-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer elektrischen
Maschine und einen Umrichter, wobei die elektrische Maschine mit
dem Umrichter verbunden ist, der phasenspezifische Schaltkomponenten
aufweist, die eine Ausgangsspannung erzeugen, eine optimale Schalttabelle,
die so ausgeführt
ist, dass eine Schaltkombination für die Schaltkomponenten auf
der Basis des Statorflusses und des Drehmomentes der elektrischen
Maschine gewählt
wird, wobei das Verfahren Schritte aufweist, in denen der Statorstromvektor
und die Drehzahl der elektrischen Maschine bestimmt werden.
-
Die
zuverlässige
Steuerung elektrischer Maschinen über einen weiten Drehzahlbereich
ohne eine direkte Rückführung bezüglich der
Drehzahl oder des Positionswinkels verursacht mit den derzeitigen
Steuerungssystemen von Maschinen erhebliche Probleme. Vor allem
dann, wenn die elektrische Maschine ein Synchronmotor ist, ist die
Steuerung der Drehzahl in allen Drehzahlbereichen aufgrund der Ungenauigkeit
der Schätzung
des Statorflusses, die die Basis bei zahlreichen Steuerungssystemen ist,
schwierig. Dieses Problem ist im Betrieb mit niedrigen Drehzahlen
besonders ausgeprägt.
Eine Drehfeldmaschine wie eine Synchronmaschine kann mittels moderner
Steuerungsverfahren auf Basis der direkten Drehmomentsteuerung gestartet
werden, aber die Lasteigenschaften der Maschine bleiben bei niedrigen
Drehzahlen unzureichend. In der Praxis ist es jedoch nicht möglich, Verfahren
auf Basis der direkten Drehmomentsteuerung kontinuierlich bei Nulldrehzahl
und niedrigen Drehzahlen ohne Rückführung bezüglich des
Läuferpositionswinkels
anzuwenden.
-
Bei
Antrieben auf Basis der direkten Drehmomentsteuerung entsteht ein
Fehler zwischen dem tatsächlichen
Statorfluss und der davon gebildeten Schätzung. Bei solchen Antrieben
wird die Drift des Statorflusses normalerweise durch Verwendung
eines für
die Maschine erstellten Strommodells korrigiert. Die Verwendung
eines Strommodells kann jedoch einen statischen Drehmomentfehler
nicht verhindern. Eine Drehfeldmaschine kann bei niedrigen Drehzahlen
mittels einer Statorstromsteuerung zuverlässig gesteuert werden, bei
der der Betrieb der Maschine auf Basis des Statorstroms gesteuert
wird.
-
Das
Dokument
EP 0 638 457
A2 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern
eines Synchron-Dauermagnetmotors. Dieses Verfahren bedient sich
eines Drehpositionssensors und verbessert die Steuerung des Motors
im Feldschwächungsbereich.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
-
Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen,
mit dem die oben genannten Nachteile vermieden werden und das die zuverlässige Steuerung
einer elektrischen Maschine über
einen weiten Drehzahlbereich unter Verwendung eines Übergangs
von einem Steuerungsverfahren auf ein anderes bei einer Drehzahländerung
ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren erzielt, das
dadurch gekennzeichnet ist, dass das Verfahren auch einen Schritt aufweist,
in dem eine Schaltkombination für
die Schaltkomponenten auf der Basis eines Statorstromvektors und
eines Statorstrom-Referenzvektors der elektrischen Maschine unter
Verwendung der optimalen Schalttabelle definiert wird, wenn die
bestimmte Drehzahl niedriger ist als ein vordefinierter Grenzwert.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
beruht auf der Idee, dass die elektrische Maschine bei höheren Drehzahlen
durch ein Steuerungsverfahren auf Basis der direkten Drehmomentsteuerung
zuverlässig
gesteuert wird, dass aber bei niedrigeren Drehzahlen das Steuerungsverfahren
zu einem Steuerungsverfahren auf Basis der Statorstromsteuerung
wechselt. Der Wechsel des Steuerungsverfahrens bringt einen bedeutenden
Vorteil mit sich, da der Antrieb selbst bei niedrigen Drehzahlen
stabil bleibt.
-
Die
Erfindung betrifft auch einen Umrichter gemäß dem Hauptanspruch 3.
-
Der
erfindungsgemäße Umrichter
beruht auf der Idee, dass dann, wenn die Drehzahl der elektrischen
Maschine einen gegebenen Grenzwert überschreitet, der Umrichter
die als Basis zur Modulation dienenden definierenden Variablen ändert.
-
Mittels
des erfindungsgemäßen Umrichters können die
durch das erfindungsgemäße Verfahren bereitgestellten
Vorteile mit einer einfachen Konstruktion verwirklicht werden, die
denselben Modulator zur Erzeugung von Ausgangsspannungen sowohl bei
einem Steuerungsverfahren auf Basis der direkten Drehmomentsteuerung
als auch in einem Steuerungsverfahren auf Basis der Stromsteuerung
verwendet.
-
KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
-
Die
Erfindung wird nunmehr ausführlicher anhand
bevorzugter Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben.
-
1 zeigt eine allgemeine
Darstellung der Erzeugung einer Ausgangs-Referenzspannung eines erfindungsgemäßen Umrichters.
-
DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
1 zeigt in allgemeiner Weise
die Erzeugung einer Ausgangs-Referenzspannung des Umrichters, wenn
die optimale Schalttabelle 1 und Blöcke 2, 3, 4,
die die für
die optimale Schalttabelle erforderlichen logischen Variablen bilden,
verwendet werden. Die optimale Schalttabelle ist eine Tabelle, die
Informationen für
alle Kombinationen der eingehenden logischen Variablen darüber enthält, wie
die Ausgangsspannungen des Umrichters erzeugt werden sollten. In 1 werden die logischen Variablen κ, ϕ, τ aus drei
Blöcken 2, 3, 4 gebildet,
die ihre individuellen Eingänge
von den entsprechenden Referenzvariablen κref, ϕref, τref erhalten. Der erste Block 2 ist
ein Sektorselektor, der den Positionswinkel der als Referenzvariable κref wirkenden
Vektorvariablen definiert und die logische Variable κ als Ausgang
erzeugt. Der Wert der Variablen κ ändert sich
also, wenn der Winkel der Referenzvariablen von einem Sektor zum anderen
wandert. Im Fall der 1 enthält der Sektorselektor
sechs Sektoren und dementsprechend kann die logische Variable κ sechs verschiedene Werte
annehmen.
-
Die
logische Variable ϕ beeinflusst die Stärke des Statorflusses der elektrischen
Maschine und kann drei verschiedene Werte annehmen, je nachdem,
ob die aktuelle Flussstärke
erhöht,
verringert oder konstant gehalten werden muss. Block 3,
der die Notwendigkeit der Einstellung der Flussstärke steuert,
empfängt
als Eingang die Referenzvariable φref,
die den aktuellen Wert der Statorflussstärke im Vergleich zum gewünschten
Flusswert angibt. Dementsprechend kann die logische Variable τ drei verschiedene
Werte annehmen. Die Variable τ entspricht
der Notwendigkeit, das von der elektrischen Maschine erzeugte Drehmoment
zu erhöhen,
zu verringern oder konstant zu halten. Der die Drehmomentänderung
steuernde Block 4 empfängt
als Eingang den Referenzwert τref entsprechend dem Verhältnis zwischen dem von der
elektrischen Maschine erzeugten und dem gewünschten Drehmoment. Die drei
oben genannten logischen Variablen κ, φ, τ werden an die optimale Schalttabelle
weitergegeben, die auf Basis dieser Variablen die Ausgangsspannung des
Umrichters erzeugt.
-
Die
direkte Drehmomentsteuerung einer elektrischen Maschine basiert
auf der Verwendung der oben genannten Tabelle, während die Referenzvariablen
der Statorflussvekor Ψs (κref), die Differenz (ϕref)
zwischen den Quadraten der absoluten Werte des Statorflussvektors Ψs,ref und des Statorflussvektors Ψs und die Differenz (τref)
zwischen dem Referenz-Drehmoment te,ref und
dem berechneten Drehmoment der elektrischen Maschine sind. Durch
die Verwendung solcher Referenzvariablen kann die elektrische Maschine
zuverlässig
und dynamisch ohne direkte Rückführungsdaten über die
Drehzahl oder den Positionswinkel der Maschine gesteuert werden.
Handelt es bei der elektrischen Maschine jedoch um eine Synchronmaschine,
ergeben sich Probleme bei der Definition des Statorflusses bei niedrigen
Drehzahlen, wodurch die Lasteigenschaften der Maschinen unzureichend
bleiben.
