DE102016003738A1 - DC link voltage-dependent regenerative energy limit for electric drives - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines eine Last (4) antreibenden Elektromotors (3), der von einem Frequenzumrichter (2) mit Spannungszwischenkreis (6) gespeist und durch eine den Frequenzumrichter (2) steuernde Motorregelung (10) in seiner Drehzahl derart geregelt ist, dass er bei einem Bremsen Energie in den Spannungszwischenkreis (6) zurückspeist. Während der Energierückspeisung wird in Abhängigkeit der aktuellen Zwischenkreisspannung (Udc) aus einer in den Spannungszwischenkreis (6) einspeisbaren Differenzenergie (ΔEcap) ein aktueller Grenzwert (Mdlim, iqlim) für eine Stellgröße (Mdsoll, iqsoll) der Motorregelung (10) ermittelt und zur Begrenzung der in den Spannungszwischenkreis (6) vom Elektromotor (3) im Augenblick zurückgespeisten Leistung ein von der Motorregelung (10) ermittelter Wert der Stellgröße (Mdsoll, iqsoll) auf den Grenzwert (Mdlim, iqlim) begrenzt, wenn der Wert betraglich den Betrag des Grenzwerts (Mdlim, iqlim) überschreitet.The invention relates to a method for operating a load (4) driving electric motor (3) fed by a frequency converter (2) with voltage intermediate circuit (6) and regulated by a frequency converter (2) controlling motor control (10) in its speed is that it returns energy in the voltage intermediate circuit (6) during braking. During energy recovery, a current limit value (Mdlim, iqlim) for a manipulated variable (Mdeset, iqsetpoint) of the motor control (10) is determined as a function of the actual intermediate circuit voltage (Udc) from a differential energy (ΔEcap) which can be fed into the voltage intermediate circuit (6) and for limiting the power fed back into the voltage intermediate circuit (6) from the electric motor (3) at the moment limits a value of the manipulated variable (Mdoll, iqsoll) determined by the motor control (10) to the limit value (Mdlim, iqlim), if the value amounts to the magnitude of the limit value Exceeds (Mdlim, iqlim).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines eine Last antreibenden Elektromotors, der von einem Frequenzumrichter mit Spannungszwischenkreis gespeist und durch eine den Frequenzumrichter steuernde Motorregelung in seiner Drehzahl derart geregelt ist, dass er bei einem Bremsen Energie in den Spannungszwischenkreis zurückspeist. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Begrenzung der zurückgespeisten Energie des Elektromotors in Abhängigkeit der aktuellen Zwischenkreisspannung. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Antrieb, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren implementiert ist.The invention relates to a method for operating a load driving electric motor, which is fed by a frequency converter with voltage intermediate circuit and controlled by a frequency converter controlling motor control in its speed such that it feeds energy back into the voltage intermediate circuit during braking. In particular, the invention relates to a limitation of the energy fed back of the electric motor as a function of the current DC link voltage. Moreover, the invention relates to a drive in which the method according to the invention is implemented.

Moderne frequenzumrichtergespeiste Antriebe sind heutzutage in der Lage, nicht nur elektrische Energie in mechanische Energie umzusetzen, sondern die in der Rotation gespeicherte Energie auch wieder in elektrische Energie umzuwandeln. Dies erfolgt durch aktives elektrisches Bremsen, d. h. wenn der Antrieb bei positiver Drehzahl mit einem ein negatives Drehmoment erzeugenden Strom angesteuert wird. Dieses negative Drehmoment wirkt dann als Bremsmoment, wodurch der Motor gegenüber einem ungebremsten Auslaufen schneller zum Stillstand kommt. Der Elektromotor wird dann im generatorischen Bereich betrieben. Die vom Elektromotor gelieferte elektrische Energie wird dann in den Frequenzumrichter zurückgespeist.Today's frequency-driven drives are not only able to convert electrical energy into mechanical energy, but also to convert the energy stored in the rotation back into electrical energy. This is done by active electrical braking, d. H. when the drive is driven at positive speed with a current generating a negative torque. This negative torque then acts as a braking torque, causing the engine to stop faster than unrestrained coasting. The electric motor is then operated in the generator area. The electric power supplied by the electric motor is then fed back into the frequency converter.

Ein solcher Betrieb bei einem Elektromotor wird Vier-Quadrantenbetrieb genannt, ein solcher Frequenzumrichter als Vierquadrantensteller bezeichnet. Dabei geht dieser Begriff auf die vier Quadranten eines Koordinatensystems zurück, bei dem die Drehzahl und das Drehmoment die Koordinaten sind. Besitzen Drehzahl und Drehmoment dasselbe Vorzeichen, liegt ein motorischer Betrieb des Elektromotors vor, unterscheiden sich die Vorzeichen, liegt generatorischer Betrieb vor.Such an operation in an electric motor is called a four-quadrant operation, such a frequency converter is called a four-quadrant controller. This term is based on the four quadrants of a coordinate system in which the speed and the torque are the coordinates. Have speed and torque the same sign, is there a motor operation of the electric motor, the signs are different, there is generator operation.

Frequenzumrichter bestehen üblicherweise mindestens aus vier Komponenten, einem Gleichrichter, einem Wechselrichter, einem dazwischen liegenden Energiespeicher und einer Steuerelektronik. In der Regel handelt es sich bei dem Energiespeicher um einen oder mehrere Kondensatoren, die von dem Gleichrichter auf eine bestimmte Gleichspannung aufgeladen werden. Der oder die Kondensatoren bilden dadurch einen sogenannten Spannungszwischenkreis.Frequency converters usually consist of at least four components, a rectifier, an inverter, an intermediate energy storage and control electronics. As a rule, the energy store is one or more capacitors, which are charged by the rectifier to a specific DC voltage. The one or more capacitors thereby form a so-called voltage intermediate circuit.

Der Gleichrichter wird mit zumindest einer Wechselspannungsquelle verbunden, beispielsweise mit einem Wechselspannungsnetz oder mit einem Drehstromnetz. Aus diesem Grund wird der Gleichrichter auch als Netzumrichter bezeichnet. Er umfasst in der Regel ungesteuerte leistungselektronische Halbleiterschalter, beispielsweise Dioden. Der Energiefluss ist hier folglich vom Wechselspannungsnetz zum Zwischenkreis.The rectifier is connected to at least one AC voltage source, for example to an AC voltage network or to a three-phase network. For this reason, the rectifier is also referred to as a network converter. As a rule, it comprises uncontrolled power electronic semiconductor switches, for example diodes. The energy flow is therefore here from the AC voltage network to the DC link.

