WO2024074539A1 - Calculating harmonics in an electric drive using a space vector representation of the harmonic system - Google Patents
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Definitions
- Electric drives especially those of vehicles, have an electric machine that is set in motion by means of magnetic fields.
- a rotating magnetic field (stator magnetic field) is generated in the stator of the electric machine by means of a three-phase current.
- the magnetic rotor follows this stator magnetic field and thus rotates relative to the stator.
- harmonics to this fundamental frequency arise, for example, due to bearing damage or non-ideal control. These harmonics generate losses and also noise. It is therefore advantageous to identify and quantify these harmonic components during the development and operation of electric drives.
- a Fourier transformation is usually used to extract harmonic signals or generally for spectral analysis in order to be able to identify the individual spectral components.
- such a calculation of the spectral components is computationally complex, especially in real-time applications. It is therefore an object of the invention to show a possibility with which harmonic components in the control signal of an electrical machine can be calculated in a simple manner.
- the underlying idea is that there is also a rotating field for the harmonic or harmonic component to be examined, which rotates according to the angular frequency of the harmonic component (harmonic angular frequency). This makes it possible to record the signal strength of the harmonic system, which makes it possible to determine the level of the harmonic component. Since the space vector representation is calculated for the harmonic angular frequency, which is different from the fundamental angular frequency of the control signal of the electrical machine, only the level of the harmonic component of the space vector representation for the harmonic angular frequency is recorded.
- the existing rotating system of the fundamental angular frequency can be easily separated from the space vector representation that relates to the harmonic angular frequency, since when considering the space vector representation for the harmonic angular frequency, influences from the system of the fundamental angular frequency are only alternating current or alternating voltage influences, which eliminate themselves over a corresponding period of time, or which can be easily separated from the fundamental frequency components in another way.
- a method for determining a corresponding harmonic component in a multiphase control signal of a multiphase electrical machine is preferably a synchronous machine, which can be permanently excited or separately excited.
- the electrical machine can also be an asynchronous machine.
- the electrical machine is preferably a traction machine of a vehicle.
- the electrical machine can be three-phase or six-phase, for example, although other numbers of phases are also possible.
- the electrical machine preferably has at least three phases.
- the electrical machine is preferably an internal rotor, but can also be designed as an external rotor.
- the control signal is in particular a power signal, for example a signal with an effective voltage of more than 60 V or an effective current of more than 10 A.
- the control signal can be a current signal, a voltage signal, or a (multidimensional) signal that represents both the current and the voltage of the electrical machine.
- the control signal can also have three or six phases or another number of phases (at least three). The phase numbers of the electrical machine and the control signal preferably correspond.
- the electrical machine is operated with the control signal.
- the control signal generates a (magnetic) rotating field with a basic angular frequency in the electrical machine.
- the control signal is therefore an alternating signal whose Frequency corresponds to the fundamental angular frequency.
- Frequency and angular frequency are known to those skilled in the art.
- the fundamental and angular frequency can be determined in particular from a given speed.
- a space vector representation of the control signal for a harmonic angular frequency is calculated. This results in a space vector representation of the control signal that relates to the harmonic angular frequency.
- the harmonic angular frequency is different from the fundamental angular frequency.
- the harmonic angular frequency is an integer multiple of the fundamental angular frequency. The amount of the multiple is preferably at least two.
- the harmonic angular frequency can generally be k times the angular frequency, with the amount of k being greater than one. In particular, non-integer (rational) multiples are also conceivable, for example 1.5 times or similar.
- the space vector representation which relates to the harmonic angular frequency, can fully or partially represent the relevant frequency component of the control signal.
- the space vector representation can partially represent the control signal, whereby the space vector representation, however, represents a measure of the strength of the harmonic component.
- the space vector representation (which also relates to the harmonic angular frequency) can only represent a co-rotating system or only a counter-rotating system (relative to the direction of rotor rotation) that relates to the relevant angular frequency.
- the space vector representation (which also relates to the harmonic angular frequency) can only represent a real part or only an imaginary part of the relevant frequency component of the control signal.
- the space vector representation of the control signal for the harmonic angular frequency can be calculated by partially mapping the multi-phase control signal onto a space vector representation of the harmonic component.
- the space vector representation of the control signal for the The harmonic angular frequency is calculated by mapping a multiphase control signal onto a space vector representation with real and imaginary parts of the harmonic component for two opposite directions of rotation.
- the space vector representation can be complex and include both a co-rotating and counter-rotating rotation system (with the harmonic angular frequency), or only the real or imaginary part thereof, or only one of the two (oppositely rotating) rotation systems of the harmonic component.
- the space vector representation of the control signal for the harmonic angular frequency can be calculated by partially or completely mapping the multi-phase control signal onto a space vector representation based on the harmonic angular frequency.
- the space vector representation is preferably rotor-related, although stator-related space vector representations can also be considered.
- the extraction of the level of the harmonic component differs slightly here.
- the control signal is preferably mapped onto a space vector representation based on a rotation with the harmonic angular frequency.
- the space vector representation can be implemented using a phasor whose angular frequency corresponds to the harmonic angular frequency. As a result, only the relevant harmonic component (corresponding to the harmonic angular frequency) is reproduced in the space vector representation. This results in a space vector representation of the harmonic rotating field.
- the level of the harmonic component can be extracted from this.
- the level or signal strength of the harmonic component is determined based on the amplitude of the complex representation. Since the space vector representation is already provided with a certain amplitude (e.g. of the phasor), the level or strength of the harmonic component can be determined from this in a simple manner.
- the real and/or imaginary components can be used to determine the level of the harmonic component.
- components can be used for the determination that only contain the active power or which concern the reactive power, or which concern the apparent power.
- the space vector representations or their amplitudes can be used, the direction of rotation of which corresponds to the direction of rotation of the fundamental rotating field (ie the rotating field related to the fundamental angular frequency) and/or the system running in the opposite direction (which represents part of the space vector representation of the control signal for the harmonic angular frequency).
- determining the harmonic component when determining the harmonic component, it can be averaged, for example over one or more revolutions. Furthermore, low-pass filtering can be carried out when determining the level of the harmonic component. In particular, real and imaginary components can be calculated individually and, if necessary, added together to determine the level of the harmonic component.
- a co-rotating space vector representation and a counter-rotating space vector representation can be calculated as the space vector representation of the control signal for the harmonic angular frequency. Both space vector representations relate to the rotating field of the harmonic component.
- the co-rotating space vector representation has a direction of rotation that corresponds to the direction of rotation of the rotating field (i.e. the fundamental angular frequency).
- the counter-rotating space vector representation has a direction of rotation that is opposite to this.
- the level of the harmonic component can be determined using the sum of the respective levels of the harmonic components of the two space vector representations. This means that the strength or level of the harmonic component can be determined regardless of the direction of rotation of the rotating field that makes up the harmonic component.
- the space vector representation is preferably calculated as a rotor-related space vector representation.
- the space vector representation can provide a coordinate system that rotates relative to the stator.
- the space vector representation can also provide at least one phasor that rotates relative to the stator.
- the rotation of the coordinate system or the phasor occurs at the harmonic angular frequency.
- a rotor-related space vector representation of this type results in a quasi-static representation. In particular, this representation does not vary with the changing angular position of the system in question.
- the level of the harmonic component is specified by at least one size of at least one axis of the coordinate system or by at least one amplitude of the phasor.
- the coordinate system is in particular a coordinate system that lies in the complex plane.
- the at least one size of an axis of the coordinate system can be a size of the real part or the imaginary part. Sizes of the real and imaginary axes can also be used. These can be combined, for example by adding the respective squares, whereby the resulting sum itself or the square root of this sum is used as the height or strength of the harmonic component.
- the axes of the coordinate system can represent the d component or the q component of the rotating field, which rotates at the harmonic angular frequency.
- the space vector representation is created in particular by a d/q transformation, which can also be referred to as a Park transformation. This transformation is carried out for the harmonic angular frequency.
- the coordinate system can also be obtained by means of a Clarke transformation, which assumes a rotation with the harmonic angular frequency.
- the strength of the harmonic component results from the quasi-stationary amplitude (or from the effective value) of at least one of the coordinate axes (such as the d or q coordinate axis).
- quasi-stationary means that the relevant quantity changes with the speed, but does not vary with the rotation of the rotor.
- the amplitude i.e.
- the strength of the harmonic component can be determined as the strength of the corresponding alternating signal; alternatively, in a stator-related coordinate system, the strength of the harmonic component can be determined as the amount of the space vector representation (i.e. in particular the length of the phasor or vector) as the height of the harmonic component.
- the space vector representation can also correspond to a positive and/or negative system of a representation of the rotating system as symmetrical components, which rotates at the harmonic angular frequency.
- the level of the harmonic component can thus be determined based on the amplitude of the positive and/or negative system.
- the space vector representation is calculated by transforming (the harmonic system) to a representation using symmetrical components.
- the amplitude of the positive system, the negative system or a combination of the amplitudes (in particular the sum) can be used to determine the level.
- Both the representation in a d,q coordinate system (Park transformation) and the representation using symmetrical components is a rotor-related representation.
- the Clarke transformation or the representation in the corresponding a, ß components is a stator-related transformation or representation.
- the determination of the level of the harmonic component in rotor-related representations corresponds to the determination of the DC component.
- the level of the harmonic component from space vector representations that are stator-related for example, the effective value of a quantity that is part of the space vector representation is used.
- stator-related Space vector representations of the effective value of this space vector representation can be determined as the level of the harmonic component.
- the space vector representation can be calculated as a rotor-related space vector representation by calculating a co-rotating space vector representation and a counter-rotating space vector representation (with opposite direction of rotation). Both space vector representations are calculated based on the harmonic angular frequency. It is also possible to calculate only the co-rotating or only the counter-rotating space vector representation. When using rotor-related space vector representations, however, it must be taken into account that these are already based on a rotation with the fundamental angular frequency. In this context, "rotor-related" means that the corresponding space vector representation is based on a rotor that rotates with the fundamental angular frequency.
- the rotating system that forms the harmonic components rotates with the harmonic angular frequency relative to the (simple fundamental angular frequency) and thus relative to the rotor.
- the space vector representation of the harmonic components is based on a rotation relative to the rotor (and not the stator), and that a rotor-related representation is not static but already rotates at the fundamental angular frequency
- the fundamental angular frequency should be subtracted when forming the co-rotating space vector representation (which rotates with the harmonic angular frequency relative to the fundamental angular frequency in the same direction as the fundamental system) in order to obtain a harmonic-related space vector representation that rotates with the harmonic angular frequency relative to the rotor or relative to the rotational movement with the fundamental angular frequency.
- the fundamental angular frequency is the basis for the space vector representation of the fundamental system.
- the fundamental angular frequency is preferably added to the harmonic angular frequency in a counter-rotating space vector representation in order to take into account the space vector representation, which already rotates at the fundamental angular frequency.
- the corresponding counter-rotating space vector representation is thus obtained by a Space vector transformation with an angular frequency that corresponds to the sum of the harmonic angular frequency and the fundamental angular frequency.
- the counter-rotating space vector representation corresponds to a rotor-related space vector representation (and thus rotating at the fundamental angular frequency), which also rotates at the harmonic angular frequency.
- the fundamental angular frequency must therefore be added or subtracted in order to obtain a representation for the harmonics or their rotating system that corresponds to the rotation of the rotating system relative to the fundamental system (whose representation rotates at the harmonic angular frequency) at the harmonic angular frequency.
- the multiphase control signal is thus mapped onto the rotating space vector representation with an angular frequency that corresponds to the harmonic angular frequency minus the fundamental angular frequency (since the rotor already rotates at the fundamental angular frequency and the space vector representation of the harmonic signal rotates relative to this fundamental system).
- the multiphase control signal can be mapped onto the counter-rotating space vector representation with an angular frequency that corresponds to the sum of the harmonic angular frequency and the fundamental angular frequency.
- the space vector representations refer to a harmonic rotating field that rotates with the harmonic angular frequency relative to the fundamental system.
- the level of the harmonic component can be determined using an amplitude of one of the space vector representations or using the amplitudes of the space vector representations.
- the level of the harmonic component can be determined using a combination of the amplitudes of the space vector representations. Such a combination is, for example, the addition of the amplitudes, the addition of the amounts of the amplitudes or the square root of the sum of the squares of the amplitudes of the space vector representations.
- the space vector representations can be complex representations, where the level of the harmonic component of the (apparent) power can correspond to the complex representation, or can only correspond to the real or imaginary part of the space vector representation. In particular, the level of the root of the sum of the squares of the real part and the imaginary part can correspond to the complex representation or to this sum itself.
- the electrical machine is operated with a load angle and a power factor angle.
- the space vector representation is calculated based on the load angle and the power factor angle.
- the load angle and/or the power factor angle can be specified.
- the load angle is measured or calculated based on operating parameters of the electrical machine.
- the load angle can be calculated based on the current torque and/or the output power.
- the power factor angle can also be specified or measured or calculated.
- the angular offset between the current and voltage of the control signal can be calculated.
- the load angle or the power factor angle relate to the fundamental angular frequency.
- a current component (or a voltage component) of the control signal is converted by means of a Clark transformation into a space vector representation (based on the fundamental angular frequency) that corresponds to an a, ß representation.
- the control signal can be transformed into a stator-related space vector representation (based on the fundamental angular frequency).
- the power factor angle can be calculated or read out from this space vector representation, in particular as an angle relative to an axis of the coordinate system of the space vector representation.
- the resulting power factor angle can be filtered.
- the space vector representation (based on the harmonic angular frequency) is determined taking into account the power factor angle, the load angle or the sum of these.
- the space vector representation therefore also includes the power factor angle, the load angle and in particular the sum of these.
- the space vector representation can correspond to a Park transformation, in particular the result of a Park transformation.
- the space vector representation can thus provide a d/q coordinate system. This rotates with the angular frequency of the harmonic frequency, i.e. with the harmonic angular frequency.
- the d value of the coordinate system, the q value of the coordinate system or the square root of the sum of the squares of these values indicates the level of the harmonic component. This can be determined in this way for a co-rotating or counter-rotating space vector representation.
- the space vector representation can be determined for the current control signal (as it occurs in the electrical machine or which results from the voltage control of the inverter in the electrical machine), for the voltage control signal (as it is output from the inverter to the electrical machine) or for both.
- a space vector representation can therefore be provided for the current control signal and the voltage control signal for the co-rotating and counter-rotating system, which rotates at the harmonic angular frequency (relative to the stator). From this, the power can be determined from the current or voltage representations.
- the individual space vector representations (for the co-rotating system, for the counter-rotating system and/or for the current control signal and the voltage control signal) can each be filtered using a low-pass filter.
- the (moving) average can be calculated.
- the conversion into a space vector representation or filtering can be followed by a calculation of the d component and the q component for the current control signal respectively. and the voltage control signal follow.
- the power can be obtained in particular by complex multiplication of the d and q components obtained in this way for the current control signal and the voltage control signal.
- the resulting power can be regarded as the level of the harmonic component.
- Simplified methods provide that only the current or only the voltage control signal is considered in order to determine the level of the harmonic component.
- only the co-rotating or only the counter-rotating system can be considered, i.e. only a co-rotating or only a counter-rotating space vector representation.
- a Fortescue transformation or a space vector representation can also be used as symmetrical components (positive and negative sequence systems).
- the space vector representation can thus correspond to a Fortescue transformation.
- This provides at least one phasor that corresponds to a positive and/or negative sequence system that rotates at the angular frequency of the harmonic frequency (relative to the stator).
- the amplitude of the phasor or a combination of the phasors indicates the level of the harmonic component.
- the amplitude of the phasor can be calculated for each system, with the level of the harmonic component resulting from the sum of the amounts of the two amplitudes.
- the combination of the phasors can thus be provided by adding the amounts of the two systems.
- the control signal can have a current signal. This is referred to as a current control signal.
- the corresponding current signal represents the phase current in the electrical machine (for the multiple phases).
- the control signal can also have a voltage signal that represents the phase voltage of the electrical machine. This can also be referred to as a voltage control signal.
- the voltage control signal represents the phase voltages of the electrical machine for the phases of the machine.
- the space vector representation of the current signal and the space vector representation of the voltage signal can be calculated.
- the level of the harmonic component is determined in particular as the active power of the current amplitude and the voltage amplitude of the two space vector representations. Alternatively, the apparent power of the current amplitude and the voltage amplitude of the two space vector representations is calculated as the level or strength of the harmonic component.
- Designs provide that an active power factor is also calculated from the phase shift between the space vector representations of the current control signal and the voltage control signal.
- the level of the harmonic component can then result from the complex power that results from the two space vector representations, as well as from the active power factor that corresponds to the phase shift between the two space vector representations.
- the level of the harmonic component results from an active power that is calculated from space vector representations of the voltage and current control signals.
- the phase shift or the calculated active power factor is therefore included in the calculation of the harmonic component.
- the level of the harmonic component is calculated based on a low-pass filtered amplitude of the complex representation.
- This can be the amplitude of the real part, the imaginary part or a combination thereof.
- the real and imaginary parts of the complex representation can be combined before or after the low-pass filtering of the respective amplitudes, in particular by determining the magnitude of the complex representation (that is, by determining the square root of the squares of the real and imaginary parts).
- the complex representation results from a complex space vector representation, which is a representation in a complex plane and thus has only one real part axis and one imaginary part axis.
- the space vector representation of the control signal for the harmonic frequency is calculated by partially or completely mapping the multi-phase control signal onto an intermediate space vector representation with a stator-fixed coordinate system. This is combined in particular by partially or completely mapping this intermediate space vector representation onto a complex representation whose angular frequency corresponds to the harmonic frequency (and which relates to the rotor).
- the intermediate space vector representation can therefore be obtained by partially or completely mapping the multi-phase control signal using a Clark transformation.
- This stator-fixed intermediate space vector representation is then converted in a known manner into a rotor-related or rotor-fixed space vector representation, the latter corresponding to a Park transformation.
- the method can be used in particular to detect the harmonic component at variable speeds, i.e. at variable fundamental angular frequencies.
- the space vector representation which refers to the harmonic frequency
- the harmonic frequency which is the basis for the space vector representation, is adapted to changes in speed or speed of the electrical machine.
- the harmonic angular frequency is changed proportionally to the fundamental angular frequency. If there is a change in the fundamental angular frequency by a factor of x, a harmonic angular frequency increased by a factor of x is also used in the space vector representation.
