-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Identifikation von synchronen Induktivitäten einer Synchronmaschine und eine Vorrichtung zur Umsetzung eines solchen Verfahrens.
-
Es sind aus dem Stand der Technik Ansätze zur Messung von Induktivitäten zur systematischen Beschreibung einer Synchronmaschine bekannt. In
US 2008297170 A1 ist ein Verfahren zur dynamischen Induktivitätsmessung eines elektrischen Motors offenbart. Hierbei werden als Ergebnisse aber keine synchronen Induktivitäten L
d, L
q erzeugt, wie sie im Rahmen einer Raumzeigermodulation zur Regelung einer Drehstrom-Synchronmaschine benötigt werden.
-
Aus der
EP 2 963 226 A1 ist einer weitere Methode zur Identifikation von Induktivitätsparametern von elektrischen Synchronmaschinen beschrieben, bei der Induktivitäten L
q und L
d jeweils in Richtung von q- und d-Achsen unter Auswertung von Antworten auf hochfrequente Einspeise-Signale berechnet werden. Grundsätzlich stellt sich eine Beaufschlagung einer Synchronmaschine mit Signalen zusätzlicher Frequenzen jedoch hinsichtlich eines normalen Betriebs und insbesondere im Hinblick auf mögliche Resonanzen als problematisch dar. Zudem ist der hier offenbarte Ansatz durch eine prinzipielle Vernachlässigung von Stromänderungen dl/dt eine sehr grobe Vereinfachung, die wohl nur eine Anwendung auf stationäre Betriebsfälle von Synchronmaschinen finden kann. Für den praktischen Einsatz können jedoch gerade Stromänderungen nie ausgeschlossen werden.
-
Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, ein Verfahren zur Identifikation synchroner Induktivitäten einer Synchronmaschine und eine Vorrichtung zur dessen Umsetzung zu schaffen, die eine genauere und damit zuverlässigere Basis für die Regelung einer Synchronmaschine darstellen.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die synchronen Induktivitäten Ld, Lq in Form eines zweidimensionalen Kennwerte- oder Kennlinienfeldes mit den Parametern bzw. Variablen id und iq bestimmt werden. Damit werden vorteilhafterweise Nichtlinearitäten, die insbesondere durch Sättigungseffekte hervorgerufen werden, nun besser berücksichtigt.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Demnach werden die synchronen Induktivitäten L
d, L
q mit den Parametern bzw
. Variablen i
d und i
q anhand der beiden folgenden Gleichungen bestimmt:
mit
- Rs als messbarem Stator-Widerstand der betreffenden Synchronmaschine,
- Ud_end, uq_end Sollwerte der Spannungen in d- und q-Achse als Eingangssignale des Inverters zur Ansteuerung der Synchronmaschine und
- id_ist, iq_ist messbare Stromniveaus und
- tstart, tend Startzeit und Endzeit der Integration.
-
Eine Basis bildet der Ansatz, wonach die Induktivitäten Ld (id, iq) und Lq (id, iq) im Stillstand der Synchronmaschine bestimmt werden. Dazu wird der Rotor der Synchronmaschine festgebremst und somit die Winkelgeschwindigkeit auf 0 gesetzt bzw. dementsprechend in die Gleichungen ωel = 0 eingesetzt. Mit dieser Vereinfachung wird die Flussverkettung sowie die Sättigungsabhängigkeit der gesuchten synchronen Induktivitäten Ld, Lq dennoch dadurch berücksichtigt, dass die Ergebnisse wahlweise in Form eines zweidimensionalen Kennwerte- oder eines zweidimensionalen Kennlinienfeldes mit id und iq als Parametern oder Variablen aufgeführt werden.
-
Dementsprechend sieht eine Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung vor, dass eine Synchronmaschine mit festgebremstem Rotor an Einrichtungen zur Messung eines Stator-Widerstands R
s sowie der Ströme I
u, I
v,I
w in den drei Phasen angeschlossen ist, wobei die Einrichtungen zur Messung der genannten Messwerte mit einem Modul zur Umsetzung einer Clarke-Park-Transformation zur Ausgabe der vektoriellen Größen i
d und i
q verbunden sind. Die d- und q-Ausgänge des Transformationsmoduls sind jeweils mit einer Schaltung zur Ausführung der Funktion F(i, u) mit
verbunden. An den Ausgängen diese Teil-Schaltung liegen dann die gesuchten synchronen Induktivitäten L
d, L
q als Ergebnisse F
d (i
d, u
d) und F
q (i
q, u
q) vor.