Der Wechselrichter erzeugt aus der Gleichspannung des Zwischenkreises eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung für den entsprechenden Elektromotor, der beispielsweise ein Synchronmotor oder ein Asynchronmotor sein kann. Der Wechselrichter wird aus diesem Grunde auch als Motorumrichter bezeichnet. Er umfasst gesteuerte leistungselektronische Halbleiterschalter, beispielsweise Hochleistungstransitoren wie MOSFETs, IGBTs oder IGCTs, die von der Steuerelektronik unter Anwendung eines geeigneten Steuerverfahrens angesteuert werden.The inverter generates from the DC voltage of the DC link a single- or multi-phase AC voltage for the corresponding electric motor, which may be, for example, a synchronous motor or an asynchronous motor. The inverter is therefore also referred to as a motor inverter. It comprises controlled power electronic semiconductor switches, for example high-performance transistors such as MOSFETs, IGBTs or IGCTs, which are controlled by the control electronics using a suitable control method.

Ein übliches Steuerverfahren ist hier beispielsweise die Pulsweitenmodulation, die eine ein- oder entsprechend der zu schaltenden Phasen mehrdimensionale Stellgröße von einem übergeordneten Regler erhält. Dieser Regler kann beispielsweise eine feldorientierten Regelung (FOR) oder einer flussbasierte Regelung wie die Direkte Selbstregelung (DSR), die Indirekte Statorgrößen Regelung (ISR) oder die Direkte Drehmoment Regelung (DTC, Direct Torque Control) ausführen. Die Verfahren sind dem Fachmann hinlänglich bekannt, so dass hier auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen wird. Die dabei geregelte Größe ist entweder der Strom, das Drehmoment, der magnetische Fluss oder die Leistung. Da der Regler Teil der Steuerelektronik ist, bildet diese im eigentlichen Sinne eine Steuer- und Regelelektronik. Der Regler bekommt seinen Sollwert wiederum von einem überlagerten, antriebsbezogenen Regler, beispielsweise einem Drehzahlregler, mittels welcher eine bestimmte Drehzahl beim Elektromotor eingeregelt wird. Der erstgenannte Regler ist diesem zweitgenannten Regler nachgeordnet oder unterlagert. Da der zweite Regler eine antriebsbezogene Größe und nicht nur den Frequenzumrichter steuert bzw. regelt, bildet die Steuer- und Regelelektronik eine Motorregelung.A common control method is here, for example, the pulse width modulation, which receives a one-or corresponding to the phases to be switched multi-dimensional control variable from a higher-level controller. This controller can, for example, perform a field-oriented control (FOR) or a flow-based control such as Direct Self-Regulation (DSR), Indirect Stator Control (ISR) or Direct Torque Control (DTC). The methods are well known to the person skilled in the art, so that reference is made here to the relevant specialist literature. The regulated quantity is either the current, the torque, the magnetic flux or the power. Since the controller is part of the control electronics, this forms a control and regulation electronics in the true sense. The regulator in turn gets its desired value from a superimposed, drive-related controller, for example a speed controller, by means of which a specific speed is adjusted in the electric motor. The first-mentioned controller is subordinate or underlaid to this second-mentioned controller. Since the second controller controls or regulates a drive-related variable, and not just the frequency converter, the control electronics forms a motor control.

Eine Sollwertvorgabe für den antriebsbezogenen Regler kann beispielsweise direkt an der Steuer- und Regelelektronik als gewünschte Konstantdrehzahl erfolgen. Es ist aber im Rahmen einer weiteren lastbezogenen Regelung, beispielsweise bei Pumpenaggregaten für Heizungs- oder Kühlanlagen, für Druckerhöhungsanlagen in der Trinkwasserversorgung oder auch bei Abwasserpumpen üblich, eine Kennlinienregelung vorzunehmen, bei der beispielsweise eine bestimmte Solldrehzahl aus der Forderung nach einem Betriebspunkt auf der Kennlinie folgt. Die Kennlinie kann beispielsweise einen Zusammenhang zwischen zwei hydraulischen Größen des Pumpenaggregats, beispielsweis der Förderhöhe bzw. dem Förderdruck (Differenzdruck) und dem Volumenstrom beschreiben. Die lastseitig geregelte Größe ist dann beispielsweise der Förderdruck bzw. Differenzdruck zwischen der Saug- und der Druckseite der Pumpe. Die Steuer- und Regelelektronik bildet dann eine Motor-/Lastregelung, insbesondere eine Motor-/Pumpenregelung.A setpoint input for the drive-related controller can be done, for example, directly to the control and regulation electronics as the desired constant speed. However, it is in the context of another load-related control, for example in pump units for heating or cooling systems, for pressure booster systems in the drinking water supply or wastewater pumps also make a characteristic control in which, for example, a specific setpoint speed from the demand for an operating point on the curve follows , The characteristic can, for example, a relationship between two hydraulic Describe sizes of the pump set, for example the delivery head or the delivery pressure (differential pressure) and the flow rate. The load-controlled variable is then, for example, the delivery pressure or differential pressure between the suction and the pressure side of the pump. The control electronics then forms a motor / load control, in particular a motor / pump control.

Insbesondere bei Pumpen ist der generatorische Betrieb des antreibenden Elektromotors von Bedeutung, weil es sein kann, dass das Laufrad der Pumpe von einer externen Strömung angetrieben wird, so dass das Laufrad schneller dreht als gewünscht und infolgedessen gebremst werden muss. Die Pumpe wirkt dann wie eine elektrische Energie erzeugende Turbine. Die vom Antrieb in den Zwischenkreis zurückgespeiste elektrische Energie kann im einfachsten Fall ungenutzt in Wärme umgewandelt werden, in dem für den Bremsvorgang ein niederohmiger Bremswiderstand zeitweilig parallel zum Kondensator geschaltet wird. Es versteht sich von selbst, dass diese Vorgehensweise nicht ökonomisch ist. Deshalb wird angestrebt, die rückgespeiste Energie für den Zwischenkreis nutzbar zu machen.Especially with pumps, the regenerative operation of the driving electric motor is important, because it may be that the impeller of the pump is driven by an external flow, so that the impeller rotates faster than desired and consequently must be braked. The pump then acts like an electric power generating turbine. In the simplest case, the electrical energy fed back from the drive into the intermediate circuit can be converted into heat unused, in which a low-impedance braking resistor is temporarily connected in parallel with the capacitor for the braking operation. It goes without saying that this procedure is not economical. Therefore, the aim is to make the recovered energy available for the DC link.

