Industrietaugliches Umrichtersystem für hochgenaue Drehmomentenregelung

Abstract

To achieve a drive system with high dynamics and with high accuracy, a special current controller must be used. For this purpose in [SRD09], [JEN95] a predictive current controller with a switching table can be found. This controller predicts the optimal switching pattern for the target current of an induction machine by knowing the actual back emf voltage, the actual speed and the actual dc-link voltage. The actual current's average value will match with the target current, but the actual instantaneous current is superposed by a current ripple. In order to minimize this current ripple, the highest possible switching frequency for the current controller is selected. To operate the switching elements of an inverter at maximum thermal load, [STM10] introduced a switching frequency controller. The switching frequency controller adjusts the average switching frequency of the inverter. Thus it can operate at the highest possible frequency. At this frequency, the switching elements won't be damaged and the aging process won't be accelerated. The knowledge from [WOL09a], [WOL09b] and [STM10] will be implemented to develop an inverter system for industrial use. It will be an high inverter system with high dynamics and high accuracy. To achieve these requirements, on one hand a high dynamic current controller is needed and on the other hand mathematic models to describe the physical properties of induction machines with field oriented control are required. These mathematic models allow an online-tracking of the machine parameters, for meeting the required accuracy. This inverter system obtains the needed energy from the mains network and regenerative energy is fed back to the mains network. In order to meet the requirements for an industrial high performance inverter system, it will have an industrial control, which allows the operator to know the actual operation mode of the system. (The operator must have the possibility to commission, operate and maintain the inverter system.) In case of a system malfunction, the inverter system reports the error, so the operator can eliminate the problem in the next step.

Für ein hochgenaues Umrichterantriebsystem mit hoher Dynamik wird ein Stromregler benötigt, der schnell und präzise auf neue Anforderungen reagieren kann. Hierfür ist in [SRD09], [JEN95] ein prädiktiver Stromregler mit Schalttabelle zu finden. Dieser berechnet mithilfe der Kenntnis der Gegenspannung im Voraus die beste Schaltstellung um einen gewünschten Strom in einer Drehfeldmaschine, bei gegebener Zwischenkreisspannung und einer bestimmten Motordrehzahl, einzuprägen. Es wird sich ein Strom einstellen, welcher zwar im Mittel dem gewünschten Stromwert entspricht, jedoch als Polygonzug immer am gewünschten Wert "vorbeizieht". Um diesen Stromrippel so gering wie möglich werden zu lassen, müssen die schaltenden Elemente mit der maximal möglichen Frequenz schalten. Um die schaltenden Elemente des Umrichters bei maximal möglicher thermischer Auslastung zu betreiben, wurde in [WOL09a], [WOL09b] und [STM10] ein Schaltfrequenzregler vorgestellt, der die mittlere Schaltfrequenz bestimmen und einstellen kann, wobei die höchstmögliche mittlere Schaltfrequenz eingestellt werden kann, welche die Halbleiter weder beschädigt, noch ihre Alterung beschleunigt (indem die vom Hersteller angegebene Maximaltemperatur der Halbleitersperrschicht nicht überschritten wird). Die Erkenntnisse aus [STM10] werden in dieser Arbeit so aufbereitet, dass ein industrietaugliches Umrichtersystem hergestellt werden kann, welches sowohl hochgenau als auch hochdynamisch ist. Neben dem Stromregler müssen mathematische Modelle eingebracht werden, welche die physikalischen Eigenschaften einer realen Maschine dergestalt beschreiben, damit die Parameter der Maschine online nachgeführt werden können und die feldorientierte Regelung der Maschine den beschriebenen Anforderungen entsprechen kann. Außerdem muss das Umrichtersystem Energie vom Netz beziehen und an den Motor weiterleiten bzw. vom Motor abziehen und an das Netz rückliefern Neben diesen Aufgaben muss der Umrichter über eine Steuerung verfügen, welche dem Umrichterbetreiber erlaubt, den aktuellen Zustand des Umrichtersystems festzustellen und entsprechend zu reagieren. Der Betreiber muss den Umrichter einschalten, diesen samt Maschine in Betrieb nehmen, möglichst schnelle Drehmomenten- oder Drehzahlvorgaben übermitteln und auf Störungen möglichst adäquat reagieren können. Die Steuerung des Umrichters soll zentral ablaufen, um eine möglichst schnelle Reaktionszeit auf neue Anforderungen zu erzielen, sei es von außen durch den Betreiber oder durch den Umrichter selbst.