Verfahren zur Kompensation von periodischen Rüttelkräften in einer elektrischen Drehfeldmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation von periodischen Rüttelkräften in einer elektrischen Drehfeldmaschine mit einer Spezialwicklung zur kombinierten Erzeugung eines Drehmomentes und einer Querkraft in derselben, wobei die Querkraft F senkrecht auf den Rotor wirkt und in Betrag und Richtung beliebig eingestellt werden kann und wobei
- die Ständerwicklung eine Antriebswicklung mit der Polpaarzahl p, und eine Steuer¬ wicklung mit der Polpaarzahl (p2 = P] ± 1), umfasst,
- die Steuerwicklung mit einem Steuerstrom i§2 unabhängig vom Antriebsstrom igj der Antriebswicklung gespeist wird,
- das in der p\ -Ebene dargestellte Argument des Antriebsflusses ys p ' bestimmt wird,
- der für eine gewünschte Querkraft F notwendige, in der p2-Ebene betrachtete Steuerstrom -S2 2 ) in einem mit dem Winkel γ^ umlaufenden Koordinatensystem (T) bestimmt wird,
- dieser Steuerstrom i
s ( 7 '
P2 durch eine Koordinatendrehung um den Winkel p P2> _ p
(P2>
+ γ
(Pι
) in ein ständerfestes Koordinatensystem (S) transformiert wird, und wobei durch den konstanten Winkel
' eine allfällige Verdrehung der Steuerwicklung und der Antriebswicklung im Ständer berücksichtigt wird.
Im schweizerischen Patentgesuch Nr. 00 056/94-7 ist ein Verfahren zur unabhängigen Steuerung des Drehmoments und einer auf den Rotor wirkenden Querkraft F in einer Drehfeldmaschine mit
einer pj -polpaarigen und einer (p2 = P] ± 1) -polpaarigen Wicklung beschrieben. Dieses Steuerverfahren berücksichtigt alle in einer idealisierten Maschine (ohne Berücksichtigung der Nutoberwellen und Wicklungsoberwellen, von geometrischen und elektrischen Asymmetrien im Flusskreis, der Anisotropie des magnetischen Zugs, der Materialsättigung sowie der auf den Rotor wirkenden Unwuchtkräfte) auftretenden Querkräfte, und erlaubt für jeden Betriebszustand einer idealisierten Maschine die exakte Steuerung des Querkraftvektors.
Beim Betrieb an einer realen Maschine treten aufgrund der oben genannten Nichtidealitäten der Maschine Abweichungen zwischen der gewünschten Querkraft und der real auf den Rotor wirkenden Querkraft auf. Insbesondere wirken auf den Rotor periodische Rüttelkräfte die ihre Ursache in den oben genannten Nichtidealitäten der Maschine haben, was sich bei den bis jetzt bekannten Steuerverfahren als nachteilig erweist.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Abweichungen zwischen der gewünschten Querkraft und der real auf den Rotor wirkenden Querkraft, insbesondere die periodisch auftretenden Rüttelkräfte durch zusätzliche Steuereingriffe zu kompensieren und damit die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird bei einem Steuerverfahren der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Durch eine vom Flusswinkel, vom mechanischen Rotorwinkel, von der Flusswinkelgeschwindigkeit und von der mechanischen Rotorwinkelgeschwindigkeit abhängige Vorsteuerung, die auf die Sollkraft (am Eingang des Steuerverfahrens) oder auf den Steuerstrom wirkt, werden die oben genannten periodischen Rüttelkräfte kompensiert. Durch eine vom Flussvektor abhängige Drehstreckung des Steuerstromvektors werden zudem lineare und nichtlineare Fehler in der Steuerung des Querkraftvektors, wie sie aufgrund von Nut- und Wicklungsoberwellen und der Materialsättigung zustande kommen kompensiert.
Es werden also systeminhärente, periodische und damit vorhersehbare "Störkräfte", durch das Aufschalten entsprechender in der Gegenrichtung wirkender magnetischer Kräfte kompensiert. Die Aufschaltung des Korrektursignals kann am Kraftsteuereingang des Steuerstrom¬ berechnungsblocks als Vorsteuerkraft, am Ausgang des Steuerstromberechnungsblocks als Vorsteuerstrom in Ständerkoordinaten oder innerhalb des Steuerstromberechnungsblocks, vor der Drehtransformation als Vorsteuerstrom in dem mit dem Antriebsfluss umlaufenden Koordinatensystem erfolgen.
