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Einfluss von nichtlinearen Umrichtereffekten auf geberlose Regelverfahren von permanentmagneterregten Synchron-maschinen auf Basis der Hochfrequenz-Injektion

Einfluss von nichtlinearen Umrichtereffekten auf geberlose Regelverfahren von permanentmagneterregten Synchron-maschinen auf Basis der Hochfrequenz-Injektion

Leitung:  Prof. Dr.-Ing. Axel Mertens
Jahr:  2010
Ist abgeschlossen:  ja

Abb. 1: Raumzeiger der Störspannung

Auf dem Gebiet der sensorlosen Regelung von permanentmagneterregten Synchronmaschinen (PMSM) bis Drehzahl Null, hat sich die Hochfrequenzinjektion (HF-Injektion) als eines der vielversprechendsten Verfahren herausgestellt. Das Verfahren basiert auf der Detektion der differentiellen Induktivitätsdifferenz in Längs- (d-Achse) und Querrichtung (q-Achse) des Rotors. Hierzu wird der grundfrequenten Ständerspannung eine hochfrequente überlagert. Diese wiederum erregt einen hochfrequenten Strom, der durch die sich mit der Rotorlage ändernde Induktivität moduliert wird. Die Trägerfrequenz beträgt dabei ca. das 10- bis 20-fache der Nennfrequenz der Maschine.  Durch entsprechende Filterung und Demodulation kann somit die Rotorlage bestimmt werden. Je nach Form der hochfrequenten Spannung wird zwischen rotierender und alternierender HF-Injektion unterschieden. Bei der rotierenden HF-Injektion wird ein mit der Trägerfrequenz rotierender Spannungsraumzeiger eingeprägt. Bei der alternierenden HF-Injektion hingegen wird ein Spannungsraumzeiger, dessen Amplitude mit der Trägerfrequenz alterniert, in die geschätzte d-Achse des Rotors eingeprägt.

In der Regel werden die hier behandelten PMSM über einen Umrichter angesteuert. Dies hat zur Folge, dass nichtlineare Störspannungen erzeugt werden, die die Rotorlageschätzung negativ beeinflussen. Je nach Art des Umrichters können diese Störspannungen unterschiedlich stark ausgeprägt sein. Der Hauptanteil der Störspannung wird durch die Schaltverzugszeit der Halbleiterbauelemente des Umrichters und den Einfluss parasitärer Kapazitäten hervorgerufen. In Abb. 1 ist im ständerfesten Koordinatensystem dargestellt, welche Störspannungsraumzeiger hervorgerufen werden. Es ist zu beachten, dass die Störspannung nichtlinear vom Strom abhängt. Das Koordinatensystem ist in sechs verschiedene Sektoren (S1-S6) unterteilt.

Je nachdem, in welchem Sektor sich der Raumzeiger des Strangstromes befindet, wird ein entsprechender Störspannungsraumzeiger hervor­gerufen (V1,error-V6,error). (Befindet sich der Stromzeiger in S1 wird V1,error erzeugt usw.). Der für die Rotorlageschätzung ausgewertete Strangstrom wird hochpassgefiltert. Die Störspannung hat somit nur einen Einfluss auf die Rotorlageschätzung, wenn sie einen hochfrequenten Anteil aufweist. Dies ist dann der Fall, wenn sich der resultierende Stromraumzeiger, der aus einem grundfrequenten und einen hochfrequenten Anteil besteht (If, IHF), einer der Sektorgrenzen nähert, wie auch in Abb. 1 zu sehen ist. Dadurch, dass der hochfrequente Strom die Sektorgrenze überschreitet, wird ein Störspannungsraumzeiger erzeugt, der sich aus einem Gleichanteil (Verror,dc) und einem hochfrequenten Anteil (Verror,HF) zusammensetzt. Der hochfrequente Anteil hat einen störenden Einfluss auf die HF-Injektion.

Hierbei muss jedoch zwischen der alternierenden und rotierenden HF-Injektion unterschieden werden. Besteht der grundfrequente Strom nur aus einem q-Anteil, so ergibt sich, dass die hochfrequente Störspannung in Richtung der d-Achse ausgerichtet ist. Sie ist somit dem Sollwert des alternierenden Spannungsraumzeigers überlagert und hat bzgl. der Stromintensität nur eine dämpfende Wirkung. In Bezug auf die rotierende HF-Injektion wirkt sich die Störspannung hingegen nicht linear aus, wodurch eine Phasenverschiebung des ausgewerteten, hochfrequenten Stromes hervorgerufen wird, was wiederum einen Fehler der Rotorlageschätzung hervorruft. Bei entsprechender Stromregelung (reine q-Bestromung) lässt sich somit sagen, dass die alternierende HF-Injektion weniger anfällig gegenüber nichtlinearen Umrichtereffekten ist als die rotierende HF-Injektion.

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