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Technisches Gebiet:
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur feldorientierten Regelung einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Drehstrommotors, im Blockbetrieb.
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Stand der Technik und Aufgabe der Erfindung:
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Bei einer feldorientierten Regelung eines Drehstrommotors werden die Phasenströme bzw. die Phasenspannungen zum Betrieb des Drehstrommotors mithilfe eines Pulsweitenmodulationsverfahrens generiert. Dadurch können Phasenströme mit sinusförmigen Phasenspannungen nachgebildet werden. Allerdings ist die Spannungsausnutzung bei den sinusförmigen Phasenspannungen begrenzt. Deshalb wird der Drehstrommotor oft in einem sogenannten Blockbetrieb betrieben, in dem die Phasenspannungen nicht mittels Pulsweitenmodulation erzeugt werden, sondern in jeder Phase für jeweils einen Drehwinkelbereich von beispielsweise 180° als maximal mögliche Ausgangsspannung einer Leistungsendstufe ausgegeben werden. Damit wird eine bessere Spannungsausnutzung und somit eine bessere Leistung erzielt. Ein Nachteil dieses Blockbetriebs ist, dass die Phasenspannungen in einem Blockbetrieb nicht mehr sinusförmig sind und somit Oberschwingungen aufweisen, welche den Betrieb des Drehstrommotors stören.
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Damit besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine elektrische Maschine bzw. einen Drehstrommotor in einfacher Weise in einem Blockbetrieb mit geringen Störungen zu betreiben.
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Beschreibung der Erfindung:
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Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur feldorientierten Regelung einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Drehstrommotors, im Blockbetrieb bereitgestellt.
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Gemäß dem Verfahren wird aus der Grundfrequenz der Grundschwingung der feldorientierten Regelung die Frequenz mindestens einer n-ten harmonischen Schwingung des mindestens eines Phasen- oder Regelstromes berechnet.
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Der mindestens eine Phasen- oder Regelstrom wird anschließend einer Bandpassfilterung unterzogen, wobei die mindestens eine n-te harmonische Schwingung des mindestens einen Phasen- oder Regelstromes gefiltert bzw. unterdrückt wird.
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Die elektrische Maschine wird dann mit dem mindestens einen bandpassgefilterten Phasen- oder Regelstrom betrieben.
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Mit dem oben beschriebenen Verfahren können die Oberschwingungen in den Phasenspannungen bzw. in den Phasenströmen gezielt unterdrückt werden, welche den Betrieb der elektrischen Maschine stören können. Die Oberschwingungen, welche vernachlässigbar klein sind und auch den Betrieb kaum bzw. nur vernachlässigbar geringfügig stören, werden in den Phasenspannung bzw. den Phasenströmen zurückgelassen.
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Das Verfahren kann in einfacher Weise mit wenigen zusätzlichen Schaltungskomponenten, wie z. B. einer einfachen Bandsperre, durchgeführt werden.
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Damit ist eine Möglichkeit bereitgestellt, eine elektrische Maschine bzw. einen Drehstrommotor in einfacher Weise in einem Blockbetrieb mit geringen Störungen zu betreiben.
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Beispielsweise wird die mindestens eine n-te harmonische Schwingung mittels mindestens einer adaptiven Bandsperre, insbesondere mindestens eines adaptiven Kerbfilters, gefiltert.
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Hierbei bedeutet der Begriff „adaptiv“, dass das Frequenzband bzw. die Frequenz, welches bzw. welche mit der Bandsperre bzw. dem Kerbfilter gefiltert also gedämpft wird, entsprechend den zu eliminierenden harmonischen Schwingungen angepasst werden kann.
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Im Falle des mindestens einen Phasenstromes werden beispielsweise die Frequenzen der 5ten und/oder 7ten harmonischen Schwingungen des mindestens einen Phasenstromes ermittelt und durch das Bandpassfiltern aus dem mindestens einen Phasenstrom gefiltert.
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Im Falle des mindestens einen Regelstromes wird beispielsweise die Frequenz der 6ten harmonischen Schwingung des mindestens einen Regelstromes ermittelt und durch das Bandpassfiltern aus dem mindestens einen Regelstrom gefiltert.
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Der mindestens eine Regelstrom umfasst beispielsweise einen Längsstrom und/oder einen Querstrom eines virtuellen d/q-Koordinatensystems der d/q-Transformation der feldorientierten Regelung (aus den Phasenströmen der elektrischen Maschine).
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Dabei werden die oben beschriebene Verfahrensschritte des Berechnens der Frequenz mindestens einer n-ten harmonischen Schwingung, des Bandpassfilterns des mindestens einen Phasen- oder Regelstromes, sowie des Betreibens der elektrischen Maschine mit dem bandpassgefilterten Phasen- oder Regelstrom werden beispielsweise iterativ durchgeführt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur feldorientierten Regelung einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Drehstrommotors, in einem Blockbetrieb bereitgestellt.
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Die Vorrichtung umfasst eine Rechneranordnung, eingerichtet zum Berechnen der Frequenz mindestens einer n-ten harmonischen Schwingung des mindestens einen Phasen- oder Regelstromes aus der Grundfrequenz der Grundschwingung der feldorientierten Regelung.
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Die Vorrichtung umfasst ferner eine Bandsperre, eingerichtet zum Bandpassfiltern des mindestens einen Phasen- oder Regelstromes durch Filtern bzw. Unterdrücken der mindestens einen n-ten harmonischen Schwingung, sowie eine Regel-/Steueranordnung zum Betreiben der elektrischen Maschine mit dem mindestens einen bandpassgefilterten Phasen- oder Regelstrom.
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Beispielsweise umfasst die Bandsperre einen Kerbfilter.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des oben beschriebenen Verfahrens sind, soweit im Übrigen, auf die oben genannte Vorrichtung übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung anzusehen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung:
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Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung Bezug nehmend auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 in einer schematischen Schaltungstopologie eine elektrische Maschine mit einem Regelkreis mit einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2A, 2B jeweils in einem schematischen Signalablaufdiagramm jeweils einen Phasenstrom der feldorientierten Regelung mit dem Regelkreis von 1.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnung:
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Prinzipaufbau einer Vorrichtung V zur feldorientierten Regelung eines Drehstrommotors EM, beispielsweise einer Synchronmaschine.
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Die Vorrichtung V umfasst eine Leistungsendstufe mit einer 3-Phasen-H-Brücke HB zum Generieren von drei Phasenströmen Iu, Iv, Iw. Die 3-Phasen-H-Brücke HB ist stromeingangsseitig mit Versorgungsstromleitungen V+, V– elektrisch verbunden. Stromausgangsseitig sind die 3-Phasen-H-Brücke HB über drei Phasenstromleitungen Pu, Pv, Pw mit drei Statorphasen der Synchronmaschine EM elektrisch verbunden.
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Die Vorrichtung V umfasst ferner drei Strommesser SM, welche eingerichtet sind, die jeweiligen Phasenströme Iu, Iv, Iw an den jeweiligen Phasenstromleitungen Pu, Pv, Pw zu erfassen.
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Die Vorrichtung V umfasst ferner einen Regelungsblock zur d/q-Transformation CPT (auf Englisch „Clarke-Park Transformation“), welche signaleingangsseitig mit Signalausgängen der jeweiligen drei Strommesser SM signaltechnisch verbunden ist und eingerichtet ist, die drei Messgrößen der drei Phasenströme Iu, Iv, Iw mit den Achsen U, V, W in ein zweiachsiges Koordinatensystem mit den Achsen d und q zu überführen.
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Die Vorrichtung V umfasst ferner zwei PI-Regler PI, welche signaleingangsseitig jeweils mit einem Signalausgang eines vorgeschalteten Subtrahierers signaltechnisch verbunden sind.
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Die beiden Subtrahierer sind jeweils über ihren jeweiligen negativen Signaleingang mit einem d-Ausgang bzw. einem q-Ausgang des Regelungsblocks zur d/q-Transformation CPT signaltechnisch verbunden. Über ihren jeweiligen positiven Signaleingang erhalten die beiden Subtrahierer jeweils eine der beiden Referenzgrößen für d-Strom und q-Strom des d/q-Koordinatensystems.
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Die Vorrichtung V umfasst ferner einen weiteren Regelungsblock zur α/β-Transformation ICT (auf Englisch „Inverse Clarke Transformation“), welche signaleingangsseitig mit Signalausgängen der jeweiligen PI-Reglern PI signaltechnisch verbunden ist und eingerichtet ist, die beiden Ausgangsgrößen der PI-Regler PI des Längs- und Querstromes in ein zweiachsiges Koordinatensystem mit den Achsen α und β zu überführen.
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Die Vorrichtung V umfasst ferner einen Hallsensor HS oder einen Resolver, welcher an der Synchronmaschine EM angeordnet ist und eingerichtet ist, die Drehzahl der Synchronmaschine EM zu erfassen. Signalausgangsseitig ist der Hallsensor HS mit Signaleingängen der jeweiligen Regelungsblöcke CPT, ICT signaltechnisch verbunden.
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Die Vorrichtung V umfasst ferner einen PWM-Signalgenerator PWM, welcher signaleingangsseitig mit beiden Signalausgängen des Regelungsblocks zur α/β-Transformation ICT signaltechnisch verbunden ist und eingerichtet ist, basierend auf Stromwerte Iα und Iβ des Koordinatensystem mit den Achsen α und β drei pulsweitenmodulierte Steuersignale zu generieren, mit denen die Leistungshalbleiterschalter der 3-Phasen-H-Brücke HB angesteuert ein-/ausgeschaltet werden und somit aus dem über die Versorgungsstromleitungen V+, V– zugespeisten Betriebsstrom drei Phasenströme Iu, Iv, Iw für die Synchronmaschine EM zu generieren.