Dabei besteht jedoch das Problem, dass der Zwischenkreis von dem Rückspeisestrom zunehmend aufgeladen und ggf. überladen wird, wenn eine maximale Spannungsgrenze am Zwischenkreiskondensator überschritten wird. Aus diesem Grund ist es erforderlich, die Rückspeiseleistung zu begrenzen. Zwar könnte grundsätzlich die in den Zwischenkreis rückgespeiste Energie von dem Netzumrichter weiter in das Wechselspannungsnetz gegeben werden. Jedoch sind die Netzumrichter in der Regel nicht rückspeisefähig, da sie ungesteuerte leistungselektronische Bauelemente, beispielsweise Dioden umfassen, um die eingangsseitig anliegende Wechselspannung in eine Gleichspannung umzuwandeln.However, there is the problem that the DC link is increasingly charged by the regenerative current and possibly overcharged when a maximum voltage limit is exceeded at the DC link capacitor. For this reason, it is necessary to limit the recovery power. Although, in principle, the energy fed back into the intermediate circuit could be transmitted further by the network converter into the AC voltage network. However, the power converters are usually not capable of being regenerated, since they comprise uncontrolled power electronic components, for example diodes, in order to convert the AC voltage present on the input side into a DC voltage.

Die einfachste Art, eine Überspannung im Zwischenkreis zu verhindern, ist die Verhinderung von einem Energiefluss in den Zwischenkreis, d. h. die Verhinderung des generatorischen Betriebs des Elektromotors. Dazu wird der Frequenzumrichter derart gesteuert, dass bei positiver Drehzahl kein negatives Drehmoment erzeugender Strom, bzw. bei negativer Drehzahl kein ein positives Drehmoment erzeugender Strom zugelassen wird. Der Elektromotor wird also stets mit zur Drehzahl vorzeichengleichem Drehmoment oder keinem Drehmoment betrieben. Ein solches Vorgehen ist aus der europäischen Patentanmeldung EP 1 206 040 A2 bekannt.The simplest way to prevent overvoltage in the DC link is to prevent the flow of energy into the DC link, ie to prevent the regenerative operation of the electric motor. For this purpose, the frequency converter is controlled such that at positive speed no negative torque generating current, or at negative speed no positive torque generating current is allowed. The electric motor is thus always operated with the torque equivalent torque to the speed or no torque. Such a procedure is from the European patent application EP 1 206 040 A2 known.

Da allerdings elektrische Verluste im Motor und im Frequenzumrichter vorliegen, kann diese Forderung etwas aufgeweicht und im Augenblick die Rückspeisung einer Bremsenergie zugelassen werden, die betraglich der Summe der Verlustleistungen/Verlustenergie des Motors und der Elektronik entspricht. Die Zwischenkreisspannung erhöht sich dabei nicht und die elektrischen Verluste werden aus der Bremsenergie gedeckt. Dies sorgt für eine ausgeglichene Energiebilanz im Zwischenkreis.However, since there are electrical losses in the motor and in the frequency converter, this requirement can be softened a bit and at the moment the regeneration of a braking energy can be allowed, which corresponds to the sum of the power losses / loss energy of the engine and the electronics. The DC link voltage does not increase and the electrical losses are covered by the braking energy. This ensures a balanced energy balance in the DC link.

Ein diese Lösung weiterbildender Ansatz zur Zwischenkreisspannungsbegrenzung besteht darin, einen Energiefluss in den Zwischenkreis zuzulassen und die Zwischenkreisspannung kontinuierlich zu überwachen. Erst bei Überschreiten eines festgelegten Grenzwerts für die Zwischenkreisspannung wird der Energiefluss in den Zwischenkreis durch die Steuer- und Regelungselektronik des Frequenzumrichters bzw. die Motorregelung unterbunden, so dass eine Überhöhung der Zwischenkreisspannung verhindert wird. Dabei wird das Drehmoment des Motors dann so angepasst, dass der Energiefluss in den Zwischenkreis null wird. Dies entspricht folglich einer Art 2-Punkt Regelung: unterhalb des Grenzwerts wird die gesamte Bremsenergie uneingeschränkt in den Zwischenkreis gespeist, d. h. der unterlagerte Regler wird hier nicht bewusst anders angesteuert; wird die Spannungsgrenze erreicht, wird der Energiefluss in den Zwischenkreis vollständig unterbunden.A further development of this approach for DC link voltage limitation is to allow a flow of energy into the DC link and continuously monitor the DC link voltage. Only when a specified limit value for the intermediate circuit voltage is exceeded is the energy flow in the intermediate circuit prevented by the control and regulation electronics of the frequency converter or the motor control, so that an increase in the intermediate circuit voltage is prevented. The torque of the motor is then adjusted so that the energy flow into the DC link becomes zero. This therefore corresponds to a type of 2-point control: below the limit, the entire braking energy is fed fully into the DC link, ie. H. the lower-level controller is not deliberately controlled differently here; If the voltage limit is reached, the energy flow into the DC link is completely prevented.

Diese Vorgehensweise kann optimiert werden, indem ein Zwischenkreisspannungsregler eingesetzt wird. Hierzu wird ein zusätzlicher Regelkreis aufgebaut, der die Differenz zwischen den aktuellen Zwischenkreisspannung und einer maximal erlaubten Zwischenkreisspannung, beispielsweise dem genannten Grenzwert, als Eingangsgröße erhält. Ausgangsgröße des Zwischenkreisspannungsreglers ist dann eine von der Motorregelung zum jeweiligen Zeitpunkt zu erbringende Rückspeiseleistung.This procedure can be optimized by using a DC link voltage regulator. For this purpose, an additional control loop is constructed, which receives the difference between the current DC link voltage and a maximum permitted DC link voltage, for example, the said limit, as an input variable. The output variable of the intermediate circuit voltage regulator is then a regenerative power to be provided by the motor control at the respective time.

Alle Lösungen haben den Nachteil, das die physikalisch mögliche maximale Energierückspeisung in den Zwischenkreis im jeweiligen Augenblick nicht genutzt wird, da die Motorregelung aus dem überlagerten und dem nachgeschalteten, unterlagerten Regler besteht, wobei letzterer den Energiefluss in den Motor/Zwischenkreis einstellt. Da diese unterlagerte Regelung (wie alle Regelungen) eine gewisse Einstellzeit hat, bis die von ihr geforderte Sollgröße umgesetzt wird, können alle vorgenannten Verfahren nicht optimal Energie zurück in den Zwischenkreis speisen.All solutions have the disadvantage that the physically possible maximum energy recovery in the DC link is not used at the moment, since the motor control consists of the superimposed and the downstream, subordinate controller, the latter adjusts the energy flow in the motor / DC link. Since this subordinate control (as all regulations) has a certain response time until the required size required by it is implemented, all the aforementioned methods can not optimally feed energy back into the DC link.

Bei dem erstgenannten und in der EP 1 206 040 A2 beschriebenen Verfahren wird die Rückspeisung per se unterbunden. In the former and in the EP 1 206 040 A2 described method, the feedback is suppressed per se.