- the method presented here can also be used to evaluate several different harmonic angular frequencies.
- the levels of harmonic components of several different harmonic angular frequencies can be determined.
- several space vector representations are calculated for different harmonic angular frequencies.
- the Harmonic angular frequencies differ and are also different from the fundamental angular frequency.
- the harmonic component of the third and fifth harmonics for the same control signal can be determined by transformation into space vector representations that rely on rotations at different speeds, such as a space vector representation based on a rotation with the third harmonic angular frequency and another space vector representation based on a rotation with the fifth harmonic angular frequency.
- the error can be deduced from the determined harmonic component.
- the corresponding types of error can be deduced from the ratios of the heights of harmonic components of different harmonic angular frequencies. Different ratios of the heights to one another are preferably mapped to different types of error. The mapped types of error can then be output. If, for example, in the case of a bearing error, the fifth harmonic would be expected to be significantly stronger than the third harmonic, while in the case of an inverter error the third harmonic would dominate the fifth harmonic, then these different types of error can be differentiated from one another using the ratios of the heights of the various harmonic components and output.
- an electric vehicle drive train with a multi-phase electric machine and an inverter is described.
- the inverter is connected to the electric machine via a phase connection (with several phases).
- a detection module is connected to the phase connection.
- the detection module is designed to carry out the method according to one of the variants described here.
- the detection module is set up to detect the multi-phase current flowing through the phase connection. Alternatively or in combination with this, the detection module is set up to detect the voltage applied to the phase connection (i.e. the voltage between the different phases of the phase connection).
- the detection module also has a data interface which is used to Output of the level of the harmonic component determined by the acquisition module.
- the data interface is particularly configured to output multiple harmonic components if multiple harmonic components are calculated for different harmonic angular frequencies in the acquisition module. Alternatively or in combination with this, the data interface can be designed to output the aforementioned types of errors.
- a computer program product can be provided that is set up to carry out the method described here.
- the computer program product can be set up both to operate the electrical machine and to calculate the space vector representation and to determine the level of the harmonic component.
- a computer program product can be provided that is not set up to operate the electrical machine, but to calculate the space vector representation and to determine the level of the harmonic component.
- the computer program product can have an input section in which parameters are transferred that represent the control signal.
- An output section can be provided in which the level of the harmonic component is output as one or more parameters.
- the computer program product is set up to carry out the method described here when running in a processor (or just the steps of calculating and determining the level of the harmonic component).
- the processor can have an input interface to which the control signal is entered or variables that represent it. These are in particular measured variables that characterize the control signal, in particular its voltage and/or current curve.
- the calculation of the space vector representation and the determination of the level of the harmonic component can be provided in different ways.
- the calculation of the space vector representation can be carried out in a preparatory step.
- parameters are stored that represent the space vector representation or a matrix that corresponds to the space vector representation.
- the space vector representation can be calculated by generating a transformation matrix to generate the space vector representation.
- the transformation matrix can represent a Clarke transformation or a Park transformation or can represent a decomposition into symmetrical components, for example in the form of a Fortescue matrix (at least for the positive and/or negative sequence system).
- This matrix can be generated in a preparation step.
- This transformation can be called up in a real-time calculation step, especially if corresponding data representing the transformation was stored in the preparation step.
- the space vector representation is then obtained by applying the transformation matrix (pre-stored) to the current control signal, i.e. to data representing the control signal.
- the transformation matrix pre-stored
- part of the calculation can be carried out outside of real time, in particular in a preparatory phase before the start of operation, i.e. before the generation of the control signal, while in real time, i.e. when the current control signal exists or during operation of the electrical machine, the relevant, already calculated transformation matrix is simply called up in order to generate the space vector representation (for the current control signal).
- An exemplary embodiment provides that first (in a preparatory phase before the operation of the electrical machine) a transformation matrix is generated, by means of which the space vector representation can be calculated later (during the operation of the electrical machine), in particular in real time.
- the harmonic angular frequency is selected and the corresponding transformation matrices for a co-rotating system and a counter-rotating system (both with harmonic angular frequency relative to the stator) are generated.
- the transformation matrix which represents the co-rotating system, takes into account that the basic system (which rotates at the basic angular frequency) relates to the stator (i.e. rotates relative to it) and is rotor-fixed, i.e. does not rotate above the rotor.
- the transformation matrices map the multiphase rotation system onto a rotor-related system and also map the multiphase signals onto a single (complex) quantity, such as a phasor or a complex representation thereof.
- the transformation matrices can correspond to a Park transformation or d/q transformation. Alternatively, they correspond to a Fortescue transformation for mapping onto co-rotating and counter-rotating symmetrical components.
- the transformation matrices for the co-rotating system are generated for both the voltage control signal and the current control signal.
- the matrices are part of the space vector representation or are used to generate the space vector representation. Both the transformation matrices and the space vector representation refer to the harmonic system of the control signal, i.e. to the rotating system of the control signal, which rotates at the harmonic angular frequency.
- the current control signal is applied to the associated transformation matrix.
- the process can be carried out offline or in preparation, so that part of the required computing power is not required during operation, i.e. during the determination of the level of the harmonic component using the control signal.
- the Park transformation is used as a transformation matrix for the current control signal, a co-rotating d-component, a co-rotating q-component, a counter-rotating d-component and a counter-rotating q-component result.
- the corresponding four components also result for the voltage control signal, i.e. co-rotating d- and q-components and counter-rotating d- and q-components.
- the resulting components are averaged or low-pass filtered.
- the DC voltage component is a component whose frequency is not greater than a frequency that corresponds to the rate of change of the speed. This means that slowly changing speeds can also be taken into account.
- the relevant harmonic angular frequency is adjusted proportionally to changing speeds of the electrical machine (i.e. to changing drive speeds).
- the power of the rotating system (or system for short), which rotates at the harmonic angular frequency (in both directions), is calculated from the resulting components.
- the resulting power is preferably calculated by calculating the reactive and active components, i.e. calculating the d and q components for both the co-rotating and the counter-rotating system.
- the real part or the d component of the current is multiplied by the d component or the real part of the voltage. This is also calculated for the imaginary parts of the respective voltages and currents.
- the calculation is carried out for the positive system and for the negative system.
- the components resulting from the multiplication of the real parts and the components resulting for the imaginary part are calculated and added for the counter system and for the positive system.
- the real and reactive components or the d and q components are calculated and summed for both the negative and positive systems (generally: combined).
- the space vector representation can be calculated for the current and for the voltage of the control signal (related to the harmonic angular frequency).
- the level of the harmonic component is then preferably determined from the product of the resulting current and voltage amplitude amounts and the angle between current and voltage or the angle between the d and q components (i.e. the angle of the phasor or vector in the d/q coordinate system).
- the level of the harmonic component is determined in particular by the apparent power of the rotating system (related to the harmonic angular frequency) for both the co-rotating system and the counter-rotating system.
- the phase angle between current and voltage can be taken into account here.
- Alternative embodiments calculate the total active power of the co-rotating and counter-rotating systems (which rotate at the harmonic angular velocity).
- Other embodiments provide for the corresponding calculation of the reactive component (for both the co-rotating and counter-rotating systems).
- the active and reactive power can also be calculated individually and summed in a subsequent step.
- the level of the harmonic component thus corresponds to the apparent power, the sum of the reactive and active components, or just the reactive component, or just the active component. All of these quantities are suitable for calculating the level of the harmonic component with sufficient accuracy in order to arrive at a measure of the strength of the harmonics using a procedure that is not very computationally intensive.
- the calculation of the transformation matrices can in particular take into account the angle between current and voltage as well as the load angle.
- the current angle between current and voltage (power factor) and/or the current load angle can be taken into account when calculating the transformation matrices, in particular by taking into account the sum of both angles.
- a given transformation matrix can be adapted to these angles or this angle by simply adjusting it. This adjustment can in particular be made in real time (during operation of the electrical machine).
- pre-stored Transformation matrices for specific, associated pre-stored angles can be retrieved.
- FIG. 1 serves to explain in more detail embodiments of the procedure described here.
- the electric machine has an electrical angle (pel and a load angle 9LW.
- the electric machine EM is connected to the inverter INV via three phase connections 1, 2, 3.
- the electric machine EM is connected to the alternating current side of the inverter INV.
- the battery BAT is connected to the direct current side of the inverter INV.
- the inverter is suitable for generating a control signal S from the direct voltage of the battery BAT.
- the control signal S has, as symbolically shown, two components, namely a current component I and a voltage component U.
- the motor angle (pel) (or the angle (pel + 0LW)) exists between the current control signal I and the voltage control signal U (which together form the control signal S).
- the current control signal I contains two three-phase rotating systems, namely a system that rotates with the fundamental angular frequency CÜG relative to the stator (ie rotor-fixed), and a system that rotates with the harmonic angular frequency wo relative to the Stator rotates (and thus also rotates with respect to the system with the fundamental angular frequency at [wo - WG]).
- the current control signal I is the sum of these two three-phase systems.
- the harmonic angular frequency wo is greater than the fundamental angular frequency WG
- the system that rotates with the harmonic angular frequency is shown with a double arrow as a rotation arrow, while the arrow that represents the rotation with the fundamental angular frequency is shown with just a single arrow.
- the dashed rectangle at the top right of the drawing shows the background of the transformation described here symbolically and by way of example (using symmetrical components).
- the transformation TrotsK shows the transformation of the harmonic rotation system (of the current control signal I) by dividing it into a positive system MS and a counter system GS.
- the arrow of the harmonic rotation system pointing in both directions of rotation is intended to show that these contain two individual counter-rotating systems. As shown, this can be divided into a positive system MS, which rotates the co-rotating harmonic rotation system (with harmonic angular frequency wo), and into a component of the counter system GS with an opposite direction of rotation, shown with -wo.
- These two systems are contained in the harmonic rotation system, shown on the left, and can be separated by appropriate transformation.
- the zero system NS which represents a DC component offset.
- the positive phase system MS and the negative phase system GS shown are shown in three phases for better understanding. It is important that the phase vectors of the positive phase system MS are of the same length (and offset by 120 degrees). The same applies to the counter-system GS. Therefore, the positive system can be represented by a single phasor. The same applies to the counter-system GS. This results in a space vector representation RSK for the current component (current component - reference symbol SK), which can be represented by a single phasor due to the symmetry of the phase vectors.
- the division principle shown corresponds in particular to a Fortescue transformation, i.e. a representation as symmetrical components. However, this representation can also be used to understand a Park transformation.
- the Park transformation is carried out on the co-rotating and the counter-rotating harmonic rotary system, both of which are contained as harmonic components in the control signal.
- a first Park transformation result (ie resulting representation), which relates to the co-rotating system, and a second Park transformation result (ie resulting representation), which relates to the counter-rotating rotary system, correspond to the two summands MS, GS.
- a multi-phase system is also replaced by a single-phase, complex (rotating) system, i.e. by d and q components.
- the two Park transformations result in two simplified d/q representations, corresponding to the reference symbols MS and GS. What both transformations have in common is that the amount of the two systems MS, GS can be calculated from them. This reflects the strength or level of the harmonic component OA.
- the amount of amplitude A can be calculated from this, starting from the co-rotating system MS and the counter-rotating system GS. This applies to a dq transformation, preferably for the real part and the imaginary part. Simplified embodiments only take the real part into account, i.e. the d-component of the co-rotating system and the counter-rotating system.
- Figure 1 shows that a mapping Trot to a rotor-related space vector representation R can be achieved for both the current control signal and the voltage control signal (I, U).
- a static mapping Tstat is carried out before the mapping using Trot in order to achieve a Intermediate space vector representation ZR.
- the static mapping Tstat maps the multiphase system to a single-phase system for the harmonic angular frequency wo.
- a Clark transformation is shown, which as an intermediate space vector representation ZR is a single-phase, stator-related, complex representation. This includes as real part a the corresponding real current component that results from transforming the multiphase system to this single-phase, stator-related space vector representation ZR.
- the intermediate space vector representation ZR also includes a complex component jß, which as a single-phase imaginary part represents the relevant multiphase components of the control signal.
- the optional intermediate space vector representation ZR is carried out for the current control signal I as well as for the voltage control signal U.
- a stator-related space vector representation ZR' results, which can also be referred to as an intermediate space vector representation.
- the stator-related intermediate space vector representation ZR' which concerns the voltage control signal, also has a real component a as well as an imaginary component jß and, in contrast to the control signal, is single-phase (albeit complex).
- the two optional intermediate space vector representations are the result of a Clark transformation (see Tstat) for the harmonic angular frequency wo and represent the current and voltage control signals in the complex plane as a single-phase vector that rotates at the harmonic angular frequency wo.
- the mapping Trot refers to the harmonic angular frequency wo and maps either the control signal (or the current and voltage control signal) or the intermediate space vector representation ZR to a rotor-related space vector representation R.
- the load angle (pel and the load angle 0LW are combined to form an angle 0.
- the mapping Trot is carried out taking this angle 0 into account. This angle is therefore taken into account as a total angle offset in the space vector representation R.
- the mapping Trot corresponds to a Park transformation or d/q transformation, which corresponds to a rotor-related space vector representation R with a (real) d-axis and (imaginary) q-axis.
- a space vector representation R results, which rotates with wo, whereby in preferred embodiments an opposite space vector representation RG is also generated.
- R represents the rotating harmonics as a rotor-related space vector representation
- RG is the opposite space vector representation of the harmonics. Both representations are complex rotor-related and single-phase.
- the complex quantities A and which can also be referred to as phasors, result in relation to the harmonic angular frequency wo.
- the amount of these quantities corresponds in the example shown to the level of the harmonic component.
- the sum of the amounts of A and A' is used to represent the level (i.e. strength) of the harmonic component.
- the level of the harmonic component OA is formed only by A or only by A'.
- the concurrent space vector representation R and the counter-rotating space vector representation RG are shown for the current control signal.
- the concurrent space vector representation R' and the counter-rotating space vector representation RG' are shown for the voltage control signal in Figure 1. It can be seen that the space vector representation R of the current control signal is realized with the two real and imaginary instantaneous quantities Id and Iq, while the systems R' and RG', which represent the voltage control signal for the harmonic angular frequency wo, use the real and imaginary instantaneous voltage quantities Lid and llq.
- the representations RG and RG' correspond to the space vector representations that represent the counter-rotating rotation systems of the control signals for the harmonic angular frequency wo.
- the space vector representations RG and RG' represent the current or voltage control signal for the harmonic in a rotor-related and single-phase manner.
- the imaginary and real parts are extracted from the rotor-related space vector representations R, R' shown. This is shown by the extraction block Extr.
- the harmonic component OA is the harmonic component of the current control signal I and the extraction of the space vector representation R' gives the level of the harmonic component OA' for the voltage control signal U.
- a low-pass filter TP takes place after the extraction and before the output of the two harmonic components for current and voltage.
- the harmonic components OA, OA' calculated in this way can be used individually or in combination.
- the harmonic component OA corresponds to the amount of the space vector representation R.
- the harmonic component OA' corresponds to the amount of the space vector representation R' of the control signal.
- both harmonic components for the current or for the voltage can be multiplied together.
- the phase angle ⁇ p (as the power factor cos ⁇ p) between the two complex representations of the current or the voltage of the respective harmonic components can be taken into account, in particular the angle of the complex current vector and the complex voltage vector of the quantities A, A ⁇ .
- the multiplication of the harmonic components, represented by the mult block, can be provided separately for the real parts and for the imaginary parts of the complex representations of the current-related and the voltage-related harmonic components. In this case, the real amplitudes of the current and voltage of the harmonic component are multiplied together and added to the product of the imaginary components of the harmonics within the current and voltage control signals.
- the power factor i.e. the angle between the complex representations A' and A
- the power factor ⁇ p is taken into account as cos ⁇ p. This can be done by using the lengths or the magnitudes of the two representations R, RG as A and A' to calculate the apparent power of the harmonics and then multiplying this by the power factor ⁇ p (ie by cos ⁇ p). This gives the active power component of the harmonic component.
- the space vector representation is calculated for the current I and for the voltage U of the control signal S.
- the level of the harmonic component can be calculated from the product of the resulting current and voltage amplitude amounts
- the positive or negative sequence system can be considered, or preferably a combination (sum) of the powers of the positive and negative sequence systems calculated in this way.
- the mappings or transformations Tstat and Trot can be calculated in advance and can in particular be parameterized in advance with the harmonic angular frequency wo.
- this angular frequency wo can also be adjusted when the speed of the electrical machine changes.
- the angular frequency wo is adjusted proportionally to the fundamental angular frequency or proportionally to the speed of the electrical machine EM.
- the calculation sequence shown can thus be divided into two parts, whereby the generation of the images Trot or, if applicable, Tstat is carried out once or before the generation of the control signal and is stored in a memory.
- the image can then be called up instead of calculating it during operation of the electrical machine.
- the control signal is then used to be mapped using the images to a rotor-related space vector representation R in order to calculate the level of the harmonic component from this during operation of the electrical machine.
- the mapping takes place during operation and to determine the level of the harmonic component, while the generation of the maps Trot, Tstat can be carried out in a preparatory step before the electrical machine is operated. This step can be carried out, for example, when programming a corresponding computing device or at the end of the production line when assembling the electrical machine.
- the mapping can be generated before the electrical machine begins to operate, either before each start of the electrical machine or before the first start of the electrical machine.
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Abstract
Description
Beschreibung Description
Oberschwingungsberechnung in einem elektrischen Antrieb durch Raumzeigerdarstellung des Oberschwingungssystems Harmonic calculation in an electric drive using space vector representation of the harmonic system
Elektrische Antriebe, insbesondere von Fahrzeugen, weisen eine elektrische Maschine auf, die mittels magnetischer Felder in Bewegung versetzt wird. Bei zahlreichen Antriebsarten wird im Stator der elektrischen Maschine mittels eines Drehstroms ein magnetisches Drehfeld (Stator-Magnetfeld) erzeugt. Der magnetische Rotor folgt diesem Stator-Magnetfeld und dreht sich dadurch gegenüber dem Stator. Electric drives, especially those of vehicles, have an electric machine that is set in motion by means of magnetic fields. In many types of drives, a rotating magnetic field (stator magnetic field) is generated in the stator of the electric machine by means of a three-phase current. The magnetic rotor follows this stator magnetic field and thus rotates relative to the stator.