-
In einer wesentlichen Weiterbildung der Erfindung wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Gesamtwiderstand RΣ als Summe des messbaren Stator-Widerstands Rs und eines einstellbaren seriellen Widerstands geregelt. Dabei wird die Regelung des einstellbaren seriellen Widerstands (Rz) durchgeführt, um einerseits eine Sollspannung am Eingang, andererseits eine Dauer von Stromübergängen über eine Zeitkonstante τ = L / RΣ mit RΣ = Rs + Rz in Bezug auf eine jeweilige Messauflösung optimal einstellen zu können.
-
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass auf Basis eines tatsächlich messbar erreichten Stromniveau id_end_ist und iq_end_ist zur besseren Regelung unter Verwendung eines jeweiligen Korrekturfaktors Kd_korr, Kq_korr auf Sollspannungen oder entsprechende Sollströme zurückgerechnet wird. Damit werden Ungenauigkeiten bei der Raumzeigermodulation und der Pulsweitenmodulation in einem Betrieb mit offener Regelschleife bzw. open-loop-Betrieb der Synchronmaschine ausgeglichen werden, die sonst zu Abweichungen und Ungenauigkeiten der realen Spannungen von jeweiligen theoretischen Werten verursachen. Gemäß den Formeln beruhen diese Korrekturen als Faktoren rein auf Strommessungen und nicht auf Spannungsmessungen.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ist-Ströme id_end_ist und iq_end_ist sowie die korrigierten Sollspannungen Ud_korr, Uq_korr mit Tiefpassfiltern gefiltert werden. Die Filterzeitkonstante für beide Signale - Spannung und Strom - ist dabei gleich groß vorzugeben. Durch diese Maßnahme wird der Einfluss von Stromrauschen auf die Messgenauigkeit sehr vorteilhaft reduziert.
-
Vorzugsweise ist eine Toleranz und Genauigkeit des vorstehend beschriebene Verfahrens auf die Weise einstellbar, dass entweder eine Zeitdauer Δt = tend - tstart für die Integration vorgegeben oder ein Konvergenzkriterium ε oder eine sonstige Schwelle definiert wird, um eine Beendigung bzw. einen Abbruch der Integration herbeizuführen. Ein solches Konvergenzkriterium ε wird in einer Ausführungsform der Erfindung dadurch gebildet, dass die entsprechenden Spannungen für die gewünschten Ströme id und iq als Sprungfunktion vorgegeben und der Integrationsprozess bis zum Unterschreiten einer bestimmten Toleranzgrenze der Differenzspannungen Ud_soll_korr_filt - Rsid_ist_filt bzw. Uq_soll_korr_filt - Rsiq_ist_filt durchgeführt werden.
-
Am Ende des Integrationsprozesses erhält man direkt die gesuchten Induktivitäten Ld (id, iq) und Lq (id, iq) als Ergebnisse. Ein großer Vorteil eines vorstehend beschriebenen Verfahrens besteht dabei darin, dass jede beliebige Sollspannungssignalform angelegt werden kann. Zudem werden statt Phasenspannungen die synchronen Spannungen Ud und Uq über reine Strommessungen eingestellt, wie sie über den der Synchronmaschine vorgeschalteten dreiphasigen Inverter regelbar sind. Das beschriebene Regelungssystem übernimmt als Vorrichtung zur Ausführung des mit Weiterbildungen beschriebenen Verfahrens mit dem Integrieren der Eingangsgrößen, der Überwachung von Toleranzen sowie einer jeweiligen Messzeit zudem auch die gesamte Messfunktionalität. Ein zusätzlicher Aufwand an Hardware ist damit nicht erforderlich, insbesondere also keine Spannungs-, Moment- und/oder Drehzahlmessung.
