DE102019220103A1 - Method and device for operating an electrical machine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum geregelten Betreiben einer mehrphasigen elektrischen Maschine (2) mit mehreren in Deltaschaltung verschalteten Phasensträngen (23), mit folgenden Schritten:- Bereitstellen einer Regelabweichung,- Regeln des Betriebs der elektrischen Maschine (2) abhängig von rechnerisch ermittelten Ist- Strangströmen, um Klemmenpotenzialangaben (Su, Sv, Sw) für die Ansteuerung eines Wechselrichters (3) bereitzustellen, der entsprechend Klemmenpotenziale (Vu, Vv, Vw) an die elektrische Maschine (2) anlegt, wobei die Ist- Strangströme (Iaist, Ibist, Icist) mithilfe eines Maschinenmodells abhängig von den Klemmenpotenzialen (Vu, Vv, Vw) ermittelt werden, wobei das Maschinenmodell von einer Induktivitätsmatrix abhängt, die magnetische Eigenschaften der elektrischen Maschine so bestimmt, dass durch diese Spannungsdifferenzen zwischen den Klemmenpotenzialen (Vu, Vv, Vw) auf die Ist- Strangströme (Iaist, Ibist, Icist) abgebildet werden.The invention relates to a method for the controlled operation of a multiphase electrical machine (2) with several phase strands (23) connected in a delta circuit, with the following steps: - providing a control deviation, - regulating the operation of the electrical machine (2) depending on the computationally determined actual String currents to provide terminal potential information (Su, Sv, Sw) for controlling an inverter (3), which applies terminal potentials (Vu, Vv, Vw) to the electrical machine (2), whereby the actual string currents (Iaist, Ibist, Icist) can be determined with the help of a machine model depending on the terminal potentials (Vu, Vv, Vw), whereby the machine model depends on an inductance matrix that determines the magnetic properties of the electrical machine in such a way that these voltage differences between the terminal potentials (Vu, Vv, Vw) can be mapped onto the actual line currents (Iaist, Ibist, Icist).
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft allgemein elektrische Maschinen, insbesondere Verfahren zum Betreiben elektrischer Maschinen, die ein Maschinenmodell zur Modellierung einer Betriebsgröße der elektrischen Maschine verwenden.The invention relates generally to electrical machines, in particular to methods for operating electrical machines that use a machine model for modeling an operating variable of the electrical machine.
Technischer HintergrundTechnical background
Sowohl zur Simulation als auch zum Betrieb elektrischer Maschinen wird ein Maschinenmodell verwendet, das eine Beziehung zwischen Phasenspannungen und Strangströmen der elektrischen Maschine abbildet. Kern dieses Maschinenmodells ist eine Induktivitätsmatrix, deren Elemente läuferlageabhängige Stranginduktivitäten und Kopplungsinduktivitäten aufweisen. Zur Verwendung dieses Maschinenmodells ist üblicherweise eine Invertierung der Induktivitätsmatrix notwendig, was aufgrund der Lageabhängigkeit der einzelnen Elemente der Induktivitätsmatrix komplex und nicht trivial ist.A machine model that depicts a relationship between phase voltages and phase currents in the electrical machine is used for both simulation and operation of electrical machines. The core of this machine model is an inductance matrix, the elements of which have phase inductances and coupling inductances that are dependent on the rotor position. To use this machine model, it is usually necessary to invert the inductance matrix, which is complex and not trivial due to the position dependency of the individual elements of the inductance matrix.
Bisherige Ansätze zur Implementierung des Maschinenmodells nutzen eine Park-Transformation in ein läuferfestes Koordinatensystem, die in der Regel verlustbehaftet ist. Andere Ansätze vereinfachen das Maschinenmodell durch die Annahme, dass die Kopplungsinduktivitäten lageunabhängig sind. Dieser Ansatz ist aber bei Folgepolmaschinen, bei den die Induktivitäten nicht nur Harmonien 2. Ordnung haben, sondern auch Harmonien 1., 3., 4. und höherer Ordnung aufweisen, nicht zielführend, da die herkömmlichen Invertierungsverfahren nur Harmonien 2. Ordnung berücksichtigen kann und die Harmonien anderer Ordnungen nicht berücksichtigt werden.Previous approaches to the implementation of the machine model use a park transformation into a rotor-fixed coordinate system, which is usually lossy. Other approaches simplify the machine model by assuming that the coupling inductances are position-independent. However, this approach is not expedient in sequential pole machines, in which the inductances not only have 2nd order harmonies, but also 1st, 3rd, 4th and higher order harmonies, since the conventional inversion method can only take into account 2nd order harmonies the harmonies of other orders are not taken into account.