Neben diesem Stator-Magnetfeld, das mit einer Grundfrequenz beziehungsweise mit einer Grundwinkelfrequenz erzeugt wird, ergeben sich etwa durch Lagerschäden oder durch eine nicht ideale Ansteuerung Oberschwingungen zu dieser Grundfrequenz. Diese Oberschwingungen erzeugen Verluste und auch Geräusche. Daher ist es bei der Entwicklung und auch im Betrieb von elektrischen Antrieben vorteilhaft, diese Oberschwingungsanteile zu erkennen und zu quantifizieren. Zur Extraktion von Oberschwingungsignalen oder allgemein zur spektralen Betrachtung wird üblicherweise eine Fourier-Transformation verwendet, um so die einzelnen Spektralanteile erkennen zu können. Jedoch ist eine derartige Berechnung der Spektralanteile rechnerisch aufwändig, insbesondere in Echtzeitanwendungen. Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der sich Oberschwingungsanteile in dem Ansteuersignal einer elektrischen Maschine auf einfache Weise berechnen lassen. In addition to this stator magnetic field, which is generated with a fundamental frequency or with a fundamental angular frequency, harmonics to this fundamental frequency arise, for example, due to bearing damage or non-ideal control. These harmonics generate losses and also noise. It is therefore advantageous to identify and quantify these harmonic components during the development and operation of electric drives. A Fourier transformation is usually used to extract harmonic signals or generally for spectral analysis in order to be able to identify the individual spectral components. However, such a calculation of the spectral components is computationally complex, especially in real-time applications. It is therefore an object of the invention to show a possibility with which harmonic components in the control signal of an electrical machine can be calculated in a simple manner.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Weitere Eigenschaften, Merkmale, Ausführungsformen und Vorteile ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und der Figur. This object is achieved by the subject matter of the independent claims. Further properties, features, embodiments and advantages emerge from the dependent claims, the description and the figure.
Es wird vorgeschlagen, nicht per Spektralanalyse sämtliche Spektralkomponenten gleichzeitig zu berechnen, sondern eine Raumzeigerdarstellung einer zu untersuchenden Oberschwingungs-Kreisfrequenz zu berechnen. Dadurch wird die Höhe (d.h. Amplituden bzw. Signalstärke) des Oberschwingungsanteils ermittelt. Da eine derartige Raumzeigerdarstellung nur eine Oberschwingungs-Kreisfrequenz betrifft (im Gegensatz zu der Vielzahl der Frequenzen bei der Spektralanalyse) und ferner die erforderlichen Matrixtransform ationen im Vorhinein berechnet werden können, ergibt sich ein deutlich verringerter Rechenaufwand. Auch bei veränderlichen Drehzahlen kann die Oberschwingungs-Kreisfrequenz nachgeführt werden, ohne dass dies einen hohen Rechenaufwand erfordert. It is proposed not to calculate all spectral components simultaneously using spectral analysis, but to calculate a space vector representation of a harmonic angular frequency to be investigated. The level (ie amplitude or signal strength) of the harmonic component is determined. Since such a space vector representation only affects one harmonic angular frequency (in contrast to the large number of frequencies in spectral analysis) and the required matrix transformations can be calculated in advance, the calculation effort is significantly reduced. Even with variable speeds, the harmonic angular frequency can be tracked without this requiring a high level of calculation effort.
Die zugrunde liegende Idee ist es, dass auch für die zu untersuchende Oberschwingung beziehungsweise für den zu untersuchenden Oberschwingungsanteil ein Drehfeld besteht, das gemäß der Winkelfrequenz des Oberschwingungsanteils (Oberschwingungs-Kreisfrequenz) rotiert. Dadurch lässt sich die Signalstärke des Oberschwingungssystems erfassen, wodurch die Höhe des Oberschwingungsanteils ermittelt werden kann. Da die Raumzeigerdarstellung für die Oberschwingungs-Kreisfrequenz berechnet wird, die verschieden ist zur Grund-Winkelfrequenz des Ansteuersignal der elektrischen Maschine, wird dadurch nur die Höhe des Oberschwingungsanteils der Raumzeigerdarstellung zur Oberschwingungs-Kreisfrequenz erfasst. Insbesondere das bestehende Drehsystem der Grund-Winkelfrequenz lässt sich gut trennen von der Raumzeigerdarstellung, die sich auf die Oberschwingungs-Kreisfrequenz bezieht, da bei der Betrachtung der Raumzeigerdarstellung für die Oberschwingungs-Kreisfrequenz Einflüsse durch das System der Grund-Winkelfrequenz nur Wechselstrom beziehungsweise Wechselspannungseinflüsse sind, die sich über eine entsprechende Zeitdauer selbst eliminieren, oder die auf andere Weise einfach von den Grundfrequenzanteilen zu trennen sind. The underlying idea is that there is also a rotating field for the harmonic or harmonic component to be examined, which rotates according to the angular frequency of the harmonic component (harmonic angular frequency). This makes it possible to record the signal strength of the harmonic system, which makes it possible to determine the level of the harmonic component. Since the space vector representation is calculated for the harmonic angular frequency, which is different from the fundamental angular frequency of the control signal of the electrical machine, only the level of the harmonic component of the space vector representation for the harmonic angular frequency is recorded. In particular, the existing rotating system of the fundamental angular frequency can be easily separated from the space vector representation that relates to the harmonic angular frequency, since when considering the space vector representation for the harmonic angular frequency, influences from the system of the fundamental angular frequency are only alternating current or alternating voltage influences, which eliminate themselves over a corresponding period of time, or which can be easily separated from the fundamental frequency components in another way.
Beispielsweise bei der Betrachtung über einen gesamten Umlauf der Raumzeigerdarstellung für die Oberschwingungs-Kreisfrequenz ergeben sich zwar Momentan-Einflüsse durch das System der Grund-Winkelfrequenz, die jedoch bei der Betrachtung über den gesamten Umlauf (durch Mittelung) verschwinden. Mit anderen Worten wird bei der Betrachtung der Raumzeigerdarstellung für die Oberschwingungs-Kreisfrequenz eine Komponente, die nicht dieser Kreisfrequenz entspricht, ausgeblendet, da sie nicht zur Raumzeigerdarstellung für die Oberschwingungs-Kreisfrequenz entspricht. Wird eine Raumzeigerdarstellung für die Oberschwingungs-Kreisfrequenz verwendet, dann tragen Einflüsse durch Systeme anderer Kreisfrequenzen nicht zur Phasor- oder Vektorlänge der Raumzeigerdarstellung für die Oberschwingungs-Kreisfrequenz bei. Ferner lassen sich entsprechende Komponenten, die nicht zur Raumzeigerdarstellung der Oberschwingungs-Kreisfrequenz passen, durch einfache Mittelung, Hochpassfilterung oder Abtrennen von Wechselsignalanteilen aus der Raumzeigerdarstellung der Oberschwingungs-Kreisfrequenz auf einfache Weise abtrennen. For example, when considering the space vector representation for the harmonic angular frequency over an entire cycle, there are indeed instantaneous influences from the system of the fundamental angular frequency, but these disappear when considering the entire cycle (through averaging). In other words, when considering the space vector representation for the harmonic angular frequency, a component that does not correspond to this angular frequency is hidden because it does not correspond to the space vector representation for the harmonic angular frequency. If a space vector representation is used for the harmonic angular frequency, then influences from systems of other angular frequencies do not contribute to the phasor or vector length of the space vector representation for the harmonic angular frequency. Furthermore, corresponding components that do not match the space vector representation of the harmonic angular frequency can be easily separated by simple averaging, high-pass filtering or separating alternating signal components from the space vector representation of the harmonic angular frequency.
Es wird ein Verfahren zum Ermitteln eines entsprechenden Oberschwindungsanteils in einem mehrphasigen Ansteuersignal einer mehrphasigen elektrischen Maschine beschrieben. Die elektrische Maschine ist vorzugsweise eine Synchron-Maschine, die permanenterregt oder fremderregt sein kann. Ferner kann die elektrische Maschine eine Asynchronmaschine sein. Die elektrische Maschine ist vorzugsweise eine Traktionsmaschine eines Fahrzeugs. Die elektrische Maschine kann beispielsweise dreiphasig oder sechsphasig sein, wobei auch andere Phasenanzahlen möglich sind. Vorzugsweise hat die elektrische Maschine mindestens drei Phasen. Die elektrische Maschine ist vorzugsweise ein Innenläufer, kann jedoch auch als Außenläufer ausgestaltet sein. Das Ansteuersignal ist insbesondere ein Leistungssignal, beispielsweise ein Signal mit einer Effektivspannung von mehr als 60 V oder einem Effektivstrom von mehr als 10 A. Das Ansteuersignal kann ein Stromsignal, ein Spannungssignal, oder ein (mehrdimensionales) Signal sein, das sowohl den Strom als auch die Spannung der elektrischen Maschine wiedergibt. Auch das Ansteuersignal kann drei oder sechs Phasen oder eine andere Anzahl von Phasen (mindestens drei) aufweisen. Vorzugsweise entsprechen sich Phasenzahlen der elektrischen Maschine und des Ansteuersignals. A method is described for determining a corresponding harmonic component in a multiphase control signal of a multiphase electrical machine. The electrical machine is preferably a synchronous machine, which can be permanently excited or separately excited. The electrical machine can also be an asynchronous machine. The electrical machine is preferably a traction machine of a vehicle. The electrical machine can be three-phase or six-phase, for example, although other numbers of phases are also possible. The electrical machine preferably has at least three phases. The electrical machine is preferably an internal rotor, but can also be designed as an external rotor. The control signal is in particular a power signal, for example a signal with an effective voltage of more than 60 V or an effective current of more than 10 A. The control signal can be a current signal, a voltage signal, or a (multidimensional) signal that represents both the current and the voltage of the electrical machine. The control signal can also have three or six phases or another number of phases (at least three). The phase numbers of the electrical machine and the control signal preferably correspond.
Die elektrische Maschine wird mit dem Ansteuersignal betrieben. Hierbei erzeugt das Ansteuersignal (magnetisches) Drehfeld mit einer Grund-Winkelfrequenz in der elektrischen Maschine. Das Ansteuersignal ist somit ein Wechselsignal, dessen Frequenz der Grund-Winkelfrequenz entspricht. Die Umrechnung zwischenThe electrical machine is operated with the control signal. The control signal generates a (magnetic) rotating field with a basic angular frequency in the electrical machine. The control signal is therefore an alternating signal whose Frequency corresponds to the fundamental angular frequency. The conversion between
Frequenz und Winkelfrequenz ist dem Fachmann bekannt. Die Grund- und Winkelfrequenz kann sich insbesondere geben aus einer vorgegebenen Drehzahl. Frequency and angular frequency are known to those skilled in the art. The fundamental and angular frequency can be determined in particular from a given speed.
Es wird eine Raumzeigerdarstellung des Ansteuersignals für eine Oberschwingungs-Kreisfrequenz berechnet. Es ergibt sich eine Raumzeigerdarstellung des Ansteuersignals, die sich auf die Oberschwingungs-Kreisfrequenz bezieht. Die Oberschwingungs-Kreisfrequenz ist verschieden zur Grundkreis-Frequenz. Insbesondere ist die Oberschwingungs-Kreisfrequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Grund-Kreisfrequenz. Der Betrag des Vielfachen ist vorzugsweise mindestens zwei. Die Oberschwingungs-Kreisfrequenz kann allgemein ein k-faches der Kreisfrequenz sein, wobei der Betrag von k größer als eins ist. Insbesondere sind hierbei auch nicht ganzzahlige (rationale) Vielfache denkbar, beispielsweise dass 1 ,5-fache oder Ähnliches. A space vector representation of the control signal for a harmonic angular frequency is calculated. This results in a space vector representation of the control signal that relates to the harmonic angular frequency. The harmonic angular frequency is different from the fundamental angular frequency. In particular, the harmonic angular frequency is an integer multiple of the fundamental angular frequency. The amount of the multiple is preferably at least two. The harmonic angular frequency can generally be k times the angular frequency, with the amount of k being greater than one. In particular, non-integer (rational) multiples are also conceivable, for example 1.5 times or similar.
Die Raumzeigerdarstellung, die sich auf die Oberschwingungs-Kreisfrequenz bezieht, kann die betreffende Frequenzkomponente des Ansteuersignal vollständig oder teilweise wiedergeben. Insbesondere kann die Raumzeigerdarstellung das Ansteuersignal teilweise wiedergeben, wobei die Raumzeigerdarstellung jedoch ein Maß für die Stärke des Oberschwingungsanteils wiedergibt. Hierbei kann die Raumzeigerdarstellung (die sich auch die Oberschwingungs-Kreisfrequenz bezieht) nur ein mitdrehendes System oder nur ein gegendrehendes System (bezogen auf die Rotordrehrichtung) wiedergeben, das sich auf die betreffende Kreisfrequenz bezieht. Alternativ oder in Kombination hiermit kann die Raumzeigerdarstellung (die sich auch die Oberschwingungs-Kreisfrequenz bezieht) nur einen Realteil oder nur einen Imaginärteil der betreffenden Frequenzkomponente des Ansteuersignals wiedergeben. Insbesondere kann die Raumzeigerdarstellung des Ansteuersignals für die Oberschwingungs-Kreisfrequenz berechnet werden durch teilweises Abbilden des mehrphasigen Ansteuersignals auf eine Raumzeigerdarstellung des Oberschwingungsanteils. Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Raumzeigerdarstellung des Ansteuersignals für die Oberschwingungs-Kreisfrequenz berechnet, wird durch Abbilden mehrphasigen Ansteuersignals auf eine Raumzeigerdarstellung mit Real- und Imaginärteils des Oberschwingungsanteils für zwei entgegengesetzte Drehrichtungen. Mit anderen Worten kann die Raumzeigerdarstellung komplex sein und sowohl ein mitlaufendes als auch gegenläufiges Drehsystem (mit der Oberschwingungs-Kreisfrequenz) umfassen, oder nur den Real- oder Imaginärteil hiervon oder nur eines der beiden (zueinander entgegengesetzt rotierenden) Drehsysteme des Oberschwingungsanteils. The space vector representation, which relates to the harmonic angular frequency, can fully or partially represent the relevant frequency component of the control signal. In particular, the space vector representation can partially represent the control signal, whereby the space vector representation, however, represents a measure of the strength of the harmonic component. In this case, the space vector representation (which also relates to the harmonic angular frequency) can only represent a co-rotating system or only a counter-rotating system (relative to the direction of rotor rotation) that relates to the relevant angular frequency. Alternatively or in combination with this, the space vector representation (which also relates to the harmonic angular frequency) can only represent a real part or only an imaginary part of the relevant frequency component of the control signal. In particular, the space vector representation of the control signal for the harmonic angular frequency can be calculated by partially mapping the multi-phase control signal onto a space vector representation of the harmonic component. One embodiment provides that the space vector representation of the control signal for the The harmonic angular frequency is calculated by mapping a multiphase control signal onto a space vector representation with real and imaginary parts of the harmonic component for two opposite directions of rotation. In other words, the space vector representation can be complex and include both a co-rotating and counter-rotating rotation system (with the harmonic angular frequency), or only the real or imaginary part thereof, or only one of the two (oppositely rotating) rotation systems of the harmonic component.
Die Raumzeigerdarstellung des Ansteuersignals für die Oberschwingungs-Kreisfrequenz kann berechnet werden durch teilweises oder vollständiges Abbilden des mehrphasigen Ansteuersignals auf eine Raumzeigerdarstellung, die auf der Oberschwingungs-Kreisfrequenz basiert. Die Raumzeigerdarstellung ist vorzugsweise rotorbezogen, wobei auch statorbezogene Raumzeigerdarstellungen in Betracht kommen. Die Extraktion der Höhe des Oberschwingungsanteils unterscheidet sich hierbei geringfügig. Das Ansteuersignal wird vorzugsweise auf eine Raumzeigerdarstellung abgebildet, der eine Rotation mit der Oberschwingungs-Kreisfrequenz zugrunde liegt. Insbesondere kann die Raumzeigerdarstellung mittels eines Phasors realisiert werden, dessen Kreisfrequenz der Oberschwingungs-Kreisfrequenz entspricht. Dadurch wird nur der betreffende Oberschwingungsanteil (entsprechend der Oberschwingungs-Kreisfrequenz) in der Raumzeigerdarstellung wiedergegeben. Es ergibt sich eine Raumzeigerdarstellung des Oberschwingungs-Drehfelds. Aus diesem lässt sich die Höhe des Oberschwingungsanteils extrahieren. The space vector representation of the control signal for the harmonic angular frequency can be calculated by partially or completely mapping the multi-phase control signal onto a space vector representation based on the harmonic angular frequency. The space vector representation is preferably rotor-related, although stator-related space vector representations can also be considered. The extraction of the level of the harmonic component differs slightly here. The control signal is preferably mapped onto a space vector representation based on a rotation with the harmonic angular frequency. In particular, the space vector representation can be implemented using a phasor whose angular frequency corresponds to the harmonic angular frequency. As a result, only the relevant harmonic component (corresponding to the harmonic angular frequency) is reproduced in the space vector representation. This results in a space vector representation of the harmonic rotating field. The level of the harmonic component can be extracted from this.
Schließlich ist vorgesehen, dass die Höhe beziehungsweise Signalstärke des Oberschwingungsanteils anhand der Amplitude der komplexen Darstellung ermittelt wird. Da die Raumzeigerdarstellung bereits mit einer bestimmten Amplitude (etwa des Phasors) versehen ist, kann die Höhe beziehungsweise Stärke des Oberschwingungsanteils hieraus auf einfache Weise ermittelt werden. Insbesondere können die realen und/oder imaginären Anteile zur Ermittlung der Höhe des Oberschwingungsanteils herangezogen werden. Mit anderen Worten können Anteile zur Ermittlung herangezogen werden, die nur die Wirkleistung oder die Blindleistung betreffen, oder die die Scheinleistung betreffen. Zudem können die Raumzeigerdarstellungen beziehungsweise deren Amplituden herangezogen werden, deren Drehrichtung der Drehrichtung des Grund-Drehfelds (d.h. des Grund-Kreisfrequenz bezogenen Drehfelds) entspricht und/oder des hierzu gegensätzlich laufenden Systems (das einen Teil der Raumzeigerdarstellung des Ansteuersignals für die Oberschwingungs-Kreisfrequenz wiedergibt). Finally, it is intended that the level or signal strength of the harmonic component is determined based on the amplitude of the complex representation. Since the space vector representation is already provided with a certain amplitude (e.g. of the phasor), the level or strength of the harmonic component can be determined from this in a simple manner. In particular, the real and/or imaginary components can be used to determine the level of the harmonic component. In other words, components can be used for the determination that only contain the active power or which concern the reactive power, or which concern the apparent power. In addition, the space vector representations or their amplitudes can be used, the direction of rotation of which corresponds to the direction of rotation of the fundamental rotating field (ie the rotating field related to the fundamental angular frequency) and/or the system running in the opposite direction (which represents part of the space vector representation of the control signal for the harmonic angular frequency).
