用于运行驱动系统的方法和驱动系统与流程

本发明涉及一种用于运行驱动系统的方法和一种驱动系统。

背景技术：

de102013208544a1描述了一种具有三相交流电动机和至少一个逆变器的驱动系统。三相交流电动机具有轴、第一三相定子绕组、第二三相定子绕组和转子绕组系统。第一三相定子绕组与三相交流电网相连接。第二三相定子绕组与所述三相交流电网如此连接，从而相对于借助于第一定子绕组产生的第一定子旋转场产生反向地环绕的第二定子旋转场。转子绕组系统与所述轴抗扭转地机械耦合。驱动系统还具有至少一个逆变器，所述逆变器与所述轴抗扭转地机械耦合并且所述逆变器与转子绕组系统电耦合。所述至少一个逆变器构造用于如此产生用于转子绕组系统的操控信号，从而产生第一转子旋转场和与第一转子旋转场相反的第二转子旋转场。

技术实现要素：

本发明的任务是提供一种用于运行驱动系统的方法和一种驱动系统，其能够实现所述驱动系统的可靠的运行。

本发明通过一种根据权利要求1所述的用于运行驱动系统的方法和一种根据权利要求7所述的驱动系统来解决所述任务。

所述方法用于运行如在其原理上的构造中比如在de102013208544a1中所描述的一样的驱动系统。所述驱动系统具有三相交流电动机和至少一个逆变器。三相交流电动机具有轴、第一三相定子绕组、第二三相定子绕组和转子绕组系统。第一三相定子绕组与三相交流电网相连接。第二三相定子绕组与所述三相交流电网如此连接，从而相对于借助于第一定子绕组产生的第一定子旋转场产生反向地环绕的第二定子旋转场。转子绕组系统与所述轴抗扭转地机械耦合。驱动系统还具有至少一个逆变器，所述逆变器与所述轴抗扭转地机械耦合并且所述逆变器与转子绕组系统电耦合。所述至少一个逆变器构造用于如此产生用于转子绕组系统的操控信号，从而产生第一转子旋转场和与第一转子旋转场相反的第二转子旋转场。所述操控信号比如能够是操控电压或操控电流。

用于转子绕组系统的操控信号仅仅根据在转子侧所检测到的信号来产生。

根据本发明，在具有转子侧的驱动电子器件的驱动系统中，为进行调节所需要的变量仅仅通过布置在转子侧的传感装置来获取，以用于避免将时间关键的测量变量从定子侧传输到转子侧。

在转子侧所检测到的信号能够包括或者是转子绕组系统的相电流信号（相电流）。

在转子侧所检测到的相电流信号能够通过计算方式被划分成属于第一转子旋转场的第一份额和属于第二转子旋转场的第二份额。

对于三相交流电网的非对称的时间上的变化曲线来说，能够通过计算方式将配属于第一转子旋转场和第二转子旋转场的相电流信号划分成具有同向旋转的和反向旋转的份额的对称的份额。

能够从所划分的相电流信号中计算属于第一转子旋转场的第一负载角，能够从所划分的相电流信号计算属于第二转子旋转场的第二负载角，并且能够在所述第一负载角和所述第二负载角的基础上获取实际上的电网电压角和/或瞬时的转子位置。

在转子侧所检测到的信号还能够包括转子绕组系统的转子电压，其中在转子绕组系统的无电流的状态下测量转子绕组系统的转子电压，其中在所述转子电压的时间上的变化曲线的基础上获取瞬时的电网电压幅度的和/或瞬时的电网频率的和/或瞬时的转子转速的和/或瞬时的转子位置角的数值。

根据本发明的驱动系统具有三相交流电动机和至少一个逆变器。三相交流电动机具有轴、第一三相定子绕组、第二三相定子绕组和转子绕组系统。第一三相定子绕组与三相交流电网相连接。第二三相定子绕组与所述三相交流电网如此连接，从而相对于借助于第一定子绕组产生的第一定子旋转场来产生反向地环绕的第二定子旋转场。转子绕组系统与所述轴抗扭转地机械耦合。驱动系统还具有至少一个、特别是恰好一个逆变器，所述逆变器与所述轴抗扭转地机械耦合并且所述逆变器与转子绕组系统电耦合。所述至少一个逆变器构造用于如此产生用于转子绕组系统的操控信号，从而产生第一转子旋转场和与第一转子旋转场相反的第二转子旋转场。所述逆变器构造用于仅仅根据在转子侧所检测到的信号来产生用于转子绕组系统的操控信号。

所述驱动系统或逆变器能够具有信号检测装置，该信号检测装置构造用于检测转子侧的信号。

附图说明

下面将参考附图详细描述本发明，在此示出：

图1以高度示意性的方式示出了具有三相交流电动机和转子侧的逆变器的驱动系统，

图2示出了逆变器电流的计数方向和名称，

图3示出了三相的不对称的电流系统的示例，

图4示出了不同的信号变化曲线，

图5示出了电流分量的、相对于参考系的位置，

图6示出了转子上的电压系统，

图7示出了转子上的具有分开的星形接点（sternpunkt）的电压系统，

图8示出了用于在不考虑欧姆损耗的情况下确定负载角的等效电路图，

图9关于时间示出了在恒定的负载下启动（hochlauf）时的负载角，并且

图10示出了负载角的变化曲线。

具体实施方式

图1以高度示意性的方式示出了具有三相交流电动机10和转子侧的逆变器15的驱动系统100。

三相交流电动机10具有：示意性示出的轴11；与三相交流电网u、v、w相连接的第一三相定子绕组12；第二三相定子绕组13，其有待如此与三相交流电网相连接，从而相对于借助于第一定子绕组12产生的第一定子旋转场产生反向地环绕的第二定子旋转场；以及转子绕组系统14，其与所述轴11抗扭转地机械耦合。

逆变器15与轴11抗扭转地机械耦合并且与转子绕组系统14电耦合。至少一个逆变器15构造用于如此产生用于转子绕组系统15的操控信号，从而产生第一转子旋转场和与第一转子旋转场相反的第二转子旋转场。

逆变器15具有信号检测装置16，该信号检测装置构造用于检测为了运行驱动系统100所需要的转子侧的信号。

逆变器15构造用于仅仅根据借助于信号检测装置16在转子侧所检测到的信号来产生用于转子绕组系统14的操控信号。

作为本说明书的一部分，下面是章节5.3，该章节详细描述了对于转子侧的信号的检测。

章节5.3.1描述，如何通过计算方式将在转子侧所检测到的相电流信号划分成属于第一转子旋转场的第一份额和属于第二转子旋转场的第二份额。

章节5.3.2描述，对于三相交流电网的不对称的时间上的变化曲线来说如何通过计算方式将借助于计算上的划分而配属于第一转子旋转场和第二转子旋转场的相电流信号划分为具有同向旋转的和反向旋转的份额的对称的份额。

章节5.3.5描述，如何在转子绕组系统的无电流的状态下测量转子绕组系统的转子电压，其中在转子电压的时间上的变化曲线的基础上获取瞬时的电网电压幅度的和/或瞬时的电网频率的和/或瞬时的转子转速的和/或瞬时的转子位置角的数值。

章节5.3.6描述，如何从所划分的相电流信号中计算属于第一转子旋转场的第一负载角，如何从所划分的相电流信号中计算属于第二转子旋转场的第二负载角并且如何在第一负载角和第二负载角的基础上获取实际上的电网电压角和/或瞬时的转子位置。

获取用于调节系统所需要的变量

5.3.1将所测量的转子电流拆分成与配属于子电动机的份额

为了调节电机，能够提供所有六个逆变器相的相电流来作为测量信号。每个相电流包含两个子系统的份额，因此有必要将所测量的变量拆分成这些份额，以用于在调节中进一步使用。

图2示出了下面使用的变量的计数方向。

类似于将非对称的三相变量拆分为其正序分量、负序分量和零序分量[28]这样的方式，在具有不同的极偶数的逆向场的6相系统中也能够将这些逆向场拆分成其单个分量。对于这里所存在的具有的系统来说，从中分开地针对所述两个场中的每一个场产生正序分量、负序分量和零序分量、即总共六个分量。为此，如在确定对称的分量时常见的那样使用复杂的移相器（phasendreher）。

在六相电流中，p1和p2极的电流的份额不仅以其正序分量而且以其负序分量叠加。0-分量是不存在的，因为在这个系统中不存在可能导引这种电流的中性导体。以下方程组描述了相电流：

。

通过分别对置的相的相加或相减而从中得到：

。

从中可以提取所述两个三相系统的通过计算方式来获取的相电流的确定方程式：

。

从方程式5.34和方程式5.35可以得知，对置的相的电流之和对应于三相p1极的系统的有待获取的电流，并且对置的相的电流之差对应于三相p2极的系统的有待获取的电流。在所述和或者差中包含了相应的正序分量和负序分量。

在逆变器相中，能够作为矢量和的分量的实数部分来测量电流的瞬时值。从中得出

或者

。

从逆变器的能测量的电流中所获取的并且应该配属于子系统的相电流而后具有以下变化曲线：

或者

。

由此也可以看出，在对称的三相系统中，可以直接从对置的相电流的相加或者相减中获得应该配属于子系统的电流的正序分量。

如果不存在对称的系统，则应该分开地获取正序分量和负序分量。针对此的方法在下面予以介绍。

不对称的电流中的对称分量

通常不能认为，被连接到电动机上的电网电压是对称的。根据期望，电网相电压的不对称性也导致能在转子侧观察到的变量、像比如电流的的不对称性。在[14、15、16、9]中介绍了如何从变量的能测量的瞬时值中获取相关的系统的对称分量的方法。在那里也提到了从测量变量中滤除谐波的算法。然而，这些算法要求花费高的计算功率，特别是如果想要在与力求达到的电动机调节的周期时间相对应的时间间隔中产生当前的数值。

下面要说明，如何如在小节5.3.1中所说明的那样从配属于p1和p2极的场的电流中获取相应的对称分量。这里所介绍的方法的目的是，确保尽快地检测这些分量，以用于为调节所述系统而提供具有高动态的变量。这些解释不仅可以用于p1极的变量而且可以用于p2极的变量。下面，在方程式中省去对于极偶数的索引。

在任意的不对称的三相系统中，相电流由正序份额和负序份额以及零序分量所组成。下面，由于中性导体的缺少而假设不存在零序分量。

而后可以为以ωn（1-s）旋转的系统的、在转子上形成的、同向旋转的或者反向旋转的电流写出

。

非对称的三相电流系统通过

来描述。

能够通过测量技术来检测到相电流的实数部分

。

在图3中示范性地示出了所假设的不对称的电流系统的时间上的变化曲线。

选择了和s=0.5。

如果以系统的电角度ωmt（s）来变换iϕ，则得到电网频率的α、β分量：

。

在图3中所示出的三相系统用α、β分量如在图4中所示出的那样来描绘。

可以从所测量的并且经过α、β变换的电流中获取单个正序及负序分量。为此合适的是，使正序系统的分量像能够直接用于调节所述系统一样来定向。由于能够假设转子电压uψ的定向已经确定，所以这应该代表着参考系。而后所述正序系统的与其同相的分量对应于形成力矩的电流id，并且相对于其偏移的π/2的分量对应于形成通量的电流份额iq。由于下面必须将正序系统的分量与负序系统的分量区分开来，所以这些变量被索引为idm和iqm。负序系统的与idm同相的电流份额相应地是idg并且相对于其偏移的π/2份额是iqg。因此，变量和组合如下：

。

图5示出了电流分量相对于参考系的原则上的位置。如果在两个不同的时刻或者以两个不同的角度检测到变换的相电流的α、β分量，则可以推导出以下用于α分量的方程式：

(5.46)。

从中得到

。

与此类似，从β分量的方程式中得到

。

这又在移项之后产生

。

对于单个分量来说从中推导出

。

这些变量直接作为系统的实际变量供所述调节所用并且取代相电流的先前的以d、q分量来表示的变换方程式。这些确定方程式不仅可以用于p1极的子系统而且可以用于p2极的子系统。

对于转子、轴和电网功率的获取

在wr相φ1的上分支中作为一个脉冲周期中的电流的算术平均值流动着电流

，

其中iφ1是相φ1的瞬时的相电流并且dφ1是这个相的、在有待观察的脉冲周期中有待确定的调制系数。

与此类似，在对置的分支中的电流如下得到确定：

。

相的相电流和调制系数由两个所参与的三相系统的单个分量所组成。

。

由此针对两个对置的wr分支的电流之和产生：

。

在对称的三相系统中，相电流之和iφ1p1变为0，其中φ=u、v、w。因此，对整个中间回路电流来说可写为

。

因此，子系统的中间回路电流的份额可以直接从配属于单个系统的电流份额和单个系统的调制函数中推导出来。

对于单个系统的转子功率产生

。

对于轴功率来说产生

。

并且对于电网功率来说产生

。

从这些推导中可以清楚地看出，能够从转子侧的逆变器的所测量的相电流的瞬时值和对于调制的了解中推断出瞬时的有功功率比。

不仅在计算轴功率时而且在计算电网功率时对s1、s2来说在达到相应的同步转速时就除以0，这意味着系统在这里可能相对难以观察，如同对于异步电机中的在定子侧运行的变流器来说在转速为0时的情况一样。而转速0在这里提供稳健的数值。

对于转子侧的无功功率的获取

在小节5.3.3中，从相电流和对于调制的了解中获取有功功率。同样能够从这些变量中推断出电动机中的通过逆变器产生的无功功率。为此，将所述调制旋转π/2。也可以通过减去相应的两个其他相的调制函数这种方式来实现这种旋转。然后适用

和

。

作为与转子中的有功功率相类似的变量，从中用

和

来得出转子的无功功率。

电流iqp1和iqp2是计算上的变量，其不能在中间回路中直接测量。

用于确定初始的电网频率和电动机频率的方法

在开始逆变器调制之前，首先应该不仅确定电网频率而且确定电动机转速，以用于正确地使所述调节初始化。必须在没有对定子侧的变量进行访问的传感装置的情况下进行所述确定，以用于避免将信号传输到转子上。

只要没有操控逆变器阀，就可以在转子侧观察到电网电压的图像。通过对于相电压ul1-l6的测量能够获取两个相反的电压系统的分量。

考虑用于获取相电流的计算同样能够应用于相电压。对于两个电压系统的分量来说适用：

。

通常，可以从对于两个正弦状以固定角度相对于彼此偏移地演变的电压的测量中确定在t0=0时的测量时刻的幅度和相位角。对于2π/3的相位偏移来说适用：

。

从中通过

,

针对在测量的时刻的电压的角度而得出：

。

对于电压u1和u2来说，能够将来自方程式5.68的u1=uup1和u2=uvp1用于获取并且将来自方程式5.69的u1=uup2和u2=uvp2用于获取。在应用到电机的两个子系统上的情况下，角度根据当前的电网频率和电动机的转速而演进（当逆变器未被调制时，电动机的转速通常不能假定为0）：

，

其中ωn是电网电压的角频率并且ωm是电机转速的角频率。

如果假定

和

和

那就从用于电网频率和电动机频率的方程式5.74和方程式5.75中得到以下表达式

。

在此应该注意，根据方程式5.73中基于反正切函数而选择（tn=电网频率的有待假定的周期持续时间）。

因此，从在两个时刻四个转子侧的、相对于绕组的星形接点的电压的测量中（在没有逆变器的正在进行的调制的情况下）可以明确地确定电动机转速和电网频率以及子系统的电压的相位置。如果绕组的星形接点用作测量的参考点，那么上面所推导出的关系就可以直接用于确定用于转速和电网频率的初始值。

通常，绕组的星形接点不可用作测量的参考点。然而，转子电压的电压测量能够针对任意参考点来执行。为此，为了测量目的而增加第五转子电压。

电动机电压系统相对于测量的参考点移位了

。

将所测量的电压减小这种电压，以用于获得转子相电压。

转子侧的电压系统通过下述关系

来描述。下标b表明，所索引的电压变量与参考电位有关。又从中以

来计算电压的单个分量。

图6示出了转子上的电压系统。

转子绕组的星形接点也能够分布到两个独立的星形接点上。在这里，相l1、l3、l5和l2、l4、l6分别被引导到各自的星形接点上。由此，描述了两个按照图7的子系统的电压。

转子侧的电压的方程组用

来表达。用

和

,

将转子电压的方程组缩简到

。

从中确定

。

因此，对于两个分开的星形接点来说，应该相对于任意的参考点测量所有六个相电压，以用于在对转子逆变器进行静止的调制时从中获取用于运行状态的定子电压的图像。

在一种实际的实施方案中，适合的是，用所测量的相电压来执行克拉克变换。借此省去了参考电压umab和umbb的计算上的份额。变换方程式给出为

和

。

从方程式5.72中用α/β-变换的电压的、π/2的相位偏移根据公式5.73针对角度而得到

。

从up1α,β和up2α，β中能够直接推导出用于逆变器的调制的开始的初始值。通过方程式5.79和方程式5.80来形成用于计算电网频率和转子频率的起始值。不明确地需要知道电网电压的或转子位置的绝对的起始角，因为其影响已经包含在对于电压调制的初始值的计算中。因此，应该针对时刻t0将电网电压的或转子位置的起始角设定为0。

位置及转速检测

为了从可以在转子上观测的变量中近似地确定转速，首先要确定，转子电压的相对于电网电压的角度关系如何表现。作为转子电压，考虑将有待在静止状态下观测的电压u´2用作参考变量。电压u´2由有待产生的逆变器电压和取决于旋转速度的电压分量（1-s）*uψ组成。

在不考虑rs和r'r的情况下确定负载角

对于子系统来说，在不考虑铜损和铁损的情况下并且在没有饱和现象的情况下采用双馈感应电机的等效电路图。

图8示出了用于确定负载角的等效电路图（在没有考虑到欧姆损耗的情况下）。

电流和电压在以下段落中将被解释为复杂的变量，而没有在记录（notation）中将这考虑在内。

在这里u´2被确定为参考变量。应该适用u´2=re（u´2）并且从中得出im（u´2）=0。

对于主电感lh上的电压来说适用

并且对电网电压un来说适用

从中可以演变出

。

对于un和u´2之间的负载角来说而后适用

。

在给定电网电压un时，有意义的是，根据u´2给上述方程式移项，从中产生

。

对于im（u´2）=0来说，而后适用

。

现在对于负载角来说能够写出

。

如果一同引入具有

的空载磁化电流ih0，则得到以下写法

。

由于能够假设lh>>lσ1和lσ1≈l'σ2，所以这种关系很好地近似地简化为

。

作为具有约为1kw的功率的电机中的估计，能够假定（ansetzen）lσ1/lh=0.05。对于负载角=π/4来说从中得出这一点，即：负载电流的有效份额已经能够达到磁化电流值的10倍。因此，可以假设技术上可用的负载角低于π/4。

在下图中可以看到源自模拟的结果、两个系统的负载力矩的变化曲线以及在此产生的负载角。在此描绘了以5nm的恒定的负载力矩从转速0启动到额定转速的情况。

图9关于t示出了在以恒定的负载进行启动时的负载角（以°来标定）。

在考虑到rs和r'r的情况下确定电网电压和转子电压

从子电动机的按照5.1.1的等效电路图中可以获取以下方程式并且可以代入到彼此当中：

。

电网电压un的幅度假设是已知的。插入电流i2。因此，可以移项为：

这在拆分成取决于un和i´2的分量后得出

。

由于转子电流i´2基于转子电压u´2，所以将转子电压u´2有利地设定为参考变量，从而得出u´2=re（u´2）或者im（u´2）=0。由此得出

。

如果为基于u´2的电流引入，则对于以为幅度拉伸并且旋转的电流来说适用

其中。

同样被拉伸并且被旋转的电网电压u*n的实数部分现在应该设置为0，从中可以推导出

。

而后对于re（u*n）来说必须适用：

。

对于电网电压u*n来说现在得到

并且对反向变换的电网电压un来说得到

。

确定电网电压和转子电压之间的负载角

如果在方程式5.110中引入辅助变量

，

则将用于u´2的写法缩减为

这在变型到实数的分母之后产生

。

因为im（u´2）=0能够通过使转子电压对准实轴这种方式来确定，所以得到

。

从中得出

。

对于电网电压来说，适用以下关系式

。

此外，能够作为电流的参考变量而引入具有

的电网侧的空载磁化电流ih0，从中可以演变出

。

在使用已知的加法定理的情况下，能够为左侧设置

，

这使得负载角闭合地表达为=f（re（i´2），im（i´2））：

。

在没有转子侧的有功电流re（i´2）=0的情况下，对于负载角0=（re（i´2）=0）来说产生

。

负载角的示范性的变化曲线

如果使在方程式5.125中使用的参数以750瓦电动机的一种具有数值

的应用情况为准，则获得如图10所示的曲线走势。在该图示中，有功电流与空载电流ih0相关。该变化曲线表明，负载角在较宽的范围内随电机的有功电流线性地变化并且在此具有偏移，所述偏移通过方程式5.126来描述。

从转子电压的位置角中确定电网的频率偏差

作为目标，力求在没有用于反馈转子位置或转子转速的传感装置的情况下获取电动机的转速。逆变器相的在转子侧所测量的电流可供使用。如在小节5.3.5中所说明的那样，能够从在逆变器开始调制之前对于转子电压的初始测量中确定电网电压、电网频率以及电动机的当前的转速和旋转方向。

在转子侧的逆变器的运行期间，对于两个旋转场的转子电压的旋转角来说相对于所述电网的、作为起振状态中的参考变量的相位角适用

其中

ω1,2=逆变器的输出的频率

ωn0=假设的电网频率

ωm=假设的转子转速

1,2负载=转子电压的、相对于电网电压的取决于负载的角度偏移

10,20=在无力矩的状态下转子电压的角度偏移。

因为通常不能认为电网频率和转子转速精确地遵循这些确定方程式，所以应该考虑到可能的偏差。

。

因为适用

，

所以足够的是，接下来限于角度偏差和取决于负载的项。然后，对于从中产生的误差角来说得出

从中对于通过电网频率偏移所引起的误差角来说可以推导出

并且对于通过转速偏差所引起的误差角来说可以推导出

。

在电机的经过调整的状态下，通过转速偏差所引起的误差角根据方程式5.135变为δm=0。而后产生以下结果，即：根据方程式5.125从通过所测量的转子电流形成的角度δ1和δ2确定了负载角1负载和2负载。在此适用：

。

此外假设，负载角1,2负载与由相应的子系统产生的力矩是线性的关系。而后0是在产生瞬时的轴力矩m0时会在第一子系统中出现的负载角。与此类似，2负载0是第二子系统中的角度，在产生力矩m0时会在这个系统中产生该角度。因此，在负载力矩恒定时，负载角在滑移（schlupf）范围内通过以下方程式来演变，即：

其中

。

在这方面得到

。

将0附加索引为0n，这表明0n与电网频率的偏移无关。

在-4<<-0.5和0<s1<3的、在技术上有意义的范围内，该方程式没有极点，因此在这方面下面能够使用0n来跟踪电网频率。

对于表达式来说，现在得出

对于特殊情况来说假设=-1（负的符号从第二子系统相对于第一子系统的作用方向中得到解释）。在这种情况下，上述关系简化为

和

。

在方程式5.142中所使用的角度0n从方程式5.141中得知。所述角度通过单个系统的负载角之间的差来形成并且在这方面不取决于通过电网频率的频率偏差形成的角度偏移。这种独立性从

中得出。

相反，对于表达式来说产生相对于通过转子频率的频率偏差产生的角度偏移的独立性。这通过以下方程式

来表明。

在使用这种关系式时针对0m得到以下表达式

。

该表达式的极点被确定为

。

方程式5.147的极点总是处于-4<<-0.5和0<s1<3的、在技术上有意义的范围内，因此在这方面不能直接形成0m来用于计算转子转速。

确定d-q变换的变换角

d-q变换的或者其反向变换的变换角原则上通过方程式5.129和方程式5.130来描述。方程式5.131适用于与负载角及误差角无关的变换角。在这些变换角上添加了从上述段落中获取的方程式中用

或者

或者在写全的情况下用

或者

确定的角度。在代数总结之后得出了简单的关系式

。

角度δ1和δ2在这里所示的关系式中能够通过方程式5.125在-π/2≤δ1,2≤π/2的范围内确定。因此，可以分离出通过电网偏差和转子转速偏差关于时间来积分的角度份额并且单独对其进行调整。

在具有反馈功能的系统中，由转子转速偏差所引起的角度偏差被设置为。

然后将变换的电网误差角份额调整为

。

对于有待额外地接入（aufschalten）的角度来说保留以下表达式

。

在没有反馈功能的系统中，能够将在方程式5.151和方程式5.152中出现的取决于的项合并。这引起

或者

。

这些表达式-如在方程式5.146中所示出的那样-与取决于转速的角度偏移无关。