WO2014076205A2 - Vorrichtung und verfahren zum emulieren - Google Patents

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WO2014076205A2
WO2014076205A2 PCT/EP2013/073871 EP2013073871W WO2014076205A2 WO 2014076205 A2 WO2014076205 A2 WO 2014076205A2 EP 2013073871 W EP2013073871 W EP 2013073871W WO 2014076205 A2 WO2014076205 A2 WO 2014076205A2
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magnetic flux
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Thomas HODRIUS
Stefan UEBENER
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Set Power Systems Gmbh
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    • G01R31/2846—Fault-finding or characterising using hard- or software simulation or using knowledge-based systems, e.g. expert systems, artificial intelligence or interactive algorithms
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    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters
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    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/34—Modelling or simulation for control purposes

Definitions

  • Device and method for emulating The emulation of electric motors / generators can take place with the aid of simulation units. It can be one
  • the invention relates to a device comprising:
  • Storage unit for a variety of values for at least one of the following sizes or all of these sizes:
  • the invention also relates to a method comprising:
  • Electric machine to be used. It is an object of developments of the inventions to provide a device of simple design, which in particular enables an accurate and / or rapid emulation of the electric motor, in particular a rotating electric machine, or more precisely an electric motor with rotating parts. In addition, an associated method should be specified.
  • the device can contain:
  • a memory unit wherein in the memory unit at a plurality of values for at least one of the following sizes or all of these sizes:
  • transverse component of one or the magnetic flux or the transverse component of one or the chained flow is the transverse component of one or the magnetic flux or the transverse component of one or the chained flow
  • Longitudinal component of the current or the transverse component of the current can be stored.
  • the transverse component of the Current can be determined in other ways, for example, from a replica of an electric motor / generator that contains no memory unit corresponding storage unit. For example, it is also possible to determine only the transverse component of the current with the aid of the storage unit.
  • Longitudinal component of the current can be determined in other ways, for example, from a replica of a
  • Electric motor / generator containing no storage unit corresponding storage unit.
  • Electric motor / generator can be used or need.
  • the values of the flux component (s) may be harmonics of the magnetic flux or flux
  • values of the transverse component of the flow for values of the longitudinal component of the flow and for values of the transverse component of the flow can be stored in a two-dimensional field.
  • the memory unit can be addressed via addresses.
  • the addresses can be assigned values of the magnetic flux according to an assignment rule. That's the way it works Give address ranges for each one value of the longitudinal component, in each of which a plurality of values of the
  • Cross-component of the flow are addressable. Conversely, there may be address ranges for each one value of the transverse component, in each of which a plurality of values of the
  • the memory unit is realized in an FPGA.
  • It can be a linear interpolation or a bilinear
  • Interpolation can be used when accessing the field or both fields.
  • Nonlinearities between flow and current are easily taken into account implicitly.
  • non-linear saturation effects can be more accurately considered, e.g. in the iron of the engine / generator.
  • the saturation effects become when the values or value groups of the
  • the replica can also be parameterized in another area.
  • the values stored in the memory unit are measured, for example, at an electric motor / generator or obtained from a spatial simulation.
  • Memory unit implicitly contained, e.g. Length of the rotor or stator, diameter of the rotor or stator, number of windings and number of turns of the rotor
  • Stator windings flux generated by permanent magnets, air gap width between rotor and stator,
  • the memory unit can be read out very quickly, for example in a time less than 10 ns (nanoseconds). This allows a quick replication of the Machine characteristic or the electric motor / generator, which hardly the characteristics of a real
  • Electric motor / generator differentiates.
  • the replica can form the basis for an emulator, which will be explained in more detail below.
  • the transverse component of the flow allows a simple simulation and is particularly well suited for control purposes, since there are, for example, simple physical relationships between these components and the speed and / or the torque of the motor / generator.
  • Input variables for the simulation or regulation are generated.
  • One of these transformations is, for example, the Clarke and Park Transformation, which is also referred to as d / q, dqO or Park Transformation, wherein the following
  • Term "Clarke and Park Transformation” is used for both a park and a clarke transformation as well as for the sequence of a clarke and a park transformation.
  • the d / q transformation is e.g. given as:
  • I_d square root (2/3) (lu cos (theta) + Iv cos (theta - 2 Pi / 3) + Iw cos (theta + 2 Pi / 3)),
  • I_q square root (2/3) (- Iu sin (theta) - ⁇ cos (theta - 2 Pi / 3) - Iw cos (theta + 2 Pi / 3)),
  • I_d is the longitudinal current
  • I_q is the transverse current
  • Iu, Iv, Iw are the phase currents
  • theta is the rotation angle
  • Pi is the number 3, 14 ... of the same name.
  • I_q square root (2/3) (- I_alpha sin (theta) + I_beta cos (theta)).
  • Transformations may also be used to re-size the quantities used in the replica, which may be used to drive an inverter, or for emulation, i.
  • the motor can, for example, a permanent magnet excited
  • Synchronous motor with, for example, three phases or more than three phases.
  • Other engine types / generator types may also be used using tables set forth in the
  • Storage unit be emulated, e.g. Asynchronous motors, DC motors, foreign excited
  • Synchronous motors or corresponding generators Synchronous motors or corresponding generators.
  • the engine may be a high power engine, in particular with a power greater than 1 kW (kilowatts) or greater than 10 kW or greater than 100 kW.
  • Such engines can as
  • Performance can be emulated, e.g. less than 1 kW or less than 100 watts.
  • Switching units or converters for these motors or their control units can be tested early with an emulator.
  • the emulator can also be used in the production of the switching units or control units for test purposes or used for quality control. By simply reprogramming the emulator or switching between different memory units in which flows are stored to flow components, different engine types can be taken into account quickly and easily from each other, resulting in a reduction of the effort compared to
  • the device may include a first preferably electronic switching unit, wherein the device may include connections with which the first switching unit to a second preferably electronic switching unit, for example.
  • the switching unit to be tested can be connected.
  • Terminals can contain terminals, in particular screw terminals or terminal clamps, plugs or sockets, so that easy connection is possible. -Possibly. Coupling coils can be switched between the two switching units.
  • Typical inductances for these coupling coils depend on the motor to be emulated and are, for example, in the range of 5 microhenries to 100 millihenries.
  • the first switching unit and / or the second switching unit can also be a converter or inverter or
  • Inverter which includes a plurality of switching branches, in each of which at least two electronic power switching elements are arranged, for example, switching transistors such as FETs (field effect transistor, MOSFETs (MetallOxid ⁇ ) or IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor), etc.
  • the electronic switching units can be any type of switching transistors such as FETs (field effect transistor, MOSFETs (MetallOxid ⁇ ) or IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor), etc.
  • FETs field effect transistor
  • MOSFETs MetallOxid ⁇
  • IGBTs Insulated Gate Bipolar Transistor
  • Power switching units with a switching capacity greater than 1 kilowatt or greater than 10 kilowatts or greater 100 kilowatts.
  • the two switching units can thus form a pair, wherein the first switching unit one
  • Electric motor / generator simulates and the second
  • Switching unit operates the replica of the electric motor. Unlike other replicas, e.g. HIL (Hardware In The Loop), flows high real currents, which can form the basis for the real test of DUTs, e.g. of semiconductor devices and / or a control in the DUT.
  • HIL Hard In The Loop
  • the first switching unit and / or the second switching unit may include at least two outputs or at least three outputs. or have, with each output at least two
  • Circuit branches are present, and where each
  • Circuit branch contains at least two switching elements.
  • the switching unit is a
  • Multi-phase switching unit with at least three or at least four different current carrying phases each
  • the current-carrying phases correspond to different switching positions or switching modes of the switching elements.
  • Position of switching elements can also be used to a certain extent diodes, especially in combination with
  • ripple currents can be reduced.
  • the smoother switching currents allow better emulation or regulation of an electric motor.
  • the circuit branches belonging to an output terminal may each be connected to one end of a coil.
  • the other ends of the coils can be used with the relevant
  • Connected in this application means connected in particular electrically conductive.
  • only a single-phase inverter can be used in which only one circuit branch is used per output.
  • the coils are, for example, commercially available and have correspondingly adapted inductances.
  • the switching unit may contain at least three or at least four switching elements per circuit branch. Thus, it is a multipoint or Multilevelinverter or
  • Switching elements in a bridge circuit can be the
  • Multilevel inverter will also be explained in more detail below on hand figure 9.
  • Multilevel converter can be used, in which only one circuit branch is used for each output.
  • the device may include a switching unit, with which it is possible to switch to a second operating mode, in which a longitudinal component of the magnetic flux and / or a transverse component of the magnetic flux Longitudinal current and / or a transverse current is calculated according to a predetermined calculation rule, in particular using at least one inductance value for a series inductance or for a transverse inductance.
  • the longitudinal flow and / or the crossflow could also be determined with the storage unit in a first operating mode, it is determined or otherwise determined. Di-es, for example, allows a comparison emulation. A user with fewer parameters, for example only for the longitudinal inductance and / or the transverse inductance, can also perform an emulation in the second operating mode.
  • the device may be in addition to the above
  • Storage unit also called the first storage unit
  • a second storage unit containing, in each of which a plurality of values for an electrical and / or physical field angle at least one value of one of the following quantities or data is stored:
  • Memory unit a rounding of the value of the electric field angle are performed. Also, interpolation can be performed between values read from the second memory unit.
  • harmonics allow very exact emulations or regulations, in particular in combination with a polyphase inverter and / or a multilevel inverter and in particular in combination with the memory unit mentioned in claim 1.
  • the apparatus may include a first adding unit having a value of a longitudinal component of the magnetic flux or the concatenated flux having a value of
  • Memory unit added, wherein the output date of the first adding unit is used as the input date for reading the first spoke unit.
  • the apparatus may alternatively or additionally include a second adding unit which adds a value of a transverse component of the magnetic flux or the concatenated flux to a value of the lateral component of the sum of the harmonics of the magnetic flux or the concatenated flux from the second memory unit, the output data of the second memory unit second adding unit is used as the input data for reading the first storage unit.
  • a second adding unit which adds a value of a transverse component of the magnetic flux or the concatenated flux to a value of the lateral component of the sum of the harmonics of the magnetic flux or the concatenated flux from the second memory unit, the output data of the second memory unit second adding unit is used as the input data for reading the first storage unit.
  • Harmonics of the magnetic flux or the chained flux have been added.
  • the computation time can be shortened and still an accuracy can be achieved which is sufficient for some applications.
  • the device or a control unit contained in the device may be a machine model of a
  • Electric motor / generator calculate, preferably with a simulation step duration less than 1 microsecond or less than 100 nanoseconds. This short
  • Simulation step duration is particularly possible due to the use of the first memory unit and or the second memory unit.
  • this step time can be achieved if an FPGA (Field Programmable Gate
  • Emulation step duration is, for example, greater than 1 ns
  • the electric motor may be a synchronous motor, in particular a permanent magnet synchronous motor.
  • a permanent magnet synchronous motor allows a very compact design.
  • another stator magnet synchronous motor allows a very compact design.
  • El motor-type emulated for example, a third-party excited synchronous motor, an asynchronous motor, etc.
  • the generator can be a synchronous generator or. be an asynchronous genome. Internal and external rotor E machines can be simulated.
  • the device may include a control circuit,
  • Emulation of an electric motor include a current control to detected or measured voltage values according to a characteristic of the motor to be emulated motor 30 set currents
  • a direct current control of the 10 phase currents can be performed in a stator-fixed coordinate system of the motor to be emulated. From one
  • Imaging unit output longitudinal and cross-current values are transformed into desired phase currents via a transformation
  • Transformation can be used for current regulation.
  • the detected actual currents can be transformed and then the
  • Output values of the control unit can nach.einer reverse transformation to the control
  • Both cases can at the output of the control unit or after the. reverse transformation, preferably digital
  • PWM Pulse Width Modulation
  • the device includes at least one of the following
  • At least two current sensors for detecting or measuring phase currents of the motor to be emulated, and / or
  • At least three coils which can serve for coupling and inductance values in the range of 5 microhenry to
  • lOO can have illihenry, and / or
  • the device may be an emulator for an electric motor and / or for a generator. Unlike a regulation ⁇ for an electric motor / generator special requirements are placed on a ⁇ such emulator, the additional considerations and structural measures
  • a method may include the following steps:
  • Associated may again mean that the corresponding current has been determined for the corresponding flow, for example, measured or recorded or simulated.
  • the above apply to the device
  • the value groups can be detected on an electric motor or from a spatial simulatioras model of a
  • Electric motor or electric generator or power generator can be obtained.
  • simulation data form an alternative, for example data of a finite element method (FEM) or a finite difference method (FDM) or another simulation, takes into account the spatial conditions in the electric motor / generator, in particular local field distributions in the air gap.
  • FEM finite element method
  • FDM finite difference method
  • Devices and methods and a power generator can be emulated or regulated.
  • a power generator can be emulated or regulated.
  • An electric machine emulator is a test concept that emulates the power flow of a real electric machine (electric machine). The power level of a drive to be tested can be operated without hardware changes, if a
  • Emulator is used.
  • a first DC power supply can (DUT Device Under Test; UUT Unit Under Test) to be tested for the machine to be used ⁇ and a second DC power supplies may be used for the emulator.
  • FIG. 1 shows the
  • Phase voltages are measured in the emulator.
  • the measured phase currents are input variables for a real-time E machine model. Inside the model will be
  • Target phase currents calculated by the numerical solution of differential equations.
  • the target and actual phase currents are used as input variables for a
  • the corresponding phase currents that would flow in the real machine are, for example, continuously adjusted by combining the E-machine model, the current controller and the inverter.
  • the position of the electric motor or the Rotor rotation angle can be for field-oriented control
  • the position is, for example, with a
  • Resolver an encoder or a Hall sensor determined.
  • This position signal is electrically simulated by the emulator.
  • encoderless emulation can be used.
  • the voltage detection, the model calculation, the current regulation and the PWM generation take place, for example, in an FPGA (Field Programmable Gate Array).
