Titel

Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine sowie einer Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine. Insbesondere kann die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regeln der elektrischen Maschine betreffen.

Stand der Technik

Um beim Betreiben einer elektrischen Maschine störende Geräusche oder Drehmomentripple zu verringern, können sogenannte Stromharmonische eingeprägt werden (im Englischen auch „Current Shaping“ oder „Resonant Control“ genannt). Dabei handelt es sich um Harmonische (d.h. Oberwellen), welche beim Betreiben der elektrischen Maschine auftreten.

Hierzu wird mindestens eine harmonische Ordnungen (facHrmc) zusätzlich zu der Grundwelle eingeprägt. Zum Beispiel werden oft im feldorientierten Koordinatensystem die sechsten Harmonischen (+6 und -6) eingeprägt, d.h. facHrmc = 6. Im Phasen- Koordinatensystem entsprechen diese genannten Harmonischen einer -5 -ten und +7-ten Ordnung. Denn allgemein gilt, dass die harmonischen Frequenzen in feldorientierten Koordinaten gegeben sind durch:

Frq dq Harmonic Neg = -facHrmc* Frq Elektrisch = -6*Frq_Elektrisch, Frq dq Harmonic Pos = facHrmc* Frq Elektrisch = 6*Frq_Elektrisch.

Entsprechende harmonische Frequenzen in Phasen-Koordinaten sind gegeben durch:

Frq AlphaBeta Harmonic Neg = - (facHrmc-1)* Frq Elektrisch = -5*Frq_Elektrisch, Frq_AlphaBeta_Harmonic_Pos= (facHrmc+1)* Frq Elektrisch = 7*Frq_Elektrisch. Die harmonischen Ströme können mit einer harmonischen Spannungssteuerung oder einer harmonischen Stromregelung eingestellt werden.

Ein beispielhaftes Verfahren zur Optimierung von einer Dritte-Harmonische- Strominjektion in einer mehrphasigen Maschine ist aus der DE 10 2011 003 352 Al bekannt.

Zum Ansteuem einer elektrischen Maschine werden üblicherweise für jede Periode eines Pulsweitenmodulations (PWM)-Verfahrens drei- oder mehrphasige Sollspannungen (Stellgrößen) berechnet. Als Modulationsverfahren werden drei- oder mehrphasige Sinus- PWM, Raumzeigermodulation (englisch: „space vector pulse width modulation“, SVPWM)-Flat-Top oder Ähnliches eingesetzt.

In Pandit et al., “PR controller implementation using double update mode digital PWM for grid connected inverter”, 2014, wird eine Erweiterung der PWM-Methode um die Funktion „Double Update“ beschrieben. Das Verfahren wird verwendet, um die Dynamik einer Regelung von transienten Größen mit einer PWM-Stellgröße zu verbessern. Mit der Methode ergibt sich beispielsweise ein geringerer Delay zu der gestellten Spannung, da die Spannung öfter gestellt werden kann. Der geringe Delay erlaubt der Regelung eine höhere Dynamik.

Bei einem normaler Pulsweitenmodulationsverfahren (also mit „Single Update“) wird genau ein Stellsignal für jede Periode des Pulsweitenmodulationsverfahrens berechnet. Daraus ergibt sich je nach PWM-Variante (links, rechts oder zentriert ausgerichtet) eine Schaltzeit für den Ein- und eine Schaltzeit für den Ausschaltvorgang.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine, ein Computerprogrammprodukt und ein nichtflüchtiges, computerlesbares Speichermedium mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.

Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung demnach ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine. Eine Oberwellen-Stellgröße bezüglich einer beim Bestromen der elektrischen Maschine auftretenden Oberwelle einer vorgegebenen Frequenz wird ermittelt. Die elektrische Maschine wird unter Verwendung der ermittelten Oberwellen-Stellgröße mittels eines Pulsweitenmodulationsverfahrens bestromt. Für jede Periode des Pulsweitenmodulationsverfahrens wird die Oberwellen-Stellgröße sowohl für einen Einschaltvorgang als auch für einen Ausschaltvorgang ermittelt.

Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung demnach eine Vorrichtung zum Regeln einer elektrischen Maschine. Eine Recheneinrichtung ermittelt eine Oberwellen- Stellgröße bezüglich einer beim Bestromen der elektrischen Maschine auftretenden Oberwelle einer vorgegebenen Frequenz. Eine Ansteuereinrichtung bestromt die elektrische Maschine unter Verwendung der ermittelten Oberwellen-Stellgröße mittels eines Pulsweitenmodulationsverfahrens. Die Vorrichtung ist dazu ausgebildet, für jede Periode des Pulsweitenmodulationsverfahrens die Oberwellen-Stellgröße sowohl für einen Einschaltvorgang als auch für einen Ausschaltvorgang zu ermitteln.

Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung demnach ein Computerprogrammprodukt mit ausführbarem Programmcode, dazu ausgebildet, beim Ausführen auf einem Computer das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der elektrischen Maschine auszuführen.

Gemäß einem vierten Aspekt betrifft die Erfindung demnach ein nichtflüchtiges, computerlesbares Speichermedium mit ausführbarem Programmcode, dazu ausgebildet, beim Ausführen auf einem Computer das Verfahren zum Betreiben der elektrischen Maschine auszuführen.

Vorteile der Erfindung

Erfindungsgemäß werden Oberwellen injiziert, wobei ein Pulsweitenmodulationsverfahren mit „Double Update“ eingesetzt wird. Demnach werden zwei Oberwellen-Stellgrößen bzw. Oberwellen-Stellsignale pro Periode des Pulsweitenmodulationsverfahrens berechnet. Eine Oberwellen-Stellgröße wird für die Schaltzeit des Einschaltvorgangs berechnet und eine weitere Oberwellen-Stellgröße für die Schaltzeit des Ausschaltvorgangs. Demnach werden die Ein- und Ausschaltzeiten unabhängig voneinander mitels zweier unabhängig berechneter Oberwellen-Stellgrößen bestimmt. Dadurch können die Modulation bzw. die Spannungsstellung der harmonischen Frequenz verbessert werden.

Die ermitelten Oberwellen-Stellgrößen beeinflussen somit den jeweiligen Ein- und Ausschaltvorgang, werden also beim Bestromen der elektrischen Maschine angewendet.

Die „Double Update“-Funktion für das Pulsweitenmodulationsverfahren wird somit speziell für die harmonische Frequenz verwendet. Die „Double Update“-Funktion verringert dabei nicht nur den Delay zwischen der berechneten Soll-Spannung und der Ist-Spannung, sondern auch die maximal mögliche Frequenz einer Soll-Spannung, die mit dem Pulsweitenmodulationsverfahren erzeugt werden kann. Die maximale Drehzahl und die maximale elektrische Frequenz, bei der eine harmonische Spannung eingeprägt werden kann, werden dadurch verdoppelt.

Die Erfindung kann somit bei einer harmonischen Strom-Regelung und bei einer harmonischen Spannungs-Steuerung (also keiner Regelung) eingesetzt werden, um höhere harmonische Frequenzen der harmonischen Spannungen und Ströme zu ermöglichen.

Unter einer „Oberwellen-Stellgröße“ kann eine Stellgröße für eine einzuspeisende Oberwelle verstanden werden (etwa an die elektrische Maschine angelegte Sollspannung).

Die feste oder variable Frequenz des Pulsweitenmodulationsverfahrens kann anhand der eingesetzten Hardware, insbesondere von Halbleitern und Mikrokontrollem eines Wechselrichters, anhand der Anforderungen an die Effizienz, anhand des Bauteilschutzes usw. bestimmt werden. Durch Injektion von Harmonischen mit „Single-Update“ ist die theoretisch maximale Frequenz der harmonischen Oberwelle nach dem Nyquist-Theorem auf die halbe Frequenz des Pulsweitenmodulationsverfahrens begrenzt. Tatsächlich werden noch mehr Abtastpunkte (facFrqModFrqPwm) für eine Sinus-Welle benötigt, um eine stabile harmonische Spannung einzustellen:

Frq ModulationMax = FrqPWM / facFrqModFrqPwm. Damit ist die maximale elektrische Frequenz, bei der die harmonische Frequenz eingestellt werden kann, gegeben durch:

Frq elektrisch HarmonicMax = Frq ModulationMax / (facHrmc+1) = FrqPWM / (facFrqModFrqPwm * (facHrmc+1)).