Da nun die periodischen Rüttelkräfte verschiedene Ursachen haben können, ist ein Teil dieser Rüttelkräfte mit dem geometrischen Antriebsflusswinkel periodisch verknüpft und ein anderer
Teil mit dem mechanischen Rotorwinkel periodisch verknüpft. Ist der geometrische Antriebsflusswinkel seinerseits starr mit dem mechanischen Rotorwinkel gekoppelt, was für Synchronmaschinen (wozu ebenfalls Reluktanz- und Schrittmotoren zu rechnen sind) der Fall ist, so fällt die Periodizität der zuvor genannten Rüttelkraftanteile zusammen. Sie können somit gemeinsam durch ein einziges, mit dem mechanischen Rotorwinkel oder dem (allenfalls phasenverschobenen) geometrischen Antriebsflusswinkel verknüpftes Vorsteuersignal korrigiert werden. Ist der geometrische Antriebsflusswinkel jedoch nicht starr mit dem mechanischen Rotorwinkel gekoppelt, was für Induktionsmaschinen der Fall ist, so müssen die mit dem geometrischen Antriebsflusswinkel verknüpften Rüttelkräfte und die mit dem mechanischen Rotoπvinkel verknüpften Rüttelkräfte durch getrennte Vorsteuersignale kompensiert werden.
Es wäre nun denkbar, die periodischen Rüttelkräfte rechnerisch aufgrund der Abweichungen eines mit den genannten Nichtidealitäten ergänzten Modells für die Querkraftbildung von dem im schweizerischen Patentgesuch Nr. 00 056/94-7 beschriebenen idealen Modell zu bestimmen und anschliessend die zur Kompensation dieser Rüttelkräfte notwendigen Vorsteuersignale zu ermitteln. Dies ist allerdings nur möglich mit Nichtidealitäten, die bekannt sind (Nutung, Wicklungsoberwellen, ev. Materialsättigung). Viele Nichtidealitäten wie geometrische oder elektrische Asymmetrien, oder Unwuchten sind hingegen durch Fertigungstoleranzen bedingt und sind daher nicht im voraus bekannt.
Einem weiterfuhrenden Erfindungsgedanken entspricht die Idee, die Rüttelkräfte in einem Messlauf für jeden Querkraftmotor individuell durch direkte Messung oder aus anderen Messgrössen wie beispielsweise der Rotorposition zu bestimmen. Da ein Teil der Rüttelkräfte (beispielsweise Unwuchtkräfte) von der Drehzahl abhängig sind, ist es notwendig die Messungen für verschiedene Drehzahlen durchzuführen. Ebenso ist es bei variablem Antriebsfluss (z.B. Beim Betrieb im Feldschwächungsbereich) notwendig, die Messungen für verschiedene Antriebsflussbeträge durchzufuhren. Durch eine Mittelung über mehrere Umdrehungen können alle nicht mit dem Messwinkel korrelierte Störungen aus dem Messsignal herausgefiltert werden. Ein Teil der Rüttelkräfte ist nicht geschwindigkeitsabhängig. Für den Fall, dass der Maschine ein Querkraftregler oder ein Positionsregler mit Integralanteil überlagert ist. können in einem Messlauf bei sehr kleiner Antriebsflusswinkelgeschwindigkeit die Reglersignale für einen Umlauf oder gemittelt über mehrere Umläufe über dem geometrischen Antriebsflusswinkel aufgezeichnet werden und anschliessend im Betrieb als Vorsteuersignal verwendet werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausfuhrungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert.
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ERSATZSLAT7 (REGEL 26)
Es zeigen:
Fig.1 Den Signalflussplan des Kerns eines im schweizerischen Patentgesuch Nr. 00 056/94-7 näher beschriebenen Verfahrens zur unabhängigen Steuerung des Drehmoments und einer auf den Rotor wirkenden Querkraft in einer Drehfeldmaschine mit einer pr polpaarigen und einer (p = Pi ± l)-polpaarigen Wicklung. Dargestellt ist hier der einfachste Fall (konstanten Flussbetrags ohne Berücksichtigung der Lorentzstörkräfte) bei dem der Steuerstrom jS2 'P: direkt proportional zum gewünschten Kraftvektor E* ist.
Fig.2 Die möglichen Einspeisepunkte für Vorsteuersignale zur Kompensation von periodischen Rüttelkräften im Signalflussplan des Steuerverfahrens.
Fig. 3 Vorsteuerung auf den Kraftsteuereingang (E*) mit der Vorsteuerkraft F für den Fall, dass der geometrische Antriebsflusswinkel starr mit dem mechanischen Rotorwinkel gekoppelt ist (Synchronmaschine).
Fig. 4 Vorsteuerung auf den Steuerstrom iS2 ,P2 im mit dem Antriebsfluss umlaufenden
« YT n ^
Koordinatensystem (T) mit dem Vorsteuerstrom ig2 für den Fall, dass der geometrische Antriebsflusswinkel starr mit dem mechanischen Rotorwinkel gekoppelt ist (Synchronmaschine).
Fig. 5 Vorsteuerung auf den Steuerstrom 1S2 im Ständerkoordinatensystem (S) mit dem Vorsteuerstrom ig für den Fall, dass der geometrische Antriebsflusswinkel starr mit dem mechanischen Rotorwinkel gekoppelt ist (Synchronmaschine).
