Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben von permanenterregten elektrisch einphasigen Wechselstrom¬ maschinen.

Ein Ausführungsbeispiel für eine permanenterregte elek¬ trisch einphasige Wechselstrommaschine ist die Trans- versalfluSmaschine. Diese Maschinen sind permanenterregte Synchronmaschinen mit einer hohen Kraftdichte bei sehr geringen Verlusten der Ankerwicklung. Von Wechselrichtern gespeist, werden diese Maschinen in naher Zukunft in vielen, verschiedenen Anwendungsbereichen - wie z. B. Direktantriebe höchster Kraftdichte, Traktionsantriebe mit der richtigen Aufteilung des Antriebsmomentes auf verschiedene Antriebsgruppen und hohem Wirkungsgrad, und Linearantriebe - den Gleichstromantrieb mit Sicherheit verdrängen.

Das Prinzip der Transversalflußmaschine beruht darauf, da3 aufgrund der speziellen Ausbildung des magnetischen Kreises, der Nutzfluß quer zur Bewegungsrichtung ver¬ läuft. Die dadurch möglichen Bauformen der Ankerwick¬ lungen - Ringspulen in ümfangsrichtung - ermöglichen eine hohe Kraftdichte mit einer kleinen Ankerdurchflutung bei einer kleinen Polteilung. Dies hat sehr niedrige Verluste zur Folge, was den Wirkungsgrad steigert und die Kühlung der Maschine wesentlich vereinfacht. Einen weiteren Vorteil bietet die Transversalflußmaschine im Feld- sσhwäσhebereich, wo mit konstant zugeführter Leistung ein großer Drehzahlbereich abgedeckt werden kann. Wobei unter Feldschwäσhebereich einer Transverεalfluß aschine jener Bereich zu verstehen ist, wo die innere Spannung der Maschine die ZwischenkreisSpannung übersteigt.

In der OffenlegungsSchrift DE 37 05 089 AI wird ein

Schaltungskonzept für die Energieversorgung einer zwei- strängigen Transversalflußmaschine beschrieben. Hierbei besteht der Wechselrichter aus zwei 4-Quadrantensteilern. Der Wechselrichter wird zur Spannungsanpassung im Puls- betrieb getaktet. Die Gleichspannung kann also über einen ungesteuerten Gleichrichter aus dem dreiphasigen Netz gewonnen werden. Ist eine beschleunigte Kommutierung, unter Vermeidung des Pulsbetriebes, gewünscht so muß die Schaltung erweitert werden. Ein Gleichspannungs-Stell¬ glied regelt die wirksame Spannung in der Arbeitsphaεe. Der Hochsetzs eiler bildet die KommutierungsSpannung, die über das Gleichspannungs-Stellglied an den Wechselrichter gelegt wird. Der Hochsetzsteller kann dabei, in Abhän- gigkeit von verschiedenen Parametern wie z. B. von Dreh¬ zahl oder Laststrom, die KommutierungsSpannung anpassen.

Der Nachteil dieses Schaltungskonzeptes besteht darin, daß eine wirtschaftliche Auslegung des Umrichters sowie eine optimale Anpassung an die Bedürfnisse des Anwenders, unter Aussσhöpfung aller Vorteile, der Transversalflu߬ maschine nicht möglich ist.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer permanenterregten elek¬ trisch einphasigen WechselStrommaschinen zu schaffen, welches sowohl eine optimale Ausnutzung der Maschine sowie eine wirtschaftliche Auslegung des Umrichters ermöglicht.

Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst. Dieses Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß durch Einprägung bestimmter Formen einer Klemmenspannung eine Minimierung des Effektivwertes eines Strangεtromes der Wechselstrommaschine bei einem maximalen Drehmoment erreichbar ist.

Mit der Erfindung dieses Verfahrens ist es erstmals möglich einen, nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten ausgelegten, Umrichter zur Speisung einer permanenter¬ regten elektrisch einphasigen WechselStrommaschinen, wie z. B. einer Transversalflußmaschine, einzusetzen und dabei sämtliche Vorteile dieser Maschine für die ver¬ schiedensten Anwendungsbereiche zu nutzen.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung weist die Klemmen- Spannung einander abwechselnde sinusförmige Anteile und Bereiche zwischen ersten und zweiten Umschaltzeitpunkten, innerhalb derer die Klemmenspannung den Maximalwert der verfügbaren Spannung annimmt, auf. Der Vorteil dieses Merkmales besteht darin, daß durch die Einprägung dieser speziellen Spannungsform, im Übersteuerungsbereich der

Maschine, der Effektivwert des Strangstromes der Maschine auf ein Minimum begrenzt wird und ein maximales Dreh¬ moment erreicht wird. Dies geschieht durch Ausnutzung der Induktivität der Maschine als Energiespeicher.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Klemmenspannung eine Rechtecksform aufweist, wobei die Klemmenspannung den Maximalwert der verfügbaren Spannung annimmt. Vorteilhaft bei dieser Weiterbildung ist, daß es erstmals möglich ist auch im Feldschwächebereich der

Maschine bei einem maximalem Drehmoment den Strangstrom zu minimieren. Dies schafft die Möglichkeit auch den Umrichter optimal auszulegen.