Beispielsweise ist bei einer PWM-Frequenz von 10 kHz und bei einem benötigten Faktor facFrqMod-FrqPwm = 6 die maximale elektrische Frequenz, bei der die siebte harmonische Frequenz eingeprägt werden, gegeben durch:

Frq_elektrisch_HarmonicMax = 10000 / ( 6 * 7 ) = 238,0952 Hz.

Damit ist der Drehzahlbereich der harmonischen Injektion bei gegebener PWM-Frequenz begrenzt. Durch Verwendung von „Double-Update“ kann der Drehzahlbereich trotz begrenzter PWM-Frequenz erweitert werden.

Gemäß einer Weiterbildung handelt es sich bei dem Verfahren zum Betreiben der elektrischen Maschine um ein Verfahren zum Regeln der elektrischen Maschine. Demnach wird eine Oberwellen-Rückführgröße ermittelt, welche eine Istgröße der beim Bestromen der elektrischen Maschine auftretenden Oberwelle umfasst. Weiter wird eine Oberwellen-Regelabweichung unter Verwendung der ermittelten Oberwellen- Rückfuhrgröße und einer vorgegebenen Führungsgröße bezüglich der Oberwelle ermittelt. Die Oberwellen-Stellgröße wird unter Verwendung der ermittelten Oberwellen- Regelabweichung ermittelt. Die Erfindung ist somit für Regelverfahren einsetzbar.

Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens zum Betreiben der elektrischen Maschine umfasst die Oberwellen-Rückführgröße die Istgröße der Oberwelle in einem feldorientierten System. Die Oberwellen-Rückführgröße wird hierbei in eine Oberwellen- Gleichrückführgröße in einem oberwellenorientierten System transformiert. Die Oberwellen-Regelabweichung wird als eine Differenz der Oberwellen- Gleichrückführgröße und der vorgegebenen Führungsgröße ermittelt. Das Verfahren kann somit eine Eingangstransformation umfassen.

Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens zum Betreiben der elektrischen Maschine wird zum Ermitteln der Oberwellen-Stellgröße unter Verwendung der ermittelten Oberwellen-Regelabweichung eine Oberwellen-Gleichstellgröße in dem oberwellenorientierten System ermittelt, wobei die Oberwellen-Gleichstellgröße in die Oberwellen-Stellgröße in dem feldorientierten System rücktransformiert wird. Das Verfahren kann somit eine Ausgangstransformation umfassen.

Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens zum Betreiben der elektrischen Maschine wird weiter mittels einer Grundwellenregelung eine Grundwellen-Stellgröße ermittelt, wobei durch Überlagern der Grundwellen-Stellgröße mit der Oberwellen-Stellgröße eine Maschinen-Stellgröße ermittelt wird, und wobei das Bestromen der elektrischen Maschine unter Verwendung der ermittelten Maschinen-Stellgröße erfolgt. Die Maschinen-Stellgröße kann insbesondere eine Spannung sein. Im Zeitbereich kann die Maschinen-Stellgröße eine Wechselgröße, eine Grundwelle, und mindestens eine weitere überlagerte Wechselgröße, d.h. eine Oberwelle umfassen.

Gemäß einer Weiterbildung der Vorrichtung zum Regeln der elektrischen Maschine ist die Recheneinrichtung weiter dazu ausgebildet, eine Oberwellen-Rückfuhrgröße zu ermitteln, welche eine Istgröße der beim Bestromen der elektrischen Maschine auftretenden Oberwelle umfasst. Die Recheneinrichtung ermittelt weiter eine Oberwellen- Regelabweichung unter Verwendung der ermittelten Oberwellen-Rückfuhrgröße und einer vorgegebenen Führungsgröße bezüglich der Oberwelle. Die Recheneinrichtung ermittelt die Oberwellen-Stellgröße unter Verwendung der ermittelten Oberwellen- Regelabweichung .

Gemäß einer Weiterbildung der Vorrichtung zum Regeln der elektrischen Maschine umfasst die Oberwellen-Rückfuhrgröße die Istgröße der Oberwelle in einem feldorientierten System. Die Recheneinrichtung transformiert die Oberwellen- Rückfuhrgröße in eine Oberwellen-Gleichrückfuhrgröße in einem oberwellenorientierten System und ermittelt die Oberwellen-Regelabweichung als eine Differenz der Oberwellen-Gleichrückfuhrgröße und der vorgegebenen Führungsgröße.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen: Figur 1 ein schematisches Blockdiagramm einer elektrischen Maschine sowie einer Vorrichtung zum Betreiben der elektrischen Maschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Figur 2 ein schematisches Diagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Betreiben einer elektrischen Maschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Figur 3 ein Diagramm zur Erläuterung einer Pulsweitenmodulation mit Single- Update; und

Figur 4 ein Diagramm zur Erläuterung einer Pulsweitenmodulation mit Double- Update;

Figur 5 ein schematisches Blockdiagramm eines Computerprogrammprodukts gemäß einer Ausfuhrungsform der Erfindung; und

Figur 6 ein schematisches Blockdiagramm eines nichtflüchtigen, computerlesbaren Speichermediums gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll im Allgemeinen keine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Figur 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer elektrischen Maschine 2 sowie einer Vorrichtung 1 zum Betreiben der elektrischen Maschine 2. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Recheneinrichtung 11, welche eine Oberwellen-Stellgröße bezüglich einer beim Bestromen der elektrischen Maschine 2 auftretenden Oberwelle einer vorgegebenen Frequenz ermittelt. Die Ansteuereinrichtung 11 kann insbesondere ein Oberwellenregler sein. Die Recheneinrichtung 11 kann hierzu eine Oberwellen-Rückführgröße ermitteln, welche eine Istgröße der beim Bestromen der elektrischen Maschine 2 auftretenden Oberwelle umfasst. Die Recheneinrichtung 11 ermittelt weiter eine Oberwellen-Regelabweichung unter Verwendung der ermittelten Oberwellen-Rückfuhrgröße und einer vorgegebenen Führungsgröße bezüglich der Oberwelle. Die Recheneinrichtung 11 ermittelt die Oberwellen-Stellgröße unter Verwendung der ermittelten Oberwellen-Regelabweichung.

Die Oberwellen-Rückführgröße kann die Istgröße der Oberwelle in einem feldorientierten System umfassen. Die Recheneinrichtung 11 transformiert die Oberwellen- Rückführgröße in eine Oberwellen-Gleichrückführgröße in einem oberwellenorientierten System und ermittelt die Oberwellen-Regelabweichung als eine Differenz der Oberwellen-Gleichrückführgröße und der vorgegebenen Führungsgröße.

Zum Ermitteln der Oberwellen-Stellgröße unter Verwendung der ermittelten Oberwellen- Regelabweichung kann die Recheneinrichtung 11 eine Oberwellen-Gleichstellgröße in dem oberwellenorientierten System ermittelt, wobei die Oberwellen-Gleichstellgröße in die Oberwellen-Stellgröße in dem feldorientierten System rücktransformiert wird.

Weiter kann die Recheneinrichtung 11 mittels einer Grundwellenregelung eine Grundwellen-Stellgröße ermitteln, wobei durch Überlagern der Grundwellen-Stellgröße mit der Oberwellen-Stellgröße eine Maschinen-Stellgröße ermittelt wird.

Weiter umfasst die Vorrichtung 1 eine Ansteuereinrichtung 12, welche die elektrische Maschine unter Verwendung der ermittelten Oberwellen-Stellgröße mittels eines Pulsweitenmodulationsverfahrens bestromt. Das Bestromen der elektrischen Maschine 2 kann unter Verwendung der ermittelten Maschinen-Stellgröße erfolgen. Bei dem Pulsweitenmodulationsverfahren kommt eine „Double-Update“-Funktion zum Einsatz, d. h. für jede Periode des Pulsweitenmodulationsverfahrens wird die Oberwellen-Stellgröße mindestens zweimal berechnet, d. h. sowohl für einen Einschaltvorgang (steigende Flanke) als auch für einen Ausschaltvorgang (fallende Flanke).

Figur 2 zeigt ein schematisches Diagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Betreiben einer elektrischen Maschine 2, insbesondere mit einer oben beschriebenen Vorrichtung 1. Ein Rotorwinkel c _S ens wird gemessen, welcher einer Rotorlage eines Rotors der elektrischen Maschine 2 entspricht. Eine Berechnungseinheit 302 berechnet anhand des Rotorwinkels c _S ens einen magnetischer-Fluss-Winkel c fix, welcher einer Eingangstransformation 302 und einer Ausgangstransformation 308 bereitgestellt wird, sowie eine Drehrate co, welche einer Stromregelung 306 bereitgestellt wird.

Weiter wird eine Maschinen-Rückf hrgröße labe (umfassend eine Oberwellen- Rückführgröße) der elektrischen Maschine 2 im Zeitbereich ermittelt und mittels der Eingangstransformation 302 in eine Rückfuhrgröße Idq in einem feldorientierten System transformiert, wobei der magnetischer-Fluss-Winkel cpfix berücksichtigt wird. Die Rückfuhrgröße Idq wird einem Filter 304 bereitgestellt.

Eine Einrichtung 305 ermittelt anhand einer Drehmoment-Stellgröße TEM* eine Gleichführungsgröße Idq*. Das Filter 304 erzeugt eine Rückfuhrgröße ohne den Anteil der Grundwelle IdqwoFund, welche einem Oberwellenregler 303 bereitgestellt wird, sowie eine Regelungs-Rückführgröße Idqctri. Die Regelungs-Rückführgröße Idqctri wird von der Gleichführungsgröße Idq* subtrahiert, um eine Regelabweichung zu erhalten, welche der Stromregelung 306 zugeführt wird. Anhand der Regelabweichung und der Drehrate co berechnet die Stromregelung 306 eine Grundwellen-Gleichstellgröße UdqFund*, welche einer Stellgrößen-Einrichtung 307 zugeführt wird.

Der Oberwellenregler 303 erzeugt eine Oberwellen-Stellgröße UdqHrmc* bzgl. eines Anteils der Oberwellen (Harmonischen), welche ebenfalls der Stellgrößen-Einrichtung 307 zugeführt wird. Die Stellgrößen-Einrichtung 307 erzeugt eine Stellgröße UdqLim durch Überlagern der Grundwellen-Gleichstellgröße UdqFund* und der Oberwellen- Stellgröße UdqHrmc*. Die Stellgröße UdqLim wird der Ausgangstransformation 308 bereitgestellt. Die Stromregelung 306 gibt einen Anteil der Fundamentalwelle uResvFunda und die Stellgrößen-Einrichtung 307 gibt einen Anteil uResvHrmc der Oberwellen an die Einrichtung 305 aus.

Die Ausgangstransformation 308 erzeugt anhand der Stellgröße UdqLim und unter Berücksichtigung des magnetischer-Fluss-Winkels c fix eine Maschinen-Stellgröße Uabc* im Zeitbereich. Diese wird einem Wechselrichter (Inverter) 309 bereitgestellt, welcher eine Phasenspannung Uabc erzeugt, anhand welcher mindestens eine Wicklung der elektrischen Maschine 2 bestromt wird.

Figur 3 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung einer Pulsweitenmodulation mit Single- Update, wobei die Spannung U als Funktion der Zeit aufgetragen ist. Demnach werden für jeden Puls 43, d.h. für jede Periode des Pulsweitenmodulationsverfahrens anhand von Schnittpunkten einer Vergleichsspannung 41 (mit Periodendauer T _s ) und eines Rechenrasters 42 Einschalt- und Ausschaltzeitpunkte bestimmt, d.h. die steigenden und fallenden Flanken der Pulse 43. Die Oberwellen-Stellgröße wird somit einmal pro Puls bestimmt.

Figur 4 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung einer Pulsweitenmodulation mit Double- Update. Das Rechenraster 42 ist hier derart gewählt, dass für jede Periode des Pulsweitenmodulationsverfahrens die Oberwellen-Stellgröße sowohl für den Einschaltvorgang als auch für den Ausschaltvorgang bestimmt wird.

Figur 5 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Computerprogrammprodukts P mit ausführbarem Programmcode PC. Der ausführbare Programmcode PC ist dazu ausgebildet, beim Ausführen auf einem Computer das erfmdungsgemäße Verfahren durchzuführen.

Figur 6 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines nicht-flüchtigen, computerlesbaren Speichermediums M mit ausführbarem Programmcode MC, dazu ausgebildet, beim Ausführen auf einem Computer das erfmdungsgemäße Verfahren durchzuführen.