Sensorlose feldorientierte und drehmomentoptimale Drehzahlregelung von Asynchronmaschinen mit Berücksichtigung des Sättigungsverhaltens:
Gespeichert in:
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| Format: | Abschlussarbeit Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Düsseldorf
VDI-Verl.
2007
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| Ausgabe: | Als Ms. gedr. |
| Schriftenreihe: | Fortschritt-Berichte
Reihe 21, Elektrotechnik ; 379 |
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | XIII, 153 S. Ill., graph. Darst. 21 cm |
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|---|---|
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Inhaltsverzeichnis
Abkürzungen und Formelzeichen VIII
1 Einleitung 1
2 Grundlagen und Modell der Asynchronmaschine 6
2.1 Begriffsbestimmungen und Definitionen 6
2.1.1 Komplexe Vektoren 6
2.1.2 Koordinatensysteme und Koordinatentransformation 8
2.2 Mathematisches Modell der Asynchronmaschine 9
2.2.1 Maschinenmodell in Ständerkoordinaten 10
2.2.2 Berücksichtigung der Eisensättigung als Hauptfeldsättigung 13
2.2.3 Maschinenmodell in Feldkoordinaten 15
2.2.4 Zustandsraumdarstellung des Maschinenmodells in Feldkoordinaten 19
2.3 Feldorientierte Drehzahlregelung der Asynchronmaschine 22
2.3.1 Struktur der Regelung für den Grunddrehzahlbereich 23
2.3.1.1 Entkopplung der Stromregelkreise durch Vorsteuerung 24
2.3.1.2 Flussmodelle zur Bestimmung des Flussvektors 25
2.3.2 Erweiterung der Regelstruktur für den Feldschwächbereich 26
3 Aufbau der Versuchsstände 28
3.1 Struktur der Regelungssoftware 30
3.2 Messwerterfassung 32
3.2.1 Phasenstromerfassung 32
3.2.2 Zwischenkreisspannungserfassung 33
3.2.3 Drehzahlmessung 33
3.3 Stellglied und Reglersynthese 34
3.3.1 Bestimmung des Fehlspannungsverlaufs 34
3.3.2 Ständerspannungserfassung 35
3.3.3 Dimensionierung der Reglerparameter 35
3.3.3.1 Stromregelkreise 36
3.3.3.2 Drehzahlregler 37
3.3.3.3 Flussregler 38
4 Identifikation des Sättigungsverhaltens der Hauptinduktivität 39
4.1 Maschinenmodell zur Identifikation und Grundannahmen 40
4.1.1 Grundschwingungs- und Augenblickswerthauptindukrivität 40
4.1.2 Mehrstufige Parameteridentifikation. 42
4.1.3 Einphasige Anregung der Asynchronmaschine mit Testsignalen 46
4.2 Verfahren zur Identifikation der Hauptinduktivität 47
4.2.1 Identifikation der Gnmdschwingungshauptinduktivität 48
4.2.2 Identifikation der Augenbückswerthauptinduktivität 53
VI Inhaltsverzeichnis
4.2.3 Approximation des Sättigungsverhaltens der Hauptinduktivität 57
4.3 Parameterempfindlichkeit der Identifikation der Hauptinduktivität 58
4.3.1 Empfindlichkeitsanalyse der Ständerimpedanz 59
4.3.2 Modellparameterempfindlichkeit der Identifikation der Augenblickswert-
hauptindukn vität 60
4.4 Praktische Ergebnisse zur Identifikation der Hauptinduktivität 65
4.4.1 Referenzmessungen zum Sättigungsverhalten 65
4.4.1.1 Leerlaufversuch 66
4.4.1.2 Kurzschlussversuch bei blockiertem Rotor 67
4.4.2 Identifikationsergebnisse der Hauptinduktivität bei einphasiger Speisung
mit Berücksichtigung der Grundschwingung 68
4.4.3 Identifikationsergebnisse der Hauptinduktivität bei einphasiger Speisung
mit Berücksichtigung von Oberschwingungen 70
5 Drehmomentoptimaler Betrieb von Asynchronmaschinen 72
5.1 Maximales Drehmoment im Grunddrehzahlbereich 73
5.1.1 Berechnung von Stromgrenzkennlinien 74
5.1.2 Arbeitspunkte mit drehmomentmaximaler Magnetisierung 77
5.2 Maximales Drehmoment im Feldschwächbereich 79
5.2.1 Unterer Feldschwächbereich 80
5.2.2 Oberer Feldschwächbereich 82
5.2.3 Drehmomentmaximale Feldschwächung 83
5.3 Ergebnisse der drehmomentoptimalen Regelung 84
5.3.1 Drehmomentmaximaler Betrieb im Grunddrehzahlbereich 84
