DE102012224162A1

DE102012224162A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern einer Drehfeldmaschine und Verdichtersystem

Info

Publication number: DE102012224162A1
Application number: DE201210224162
Authority: DE
Inventors: Martin Braun; Gilles Schmitt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2014-07-10
Also published as: KR20140081707A; KR102165667B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Drehfeldmaschine für einen Turboverdichter, das einen Schritt des Bewirkens (901) einer Feldschwächung eines zum Betrieb der Drehfeldmaschine erzeugten Drehfeldes, um eine Drehzahl der Drehfeldmaschine zu verringern und einen Schritt des Bewirkens (902) einer Feldstärkung des zum Betrieb der Drehfeldmaschine erzeugten Drehfeldes, um die Drehzahl der Drehfeldmaschine zu vergrößern.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern einer Drehfeldmaschine, beispielsweise für einen Turboverdichter sowie auf ein Verdichtersystem.
Die Speisung einer schnelldrehenden elektrischen Maschine erfolgt üblicherweise mithilfe eines leistungselektronischen Stellglieds aus einer Gleichspannungsquelle. Eine solche Maschine wird z. B. bei einem elektrischen Turboverdichter eingesetzt. Das leistungselektronische Stellglied wird üblicherweise als Pulswechselrichter mit oder ohne nachgeschalteten Filter, beispielsweise in Form eines LC-Filters ausgeführt. Eine zweite Möglichkeit besteht darin, zwischen der Gleichspannungsquelle und dem Pulswechselrichter noch einen zusätzlichen DC/DC-Wandler einzusetzen, welcher eine Variation der Eingangsspannung des Pulswechselrichters ermöglicht.
Die DE 10 2010 040 835 A1 beschreibt einen Filter für eine Dreiphasenwechselspannung und einen Dreiphasenwechselstrom zur Ansteuerung einer Drehfeldmaschine.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern einer Drehfeldmaschine sowie ein Verdichtersystem gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Eine Drehzahlverstellung einer Drehfeldmaschine kann dadurch bewirkt werden, dass die Drehfeldmaschine in Feldschwächung oder in Feldstärkung betrieben wird. Indem die Drehzahlverstellung über die Feldschwächung oder Feldstärkung bewirkt wird, kann ein hoher Gesamtwirkungsgrad einer die Drehfeldmaschine umfassenden oder steuernden Anordnung erreicht werden.
Ein Verfahren zum Steuern einer Drehfeldmaschine für einen Turboverdichter umfasst die folgenden Schritte:
Bewirken einer Feldschwächung eines zum Betrieb der Drehfeldmaschine erzeugten Drehfeldes, um eine Drehzahl der Drehfeldmaschine zu verringern; und
Bewirken einer Feldstärkung des zum Betrieb der Drehfeldmaschine erzeugten Drehfeldes, um die Drehzahl der Drehfeldmaschine zu vergrößern.
Unter einer Drehfeldmaschine, auch Drehstrommaschine genannt, kann ein Drehstrommotor verstanden werden, der mit Dreiphasenwechselstrom betrieben werden kann. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Elektromotor, eine Elektromaschine oder eine Synchronmaschine handeln. Gemäß einer Ausführungsform kann die Drehfeldmaschine zum Antreiben eines Turboverdichters zum Komprimieren von Gas verwendet werden. Je größer die Drehzahl der Drehfeldmaschine ist, umso mehr Gas kann von dem Turboverdichter je Zeiteinheit komprimiert werden. Unter einem Drehfeld kann ein magnetisches Feld verstanden werden, durch das eine Welle der Drehfeldmaschine angetrieben werden kann. Das Drehfeld kann sich aus mehreren Einzelfeldern zusammensetzten. Ein Einzelfeld kann durch eine elektrische Spule der Drehfeldmaschine erzeugt werden. In den Schritten des Bewirkens können somit die Einzelfelder geschwächt oder gestärkt werden. Die Feldschwächung oder Feldstärkung kann durchgeführt werden, um eine vorgegebene Drehzahländerung der Drehzahl der Drehfeldmaschine durchzuführen oder, um die Drehzahl der Drehfeldmaschine von einer aktuellen Drehzahl auf eine Solldrehzahl zu ändern. In einem Schritt des Ermittelns kann ein Betrag der Feldschwächung oder Feldstärkung ermittelt werden, der erforderlich ist, um eine vorgegebene Drehzahländerung oder eine vorgegebene Solldrehzahl zu erreichen.
Im Schritt des Bewirkens einer Feldschwächung kann ein Phasenwinkel zwischen einem das Drehfeld bewirkenden Strom und einer das Drehfeld bewirkenden Spannung verkleinert werden. Entsprechend kann im Schritt des Bewirkens einer Feldstärkung der Phasenwinkel zwischen dem das Drehfeld bewirkenden Strom und der das Drehfeld bewirkenden Spannung vergrößert werden. Der Phasenwinkel zwischen dem Strom und der Spannung kann einfach, beispielsweise unter Verwendung eines Phasenwinkel-Reglers realisiert werden. Durch die Veränderung des Phasenwinkels kann eine sehr schnelle Drehzahländerung erreicht werden.