Insbesondere kann beim Ermitteln des Oberschwingungsanteils dieser gemittelt werden, beispielsweise über ein oder mehrere Umdrehungen. Ferner kann eine Tiefpassfilterung vorgenommen werden bei der Ermittlung der Höhe des Oberschwingungsanteils. Insbesondere können reale und imaginäre Anteile einzeln berechnet werden und gegebenenfalls miteinander summiert werden, um die Höhe des Oberschwingungsanteils zu ermitteln. In particular, when determining the harmonic component, it can be averaged, for example over one or more revolutions. Furthermore, low-pass filtering can be carried out when determining the level of the harmonic component. In particular, real and imaginary components can be calculated individually and, if necessary, added together to determine the level of the harmonic component.
Als Raumzeigerdarstellung des Ansteuersignals für die Oberschwingungs-Kreisfrequenz kann eine mitdrehende Raumzeigerdarstellung und eine gegendrehende Raumzeigerdarstellung berechnet werden. Beide Raumzeigerdarstellungen betreffen das Drehfeld des Oberschwingungsanteils. Die mitdrehende Raumzeigerdarstellung hat eine Drehrichtung, die der Drehrichtung des Drehfelds (d.h. der Grund-Kreisfrequenz) entspricht. Die gegendrehende Raumzeigerdarstellung hat eine hierzu entgegengesetzte Drehrichtung. Die Höhe des Oberschwingungsanteils kann anhand der Summe der jeweiligen Höhe der Oberschwingungsanteile der beiden Raumzeigerdarstellungen ermittelt werden. Dadurch können unabhängig von der Drehrichtung des Drehfelds, welches des Oberschwingungsanteil ausmacht, die Stärke bzw. Höhe des Oberschwingungsanteils ermittelt werden. Es ist hierbei nicht erforderlich, zu wissen, welche Drehrichtung das Drehfeld hat, welches den Oberschwingungsanteil ausmacht (d.h. Drehfeld der Oberschwingungs-Kreisfrequenz). Alternativ kann auch nur die mitdrehende oder nur die gegendrehende Raumzeigerdarstellung berechnet werden, wobei der Oberschwingungsanteil bzw. dessen Stärke anhand dieser Raumzeigerdarstellung ermittelt wird. Dies kann insbesondere dann angewandt werden, wenn beispielsweise anhand der Fehlerart bereits bekannt ist, dass der Oberschwingungsanteil mit einem Oberschwingungs-Drehfeld verknüpft ist, welches mitdreht (oder welches gegendreht). A co-rotating space vector representation and a counter-rotating space vector representation can be calculated as the space vector representation of the control signal for the harmonic angular frequency. Both space vector representations relate to the rotating field of the harmonic component. The co-rotating space vector representation has a direction of rotation that corresponds to the direction of rotation of the rotating field (i.e. the fundamental angular frequency). The counter-rotating space vector representation has a direction of rotation that is opposite to this. The level of the harmonic component can be determined using the sum of the respective levels of the harmonic components of the two space vector representations. This means that the strength or level of the harmonic component can be determined regardless of the direction of rotation of the rotating field that makes up the harmonic component. It is not necessary to know which direction of rotation the rotating field that makes up the harmonic component has (i.e. the rotating field of the harmonic angular frequency). Alternatively, only the co-rotating or only the counter-rotating space vector representation can be calculated, with the harmonic component or its strength being determined using this space vector representation. This can be applied in particular if, for example, it is already known from the type of error that the Harmonic component is linked to a harmonic rotating field which rotates (or which rotates in the opposite direction).
Vorzugsweise wird die Raumzeigerdarstellung als rotorbezogene Raumzeigerdarstellung berechnet. Die Raumzeigerdarstellung kann hierbei ein Koordinatensystem vorsehen, das gegenüber dem Stator rotiert. Ferner kann die Raumzeigerdarstellung mindestens einen Phasor vorsehen, der gegenüber dem Stator rotiert. Die Rotation des Koordinatensystems bzw. des Phasors geschieht mit der Oberschwingungs-Kreisfrequenz. Mit einer derartigen rotorbezogenen Raumzeigerdarstellung ergibt sich eine quasi-statische Darstellung. Insbesondere variiert diese Darstellung nicht mit der veränderlichen Winkelposition des betreffenden Systems. Die Höhe des Oberschwingungsanteils wird angegeben durch mindestens eine Größe mindestens einer Achse des Koordinatensystems oder durch mindestens eine Amplitude des Phasors. Das Koordinatensystem ist hierbei insbesondere ein Koordinatensystem, das in der komplexen Ebene liegt. Die mindestens eine Größe einer Achse des Koordinatensystems kann hierbei eine Größe des Realteils oder des Imaginärteils sein. Es können auch Größen der Real- und der Imaginärachse verwendet werden. Hierbei können diese kombiniert werden, beispielsweise durch die Addition der jeweiligen Quadrate, wobei die sich ergebende Summe selbst oder die Quadratwurzel dieser Summe als Höhe bzw. Stärke des Oberschwingungsanteils herangezogen wird. Die Achsen des Koordinatensystems können hierbei die d-Komponente oder die q-Komponente des Drehfelds wiedergeben, welches mit der Oberschwingungs-Kreisfrequenz rotiert. Die Raumzeigerdarstellung ergibt sich hierbei insbesondere durch eine d/q-Transformation, die auch als Park-Transformation bezeichnet werden kann. Diese Transformation wird für die Oberschwingungs-Kreisfrequenz durchgeführt. The space vector representation is preferably calculated as a rotor-related space vector representation. The space vector representation can provide a coordinate system that rotates relative to the stator. The space vector representation can also provide at least one phasor that rotates relative to the stator. The rotation of the coordinate system or the phasor occurs at the harmonic angular frequency. A rotor-related space vector representation of this type results in a quasi-static representation. In particular, this representation does not vary with the changing angular position of the system in question. The level of the harmonic component is specified by at least one size of at least one axis of the coordinate system or by at least one amplitude of the phasor. The coordinate system is in particular a coordinate system that lies in the complex plane. The at least one size of an axis of the coordinate system can be a size of the real part or the imaginary part. Sizes of the real and imaginary axes can also be used. These can be combined, for example by adding the respective squares, whereby the resulting sum itself or the square root of this sum is used as the height or strength of the harmonic component. The axes of the coordinate system can represent the d component or the q component of the rotating field, which rotates at the harmonic angular frequency. The space vector representation is created in particular by a d/q transformation, which can also be referred to as a Park transformation. This transformation is carried out for the harmonic angular frequency.
Bei Raumzeigerdarstellungen, die statorbezogen sind, kann sich das Koordinatensystem auch ergeben durch eine Clarke-Transformation, wobei diese von einer Rotation mit der Oberschwingungs-Kreisfrequenz ausgeht. Im Falle von rotorbezogenen Koordinatensystemen ergibt sich die Stärke des Oberschwingungsanteils aus der quasi-stationären Amplitude (bzw. aus dem Effektivwert) zumindest einer der Koordinatenachsen (etwa der d- oder q-Koordinatenachse). Quasi-stationär bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die betreffende Größe zwar mit der Drehzahl veränderlich ist, jedoch nicht variiert mit der Rotordrehung. Im Falle eines statorbezogenen Koordinatensystems (etwa einer Darstellung in a, ß-Anteilen) variiert die Amplitude (das heißt eine Größe an mindestens einer Achse des Koordinatensystems) mit der Drehbewegung gemäß der Oberschwingungs-Kreisfrequenz. Hierbei kann die Stärke des Oberschwingungsanteils als Stärke des entsprechenden Wechselsignals ermittelt werden; alternativ kann bei einem statorbezogenen Koordinatensystem die Stärke des Oberschwingungsanteils als der Betrag der Raumzeigerdarstellung (das heißt insbesondere die Länge des Phasors oder Vektors) als die Höhe des Oberschwingungsanteils ermittelt werden. In the case of space vector representations that are stator-related, the coordinate system can also be obtained by means of a Clarke transformation, which assumes a rotation with the harmonic angular frequency. In the case of rotor-related coordinate systems, the strength of the harmonic component results from the quasi-stationary amplitude (or from the effective value) of at least one of the coordinate axes (such as the d or q coordinate axis). In this context, quasi-stationary means that the relevant quantity changes with the speed, but does not vary with the rotation of the rotor. In the case of a stator-related coordinate system (e.g. a representation in a, ß components), the amplitude (i.e. a quantity on at least one axis of the coordinate system) varies with the rotational movement according to the harmonic angular frequency. The strength of the harmonic component can be determined as the strength of the corresponding alternating signal; alternatively, in a stator-related coordinate system, the strength of the harmonic component can be determined as the amount of the space vector representation (i.e. in particular the length of the phasor or vector) as the height of the harmonic component.
Die Raumzeigerdarstellung kann ferner einem Mit- und/oder einem Gegensystem einer Darstellung des Drehsystems als symmetrische Komponenten entsprechen, welches sich mit der Oberschwingungs-Kreisfrequenz dreht. Somit kann die Höhe des Oberschwingungsanteils ermittelt werden anhand der Amplitude des Mit- und/oder Gegensystems. Hierbei wird die Raumzeigerdarstellung berechnet mittels Transformation (des Oberschwingungs-Systems) auf eine Darstellung mittels symmetrischer Komponenten. Wie erwähnt kann zur Ermittlung der Höhe insbesondere die Amplitude des Mit-Systems, des Gegen-Systems oder einer Kombination der Amplituden (insbesondere die Summe) verwendet werden. The space vector representation can also correspond to a positive and/or negative system of a representation of the rotating system as symmetrical components, which rotates at the harmonic angular frequency. The level of the harmonic component can thus be determined based on the amplitude of the positive and/or negative system. The space vector representation is calculated by transforming (the harmonic system) to a representation using symmetrical components. As mentioned, the amplitude of the positive system, the negative system or a combination of the amplitudes (in particular the sum) can be used to determine the level.
Sowohl die Darstellung in einem d,q-Koordinatensystem (Park-Transformation) als auch die Darstellung mittels symmetrischer Komponenten ist eine rotorbezogene Darstellung. Die Clarke-Transformation bzw. die Darstellung in den entsprechenden a, ß-Komponenten, ist hingegen eine statorbezogene Transformation bzw. Darstellung. Die Ermittlung der Höhe des Oberschwingungsanteils entspricht bei rotorbezogenen Darstellungen der Ermittlung des Gleichanteils. Bei der Ermittlung der Höhe des Oberschwingungsanteils aus Raumzeigerdarstellungen, die statorbezogen sind, wird beispielsweise der Effektivwert einer Größe verwendet, die Teil der Raumzeigerdarstellung ist. Mit anderen Worten kann bei statorbezogenen Raumzeigerdarstellungen der Effektivwert dieser Raumzeigerdarstellung als die Höhe des Oberschwingungsanteils ermittelt werden. Both the representation in a d,q coordinate system (Park transformation) and the representation using symmetrical components is a rotor-related representation. The Clarke transformation or the representation in the corresponding a, ß components, on the other hand, is a stator-related transformation or representation. The determination of the level of the harmonic component in rotor-related representations corresponds to the determination of the DC component. When determining the level of the harmonic component from space vector representations that are stator-related, for example, the effective value of a quantity that is part of the space vector representation is used. In other words, in stator-related Space vector representations of the effective value of this space vector representation can be determined as the level of the harmonic component.
Die Raumzeigerdarstellung kann wie erwähnt als rotorbezogene Raumzeigerdarstellung berechnet werden, indem eine mitdrehende Raumzeigerdarstellung und eine gegendrehende Raumzeigerdarstellung (mit entgegengesetzter Drehrichtung) berechnet wird. Beide Raumzeigerdarstellungen werde berechnet basierend auf der Oberschwingungs-Kreisfrequenz. Es kann auch nur die mitdrehende oder nur die gegendrehende Raumzeigerdarstellung berechnet werden. Bei der Verwendung von rotorbezogenen Raumzeigerdarstellungen ist jedoch zu berücksichtigen, dass diese bereits auf einer Rotation mit der Grund-Kreisfrequenz aufsetzt. In diesem Kontext bedeutet „rotorbezogen“, dass die entsprechende Raumzeigerdarstellung von einem Rotor ausgeht, der mit der Grund-Kreisfrequenz rotiert. As mentioned, the space vector representation can be calculated as a rotor-related space vector representation by calculating a co-rotating space vector representation and a counter-rotating space vector representation (with opposite direction of rotation). Both space vector representations are calculated based on the harmonic angular frequency. It is also possible to calculate only the co-rotating or only the counter-rotating space vector representation. When using rotor-related space vector representations, however, it must be taken into account that these are already based on a rotation with the fundamental angular frequency. In this context, "rotor-related" means that the corresponding space vector representation is based on a rotor that rotates with the fundamental angular frequency.
Das Drehsystem, welches die Oberschwingungsanteile bildet, rotiert jedoch mit der Oberschwingungs-Kreisfrequenz gegenüber der (einfachen Grund-Kreisfrequenz) und somit gegenüber dem Rotor. Um zu berücksichtigen, dass die Raumzeigerdarstellung der Oberschwingungsanteile auf einer Rotation gegenüber dem Rotor (und nicht dem Stator) beruht, und sich eine rotorbezogene Darstellung nicht statisch ist sondern sich bereits mit der Grund-Kreisfrequenz dreht, sollte bei der Bildung der mitdrehenden Raumzeigerdarstellung (die mit der Oberschwingungs-Kreisfrequenz gegenüber der Grund-Kreisfrequenz in die gleiche Richtung wie das Grundsystem rotiert) die Grund-Kreisfrequenz abgezogen werden, um so eine oberschwindungsbezogene Raumzeigerdarstellung zu erhalten, die sich mit der Oberschwingungs-Kreisfrequenz gegenüber dem Rotor bzw. gegenüber der Rotationsbewegung mit Grund-Kreisfrequenz dreht. Die Grund-Kreisfrequenz ist Grundlage für die Raumzeigerdarstellung des Grundsystems. In vergleichbarer Weise wird vorzugsweise bei einer gegendrehenden Raumzeigerdarstellung auf die Oberschwingungs-Kreisfrequenz die Grund-Kreisfrequenz addiert, um so der Raumzeigerdarstellung Rechnung zu tragen, die bereits mit der Grund-Kreisfrequenz rotiert. Die entsprechende gegendrehende Raumzeigerdarstellung ergibt sich somit durch eine Raumzeigertransformation mit einer Kreisfrequenz, die der Summe aus Oberschwingungs-Kreisfrequenz und Grund-Kreisfrequenz entspricht. Mit anderen Worten entspricht die gegendrehende Raumzeigerdarstellung einer rotorbezogenen (und somit mit der Grund-Kreisfrequenz rotierenden) Raumzeigerdarstellung, die darüber hinaus mit der Oberschwingungs-Kreisfrequenz rotiert. Bei einer rotorbezogenen Raumzeigerdarstellung ist somit die Grund-Kreisfrequenz zu addieren oder zu subtrahieren, um so für die Oberschwingungen bzw. für deren Drehsystem eine Darstellung zu erhalten, die der Rotation des Drehsystems gegenüber dem Grundsystem (dessen Darstellung mit der Oberschwingungs-Kreisfrequenz rotiert) mit der Oberschwingungs-Kreisfrequenz entspricht. However, the rotating system that forms the harmonic components rotates with the harmonic angular frequency relative to the (simple fundamental angular frequency) and thus relative to the rotor. In order to take into account that the space vector representation of the harmonic components is based on a rotation relative to the rotor (and not the stator), and that a rotor-related representation is not static but already rotates at the fundamental angular frequency, the fundamental angular frequency should be subtracted when forming the co-rotating space vector representation (which rotates with the harmonic angular frequency relative to the fundamental angular frequency in the same direction as the fundamental system) in order to obtain a harmonic-related space vector representation that rotates with the harmonic angular frequency relative to the rotor or relative to the rotational movement with the fundamental angular frequency. The fundamental angular frequency is the basis for the space vector representation of the fundamental system. In a similar way, the fundamental angular frequency is preferably added to the harmonic angular frequency in a counter-rotating space vector representation in order to take into account the space vector representation, which already rotates at the fundamental angular frequency. The corresponding counter-rotating space vector representation is thus obtained by a Space vector transformation with an angular frequency that corresponds to the sum of the harmonic angular frequency and the fundamental angular frequency. In other words, the counter-rotating space vector representation corresponds to a rotor-related space vector representation (and thus rotating at the fundamental angular frequency), which also rotates at the harmonic angular frequency. With a rotor-related space vector representation, the fundamental angular frequency must therefore be added or subtracted in order to obtain a representation for the harmonics or their rotating system that corresponds to the rotation of the rotating system relative to the fundamental system (whose representation rotates at the harmonic angular frequency) at the harmonic angular frequency.
Das mehrphasige Ansteuersignal wird somit auf die mitdrehende Raumzeigerdarstellung mit einer Kreisfrequenz abgebildet, die der Oberschwingungs-Kreisfrequenz abzüglich der Grund-Kreisfrequenz (da ja der Rotor bereits mit der Grund-Kreisfrequenz rotiert und die Raumzeigerdarstellung des Oberschwingungssignals gegenüber diesem Grund-System rotiert). The multiphase control signal is thus mapped onto the rotating space vector representation with an angular frequency that corresponds to the harmonic angular frequency minus the fundamental angular frequency (since the rotor already rotates at the fundamental angular frequency and the space vector representation of the harmonic signal rotates relative to this fundamental system).