Bei der 2-Punkt Regelung muss die maximale Spannungsgrenze so gewählt werden, dass ein Überschwingen des unterlagerten Reglers (und damit ein Überschwingen der rückgespeisten Energie) den Zwischenkreis nicht überlädt. Dies bedeutet, dass der Grenzwert für die Zwischenkreisspannung mit einem entsprechenden Sicherheitsabstand kleiner gewählt werden muss, als die maximal zulässige Zwischenkreisspannung, die im Wesentlichen der Bemessungsspannung des Zwischenkreiskondensators oder der Summe der in Reihe liegenden Zwischenkreiskondensatoren entspricht.With 2-point control, the maximum voltage limit must be selected such that an overshoot of the subordinate controller (and thus an overshoot of the regenerated energy) does not overload the DC link. This means that the limit value for the intermediate circuit voltage with a corresponding safety distance must be selected smaller than the maximum permissible DC link voltage, which essentially corresponds to the rated voltage of the DC link capacitor or the sum of the series-connected DC link capacitors.

Bei der Verwendung eines Zwischenkreisspannungsreglers ist eine Zeitkonstante zu berücksichtigen. Ferner muss auch hier der unterlagerte Regler mit seiner vorgegebenen Zeitkonstante berücksichtigt werden. Ein Zwischenkreisspannungsregler lässt sich nicht ohne Weiteres in die zuvor beschriebene Motorregelungsstruktur integrieren, weil durch die bestehenden Regler andere Regelziele derselben Regel- oder Stellgrößen gegeben sind.When using a DC link voltage regulator, a time constant must be taken into account. Furthermore, the lower-level controller with its specified time constant must also be taken into account here. A DC link voltage regulator can not be readily integrated into the motor control structure described above, because other control objectives of the same control or manipulated variables are given by the existing controller.

Zusammengefasst berücksichtig keine der bekannten Verfahren zur Zwischenkreisspannungsbegrenzung den unterlagerten Regler. Dies führt bei allen bekannten Verfahren dazu, dass im Augenblick nicht die maximal mögliche Leistung in den Zwischenkreis zurück gespeist werden kann, sondern weniger Leistung. Dies ist nicht optimal.In summary, none of the known methods for intermediate circuit voltage limiting takes into account the subordinate controller. This leads to all known methods that at the moment not the maximum possible power can be fed back into the DC link, but less power. This is not optimal.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren sowie einen Antrieb zur Verfügung zu stellen, bei dem der Frequenzumrichter so gesteuert wird, dass zu jedem Zeitpunkt die maximale mögliche Leistung vom Elektromotor in den Zwischenkreis zurückgespeist wird.It is therefore an object of the present invention to provide a method and a drive, in which the frequency converter is controlled so that at any time the maximum possible power is fed back from the electric motor into the DC link.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch einen Antrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by a method having the features of claim 1 and by a drive having the features of claim 13. Advantageous developments are specified in the respective subclaims.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors vorgeschlagen, bei dem in Abhängigkeit der aktuellen Zwischenkreisspannung aus einer in den Spannungszwischenkreis einspeisbaren Differenzenergie ein aktueller Grenzwert für eine Stellgröße der Motorregelung ermittelt wird, und zur Begrenzung der in den Spannungszwischenkreis vom Elektromotor zurückgespeisten Energie ein von der Motorregelung ermittelter Wert der Stellgröße auf den Grenzwert begrenzt wird, wenn der Wert betraglich den Wert des Grenzwerts überschreitet.According to the invention, a method for operating an electric motor is proposed in which a current limit value for a manipulated variable of the motor control is determined as a function of the current DC link voltage from a differential voltage which can be fed into the voltage intermediate link, and for limiting the energy fed back from the electric motor into the voltage intermediate link from the motor control determined value of the manipulated variable is limited to the limit value if the value exceeds the value of the limit value.

Erfindungsgemäß wird ferner ein Antrieb umfassend einen Elektromotor zum Antreiben einer Last, einen Frequenzumrichter mit Spannungszwischenkreis zum Speisen des Elektromotors und eine Motorregelung zur Steuerung des Frequenzumrichters und Regelung der Drehzahl des Elektromotors vorgeschlagen, wobei der Antrieb des Weiteren aufweist:

  • – Mittel zur Erfassung der aktuellen Zwischenkreisspannung des Spannungszwischenkreises,
  • – eine Grenzwertermittlungseinrichtung zur Ermittlung eines aktuellen Grenzwerts für eine Stellgröße der Motorregelung aus einer in den Spannungszwischenkreis einspeisbaren Differenzenergie in Abhängigkeit der aktuellen Zwischenkreisspannung,
  • – eine Stellgrößenbegrenzungseinheit zur Begrenzung der Stellgröße auf den ermittelten Grenzwert zur Begrenzung der in den Spannungszwischenkreis vom Elektromotor zurückgespeisten Energie.
The invention further proposes a drive comprising an electric motor for driving a load, a frequency converter with a voltage intermediate circuit for supplying the electric motor and a motor controller for controlling the frequency converter and regulating the rotational speed of the electric motor, wherein the drive further comprises:
  • Means for detecting the actual intermediate circuit voltage of the voltage intermediate circuit,
  • A limit value determination device for determining a current limit value for a manipulated variable of the motor control from a differential energy which can be fed into the voltage intermediate link as a function of the current DC link voltage,
  • A manipulated variable limiting unit for limiting the manipulated variable to the determined limit value for limiting the energy fed back into the voltage intermediate circuit from the electric motor.

Die Grundidee der Erfindung basiert darauf, die maximal erlaubte Energiemenge zu ermitteln, die in den Zwischenkreis zurückgespeist werden kann, ohne diesen zu überladen, d. h. eine Spannungsobergrenze zu überschreiten. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren somit kein Spannungsgrenzwert für die Zwischenkreisspannung sondern ein Energiegrenzwert zu Grunde gelegt. Ferner wird kein fester Grenzwert verwendet, dessen Überschreitung eine Änderung der Motorregelung bewirkt. Vielmehr wird ein Spannungsgrenzwert verwendet, der in Abhängigkeit der aktuellen Zwischenkreisspannung angepasst wird, insbesondere wiederholt berechnet wird. Dabei wird die jeweils zum aktuellen Zeitpunkt in den Spannungszwischenkreis einspeisbare Energie ermittelt, die bis zum Erreichen einer bestimmten Spannungsgrenze noch eingespeist werden darf. Die einspeisbare Differenzenergie ist somit die Differenz zwischen der im Spannungszwischenkreis bei der Spannungsgrenze gespeicherten Energie und der aktuell im Spannungszwischenkreis gespeicherten Energie.The basic idea of the invention is based on determining the maximum permitted amount of energy that can be fed back into the DC link without overloading it, ie. H. to exceed a voltage upper limit. In contrast to the prior art, in the method according to the invention, therefore, no voltage limit value for the intermediate circuit voltage but an energy limit value is used as the basis. Furthermore, no fixed limit value is used whose exceeding causes a change in the engine control. Rather, a voltage limit is used, which is adjusted as a function of the current DC link voltage, in particular is calculated repeatedly. In each case, the energy which can be fed into the voltage intermediate circuit at the current time is determined which may still be fed in until a certain voltage limit is reached. The feedable differential energy is thus the difference between the energy stored in the voltage intermediate circuit at the voltage limit and the energy currently stored in the voltage intermediate circuit.

