DE69732701T2

DE69732701T2 - Verfahren und vorrichtung zur steuerung von elektrischen motor-generatoren

Info

Publication number: DE69732701T2
Application number: DE69732701T
Authority: DE
Inventors: Neil James Proud; David Robert Kelsall; Thomas Michael Alexander; Marcus Kennedy Jenkins
Original assignee: Urenco Capenhurst Ltd
Current assignee: Urenco Capenhurst Ltd
Priority date: 1996-06-26
Filing date: 1997-06-23
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2017-06-24
Also published as: GB9613435D0; EP0908002A1; AU3183897A; WO1997050171A1; JP2000513196A; DE69732701D1; EP0908002B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Steuersysteme für wechselstrombetriebene elektrische Motorgeneratoren uns insbesondere Steuersysteme für derartige Motorgeneratoren in der Form von Speichereinrichtungen für kinetische Energie wie sie etwa in dem veröffentlichten internationalen Patentanmeldungen WO 9502269, WO 9502270, WO 9502271 und WO 9502272 beschrieben werden. Diese Vorrichtungen wurden für die Verwendung mit Netzen für die Erzeugung, Verteilung und Nutzung von elektrischer Energie entwickelt und finden insbesondere bei sogenannten ununterbrechbaren Energieversorgungen Anwendung.
Derartige Motorgeneratoren werden mit einer Dreiphasen-Wechselstromzufuhr betrieben, weisen aber Steuereigenschaften auf, die auf den Prinzipien eines bürstenlosen Gleichstrommotors basieren. Ein bürstenloser Gleichstrommotor, der manchmal auch als selbstgeführter oder elektronisch geführter Gleichstrommotor bezeichnet wird, besteht aus einem Permanentmagnet-Läufer und einem in mehreren Phasen gewickelten Ständer. Um die Drehung des Läufers aufrechtzuerhalten, muss der Lastwinkel über null Grad gehalten werden. Der Lastwinkel ist in elektrischen Graden zwischen den Achsen der Ständer- und Läuferfelder verschoben. Das maximale Drehmoment wird erzeugt, wenn der Lastwinkel 90° beträgt.
Um den Lastwinkel über 0° zu halten, muss der Strom in dem Ständer periodisch und sequentiell geschaltet werden. Bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor wird dies gewöhnlich durch das Schalten der Ständerspannung und des Ständerstroms synchron zu der Läuferposition erreicht, wobei die Läuferposition durch Sensoreinrichtungen festgestellt wird.
Derartige Energiespeichervorrichtungen werden gewöhnlich mit sehr hohen Drehzahlen betrieben, wobei die gespeicherte Energie proportional zu dem Quadrat der Drehzahl ist. Während herkömmliche Niederdrehzahlmotoren durch ein relativ einfaches elektrisches Steuersystem über einen Drehzahlbereich von null bis zu einer relativ niedrigen maximalen Drehzahl effektiv gesteuert werden können, ist ein derartiges Steuersystem nicht über den großen Drehzahlbereich bei dem oben genannten Typ von Energiespeichervorrichtungen mit bis zu 900 Hz (54.000 U/min) effektiv.
WO-A-96 01521 gibt ein Antriebssystem für einen bürstenlosen Gleichstrommotor an, der eine Pulsbreitenmodulation und eine Phasen-Timing-Fortschreitung, um eine konstante Leistungsausgabe während des Betriebs bei hohen Drehzahlen aufrechtzuerhalten. Diese Anordnung ist geeignet für das Betreiben eines bürstenlosen Motors in einem elektrischen Fahrzeug oder ähnlichem. Sie ist jedoch nicht für einen Motorgenerator geeignet.
US-A-4546293 beschreibt ein Motorsteuersystem für einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit einem Inverter, der ansprechend mit dem Motorsteuersystem verbunden ist und Leistung zu dem Motor zuführt. Das Motorsteuersystem umfasst eine Motorläuferdrehzahl-Erfassungseinheit, die ein gepulstes Wellenformsignal proportional zu der Läuferdrehzahl ausgibt. Dieses gepulste Wellenformsignal wird zu dem Inverter gegeben, um eine Grundstrom-Wellenformausgabe des Inverters zu dem Motor zu veranlassen, damit dieser mit einer Rate geschaltet wird, die zu der Läuferdrehzahl proportional ist. Außerdem wird die Grundstrom-Wellenform mit einer Rate pulsbreitenmoduliert, die der Läuferdrehzahl proportional ist.
US-A-4617507 beschreibt ein selbstgeregeltes Energiespeichersystem, das umfasst: einen Wechselstrom-Motor/Generator mit einem Läufer; ein mit dem Motor/Generator verbundenes Schwungrad; eine Einrichtung zum Überwachen der Position des Motor/Generator-Läufers; ein Element zum Auflösen des Stroms zu und von dem Motor/Generator; einen pulsbreitenmodulierten bidirektionalen Inverter, der den Motor/Generator mit einem zu regelnden Stromzufuhrbus verbindet; eine Summierschaltung zum Bestimmen der Differenzen zwischen einer Bezugsspannung und der Spannung in dem zu regelnden Stromzufuhrbus; und eine Pulsbreitenmodulations-Schaltsteuerung, die auf die Vergleicherschaltung, die Überwachungseinrichtung und das Auflösungselement anspricht, um den Inverter zu betätigen, sodass die Impulsbreite als Funktion einer Erhöhung der Differenz zwischen der Bezugsspannung und der Spannung auf dem Bus erhöht wird, sodass der Strom zu dem Motor/Generator in der Motorrichtung erhöht wird, wenn die Busspannung die Bezugsspannung überschreitet, und sodass der Strom von dem Motor/Generator in der Generatorrichtung erhöht wird, wenn die Bezugsspannung die Busspannung überschreitet.
