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