DE102017215636A1 - Verfahren zur Verlustminimierung von Synchronmaschinen - Google Patents

Abstract

Bereitgestellt wird ein Verfahren zur Verlustminimierung von Synchronmaschinen, wobei über eine Regelung basierend auf bekannten Maschinenparametern eine gleichzeitige Minimierung des Eisenverlusts und des Kupferverlusts erfolgt, wobei das Verfahren ein iteratives Verfahren zur Berechnung der Sollströme ist, das zumindest vorgegebene Strom- und Spannungsbegrenzungen berücksichtigt und wobei durch das Verfahren der Stromverlust aufgrund des Eisenwiderstands kompensiert wird.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verlustminimierung von Synchronmaschinen.
• Permanenterregte Synchronmaschinen, auch PSM oder PMSM genannt, werden z.B. an Bord eines Kraftfahrzeugs für unterschiedliche Zwecke verwendet, z.B. zur Lenkkraftunterstützung, für einen Traktionsantrieb oder andere Antriebe. Eine PSM ist eine Drehfeldmaschine mit einem auf oder im Läufer angeordneten Permanentmagneten. Der zumindest eine Stator umfasst Wicklungen dreier oder mehr Phasen und bildet sich aus den mit einem Winkel von 120 Grad verteilten Phasen. Die Spulen der Phasen sind auf einem Umfang um eine Drehachse verteilt, gegenüber der der Rotor bezüglich des Stators drehbar gelagert ist. Bei den bisher verwendeten 3-phasigen PSM-Maschinen können die Zustandsgrößen wie Strom, Spannung, Fluss etc. in einem Drei-Koordinatensystem (u, v, w) oder in einem (d, q)- oder (α, β)-Koordinatensystem oder dargestellt werden.
• Durch die immer höheren Anforderungen an Synchronmaschinen besteht die Notwendigkeit, Verluste möglichst zu minimieren. Es gibt bereits unterschiedliche bereits bekannte Verfahren, um den optimalen Betriebspunkt bzw. die optimalen Referenzströme zu finden. 1 zeigt eine typische Struktur einer feldorientierten Regelung. Das gewünschte Drehmoment M* wird verwendet, um einen Satz an Strömen in d- und q-Richtung zu berechnen, welche das Drehmoment in der Maschine MA erzeugen. Hierzu werden die Ströme id und iq über einen PI-Regler an ein Entkopplungsnetzwerk zur Entkopplung E der d- und q- Komponenten, sowie nachfolgend über eine Pulsweitenmodulation PWM an einen Inverter Inv übergeben. Somit kann dann eine Regelung der Maschine MA erfolgen.
• Es gibt unterschiedliche Wege, um das Strompaar id, iq zu bestimmen. Typischerweise wird das Strompaar id, iq bei einer langsamen oder Grund- bzw. Leerlaufgeschwindigkeit derart gewählt, dass der Statorgesamtstrom I mit $$I=\sqrt{i_d^2+i_q^2}$$

  