Fig. 6 Vorsteuerung auf den Kraftsteuereingang (E*) mit der an den geometrischen Antriebsflusswinkel gekoppelten Vorsteuerkraft F und der an den mechanischen
Rotorwinkel gekoppelten Vorsteuerkraft F für den Fall, dass der geometrische Antriebsflusswinkel nicht starr mit dem mechanischen Rotorwinkel gekoppelt ist (Induktionsmaschine).
Fig. 7 Vorsteuerung auf den Steuerstrom iS2 'P2 im mit dem Antriebsfluss umlaufenden Koordinatensystem (T) mit dem an den geometrischen Antriebsflusswinkel gekoppelten Vorsteuerstrom iS2 'P: und dem an den mechanischen Rotorwinkel gekoppelten
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ERSÄΓZBLAΓT (REGEL 26)
Vorsteuerstrom iS2 für den Fall, dass der geometrische Antriebsflusswinkel nicht starr mit dem mechanischen Rotorwinkel gekoppelt ist (Induktionsmaschine).
Fig. 8 Vorsteuerung auf den Steuerstrom iS2 'P: im Ständerkoordinatensystem (S) mit dem an den geometrischen Antriebsflusswinkel gekoppelten Vorsteuerstrom iS2 ,P2 und dem an den mechanischen Rotorwinkel gekoppelten Vorsteuerstrom ΪS2 für den Fall, dass der geometrische Antriebsflusswinkel nicht starr mit dem mechanischen Rotorwinkel gekoppelt ist (Induktionsmaschine).
(Die verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.)
Im schweizerischen Patentgesuch Nr. 00 056/94-7 wird -wie schon vorangehend beschrieben¬ em Verfahren zur unabhängigen Steuerung des Drehmoments und einer auf den Rotor wirkenden Querkraft in einer Drehfeldmaschine mit einer pj -polpaarigen und einer (p2 = Pj ± l)-pol- paarigen Wicklung offenbart.
Der Kern dieses Steuerverfahrens ist in Figur 1 dargestellt. In einem ersten Schritt wird der für eine gewünschte Kraftwirkung notwendige Steuerstrom, der in der Figur durch die Vektorkomponenten iS2d'P2^und -s q dargestellt ist, in einem mit dem Flussvektor umlaufenden und zusätzlich um einen festen Winkel gedrehten Koordinatensystem (T). bestimmt. In einem zweiten Schritt wird der so berechnete Steuerstromsollvektor durch Drehung um den Winkel p P ins Statorkoordinatensystem transformiert (17). Der
Transformationswinkel p P2 = PQ + Ys w*rc- laufend aus dem im
Statorkoordinatensystem, in der p- -Ebene gemessenen Argument des Flussvektors γs ' und einem festen Drehwinkel PQ , der die Verdrehung der beiden Wicklungssysteme zu einander und gegenüber der geometrischen x-Achse berücksichtigt, gebildet. Der konstante Anteil des Drehwinkels, p0 P2 ) ist durch die Beziehung pQ P ) = α0 + I0(.1)2 definiert, wobei α0 einer allfälligen Verdrehung der d-Achse der Antriebswicklung gegenüber der x-Achse des geometrischen Koordinatensystems und (Xi 2 einer allfälligen Verdrehung der d- Achsen von
Antriebs- und Steuerwicklung untereinander entspricht. Die Bestimmung des Steuerstroms im Koordinatensystem (T). aufgrund der gewünschten Querkraft ist auf vielfältige Weise denkbar. Verschiedene Möglichkeiten zur Ermittlung der Steuerströme im Koordinatensystem (T) (konstanter Flussbetrag ohne Berücksichtigung der Lorentzstörkräfte, variabler Flussbetrag ohne
ERSATZBLATT (REGEL 25)
Berücksichtigung der Lorentzstörkräfte und variabler Flussbetrag mit Berücksichtigung der Lorentzstörkräfte) sind im Hauptpatent dargestellt. Das Steuerverfahren geht von einer idealen Maschine aus. Die Voraussetzungen hierfür sind: sinusförmige Antriebs- und Steuerflussverteilung, konstante Permeabilität des Eisens, geometrische und elektrische Symmetrie im Flusskreis, Isotropie des magnetischen Zugs und keine Unwuchtkräfte. In der realen Maschine treten die folgenden Abweichungen vom idealen Modell auf: Nut- und Wicklungsoberwellen, geometrische und elektrische Asymmetrien im Flusskreis, eine Anisotropie des magnetischen Zugs bei einer Auslenkung des Rotors aus dem Zentrum, Materialsättigung und Unwuchten. Diese Nichtidealitäten der Maschine fuhren zu Abweichungen zwischen der gewünschten Querkraft und der real auf den Rotor wirkenden Querkraft insbesondere zu periodischen Rüttelkräfte. Durch die Einspeisung von ebenfalls periodischen Korrektursignalen im besagten Steuerverfahren sollen diese Rüttelkräfte kompensiert werden.