Es wäre deshalb wünschenswert, ein geeignetes Steuersystem für eine derartige Energiespeichervorrichtung anzugeben, die effektiv über den gesamten Bereich der wahrscheinlich anzutreffenden Drehzahlen betrieben werden kann und eine effiziente Leistungsübertragung in und aus dem Motor/Generator gestattet.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Steuervorrichtung für einen wechselstrombetriebenen elektrischen Motor-Generator angegeben, wobei die Steuervorrichtung derart konfiguriert ist, dass in Funktion während eines ersten Niedrigdrehzahl-Betriebsbereichs die Energiezufuhr gesteuert wird, indem die an den Motorgenerator ange legte zeitgemittelte Spannung innerhalb jeder elektrischen Halbperiode variiert wird, während die Phase der angelegten Spannung in Bezug auf die Drehposition des Motorgenerators im wesentlichen konstant gehalten wird, und während eines zweiten Hochdrehzahl-Betriebsbereichs die Energiezufuhr-/abgabe gesteuert wird, indem die Phase der Spannung in Bezug auf die Drehposition des Motorgenerators sowohl dann variiert wird, wenn der Motorgenerator als ein Motor arbeitet, also auch dann, wenn er als ein Generator arbeitet.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern eines wechselstrombetriebenen elektrischen Motorgenerators angegeben, wobei während eines ersten Niedrigdrehzahl-Betriebsbereichs die Energiezufuhr gesteuert wird, indem die an den Motorgenerator angelegte zeitgemittelte Spannung innerhalb jeder elektrischen Halbperiode variiert wird, während die Phase der angelegten Spannung in Bezug auf die Drehposition des Motorgenerators im wesentlichen konstant gehalten wird, und während eines zweiten Hochdrehzahl-Betriebsbereichs die Energiezufuhr-/abgabe gesteuert wird, indem die Phase der Spannung in Bezug auf die Drehposition des Motorgenerators sowohl dann variiert wird, wenn der Motorgenerator als ein Motor arbeitet, also auch dann, wenn er als ein Generator arbeitet.
Bei einer derartigen Anordnung kann die Größe des elektrischen Stroms bei niedrigen Drehzahlen vorteilhaft auf einem konstanten Wert gehalten werden, sodass die Wärmeverluste in den Spulen nicht übermäßig sind, während bei einer hohen Drehzahl eine Phasenwinkelsteuerung verwendet wird, um den Leistungsfluss effektiv zu steuern, weil die rückwärts gerichtete elektromotorische Kraft näher an dem Pegel der angelegten Spannung liegt.
In einer ersten Anordnung wird die Leistungsübertragung während des zweiten Hochdrehzahl-Betriebsbereichs nur durch das Variieren der Phase der angelegten Spannung in Bezug auf die Drehposition des Motorgenerators gesteuert.
In einer zweiten Anordnung wird die Leistungsübertragung jedoch zusätzlich durch das Variieren der an dem Motor angelegten zeitgemittelten Spannung innerhalb jeder elektrischen Halbperiode geregelt. In diesen Fall wird die Phase der Spannung vorzugsweise derart gesteuert, dass der Motorstrom in Phase mit der rückwärts gerichteten elektromotorischen Kraft ist, um den Leistungsfluss in oder aus dem Motorgenerator zu maximieren.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die bevorzugten Zeichnungen beschrieben:
1 gibt schematisch den Motorgenerator und das assoziierte Steuersystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wieder.
2 gibt schematisch eine Draufsicht auf den Läufer und den Ständer des in 1 gezeigten Motors wieder.
3 zeigt den Schaltungsaufbau in einer einem ersten Niederdrehzahl-Betriebsbereich.
4 zeigt den Schaltungsaufbau zum Erzeugen eines Stromsignals in dem Niederdrehzahl-Betriebsbereich.
5 zeigt Wellenformen der in dem Schaltungsaufbau von 4 gezeigten Signale.
6 zeigt die Erzeugung von Spannungssignalen unter Verwendung einer Pulsbreitenmodulation in dem Schaltungsaufbau von 3.
7 zeigt die Schaltanordnung zum Verbinden der Ständerspulen mit einem Gleichstromanschluss.
8 zeigt die an den drei Phasen der Ständerspulen in dem Niederdrehzahl-Betriebsbereich angelegten Spannungssignale.
9 zeigt die Beziehung zwischen der angelegten Spannung, dem Strom und der rückwärts gerichteten elektromotorischen Kraft in den Ständerspulen in dem Niederdrehzahl-Betriebsbereich.
10 zeigt den Schaltungsaufbau in dem Hochdrehzahl-Betriebsbereich.
11 zeigt die Beziehung zwischen der angelegten Spannung, dem Strom und der rückwärts gerichteten elektromotorischen Kraft in den Ständerspulen in dem Hochdrehzahl-Betriebsbereich in einer ersten Anordnung.
12 zeigt die Beziehung zwischen der angelegten Spannung, dem Strom und der rückwärts gerichteten elektromotorischen Kraft in den Ständerspulen in dem Hochdrehzahl-Betriebsbereich in einer zweiten Anordnung.