Die Ermittlung der Strangströme erfordert eine Invertierung der Induktivitätsmatrix in jedem Zeitschritt. Dies ist rechen- und zeitaufwändig. Zudem kann bei einer Delta-Verschaltung ein Kreisstrom auftreten, der die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine negativ beeinflusst.The determination of the phase currents requires an inversion of the inductance matrix in each time step. This is computationally and time consuming. In addition, a circulating current can occur with a delta connection, which negatively affects the performance of the electrical machine.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine, die Phasenstränge in Delta-Verschaltung aufweist, mit einem Maschinenmodell zur Verfügung zu stellen, das einen geringen Rechenaufwand benötigt.It is an object of the present invention to provide a method for operating an electrical machine, which has phase strings in a delta connection, with a machine model that requires little computing effort.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine in einer Deltaverschaltung mit einem Maschinenmodell gemäß Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung und das Motorsystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.This object is achieved by the method for operating an electrical machine in a delta connection with a machine model according to
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Further refinements are given in the dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum geregelten Betreiben einer mehrphasigen elektrischen Maschine mit mehreren in Deltaschaltung verschalteten Phasensträngen, mit folgenden Schritten:
- - Bereitstellen einer Regelabweichung,
- - Regeln des Betriebs der elektrischen Maschine abhängig von rechnerisch ermittelten Ist- Strangströmen, um Klemmenpotenzialangaben für die Ansteuerung eines Wechselrichters bereitzustellen, der entsprechend Klemmenpotenziale an die elektrische Maschine anlegt,
- - Provision of a control deviation,
- - Regulating the operation of the electrical machine depending on the computationally determined actual phase currents in order to provide terminal potential information for controlling an inverter, which applies the corresponding terminal potentials to the electrical machine,
Zur Simulation und den Betrieb von elektrischen Maschinen werden in der Regel Maschinenmodelle verwendet, die die Beziehung zwischen Phasenspannungen und Strangströmen sowie die Abhängigkeit des Drehmoments von den Strangströmen bzw. vom Motorstrom beschreiben. Für eine dreiphasige elektrische Maschine in Deltaverschaltung (entspricht Dreiecksschaltung) ergibt sich beispielsweise für das Maschinenmodell
Die Phasenspannungen Vu - Vv, Vv - Vw, Vw - Vu werden als ein Summenterm dargestellt, der sich aus dem Strangwiderstand R, den Stranginduktivitäten La, Lb, Lc und den Flüssen Ψa, Ψb, Ψc in den Phasensträngen zusammensetzt. Aufgrund der Wechselwirkungen der Induktivitäten zwischen den Strangspulen werden die Magnetisierungsspannungen mithilfe einer Induktivitätsmatrix beschrieben, die sowohl Stranginduktivitäten La, Lb, Lc als auch Kopplungsinduktivitäten Mab, Mac, Mbc beinhaltet. In der Realität ergeben sich für die Stranginduktivitäten La, Lb, Lc und die Kopplungsinduktivitäten Mab, Mac, Mbc lageabhängige Funktionen, die sich als Reihenentwicklungen von Cosinus-Termen darstellen lassen.
Ferner ergeben sich für die Flüsse Ψma, Ψmb, Ψmc lageabhängige Funktionen, die sich als Reihenentwicklungen von Cosinus-Termen darstellen lassen.
Die obige Gleichung wird üblicherweise mit den Strangströmen als Zustandsgrößen implementiert und gelöst:
Bisher ist die Implementierung des obigen Maschinenmodells für einen Betrieb einer elektrischen Maschine, bei dem die Strangströme nicht gemessen sondern modelliert werden und als Regelgröße für eine Stromregelung dienen sollen, nur mit Invertierung der Induktivitätsmatrix
Diese Art Implementierung erfordert aufgrund der Abhängigkeit von der Läuferlage eine Invertierung in jedem Zeitschritt. Weiterhin kann aufgrund der Dreieckschaltung je nach Werten der Parameter l1, l2, l3, m1, m2, m3, Ψma, Ψmb, Ψmc ein Kreisstrom ‚II‘ auftreten, der die Leistung der elektrischen Maschine negativ beeinflussen kann. Mit dieser Implementierung ist es schwierig zu erkennen, bei welchen Werten dieser Parameter der Kreisstrom entstehen kann.This type of implementation requires an inversion in every time step due to the dependence on the rotor position. Furthermore, due to the delta connection, depending on the values of the parameters l 1 , l 2 , l 3 , m 1 , m 2 , m 3 , Ψma, Ψmb, Ψmc, a circulating current 'II' can occur which can negatively affect the performance of the electrical machine. With this implementation it is difficult to see at which values of these parameters the circulating current can arise.
Durch geeignete Umformung des obigen Maschinenmodells sollen für den allgemeinen Fall l1 ≠ 0, l2 ≠ 0, l3 ≠ 0, m1 ≠ 0, m2 ≠ 0, m3 ≠ 0 die Bedingungen zur Kreisstromentstehung bestimmbar werden, so dass diese für den Betrieb der elektrischen Maschine berücksichtigt werden können.By suitable transformation of the above machine model, the conditions for the generation of circular currents should be determinable for the general case l 1 ≠ 0, l 2 ≠ 0, l 3 ≠ 0, m 1 ≠ 0, m 2 ≠ 0, m 3 ≠ 0, so that these can be taken into account for the operation of the electrical machine.
Das obige Verfahren schlägt vor, das Maschinenmodell über zwei Differentialgleichungen zu formulieren, die eine einfache invertierbare 2x2 Induktivitätsmatrix und zwei Zustandsgrößen verwenden, die keinen Kreisstromanteil beinhalten.The above procedure suggests to formulate the machine model using two differential equations that use a simple invertible 2x2 inductance matrix and two state variables that do not contain a circulating current component.
Dazu wird ein verketteter Fluss für zwei der Phasenstränge definiert.For this purpose, a linked flow is defined for two of the phase strands.
Das Maschinenmodell ergibt sich zu:
Unter der Bedingung, dass lk = mk, k ∉ {0, 3, 6, ...} und aj=0 , j e {3, 6, ... }Under the condition that l k = m k , k ∉ {0, 3, 6, ...} and a j = 0, each {3, 6, ...}
Für die Ermittlung der Strangströme kann dieses dann umgeformt werden:
Das obige ursprüngliche Maschinenmodell kann wie folgt umgeformt werden
Dies lässt sich mit
Die Summe der obigen Gleichungen führt zu:
Die Koeffizienten La(φ) + Mab(φ) + Mac(φ), Lb(φ) + Mab(φ) + Mbc(φ) und Lc(φ) + Mac(φ) + Mbc(φ) lassen sich umschreiben zu:
Unter der Verwendung von cos(p)+cos(q) = 2 · cos[(p+q)/2] · cos[(p-q/2)] lassen sich Gleichungen vereinfachen:
Wenn lk = mk, k ∉ {0, 3, 6, ...} , lässt sich der erste Term von
Wobei nur der Term mit
Ist aj=0, j ∈ {3, 6, ...} so vereinfacht sich obige Formel zu
Die dritte Zeile des obigen umgeformten Maschinenmodells entspricht dann
Damit ist die dritte Zeile des Gleichungssystems nicht mehr relevant und es ist daher ausreichend, die erste und zweite Zeile des Gleichungssystems zu implementieren und zu lösen:
Weiterhin kann die Induktivitätsmatrix Elemente aus Induktivitäten aufweisen, die aus Stranginduktivitäten und Kopplungsinduktivitäten gebildet sind, die jeweils lageabhängig sind, und wobei die Induktivitäten durch Koeffizienten I,m von Harmonischen einer Rotation des elektrischen Lagewinkels definiert sind.Furthermore, the inductance matrix can have elements made of inductances, which are formed from phase inductances and coupling inductances, which are each position-dependent, and the inductances are defined by coefficients I, m of harmonics of a rotation of the electrical position angle.
Insbesondere können die Elemente der Induktivitätsmatrix alle oder zumindest die ersten fünf Harmonischen der Stranginduktivitäten und Kopplungsinduktivitäten zwischen den Phasensträngen berücksichtigen, wobei insbesondere die dritten Harmonischen und Vielfache davon vernachlässigt werden.In particular, the elements of the inductance matrix can take into account all or at least the first five harmonics of the phase inductances and coupling inductances between the phase phases, with the third harmonics and multiples thereof being neglected in particular.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Regelung eine Drehzahlregelung, eine Momentenregelung oder eine Flussregelung umfassen.According to further embodiments, the regulation can comprise a speed regulation, a torque regulation or a flux regulation.
Es kann vorgesehen sein, dass die Soll-Klemmenpotenziale als pulsweitenmodulierte Signale zum Ansteuern eines Wechselrichters vorgegeben werden, wobei die Klemmenpotenziale gemessen werden, um mithilfe des Maschinenmodells die Ist- Strangströme zu ermitteln.It can be provided that the target terminal potentials are specified as pulse-width-modulated signals for controlling an inverter, the terminal potentials being measured in order to determine the actual phase currents with the aid of the machine model.
Weiterhin können die Ist- Strangströme verwendet werden, um ein Ist-Motormoment und/oder Ist-Motorflüsse zu ermitteln.Furthermore, the actual phase currents can be used to determine an actual motor torque and / or actual motor flows.
Insbesondere kann das Ist-Motormoment und/oder Ist-Motorflüsse für eine Momentenregelung bzw. eine Flussregelung verwendet werden.In particular, the actual engine torque and / or actual engine flows can be used for torque regulation or flux regulation.
FigurenlisteFigure list
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Schaltbilds einer dreiphasigen elektrischen Maschine in Deltaverschaltung mit einer Drehzahlregelung; und -
2 ein Flussdiagramm zur Beschreibung des Verfahrens zum Betreiben des Motorsystems.
-
1 a schematic representation of a circuit diagram of a three-phase electrical machine in delta connection with a speed control; and -
2 a flow chart describing the method of operating the engine system.
Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments
Das Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine wird nachfolgend an einem Beispiel eines Motorsystems
Das Motorsystem
Jeder der Phasenstränge
Das Kommutierungsverfahren kann die Ansteuerung der Phasenstränge
Die Ansteuersignale Su, Sv, Sw werden von einer Steuereinheit
Weiterhin kann der Läufer
Die Steuereinheit
Die Drehzahlregelung in der Steuereinheit
Die Steuereinheit
Die Ist-Strangströme laist, Ibist, Icist werden in einem Strangstromschätzblock
Weiterhin wird ein Ist-Drehmoment Mist aus den drei geschätzten Ist- Strangströme laist, Ibist und Icist in einem Momentenberechnungsblock
Für die Berechnung der Ist- Strangströme laist, Ibist, Icist im Strangstromschätzblock
Im Kontext einer modellprädiktiven Drehzahlregelung wird das modifizierte Maschinenmodell im Rahmen einer Optimierung eingesetzt, um die optimierten Werte der Klemmenpotentiale für die Ansteuerung des Wechselrichters
Die Berechnung des Maschinenmodells erfolgt entsprechend u.a. Beschreibung.The calculation of the machine model is carried out according to the description, among other things.
Mithilfe des Flussdiagramms der
In Schritt
In Schritt
In Schritt
In Schritt
In Schritt
Die sich aus dem Optimierungsverfahren ergebenden Klemmenpotenzialangaben können in Schritt
Bei der Optimierung werden die optimierten Werte für die Klemmenpotenziale Vu, Vv, Vw gesucht, die zur Minimierung der Kostenfunktion führen. Dabei wird das modifizierte Maschinenmodell in jeder Iteration gelöst. Ist die Kostenfunktion minimal, erreicht das Drehmoment der Maschine bzw. die Motorflüsse den Wert des Soll-Drehmoments bzw. der Soll-Motorflüsse, was bedeutet, dass die Ist-Drehzahl die Soll-Drehzahl erreicht haben sollte.During the optimization, the optimized values for the terminal potentials Vu, Vv, Vw are sought, which lead to the minimization of the cost function. The modified machine model is solved in each iteration. If the cost function is minimal, the torque of the machine or the motor flows reaches the value of the setpoint torque or the setpoint motor flows, which means that the actual speed should have reached the setpoint speed.
Das herkömmliche Maschinenmodell lautet:
Die herkömmliche Invertierung der obigen Induktivitätsmatrix ist rechenaufwändig und stellt lediglich eine Näherung dar, die lediglich Harmonische bis zur 2.Ordnung berücksichtigt.The conventional inversion of the above inductance matrix is computationally expensive and is only an approximation that only takes harmonics up to the 2nd order into account.
Stattdessen wird nun ein Maschinenmodell verwendet, das lediglich eine 2x2 Matrix verwendet.
Unter der Bedingung, dass lk = mk, k ∉ {0, 3, 6, ...} und aj=0 , j e {3, 6, ... }Under the condition that l k = m k , k ∉ {0, 3, 6, ...} and a j = 0, each {3, 6, ...}
Für die Ermittlung der Strangströme kann dieses dann umgeformt werden:
Mithilfe der Gleichung laist + Ibist +lcist=0 kann der fehlende Ist-Strangstrom Icist berechnet werden.The missing actual phase current Icist can be calculated using the equation laist + Ibist + lcist = 0.
Die resultierende Drehmomentgleichung unter Verwendung der Induktivitätsangaben zur Ermittlung des Ist-Drehmoments Mist aus den geschätzten Ist-Strangströmen Iaist, Ibist, Icist ergibt sich dann zu:
Claims (12)
Priority Applications (1)
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DE102019220103.2A DE102019220103A1 (en) | 2019-12-19 | 2019-12-19 | Method and device for operating an electrical machine |
Applications Claiming Priority (1)
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DE102019220103.2A DE102019220103A1 (en) | 2019-12-19 | 2019-12-19 | Method and device for operating an electrical machine |
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DE102019220103A1 true DE102019220103A1 (en) | 2021-06-24 |
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2019
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