Dabei kann in den Schritten des Bewirkens die das Drehfeld bewirkende Spannung konstant gehalten werden. Somit kann die Spannung bei einer Ausgangsdrehzahl einen Spannungswert aufweisen, während einer Veränderung der Drehzahl aufgrund einer Feldänderung oder Feldstärkung ebenfalls den Spannungswert und beim Erreichen einer von der Ausgangsdrehzahl abweichenden Solldrehzahl ebenfalls den Spannungswert aufweisen. Vorteilhafterweise kann die Drehzahl der Drehfeldmaschine unter Verwendung ein und derselben Spannung innerhalb eines Drehzahlbereichs eingestellt werden. Somit ist zumindest innerhalb des Drehzahlbereichs zur Veränderung der Drehzahl keine Veränderung der das Drehfeld bewirkenden Spannung erforderlich.
Das Verfahren kann einen Schritt des Verringerns der das Drehfeld bewirkenden Spannung ansprechend auf den Schritt des Bewirkens einer Feldschwächung umfassen, um die Drehzahl der Drehfeldmaschine weiter zu verringern. Beispielsweise kann die Drehzahl zunächst innerhalb eines vorgegebenen Drehzahlbereichs oder bis zu einer durch die Feldschwächung maximal erreichbaren Grenze verringert werden, ohne dass die das Drehfeld bewirkende Spannung verringert wird. Anschließend kann die das Drehfeld bewirkende Spannung verringert werden, um die Drehzahl noch weiter verringern zu können. Die Veränderung der Spannung kann stufenweise erfolgen. Beispielsweise können zumindest zwei mögliche Spannungswerte für die das Drehfeld bewirkende Spannung einstellbar sein, und die Spannung kann sprunghaft zwischen den zumindest zwei möglichen Spannungswerten umgeschaltet werden. Alternativ kann die Spannung kontinuierlich verändert werden, um zwischen den zumindest zwei möglichen Spannungswerten umschalten zu können.
Entsprechend dazu kann das Verfahren einen Schritt des Vergrößerns der das Drehfeld bewirkenden Spannung ansprechend auf den Schritt des Bewirkens einer Feldstärkung umfassen, um die Drehzahl der Drehfeldmaschine weiter zu erhöhen. Beispielsweise kann die Drehzahl zunächst innerhalb eines vorgegebenen Drehzahlbereichs oder bis zu einer durch die Feldstärkung maximal erreichbaren Grenze erhöht werden, ohne dass die das Drehfeld bewirkende Spannung erhöht wird. Anschließend kann die das Drehfeld bewirkende Spannung erhöht werden, um die Drehzahl noch weiter erhöhen zu können.
Das Verfahren kann einen Schritt des Bereitstellens eines Dreiphasenwechselstroms und einer Dreiphasenwechselspannung umfassen, um das Drehfeld erzeugen zu können. Dabei kann in den Schritten des Bewirkens eine Phasenbeziehung zwischen dem Dreiphasenwechselstrom und der Dreiphasenwechselspannung angepasst werden, um die Feldschwächung oder die Feldstärkung zu bewirken. Die Dreiphasenwechselspannung kann an Schnittstellen zu der Drehfeldmaschine bereitgestellt werden. Durch die Phasenbeziehung kann jeweils ein Phasenwinkel zwischen einem Strom und einer Spannung einer Phase des Dreiphasenwechselstroms bzw. der Dreiphasenwechselspannung definiert werden. Dabei können die Phasenwinkel der drei Phasen gleich sein.
Im Schritt des Bereitstellens können der Dreiphasenwechselstrom unter Verwendung einer Puls-Amplituden-Modulation aus einem Gleichstrom und die Dreiphasenwechselspannung unter Verwendung einer weiteren Puls-Amplituden-Modulation aus einer Gleichspannung erzeugt werden. In den Schritten des Bewirkens kann die Phasenbeziehung zwischen dem Dreiphasenwechselstrom und der Dreiphasenwechselspannung durch Anpassen der Puls-Amplituden-Modulationen angepasst werden, um die Feldschwächung oder die Feldstärkung zu bewirken. Durch geeignete Puls-Amplituden-Modulationen können der Dreiphasenwechselstrom und die Dreiphasenwechselspannung einfach generiert werden.