Alternativ oder in Kombination hierzu kann das mehrphasige Ansteuersignal auf die gegendrehende Raumzeigerdarstellung mit einer Kreisfrequenz abgebildet werden, die der Summe aus Oberschwingungs-Kreisfrequenz und Grund-Kreisfrequenz entspricht. Dadurch beziehen sich die Raumzeigerdarstellungen auf ein Oberschwingungs-Drehfeld, welches mit der Oberschwingungs-Kreisfrequenz gegenüber dem Grundsystem dreht. Alternatively or in combination with this, the multiphase control signal can be mapped onto the counter-rotating space vector representation with an angular frequency that corresponds to the sum of the harmonic angular frequency and the fundamental angular frequency. As a result, the space vector representations refer to a harmonic rotating field that rotates with the harmonic angular frequency relative to the fundamental system.
Die Höhe des Oberschwingungsanteils kann anhand einer Amplitude einer der Raumzeigerdarstellungen oder anhand der Amplituden der Raumzeigerdarstellungen ermittelt werden. Insbesondere kann die Höhe des Oberschwingungsanteils ermittelt werden anhand einer Kombination der Amplituden der Raumzeigerdarstellungen. Eine derartige Kombination ist beispielsweise die Addition der Amplituden, die Addition der Beträge der Amplituden oder die Quadratwurzel aus der Summe der Quadrate der Amplituden der Raumzeigerdarstellungen. Die Raumzeigerdarstellungen können komplexe Darstellungen sein, wobei die Höhe des Oberschwingungsanteils der (Schein-)Leistung der komplexen Darstellung entsprechen kann, oder nur dem Real- oder Imaginärteil der Raumzeigerdarstellung entsprechen kann. Insbesondere kann die Höhe der Wurzel aus der Summe der Quadrate des Realteils und des Imaginärteils der komplexen Darstellung entsprechen oder dieser Summe selbst. The level of the harmonic component can be determined using an amplitude of one of the space vector representations or using the amplitudes of the space vector representations. In particular, the level of the harmonic component can be determined using a combination of the amplitudes of the space vector representations. Such a combination is, for example, the addition of the amplitudes, the addition of the amounts of the amplitudes or the square root of the sum of the squares of the amplitudes of the space vector representations. The space vector representations can be complex representations, where the level of the harmonic component of the (apparent) power can correspond to the complex representation, or can only correspond to the real or imaginary part of the space vector representation. In particular, the level of the root of the sum of the squares of the real part and the imaginary part can correspond to the complex representation or to this sum itself.
Vorzugsweise wird die elektrische Maschine mit einem Lastwinkel und einem Leistungsfaktorwinkel betrieben. Die Raumzeigerdarstellung wird basierend auf dem Lastwinkel und dem Leistungsfaktorwinkel berechnet. Hierbei kann der Lastwinkel und/oder der Leistungsfaktorwinkel vorgegeben sein. Zudem kann vorgesehen sein, dass der Lastwinkel gemessen wird oder berechnet wird anhand von Betriebsparametern der elektrischen Maschine. Beispielsweise kann der Lastwinkel berechnet werden anhand des aktuellen Drehmoments und/oder anhand der abgegebenen Leistung. Der Leistungsfaktorwinkel kann ebenso vorgegeben sein oder gemessen oder berechnet werden. Insbesondere kann der Winkelversatz zwischen Strom und Spannung des Ansteuersignals berechnet werden. Der Lastwinkel bzw. der Leistungsfaktorwinkel beziehen sich auf die Grund-Kreisfrequenz. Preferably, the electrical machine is operated with a load angle and a power factor angle. The space vector representation is calculated based on the load angle and the power factor angle. The load angle and/or the power factor angle can be specified. In addition, it can be provided that the load angle is measured or calculated based on operating parameters of the electrical machine. For example, the load angle can be calculated based on the current torque and/or the output power. The power factor angle can also be specified or measured or calculated. In particular, the angular offset between the current and voltage of the control signal can be calculated. The load angle or the power factor angle relate to the fundamental angular frequency.
Es kann vorgesehen sein, dass eine Stromkomponente (oder eine Spannungskomponente) des Ansteuersignals mittels einer Clark-Transformation in einer Raumzeigerdarstellung (bezogen auf die Grund-Kreisfrequenz) umgewandelt wird, die einer a, ß - Darstellung entspricht. Mit anderen Worten kann das Ansteuersignal transformiert werden in eine statorbezogene Raumzeigerdarstellung (basierend auf der Grund-Kreisfrequenz). Es ergibt sich eine Raumzeigerdarstellung mit zwei zueinander senkrechten Achsen (a, ß - -Achse). Aus dieser Raumzeigerdarstellung kann der Leistungsfaktorwinkel berechnet oder ausgelesen werden, insbesondere als Winkel gegenüber einer Achse des Koordinatensystems der Raumzeigerdarstellung. Der sich ergebene Leistungsfaktorwinkel kann gefiltert werden. Insbesondere wird die Raumzeigerdarstellung (basierend auf der Oberschwingungs-Kreisfrequenz) ermittelt werden unter Berücksichtigung des Leistungsfaktorwinkels, des Lastwinkels oder der Summe hiervon. Die Raumzeigerdarstellung beinhaltet somit auch den Leistungsfaktorwinkel, den Lastwinkel und insbesondere die Summe hiervon. It can be provided that a current component (or a voltage component) of the control signal is converted by means of a Clark transformation into a space vector representation (based on the fundamental angular frequency) that corresponds to an a, ß representation. In other words, the control signal can be transformed into a stator-related space vector representation (based on the fundamental angular frequency). This results in a space vector representation with two mutually perpendicular axes (a, ß - axis). The power factor angle can be calculated or read out from this space vector representation, in particular as an angle relative to an axis of the coordinate system of the space vector representation. The resulting power factor angle can be filtered. In particular, the space vector representation (based on the harmonic angular frequency) is determined taking into account the power factor angle, the load angle or the sum of these. The space vector representation therefore also includes the power factor angle, the load angle and in particular the sum of these.
Die Raumzeigerdarstellung kann einer Park-Transformation entsprechen, insbesondere dem Resultat einer Park-Transformation. Die Raumzeigerdarstellung kann somit ein d-/q-Koordinatensystem vorsehen. Dieses rotiert mit der Kreisfrequenz der Oberschwingungsfrequenz, das heißt mit der Oberschwingungs-Kreisfrequenz. Der d-Wert des Koordinatensystems, der q-Wert des Koordinatensystems oder die Quadratwurzel der Summe der Quadrate dieser Werte gibt die Höhe des Oberschwingungsanteils an. Dies kann für eine mitdrehende oder eine gegendrehende Raumzeigerdarstellung in dieser Weise ermittelt werden. Insbesondere kann die Raumzeigerdarstellung für das Strom-Ansteuersignal (wie es in der elektrischen Maschine auftritt bzw. das sich durch die Spannungsansteuerung des Inverters in der elektrische Maschine ergibt), für das Spannungs-Ansteuersignal (wie es vom Inverter an die elektrische Maschine abgegeben wird) oder für beides ermittelt werden. Es kann somit jeweils für das Strom-Ansteuersignal und das Spannungs-Ansteuersignal eine Raumzeigerdarstellung für das mitdrehende und für das gegendrehende System vorgesehen werden, das sich mit der Oberschwingungs-Kreisfrequenz (gegenüber dem Stator) dreht. Hieraus kann die Leistung ermittelt werden aus dem Strom- bzw. Spannungsdarstellungen. The space vector representation can correspond to a Park transformation, in particular the result of a Park transformation. The space vector representation can thus provide a d/q coordinate system. This rotates with the angular frequency of the harmonic frequency, i.e. with the harmonic angular frequency. The d value of the coordinate system, the q value of the coordinate system or the square root of the sum of the squares of these values indicates the level of the harmonic component. This can be determined in this way for a co-rotating or counter-rotating space vector representation. In particular, the space vector representation can be determined for the current control signal (as it occurs in the electrical machine or which results from the voltage control of the inverter in the electrical machine), for the voltage control signal (as it is output from the inverter to the electrical machine) or for both. A space vector representation can therefore be provided for the current control signal and the voltage control signal for the co-rotating and counter-rotating system, which rotates at the harmonic angular frequency (relative to the stator). From this, the power can be determined from the current or voltage representations.
Die einzelnen Raumzeigerdarstellungen (für das mitdrehende System, für das gegendrehende System und/oder für das Strom-Ansteuersignal und das Spannungs-Ansteuersignal) kann jeweils gefiltert werden mittels eines Tiefpasses. Mit anderen Worten kann der (gleitende) Mittelwert berechnet werden. Dies entspricht einer Extraktion der Gleichsignalanteile, das heißt einer Extraktion des Gleichstromanteils des mitdrehenden Systems und des gegendrehenden Systems jeweils für das Strom-Ansteuersignal und das Spannungs-Ansteuersignal. Dies betrifft insbesondere nur die q-Komponente des Koordinatensystems. Auf die Umwandlung in eine Raumzeigerdarstellung bzw. Filterung kann eine Berechnung der d-Komponente und der q-Komponente jeweils für das Strom-Ansteuersignal und das Spannungs-Ansteuersignal folgen. Die Leistung kann sich insbesondere ergeben durch komplexe Multiplikation der so erhaltenen d- und q-Komponenten jeweils für das Strom-Ansteuersignal und das Spannungs-Ansteuersignal. Die sich ergebende Leistung kann als die Höhe des Oberschwingungsanteils betrachtet werden. Vereinfachte Verfahren sehen vor, dass nur das Strom- oder nur das Spannungs-Ansteuersignal betrachtet wird, um die Höhe des Oberschwingungsanteils zu ermitteln. Ferner kann nur das mitdrehende oder nur das gegendrehende System betrachtet werden, dass heißt eine nur mitdrehende oder eine nur gegendrehende Raumzeigerdarstellung. The individual space vector representations (for the co-rotating system, for the counter-rotating system and/or for the current control signal and the voltage control signal) can each be filtered using a low-pass filter. In other words, the (moving) average can be calculated. This corresponds to an extraction of the direct signal components, i.e. an extraction of the direct current component of the co-rotating system and the counter-rotating system for the current control signal and the voltage control signal respectively. This particularly only affects the q component of the coordinate system. The conversion into a space vector representation or filtering can be followed by a calculation of the d component and the q component for the current control signal respectively. and the voltage control signal follow. The power can be obtained in particular by complex multiplication of the d and q components obtained in this way for the current control signal and the voltage control signal. The resulting power can be regarded as the level of the harmonic component. Simplified methods provide that only the current or only the voltage control signal is considered in order to determine the level of the harmonic component. Furthermore, only the co-rotating or only the counter-rotating system can be considered, i.e. only a co-rotating or only a counter-rotating space vector representation.
Wie erwähnt kann auch eine Fortescue-Transformation bzw. eine Raumzeigerdarstellung als symmetrische Komponenten (Mitsystem und Gegensystem) verwendet werden. Die Raumzeigerdarstellung kann somit einer Fortescue-Transformation entsprechen. Diese sieht mindestens einen Phasor vor, der einem Mit- und/oder einem Gegensystem entspricht, das mit der Kreisfrequenz der Oberschwingungsfrequenz rotiert (gegenüber dem Stator). Die Amplitude des Phasors oder eine Kombination der Phasoren gibt die Höhe des Oberschwingungsanteils an. Insbesondere kann bei der Verwendung des Mit- und des Gegensystems jeweils für jedes System die Amplitude des Phasors berechnet werden, wobei sich die Höhe des Oberschwingungsanteils aus der Summe der Beträge der beiden Amplituden ergibt. Die Kombination der Phasoren kann somit vorgesehen werden durch Addition der Beträge der beiden Systeme. As mentioned, a Fortescue transformation or a space vector representation can also be used as symmetrical components (positive and negative sequence systems). The space vector representation can thus correspond to a Fortescue transformation. This provides at least one phasor that corresponds to a positive and/or negative sequence system that rotates at the angular frequency of the harmonic frequency (relative to the stator). The amplitude of the phasor or a combination of the phasors indicates the level of the harmonic component. In particular, when using the positive and negative sequence systems, the amplitude of the phasor can be calculated for each system, with the level of the harmonic component resulting from the sum of the amounts of the two amplitudes. The combination of the phasors can thus be provided by adding the amounts of the two systems.
Wie erwähnt kann das Ansteuersignal ein Stromsignal aufweisen. Dieses wird als Strom-Ansteuersignal bezeichnet. Das entsprechende Stromsignal gibt den Phasenstrom in der elektrischen Maschine wieder (für die mehreren Phasen). Das Ansteuersignal kann ferner ein Spannungssignal aufweisen, das die Phasenspannung der elektrischen Maschine wiedergibt. Dies kann auch als Spannungs-Ansteuersignal bezeichnet werden. Das Spannungs-Ansteuersignal gibt die Phasenspannungen der elektrischen Maschine für die Phasen der Maschine wieder. Es kann die Raumzeigerdarstellung des Stromsignals und die Raumzeigerdarstellung des Spannungssignals berechnet werden. Die Höhe des Oberschwingungsanteils ergibt sich insbesondere als Wirkleistung der Stromamplitude und der Spannungsamplitude der beiden Raumzeigerdarstellungen. Alternativ wird die Scheinleistung der Stromamplitude und der Spannungsamplitude der beiden Raumzeigerdarstellungen als die Höhe bzw. Stärke des Oberschwingungsanteils berechnet. As mentioned, the control signal can have a current signal. This is referred to as a current control signal. The corresponding current signal represents the phase current in the electrical machine (for the multiple phases). The control signal can also have a voltage signal that represents the phase voltage of the electrical machine. This can also be referred to as a voltage control signal. The voltage control signal represents the phase voltages of the electrical machine for the phases of the machine. The space vector representation of the current signal and the space vector representation of the voltage signal can be calculated. The level of the harmonic component is determined in particular as the active power of the current amplitude and the voltage amplitude of the two space vector representations. Alternatively, the apparent power of the current amplitude and the voltage amplitude of the two space vector representations is calculated as the level or strength of the harmonic component.
Ausführungen sehen vor, dass auch ein Wirkleistungsfaktor aus dem Phasenversatz zwischen den Raumzeigerdarstellungen des Strom-Ansteuersignals und des Spannungs-Ansteuersignals berechnet wird. Die Höhe des Oberschwingungsanteils kann sich dann ergeben aus der komplexen Leistung, die sich aus den beiden Raumzeigerdarstellungen ergibt, sowie aus dem Wirkleistungsfaktor, der dem Phasenversatz zwischen den beiden Raumzeigerdarstellungen entspricht. In diesem Falle ergibt sich die Höhe des Oberschwingungsanteils als eine Wirkleistung, die aus Raumzeigerdarstellungen des Spannungs- und des Strom-Ansteuersignals berechnet werden. Der Phasenversatz bzw. der berechnete Wirkleistungsfaktor gibt somit in die Berechnung des Oberschwingungsanteils ein. Designs provide that an active power factor is also calculated from the phase shift between the space vector representations of the current control signal and the voltage control signal. The level of the harmonic component can then result from the complex power that results from the two space vector representations, as well as from the active power factor that corresponds to the phase shift between the two space vector representations. In this case, the level of the harmonic component results from an active power that is calculated from space vector representations of the voltage and current control signals. The phase shift or the calculated active power factor is therefore included in the calculation of the harmonic component.
Weitere Ausführungsformen sehen vor, dass die Höhe des Oberschwingungsanteils anhand einer tiefpassgefilterten Amplitude der komplexen Darstellung berechnet wird. Hierbei kann es sich um die Amplitude des Realteils, des Imaginärteils oder aus einer Kombination hiervon handeln. Insbesondere können der Real- und der Imaginärteil der komplexen Darstellung vor oder nach der Tiefpassfilterung der jeweiligen Amplituden kombiniert werden, insbesondere durch Ermitteln des Betrags der komplexen Darstellung (das heißt durch Ermitteln der Quadratwurzel der Quadrate des Real- und des Imaginärteils). Die komplexe Darstellung ergibt sich durch eine komplexe Raumzeigerdarstellung, die eine Darstellung in einer komplexen Ebene ist und somit nur eine Realteilachse und eine Imaginärteilachse aufweist. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Raumzeigerdarstellung des Ansteuersignals für die Oberschwingungsfrequenz berechnet wird, durch teilweises oder vollständiges Abbilden des mehrphasigen Ansteuersignals auf eine Zwischen-Raumzeigerdarstellung mit einem statorfesten Koordinatensystem. Dies wird insbesondere kombiniert durch teilweises oder vollständiges Abbilden dieser Zwischen-Raumzeigerdarstellung auf eine komplexe Darstellung, deren Kreisfrequenz der Oberschwingungsfrequenz entspricht (und die sich auf den Rotor bezieht). Die Zwischen-Raumzeigerdarstellung kann sich daher durch teilweises oder vollständiges Abbilden des mehrphasigen Ansteuersignals mittels einer Clark-Transformation ergeben. Diese statorfeste Zwischen-Raumzeigerdarstellung wird dann in bekannter Weise überführt in eine rotorbezogene bzw. rotorfeste Raumzeigerdarstellung, wobei letzteres einer Park-Transformation entspricht. Further embodiments provide that the level of the harmonic component is calculated based on a low-pass filtered amplitude of the complex representation. This can be the amplitude of the real part, the imaginary part or a combination thereof. In particular, the real and imaginary parts of the complex representation can be combined before or after the low-pass filtering of the respective amplitudes, in particular by determining the magnitude of the complex representation (that is, by determining the square root of the squares of the real and imaginary parts). The complex representation results from a complex space vector representation, which is a representation in a complex plane and thus has only one real part axis and one imaginary part axis. Furthermore, it can be provided that the space vector representation of the control signal for the harmonic frequency is calculated by partially or completely mapping the multi-phase control signal onto an intermediate space vector representation with a stator-fixed coordinate system. This is combined in particular by partially or completely mapping this intermediate space vector representation onto a complex representation whose angular frequency corresponds to the harmonic frequency (and which relates to the rotor). The intermediate space vector representation can therefore be obtained by partially or completely mapping the multi-phase control signal using a Clark transformation. This stator-fixed intermediate space vector representation is then converted in a known manner into a rotor-related or rotor-fixed space vector representation, the latter corresponding to a Park transformation.