  aufgrund der Kupferverluste minimiert wird, welche in diesem Geschwindigkeitsbereich dominieren. Somit können die Kupferverluste minimiert werden. Bei höheren Geschwindigkeiten wird das Strompaar id, iq derart gewählt, dass der Gesamtfluss A minimiert wird, da dadurch die Eisenverluste, welche bei höheren Geschwindigkeiten dominieren, minimiert werden können. Ferner können im Feldschwächebereich die MTPA-Punkte (MTPA = Maximum Torque per Ampere) aufgrund der durch die höhere Geschwindigkeit der Maschine induzierten Flussbegrenzung nicht erreicht werden. Deshalb sollte die Bestimmung der Referenzströme R dies ebenfalls berücksichtigen.
• Die bekannten Strategien können in bestimmten Fällen eine ausreichend gute Annäherung an den Betriebspunkt für minimalen Verlust erreichen. Sie können aber keinen allgemeingültigen Verlustminimierungsbetrieb bereitstellen. Dies kommt daher, dass eine MTPA-Strategie lediglich die Kupferverluste minimiert, und eine MTPV-Strategie (MTPV = Maximum Torque per Volt) lediglich die Eisenverluste minimiert. Aber es ist hinlänglich bekannt, dass der Gesamtverlust eine Kombination aus Kupfer-, Eisen-, Streu- und anderen Verlusten an jedem Betriebspunkt ist.
• Bekannte Lösungen hier sind beispielsweise eine Lösung mit einer Annäherung über ein Polynom 4. Grades, welches den Energie-optimalen Zustand beschreibt. Diese Lösungen sind rechenintensiv und können sich auf sehr starke Annahmen stützen, z.B. dass das Polynom 4. Grades aus einem Polynom 2. Grades angenähert wird. Auch haben manche Ansätze starke Probleme mit Konvergenz. Ferner sind Lösungen bekannt, die sich auf vorher berechnete Look-Up-Tabellen stützen. Diese Lösungen stützen sich auf Messungen, welche vor Inbetriebnahme durchgeführt wurden und optimale Punkte für unterschiedliche Momentenanforderungen identifizieren. Problematisch ist hier, dass die Parametervariabilität aufgrund Temperatureinflüssen, Herstellungsungenauigkeiten oder sogar Alterung nicht berücksichtigt werden können. Außerdem sind noch Lösungen mit Signaleinspeisung bekannt. Diese Lösungen verwenden ein separates Signal, welche zu den Kontrolleingaben hinzugefügt wird, um den Punkt zu finden, an dem das Moment für eine vorgegebene Stromreferenz maximal ist. Diese Verfahren benötigen zusätzliche Sensoren und Signalverarbeitungs-Algorithmen, um die Reaktion der Maschine auf das bzw. die eingeprägten Signale zu erfassen. Ein weiterer Nachteil ist, dass eine Momentenwelligkeit und akustisches Rauschen durch das eingeprägte Signal entstehen können.
• Die meisten der bekannten Lösungen bestimmen den Verlustminimierungspunkt indem die den Minimumpunkt des Stroms verwenden. Dies kann eine akzeptable Lösung für einige Anwendungen sein, ist aber noch keine optimale Lösung, vor allem bei höheren Geschwindigkeiten.
• Deshalb ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Verlustminimierungsverfahren für die energieeffiziente Regelung von Synchronmaschinen bereitzustellen, welches die oben genannten Nachteile überwindet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
• Kern der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verlustminimierung von Synchronmaschinen mit feldorientierter Regelung bereitzustellen, wobei sowohl Kupferverlust als auch Eisenverlust bei der Regelung berücksichtigt werden. Hierzu wird die Regelung basierend auf bekannten Maschinenparametern eingesetzt. Bei der Regelung kann es sich insbesondere um eine Online-Regelung handeln, also eine in Echtzeit durchgeführte Regelung, beispielsweise auf einem Steuergerät.
• Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
• Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
• 1 zeigt eine typische bekannte Struktur einer feldorientierten Regelung.
• 2 zeigt ein bekanntes Schaltbild einer Synchronmaschine in d-Achse mit Berücksichtigung von Eisenverlusten.
• 3 zeigt ein bekanntes Schaltbild einer Synchronmaschine in q-Achse mit Berücksichtigung von Eisenverlusten.
• 4 zeigt eine Struktur des vorgeschlagenen Verlustminimierungsverfahrens gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
• 5 zeigt ein Ablaufdiagramm des Feldschwächeverfahrens gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
• Kern der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verlustminimierung von Synchronmaschinen mit feldorientierter Regelung bereitzustellen. Vorteilhaft wird das Verfahren als ein Softwareprogrammprodukt implementiert, der basierend auf der Kenntnis der Maschinenparameter sowohl Kupferverluste P_cu als auch Eisenverluste P_fe in einem iterativen Verfahren durch Annäherung von zwei Punkten auf der id und iq-Kurve an den optimalen Punkt minimiert. Dabei besteht keine Beschränkung auf spezielle Synchronmaschinen. Das Verfahren kann bei mit feldorientierter Regelung eingesetzt werden, z.B. bei IPMSM (Interior permanent magnet synchronous motors bzw. Permanentmagnet-Synchronmotoren mit vergrabenen Magneten), SPMSM (Surface Permanent Magnet Synchronous Motor) oder RSM (Reluktanz-Synchronmaschine).
• 2 und 3 zeigen die entsprechenden Schaltbilder einer Synchronmaschine in d-Achse (2) und q-Achse (3), welche Eisenverluste P_fe berücksichtigen. In diesen Figuren sind Rs der Statorwiderstand und Rc der Eisenwiderstand. L_d, λ_d sind die Induktivität und der Fluss in der d-Achse, und L_q, λ_q sind die Induktivität und der Fluss in der q-Achse. ω_e ist die elektrische Rotorgeschwindigkeit. vd ist die in der d-Achse angelegte Spannung und vq ist die in der q-Achse angelegte Spannung, während i_cd, i_cq, i_od and i_oq die jeweiligen Ströme in den definierten Pfaden der Schaltung sind.
• Die Kupferverluste P_cu werden in Gleichung (1) beschrieben: $$P_{cu}=R_s\left[{\left(i_{od}+\frac{{\mathrm{\omega }}_{\text{e}}{\mathrm{\lambda }}_d}{R_c}\right)}^2+\left(i_{oq}+\frac{{\mathrm{\lambda }}_q{\omega }_e}{R_c}\right)\right]$$