  • Emulation accuracy can be mainly determined by the
  • ⁇ - ud is the longitudinal component of the stator voltage in
  • - id is the longitudinal component of the stator current in the rotor-fixed coordinate system
  • ⁇ - Ld is the longitudinal inductance of one of the stator windings in the rotor-fixed coordinate system
  • üq is the transverse component of the stator voltage in the rotor-fixed coordinate system
  • ⁇ - iq is the transverse component of the stator current in the roto-fixed coordinate system
  • omega is the angular velocity of the rotating field
  • psi_p is the permanent magnet flux
  • model equations are described in a rotor-fixed dq coordinate system.
  • the first step is to do the
  • - psi_d is the longitudinal component of the magnetic flux or the chained flux in the rotor-fixed coordinate system
  • - psi_q is the transverse component of the magnetic flux or the chained flux in the rotor-fixed coordinate system.
  • - p is the Polpaa number.
  • FIG. 5 shows the implementation of the flow-based PMSM model.
  • Block 520 is also referred to as psi_dq after idq block and contains the conversion of
  • psi_d_D psi_d + psi_d
  • harm psi_d + fhd (phi_el)
  • psi_q_D psi_q + psi_q
  • noise psi_q + fhq (phi_el)
  • Equations (5) can be calculated:
  • the chained flows psi_d_D and psi_q_D can be converted to stator currents by means of a characteristic field or several characteristic fields.
  • the id and iq current components are, for example, in two
  • Equations ⁇ 6 are:
  • id fl A- 1 ⁇ psi_d_D, psi_q_D),
  • iq f2 A -l (psi_d_D, psi_q_D).
  • the d and q currents can be constant
  • FIG. 6 shows the implementation of the psi_dq na: h idq block which describes the flow table and the harmonic table of the. PMSM model contains.
  • the advantage of the flow-based model is the high accuracy of the simulation of
  • the E-machine characteristic can be included to fill the two-dimensional look up tables according to equations (6) with the accurate data.
  • One way to obtain the chained flows psi_d and psi__q with respect to id and iq is through an FEM (Finite Element Method) analysis.
  • FEM Finite Element Method
  • FIG. 7 shows an example of such a test stand and the measuring devices.
  • the main components of the test stand and the measuring devices.
  • Test rigs are the controller with control unit, the electric motor and the load machine. Two oscilloscopes with a total of eight channels are used as the test setup. Due to the neutral point symmetry, only two currents ia, ib and two voltages uab, ube are required to completely determine the system.
  • the inverter uses an integrated resolver to inspect the rotor position.
  • the electrical angle phi_el can be obtained by measuring and demodulating the three resolver signals (sin, cos, ext). With the measured phase currents iabc and uabc and the calculated electrical angle phi_el, the fixed stator values are transformed into the rotor-fixed coordinate system by the Clarke and Park transformation.
  • the e-machine model can be filled with data from the real e-machine.
  • the look-up tables for the flow harmonics fhd and fhq can be filled by Fourier analysis of the back emf of the target machine according to equations (5).
  • FIG. 1 shows a test stand for a converter to be tested
  • FIG. 2 shows an envelope contained in the test stand
  • FIG. 4 shows an electric motor emulator with current regulation in field coordinates
  • FIG. 5 shows a simulation unit of the emulator
  • FIG. 6 shows a mapping unit of the emulator
  • FIG. 7 shows a measuring station for detecting parameters of a
  • FIG. 8 shows method steps for determining machine data for the emulation
  • FIG. 9 shows a branch of a multipoint converter.
  • FIG. 1 shows a test stand 10 for a converter 12 to be tested, which is also referred to as a test object.
  • the test stand 10 contains the test object 12 (converter / inverter) as well as a test device 14 or an emulator.
  • the test device 14 has three terminals 20, 22, 24, via which it is connected to the test piece 12. The connection takes place via three lines 30, 32, 34 to the side of the test object 12 and via three lines 130, 132 and 134 within the test device 14.
  • the test piece 12 contains:
  • the half-bridge branch 50 In the half-bridge branch 50 are two switching elements 60, 62 (IGBT, GTO (Gate Turn-Off thyristor), etc.), which are connected via a line 64.
  • the half-bridge branch 52 In the half-bridge branch 52 are two switching elements 70, 72 ⁇ LGBT, GTO, etc.), the over a line 74 are connected.
  • the half bridge branch 54 In the half bridge branch 54 are two switching elements 80, 82 (IGBT, GO, etc.), which are connected via a line 84.
  • the line 64 is connected to the line 30.
  • the line 74 is connected to the line 32.
  • the line 84 is connected to the line 34.
  • Gate terminals 90 to 100 of the switching elements 60, 62, 70, 72, 80 and 82 are driven in a conventional manner.
  • the test device 14 contains:
  • Line 130 leads to coil 120.
  • Line 132 leads to coil 122.
  • line 134 leads to coil 124.
  • the other ends of coils 120, 122 and 124 are connected to the outputs of inverter 112.
  • a respective current sensor 140, 142 and 144 is arranged on line 130 to 134. It can only be two
  • the current sensors 140 to 144 detect the phase currents ia, ib and i-c, preferably digitally.
  • a voltage sensor 160 is connected between lines 130 and 132 and detects the phase voltage uab
  • a voltage sensor 162 is connected between the lines 132 and 134 and detects the Phase voltage over, preferably digital.
  • the phase voltage uac can also be detected, but can also be calculated by subtraction from the other two phase voltages.
  • phase voltages are transmitted to the replication unit 110, see Data Transfer 170, 172.
  • Outputs of the current controller 114 are transferred to the inverter 112, see data transfer 180 to 184, e.g. digital PWM values (Pulse Width Modulation).
  • output data of the emulation unit 110 are transmitted to the current controller 114, in particular setpoints, see data transmission 190 to 194, which will be explained in more detail below with reference to FIGS. 3 and 4.
  • the test device 14 can optionally be realized with a processor P, the program commands. which are stored in a digital memory M.
  • the processor P can be
  • Microprocessor or component of a microcontroller Microprocessor or component of a microcontroller.
  • Replica is used, e.g. an FPGA 196th ⁇
  • the memory unit M is, for example, a ROM (Read Only Memory), an EPROM (Erasable ROM), an EEPROM (Electrically EPROM) a flash EEPROM; or another suitable memory.
  • ROM Read Only Memory
  • EPROM Erasable ROM
  • EEPROM Electrically EPROM
  • flash EEPROM flash EEPROM
  • Memory unit can also be realized in an F-PGA.
  • a table LÜT1 ⁇ Look Up Table or look-up table) or two tables LUT1 and LUT2 can be stored. Both cases are explained in more detail below.
  • the electrical rotation angle phi_el Via a data transmission connection 198 or a line, the electrical rotation angle phi_el can be communicated from the tester 14 to the inverter 12.
  • motors are emulated with two, typically three or more than three phases, so that, for example, correspondingly more coils 120 to 124 and other inverters or other converters are required.
  • the function of the test device 12 results from the
  • Test device 10 are emulated to, for example, the inverter 12 to test.
  • FIG. 2 shows a converter 112 contained in the test stand 10.
  • inverters may also be used, for example converters which are constructed like the converter 12.
  • Inverter 112 is a multi-phase converter used in the
  • Example contains four circuit branches per switching phase, in Figure 2, the circuit branches for the first phase are completely specified and the circuit branches for the other phases - are indicated. Inverter 112 may also have more than three output phases.
  • the 'branch circuits are connected between a positive line 200 and a minus line 202 to ground potential.
  • the first circuit branch includes a switching element Sl, a line Li and a switching element sl.
  • the line Li is connected to a line 11 leading to a coil 220.
  • the line L2, L3 and L4 is connected to a line 12, 13 and 14, which leads to a coil 222, 224 and 226, respectively.
  • the other ends of the coils 220 to 226 are connected to a phase terminal 228, that is, to an output of the inverter 112.
  • the fifth circuit branch includes a switching element S5, a line L5 and a switching element s5.
  • Line L6, L7 and L8 and a switching element s6, s7 and s8 The line L5 is connected to a line 15 leading to a coil 230. Similarly, the line L6-, L7 and L8 is connected to a line 1-6, 17 and 18, which leads to a fifth coil 232, to a sixth coil 232 and to an eighth coil 234. The other ends of the coils 230-234 are connected to a phase terminal 238, i. with an output of the inverter 112.
  • the ninth circuit branch includes a switching element S9, a line L9, and a switching element s9. : Likewise contains the tenth, eleventh and twelfth
  • the line L9 is connected to a line 19 leading to a coil 240.
  • the line L10, LH or L12 is connected to a line 110, 111 and 112, respectively, which leads to a tenth coil 242, to an eleventh coil 242 and to a twelfth coil 244, respectively.
  • the other ends of the coils 240 to 244 are connected to a phase connection 248, ie to an output of the inverter 112.
  • Further switching elements 210, 212 are indicated by dots.
  • An equivalent circuit diagram 218 shows that the switching elements S 1 to S 12 and S 1 to S 2 can be formed by switching transistors or other electronic power switches, preferably with a diode connected in antiparallel.
  • Polyphase converter 112 additionally or alternatively also designed as a multipoint converter, wherein a partial voltage 250 and a partial voltage 252 are used, which are mutually symmetrical with respect to a ground potential 254.
  • a multi-point converter will be explained in more detail below with reference to FIG. It is also possible to use more than two partial voltages per circuit branch.
  • the switching elements Sl to S12 and sl to sl2 are controlled in such a way that low harmonics of the output currents and output voltages result, see Introduction.
  • FIG. 3 shows an electric motor emulator 14a with direct current regulation.
  • the emulator 14a may be used in place of the emulator 14.
  • a transformation unit 302 performs a Clarke and Park transformation.
  • the input data of the transformation are the phase voltages ⁇ uab and übe, see data transfer 170 and 172.
  • Output data of the transformation are the longitudinal voltage ud and the transverse voltage uq, both of which are supplied to the replica unit 110.
  • the simulation unit 110 outputs values for the longitudinal flow id and values for the lateral flow iq, which are transmitted via a
  • Inverse transformation 304 are converted into phase currents. These phase currents are added via the übertragu-ngswege 190 to 194 as setpoints. a current regulator 114a.
  • the current regulator 114a is according to the known principles of Control technology constructed and can be used instead of the current controller 14.
  • the current controller 114a are detected as actual variables
  • the current controller 114a outputs voltage data or PWM data directly to the
  • a polyphase converter In the case of a polyphase converter can be generated from a PWM signal by phase shifts the PWM signals for driving the switching elements of the same phase.
  • FIG. 4 shows an electric motor emulator 14b with current regulation in field coordinates.
  • the emulator 14b may be used in place of the emulator 14.
  • Transformation unit 402 performs a Clarke and Park
  • the input data of the transformation are the phase voltages uab and übe, see data transmission 170 and 172.
  • the output data of the transformation are the longitudinal voltage ud and the transverse voltage uq, both of which are supplied to the emulation unit 110.
  • the replica unit 110 outputs values for the longitudinal flow id and values for the transverse flow iq, which exceed
  • Data transfer paths 404 and 406 are transmitted as desired quantities to a current regulator 114b.
  • the current regulator 114b is constructed in accordance with the known principles of control engineering and can be a-n. Position of the current controller 14 can be used.
  • the current regulator 114b as actual variables the transformed of the detected phase currents ia, ib and ic-fed. This is done via data transfers 150a, 152a and 154a
  • Transformation unit 412 gives values of an actual longitudinal flow and an actual cross-flow, which are routed via data transfers 414 and 416 to the current regulator 114b.
  • the current controller 114b outputs voltage data or PWM data, which is first transformed back, see
  • Transformation unit 420 and then used to drive the inverter 112, see
  • FIG. 5 shows a simulation unit 110 of the emulator or test device 14.
  • the simulation unit 110 contains: adding / subtracting units 500, 502,
  • mapping unit 520 maps mapping unit 520 to mapping unit 520.
  • Data transmission paths a path 540 from the output of the adding / subtracting unit 500 to the input of the integrating unit 504,
  • Input value is added in the adder / subtractor unit 530 and wherein a value for the load moment M_Last is subtracted,
  • the value for the load torque M_Last is specified, for example, from the outside, and may also vary.
  • block 520 may have another input variable phi_el, see arrow 590. Input phi_el is one
  • block 520 contains only table LUT1. Taking into account the input phi_el, the block 520 contains two tables LUT1 and LUT2. Both cases will be described in more detail below with reference to FIG. 6
  • FIG. 6 shows a mapping unit 520 or the block 520 of the emulator 14.
  • the mapping unit 520 in turn contains:
  • mapping units 610, 612 which may also be referred to as table LUT1
  • Equations (7) are modeled.
  • the mapping units 600 and 602 realize the equations (5). " Thus, the following connections or
  • path 632 for the optional input phi_el leads to a branch, of which the following
  • a path 638 for the input variable psi_q leading to an input of the adder unit 606, a path 640 leading from the output of the mapping unit 600 to an input of the adder unit 604,
  • path 644 leading from an output of adder 604 to a branch of which are the following paths
  • a path 651 leads from the output of the adding / subtracting unit 614 to an input of the factor unit 616,
  • path 652 leading from an output of adder 606 to a branch of which are the following paths
  • a switching unit 620, 622 is similar to one
  • Dual changeover switch whose changeover switches are switched at the same time.
  • a midpoint a of the switching unit 620 is associated with an output id, see route 668.
  • a point b of the switching unit 620 is linked to the output of the mapping unit 610, see path 660.
  • a point c of the switching unit 620 is linked to the output of the factor unit 616, see path 664.
  • a center d of the switching unit 622 is provided with a
  • Outgoing variable iq is linked, see Route 670.
  • a point e of switchover unit 622 is linked to the output of mapping unit 612, see Route 662.
  • a point f of switchover unit 622 is linked to the output of factor unit 618, see Route 666.
  • Switching units 620 and 622 are connected to points a and b and points d and e.
  • the other switching mode i. Points a and c and points d and f are connected, while the mapping functions 600 and 602 are used, but instead of the mapping functions 610 and 612, the factor units 616 and 18 are used.
  • mapping functions 600 and 602 are not present, so that the adder units 604 and 606 are omitted.
  • it may be switched by an unillustrated switching unit between an operation mode using the mapping units -600 and 602 and an operation mode without using the mapping units 600 and 602.
  • FIG. 7 shows a measuring stand 700 for detecting
  • the measuring station 700 is also referred to as detection unit 700, for example, if the detected quantities are not returned to SI (System International) variables.