Dabei kann das Verfahren einen Schritt des Durchführens einer Gleichspannungswandlung umfassen, um die Gleichspannung erzeugen zu können. Dabei kann die Gleichspannung mit einem ersten Spannungswert für einen ersten Drehzahlbereich der Drehfeldmaschine und mit einem zweiten Spannungswert für einen zweiten Drehzahlbereich der Drehfeldmaschine erzeugt werden. Eine Größe des ersten Drehzahlbereichs kann so gewählt sein, dass die Drehzahl der Drehfeldmaschine durch das Bewirken der Feldschwächung und der Feldstärkung innerhalb des gesamten ersten Drehzahlbereichs unter Verwendung der Gleichspannung mit dem ersten Spannungswert variiert werden kann. Eine Größe des zweiten Drehzahlbereichs kann so gewählt sein, dass die Drehzahl der Drehfeldmaschine durch das Bewirken der Feldschwächung und der Feldstärkung innerhalb des gesamten zweiten Drehzahlbereichs unter Verwendung der Gleichspannung mit dem zweiten Spannungswert variiert werden kann. Beispielsweise kann der komplette Drehzahlbereich der Drehfeldmaschine in mehrere Drehzahlbereiche unterteilt sein, und jedem Drehzahlbereich kann ein eigener Spannungswert zugeordnet sein. Dabei kann jedem Drehzahlbereich nur ein einziger Spannungswert zugeordnet sein, der verwendet werden kann, um die Drehzahl der Drehfeldmaschine innerhalb dieses Drehzahlbereichs zu betreiben. Auf diese Weise kann eine Einrichtung zur Durchführung der Gleichspannungswandlung in günstigen Betriebspunkten betrieben werden.
Eine Vorrichtung zum Steuern einer Drehfeldmaschine für einen Turboverdichter ist ausgebildet, um die Schritte eines Verfahrens zum Steuern einer Drehfeldmaschine für einen Turboverdichter in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Ein Verdichtersystem weist folgende Merkmale auf:
einen Turboverdichter zum Komprimieren eines Gases;
eine Drehfeldmaschine zum Antreiben des Turboverdichters; und
eine genannte Vorrichtung zum Steuern einer Drehfeldmaschine.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn der Programmcode auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird. Somit können die in dem Programmcode definierten Schritte des Verfahrens von Einrichtungen des Computers oder der Vorrichtung umgesetzt werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Darstellung eines Verdichtersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
2 ein phasenorientiertes Ersatzschaltbild einer Drehfeldmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 ein feldorientiertes Ersatzschaltbild einer Drehfeldmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 ein feldorientiertes Ersatzschaltbild einer Drehfeldmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 ein Zeigerdiagramm einer Drehfeldmaschine für einen Normalbetrieb gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 ein Zeigerdiagramm einer Drehfeldmaschine für einen Feldschwächungsbetrieb gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7 ein Zeigerdiagramm einer Drehfeldmaschine für einen Feldstärkungsbetrieb gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8 eine Darstellung eines Verdichtersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
9 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Steuern einer Drehfeldmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine Darstellung eines Verdichtersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt ist Gleichspannungswandler 101, ein Pulswechselrichter 103 und eine Drehfeldmaschine 105. Die Drehfeldmaschine 105 stellt gemäß diesem Ausführungsbeispiel einen Antrieb für einen Verdichter dar. Alternativ kann die Drehfeldmaschine 105 auch zum Antreiben einer anderen Einrichtung eingesetzt werden. Der Verdichter ist hier lediglich beispielhaft genannt.
Der Gleichspannungswandler 101 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel als ein DC/DC-Wandler ausgeführt. Der Gleichspannungswandler 101 ist ausgebildet, um eine an einem Eingang des Gleichspannungswandlers 101 anliegende Eingangsspannung u_DC1 und einen an dem Eingang anliegenden Eingangsstrom i_DC1 eines Hochspannungsnetzes in eine Gleichspannung u_DC2 und einen Gleichstrom I_DC2 zu wandeln und die Gleichspannung u_DC2 und den Gleichstrom I_DC2 an einem Ausgang des Gleichspannungswandlers 101 auszugeben.
Der Pulswechselrichter 103 ist ausgebildet, um unter Verwendung der Gleichspannung u_DC2 und des Gleichstroms I_DC2 drei Eingangsströme i_m1, i_m2, i_m3 und drei Eingangsspannungen u_m1, u_m2, u_m3 zu erzeugen und an drei Anschlüssen 1, 2, 3 der Drehfeldmaschine 105 bereitzustellen. Die drei Eingangsströme i_m1, i_m2, i_m3 bilden einen Dreiphasenwechselstrom und die drei Eingangsspannungen u_m1, u_m2, u_m3 bilden eine Dreiphasenwechselspannung zum Betreiben der Drehfeldmaschine 105.
