Drehstrommaschinen

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung zum Betreiben einer Drehstrommaschine, die von einem 3-Phasen-Stromrichter gespeist wird, wobei die Einrichtung eine Steuer- und/oder Regelstruktur (kurz: die Struktur) mit einem Ständerflussregler (d.h. ein Regler, der den magnetischen Fluss des Ständers der Maschine regelt) und mit einem Schlupffrequenzregler oder einem Drehmomentregler aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben einer stromrichtergespeisten Drehstrommaschine sowie ein Schienenfahrzeug, in dem eine solche Struktur den Betrieb des oder der Antriebsmotoren steuert oder regelt.

WO 2008/052714 A1 beschreibt eine Einrichtung mit einer solchen Struktur beispielhaft für eine Drehstromasynchronmaschine. Die Einrichtung bzw. das Verfahren soll bei Hochleistungsanwendungen, wie beispielsweise Traktionsstromrichter für die Versorgung von Antriebsmotoren von Schienenfahrzeugen eingesetzt werden. Es soll eine mittelwert- und augenblickswertbasierte Pulsmustergenerierung zur Ansteuerung des Stromrichters ermöglicht werden, wobei unter optimaler Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Eingangsspannung des Stromrichters hohe dynamische Anforderungen, insbesondere für Traktionsanwendungen bei Schienenfahrzeugen, erfüllt werden sollen. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere dieselben Verfahren bzw. Steuer- und/oder Regeleinrichtungen und dieselben Anwendungen.

Bei Steuerungen und/oder Regelungen, die wie die Struktur der vorliegenden Erfindung den Ständerfluss und das Drehmoment bzw. die Schlupffrequenz regeln, können ohne zusätzliche regelungstechnische Maßnahmen unzulässig hohe Stromamplituden auftreten, die zu einer Schädigung oder Zerstörung des Stromrichters oder der Maschine führen würden, wenn keine sekundären Schutzmaßnahmen wie Überstromabschaltung des Stromrichters ergriffen würden. Bei alternativen Strukturen, die z. B. die flussbildende und die drehmomentbildende Komponente des Ständerstroms regeln (z. B. in der WO 2005/018086 beschrieben), kann ein regelungstechnischer Überstromschutz durch geeignete Begrenzung der Stromsollwerte gewährleistet werden. Bei Strukturen mit Ständerflussregler und mit Schlupffrequenzregler oder Drehmomentregler dagegen wird der Ständerstrom nicht unmittelbar geregelt, so dass zusätzliche Maßnahmen zur Begrenzung des Ständerstromes erforderlich sind. Derartige bisher bekannte Maßnahmen erfüllten diese Aufgabe nur unzureichend, so dass es häufiger zum Ansprechen der sekundären Schutzmaßnahme Überstromabschaltung kam.

Die unzulässig hohen Stromamplituden und damit die Schutzabschaltungen können insbesondere während hochdynamischen Vorgängen beim Betrieb der Maschine auftreten, d.h. bei schnellen Änderungen der Spannung des Zwischenkreises, aus dem der oder die Traktionswechselrichter versorgt werden, bei schnellen Änderungen der Drehzahl der Maschine, bei schnellen Änderungen des von der Maschine zu erzeugenden Drehmoments und/oder bei schnellen Änderungen des gewünschten magnetischen Flusses im Ständer der Maschine.

In der Veröffentlichung "Schnelle Drehmomentregelung im gesamten Drehzahlbereich eines hochausgenutzten Drehfeldantriebs" von Dieter Maischak, Fortschrittsberichte, VDI-Reihe 8, Nr. 479, Düsseldorf, Deutschland, VDI-Verlag 1995, ISBN 3-18-347908-7, ist die Begrenzung des Schlupffrequenzsollwertes der Regelung auf einen stationären Ständerstrommaximalwert vorgeschlagen worden. Dabei wird angenommen, dass sich insbesondere der magnetische Fluss der Maschine nicht ändert, d.h. dass die zeitliche Ableitung des Rotorflusses ungefähr gleich Null ist. Wenn aber schnelle Flussänderungen auftreten, d.h. die Maschine sich im nichtstationären magnetischen Zustand befindet, wird vorübergehend ein vergleichsweise hoher Magnetisierungsstrom (dies schließt den Fall der Entmagnetisierung mit ein, d.h. auch einen negativen Magnetisierungsstrom) des Ständers zur Flussverstellung benötigt. Die Begrenzung der Schlupffrequenz kann prinzipbedingt den Magnetisierungsstrom nicht begrenzen und somit Überstromabschaltungen aufgrund hoher Magnetisierungsstromamplituden nicht sicher ausschließen.

Mit dem von Maischak vorgeschlagenen Verfahren kann der Ständerstrom daher nicht in allen Betriebssituationen der Maschine (insbesondere bei gleichzeitiger Fluss- und Drehmomentanforderung wie es beim Betrieb von Schienenfahrzeugen oft der Fall ist) regelungstechnisch sicher auf einen Wert begrenzt werden, der einen kontinuierlichen Betrieb der Maschine ohne sekundäre Schutzmaßnahmen wie Überstromabschaltungen des Stromrichters jederzeit ermöglicht. Insbesondere muss es beim Betrieb von Straßenbahnen jederzeit möglich sein, mit Hilfe des Antriebsmotors ein der Fahrt der Straßenbahn entgegenwirkendes Drehmoment zu erzeugen. Dieses dynamische Bremsen mit Hilfe der Maschine wird aus Sicherheitsgründen als zweite unabhängige Bremse gefordert, um nicht ausschließlich auf die mechanische Bremse des Fahrzeugs angewiesen zu sein. Rollt das Fahrzeug z.B. im Wesentlichen ohne Antriebskraft und muss schnell dynamisch gebremst werden, ist es gleichzeitig erforderlich, den Ständerfluss und das von der Maschine erzeugte Drehmoment schnell zu erhöhen. Für ein dynamisches Bremsen steht der Antrieb bei Sperrung des Stromrichters aber nicht mehr zur Verfügung.