Wie in Figur 2 gezeigt wird, kann die Einspeisung der Korrektursignale an den folgenden
* *
Punkten erfolgen: am Kraftsteuereingang (E* mit den Komponenten Fx und Fy ) des
Steuerstromberechnungsblocks (10) als Vorsteuerkraft F mit den Vektorkomponenten Fχ und Fy, am Ausgang des Steuerstromberechnungsblocks (10) als Vorsteuerstrom ig2 mit den Vektorkomponenten is2d und i-s g in Ständerkoordinaten oder innerhalb des Steuerstromberechnungsblocks (10), vor der Drehtransformation als Vorsteuerstrom is2' mit
YT n "ϊ YX n ^ den Vektorkomponenten ig2d unc^ -S2α *n <**em m't c*em Antriebsfluss umlaufenden Koordinatensystem (T).
Je nach Ursache sind die Rüttelkräfte mit dem Antriebsflusswinkel beziehungsweise einem Mehrfachen davon oder mit dem mechanischen Rotorwinkel verknüpft. Zu den ersteren gehören alle Kräfte die aufgrund von Nichtidealitäten in der Antriebs- und Steuerflussverteilung zu stand kommen. Ursachen hierfür sind insbesondere: Nut- und Wicklungsoberwellen mit Paarungen von der Form (p + )± (siehe hierzu "Die Wicklungen elektrischer Maschinen" von Th. Bödefeld und H. Sequenz, Springer-Verlag Wien. 1962), geometrische und elektrische Asymmetrien, Feldverzerrungen aufgrund der Materialsättigung und die Anisotropie der magnetischen Zugkraft im Falle einer Verschiebung des Rotors aus dem Zentrum, die insbesondere für den Fall einer zweipoligen Antriebsflussverteilung besonders stark wird (siehe hierzu "Finite Element Analysis of the Magnetic Forces Acting on an Eccentric Rotor of a High- Speed Induction Motor" von A. Arkkio und O. Lindgren, Proceedings of the Fourth International Symposium on Magnetic Bearings, ETH Zürich. August 1994). Zu den zweiteren gehören vor allem Unwuchtkräfte.
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ERSATZBL JT (REGEL 26)
Ist der geometrische Antriebsflusswinkel starr mit dem mechanischen Rotorwinkel gekoppelt, was für Synchronmaschinen (wozu ebenfalls Reluktanz- und Schrittmotoren zu rechnen sind) der Fall ist, so fällt die Periodizität der genannten Rüttelkraftanteile ziisairimen. Sie können somit gemeinsam durch ein einziges, mit dem mechanischen Rotorwinkel oder dem (allenfalls phasenverschobenen) geometrischen Antriebsflusswinkel verknüpftes Vorsteuersignal korrigiert werden.
Das Signalflussdiagramm für eine solche Kompensation ist in Figur 3 für eine Vorsteuerung auf den Kraftsteuereingang (E*) mit der Vorsteuerkraft F , in Figur 4 für eine Vorsteuerung auf den Steuerstrom iS2 'P2 im mit dem Antriebsfluss umlaufenden Koordinatensystem (T) mit dem
Vorsteuerstrom ! *'§(2T,p2 ) und in Figur 5 für eine Vorsteuerung auf den Steuerstrom iS •(S,p2) im Ständerkoordinatensystem (S) mit dem Vorsteuerstrom i§2 dargestellt. Da die Rüttelkräfte mit der Drehzahl variieren, müssen die Vorsteuersignale ebenfalls an die Drehzahl angepasst werden. Die Vorsteuerkraft und die Vorsteuerströme sind im oben genannten Fall somit Funktionen des mechanischen Rotorwinkels und der mechanischen Rotorwinkelfrequenz.
i f
) mit
: *S
'(2
Sd'
P2 ) -
■ f(Y
m >ω
m ) und i
*gS2qj
>> = f(γ
m ,ω
m ).
Ist der geometrische Antriebsflusswinkel nicht starr mit dem mechanischen Rotorwinkel gekoppelt, was für Induktionsmaschinen der Fall ist, so müssen die mit dem geometrischen Antriebsflusswinkel verknüpften Rüttelkräfte und die mit dem mechanischen Rotorwinkel verknüpften Rüttelkräfte durch getrennte Vorsteuersignale kompensiert werden. Das Signalflussdiagramm für eine solche Kompensation ist in Figur 6 für eine Vorsteuerung auf den Kraftsteuereingang (E*) dargestellt. Es ist sowohl eine mit dem geometrischen
Antriebsflusswinkel gekoppelte Vorsteuerkraft F mit den Vektorkomponenten
Fx = f(γs,ωs) und F., = f(γs,ωs) als auch eine mit dem mechanischen Rotorwinkel
gekoppelte Vorsteuerkraft F = mit den Vektorkomponenten F
λ = f(γ
m,ω
m ) und
Fy = f(γ m ,ω m ) notwendig um Rüttelkräfte verschiedener Ursache zu kompensieren. Figur 7 zeigt den selben Fall für eine Vorsteuerung auf den Steuerstrom |S2 'P2 im mit dem
ERSATZBLAH (REGEL 26)
Antriebsfluss umlaufenden Koordinatensystem (T). In diesem Fall wird ein vom mechanischen
Rotorwinkel und von der Rotorwinkelgeschwindigkeit abhängiger Vorsteuerstrom
= f(ym
* ωm ) aufgeschaltet um die mit dem mechanischen Rotorwinkel verknüpften Rüttelkräfte zu kompensieren und ein vom geometrischen Antriebsflusswinkel und von der
Antriebsflusswinkelgeschwindigkeit abhängiger Vorsteuerstrom 1
S (T,P2 ) _
Vektorkomponenten ig = f(ys,ωs) und iS2q = f(γs, 0s) aufgeschaltet um periodische mit dem geometrischen Antriebsflusswinkel verknüpfte Rüttelkräfte zu kompensieren. Figur 8 zeigt den Fall einer Vorsteuerung auf den Steuerstrom is i Ständerkoordinatensystem (S). Sie wird analog der oben genannten Kompensation im Ständerkoordinatensystem (S) anstatt im mit dem Antriebsfluss umlaufenden Koordinatensystem (T) durchgeführt.