Das Verfahren kann insbesondere eingesetzt werden zum Erfassen des Oberschwingungsanteils bei veränderlichen Drehzahlen, das heißt bei veränderlichen Grund-Kreisfrequenzen. Hierbei wird die Raumzeigerdarstellung, die sich auf die Oberschwingungsfrequenz bezieht, mit der Grund-Kreisfrequenz bzw. entsprechend der Drehzahländerung geändert. Mit anderen Worten wird die Oberschwingungsfrequenz, die die Basis für die Raumzeigerdarstellung ist, angepasst an Geschwindigkeitsänderungen bzw. Drehzahländerungen der elektrischen Maschine. Insbesondere wird bei Erfassen der Änderung der Grund-Kreisfrequenz die Oberschwingungs-Kreisfrequenz proportional zu der Grund-Kreisfrequenz geändert. Ergibt sich eine Änderung der Grund-Kreisfrequenz um einen Faktor x, wird auch eine um den Faktor x erhöhte Oberschwingungs-Kreisfrequenz bei der Raumzeigerdarstellung verwendet. The method can be used in particular to detect the harmonic component at variable speeds, i.e. at variable fundamental angular frequencies. In this case, the space vector representation, which refers to the harmonic frequency, is changed with the fundamental angular frequency or in accordance with the change in speed. In other words, the harmonic frequency, which is the basis for the space vector representation, is adapted to changes in speed or speed of the electrical machine. In particular, when the change in the fundamental angular frequency is detected, the harmonic angular frequency is changed proportionally to the fundamental angular frequency. If there is a change in the fundamental angular frequency by a factor of x, a harmonic angular frequency increased by a factor of x is also used in the space vector representation.
Neben einer Anpassung an Drehzahländerungen kann mit dem hier dargestellten Verfahren auch eine Auswertung von mehreren verschieden Oberschwingungs-Kreisfrequenzen durchgeführt werden. Innerhalb des gleichen Zeitabschnitts können die Höhen von Oberschwingungsanteilen mehrerer unterschiedlicher Oberschwingungs-Kreisfrequenzen ermittelt werden. Insbesondere werden hierbei mehrere Raumzeigerdarstellungen für unterschiedliche Oberschwingungs-Kreisfrequenzen berechnet. Die Oberschwingungs-Kreisfrequenzen unterscheiden sich und sind ferner verschieden zur Grund-Kreisfrequenz. Beispielsweise kann so der Oberschwingungsanteil der dritten und der fünften Oberwelle für dasselbe Ansteuersignal ermittelt werden durch Transformation in Raumzeigerdarstellungen, die auf unterschiedlich schnellen Rotationen berufen, etwa eine Raumzeigerdarstellung beruhend auf einer Rotation mit der dritten Oberschwingungs-Kreisfrequenz und einer weiteren Raumzeigerdarstellung beruhend auf einer Rotation mit der fünften Oberschwingungs-Kreisfrequenz. In addition to an adaptation to speed changes, the method presented here can also be used to evaluate several different harmonic angular frequencies. Within the same time period, the levels of harmonic components of several different harmonic angular frequencies can be determined. In particular, several space vector representations are calculated for different harmonic angular frequencies. The Harmonic angular frequencies differ and are also different from the fundamental angular frequency. For example, the harmonic component of the third and fifth harmonics for the same control signal can be determined by transformation into space vector representations that rely on rotations at different speeds, such as a space vector representation based on a rotation with the third harmonic angular frequency and another space vector representation based on a rotation with the fifth harmonic angular frequency.
Ferner kann aus dem ermittelten Oberschwingungsanteil auf den Fehler geschlossen werden. Insbesondere kann aus den Verhältnissen von Höhen von Oberschwingungsanteilen unterschiedlicher Oberschwingungs-Kreisfrequenzen auf entsprechende Fehlerarten geschlossen werden. Verschiedene Verhältnisse der Höhen untereinander werden vorzugsweise auf unterschiedliche Fehlerarten abgebildet. Die abgebildeten Fehlerarten können dann ausgegeben werden. Wenn beispielsweise bei einem Lagerfehler zu erwarten wäre, dass die fünfte Oberwelle deutlich stärker als die dritte Oberwelle ist, während bei einem Inverterfehler die dritte Oberwelle die fünfte Oberwelle dominieren würde, dann können diese unterschiedlichen Fehlerarten mittels der Verhältnisse der Höhen der verschiedenen Oberschwingungsanteile voneinander unterschiede werden und ausgegeben werden. Furthermore, the error can be deduced from the determined harmonic component. In particular, the corresponding types of error can be deduced from the ratios of the heights of harmonic components of different harmonic angular frequencies. Different ratios of the heights to one another are preferably mapped to different types of error. The mapped types of error can then be output. If, for example, in the case of a bearing error, the fifth harmonic would be expected to be significantly stronger than the third harmonic, while in the case of an inverter error the third harmonic would dominate the fifth harmonic, then these different types of error can be differentiated from one another using the ratios of the heights of the various harmonic components and output.
Schließlich wird ein elektrischer Fahrzeugantriebsstrang mit einer mehrphasigen elektrischen Maschine und einem Inverter beschrieben. Der Inverter ist über einen Phasenanschluss (mit mehreren Phasen) ansteuernd mit der elektrischen Maschine verbunden. Ein Erfassungsmodul ist mit dem Phasenanschluss verbunden. Das Erfassungsmodul ist zur Ausführung des Verfahrens nach einem der hier beschriebenen Varianten ausgestaltet. Das Erfassungsmodul ist eingerichtet, den durch den Phasenanschluss fließenden mehrphasigen Strom zu erfassen. Alternativ oder in Kombination hiermit ist das Erfassungsmodul eingerichtet, die an dem Phasenanschluss anliegende Spannung (das heißt die Spannung zwischen den verschiedenen Phasen des Phasenanschlusses) zu erfassen. Das Erfassungsmodul weist ferner eine Datenschnittstelle auf, die zur Ausgabe der Höhe des vom Erfassungsmodul ermittelten Oberschwingungsanteils eingerichtet ist. Die Datenschnittstelle ist insbesondere eingerichtet, mehrere Oberschwingungsanteile abzugeben, wenn mehrere Oberschwingungsanteile für unterschiedliche Oberschwingungs-Kreisfrequenzen in dem Erfassungsmodul berechnet werden. Alternativ oder in Kombination hierzu kann die Datenschnittstelle ausgebildet sein, die vorangehend genannten Fehlerarten auszugeben. Finally, an electric vehicle drive train with a multi-phase electric machine and an inverter is described. The inverter is connected to the electric machine via a phase connection (with several phases). A detection module is connected to the phase connection. The detection module is designed to carry out the method according to one of the variants described here. The detection module is set up to detect the multi-phase current flowing through the phase connection. Alternatively or in combination with this, the detection module is set up to detect the voltage applied to the phase connection (i.e. the voltage between the different phases of the phase connection). The detection module also has a data interface which is used to Output of the level of the harmonic component determined by the acquisition module. The data interface is particularly configured to output multiple harmonic components if multiple harmonic components are calculated for different harmonic angular frequencies in the acquisition module. Alternatively or in combination with this, the data interface can be designed to output the aforementioned types of errors.
Es kann ein Computerprogrammprodukt vorgesehen sein, dass zum Ausführen des hier beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist. Insbesondere kann das Computerprogrammprodukt sowohl zum Betreiben der elektrischen Maschine als auch zum Berechnen der Raumzeigerdarstellung und zum Ermitteln der Höhe des Oberschwingungsanteils eingerichtet sein. Darüber hinaus kann ein Computerprogrammprodukt vorgesehen sein, dass nicht zum Betreiben der elektrischen Maschine, jedoch zum Berechnen der Raumzeigerdarstellung und zum Ermitteln der Höhe des Oberschwingungsanteils eingerichtet ist. Das Computerprogrammprodukt kann einen Eingabeabschnitt aufweisen, in dem Parameter übergeben werden, welche das Ansteuersignal darstellen. Es kann ein Ausgabeabschnitt vorgesehen sein, in dem die Höhe des Oberschwingungsanteils als ein oder mehrere Parameter ausgegeben wird. Das Computerprogrammprodukt ist eingerichtet, bei Ablauf in einem Prozessor das hier beschriebene Verfahren auszuführen (oder auch nur die Schritte des Berechnens und des Ermittelns der Höhe des Oberschwingungsanteils). Der Prozessor kann eine Eingabeschnittstelle aufweisen, an dem das Ansteuersignal eingegeben wird bzw. Größen, die dieses wiedergeben. Dies sind insbesondere Messgrößen, die das Ansteuersignal kennzeichnen, insbesondere dessen Spannungs- und/oder Stromverlauf. A computer program product can be provided that is set up to carry out the method described here. In particular, the computer program product can be set up both to operate the electrical machine and to calculate the space vector representation and to determine the level of the harmonic component. In addition, a computer program product can be provided that is not set up to operate the electrical machine, but to calculate the space vector representation and to determine the level of the harmonic component. The computer program product can have an input section in which parameters are transferred that represent the control signal. An output section can be provided in which the level of the harmonic component is output as one or more parameters. The computer program product is set up to carry out the method described here when running in a processor (or just the steps of calculating and determining the level of the harmonic component). The processor can have an input interface to which the control signal is entered or variables that represent it. These are in particular measured variables that characterize the control signal, in particular its voltage and/or current curve.
Das Berechnen der Raumzeigerdarstellung und das Ermitteln der Höhe des Oberschwingungsanteils kann in unterschiedlicher Weise vorgesehen werden. Das Berechnen der Raumzeigerdarstellung kann in einem Vorbereitungsschritt ausgeführt werden. In diesem Schritt werden Parameter hinterlegt, die die Raumzeigerdarstellung wiedergeben bzw. eine Matrix, die der Raumzeigerdarstellung entspricht. Insbesondere kann die Raumzeigerdarstellung berechnet werden durch Erzeugen einer Transformationsmatrix zur Erzeugung der Raumzeigerdarstellung. Die Transformationsmatrix kann eine Clarke-Transformation oder eine Park-Transformation wiedergeben oder kann eine Zerlegung in symmetrische Komponenten wiedergeben, etwa in Form einer Fortescue-Matrix (zumindest für das Mit- und/oder Gegensystem). Diese Matrix kann in einem Vorbereitungsschritt erzeugt werden. In einem Echtzeit-Berechnungsschritt kann diese Transformation abgerufen werden, insbesondere, wenn im Vorbereitungsschritt entsprechende Daten hinterlegt wurden, die die Transformation wiedergeben. Die Raumzeigerdarstellung ergibt sich dann durch die Anwendung der Transformationsmatrix (vorgespeichert) auf das aktuelle Ansteuersignal, das heißt auf Daten, die das Ansteuersignal wiedergeben. Dadurch kann ein Teil der Berechnung außerhalb der Echtzeit, insbesondere in einer Vorbereitungsphase vor Betriebsbeginn durchgeführt werden, das heißt vor der Erzeugung des Ansteuersignals, während in Echtzeit, d.h. bei bestehendem, aktuellem Ansteuersignal bzw. während dem Betrieb der elektrischen Maschine die betreffende, bereits berechnete Transformationsmatrix lediglich abgerufen wird, um so die Raumzeigerdarstellung (für das aktuelle Ansteuersignal) zu erzeugen. The calculation of the space vector representation and the determination of the level of the harmonic component can be provided in different ways. The calculation of the space vector representation can be carried out in a preparatory step. In this step, parameters are stored that represent the space vector representation or a matrix that corresponds to the space vector representation. In particular, the space vector representation can be calculated by generating a transformation matrix to generate the space vector representation. The transformation matrix can represent a Clarke transformation or a Park transformation or can represent a decomposition into symmetrical components, for example in the form of a Fortescue matrix (at least for the positive and/or negative sequence system). This matrix can be generated in a preparation step. This transformation can be called up in a real-time calculation step, especially if corresponding data representing the transformation was stored in the preparation step. The space vector representation is then obtained by applying the transformation matrix (pre-stored) to the current control signal, i.e. to data representing the control signal. As a result, part of the calculation can be carried out outside of real time, in particular in a preparatory phase before the start of operation, i.e. before the generation of the control signal, while in real time, i.e. when the current control signal exists or during operation of the electrical machine, the relevant, already calculated transformation matrix is simply called up in order to generate the space vector representation (for the current control signal).
Eine beispielhafte Ausführungsform sieht vor, dass zunächst (in einer Vorbereitungsphase vor dem Betrieb der elektrischen Maschine) eine Transformationsmatrix erzeugt wird, mittels der später (während dem Betrieb der elektrischen Maschine) die Raumzeigerdarstellung berechnet werden kann, insbesondere in Echtzeit. Hierzu wird die Oberschwingungs-Kreisfrequenz gewählt, und es werden die entsprechenden Transformationsmatrizen für ein mitdrehendes System und ein gegendrehendes System (beides mit Oberschwingungs-Kreisfrequenz gegenüber dem Stator) erzeugt. Die Transformationsmatrix berücksichtigt, die das mitdrehende System wiedergibt, dass das Grund-System (welches mit der Grund-Kreisfrequenz rotiert) sich auf den Stator bezieht (d.h. gegenüber diesem dreht) und rotorfest ist, das heißt sich nicht über dem Rotor dreht. Es ergibt sich eine mitdrehende Transformationsmatrix, beruhend auf der Oberschwingungs-Kreisfrequenz abzüglich der Grund-Kreisfrequenz, und eine gegendrehende Transformationsmatrix, beruhend auf der Summe aus Oberschwingungs- und Grund-Kreisfrequenz. Dadurch wird berücksichtigt, dass sich das Oberschwingungs-System gegenüber dem Grund-System mit der Oberschwingungs-Kreisfrequenz rotiert und das Grund-System gegenüber dem Stator rotiert mit der Grundwellen-Kreisfrequenz (kurz: Grund-Kreisfrequenz). An exemplary embodiment provides that first (in a preparatory phase before the operation of the electrical machine) a transformation matrix is generated, by means of which the space vector representation can be calculated later (during the operation of the electrical machine), in particular in real time. For this purpose, the harmonic angular frequency is selected and the corresponding transformation matrices for a co-rotating system and a counter-rotating system (both with harmonic angular frequency relative to the stator) are generated. The transformation matrix, which represents the co-rotating system, takes into account that the basic system (which rotates at the basic angular frequency) relates to the stator (i.e. rotates relative to it) and is rotor-fixed, i.e. does not rotate above the rotor. This results in a co-rotating transformation matrix based on the harmonic angular frequency minus the basic angular frequency, and a counter-rotating transformation matrix based on the sum of the harmonic and fundamental angular frequency. This takes into account that the harmonic system rotates relative to the fundamental system at the harmonic angular frequency and the fundamental system rotates relative to the stator at the fundamental angular frequency (in short: fundamental angular frequency).
Die Transformationsmatrizen bilden das mehrphasige Drehsystem auf ein rotorbezogenes System ab und bilden ferner die mehrphasigen Signale auf eine einzige (komplexe) Größe ab, etwa auf einen Phasor bzw. auf eine komplexe Darstellung hievon. Die Transformationsmatrizen können einer Park-Transformation bzw. d-/q-Transformation entsprechen. Alternativ entsprechen diese einer Fortescue-Transformation zur Abbildung auf mit- und gegendrehende symmetrische Komponenten. The transformation matrices map the multiphase rotation system onto a rotor-related system and also map the multiphase signals onto a single (complex) quantity, such as a phasor or a complex representation thereof. The transformation matrices can correspond to a Park transformation or d/q transformation. Alternatively, they correspond to a Fortescue transformation for mapping onto co-rotating and counter-rotating symmetrical components.
In dem genannten Beispiel werden die Transformationsmatrizen für das mitdrehende System sowohl für das Spannungs-Ansteuersignal als auch für das Strom-Ansteuersignal erzeugt. Gleiches gilt für die Transformationsmatrizen des gegendrehenden Systems. Die Matrizen sind Teil der Raumzeigerdarstellung bzw. dienen zur Erzeugung der Raumzeigerdarstellung. Sowohl die Transformationsmatrizen als auch die Raumzeigerdarstellung beziehen sich auf das Oberschwingungs-System des Ansteuersignals, das heißt auf das rotierende System des Ansteuersignals, welches sich mit der Oberschwingungs-Kreisfrequenz dreht. In the example mentioned, the transformation matrices for the co-rotating system are generated for both the voltage control signal and the current control signal. The same applies to the transformation matrices of the counter-rotating system. The matrices are part of the space vector representation or are used to generate the space vector representation. Both the transformation matrices and the space vector representation refer to the harmonic system of the control signal, i.e. to the rotating system of the control signal, which rotates at the harmonic angular frequency.
Das Strom-Ansteuersignal wird angewandt auf die zugehörige Transformationsmatrix. Gleiches gilt für das Spannungs-Ansteuersignal. Bis zur Anwendung des Ansteuersignals auf die Transformationsmatrizen kann das Verfahren offline bzw. vorbereitend ausgeführt werden, so dass ein Teil der erforderlichen Rechenleistung nicht während des Betriebs, das heißt während der Ermittlung der Höhe des Oberschwingungsanteils mittels des Ansteuersignal erforderlich ist. Es ergibt sich bei der Anwendung der Park-Transformation als Transformationsmatrix für das Strom-Ansteuersignal eine mitdrehende d-Komponente, eine mitdrehende q-Komponente sowie eine gegendrehende d-Komponente und eine gegendrehende q-Komponente. Auch für das Spannungs-Ansteuersignal ergeben sich die entsprechenden vier Komponenten, das heißt mitdrehende d- und q-Komponenten und gegendrehende d- und q-Komponenten. The current control signal is applied to the associated transformation matrix. The same applies to the voltage control signal. Until the control signal is applied to the transformation matrices, the process can be carried out offline or in preparation, so that part of the required computing power is not required during operation, i.e. during the determination of the level of the harmonic component using the control signal. When the Park transformation is used as a transformation matrix for the current control signal, a co-rotating d-component, a co-rotating q-component, a counter-rotating d-component and a counter-rotating q-component result. The corresponding four components also result for the voltage control signal, i.e. co-rotating d- and q-components and counter-rotating d- and q-components.
