DE102020200597A1

DE102020200597A1 - Verfahren zum Ermitteln von stromabhängigen Induktivitäten einer mehrphasigen elektrischen Maschine und Frequenzumrichter

Info

Publication number: DE102020200597A1
Application number: DE102020200597.4A
Authority: DE
Inventors: Torben Jonsky
Original assignee: Lenze Automation GmbH
Current assignee: Lenze SE
Priority date: 2020-01-20
Filing date: 2020-01-20
Publication date: 2021-07-22
Also published as: US20210226565A1; US11527974B2

Abstract

Verfahren zum Ermitteln von stromabhängigen Induktivitäten einer mehrphasigen elektrischen Maschine, mit den Schritten:a) Erzeugen von Phasenspannungen für die mehrphasige elektrische Maschine mittels einer Pulsweitenmodulation derart, dass Ströme mit vorgegebener Stromstärke durch Statorwicklungen der elektrischen Maschine fließen,b) während einer Anzahl von Takten der Pulsweitenmodulation, Erzeugen eines Spannungspulses derart, dass eine Stromänderung (Δid) in einer momentbildenden Achse der mehrphasigen elektrischen Maschine und/oder in einer feldbildenden Achse der mehrphasigen elektrischen Maschine bewirkt wird,c) Messen der Stromänderung (Δid) undd) Ermitteln der stromabhängigen Induktivitäten in Abhängigkeit von der Stromänderung (Δid).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von stromabhängigen Induktivitäten einer mehrphasigen elektrischen Maschine und einen Frequenzumrichter.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ermitteln von stromabhängigen Induktivitäten einer mehrphasigen elektrischen Maschine und einen Frequenzumrichter zur Verfügung zu stellen, mittels denen die stromabhängigen Induktivitäten zuverlässig ermittelt werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Ermitteln von stromabhängigen Induktivitäten, insbesondere differentiellen Induktivitäten, einer mehrphasigen elektrischen Maschine.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist folgende Schritte auf.
Einen Schritt a), nämlich Erzeugen von Phasenspannungen für die mehrphasige elektrische Maschine mittels einer Pulsweitenmodulation derart, dass Ströme mit vorgegebener Stromstärke durch Statorwicklungen der elektrischen Maschine fließen. Dieser Schritt ist aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt, daher sei insoweit auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
Einen Schritt b), nämlich während einer Anzahl von Takten der Pulsweitenmodulation, Erzeugen eines Spannungspulses derart, dass eine Stromänderung in einer momentbildenden Achse der mehrphasigen elektrischen Maschine und/oder in einer feldbildenden Achse der mehrphasigen elektrischen Maschine bewirkt wird. Hinsichtlich der grundsätzlichen Erzeugung von Stromänderungen in der momentbildenden Achse der mehrphasigen elektrischen Maschine und/oder in der feldbildenden Achse der mehrphasigen elektrischen Maschine sei auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen, insbesondere zu Frequenzumrichtern mit Vektorregelung.
Einen Schritt c), nämlich Messen der sich einstellenden Stromänderung.
Und schließlich einen Schritt d) nämlich Ermitteln der stromabhängigen Induktivitäten in Abhängigkeit von der Stromänderung.
Gemäß einer Ausführungsform werden die Schritte a) bis d) eine Anzahl Male wiederholt, beispielsweise 32 Mal wiederholt, wobei vor der bzw. vor jeder Wiederholung des Schritts a) die vorgegebene Stromstärke verändert wird. Es versteht sich, dass sowohl positive als auch negative Stromstärken als Arbeitspunkt einstellbar sind. Mit anderen Worten werden stromabhängigen Induktivitäten bei unterschiedlichen Arbeitspunkten bzw. Stromstärken ermittelt.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt die Anzahl von Takten der Pulsweitenmodulation eins.
Gemäß einer Ausführungsform wird während eines einzelnen Taktes der Pulsweitenmodulation ein einzelner Spannungspuls erzeugt. Mit anderen Worten wird während eines einzelnen Taktes der Pulsweitenmodulation ein einzelner Spannungspuls derart erzeugt, dass die Stromänderung in der momentbildenden Achse der mehrphasigen elektrischen Maschine und/oder in der feldbildenden Achse der mehrphasigen elektrischen Maschine bewirkt wird. Dann wird die sich einstellende Stromänderung gemessen und die stromabhängigen Induktivitäten werden in Abhängigkeit von der gemessenen Stromänderung berechnet.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Maschine eine dreiphasige elektrische Maschine, insbesondere eine dreiphasige Synchronmaschine.