Ein weiterer Nachteil des von Maischak vorgeschlagenen Verfahrens besteht darin, dass die stationäre Ständerstrombegrenzung wesentlich von Maschinenparametern abhängt, die sich während des Betriebes als Funktion des Arbeitspunktes (Stromamplitude und/oder Rotortemperatur) ändern. Werden die Parameterwerte nicht korrekt gewählt bzw. unzureichend an den aktuellen Betriebszustand angepasst, kann es zu häufig dazu kommen, dass über die Strombegrenzung hinausgehende Schutzmaßnahmen wie das Sperren des Stromrichters ergriffen werden müssen.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung zum Betreiben einer Drehstrommaschine anzugeben, die von einem 3-Phasen- Stromrichter gespeist wird, wobei die Einrichtung den Ständerstrom wirksam und zuverlässig auf zulässige Werte begrenzt, wobei eine hohe Dynamik beim Betrieb der Maschine ermöglicht wird und wobei das häufige Auftreten von sekundären Schutzmaßnahmen, wie das Abschalten des Stromrichters vermieden wird. Unter dem Ständerstrom wird der Strom durch die Ständer-Wicklung der Maschine verstanden.

Gemäß einem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung wird innerhalb einer Regelstruktur mit Ständerfluss- und Schlupffrequenzregelung (oder alternativ Ständerfluss- und Drehmomentregelung) sowohl der flussbildende als auch der drehmomentbildende Ständerstrom über je einen Eingriff in die beiden Regelkreise begrenzt. Anders als bei dem oben erwähnten Verfahren von Maischak wird hinsichtlich der Magnetisierung der Maschine kein quasistationärer Betrieb vorausgesetzt.

Dabei wird zur Begrenzung des drehmomentbildenden Stromes der dem Schlupffrequenzregler (oder Drehmomentregler) zugeführte Sollwert auf einen Maximalwert (im Folgenden: der Schlupffrequenz- oder Drehmomentmaximalwert) begrenzt.

Durch die Begrenzung sowohl des flussbildenden als auch des drehmomentbildenden Ständerstroms durch Eingriff in die Regelkreise des Ständerflussreglers und des Schlupffrequenzreglers (oder des Drehmomentreglers) wird automatisch, ohne weitere erforderliche Maßnahmen, auch das folgende Problem gelöst: Da der Gesamtstrom durch den Ständer, d.h. der Ständerstromgrundschwingungsbetrag, auf einen Maximalwert begrenzt ist, muss bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren festgelegt werden, ob die flussbildende oder die drehmomentbildende Ständerstromkomponente vorrangig beizubehalten ist, d.h. die jeweils andere Stromkomponente zu reduzieren ist, um den Maximalwert für den Gesamt-Ständerstromgrundschwingungs- betrag einzuhalten. Bei der Lösung gemäß der vorliegenden Erfindung ergibt sich die Priorität bei der Reduzierung automatisch, ohne weitere Maßnahmen. Ausführungsbeispiele für verschiedene Betriebssituationen, in denen zumindest eine Komponente des Ständerstroms zu reduzieren ist, werden noch in der Figurenbeschreibung erläutert.

Ferner wird zur Begrenzung des flussbildenden Stromes die Geschwindigkeit, mit der sich der Sollständerfluss ändert (vorzugsweise sowohl zu höheren als auch niedrigeren Flusswerten), auf einen Maximalwert (im Folgenden: maximales Flussrampeninkrement) begrenzt. Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass die Sollwertänderung am Eingang des Ständerflussreglers über ein Rampenglied (d.h. eine Einrichtung, die die Änderung entsprechend einer Zeitrampe beschränkt) begrenzt wird, falls der Sollwert einer zu hohen Änderungsgeschwindigkeit entspricht. Der Geschwindigkeit entspricht dabei der Anstieg/Abfall des Flusses zwischen zwei folgenden Arbeitstakten der Steuer- und/oder Regeleinrichtung.

Die beiden Maximalwerte (der Schlupffrequenz- oder Drehmomentmaximalwert und das maximale Flussrampeninkrement) werden während des Betriebs der Steuer- und/oder Regeleinrichtung kontinuierlich oder quasi kontinuierlich so festgelegt, dass keine unzulässig hohen Stromamplituden des Ständerstroms auftreten. Anders ausgedrückt, wird zumindest ein Maximalwert des Ständerstroms (insbesondere ein Maximalwert für die flussbildende Komponente der Ständerstromgrundschwingung und ein Maximalwert für den gesamten Ständerstromgrundschwingungsbetrag) dazu verwendet, einen Maximalwert für die Anstiegsgeschwindigkeit des Ständerflusses und einen Maximalwert für das Drehmoment oder die Schlupffrequenz zu berechnen und Maßnahmen zu ergreifen, dass diese beiden Maximalwerte (der Schlupffrequenz- oder Drehmomentmaximalwert und das maximale Flussrampeninkrement) nicht überschritten werden.

Insbesondere wird vorgeschlagen: Eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung zum Betreiben einer Drehstrommaschine, die von einem 3-Phasen-Stromrichter gespeist wird, wobei

• die Einrichtung eine Struktur, nämlich eine Steuer- und/oder Regelstruktur aufweist, • die Struktur einen Ständerflussregler und einen Schlupffrequenzregler oder die Struktur einen Ständerflussregler und einen Drehmomentregler aufweist,

• die Struktur eine erste Begrenzungseinrichtung aufweist, die ausgestaltet ist, zur Begrenzung der drehmomentbildenden Grundschwingungsstrom-Komponente des Ständerstroms einen dem Schlupffrequenzregler oder dem Drehmomentregler zugeführten Sollwert auf einen Schlupffrequenz- oder Drehmomentmaximalwert zu begrenzen,

• die Struktur eine zweite Begrenzungseinrichtung aufweist, die ausgestaltet ist, zur Begrenzung der flussbildenden Grundschwingungsstrom-Komponente des Ständerstroms die Geschwindigkeit, mit der sich ein dem Ständerflussregler zugeführter Sollwert ändert, auf einen Maximalwert zu begrenzen,

• die Struktur ausgestaltet ist, den Schlupffrequenz- oder Drehmomentmaximalwert abhängig von einem vorgegebenen Strommaximalwert für einen Ständerstromgrundschwingungsbetrag, d.h. einem Strommaximalwert des Grundschwingungsbetrages des (Gesamt-) Ständerstroms (gebildet durch bzw. aufspaltbar in die q- und d- Komponente) und abhängig von einem gefilterten Ist- Wert einer flussbildenden Komponente (d-Komponente) des Ständerstromes zu berechnen.