In einem folgenden Schritt werden die sich so ergebenden Komponenten gemittelt bzw. tiefpassgefiltert. Insbesondere wird nur der Gleichspannungsanteil herausgefiltert. Als Gleichspannungsanteil wird ein Anteil bezeichnet, dessen Frequenz nicht größer ist als eine Frequenz, die der Änderungsgeschwindigkeit der Drehzahl entspricht. Dadurch können auch langsam veränderliche Drehzahlen berücksichtigt werden. Wie bereits beschrieben wird die betreffende Oberschwingungs-Kreisfrequenz proportional an sich ändernde Drehzahlen der elektrischen Maschine (d.h. an sich ändernde Antriebsgeschwindigkeiten) angepasst. In a subsequent step, the resulting components are averaged or low-pass filtered. In particular, only the DC voltage component is filtered out. A DC voltage component is a component whose frequency is not greater than a frequency that corresponds to the rate of change of the speed. This means that slowly changing speeds can also be taken into account. As already described, the relevant harmonic angular frequency is adjusted proportionally to changing speeds of the electrical machine (i.e. to changing drive speeds).
Aus den sich ergebenden Komponenten wird die Leistung des Drehsystems (kurz: System) berechnet, welches mit der Oberschwingungs-Kreisfrequenz (in beide Richtungen) rotiert. Die sich ergebende Leistung wird vorzugsweise berechnet durch die Berechnung der Blind- und Wirkanteile, das heißt die Berechnung der d- und q-Anteile sowohl für das mitdrehende als auch für das gegendrehende System. Insbesondere wird hierbei der Realteil bzw. die d-Komponente des Stroms mit der d-Komponente bzw. mit dem Realteil der Spannung multipliziert. Dies wird auch für die Imaginärteile der jeweiligen Spannung und Ströme berechnet. Die Berechnung wird für das Mit-System und für das Gegen-System ausgeführt. Die Komponenten, die sich durch die Multiplikation der Realteile ergeben, und die Komponenten, die sich für den Imaginärteil ergeben, werden für das Gegen-System und für das Mit-System berechnet und addiert. The power of the rotating system (or system for short), which rotates at the harmonic angular frequency (in both directions), is calculated from the resulting components. The resulting power is preferably calculated by calculating the reactive and active components, i.e. calculating the d and q components for both the co-rotating and the counter-rotating system. In particular, the real part or the d component of the current is multiplied by the d component or the real part of the voltage. This is also calculated for the imaginary parts of the respective voltages and currents. The calculation is carried out for the positive system and for the negative system. The components resulting from the multiplication of the real parts and the components resulting for the imaginary part are calculated and added for the counter system and for the positive system.
Es werden sowohl für das Gegen-System als auch für das Mit-System die Real- und Blindanteile bzw. die d- und q-Komponenten berechnet und aufsummiert (allgemein: kombiniert). Wie erwähnt kann die Raumzeigerdarstellung jeweils für den Strom und für die Spannung des Ansteuersignals berechnet werden (bezogen auf die Oberschwingungs-Kreisfrequenz). Die Höhe des Oberschwingungsanteils ergibt sich dann vorzugsweise aus dem Produkt der sich ergebenden Strom- und Spannungsamplitudenbeträge und dem Winkel zwischen Strom und Spannung bzw. dem Winkel zwischen den d- und q-Komponenten (das heißt dem Winkel des Phasors bzw. Vektors im d-/q-Koordinatensystem). Es ergibt sich als Höhe des Oberschwingungsanteils insbesondere die Scheinleistung des Drehsystems (bezogen auf die Oberschwingungs-Kreisfrequenz) sowohl für das mitdrehende System als auch für das gegendrehende System. Hierbei kann der Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung berücksichtigt werden. The real and reactive components or the d and q components are calculated and summed for both the negative and positive systems (generally: combined). As mentioned, the space vector representation can be calculated for the current and for the voltage of the control signal (related to the harmonic angular frequency). The level of the harmonic component is then preferably determined from the product of the resulting current and voltage amplitude amounts and the angle between current and voltage or the angle between the d and q components (i.e. the angle of the phasor or vector in the d/q coordinate system). The level of the harmonic component is determined in particular by the apparent power of the rotating system (related to the harmonic angular frequency) for both the co-rotating system and the counter-rotating system. The phase angle between current and voltage can be taken into account here.
Alternative Ausführungsformen berechnen die gesamte Wirkleistung der mit- und gegendrehenden Systeme (die mit der Oberschwingungs-Winkelgeschwindigkeit rotieren). Andere Ausführungsformen sehen die entsprechende Berechnung des Blindanteils vor (sowohl für das mit- als auch für das gegendrehende System). Die Wirk- und die Blindleistung können auch einzeln berechnet werden und in einem darauffolgenden Schritt summiert werden. Die Höhe des Oberschwingungsanteils entspricht somit der Scheinleistung, der Summe der Blind- und Wirkanteile oder nur dem Blindanteil oder auch nur dem Wirkanteil. Alle diese Größen sind geeignet, die Höhe des Oberschwingungsanteils hinreichend genau zu berechnen, um so mittels einer wenig rechenintensiven Vorgehensweise zu einem Maß der Stärke der Oberschwingungen zu gelangen. Alternative embodiments calculate the total active power of the co-rotating and counter-rotating systems (which rotate at the harmonic angular velocity). Other embodiments provide for the corresponding calculation of the reactive component (for both the co-rotating and counter-rotating systems). The active and reactive power can also be calculated individually and summed in a subsequent step. The level of the harmonic component thus corresponds to the apparent power, the sum of the reactive and active components, or just the reactive component, or just the active component. All of these quantities are suitable for calculating the level of the harmonic component with sufficient accuracy in order to arrive at a measure of the strength of the harmonics using a procedure that is not very computationally intensive.
Die Berechnung der Transformationsmatrizen kann insbesondere den Winkel zwischen Strom und Spannung sowie den Lastwinkel berücksichtigen. Insbesondere kann bei der Berechnung der Transformationsmatrizen der aktuelle Winkel zwischen Strom und Spannung (Leistungsfaktor) und/oder der aktuelle Lastwinkel berücksichtigt werden, insbesondere durch Berücksichtigung der Summe beider Winkel. Es kann eine vorgegebene Transformationsmatrix durch einfache Anpassung an diese Winkel bzw. diesen Winkel angepasst werden. Diese Anpassung kann insbesondere in Echtzeit (während dem Betrieb der elektrischen Maschine) erfolgen. Hierzu können beispielsweise vorgespeicherte Transformationsmatrizen für bestimmte, zugehörig vorgespeicherte Winkel abgerufen werden. The calculation of the transformation matrices can in particular take into account the angle between current and voltage as well as the load angle. In particular, the current angle between current and voltage (power factor) and/or the current load angle can be taken into account when calculating the transformation matrices, in particular by taking into account the sum of both angles. A given transformation matrix can be adapted to these angles or this angle by simply adjusting it. This adjustment can in particular be made in real time (during operation of the electrical machine). For this purpose, for example, pre-stored Transformation matrices for specific, associated pre-stored angles can be retrieved.
Bei der Verwendung einer Fortescue-Transformation kann in gleicher Weise verfahren werden, wobei auch eine Fortescue-Transformation in einer komplexen Ebene arbeitet, und sich daher die naheliegenden Entsprechungen zu den d- und q-Transformationen bzw. d- und q-Komponenten ergeben. Bei einer Fortescue-Transformation kann auch das feststehende System (bezogen auf die Oberschwingungs-Winkelgeschwindigkeit) berechnet werden und zur Fehleranalyse herangezogen werden. When using a Fortescue transformation, the same procedure can be followed, whereby a Fortescue transformation also works in a complex plane, and therefore the obvious equivalents to the d and q transformations or d and q components arise. With a Fortescue transformation, the fixed system (related to the harmonic angular velocity) can also be calculated and used for error analysis.
Die Figur 1 dient zur näheren Erläuterung von Ausführungsformen der hier beschriebenen Vorgehensweise. Figure 1 serves to explain in more detail embodiments of the procedure described here.
Dargestellt ist ein elektrischer Antrieb, insbesondere ein Fahrzeugantrieb (Traktionsantrieb), mit einer Batterie BAT als Gleichspannungsquelle, einen daran angeschlossenen Inverter INV und einer elektrischen Maschine EM, die über den Inverter INV mit der Batterie BAT verbunden ist. Die elektrische Maschine weist einen elektrischen Winkel (pel und einen Lastwinkel 9LW auf. Die elektrische Maschine EM ist über drei Phasenanschlüsse 1 , 2, 3 mit dem Inverter INV verbunden. Die elektrische Maschine EM ist an die Wechselstromseite des Inverters INV angeschlossen. Die Batterie BAT ist an die Gleichstromseite des Inverters INV angeschlossen. Der Inverter ist geeignet, aus der Gleichspannung der Batterie BAT ein Ansteuersignal S zu erzeugen. Das Ansteuersignal S hat, wie symbolisch dargestellt, zwei Komponenten, nämlich eine Stromkomponente I und eine Spannungskomponente U. Zwischen dem Strom-Ansteuersignal I und dem Spannungs-Ansteuersignal U (die zusammen das Ansteuersignal S bilden) besteht der Motorwinkel (pel (bzw. der Winkel (pel + 0LW). Shown is an electric drive, in particular a vehicle drive (traction drive), with a battery BAT as a direct voltage source, an inverter INV connected to it and an electric machine EM which is connected to the battery BAT via the inverter INV. The electric machine has an electrical angle (pel and a load angle 9LW. The electric machine EM is connected to the inverter INV via three phase connections 1, 2, 3. The electric machine EM is connected to the alternating current side of the inverter INV. The battery BAT is connected to the direct current side of the inverter INV. The inverter is suitable for generating a control signal S from the direct voltage of the battery BAT. The control signal S has, as symbolically shown, two components, namely a current component I and a voltage component U. The motor angle (pel) (or the angle (pel + 0LW)) exists between the current control signal I and the voltage control signal U (which together form the control signal S).
Es ist symbolhaft dargestellt, dass das Strom-Ansteuersignal I zwei dreiphasige, rotierende Systeme beinhaltet, nämlich ein System, welches sich mit der Grund-Kreisfrequenz CÜG gegenüber dem Stator dreht (d.h. rotorfest), und ein System, dass sich mit der Oberschwingungs-Kreisfrequenz wo gegenüber dem Stator dreht (und somit auch gegenüber dem System mit der Grund-Kreisfrequenz mit [wo - WG] rotiert). Das Strom-Ansteuersignal I ergibt sich als Summe dieser beiden Drehstromsysteme. Zur Darstellung, dass die Oberschwingungs-Kreisfrequenz wo größer ist als die Grund-Kreisfrequenz WG, ist das System, das mit der Oberschwingungs-Kreisfrequenz rotiert, mit einem Doppelpfeil als Rotationspfeil dargestellt, während der Pfeil, der die Rotation mit der Grund-Kreisfrequenz darstellt, mit nur einem einfachen Pfeil dargestellt ist. Der Doppelpfeil dreht sich (um O/ G) schneller als der einfache Pfeil. Der besseren Übersicht wegen sind nur die mitdrehenden Komponenten in der Figur 1 symbolhaft dargestellt, wobei das Strom-Ansteuersignal I auch gegendrehende Systeme für die Grund-Kreisfrequenz und für die Oberschwingungs-Kreisfrequenz beinhalten kann, wie es in dem rechts oben dargestellten gestrichelten Rechteck mit dem mit- und dem gegendrehenden System MS, GS wiedergegeben ist. It is symbolically shown that the current control signal I contains two three-phase rotating systems, namely a system that rotates with the fundamental angular frequency CÜG relative to the stator (ie rotor-fixed), and a system that rotates with the harmonic angular frequency wo relative to the Stator rotates (and thus also rotates with respect to the system with the fundamental angular frequency at [wo - WG]). The current control signal I is the sum of these two three-phase systems. To show that the harmonic angular frequency wo is greater than the fundamental angular frequency WG, the system that rotates with the harmonic angular frequency is shown with a double arrow as a rotation arrow, while the arrow that represents the rotation with the fundamental angular frequency is shown with just a single arrow. The double arrow rotates (by O/ G) faster than the single arrow. For better clarity, only the co-rotating components are shown symbolically in Figure 1, whereby the current control signal I can also contain counter-rotating systems for the fundamental angular frequency and for the harmonic angular frequency, as shown in the dashed rectangle shown top right with the co-rotating and counter-rotating system MS, GS.
In dem gestrichelten Rechteck rechts oben in der dargestellten Zeichnung ist symbolisch und beispielhaft (anhand symmetrischer Komponenten) der Hintergrund der hier beschriebenen Transformation dargestellt. Die Transformation TrotsK zeigt die Transformation des Oberschwingungs-Drehsystems (des Strom-Ansteuersignals I) durch Unterteilung in ein Mit-System MS und ein Gegen-System GS. Der in beide Drehrichtungen weisende Pfeil des Oberschwingungs-Drehsystems soll darstellen, dass in diesen zwei gegenläufige Einzeldrehsysteme enthalten sind. Dieses kann wie dargestellt aufgeteilt werden in ein Mit-System MS, welches das mitlaufende Oberschwingungs-Drehsystem (mit Oberschwingungs-Kreisfrequenz wo) rotiert, und in eine Komponente des Gegen-Systems GS mit gegenläufiger Drehrichtung, dargestellt mit -wo. Diese beiden Systeme sind in dem Oberschwingungs-Drehsystem, links dargestellt, enthalten und lassen sich durch entsprechende Transformation vereinzeln. Dargestellt ist ferner das Null-System NS, welches einen Gleichanteil-Versatz wiedergibt. The dashed rectangle at the top right of the drawing shows the background of the transformation described here symbolically and by way of example (using symmetrical components). The transformation TrotsK shows the transformation of the harmonic rotation system (of the current control signal I) by dividing it into a positive system MS and a counter system GS. The arrow of the harmonic rotation system pointing in both directions of rotation is intended to show that these contain two individual counter-rotating systems. As shown, this can be divided into a positive system MS, which rotates the co-rotating harmonic rotation system (with harmonic angular frequency wo), and into a component of the counter system GS with an opposite direction of rotation, shown with -wo. These two systems are contained in the harmonic rotation system, shown on the left, and can be separated by appropriate transformation. Also shown is the zero system NS, which represents a DC component offset.
Das dargestellte Mit-System MS und das dargestellte Gegen-System GS ist dreiphasig dargestellt zum besseren Verständnis. Es ist wichtig, dass die Phasenzeiger des Mit-Systems MS gleichlang sind (und um 120 Grad versetzt). Gleiches gilt für das Gegen-System GS. Daher kann das Mit-System durch einen einzigen Phasor wiedergegeben werden. Gleiches gilt für das Gegen-System GS. Es ergibt sich dadurch eine Raumzeigerdarstellung RSK für die Stromkomponente (Stromkomponente - Bezugszeichen SK), welches auf Grund der Symmetrie der Phasenvektoren durch einen einzigen Phasor dargestellt werden kann. Das dargestellte Aufteilungsprinzip entspricht insbesondere einer Fortescue-Transformation, das heißt einer Darstellung als symmetrische Komponenten. Jedoch kann diese Darstellung auch zum Verständnis einer Park-Transformation verwendet werden. Die Park-Transformation wird durchgeführt auf das mitdrehende und auf das gegendrehende Oberschwingungs-Drehsystem, die beide als Oberschwingungskomponente in dem Ansteuersignal enthalten sind. Ein erstes Park-Transformation-Ergebnis (d.h. resultierende Darstellung), das das mitdrehende System betrifft, und ein zweites Park-Transformation-Ergebnis (d.h. resultierende Darstellung), das das gegendrehende Drehsystem betrifft, entspricht den beiden Summanden MS, GS. Auch bei der Park-Transformation wird ein mehrphasiges System durch ein einphasiges, komplexes (rotierendes) System ersetzt, das heißt durch d- und q-Komponenten. Es ergeben sich durch die beiden Park-Transformationen (für das mit- und für das gegenlaufende System) zwei vereinfachte d/q-Darstellungen, entsprechend den Bezugszeichen MS und GS. Beiden Transformationen gemein ist, dass hieraus der Betrag der beiden Systeme MS, GS berechnet werden kann. Dieser gibt die Stärke bzw. die Höhe des Oberschwingungsanteils OA wieder.The positive phase system MS and the negative phase system GS shown are shown in three phases for better understanding. It is important that the phase vectors of the positive phase system MS are of the same length (and offset by 120 degrees). The same applies to the counter-system GS. Therefore, the positive system can be represented by a single phasor. The same applies to the counter-system GS. This results in a space vector representation RSK for the current component (current component - reference symbol SK), which can be represented by a single phasor due to the symmetry of the phase vectors. The division principle shown corresponds in particular to a Fortescue transformation, i.e. a representation as symmetrical components. However, this representation can also be used to understand a Park transformation. The Park transformation is carried out on the co-rotating and the counter-rotating harmonic rotary system, both of which are contained as harmonic components in the control signal. A first Park transformation result (ie resulting representation), which relates to the co-rotating system, and a second Park transformation result (ie resulting representation), which relates to the counter-rotating rotary system, correspond to the two summands MS, GS. In the Park transformation, a multi-phase system is also replaced by a single-phase, complex (rotating) system, i.e. by d and q components. The two Park transformations (for the co-rotating and counter-rotating system) result in two simplified d/q representations, corresponding to the reference symbols MS and GS. What both transformations have in common is that the amount of the two systems MS, GS can be calculated from them. This reflects the strength or level of the harmonic component OA.
Vereinfacht dargestellt kann hieraus der Betrag der Amplitude A berechnet werden, ausgehend von dem mitdrehenden System MS und dem gegendrehenden System GS. Dies gilt bei einer dq-Transformation, vorzugsweise für den Realteil und für den Imaginärteil. Vereinfachte Ausführungsformen berücksichtigen nur den Realteil, das heißt die d-Komponente des mitlaufenden Systems und des gegenlaufenden Systems. In simplified terms, the amount of amplitude A can be calculated from this, starting from the co-rotating system MS and the counter-rotating system GS. This applies to a dq transformation, preferably for the real part and the imaginary part. Simplified embodiments only take the real part into account, i.e. the d-component of the co-rotating system and the counter-rotating system.