Die Drehfeldmaschine 105 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel als eine Synchronmaschine ausgeführt. Die Drehfeldmaschine 105 weist drei Spulen auf, an die die jeweils eine der Eingangsspannungen u_m1, u_m2, u_m3 angelegt wird und die jeweils von einem der Eingangsströme i_m1, i_m2, i_m3 gespeist werden. Jede der Spulen ist ausgebildet, um angeregt durch den jeweiligen der Eingangsströme i_m1, i_m2, i_m3 ein Magnetfeld zum Antreiben einer Welle der Drehfeldmaschine zu erzeugen. Abhängig von den Eingangsströmen i_m1, i_m2, i_m3 und den Eingangsspannungen u_m1, u_m2, u_m3 kann ein Drehmoment M und eine Drehzahl n der Drehfeldmaschine 105 eingestellt werden.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann die Drehzahl n der Drehfeldmaschine 105 verändert werden, indem ein Phasenwinkel zwischen den Eingangsströmen i_m1, i_m2, i_m3 und den Eingangsspannungen u_m1, u_m2, u_m3 verändert wird. Dabei kann ein Betrag der Eingangsspannungen u_m1, u_m2, u_m3 konstant gehalten werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die in 1 gezeigte Anordnung zur Speisung eines elektrischen Turboverdichters über den Pulswechselrichter 103 mit vorgeschaltetem DC/DC-Wandler 101 eingesetzt werden.
Wird der Pulswechselrichter 103 mit dem Modulationsverfahren „Puls-Amplituden-Modulation (PAM)" betrieben, so können die verwendeten Leistungshalbleiter mit der Grundfrequenz der Synchronmaschine 105 getaktet werden. Erfolgt eine Steuerung der Drehzahl n der Synchronmaschine über eine Steuerung des Phasenwinkels, so ist es nicht mehr erforderlich, die Spannung U_DC2 immer proportional zur Drehzahl n der Synchronmaschine 105 zu verändern, damit die Maschinenströme nicht unzulässig hohe Werte annehmen und keine zu hohen Wärmeverluste in der Maschine entstehen. Daher ist es auch nicht mehr erforderlich, dass der DC/DC-Wandler 103 die Spannung U_DC2 im Bereich von 0V bis zur maximalen Klemmenspannung u_m,max variieren kann. Dadurch können sehr viele Wärmeverluste im DC/DC-Wandler 101 vermieden werden und der Gesamtwirkungsgrad der Anordnung kann sehr hoch sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel erfolgt eine verlustarme Ansteuerung der Drehfeldmaschine 105, beispielsweise eines elektrischen Turboverdichters mittels einer modifizierten Puls-Amplituden-Modulation.
Dadurch können eine Ansteuerung und ein Betrieb des elektrischen Turboverdichters im gesamten Drehzahlbereich realisiert werden. Dabei sollen die im Turboverdichter entstehenden Zusatzverluste aufgrund der taktenden Arbeitsweise eines leistungselektronischen Stellglieds möglichst klein gehalten werden, um eine Überhitzung des Rotors der Drehfeldmaschine 105 zu vermeiden. Gleichzeitig soll die Belastung der verwendeten leistungselektronischen Bauteile möglichst gering gehalten werden. Dies wird erreicht, in dem der DC/DC-Wandler 101 ausschließlich in günstigen und konstanten Betriebspunkten betrieben wird. Die nötige Drehzahländerung der Drehfeldmaschine 105 in Form eines E-Motors oder einer E-Maschine wird dabei durch ein Verfahren zum Steuern einer Drehfeldmaschine für einen Turboverdichter ermöglicht.
Die Puls-Amplituden-Modulation, die von dem Pulswechselrichter 103 durchgeführt werden kann, wird so beeinflusst, dass die Synchronmaschine 105 in Feldschwächung bzw. in Feldstärkung betrieben wird. Dadurch ist eine Drehzahlverstellung der Drehzahl n der Drehfeldmaschine 105 möglich, obwohl der DC/DC-Wandler 101 seine Ausgangsspannung U_DC2 nicht verändert. In hochdynamischen Anwendungen kann dadurch die geforderte Dynamik des DC/DC-Wandlers 101 reduziert werden, indem schnelle Zustandsänderungen zu erst über Feldstärkung bzw. Feldschwächung realisiert werden, bevor eventuell die DC/DC-Spannung U_DC2 angepasst wird. Dadurch ist es nicht erforderlich, dass der DC/DC-Wandler 101 den gesamten Spannungsbereich und vor allem nicht den gesamten Dynamikbereich abdeckt. Die Wärmeverluste in der Drehfeldmaschine 105 nehmen aufgrund der Feldstärkung bzw. Feldschwächung zwar leicht zu, aber der Gesamtwirkungsgrad des Systems aus DC/DC-Wandler 101 und Pulswechselrichter 103 wird höher, da der DC/DC-Wandler 101 in günstigen und eventuell in stationären Arbeitspunkten betrieben werden kann.
Die Drehfeldmaschine 105 wird durch den Pulswechselrichter 105 mit dem Modulationsverfahren Puls-Amplitudenmodulation angesteuert. Der DC/DC-Wandler 101 wird in Abhängigkeit der gewünschten Drehzahl n der Drehfeldmaschine 105 in konstanten Arbeitspunkten betrieben. Die Anzahl der konstanten Arbeitspunkte wird in Abhängigkeit der DC-Spannungen und des möglichen Drehzahlbereichs der Drehfeldmaschine 105 festgelegt. In diesen konstanten Arbeitspunkten wird nun versucht, die Spannung U_DC2 möglichst konstant zu halten.