Gemäß einer Ausführungsform wird vor dem Schritt a) ein Rotor der elektrischen Maschine blockiert.
Gemäß einer Ausführungsform sind die stromabhängigen Induktivitäten ausgewählt aus der Menge: differentielle Längsinduktivitäten, differentielle Querinduktivitäten, Kreuzsättigung.
Der erfindungsgemäße Frequenzumrichter ist zum Ansteuern einer mehrphasigen elektrischen Maschine ausgebildet, wobei der Frequenzumrichter drei Halbbrücken mit jeweils mindestens zwei Schaltmitteln aufweist, wobei der Frequenzumrichter dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
Die differentiellen Induktivitäten in einer elektrischen Maschine sind vom aktuellen Arbeitspunkt, beispielsweise von einer momentanen Stromstärke abhängig. Diese Induktivitäten werden für verschiedene regelungstechnische Berechnungen, wie eine Stromregler-Verstärkung und eine Spannungsvorsteuerung in einem Frequenzumrichter verwendet.
Die Nachführung der differentiellen Induktivitäten findet herkömmlich beispielsweise über eine vorher festgelegte Kennlinie statt, die typabhängig vom Motor beispielsweise in einer statischen Motorentabelle abgelegt ist. Hierzu wird die Kennlinie beispielsweise offline, d.h. nicht während des eigentlichen Betriebs der elektrischen Maschine, ausgemessen und abgelegt.
Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Identifikation dieser Kennlinie während des Betriebs zur Verfügung.
Erfindungsgemäß wird ein Strom in die d- oder q-Achse einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Synchronmaschine, eingeprägt und variiert. Nach dem Einregeln des Arbeitstakts wird für einen PWM-Takt bzw. eine PWM-Periode ein Spannungsimpuls in d- oder q-Achse gegeben und der Stromanstieg innerhalb des Takts bzw. der Periode gemessen.
Für die Spannung u_d in d-Richtung gilt beispielsweise: $u_{d} = R \cdot i_{d} + L_{d d} \cdot \frac{d i_{d}}{d t} + L_{d q} \cdot \frac{d i_{q}}{d t} - ω_{e l} \cdot ψ_{q}$
wobei R einen Statorwiderstand bezeichnet, i_d einen Strom in d-Richtung bezeichnet, Ldd eine differentielle Längsinduktivität bezeichnet, L_qq eine differentielle Querinduktivität bezeichnet, ω_el eine Winkelgeschwindigkeit des Drehfelds bezeichnet und ψ_q einen Fluss in q-Richtung bezeichnet. Im Übrigen sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
Bei festgebremstem Motor ergibt sich für den Stromanstieg in einem einzelnen PWM-Takt, wenn ausschließlich die d-Komponente mit einem Spannungssprung angeregt wird: $Δ i_{d} = \frac{L_{d d}}{Δ u_{d}} + 0,5 \cdot R \cdot Δ i_{d}$
Die Spannungsdifferenz Δu_d kann hierbei gemessen oder aus Sollspannungen berechnet werden, gegebenenfalls durch Verwendung einer stromabhängigen Spannungsdifferenz zwischen Soll- und Ist-Spannung (Kompensation des Wechselrichterfehlers). Gegebenenfalls kann der Spannungsabfall über dem Widerstand R vernachlässigt werden.
Nach Abschluss der Messung für einen Arbeitspunkt wird ein weiterer Arbeitspunkt angefahren, so dass sich beispielsweise eine Treppenfunktion ergibt. Auf jeder Stufe der Treppe kann erneut ein Spannungspuls ausgegeben werden, um die differentielle Induktivität zu bestimmen.
Mit der identifizierten Induktivität kann beispielsweise ein Stromregler unmittelbar nachgeführt werden. Des Weiteren kann die Höhe des Spannungspulses ebenfalls damit angepasst werden. Die Identifikation in der d-Achse ist immer möglich, in q-Richtung kann typisch nur identifiziert werden, wenn der Rotor festgebremst ist, da ansonsten eine Bewegung auftreten könnte.
Erfindungsgemäß wird anders als im Stand der Technik, beispielsweise bei der WO 2016/207383 A1 , anstelle der Injektion von hochfrequenten Sinussignalen lediglich ein einzelner Spannungspuls in einer PWM-Periode für einen Stromarbeitspunkt eingeprägt.
Die Erfindung ermöglicht beispielsweise eine zuverlässige und genaue Ermittlung einer Sättigungskennlinie der elektrischen Maschinen, auch wenn deren Eigenschaften im Vorfeld nicht bekannt sind.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Hierbei zeigt:

1 einen Frequenzumrichter, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist,
2 einen zeitlichen Verlauf von Signalen innerhalb eines Takts einer mittels des Frequenzumrichters aus 1 durchgeführten Pulsweitenmodulation und
3a/b einen zeitlichen Verlauf von unterschiedlichen Arbeitspunkten und an den Arbeitspunkten ermittelte Induktivitäten.

1 zeigt einen Frequenzumrichter 1, der zum Ansteuern einer dreiphasigen elektrischen Maschine 2 in Form eines Synchronmotors ausgebildet ist, wobei der Frequenzumrichter 1 herkömmlich drei Halbbrücken B1, B2, B3 mit jeweils zwei Halbleiter-Schaltmitteln S1, S2; S3, S4; S5, S6 aufweist. Die Schaltmittel S1, S2; S3, S4; S5, S6 werden von einer Steuereinheit 3 des Frequenzumrichters 1 angesteuert.
Erfindungsgemäß werden Phasenspannungen U, V, W für die dreiphasige elektrische Maschine 2 mittels einer herkömmlichen Pulsweitenmodulation derart erzeugt, dass Ströme mit vorgegebener Stromstärke durch Statorwicklungen 2a, 2b, 2c der dreiphasigen elektrischen Maschine 2 fließen, bzw. dass sich in einem iq-Koordinatensystem ein vorgegebener bzw. gewünschter Strom in d-Richtung bzw. q-Richtung einstellt.
Bezug nehmend auf 2 wird während eines einzelnen Takts bzw. einer einzelnen Periode TKT der Pulsweitenmodulation ein einzelner Spannungspuls P durch Schaltzustandsänderung der Phase V bei gleichbleibenden Schaltzuständen der Phasen U und W derart erzeugt, dass eine Stromänderung Δid in einer momentbildenden Achse (q-Achse) der mehrphasigen elektrischen Maschine 2 und/oder in einer feldbildenden Achse (d-Achse) der mehrphasigen elektrischen Maschine 2 bewirkt wird.
Anschließend werden die durch den Spannungspuls P bewirkten Stromänderungen Δid und Δidq gemessen und basierend darauf werden stromabhängige differentielle Induktivität(en), wie beispielsweise die Längsinduktivitäten Ldd und/oder die Querinduktivitäten Lqq, berechnet. Hinsichtlich der grundlegenden, hierfür notwendigen Berechnungsvorschriften sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
Ein Rotor 5 der elektrischen Maschine 2 kann zur Durchführung des Verfahrens blockiert werden.
Bezugnehmend auf 3a/b wird nachfolgend beschrieben, wie die oben beschriebenen Verfahrensschritte bei einer Mehrzahl von unterschiedlichen Strom-Arbeitspunkten 1 bis 29 wiederholt werden.
In 3a sind ein zeitlicher Verlauf eines Strom-Sollwerts S_SW und ein sich ergebender Strom-istwert S_IW in d-Richtung oder q-Richtung eines dq-Koordinatensystems dargestellt. Der Strom-Sollwert S_SW verläuft treppenförmig, wobei einem der Arbeitspunkte 1 bis 29 genau ein Strom-Sollwert S_SW zugeordnet ist.
Für jeden der Arbeitspunkte 1 bis 29 wird ein Spannungspuls P ausgegeben, um die differentielle Längsinduktivität Ldd und/oder die differentielle Querinduktivität Lqq an diesem Arbeitspunkt zu bestimmen.
Der Spannungspuls bewirkt eine arbeitspunktabhängige Stromänderung Δid, die zur Berechnung der differentiellen Längsinduktivität Ldd und/oder der differentiellen Querinduktivität Lqq an diesem Arbeitspunkt herangezogen wird.
3b zeigt die an den stromabhängigen Arbeitspunkten 1 bis 29 berechneten differentiellen Längsinduktivitäten Ldd bzw. differentiellen Querinduktivitäten Lqq.
Die Erfindung ermöglicht eine einfache und zuverlässige Identifikation der differentiellen Induktivitäten, insbesondere der differentiellen Längsinduktivitäten Ldd und/oder der differentiellen Querinduktivitäten Lqq, mittels eines einzelnen Spannungspulses für einen Takt der PWM an verschiedenen Strom-Arbeitspunkten in kurzer Zeit.
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

WO 2016/207383 A1 [0025]

Claims

Verfahren zum Ermitteln von stromabhängigen Induktivitäten (Ldd, Lqq) einer mehrphasigen elektrischen Maschine (2), mit den Schritten: a) Erzeugen von Phasenspannungen (U, V, W) für die mehrphasige elektrische Maschine (2) mittels einer Pulsweitenmodulation derart, dass Ströme mit vorgegebener Stromstärke durch Statorwicklungen (2a, 2b, 2c) der elektrischen Maschine (2) fließen, b) während einer Anzahl von Takten (TKT) der Pulsweitenmodulation, Erzeugen eines Spannungspulses (P) derart, dass eine Stromänderung (Δid) in einer momentbildenden Achse der mehrphasigen elektrischen Maschine (2) und/oder in einer feldbildenden Achse der mehrphasigen elektrischen Maschine (2) bewirkt wird, c) Messen der Stromänderung (Δid) und d) Ermitteln der stromabhängigen Induktivitäten (Ldd, Lqq) in Abhängigkeit von der Stromänderung (Δid).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - die Schritte a) bis d) eine Anzahl Male wiederholt werden, wobei vor der Wiederholung des Schritts a) die vorgegebene Stromstärke verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass - die Anzahl von Takten (TKT) der Pulsweitenmodulation eins beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - während eines einzelnen Taktes (TKT) der Pulsweitenmodulation ein einzelner Spannungspuls (P) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Maschine (2) eine dreiphasige elektrische Maschine ist, insbesondere eine dreiphasige Synchronmaschine.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - vor dem Schritt a) ein Rotor (5) der elektrischen Maschine (2) blockiert wird,
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die stromabhängigen Induktivitäten ausgewählt sind aus der Menge: - differentielle Längsinduktivitäten (Ldd), - differentielle Querinduktivitäten (Lqq), - Kreuzsättigung.
Frequenzumrichter (1), der zum Ansteuern einer mehrphasigen elektrischen Maschine (2) ausgebildet ist, wobei der Frequenzumrichter (1) drei Halbbrücken (B1, B2, B3) mit jeweils mindestens zwei Schaltmitteln (S1, S2; S3, S4; S5, S6) aufweist, wobei der Frequenzumrichter dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.