Wie in 1 gezeigt, umfasst ein Motorgenerator einen Permanentmagnet-Läufer 1 in der Form eines Hohlzylinders, der aus einem Wickelzylinder mit einer Ladung aus einem Permanentmagnetmaterial wie etwa Neodymeisenbor (NdFeB) gebildet wird. Die Magnetpole werden in das Läufermaterial implantiert, indem der gesamte Läufer auf einer magnetische Halterung platziert und einem sehr hohen Energieimpuls unterworfen wird. Der Läufer ist derart aufgebaut, dass er während der Drehung eine im wesentlichen sinusförmige rückwärts gerichtete elektromotorische Kraft erzeugt. Wie deutlicher in 2 gezeigt, werden bei diesem Motorgenerator zwölf Pole verwendet, d. h. zwei Paare mit jeweils sechs Polen, sodass für jede mechanische Drehung des Läufers sechs elektrische Zyklen vorgesehen sind. Der Läufer ist magnetisch derart aufgebaut, dass die Magnetpole auf der Innenwand des Zylinders vorgesehen sind, während keine Pole auf der Außenwand vorhanden sind.
Ein Ständer 2 ist in dem Läufer 1 angeordnet und aus einem weichen Ferrit ausgebildet, das insbesondere bei einer hohen Frequenz einen sehr niedrigen Eisenverlust aufweist. Der Ständer weist achtzehn Zähne auf, um die jeweils eine Spule gewickelt ist. Die Anzahl der Drehungen in jeder Spule wird in Abhängigkeit von der erforderlichen Spannung der Maschine gewählt. Aus 2 wird deutlich, dass sechs Spulen für jede elektrische Phase vorhanden sind, wobei diese Spulen in Reihe miteinander verbunden sind, sodass die drei Phasenwicklungen A, B und C in einer Sternkonfiguration mit einem neutralen Punkt NP verbunden sind.
Wie in 1 gezeigt, sind drei Positionssensoren 3 in der Form von optischen Sendern und entsprechenden Empfängern in dem Motorgenerator mit einem (elektrischen) Abstand von jeweils 120° vorgesehen. Die Positionssensoren 3 werden in Verbindung mit einem auf dem Läufer montierten Scheibencodierer verwendet, um Signale P zu erzeugen, die die relative Position des Läufers 1 und des Ständers 2 angeben. Die Signale P werden verwendet, um den Führungs-Zeitverlauf zu erhalten. Spannungen V_A, V_B und V_C werden an den entsprechenden Phasen A, B und C der Ständerspulen unter Verwendung von Aktivierungssignalen G aus einem Steuermodul 4 angelegt, das über eine Stromzufuhr 5 mit Energie versorgt wird, die mit einem Gleichstromanschluss 6 verbunden ist. Die entsprechenden Ströme I_A, I_B und I_C in den drei Phasen der Ständerspulen werden durch das Steuermodul 4 festgestellt, und die Aktivierungssignale werden in Abhängigkeit von den festgestellten Strömen I_A, I_B und I_C zusammen mit den Positionssignalen P und einem Anforderungssignal bestimmt. Das Anforderungssignal wird anhand einer Nachschlagetabelle in Reaktion auf die Spannung V_L an dem Gleichstromanschluss 6 erzeugt, der in dem Generatormodus einen Strom zu einer Last 7 zuführt. Die Spannung an dem Gleichstromanschluss 6 beträgt gewöhnlich 600 V, wenn eine reine Phasensteuerung in dem Hochzahl-Betriebsbereich verwendet wird, oder 900 V, wenn sowohl eine Phasensteuerung als auch eine Spannungspegelsteuerung bei hoher Drehzahl verwendet wird. In dem ersten Fall liegt die Leistungsausgabe gewöhnlich bei 40 kW, während sie in dem zweiten Fall bei 5 kW liegt.
In dem Generatormodus wird der Strom in den Ständerspulen über ein Schaltmodul 8 zu dem Gleichstromanschluss 6 zugeführt. Die Schaltanordnung ist im größeren Detail in der weiter unten beschriebenen 7 gezeigt. In diesem Modus wird die Stromversorgung 5 selbst direkt von dem Gleichstromanschluss 6 aus mit Energie versorgt.
Der Motorgenerator ist derart angeordnet, dass sich der Läufer 1 mit sehr hohen Drehzahlen von bis zu maximal ungefähr 900 Hz (54.000 U/min) drehen kann. Bei sechs elektrischen Zyklen pro Umdrehung resultiert daraus eine maximale elektrische Frequenz von 5,4 kHz. Um eine Steuerung über den vollen Drehzahlbereich von null bis zu dieser oberen Grenze zu erreichen, werden zwei separate Steuerbereiche verwendet. Bis zu einer Drehfrequenz von ungefähr 400 Hz wird die zu den Ständerspulen zugeführte Spannung unter Verwendung einer Pulsbreitenmodulation wie weiter unten beschrieben gesteuert. Bei dieser Anordnung wird die durchschnittliche Größe der an den drei Phasen der Ständerspulen in jeder elektrischen Halbperiode angelegten Spannung auf der Basis eines Anforderungssignals gesteuert, wobei der Zeitverlauf der Spannungssignale wie oben beschrieben unter Verwendung der Aktivierungssignale G gesteuert wird. In dem Niederdrehzahl-Betriebsbereich ist das Anforderungssignal derart beschaffen, dass der Strom in den Ständerspulen auf einem konstanten Pegel gehalten wird und im wesentlichen in Phase mit der angelegten Spannung ist. Weil die rückwärts gerichtete elektromotorische Kraft proportional zu der Drehzahl des Motorgenerators ist, ist die Größe der rückwärts gerichteten elektromotorischen Kraft in dem Niederdrehzahl-Betriebsbereich relativ klein.
