Möglichkeiten zur mechanisch sensorlosen Bestimmung der Rotorlage von Asynchronmaschinen durch SVPWM-ähnliche Spannungsanregung

Abstract

Die Arbeit behandelt ein spezielles Verfahren der mechanisch sensorlosen Regelung von Drehstrommaschinen. Eine besondere Schwierigkeit besteht hierbei in der korrekten Erfassung des Flusswinkels - speziell im niedrigen Drehzahlbereich, wobei zu den aussichtsreichsten Methoden sog. Spannungsinjektionsverfahren, insbesondere das INFORM-Verfahren (Indirekte Flussermittlung Online Reaktanz Messung) zählen. Dabei werden Spannungspulsmuster in die Maschine injiziert und über geschickte Ausnutzung der Asymmetrien infolge von Sättigungseffekten, mittels Auswertung der Stromanstiege in den Statorspulen, auf die Flusslage zurück geschlossen. Die dafür nötigen Spannungspulsmuster werden in regelmäßigen Abständen zwischen das PWM-Signal des Umrichters geschaltet und erzeugen eine zusätzliche Welligkeit (Rippel) auf dem Stromsignal der elektrischen Maschine. Dieser Rippel hat ein ungewolltes, akustisches Rauschen zur Folge. Ziel war es, diesen Stromrippel und die damit entstehenden Geräusche zu minimieren. Dazu wurden die injizierten Spannungspulse abhängig von der Raumrichtung der Grundwelle der Statorspannung gemacht. Die Spannungspulse werden also so injiziert, dass sie sich zusammen mit der Grundspannung drehen und es so zu einer SVPWM- ähnlichen Spannungsanregung kommt. Dadurch ergibt sich ebenso ein rotierender Signaloffset, der bei der Berechnung des Inform-Zeigers berücksichtigt und kompensiert werden muss. Weiters wurden verschiedene Pulsmuster und deren Auswirkungen auf die Welligkeit, sowie auf das Frequenzspektrum des Inform-Zeigers untersucht. Es ist möglich, mit nur einem aktiven Schaltzustand innerhalb eines PWM-Zyklusses, die Spannung über einen Umrichter richtungsabhängig vorzugeben. Da durch Verringerung der Pulsinjektionen weitere Oberwellen vermieden wurden, führte dies zu einer weiteren Reduktion des Stromrippels. Die Grundlagen der Asynchronmaschine, bzw. die zum Verständnis erforderlichen mathematischen Zusammenhänge, werden im ersten Abschnitt dieser Arbeit dargestellt. Darauf aufbauend wird das Inform-Verfahren, im Speziellen die mathematische Auswertung für verschiedene Pulsmuster, beschrieben. Nach dieser Einführung wird die Auswertung des Stromsignals bei unterschiedlichen Pulsfolgen erörtert, sowie die Auswirkung der Richtung der Grundwelle der Statorspannung. Ebenso wird das Inform-Verfahren - mit lediglich einem aktiven Zustand - genauer untersucht. Abschließend folgt eine Zusammenfassung der Erkenntnisse und ein Ausblick auf zukünftig sinnvoll zu tätigende Entwicklungen.

The following thesis provides a control procedure for three-phase induction machines not relying on mechanical sensors. Most challenging here is detecting the flux-angle accurately especially at rather low revolution. So-called “voltage injection methods”, in particular the INFORM method (Indirect Flux detection by Online Reactance Measurement), are highly promising for this matter. Hereby, sequences of voltage pulses are injected into the machine and due to asymmetric saturation effects, the flux direction can be derived through evaluating the current responses. The required voltage pulses are periodically placed in between the PWM-signal. Thus, an additional ripple is generated above the current signal. With that undesired audible noise appears. Minimizing this kind of ripple and thus its resulting noises was the aim of this thesis. To achieve the desired outcome, the voltage pulses were injected according to the spatial direction of the stator voltage’s fundamental. Therefore, the rotary motion of the injected pulses were connected to the regular voltage frequency, resulting in an SVPWM-like voltage excitation. The calculated current-derivative-phasor contained an angular offset as well as a direct one. Both had to be considered and compensated for. Furthermore, various pulse patterns and their influences on the ripple as well as on the current-derivative-phasor’s frequency spectrum were investigated. As a result, only one single active switching state within a certain PWM section was necessary to stay within the voltage sector boundaries of the inverter. By reducing the pulse injections, additional harmonics were avoided which reduced the current-ripple even further. Physical and mathematical basics of induction machines as well as more details of the Inform process, especially of the mathematical evaluation for different pulse patterns, are given in the starting section of this thesis. The evaluation of the current signal at different pulse sequences and the effect of the stator voltage’s direction of the fundamental are investigated. In addition, background information about an Inform process which contains only one active state is given. The concluding part summarizes the empirical findings and discusses possible future developments.