achseninduktivität für jede der Achsen der Synchronmaschine bestimmt, z. B. die Achseninduktivität Ld der d-Achse und die Achseninduktivität Lq der q-Achse im d-q-Koordinatensystem.
Eine Bestimmung der Achseninduktivität oder der Phaseninduktivität kann bestimmte technische Anwendungsgebiete ermöglichen oder erleichtern, z. B. bei einer Bestimmung des Drehwinkels der Synchronmaschine aus den Phasenspannungen oder den Phasenströmen im Betrieb der Synchronmaschine.
Bei Ausführungsformen wird die mittlere Achseninduktivität oder die mittlere Phaseninduktivität in Abhängigkeit eines Drehwinkels des Rotors ermittelt. Die mittlere Achseninduktivität oder die mittlere Phaseninduktivität wird beispielsweise als Funktion des Drehwinkels des Rotors ermittelt. Es kann sich eine im Vergleich zu den herkömmlichen Lösungen größere Genauigkeit ergeben, beispielsweise und ohne Einschränkung dann, wenn die so bestimmte mittlere Achseninduktivität oder mittlere Phaseninduktivität bei einer Regelung der Synchronmaschine zum Einsatz kommt, typischerweise bei einer Lageregelung der Synchronmaschine oder bei einer Lagebestimmung der Synchronmaschine zum Zwecke ihrer Kommutierung.
Bei Ausführungsformen wird die mittlere Achseninduktivität oder die mittlere Phaseninduktivität in Abhängigkeit einer Belastung der Synchronmaschine ermittelt. Die mittlere Achseninduktivität oder mittlere Phaseninduktivität kann auch in Abhängigkeit sowohl vom Drehwinkel des Rotors, als auch in Abhängigkeit der Belastung der Synchronmaschine ermittelt werden. Die mittlere Achseninduktivität oder mittlere Phaseninduktivität wird beispielsweise als Funktion der Belastung der Synchronmaschine ermittelt, oder sie wird als Funktion der Belastung der Synchronmaschine und des Drehwinkels des Rotors ermittelt.
Bei Ausführungsformen wird die mindestens eine Achseninduktivität oder die mindestens eine Phaseninduktivität in Abhängigkeit eines Drehwinkels des Rotors ermittelt. Die mindestens eine Achseninduktivität oder die mindestens eine Phaseninduktivität wird beispielsweise als Funktion des Drehwinkels des Rotors ermittelt. Typischerweise wird die jeweilige Achseninduktivität für jede der Achsen der Synchronmaschine in Abhängigkeit des Drehwinkels des Rotors ermittelt, z. B. die Achseninduktivität Ld der d-Achse und die Achseninduktivität Lq der q-Achse im d-q-Koordinatensystem.
Es kann sich eine im Vergleich zu den herkömmlichen Lösungen größere Genauigkeit ergeben, beispielsweise und ohne Einschränkung dann, wenn die so bestimmte Achseninduktivität oder Phaseninduktivität bei einer Regelung der Synchronmaschine zum Einsatz kommt, typischerweise bei einer Lageregelung der Synchronmaschine oder bei einer Lagebestimmung der Synchronmaschine zum Zwecke ihrer Kommutierung.
Bei Ausführungsformen wird die mindestens eine Achseninduktivität oder die mindestens eine Phaseninduktivität in Abhängigkeit einer Belastung der Synchronmaschine ermittelt. Typischerweise wird die jeweilige Achseninduktivität für jede der Achsen der Synchronmaschine in Abhängigkeit der Belastung der Synchronmaschine ermittelt, z. B. die Achseninduktivität Ld der d-Achse und die Achseninduktivität Lq der q-Achse im d-q-Koordinatensystem.
Die mindestens eine Achseninduktivität oder mindestens eine Phaseninduktivität kann auch in Abhängigkeit sowohl vom Drehwinkel des Rotors, als auch in Abhängigkeit der Belastung der Synchronmaschine ermittelt werden. Die Achseninduktivität oder Phaseninduktivität wird beispielsweise als Funktion der Belastung der Synchronmaschine ermittelt, oder sie wird als Funktion der Belastung der Synchronmaschine und des Drehwinkels des Rotors ermittelt. Typischerweise wird die jeweilige Achseninduktivität für jede der Achsen der Synchronmaschine in Abhängigkeit des Drehwinkels des Rotors und der Belastung der Synchronmaschine ermittelt, z. B. die Achseninduktivität Ld der d-Achse und die Achseninduktivität Lq der q-Achse im d-q-Koordinatensystem.
Es kann sich eine im Vergleich zu den herkömmlichen Lösungen größere Genauigkeit ergeben, beispielsweise und ohne Einschränkung dann, wenn die so bestimmte mittlere Achseninduktivität, die so bestimmte mittlere Phaseninduktivität, die so bestimmte Achseninduktivität oder die so bestimmte Phaseninduktivität bei einer Regelung der Synchronmaschine zum Einsatz kommt, typischerweise bei einer Drehmomentregelung oder einer Lageregelung der Synchronmaschine oder bei einer Lagebestimmung der Synchronmaschine zum Zwecke ihrer Kommutierung.
Bei Ausführungsformen liegt die Rotordrehzahl im Bereich von 0,1 bis 100 Hz. Eine Rotordrehzahl von einer bestimmten Frequenz f bedeutet, dass die durch die Rotation des Rotors induzierten Spannungen im Stator die Frequenz f aufweisen. Eine Rotordrehzahl in einem Frequenzbereich f1 bis f2 bedeutet dementsprechend, dass die durch die Rotation des Rotors induzierten Spannungen im Stator Frequenzen im Frequenzbereich f1 bis f2 aufweisen.
Alternativ oder zusätzlich liegt bei Ausführungsformen die Drehfrequenz des elektrischen Drehfelds im Bereich von 0,1 bis 100 Hz. Die Drehfrequenz des elektrischen Drehfelds wird typischerweise von einem Umrichter erzeugt. Typischerweise liegt die Rotordrehzahl im Bereich von 1 bis 50 Hz oder im Bereich von 1 bis 20 Hz oder im Bereich von 1 bis 10 Hz, und die Drehfrequenz des elektrischen Drehfelds liegt im Bereich von 1 bis 50 Hz oder im Bereich von 1 bis 20 Hz oder im Bereich von 1 bis 10 Hz. Beispielsweise und ohne Einschränkung betragen die Rotordrehzahl ungefähr 5 Hz. Dies bedeutet, dass die durch die Rotation des Rotors induzierten Spannungen im Stator eine Frequenz von ungefähr 5 Hz aufweisen. In dem Beispiel beträgt die Drehfrequenz des elektrischen Drehfelds ungefähr 7 Hz. In dem gewählten Beispiel ergibt sich eine betragsmäßige Differenz von 2 Hz.
Bei Ausführungsformen werden zum Bestimmen der Phasenströme jeweils Strom-Messwerte der jeweiligen Phase gemittelt. Alternativ oder zusätzlich werden bei Ausführungsformen zum Bestimmen der Phasenspannungen jeweils Spannungs-Messwerte der jeweiligen Phase gemittelt.
Beispielsweise werden die Phasenströme oder die Phasenspannungen jeweils mittels einer geeigneten Messeinrichtung abgetastet. Typischerweise erfolgt jeweils eine gleitende Mittelwertbildung oder eine gleitende Mittelwertfilterung, bei welcher jeweils eine bestimmte Anzahl von abgetasteten Messwerten um den momentanen Abtastwert herum einbezogen werden. Das gleitende Mittelwertfilter bezieht beispielsweise 3 oder 5 Abtastschritte ein, um einen gefilterten Abtastwert zu erhalten.
Bei Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner:

– Vergleichen des in Abhängigkeit der Phasenspannungen und der Phasenströme bestimmten mindestens einen Maschinenparameters mit mindestens einem Referenzwert;
– Herleiten des Maschinentyps der Synchronmaschine aus dem Vergleich.

Eine Herleitung des Maschinentyps aus dem Vergleich kann es z. B. ermöglichen, eine bestimmte Synchronmaschine oder einen bestimmten Typ einer Synchronmaschine eindeutig zu identifizieren. Eine solche Information kann z. B. für eine Reglerparametrierung oder dergleichen verwendet werden.
Bei Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner:

– Erfassen des Drehmoments des Rotors;
– Herleiten des Wirkungsgrades der Synchronmaschine aus dem erfassten Drehmoment.

Typischerweise wird das Drehmoment des Rotors an oder in der Antriebsmaschine erfasst, beispielsweise mittels eines geeigneten Drehmomentsensors.
Bei Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner:

– Erfassen des Drehmoments des Rotors;
– Erfassen einer Temperatur der Synchronmaschine;
– Parametrisieren eines Maschinenmodells der Synchronmaschine aus dem mindestens einen Maschinenparameter, dem Drehmoment des Rotors und der Temperatur;
– Herleiten eines Reglerparameters zur Regelung der Synchronmaschine aus dem parametrisierten Maschinenmodell.