  • the measuring station 700 contains:
  • an inverter 702 e.g. one
  • an electric motor 704 i. the electric motor, whose
  • a synchronization line 712 connects the two
  • Multi-channel oscilloscopes 708, 710. The two
  • Multi-channel oscilloscopes 708, 710 capture the following quantities:
  • Lines 720 to 724 connect inverter 702 to motor 704.
  • On line 720 is a current sensor 730
  • a current sensor 732 which detects the current Ib, is arranged on the line 722. The detection result is over a
  • a voltage sensor 750 for detecting the voltage uab is arranged between the lines 720 and 722.
  • a line 7-60 transmits the detection result, e.g. an analog value, to the oscilloscope 708.
  • a line 7-62 transmits that
  • Detection result e.g. an analog value, to oscilloscope 710.
  • Three 770 esol links come from motor 704 and lead to oscilloscope 710.
  • a shaft 772 connects the electric motor 704 and the
  • a torque sensor 774 for detecting a shaft torque which also depends on the electrical torque Te, is arranged on the shaft 772.
  • a line 77-6 leads from the torque sensor 774 to the oscilloscope 708.
  • the measuring stand 700 is used as it was in the above
  • FIG. 8 shows method steps for determining
  • Machine data for emulation begins in a method step 800.
  • the method steps are also referred to below as a step in the following.
  • Step 800 is followed by a step 802 in which
  • Test stand 700 the following value groups are determined: - psi_d, psi_q, id and iq, see the equations given in the introduction.
  • step S804 the harmonics fhd and fhq can be determined, see the introductory part
  • step S806 the harmonics determined in step S804 can be stored in the second memory unit or in the table LUT2 and used later for the emulation.
  • step S810 the values for id and iq determined in step S-824 are stored in the first memory unit or in the table LUT1 and later also used for the emulation.
  • determined values are then used for emulation or for the regulation of an electric motor.
  • steps S802 through S810 may also be referred to as steps S802 through S810
  • FIG. 9 shows a circuit branch 901 of FIG.
  • the Circuit branch 901 contains four series connected
  • Switching elements SEI to SE4 each containing an IGBT or other electronic circuit breaker with optional diode connected in anti-parallel.
  • the first switching element SEI is located on a positive line 914.
  • the last switching element SE4 is located on a negative line 91-6.
  • Minus voltage 906 is between the line 912 and the
  • Negative line 916 The plus voltage 902 and the minus voltage 906 have absolute voltage values that are half
  • a diode Dl lies with its cathode at the emitter of the
  • the anode of the diode Dl is connected to the line 912.
  • a diode D2 is connected to its cathode on the line 912.
  • the anode of the diode D2 is located at the emitter of the switching element SE3 and the
  • a line 910 leads from the emitter of the switching element SE2 and the collector of
  • Switching element SE3 to a first phase of the motor to be emulated.
  • the line 912 is connected in the same way with, for example, two switching branches of the inverter 900, which like the
  • Switching branch 901 are constructed and generate the voltages for two more emulator phases. It can also be used more than four switching elements per circuit branch.
  • the inverter 900 allows lower GmbHtspannu conditions on the switching units SEI to SE4. Gate connections of the
  • Switching elements SEI to. SE, as well as the other switching elements of the inverter 900 are suitably controlled.

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Abstract

Erläutert wird unter anderem eine Vorrichtung (14, 14a, 14b), enthaltend: eine Speichereinheit (M), wobei in der Speichereinheit (M, LUT1) zu einer Vielzahl von Werten für mindestens eine der folgenden Größen oder zu allen dieser Größen: Längskomponente eines magnetischen Flusses oder eines oder des verketteten Flusses (Psi_d, Psi_d_D), Querkomponente eines magnetischen Flusses oder eines oder des verketteten Flusses (Psi_q, Psi_q_D), jeweils mindestens ein Wert einer der folgenden Größen oder aller der folgenden Größen gespeichert ist: Längskomponente eines Stromes (id), Querkomponente eines oder des Stromes (iq).

Description

Beschreibung
Vorrichtung und Verfahren zum Emulieren Das Emulieren von Elektromotoren/Generators kann mit Hilfe von Nachbildungseinheiten erfolgen. Es kann eine
feldorientierte Nachbildung verwendet werden unter Verwendung eines Drehwinkelsensors oder auch ohne Signalgeber. Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, enthaltend:
- eine erste Speichereinheit, wobei in der ersten
Speichereinheit zu einer Vielzahl von Werten für mindestens eine der folgenden Größen oder zu allen dieser Größen:
- Längskomponente eines magnetischen Flusses oder eines verketteten Flusses,
- Querkomponente eines oder des magnetischen Flusses oder eines oder des verketteten Flusses,
jeweils mindestens ein Wert einer der folgenden Größen oder aller der folgenden Größen gespeichert ist:
- Längskomponente eines Stromes,
- Querkomponente eines oder des Stromes.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren enthaltend:
- Verwenden einer Vielzahl von Wertegruppen jeweils
enthaltend mindestens einen Wert einer der folgenden Größen:
- Längskomponente eines magnetischen Flusses oder eines verketteten Flusses,
- Querkomponente eines oder des magnetischen Flusses oder eines oder des verketteten Flusses,
und jeweils enthaltend zugehörig mindestens einen Wert einer der folgenden Größen oder aller der folgenden Größen:
- Längskomponente eines Stromes,
- Querkomponente eines oder des Stromes,
wobei die Wertegruppen für eine Emulation einer
Elektromaschine verwendet werden. Es ist Aufgabe von Weiterbildungen der Erfindungen eine einfach aufgebaute Vorrichtung anzugeben, die insbesondere eine genaue und/oder schnelle Emulation der E-Maschine ermöglicht, insbesondere einer rotierenden E-Maschine, bzw. genauer einer E-Maschine mit rotierenden Teilen. Außerdem soll ein zugehöriges Verfahren angegeben werden.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bzw. durch ein Verfahren gemäß dem nebengeordneten
Verfahrensanspruch gelöst. Weiterbildungen sind in den
Unteransprüchen angegeben.
Die Vorrichtung kann enthalten:
- eine Speichereinheit, wobei in der Speichereinheit zu einer Vielzahl von Werten für mindestens eine der folgenden Größen oder zu allen dieser Größen:
- Längskomponente eines magnetischen Flusses oder eines verketteten Flusses, insbesondere in einem rotorfesten
Koordinatensystem,
— Querkomponente eines oder des magnetischen Flusses oder Querkomponente eines oder des verketteten Flusses,
insbesondere in einem oder in dem rotorfe-sten
Koordinatensystem,
jeweils mindestens ein Wert einer der folgenden Größen oder aller der folgenden Größen gespeichert ist:
- Längskomponente eines Stromes, insbesondere in dem
rotorfesten Koordinatensystem,
- Querkomponente eines oder des Stromes, insbesondere in dem rotorfesten Koordinatensystem.
So können bspw. mehr als 10, 100, 1000, mehr als 10000 oder mehr als hunderttausend Werte bzw. Wertegruppen der
Längskomponente des Stromes oder der Querkomponente des Stromes gespeichert werden.
Es kann bspw. nur die Längskomponente des Stromes mit Hilfe der Speichereinheit ermittelt werden. Die Querkomponente des Stromes kann auf andere Art ermittelt werden, bspw. aus einer Nachbildung eines Elektromotors/Generators, die keine der Speichereinheit entsprechende Speichereinheit enthält. Es kann bspw. aber auch nur die Querkomponente des Stromes mit Hilfe der Speichereinheit ermittelt werden. Die
Längskomponente des Stromes kann auf andere Art ermittelt werden, bspw. aus einer Nachbildung eines
Elektromotors/Generators, die keine der Speichereinheit entsprechende Speichereinheit enthält.
Es können jedoch auch sowohl die Längskomponente und die Querkomponente mit Hilfe der Speichereinheit ermittelt werden, wobei keine anderen Nachbildungen eines
Elektromotors/Generators verwendet werden können bzw. müssen.
Die Werte der Flusskomponente bzw. der Flusslcomponenten können Harmonische des magnetischen Flusses oder des
verketteten Flusses berücksichtigen bzw. enthalten. So kann zu Flusskomponenten ein Wert addiert werden, der den Beitrag dieser Harmonischen wieder gibt. Alternativ werden Werte der Flusskomponente bzw. der Flusskomponenten als Eingangsgrößen für das Lesen der Speichereinheit verwendet, zu denen
explizit keine solche Harmonische einer Gegen EMK hinzu addiert worden sind.
In einem ersten zweidimensionalen Feld können Werte der
Längskomponente des Stroms für Werte der Längskomponente des Flusses und für Werte der Querkomponente des Flusses
gespeichert werden. Alternativ oder zusätzlich können in einem zweidimensionalen Feld Werte der Querkomponente des Stroms für Werte der Längskomponente des Flusses und für Werte der Querkomponente des Flusses gespeichert werden. Die Speichereinheit kann über Adressen adressiert werden. Den Adressen können nach einer ZuOrdnungsvorschrift Werte des magnetischen Flusses zugeordnet sein. So kann es Adressbereiche für jeweils einen Wert der Längskomponente geben, in denen jeweils eine Vielzahl von Werten der
Querkomponente des Flusses adressierbar sind. Umgekehrt kann es Adressbereiche für jeweils einen Wert der Querkomponente geben, in denen jeweils eine Vielzahl von Werten der
Längskomponente des Flusses adressierbar sind. Alternativ wird die Speichereinheit in einem FPGA realisiert.
Es kann eine lineare Interpolation oder eine bilineare
Interpolation beim Zugriff auf das Feld oder auf beide Felder verwendet werden.
Durch das Verwenden einer Speichereinheit können
Nichtlininearitäten zwischen Fluss und Strom auf einfache Weise implizit berücksichtigt werden. Insbesondere können nichtlineare Sättigungseffekte genauer berücksichtigt werden, z.B. im Eisen des Motors/Generators . Die Sättigungseffekte werden beim Aufnehmen der Werte bzw. Wertegruppen des
Motors/Generators implizit berücksichtigt. Das Aufnehmen der "Werte wird bspw. unten an Hand der Figur 7 näher erläutert.
Durch das Verwenden der Speichereinheit ist die Nachbildung auch in einem weiteren Bereich parametrierbar. Die in der Speicher inheit gespeicherten Werte werden bspw. an einem Elektromotor/Generators gemessen oder aus einer räumlichen Simulation gewonnen. Die physikalischen Parameter des
Motors/Generators sind demzufolge in den in der
Spei-chereinheit enthaltenen Werten implizit enthalten, z.B. Länge des Rotors bzw. - Stators, Durchmesser des Rotors oder Stators, Wick-lungsanzahl und Windungszahl der
Statorwicklungen, durch Permanentmagnete erzeugter Fluss, Luftspaltbreite zwischen Rotor und Stator,
usw. Außerdem kann die Speichereinheit sehr schnell ausgelesen werden, z.B. in einer Zeit kleiner als 10 ns (Nanosekunden) . Dies ermöglicht eine schnelle Nachbildung der Maschinencharakteristik bzw. des Elektromotors/Generators, die sich kaum von der Charakteristik eines realen
Elektromotor/Generators unterscheidet. Die Nachbildung kann die Grundlage für einen Emulator bilden, was unten noch näher erläutert wird.
Die Berücksichtigung der Längskomponente bzw. der
Querkomponente des Flusses erlaubt eine einfache Nachbildung und ist für Regelungszwecke besonders gut geeignet, da es bspw. einfache physikalische Zusammenhänge zwischen diesen Komponenten und der Drehzahl und/oder dem Drehmoment des Motors/Generators gibt.
Aus erfassten bzw. gemessenen Werten, -die vorzugsweise digitalisiert werden, können durch Transformation
Eingangsgrößen für die Nachbildung bzw. Regelung erzeugt werden. Eine dieser Transformationen ist bspw. die Clarke und Park Transformation, die auch als d/q, dqO bzw. Park- Transformation bezeichnet wird, wobei im Folgenden der
Begriff "Clarke und Park Transformation" sowohl für eine Park als auch für eine Clarke Transformation sowie für die Abfolge einer Clarke und einer Park Transformation verwendet wird.
Die d/q-Transformation ist z.B. gegeben als:
I_d = Quadratwurzel (2/3) (lu cos (theta) + Iv cos(theta - 2 Pi / 3) + Iw cos (theta + 2 Pi / 3) ) ,
I_q = Quadratwurzel (2/3) (- Iu sin(theta) - ϊν cos (theta - 2 Pi / 3) - Iw cos (theta + 2 Pi / 3)),
wobei I_d der Längsstrom, I_q der Querstrom, Iu, Iv, Iw die Phasenströme, theta der Drehwinkel und Pi die gleichnamige Zahl 3, 14... ist.
Wird die d/q Transformation über eine zuvor durchgeführte Clarke-Transf-ormation und die daraus gewonnenen Parameter I_alpha und I__beta durchgeführt, reduziert sich die d/q
Transformation auf eine Drehung: I_d = Quadratwurzel (2/3) (I_alpha cos (theta) + I_beta
sin {theta) ) ,
I_q = Quadratwurzel (2/3) (- I_alpha sin (theta) + I_beta cos (theta) ) .
An Stelle von Strömen können auf gleiche Weise auch
Spannungen, Flüsse oder andere physikalische Größen
transformiert werden. Es werden also bspw. 3 Phasen eines statorfesten Koordinatensystems in zwei Phasen eines
rotorfesten Koordinatensystems umgewandelt und umgekehrt.
Transformationen bzw. Rück-Transformationen können ebenfalls verwendet werden, um von den bei der Nachbildung verwendeten Größen wieder zu Größen zu gelangen, die zur Ansteuerung eines Umrichters dienen können bzw. zur Emulation, d.h.
Phasenspannungen bzw. Phasenströme oder PWM Signale
(PulsWeitenModulation) .
Der Motor kann bspw. ein Permanentmagneterregter
Synchronmotor (PMSM) sein, mit bspw. drei Phasen oder mehr als drei Phasen. Andere Motortypen/Generatortypen können ebenfalls unter Verwendung von Tabellen, die in der
Speichereinheit gespeichert werden, nachgebildet werden, z.B. Asynchronmotoren, Gleichstrommotoren, fremd erregte
Synchronmotoren bzw. entsprechende Generatoren.