-
Da die Messung weiter im d/q-Koordinatensystem erfolgt, werden als Ergebnisse nicht Phaseninduktivitäten, sondern die synchronen Induktivitäten Ld, Lq ermittelt. Die synchronen Induktivitäten Ld, Lq sind für die Regelbarkeit einer Synchronmaschine notwendig und können dort direkt eingesetzt werden. Eine genaue Einstellung einer Sollspannung in der Amplitude des Spannungspulses ist nicht notwendig, da diese Werte durch die Korrekturfaktoren Kd_korr und Kq_korr angepasst werden können.
-
Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsgemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:
- 1: ein Blockschaltbild eines grundsätzlichen Aufbaus einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Identifikation von synchronen Induktivitäten einer Synchronmaschine und
- 2: zusätzliche Verbesserungen in einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung der genannten Art in einem Blockschaltbild analog der Abbildung von 1.
-
Über die Ausführungsbeispiele hinweg werden nachfolgend für gleiche Bestandteile und Verfahrensschritte stetes gleiche Bezeichnungen und Bezugszeichen verwendet.
-
1 zeigt ein Blockschaltbild eines grundsätzlichen Aufbaus einer Vorrichtung 1 zur Ermittlung synchroner Induktivitäten Ld , Lq zur Regelung einer elektrischen Drehstrom-Synchronmaschine 2, die über einen dreiphasigen Inverter 3 angesteuert wird. Als Eingangsgrößen werden dabei hier nur die Ströme Iu , Iv,Iw der drei Phasen durch Strommesser und ein Widerstand Rs eines Stators der Drehstrom-Synchronmaschine 2 durch ein Ohm-Meter als entsprechende Einrichtungen 4 gemessen. Durch eine Regelung des dreiphasigen Inverters 3 werden in der d/q-Ebene die Spannungen Ud_end und Uq_end bestimmt. Die gemessenen Ströme Iu , Iv , Iw der drei Phasen werden einer Clarke-Park Transformation unterworfen, indem sie in ein Transformationsmodul T eingespeist werden, das als Ergebnis die Ströme Id und Iq in der komplexen d/q-Ebene liefert.
-
Durch eine nachfolgende Schaltung werden durch zeitdiskrete Integration schließlich die Formeln
berechnet. Als Ausgangsgrößen der Vorrichtung
1 werden so die gesuchten synchronen Induktivitäten
Ld (id ,
iq ) und
Lq (id ,
iq ) als Ergebnisse in Form eines zweidimensionalen Kennwerte- oder Kennlinienfeldes mit den Parametern i
d und i
q erhalten.
-
2 stellt nun zahlreiche zusätzliche Verbesserungen des vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiels in einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung dar. Dazu ist das Blockschaltbild analog der Abbildung von 1 an verschiedenen Stellen erweitert worden. In Übereinstimmung mit dem Ausführungsbeispiel von 1 werden aber weiterhin als Eingangsgrößen nur die Ströme Iu , Iv , Iw der drei Phasen der Drehstrom-Synchronmaschine 2 durch Strommesser und der Widerstand Rs eines Stators der Drehstrom-Synchronmaschine 2 durch ein Ohm-Meter gemessen. Das wird unverändert durch Messeinrichtungen 4 angedeutet.
-
Zu den Erweiterungen und den jeweils damit erzielbaren Verbesserungen:
- • Auf der Eingangsseite des dreiphasigen Inverters 3 werden nun aber nicht nur die Spannungen Ud_end und Uq_end in der d/q-Ebene bestimmt. Vielmehr wird hier nun dem Umstand Rechnung getragen, dass u.a. aufgrund von Ungenauigkeiten z.B. der Regelung oder der Transformationen Spannungen an der Eingangsseite des dreiphasigen Inverters 3 anliegen, die nicht den jeweils errechneten Idealwerten entsprechend. Daher werden zum Ausgleich nun Korrekturfaktoren Kd_korr , Kq_korr angewendet, um dem dreiphasigen Inverter 3 verbesserte Spannungswerte Ud_korr , Uq_korr zuzuführen.