Typischerweise wird das Drehmoment des Rotors an oder in der Antriebsmaschine erfasst, beispielsweise mittels eines geeigneten Drehmomentsensors. Die Temperatur der Synchronmaschine wird z. B. mittels eines Temperatursensors an oder in der Synchronmaschine erfasst, typischerweise an einer Wicklung in der Synchronmaschine. Bei Ausführungsformen wird das Drehmoment in Abhängigkeit von dem Drehwinkel des Rotors oder von der elektrischen Belastung der Synchronmaschine erfasst. Alternativ oder zusätzlich wird die Temperatur der Synchronmaschine bei Ausführungsformen in Abhängigkeit von der Belastung der Synchronmaschine erfasst, typischerweise in Abhängigkeit von der elektrischen Belastung der Synchronmaschine.
Die ermittelten Größen werden typischerweise in einem zur Regelung der Synchronmaschine geeigneten Maschinenmodell als Modellparameter verwendet. Die Regelung kann eine lagegeberlose Regelung der Synchronmaschine sein. Einzelne, mehrere oder sämtliche Parameter sind typischerweise nicht konstant, sondern abhängig von mindestens einer der folgenden Größen: Drehwinkel des Rotors, Belastung der Synchronmaschine, Feldschwächung der Synchronmaschine, Feldverstärkung der Synchronmaschine.
Es zeigt sich typischerweise ein dahingehender Vorteil, dass der Motor in einer Mehrzahl von Betriebszuständen, typischerweise in sämtlichen sinnvollen Betriebszuständen, stabil oder mit optimierten Regelungsparametern betrieben werden kann.
Bei Ausführungsformen erfolgt das Bestimmen des mindestens einen Maschinenparameters über einen Messzeitraum fortlaufend. Der Messzeitraum kann kürzer als der Zeitraum sein, über welchen das Verfahren durchgeführt wird. Bei einem fortlaufenden Bestimmen erfolgt typischerweise zeitkontinuierlich oder zeitdiskret eine Anpassung des Maschinenparameters während des Messzeitraums. Dies kann dazu beitragen, die Bestimmungsgenauigkeit zu verbessern.
Bei Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner:

– Durchführen einer Integraltransformation des bestimmten Maschinenparameters zum Erhalten eines Frequenzverlaufs des Maschinenparameters;
– Zuordnen, aus dem Frequenzverlauf des Maschinenparameters, eines Anteils des Maschinenparameters zum Rotor der Synchronmaschine oder zum Stator der Synchronmaschine oder zum Lastwinkel der Synchronmaschine.

Die Integraltransformation ist typischerweise eine Fouriertransformation. Beispielsweise wird die Fouriertransformation über einen Messzeitraum durchgeführt, der weniger als 60 Sekunden oder weniger als 40 Sekunden oder weniger als 20 Sekunden lang ist. Ein Durchführen der Fouriertransformation kann eine Subtraktion des Mittelwertanteils (des Gleichanteils) des Signals umfassen.
Das Zuordnen eines Anteils des Maschinenparameters umfasst typischerweise einen oder mehrere der folgenden Aspekte, wobei der Maschinenteil einer aus Rotor, Stator und Lastwinkel ist:

– Zuordnen eines Signals entsprechend der Anregungsfrequenz des jeweiligen Maschinenteils.
– Zuordnen eines Signals entsprechend einer Harmonischen der Anregungsfrequenz des jeweiligen Maschinenteils.
– Zuordnen eines Signals entsprechend einer Harmonischen der Anregungsfrequenz des jeweiligen Maschinenteils, wobei die Harmonische der Anregungsfrequenz maximal die neunte Harmonische ist.
– Zuordnen eines Signals bei einem Zusammentreffen von Harmonischen der Anregungsfrequenzen unterschiedlicher Maschinenteile entsprechend der niedrigsten Harmonischen der beteiligten Maschinenteile.
– Zuordnen nur von Signalanteilen bis herunter zu einer Amplitude von mindestens 20% oder mindestens 10% der auftretenden Maximalamplitude der jeweiligen Anregungsfrequenz.
– Zuordnen nur von Signalanteilen bis herunter zu einer Amplitude von mindestens 20% oder mindestens 10% der auftretenden Maximalamplitude der größten Harmonischen der Anregungsfrequenz.

Typischerweise wird durch ein Zuordnen eines Anteils des Maschinenparameters zum Rotor der Synchronmaschine oder zum Stator der Synchronmaschine oder zum Lastwinkel der Synchronmaschine eine Trennung von Rotor-, Stator- oder Lastwinkeleffekten erzielt. Es kann sich eine gezieltere Fehlerlokalisation oder eine gezieltere Weiterentwicklungsmöglichkeit oder eine gezieltere Regleroptimierung der Synchronmaschine ergeben.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Betreiben einer permanenterregten mehrphasigen elektrischen Synchronmaschine mit einem Regelungsverfahren angegeben, wobei mindestens ein Maschinenparameter für das Regelungsverfahren mit einem hierin beschriebenen Verfahren ermittelt wurde.
Typischerweise ist ein Regelungsverfahren, das beim Betreiben der Synchronmaschine zum Einsatz kommt, ein Drehzahl-Regelungsverfahren, ein Drehmoment-Regelungsverfahren, ein Lage-Regelungsverfahren oder ein Regelungsverfahren zur Kommutierung der Synchronmaschine. Bei Ausführungsformen kann für das Regelungsverfahren ein Maschinenparameter zum Einsatz kommen, der mit einem hierin beschriebenen Verfahren ermittelt wurde und eine Bestimmung der absoluten Winkellage des Rotors aus bestimmten, beispielsweise gemessenen, Phasenströmen und bestimmten, beispielsweise gemessenen, Phasenspannungen einer jeden Phase der Synchronmaschine ermöglicht. Typischerweise wird die Winkellage des Rotors an einen Regler zurückgeführt, der zum Durchführen des Regelungsverfahrens eingerichtet ist. Beispielsweise wird die Winkellage des Rotors an einen Drehmomentregler oder an einen Lageregler zurückgeführt.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine Vorrichtung zum Bestimmen mindestens eines Maschinenparameters einer permanenterregten mehrphasigen elektrischen Synchronmaschine mit einem Rotor und einem Stator, welcher Statorspulen aufweist, angegeben, wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, ein hierin beschriebenes Verfahren zum Bestimmen des mindestens einen Maschinenparameters durchzuführen.
Typischerweise umfasst eine Vorrichtung zum Bestimmen des mindestens einen Maschinenparameters:

– eine mit dem Rotor der Synchronmaschine verbundene Antriebsmaschine;
– eine Regelungseinrichtung zum Regeln der Synchronmaschine;
– eine Messeinrichtung zum Messen der Phasenströme und Messen und/oder Bestimmen der Phasenspannungen einer jeden Phase der Synchronmaschine;
– eine Bestimmungseinrichtung, wobei die Bestimmungseinrichtung zu Folgendem eingerichtet ist:
– Ansteuern der Antriebsmaschine derart, dass der Rotor der Synchronmaschine mit einer Rotordrehzahl rotiert;
– Ansteuern der Regelungseinrichtung derart, dass die Statorspulen der Synchronmaschine mit einem elektrischen Drehfeld beaufschlagt werden, wobei das elektrische Drehfeld eine sich von der Rotordrehzahl unterscheidende Drehfrequenz aufweist;
– Ansteuern der Regelungseinrichtung derart, dass ein hochfrequentes Spannungssignal in einem Strom-Regelkreis der Regelungseinrichtung hinzugefügt wird;
– Beziehen der Phasenströme und der Phasenspannungen von der Messeinrichtung;
– Bestimmen des mindestens einen Maschinenparameters in Abhängigkeit der Phasenströme und der Phasenspannungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile und Merkmale bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert, wobei die Figuren zeigen:
1 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens zum Bestimmen mindestens eines Maschinenparameters einer permanenterregten mehrphasigen elektrischen Synchronmaschine gemäß einer typischen Ausführungsform;
2 ist ein Ersatzschaltbild einer permanenterregten mehrphasigen elektrischen Synchronmaschine zur Erläuterung der Ausführungsform;
3 ist ein Zeigerdiagramm zur Erläuterung zur Erläuterung der Ausführungsform;
4 ist ein Ersatzschaltbild einer permanenterregten mehrphasigen elektrischen Synchronmaschine zur Erläuterung der Ausführungsform;
5 ist ein Signalflussplan-Blockschaltbild einer kombinierten Regelungs- und Bestimmungseinrichtung, wie sie bei der Durchführung des Verfahrens gemäß der Ausführungsform zum Einsatz kommt;
6 zeigt eine geometrische Interpretation einer Summenadmittanz und eines Schätzverfahrens;
7 zeigt ein Beispiel für eine im gleitenden Mittelwertverfahren erhaltene Messkurve für den Mittelwert der Admittanzen
8 ist ein Signalflussplan zum Durchführen einer Fouriertransformation bei der Durchführung des Verfahrens gemäß einer weiteren typischen Ausführungsform des Verfahrens;
In 9 ist ein Beispiel für das Amplitudenspektrum eines erhaltenen fouriertransformierten Signals.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Nachfolgend werden typische Ausführungsformen anhand der Figuren beschrieben, wobei die Erfindung nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt ist, vielmehr wird der Umfang der Erfindung durch die Ansprüche bestimmt.