5.3.2 Drehmomentmaximaler Betrieb im Feldschwächbereich 87
6 Sensorlose feldorientierte DrehzabJregelung von Asynchronmaschinen 90
6.1 Sensorloses Fluss- und Drehzahlmodell 90
6.1.1 Maschinenmodell in Modellkoordinaten 91
6.1.2 Erfassung des Orientierungsfehlers bei höheren Ständerfrequenzen 92
6.1.3 Fluss- und Drehzahlmodell mit Orientierungsfehlerkorrektur 93
6.2 Einfluss von Fluss- und Drehzahlmodell auf die sensorlose Drehzahlregelung 96
6.2.1 Simulationsmodell der sensorlos feldorientiert geregelten Asynchron¬
maschine 96
6.2.2 Eigendynamik des sensorlosen Flussmodells mit Orientierungsfehler¬
korrektur 98
6.2.2.1 Langzeitdynamik 10°
6.2.2.2 Kurzzeitdynamik 102
6.2.3 Parameterempfindlichkeit des Flussmodells l03
6.2.4 Genauigkeit des Drehzahlmodells l06
6.3 Regelung der Asynchronmaschine in Betriebsbereichen mit niedrigen
Ständerfrequenzen 108
Inhaltsverzeichnis vi^
6.3.1 Modellgrößen zur Erfassung des Orientierungsfehlers bei niedrigen
Ständerfrequenzen 109
6.3.2 Verhalten ausgewählter Modell- und Maschinengrößen bei Anregung
mit Testsignalen 110
6.3.3 Bestimmung des Orientierungsfehlers mittels Korrelationsfunktionen 113
6.3.4 Flussmodell mit Orientierungsfehlerkorrektur für niedrige Ständer¬
frequenzen 115
6.4 Fluss- und Drehzahlmodell mit Orientierungsfehlerkorrektur für den gesamten
Ständerfrequenzbereich 117
6.5 Messergebnisse zur sensorlosen Drehzahlregelung 119
6.5.1 Messergebnisse im Grunddrehzahlbereich mit höheren Ständer¬
frequenzen 120
6.5.2 Messergebnisse im Feldschwächbereich 123
6.5.3 Messergebnisse für Betriebsbereiche mit niedrigen Ständerfrequenzen 126
7 Spannungsfehler des Frequenzumrichters 131
7.1 Entstehung von Spannungsfehlem 132
7.2 Erfassung der Fehlspannung des Frequenzumrichters 135
7.2.1 Fehlspannungsmessung durch Vorgabe des Phasenstroms 136
7.2.2 Fehlspannungsmessung durch Vorgabe der Phasenspannung 139
7.3 Fehlspannungs-Kompensationsverfahren und praktische Ergebnisse der
Kompensation 140
8 Zusammenfassung und Ausblick 143
Anhang 146
A.l Relative Empfindlichkeitsfunktionen der Ständerimpedanz 146
A.2 Motordaten 147
Literaturverzeichnis 148
|
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V
Inhaltsverzeichnis
Abkürzungen und Formelzeichen VIII
1 Einleitung 1
2 Grundlagen und Modell der Asynchronmaschine 6
2.1 Begriffsbestimmungen und Definitionen 6
2.1.1 Komplexe Vektoren 6
2.1.2 Koordinatensysteme und Koordinatentransformation 8
2.2 Mathematisches Modell der Asynchronmaschine 9
2.2.1 Maschinenmodell in Ständerkoordinaten 10
2.2.2 Berücksichtigung der Eisensättigung als Hauptfeldsättigung 13
2.2.3 Maschinenmodell in Feldkoordinaten 15
2.2.4 Zustandsraumdarstellung des Maschinenmodells in Feldkoordinaten 19
2.3 Feldorientierte Drehzahlregelung der Asynchronmaschine 22
2.3.1 Struktur der Regelung für den Grunddrehzahlbereich 23
2.3.1.1 Entkopplung der Stromregelkreise durch Vorsteuerung 24
2.3.1.2 Flussmodelle zur Bestimmung des Flussvektors 25
2.3.2 Erweiterung der Regelstruktur für den Feldschwächbereich 26
3 Aufbau der Versuchsstände 28
3.1 Struktur der Regelungssoftware 30
3.2 Messwerterfassung 32
3.2.1 Phasenstromerfassung 32
3.2.2 Zwischenkreisspannungserfassung 33
3.2.3 Drehzahlmessung 33
3.3 Stellglied und Reglersynthese 34
3.3.1 Bestimmung des Fehlspannungsverlaufs 34
3.3.2 Ständerspannungserfassung 35
3.3.3 Dimensionierung der Reglerparameter 35
3.3.3.1 Stromregelkreise 36
3.3.3.2 Drehzahlregler 37
3.3.3.3 Flussregler 38
4 Identifikation des Sättigungsverhaltens der Hauptinduktivität 39
4.1 Maschinenmodell zur Identifikation und Grundannahmen 40
4.1.1 Grundschwingungs- und Augenblickswerthauptindukrivität 40
4.1.2 Mehrstufige Parameteridentifikation. 42