  
• Der Fluss in d- und q-Achse ist gegeben durch $$\{\begin{array}{c}{\mathrm{\lambda }}_d=L_d{i}_{od}+{\mathrm{\Psi }}_{pm}\\ {\mathrm{\lambda }}_q=L_q{i}_{oq}\end{array}$$

  
• Für ein vorgegebenes Drehmoment bzw. Soll-Drehmoment T (aus dem Englischen für Torque=Drehmoment) gilt: $$i_{oq}=\frac{T}{1.5z_p\left({\Psi }_{pm}+\mathrm{\Delta }L{i}_{od}\right)}$$

  

  wobei zp die Polpaarzahl, ΔL die Differenz zwischen den Induktivitäten in der d- Richtung und der q-Richtung, also ΔL =L_d-L_q, und Ψ_pm der durch der PermanentMagneten erzeugte Fluss sind.
• Nun werden Gleichungen (2) und (3) in Gleichung (1) eingesetzt: $$P_{cu}=R_s\left[{\left(i_{od}+\frac{T{\omega }_e{L}_q}{1.5z_p{R}_c\left({\Psi }_{pm}+\mathrm{\Delta }L{i}_{od}\right)}\right)}^2+\left(\frac{T}{1.5z_p\left({\Psi }_{pm}+\mathrm{\Delta }L{i}_{od}\right)}+\frac{{\omega }_e{\left(L_d{i}_{od}+{\Psi }_{pm}\right)}^2}{R_c}\right)\right]$$

  
• Wenn nun Gleichung (4) nach i_od abgeleitet wird, ergibt sich: $$\frac{\partial P_{cu}}{\partial i_{od}}=2R_s\left\{i_{od}+\frac{{\omega }_e}{R_c}\left[\frac{{\lambda }_q}{{\lambda }_l}\left({\Psi }_{pm}-\frac{{\lambda }_q{\omega }_e\mathrm{\Delta }L}{R_c}\right)+L_d{i}_{od}\left(i_{oq}+{\omega }_e{\lambda }_d\right)\right]-\frac{i_{oq}\mathrm{\Delta }L}{{\lambda }_l}\left(i_{oq}+{\omega }_e{\lambda }_d\right)\right\}$$

  

  wobei gilt: $$\{\begin{array}{c}{\lambda }_l={\Psi }_{pm}+\mathrm{\Delta }L{i}_{od}\\ {\mathrm{\lambda }}_{\text{q}}=L_q{i}_{oq}=\frac{T{L}_q}{1.5z_p\left({\Psi }_{pm}+\mathrm{\Delta }L{i}_{od}\right)}\\ {\lambda }_d=L_d{i}_{od}+{\Psi }_{pm}\end{array}$$

  
• Dabei bezeichnen λ_l den aktiven Fluss bzw. den Flussanteil, welcher das Drehmoment erzeugt, λ_d den Fluss in d-Achse und λ_q den Fluss in q-Achse.
• Somit können die Eisenverluste P_fe wie folgt beschrieben werden: $$P_{fe}=\frac{{\omega }_e^2\left[{\left(L_d{i}_{od}+{\Psi }_{pm}\right)}^2+{\left(L_q{i}_{oq}\right)}^2\right]}{R_c}$$

  
• Nun werden Gleichungen (2) und (3) in Gleichung (7) eingesetzt: $$P_{fe}=\frac{{\omega }_e^2}{R_c}\left\{{\left(L_d{i}_{od}+{\Psi }_{pm}\right)}^2+{\left[\frac{L_{q}T}{1.5z_p\left({\Psi }_{pm}+\mathrm{\Delta }L{i}_{od}\right)}\right]}^2\right\}$$