Der Motor kann ein Motor großer Leistung sein, insbesondere mit einer Leistung größer als 1 kW (Kilowatt) oder größer als 10. kW oder größer als 100 kW. Solche Motoren können als
Antriebsmotoren verwendet werden. Auch Motoren kleiner
Leistung können emuliert werden, z.B. kleiner als 1 kW oder kleiner als 100 Watt.
Schalteinheiten bzw. Umrichter für diese Motoren bzw. deren AnSteuereinheiten können mit einem Emulator frühzeitig getestet werden. Der Emulator kann auch in der Produktion der Schalteinheiten bzw. AnSteuereinheiten für Testzwecke bzw. für die Qualitätsprüfung eingesetzt werden. Durch einfaches Umprogrammieren des Emulators bzw. Umschalten zwischen verschiedenen Speichereinheiten, in denen zu Flusskomponenten Ströme gespeichert sind, können schnell und unkompliziert voneinander verschiedene Motortypeh berücksichtigt werden, was zu einer Verringerung des Aufwands im Vergleich zum
Verwenden von echten Elektromotoren für den Test der
Schalteinheit/Umrichter führt. Weitere technische Wirkungen sind:
- weniger -Geräusche und keine Vibration beim Test,
- höhere Dynamik, insbesondere hinsichtlich Drehzahl und Last,
- Fehlerstimulation und Fehlernachbildung,
- kein Verschleiß,
- keine drehenden Teil, so dass die Anforderungen an den Arbeitsschutz sinken, etc.
Die Vorrichtung kann eine erste vorzugsweise elektronische Schalteinheit enthalten, wobei die Vorrichtung Anschlüsse enthalten kann, mit denen die erste Schalteinheit an eine zweite vorzugsweise elektronische Schalteinheit, bspw. die zu testende Schalteinheit, angeschlossen werden kann. Die
Anschlüsse können Klemmen, insbesondere Schraubklemmen oder Klemmklemmen, Stecker oder Buchsen enthalten, so dass ein leichtes Anschließen möglich ist. -Ggf. können Kopplung spulen zwischen die beiden Schalteinheiten geschaltet werden.
Typische Induktivitäten für diese Kopplungsspulen hängen vom zu emulierenden Motor ab und liegen bspw. im Bereich von 5 Mikrohenry bis 100 Millihenry.
Die erste Schalteinheit und/oder die zweite Schalteinheit kann ebenfalls ein Umrichter bzw. Inverter bzw.
Wechselrichter sein, der mehrere Schaltzweige enthält, in denen jeweils mindestens zwei elektronische Leistungs- Schaltelemente angeordnet sind, z.B. Schalttransistoren wie FETs (FeldEffekt Transistor, MOSFETs (MetallOxid ΕΈΤ) oder IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor), usw. Die elektronischen Schalteinheiten können
Leistungsschalteinheiten sein mit einer Schaltleistung größer als 1 Kilowatt oder größer als 10 Kilowatt oder größer 100 Kilowatt. Die beiden Schalteinheiten können also ein Paar bilden, wobei die erste Schalteinheit einen
Elektromotor/Generator nachbildet und die zweite
Schalteinheit die Nachbildung des Elektromotors betreibt. Im Gegensatz zu anderen Nachbildungen, z.B. HIL (Hardware In the Loop) , fließen hohe reale Ströme, was die Grundlage für den realen Test von Prüflingsumrichtern bilden kann, z.B. von Halbleiterbauelementen und/oder einer Steuerung im Prüfling.
Die erste Schalteinheit und/oder die zweite Schalteinheit kann mindestens zwei Ausgänge oder mindestens drei Ausgänge enthalten. oder haben, wobei je Ausgang mindestens zwei
Schaltungszweige vorhanden sind, und wobei jeder
Schaltungszweig mindestens zwei Schaltelemente enthält. Damit handelt es sich bei der Schalteinheit um eine
Mehrphasens-chalteinheit mit mindestens drei oder mindestens vier voneinander verschiedenen Stromführungsphasen je
Ausgang. Die Stromführungsphasen entsprechen verschiedenen Schaltstellungen bzw. Schaltmodi der Schaltelemente. An
Stelle von Schaltelementen lassen sich auch in bestimmen Maße auch Dioden einsetzen, insbesondere in Kombination mit
Schalteinheiten in demselben Schaltungszweig.
Durch das Verwenden von mehreren Stromführungsphasen, lassen sich Oberwellen (ripple) der Ströme reduzieren. Die glatteren Schaltströme ermöglichen eine bessere Emulation bzw. Regelung eines Elektromotors.
Gerade die Kombination von Speichereinheit, in der zu
Flusskomponenten ein Strom oder mehrere Ströme vermerkt sind, und Mehrphasenumrichter ermöglicht besonders gute
Emulationsergebnisse. Die zu einem Ausgangsanschluss gehörenden Schaltungszweige können jeweils mit einem Ende einer Spule verbunden sein. Die anderen Enden der Spulen können mit dem betreffenden
Ausgangsanschluss verbunden sein. "Verbunden" bedeutet in dieser Anmeldung insbesondere elektrisch leitfähig verbunden.
Alternativ kann nur ein einphasiger Umrichter verwendet werden, bei dem je Ausgang nur ein Schaltungszweig verwendet wird.
Die Spulen sind bspw. handelsüblich und haben entsprechend angepasste Induktivitäten. Ein Beispiel für einen
Mehrphasenumrichter/Inverter wird unten an Hand Figur 2 noch näher erläutert.
Die Schalteinheit kann je Schaltungszweig mindestens drei oder mindestens vier Schaltelemente enthalten. Somit handelt es sich um einen Mehrpunkt- oder Multilevelinverter bzw.
einen Mehrpunktumrichter. Durch die Verwendung mehrerer
Schaltelemente in einer Brückenschaltung lässt sich die
Spannungsbela-stung der Schaltelemente verringern.
Insbesondere die Kombination von Mehrphasen- und
Multilevelumrichter/Inverter sowie der Speichereinheit
( Flusskomponenten, Ströme) ermöglicht eine besonders genaue Emulation bzw. Regelung. Ein Beispiel für einen
Multilevelinverter wird ebenfalls unten an Hand Figur 9 noch näher erläutert.
Alternativ kann aber auch nur ein einphasiger
Multilevelumrichter verwendet werden, bei dem je Ausgang nur ein Schaltungszweig verwendet wird.
Die Vorrichtung kann eine ümschalteinheit enthalten, mit der in einen zweiten Betriebsmodus geschaltet werden kann, in dem für eine Längskomponente des magnetischen Flusses und/oder für eine Querkomponente des magnetischen Flusses ein Längsstrom und/oder ein Querstrom nach einer vorgegebenen Berechnungsvorschrift berechnet wird, insbesondere unter Verwendung mindestens eines Induktivitätswertes für eine Längsinduktivität oder für eine Querinduktivität.
Obwohl der Längsstrom und/oder der Querstrom in einem ersten Betriebsmodus auch mit der Speichereinheit ermittelt werden könnte, wird er bzw. werden sie auf andere Art und Weise ermittelt. Di-es ermöglicht bspw. eine Vergleichsemulation. Auch kann ein Anwender mit weniger Parametern, bspw. nur für die Längsinduktivität und/oder die Querinduktivität eine Emulation im zweiten Betriebsmodus durchführen.
Die Vorrichtung kann zusätzlich zu der oben genannten
Speichereinheit, die auch als erste Speichereinheit
bezeichnet wird, eine zweite Speichereinheit enthalten, in der zu einer Vielzahl von Werten für einen elektrischen und/oder physikalischen Feldwinkel jeweils mindestens ein Wert einer der folgenden Größen bzw. Daten gespeichert ist:
- Längskomponente der Summe der Harmonischen des magnetischen Flusses oder des verketteten Flusses,
- Que komponente der Summe der Harmonischen des magnetischen Flusses oder des verketteten Flusses.
Die Summe der Längskomponente und der Querkomponente
entspricht der Gegen EMK {ElektoMotorisch-e Kraft) .
So können in der zweiten Speichereinheit mehr als 10, 100, 1000 Wertegruppen bzw. mehr als 10000 Wertegruppen
gespeichert werden. Es kann vor dem Lesen der zweiten
Speichereinheit eine Rundung des Wertes des elektrischen Feldwinkels durchgeführt werden. Auch kann ein Interpolation zwischen Werten durchgeführt werden, die aus der zweiten Speichereinheit ausgelesen worden sind.
Das Berücksichtigen der Harmonischen ermöglicht sehr exakte Emulationen bzw. Regelungen, insbesondere in Kombination mit einem Mehrphaseninverter und/oder einem Multilevelinverter sowie insbesondere in Kombination mit der im Anspruch 1 genannten Speichereinheit.
Bei Anwendungen mit Simulationsschritten bzw.
Emulationsschritten im vergleichsweise großen
Millisekundenbereich kann an Stelle des Verwendens der zweiten Speichereinheit (z.B. LUT - Look Up Table) auch eine Echtzeitberechnung Harmonischen bzw. der Gegen EMK
durchgeführt werden, wobei eine Berechnungsformel verwendet werden kann.
Die Vorrichtung kann eine erste Addiereinheit enthalten, die einen Wert einer LängsKomponente des magnetischen Flusses oder des verketteten Flusses mit einem Wert der
Längskomponente der Summe der Harmonischen des magnetischen Flusses oder des verketteten Flusses aus der zweiten
Speichereinheit addiert, wobei das Ausgabedatum der ersten Addiereinheit als Eingangsdatum für das Lesen der ersten Speiche einheit verwendet wird.
Die Vorrichtung kann alternativ oder zusätzlich eine zweite Addiereinheit enthalten, die einen Wert einer Querkomponente des magnetischen : Flusses oder des verketteten Flusses mit einem Wert der Querkomponente der Summe der Harmonischen des magnetischen Flusses oder des verketteten Flusses aus der zweiten Speichereinheit addiert, wobei das Ausgabedatum der zweiten Addiereinheit als Eingangsdatum für das Lesen der ersten Speichereinheit verwendet wird.
Besonders gute Ergebnisse werden erreicht, wenn sowohl die erste Addiereinheit als auch die zweite Addiereinheit verwendet werden. Alternativ kann es aber auch Anwendungen geben, für die das Verwenden der ersten Addiereinheit ohne die zweite Addiereinheit oder das Verwenden der zweiten Addiereinheit ohne die erste Addiereinhei-t ausreichend sind. Die Eingangsdaten beim Lesen der ersten Speichereinheit können aber auch Flusskomponenten sein, zu denen keine
Harmonischen des magnetischen Flusses oder des verketteten Flusses addiert worden sind. Insbesondere bei zeitkritischen Emulationen oder Simulationen kann so die Rechenzeit verkürzt werden und dennoch eine Genauigkeit erreicht werden, die für einige Anwendungen ausreichend ist.
Mit einer weiteren Umschalteinheit kann auch hier zwischen Betriebsmodi mit bzw. ohne Berücksichtigung von Harmonischen gewechselt werden. Damit werden dem Anwender weitere
Wahlmöglichkeiten gegeben.
Die Vorrichtung bzw. eine in der Vorrichtung enthaltenden Steuereinheit kann ein Maschinenmodell eines
Elektromotors/Generators berechnen, vorzugsweise mit einer Simulationsschrittdauer kleiner als 1 Mikrosekunde oder kleiner als 100 Nanosekunden. Diese kurze
Simulationsschrittdauer ist insbesondere möglich auf Grund des Verwendens der ersten Speichereinheit und oder der zweiten Speichereinheit. Außerdem kann diese Schrittdauer erreicht werden, wenn ein FPGA (Field Programmable Gate
Array) oder eine andere Steuerschaltung ohne Prozessor verwendet wird. Die Simulationsschrittdauer bzw. die
Emulationsschrittdauer ist bspw. größer als 1 ns
(Nanosekunde) . Es kann auf Grund der kurzen Simulationsdauer eine sehr genaue Nachbildung erfolgen.
Der Elektromotor kann ein Synchronmotor sein, insbesondere ein permanentmagneterregter Synchronmotor. Ein
permanentmagneterregter Synchronmotor gestattet bspw. eine sehr kompakte Bauweise. Alternativ kann ein anderer
El ktromotor-typ emuliert werden, z.B. ein fremd erregter Synchronmotor, ein Asynchronmotor usw. Der Generator kann ein Synchrongenerator oder. ein Asynchrongene ator sein. Es können Innenläufer und Außenläufer E-Maschinen simuliert werden. Die Vorrichtung kann eine Regelschaltung enthalten,
insbesondere eine Stromregelschalung. So kann auch eine
Emulation eines Elektromotors eine Stromregelung enthalten, um zu erfassten oder gemessenen Spannungswerten gemäß einer 5 Charakteristik des zu emulierenden Motors Sollströme
einzuregeln, wobei die Abweichung zu erfassten bzw.
gemessenen Ist-Strömen möglichst klein sein sollen.
Bei .einer ersten Variante kann eine direkte Stromregelung der 10 Phasenströme in einem statorfesten Koordinatensystem des zu emulierenden Motors durchgeführt werden. Aus einer
Nachbildungseinheit ausgegebene Längs- und Querstromwerte werden über eine Transformation in Soll-Phasenströme
umgewandelt und dann für die Regelung verwendet.
15
Bei einer anderen Variante kann eine Regelung in
Feldkoordinaten durchgeführt werden, d.h. bzgl. des sich ■drehenden. Rotorfeldes in rotorfesten Koordinaten. In diesem Fall können die aus der Nachbildungseinheit ausgegebenen
20 Werte für den Längsstrom bzw. den Querstrom ohne
Transformation zur Stromregelung verwendet werden. Die erfassten Ist-Ströme können transformiert und dann der
Regeleinheit zugeführt werden. Ausgangswerte der Regeleinheit können nach.einer umgekehrten Transformation zur Ansteuerung
25 der Schalteinheit bzw. des Umrichters/Inverters verwendet werden .
In ; beiden -Fällen können am Ausgang der Regeleinheit bzw. nach der . umgekehrten Transformation vorzugsweise digitale
,30 Spannungswerte zur Verfügung stehen. Ausgehend von diesen
Spannungswerten werden dann Werte für eine
r Pulsweitenmodulation (PWM) ermittelt, um diese Spannungswerte am Ausgang des Umrichters/Inverters bzw. des ersten
Umrichters/Inverters zu erzeugen, was auch als
-35 Vektormodulation bezeichnet wird. Basierend auf den PWM
Werten werden dann die Schaltelemente der Schalteinheit bzw. des Umrichters/Inverters angesteuert. Die Sollströme der Stromregelschaltung können also die
Ausgangsdaten der ersten Speichereinheit sein oder
transformierte Ströme dieser Ströme. Als Transformation kann eine inverse bzw. umgekehrte Clarke und Park Transformation verwendet werden.