Der in dem Niederdrehzahl-Betriebsbereich verwendete Schaltungsaufbau ist in 3 gezeigt. Ein Rechteckwellenerzeuger 9 legt ein Rechteckwellen-Spannungssignal mit 10 kHz und einem Spitzenwert von 5 V an einem Integrator 10 an, der das Rechteckwellensignal zu einem Dreieckwellensignal mit 10 kHz und einem Spitzenwert von 5 V wandelt, das dann an den entsprechenden positiven Eingängen eines ersten und zweiten Komparators 11, 12 angelegt wird. Entsprechende positive und negative Schwellwertsignale werden an den negativen Eingängen der Komparatoren 11, 12 angelegt, und die Ausgangssignale (P–) und (P+) der entsprechenden Komparatoren 11, 12 werden an einem EPROM 13 angelegt. Auf der Basis der Ausgangssignale (P–) und (P+) und den Positionssignalen P aus den Positionssensoren 3 erzeugt der EPROM 13 die Aktivierungssignale G, die zu dem Schaltmodul 8 geführt werden (siehe 1).
Die zu den Komparatoren 11, 12 zugeführten Schwellwertsignale V_TH, –V_TH werden aus der Ausgabe eines dritten Komparators 14 abgeleitet. Das negative Schwellwertsignal –V_TH wird durch einen Inverter 15 erzeugt, der zwischen dem Ausgang des dritten Komparators 14 und dem negativen Eingang des zweiten Komparators 12 verbunden ist. Der dritte Komparator 14 vergleicht ein Stromanforderungssignal D von einem Mikrocontroller 16 mit einem Signal I', das die Größe des Stroms in den Ständerspulen wiedergibt. Der Wert von I' wird als eine Ausgabe aus einer Strombewertungseinheit 17 erhalten, zu der Signale zu den entsprechenden Strömen I_A, I_B und I_C in den drei Ständerspulen sowie die Positionssignale aus dem Positionssensor 3 zugeführt werden.
Die Strombewertungseinheit 17 ist in 4 im größeren Detail gezeigt, wobei die Signale der entsprechenden Ständerströme I_A, I_B und I_C jeweils zu einem ersten und einem zweiten Multiplexer 18, 19 zugeführt werden, zu denen auch die Positionssignale P zugeführt werden. Die Ausgabe X aus dem ersten Multiplexer 18 wird an einem invertierenden Puffer 20 angelegt, dessen Ausgabe Y zusammen mit der Ausgabe Z aus dem zweiten Multiplexer 19 an einem invertierenden Addierer 21 angelegt wird. Aus den in 5 gezeigten Signalen wird deutlich, dass die Ausgabe I' des invertierenden Addierers 21 ein Maß für den absoluten Wert des Stroms in den Ständerspulen ist. Der tatsächliche Wert des Signals I' ist zwei Mal so groß wie der absolute Wert des Stroms, der zu einem bestimmten Zeitpunkt in zwei der Phasen fließt.
Der Schaltungsaufbau von 3 führt also eine Pulsbreitenmodulation durch, wobei eine Rechteckwelle mit 10 kHz in Übereinstimmung mit einem Stromanforderungssignal D moduliert wird. Weil die Rechteckwelle nicht mit der Drehposition des Motorgenerators synchronisiert ist, ist der resultierende Steuermodus eine asynchrone Pulsbreitenmodulation.
Die Umwandlung der durch den Integrator 10 erzeugten Dreieckwelle zu den zwei Signalen (P+) und (P–) in Übereinstimmung mit den an dem ersten und dem zweiten Komparator 11, 12 angelegten Schwellwertsignalen V_TH und –V_TH ist in 6 gezeigt. Wenn der Wert von V_TH aufgrund einer Erhöhung des Stromanforderungssignals D höher wird, erhöht sich das Information/Raum-Verhältnis des Signals (P+), während sich dasjenige des Signals (P–) verringert.
Die Schaltanordnung, die sowohl in dem Niederdrehzahl-Betriebsbereich als auch in dem Hochdrehzahl-Betriebsbereich verwendet wird, ist in 7 gezeigt, wobei deutlich ist, dass die drei Phasen A, B und C der Ständerspulen über sechs Schalter T1–T6, die durch entsprechende Aktivierungssignale G1–G6 (nachfolgend einfach als Aktivierungssignale G bezeichnet) aktiviert werden. Die Schalter sind Bipolartransistoren mit einem isolierten Gate. Der EPROM 13 gibt die Aktivierungssignale G in Übereinstimmung mit der Tabelle 1 aus, und die resultierenden Spannungssignale an den drei Phasen der Ständerspulen sind in 8 gezeigt.
Tabelle 1 Asynchrone Pulsbreitenmodulations-Steuerung (null bis halbe Drehzahl)
Die an jeder Phase der Ständerspulen angelegte Spannung V sowie der resultierende Strom I und die rückwärts gerichtete elektromotorische Kraft sind in 9 gezeigt, wobei deutlich ist, dass der Strom im wesentlichen in Phase mit der angelegten Spannung und der rückwärts gerichteten elektromotorischen Kraft ist, wobei die Größe der rückwärts gerichteten elektromotorischen Kraft gleich derjenigen der zeitgemittelten angelegten Spannung ist.