Ferner wird vorgeschlagen: Ein Verfahren zum Betreiben einer Drehstrommaschine, die von einem 3-Phasen-Stromrichter gespeist wird, unter Verwendung eines Ständerflussreglers und eines Schlupffrequenzreglers oder unter Verwendung eines Ständerflussreglers und eines Drehmomentreglers, wobei

• zur Begrenzung der drehmomentbildenden Grundschwingungsstrom- Komponente des Ständerstroms ein dem Schlupffrequenzregler oder dem Drehmomentregler zugeführter Sollwert auf einen Schlupffrequenz- oder Drehmomentmaximalwert begrenzt wird,

• zur Begrenzung des flussbildenden Grundschwingungsstrom-Komponente des Ständerstroms die Geschwindigkeit, mit der sich ein dem Ständerflussregler zugeführter Sollwert ändert, auf einen Maximalwert begrenzt wird,

• der Schlupffrequenz- oder Drehmomentmaximalwert abhängig von einem vorgegebenen Strommaximalwert für einen Ständerstromgrundschwingungs- betrag und abhängig von einem gefilterten Ist-Wert einer flussbildenden Grundschwingungsstrom-Komponente (d-Komponente) des Ständerstromes berechnet wird. Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus der Beschreibung der Struktur und aus den beigefügten Ansprüchen.

Besonders vorteilhaft wird die Steuer- und/oder Regeleinrichtung eingesetzt, wenn die Drehstrommaschine eine Asynchronmaschine ist und die Struktur den Ständerflussregler und den Schlupffrequenzregler aufweist.

Geeignete entsprechende Einrichtungen in der Regelstruktur, die die Einhaltung der vorgegebenen Maximalwerte für die Ständerstromgrundschwingung und der flussbildenden Stromkomponente gewährleisten, sind vorzugsweise so genannte Begrenzungsregler. Darunter werden Regler verstanden, die im Normalbetrieb (d.h. wenn der zulässige Maximalwert des Begrenzungsreglers nicht überschritten ist) keinen Einfluss auf die für den Betrieb des zugeordneten Reglers (hier des Schlupffrequenzreglers oder Drehmomentreglers bzw. des Ständerflussreglers) relevante Sollgröße ausüben. Wenn dagegen der Sollwert den zulässigen Maximalwert überschreitet, wirkt der Betrieb des Begrenzungsregler begrenzend auf den Sollwert, sodass die Überschreitung über den unterlagerten Regelkreis verhindert wird. Der unterlagerte Regelkreis ist im Fall des Flussrampeninkrements der Regelkreis des Flussreglers, im Fall des Schlupffrequenzmaximalwerts oder Drehmomentmaximalwerts der Regelkreis des Schlupffrequenzreglers oder Drehmomentreglers.

Unter einer Begrenzung wird insbesondere eine Begrenzung des Betrages verstanden, d.h. es können zum Beispiel auch zum Bremsen eines Schienenfahrzeugs erzeugte Drehmomente begrenzt werden. Der Begrenzungsregler wirkt somit auf die Sollgröße des jeweils zugeordneten Reglers, d.h. er wirkt auf den am Eingang des zugeordneten Reglers anliegenden Sollwert.

Die Begrenzung der Anstiegsgeschwindigkeit des Ständerflusses wird vorzugsweise dadurch realisiert, dass für jeden Arbeitstakt der Struktur die zulässige Änderung des Ständerflusses berechnet wird, d.h. das Inkrement. Übersteigt die Differenz des Ständerflusssollwerts aus dem vorangegangenen Arbeitstakt einerseits und des Ständerflusssollwerts in dem aktuellen Arbeitstakt andererseits das Inkrement, wird der Ständerflusssollwert aus dem aktuellen Arbeitstakt so begrenzt, dass das maximal zulässige Inkrement nicht überschritten wird.

Vorteilhafter Weise wird zur Begrenzung der Fluss-Änderungsgeschwindigkeit (d.h. zur Einhaltung der maximalen Flussrampe) eine Begrenzungsregler-Struktur verwendet, der der gefilterte Betrag des Istwertes und ein Maximalwert der flussbildenden Komponente (d-Komponente im rotorfesten Koordinatensystem d-q) des Ständerstromes zugeführt werden. Dabei handelt es sich wie auch sonst um die grundschwingungsbezogene Komponente, also ohne Oberschwingungsanteile. Vorzugsweise weist dieser Begrenzungsregler einen P-Regler auf, d.h. einen Regler, dessen Stellgröße proportional zu der SolMstwertabweichung (hier der Differenz zwischen dem der Sollwert und dem Maximalwert der flussbildenden Komponente des Ständerstromes) am Eingang des Reglers ist.

Ebenfalls bevorzugt wird, dass die Struktur ausgestaltet ist, die Differenz eines vorgefilterten Ist-Wertes der drehmomentbildenden Komponente (q-Komponente, grundschwingungsbezogen) des Ständerstromes und eines Maximalwertes der drehmomentbildenden Komponente (grundschwingungsbezogen) des Ständerstromes einem Proportional-, Integralregler (Pl-Regler) zuzuführen, dessen Ausgang mit einem Eingang der ersten Begrenzungseinrichtung verbunden ist.

Die erfindungsgemäße Ständerstrombegrenzung ist insbesondere bei hochdynamischen Betriebszuständen der Maschine (z.B. bei dem erwähnten Wechsel von Rollen auf dynamisches Bremsen eines Fahrzeugs) anwendbar. Es können hohe Drehmomente und große Änderungen des Ständerflusses zeitgleich zugelassen werden.

Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung wird bei der Berechnung des Schlupffrequenzmaximalwertes bzw. des Drehmomentmaximalwertes nicht (wie bei Maischak, s.o.) davon ausgegangen, dass die Flussänderung des magnetischen Flusses ungefähr gleich Null ist, da die damit verbundene Vernachlässigung als eine der Ursachen für die häufigen Überstromabschaltungen identifiziert wurde. Vielmehr wird unter Verwendung eines gefilterten Ist-Wertes (im Gegensatz zum von Maischak verwendeten stationären Magnetisierungsstrom) des flussbildenden Grundschwingungsstromes (d-Komponente im rotorfesten Koordinatensystem d-q) und unter Verwendung des bekannten Wertes für den Maximalwert des Gesamt- Ständerstromgrund- schwingungswertes der zulässige Maximalwert des drehmomentbildenden Ständerstroms (q-Komponente im d-q-Koordinatensystem) berechnet. Daraus wird wiederum der zulässige Maximalwert der Schlupffrequenz bzw. des Drehmomentes berechnet.

Durch Verwendung des gefilterten Grundschwingungs-Istwertes anstelle des stationären Magnetisierungsstromes für die flussbildende Komponente des Ständerstromes wird die Schwierigkeit überwunden, dass Maximalwerte sowohl für die d-Komponente als auch die q-Komponente des Ständerstroms zu berechnen sind oder abzuschätzen sind, aber in der Regel keine ausreichenden Informationen hierfür zur Verfügung stehen. Würden andererseits feste, zeitkonstante Maximalwerte sowohl für die d-Komponente und für die q-Komponente verwendet, würde nicht der maximal möglich Gesamtstrombetrag des Ständerstromes genutzt, was insbesondere beim Betrieb von Schienenfahrzeugen wichtig ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Die einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen:

Fig.1 eine Anordnung mit einer Drehstrommaschine, die von einem 3-Phasen-

Stromrichter gespeist wird, wobei der Betrieb des Stromrichters und damit die

Drehstrommaschine von einer Regelstruktur geregelt wird, Fig. 2 eine Teilstruktur der Regelstruktur gemäß Fig. 1 , jedoch mit einem

Schlupffrequenzregler statt einem Drehmomentregler, Fig. 3 eine bevorzugte Ausführungsform für die in Fig. 2 dargestellte

Begrenzungseinrichtung zur Begrenzung der flussbildenden

Ständerstromkomponente, Fig. 4 eine bevorzugte Ausführungsform für die in Fig. 2 dargestellte Einrichtung zur

Berechnung des Maximalwertes des Sollwertes der drehmomentbildenden

Ständerstromkomponente, Fig. 5 eine bevorzugte Ausführungsform für die in Fig. 2 dargestellte

Begrenzungseinrichtung zur Begrenzung der drehmomentbildenden

Ständerstromkomponente, Fig. 6 eine Darstellung verschiedener Betriebssituationen, bei denen ein zu hoher

Ständerstrom angefordert wird, wobei die Darstellung einen Quadranten im rotorflussfesten Koordinatensystem d-q zeigt,

In Fig. 1 ist eine Struktur A der gesamten Antriebsregelung einer Drehstrommaschine N, die wahlweise mit oder ohne Drehzahl- bzw. Drehwinkelgeber betrieben werden kann, dargestellt. Bei der Drehstrommaschine kann es sich um eine Asynchronmaschine oder um eine Synchronmaschine, vorzugsweise mit Permanenterregung, handeln. Im Einzelnen sind dargestellt und mit den folgenden Bezugszeichen versehen: eine Einheit B, die einen Pulsmustergenerator, einen Drehmomentregler und einen Flussregler enthält, der Stromrichter C (d.h. ein 3-Phasen-Wechselrichter), der die Ansteuerimpulse von der Einheit B empfängt und dementsprechend die Maschine N über drei Phasen mit Strom versorgt, eine Einrichtung D zur Nachbildung der Flussverkettungen (Ständer- und Rotorfluss) sowie des Drehmoments (Flussbeobachter), eine Einrichtung E zur Berechnung der Ausgangsspannung des Stromrichters C, eine Einheit F, die eine Transformation von gemessenen Stromwerten von zumindest zwei der drei Phasen in das rotorflussfeste Koordinatensystem d-q und Filter zur Glättung der Stromwerte aufweist. Eine entsprechende Messeinrichtung zur Messung der Phasen-Stromwerte ist mit G bezeichnet. Die gemessenen Stromwerte werden über eine entsprechende Leitungsverbindung sowohl der Einrichtung D, der Einheit F, der Einheit E als auch der Einheit B zugeführt.

Optional ist eine Messeinrichtung H zur Messung der Drehzahl bzw. des Drehwinkels an der Maschine N vorgesehen. Das Ergebnis der Drehzahlmessung oder -Schätzung bzw. Drehwinkelmessung oder -Schätzung wird der Einrichtung D zugeführt.

Ferner misst eine Messeinrichtung I die Gleichspannung auf der Gleichspannungsseite des Stromrichters C und führt diese der Einheit B und der Einrichtung E zu.

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird durch die Teilstruktur J realisiert, die in der Mitte der Fig. 1 dargestellt ist und die in einer geringfügig modifizierten Variante noch anhand von Fig. 2 näher beschrieben wird. Anhand von Fig. 1 werden lediglich die Schnittstellen zu den anderen Teilen der Struktur A beschrieben.

Die Einheit F führt der Struktur die gefilterten absoluten Beträge der Stromgrund- schwingungskomponenten im rotorflussfesten Koordinatensystem d-q zu, d.h. den

Betrag | i _sd \ _f der flussbildenden Stromgrundschwingungskomponente i _sd und den

Betrag \ i _Sq \ _f der drehmomentbildenden Stromgrundschwingungskomponente i _Sq . Dabei werden geglättete, d.h. gefilterte Beträge, die den Grundschwingungswerten entsprechen, von der Einheit F erzeugt und ausgegeben. Ferner gibt die Einheit F auch den vorzeichenbehafteten gefilterten Istwert der flussbildenden Stromgrundschwingungs- komponente i^ _mod an die Teilstruktur J aus.

Ausgangsgrößen der Teilstruktur J sind die Sollwerte für die beiden in der Einheit B vorhandenen Regler, den Ständerflussregler und den Drehmomentregler. Im Fall der Variante der Teilstruktur gemäß Fig. 2 ist anstelle des Drehmomentreglers ein Schlupffrequenzregler vorgesehen. Die Teilstruktur gemäß Fig. 2 gibt daher anstelle des

Drehmomentsollwertes M' einen Schlupffrequenzsollwert &> ^* aus. Der Sollwert für den Ständerflussregler ist in beiden Fällen ein anstiegsbegrenzter Sollwert ψj _rmp , wobei unter Anstieg auch ein Abfall verstanden wird. Anders ausgedrückt wird die Geschwindigkeit, mit der der Sollwert des Ständerflusses ansteigen oder abfallen kann, von der Teilstruktur J begrenzt.

Der Pulsmustergenerator in Einheit B kann z. B. innerhalb einer Signal- oder mikroprozessorgesteuerten Signalelektronik realisiert sein. Wie in der WO 2008/052714 A1 näher beschrieben ist, kann in ihm insbesondere ein Regelverfahren mit mittelwertbasierter Pulsmustergenerierung und Dead-Beat-Verhalten der Ständerflussregelung implementiert sein. Außerdem kann er eine Implementierung eines ständerfluss- geführten, augenblickswert-basierten Pulsmustergenerators enthalten. Auch bezüglich weiterer möglicher Ausgestaltungen der Struktur A wird auf die WO 2008/052714 A1 verwiesen.

Fig. 2 zeigt die erwähnte Variante der Teilstruktur J am Beispiel der vorteilhaften Ausführungsform mit unterlagerter Ständerflussregelung und Schlupffrequenzregelung gemäß Fig. 1. Eingangsgrößen der Teilstruktur sind außer den bereits anhand von Fig. 1 erwähnten gefilterten Beträgen des flussbildenden und des drehmomentbildenden Grundschwingungsstroms sowie des gefilterten Istwertes des flussbildenden Grundschwingungsstromes ein Soll-Maximalwert des flussbildenden Grundschwingungsstroms

4 _/,m _ _x ^un d ^e ' ⁿ Sollwert M ^* des Drehmoments der Maschine N sowie der Maximalwert des Gesamt-Ständerstromgrundschwingungsbetrages i _s ^ _x .

Um einen links oben in Fig. 2 dargestellten Bereich der Teilstruktur ist ein rechteckiger Rahmen 101 gezogen. Dieser Bereich enthält Ausführungsformen von wesentlichen Elementen der vorliegenden Erfindung. Dazu gehören insbesondere die Begrenzungseinrichtungen für die Begrenzung sowohl des flussbildenden (d-Komponente) als auch des drehmomentbildenden (q-Komponente) Ständergrundschwingungsstroms. Die Begrenzungseinrichtung für die d-Komponente ist mit dem Bezugszeichen 119 bezeichnet, die Begrenzungseinrichtung für die q-Komponente mit dem Bezugszeichen 112.

Der Begrenzungseinrichtung 119 werden der gefilterte Betrag des Istwertes der

flussbildenden Stromgrundschwingungskomponente i _Sd und der Soll-Maximalwert 4 _/,max der flussbildenden Stromgrundschwingungskomponente i _Sd zugeführt. Wie noch näher anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 3 beschrieben wird, berechnet die Begrenzungseinrichtung 119 daraus das maximale Inkrement ΔΨ _{S max} des

Ständerflussbetrages |Ψ _S . Diese Ausgangsgröße wird als eine Eingangsgröße einer

Einheit 121 zugeführt. Eine weitere Eingangsgröße dieser Einheit ist der Sollwert Ψ^ des Ständerflussbetrages. Daraus berechnet die Einheit 121 als Ausgangsgröße einen anstiegsbegrenzten Sollwert Ψj _<rmp , der hinsichtlich der Anstiegsgeschwindigkeit entsprechend dem Ausgangswert der Einheit 119 begrenzt ist. Im Ergebnis wirkt die Begrenzungseinrichtung 119 lediglich begrenzend auf den Sollwert s des

Ständerflussbetrages, wenn dieser die im momentanen Arbeitstakt maximal erlaubte Anstiegsgeschwindigkeit überschreiten würde.

Ein Differenzglied 122 bildet die Differenz zwischen dem begrenzten Sollwert des

Ständerflussbetrages Ψ^ ,.„,,, und dem Betrag des Istwertes des Ständerflusses Ψ

Diese Differenz wird dem Flussregler 123 als Regelabweichung zugeführt. In der Darstellung gemäß Fig. 1 würden sich das Differenzglied 122 und der Ständerflussregler 123 innerhalb der Einheit B befinden, sind dort aber nicht dargestellt. Der Betrag des Istwertes des Ständerflusses wird der Einheit B von der Einrichtung D zugeführt.

Im unteren Teil des Bereichs 101 innerhalb der Teilstruktur, die in Fig. 2 dargestellt ist, ist eine Berechnungseinrichtung 110 dargestellt, die als Eingangswerte den Maximalwert z _{5 max} des Ständerstromgrundschwingungsbetrages z ₅ und den gefilterten Istwert i _{Sd moi} der flussbildenden Ständerstromgrundschwingungskomponente zugeführt wird.

Der gefilterte Istwert i _{Sd mod} kann insbesondere auf andere Weise gefiltert werden als die

Werte der flussbildenden und drehmomentbildenen Stromgrundschwingungskompo- nenten. Die Berechnung innerhalb der Einrichtung 110 wird gemäß den folgenden Gleichungen vorgenommen.

ιS,rmx ~ ( ¹ Sd, moi ) ⁺ v&7,max ) (Gl. 1 )

2

Sq, πnx ⁼ vfc.π-χ) ² -': Sd.mod (Gl. 2)

Gleichung 1 gibt die Beziehung zwischen dem Quadrat des Ständerstromgrund- schwingungsbetrags i _s , d.h. dem Quadrat des Ständerstromzeigers im rotorflussfesten d-q-Koordinatensystem, einerseits und der Summe der Quadrate der ständerfluss- bildenden i _Sd und der drehmomentbildenden i _Sq Stromkomponente in dem d-q-

Koordinatensystem wieder. Alle Größen der Gleichung 1 beziehen sich auf die Grundschwingung, d.h. ohne Oberschwingungen des Ständerstroms. Dabei sind in der Gleichung 1 die Größen eingesetzt, die die Eingangsgrößen bzw. Ausgangsgrößen der Berechnungseinrichtung 110 sind. Aufgelöst nach der Ausgangsgröße, dem Soll- Maximalwert i^ ^* _max der drehmomentbildenden Ständerstromgrundschwingungs- komponente (q-Komponente) ergibt sich Gleichung 2.

Außerdem gibt die Berechnungseinrichtung 110 einen Wert der Schlupffrequenz ω _s ' _ι , _lun aus, der durch Multiplikation des anderen Ausgangswertes mit einem Faktor K dividiert durch den Betrag des Rotorflusses Ψ _r erhalten wird. Diese beiden Ausgangswerte der Berechnungseinrichtung 110 werden als Eingangswerte der Begrenzungseinrichtung 112 zur Begrenzung der drehmomentbildenden Stromgrundschwingungs- komponente des Ständerstromes zugeführt. Die Begrenzungseinrichtung 112 erhält außerdem als Eingangsgröße den Betrag des gefilterten Grundschwingungsistwertes der drehmomentbildenden Stromkomponente ι Sq

Als Ausgangsgröße erzeugt die Begrenzungseinrichtung 112 im Fall der Ausführungsform gemäß Fig. 2 den Maximalwert des Sollwertes der Schlupffrequenz ω _s ' _ι , _J113x aus, der im momentanen Arbeitstakt maximal zulässig ist. Dieser Maximalwert wird einem Begrenzer 107 zugeführt, der die Begrenzung der Schlupffrequenz wirksam werden lässt. Darunter wird verstanden, dass der Sollwert der Schlupffrequenz ω _s ^* _ι auf den genannten Maximalwert begrenzt wird. Ist der Sollwert der Schlupffrequenz im momentanen Arbeitstakt nicht größer als der Maximalwert oder nicht kleiner als der negative Wert des Maximalwertes findet durch den Begrenzer 107 keine Veränderung des Sollwertes statt. Andernfalls wird der Sollwert auf den Maximalwert oder das Negative des Maximalwertes reduziert bzw. (Vorzeichen richtig betrachtet) erhöht.

Im Fall der Teilstruktur J gemäß Fig. 1 würde die Begrenzungseinrichtung 112 einen Maximalwert für das Drehmoment der Maschine erzeugen und an den Begrenzer 107 ausgeben.

Wie unten in Fig. 2 näher dargestellt ist, können optional weitere Begrenzungen des Drehmomentsollwertes und/oder des Schlupffrequenzsollwertes stattfinden. Insbesondere kann in der dargestellten Einrichtung 103 eine Umrechnung des Drehmomentsollwertes M' in den Schlupffrequenzsollwert ω _s ^* _ι stattfinden und kann dieser konvertierte Wert vor seiner Zuführung zu dem Begrenzer 107, also als unbegrenzter Sollwert im Sinne der Begrenzung durch den Begrenzer 107, in Einheit 105 vorab begrenzt werden, um einen Kippschutz der Maschine, eine Leistungsbegrenzung der Maschine, eine Strombegrenzung des Stromrichtereingangsgleichstromes und/oder eine Radschlupfregelung bezüglich des an Rädern eines Schienenfahrzeuges möglichen Schlupfes zu realisieren. Prinzipiell können derartige Regelungen und Begrenzungen alternativ an dem Ausgangswert des Begrenzers 107 vorgenommen werden, jedoch ist die im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 gezeigte Reihenfolge besonders vorteilhaft.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist ferner eine so genannte U _d -Abschaltung zur Dämpfung von Schwingungen im Gleichspannungskreis auf der Gleichspannungsseite des Stromrichters C gemäß Fig. 1 in Einheit 109 realisiert. Eine genauere Beschreibung der U _d -Abschaltung findet sich z.B. in der DE 4110225. Der Ausgangswert der Einheit 109 (falls vorhanden) oder der Ausgangswert des Begrenzers 107 wird einem Differenzglied 111 zugeführt, das die Differenz zu dem Istwert der Schlupffrequenz ω _sι bildet und die Differenz als Reglerabweichung dem Schlupffrequenzregler 113 zuführt. Das Differenzglied 111 und der Schlupffrequenzregler 113 würden sich bei der Variante mit Schlupffrequenzregler in Block B in Fig. 1 befinden. Im Fall des Drehmomentreglers gibt der Begrenzer 107 entsprechend einen begrenzten Sollwert des Drehmoments aus, bildet das Differenzglied 111 die Differenz zu dem Istwert des Drehmoments und führt die Differenz als Eingangsreglerabweichung dem Drehmomentregler zu.

Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform für die in Fig. 1 dargestellte Begrenzungseinrichtung 119 zur Begrenzung der flussbildenden Ständerstrom- grundschwingungskomponente i _Sd . Die Begrenzungseinrichtung bewirkt die Begrenzung, indem die Anstiegsgeschwindigkeit des magnetischen Flusses begrenzt wird. Als Eingangsgrößen werden der Struktur der absolute Betrag |z _ω des gefilterten

Ist-Wert des flussbildenden Stromes (d-Komponente der Ständerstromgrundschwingung) und der Maximalwert i^ _>max des flussbildenden Grundschwingungsstromes zugeführt.

Der hochgestellte Stern in dem Symbol bedeutet (wie auch sonst in dieser Beschreibung), dass der Wert ein Sollwert ist. Diese beiden Eingangsgrößen werden in dem Differenzglied 201 voneinander abgezogen und die Differenz wird dem Proportionalregler 203 als Eingangssignal zugeführt. Durch den Proportionalitätsfaktor, der mit der Eingangsdifferenz multipliziert wird, wird in dem Ausführungsbeispiel eine Normierung der Größe bewirkt. Der Ausgangswert des Reglers wird einem Begrenzungsglied 205 zugeführt, das diesen Eingangswert nach oben auf den Wert 0 und nach unten auf den Wert -1 begrenzt. Der am Ausgang des Begrenzungsgliedes 205 zur Verfügung stehende begrenzte Wert wird gemäß der dargestellten optionalen Ausführungsform der Einheit 207 zugeführt, die den im Bereich von -1 bis 0 liegenden normierten Wert um eins erhöht, so dass er im Bereich von 0 bis 1 liegt. Der so erhaltene Wert ist in Fig. 3 mit dem Symbol K _ψ bezeichnet. Er wird einem Multiplizierer 209 als ein erstes Eingangssignal zugeführt. Ein weiteres, zweites Eingangssignal des Multiplizierers 209 ist das maximale Inkrement des Ständerflussbetrages AΨ^ ^NC , ein vorgegebener Parameter. Als Ergebnis erhält man als Ausgangssignal der Begrenzungseinrichtung 119 in der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform den Maximalwert ΔΨ _{S max} des Inkrements des Ständerflussbetrages für den aktuellen Arbeitstakt. Die Wirkungsweise dieses Maximalwertes ΔΨ _S ^ _x wurde anhand von Fig. 1 beschrieben.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der Berechnungseinrichtung 110 gemäß Fig. 2. Die beiden Eingangswerte werden jeweils einem Quadrierer 301 bzw. 303 zugeführt, der die Eingangswerte gemäß Gleichung 1 bzw. Gleichung 2 quadriert. Die quadrierten Werte werden einem Differenzglied 305 zugeführt, das gemäß Gleichung 2 das Argument der Quadratwurzel auf der rechten Seite der Gleichung berechnet. Dieses Argument wird einer Einrichtung zur Berechnung der Quadratwurzel 307 zugeführt, die das Ergebnis der rechten Seite der Gleichung 2 berechnet. Am Ausgang der Berechnungseinrichtung 307 steht daher der erste Ausgangswert der Berechnungseinrichtung 110, nämlich der maximale Sollwert der drehmomentbildenden Stromgrundschwingungskomponente is ^* _{q ,max} ^zur Verfügung. Wie bereits beschrieben, wird dieser erste Ausgangswert durch Multiplikation mit dem Faktor K dividiert durch den Betrag des Rotorflusses |Ψ _r | in den entsprechenden Wert der Schlupffrequenz umgerechnet. Die entsprechende Multipliziereinrichtung ist mit dem Bezugszeichen 309 bezeichnet. Der genannte Faktor K ist eine Zusammenfassung von Größen. Die folgende Gleichung 3 gibt die Beziehung zwischen den beiden Ausgangsgrößen der Berechnungseinrichtung 110 und somit auch die den Faktor K bildenden Größen wieder:

L ₁ 1

⁽ O _S , i Um = K ¹ So. max (Gl. 3)

L ₁ + L ₉ Ψ. Dabei bedeuten: R _r den ins Gamma Ersatzschaltbild transformierten Rotorwiderstand, L _s die Induktivität der Ständerwicklung, L _σ die Streuinduktivität des Gamma Ersatzschaltbildes der Asynchronmaschine.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform der Begrenzungseinrichtung 112 gemäß Fig. 2. Der Begrenzungseinrichtung 112 werden wie erwähnt als Eingangsgrößen der Maximal-

Sollwert i^' ^ _x der der drehmomentbildenden Komponente (q-Komponente) des

Ständergrundschwingungsstromes und der gefilterte Betrag des Grundschwingungsistwertes I i _Sq \ _f dieser Komponente zugeführt. Ein Differenzglied 401 bildet die Differenz der Eingangsgrößen und führt die Differenz als Regelabweichung einem Regler 403 zu, bei dem es sich in dem Ausführungsbeispiel um einen Pl-Regler handelt. Im Gegensatz zu der Verwendung eines P-Reglers zur Begrenzung der flussbildenden Stromkomponente (siehe Fig. 3) wird für die Begrenzung der drehmomentbildenden Stromkomponente ein Pl-Regler mit zusätzlichem Integralanteil bevorzugt.

Der Ausgangswert des Reglers 403 wird einem Begrenzer 405 zugeführt, der den aufgrund des entsprechend gewählten Proportionalitätsfaktors des Reglers 403 normierten Ausgangswert des Reglers im Bereich von -1 bis 0 begrenzt. Der so begrenzte Ausgangswert des Begrenzers 405 wird einem Summierer 407 zugeführt, der den Wert 1 addiert, so dass der Ausgangswert des Summierers 401 , der mit K _M bezeichnet ist, auf den Wertebereich 0 bis 1 begrenzt ist. Durch einen Multiplizierer 409 wird dieser Wert K _M durch den nachgeschalteten Multiplizierer 409 mit dem zweiten

Ausgangswert der Berechnungseinrichtung 110, dem maximalen Sollwert ω _s ^* _ι , _lim der Schlupffrequenz multipliziert, so dass ein entsprechender begrenzter maximaler Sollwert ^ω sι , _max der Schlupffrequenz als Ausgangswert erhalten wird. Wie anhand von Fig. 2 beschrieben wurde, wird dieser Ausgangswert dem Begrenzer 107 zugeführt.

Fig. 6 zeigt den ersten Quadranten des rotorfesten Koordinatensystems d-q. Entlang der horizontalen Achse, der d-Achse, nimmt daher die flussbildende bzw. magnetisierende Stromkomponente des Ständerstroms i^ zu. Entlang der q-Achse, der vertikalen Achse, nimmt die Komponente des drehmomentbildenden Ständerstroms i _Sq zu.

Der Viertelkreis in dem Quadranten, dessen Mittelpunkt im Ursprung des Koordinatensystems d-q liegt, entspricht dem zulässigen Maximalwert des Gesamt- Ständerstromgrundschwingungswertes i _{S ιaa} . Keiner der Stromraumzeiger (auch als

Stromvektor bezeichnet), die sich von dem Ursprung ausgehend durch den Quadranten erstrecken und die jeweils einer Anforderung eines Stroms entsprechen, darf sich daher über den Viertelkreis hinaus erstrecken. Bei den mit den Ziffern 2, 4 und 5 bezeichneten Stromzeigern ist dies der Fall. Daher greift die erfindungsgemäße Begrenzungsregelung ein und reduziert diese Stromraumzeiger, wie noch näher beschrieben wird. Dabei kann nicht nur der Betrag des jeweiligen Stromraumzeigers verändert werden, sondern je nach Betriebssituation auch dessen Richtung.

Außerdem existiert ein Maximalwert für die flussbildende Stromgrundschwingungs- komponente des Ständerstroms, der in der Figur durch eine vertikale, gestrichelte Linie dargestellt ist. Der Maximalwert ist durch das Symbol i _{sd πax} bezeichnet. Zwei der

Stromzeiger, die mit den Ziffern 1 und 3 gekennzeichnet sind, enden zwar innerhalb des Viertelkreises des maximal zulässigen Gesamtstromgrundschwingungsbetrages i _s<ma .

Sie ragen jedoch über die vertikale, gestrichelte Linie an der Stelle i _{Sd rmx} hinaus, d.h. überschreiten den Grenzwert für den maximal zulässigen flussbildenden Grundschwingungsstrom. Wie noch näher ausgeführt wird, werden diese Stromraumzeiger allein durch Reduktion der flussbildenden Stromkomponente i _sd auf einen zulässigen Stromraumzeiger begrenzt.

Außer dem Maximalwert für den Gesamt-Ständerstromgrundschwingungsbetrag existiert, wie in Fig. 6 dargestellt, auch ein Maximalwert für die flussbildende Stromkomponente i _sd . Gemäß der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die

Einhaltung des Grenzwertes während Flussänderungen durch einen separaten Begrenzungsregler gewährleistet (siehe Fig. 2 und 3). Bedingt durch die Funktionsweise dieses Begrenzungsreglers (im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 mit einem P-Regler) kann der Grenzwert jedoch zeitweise zumindest geringfügig überschritten werden.

Im Folgenden werden nun die verschiedenen durch zu hohe Stromanforderung hervorgerufenen Situationen gemäß Fig. 6 diskutiert. Im Fall des Stromraumzeigers 1 wird ein Strom angefordert, der ausschließlich eine flussbildende Stromkomponente enthält. Zwar befindet sich die Spitze des angeforderten Stromraumzeigers innerhalb des Viertelkreises, d.h. der Gesamt-Ständerstromgrundschwingungs-Maximalwert ist nicht überschritten, jedoch ist der Grenzwert für die flussbildende Grundschwingungskomponente des Stroms ι _{ω jtnax} überschritten. Daher wird durch die Funktionsweise des separaten Reglers der Strom entsprechend auf den mit 1' bezeichneten Stromvektor reduziert.

Einen ähnlichen Fall stellen die Stromraumzeiger dar, die mit den Symbolen 3 und 3' bezeichnet sind. Dieser Fall unterscheidet sich nur dadurch von dem Fall 1 , dass beide Stromraumzeiger, der zu hohe angeforderte und der reduzierte Stromraumzeiger, auch eine drehmomentbildende Stromkomponente aufweisen. Diese drehmomentbildende Stromkomponente bleibt gleich, d.h. wird von der Veränderung des Stromzeigers nicht betroffen. Lediglich wird durch Begrenzung der flussbildenden Komponente bewirkt, dass die flussbildende Komponente des reduzierten Stromvektors nicht mehr den Grenzwert i _Sd ^ _x überschreitet. Die Fälle 1 und 3 weisen einen angeforderten Stromvektor auf, dessen Spitze sich in einem Bereich des ersten Quadranten des d-q- Koordinatensystems befindet, die mit "q-priority" bezeichnet ist. Wie soeben beschrieben wurde, ist bei der Reduzierung des angeforderten Stromvektors auf einen zulässigen Stromvektor die q-Komponente, d.h. die drehmomentbildende Stromkomponente i _Sq , nicht betroffen. Sie hat daher Priorität gegenüber der flussbildenden Stromkomponente i _Sd . Dieser Bereich mit q-Priorität endet links an dem Maximalwert für die flussbildende

Stromkomponente i _{sd iinax} . Oben endet dieser Bereich mit q-Priorität an der horizontalen Linie, die durch den Schnittpunkt der Maximalwertlinie von ι _ω>imx mit dem Viertelkreis verläuft. Unmittelbar über den Bereich mit q-Priorität, ebenfalls rechts der vertikalen, gestrichelten Linie für i _Sd ^ _x , befindet sich ein Bereich ohne Priorität. Liegt die Spitze eines angeforderten Stromraumzeigers in diesem Bereich, wird der Stromraumzeiger unter Veränderung sowohl der d-Komponente als auch der q-Komponente des Ständerstroms reduziert. Diese Art der Begrenzung von Raumzeigern wird auch als winkelrichtige Begrenzung bezeichnet. Dem entsprechen in der Darstellung von Fig. 6 zwei Beispielfälle. Im Fall des angeforderten Stromraumzeigers 4 kreuzt dieser Stromraumzeiger den Viertelkreis des Maximalwerts des Gesamtständerstroms genau an der Grenzlinie des Bereichs mit q-Priorität und des Bereichs mit keiner Priorität ("no priority"). Da durch die Begrenzung auf den Maximalwert des flussbildenden Stromes und durch Begrenzung auf den Maximalwert des Gesamtständerstroms ein Stromraumzeiger erzielt wird, der genau an diesem Schnittpunkt des Stromraumzeigers 4 mit dem Viertelkreis endet, wird im Fall 4 keine Richtungsänderung, also wie oben erwähnt eine winkelrichtige Begrenzung, an dem Stromzeiger vorgenommen.

Dagegen findet im Fall des Stromraumzeigers 5 wiederum eine solche Richtungsänderung statt. Der Stromraumzeiger 5 wird ebenfalls auf den zulässigen Stromraumzeiger reduziert, der an dem Schnittpunkt der Grenzlinie der beiden genannten Prioritätsbereiche bzw. des Bereichs mit keiner Priorität und dem Viertelkreis endet. Dieser dort endende Pfeil ist daher mit den Bezugszeichen 4 ¹ und 5' bezeichnet.

Oberhalb des Viertelkreises und links von dem Maximalwert für die flussbildende Stromkomponente i _{Sd <πm} befindet sich der Bereich mit "d-Priorität" (in der Darstellung als

"d-priority" bezeichnet). Dort endet im Ausführungsbeispiel der geforderte Stromvektor 2. Er wird mit Hilfe der erfindungsgemäßen Begrenzungsregelung automatisch so auf einen zulässigen Stromvektor 2' reduziert, der dieselbe flussbildende Stromkomponente i _Sd hat, jedoch eine entsprechend dem zulässigen Gesamt-Ständerstromgrundschwingungs- maximalwert reduzierte drehmomentbildende Stromkomponente hat. Da also keine Reduktion der flussbildenden Stromkomponente stattfindet, wird dieser Bereich zutreffend als Bereich mit d-Priorität bezeichnet.