Die hier vorgestellte Lösung zur Begrenzung der Zwischenkreisspannung in einem Antriebssystem bei Rückspeisung von Energie aus dem Motor in den Zwischenkreis berücksichtigt die Zeitkonstante, die die Motorregelung oder zumindest ein Teil der Motorregelung, insbesondere ein unterlagerter Regler, benötigt, um eine bestimmte Sollgröße einzustellen. Es kann somit nicht zu einem Überschwingen kommen, wodurch der Spannungszwischenkreis gefährdet werden würde. Aus diesem Grund ist auch kein Sicherheitsabstand zu einer Maximalspannung im Zwischenkreis wie im Stand der Technik erforderlich, so dass das erfindungsgemäße Verfahren in jedem Augenblick die maximale Rückspeisung von Leistung vom Motor in den Zwischenkreis erlaubt und ermöglicht. Zwar führt das erfindungsgemäße Verfahren stationär zu einem identischen Verhalten wie bei einem Zwischenkreisspannungsregler, jedoch kann wegen des Fehlens eines den Zwischenkreisspannungsregler ausbildenden Regelkreises, dynamisch mehr Energie in den Zwischenkreis zurückgespeist werden und somit das vorhandene physikalische Antriebssystem besser ausgenutzt werden. The solution presented here for limiting the intermediate circuit voltage in a drive system when regenerating energy from the engine into the intermediate circuit takes into account the time constant that the motor control or at least part of the motor control, in particular a subordinate controller, requires to set a specific setpoint. It can thus not come to an overshoot, whereby the voltage intermediate circuit would be compromised. For this reason, no safety distance to a maximum voltage in the DC link is required as in the prior art, so that the inventive method allows and enables the maximum return power from the engine to the DC link at any time. Although the inventive method stationary leads to an identical behavior as in a DC link voltage regulator, but because of the lack of the intermediate circuit voltage controller forming control loop, more energy can be dynamically fed back into the DC link and thus the existing physical drive system can be better utilized.

Bei der Differenzenergie kann es sich beispielsweise um die Energiedifferenz zwischen der zum Zeitpunkt der aktuellen Zwischenkreisspannung im Spannungszwischenkreis gespeicherten Energie und der bei einer maximalen Zwischenkreisspannung im Spannungszwischenkreis gespeicherten Energie handeln. Insbesondere kann die Differenzenergie aus dieser Energiedifferenz berechnet werden. Wie bereits angesprochen wird hierdurch erreicht, dass der erfindungsgemäßen Rückspeiseenergiebegrenzung kein fester Grenzwert für die Begrenzung der Rückspeiseenergie vorliegt. Vielmehr wird zu jedem Zeitpunkt die Energierückspeisung zugelassen, sofern der Spannungszwischenkreis noch in der Lage ist, weitere Energie aufzunehmen. Die maximale Zwischenkreisspannung ist durch die Bemessungsspannung des oder der im Zwischenkreis verbauten Kondensators oder Kondensatoren, oder durch andere begrenzende Bauteile festgelegt.The difference energy may be, for example, the energy difference between the energy stored in the voltage intermediate circuit at the time of the current intermediate circuit voltage and the energy stored at a maximum intermediate circuit voltage in the voltage intermediate circuit. In particular, the difference energy can be calculated from this energy difference. As already mentioned, this achieves the result that the regenerative energy limit according to the invention has no fixed limit value for limiting the regenerative energy. Rather, the energy recovery is allowed at any time, provided that the voltage intermediate circuit is still able to absorb more energy. The maximum DC link voltage is determined by the rated voltage of the capacitor or capacitors installed in the DC link, or by other limiting components.

Alternativ kann die Differenzenergie aus der Energiedifferenz zwischen der zum Zeitpunkt der aktuellen Zwischenkreisspannung im Spannungszwischenkreis gespeicherten Energie und einer Energie berechnet werden, die gegenüber der bei einer maximalen Zwischenkreisspannung im Spannungszwischenkreis gespeicherten Energie kleiner ist, beispielsweise um 1% bis 5% kleiner ist. Hierdurch wird erreicht, dass der Zwischenkreis nicht auf seine volle Spannung aufgeladen wird. Der oder die Kondensatoren werden dadurch geschont und halten länger.Alternatively, the differential energy can be calculated from the energy difference between the energy stored at the instantaneous DC link voltage in the voltage intermediate circuit and an energy which is smaller than that stored at a maximum DC link voltage in the voltage intermediate circuit, for example 1% to 5% smaller. This ensures that the DC link is not charged to its full voltage. The capacitor or capacitors are thereby spared and last longer.

Vorzugsweise kann die Motorregelung einen unterlagerten ersten Regler und einen übergeordneten zweiten Regler aufweisen, wobei der erste Regler dem zweiten Regler regelungstechnisch nachgeordnet ist. Dabei kann die Stellgröße die Ausgangsgröße des zweiten Reglers sein, die dann eine Eingangsgröße des ersten Reglers, d. h. einen Sollwert für den ersten Regler bildet. Daraus folgt, dass in dieser Ausführungsvariante die Stellgrößenbegrenzungseinheit zwischen dem ersten und dem zweiten Regler liegt. Eine Ausgangsgröße des ersten Reglers kann dann direkt oder indirekt auf den Frequenzumrichter einwirken.Preferably, the motor control may have a subordinate first controller and a higher-level second controller, wherein the first controller is arranged downstream of the second controller control technology. In this case, the manipulated variable may be the output variable of the second regulator, which is then an input variable of the first regulator, d. H. forms a setpoint for the first controller. It follows that in this embodiment, the manipulated variable limiting unit is located between the first and the second controller. An output of the first regulator can then act directly or indirectly on the frequency converter.

In der Stellgrößenbegrenzungseinheit kann der aktuelle Wert der Stellgröße mit dem aktuellen Grenzwert verglichen und bei einem Überschreiten vorzugsweise mit dem aktuellen Grenzwert gleichgesetzt werden. Der aktuelle Grenzwert kann der Stellgrößenbegrenzungseinheit von einer Grenzwertermittlungseinrichtung bereitgestellt werden, welcher wiederrum die aktuelle Zwischenkreisspannung zugeführt wird. Die Zwischenkreisspannung kann direkt gemessen oder aus einer anderen gemessenen Größe berechnet werden oder weiter alternativ aus einem Beobachter ermittelt werden.In the manipulated variable limiting unit, the current value of the manipulated variable can be compared with the current limit value and, when it is exceeded, preferably equated with the current limit value. The current limit value can be made available to the manipulated variable limiting unit by a limit value determination device, which in turn is supplied with the current intermediate circuit voltage. The DC link voltage can be measured directly or calculated from another measured variable or alternatively determined from an observer.