4.1.3 Einphasige Anregung der Asynchronmaschine mit Testsignalen 46
4.2 Verfahren zur Identifikation der Hauptinduktivität 47
4.2.1 Identifikation der Gnmdschwingungshauptinduktivität 48
4.2.2 Identifikation der Augenbückswerthauptinduktivität 53
VI Inhaltsverzeichnis
4.2.3 Approximation des Sättigungsverhaltens der Hauptinduktivität 57
4.3 Parameterempfindlichkeit der Identifikation der Hauptinduktivität 58
4.3.1 Empfindlichkeitsanalyse der Ständerimpedanz 59
4.3.2 Modellparameterempfindlichkeit der Identifikation der Augenblickswert-
hauptindukn'vität 60
4.4 Praktische Ergebnisse zur Identifikation der Hauptinduktivität 65
4.4.1 Referenzmessungen zum Sättigungsverhalten 65
4.4.1.1 Leerlaufversuch 66
4.4.1.2 Kurzschlussversuch bei blockiertem Rotor 67
4.4.2 Identifikationsergebnisse der Hauptinduktivität bei einphasiger Speisung
mit Berücksichtigung der Grundschwingung 68
4.4.3 Identifikationsergebnisse der Hauptinduktivität bei einphasiger Speisung
mit Berücksichtigung von Oberschwingungen 70
5 Drehmomentoptimaler Betrieb von Asynchronmaschinen 72
5.1 Maximales Drehmoment im Grunddrehzahlbereich 73
5.1.1 Berechnung von Stromgrenzkennlinien 74
5.1.2 Arbeitspunkte mit drehmomentmaximaler Magnetisierung 77
5.2 Maximales Drehmoment im Feldschwächbereich 79
5.2.1 Unterer Feldschwächbereich 80
5.2.2 Oberer Feldschwächbereich 82
5.2.3 Drehmomentmaximale Feldschwächung 83
5.3 Ergebnisse der drehmomentoptimalen Regelung 84
5.3.1 Drehmomentmaximaler Betrieb im Grunddrehzahlbereich 84
5.3.2 Drehmomentmaximaler Betrieb im Feldschwächbereich 87
6 Sensorlose feldorientierte DrehzabJregelung von Asynchronmaschinen 90
6.1 Sensorloses Fluss- und Drehzahlmodell 90
6.1.1 Maschinenmodell in Modellkoordinaten 91
6.1.2 Erfassung des Orientierungsfehlers bei höheren Ständerfrequenzen 92
6.1.3 Fluss- und Drehzahlmodell mit Orientierungsfehlerkorrektur 93
6.2 Einfluss von Fluss- und Drehzahlmodell auf die sensorlose Drehzahlregelung 96
6.2.1 Simulationsmodell der sensorlos feldorientiert geregelten Asynchron¬
maschine 96
6.2.2 Eigendynamik des sensorlosen Flussmodells mit Orientierungsfehler¬
korrektur 98
6.2.2.1 Langzeitdynamik 10°
6.2.2.2 Kurzzeitdynamik 102
6.2.3 Parameterempfindlichkeit des Flussmodells l03
6.2.4 Genauigkeit des Drehzahlmodells l06
6.3 Regelung der Asynchronmaschine in Betriebsbereichen mit niedrigen
Ständerfrequenzen 108
Inhaltsverzeichnis vi^
6.3.1 Modellgrößen zur Erfassung des Orientierungsfehlers bei niedrigen
Ständerfrequenzen 109
6.3.2 Verhalten ausgewählter Modell- und Maschinengrößen bei Anregung
mit Testsignalen 110
6.3.3 Bestimmung des Orientierungsfehlers mittels Korrelationsfunktionen 113
6.3.4 Flussmodell mit Orientierungsfehlerkorrektur für niedrige Ständer¬
frequenzen 115
6.4 Fluss- und Drehzahlmodell mit Orientierungsfehlerkorrektur für den gesamten
Ständerfrequenzbereich 117
6.5 Messergebnisse zur sensorlosen Drehzahlregelung 119
6.5.1 Messergebnisse im Grunddrehzahlbereich mit höheren Ständer¬
frequenzen 120
6.5.2 Messergebnisse im Feldschwächbereich 123
6.5.3 Messergebnisse für Betriebsbereiche mit niedrigen Ständerfrequenzen 126
7 Spannungsfehler des Frequenzumrichters 131
7.1 Entstehung von Spannungsfehlem 132
7.2 Erfassung der Fehlspannung des Frequenzumrichters 135
7.2.1 Fehlspannungsmessung durch Vorgabe des Phasenstroms 136
7.2.2 Fehlspannungsmessung durch Vorgabe der Phasenspannung 139
7.3 Fehlspannungs-Kompensationsverfahren und praktische Ergebnisse der
Kompensation 140
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Anhang 146
A.l Relative Empfindlichkeitsfunktionen der Ständerimpedanz 146
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Literaturverzeichnis 148 |
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