Damit entsteht eine einfache aber wirkungsvolle
Stromregelung, Eine Stromregelung ist im Vergleich zu einer Spannungsregelung wesentlich stabiler hinsichtlich von
Störeinflüssen, d.h. der Störabsfand ist größer.
Bei Ausgestaltungen einer der oben erläuterten Vorrichtungen enthält die Vorrichtung mindestens eine der folgenden
Komponenten oder auch alle dieser Komponenten:
- mindestens- zwei Stromsensoren zum Erfassen oder Messen von •Phasenströmen des zu emulierenden Motors, und/oder
- mindestens drei Spulen, die zur Kopplung dienen können und Induktivitätswerte im Bereich von 5 Mikrohenry bis
lOO illihenry haben können, und/oder
- mindestens zwei Spannungssensoren zum Messen von
Phasenspannungen an den Motorphasen des zu emulierenden Motors.
Die Vorrichtung kann ein Emulator für einen Elektromotor und/oder für einen Generator sein. Im Gegensatz zu einer Regelung■ für einen Elektromotor/Generator werden an einen ■solchen Emulator besondere Anforderungen gestellt, die zusätzliche Überlegungen und konstruktive Maßnahmen
erfordern.
Ein Verfahren kann die folgenden Schritte enthaltend:
-' Verwenden einer Vielzahl von Wertegruppen jeweils
enthaltend- mindestens einen Wert einer der folgenden Größen bzw. Daten:
- Längskomponente eines magnetischen Flusses oder eines verketteten Flusses, - Querkomponente eines bzw. des magnetischen Flusses oder eines bzw. des verketteten Flusses,
und jeweils enthaltend zugehörig mindestens einen Wert einer der folgenden Größen bzw. Daten oder aller der folgenden Größen bzw. Daten:
- Längskomponente eines Stromes,
- Querkomponente eines bzw. des Stromes,
wobei die Wertegruppen für eine Emulation einer
Elektromaschine verwendet werden.
"Zugehörig" kann wieder bedeuten, dass der entsprechende Strom für den entsprechenden Fluss ermittelt worden ist, bspw. gemessen bzw. erfasst oder simuliert. Für das Verfahren gelten die oben für die Vorrichtung
genannten technischen Wirkungen ebenfalls. Bei
Weiterbildungen des Verfahrens unter Verwendung der oben genannten Vorrichtungen gelten die für die Vorrichtungen genannten technischen Wirkungen ebenfalls entsprechend.
Die Wertegruppen können an einem Elektromotor erfasst werden oder aus einem räumlichen Simulatiorasmodell eines
Elektromotors oder Elektro-Generators bzw. Strom-Generators gewonnen werden. Beim Erfassen bzw. Messen an einem
Elektromotor bzw. /Generator werden die Wertegruppen sehr genau erfasst in Übereinstimmung mit den tatsächlichen
Gegebenh iten.
Bei einer■ Entwicklung eines Elektromotors/Generator gibt es den Motor/Generator ggf. noch nicht, so dass Simulationsdaten eine Alternative bilden, bspw. Daten einer finiten Elemente Methode (FEM) oder einer- finiten Differenzen Methode (FDM) oder einer anderen Simulation, die räumliche Gegebenheiten im Elektromotor/Generator berücksichtigt, insbesondere lokale Feldverteilungen im Luftspalt. An Stelle eines Elektromotors kann bei den genannten
Vorrichtungen und Verfahren auch ein Stromgenerator emuliert oder geregelt werden. Mit anderen Worten ausgedrückt, wird unter anderem eine
Anwendung eines Emulators einer elektrischen Maschine für Antriebsumrichtertests bei der Entwicklung von elektrischen Antrieben angegeben. Ein Elektromaschinen-Emulator ist ein Testkonzept, welches den Leistungsfluss einer realen E-Maschine (Elektromaschine) emuliert. Die Leistungsstufe eines zu testenden Umrichters kann ohne Hardwareänderungen betrieben werden, wenn ein
Emulator verwendet wird.
Ein Umrichterteststand ist in Figur 1 gezeigt. Eine erste Gleichspannungs-Energieversorgungen kann für das zu testende ■Gerät (DUT Device Under Test; UUT Unit Under Test) verwendet werden und eine zweite Gleichspannungs-Energieversorgungen kann , für den Emulator verwendet werden. Die bspw. drei
Phasenleitungen des DUT werden an den Emulator über
Koppelinduktivitäten gekoppelt. Die Figur 1 zeigt die
Struktur des Hardwareaufbaus . Die Phasenströme und
Phasenspannungen werden im Emulator gemessen. Die gemessenen Phasenströme sind Eingangsvariablen für ein Echtzeit E- Maschinenmodell . Im Innern des Modells werden
Zielphasenströme berechnet durch die numerische Lösung von Differentialgleichungen. Die Ziel- und die tatsächlichen Phasenströme werden als Eingangsvariablen für einen
Stromregler verwendet, der bspw. einen Mehrphasenumrichter, siehe Figur 2, und/oder Multilevelumrichter, siehe Figur 9, bzw. Inverter steuert.
Die entsprechenden Phasenströme, die in der realen Maschine fließen würden, -werden bspw. kontinuierlich eingestellt durch Kombinieren des E-Maschinenmodells, des Stromreglers und des Umrichters. Die Position der E-Maschine bzw. der Rotordrehwinkel kann für die feldorientierte Regelung
erforderlich sein. Die Position wird bspw. mit einem
Resolver, einem Encoder oder einem Hallsensor ermittelt.
Dieses Positionssignal wird elektrisch durch den Emulator simuliert. Alternativ kann eine geberlose Emulation verwendet werden. Die Spannungserfassung, die Modellberechnung, die Stromregelung und die PWM Erzeugung finden bspw. in einem FPGA (Field Programmable Gate Array) statt. Die
Emulationsgenauigkeit kann hauptsächlich von der
Leistungsfähigkeit des E-Maschinenmodells abhängen.
Ein lineares Modell mit konstanten Induktanzen wird in den folgenden Gleichungen (1) angegeben:
ud = Rs id + Ld (d id) /dt - omega Lq iq,
uq = Rs iq + Lq (d iq) /dt + omega Ld id - omega psi_p, wobei gilt:
·- ud ist die Längskomponente der Statorspannung im
rotorfesten Koordinatensystem,
- Rs ist der ohmsche Widerstand der Statorwicklung,
— id ist die Längskomponente des Statorstromes im rotorfesten Koordinatensystem,
■ - Ld ist die Längsinduktivität einer der Statorwicklungen im rotorfesten Koordinatensystem,
- Lq ist die Querinduktivität der Statorwicklung im
roto festen Koordinatensystem,
- üq ist di ■ Querkomponente der Statorspannung im rotorfesten Koordinatensystem,
■ — iq ist die' Querkomponente des StatorStroms im roto festen Koordinatensystem,
- omega ist die Drehwinkelgeschwindigkeit des Drehfeldes,
- psi_p ist der Permanentmagnetfluss, und
-· (d ) /dt ist die erste zeitliche Ableitung.
Der Nachteil dieses Models besteht darin, dass die Sättigung bzw. die Sättigungen, z.B. im weichmagnetischen Eisen, des Elektromotors/-generators und die -Flussharmonischen
vernachlässigt werden. Hier wird bspw. ein Modell verwendet, das diese Beschränkungen nicht hat. Die Modellgleichungen werden in einem rotorfesten dq-Koordinatensystem beschrieben. In diesem Fall besteht der erste Schritt darin, die
Eingangsphasenspannungen in das dq-System mit Hilfe der
Clarke und Park Transformation zu transformieren. Die
folgenden Gleichungen (2) beschreiben das flussbasierte
Modell :
ud = Rs id + (d psi_d) /dt - omega psi_q,
uq = Rs iq + {d psi_q)/dt + omega Ld id - omega psi_d, wobei zusätzlich zu den oben genannten Größen gilt:
- psi_d ist die Längskomponente des magnetischen Flusses bzw. des verketteten Flusses im rotorfesten Koordinatensystem, und
- psi_q ist die Querkomponente des magnetischen Flusses bzw. des verketteten Flusses im rotorfesten Koordinatensystem.
Die folgende Gleichung . (3) berechnet das Luftspaltmoment bzw. das elektrische Moment:
Te = 3/2 p ipsi_d iq - psi_q id)
wobei -zusätzlich gilt:
- p ist die Polpaa zahl.
In der Figur 5 ist die - Implementierung des flussbasierten PMSM Models gezeigt. Der Block 520 wird auch als psi_dq nach idq Block bezeichnet und enthält die Umwandlung der
verketteten Flüsse psi_d und psi_q in die Statorströme id und uq. Flussharmonische können optional addiert werden zu den verketteten Flüssen psi_d- und psi_q als eine Funktion des elektrischen■Maschinenwinkels phi_el. Die verketteten Flüsse, welch die Flussharmonischen enthalten, werden mit psi_d_D (Dach) und psi_q_D in den Gleichungen (4) beschrieben:
psi_d_D = psi_d + psi_d,harm = psi_d + fhd(phi_el),
psi__q_D = psi_q + psi_q, ärm = psi_q + fhq(phi_el),
wobei die Funktionen fhd und fhq gemäß der folgenden
Gleichungen (5) berechnet werden können:
fhd(phi_el) = Summe von k=l bis unendlich über:
(psi_h, 6k-l + psi_h,6k+l) cos (6 phi_el) ,
fhq(phi el) = Summe von k=l bis unendlich über: (- psi_h, 6k + psi_h, 6k+l) sin(6 phi_el) .
Zum Beachten der Sättigungseffekte, können die verketteten Flüsse psi_d_D und psi_q_D mit Hilfe eines Kennlinienfeldes oder mehrerer Kennlinienfelder in Statorströme konvertiert werden.
Die id und iq Stromkomponenten werden bspw. in zwei
zweidimensionalen Look-Up Tabelle gespeichert, wobei psi_d_D und psi_q_D die Eingangsvariablen sind. Die Datengewinnung der Flusstabelle wird unten näher erläutert.
Gleichungen {6) lauten:
id = flA-l<psi_d_D, psi_q_D) ,
iq = f2A-l (psi_d_D, psi_q_D) .
Alternativ können die d- und q-Ströme mit konstanten
, Induktanzen bzw. Induktivitäten berechnet werden, was den
Gleichungen (1) entspricht, siehe Gleichungen (7):
id = (psi_d_D - psi_p) / Ld,
iq " psi_q_D / Lq,
Das bevorzugte Modell kann durch einen Schalter gewählt werden. Figur 6 zeigt die Implementierung des psi_dq na:h idq Blocks, der die Flusstabelle und die harmonische Tabelle des ·. PMSM Modells enthält. Der- Vorteil des flu sbasierten Modells ist die hohe Genauigkeit der Simulation von
Sättigungseffekten und die hohe Genauigkeit der Nachbildung von harmonis-chen Oberwellen.
Zu -Gewinnung der Daten kann zuerst die E-Maschinencharakteristik aufgenommen werden, um die zweidimensionale Look Up Tabellen gemäß den Gleichungen (6) aufzufüllen mi-t den akkuraten Daten. Eine Möglichkeit die verketteten Flüsse psi_d und psi__q in Hinblick auf id und iq zu erhalten, besteht in einer FEM (Finite Elemente Methode) Analyse. Diese Lösung hat den Vorteil, dass die E-Maschine als physikalische Einheit noch nicht existieren muss, z.B. in frühen Entwicklungsstufen. Wenn ein DUT der Zielmaschine vorhanden ist, ist eine Charakterisierung der E-Maschine auf einem Dyno Teststand (Dynamometer) möglich, siehe Figur 7.
Die Figur 7 zeigt ein Beispiel für einen solchen Teststand und die Messeinrichtungen. Die Hauptkomponenten des
Teststandaufbaus sind der Umri-chter mit Steuereinheit, die E- Maschine und die Lastmaschine. Zwei Oszilloskope mit zusammen acht Kanälen werden als Messaufbau verwendet. Aufgrund der Sternpunktsymmetrie sind nur zwei Ströme ia, ib und zwei Spannungen uab, übe erforderlich, um das System vollständig zu bestimmen. Der Umrichter verwendet einen integrierten Resolver zur Untersuchung .der Rotorposition. Der elektrische Winkel phi_el kann durch Messen und Demodulation der drei Resolversignale (sin, cos, ext) erhalten -werden. Mit den gemessenen Phasenströmen iabc und uabc und dem berechneten elektrischen Winkel phi_el werden die festen Statorwerte in das■ otorfeste Koordinatensystem transformiert durch die Clarke und Park Transformation. Mit den invertierten Flusstabellen kann das E-Maschinenmodell mit Daten der realen E-Maschine gefüllt werden. Schließlich können die Look- Up Tabellen für die Flussharmonischen fhd und fhq durch Fourier Analyse der Gegen EMK der Zielmaschine gefüllt werden gemäß den -Gleichungen (5) .
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im
Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der
Ausführungsbeispiele. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff "kann" verwendet wird, handelt es sich sowohl um die
technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche
technische Umsetzung. Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen: Figur 1 einen Teststand für einen zu testenden Umrichter, Figur 2 einen im Teststand enthaltenen Umri-chter,
Figur 3 einen Elektromotoremulator mit einer direkten
Stromregelung,
Figur 4 einen Elektromotoremulator mit einer Stromregelung in Feldkoordinaten,
Figur 5 eine Nachbildungseinheit des Emulators,
Figur 6 eine Mappingeinheit des Emulators,
Figur 7 einen Messstand zum Erfassen von Parametern eines
Elektromotors,
Figur 8 Verfahrensschritte zum Ermitteln von Maschinendaten für die Emulation, und
Figur 9 einen Zweig eines Mehrpunktumrichters.