Wird eine Drehzahländerung der Drehfeldmaschine 105 gefordert, so wird diese in Abhängigkeit des Vorzeichens der Änderung entweder durch Feldschwächung oder Feldstärkung durchgeführt. Ist die gewünschte Drehzahländerung so groß, dass die Zieldrehzahl der Drehfeldmaschine 105 trotz Feldschwächung oder Feldstärkung nicht erreicht werden kann, so wird der Arbeitspunkt des DC/DC-Wandlers 101 gewechselt, um den DC/DC-Wandler 101 in einem neuen Arbeitspunkt zu betreiben, welcher die Zieldrehzahl ermöglicht.
Im Normalbetrieb wird die Drehfeldmaschine 105 mit Phasenströmen i_m1, i_m2, i_m3 und Phasenspannungen u_m1, u_m2, u_m3 beaufschlagt, bei denen der Phasenwinkel ρ zwischen Strom i_m1, i_m2, i_m3 und Spannung u_m1, u_m2, u_m3 positive Werte aufweist. Die Spannung u_m1, u_m2, u_m3 eilt also dem Strom i_m1, i_m2, i_m3 voraus. Der Strom i_m1, i_m2, i_m3 weist dabei einen Phasenwinkel von ρ_i = 0° auf. Verdeutlicht wird dieser Zusammenhang anhand der Ersatzschaltbilder in den 2 bis 4 sowie anhand der Zeigerdiagramme entsprechend den Figuren 5 bis 7.
2 zeigt ein phasenorientiertes Ersatzschaltbild einer Drehfeldmaschine 105 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei kann es sich um die in 1 gezeigte Drehfeldmaschine 105 handeln.
Das Ersatzschaltbild zeigt zwei Anschlüsse, zwischen denen eine Spannung u p / hm anliegt. An einem ersten der Anschlüsse wird ein Strom i ph / m eingespeist. Zwischen den Anschlüssen weist das Ersatzschaltbild eine Reihenschaltung aus einem Widerstand R_m, an dem eine Spannung u ph / Rm abfällt, einer Spule L_m, an der eine Spannung u ph / Lm abfällt und einer Spannungsquelle auf, an der eine Spannung u ph / ind abfällt.
3 zeigt ein feldorientiertes Ersatzschaltbild einer Drehfeldmaschine 105 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei kann es sich um die in 1 gezeigte Drehfeldmaschine 105 handeln.
Das Ersatzschaltbild zeigt zwei Anschlüsse, zwischen denen eine Spannung u_md anliegt. An einem ersten der Anschlüsse wird ein Strom i_md eingespeist. Zwischen den Anschlüssen weist das Ersatzschaltbild eine Reihenschaltung aus einem Widerstand R_m, an dem eine Spannung u_Rmd abfällt, einer Spannungsquelle, an der eine Spannung –ω·L_m·i_mq abfällt und einer Spule L_m auf, an der eine Spannung u_Lmd abfällt.
4 zeigt ein weiteres feldorientiertes Ersatzschaltbild einer Drehfeldmaschine 105 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei kann es sich um die in 1 gezeigte Drehfeldmaschine 105 handeln.
Das Ersatzschaltbild zeigt zwei Anschlüsse, zwischen denen eine Spannung u_mq anliegt. An einem ersten der Anschlüsse wird ein Strom i_mq eingespeist. Zwischen den Anschlüssen weist das Ersatzschaltbild eine Reihenschaltung aus einem Widerstand R_m, an dem eine Spannung u_Rmq abfällt, einer Spannungsquelle, an der eine Spannung ω·L_m·i_md abfällt und einer Spule L_mauf, an der eine Spannung u_Lmq abfällt.
Die in den 2 bis 4 gezeigten Ersatzschaltbilder zeigen das phasenorientierte und das feldorientierte, vereinfachte Ersatzschaltbild einer E-Maschine 105.
5 zeigt ein Zeigerdiagramm einer Drehfeldmaschine für einen Normalbetrieb gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei kann es sich um die in 1 gezeigte Drehfeldmaschine handeln.
Gezeigt ist ein erster Zeiger, der sich aus Vektoren für einen Strom i_m, der gleich einem Strom i_mq ist, einer Spannung u_ind und einer Spannung u_Rs zusammensetzt. Der erste Zeiger steht bei 0°. Ein zweiter Zeiger stellt eine Spannung u_m dar. Zwischen dem ersten Zeiger und dem zweiten Zeiger besteht ein Phasenwinkel ρ_u = ρ. Ein eine Spannung u_Ls darstellender Vektor verbindet den ersten Zeiger mit dem zweiten Zeiger. Dabei steht der die Spannung u_Ls darstellende Vektor senkrecht zu dem ersten Zeiger. Ein weiterer Zeiger stellt einen Vektor Ψ_PM dar und steht bei 270°. Die Zeiger drehen sich entgegen dem Uhrzeigersinn mit einer Winkelgeschwindigkeit ω. Für den gezeigten Normalbetrieb gilt i_d = 0A und ρ_i = 0°.
