Verfahren zur Schätzung des Stromanstiegs bei umrichtergespeisten Drehstrommaschinen

Abstract

Elektromotoren werden heutzutage überwiegend an Umrichtern betrieben, wodurch sich eine Vielzahl von Betriebsverfahren realisieren lassen. Viele dieser Verfahren benötigen dabei eine zusätzliche Information über das System, wie z.B. den Rotorwinkel, die Winkelgeschwindigkeit oder den Flusswinkel. Eine ökonomische Lösung stellt dabei der Einsatz eines mathematischen Modells dar, mit dem die benötigte Information aus den bereits vorhandenen Daten geschätzt wird. Eine Möglichkeit hierfür ist das INFORM-Verfahren, welches sich parasitäre Effekte in der Maschine zu Nutze macht und durch die Modulation der räumlichen Statorinduktivität einen Rückschluss auf den mechanischen Winkel oder den Flusswinkel erlaubt. Die Bestimmung der Statorinduktivität erfolgt dabei durch Anlegen eines Spannungsimpulses an die Maschine und messen des Stromanstieges. Dazu wird die Regelung in regelmäßigen Abständen unterbrochen, um eine Testsequenz aufzuschalten. Unmittelbar nach einem Schaltvorgang kommt es zwischen Maschine und Umrichter zu einem transienten Ausgleichsvorgang, welcher den zu messenden Stromanstieg überlagert. Dies verlängert die minimale Zeit, die der Spannungspuls für eine zuverlässige Bestimmung des Stromanstieges angelegt sein muss. Ziel dieser Arbeit ist es, mathematische Verfahren zu untersuchen, welche eine Auswertung der Modulation der Statorinduktivität mit kürzeren Pulsen erlauben. Die zu Grunde gelegten mathematischen Zusammenhänge werden in Kapitel 1 kurz zusammengefasst. Darauf aufbauend wird in Kapitel 2 das INFORM-Verfahren beschrieben und auf die dominanten Modulationseffekte in der Versuchsmaschine eingegangen. Kapitel 3 beschäftigt sich mit dem transienten Stromverlauf und der Frage, von welchen Parametern seine Form abhängt. Die alternativen Verfahren zur Steigungsbestimmung werden in Kapitel 4 theoretisch beschrieben und in Kapitel 5 auf ihre Eignung zur Bestimmung des Stromanstiegs in einer Maschine untersucht. Der Aufbau und die Implementierung des Regelungssystems ist in Kapitel 6 beschrieben. Als Abschluss sind in Kapitel 7 die Ergebnisse der Implementierung dargestellt. Außerdem wird ein Ausblick auf den weiteren Entwicklungsbedarf gegeben.

Electric motors are often supplied by an inverter, which allows the system to operate in a variety of modes. Many methods require an additional information about the system, such as the rotor angle, to work properly. One possibility is to use a mathematical model to obtain the required information from the available data. This can be done with the INFORM-method which exploits parasitic effects in the machine by measuring the modulation of the complex stator inductance. This is done by applying an voltage pulse to the machine and measuring the current slope. In the classical setup, the normal operation is interrupted periodically in order to apply a test sequence. Directly after the switching of the inverter, a transient signal superimposes the current derivative to be measured. This increases the minimum time that the voltage pulse has to be applied to the machine for a reliable determination of the current derivative. The aim of this work is to investigate methods witch allow an evaluation of the modulation of the stator inductance with decreased pulse durations. The fundamental mathematical equations are summarized in chapter 1. Chapter 2 describes the INFORM-method and investigates the dominant harmonics of the tested machine. Chapter 3 deals with the transient current waveform and the question on which parameters it depends. The theoretical aspects of investigated methods are described in chapter 4. A comparison of the attainable signal quality is done in chapter 5. The architecture and implementation of the algorithms in the real-time control system is described in chapter 6. The final chapter 7 gives an overview of the results of the implementation and describes the remaining development requirements.