In der 1 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens zum Bestimmen mindestens eines Maschinenparameters einer permanenterregten mehrphasigen elektrischen Synchronmaschine gemäß einer typischen Ausführungsform gezeigt.
Eine permanenterregte mehrphasige elektrische Synchronmaschine 100 weist einen Rotor 110 und einen Stator auf, wobei der Stator seinerseits in 1 nicht dargestellte Statorspulen aufweist. Ein oder mehrere Maschinenparameter der Synchronmaschine 100 werden mit dem Verfahren gemäß der Ausführungsform bestimmt; die Synchronmaschine 100 stellt demnach den zu vermessenden Prüfling (das DUT – device under test) dar.
Mit dem Rotor 110 der Synchronmaschine 100 ist der Rotor einer Antriebsmaschine 500 über ein Getriebe 510 mechanisch verbunden. Das Nenn-Drehmoment oder das Bemessungs-Drehmoment der Antriebsmaschine 500 inklusive Getriebe 510 ist größer als das maximale Drehmoment der elektrischen Synchronmaschine, im dargestellten Ausführungsbeispiel zum Beispiel dreimal so groß. Die Antriebsmaschine 500 verfügt damit über eine Drehmomentreserve gegenüber der elektrischen Synchronmaschine 100. So kann gewährleistet werden, dass die Bestimmung des Maschinenparameters auch für die maximale Nennbelastung des Prüflings erfolgen kann. Weiterhin umfasst die Antriebsmaschine 500 einen Antriebsregler. Dieser kann beispielsweise verwendet werden, die Drehzahl der Antriebsmaschine 500 konstant zu halten oder entsprechend einer Soll-Antriebsdrehzahl zu regeln.
Eine Regelungseinrichtung 200 ist zum Regeln der Synchronmaschine 100 mit dieser verbunden, beispielsweise über eine geeignete Schnittstelle. Die Regelungseinrichtung ist mindestens für einen Betrieb in einem Strom-Regelungsmodus eingerichtet. Im Strom-Regelungsmodus wird in einem rotorfesten Koordinatensystem, das untenstehend noch erläutert wird, ein rotierender Stromzeiger konstanten Betrages vorgegeben und der Synchronmaschine 100 eingeprägt.
Eine Messeinrichtung 300 zum Messen der Phasenströme und Messen oder Bestimmen der Phasenspannungen einer jeden Phase der Synchronmaschine 100 ist ebenfalls mit der Synchronmaschine 100 verbunden. Die Messeinrichtung 300 kann die Phasenspannungen messen oder bestimmen, bspw. aus einem Spannungssollwert der Regelungseinrichtung 200.
Gemäß der an dieser Stelle beschriebenen Ausführungsform ist die Messeinrichtung als separates Teil vorgesehen. Die Messeinrichtung kann jedoch auch bei Ausführungsformen integriert mit einem weiteren Teil der Vorrichtung ausgebildet sein, beispielsweise integriert mit der Regelungseinrichtung.
Bei Ausführungsformen wird eine Messeinrichtung verwendet, welche dazu eingerichtet ist, sowohl die Phasenströme als auch die Phasenspannungen zu messen. Bei weiteren Ausführungsformen kommt eine Messeinrichtung zum Einsatz, welche eine Einrichtung zum Bestimmen zumindest einer der genannten Größen umfasst, beispielsweise aus anderen gemessenen Größen oder durch Empfang zumindest einer der genannten Größen von einer anderen Einrichtung, beispielsweise eine Regelungseinrichtung.
Ein Eingang, beispielsweise eine geeignete Eingangsschnittstelle, der Regelungseinrichtung 200 ist mit einem Ausgang einer Bestimmungseinrichtung 400 verbunden. Ein Eingang der Bestimmungseinrichtung 400 ist wiederum mit der Messeinrichtung 300 verbunden. Die Messeinrichtung 300 ist dazu eingerichtet, die gemessenen Phasenströme und die gemessenen oder bestimmten Phasenspannungen an die Bestimmungseinrichtung 400 auszugeben.
Ein Ausgang der Bestimmungseinrichtung 400 ist außerdem mit einem Eingang der Antriebsmaschine 500 verbunden. Die Bestimmungseinrichtung 400 ist dazu eingerichtet, die Antriebsmaschine 500 derart anzusteuern, dass der Rotor 110 der Synchronmaschine 100 mit einer Rotordrehzahl rotiert. Die Rotordrehzahl ist typischerweise konstant. Bei der Ausführungsform steuert die Bestimmungseinrichtung 400 die Synchronmaschine 100 mit einer konstanten Rotordrehzahl von ca. 5 Hz an. Die Bestimmungseinrichtung 400 steuert also die Synchronmaschine 100 so an, dass die durch die Rotordrehung im Stator induzierten Spannungen eine Frequenz von ca. 5 Hz haben.
Die Bestimmungseinrichtung 400 ist außerdem dazu eingerichtet, die Regelungseinrichtung 200 derart anzusteuern, dass die Statorspulen der Synchronmaschine 100 mit einem elektrischen Drehfeld beaufschlagt werden. Die Frequenz des elektrischen Drehfelds unterscheidet sich von der Rotordrehzahl. Typischerweise ist die Frequenz des elektrischen Drehfelds konstant. Das elektrische Drehfeld hat bei der Ausführungsform eine Frequenz von ca. 7 Hz.
Ferner ist die Bestimmungseinrichtung 400 dazu eingerichtet, die Regelungseinrichtung 200 derart anzusteuern, dass diese in einem Strom-Regelungsmodus betrieben wird. Die Regelungseinrichtung 200 wird derart angesteuert, dass sie einem Reglerausgang einer Stromregelung der Regelungseinrichtung 200 für das elektrische Drehfeld ein hochfrequentes Spannungssignal hinzufügt, typischerweise addiert. Typischerweise hat das Spannungssignal eine Frequenz, die in etwa dem Dreifachen der Stromreglerbandbreite der Regelungseinrichtung 200 entspricht oder höher ist.
An der derart angesteuerten Synchronmaschine 100 ergeben sich Phasenströme und Phasenspannungen, welche die Bestimmungseinrichtung 400 von der Messeinrichtung 300 bezieht. Die Bestimmungseinrichtung 400 ist dazu eingerichtet, den mindestens einen Maschinenparameter in Abhängigkeit der Phasenströme und der Phasenspannungen zu bestimmen.
Zur weiteren Erläuterung der Ausführungsform zeigt 2 ein Ersatzschaltbild einer permanenterregten mehrphasigen elektrischen Synchronmaschine 100. Die Synchronmaschine 100 ist bei der Ausführungsform als dreiphasige Maschine ausgebildet. Sie weist in einem Sternpunkt S zusammengeschaltete Leiter auf, welche in dem Ersatzschaltbild aus einer ersten Impedanz aus einem ersten Widerstand Ra und einer ersten Spule La, einer zweiten Impedanz aus einem zweiten Widerstand Rb und einer zweiten Spule Lb bzw. einer dritten Impedanz aus einem dritten Widerstand Rc und einer dritten Spule Lc gebildet sind. Die jeweiligen Widerstände Ra, Rb und Rc sind in dem in 2 dargestellten Ersatzschaltbild jeweils mit der zugehörigen Spule La, Lb bzw. Lc zu einem ersten, zweiten bzw. dritten Strang in Reihe geschaltet. Den Impedanzen ist jeweils ein Anschluss zugeordnet, welcher mit Ta, Tb bzw. Tc bezeichnet ist.
Die einzelnen Spulen La, Lb und Lc sind magnetisch gekoppelt, d. h. transformatorisch gekoppelt, z. B. durch ein Blechpaket des verwendeten Stators.
Die transformatorische Kopplung der Phaseninduktivitäten durch das Statorblech ist durch die Gegeninduktivität M zwischen zwei Phasen beschrieben. Aufgrund von Symmetrieüberlegungen gilt für die Gegeninduktivität zwischen zwei Phasen: M_ab = M_ba
Die magnetische Kopplung zwischen dem Rotor und den Phasen bildet die Flussverkettung Ψ_ra, Ψ_rb bzw. Ψ_rc ab.
Es ergibt sich in Matrixschreibweise ein Differentialgleichungssystem:
Hierbei bezeichnen v_a, v_b und v_c die jeweiligen Phasenspannungen, und i_a, i_b und i_c bezeichnen die jeweiligen Phasenströme. In der unteren Zeile ist die äquivalente vektorielle mathematische Darstellung des Differentialgleichungssystems aus der oberen Zeile wiedergegeben, wobei die Indizes im weiteren Verlauf beibehalten werden. Ein tiefgestelltes „r“ beschreibt rotorbezogene Größen, während ein tiefgestelltes „s“ statorbezogene Größen beschreibt. Ein hochgestelltes „3s“ bezeichnet das dreiphasige statorfeste Koordinatensystem.