  
• Wenn nun die Ableitung der Gleichung (8) nach i_od nimmt, ergibt sich: $$\frac{\partial P_{fe}}{\partial i_{od}}=\frac{{\omega }_e^2}{R_c}\left\{2\left(L_d{i}_{od}+{\Psi }_{pm}\right)L_d-\frac{2L_q^2{T}^2\mathrm{\Delta }L}{1.5z_p{\left({\Psi }_{pm}+\mathrm{\Delta }L{i}_{od}\right)}^3}\right\}$$

  
• Setzt man nun Gleichung (9) in Gleichung (6) ein, ergibt sich: $$\frac{\partial P_{fe}}{\partial i_{od}}=\frac{2{\omega }_e^2}{R_c}\left[{\lambda }_d{L}_d-\frac{{\lambda }_q^2\mathrm{\Delta }L}{{\lambda }_l}\right]$$

  
• Somit wird die Gesamtverlustminimierung $\frac{\partial P_{total}}{\partial i_{od}}$

  

  für ein vergebenes Drehmoment erreicht, wenn gilt: $$\frac{\partial P_{total}}{\partial i_{od}}=\frac{\partial \left(P_{cu}+P_{fe}\right)}{\partial i_{od}}=\frac{\partial P_{cu}}{\partial i_{od}}+\frac{\partial P_{fe}}{\partial i_{od}}=0$$

  
• Das Ergebnis wird vorteilhafterweise durch Verwendung eines Dichotomie-basierten Suchalgorithmus erreicht, der in 4 und 5 nachfolgend beschrieben wird.
• 4 zeigt eine Struktur des vorgeschlagenen Verlustminimierungsverfahrens nach einer Ausführung. Ausgehend von den beiden Startpunkten K1 und K2 wird der Mittenpunkt K_n zwischen K₁ und K₂ für den jeweiligen Iterationsschritt n erfasst.
• Die Startpunkte K₁ = (i_od1(0), i_oq(0)) und K₂ = (i_od2(0), i_oq2(0)) können dafür wie folgt gewählt werden, wobei generell gilt, dass K₂ auf der Drehmomentenkurve links von K₁ liegt bzw. liegen muss: $$K_1=\{\begin{array}{c}{i}_{od1\left(0\right)}=0\\ i_{oq1\left(0\right)}=\frac{T}{1.5z_p{\Psi }_{pm}}\end{array}$$

  

  $$K_2=\{\begin{array}{c}{i}_{od2\left(0\right)}\\ i_{oq2\left(0\right)}\end{array}$$

  
• Die Mittenpunkte K_n werden dann jeweils wie folgt berechnet: $$\{\begin{array}{c}{i}_{od\left(n\right)}=\frac{i_{od1\left(n-1\right)}+i_{od2\left(n-1\right)}}{2}\\ i_{oq\left(n\right)}=\frac{T}{1.5z_p\left({\Psi }_{pm}+\mathrm{\Delta }L{i}_{od\left(n\right)}\right)}\end{array}$$

  
• Um zu bestimmen, ob die Punkte innerhalb der Spannungsbegrenzung liegen (Kn in ellipse?), welche eine Ellipse ist, wird, wie oben bereits erwähnt, Gleichung (15) verwendet: $${\lambda }_d^2+{\lambda }_q^2\le {\lambda }_{max}^2=\frac{U_{FAmax}{}^2}{{\omega }_e^2}$$

  
• Der Term U_FAmax bezeichnet die maximal mögliche Strangspannung und kann auf unterschiedlichen Wegen bestimmt werden, je nachdem ob der Spannungsabfall auf dem Statorwiderstand berücksichtigt wird oder nicht. Die Spannungsbegrenzung ist eine Funktion von U_FAmax und der aktuellen Drehzahl ${\omega }_e^2$