Wie oben genannt, wird eine fixe Trägerfrequenz von 10 kHz verwendet. Weil diese nicht variiert wird, wenn die Drehzahl höher wird, wird die Anzahl von Impulsen pro elektrischer Periode der Maschine mit zunehmender Drehzahl reduziert. Schließlich wird dieses Steuerverfahren ungeeignet, wenn unausgeglichene subharmonische Komponenten erzeugt werden, weil die Anzahl der Pulse pro Halbperiode keine fixe Ganzzahl ist und die Stromwellen hoch werden. Wenn der Mikrocontroller 16 aus den Positionssignalen P feststellt, dass die Drehzahl bei 400 Hz liegt, leitet sie den Hochdrehzahl-Betriebsbereich ein.
10 zeigt den in dem Hochdrehzahl-Betriebsbereich verwendeten Schaltungsaufbau des Motorgenerators ein, wenn die Drehgeschwindigkeit ungefähr 400 Hz überschreitet. Dies ist der normale Betriebsmodus, weil für eine bestimmte Leistungsausgabe bei höheren Drehzahlen ein kleineres Drehmoment erforderlich ist und deshalb weniger Strom benötigt wird. In diesem Modus wird das Signal (P+) auf seinem hohen Pegel gehalten, während (P–) auf seinem niedrigen Pegel gehalten wird.
Dieser Betriebsmodus ist dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenwinkel der an den Ständerspulen angelegten Spannung in Übereinstimmung mit der Stromanforderung variiert wird. Während also in der Anordnung von 3 das Timing der an den Ständerspulen angelegten Spannungssignale V_A, V_B und V_C unter Verwendung der Positionssignale P aus den Posi tionssensoren 3 bestimmt wird, müssen in diesem Betriebsmodus die Positionssignale angepasst werden, um die gewünschte Phasenänderung zu berücksichtigen.
Der in dem Hochdrehzahl-Betriebsbereich verwendete Schaltungsaufbau ist in 10 gezeigt. Die eingehenden Positionssignale P aus den Positionssensoren 3 weisen die Form eines Einfachimpulses pro Sensor für jede elektrische Periode auf. Das Signal aus einem der Sensoren wird zu einem Phasenregelkreis mit einem Phasenkomparator 22, einem Schleifenfilter 23, einem spannungsgesteuerten Oszillator 24 und einem Taktteiler 25 gegeben. Das Signal P wird zu einem ersten Eingang des Phasenkomparators 22 geführt, der an seinem Ausgang ein Spannungssignal erzeugt, dessen Größe proportional zu der Phasendifferenz zwischen den zwei Signalen an den entsprechenden Eingängen ist. Dieses Ausgangsspannungssignal wird dann zu dem Schleifenfilter 23 gegeben, der durch eine Reihenschaltung aus zwei Widerständen R1 und R2 und einem Kondensator C gebildet wird. Der Spannungspegel an einem Verbindungspunkt zwischen den zwei Widerständen R₁, R₂ wird zu dem spannungsgesteuerten Oszillator 24 geführt, der ein Signal mit einer Frequenz erzeugt, die proportional zu der Spannung an dem Eingang ist. Dieses Frequenzsignal wird zu dem Takteingang CLK eines Zählerteilers 25 gegeben, der ein gefiltertes Positionssignal P' mit einer Frequenz erzeugt, die gleich derjenigen des Ausgabe des spannungsgesteuerten Oszillators, geteilt durch 1024 ist.
Die Komponenten dieses Phasenregelkreises werden derart gewählt, dass die Schleife Eingangsfrequenzvariationen folgen kann, wobei sie aber auch Rauschen und Sprünge in der Eingangsfrequenz entfernen kann. Die Funktion des Schleifenfilters 23 besteht nicht nur darin, eine Systemglättung vorzusehen, sondern auch darin, sicherzustellen, dass ein Phasenabstand zwischen dem Eingangspositionssignal P und dem Ausgangspositionssignal P' kleiner als 180°C ist. Tatsächlich ist das Ausgangspositionssignal P' normalerweise in Phase mit dem Eingangspositionssignal P.
Das Ausgangspositionssignal P' wird an einem Eingang eines zweiten EPROM 26 angelegt. Dieses Signal P' wird in dem zweiten EPROM 26 mit einem Phasenverschiebungssignal Ø kombiniert, das anhand einer Nachschlagetabelle in dem Mikrocontroller 16 erzeugt wird und durch die Drehzahl des Motorgenerators und der Stromanforderung bestimmt wird, um ein weiter angepasstes Positionssignal p'' zu erzeugen. Dieses Signal P'' wird zusammen mit einem Anforderungssignal D' aus dem Mikrocontroller 16 zu dem ersten EPROM 13 zugeführt, der die zu dem Schaltmodul 8 zugeführten Aktivierungssignale G wie in dem Niederdrehzahl-Betriebsbereich erzeugt. Das Phasenverschiebungssignal Ø und das Anforderungssignal D' sind derart beschaffen, dass der Ständerstrom mit der Drehgeschwindigkeit variiert, sodass die zu dem Motorgenerator zugeführte Leistung auf einem konstanten Pegel gehalten wird. Die Aktivierungssignale in dem Hochdrehzahl-Betriebsbereich sind in Tabelle 2 angegeben.