-
Beim
erfindungsgemäßen Verfahren
wird die Schaltkombination für
die Schaltkomponenten auf der Basis des Statorstromvektors is und des Statorstrom-Referenzvektors is,ref der elektrischen Maschine definiert,
wenn die bestimmte Drehzahl niedriger ist als ein vordefinierter
Grenzwert. Der von der optimalen Schalttabelle gebildete selbe Modulator
wird dann zur Erzeugung der Ausgangs-Referenzspannungen SA, SB, SC des
Umrichter in einem Steuerungsverfahren auf Basis des Statorstroms
verwendet.
-
Die
Drehzahl und der Statorstromvektor der elektrischen Maschine werden
entsprechend dem endungsgemäßen Verfahren
bestimmt. Die Drehzahl kann ohne direkte Messung von der Motorwelle
beispielsweise mittels der Winkelgeschwindigkeit des Statorstromvektors
bestimmt werden. Erfindungsgemäß ändert sich
die Steuerungsbasis entsprechend der Drehzahl der Maschine.
-
Die
Implementierung der Statorstromsteuerung nach dem Prinzip der direkten
Statorfluss- und Drehmomentsteuerung beruht auf der Tatsache, dass
bei niedrigen Drehzahlen das von der elektrischen Maschine erzeugte
Verhältnis
der elektromotorischen Kraft im Vergleich zu den Spannungsabfällen und
der Spannung des Zwischenkreises gering ist. In diesem Fall kann
angenommen werden, dass die Richtung der Änderung des Statorstroms der Richtung
des verwendeten Spannungsvektors entspricht. Die Transient-Induktivität L'
s einer
Drehfeldmaschine mit einem glatten Luftspalt kann als unabhängig von
der Läuferposition
angenommen werden, wobei in diesem Fall die Spannungsgleichung entsprechend
einem gegebenen Spannungsvektor lautet:
-
Für elektrische
Schenkelpolmaschinen ist die Gleichung nicht ganz korrekt, wenn
jedoch die Schaltfrequenz des Umrichters hoch genug ist, kann angenommen
werden, dass die Änderungsrichtung des
durch die Gleichung definierten Stroms zur Statorstromsteuerung
hinreichend genau ist. Die Statorstromsteuerung kann dann auf Basis
der optimalen Schalttabelle unter Verwendung der direkten Statorfluss-
und Drehmomentsteuerung implementiert werden.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung weist die Definition der Schaltkombination für die Schaltkomponenten
Schritte auf, in denen die Differenz der Quadrate der Absolutwerte
des Statorstrom-Referenzvektors is, ref und
des definierten Statorstromvektors is berechnet
wird, um die Referenzamplitude ϕref zu
erhalten. Diese Differenz |is, ref|2 – |is|2 zeigt die Notwendigkeit
für die
Erhöhung
des Statorstroms. Block 3, der die Stärke des Statorstroms einstellt,
führt die
Aussage sign |is, ref 2 – is|2 aus, wobei in
diesem Fall der Ausgang des Block die logische Variable ϕ ist,
die das Vorzeichen der berechneten Differenz enthält. In Block 3 ist
erforderlichenfalls Hysterese vorgesehen, wodurch der Wert der logischen
Variablen konstanter bleibt, wenn die Referenzamplitude nahezu null
ist.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung wird das Vektorprodukt aus dem Statorstrom-Referenzvektor
is, ref und dem definierten Statorstromvektor
is berechnet, um die Referenz τref zu
erhalten. Dieses Vektorprodukt is, ref × is gibt die Winkeldifferenz zwischen dem Statorstrom-Referenzvektor
und dem Statorstromvektor an. Die als Vektorprodukt erhaltene Referenz τref wird
an Block 4 übergeben,
der die Aussage sign |is, ref × is| ausführt, d.h.
als Ausgang das Vorzeichen des Vektorproduktes, d.h. die logische
Variable τ,
erzeugt. Der Ausgang von Block 4 ist außerdem mit der optimalen Schalttabelle 1 verbunden.
Wie bei Block 3, der die Stärke des Statorstroms einstellt,
weist Block 4 ebenfalls sofern erforderlich Hysterese auf.