Die Figur 1 zeigt einen Teststand 10 für einen zu testenden Umrichter 12, der auch als Prüfling bezeichnet wird. Der Teststand 10 enthält den Prüfling 12 (Umrichter/Inverter) sowie ein Testgerät 14 bzw. einen Emulator. Das Testgerät 14 hat drei Anschlüsse 20, 22, 24, über die es mit dem Prüfling 12 verbunden ist. Die Verbindung erfolgt über drei Leitung 30, 32, 34 zur Seite des Prüflings 12 hin sowie über drei Leitungen 130, 132 und 134 innerhalb des Testgerätes 14.
Der Prüfling 12 enthält:
- eine Plusleitung 40,
- eine Masseleitung 42,
- einen Zwischenkreis-Kondensator 44, der zwischen der
Plusleitung 40 und der Masseleitung 42 liegt, und
- drei Halbbrückenzweige 50, 52, 54, die jeweils zwischen der Plusleitung 40 und der Masseleitung 42 liegen.
Im Halbbrückenzweig 50 befinden sich zwei Schaltelemente 60, 62 (IGBT, GTO (Gate Turn-Off thyristor) , etc.), die über eine Leitung 64 verbunden sind. Im Halbbrückenzweig 52 befinden sich zwei Schaltelemente 70, 72 { LGBT, GTO, etc.), -die über eine Leitung 74 verbunden sind. Im Halbbrückenzweig 54 befinden sich zwei Schaltelemente 80, 82 (IGBT, G O, etc.), die über eine Leitung 84 verbunden sind. Die Leitung 64 ist mit der Leitung 30 verbunden. Die Leitung 74 ist mit der Leitung 32 verbunden. Ebenso ist die Leitung 84 mit der Leitung 34 verbunden.
Gateanschlüsse 90 bis 100 der Schaltelemente 60, 62, 70, 72, 80 und 82 werden in an sich bekannter Weise angesteuert.
Das Testgerät 14 enthält:
- eine Motor-Nachbildungseinheit 110 bzw. MM
(MaschinenModell) , siehe Figur 5,
- einen Inverter 112 bzw. Umrichter, siehe Figur 2,
- einen Stromregler 114, siehe Figur 3 bzw. 4, und
- drei Kopplungs-Spulen 120 bis 124 bzw. Entkopplungsspulen .
Die Leitung 130 führt zu der Spule 120. Die Leitung 132 führt zu der Spule 122. Ebenso führt die Leitung 134 zu der Spule 124. Die anderen Enden der Spulen 120, 122 und 124 sind mit den Ausgängen des Umrichters 112 verbunden.
An der Leitung 130 bis 134 ist jeweils ein Stromsensor 140, 142 bzw. 144 angeordnet. Es können auch nur zwei
Stromsensoren verwendet werden, da sich der dritte Strom ■durch Differenzbildung aus den beiden anderen Strömen
ermitteln lässt.- Die Stromsensor-en 140 bis 144 erfassen die Phasenströme ia, ib und i-c, vorzugsweise digital. Die
Ausgangsdaten der Stromsensoren 140 bis 144 werden zum
Stromregle 114 übertragen, siehe Datenübertragungen 150 bis 154.
Ein Spannungssensor 160 ist zwischen die Leitungen 130 und 132 geschaltet und erfasst die fhasenspannung uab,
vorzugsweise digital. Ein Spannungssensor 162 ist zwischen die Leitungen 132 und 134 geschaltet und erfasst die Phasenspannung übe, vorzugsweise digital. Die Phasenspannung uac kann ebenfalls erfasst werden, lässt sich aber auch durch Differenzbildung aus den anderen beiden Phasenspannungen berechnen .
Die Phasenspannungen werden zur Nachbildungseinheit 110 übertragen, siehe Datenübertragung 170, 172.
Ausgangsgrößen des Stromreglers 114 werden zum Umrichter 112 übertragen, siehe Datenübertragung 180 bis 184, z.B. digitale PWM Werte (PulsWeitenModulation) .
Weiterhin werden Ausgangsdaten der Nachbildungseinheit 110 zum Stromregler 114 übertragen, insbesondere Sollgrößen, siehe Datenübertragung 190 bis 194, was unten an Hand der Figur 3 bzw. 4 noch näher erläutert wird.
Das Testgerät 14 kann ggf. mit einem Prozessor P realisiert werden, der Programmbefehle . ausführt, die in einem digitalen Speicher M gespeichert sind. Der Prozessor P kann ein
Mikroprozessor sein oder Bestandteil eines Mikrocontrollers.
Schnelle Simulationszyklen bzw. Emulationszyklen lassen sich erreichen, wenn zusätzlich oder alternativ zu dem Prozessor P eine Schaltung ohne Prozessor zur Steuerung und zur
Nachbildung verwendet wird, z.B. ein FPGÄ 196.·
•Die Speichereinheit M Ist bspw. ein ROM {Read Only Memory), ein EPROM (Erasable ROM) , ein EEPROM (Electrically EPROM) ein Flash EEPROM; oder ein anderer geeigneter Speicher. Die
Speichereinheit kann auch in einem F-PGA realisiert sein. In der Speichereinheit M kann eine Tabelle LÜT1 {Look Up Table bzw. Nachschautabelle) oder können zwei Tabellen LUT1 und LUT2 gespeichert werden. Beide Fälle werden unten näher erläutert. Über eine Datenübertragungsverbindung 198 oder eine Leitung kann der elektrische Drehwinkel phi_el vom Testgerät 14 zum Umrichter 12 kommuniziert werden. Bei anderen Ausführungsbeispielen werden Motoren mit zwei, typisch drei oder mehr als drei Phasen emuliert, so dass bspw. entsprechend mehr Spulen 120 bis 124 sowie weitere Umrichter oder andere Umrichter erforderlich sind. Die Funktion des Testgerätes 12 ergibt sich aus den
Erläuterungen zu den folgenden Figuren sowie aus der
Einleitung. Im Ergebnis kann ein Elektromotor durch das
Testgerät 10 emuliert werden, um bspw. den Umrichter 12 zu testen.
■ Die Figur 2 zeigt einen im Teststand 10 enthaltenen Umrichter 112. Alternativ können auch andere Umrichter verwendet werden, bspw. Umrichter, die wie der Umrichter 12 aufgebaut sind.
Der Umrichter 112 ist ein Mehrphasenumrichter, der im
Beispiel vier Schaltungszweige je Schaltphase enthält, wobei in der Figur 2 die Schaltungszweige für die erste Phase vollständig angegeben sind und die Schaltungszweige für die anderen Phasen - angedeutet sind. Der Umrichter 112 kann auch mehr als drei Ausgangsphasen haben. Die 'Schaltungszweige sind zwischen einer Plusleitung 200 und einer Minusleitung 202 mit Massepotential angeschlossen. Der erste Schaltungszweig bis der vierte Schaltungszweig gehören zur ersten Phase. ' Der erste Schaltungszweig enthält ein Schaltelement Sl, eine Leitung Li und ein Schaltelement sl. Ebenso enthält der zweite, dritte bzw. vierte
Schaltungszweig ein Schaltelement S2, S3 bzw. S4, eine
Leitung L2, L3 bzw. L4 und ein Schaltelement s2, s3 bzw. s4. Die Leitung Li ist mit einer Leitung 11 verbunden, die zu einer Spule 220 führt. Ebenso ist die Leitung L2, L3 bzw. L4 mit einer Leitung 12, 13 bzw. 14 verbunden, die zu einer Spule 222, 224 bzw. 226 führt. Die anderen Enden der Spulen 220 bis 226 sind mit einem Phasenanschluss 228 verbunden, d.h. mit einem Ausgang des Umrichters 112.
Der fünfte Schaltungszweig bis der achte Schaltungszweig gehören zur zweiten Phase. Der fünfte Schaltungszweig enthält ein Schaltelement S5, eine Leitung L5 und ein Schaltelement s5. Ebenso enthält der sechste, siebte bzw. achte
Schaltungszweig ein Schaltelement Ξ6, S7 bzw. S8, eine
Leitung L6, L7 bzw. L8 und ein Schaltelement s6, s7 bzw. s8. Die Leitung L5 ist mit einer Leitung 15 verbunden, die zu einer Spule 230 führt. Ebenso ist die Leitung L6-, L7 bzw. L8 mit einer Leitung 1-6, 17 bzw. 18 verbunden, die zu einer fünften Spule 232, zu einer -sechsten Spule 232 bzw. zu einer achten Spule 234 führt. Die anderen Enden der Spulen 230 bis 234 sind mit einem Phasenanschluss 238 verbunden, d.h. mit einem Ausgang des Umrichters 112.
Der neunte Schaltungszweig bis der zwölfte Schaltungszweig gehören zur dritten Phase. Der neunte Schaltungszweig enthält ein Schaltelement S9, eine Leitung L9 und ein Schaltelement s9. : Ebenso enthält der zehnte, elfte bzw. zwölfte
Schaltungszweig ein Schaltelement S10, Sil bzw. S12, eine Leitung L10, LH bzw. L12 und ein Schaltelement slO, sll bzw. sl2.
Die Leitung L9 ist mit einer Leitung 19 verbunden, die zu einer Spule 240 führt. Ebenso ist die Leitung L10, LH bzw. L12 mit einer Leitung 110, 111 bzw. 112 verbunden, die zu einer zehnten Spule 242, zu einer elften Spule 242 bzw. zu einer zwölften Spule 244 führt. Die anderen Enden der Spulen 240 bis 244 sind mit einem Phasenanschluss 248 verbunden, d.h. mit einem Ausgang des Umrichters 112. Weitere Schaltelemente 210, 212 sind durch Punkte angedeutet. Ein Ersatzschaltbild 218 zeigt, dass die Schaltelemente Sl bis S12 und sl bis s!2 durch Schalttransistoren oder andere elektronische Leistungsschalter gebildet werden können, vorzugsweise mit antiparallel geschalteter Diode.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird der
Mehrphasenumrichter 112 zusätzlich oder alternativ auch als Mehrpunktumrichter ausgeführt, wobei eine Teilspannung 250 und eine Teilspannung 252 verwendet werden, die zueinander symmetrisch bezogen auf ein Massepotential 254 sind. Ein Mehrpunktumrichter wird unten an Hand der Figur 9 näher erläutert. Es können auch mehr als zwei Teilspannungen je Schaltungszweig verwendet werden.
Die Schaltelemente Sl bis S12 und sl bis sl2 werden so angesteuert, dass sich geringe Oberwellen der Ausgangsströme und Ausgangsspannungen ergeben, siehe Einleitung.
Die Figur 3 zeigt einen Elektromotoremulator 14a mit einer direkten Stromregelung. Der Emulator 14a kann an Stelle des Emulators 14 verwendet werden. Eine Transformationseinheit 302 führt eine Clarke und Park Transformation durch. Die Eingangsdaten der Transformation sind die Phasenspannungen ■ uab und übe, siehe Datenübertragung 170 und 172. Die
Ausgangsdaten der Transformation sind die Längsspannung ud und die Querspannung uq, die beide der Nachbildungseinheit 110 zugeführt werden.
Die Nachbildungseinheit 110 gibt Werte für den Längsstrom id und Werte für den Querstrom iq aus, die über eine
Rücktransformation 304 in Phasenströme umgewandelt werden. Diese Phasenströme werden über die Datenübertragu-ngswege 190 bis 194 als Sollgrößen zu. einem Stromregler 114a übertragen. Der Stromregler 114a ist gemäß den bekannten Prinzipien der Regelungstechnik aufgebaut und kann an Stelle des Stromreglers 14 verwendet werden.
Dem Stromregler 114a werden als Istgrößen die erfassten
Phasenströme ia, ib und ic zugeführt, siehe
Datenübertragungen 150, 152 und 154. Der Stromregler 114a gibt Spannungsdaten oder PWM Daten aus, die direkt zur
Ansteuerung des Umrichters 112 verwendet werden können, siehe Datenübertragungen bzw. Leitungen 180, 182 und 184. Im Falle eines Mehrphasenumrichters können aus einem PWM Signal durch Phasenverschiebungen die PWM Signale zur Ansteuerung der Schaltelemente derselben Phase erzeugt werden.
Die Figur 4 zeigt einen Elektromotor-Emulator 14b mit einer Stromregelung in Feldkoordinaten. Der Emulator 14b kann an Stelle des Emulators 14 verwendet werden. Eine
Transformationseinheit 402 führt eine Clarke und Park
Transformation durch. Die Eingangsdaten der Transformation sind die Phasenspannungen uab und übe, siehe Datenübertragung 170 und 172. Die Ausgangsdaten der Transformation sind die Längsspannung ud und die Querspannung uq, die beide der Nachbildungseinheit 110 zugeführt werden.
Die Nachbildungseinheit 110 gibt Werte für den Längsstrom id und Werte für den Queristrom iq aus, die über
Datenübertragungswege 404 und 406 als Sollgrößen zu einem Stromregler 114b übertragen werden. Der Stromregler 114b ist gemäß den bekannten Prinzipien der Regelungstechnik aufgebaut und kann a-n . Stelle des Stromreglers 14 verwendet werden.
Dem Stromregler 114b werden. als Istgrößen die transformierten der erfassten Phasenströme ia, ib und ic -zugeführt. Dazu werden über Datenübertragungen 150a, 152a und 154a
Eingangsgrößen für eine Clarke und Park Transformation an eine Transformationseinheit 412 geführt. Die
Transformationseinheit 412 gibt Werte eines Ist-Längsstromes und einen Ist-Querstromes aus, die über Datenübertragungen 414 und 416 zum Stromregler 114b geführt werden.
Der Stromregler 114b gibt Spannungsdaten oder PWM Daten aus, die zunächst rücktransformiert werden, siehe
Transformationseinheit 420, und dann zur Ansteuerung des Umrichters 112 verwendet werden können, siehe
Datenübertragungen bzw. Leitungen 180a, 182a undl84a. Im Falle eines Mehrphasenumrichters können aus einem PWM Signal durch Phasenverschiebungen die PWM Signale zur Ansteuerung de Schaltelemente derselben Phase erzeugt werden.