Gemäß einer Ausführungsvariante kann der übergeordnete zweite Regler ein Drehzahlregler sein. Dieser kann seinen Sollwert beispielsweise durch eine manuelle Vorgabe oder von einem, dem zweiten Regler übergeordneten Lastregler erhalten. Dieser Lastregler kann beispielsweise eine Kennlinienregelung, im Falle einer Pumpeneinheit als Last beispielsweise eine der üblichen Pumpen-Kennlinienregelungen durchführen. Bekannte Pumpen-Kennlinienregelungen sind insbesondere das Konstanthalten des Differenzdrucks über dem Volumenstrom (Δp – c) oder die Regelung des Differenzdrucks gemäß einer Abhängigkeit, beispielsweise einer linearen Abhängigkeit vom Volumenstrom (Δp – v). Den Istwert, d. h. die aktuelle Drehzahl, kann der übergeordnete zweite Regler aus einer Drehzahlmessung im Antrieb oder aus einem Beobachter erhalten, der ein technisches Modell des Antriebs mathematisch beschreibt. An seinem Ausgang stellt der übergeordnete Drehzahlregler die Stellgröße für den unterlagerten ersten Regler bereit.According to one embodiment, the higher-level second controller may be a speed controller. This can receive its desired value, for example, by means of a manual specification or by a load controller which is the primary controller of the second controller. This load controller can perform, for example, a characteristic control, in the case of a pump unit as a load, for example, one of the usual pump characteristics control. Known pump characteristic curves are, in particular, keeping the differential pressure constant over the volume flow (Δp-c) or regulating the differential pressure according to a dependency, for example a linear dependence on the volume flow (Δp-v). The actual value, d. H. the current speed, the higher-level second controller can be obtained from a speed measurement in the drive or from an observer, who mathematically describes a technical model of the drive. At its output, the higher-level speed controller provides the manipulated variable for the subordinate first controller.

Gemäß einer anderen Ausführungsvariante kann der übergeordnete zweite Regler ein Leistungsregler sein, der eine bestimmte mechanische oder hydraulische Leistung am Elektromotor oder Pumpenaggregat einstellt. Analog zum Drehzahlregler kann auch der Leistungsregler seinen Sollwert beispielsweise durch eine manuelle Vorgabe oder von einem, dem zweiten Regler übergeordneten Lastregler erhalten. Auch hier kann der Lastregler beispielsweise eine Kennlinienregelung, im Falle einer Pumpeneinheit als Last beispielseiweise die o. g. Pumpen-Kennlinienregelungen durchführen. Den Istwert, d. h. die aktuelle hydraulische oder mechanische Leistung, kann der übergeordnete zweite Regler aus einer Leistungsmessung im Antrieb oder aus einem Beobachter erhalten, der ein technisches Modell des Antriebs mathematisch beschreibt. An seinem Ausgang stellt der übergeordnete Leistungsregler die Stellgröße für den unterlagerten ersten Regler bereit.According to another embodiment variant, the higher-order second controller may be a power controller which adjusts a specific mechanical or hydraulic power on the electric motor or pump unit. Analogous to the speed controller, the power controller can also receive its setpoint value, for example, by means of a manual specification or by a load controller which is the primary controller of the second controller. Again, the load controller, for example, a characteristic control, in the case of a pump unit as a load beispielseiweise perform the above-mentioned pump characteristics control. The actual value, ie the current hydraulic or mechanical power, the higher-level second controller can be obtained from a power measurement in the drive or from an observer, who mathematically describes a technical model of the drive. At its output, the higher-level power controller provides the manipulated variable for the subordinate first controller.

Der unterlagerte erste Regler ist abhängig von der Regelungs- und Steuerungsart des Frequenzumrichters, welche wiederum die Art des Elektromotors berücksichtigt. Gemäß einer Ausführungsvariante ist der unterlagerte erste Regler ein Stromregler. Dieser stellt geeigneterweise denjenigen Strom ein, der zum Aufbau eines Drehmoments im Elektromotor notwendig ist. Hiermit kann eine feldorientierte Regelung (FOR) des Frequenzumrichters samt Elektromotor ausgeführt werden. Der unterlagerte erste Regler kann alternativ ein Flussregler sein, der beispielsweise den Ständerfluss einstellt. Hiermit kann eine flussbasierte Regelung, beispielsweise eine ISR oder DTC des Frequenzumrichters samt Elektromotor ausgeführt werden.The lower-level first controller depends on the control and control mode of the frequency inverter, which in turn takes into account the type of electric motor. According to one embodiment, the subordinate first controller is a current regulator. This suitably sets the current that is necessary to build up a torque in the electric motor. This allows a field-oriented control (FOR) of the frequency converter, including the electric motor, to be carried out. The subordinate first regulator may alternatively be a flow regulator which, for example, adjusts the stator flux. Hereby, a flow-based control, for example an ISR or DTC of the frequency converter, including the electric motor, can be carried out.

In der Ausführungsvariante der Motorregelung mit einem unterlagerten ersten Regler und einem überlagerten zweiten Regler gibt der zweite Regler die Stellgröße als Sollwert für den unterlagerten ersten Regler aus. In dieser Ausführungsvariante erfolgt dann die Begrenzung des Werts der Stellgröße auf den Grenzwert vorzugsweise zwischen dem zweiten Regler und dem ersten Regler, so dass der erste Regler stets nur einen im Augenblick zulässigen Maximalwert der Stellgröße erhält, um den Zwischenkreis nicht zu überlasten.In the embodiment of the motor control with a subordinate first controller and a superimposed second controller, the second controller outputs the manipulated variable as the desired value for the subordinate first controller. In this embodiment, then the limitation of the value of the manipulated variable to the limit value preferably takes place between the second controller and the first controller, so that the first controller always receives only a maximum permissible value of the manipulated variable at the moment so as not to overload the intermediate circuit.

Die Aufgabe des Stromreglers ist es, einen drehmomentbildenden Strom in den Elektromotor einzuprägen, d. h. den Elektromotor derart zu bestromen, dass er ein bestimmtes Drehmoment aufbaut, um den Rotor zur Erreichung oder Aufrechterhaltung einer bestimmten Drehzahl zu beschleunigen oder abzubremsen. Hierzu kann dem Stromregler entweder direkt das einzustellende Solldrehmoment oder ein Sollstrom vorgegeben werden, mit dem das einzustellende Drehmoment erreicht wird. In seiner physikalischen Wirkungsweise ist der Stromregler somit ein Drehmomentregler.The task of the current controller is to impress a torque-forming current in the electric motor, d. H. To energize the electric motor so that it builds up a certain torque to accelerate or decelerate the rotor to achieve or maintain a certain speed. For this purpose, the current controller either directly set the target torque to be set or a desired current, with which the torque to be set is achieved. In terms of its physical mode of operation, the current controller is thus a torque controller.

