Drehmomentregelung einer elektrisch erregten Synchronmaschine mit einem T-NPC Inverter

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird eine feldorientierte Regelstrategie für eine elektrisch erregte Synchronmaschine (EESM) in Kombination mit einem Drei-Level T-NPC Inverter vorgestellt. Die elektrisch erregte Synchronmaschine besitzt durch den Rotorstrom im Gegensatz zu anderen Drehfeldmaschinen einen zusätzlichen Freiheitsgrad sowie eine dynamische Kopplung des Rotorfeldes mit der d-Achse. Darüber hinaus müssen die thermischen Beschränkungen des Rotors eingehalten werden. Diese Anforderungen sowie das durch die Eisensättigung bedingte nichtlineare elektromagnetische Verhalten macht die Drehmomentregelung der Maschine zu einer komplexen Aufgabe. In dieser Arbeit werden basierend auf a-priori Wissen sowie FEM Daten das nichtlineare magnetische Verhalten der EESM modelliert und durch Minimierung der Kupferverluste die stationär optimalen Ströme bestimmt. Um die thermischen Beschränkungen des Rotors zu berücksichtigen, wird die Optimierung zudem dahingehend erweitert, dass der Anteil der Rotorverluste an den Gesamtverlusten im Grunddrehzahlbereich gezielt eingestellt werden kann. Dies Ermöglicht eine Verschiebung der Verluste vom Rotor in den Stator, wodurch die Temperatur des Rotors reduziert werden kann. Für die Stromregelung der EESM wird ein modellprädikatives Verfahren vorgestellt, das neben den Sollströmen direkt die Drehmomentreferenz nutzt und somit eine hochdynamische Drehmomenteinprägung ermöglicht. Dieses Verfahren wird in Simulationen mit einem flachheitsbasierten PI-Regler hinsichtlich Dynamik und Robustheit verglichen. Bei der Verwendung von neutral-point-clamped (NPC) Invertern muss der neutrale Punkt bei etwa 0 V gehalten werden. Darüber hinaus gilt es eine ungleiche Erwärmung der horizontalen und vertikalen Zweige zu vermeiden. Das in dieser Arbeit entwickelte Verfahren zur Pulsmustergenerierung verbindet hierbei die finite-control-set MPC mit der klassischen Raumzeigermodulation. Dadurch kann neben dem neutral-point-voltage-balancing auch eine Reduktion der Verluste gegenüber der klassischen Raumzeigermodulation erzielt werden. Des Weiteren erlaubt das Verfahren eine Verschiebung der Verluste von den horizontalen in die vertikalen Zweige des Inverters.Somit wurde in dieser Arbeit mittels Simulationsstudien gezeigt, dass das vorgestellte Regelkonzept eine hochdynamische und effiziente Regelung einer elektrisch erregten Synchronmaschine mit einem T-NPC Inverter ermöglicht.

This thesis presents a field-oriented control strategy for an electrically excited synchronous machine (EESM) in combination with a three-level T-NPC inverter. The EESM differs from other three-phase machines by offering an additional degree of freedom through the rotor current, which also dynamically couples the rotor field and the d-axis. Additionally, the rotor's thermal restrictions must be considered. These requirements, combined with the nonlinear electromagnetic behavior due to iron saturation, make the torque control of the EESM a challenging task.In this thesis, the nonlinear magnetic behavior of the EESM is modeled using both a-priori knowledge and FEM data. Based on the model, the optimal steady-state currents are determined by minimizing the copper losses. The optimization is further enhanced to allow an adjustment of the rotor losses in the base speed range. This allows the losses to be shifted from the rotor to the stator, thus reducing the temperature of the rotor.For the current control of the EESM, a model predictive control (MPC) approach is proposed. In contrast to sole current controllers, the MPC also utilizes the torque reference directly and is therefore able to achieve high torque dynamics. This method is compared in simulations to a flatness-based PI-controller in terms of dynamics and robustness.When using neutral point clamped (NPC) inverters, the neutral point must be maintained at approximately 0 V Additionally, uneven heating of the horizontal and vertical branches should be avoided. The modulation method developed in this thesis combines finite-control-set MPC with conventional space vector modulation to achieve these goals. In simulations, this approach not only achieves neutral point voltage balancing but also reduced losses compared to conventional space vector modulation. Furthermore, the method allows loss distribution to shift from the horizontal to the vertical branch.In conclusion, simulation studies confirm that the proposed control strategy is feasible and enables dynamic and efficient torque control of an electrically excited synchronous machine with a T-NPC inverter.