  

  und wird durch die Verifizierung der in Gleichung (15) gegebenen Bedingung für jeden Iterationspunkt n des Dichotomie-basierten Suchalgorithmus berücksichtigt. Die Spannungsbegrenzung wird im id,iq-Koordinatensystem als Kreis dargestellt, wenn L_d gleich L_q ist und als eine Spannungsellipse, wenn L_d ungleich L_q ist.
• Wenn der Mittenpunkt K_n innerhalb der Spannungsbegrenzung (Kn in ellipse?; Y) liegt, wird verifiziert, ob der ausgewählte Punkt auf der rechten oder der linken Seite des gewünschten Verlust-Minimalpunktes liegt. Hierzu wird das Vorzeichen von $\frac{\partial P_{total}}{\partial i_{od}}=\frac{\partial P_{cu}}{\partial i_{od}}+\frac{\partial P_{fe}}{\partial i_{od}}$

  

  ausgewertet. Die Werte von $\frac{\partial P_{cu}}{\partial i_{od}}\text{ und }\frac{\partial P_{fe}}{\partial i_{od}}$

  

  werden gemäß Gleichungen (5) und (10) definiert. Wenn $\frac{\partial P_{total,n}}{\partial i_d}$

  

  kleiner als Null ist, wird K₂ verwendet, um sich dem Punkt $\frac{\partial P_{total,n}}{\partial i_d}=0$

  

  zu nähern. Wenn $\frac{\partial P_{total,n}}{\partial i_d}$

  

  größer als Null ist, wird K₁ verwendet, um sich dem Schnittpunkt der Strom- und Spannungskurve zu nähern. Die Annäherung an den Schnittpunkt der Strom- und Spannungskurve erfolgt in einem iterativen Verfahren mit n Schritten.
• In beiden genannten Fällen, also $\frac{\partial P_{total,n}}{\partial i_d}$

  

  kleiner als Null oder größer als Null, wird dann bestimmt, ob eine vorgegebene Grenze ε, welche die Toleranz des Algorithmus darstellt, eingehalten wird. Dazu wird die Variable |DiffNorm| verwendet, welche als der absolute Wert der Differenz zwischen zwei in Iterationsschritten aufeinanderfolgenden Strömen i_od definiert ist. Die Variable ε ist eine vorgegebene Grenze. Wenn |DiffNorm| größer als ε ist (N), wird wieder zum Anfang gesprungen, neue Mittenpunkte K_n erfasst und das Verfahren wird erneut durchlaufen. Wenn |DiffNorm| kleiner als ε ist (Y), werden die Sollströme i_dref und i_qref (in 1 als i_d* und i_q* bezeichnet) transformiert (300), wie nachfolgend beschrieben.
• Gleichung (16) zeigt die Transformation der berechneten Stromwerte in die Ströme (300), welche an die Maschine übergeben werden: $$\{\begin{array}{c}{i}_{dref}=i_{od}+\frac{{\lambda }_d}{R_c}\\ i_{qref}=i_{oq}+\frac{{\lambda }_{\text{q}}}{R_c}\end{array}$$

  
• Danach wird ermittelt, ob die transformierten Variablen $i_{od}+\frac{{\lambda }_d}{R_c}\text{ und }{i}_{oq}+\frac{{\lambda }_{\text{q}}}{R_c}$

  