Die Aufgabe des Flussreglers ist es, einen drehmomentbildenden magnetischen Fluss in dem Elektromotor auszubilden. Der Flussregler wirkt darauf hin, die Differenz des magnetischen Flusses zwischen Rotor und Stator derart zu regeln, dass ein bestimmtes Drehmoment erreicht wird. Die geregelte Größe ist hier jedoch nicht das Drehmoment oder der das Drehmoment erzeugende Strom sondern der das Drehmoment ausübende magnetische Fluss. Hierzu kann dem Flussregler entweder ein bestimmter, einzustellender Sollfluss vorgegeben werden, mit dem das einzustellende Drehmoment erreicht wird, oder alternativ ein Solldrehmoment vorgegeben werden.The task of the flow regulator is to form a torque-forming magnetic flux in the electric motor. The flux controller acts to regulate the difference in the magnetic flux between the rotor and stator in such a way that a certain torque is achieved. However, the controlled variable here is not the torque or the torque-generating current but the torque-carrying magnetic flux. For this purpose, the flow controller can either be given a specific setpoint flow to be set with which the torque to be set is achieved, or alternatively a setpoint torque can be preset.

Entsprechend der vorgenannten Ausführungsvarianten des ersten und zweiten Reglers kann die Stellgröße beispielsweise ein Drehmoment, eine Drehmoment bildende Stromkomponente oder eine dem Drehmoment äquivalente Größe wie beispielsweise ein magnetischer Fluss sein. Dieses Drehmoment, die Stromkomponente oder die dem Drehmoment äquivalente Größe bilden dann einen Sollwert für den unterlagerten ersten Regler.According to the aforementioned embodiments of the first and second controllers, the manipulated variable may be, for example, a torque, a torque-forming current component or a torque-equivalent variable, such as a magnetic flux. This torque, the current component or the torque equivalent quantity then form a desired value for the subordinate first controller.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante führt die Motorregelung eine feldorientierte Regelung durch, die dem Fachmann wohl bekannt ist. Hierbei wird der Statorstrom vektoriell betrachtet, wobei die einen Stromvektor bildenden beiden Stromkomponenten in ein mit dem Rotor rotierendes Koordinatensystem transformiert werden. Dadurch ergibt sich eine erste Stromkomponente id, auch feldbildender Strom oder d-Strom genannt, die ausschließlich die Ausbildung des elektromagnetischen Feldes bewirkt, und eine hierzu orthogonale zweite Stromkomponente iq, auch drehmomentbildender Strom oder q-Strom genannt, die ausschließlich die Ausbildung des Drehmoments bewirkt. d und q bilden die Achsen in dem rotierenden rotorbezogenen Koordinatensystem. Allerdings stehen d und q nicht ausschließlich für Feld und Drehmoment. So kann beispielsweise auch die d-Komponente drehmomentbildend sein. Dies ist beispielsweise bei dem Verfahren MMPA (Maximales Moment pro Ampere) der Fall.According to a preferred embodiment, the engine control performs a field-oriented control, which is well known to the skilled person. In this case, the stator current is considered vectorially, with the two current components forming a current vector being transformed into a coordinate system rotating with the rotor. This results in a first current component i d , also called field-forming current or d-current, which causes exclusively the formation of the electromagnetic field, and an orthogonal thereto second current component i q , also called torque-generating current or q-stream, which exclusively the formation of the Torque causes. d and q form the axes in the rotating rotor-related coordinate system. However, d and q are not exclusive to field and torque. For example, the d-component can also be torque-forming. This is the case, for example, with the MMPA method (maximum torque per ampere).

Entsprechend der Ausführungsvariante, bei der die Motorregelung eine feldorientierte Regelung durchführt, kann die Stellgröße die zweite Stromkomponente iq sein.According to the embodiment in which the motor control performs a field-oriented control, the manipulated variable may be the second current component i q .

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es insbesondere von Vorteil, wenn die Ermittlung des Grenzwerts unter der Annahme eines verlustfreien Elektromotors und/oder Frequenzumrichters erfolgt. Dies hat zur Folge, dass trotz einer Verwendung der maximalen Spannungsgrenze des Spannungszwischenkreises zur Berechnung der Differenzenergie ein Sicherheitsabstand zur Überlastungsgrenze des Zwischenkreises besteht. Denn bei realer Betrachtung des Antriebs müssen energetische Verluste bzw. Wirkungsgradverluste berücksichtigt werden, die im Falle einer Energierückspeisung vom Elektromotor zum Zwischenkreis vorteilhaft wirken, weil sie die im Zwischenkreis ankommende Energie reduzieren.In the method according to the invention, it is particularly advantageous if the determination of the limit value takes place on the assumption of a lossless electric motor and / or frequency converter. As a result, despite the use of the maximum voltage limit of the voltage intermediate circuit for calculating the differential energy, there is a safety distance to the overload limit of the intermediate circuit. For a real consideration of the drive energy losses or efficiency losses must be considered, which act in the case of energy recovery from the electric motor to the intermediate circuit advantageous because they reduce the incoming energy in the DC link.

Beispielsweise kann der Grenzwert aus einer der Gleichungen

Figure DE102016003738A1_0002
oder
Figure DE102016003738A1_0003
ermittelt werden, wobei

CDC
eine Kapazität des Spannungszwischenkreises ist,
UDC
die aktuelle Spannung im Spannungszwischenkreis (6),
UDC,max
eine maximale Spannung im Spannungszwischenkreis (6),
p
die Polpaarzahl des Elektromotors,
id
eine Feld bildende Komponente des Motorstroms,
iq,lim
der Grenzwert einer Drehmoment bildenden Komponente des Motorstroms,
Mdlim
der Grenzwert für das Drehmoment,
Ld
die Statorinduktivität des Elektromotors in Richtung der d-Achse eines mit dem Rotor umlaufenden Koordinatensystems,
Lq
die Statorinduktivität des Elektromotors in Richtung der q-Achse eines mit dem Rotor umlaufenden Koordinatensystems,
ψPM
der magnetische Fluss eines permanenterregten Rotors des Elektromotors,
Ω
die aktuelle mechanische Winkelgeschwindigkeit des Rotors des Elektromotors, und
Δt
ein Zeitraum ist, während dem Energie in den Spannungszwischenkreis gespeist wird und den die Motorregelung benötigt, um einen vorgegebenen Sollwert von einem beliebigen Istwert zu erreichen.
For example, the limit may be one of the equations
Figure DE102016003738A1_0002
or
Figure DE102016003738A1_0003
be determined, where
C DC
is a capacitance of the voltage intermediate circuit,
U DC
the current voltage in the voltage intermediate circuit ( 6 )
U DC, max
a maximum voltage in the voltage intermediate circuit ( 6 )
p
the pole pair number of the electric motor,
i d
a field forming component of the motor current,
i q, lim
the limit of a torque-forming component of the motor current,
Md lim
the limit value for the torque,
L d
the stator inductance of the electric motor in the direction of the d-axis of a coordinate system rotating with the rotor,
L q
the stator inductance of the electric motor in the direction of the q-axis of a coordinate system rotating with the rotor,
ψ PM
the magnetic flux of a permanent-magnet rotor of the electric motor,
Ω
the current mechanical angular velocity of the rotor of the electric motor, and
.delta.t
is a period of time during which energy is fed into the voltage intermediate circuit and which the motor control requires in order to achieve a predetermined desired value from any actual value.

