Folie 1

Vorlesung

Elektrische Aktoren und Sensoren in geregelten

Antrieben

„feldorientierte Regelung“

Prof. Dr.‐Ing. Ralph Kennel

(ralph.kennel@tum.de)

Technische Universität München

Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik

Arcisstraße 21

80333 München

Folie 2

Aufgabenstellung

Umrichter Synchron-

maschine

gesucht wird eine möglichst einfache Regelungsstruktur !

Folie 3

Standard-Struktur einer Antriebsregelung

- --

Drehzahl-regelung

Drehmoment-/StromRegelung

M3~

i

Lageregelung

Lagegeber

Tacho

Kommutierungssignale

s*

s

n* i*

n

Folie 4

Aufgabenstellung

Umrichter Synchron-

maschine

gesucht wird eine möglichst einfache Regelungsstruktur !

Folie 5

DC and AC Machines

DC machine

asynchronous machine

EC motor/BLDC motor

synchronous machine

Folie 6

Feldorientierung … man „sitzt“ quasi – wie das feldorientierte Koordinatensystem –

auf dem Rotor und rotiert mitsamt dem magnetischen Feld

B

If

B

… dann kann man die gleichen Gleichungen

wie bei der Gleichstrommaschine verwenden

7

Synchronmaschine Systemgleichungen :

-1,000

-0,750

-0,500

-0,250

0,000

0,250

0,500

0,750

1,000

0,000 0,250 0,500 0,750 1,000

8

Raumzeiger-Transformation (Clarke-Transformation)

e.g. Induction motor stator – steady state -

3 phases, alternating current, alternating flux

rotating field

Simplest representation = 2 coils with dc current

rotating with field

This is exactly what a phasor diagram does –

magnitude and angle, synchronously rotating

Feldorientierung Park‘sche Gleichungen

Source : Prof. Alan Jack – University of Newcastle upon Tyne

Folie 9

10

23 – Transformation

Raumzeiger-Transformation (Clarke-Transformation)

-1,000

-0,750

-0,500

-0,250

0,000

0,250

0,500

0,750

1,000

0,000 0,250 0,500 0,750 1,000

11

Raumzeiger-Transformation (Clarke-Transformation)

3:2 Phase Transformation

The , coils need to mimic the mmfs from the a,b,c coils – assume same turns

in , coils as in a,b,c and first harmonic only:-

cbcba

cbacba

i2

3i

2

3)150cos(i)30cos(i)90cos(ii

i2

1i

2

1i)240cos(i)120cos(i)0cos(ii

i C i

i

i

i

i

i

old new

a

b

c

1 12

12

03

2

3

2

Source : Prof. Alan Jack – University of Newcastle upon Tyne

Clarke Folie 12

Rotating to Fixed Axes Transformation

e.g. Synchronous or Induction machine needs

first 3:2:- then rotating to fixed:-

i

i

i

i

v

v

v

v

d

q

d

q

cos sin

sin cos

cos sin

sin cos

Note that [C]t*=[C]-1 for this transformation

Source : Prof. Alan Jack – University of Newcastle upon Tyne

Park Folie 13

14

dq-Transformation (Park-Transformation)

-1,000

-0,750

-0,500

-0,250

0,000

0,250

0,500

0,750

1,000

0,000 0,250 0,500 0,750 1,000

15

dq-Transformation (Park-Transformation)

in feldorientierten Koordinaten

hat man es im stationären Betrieb

nur noch mit Gleichgrößen zu tun !!!

16

dq-Transformation (Park-Transformation)

in feldorientierten Koordinaten

hat man es im stationären Betrieb

nur noch mit Gleichgrößen zu tun !!!

ud

uq

u

u

cos sin

-sin cos =

17

Synchronmaschine Systemgleichungen in dq-Darstellung

… die Gleichungen sind identisch

den den Gleichungen

einer Gleichstrommaschine !!!

Rkq

d

Xaq

XlIq Ra

Vq

Xkq

q axis

sieht dem elektrischen

Ersatzschaltbild der

Gleichstrommaschine

sehr ähnlich

die Synchronmaschine

lässt sich in Feldkoordinaten

wie eine Gleichstrommaschine

regeln

Source : Prof. Alan Jack – University of Newcastle upon Tyne

Synchronmaschine Systemgleichungen in dq-Darstellung

10.12.200

9

Folie 18

(Laplace-Bereich)

19

Synchronmaschine Systemgleichungen in dq-Darstellung

… die Gleichungen sind identisch

den den Gleichungen

einer Gleichstrommaschine !!!

20

Übertragungsfunktion der SM

X

X

21

-

Stromregler

d-Achse

Stromregler

q-Achse

Umrichter PMSM (elektr.)

-

Regelungsstruktur für die SM

Folie 22

Standard-Struktur einer Antriebsregelung

- --

Drehzahl-regelung

Drehmoment-/StromRegelung

M3~

i

Lageregelung

Lagegeber

Tacho

Kommutierungssignale

s*

s

n* i*

n

-

Feldschwächung

- -

-

M-Regler Strom-Regler

Feld-Regler

Ma-schinen-modell

ej

e-j

e-j

M3~

i

u

Encoder

n* i*q

i*d*

für Asynchron-

maschinen

für Synchron-

maschinen

Folie 23

feldorientierte Regelung