Eine beispielhafte Zeigerdarstellung der hierin zur Erläuterung der Ausführungsformen verwendeten Größen ist in 3 dargestellt.
In 3 ist stellvertretend für alle Phasen a, b und c schematisch nur für die Phase der c-Koordinate das Phasenersatzschaltbild aus der Induktivität Lc und dem Widerstand Rc gezeigt. Über Lc und Rc fällt die Phasenspannung vc ab, und in der Phase fließt der Phasenstrom ic. Überträgt man diese Zeigerdarstellung des Phasenstroms ic auf alle drei Achsen im dreiphasigen Koordinatensystem, so wird deutlich, dass die drei Koordinaten (a, b, c) keine linear unabhängigen Basisvektoren für die Ebene darstellen. Eine äquivalente mathematische Beschreibung durch ein System aus orthonormalen Basisvektoren ist sinnvoll und vereinfacht die relevanten Differentialgleichungen. Der Übergang vom dreiphasigen abc- in ein α-β-Koordinatensystem erfolgt durch Anwendung der Clarke-Park-Transformation auf das obige Differentialgleichungssystem:
Durch die Verwendung der bezugsgrößeninvarianten Clarke-Park-Transformation erhält man eine orthonormale, entkoppelte Beschreibung des Dreiphasensystems. Eine Rücktransformation zur dreiphasigen Beschreibung ist hierbei jederzeit durch die Anwendung der inversen Clarke-Park-Transformation möglich.
Um eine möglichst einfache und anschauliche Regelung realisieren zu können, ist es wünschenswert, Gleichgrößen zu regeln. Daher hat sich zur Beschreibung der permanentmagneterregten Synchronmaschine das rotorfeste d-q-Koordinatensystem durchgesetzt (sog. feldorientierte Regelung). Durch die Orientierung des Koordinatensystems an der Achse des Rotormagnetfelds (genauer gesagt am Nordpol des Rotors) werden im synchronen Normalbetrieb sämtliche elektrische Größen des Modells der permanenterregten Synchronmaschine zu Gleichgrößen. Der Betrag der Gleichgröße im rotorfesten Koordinatensystem entspricht dabei der Amplitude der Wechselgrößen im statorfesten Koordinatensystem. Der Übergang vom α-β- zum d-q-Koordinatensystem erfolgt dabei durch die Anwendung einer Drehung um den elektrischen Winkel φ_el auf die zweiachsige Beschreibung der permanentmagneterregten Synchronmaschine:
Für eine hinreichend kleine transformatorische Kopplung (Mdq ≤ 0,1·Lq) wird diese komplett vernachlässigt. Dies führt zur vereinfachten und weit verbreiteten Darstellung im rotorfesten zweiachsigen Ersatzschaltbild:
Die Modellierung des inneren Drehmoments der permanentmagneterregten Synchronmaschine kann aus der Leistung im Luftspalt hergeleitet werden. Es gilt:
Der Faktor 3 / 2 kann anschaulich durch das Weglassen der dritten Phase beim Übergang ins zweiachsige Koordinatensystem erklärt werden. Er berücksichtigt die im dritten Strang umgesetzte elektrische Leistung.
Das Ersatzschaltbild der permanentmagneterregten Synchronmaschine im d-q-Koordinatensystem ist in 4 dargestellt. Dieses Ersatzschaltbild ist eine grafische Darstellung der obigen Gleichungen.
Die meisten Effekte, die mit der elektromagnetischen Modellierung der permanentmagneterregten Synchronmaschine beschrieben werden, beruhen auf der Interaktion der im Motor auftretenden Magnetfelder. Im Anschluss wird nun auf die einzelnen Magnetfelder (Phasen-, Stator- und Rotorfeld) und ihre Ursachen eingegangen. Die Überlagerung der einzelnen Felder wird nachfolgend diskutiert; insbesondere der Einfluss des sättigungsbehafteten Blechpakets auf die Überlagerung der Felder wird aufgezeigt. Die Effekte, die zur Entstehung von magnetischen Anisotropien führen, werden geschildert. Außerdem wird auf die Eigenschaften von differentiellen und absoluten Induktivitäten eingegangen.
Die Überlagerung von Magnetfeldern kann zunächst als lineare Addition ihrer Vektorpotentiale behandelt werden. Die Ströme der einzelnen Phasen (a, b, c) führen zur Ausbildung von zunächst drei separaten ’Komponenten’-Durchflutungen. Durch die Überlagerung der drei Erregungen entsteht ein einziges Magnetfeld. Wird auch der Rotor mit in die Überlegungen einbezogen, dann folgt, dass außer den drei Phasen- bzw. Strangmagnetfeldern auch noch das Magnetfeld der Permanentmagnete zum Gesamtfeld mit beiträgt. Die Feldlinien der Magnete schließen sich über den Luftspalt hinweg, durch die nächstliegenden Statorzähne und über den Statorrücken. Dieses Verhalten kann mit den Permeabilitäten der jeweiligen Materialien erklärt werden. Das Rotorblech stellt im Vergleich zu der umgebenden Luft, dem Kupfer in den Nuten und den Permanentmagneten einen exzellenten magnetischen Leiter dar.
Die Überlagerung der einzelnen Magnetfelder verändert das Gesamtmagnetfeld (bzw. das entsprechende Vektorpotential) in Betrag und Richtung. Geht man nun von linearen Materialeigenschaften für die verwendeten Materialien (Rotorblech, Luft, Permanentmagnete, Kupfer) aus, so führen die unterschiedlichen Permeabilitäten zu einer zusätzlichen lokalen Veränderung des Magnetfeldverlaufs. Das Magnetfeld muss aus Gründen des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik entlang des geringsten magnetischen Widerstandes verlaufen. Die meisten Feldlinien verlaufen so durch den Statorrücken und die Statorzähne, anstatt sich über eine geometrisch kürzere Strecke im Luftspalt bzw. in der Wicklung zu schließen.
Bezieht man nun den Verlauf des Rotormagnetfeldes auf das rotorfeste Koordinatensystem, so fallen die Feldlinien im Luftspalt prinzipiell mit dem Verlauf der d-Achse zusammen. Wird nun durch die Wicklung des Motors ein Magnetfeld in q-Richtung erzeugt, so laufen die Feldlinien genau zwischen den Permanentmagneten durch den Luftspalt. Da die Permeabilität der Magnete ähnlich der Permeabilität von Luft ist, wird die magnetische Luftspalthöhe im Bereich der Magnete um die Höhe der Permanentmagnete erweitert. Aufgrund des Eisens zwischen den Magneten ist der effektive Luftspalt an dieser Stelle wesentlich schmaler als der Luftspalt der d-Achse.
Somit ist die Reluktanz (der magnetische Widerstand) des Feldpfades entlang der d-Achse im Vergleich zu dem Feldpfad entlang der q-Achse erhöht. Da im elektrischen Ersatzschaltbild das komplette magnetische Verhalten des Motors mit der Hilfsgröße der Phaseninduktivität beschrieben wird, muss sich dieser Reluktanzunterschied in einer Ungleichheit der Phaseninduktivitäten Ld und Lq ausdrücken. Da sich die Induktivität umgekehrt proportional zur Reluktanz verhält, ist im Allgemeinen die Induktivität entlang der d-Achse kleiner als die entlang der q-Achse. Diese Eigenschaft wird magnetische Anisotropie genannt.
In der Realität zeichnen sich ferromagnetische Materialien wie z.B. Elektroblech durch ausgeprägt nichtlineares Verhalten aus. Dies kann durch die Ausrichtung von magnetischen Dipolen auf atomarer Basis erklärt werden. Dieser Vorgang entspricht einer Speicherung von magnetischer Feldenergie im Material. Sind sämtliche Dipole des Materials ausgerichtet, kann keine weitere Energie durch ihre Ausrichtung gespeichert werden, das Material ist gesättigt. Dieses Verhalten führt zu einem nichtlinearen Zusammenhang zwischen magnetischer Feldstärke H und magnetischer Flussdichte B. Neben der Nichtlinearität durch das Sättigungsverhalten existiert in ferromagnetischen Materialien als weitere Nichtlinearität noch der Effekt der Hysterese.
Die magnetische Permeabilität wird somit zu einer Materialeigenschaft, welche von der Summe der Magnetfeldstärken abhängt. Dies bedeutet, dass die Überlagerung der einzelnen Magnetfelder der permanentmagneterregten Synchronmaschine nicht mehr als linear angesehen werden kann.
Die lokale Permeabilität hängt von der lokalen Überlagerung der Magnetfelder und der lokalen Sättigung des Elektroblechs ab. Dies kann zu Verschiebungen im Feldverlauf führen. Beispielsweise, wenn sich das Magnetfeld von stark gesättigten Bereichen zu benachbarten weniger gesättigten Materialbereichen verschiebt. Die Feldlinien schließen sich so über einen magnetisch eigentlich nicht vorteilhaften Weg.