Die Figur 1 zeigt, dass sowohl für das Strom-Ansteuersignal als auch für das Spannungs-Ansteuersignal (I, U) eine Abbildung Trot auf eine rotorbezogene Raumzeigerdarstellung R erreicht werden kann. Alternativ wird vor der Abbildung mittels Trot eine statische Abbildung Tstat ausgeführt, um so eine Zwischen-Raumzeigerdarstellung ZR zu erhalten. Die statische Abbildung Tstat bildet für die Oberschwingungs-Kreisfrequenz wo das mehrphasige System auf ein einphasiges System ab. Dargestellt ist eine Clark-Transformation, die als Zwischen-Raumzeigerdarstellung ZR eine einphasige, statorbezogene, komplexe Darstellung ist. Diese umfasst als Realteil a die entsprechende reale Stromkomponente, die sich durch Transformation des mehrphasigen Systems auf diese einphasige, statorbezogene Raumzeigerdarstellung ZR ergibt. Ferner umfasst die Zwischen-Raumzeigerdarstellung ZR einen komplexen Anteil jß, der als einphasiger Imaginärteil die betreffenden mehrphasigen Komponenten des Ansteuersignals wiedergibt. Figure 1 shows that a mapping Trot to a rotor-related space vector representation R can be achieved for both the current control signal and the voltage control signal (I, U). Alternatively, a static mapping Tstat is carried out before the mapping using Trot in order to achieve a Intermediate space vector representation ZR. The static mapping Tstat maps the multiphase system to a single-phase system for the harmonic angular frequency wo. A Clark transformation is shown, which as an intermediate space vector representation ZR is a single-phase, stator-related, complex representation. This includes as real part a the corresponding real current component that results from transforming the multiphase system to this single-phase, stator-related space vector representation ZR. The intermediate space vector representation ZR also includes a complex component jß, which as a single-phase imaginary part represents the relevant multiphase components of the control signal.
Dargestellt ist, dass die optionale Zwischen-Raumzeigerdarstellung ZR für das Strom-Ansteuersignal I als auch für das Spannungs-Ansteuersignal U durchgeführt wird. Für das Spannungs-Ansteuersignal U ergibt sich eine statorbezogene Raumzeigerdarstellung ZR‘, die auch als Zwischen-Raumzeigerdarstellung bezeichnet werden kann. Die statorbezogene Zwischen-Raumzeigerdarstellung ZR‘, die das Spannungs-Ansteuersignal betrifft, weist ebenso eine Realkomponente a als auch eine Imaginärkomponente jß auf und ist im Gegensatz zum Ansteuersignal einphasig (wenn auch komplex). Zusammenfassend sind die beiden optionalen Zwischen-Raumzeigerdarstellungen das Resultat einer Clark-Transformation (siehe Tstat) für die Oberschwingungs-Kreisfrequenz wo und geben das Strom- und das Spannungs-Ansteuersignal in der komplexen Ebene als einphasigen Vektor wieder, der mit der Oberschwingungs-Kreisfrequenz wo dreht. It is shown that the optional intermediate space vector representation ZR is carried out for the current control signal I as well as for the voltage control signal U. For the voltage control signal U, a stator-related space vector representation ZR' results, which can also be referred to as an intermediate space vector representation. The stator-related intermediate space vector representation ZR', which concerns the voltage control signal, also has a real component a as well as an imaginary component jß and, in contrast to the control signal, is single-phase (albeit complex). In summary, the two optional intermediate space vector representations are the result of a Clark transformation (see Tstat) for the harmonic angular frequency wo and represent the current and voltage control signals in the complex plane as a single-phase vector that rotates at the harmonic angular frequency wo.
Die Abbildung Trot bezieht sich auf die Oberschwingungs-Kreisfrequenz wo und bildet entweder das Ansteuersignal (bzw. das Strom- und Spannungs-Ansteuersignal) oder die Zwischen-Raumzeigerdarstellung ZR ab auf eine rotorbezogene Raumzeigerdarstellung R. Der Lastwinkel (pel und der Lastwinkel 0LW werden kombiniert zu einem Winkel 0. Die Abbildung Trot wird unter Berücksichtigung dieses Winkels 0 durchgeführt. Damit wird dieser Winkel als Gesamtwinkelversatz bei der Raumzeigerdarstellung R berücksichtigt. In der Figur 1 entspricht die Abbildung Trot einer Park-Transformation bzw. d/q-Transformation, die zu einer rotorbezogenen Raumzeigerdarstellung R mit einer (realen) d-Achse und (imaginären) q-Achse entspricht. Für das mitlaufende Drehsystem der Oberschwingungen ergibt sich eine Raumzeigerdarstellung R, die sich mit wo dreht, wobei in bevorzugten Ausführungsformen zudem eine gegenlaufende Raumzeigerdarstellung RG erzeugt wir. R gibt hierbei die mitlaufenden Oberschwingungen als rotorbezogene Raumzeigerdarstellung wieder, während RG die gegenlaufende Raumzeigerdarstellung der Oberschwingungen ist. Beide Darstellungen sind komplex rotorbezogen und einphasig. Es ergeben sich bei der Ansteuerung des Ansteuersignals, bezogen auf die Oberschwingungs-Kreisfrequenz wo, die komplexen Größen A und , die auch als Phasoren bezeichnet werden können. Der Betrag dieser Größen entspricht in dem dargestellten Beispiel der Höhe des Oberschwingungsanteils. Vorzugsweise wird die Summe der Beträge von A und A‘ verwendet, um die Höhe (d.h. Stärke) des Oberschwingungsanteils darzustellen. The mapping Trot refers to the harmonic angular frequency wo and maps either the control signal (or the current and voltage control signal) or the intermediate space vector representation ZR to a rotor-related space vector representation R. The load angle (pel and the load angle 0LW are combined to form an angle 0. The mapping Trot is carried out taking this angle 0 into account. This angle is therefore taken into account as a total angle offset in the space vector representation R. In Figure 1, the mapping Trot corresponds to a Park transformation or d/q transformation, which corresponds to a rotor-related space vector representation R with a (real) d-axis and (imaginary) q-axis. For the rotating system of the harmonics, a space vector representation R results, which rotates with wo, whereby in preferred embodiments an opposite space vector representation RG is also generated. R represents the rotating harmonics as a rotor-related space vector representation, while RG is the opposite space vector representation of the harmonics. Both representations are complex rotor-related and single-phase. When the control signal is controlled, the complex quantities A and , which can also be referred to as phasors, result in relation to the harmonic angular frequency wo. The amount of these quantities corresponds in the example shown to the level of the harmonic component. Preferably, the sum of the amounts of A and A' is used to represent the level (i.e. strength) of the harmonic component.
Alternative, vereinfachte Ausführungsformen sehen vor, dass die Höhe des Oberschwingungsanteils OA nur von A oder nur von A‘ gebildet wird. Dargestellt sind für das Strom-Ansteuersignal die mitlaufende Raumzeigerdarstellung R sowie die gegenlaufende Raumzeigerdarstellung RG. Für das Spannungs-Ansteuersignal sind in der Figur 1 dargestellt die mitlaufende Raumzeigerdarstellung R‘ und die gegenlaufende Raumzeigerdarstellung RG‘. Es ist zu erkennen, dass die Raumzeigerdarstellung R des Strom-Ansteuersignals mit den beiden realen bzw. imaginären Momentangrößen Id und Iq realisiert sind, während die Systeme R‘ und RG‘, die das Spannungs-Ansteuersignal für die Oberschwingungs-Kreisfrequenz wo darstellen, die realen bzw. imaginären Spannungs-Momentangrößen Lid und llq verwenden. Die Darstellungen RG bzw. RG' entsprechen den Raumzeigerdarstellungen, die die gegenläufigen Drehsysteme der Ansteuersignale für die Oberschwingungs-Kreisfrequenz wo darstellen. Die Raumzeigerdarstellungen RG und RG' stellen für die Oberwelle das Strom- bzw. Spannungs-Ansteuersignal rotorbezogen und einphasig dar. Aus den dargestellten rotorbezogenen Raumzeigerdarstellungen R, R‘ werden jeweils die Imaginär- und Realteile extrahiert. Dies ist durch den Extraktionsblock Extr dargestellt. Es ergibt sich der Oberschwingungsanteil OA als der Oberschwingungsanteil des Strom-Ansteuersignals I und durch die Extraktion der Raumzeigerdarstellung R‘ die Höhe des Oberschwingungsanteils OA' für das Spannungs-Ansteuersignal U. Optional findet nach der Extraktion und vor der Ausgabe der beiden Oberschwingungsanteile für Strom und Spannung eine Tiefpassfilterung TP statt. Dargestellt ist dies durch den Tiefpassfilterungsblock TP, der auch einer (gleitenden) Mittelwertbildung entsprechen kann. Die so errechneten Oberschwingungsanteile OA, OA' können einzeln oder in Kombination verwendet werden. Der Oberschwingungsanteil OA entspricht dem Betrag der Raumzeigerdarstellung R. Der Oberschwingungsanteil OA' entspricht dem Betrag der Raumzeigerdarstellung R' des Ansteuersignals. Alternative, simplified embodiments provide that the level of the harmonic component OA is formed only by A or only by A'. The concurrent space vector representation R and the counter-rotating space vector representation RG are shown for the current control signal. The concurrent space vector representation R' and the counter-rotating space vector representation RG' are shown for the voltage control signal in Figure 1. It can be seen that the space vector representation R of the current control signal is realized with the two real and imaginary instantaneous quantities Id and Iq, while the systems R' and RG', which represent the voltage control signal for the harmonic angular frequency wo, use the real and imaginary instantaneous voltage quantities Lid and llq. The representations RG and RG' correspond to the space vector representations that represent the counter-rotating rotation systems of the control signals for the harmonic angular frequency wo. The space vector representations RG and RG' represent the current or voltage control signal for the harmonic in a rotor-related and single-phase manner. The imaginary and real parts are extracted from the rotor-related space vector representations R, R' shown. This is shown by the extraction block Extr. The harmonic component OA is the harmonic component of the current control signal I and the extraction of the space vector representation R' gives the level of the harmonic component OA' for the voltage control signal U. Optionally, a low-pass filter TP takes place after the extraction and before the output of the two harmonic components for current and voltage. This is shown by the low-pass filtering block TP, which can also correspond to a (moving) averaging. The harmonic components OA, OA' calculated in this way can be used individually or in combination. The harmonic component OA corresponds to the amount of the space vector representation R. The harmonic component OA' corresponds to the amount of the space vector representation R' of the control signal.
Um die Höhe des Oberschwingungsanteils als Leistung zu berechnen, können beide Oberschwingungsanteile für den Strom bzw. für die Spannung miteinander multipliziert werden. Hierbei kann insbesondere der Phasenwinkel <p (als Leistungsfaktor cos <p) zwischen den beiden komplexen Darstellungen des Stroms bzw. der Spannung der jeweiligen Oberschwingungsanteile berücksichtigt werden, insbesondere der Winkel des komplexen Stromvektors und des komplexen Spannungsvektors der Größen A, A\ Die Multiplikation der Oberschwingungsanteile, dargestellt mit dem Block mult, kann getrennt vorgesehen werden für die Realteile und für die Imaginärteile der komplexen Darstellungen des ström bezogenen und des spannungsbezogenen Oberschwingungsanteils. Hierbei werden die Realamplituden von Strom und Spannung des Oberschwingungsanteils miteinander multipliziert und addiert mit dem Produkt der imaginären Anteile der Oberschwingungen innerhalb des Strom- und des Spannungs-Ansteuersignals. Gegebenenfalls wird der Leistungsfaktor, das heißt der Winkel zwischen den komplexen Darstellungen A' und A als cos <p berücksichtigt. Dies kann ausgeführt werden, indem die Längen bzw. die Beträge der beiden Darstellungen R, RG als A und A' verwendet werden, um so die Scheinleistung der Oberschwingungen zu berechnen, um darauffolgend diese mit dem Leistungsfaktor <p (d.h. mit cos <p) zu multiplizieren. Es ergibt sich der Wirkleistungsanteil des Oberschwingungsanteils. Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Raumzeigerdarstellung jeweils für den Strom I und für die Spannung U des Ansteuersignals S berechnet wird. Die Höhe des Oberschwingungsanteils kann aus dem Produkt der sich ergebenden Strom- und Spannungsamplitudenbeträge |A|, |AJ und dem Winkel <p zwischen Strom und Spannung berechnet. In order to calculate the level of the harmonic component as power, both harmonic components for the current or for the voltage can be multiplied together. In particular, the phase angle <p (as the power factor cos <p) between the two complex representations of the current or the voltage of the respective harmonic components can be taken into account, in particular the angle of the complex current vector and the complex voltage vector of the quantities A, A\. The multiplication of the harmonic components, represented by the mult block, can be provided separately for the real parts and for the imaginary parts of the complex representations of the current-related and the voltage-related harmonic components. In this case, the real amplitudes of the current and voltage of the harmonic component are multiplied together and added to the product of the imaginary components of the harmonics within the current and voltage control signals. If necessary, the power factor, i.e. the angle between the complex representations A' and A, is taken into account as cos <p. This can be done by using the lengths or the magnitudes of the two representations R, RG as A and A' to calculate the apparent power of the harmonics and then multiplying this by the power factor <p (ie by cos <p). This gives the active power component of the harmonic component. One embodiment provides that the space vector representation is calculated for the current I and for the voltage U of the control signal S. The level of the harmonic component can be calculated from the product of the resulting current and voltage amplitude amounts |A|, |AJ and the angle <p between current and voltage.
Zur Berechnung der Höhe der Oberwelle als Signalleistung können folgende Zusammenhänge herangezogen werden: The following relationships can be used to calculate the level of the harmonic as signal power:
P = ld*Ud + lq*Uq. P = ld*Ud + lq*Uq.
Wenn sowohl das mitdrehende Oberschwingungssystem (Mitsystem) als auch das gegendrehende Oberschwingungssystem (Gegensytem) zu errechnen sind, ergibt sich: If both the co-rotating harmonic system (positive sequence system) and the counter-rotating harmonic system (counter sequence system) are to be calculated, the result is:
P = Re{UM} * e{livi} + lm{UM} * lm{lM}, wobei der Index M des Stroms I und der Index M für die Spannung U für das Mitsystem (mitdrehende System) steht ung sich für das Gegensystem auf gleiche Weise eine Leistung errechne lässt. Die beiden Leistungen werden kombiniert und bilden eine Größe, die die Höhe der Oberschwingungen wiedergibt. P = Re{U M } * e{livi} + lm{UM} * lm{lM}, where the index M stands for the current I and the index M for the voltage U for the positive sequence system (co-rotating system) and a power can be calculated in the same way for the negative sequence system. The two powers are combined and form a quantity that represents the level of the harmonics.
Ferner kann insbesondere bei einer a, ß - Raumzeigerdarstellung die Höhe berechnet werden als Leistung P = la*Üa + Iß * Üß, d.h. anhand der Scheitelgrößen Ü, I der Spannung und des Stroms. Auch hier kann nur das Mit- oder das Gegensystem betrachtet werden, oder vorzugsweise eine Kombination (Summe) der so berechneten Leistungen des Mit- und Gegensystems. Furthermore, especially in the case of an a, ß space vector representation, the height can be calculated as power P = la*Üa + Iß * Üß, i.e. based on the peak values Ü, I of the voltage and current. Here too, only the positive or negative sequence system can be considered, or preferably a combination (sum) of the powers of the positive and negative sequence systems calculated in this way.
Die Abbildungen bzw. Transformationen Tstat und Trot können im Vorhinein berechnet werden und können insbesondere im Vorhinein parametrisiert werden mit der Oberschwingungs-Kreisfrequenz wo. Insbesondere kann diese Kreisfrequenz wo auch nachgeführt werden, wenn sich die Drehzahl der elektrischen Maschine ändert. Hierbei wird die Kreisfrequenz wo proportional zur Grund-Kreisfrequenz oder proportional zur Drehzahl der elektrischen Maschine EM nachgeführt. Die dargestellte Berechnungsabfolge kann somit zweigeteilt sein, wobei die Erzeugung der Abbildungen Trot bzw. gegebenenfalls auch Tstat einmalig durchgeführt werden bzw. vor der Erzeugung des Ansteuersignals, und in einem Speicher abgelegt werden. Während dem Betreiben der elektrischen Maschine bzw. zur Ermittlung der Höhe des Oberschwingungsanteils kann dann die Abbildung abgerufen werden, anstatt sie während des Betreibens der elektrischen Maschine zu berechnen. Während des Betreibens der elektrischen Maschine wird dann das Ansteuersignal herangezogen, um mittels der Abbildungen abgebildet zu werden auf eine rotorbezogene Raumzeigerdarstellung R, um hieraus während des Betreibens der elektrischen Maschine die Höhe des Oberschwingungsanteils zu berechnen. The mappings or transformations Tstat and Trot can be calculated in advance and can in particular be parameterized in advance with the harmonic angular frequency wo. In particular, this angular frequency wo can also be adjusted when the speed of the electrical machine changes. In this case, the angular frequency wo is adjusted proportionally to the fundamental angular frequency or proportionally to the speed of the electrical machine EM. The calculation sequence shown can thus be divided into two parts, whereby the generation of the images Trot or, if applicable, Tstat is carried out once or before the generation of the control signal and is stored in a memory. During operation of the electrical machine or to determine the level of the harmonic component, the image can then be called up instead of calculating it during operation of the electrical machine. During operation of the electrical machine, the control signal is then used to be mapped using the images to a rotor-related space vector representation R in order to calculate the level of the harmonic component from this during operation of the electrical machine.
Das Abbilden geschieht während des Betreibens und zur Ermittlung der Höhe des Oberschwingungsanteils, während das Erzeugen der Abbildungen Trot, Tstat in einem Vorbereitungsschritt vor dem Betreiben der elektrischen Maschine ausgeführt werden können. Dieser Schritt kann beispielsweise ausgeführt werden bei der Programmierung einer entsprechenden Rechenvorrichtung oder auch am Bandende bei Montage der elektrischen Maschine. Insbesondere kann die Abbildung erzeugt werden vor Beginn des Betriebs der elektrischen Maschine, entweder vor jedem Start der elektrischen Maschine oder vor dem ersten Start der elektrischen Maschine. The mapping takes place during operation and to determine the level of the harmonic component, while the generation of the maps Trot, Tstat can be carried out in a preparatory step before the electrical machine is operated. This step can be carried out, for example, when programming a corresponding computing device or at the end of the production line when assembling the electrical machine. In particular, the mapping can be generated before the electrical machine begins to operate, either before each start of the electrical machine or before the first start of the electrical machine.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 23785766 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 23785766 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |