用于在暂态电网电压变化下运行双馈异步电机的方法和设备的制作方法

专利名称：用于在暂态电网电压变化下运行双馈异步电机的方法和设备的制作方法
用于在暂态电网电压变化下运行双馈异步电机的方法和设备
本发明涉及一种在暂态(transienten)电网电压变化下在电网处的 又又々贵异步电才几(doppeltgespeisten Asynchronmaschine)的运4亍的方法禾口 设备。
双馈异步电机优选地在转速可变系统中(例如在高功率风力发电 设备中)作为转轴发电机或与回转质量储存器和不间断供电装置一起 而被使用。通常，异步电机的定子与电网(Netz)相连接，转子经由滑 环与变频器(Umrichter)相连接。利用这种变频器，电气变量(elektrischen Groesse)的理"i仑值(Sollwert)可4皮记入转子中(in den Rotor eingepraegt)。 变频器的概念应广义地理解。通常，在现代的设备中，存在有电机侧 的变频器和电网侧的变频器，这些变频器经由中间电路(Zwischenkreis) 彼此连接。除了电压和电流中间电路之外，无需中间电路的直接变频 器也是可行的。通过直流电压源或直流电流源来进行电机侧变频器的 供电同样是可行的。被记入转子中的电气变量可例如为电压或电流。 现今通常使用带有IGBT的四象限变频器(Vier-Quadranten-Umrichter)。 但是，其它的半导体开关，如GTO和晶闸管(Thyristoren)也是可行的。
该双馈异步电机相对于类似系统而言的优点在于相对于被馈入 电网的总功率而言的有所降^^的变频器结构功率(Bauleistung)。由此， 带有双馈异步电机的系统具有相对较好的效率。 '
转子电压的振幅和频率与电机的转差率(Schlupf)成比例 (proportional)。转差率被定义为参照于同步的转速的机械转速与同步 转速之间的偏差。双馈异步电机的典型的转速区域处于同步转速的 70%至130%之间。在转速的该工作区域中，所必需的最大转子电压显 著地比在静止的(stillstehender)电机下所需的更低。与在30%转差率时相比，在静止状态下，转子电压的振幅大三倍还要多。振幅的绝对值 依赖于电机的传动比。所感应出的转子电压的频率在静止状态下与电 网频率相同。在典型的转速区域中，该频率最大为电网频率的30%。 该变频器通常设计成，其最大可提供在所定义的转速区域中的所需电 压。
在风力发电设备的数量增多以及与此相联的对电网运行器
(Netzbetreiber)的要求变得越来越高的过程中，在电网电压的暂态变化 下的双馈异步电机的特性越来越重要。此处，暂态变化是电网电压相 对稳态(stationaeren)值和/或额定值的时间上受限制的偏差。其既可为 电压突降(Spannungseinbrueche)也可为电压升高。通常称之为电压跃变 (Spannungsspruengen)或暂态电压跃变。在此，电压突降可例如由于电 网中的短路而出现。在此，在极端情况下，可出现降至0%的电压突 降。电压升高可在未^皮^卜偿的电网中的无功功率均-斷的情形下出现，
例如，在大的电感性用电器#:关闭时。
在双馈异步电机上，电机的定子直接与电网相连接，以使得，在 暂态的电网电压变化下，定子电压相应地作响应。电^L的通量矢量
(Flusszeiger)在稳态状态下以电网频率旋转。在暂态的电压变化下产生 了f兹通量的这样的部分，该部分相对于定子固定，且直到若干电网周 期之后才逐渐消除。该静止的通量部分，(也称为通量的恒定部分)， 与电网电压矢量(Netzspannungszeiger)的变化成比例。该通量的恒定部 分在转子线圈中感应出显著地更高的电压(与带有经定义的转速区域 的稳态电网运行中相比)。但是，变频器通常仅设计用于这种稳态的电 网运行，且由此无法提供相应的反电压。这有以下后果，即，双馈系 统在电压跃变情形下的响应特性表现出在定子中和在转子中的短路 式的电流以及相应的气隙扭矩(Luftspaltdrehmoment)。针对双馈异步电 机的优化的响应特性的最简单的技术解决方案为，将变频器设计成用 于这样的转子电压，即，该转子电压对最大的电压5^变的补偿而言是 必要的。自然，这几乎相当于这样的变频器结构功率一一该变频器结构功率等于系统的总功率。然而，这破坏了双馈系统的重要优点、即、 相对而言较小的变频器结构功率。
为了保护双馈异步电机的变频器，通常会使用所谓的短路器
(Crowbar)。这是一种带有晶闸管的保护电路，通过该保护电路，转子 可被短接。超过许用转子电流(Rotorstrome),超过许用中间电路电流 或超过许用中间电路电压都可充当短路器的触发条件 (Ausloesekriterium)。正如已经阐述的那样，暂态电网电压变化可导致 不允许的高的转子电流。相应地，在暂态的电网电压变化下在转子中 所感应出的电压同样可导致至中间电路的熊量的供给并由此导致中 间电路电压的或中间电路电流的升高。尽管短路器保护了变频器免于 中间电路的破坏，但是就双馈异步电机的整体特性而言，其应用有严 重的缺点。