- • Weiter wird einem jeweils gemessenen Statorwiderstand Rs ein einstellbarer Widerstand durch eine serielle Schaltungsanordnung hinzugefügt, so dass sich ein nun einstellbarer Gesamtwiderstand RΣ ergibt. Über diese Widerstandsregelung wird u.a. erreicht, dass einerseits eine Sollspannung am Eingang, andererseits eine Dauer von Stromübergängen über eine Zeitkonstante τ = L/RΣ mit RΣ = Rs + Rz in Bezug auf eine jeweilige Messauflösung optimal einzustellen sind. Dieser Gesamtwiderstand RΣ nimmt auch die Stelle des reinen Statorwiderstands Rs in der abschließenden diskreten Integration ein.
- • Ferner werden die Ist-Ströme id_end_ist und iq_end_ist sowie die korrigierten Sollspannungen Ud_korr , Uq_korr mit Tiefpassfiltern gefiltert. Die Filterzeitkonstante für beide Signalarten - Spannung und Strom - ist dabei gleich groß vorzugeben. Durch diese Maßnahme wird der Einfluss von Stromrauschen auf die Messgenauigkeit sehr vorteilhaft reduziert.
- • Schließlich wird eine Toleranz oder Genauigkeit des vorstehend beschriebene Verfahrens auf die Weise eingestellt, dass entweder eine Zeitdauer Δt = tend - tstart für die Integration vorgegeben oder ein Konvergenzkriterium ε oder eine sonstige Schwelle definiert wird, um eine Beendigung bzw. einen Abbruch der Integration herbeizuführen.
-
Als Ausgangsgrößen bzw. Ergebnisse der Vorrichtung 1 werden auch in diesem Ausführungsbeispiel wieder synchrone Induktivitäten Ld (id , iq ) und Lq (id , iq ) unter Berücksichtigung einer internen Kopplung in Form zweidimensionaler Ergebnis-Felder erhalten. Diese Ergebnisse ermöglichen nun aber eine deutlich verbesserte Steuerung und Regelung der betreffenden Synchronmaschine 2.
-
Vorteilhafterweise werden im Rahmen des vorstehend beschriebenen Verfahrens keine zusätzlichen Messvorrichtungen benötigt oder eventuell störende Mess- und Hilfssignale in die betreffende Synchronmaschine 2 eingeprägt und nachher ausgewertet. Bei gegenüber eingangs beschriebenen bekannten Ansätzen gesenktem zusätzlichem Aufwand trägt das zugleich erkennbar zur Stabilität der Regelung der betreffenden Synchronmaschine 2 bei.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Regelungsvorrichtung
- 2
- Drehstrom-Synchronmaschine
- 3
- dreiphasiger Inverter
- 4
- Einrichtungen zur Messung von Stator-Widerstand (Rs ) und Strömen (Iu , Iv , Iw )
- ε
- Konvergenzkriterium oder Schwelle zum Abbruch der Integration
- Iu, Iv, Iw
- Ströme der drei Phasen (Eingangsgrößen)
- id_end_ist, iq_end_ist
- messbar erreichten Stromniveaus
- id_ist, iq_ist
- messbare Stromniveaus
- Id, Iq
- Ströme in der d/q-Ebene - Variablen und Parameter zu dem Ergebnis Ld , Lq
- Kd_korr, Kq_korr
- Korrekturfaktoren
- Ld, Lq
- synchrone Induktivitäten der Drehstrom-Synchronmaschine 2
- Rs
- gesamter Widerstand eines Stators der Drehstrom-Synchronmaschine 2
- Rz
- einstellbarer serieller Widerstand
- RΣ
- Gesamtwiderstand
- TP
- Tiefpassfilter
- Ld (id, iq)
- synchrone Induktivität / Ergebnis
- Lq (id, iq)
- synchrone Induktivität / Ergebnis
- Δt
- Zeitdauer
- T
- Transformationsmodul
- TP
- Tiefpassfilter
- tstart
- Startzeit der Integration
- tend
- Endzeit der Integration
- τ
- Zeitkonstante
- ud_end, uq_end
- Sollwerte der Spannungen in d- und q-Achse
- Ud_korr, Uq_korr
- korrigierte Sollspannungen in der d/q-Ebene
- Ud_soll, Uq_soll
- Sollspannungen in der d/q-Ebene
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 2008297170 A1 [0002]
- EP 2963226 A1 [0003]