-
Die
Definition der Schaltkombination für die Schaltkomponenten, d.h.
der Ausgangsspannungsvektor, des erfindungsgemäßen Verfahrens weist einen
Schritt auf, in dem die Schaltkombination für die Schaltkomponenten auf
der Basis der Vorzeichen der Referenzamplitude ϕref und der Referenz τref und
des Positionswinkels des Statorstromvektors is definiert wird. Der
Positionswinkel des Statorstromvektors wird im Sektorselektorblock 2 definiert,
der den Positionswinkel des rotierenden Stromvektors prüft. Wenn
sich der Positionswinkel ändert,
bewegt sich der Stromvektor von einem Sektor zum anderen. Der Sektorselektorblock
erzeugt als Ausgang die logische Variable κ, die im Fall des Beispiels
von 1 sechs verschiedene
Werte annehmen kann. Der Wert der Variablen κ, gibt die Richtung des Stromvektors
an, und durch Verwendung der optimalen Schalttabelle 1 kann
der erforderliche Ausgangsspan nungsvektor auf Basis aller drei logischen
Variablen so gewählt
werden, dass die elektrische Maschine in der gewünschten Weise gesteuert wird.
-
Die
Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens geschieht am
einfachsten durch Verwenden des Umrichters gemäß der Erfindung, der phasenspezifische
Schaltkomponenten, die die Ausgangsspannung erzeugen, eine optimale
Schalttabelle, die so ausgeführt
ist, dass eine Schaltkombination für die Schaltkomponenten auf
der Basis der definierenden Werte gewählt wird, und ein Frequenz-Definitionselement,
das so ausgeführt
ist, dass es die Drehzahl der vom Umrichter gesteuerten elektrischen
Maschine bestimmt, aufweist. Der erfindungsgemäße Umrichter weist außerdem ein
Wählelement 5 auf,
das so ausgeführt
ist, dass es die als Basis für
die Schaltkombination der Schaltkomponenten verwendeten definierenden
Werte in Abhängigkeit
von der Drehzahl der elektrischen Maschine ändert. Im Beispiel von 1 weist das Wählelement 5 drei
Umschalter auf, mittels derer die vom Umrichter verwendeten definierenden
Werte geändert
werden. Die Änderung
erfolgt in Abhängigkeit
von der Frequenz der elektrischen Maschine.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung weist der Umrichter ein Stromdefinitionselement auf, das
so ausgeführt
ist, dass es den Statorstromvektor is der
elektrischen Maschine definiert, ein Flussdefinitionselement, das
so ausgeführt ist,
dass es den Statorflussvektor Ψs der elektrischen Maschine definiert, und
ein Drehmomentdefinitionselement, das so ausgeführt ist, dass es das Drehmoment
te der elektrischen Maschine definiert.
Außerdem
weisen gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
die als Basis für
die Schaltkombination der Schaltkomponenten verwendeten definierenden Werte
alternativ entweder den Positionswinkel des Statorflussvektors Ψs, die Differenz zwischen den Quadraten der
Absolutwerte des Statorfluss-Referenzvektors Ψs, ref und
des Statorflussvektors Ψs und die Differenz zwischen dem Referenz-Drehmoment te, ref und dem Drehmoment te der
elektrischen Maschine oder den Positionswinkel des Statorstromvektors
is, die Differenz zwischen den Quadraten der Absolutwerte des Statorstrom-Referenzvektors
is, ref und des Statorstromvektors is und das Vektorprodukt aus dem Statorstrom-Referenzvektor
is, ref und dem Statorstromvektor (is) auf. Der Frequenzwandler wählt so aus
den obigen definierenden Werten in Abhängigkeit von der Drehzahl der
elektrischen Maschine die definierenden Werte, die er verwendet.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung weist der Umrichter ferner ein Wählelement 6 auf, das
so ausgeführt
ist, dass es den zu verwendenden Referenz-Statorfluss entsprechend
der Frequenz der elektrischen Maschine wählt. Bei der Stromsteuerung,
d.h. bei Betrieb mit niedrigen Drehzahlen der elektrischen Maschine,
kann der Referenz-Statorfluss so eingestellt werden, dass er von dem
bei der direkten Drehmomentsteuerung verwendeten Wert verschieden
ist. In 1 wird der mit
dem Wählelement 6 gewählte Referenz-Statorfluss
an einen Rampenblock 7 weitergeleitet, mit dem es möglich ist,
einen kontrollierten und gleichmäßigen Übergang
von einer Referenzvariablen zu einer anderen während der Änderung sicherzustellen.
-
Für einen
Fachmann ist offensichtlich, dass die Grundidee der Erfindung auf
vielerlei unterschiedliche Arten implementiert werden kann. Die
Erfindung und ihre Ausführungsformen
sind deshalb nicht auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern
können
innerhalb des Gültigkeitsbereichs
der Ansprüche
variieren.