  i_od innerhalb des maximal erlaubten Strombereichs I_max sind (301). Der Strombereich I_max ist eine durch die Auslegung der Maschine, z.B. durch die thermischen Eigenschaften der Maschine oder der Leistungselektronik, zu bestimmende Größe und ist deshalb als vorgegeben anzusehen. Wenn sie es sind (Y), dann werden die Variablen ausgegeben (303). Wenn sie es nicht sind (N), dann erfolgt eine Suche nach dem Schnittpunkt zwischen Strom- und Spannungskurve oder kurz dem Strom- und Spannungsschnittpunkt (302), da in diesem Fall der verlustoptimale Punkt noch nicht erreicht werden kann. Dann werden die Variablen ausgegeben (303).
• Wenn nach Ermitteln der Mittenpunkt K_n nicht innerhalb der Spannungsbegrenzung liegt (Kn in ellipse?; N), wird geprüft, ob K₂ innerhalb der Spannungsellipse (K2 in ellipse?) liegt. Wenn ja (Y) erfolgt eine Feldschwächung (203), wie nachfolgend bezogen auf 5 beschrieben, und danach werden die Sollströme i_dref und i_qref wie oben beschrieben transformiert (300) und die restlichen Schritte bis zur Ausgabe der Variablen werden, wie ebenfalls oben beschrieben, ausgeführt.
• Wenn K₂ nicht innerhalb der Spannungsellipse liegt (N), dann wird eine MTPF, d.h. eine Maximum Torque per Flux Control bzw. ein Maximum Torque per Flux-Verfahren, angewendet und danach werden die Bezugsvariablen i_dref und i_qref wie oben beschrieben transformiert (300) und die restlichen Schritte bis zur Ausgabe der Variablen werden, wie ebenfalls oben beschrieben, ausgeführt.
• Die Blöcke MTPF sowie Strom- und Spannungsschnittpunkt (302) können unter Verwendung analytischer oder numerischer Lösungen implementiert werden.
• Bezug nehmen auf 5 wird nachfolgend das Verfahren der Feldschwächung 203 aus 4 beschrieben. Ausgangspunkt ist, dass K₂ innerhalb der Spannungsbegrenzung liegt. Dann wird K_n als Wert für K₁ verwendet und der Mittenpunkt K'_n zwischen K_n und K₂ bestimmt. Dann wird ermittelt, ob dieser Punkt K'_n innerhalb (Y) oder außerhalb (N) der Spannungsellipse (K'n in ellipse?) liegt.
• Wenn der Mittenpunkt K'_n außerhalb (N) der Spannungsellipse liegt, wird der erste Startpunkt K₁ zur Annäherung an den optimalen Punkt verwendet, d.h. in Richtung von K'_n für den nächsten Iterationsschritt n+1 verschoben, und als Ausgabewert Kout wird der Wert K2 ausgegeben. Dann erfolgt der Vergleich, ob |DiffNorm| größer als ε (N) oder kleiner als ε (Y) ist. Wenn |DiffNorm| kleiner als ε (Y) ist, wird Kout ausgegeben. Wenn |DiffNorm| größer als ε (N) ist, wird wieder zum Anfang gesprungen und neue Mittenpunkte erfasst und das Verfahren wird erneut durchlaufen.
• Wenn der Mittenpunkt K'_n innerhalb (Y) der Spannungsellipse liegt, wird wie oben beschrieben ermittelt, ob $\frac{\partial P_{total,n}}{\partial i_d}$

  

  größer als Null (Y) oder kleiner als Null ist (N).
• Wenn $\frac{\partial P_{total,n}}{\partial i_d}$

  

  größer als Null ist (Y), wird K₁ zur Annäherung an den optimalen Punkt verwendet und K'n als Kout ausgegeben. Dann erfolgt der Vergleich, ob |DiffNorm| größer als ε (N) oder kleiner als ε (Y) ist. Wenn |DiffNorm| kleiner als ε (Y) ist, wird Kout ausgegeben. Wenn |DiffNorm| größer als ε (N) ist, wird wieder zum Anfang gesprungen und neue Mittenpunkte erfasst.
• Wenn $\frac{\partial P_{total,n}}{\partial i_d}$

  

  kleiner als Null ist (N), wird K₂ zur Annäherung an den optimalen Punkt verwendet und K'n als Kout ausgegeben. Dann erfolgt der Vergleich, ob |DiffNorm| größer als ε (N) oder kleiner als ε (Y) ist. Wenn |DiffNorm| kleiner als ε (Y) ist, wird Kout ausgegeben. Wenn |DiffNorm| größer als ε (N) ist, wird wieder zum Anfang gesprungen und neue Mittenpunkte erfasst.
• Durch die iterative Anpassung, welche erfolgt, indem für jeden Schritt ermittelt wird, ob $\frac{\partial P_{total,n}}{\partial i_d}$

  

  größer oder kleiner Null ist und dann der entsprechende Wert K1 oder K2 als neuer Startwert für die nächste Iteration gesetzt wird und der andere der beiden Werte bestehen bleibt, kann eine Leistungsoptimierung erfolgen. Der optimale Punkt ist idealerweise erreicht, wenn $\frac{\partial P_{total,n}}{\partial i_d}=0$

  

  ist.
• Das Verfahren kann für SPMS-Maschinen eingesetzt werden, wenn die Induktivitäten der d-Achse und der q-Achse gleich gesetzt werden, also L_d = L_q. Wenn der Fluss zu Null gesetzt wird, also Ψ_pm = 0, dann kann das Verfahren für Reluktanz-Synchron-Maschinen eingesetzt werden.
• Das Verfahren kann als Softwareprogrammprodukt auf einem Steuergerät ausgeführt werden, wobei bevorzugt der Regler als Softwareprogramm bzw. Algorithmus ausgeführt ist.

Claims (10)

1. Verfahren zur Verlustminimierung (P_total) von Synchronmaschinen, wobei über eine Regelung basierend auf bekannten Maschinenparametern eine gleichzeitige Minimierung des Eisenverlusts (P_fe) und des Kupferverlusts (P_cu) erfolgt, wobei das Verfahren ein iteratives Verfahren zur Berechnung der Sollströme (i_dref; i_qref) ist, das zumindest vorgegebene Strom- und Spannungsbegrenzungen berücksichtigt und wobei durch das Verfahren der Stromverlust aufgrund des Eisenwiderstands (P_fe) kompensiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei gilt: $$\frac{\partial P_{cu}}{\partial i_{od}}=2R_s\left\{i_{od}+\frac{{\omega }_e}{R_c}\left[\frac{{\lambda }_q}{{\lambda }_l}\left({\lambda }_{pm}-\frac{{\lambda }_q{\omega }_e\mathrm{\Delta }L}{R_c}\right)+L_d{i}_{od}\left(i_{oq}+{\omega }_e{\lambda }_d\right)\right]-\frac{i_{oq}\mathrm{\Delta }L}{{\lambda }_l}\left(i_{oq}+{\omega }_e{\lambda }_d\right)\right\}$$

   

   mit $$\{\begin{array}{c}{\mathrm{\lambda }}_{\text{l}}={\mathrm{\Psi }}_{\text{pm}}+\mathrm{\Delta }{\text{Li}}_{\text{od}}\\ {\mathrm{\lambda }}_{\text{q}}={\text{L}}_{\text{q}}{\text{i}}_{\text{oq}}=\frac{{\text{TL}}_{\text{q}}}{1.5{\text{z}}_{\text{p}}\left({\mathrm{\Psi }}_{\text{pm}}+\mathrm{\Delta }{\text{Li}}_{\text{od}}\right)}\\ {\mathrm{\lambda }}_{\text{d}}={\text{L}}_{\text{d}}{\text{i}}_{\text{od}}+{\mathrm{\Psi }}_{\text{pm}}\end{array}$$

   

   wobei gilt: R_s Statorwiderstand R_c Eisenwiderstand Ψ_PM Permanentmagnetfluss der Maschine ω_e elektrische Rotorgeschwindigkeit L_q, λ_q Induktivität und Fluss in der q-Achse L_d, λ_d Induktivität und Fluss in der d-Achse λ_l Drehmomentbildender Fluss ΔL Differenz zwischen L_d und L_q
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei gilt: $$\frac{\partial P_{fe}}{\partial i_{od}}=\frac{2{\omega }_e^2}{R_c}\left[{\lambda }_d{L}_d-\frac{{\lambda }_q^2\mathrm{\Delta }L}{{\lambda }_l}\right]$$

   
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei als Startpunkte der erste Startpunkt K₁ = (i_od1(0), i_oq1(0)) wie folgt gewählt wird: $$K_1=\{\begin{array}{c}{i}_{od1\left(0\right)}=0\\ i_{oq1\left(0\right)}=\frac{T}{1.5z_p{\lambda }_{pm}}\end{array}$$

   

   wobei der zweite Startpunkt K₂ derart gewählt wird, dass er auf der Drehmomentenkurve links von K₁ liegt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Mittenpunkt (K_n) für jeden Iterationsschritt für die d-Achse und die q-Achse wie folgt berechnet wird: $$\{\begin{array}{c}{i}_{od\left(n\right)}=\frac{i_{od1\left(n-1\right)}+i_{od2\left(n-1\right)}}{2}\\ i_{oq\left(n\right)}-\frac{T}{1.5z_p\left({\lambda }_{pm}+\mathrm{\Delta }L{i}_{od\left(n\right)}\right)}\end{array}$$

   
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei ermittelt wird, ob der Mittenpunkt (K_n) innerhalb eines vorgegebenen Spannungsbereichs liegt und wenn nicht, ermittelt wird, ob der zweite Startpunkt (K2) innerhalb des vorgegebenen Spannungsbereichs liegt, wobei - wenn dieser innerhalb des vorgegebenen Spannungsbereichs liegt, eine Feldschwächung (203) durchgeführt wird und dann die erhaltenen Sollströme (i_dref; i_qref) transformiert (300) und abhängig davon, ob sie innerhalb eines vorgegebenen Strombereichs liegen (301), entweder direkt (303) oder nach einem weiteren Schritt (302) ausgegeben werden, und - wenn er es nicht tut, eine MTPF-Regelung durchgeführt wird, und dann die erhaltenen Sollströme (i_dref; i_qref) transformiert (300) und abhängig davon, ob sie innerhalb eines vorgegebenen Strombereichs liegen (301) entweder direkt (303) oder nach einem weiteren Schritt (302) ausgegeben werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei wenn ermittelt wird, dass der Mittenpunkt (K_n) innerhalb eines vorgegebenen Spannungsbereichs liegt, ermittelt wird, ob die Ableitung des Gesamtverlusts nach dem Strom in der d-Achse $\frac{\partial P_{total,n}}{\partial i_d}$

   

   kleiner als Null ist oder nicht, wobei - wenn dieser kleiner als Null ist, der zweite Startwert (K2) als Sollströme (i_dref; i_qref) verwendet wird, ein Vergleich durchgeführt wird, ob eine vorgegebene Grenze (ε) betragsmäßig überschritten wird, und wenn dies nicht der Fall ist, die erhaltenen Sollströme (i_dref; i_qref) transformiert (300) und abhängig davon, ob sie innerhalb eines vorgegebenen Strombereichs liegen (301) entweder direkt (303) oder nach einem weiteren Schritt (302) ausgegeben werden, und - wenn dieser nicht kleiner als Null ist, der erste Startwert (K1) als Sollströme (i_dref; i_qref) verwendet wird, ein Vergleich durchgeführt wird, ob eine vorgegebene Grenze (ε) betragsmäßig überschritten wird, und wenn dies nicht der Fall ist, die erhaltenen Sollströme (i_dref; i_qref) transformiert (300) und abhängig davon, ob sie innerhalb eines vorgegebenen Strombereichs liegen (301) entweder direkt (303) oder nach einem weiteren Schritt (302) ausgegeben werden.
8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Feldschwächung (203) durchgeführt wird, indem ermittelt wird, ob der Mittenpunkt (K'_n) zwischen dem zweiten Startwert (K2) und dem Mittenpunkt des vorherigen Schritts (K'n) innerhalb des vorgegebenen Spannungsbereichs liegt, und - wenn er dies nicht tut, der erste Startpunkt (K1) zur Annäherung an den optimalen Punkt verwendet wird, und der zweite Startpunkt (K2) als Ausgabewert (Kout) ausgegeben wird, und dann der Vergleich durchgeführt wird, ob eine vorgegebene Grenze (ε) betragsmäßig überschritten wird, und wenn dies nicht der Fall ist, die erhaltenen Sollströme (i_dref; i_qref) transformiert (300) und abhängig davon, ob sie innerhalb eines vorgegebenen Strombereichs liegen (301) entweder direkt (303) oder nach einem weiteren Schritt (302) ausgegeben werden, - wenn er dies tut und , ermittelt wird, ob $\frac{\partial P_{total,n}}{\partial i_d}$

   

   kleiner als Null ist oder nicht, wobei - wenn $\frac{\partial P_{total,n}}{\partial i_d}$

   

   kleiner als Null ist, der zweite Startwert (K2) zur Annäherung an den optimalen Punkt verwendet wird und der Mittenpunkt des vorherigen Schritts (K'n) als Ausgabewert (Kout) verwendet wird und ein Vergleich durchgeführt wird, ob die vorgegebene Grenze (ε) betragsmäßig überschritten wird, und - wenn $\frac{\partial P_{total,n}}{\partial i_d}$

   

   größer als Null ist, der erste Startwert (K1) zur Annäherung an den optimalen Punkt verwendet wird und der Mittenpunkt des vorherigen Schritts (K'n) als Ausgabewert (Kout) als Ausgabewert (Kout) verwendet wird und ein Vergleich durchgeführt wird, ob die vorgegebene Grenze (ε) betragsmäßig überschritten wird, wobei in beiden Fällen, wenn die vorgegebene Grenze (ε) betragsmäßig nicht überschritten wird, ein der Ausgabewert (Kout) ausgegeben wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Regelung als Softwareprogrammprodukt ausgeführt ist.
10. Steuergerät, das welches dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.

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