In 5 ist das Zeigerdiagramm für den Normalbetrieb der Drehfeldmaschine ohne Feldschwächung bzw. Feldstärkung zu sehen. Dabei entspricht der Phasenwinkel ρ genau dem Winkel ρ_u, da der feldbildende Strom i_md = 0 A beträgt.
6 zeigt ein Zeigerdiagramm einer Drehfeldmaschine für einen Feldschwächebetrieb gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei kann es sich um die in 1 gezeigte Drehfeldmaschine handeln.
Gezeigt ist ein erster Zeiger, der sich aus Vektoren für einen Strom i_mq und einer Spanung u_ind zusammensetzt. Der erste Zeiger steht bei 0°. Ein zweiter Zeiger stellt eine Spannung u_m dar. Zwischen dem ersten Zeiger und dem zweiten Zeiger besteht ein Phasenwinkel ρ_u. Ein dritter Zeiger stellt einen Strom i_m dar. Zwischen dem ersten Zeiger und dem dritten Zeiger besteht ein Phasenwinkel ρ_i. Zwischen dem dritten Zeiger und dem zweiten Zeiger besteht ein Phasenwinkel ρ = ρ_u – ρi. Ein eine Spannung u_Rs und ein eine Spannung u_Ls darstellender Vektor, die senkrecht zueinander stehen, verbinden den ersten Zeiger mit dem zweiten Zeiger. Der die Spannung u_Ls darstellende Vektor wird durch die aufeinander senkrecht stehenden Vektoren –ω·L_s·i_md und ω·L_s·i_mq gebildet. Ein weiterer Zeiger stellt einen Vektor Ψ_PM dar und steht bei 270°. Ferner ist ein Vektor eines Stroms –i_md gezeigt. Durch die Vektoren der Ströme i_mq, i_m und –i_md wird ein Rechteck aufgespannt. Die Zeiger drehen sich entgegen dem Uhrzeigersinn mit einer Winkelgeschwindigkeit ω. Für den gezeigten Feldschwächbetrieb gilt, dass i_md kleiner als 0A, ρ_i größer als 0°, ρ_u größer als 0° und ρ = ρ_u – ρ_i ist.
Die Feldschwächung wird durch den negativen feldbildenden Strom i_md realisiert. Dabei kann der Stromvektor dem resultierenden Spannungsvektor vorauseilen. Der Phasenwinkel ρ kann damit positive oder negative Werte aufweisen, ist aber immer kleiner als im Betrieb ohne Feldschwächung. Das entsprechende Zeigerdiagramm ist in 6 gezeigt. Durch die Feldschwächung kann eine konstante Drehzahl ω, mit einem kleineren Spannungsvektor u_m realisiert werden, als ohne Feldschwächung. Umgekehrt kann bei einem konstanten Spannungsvektor u_m und somit einer konstanten Spannung U_DC2 eine höhere Drehzahl ω realisiert werden.
7 zeigt ein Zeigerdiagramm einer Drehfeldmaschine für einen Feldstärkungsbetrieb gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei kann es sich um die in 1 gezeigte Drehfeldmaschine handeln.
Gezeigt ist ein erster Zeiger, der sich aus Vektoren für einen Strom i_mq und einer Spanung u_ind zusammensetzt. Der erste Zeiger steht bei 0°. Ein zweiter Zeiger stellt eine Spannung u_m dar. Zwischen dem ersten Zeiger und dem zweiten Zeiger besteht ein Phasenwinkel ρ_u. Ein dritter Zeiger stellt einen Strom i_m dar. Zwischen dem ersten Zeiger und dem dritten Zeiger besteht ein Phasenwinkel ρ_i. Zwischen dem dritten Zeiger und dem zweiten Zeiger besteht ein Phasenwinkel ρ = ρ_u – ρi. Ein eine Spannung u_Rs und ein eine Spannung u_Ls darstellender Vektor, die senkrecht zueinander stehen, verbinden den ersten Zeiger mit dem zweiten Zeiger. Der die Spannung u_Ls darstellende Vektor wird durch die aufeinander senkrecht stehenden Vektoren ω·L_s·i_md und ω·L_s·i_mq gebildet. Ein weiterer Zeiger stellt einen Vektor Ψ_PM dar und steht bei 270°. Ferner ist ein Vektor eines Stroms i_md gezeigt. Durch die Vektoren der Ströme i_mq, i_m und i_md wird ein Rechteck aufgespannt. Die Zeiger drehen sich entgegen dem Uhrzeigersinn mit einer Winkelgeschwindigkeit ω. Für den gezeigten Feldstärkungsbetrieb gilt, dass i_md größer als 0A, ρ_i kleiner als 0°, ρ_u größer als 0° und ρ = ρ_u – ρ_i ist.