Tabelle 2 Phasensteuerung (halbe Drehzahl bis zu voller Drehzahl
In dem Hochdrehzahl-Betriebsbereich können zwei unterschiedliche Anordnungen verwendet werden. Bei der ersten Anordnung wird die Leistungsübertragung nur durch das Variieren der Phase der angelegten Spannung in Bezug auf die Drehposition des Motorgenerators gesteuert. Bei der zweiten Anordnung wird die Leistungsübertragung zusätzlich durch das Variieren der an den Ständerspulen angelegten zeitgemittelten Spannung in jeder elektrischen Halbperiode gesteuert.
REINE PHASENSTEUERUNG
Bei dieser Anordnung werden die Aktivierungssignale G durch den ersten EPROM 13 nur in Abhängigkeit von dem weiter angepassten Positionssignal P'' aus dem zweiten EPROM 26 erzeugt, wobei durch den ersten EPROM 13 keine Rücksicht auf das Anforderungssignal D' genommen wird. In der Praxis ist der Strom in den Ständerspulen nicht allgemein in Phase mit der rückwärts gerichteten elektromotorischen Kraft, wobei die Wellenformen der angelegten Spannung, der Ständerstrom und die rückwärts gerichtete elektromotorische Kraft gewöhnlich wie in 11 gezeigt sind. Die Spannungswellenform bleibt unabhängig von dem Anforderungssignal D' konstant, wobei die Wellenform in den ersten EPROM 13 programmiert wurde.
PHASEN- UND SPANNUNGSSTEUERUNG
1. SYNCHRONE PULSBREITENMODULATION
Bei dieser Anordnung wird die Phase der angelegten Spannung derart gesteuert, dass der resultierende Ständerstrom im wesentlichen in Phase mit der rückwärts gerichteten elektromotorischen Kraft ist, um die Leistungsübertragung zwischen den Ständerspulen und dem Gleichstromanschluss 6 zu maximieren. In diesem Fall wird die Phase der Spannung wie bei der reinen Phasensteuerung in Abhängigkeit von dem Phasenanforderungssignal Ø gesteuert, wobei die Spannung aber zusätzlich durch Variieren der Aktivierungssignale G in Übereinstimmung mit dem eingehenden Anforderungssignal D' gesteuert wird, das von dem Mikrocontroller 16 zu dem ersten EPROM 13 gegeben wird. In diesem Fall werden zwei Spannungsimpulse in jeder elektrischen Halbperiode an jeder Phase der Ständerspulen angelegt, wobei die Zeitbreite W zwischen jedem Paar von Impulsen in Abhängigkeit von dem Anforderungssignal D' gesteuert wird. Die daraus resultierende Spannung, der Strom und die Wellenformen der rückwärts gerichteten elektromotorischen Kraft sind in 12 gezeigt. Weil die Impulse mit der Drehposition des Läufers synchronisiert sind, ist dieser Steuermodus eine effektiv synchronisierte Pulsbreitenmodulation im Gegensatz zu der nicht-synchronisierten Pulsbreitenmodulation in dem Niederdrehzahl-Betriebsbereich.
Diese zusätzliche Steuerung ist insbesondere vorteilhaft bei Niederspannungs-Anwendungen, wo die Spannung am Gleichstromanschluss bei zum Beispiel 90 V liegt.
2. FÜHRUNGSBREITENSTEUERUNG
Bei dem Betrieb im reinen Phasenmodus ist eine konstante „Aus-Zeit" von gewöhnlich 60° in jeder elektrischen Periode zwischen benachbarten positiven und negativen Spannungsimpulsen an den Ständerspulen gegeben, wobei die Gesamtzeit jedes angelegten Impulspaares bei 240° in jeder elektrischen Periode liegt, und diese Breite konstant bleibt.
Indem jedoch die Führungsbreite der Impulse angepasst wird, kann eine weitere Steuerung des in den Ständerspulen erzeugten Stroms bewerkstelligt werden. Wenn die Führungsbreite in dem Bereich von 0° bis 120° für jeden Impuls in einer elektrischen Halbperiode reduziert wird, kann die Zeit in jeder elektrischen Periode gesteuert werden, in welcher der Strom in der Ständerspule erzeugt wird. Auf diese Weise kann die zu dem Motorgenerator übertragene Leistung gesteuert werden. Der Führungsbreitenwert wird anhand einer Nachschlagetabelle in Abhängigkeit von einem Leistungsanforderungssignal bestimmt.
SPANNUNGSSTEUERUNG (ANWENDBAR AUF ALLE HOCHDREHZAHL-STEUERMODI)
Für die meisten Anwendungen ist eine konstante Ausgabegleichspannung erforderlich. Ein Anforderungspegel wird gesetzt, und die Maschine wird derart gesteuert, dass die erforderliche Anschlussspannung unter allen Lastbedingungen gehalten wird. In der Praxis muss die Hysterese zwischen der Spannung für den Ladungsmodus und dem Entladungsmodus gehalten werden, um ein Systempendeln zu verhindern. Wenn die Gleichspannung über einem ersten vorbestimmten Pegel liegt, wird in einen Ladungsmodus eingetreten, in dem die Maschine Energie von dem Gleichstromanschluss bezieht. In diesem Modus ist der Spannungspegel größer als derjenige der rückwärts gerichteten elektromotorischen Kraft. Wenn die Anschlussspannung unter einen zweiten vorbestimmten und tieferen Wert fällt, weil etwa ein Stromausfall aufgetreten ist, dann wird der Motorgenerator im Entladungsmodus betrieben, um die Spannung des Gleichstromanschlusses auf diesem tieferen Pegel zu halten. In diesem Fall ist die angelegte Spannung kleiner als die rückwärts gerichtete elektromotorische Kraft, wobei Strom von den Ständerspulen zu dem Gleichstromanschluss 6 fließt. Die an den Ständerspulen angelegte Spannung wird während des Entladungsmodus in gleicher Weise betrieben wie im Ladungsmodus, wobei jedoch der angelegte Spannungspegel im Ladungsmodus höher und im Erzeugungsmodus niedriger als die rückwärts gerichtete elektromotorische Kraft ist.