Einer Ausgestaltung der Erfindung nach weist die Klemmen¬ spannung eine Sinusform auf. Der Vorteil dieser Aus¬ gestaltung besteht darin, daß auch im Grunddrehzahl- bereich der Maschine eine Optimierung des Verhältnisses des Strangstromeε zum Drehmoment erreicht wird.

Bei einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung ist die elektrische Wechselstrommaschine eine

Transverεalflußmaschine, und ein Meßwert Drehwinkel der Wechselεtrommaschine, eine Kreisfrequenz, welche ein differenzierendes Regelkreisglied aus dem Drehwinkel bildet, ein vorgewähltes Moment und eine Zwischenkreis- Spannung sind jeweils in einer ersten und einer zweiten Steuereinrichtung einspeisbar, und die erste Steuer¬ einrichtung UmsehaltZeitpunkte für eine Umεchaltung auf eine ZwisσhenkreisSpannung, je nach Polarität der Spannung innerhalb der Halbperiode, errechnet und diese Umschalt- Zeitpunkte an einen Steuersatz eines Wechselrichterε weitergibt, und die zweite Steuereinrichtung eine Soll- klemmenspannung bildet und damit den Steuersatz des Wechselrichters εpeiεt. Der Vorteil dieser speziellen Ausgestaltung besteht darin, daß der Verlauf der Klem- enspannung der Maschine, durch daε Heranziehen deε inversen Motormodelleε zur Spannungsbildung, in Abhän¬ gigkeit vom vorgewählten Moment, optimiert wird. Dies ermöglicht eine exakte Anpassung der Maschine an die Erfordernisse des jeweiligen Einsatzbereicheε.

In Fig. 1 biε 3 εind die verschiedenen einzuprägenden Spannungεformen und in Fig. 4 ist ein Ausführungεbeispiel der Erfindung in Form eines Blockschaltbildeε darge- εtellt.

Jeweils das gleiche Koordinatensystem kennzeichnet Fig. 1 bis 3. Auf der Abszisse ist jeweils die normierte Zeit τ, die sich aus dem Drehwinkel φ multipliziert mit der Polpaarzahl p errechnet, aufgetragen. Die Ordinate weist jeweils eine normierte Skala auf, die von -1,00 bzw.

-1,50 über 0 bis +1,00 bzw. +2,00 reicht und sowohl für die eingeprägte Klemmenspannung u als auch für den Strangstrom i und die innere Spannung der Maschine u_t_ gilt. Der Wert für die ZwiεchenkreisSpannung U__jc liegt jeweils bei +1,00. Es ist jeweils nur die positive

Halbwelle dargestellt, da für die negative Halbwelle sinngemäß die gleichen Kurvenverläufe gelten.

Fig. 1 zeigt den Überεteuerungsbereich der Maschine. Hier ist die eingeprägte Klemmenspannung u, welche sinus¬ förmige Anteile und einen Bereich zwischen den Umschalt¬ zeitpunkten δ -Δ und δ +Δ wo die Spannung die Zwischen- kreisεpannung Uz*, annimmt, dargeεtellt. Wesentlich dabei ist, daß die Klemmenspannung u nicht einfach in die Zwischenkreisεpannung Uz* läuft, sondern zum definierten UmsehaltZeitpunkt δ -Δ den Maximalwert anzunehmen hat. Der hier ersichtliche Strangstrom i wird dadurch auf ein Minimum beschränkt.

Die in Fig. 2 dargestellte Klemmenspannung u gilt für den Feldschwächebereich der Maschine. Der optimale Verlauf der Klemmenspannung u ist rechteckförmig. Durch die Minimierung des Strangstromes i in diesem Betriebεbereich der Maεchine, ist es möglich auch den Umrichter optimal auszulegen.

Die Klemmenspannung u in Fig. 3 ist sinusförmig und die beste Spannungsform für den Grunddrehzahlbereich der

Maschine. Damit ist auch in diesem Betriebsbereich der Maschine eine Minimierung des Strangstromes möglich, was ein sehr günstigeε Verhältnis zwischen Strangstrom und Drehmoment bewirkt.

In Fig. 4 ist das Blockschaltbild eines Ausführungs¬ beispieles ersichtlich, wobei die elektrische Maschine 5, eine Transversalflußmaschine, den Meßwert Drehwinkel liefert. Dieser Meßwert wird in einem differenzierenden Regelkreisglied 6 in die Kreisfrequenz ω umgewandelt. Der Drehwinkel ψ, die Kreisfrequenz ω, das vorgewählte Moment m.oJi und die ZwischenkreisSpannung UZJC werden jeweils in die erste und die zweite Steuereinrichtung 1, 2 einge¬ speist. Die erste Steuereinrichtung 1 errechnet dann den Umschaltzeitpunkt δ-A bzw. δ+Δ für die Zwischen- kreisspannung -Uz*: bzw. +Uzic, je nach der Polarität der Spannung innerhalb der Halbperiode. Diese Umschaltzeit-

punkte δ-Δ , δ+Δ werden dann an den Steuerεatz 3 des Wechselrichters 4 weitergeleitet. Die zweite Steuer¬ einrichtung 2 führt die Spannungsbildung mittels einer Berechnung, unter Heranziehung des inversen Motormodelles und in Abhängigkeit deε vorgewählten Momentes 11.011, durch und speiεt damit ebenfalls den Steuerεatz 3 deε Wechεelriσhters 4.