Die Feldstärkung wird durch einen positiven feldbildenden Strom i_d realisiert. Dabei kann der Stromvektor dem resultierenden Spannungsvektor nacheilen. Der Phasenwinkel ρ kann damit negative oder positive Werte aufweisen, ist aber immer größer als im Betrieb ohne Feldstärkung. Das entsprechende Zeigerdiagramm ist in 7 zu sehen. Durch die Feldstärkung kann eine konstante Drehzahl ω, mit einem größeren Spannungsvektor u_m realisiert werden, als ohne Feldstärkung. Umgekehrt kann bei einem konstanten Spannungsvektor u_m und somit einer konstanten Spannung U_DC2 eine kleinere Drehzahl ω realisiert werden.
Insgesamt kann mit einer konstanten Spannung U_DC2 die Drehzahl der Drehfeldmaschine durch Feldschwächung oder Feldstärkung innerhalb von physikalischen Grenzen erhöht oder reduziert werden. Die Feldbeeinflussung wird in beiden Fällen durch die Einstellung des Phasenwinkels ρ durchgeführt. Für die Puls-Amplituden-Modulation kann dies durch einen einfachen Phasenwinkel-Regler realisiert werden. Dieser wird auf Basis der gewünschten Solldrehzahl der Drehfeldmaschine die Steuerung der Spannungslevels von U_m2 durch den DC/DC-Wandler und des Phasenwinkels ρ durch den Pulswechselrichter durchführen.
8 zeigt eine Darstellung eines Verdichtersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt ist ein Turboverdichter 807 zum Komprimieren eines Gases. Der Turboverdichter 807 wird von einer Drehfeldmaschine 105 zum Antreiben des Turboverdichters 807 angetrieben. Die Drehfeldmaschine 105 kann wiederum von einer Vorrichtung 809 zum Steuern der Drehfeldmaschine 105 gesteuert werden. Die Vorrichtung 809 ist ausgebildet, um ein Ansteuersignal zum Erzeugen eines Drehfelds in der Drehfeldmaschine 105 bereitzustellen. Beispielsweise kann die Vorrichtung 809 einen Gleichspannungswandler und einen Pulsweitenregler umfassen, wie sie in 1 gezeigt sind.
Die Vorrichtung 809 weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine erste Einrichtung 811 zum Bewirken einer Feldschwächung des Drehfeldes der Drehfeldmaschine 105 und eine zweite Einrichtung 812 zum Bewirken einer Feldstärkung des Drehfeldes der Drehfeldmaschine 105 auf. Durch die Feldschwächung eines aktuellen Drehfeldes der Drehfeldmaschine 105 kann eine aktuelle Drehzahl der Drehfeldmaschine 105 verringert werden. Die erste Einrichtung 811 kann ausgebildet sein, um einen Wert für eine Drehzahländerung zu empfangen oder zu ermitteln, durch die eine aktuelle Drehzahl der der Drehfeldmaschine 105 auf eine Solldrehzahl geändert werden kann, die geringer als die aktuelle Drehzahl ist. Die zweite Einrichtung 811 kann ausgebildet sein, um einen Wert für eine Drehzahländerung zu empfangen oder zu ermitteln, durch die die aktuelle Drehzahl der der Drehfeldmaschine 105 auf eine Solldrehzahl geändert werden kann, die größer als die aktuelle Drehzahl ist. Entsprechend kann durch die Feldstärkung des aktuellen Drehfeldes der Drehfeldmaschine 105 eine aktuelle Drehzahl der Drehfeldmaschine 105 vergrößert werden. Beispielsweise kann die erste Einrichtung 811 ausgebildet sein, um das Steuersignal zum Ansteuern der Drehfeldmaschine 105 so zu ändern, das das durch das Steuersignal erzeugte Drehfeld der Drehfeldmaschine 105 abgeschwächt wird. Entsprechend kann die zweite Einrichtung 812 ausgebildet sein, um das Steuersignal zum Ansteuern der Drehfeldmaschine 105 so zu ändern, das das durch das Steuersignal erzeugte Drehfeld der Drehfeldmaschine 105 gestärkt wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Ansteuersignal ein getaktetes Stromsignal und ein getaktetes Spannungssignal und die Einrichtungen 811, 812 sind ausgebildet, um zum Bewirken einer Veränderung des Drehfelds einen Phasenunterschied zwischen dem getakteten Stromsignal und dem getakteten Spannungssignal zu verstellen, wie es beispielsweise anhand der 5 bis 7 gezeigt ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die erste Einrichtung 811 ferner ausgebildet, um eine Amplitude des getakteten Spannungssignals zu verringern. Entsprechend ist die zweite Einrichtung 812 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ferner ausgebildet, um die Amplitude des getakteten Stromsignals zu erhöhen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die erste Einrichtung 811 und die zweite Einrichtung 812 auch für sich alleine eine Vorrichtung zum Ansteuern der Drehfeldmaschine 105 bilden und beispielsweise separat zu dem in 1 gezeigten Spannungswandler und Pulswechselrichter angeordnet sein.
9 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Steuern einer Drehfeldmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Schritte des Verfahrens können beispielsweise von der in 8 gezeigten Vorrichtung zum Steuern einer Drehfeldmaschine ausgeführt werden.
Wenn eine Drehzahl der Drehfeldmaschine verringert werden soll, so wird in einem Schritt 901 eine Feldschwächung eines zum Betrieb der Drehfeldmaschine erzeugten Drehfeldes bewirkt. Wenn dagegen die Drehzahl der Drehfeldmaschine vergrößert werden soll, so wird in einem Schritt 902 eine Feldstärkung des zum Betrieb der Drehfeldmaschine erzeugten Drehfeldes bewirkt.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010040835 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Steuern einer Drehfeldmaschine (105) für einen Turboverdichter (807), das die folgenden Schritte umfasst: Bewirken (901) einer Feldschwächung eines zum Betrieb der Drehfeldmaschine (105) erzeugten Drehfeldes, um eine Drehzahl der Drehfeldmaschine (105) zu verringern; und Bewirken (902) einer Feldstärkung des zum Betrieb der Drehfeldmaschine (105) erzeugten Drehfeldes, um die Drehzahl der Drehfeldmaschine (105) zu vergrößern.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem im Schritt des Bewirkens (901) einer Feldschwächung ein Phasenwinkel zwischen einem das Drehfeld bewirkenden Strom und einer das Drehfeld bewirkenden Spannung verkleinert wird und im Schritt des Bewirkens (902) einer Feldstärkung der Phasenwinkel zwischen dem das Drehfeld bewirkenden Strom und der das Drehfeld bewirkenden Spannung vergrößert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem in den Schritten des Bewirkens (901, 902) die das Drehfeld bewirkende Spannung konstant gehalten wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, mit einem Schritt des Verringerns der das Drehfeld bewirkenden Spannung ansprechend auf den Schritt des Bewirkens einer Feldschwächung, um die Drehzahl der Drehfeldmaschine (105) weiter zu verringern.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, mit einem Schritt des Vergrößerns der das Drehfeld bewirkenden Spannung ansprechend auf den Schritt des Bewirkens einer Feldstärkung, um die Drehzahl der Drehfeldmaschine (105) weiter zu erhöhen.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Schritt des Bereitstellens eines Dreiphasenwechselstroms und einer Dreiphasenwechselspannung, um das Drehfeld zu erzeugen, wobei in den Schritten des Bewirkens (901, 902) eine Phasenbeziehung zwischen dem Dreiphasenwechselstrom und der Dreiphasenwechselspannung angepasst wird, um die Feldschwächung oder die Feldstärkung zu bewirken.
Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem im Schritt des Bereitstellens der Dreiphasenwechselstrom unter Verwendung einer Puls-Amplituden-Modulation aus einem Gleichstrom und die Dreiphasenwechselspannung unter Verwendung einer weiteren Puls-Amplituden-Modulation aus einer Gleichspannung erzeugt werden und in den Schritten des Bewirkens (901, 902) die Phasenbeziehung zwischen dem Dreiphasenwechselstrom und der Dreiphasenwechselspannung durch Anpassen der Puls-Amplituden-Modulationen angepasst wird, um die Feldschwächung oder die Feldstärkung zu bewirken.
Verfahren gemäß Anspruch 7, mit einem Schritt des Durchführens einer Gleichspannungswandlung um die Gleichspannung zu erzeugen, wobei die Gleichspannung mit einem ersten Spannungswert für einen ersten Drehzahlbereich der Drehfeldmaschine (105) und mit einem zweiten Spannungswert für einen zweiten Drehzahlbereich der Drehfeldmaschine (105) erzeugt wird, und eine Größe des ersten Drehzahlbereichs so gewählt ist, dass die Drehzahl der Drehfeldmaschine (105) durch das Bewirken der Feldschwächung und der Feldstärkung innerhalb des gesamten ersten Drehzahlbereichs unter Verwendung der Gleichspannung mit dem ersten Spannungswert variiert werden und eine Größe des zweiten Drehzahlbereichs so gewählt ist, dass die Drehzahl der Drehfeldmaschine (105) durch das Bewirken der Feldschwächung und der Feldstärkung innerhalb des gesamten zweiten Drehzahlbereichs unter Verwendung der Gleichspannung mit dem zweiten Spannungswert variiert werden kann.
Vorrichtung zum Steuern einer Drehfeldmaschine (105) für einen Turboverdichter (807), die ausgebildet ist, um die Schritte (901, 902) eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen.
Verdichtersystem mit folgenden Merkmalen: einem Turboverdichter (807) zum Komprimieren eines Gases; eine Drehfeldmaschine (105) zum Antreiben des Turboverdichters (807); und eine Vorrichtung (809) zum Steuern einer Drehfeldmaschine (105) gemäß Anspruch 9.