Das Hauptproblem in der Realisierung der beschriebenen Kompensation von periodischen Rüttelkräften besteht nun in der Ermittlung der hierzu notwendigen Vorsteuersignale. Bei genauer Kenntnis aller Nichtidealitäten welche zu den Rüttelkräften führen, wäre es prinzipiell denkbar, diese rechnerisch zu ermitteln. Leider sind viele der oben genannten Nichtidealitäten nicht im voraus bekannt. Anstatt diese Nichtidealitäten für jeden Querkraftmotor individuell (messtechnisch) zu bestimmen, ist es einfacher direkt die Rüttelkräfte zu ermitteln. Dies ist in jedem Fall durch direkte Messung der (über ein Lager) auf den Rotor wirkenden Kräfte in einem Messtand möglich. Viel einfacher geht dies natürlich, in Applikationen bei denen Sensoren für eine Querkraftregelung im System vorhanden sind. Häufiger dürften allerdings Anwendungen mit einer Rotorpositionsregelung sein wie beispielsweise alle Anwendungen des lagerlosen Elektromotors mit freischwebendem, positionsgeregeltem Rotor. Hier ist es möglich, die Rüttelkräfte auf aufgrund der regeltechnisch eingestellten Lagersteifigkeit und der Rotorauslenkung zu bestimmen. Da ein Teil der Rüttelkräfte (beispielsweise Unwuchtkräfte) von der Drehzahl abhängig ist, ist es notwendig, die Messungen für verschiedene Drehzahlen durchzuführen. Durch eine Mittelung über mehrere Umdrehungen können alle nicht mit dem Messwinkel korrelierte Störungen aus dem Messsignal herausgefiltert werden. Durch diese Massnahme ist es auch möglich, für den Fall der Induktionsmaschinen, die mit dem mechanischen Rotorwinkel verknüpften Rüttelkräfte von den mit dem Antriebsflusswinkel verknüpften Rüttelkräften zu trennen. Da die mechanische Rotorwinkelfrequenz und die Antriebsflusswinkelfrequenz bei der Induktionsmaschine sehr nahe beieinander liegen, ist eine Mittelung über sehr viele Umdrehungen notwendig um eine gute Trennung zu erhalten. In der Praxis sind für eine Drehzahl mehrere tausend Umläufe notwendig. Dadurch kann der Messlauf
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ERSATZBLATT (REGEL 2f -
sehr zeitraubend werden. Da die mit dem mechanischen Rotorwinkel verknüpften Rüttelkräfte durch eine mit der mechanischen Rotorfrequenz umlaufende Unwuchtkraft dominiert werden, ist es möglich, durch ein auf die mechanische Rotorfrequenz abgestimmtes, schmalbandigs Filter, diese Unwuchtkraft von den mit dem Antriebsflusswinkel verknüpften Rüttelkräften zu trennen. Die nach obgenannte Methode ermittelten Rüttelkräfte werden als Stützwerte einer zweidimensionalen Funktionstabelle (als Funktion des mechanischen Rotorwinkels und der mechanischen Rotorwinkelgschwindigkeit oder als Funktion des Antriebsflusswinkels und der Antriebsflusswinkelgeschwindigkeit) in einem Speicherchip abgelegt. Hierfür eignen sich vor allem beschreibbare, nichtflüchtige Speicher wie NOVRAMs und EPROMs, insbesondere Flash -EPROMs, EEPROMs. Um einerseits den notwendigen Speicherbedarf klein zu halten und andererseits den Zeitbedarf für den Messlauf zu beschränken, werden nur eine beschränkte Anzahl von Stützwerten abgespeichert. In der Praxis reichen 128 Winkelwerte bei ca. 10 verschiedenen Winkelgeschwindigkeiten, also 2560 Stützwerte (für die Darstellung beider Vektorkomponenten) für den Fall der Synchronmaschine und 5120 Stützwerte für den Fall der Induktionsmaschine.
Zur Ausführungszeit muss immer der aktuelle Antriebsflusswinkel, die Antriebsflusswinkelgeschwindigkeit, der mechanische Rotorwinkel und die Rotorwinkelgeschwindigkeit bekannt sein. Abhängig von diesen Parametern werden für jeden Winkelwert die Stützwerte der beiden am nächsten liegenden Geschwindigkeiten ausgelesen. Der aktuelle Werte des Rüttelkraftvektors (getrennt nach Abhängigkeit vom Antriebsflusswinkel und vom mechanischen Rotorwinkel) wird dann Komponentenweise durch Interpolation zwischen den Stützweiten ermittelt. Mit Kenntnis des Rüttelkraftvektors (getrennt nach Abhängigkeit vom Antriebsflusswinkel und vom mechanischen Rotorwinkel) werden hiernach die zur Kompensation notwendigen Vorsteuersignale berechnet. Für den Fall der Kraftvorsteuerung kann der Rüttelkraftvektor (getrennt nach Abhängigkeit vom Antriebsflusswinkel und vom mechanischen Rotorwinkel) direkt negativ auf den Kraftsollwert aufgeschaltet werden. Für den Fall der Stromvorsteuerung im umlaufenden Koordinatensystem (T) ist bei konstantem Betrag des Antriebsflusses zusätzlich eine Multiplikation mit einem konstanten Faktor notwendig. Für den Fall der Stromvorsteuerung im ständerfesten Koordinatensystem (S) ist zusätzlich eine Drehtransformation vom Koordinatensystem (T) ins Koordinatensystem (S) notwendig. Aufgrund dieses Zusatzaufwands macht diese Variante in der Praxis wenig Sinn. Besser ist es hier, die Berechnung der Vorsteuerströme is2 (Ym* ωm ) beziehungsweise is- 'P2 (γs,ωs) und iS2 2 (γm,ωm ) aus den entsprechenden Rüttelkräften offline, während oder anschliessend an den Messlauf durchzuführen und diese Vorsteuerströme durch Stützwerte in Tabellenform abzuspeichern. Zur Ausfuhrungszeit (im Betrieb) werden die Vorsteuerströme dann mit Kenntnis des aktuellen mechanischen Rotorwinkels und der Rotorwinkelgeschwindigkeit (für den Fall der Synchronmaschine) und mit zusätzlicher Kenntnis des Antriebsflusswinkels und der Antriebsflusswinkelgeschwindigkeit (im Fall der
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ERSÄΓZBLÄΓT (REGEL 26)
Induktionsmaschine) direkt durch Interpolation zwischen zwei Stützwerten aus der Tabelle bestimmt. Analog ist eine offline Berechnung auch für die Stomvorsteuerung im umlaufenden Koordinatensystem (T) und für eine Kraftvorsteuerung möglich.
In den bisherigen Ausführungen wurde von einem konstanten Antriebsflussbetrag Ψ ausgegangen. Diese Annahme ist für viele praktische Anwendungen zulässig, da der Antriebsflussbetrag nach dem im Patentgesuch Nr. 00 056/94-7 beschriebenen Verfahren geregelt wird und diese Regelung vielfach auf einen konstanten Werte erfolgt. Wird nun aber der Flussbetrag (beispielsweise im Feldschwächbetrieb) variiert, so hat dies insbesondere auf den mit dem Antriebsflusswinkel gekoppelten Anteil der Rüttelkräfte einen Einfluss. Dieser Einfluss muss ebenfalls in der Kraftvorsteuerung berücksichtigt werden. Da der mit dem Antriebsflusswinkel gekoppelte Anteil der Rüttelkräfte sich nahezu proportional zum Antriebsflussbetrag ändert, wird eine gute Anpassung schon dadurch erreicht, dass das mit dem Antriebsflusswinkel gekoppelte Kraftvorsteuersignal direkt proportional mit dem Antriebsflussbetrag gestreckt wird. Für eine Stromvorsteuerung ist keine Anpassung an die Antriebsflussänderung notwendig.