Bei manchen permanenterregten Synchronmaschinen passt außerdem die Periodizität der Statorzähne nicht zu der Periodizität der Permanentmagnete. Die Folge dieser nicht vorhandenen Rotationssymmetrie ist, dass sich für jede elektrische Rotorstellung im Stator eine typische Magnetfeld- bzw. Flussdichteverteilung ausbildet. Diese weist nicht die gleiche Periodizität wie die Rotormagnete auf. Somit wird der Flusspfad für die Magnetfelder in d- und q-Achse von der Rotorlage abhängig, d. h. die magnetische Reluktanz einer Achse variiert mit der Drehung des Rotors. Gleiches gilt für die entsprechenden Induktivitäten. Dies verursacht auch eine Abhängigkeit der an den Maschinenklemmen messbaren Phaseninduktivität von der Rotorlage. Dieses Verhalten bleibt auch für eine Strombelastung des Stators bestehen. Durch die Überlagerung des Stator- und Rotorfeldes verschiebt sich die Feldverteilung allerdings in Richtung und Betrag.
Neben dieser Ortsabhängigkeit kann eine weitere Abhängigkeit identifiziert werden, nämlich die Veränderung der Flussdichte des Elektroblechs in Abhängigkeit der Magnetfeldstärke und damit die Abhängigkeit vom Maschinenstrom. Daraus ergibt sich ein typischer stromabhängiger Verlauf der differentiellen Phaseninduktivitäten.
Das Induktionsgesetz legt zwei unterschiedliche Messmethoden für die Induktivität nahe: Messung der Kleinsignaleigenschaften in einem Arbeitspunkt, und Messung der Großsignaleigenschaften für einen Belastungszustand.
Bei der Messung der Kleinsignaleigenschaften in einem Arbeitspunkt wird eine Induktivität mit einem Strom belastet und ein im Vergleich zur Strombelastung kleiner Stromrippel aufgeprägt. i ändert sich damit in so engen Grenzen, dass der Term dL / di in der Gleichung v = – d / dt(Φ) = – d / dt(L·i) = –(L· d / dti + i· d / dtL) = –(L + i· dL / di)· d / dti zu einer von Null verschiedenen Konstanten wird. Falls weiterhin ein stationärer Maschinenstrom vorherrscht, kann eine Vereinfachung entsprechend v = –(L + i -· dL / di)· d / dti = –L_t· d / dti vorgenommen werden.
Dies bedeutet, dass die Induktivität zusammen mit der konstanten Stromableitung der Induktivität und dem Mittelwert des Maschinenstroms zu einer neuen Konstanten zusammengefasst werden, der Tangenten- oder differentiellen Induktivität. Der Betrag der unter diesen Bedingungen ermittelten Induktivität entspricht der differentiellen Induktivität. Er kann somit aus der Auswertung der Stromsteigung und dem Spannungsabfall bestimmt werden.
Bei der Messung der Großsignaleigenschaften wird ein Stromsprung aus dem lastfreien Zustand in den relevanten belasteten Zustand in die Induktivität eingeprägt. Entsprechend v = –L_s· Δi / Δt wird der Betrag der Induktivität durch die Auswertung der Differenzengleichung ermittelt. Dies bedeutet, dass die Induktivität als elektrische Ersatzgröße des magnetischen Verhaltens einer Spule nicht eindeutig ist. So ist die Tangenteninduktivität relevant für die Spannungsgleichungen und damit auch lageabhängig.
Entsprechend der Definition der d-Achse liegt der magnetische Fluss der Permanentmagnete in der d-Achse. Folgt man weiter dem Faradayschen Gesetz so wird durch die zeitliche Änderung des magnetischen Flusses eine Spannung induziert, die gegenüber ihrer Ursache um 90° voreilt. In diesem Fall entspricht die Rotation der Permanentmagnete der zeitlichen Änderung. Die in Richtung der q-Achse induzierte Spannung ist direkt proportional der elektrischen Winkelgeschwindigkeit ω_el und zeigt immer in die Richtung der q-Achse. Mit ihrer Hilfe kann eindeutig auf die elektrische Lage des Rotors zurückgeschlossen werden. Eine Vielzahl von Verfahren nutzt die Berechnung der EMK (der elektromotorischen Kraft) zur Lageidentifikation des Rotors aus den Strom- und Spannungssignalen der permanentmagneterregten Synchronmaschine: v_EMK = ω_el·Ψ_PM
Eine weitere Spannungskomponente, welche Positionsinformation enthält, ist der Spannungsabfall, der durch die synchrone Drehung des Stromzeigers mit dem Rotor entsteht. Die Phaseninduktivitäten Ld und Lq enthalten ebenfalls die benötigte Lageinformation, um die permanentmagneterregte Synchronmaschine selbst als Lagegeber nutzen zu können. Wie die EMK ist der Spannungsabfall direkt proportional zur elektrischen Winkelgeschwindigkeit des Rotors. Die Spannungsberechnung ist jedoch nicht auf so einfache Art und Weise möglich wie die der EMK, da die Orts- und Stromabhängigkeit der differentiellen Induktivitäten mit in die Rechnung eingehen.
Beide Spannungssignale (die EMK und der Spannungsabfall) haben jedoch einen großen Nachteil, nämlich ihre direkte Proportionalität zur Winkelgeschwindigkeit. Dies bedeutet, dass diese Spannungssignale im Stillstand verschwinden; eine Positionsbestimmung ist damit für den Stillstand nicht möglich.
Der Spannungsabfall, der über den Induktivitäten durch die zeitliche Änderung des Stromes in einem Lastpunkt entsteht, ist nicht durch diesen Nachteil gekennzeichnet:
Zur Lagebestimmung des Rotors im Stillstand, eignet sich der stromänderungsinduzierte Spannungsabfall über den Phaseninduktivitäten. Um eine Signalauswertung der entsprechenden Spannung zu gewährleisten, muss zu jeder Zeit eine nennenswerte Stromänderung vorhanden sein. Bei gut eingestellten Stromreglern liegt eine vom Messrauschen unterscheidbare, von Null verschiedene Stromänderung im Umrichterbetrieb der permanentmagneterregten Synchronmaschine nur im instationären Betrieb vor. Dies gilt für Umrichter mit regulärer Stromwertabtastung. Soll die änderungsinduzierte Spannung also zur Bestimmung der Rotorlage genutzt werden, muss eine Stromänderung erzwungen werden. Hierfür eignet sich eine Anregung, die im zeitlichen Mittel keinen Stromfluss hervorruft und somit keine bleibende Regelabweichung provoziert. Zum jeweiligen Messzeitpunkt muss die Stromänderung allerdings von Null verschieden und messbar sein.
Eine der Reglerausgangsspannung superponierte hochfrequente Spannung bietet diese Möglichkeit.
Als Verfahren zur Bestimmung der Rotorlage aus dem stromänderungsinduzierten Spannungsabfall kann z. B. ein „Arbitrary-Injection-Verfahren“ genutzt werden. Die grundlegende Idee des Verfahrens beruht auf dem Vergleich eines Modells einer idealen, vollständig isotropen permanentmagneterregten Synchronmaschine mit der Vermessung einer realen, schenkligen permanentmagneterregten Synchronmaschine. Das ideale Motormodell wird mit den Ausgangsspannungen des realen Umrichters beaufschlagt. Die Strom-, Drehmoment- und Drehzahlantwort des Modells werden berechnet. Aus dem Vergleich der Stromantwort des Modells mit der Stromantwort des realen Motors kann dann auf die Rotorlage des realen Motors zurückgerechnet werden.
Der Zeiger der Stromänderung ist nicht exakt parallel zum induktiven Spannungsabfall, auch bei idealer Abtastung und Messwertwandlung bleibt ein Unterschied dieser Vektoren bestehen, der aus der Differenz von Ld und Lq resultiert. Dieser Vorhersagefehler e s / s rotiert für eine elektrische Umdrehung des Rotors zweimal um die Spitze der Stromänderung.
Neben der direkten Berechnung kann e s / s auch indirekt berechnet werden. Dazu werden die Stromänderungen von einem idealen berechneten isotropen Motormodell mit den Stromänderungen der gemessenen anisotropen Realität verglichen:
Um nun die tatsächliche Rotorlage ermitteln zu können, muss der Vorhersagefehler ausgewertet werden. Dazu werden die Komponenten des Vorhersagefehlers mit den Komponenten der anliegenden Spannung verrechnet:
Die permanentmagneterregte Synchronmaschine wird im Rahmen des Arbitrary-Injection-Verfahrens als Admittanz Y modelliert:
Die Admittanz entspricht beispielsweise einem Maschinenparameter, wie hierin verwendet. Die ideale, vollständig isotrope Maschine wird als Mittelwert Y_Σ der Achsenadmittanzen des rotorfesten Koordinatensystems dargestellt. Dieser Mittelwert wird auch als Summenadmittanz bezeichnet. Die reale, schenklige permanentmagneterregte Synchronmaschine wird mit Hilfe des Unterschieds Y_Δ (der Differenz) der Achsenadmittanzen des rotorfesten Koordinatensystems dargestellt. Es gilt:
5 ist ein Signalflussplan-Blockschaltbild einer kombinierten Regelungs- und Bestimmungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Ausführungsform. Die in 5 dargestellte Schaltung ist zum Bestimmen von Y_Σ und Y_Δ geeignet.