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Mit der oben beschrieben Vorrichtung V kann die Synchronmaschine EM in einem Blockbetrieb betrieben werden. Die Funktionsweise des Blockbetriebs mit der oben beschriebenen Vorrichtung V ist dem Fachmann allgemein bekannt und wird deshalb auch nicht näher beschrieben.
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Im Vergleich zu einem PWM-Betrieb kann in dem Blockbetrieb durch bessere Spannungsausnutzung eine höhere Motorleistung erzielt werden.
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Allerdings weisen die Phasenspannungen bzw. die Phasenströme in dem Blockbetrieb Oberschwingungen auf, welche zu Störungen im Regelungsverhalten der Synchronmaschine EM führen können. Da für die Drehmoment- bzw. Leistungserzeugung bei der Synchronmaschine EM nur die Grundschwingung der Phasenspannungen bzw. die Phasenströme nutzbar ist, sollten die störenden Oberschwingungen möglichst unterdrückt bzw. eliminiert werden.
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Da das Aufspüren und das Unterdrücken von sämtlichen Oberschwingungen mit einem verhältnismäßig sehr hohen Aufwand verbunden sind und somit in ökonomischer Hinsicht kaum realisierbar sind, werden vorzugsweise nur die Oberschwingungen aufgespürt und unterdrückt, welche eine vergleichsweise hohe Amplitude aufweisen.
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In den Phasenströmen Iu, Iv, Iw weisen die 5te und die 7te Oberschwingung eine vergleichsweise hohe Amplitude auf, wie in 2A abgebildet sind. Die restlichen Oberschwingungen weisen vernachlässigbar kleine Amplituden auf.
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Nach der Transformation in das d/q-Koordinatensystem weist die 6te Oberschwingung des Längs- bzw. des Querstromes Id, Iq eine vergleichsweise hohe Amplitude auf, wie in 2B abgebildet sind.
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Um diese 6te Oberschwingung des Längs- bzw. des Querstromes Id, Iq durch Filtern zu unterdrücken, umfasst die oben beschriebe Vorrichtung V zwei Kerbfilter KF1, welche jeweils in den Signalverbindungen zwischen dem Regelungsblock zur d/q-Transformation CPT und den jeweiligen PI-Reglern PI angeschlossen sind.
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Die Vorrichtung V umfasst ferner eine Rechneranordnung RA, welche signalausgangsseitig mit jeweils einem Signaleingang der beiden Kerbfilter KF1 signaltechnisch verbunden ist.
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Die Rechneranordnung RA ist eingerichtet, aus der Grundfrequenz F0 der Grundschwindung, basierend auf der der Drehstrommotor EM feldorientiert geregelt wird, die Frequenzen der ausgewählten Oberschwingungen der bereitzustellenden Phasenströme zu berechnen. Dabei berechnet die Rechneranordnung RA die Frequenz F6 einer 6ten Oberschwingung (bzw. Harmonischen) anhand folgender Gleichung: F6 = 6·F0.
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Die Rechneranordnung RA ist ferner eingerichtet, anhand der berechneten Frequenzen der ausgewählten Oberschwingungen in einer dem Fachmann bekannten Weise Filterparameter für die Bandpassfilterung der 6ten Oberschwingung in dem Längs- und Querstrom Id, Iq des Regelungsblocks zur d/q-Transformation CPT durch die beiden Kerbfilter KF1 zu ermitteln bzw. zu berechnen und an die nachgeschalteten Kerbfilter KF1 weiterzuleiten.
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Die Kerbfilter KF1 filtern entsprechend den übermittelten Filterparametern aus dem Längs- und Querstrom Id, Iq die 6te Oberschwingung und leitet den gefilterten Längs- und Querstrom Id, Iq an die nachgeschalteten Subtrahierer bzw. PI-Regler PI weiter.
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In einer alternativen Ausführungsform können die Kerbfilter KF2 an den Phasenstromleitungen Pu, Pv, Pw angeschlossen und die 5te und die 7te Oberschwingungen der Phasenströme Iu, Iv, Iw filtern.
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Hierzu berechnet die Rechneranordnung RA aus der Grundfrequenz F0 der Grundschwingung die Frequenzen F5, F7 der 5ten und der 7ten Oberschwingung anhand folgender Gleichungen: F5 = 5·F0; F7 = 7·F0.
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Anschließend ermittelt bzw. berechnet die Rechneranordnung RA anhand der berechneten Frequenzen F5, F7 Filterparameter für die Bandpassfilterung der 5ten und der 7ten Oberschwingung in den Phasenströmen Iu, Iv, Iw und leitet die ermittelten Filterparameter an die nachgeschalteten Kerbfilter KF2 weiter.
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Die Kerbfilter KF2 filtern dann entsprechend den übermittelten Filterparametern aus den Phasenströmen Iu, Iv, Iw die 5te und die 7te Oberschwingung und leitet die gefilterten Phasenströme Iu, Iv, Iw über die Phasenstromleitungen Pu, Pv, Pw weiter an die Synchronmaschine EM weiter.