Eine bessere Anpassung der Vorsteuersignale an die Antriebsflussänderung wird dadurch erreicht, dass der Streckungsfaktor als Funktion des Antriebsflussbetrags angepasst wird. Die entsprechende Funktion wird im Messlauf ermittelt und mit Hilfe von Stützstellen in einer Tabelle dargestellt. Der Parameter Ψ wird dabei nur bei Nenndrehzahl und bei genau einem Winkelwert variiert. Eine noch bessere Anpassung der Vorsteuersignale an die Antriebsflussänderung kann dadurch erreicht werden, dass der Betrag des Antriebsflusses Ψ als zusätzlicher Parameter in eine dreidimensionale, mit dem Antriebsflusswinkel gekoppelte Vorsteuerfunktion ( F " (γs,ψ,ωs) , i' τ 'P2)(γs, r',ωs) und i' s ' 'P2)(γs,Ψ,ωs) ) eingeführt wird. Die Vorsteuerftinktionen lassen sich wie oben beschrieben in einem Messlauf über die direkte oder indirekte Messung der Rüttelkräfte ermitteln, mit dem Unterschied, dass nun zusätzlich nicht nur die Geschwindigkeit sondern auch der Antriebsflussbetrag variiert wird. Durch die beschriebene Erweiterung ist zwar eine exakte Anpassung der Vorsteuerung an den Betrag des Antriebsflusses gegeben, der notwendige Speicherbedarf für die Darstellung der dreidimensionalen Funktion steigt allerdings um ein Vielfaches. Wenn auch nur zehn Stützpunkte für die Darstellung der Abhängigkeit vom Flussbetrag gebraucht werden (was etwa das Minimum darstellt), so verzehnfacht sich der Speicherbedarf (Etwa 52O00 Stützwerte a 8 Bit). Da heute genügend grosse und kostengünstige Speicherchips zur Verfügung stehen, ist dieser Nachteil nicht allzu schwerwiegend. Der Zeitbedarf für den Messlauf (der sich ebenfalls verzehnfacht), könnte allerdings bei gewissen Anwendungen gegen die oben erwähnte Variante zur Ermittlung der Vorsteuersignale sprechen.
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ERSATZBLÄTT (REGEL 26)
Bezugszeichenliste
1 Antriebswicklungsgrösse (Indizes)
2 Steuerwicklungsgrösse (Indizes)
3 Drehfeldmaschine mit einer pj -polpaarigen Antriebswicklung und einer (p2 = Pj ± 1) -polpaarigen Steuerwicklung
3a Asynchronmaschine zur Querkraft- und Drehmomentbildung
3b Synchronmaschine zur Querkraft- und Drehmomentbildung
4 Steuerwicklung
5 Antriebswicklung
6 Rotor
7 Flussmesssonden
9 Steuergerät
10 Steuerstromberechnung
10a Steuerstromberechnung mit vollständiger Entkopplung
10b Steuerstromberechnung mit teil weiser Entkopplung
11 Stromspeisegerät für Steuerwicklung
12 zweite Mittel
13 Flussberechnung- und Transformation
14 Antriebsgrössen
15 erste Mittel
16a vollständige Entkopplung
16b teilweise Entkopplung
17 Koordinatentransformation (T->S)
d Direkt-Komponente (dq-Darstellung)
E Querkraftvektor
Fx x-Komponente des Querkraftvektors
Fy y-Komponente des Querkraftvektors
(F) Antriebsflussorientiertes Koordinatensystem
Beispiel:
bezeichnet die Quer-Komponente des Antriebsstromvektors in
Antriebsflusskoordinaten in der p« -Ebene dargestellt KL Lorentz-Nutzkraftraftkonstante: für Synchronmaschine KL = 2r^, , für Asynchronmaschine KL = 0 KM Maxwell-Kraftkonstante: KM = 4^,^-
K_ Lorentz- Störkraftkonstante Ks = "^ '
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ERSAΓZBLATT (REGEL 26Ϊ
Kpx Kraftkonstante in x-Richtung
Kpy Kraftkonstante in y-Richtung
K§x Störkraftkonstante in x-Richtung
Ksy Störkraftkonstante in y-Richtung i gPl Antriebsstromvektor in der p • -Ebene dargestellt igP]j Direkt-Komponente des Antriebsstromvektors in der p- -Ebene dargestellt
-&lq Quer-Komponente des Antriebsstromvektors in der p- -Ebene dargestellt ij22 Steuerstromvektor in der p -Ebene dargestellt ig2d Direkt-Komponente des Steuerstromvektors in der p2 -Ebene dargestellt is 2 Quer-Komponente des Steuerstromvektors in der p2-Ebene dargestellt
1 Länge des Rotors
L* Hauptinduktivität der Antriebswicklung
L* Hauptinduktivität der Steuerwicklung m Phasenzahl, Strangzahl mg Masse des Rotors
M Drehmoment
Mj inneres Maschinendrehmoment
ML Lastdrehmoment p Polpaarzahl
Pl Polpaarzahl der Antriebswicklung p2 Polpaarzahl der Steuerwicklung
(pj) Abbildungsebene mit der Poplaarzahl pj
(p->) Abbildungsebene mit der Poplaarzahl p2 q Quer-Komponente (dq-Darstellung)
R Rotor r Radius des Rotors