由变频器所控制的双馈异步电机的正常运行(例如利用将有功功 率输出和无功功率输出调到规定的值上的调节或利用借助于其它参 数的调节)在短路器的激活期间不再可能。在被短接的转子上，该电机 如同带有笼式转子线圈的异步电机一样起作用，也就是说，电机从电 网吸收感应无功功率(依赖于转速)且从电网吸收有功功率或将其输 出。如果短路器在暂态电网电压变化过程中被激活，则在电压变化结 束之后，在所定义的运行(例如利用有功和无功功率调节的运行)重新 可行之前，通常已逝去了至少100ms。由此，不能满足电网运行器的 如下要求，即，即使在暂态的电压变化下也能主动地调节有功功率和 无功功率。同样还可能要求，作为有功功率和无功功率的代替，还应 可对其它相应的变量，如电网电压，功率因子，力矩或—见在功率等进 行调节。
正如已4是及的那样，暂态电网电压变化下的短5^式电流导致相应 的气隙才丑矩。这种4丑矩(Drehmoment;K吏传动系(Antriebsstrang)和传动 装置(Getriebe)承载。通过短路器的应用，作用于传动系和传动装置上 的扭矩进一步^i口强。在此，不仅扭矩的模(Betrag)是紧要的，而且所
9出现的扭矩的交变部分(该交变部分尤其在非对称的电网故障下出现) 也是紧要的。这种扭矩载荷尽管在正常情况下并不导致直接的损伤， 然而在相应的频繁度情况下却可能显著地降低传动装置及传动系的 其它部件的寿命。
在文件WO 2004/030199中描述了 一种在突然的电网电压变化下 利用双馈异步电机以将能量连续地馈入至电网中的设备。该设备在定 子电路中含有电子开关，通过该电子开关，定子在电压变化时短时间 地与电网分离。该i殳备具有如下缺点，即，电才几必须重新与电网进行 同步。
在Athen, EWEC 27.02.-02.03.2006 ,中的由A. Causebrook, DJ.Atkinson和A.G Jack所著的出版物"Fault Ride-Through: Shifting the Balance of Power from Blade Pitch to Electrical Resistance"(故障穿 越将功率平衡从叶片倾角切换至电气电阻)中公开了 一种带有电子开 关和并联电阻的组件。在此，在电网故障的情况下，电阻^皮接至电网 通路(Netzpfad)中且由此使得电能从电机的引出成为可能。这种布置相 当好地限制了所出现的电流尖峰和扭矩尖峰(直接在故障发生之后)。 但是，为了确保电流和扭矩的时间上的交变部分的衰减，需要相当长 的电阻接入时间(Einschaltzeiten)。对于实际所设计的电阻而言，所需 要的接入时间明显超过20ms。其为这样的时间，即，按照该时间，能 量供给企业要求带有经定义的有功功率和无功功率的输出的受控的 运行。在电阻的较长时间地接入的情形下，还可能出现，不仅如所希 望那样从电机吸收有功功率，而且还从电网吸收有功功率。后者在一 些电网联结规程中甚至是禁止的。
除了开关技术的解决方案，在现有技术中，双馈异步电机的关于
NORPIE 14,16.06.2004中的由Jorun I， Marvik, Torstein BjOrgum, Bjarne I. Naess, Tore M. Undeland和Terje Gjengedal所著的文件 "Control of a Wind Turbine with a Doubly Fed Induction Generator afterTransientFailures"("在暂态故障之后带有双馈感应发电机的风力透平 的控制")中也是这样的。此处，将无功功率调节器和通量调节器的特 性彼此比较。
文件WO 2006/030183示出了带有定子电压调节和定子功率调 节，带有下级的(unterlagerten)转子通量调节，用于在稳态电网电压下 双馈异步电机的调节，以及额外的辅助调节，用于优化在暂态的电网 电压变化下的特性。
从所述的现有技术中可以获悉，在稳态和暂态状态下的电机或者 说双馈异步电机的通量调节都是已知的。在此，用于待调节通量的理 论值由上级(ueberlagerte)调节器生成或被设到恒定值上或者——在暂 态的电网电压变化的情况下——被设到其准稳态(quasistationaeren)值 上。
本发明的目的在于，在电网处的双馈异步电机的这样的运行 中——在运行中会出现不同类型的暂态电网电压变化——降低在这 些暂态电网电压变化下的传动系的机械载荷。
为了实现该目的，提出 一种在暂态的电网电压变化下双馈异步电 机的运行所用的方法，在该异步电机中，定子与电网相连接，转子与 变频器相连接，并且，在该异步电机中，变频器构造用于，将电气变 量的理论值记入转子中，在该运行方法中，直接地在辨识(Erkennen) 出暂态的电网电压变化后将至少基于转子通量(Rotorfluss)和定子通量 (Statorfluss)而被确定的电气变量的理论值这样地记入转子中，即，使 得在暂态的电网电压变化期间所出现的扭矩的主动降低(aktive Reduzierung)被实现。根据本发明，迅速地在电网电压变化之后就已经 重新使得经定义的在相应的正常调节模式中的运行(例如利用有功功 率调节和无功功率调节)成为可能。
根据本发明的一种优选的实施形式，在辨识出暂态电网电压变化 后，至少基于转子通量和定子通量而被确定的电气变量的理论值如下地被记入转子中，即，使得在暂态的电网电压变化下所出现的转子电 流的主动降低也被实现。在此，确保了在关于扭矩和转子电流的大小 方面的同样地优化的特性。
尤其地，根据本发明的一个实施形式，例如通过定子通量矢量和
转子通量矢量的合适的加权(Wichtung)(例如以40%对60%的比例)实 现了对于所有电网故障类型而言相同地优化的转子电流和扭矩的降 低。这在如下边界条件下实现，即，供使用的调整变量(Stellgroesse)(例 如转子电压)被限制。
根据本发明的方法不依赖于在稳态运行中的双馈异步电机的调 节。在稳态的运行中，通常存在待吸收或待输出的有功功率和无功功 率的调节的要求。备选地，还可要求其它相应的变量(如电网电压，功 率因子，力矩或^L在功率)的调节。对此可^f吏用已知的方法。直到辨识 出暂态电网电压变化后才切换到根据本发明的方法上。
由此，短路式电流和相应的扭矩(它们在暂态的电网电压变化下通 常会出现)可在尽可能最短的时间内被消除，并且，调节可被重新转换 到有功和无功功率调节或者其它的稳态调节策略上。
根据本发明的调节仅在辨识到暂态电网电压变化后在较短的时 间内被激活且在其它情况下使用标准调节方法(例如用于有功功率和 无功功率的调节的方法)。在本发明的一种有利的设计方案中，电气变 量(其应被记入转子之中以在电网故障的情况下优化地控制转子通量) 的理论值在稳态的运行中已持续地被计算。在此，可避免较大的时延 (如果电气变量直到识別出暂态电网电压变化之后才被确定则会产生 该时延)。
还存在有这样的其它电机变量，这些变量的乘积与扭矩成比例且 它们因此可代替转子通量和定子通量而被使用。例如，可行且为本发 明所包含的是分别地使用转子电流的，转子通量的，定子电流的或 定子通量的空间矢量(带有合适的权重)以用于确定转子理论变量，同 样地，定子电压矢量连同转子电流矢量或转子通量矢量4皮使用也是可行的。
根据本发明的另 一 实施形式，被施加入转子中的电气变量为转子
有IGBT和直流电压中间电路的四象限变频器。在其它的变频器拓朴 结构中，选择转子电流作为被记入转子之中的电气变量可能是合适 的。
根据本发明的另一种优选的实施形式，被记忆入转子之中的转子 电压矢量的理论值基于从转子通量的矢量和定子通量的矢量中得出 的差矢量(Differenzzeiger)的至少 一个分量(Komponent)而被获取。
根据本发明的另一种优选的实施形式，转子电压矢量的理论值成 比例于出自转子通量矢量和定子通量矢量的差矢量。
根据本发明的另 一种优选的实施形式，由于转子电压的模(Betrag) 的自然的限制，进^"偏重于(zu Gunsten)出自转子通量矢量和定子通量 矢量的差矢量的这样的分量的加权，该分量垂直于定子通量矢量。
根据本发明的另一种优选的实施形式，出于同样的原因，进行偏 重于该出自转子通量矢量和定子通量矢量的差矢量的平行于定子通 量矢量的分量的加权。
带有IGBT的变频器或其它的半导体开关仅可接出(schalten)离散 的状态。 一种三相的桥电路可设定(annehmen)八个离散状态。在转动 矢量调制(Drehzeigermodulation)的方法中，在采样周期(Abtastperiode) 期间，分别针对特定的时间设定不同的离散状态，更确切地说是以如 下方式，即，使得旋转矢量的平均值尽可能良好地与理论值相对应。 由此可生成连续的电压值。在暂态电网电压变化的情况下，变频器必 须提供相对于由于定子通量而在转子线圏中感应出的电压的尽可能 高的反电压。因此，根据本发明的另一种优选的实施形式，在采样周 期期间，接通变频器的仅一个离散开关状态(Schaltzustand),其中，选 择如下的开关状态——该开关状态的相位(Phasenlage)与转子电压的 理论值的相位最为接近(amnaechstenliegt)。在此，利用该变频器能实现的最大的电压的模被记入转子之中。由此所产生的在电压的湘位中
的误差可就此而论被忽略，因为与理论向量(Sollvektor)的角度偏差在 时间上静态:地(statistisch)^皮均4軒。
转子通量和定子通量并非直接可测的变量，且因此，借助于观测 器(Beobachter)而被计算。在此，可根据适合的模型而将定子通量矢量 和转子通量矢量的时间上的瞬间值(Augenblicks werte)同样地加以计 算，就如准稳态矢量一样。后者指的是定子通量矢量和转子通量矢 量一一如果当前的定子电压瞬间值一直存在直到在所有均衡过程消 退(abgeklungen;)。根据本发明的另 一实施形式，使用了暂态转子通量 和准稳态定子通量以用于确定转子电压的理论值。暂态定子通量的使 用需要较高的计算成本，但也供应了更精确的结果。因此，根据另一 实施形式，使用了暂态转子通量和暂态定子通量以用于确定转子电压 的理论值。
用于确定转子通量和定子通量的观测器基于可直接测量的变量 而计算不可直接测量的变量。根据一种优选的实施形式，转子通量和
定子通量分别基于定子电压，定子电流和转子电流等所测得的变量中 的至少一个而被计算出。根据所使用的模型的类型， 一个被测变量已 经足够，例如，在准稳态的定子通量的情况下。在更精确的模型中也 可能需要所提及的测量变量(Messgroessen)中的两个或所有测量变量。
如果如上述地，提及定子电压，定子电流和转子电流作为可供使 用的测量变量而未提到转子电压，则其涉及在这样的双馈异步电机上 的本发明的执行一一在该异步电机上，在变频器一侧，转子电压被控 制，因此，转子电压在该情况下为调整变量，且由此通常不作为测量 变量供使用。在备选的控制中一一例如，利用转子电流控制一一转子 电压也可作为测量变量被加以考虑。
为了实现该目的，还提出了这样一种设备，该设备具有变频器和 至少一个控制单元，且其中，控制单元具有这样的器件，通过其，基 于转子通量和定子通量的电气变量的理论值如下地被确定，即，使得
14可实现在暂态的电网电压变化期间所出现的扭矩的主动降低，其中， 在辨识出暂态电网电压变化之后，电气变量的理论值被记入转子之 中。
在根据本发明的设备上，变频器可利用仅仅一 个控制单元而运 行。但如下一点也是可行的，即，为电才几侧的变频器和电网侧的变频 器使用独立的控制单元。每个控制单元可具有一个或多个微控制器和 /或微处理器。该控制单元还具有合适的出口接口以用于将操控信号
(Ansteuersignals)传输到变频器处。
按照根据本发明的设备的一种实施形式，被记入转子之中的电气 变量为转子电压。
按照根据本发明的设备的一种实施形式，该器件基于差矢量的至 少一个分量的而确定转子电压矢量的理论值，其中，该差矢量基于转 子通量的矢量和定子通量的矢量。
按照根据本发明的设备的另 一 实施形式，转子电压矢量的理论值 与基于转子通量矢量和定子通量矢量的差矢量成比例。
按照根据本发明的设备的另一实施形式，转子电压的理论值不超 出某一规定的值，并且，该器件进行这样的加权，该加权偏重于出自 转子通量矢量和定子通量矢量的差矢量的垂直于定子通量矢量的分 量。
按照根据本发明的设备的另 一实施形式，转子电压的理论值不超 出某一规定的值，并且，该器件进行偏重于出自转子通量矢量和定子 通量矢量的差矢量的这样的分量的加权，该分量平行于定子通量矢 量。
按照根据本发明的设备的另一实施形式，通过控制单元的该器件 在采样周期期间接通变频器的仅一个离散开关状态，并且，该器件选 择这样的开关状态——其相位最接近转子电压的理论值的相位。
按照根据本发明的设备的另 一实施形式，为确定转子电压的理论 值，该器件使用了暂态转子通量和准稳态定子通量的合适的加权。按照根据本发明的设备的另 一 实施形式，为确定转子电压的理论 值，该器件使用了暂态转子通量和暂态定子通量的合适的加权。
按照根据本发明的设备的另一实施形式，转子通量和定子通量分 别基于定子电压，定子电流，以及转子电流(以及，如可能时，转子电 压)等所测得变量中的至少一个而被算出。为此，可使用合适的测量传 感器。为了接收数据，控制单元具有相应的输入接口。
按照根据本发明的设备的另 一 实施形式，在双馈异步电机的电网
通路中布置有可控的纵向阻抗(Laengsimpedanz)。这种可控的纵向阻抗 包括阻抗和并联的开关。作为阻抗可考虑能够吸收出自电机的能量的 欧姆电阻。感应成分可额外地限制电流升高。作为开关，优选地可考 虑电子开关，因为，为了实现该目的，相应地需要快速的反应时间，
地使用主动半导体开关，例如GTO。但也可使用带有相应的灭弧电^各 (Loeschschaltung)的晶闸管。在正常运行时，开关导通，而阻抗#1短接。 在辨识出暂态电网电压变化之后，开关^皮打开而阻抗#皮接到电网通^各 中。备选地，电子开关的脉冲式运行(getakteter Betrieb)也是可行的， 从而，阻抗值可被调。该阻抗尤其地立即地在暂态电网电压故障出现 之后用于扭矩的额外的降低。
按照根据本发明的设备的另 一实施形式，在双馈异步电机的定子 通^各(Statorpfad)中布置有可控的纵向阻抗。首先，与在电网通路中的 纵向阻抗的布置的优点相同的优点在此同样有效。额外地，在定子通 路中的布置有如下优点，即，电子开关仅须被设计用于较低的功率。 此外，电网侧的变频器保持直接地与电网相连接，以使得，即使在暂 态的电网电压跃变期间，无功功率也可经由电网侧的变频器而被供应 至电网中。该优点是存在的，而与合适的理论值是否同时被记入转子 中无关。
按照根据本发明的设备的另 一 实施形式，变频器具有电压中间电 路，利用该电压中间电路，带有电阻(用于降低中间电路电压)的回路(Schaltung)与电压中间电路相连接。这种回路也被称为中间电路斩波 器(Chopper)。这种中间电路斩波器可以作为纵向阻抗的备选或补充的 方式而在电网通路或定子通路中被y使用。通过将电气变量的理i仑值储 入转子中一一该电气变量例如通过基于定子通量矢量和转子通量矢 量的合适的加权(例如按40%对60%的比例)而被确定——主动地从发 电^/L中收回(entzogen)有功功率。该有功功率可由斩波器-电阻所吸收。 该中间电路斩波器提供了额外的保护，防止中间电路电压的所不允许 的较高的上升。
本发明的其它设计方案由说明书和从属权利要求中得出。下文中 将依据实施例参照所附图纸进一步阐述本发明。其中


图1示出了带有四象限变频器和电压中间电路的双馈异步电机的 示意性的构造。
示意图。
图3示出了偏重于基于转子通量和定子通量的差矢量的一个分量 的加权的实施例的示意图4示出了三相桥电路的可能的开关状态和转动矢量调制的功能 原理的示意图5示出了最大矢量长度的和三相桥电路的可能的开关状态的示 意图6示出了根据本发明的用于获取离散的开关状态的方法的示意
图7示出了根据本发明的方法的示意图，该方法可在连续的角度 位置和离散的开关状态的使用之间进行切换。
图8示出了在电网通路中带有可控的纵向阻抗的双馈异步电机的 示意图9示出了在定子通路中带有可控的纵向阻抗的双馈异步电机的示意图；以及
图10示出了带有四象限变频器，电压中间电路和中间电路斩波 器的双馈异步电机的示意性的结构。
图1示意性地示出了带有双馈异步电机1的系统。该双馈异步电
机1具有定子la和转子lb。此外，在电机处安装有位置传感器lc。 异步电机的转子机械地经由轴2和传动装置3与驱动装置(Antrieb)相 联接。在图1中所示出的驱动装置表现为风力发电设备的转子叶片4。 定子la经由电网变压器5与电网相连接。转子lb以电气的方式与变 频器6相连接，且该变频器6经由扼流器(Drosse1)7和电网滤波器8 与电网变压器5相连接。该变频器6包含电机侧的变频器6a和电网侧 的变频器6b,它们经由电压中间电路6c彼此联接。该变频器6由控 制单元9所操控。此外，图1示出了用于转子电流9a,定子电流9b 和定子电压9c的测量部位。这些测量值-故传递到控制单元9处。位置 传感器lc将转子位置也提供给控制单元9。为了保护变频器6，在电 机侧的变频器6a和转子之间布置有短路器10。
在正常的稳态运行期间，使用标准调节方法。图2示出了根据本 发明的调节方法的实施形式，在辨识出暂态电网电压变化后，切换到 该调节方法上。用于观测器以用于确定定子通量和转子通量所需的测 量变量可在不同的坐标系统中被处理。由于待被记入的变量已经是转 子变量，所以合适的是，同样选择以转子为导向的(rotororientiertes)线 圏固定的(wicklungsfestes)坐标系统。通常这节省了用于理论值(该理论 值应被注入转子lb中)的逆变换步骤。转子电流9a已经是转子变量。 变换才莫块(Transformationsblock) 11 <又将出自三相(dreiphasigen)系统的 测量变量变换到两相的笛卡尔(kartesisches)坐标系统中。定子电流9b 和定子电压9c在变换模块12中首先从三相系统变换到两相的以定子 为导向的(statororientiertes)笛卡尔坐标系统中，且然后借助于转子位置 角度lc变换到两相的、以转子为导向的坐标系统中。该变换步骤原则上也可相反地进行。这些测量变量然后被递送至观测器13以用于确 定转子通量并被递送至观测器14以用于确定定子通量。根据所使用 的才莫型而定，并非需要所有的变量，尤其是在使用了准稳态的定子通 量时，了解定子电压已足够的。准稳态的定子通量矢量f定子由等式(l)
得到
^定子 一定子 乂《定子
(1)
此处，辽定f为定子电压矢量，w定+为定子电路频率。
从观测器14的输出31中减去观测器13的输出30。该结果与两 相的以转子为导向的坐标系统中的、基于转子通量的矢量和定子通量 的矢量的差矢量相对应。为了从通量差中生成电压值，还需要在模块 28中与比例因子相乘。如此所获取的电压值则在逆变换模块15中重 新变换到三相的系统上。在模块16中基于三相的转子电压理论值生 成针对变频器的触发模式(Zuendmuster)。这可例如借助于脉宽调制而 实现。
图3示出了有利于基于转子通量和定子通量的差矢量的一分量的 加权的实施例的示意图。在所示出的实施例中，出自定子通量31和 转子通量30的差被输送给变换模块40。该变换模块确定差矢量的垂 直于定子通量的分量60a和平行于定子通量的分量60b。为了该变换， 还需要定子通量31本身。代替差矢量的垂直于定子通量的分量60a, 此处也可使用转子通量矢量30的垂直于定子通量的分量。该垂直于 定子通量的分量经由特性曲线41被进一步处理。这种特性曲线可例 如为带有至转子电压61的规定值的限制的线性的函数。那么，特性 曲线41生成转子电压62a的垂直于定子通量的分量。平行于定子通量 的转子电压分量62b的确定通过垂直的转子电压分量62a的(从转子电 压边界值61的)几何减去(geometrische Subtraktion)而实现。为此，垂 直的转子电压分量在模块42中乘方，且转子电压边界值在模块43中乘方，结果相减并基于该差而在模块44中算出平方根。借助于模块
45则还可与符号(Vorzeichen)相乘。在模块45的输出处获得了转子电 压的平行于定子通量的分量62b。该符号可或者选择成使得电压分量 62b有助于使转子通量趋近于(anzunaehem)定子通量或者选择成使得 定子通量被减小。
该符号可借助于加权因子c而被影响。出自定子通量和转子通量 的差矢量的平行于定子通量的分量60b在模块46中与因子c相乘。模 块47确定了定子通量的模，且^^莫块48将该模与因子(l-c)相乘。该结 果被从模块46的输出中减去，且在模块49中确定该符号。该符号然 后可供乘法模块45使用。如果选择因子c-l，则仅定子通量与转子通 量的趋近得到支持(unterstuetzt)。如果选择因子c-O,则平行于定子通 量的转子电压分量仅用于定子通量的降低。转子电压分量60a和60b 然后还须在变换模块50中变换到转子固定的(rotorfestes)坐标系统中。 为此，使用定子通量31和转子位置lc。
三矢量调制(Dreizeigermodulation)提供了 一种用于脉宽调制的转 化(Umsetzung)的可能性。 一种三相桥电路可占据八种离散的开关状 态。图4示出了可能的开关状态的空间矢量图示。六种开关状态由矢 量22a至22f代表。另两个(未示出)的开关状态得到零矢量。
为了产生转动矢量^23,首先针对采样周期r期间的特定的持续 时间f/接通矢量&22a。在此，相应于等式(2),在平均上(im Mittel) 得出转动矢量^23a:
、丄1[/ (2) _ r —
针对随后的持续时间^，矢量2^Z22b,皮接通。在此，在持续时间 ^期间，相应于等式(3)，在平均上获得了矢量、23a。
2w=^2f/ (3)
进一步地，针对时间,。，接通零向量^。在采样周期r期间，由此在平均上得出所期望的矢量m23。等式(4)示出了该计算。
^ J^1"2"^ (4)
三个向量的接入时间的总和给出了周期持续时间
T = i + ^ + &. (5)
图5中所示出的圆周线表示利用转动矢量调制可实现的调节范围
(Stellbereich)的边界。最大的矢量长度由转动矢量24(带有角度f )所确 定。对于该矢量，时间G和^的和是最大的。利用变频器原则上可实 现的调节范围通过在图5中所示出的六边形来表示。可看到，对于在 离散的开关状态附近的相位而言，在使用转动矢量调制时的调节范围 相对于利用变频器所能实现的调节范围而言相应地被限制。
在暂态的电网电压变化情况下，通常需要尽可能大的转子电压。 因此，以下一点是尤其有利的，即，通过根据本发明的方法或根据本 发明的设备所获取的转子电压的理论值并不借助于转动矢量调制或 类似的方法而被接通，而是，在整个采样周期期间，使用该六个离散 的开关状态22a至22f中的与转子电压理论值的相位最为接近的那个。 在此，实现了最大可能的电压的模。这种方法的示意图在图6中示出。 相应于在图2中所示出的方法，基于观测器输出30和31的差而形成 转子电压理论值。此处并不需要与比例因子相乘，因为，在根据本发 明的方法和/或根据本发明的设备的该实施形式中仅取决于 (ankommen)转子电压的相角(Phasenwinkel)。因此，该比例因子固定到 值一上。模块17从笛卡尔坐标获取转子电压的相角。从中，模块18 获取了针对这些离散开关状态中的一个的最接近的空间矢量，并且模 块19生成了相应的用于转子侧变频器的触发模式。
图7示出了带有离散的和连续的角度位置的方法的组合。在大多 数情况下，在暂态的电网电压变化下，需要最大可供使用的转子电压。 但是在较小的电压变化下同样可能的是，对于转子通量至定子通量的 趋近而言，与最大可能的转子电压相比较小的转子电压就已足够。在这种情况下，通过仅一个离散状态的接通在采样周期期间会生成过大 的电压。出于此原因可通过开关装置21在采样周期期间在带有脉宽 调制的方法和带有离散的开关状态的方法之间进行切换。该开关装置
21由评价装置20所操控。该评价装置20获取转子电压理论值的模并
依赖于该模在这些方法之间切换。
图8示出了带有在电网通路中的可控的纵向阻抗25的双馈异步 电机的布置。也就是说，可控的纵向阻抗布置在定子与电网侧的变频 器的连结点和电网之间。该可控的纵向阻抗25包括实际上的阻抗25a 和电子的开关25b。电子开关包括两个反平行晶闸管(每相)。附加地， 可能需要(此处未示出的)灭弧电路以用于晶闸管的快速的灭弧。如果 使用自熄灭GTO,则原则上可放弃灭弧电路。
图9示出了一种有利的改进方案。此处，可控的纵向阻抗26并 非联结在电网通路中而是在联结在定子通路中，也就是说，阻抗联结 在定子联结端子与电网侧的变频器和电网的连结点之间。在电网通路 25中的和在定子通路26中的可控纵向阻抗的原则上的构造是相同的。
损失功率。对于开关而言，损失功率的降低^L转差率区域而定为约25% 且由此意味着显著的成本节省。
图10示出了如下可能性，即，将多余的能量从中间电路6c(并由 此间接地也就从电机)中导出。中间电路斩波器27与中间电路6c相连 接。中间电路斩波器27大致包括电阻27a和电子开关27b。在所示出 的例子中使用IGBT作为开关。此外，在电阻27a上布置有空载二极 管27c。由于总是存在的寄生电感，该空载二极管27c是必需的，以 便在开关27b断开时避免过压。 一旦在该中间电路中超过许用电压值， 则该IGBT27b接通，当该值降到定义的值上，IGBT27b重新断开。 附加地或备选地可在暂态的电网电压变化下通过电网侧的变频器的 快速的调节而将功率从中间电路导出到电网中。
2权利要求
1.一种用于双馈异步电机(1)的运行的方法，该双馈异步电机(1)具有与电网相连接的定子(1a)和与变频器(6)相连接的转子(1b)，其中，所述变频器(6)设计成，将电气变量的理论值记入所述转子(1b)中，其特征在于，在辨识到暂态电网电压变化后，至少基于转子通量和定子通量而被确定的电气变量的理论值如下地被记入所述转子(1b)中，即，使得所述暂态电网电压变化期间所出现扭矩的主动降低被实现。
2. 根据权利要求1所述的方法， 其特征在于，在辨识出暂态电网电压变化后，所述至少基于转子通量和定子通 量而被确定的电气变量的理论值如下地被记入所述转子(lb)中，即， 使得，所述暂态电网电压变化期间所出现转子电流的主动降低也被实 现。
3. 根据权利要求1或2所述的方法， 其特征在于，所述电气变量的理论值基于如下变量中的至少一个、优选全部的 合适的加权而被确定定子通量矢量，转子通量矢量，定子电压矢量， 定子电流矢量，转子电流矢量，以及，转子电压矢量一一如果该转子 电压矢量可作为测量变量而供使用。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的方法， 其特征在于，基于转子通量和定子通量而被确定的电气变量的理论值至所述 转子(lb)的记入如下地进行，即，使得，对于不同类型的引起所述暂 态电网电压变化的电网故障而言，所述主动P条低都同样地进行。
5. 根据前述权利要求中任一项所述的方法， 其特征在于，被记入所述转子中的电气变量为转子电压。
6. 根据权利要求5所述的方法， 其特征在于，所述转子电压矢量的理论值基于出自转子通量的矢量和定子通 量的矢量的差矢量的至少一个分量而^^皮获取。
7. 根据权利要求6所述的方法， 其特征在于，所述转子电压矢量的理论值与出自转子通量矢量和定子通量矢 量的差矢量成比例。
8. 根据权利要求6所述的方法， 其特征在于， 所述转子电压的理论值不超出某一规定的值，并且，进行偏重于 出自转子通量矢量和定子通量矢量的差矢量的垂直于定子通量矢量 的分量的加权。
9. 根据权利要求6所述的方法， 其特征在于，所述转子电压的理论值不超出某一规定的值，并且，进行偏重于 出自转子通量矢量和定子通量矢量的差矢量的平行于定子通量矢量 的分量的加权。
10. 根据权利要求5至9中任一项所述的方法， 其特征在于，在釆样周期期间，接通变频器的仅一个离散的开关状态，其中， 选择这样的开关状态，即，其相位与所述转子电压的理论值的相位最 为接近。
11. 根据权利要求5至10中任一项所述的方法， 其特征在于，使用暂态转子通量和准稳态定子通量的合适的加权以用于确定 所述转子电压的理论值。
12. 根据权利要求5至10中任一项所述的方法，其特征在于，使用暂态转子通量和暂态定子通量的合适的加权以用于确定所 述转子电压的理论值。
13. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，分别基于定子电压，定子电流，转子电流，以及一一若转子电压 可作为测量变量而供使用一一转子电压等所测得变量中的至少一个 而计算转子通量和定子通量。
14. 一种用于双馈异步电机(l)的运行的设备，该双馈异步电机(l) 带有定子(la),转子(lb)，变频器(6)和至少一个控制单元(9)，其中， 所述定子(la)与电网相连接且所述转子(lb)与所述变频器(6)相连接，其 中，所述变频器(6)设计成，将电气变量的理论值记入所述转子(lb)中，其特征在于，所述控制单元(9)具有这样的器件，其在辨识到暂态电网电压变化后将至少基于转子通量和定子通量而被确定的电气变量的理论值如 下地被记入所述转子(lb)中，即，使得所述暂态电网电压变化期间所 出现扭矩的主动降低被实现。
15. 根据权利要求14所述的设备， 其特征在于，在辨识出暂态电网电压变化后，所述至少基于转子通量和定子通 量而被确定的电气变量的理论值如下地被记入所述转子(lb)中，即， 使得所述暂态电网电压变化期间所出现转子电流的主动降低也被实 现。
16. 根据权利要求14或15所述的设备， 其特征在于，所述电气变量的理论值基于如下变量中的至少一个、优选全部的 合适的加权而被确定定子通量矢量，转子通量矢量，定子电压矢量，定子电流矢量，转子电流矢量，以及一一如果转子电压矢量可供使用的话一一转子电压矢量。
17. 根据权利要求14至16中任一项所述的设备，其特征在于，基于转子通量和定子通量而被确定的电气变量的理论值至所述转子(lb)的记入如下地进行，即，使得，对于不同类型的引起所述暂态电网电压变化的电网故障而言，所述主动降低都同样地进行。
18. 根据权利要求14至17中任一项所述的设备，其特征在于，被记入所述转子中的电气变量为转子电压。
19. 根据权利要求18所述的设备，其特征在于， .所述器件基于出自转子通量的矢量和定子通量的矢量的差矢量的至少 一个分量而获取所述转子电压矢量的理论值。
20. 根据权利要求19所述的设备，其特征在于，所述转子电压矢量的理论值与出自转子通量矢量和定子通量矢量的差矢量成比例。
21. 根据权利要求19所述的设备，其特征在于，所述转子电压的理论值不超出某一规定的值，并且，所述器件进行偏重于出自转子通量矢量和定子通量矢量的差矢量的垂直于定子通量矢量的分量的加权。
22. 根据权利要求19所述的设备，其特征在于，所述转子电压的理论值不超出某一规定的值，并且，所述器件进行偏重于出自转子通量矢量和定子通量矢量的差矢量的平行于定子通量矢量的分量的加权。
23. 根据权利要求18至22中任一项所述的设备，其特征在于，通过所述控制单元的器件在采样周期期间接通所述变频器的仅一个离散的开关状态，其中，所述器件选择这样的开关状态，即，其相位与所述转子电压的理论值的相位最为接近。
24. 根据权利要求18至23中任一项所述的设备，其特征在于，用于确定所述转子电压的理论值的器件使用暂态转子通量和准稳态定子通量的合适的加权以用于确定所述理论值。
25. 根据权利要求18至23中任一项所述的设备，其特征在于，用于确定所述转子电压的理论值的器件使用暂态转子通量和暂态定子通量的合适的加权以用于确定所述理论值。
26. 根据权利要求14至25中任一项所述的设备，其特征在于，分别基于定子电压，定子电流，转子电流，以及一一若转子电压可作为测量变量而供使用一一转子电压等所测得变量中的至少一个而计算转子通量和定子通量。
27. 根据权利要求14至26中任一项所述的设备，其特征在于，在所述双馈异步电机(l)的电网通路中布置有可控的纵向阻抗(25)。
28. 根据权利要求14至26中任一项所述的设备，其特征在于，在所述双馈异步电机的定子通路中布置有可控的纵向阻抗(26)。
29. 根据权利要求14至28中任一项所述的设备，其特征在于，所述变频器具有电压中间电路，并且，带有用于降低中间电路电压的电阻(27a)的线路(27)与所述电压中间电路(6c)相连
全文摘要
本发明涉及用于双馈异步电机(1)运行的方法和设备，该双馈异步电机(1)具有与电网相连接的定子(1a)和与变频器(6)相连接的转子(1b)，其中，变频器(6)设计成，将电气变量的理论值记入转子(1b)中。根据本发明的方法，在辨识出暂态电网电压变化后，至少基于转子通量和定子通量而被确定的电气变量的理论值如下地被记入转子(1b)中，即，使得可实现在暂态电网电压变化期间所出现扭矩的主动降低。在此，优选地，电气变量的理论值由定子通量，转子通量，定子电压，定子电流，转子电流以及——如其可作为测量变量而供使用的话——定子电压等的合适的加权而被确定。通过这种方法，针对不同的电网故障类型都相同地避免了扭矩尖峰并且优化地降低了转子电流的最大的暂时值，并且，使得迅速地返回到异步电机的常规运行成为可能。
文档编号H02P9/00GK101682286SQ200880009755
公开日2010年3月24日 申请日期2008年3月17日 优先权日2007年3月24日
发明者J·克雷特希曼 申请人:伍德沃德塞格有限责任两合公司