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Sensorloser feldorientierter Betrieb der fremderregten Synchronmaschine auf Basis einer Modulation des Erregerstromes

IP.com Disclosure Number: IPCOM000207422D
Original Publication Date: 2011-May-30
Included in the Prior Art Database: 2011-May-30
Document File: 4 page(s) / 171K

Publishing Venue

Siemens

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Abstract

Für den feldorientierten Betrieb von fremderregten Synchronmaschinen wird im Allgemeinen die Orientierung des Maschinenhauptflusses als Bezugssystem verwendet. Ist ein Pollage-Sensor vorhanden, kann die Hauptflussorientierung basierend auf der gemessenen Position des Rotors sowie den Messgrößen von Statorspannung und –strom mittels geeigneter Maschinenmodelle berechnet werden. Einsparung von Kosten, konstruktive Probleme oder auch die Steigerung der Anlagenzuverlässigkeit machen Lösungen, welche gänzlich ohne Pollage-Sensor auskommen, wünschenswert.

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Sensorloser feldorientierter Betrieb der fremderregten Synchronmaschine auf Basis einer Modulation des Erregerstromes

Idee: Thilo Weigel, DE-Erlangen; Dr. Franz Bauer, DE-Erlangen

Für den feldorientierten Betrieb von fremderregten Synchronmaschinen wird im Allgemeinen die Orientierung des Maschinenhauptflusses als Bezugssystem verwendet. Ist ein Pollage-Sensor vorhanden, kann die Hauptflussorientierung basierend auf der gemessenen Position des Rotors sowie den Messgrößen von Statorspannung und -strom mittels geeigneter Maschinenmodelle berechnet werden. Einsparung von Kosten, konstruktive Probleme oder auch die Steigerung der Anlagenzuverlässigkeit machen Lösungen, welche gänzlich ohne Pollage-Sensor auskommen, wünschenswert.

Für den Betrieb bei kleiner Grundfrequenz, bei welcher die berechnete Hauptflussorientierung der Motormodelle ohne die gemessene Pollage keine brauchbare Bezugsgröße mehr für die Regelung darstellt, werden bisher gesteuerte Verfahren genutzt. Bei diesen gesteuerten Verfahren wird der Statorstrom in Betrag und Grundfrequenz fest vorgegeben. Eine definierte Vorgabe des Drehmoments ist dabei jedoch nicht möglich. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens ist die schlechte elektromechanische Eigendämpfung.

Bei einer fremderregten Synchronmaschine ist der Erregerkreis des Läufers im Allgemeinen gespeist durch einen Erregerstromsteller. Dieser muss in der Lage sein, dem Läufer das Erregerfeld einzuprägen und je nach Anforderung mit hinreichender Dynamik zu verstellen. Bei Ausführungen mit geringerem dynamischen Anspruch findet man auch simple Erregereinspeisungen mit ein- oder dreiphasige Thyristor-Brücken.

Als neuartige Lösung wird die Verwendung eines Erregerstromstellers als Modulator zur Überlagerung des rotorfesten Erregerfeldes mit einer rotorfesten Feldwechselkomponente und die nachfolgende Demodulation der Rotorposition der Synchronmaschine aus der Statorspannung bzw. dem Statorstrom vorgeschlagen. Durch Überlagerung der Feldwechselkomponente wird im statorfesten Bezugssystem die Information der zeitaktuellen Rotorposition als trägerfrequent moduliertes Bandpass-Signal in der Statorspannung bzw. dem Statorstrom messbar. Dieses Signal kann im Weiteren aufgrund der bekannten Trägerfrequenz der Feldwechselkomponente mit den bekannten Verfahren zur Demodulation von Bandpass-Signalen zurückgewonnen werden. Das Erregerfeld wird mit einer trägerfrequenten Wechselkomponente gemäß Formel 1 überlagert.

( )

sin(

( 0

)=0 t

a

Ψ (1)

Somit ist das Feld mit dem Polradwinkel in statorfesten Koordinaten drehtransformiert messbar, wie in Formel 2 beschrieben.

( ) ( )

(

)

sin(

1

)

( 0

ω0 t

t

t )

Ψ

l

+

ω

t )

=

Ψ (2)

Für die im Leerlauf induzierte Statorspannung folgt Formel 3, wobei der erste Term den niederfrequenten Anteil beschreibt und der zweite den trägerfrequent modu...