SCHUTZ
Bei den oben beschriebenen Anordnungen wird die Größe des Stroms in den Ständerspulen mit einem maximalen Grenzwert verglichen, wobei wenn der Strom diesen Wert überschreiten sollte, der Motorgenerator heruntergefahren wird. Der maximale Grenzwert wird durch die maximal zulässige Temperatur bestimmt, die durch den Strom in den Ständerspulen erzeugt wird, sowie durch das Erfordernis, eine Sättigung der Ständerkerne, um welche die Spulen gewickelt sind, zu verhindern, und durch das Erfordernis eine Entmagnetisierung des Permanentmagneten des Läufers zu verhindern.
BETRIEBSMODI
Das System umfasst mehrere Betriebsmodi, die nachfolgend beschrieben werden.
Um den Betrieb des Motorgenerators zu starten, werden Zündimpulse zu den bipolaren Transistoren mit isoliertem Gate gegeben, wobei die Läuferdrehzahl von null nach oben erhöht wird. Wegen mechanischen Resonanzen und zur Verhinderung eines Lagerverschleißes unterhalb der Abhebedrehzahl sollte der Motorgenerator vorzugsweise bei bestimmten Frequenzen nicht kontinuierlich betrieben werden. Das Steuersystem ist programmiert, um einen Betrieb bei einer gesetzten elektrischen Frequenz zwischen null und 720 Hz (d. h. bei Drehzahlen bis zu 120 Hz) für mehr als 1 Sekunde zu verhindern. Während dieser Phase wird der Läufer mit dem maximalen Drehmoment beschleunigt, mit dem das System betrieben werden kann. Dadurch wird die in diesem Modus verbrachte Zeit minimiert. Sobald die Drehgeschwindigkeit 120 Hz erreicht hat, geht die Steuerung zu dem nächsten Betriebsmodus über.
Der Läufer wird dann unter einer konstanten Drehmomentsteuerung beschleunigt. Wenn ungefähr die halbe Vollgeschwindigkeit erreicht wird, geht die Steuerung zu dem Ladungsmodus über.
Der Ladungs-, Lauf- und Entladungsmodus sind die normalen Betriebszustände der Maschine. In dem Ladungsmodus wird der Läufer unter einer konstanten Leistungssteuerung beschleunigt. Wenn die volle Drehzahl erreicht wird, geht die Steuerung in den Laufmodus über, während welcher das System die Läuferdrehzahl auf ihrem maximalen Wert hält. Um Verluste in diesem Modus zu minimieren, wird das Schalten des Inverters deaktiviert, wenn die zum Aufrechterhalten der Drehzahl des Motorgenerators erforderliche Leistung unter einen bestimmten Minimalpegel fällt. Wenn kein Fehler festgestellt wird, verlässt das System diesen Modus nur, wenn die Versorgungsspannung ausfällt. Wenn diese Bedingung festgestellt wird, geht die Steuerung zum Entladungsmodus über.
In dem Entladungsmodus wird der Leistungsfluss von dem Motorgenerator derart gesteuert, dass die Systemlasten ausreichend versorgt werden und eine konstante Spannung an dem Gleichstromanschluss 6 aufrechterhalten wird. Wenn die Stromversorgung nicht wiederhergestellt wird, bevor die Läuferdrehzahl auf die halbe Volldrehzahl gefallen ist (d. h. keine nutzbare Energie mehr vorhanden sind), geht die Steuerung zu einer Entladung mit minimaler Rate über, um die Anschlussspannung und den Strom zu der Stromversorgung aufrechtzuerhalten und nur eine minimale Energiemenge von dem Motorgenerator zu ziehen. Wenn die Stromversorgung vor dem Erreichen der halben Volldrehzahl wiederhergestellt wird, kehrt die Steuerung zu dem Ladungsmodus zurück.
Ein Bremsmodus dient dazu, den Läufer so schnell wie möglich zu verlangsamen, wenn ein Fehler aufgetreten ist oder ein Schaden verhindert werden soll. Wenn in diesen Modus eingetreten wird, wird die elektrische Bremse aktiviert. Wenn die Läuferdrehzahl größer als die halbe Volldrehzahl ist, wird der Bremsmodus mit konstanter Leistung betrieben. Wenn die Drehzahl kleiner als die halbe Volldrehzahl ist, wird der Bremsmodus mit maximalem Drehmoment betrieben. Wenn der Läufer auf 120 Hz verlangsamt wurde, wird das Bremsen unter Verwendung des maximalen Drehmoments bis zu einer Nulldrehzahl fortgesetzt.

Claims

Steuervorrichtung für einen wechselstromgetriebenen elektrischen Motorgenerator, wobei die Steuervorrichtung so ausgeführt ist, dass in Funktion während eines ersten, eines Niedrigdrehzahl-Betriebszustandes die Energiezufuhr gesteuert wird, indem die an den Motorgenerator angelegte zeitgemittelte Spannung innerhalb jeder elektrischen Halbperiode variiert wird, während die Phase der angelegten Spannung in Bezug auf die Drehposition des Motorgenerators im Wesentlichen konstant gehalten wird, und während eines zweiten, eines Hochdrehzahl-Betriebszustandes die Energiezufuhr/-abgabe gesteuert wird, indem die Phase der Spannung in Bezug auf die Drehposition des Motorgenerators sowohl dann variiert wird, wenn der Motorgenerator als ein Motor arbeitet, als auch dann, wenn er als ein Generator arbeitet.
Steuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Steuermodul so konfiguriert ist, dass in Funktion während des Niedrigdrehzahl-Betriebszustandes die zeitgemittelte Spannung unter Verwendung asynchroner Pulsbreitenmodulation variiert wird.
Steuervorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Steuermodul so konfiguriert ist, dass in Funktion während des Niedrigdrehzahl-Betriebszustandes der Betrag der Spannung so variiert wird, dass er sich einer Rechteckwellenform mit der gleichen Frequenz wie der Gegen-EMK nähert.
Steuervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Steuermodul so konfiguriert ist, dass in Funktion während des Hochdrehzahl-Betriebszustandes die in jeder elektrischen Halbperiode angelegte zeitgemittelte Spannung im Wesentlichen konstant gehalten wird.
Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Steuermodul so konfiguriert ist, dass in Funktion während des Hochdrehzahl-Betriebszustandes die Energiezufuhr gesteuert wird, indem sowohl die in jeder elektrischen Halbperiode angelegte zeitgemittelte Spannung als auch die Phase der Spannung in Bezug auf die Drehposition des Motorgenerators variiert wird.
Steuervorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Steuermodul so konfiguriert ist, dass in Funktion während des Hochdrehzahl-Betriebszustandes der Betrag der Spannung durch synchrone Pulsbreitenmodulation variiert wird.
Steuervorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Steuermodul so konfiguriert ist, dass in Funktion während des Hochdrehzahl-Betriebszustandes der Betrag der Spannung durch Kommutierungsbreitensteuerung variiert wird.
Steuervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Steuermodul so konfiguriert ist, dass in Funktion der zweite, der Hochdrehzahl-Betriebszustand ausgelöst wird, wenn die Motorgenerator-Drehzahl einen vorgegebenen Pegel übersteigt.
Steuervorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Steuermodul so konfiguriert ist, dass in Funktion der vorgegebene Pegel um 400 Umdrehungen pro Sekunde herum liegt.
Steuervorrichtung nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, wobei ein Stellungsgeber (3) so konfiguriert ist, dass er die Motordrehzahl erfasst, und der Stellungsgeber so angeordnet ist, dass er die relativen Drehpositionen des Stators (2) und des Rotors (1) des Motorgenerators erfasst.
Steuervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die des Weiteren eine Einrichtung umfasst, die auf den Strom in dem Motorgenerator anspricht, um den Betrieb des Motorgenerators zu beenden, wenn der Strom einen maximalen Grenzwert übersteigt.
Verfahren zum Steuern eines wechselstromgetriebenen elektrischen Motorgenerators, wobei während eines ersten, eines Niedrigdrehzahl-Betriebszustandes die Energiezufuhr gesteuert wird, indem die an den Motorgenerator angelegte zeitgemittelte Spannung in jeder elektrischen Halbperiode variiert wird, während die Phase der angelegten Spannung in Bezug auf die Drehposition des Motorgenerators konstant gehalten wird, und während eines zweiten, eines Hochdrehzahl-Betriebszustandes die Energiezufuhr/-abgabe gesteuert wird, indem die Phase der Spannung in Bezug auf die Drehposition des Motorgenerators sowohl dann variiert wird, wenn der Motorgenerator als Motor arbeitet, als auch dann, wenn er als ein Generator arbeitet.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei während des Niedrigdrehzahl-Betriebszustandes die zeitgemittelte Spannung und Verwendung asynchroner Pulsbreitenmodulation variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, wobei während des Niedrigdrehzahl-Betriebszustandes der Betrag der Spannung so variiert wird, dass er sich einer Rechteckwellenform mit der gleichen Frequenz wie der Gegen-EMK nähert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei während des Hochdrehzahl-Betriebszustandes die in jeder elektrischen Halbperiode angelegte zeitgemittelte Spannung im Wesentlichen konstant gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei während des Hochdrehzahl-Betriebszustandes die Energiezufuhr gesteuert wird, indem sowohl die in jeder elektrischen Halbperiode angelegte zeitgemittelte Spannung als auch die Phase der Spannung in Bezug auf die Drehposition und des Motorgenerators variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei während des Hochdrehzahl-Betriebszustandes der Betrag der Spannung durch synchrone Pulsbreitenmodulation variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei während des Hochdrehzahl-Betriebszustandes der Betrag der Spannung durch Kommutierungsbreitensteuerung variiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, wobei der zweite, d. h. der Hochdrehzahl-Betriebszustand ausgelöst wird, wenn die Drehzahl des Motorgenerators einen vorgegebenen Pegel übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Drehzahl des Motorgenerators einen vorgegebenen Pegel übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, wobei die Motordrehzahl unter Verwendung eines Stellungsgebers erfasst wird, der so angeordnet ist, dass er relative Drehpositionen des Stators und des Rotors des Motorgenerators erfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 21, das des Weiteren eine Einrichtung umfasst, die auf den Strom in dem Motorgenerator anspricht, um den Betrieb des Motorgenerators zu beenden, wenn der Strom einen maximalen Grenzwert übersteigt.