Aus den in das d-q-Koordinatensystem transformierten Strom-Sollwerten i * / d, i * / q werden von den Stromreglern Spannungs-Sollwerte v * / d, v * / q erzeugt und über einen Entkoppler 410 und einen Begrenzer 411 einem ersten Transformierer 412 zugeführt, welcher die Werte aus dem d-q-Koordinatensystem in das α-β-Koordinatensystem transformiert. Ein Prüfsignalgeber 413 überlagert den transformierten Werten das hochfrequente Spannungssignal zur Durchführung des Verfahrens. Anschließend wird das überlagerte Signal mittels eines zweiten Transformierers 414 in das a-b-c-System transformiert.
Ein Maschinenmodellierer 415 leitet mittels eines Raumzeigermodulators ein Signal zur Ansteuerung eines Treibers und einer Leistungsendstufe 416 für die dort angeschlossene Synchronmaschine 100 her und gibt dieses aus. Strommesswerte aus der Synchronmaschine 100 werden einem Fehlspannungskompensierer 418 zugeführt. Über ein z^–2-Veschiebungsglied wird der vorvorletzte Regelungswert aus dem Maschinenmodellierer 415 ebenfalls dem Fehlspannungskompensierer 418 zugeführt. Dieser Fehlspannungskompensierer 418 leitet ein linearisiertes Spannungssignal einem vierten Transformierer 420 zu. Der vierte Transformierer 420 transformiert das linearisierte Spannungssignal aus dem a-b-c-System in das α-β-Koordinatensystem. Dieses transformierte Signal wird dem Admittanz-Bestimmer 430 zugeführt.
Die Strom-Messwerte werden ebenfalls einem dritten Transformierer 419 zugeführt, welcher ebenfalls eine Transformation in das α-β-Koordinatensystem durchführt. Diese transformierten Strom-Messwerte werden dem Admittanz-Bestimmer 430 und einem fünften Transformierer 421 zugeführt.
Ein Winkelgeber für den elektrischen Winkel φ_el führt diesen ebenfalls dem fünften Transformierer 421 zu. Der fünfte Transformierer führt eine Transformation aus dem α-β-Koordinatensystem in das d-q-Koordinatensystem durch. Ein Strom-Istwert id und ein Strom-Istwert iq werden jeweils von den zugeführten Strom-Sollwerten abgezogen zugeführt, wodurch der Regelkreis geschlossen wird.
Die Admittanz wird im Weiteren mit Hinblick auf die durch die hochfrequente Spannungsinjektion hervorgerufene Stromänderung betrachtet:
Die auf diese Weise für jeden Abtastschritt berechnete Admittanz Yk enthält somit zwei Informationen, nämlich den Betrag der idealen Admittanz, in Form des Proportionalitätsfaktors zwischen dem induktiven Spannungsabfall und der daraus folgenden Stromänderung, und die Richtungsabweichung der momentan wirkenden Admittanz zu der im Idealfall wirkenden Admittanz.
Zwei Admittanzen aufeinander folgender Abtastschritte mit unterschiedlichen Spannungen des Prüfsignals spannen so eine Ebene auf, in welche ein willkürliches, typischerweise orthogonales Koordinatensystem gelegt wird. Diese ’Admittanzzeiger’ sind fest mit dem jeweils wirkenden Spannungszeiger verkoppelt. Die x-Komponente des willkürlichen Koordinatensystems zeigt dabei in die Richtung der Vektorsumme der Spannungszeiger, die y-Komponente entspricht deren Orthogonalen. Die Admittanz Yk verändert ihre Richtung und ihren Betrag also mit jedem Abtastschritt bzw. mit jeder Veränderung des Spannungszeigers.
Die beiden Admittanzvektoren spannen dabei eine Kreisschar auf, deren Mittelpunkte auf der Geraden g(x) liegen. Dabei gibt es genau einen Kreis, dessen Mittelpunkt gerade auf der x-Achse des arbiträren Koordinatensystems liegt. Die x-Koordinate des Kreismittelpunktes kann als Summenadmittanz Y_Σ interpretiert werden.
6 zeigt eine entsprechende geometrische Interpretation der Summenadmittanz Y_Σ und des Schätzverfahrens. Zwei Admittanzen aufeinander folgender Abtastschritte spannen einen Kreis auf, dessen Mittelpunkt auf der x-Achse liegt. Aus diesen beiden Werten kann die Größe Y_Σ durch die Anwendung von geometrischen Beziehungen bestimmt werden. Die Summenadmittanz entspricht in dieser Abbildung der x-Komponente des Kreismittelpunktes.
Die Berechnung von Y_Σ erfolgt aus den Komponenten von Y_k nach der folgenden Gleichung:
Hierbei gilt:
Für die Bestimmung der Admittanz können z. B. die Stromsteigungssignale d / dti verwendet werden.
Die Ermittlung der Vergleichsgröße Y_Σ durch eine Schätzung bietet den Vorteil, dass Effekte wie z. B. Temperaturänderungen keinen Einfluss mehr auf die Qualität der Rotorlageschätzung haben. Zudem kann durch die Echtzeiterfassung und Berechnung der Summenadmittanz der Einfluss der Statorfeldverteilung mit erfasst werden. Auch Veränderungen der Rotorflusskonstante werden so direkt erfasst.
Geht man weiter davon aus, dass für zwei aufeinanderfolgende Abtastschritte die Änderung der Gesamtadmittanz des Motors hinreichend klein ist, so kann der Kreisdurchmesser als quasi konstant oder nur langsam veränderlich angesehen werden. So kann aus dem Kreisdurchmesser die Differenz Y_Δ der Phasenadmittanzen hergeleitet werden.
Der Admittanzvektor Yk wird durch die Projektion der Änderung der Stromzeiger des statorfesten Koordinatensystems in die Spannungsebene erzeugt. Wäre ein Motor vollständig magnetisch isotrop, so müsste der Betrag des Admittanzvektors Yk konstant sein, und seine Richtung müsste der Richtung des angelegten Spannungszeigers entsprechen.
Dies ist allerdings nicht der Fall. So gehen durch die Projektion von d / dti_α und d / dti_β die Lage des Gesamtmagnetfelds und somit auch der Einfluss der Anisotropie des Motors mit in Yk ein. Die Rotation des Vorhersagefehlers spiegelt sich also auch in der Variation des Admittanzvektors Yk wider. Wird die Vektorsumme der Admittanzvektoren Yk und Yk + 1 als Maß für Y_Σ interpretiert, so muss deren Vektordifferenz als ein Maß für Y_Δ interpretiert werden, genau genommen ist dies der Radius des aufgespannten Kreises. Die Berechnungsvorschrift lässt sich aus einfachen geometrischen Überlegungen an dem rechtwinkligen Dreieck ableiten:
Das hochfrequente Anregungssignal, das der Prüfsignalgeber 413 hinzufügt, soll den Stromregler durch den auftretenden Stromrippel möglichst wenig beeinflussen. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn das hochfrequente Spannungssignal einen möglichst großen Frequenzabstand zur Bandbreite des Stromreglers hat. Dies bedeutet, dass vorteilhafterweise die Frequenz des Prüfsignals in einem Frequenzbereich liegen soll, der möglichst weit über der Grenzfrequenz des geschlossenen Stromregelkreises liegt.
Typische Stromreglerauslegungen in dreiphasigen Drehfeldantrieben werden nach dem symmetrischen Optimum oder dem Betragsoptimum ausgelegt. Es kann davon ausgegangen werden, dass Injektionssignale, deren Frequenz größer als die dreifache Reglerbandbreite sind, keinen störenden Einfluss mehr auf das Reglerverhalten haben. Hier beträgt die Dämpfung des Systems mindestens –10 dB.
Weiterhin soll ein Spannungsinjektionssignal (ein Prüfsignal) im zeitlichen Mittel keinen von 0 verschiedenen Strombetrag generieren. Trotzdem sollte das HF-Signal (das Prüfsignal) den vollen Winkelbereich des α-Winkels überstreichen. Eine im Mittel von 0 verschiedene Injektionsspannung (Spannung des Prüfsignals) hat die gleiche Wirkung wie ein Störsignal, sie ruft eine bleibende Reglerabweichung hervor, die dann ausgeregelt wird. Ein Injektionssignal (Prüfsignal) zur Rotorlageermittlung sollte im statorfesten Koordinatensystem auf die Reglerausgangsspannungen aufaddiert werden.
Der so entstehende Stromrippel einer Maschine ist somit im statorfesten Koordinatensystem zu beschreiben. Änderungen in der Lage des Stromrippels können direkt auf den Einfluss der Anisotropie und damit auf die Rotorlage zurückgeführt werden. Somit spielt ein Schätzfehler für das Rotorlagesignal keine Rolle bei der Interpretation des Stromrippels.
Die feldorientierte Regelung zeichnet sich dadurch aus, dass Gleichgrößen im rotorfesten Koordinatensystem geregelt werden. Wird nun ein Prüfsignal im statorfesten Koordinatensystem aufaddiert, ruht die Stromantwort des Motors in diesem, wenn auch das Prüfsignal ruht. Bestimmte Prüfsignale können jedoch relativ schnell rotieren, so dass die Stromantwort des Motors gegenüber dem Stator und gegenüber dem Rotor rotiert. Ein Teil des Stromsignals der Maschine bewegt sich also im statorfesten Koordinatensystem, ein weiterer Teil bewegt sich im rotorfesten Koordinatensystem. Entsteht durch das Prüfsignal eine im Mittel von Null verschiedene Stromantwort der Maschine, so bewegt sich diese relativ zum Rotor. Der Stromregler in rotorfesten Koordinaten muss dadurch eine drehende Stromkomponente ausregeln um die Störung zu beseitigen.
Das Prüfsignal dient als Trägersignal für die Richtungs- und die Admittanzinformation der Anisotropie; dies bedeutet, dass auf die Trägerfrequenz die niederfrequente Lageinformation aufmoduliert ist bzw. wird, typischerweise von der Maschine aufmoduliert wird. Um mit dem Arbitrary Injection Verfahren einen möglichst großen Signal-Rausch-Abstand realisieren zu können, ist es von Vorteil, ein Prüfsignal möglichst hoher Frequenz zu nutzen. Durch die frequenzabhängige Verstärkung der Ableitungen werden das Trägersignal und die aufmodulierte Information (Admittanz und Rotorlage) verstärkt, die Auswertung der Information vereinfacht sich.
Eine größere frequenzabhängige Verstärkung ermöglicht es zudem, das Prüfsignal mit einer geringeren Amplitude zu generieren. Dies führt zu geringeren Verlusten in Bezug auf den maximal möglichen Aussteuerungsgrad der verwendeten Endstufen. Weiterhin wird durch den Tiefpasscharakter des Stromreglers der störende Einfluss der hochfrequenten Prüfspannung auf die Stromregelung mit steigender Frequenz des Prüfsignals geringer. Allerdings verstärken Ableitungen mit zunehmender Ordnung auch das Mess- und Quantisierungsrauschen immer mehr. Die Amplitude des Rauschens ist als gleichverteilte Amplitude über den gesamten Messbereich zu betrachten. Somit wird durch den Ableitungsfilter das hochfrequente gegenüber dem niederfrequenten Rauschen überproportional verstärkt.
Mit dem hierin beschriebenen Verfahren kann ein Maschinenparameter erfasst werden, wobei die Eigenschaften des Rotors, des Stators, der Statorströme in den Wicklungen und deren Wechselwirkung simultan erfasst werden können und die auftretenden Effekte dabei wiederum eindeutig ihren Ursachen zugeordnet werden können.
Die Methode ermöglicht es zudem, für jeden Betriebspunkt Ld und Lq abzuleiten und somit das vereinfachte linearisierte Standardmodell der permanentmagneterregten Synchronmaschine beizubehalten, ohne dabei an Information zu verlieren.
Durch die Bestromung und die Rotation des Motors bildet sich im Motor eine sich stetig verändernde Magnetfeldverteilung aus. Die Verteilung wird erzeugt durch das Feld der Permanentmagnete des Rotors, durch das Magnetfeld des Stroms im Stator und durch die Wechselwirkung der beiden Magnetfeldkomponenten. Durch eine passende Wahl der jeweiligen Winkelgeschwindigkeiten kann davon ausgegangen werden, dass sich der Motorstrom im transienten Zustand befindet. Magnetfelder weichen hingegen nicht von den Feldern ab, die sich unter gleichen Bedingungen statisch ergeben würden, da ihre Änderung quasi instantan mit ihrer Ursache erfolgt.
Für die Auswertung der Motorvermessung gemäß der Ausführungsbeispiele werden jeweils die Werte der dreiphasigen Tastverhältnisse, die Zwischenkreisspannung, somit also die Reglerausgangsspannungen und die Werte der zugehörigen Phasenströme erfasst. Des Weiteren kann eine Kompensation von Nichtlinearitäten erfolgen, die in der Endstufe des Reglers entstehen.
7 zeigt ein Beispiel für eine im gleitenden Mittelwertverfahren erhaltene Messkurve für den Mittelwert der Admittanzen, wie er von dem Admittanz-Bestimmer 430 ausgegeben wird. Die Einheit für die Zeit auf der Abszisse sind Sekunden, die Einheit für den Mittelwert der Admittanzen auf der Ordinate ist H^–1(1/Henry). Für die hier beispielhaft vorgestellte Messung wird die elektrische Drehfrequenz des Rotors auf 7 Hz eingestellt, die Drehfrequenz des Feldes gegenüber dem Rotor bzw. die Rotationsfrequenz des Lastwinkels, wird auf 5 Hz eingestellt. Für die Drehfrequenz des Statorstroms ergibt sich daraus eine Drehfrequenz von 2 Hz.
Betrachtet man die Ergebnisse der Admittanzschätzung, so ist erkennbar, dass der Mittelwert des Schätzverfahrens ungefähr einen Wert von 700 [1/H] liefert. Die primäre Signalfrequenz beträgt 5 Hz; die Frequenz der Oszillation beträgt dabei 5 Hz und wird durch die Variation des Winkels des Statorstroms gegenüber der d-Achse hervorgerufen.
Wird neben der Summenadmittanz auch die Differenz der Admittanzen geschätzt, so können aus den beiden Signalen für jeden Abtastschritt die zugehörigen Phaseninduktivitäten Ld und Lq berechnet werden. Diese berechneten Induktivitäten können dann als Funktion des Statorstromes, des Winkels des Statorstroms gegenüber der d-Achse und der Rotorlage angesehen werden.
Bei weiteren Ausführungsformen ist es vorgesehen, dass neben den Phasenströmen und den Umrichterausgangsspannungen auch eine Drehmomentmesswelle im Versuchsaufbau mit eingesetzt wird. Neben der Flussverkettung der Permanentmagnete kann der Klemmenwiderstand R_tt berechnet werden, genau wie die geschätzte mittlere Wicklungstemperatur:
Wird die Wicklungstemperatur nicht berechnet, sondern durch geeignete Sensoren gemessen, bietet die beschriebene Methode eine Möglichkeit die Verluste der Maschine als integrale Größe zu bestimmen. Diese Verluste können auch abgeschätzt werden in dem Fall in dem die Temperatur nicht gemessen wird. Durch einen Vergleich der elektrischen Leistung des Prüflings mit der mechanischen Leistung an der Welle kann die momentane Verlustleistung berechnet werden.
Bei weiteren Ausführungsformen ist es vorgesehen, eine Zuordnung eines Anteils des ermittelten Maschinenparameters zum Rotor, zum Stator oder zum Lastwinkel der Synchronmaschine vorzunehmen. Dies geschieht beispielsweise im Rahmen einer Fourieranalyse. Die Fourieranalyse kann auch automatisiert vorgenommen werden.
Das Signal, das den Maschinenparameter enthält und beispielsweise mit einer der oben beschriebenen Ausführungsformen erhalten wird, wird mit Hilfe einer Diskreten Fouriertransformation, typischerweise der FFT (Fast-Fourier-Transformation), in seine Frequenzanteile zerlegt, gefiltert, interpretiert und wieder synthetisiert. Für die Analyse des Admittanzsignals wird das Signal für die FFT mittels der Multiplikation mit einer von Hann-Fensterfunktion und symmetrischen Zero-Paddings vorbehandelt.
Die Verwendung der von Hann-Fensterfunktion ist vorteilhaft gegenüber der Rechteckfensterfunktion, da der Intensitätsabfall von den Haupt- zu den Nebenmaxima des Amplitudenspektrums steiler verläuft. Weiterhin zeichnet sich das von Hann-Fenster durch einen kleineren Leck-Effekt als das Rechteckfenster aus. Durch die Wahl der Fensterfunktion wird somit die spektrale Auflösung von Amplitudenspektren mit bestimmt. Mit dem von Hann-Fenster können nahe beieinander liegende Frequenzen im Amplitudenspektrum besser bzw. eindeutiger aufgelöst werden.
8 zeigt schematisch ein Blockdiagramm, in welchem aus einem FFT-Block das fouriertransformierte Signal erhalten wird. In 9 ist ein Beispiel für das Amplitudenspektrum des so erhaltenen Signals dargestellt.
Das Rauschniveau des Signals liegt ungefähr im Bereich von 0.2 bis 0.4. Deutlich ist die Kerbfilterwirkung des gleitenden Mittelwertfilters für eine Mittenfrequenz von1 5.33 kHz (entsprechend der beispielhaft verwendeten Abtastfrequenz von 16 / 3 kHz) zu erkennen.
Als hochfrequentes Prüfsignal wurde ein rotierender Spannungszeiger mit einer Rotationsfrequenz von 5,33 kHz genutzt. Eventuell entspricht die Spitze bei ca. 3 kHz einer Faltung der ersten Harmonischen des Prüfsignals an der Nyquist-Frequenz von ca. 8 kHz. Im Frequenzbereich von 0 bis 100 Hz finden sich die Signalanteile, die durch die Wechselwirkung der einzelnen durch die Messung angeregten Magnetfeldkomponenten entstehen.
Für die Zuordnung der einzelnen Frequenzen zu ihrer Ursache wurde nach folgendem Verfahren vorgegangen:
Die Zuordnung der Signale zu ihrer jeweiligen Ursache erfolgt entsprechend der angeregten Frequenz. So wird der Statorstrom mit einer Frequenz von 2 Hz angeregt, der Rotor dreht mit einer Frequenz von 7 Hz, und der d-Achsenwinkel dreht mit 5 Hz. Der d-Achsenwinkel ist in den Figuren als Last bezeichnet.
Zugeordnet werden die Grundwelle sowie deren Harmonische bis maximal zur neunten Oberwelle.
Übereinanderliegende / gemeinsame Harmonische werden nur einmal gezählt und fest einer Ursache zugeordnet. Die Zuordnung erfolgt zu dem Signal mit der niedrigeren Harmonischen. Der Amplitudenbeitrag bei 10 Hz entspricht bei der Variation des d-Achsenwinkels der zweiten Harmonischen, bei der Variation des Statorstroms entspricht er der fünften Harmonischen. So wird der Amplitudenbeitrag bei 10 Hz der Variation des d-Achsenwinkels zugeordnet und nicht der Variation des Statorstroms.
Die Auflösung von nichtlinearen Mischprodukten erfolgt ebenfalls nach dem Prinzip, dass die niedrigsten möglichen Harmonischen als Ursache angenommen werden.
Nichtlineare Mischprodukte werden grundsätzlich nur Frequenzkombinationen von linearen Frequenzkomponenten zugeordnet. Eine Mischung von mehreren nichtlinearen Mischprodukten wird nicht betrachtet.
Es werden nur Signalanteile bis herunter zu einer Amplitude von mindestens 10% der auftretenden Maximalamplitude der jeweiligen Grundfrequenz bzw. der größten Oberschwingung als relevant betrachtet.
Um eine bessere Frequenzauflösung des Signals zu erreichen wird vor dem Durchführen der Fourieranalyse der DC-Anteil bzw. der Mittelwert des Signals abgezogen.
Den größten Spektralanteil von Y_Σ stellt die Veränderung des d-Achsenwinkels mit 5 Hz dar. Zu der Summenadmittanz tragen außer der Grundwelle die zweite und dritte Harmonische der Lastfrequenz von 10 Hz bzw. 15 Hz bei. Die dritte Harmonische von 15 Hz liegt nur knapp über der Relevanzgrenze von 0,1 1/H. Die Vermutung, dass Y_Σ neben der Variation des d-Achsenwinkels auch durch weitere Wechselwirkungen von Rotor und Stator beeinflusst wird, bestätigt sich.
Die Veränderung des Statorstroms bringt nur einen kleinen Beitrag im Spektrum; dafür trägt jede Harmonische bis einschließlich der achten von 16 Hz zum Spektrum bei. Im Vergleich zu den anderen Signalanteilen tragen hier viele Oberschwingungen zum Spektrum bei. Besonders relevant sind die Grundwelle von 2 Hz sowie die sechste Oberwelle bei 12 Hz sowie die achte bei 16 Hz. Für diesen Motor zeigt sich, dass das Statorfeld nicht durch die Statorgrundwelle erzeugt wird, sondern hauptsächlich durch die sechste Statoroberwelle. Ein weiterer Beitrag im Amplitudenspektrum kommt durch ein Signal mit einer Frequenz von 9 Hz. Hierbei handelt es sich um ein nichtlineares Mischprodukt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9231510 B2 [0004]
US 9231501 B2 [0005]

Claims

Verfahren zum Bestimmen mindestens eines Maschinenparameters einer permanenterregten mehrphasigen elektrischen Synchronmaschine mit einem Rotor und einem Stator, welcher Statorspulen aufweist, umfassend: – Rotieren des Rotors mit einer Rotordrehzahl; – Beaufschlagen der Statorspulen der Synchronmaschine mit einem elektrischen Drehfeld, wobei das elektrische Drehfeld eine sich von der Rotordrehzahl unterscheidende Drehfrequenz aufweist; – Hinzufügen eines hochfrequenten Spannungssignals in einem Strom-Regelkreis für das elektrische Drehfeld; – Bestimmen der Phasenströme und der Phasenspannungen einer jeden Phase der Synchronmaschine; – Bestimmen des mindestens einen Maschinenparameters in Abhängigkeit der Phasenströme und der Phasenspannungen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Maschinenparameter einen Mittelwert der Admittanzen der Phasen der Synchronmaschine umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der mindestens eine Maschinenparameter zusätzlich eine Differenz der Admittanzen der Achsen der Synchronmaschine umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei der mindestens eine Maschinenparameter zusätzlich eine mittlere Achseninduktivität und/oder eine Phaseninduktivität der Phasen der Synchronmaschine umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der mindestens eine Maschinenparameter zusätzlich eine Achseninduktivität und/oder eine Phaseninduktivität der Phasen der Synchronmaschine umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die mittlere Achseninduktivität und/oder die mittlere Phaseninduktivität in Abhängigkeit eines Drehwinkels des Rotors und/oder in Abhängigkeit einer Belastung der Synchronmaschine ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Achseninduktivität und/oder die Phaseninduktivität in Abhängigkeit eines Drehwinkels des Rotors und/oder in Abhängigkeit einer Belastung der Synchronmaschine ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rotordrehzahl im Bereich von 0,1 bis 100 Hz liegt und/oder wobei die Drehfrequenz des elektrischen Drehfelds im Bereich von 0,1 bis 100 Hz liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Bestimmen der Phasenströme jeweils Strom-Messwerte der jeweiligen Phase gemittelt werden, und/oder wobei zum Bestimmen der Phasenspannungen jeweils Spannungs-Messwerte der jeweiligen Phase gemittelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: – Vergleichen des in Abhängigkeit der Phasenspannungen und der Phasenströme bestimmten mindestens einen Maschinenparameters mit mindestens einem Referenzwert; – Herleiten des Maschinentyps der Synchronmaschine aus dem Vergleich.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: – Erfassen des Drehmoments des Rotors; – Herleiten des Wirkungsgrades der Synchronmaschine aus dem erfassten Drehmoment.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: – Erfassen des Drehmoments des Rotors; – Erfassen einer Temperatur der Synchronmaschine; – Parametrisieren eines Maschinenmodells der Synchronmaschine aus dem mindestens einen Maschinenparameter, dem Drehmoment des Rotors und der Temperatur; – Herleiten eines Reglerparameters zur Regelung der Synchronmaschine aus dem parametrisierten Maschinenmodell.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen des mindestens einen Maschinenparameters über einen Messzeitraum fortlaufend erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend: – Durchführen einer Integraltransformation des bestimmten Maschinenparameters zum Erhalten eines Frequenzverlaufs des Maschinenparameters; – Zuordnen, aus dem Frequenzverlauf des Maschinenparameters, eines Anteils des Maschinenparameters zum Rotor der Synchronmaschine oder zum Stator der Synchronmaschine oder zum Lastwinkel der Synchronmaschine.
Betreiben einer permanenterregten mehrphasigen elektrischen Synchronmaschine mit einem Regelungsverfahren, wobei mindestens ein Maschinenparameter für das Regelungsverfahren mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche ermittelt wurde.
Vorrichtung zum Bestimmen mindestens eines Maschinenparameters einer permanenterregten mehrphasigen elektrischen Synchronmaschine mit einem Rotor und einem Stator, welcher Statorspulen aufweist, umfassend: – eine mit dem Rotor der Synchronmaschine verbundene Antriebsmaschine; – eine Regelungseinrichtung mit einem Strom-Regelkreis zum Regeln der Synchronmaschine; – eine Messeinrichtung zum Messen der Phasenströme und Messen und/oder Bestimmen der Phasenspannungen einer jeden Phase der Synchronmaschine; – eine Bestimmungseinrichtung, wobei die Bestimmungseinrichtung zu Folgendem eingerichtet ist: – Ansteuern der Antriebsmaschine derart, dass der Rotor der Synchronmaschine mit einer Rotordrehzahl rotiert; – Ansteuern der Regelungseinrichtung derart, dass die Statorspulen der Synchronmaschine mit einem elektrischen Drehfeld beaufschlagt werden, wobei das elektrische Drehfeld eine sich von der Rotordrehzahl unterscheidende Drehfrequenz aufweist; – Hinzufügen eines hochfrequenten Spannungssignals in dem Strom-Regelkreis der Regelungseinrichtung für das elektrische Drehfeld; – Beziehen der Phasenströme und der Phasenspannungen von der Messeinrichtung; – Bestimmen des mindestens einen Maschinenparameters in Abhängigkeit der Phasenströme und der Phasenspannungen.