Die Figur 5 zeigt eine Nachbildungseinheit 110 des Emulators bzw. Testgerätes 14. Die Nachbildungseinheit 110 enthält: - Addier-/Subtrahiereinheiten 500, 502,
- Integriereinheiten 504, 506,
- Produkteinheiten 508, 510,
- Faktoreinheiten 512, 514,
- eine Mappingeinheit 520,
- Produkteinheiten 522, 5>24,
- eine Addier-/Subtrahiereinheit 526,
- eine Faktoreinheit 528, die an ihrem Ausgang das
elektrische Moment bzw. das Luftspaltmoment Te ausgibt, siehe Gleichung 3) ,
- eine Addier-/Subtrahiereinheit 530, und
- eine Integrier-/Faktoreinheit 532, die auch den Faktor 1/J multipliziert, wobei J das Trägheitsmoment d-s emulierten Motors und/oder der emulierten Last M_Last ist. Mit den Einheiten 500 bis 520 werden die Gleichungen (2) nachgebildet. Mit den Einheiten 522 bis 528 wird die
Gleichung (3) nachgebildet. Zwischen omega_M und omega besteht über die Polpaarzahl p Proportionalität. Somit bestehen die folgenden Verbindungen bzw.
Datenübertragungswege : - ein Weg 540 vom Ausgang der Addier-/Subtrahiereinheit 500 zum Eingang der Integriereinheit 504,
- ein Weg 542 vom Ausgang der Integriereinheit 504 zu einer Verzweigung, von der die folgenden Wege wegführen:
- ein Weg 544 zu einem Eingang psi_d (Längskomponente des Statorstroms im rotorfesten Koordinatensystem) des Blocks 520,
- ein Weg 546 zu einem Eingang der Produkteinheit 522, und
- ein Weg 548 zu einem Eingang der .Produkteinheit 508,
- ein Weg 552 vom Ausgang der Produkteinheit 508 zu einem Eingang der Addier-/Subtrahiereinheit 502, wobei der
Eingangswert subtrahiert wird und wobei die Querspannung uq addiert wird,
- ein Weg 554 vom Ausgang der Addier-/Subtrahiereinheit 502 zum Eingang der Integriereinheit 50-6,
- ein Weg 556 vom Ausgang der Integriereinheit 506 zu einer Verzweigung, von der die folgenden Wege wegführen:
- ein Weg- 558 zu einem Eingang psi_q (Querkomponente des verketteten Flusses im rotorfesten Koordinatensystem) des Blocks 520,
- ein. eg 560 zu einem Eingang der Produkteinheit 524, und
— ein Weg 562 zu einem Eingang der Produkteinheit 510,
- ein Weg 564 vom Ausgang der Produkteinheit 510 zu einem Eingang der Addier-/Su trahiereinheit "500, wobei der
Eingangswert addiert wird und wobei die Längsspannung ud addiert wird,
- ein Weg 566 von einem Ausgang id (Längskomponente des
Statorstroms im rotorfesten Koordinatensystem) des Blocks 520 zu einem Eingang der Faktoreinheit 512, die den Wert Rs zu dem Eingangswert multipliziert,
- ein Weg- 568 vom Ausgang der Faktoreinheit 512 zu einem Eingang der Addier-/Subtrahiereinheit 500, wobei der
Eingangswert subtrahiert wird,
- ein Weg 570 von einem Ausgang iq (Querkomponente des
Statorstroms im rotorfesten Koordinatensystem) des Blocks 520 zu einem Eingang der Faktoreinheit 514, die den Wert Rs zu dem Eingangswert multipliziert,
- ein Weg 572 vom Ausgang der Faktoreinheit 514 zu einem Eingang der Addier-/Subtrahiereinheit 502, wobei der
Eingangswert subtrahiert wird,
- ein Weg 574 vom Ausgang id d s Blocks 520 zu einem Eingang der Produkteinheit 524,
- ein Weg 576 vom Ausgang iq des Blocks 520 zu einem Eingang der Produkteinheit 522,
- ein Weg 578 vom Ausgang der Produkteinheit 522 zu einem Eingang der Addier-/Subtrahier-einheit 526, wobei der
Eingangswert addiert wird,
- ein Weg 580 vom Ausgang der Produkteinheit 524 zu einem Eingang der Addier-/Subtrahiereinheit 526, wobei der
Eingangswert in der Addier-/Subtrahier-einheit 526 subtrahiert wird,
- ein Weg 582 vom Ausgang der Addier-/Subtrahiereinheit 526 zum Eingang der Faktoreinheit 528, die den Faktor 3/2 p zu ihrem Eingangswert multipliziert,
- ein Weg 584 vom Ausgang der Faktoreinheit 528 zu einem.
Eingang der Addier-/Subtrahiereinheit 530, wobei der
Eingangswert in der Addier-/Subtrahiereinheit 530 addiert wird und wobei ein Wert für das Lastmoment M_Last subtrahiert wird,
- ein Weg 5136 vom Ausgang der Addier-/Subtrahiereinheit 530 zum Eingang der Intergrier-/Faktoreinheit 532, und
- ein Weg 588 vom Ausgang der Intergrier-/Faktoreinheit 532, wobei omega_M ausgegeben wird, d.h. die mechanische
Drehwinkelgeschwindigkeit.
Der Wert für das Lastmoment M_Last wird bspw. von außen vorgegeben, und kann auch variieren. Optional kann der Block 520 eine weitere Eingangsgröße phi_el haben, siehe Pfeil 590. Bei der Eingangsgröße phi_el handelt es sich um einen
physikalischen oder elektrischen Drehwinkel, . der bspw. aus den Transformation bekannt ist. Ohne die Eingangsgröße phi_el enthält der Block 520 nur die Tabelle LUT1. Bei Berücksichtigung der Eingangsgröße phi_el enthält der Block 520 zwei Tabellen LUT1 und LUT2. Beide Fälle werden im Folgenden an Hand der Figur 6 näher
erläutert.
Die Figur 6 zeigt eine Mappingeinheit 520 bzw. den Block 520 des Emulators 14. Die Mappingeinheit 520 enthält ihrerseits:
- zwei optionale Mappingeinheit 600, 602, die auch als
Tabelle LUT2 bezeichnet werden,
- zwei Addiereinheiten 604, 606,
- zwei Mappingeinheit 610, 612, die auch als Tabelle LUT1 bezeichnet werden können,
- eine Addier-/Subtrahiereinheit 614, und
- zwei Faktoreinheiten 616, 618, wobei die Faktoreinheit 616 den Faktor 1/Ld zu ihrem Eingangswert multipliziert und wobei •die Faktoreinheit 616 den Faktor 1/Lq zu ihrem Eingangswert multipliziert. Mit den Einheiten 600 bis 612 werden die Gleichungen (4) nachgebildet. Mit den Einheiten 614 bis 618 werden die
Gleichungen (7) nachgebildet. Die Mappingeinheiten 600 und 602 realisieren die Gleichungen (5) . " Somit bestehen die folgenden Verbindungen bzw.
Datenübertragungswege:
- ein Weg 630 für die Eingangsgröße psi_d, wobei der Weg 630 zu einem Eingang der Addiereinheit 604 führt,
- ein Weg 632 für die optionale Eingangsgröße phi_el, wobei der Weg 632 zu einer Verzweigung führt, von der die folgenden
Wege abzweigen:
■ - ein Weg 634, der zu einem Eingang der Mappingeinheit 600 führt,
- ein Weg 636, der zu einem Eingang der Mappingeinheit 602 führt,
- ein Weg 638 für die Eingangsgröße psi_q, wobei der Weg 638 zu einem Eingang der Addiereinheit 606 führt, - ein Weg 640, der vom Ausgang der Mappingeinheit 600 zu einem Eingang der Addiereinheit 604 führt,
- ein Weg 642, der vom Ausgang der Mappingeinheit 602 zu einem Eingang der Addiereinheit 606 führt,
- ein Weg 644, der von einem Ausgang der Addiereinheit 604 zu einer Verzweigung führt, von der die folgenden Wege
abzweigen :
- ein Weg €46 zu einem Eingang der Mappingeinheit 610, die die Umkehrfunktion zu einer Funktion fl realisiert, die durch Aufnehmen der Kennlinienfelder erfasst werden kann,
- ein Weg 648 zu einem Eingang der Mappingeinheit 612, die die Umkehrfunktion zu der oben genannten Funktion f2 realisiert, die durch Aufnehmen der .Kennlinienfelder erfasst werden kann, und
- ein Weg -650 zu einem Addier-Eingang der Addier- /"Subtrahiereinheit 614, wobei der Addiereinheit 614 auch
- der Wert psi_p zwecks Subtraktion zugeführt wird,
- ein Weg 651 führt vom Ausgang der Addier-/Subtrahiereinheit 614 zu einem Eingang der Faktoreinheit 616,
- ein Weg 652, der von einem Ausgang der Addiereinheit 606 zu einer Verzweigung führt, von der die folgenden Wege
abzweigen:
- ein Weg 654 zu- einem Eingang der Mappingeinheit 610,
- ein Weg 65-6 zu einem Eingang der Mappingeinheit 612, und
- ein Weg 658 zu einem Eingang der Faktoreinheit 618. Eine .Umschalteinheit 620, 622 ähnelt einem
Zweifachwechselschalter, dessen Wechselschalter gleichzeitig umgeschaltet werden. Ein Mittelpunkt a der Umschalteinheit 620 ist mit einer Ausgangsgröße id verknüpft, siehe Weg ·668. Ein Punkt b der Umschalteinheit 620 ist mit dem Ausgang der Mappingeinheit 610 verknüpft, siehe Weg 660. Ein -Punkt c der Umschalteinheit 620 ist mit dem Ausgang der Faktoreinheit 616 verknüpft, siehe Weg 664. Ein Mittelpunkt d der Umschalteinheit 622 ist mit einer
Ausgansgröße iq verknüpft, siehe Weg 670. Ein Punkt e der Umschalteinheit 622 ist mit dem Ausgang der Mappingeinheit 612 verknüpft, siehe Weg 662. Ein Punkt f der Umschalteinheit 622 ist mit dem Ausgang der Faktoreinheit 618 verknüpft, siehe Weg 666.
In dem in der Figur 6 gezeigten Schaltmodus der
Umschalteinheiten 620 und 622 sind die Punkte a und b sowie die Punkte d und e verbunden. In diesem Schaltmodus werden die Tabellen LUTl, d.h. Mappingfunktionen 610 und 612, sowie LUT2, d.h. Mappingfunktionen -600 und 602, benutzt. In dem anderen- Schaltmodus, d.h. Punkte a und c sowie Punkte d und f verbunden, werden dagegen zwar die Mappingfunktionen 600 und 602 benutzt, jedoch werden an Stelle der Mappingfunktionen 610 -und 612 die Faktoreinheiten 616 und €18 benutzt.
Bei einem anderen Beispiel sind die Mappingfunktionen 600 und 602 nicht vorhanden, so dass auch die Addiereinheiten 604 und 606 entfallen. Alternativ kann durch eine nicht dargestellte Umschalteinheit zwischen einem Betriebsmodus mit Verwendung der Mappxngeinheiten -600 und 602 und ei-nem Betriebsmodus ohne Verwendung der Mappxngeinheiten 600 und 602 umgeschaltet werden.
Die Figur 7 zeigt einen Messstand 700 zum Erfassen von
Parametern eines Elektromotors 704. Der Messstand 700 wird auch als Erfassungseinheit 700 bezeichnet, wenn bspw. die erfassten Größen nicht auf SI -(System International) Größen zurückgeführt werden.
Der Messstand 700 enthält:
- einen Umrichter bzw. Inverter 702, z.B. einen
handelsüblichen Inverter bzw. Umrichter,
- einen Elektromotor 704, d.h. der Elektromotor, dessen
Parameter erfasst werden sollen,
- eine Lastmaschine 706, - und zwei Mehrkanaloszilloskope 708, 710.
Eine Synchronisationsleitung 712 verbindet die beiden
Mehrkanaloszilloskope 708, 710. Die beiden
Mehrkanaloszilloskope 708, 710 erfassen die folgenden Größen:
- Strom bzw. Phasenstrom ia, ib,
- Spannung bzw. Phasenspannung Uab, übe,
- Wellenmoment,
- ResolverSpannung ÜRes (sin, cos, ext) .
Leitungen 720 bis 724 verbinden den Umrichter 702 mit dem Motor 704. An der Leitung 720 ist ein Stromsensor 730
angeordnet, der den Strom ia erfasst. Das Erfassungsergebnis wird über eine Leitung 740 zum Oszilloskop 708 übertragen. -An der Leitung 722 ist ein Stromsensor 732 angeordnet, der den Strom ib erfasst. Das Erfassungsergebnis wird über eine
Leitung 742 zum Oszilloskop 708 übertragen.
Zwischen den Leitungen 720 und 722 ist ein Spannungssensor 750 zum Erfassen der Spannung uab angeordnet. Eine Leitung 7-60 überträgt das Erfassungsergebnis, z.B. einen Analogwert, zum Oszilloskop 708. Zwischen den Leitungen 722 und 724 ist ein Spannungssensor 752 zum Erfassen der Spannung übe
angeordnet. Eine Leitung 7-62 überträgt das
Erfassungsergebnis, z.B. einen Analogwert, zum Oszilloskop 710. Drei esolverleitungen 770 kommen vom Motor 704 und führen zum Oszilloskop 710.
Eine Welle 772 verbindet den Elektromotor 704 und die
Lastmaschine.706, die bspw. ebenfalls ein Elektromotor bzw. Generator ist.. An der Welle 772 ist ein Drehmomentsensor 774 zur Erfassung von eines Wellenmoments angeordnet, das auch von dem elektrischen Moment Te abhängt. Eine Leitung 77-6 führt vom Drehmomentsensor 774 zum Oszilloskop 708.
Der Messstand 700 wird so verwendet, wie es oben in der
Einleitung erläutert worden ist. Insbesondere werden mit dem Messstand 700 Wertegruppen erfasst, wie im Folgenden an Hand der Figur 8 erläutert wird.
Die Figur 8 zeigt Verfahrensschritte zum Ermitteln von
Maschinendaten für die Emulation. Das Verfahren beginnt in einem Verfahrensschritt 800. Die Verf hrensschritte werden im Folgenden auch kurz als Schritt bezeichnet.
Dem Schritt 800 folgt ein Schritt 802 in dem mit dem
Teststand 700 die folgenden Wertegruppen ermittelt werden: - psi_d, psi_q, id und iq, siehe die in der Einleitung angegebenen Gleichungen.
In einem optionalen Schritt S804 können die Harmonischen fhd und fhq ermittelt werden, siehe die in der Einleitung
angegebenen Gleichungen.