S Stator
(S) Statororientiertes Koordinatensystem
Beispiel: ig-) bezeichnet den Steuerstromvektor in Statorkoordinaten, in der pj -Ebene dargestellt
(T) mit dem Winkel p umlaufendes Koordinatensystem
Beispiel: i_2 bezeichnet den Steuerstromvektor in einem mit dem Winkel p P umlaufenden Koordinatensystem, in der p] -Ebene dargestellt
| Windungszahl der Antriebswicklung w2 Windungszahl der Steuerwicklung
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Λ
ERSATZBLATT (REGEL 2
X,Y Achsen des geometrischen Koorninatensystems (Indizes) x,y Auslenkung des Rotors in x,y-Richtung
* Sollgrössen, Steuergrössen
Beispiel: iS2 'P2 bezeichnet den Sollwert des Steuerstromvektors in
Statorkoordinaten, in der pj -Ebene dargestellt dg Verdrehung der d-Achse der Antriebswicklung gegenüber der x-Achse des geometrischen Koordinatensystems (Xi 2 Verdrehung der d-Achsen von Antriebs- und Steuerwicklung γm mechanischer Rotorwinkel γ 5 Argument des Antriebsflussvektors, in der p j -Ebene dargestellt μ0 magnetische Feldkonstannte im Vakuum π Kreiskonstannte
Ψi Betrag des Antriebsflusses
Ψ] ' Antriebsflussvektor in der p < -Ebene dargestellt p P: Verdrehung des zur Berechnung des Steuerstromsollvektors verwendeten
Koordinatensystems (T) gegenüber dem Statorkoordinatensystem in der p -Ebene gemessen P 2 Zeitinvarianter Anteil von p P2 ωm mechanische Drehfrequenz
CDR Rotor-Drehfrequenz (Schlupffrequenz)
' Vorsteuergrössen, Kompensationsgrössen
Beispiel: isf'P ) bezeichnet den Vorsteuerstromvektor in Statorkoordinaten, in der p2-Ebene dargestellt " mit dem mechanischen Rotorwinkel gekoppelte Vorsteuergrössen
Beispiel: iS2 'P2 (γm ,Cöm ) bezeichnet den mit dem mechanischen Rotorwinkel gekoppelten Vorsteuerstromvektor in Statorkoordinaten, in der p2-Ebene dargestellt '" mit dem Antriebsflusswinkel gekoppelte Vorsteuergrössen
Beispiel: iS2 (γs, 0s) bezeichnet den mit dem Antriebsflusswinkel gekoppelten
Vorsteuerstromvektor in Statorkoordinaten, in der p2-Ebene dargestellt E' Vorsteuerkraftvektor
Fx x-Komponente des Vorsteuerkraftvektors
Fy y-Komponente des Vorsteuerkraftvektors
E" Mit dem mechanischen Rotorwinkel gekoppelter Anteil des Vorsteuerkraftvektors
Fx x-Komponente des mit dem mechanischen Rotorwinkel gekoppelten Anteils des
Vorsteuerkraftvektors
- 13
***r
ERSATZBLATT (REGE L 2r-.'\
Fy y-Komponente des mit dem mechanischen Rotorwinkel gekoppelten Anteils des
Vorsteuerkraftvektors
E1" Mit dem Antriebsflusswinkel gekoppelter Anteil des Vorsteuerkraftvektors
Fx x-Komponente des mit dem Antriebsflusswinkel gekoppelten Anteils des
Vorsteuerkraftvektors
Fy y-Komponente des mit dem Antriebsflusswinkel gekoppelten Anteils des
Vorsteuerkraftvektors f(a,b) Funktion von a und b
Beispiel: Fχ = f(γm ,ωm ) heisst Fχ ist eine Funktion der Grossen γm und ωm ig2 Vorsteuerstromvektor (Vorsteuerung auf den Ständerstrom der Steuerwicklung (S2) mit der Polpaarzahl p2 ig2d Direkt-Komponente des Vorsteuerstromvektors
-S2q Quer-Komponente des Vorsteuerstromvektors
Js2 Mit *^em mechanischen Rotorwinkel gekoppelter Anteil des Vorsteuerstromvektors
(ohne Angabe des Bezugskoordinatensystems) i«52d Direkt-Komponente des mit dem mechanischen Rotorwinkel gekoppelten Anteils des
Vorsteuerstromvektors (ohne Angabe des Bezugskoordinatensystems)
-S2q Quer-Komponente des mit dem mechanischen Rotorwinkel gekoppelten Anteils des
Vorsteuerstromvektors (ohne Angabe des Bezugskoordinatensystems)
•'"(D )
!S2 Mit dem Antriebsflusswinkel gekoppelter Anteil des Vorsteuerstromvektors (ohne
Angabe des Bezugskoordinatensystems)
-S2d Direkt-Komponente des mit dem Antriebsflusswinkel gekoppelten Anteils des
Vorsteuerstromvektors (ohne Angabe des Bezugskoordinatensystems) *S2q Quer-Komponente des mit dem Antriebsflusswinkel gekoppelten Anteils des
Vorsteuerstromvektors (ohne Angabe des Bezugskoordinatensystems) γm mechanischer Rotorwinkel γ s Argument des Antriebsflussvektors (ohne Angabe des Bezugssystems)
Ψi Betrag des Antriebsflusses ωm mechanische Rotorwinkelfrequenz (identisch mit mechanischer Drehfrequenz) ωs Antriebsflusswinkelfrequenz
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