In einem optionalen Schritt S806 können die im Schritt S804 ermittelten Harmonischen in der zweiten Speichereinheit bzw. in der Tabelle LUT2 gespeichert und später auch für die Emulation verwendet werden.
In einem Schritt S810 werden die im Schritt S-824 ermittelten Werte für id und iq in der ersten Speichereinheit bzw. in der Tabelle LUTl gespeichert und später auch für die Emulation verwendet .
Das Verfahren wird in einem Schritt S812 beendet. Die
ermittelten Werte werden dann für eine Emulation oder für die Regelung eines Elektromotors verwendet.
Die Reihenfolge der Schritte S802 bis S810 kann auch
verändert werden, bspw. Schritt S810 vor Schritt S804 oder Schritte S804 und S806 vor Schritt S802.
Die Figur 9 zeigt einen Schaltungszweig 901 eines
Mehrpunktumrichters bzw. Multilevelinverters 900. Der Schaltungszweig 901 enthält vier in Reihe geschaltete
Schaltelemente SEI bis SE4, die jeweils einen IGBT oder einen anderen elektronischen Leistungsschalter mit optionaler antiparallel geschalteter Diode enthalten.
Das erste Schaltelement SEI liegt an einer Plusleitung 914. Das letzte SchaltelementSE4 liegt an einer Minusleitung 91-6. Zwischen der Plusleitung 914 und einem Massepotential 904 auf einer Leitung 912 liegt eine Plusspannung 902. Eine
Minusspannung 906 liegt zwischen der Leitung 912 und der
Minusleitung 916. Die Plusspannung 902 und die Minusspannung 906 haben absolute Spannungswerte, die der halben
Betriebsspannung entsprechen. Eine Diode Dl liegt mit ihrer Kathode am Emitter des
Schaltelements SEI und am Kollektor des Schaltelements ΞΕ2. Die Anode der Diode Dl liegt an der Leitung 912. Eine Diode D2 liegt mit ihrer Kathode an der Leitung 912. Die Anode der Diode D2 liegt am Emitter des Schaltelements SE3 und am
Kollektor des SchaltelementsS£4. Eine Leitung 910 führt vom Emitter des Schaltelements SE2 sowie vom Kollektor des
Schaltelements SE3 zu einer ersten Phase des zu emulierenden Motors. Die Leitung 912 ist auf die gleiche Art noch mit bspw. zwei Schaltzweigen des Umrichters 900 verbunden, die wie der
Schaltzweig 901 aufgebaut sind und die Spannungen für zwei weitere Emulatorphasen erzeugen. Es können auch mehr als vier Schaltelemente je Schaltungszweig verwendet werden.
Der Umrichter 900 ermöglicht geringere Schaltspannu gen an den Schalteinheiten SEI bis SE4. Gateanschlüsse der
Schaltelemente SEI bis. SE , sowie der weiteren Schalt-elemente des Umrichters 900 werden zweckmäßig angesteuert.
Die Ausführungsbeispiele sind nicht maßstabsgetreu und nicht beschränkend. Abwandlungen im Rahmen des fachmännischen Handelns sind möglich. Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben worden ist, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Die in der
Einleitung genannten Weiterbildungen und Ausgestaltungen können untereinander kombiniert werden. Die in der
Figurenbeschreibung genannten Ausführungsbeispiele können ebenfalls untereinander kombiniert werden. Weiterhin können die in der Einleitung genannten Weiterbildungen und
Ausgestaltungen mit den in der Figurenbeschreibung genannten Ausführungsbeispielen kombiniert werden.
Bezugszeichenliste
10 Teststand
12 Prüfling
14, 14a, 14b Testgerät
20, 22, 24 Anschluss
30, 32, 24 Leitung
40 Plusleitung
42 Mass-eleitung
44 Kondensator
50, 52, 54 Halbbrückenzweig
60, 62 Schaltelement
64 Leitung
70, 72 SehalteLement
74 Leitung
80, 82 Schaltelement
84 Leitung
90 bis 100 Gafeeanschluss 110 otornachbildungs-einheit 112 Umrichter/Invert-er
114, 114a, 114b Stromregler 120 bis 124 -opplungsspule 130 bis 134 Leitung
140 bis 144 Stromsensor 150 bis 154 Datenübertragung 150a bis 154a Datenübertragung 160, 162 Spannungssensor
170, 172 Datenübertragung 180 bis 184 Datenübertragung 190 bis 194 Datenübertragung P Prozessor
Speicher
196 FPGA
LUT1, LUT2 Tabelle
198 Datenübertragung
Sl bis S12 SchalteLement sl bis sl-2 SchalteLement W 201
39
200 Plusleitung
202 Minusleitung
210, 212 weitere Schaltelemente
218 Ersatzschaltbild
LI bis L12 Leitung
11 bis 112 Leitung
220 bis 226 Spule
228 Phasenanschluss
230 bis 234 Spule
238 Phasenanschluss
240 bis 244 Spule
248 Phasenanschluss
250, 252 Teilspannung
254 Massepotential
302 Transformationseinheit
304 Transformationseinheit
402 Transformationseinheit
404, 406 Datenübertragung
412 Transformationseinheit
414, 416 Datenübertragung
420 Transformationseinheit
500, 502 Addier-/Subtrahiereinheit
504, 506 Integriereinheit
508, 510 Produkteinheit
512, 514 Faktoreinheit
520 Mappingeinheit
522, 524 Produkteinheit
52-6 Addier-/Subtrahiereinheit
528 Faktoreinheit
530 Addier-/Subtrahiereinheit
532 Integrier-/Faktoreinheit
540 bis 588 Verbindung
590 Eingangsgröße
600, -602 Mappingeinheit
604, 606 Addiereinheit
610, 612 Mappingeinheit
614 Addier-/Subtrahiereinheit 616, 618 Faktoreinheit
620, 622 Umschalteinheit a bis f Anschluss
630 bis 670 Verbindung
700 Erfassungseinheit
702 Inverter
704 Elektromotor
706 Lastmaschine
708, 710 Oszilloskop
712 Synchronisationsleitung ia, ib Strom
üab, übe Spannung
Te elektrisches Moment
URes Resolverspannung
720 bis 724 Leitung
730, 732 Stromsensor
740, 742 Leitung
750, 752 Spannungssensor
7-60, 762 Leitung
770 Resolverleitung
772 Welle
774 Drehmomentsensor
776 Leitung
800 bis 810 Verfahrensschritt 900 Multilevelinverter
901 Schaltungszweig
902 Plusspannung
904 Massepotential
906 Minusspannung
SEI bis SE4 Schaltelement Dl, D2 Diode
910, 912 Leitung
914 Plusleitung
916 Minusleitung

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung (14, 14a, 14b), enthaltend
eine erste Speichereinheit ( , LÜTl) , wobei in der
Speichereinheit (M, LUT1) zu einer Vielzahl von Werten für mindestens eine der folgenden Größen oder aller dieser
Größen :
Längskomponente eines magnetischen Flusses oder eines
verketteten Flusses (Psi_d, Psi_d_D) ,
Querkomponente eines oder des magnetischen Flusses oder eines oder des verketteten Flusses (Psi_q, Psi_q_D) ,
jeweils mindestens ein Wert -einer der folgenden Größen oder aller der folgenden Größen gespeichert ist:
Längskomponente eines Stromes (id) ,
Querkomponente eines oder des Stromes (iq) .
2. Vorrichtung (14, · 14a, 14b) nach Anspruch 1, enthaltend eine erste Schalteinheit (112),
wobei die Vorrichtung (14, 14a, 14b) vorzugsweise Anschlüsse (20 bis 24) enthält, mit der sie an eine zweite Schalteinheit (12) angeschlossen werden kann.
3. Vorrichtung (14, 14a, 14b) nach Anspruch 2, wobei die erste Schalteinheit (112) und/oder die zweite Schalteinheit (12) eine Leistungsschalteinheit ist mit einer Schaltleistung größer als 1 Kilowatt oder größer als 10 Kilowatt oder größer als 100 Kilowatt.
4. Vorrichtung (14, 14a, 14b) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die erste Schalteinheit■ (112) mindestens zwei Ausgänge oder mindestens drei Ausgänge (228, 238, 248) enthält oder hat, wobei je Ausgang (228) .mindestens zwei Schaltungszweige (Sl, LI, sl; S2, L2, s2) vorhanden sind, und wobei jeder
Schaltungszweig (Sl, LI, sl; S2, L2, s2) mindestens zwei Schaltelemente (Sl, sl) enthält.
5. Vorrichtung (14, 14a, 14b) nach Anspruch 4, wobei die zu einem Ausgang gehörenden Schaltungszweige (Sl, Li, sl) jeweils mit einem Ende einer Spule {220 bis 226) verbunden sind, und
wobei die anderen Enden der Spulen (220 bis 226) mit dem Ausgang (228) verbunden sind.
6. Vorrichtung (14, 14a, 14b) nach einem der Ansprüche 2 bi-s 5, wobei die erste Schalteinheit (900} je Schaltungszweig (901) mindestens drei oder mindestens vier Schaltelemente (SEI bis SE4) enthält.
7. Vorrichtung (14, 14a, 14b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, enthaltend eine Umschalteinheit (620, 622) , mit der in einen zweiten Betriebsmodus geschaltet werden kann, in dem für eine Längskomponente des magnetischen Flusses oder des verketteten Flusses (Psi_d) und/oder für eine
Querkomponente des magnetischen Flusses oder des verketteten Flusses (Psi_q) ein Längsstrom (id) und/oder ein Querstrom (iq) nach einer vorgegebenen Berechnungsvorschrift (616, 618) berechnet wird, insbesondere unter Verwendung mindestens eines Induktivitätswertes für eine Längsinduktivität (Ld) oder für eine Querinduktivität (Lq) .
8. Vorrichtung (14, 14a, 14b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Speichereinheit (M, LUT1} eine erste Spei-chereinheit ist, und
wobei die Vorrichtung (14, 14a, 14b) eine zweite
Speichereinheit (-600, 602) enthält, in der zu einer Vielzahl von Werten für einen elektrischen und/oder physikalischen Feldwinkel (phi_el) jeweils mindestens ein Wert einer der folgenden Größen gespeichert ist:
Längskomponente : (fhd) der Summe der Harmonischen des Flusses, Querkomponente (fhq) der Summe der Harmonischen des Flusses.
9. Vorrichtung (14, 14a, 14b) nach Anspruch 8, mit einer ersten Addiereinheit (604), die einen Wert einer Längskomponente des magnetischen Flusses (Psi_d) mit einem Wert der Längskomponente (fhd) der Summe der Harmonischen aus der zweiten Speichereinheit (-600) addiert,
wobei das Ausgabedatum der ersten Addiereinheit (600) als Eingangsdatum für das Lesen der ersten Speichereinheit (610, 612) verwendet wird,
und/oder mit einer zweiten Addiereinheit (606), die einen Wert einer Querkomponente des magnetischen Flusses (Psi_q) mit einem Wert der Querkomponente (fhq) der Summe der
Harmonischen aus der zweiten Speichereinheit (602) addiert, wobei das Ausgabedatum der zweiten Addiereinheit (60-6) als Eingangsdatum für das Lesen der er-sten Speichereinheit (610, 61.2) verwendet wird.
10. Vorrichtung (14, 14a, 14b) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Eingangsdaten Flusskomponenten (Psi_d, Psi_q) sind, zu denen keine Harmonischen des Flusses, insbesondere des verketteten Flusses, addiert worden sind.
11. Vorrichtung (14, 14a, 14b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, enthaltend eine Steuereinheit (P, 196) , die ein Maschinenmodell (110) eines Elektromotors (704) oder
Generators berechnet, vorzugsweise mit einer
Simulationsschrittdauer kleiner als 1 Mikrosekunde oder kleiner als 100 Nanosekunden.
12. Vorrichtung {14, 14a, 14b) nach Anspruch 11, wobei der Elektromotor (704) ein Synchronmotor ist, insbesondere ein mit Permanentmagneten erregter Synchronmotor oder ein fremd erregter Synchronmotor ist, oder wobei der Elektromotor ein Asynchronmotor ist,
oder wobei der Generator ein Synchrongenerator oder ein
Asynchrongenerator ist.
13. Vorrichtung (14, 14a, 14b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, enthaltend eine Regelschaltung (114, 114a, 114b), insbesondere eine Stromregelschalung.
14. Vorrichtung (14, 14a, 14b) nach Anspruch 13, wobei die Sollströme der Stromregelschaltung die Ausgangswerte der ersten Speichereinheit (M, LUT1) oder transformierte (T) dieser Ströme sind.
15. Vorrichtung (14, 14a, 14b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (14, 14a, 14b) ein Emulator für einen Elektromotor und/oder für einen Generator ist.
16. Vorrichtung (14, 14a, 14b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Speichereinheit ( , LUT1) über Adressen adressiert wird, denen nach einer ZuOrdnungsvorschrift Werte der Querkompon-ente oder der Längskomponente des magnetischen Flusses (Psi_q, Psi_q_D) zugeordnet sind.
17. Verfahren, insbesondere unter Verwendung einer
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
-enthaltend:
Verwenden einer Vielzahl von Wertegruppen jeweils enthaltend mindestens einen Wert einer der folgenden -Größen:
Längskomponente eines magnetischen Flusses oder eines
verketteten Flusses {Psi_d, Psi_d_D) ,
■Querkomponente eines oder des magnetischen Flusses (Psi_q, Psi_q_D) oder eines oder des verketteten Flusses,
und jeweils enthaltend zugehörig mindestens einen Wert einer der folgenden Größen oder aller der folgenden Größen:
Längskomponente eines Stromes (id) ,
Querkomponente eines oder des Stromes <iq) ,
wobei die Wertegruppen für eine Emulation einer
Elektromaschine verwendet werden.
18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Wertegruppen an einem Elektromotor (704) oder Generators erfasst werden oder wobei die Wertegruppen aus einem räumlichen Simulationsmodell eines Elektromotors (704) oder Generators gewonnen werden.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei eine
Speichereinheit (M, LUT1) über Adressen adressiert wird, denen nach einer ZuOrdnungsvorschri t Werte der
Querkomponente oder der Längskomponente des magnetischen Flusses (Psi_q, Psi_q_D) zugeordnet sind.
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