Es sei angemerkt, dass bei den vorliegenden Gleichungen zusätzlich zur Vernachlässigung der Wirkungsgradverluste die Änderung des Stroms innerhalb des Zeitraums Δt vernachlässigt ist, was zu einer Einfachheit der Gleichungen und zu einem weiterenn Sicherheitsabstand zur maximalen Zwischenkreisspannung führt.It should be noted that in the present equations, in addition to neglecting the efficiency losses, the change of the current within the period Δt is neglected, resulting in a simplification of the equations and a further safety margin to the maximum intermediate circuit voltage.

Der Grenzwert Mdlim kann sowohl als Grenzwert bei einem Stromregler als auch bei einem Flussregler als unterlagerter erster Regler verwendet werden, der das Drehmoment als Eingangsgröße hat.The limit value Md lim can be used both as a limit value for a current controller and for a flux controller as a subordinate first controller, which has the torque as an input variable.

Dabei kann der Zeitraum Δt bevorzugt das Dreifache der Zeitkonstante (r) des unterlagerten ersten Reglers sein. Ist der unterlagerte erste Regler beispielsweise ein PI-Regler, so ist der Zeitraum Δt = 3τ dann derjenige Zeitraum, der benötigt wird, um 95% des Sollwerts nach einer sprunghaften Änderung des Sollwerts zu erreichen. Sind beispielsweise 0 A gefordert, dauert es diesen Zeitraum Δt = 3τ bis dieser Wert bis auf 5% eingeregelt ist. Würden beispielsweise zum aktuellen Zeitpunkt noch 5 A geliefert werden können, wird die Regelung aber erst nach dem Zeitraum Δt = 3τ wieder aufgerufen, so würde der Zwischenkreisspannungswert zu groß sein. Aus diesem Grund muss die Berechnung in jedem Reglertakt durchgeführt werden, da sich die Zwischenkreisspannung ständig ändert. Folglich müssen die adaptiven Begrenzungswerte bei jedem Reglertakt neu berechnet werden.In this case, the period .DELTA.t may preferably be three times the time constant (r) of the subordinate first regulator. For example, if the subordinate first controller is a PI controller, then the period Δt = 3τ is the time required to reach 95% of the setpoint after a sudden change in the setpoint. For example, if 0 A is required, it takes this period Δt = 3τ until this value is adjusted to 5%. If, for example, 5 A could still be supplied at the current time, but the control is only called again after the time period Δt = 3τ, then the intermediate circuit voltage value would be too large. For this reason, the calculation must be carried out in every controller cycle because the DC link voltage is constantly changing. Consequently, the adaptive limit values must be recalculated at each controller clock.

Bei der Berechnung des aktuellen Grenzwerts kann es noch sinnvoll sein, diesen auf einen maximalen Wert zu begrenzen. Dies ist von Vorteil, wenn der Antrieb aus physikalischen Gründen dynamisch nur eine begrenzte Menge Energie pro Zeiteinheit in den Zwischenkreis zurückspeisen kann und diese begrenzte Menge durchaus auch überschritten werden könnte. Der aktuelle Grenzwert selbst berücksichtigt diesen Fall nicht. Er kann höher sein, als ein maximaler Wert, beispielsweise wenn der Zwischenkreis auf weniger als 30% seiner Bemessungsspannung aufgeladen ist. In diesem Fall kann ein im Augenblick zu hoher Rückspeisestrom beispielsweise die leistungselektronischen Halbleiterschalter des Motorumrichters stark belasten. Um dies zu verhindern kann der ermittelte aktuelle Grenzwert bei betraglichem Überschreiten eines maximalen Grenzwerts auf diesen maximalen Grenzwert begrenzt werden. Diese Begrenzung kann vorzugsweise ebenfalls von der Grenzwertermittlungseinrichtung durchgeführt werden.When calculating the current limit, it may still make sense to limit it to a maximum value. This is advantageous if, for physical reasons, the drive can dynamically feed back only a limited amount of energy per unit of time into the DC link and this limited amount could well be exceeded. The current limit itself does not take this case into account. It can be higher than a maximum value, for example when the DC link is charged to less than 30% of its rated voltage. In this case, an excessively high regenerative current at the moment can, for example, severely burden the electronic power semiconductor switches of the motor converter. In order to prevent this, the ascertained current limit value may be limited to this maximum limit value when exceeding a maximum limit value. This limitation may preferably also be carried out by the limit value determination device.

Weitere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen: Further features and advantages of the method according to the invention are explained below with reference to an embodiment and the attached figures. Show it:

1: Blockdiagramm eines beispielhaften Aufbaus eines erfindungsgemäßen Antriebs 1 : Block diagram of an exemplary construction of a drive according to the invention

2: Beispielhafter Verlauf eines Grenzwerts für das Drehmoment als Stellgröße in Abhängigkeit der Zwischenkreisspannung beim elektrischen Bremsen und positiver Drehzahl 2 : Exemplary profile of a limit value for the torque as manipulated variable as a function of the DC link voltage during electric braking and positive speed

3: Beispielhafter Verlauf eines Grenzwerts für das Drehmoment als Stellgröße in Abhängigkeit der Zwischenkreisspannung beim elektrischen Bremsen und negativer Drehzahl 3 : Exemplary profile of a limit value for the torque as manipulated variable as a function of the DC link voltage during electric braking and negative speed

4: Verlauf des Drehmomentgrenzwerts analog 1 mit zusätzlich eingezeichnetem, beispielhaftem Drehmomentistwert. 4 : History of the torque limit analog 1 with additional, exemplary torque actual value.

5: Ablaufdiagramm eines beispielhaften Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens 5 : Flowchart of an exemplary sequence of the method according to the invention

1 zeigt ein Blockdiagramm eines beispielhaften Aufbaus eines erfindungsgemäßen Antriebs 1 bestehend aus einem Frequenzumrichter 2, einem Elektromotor 3, einer Lastmaschine 4 und einer Steuer- und Regelungseleketronik, die hier aufgrund ihrer Funktion als Motorregelung 10 bezeichnet wird. Der Elektromotor 3, beispielsweise ein permanentmagneterregter Synchronmotor, ist mechanisch mit der Lastmaschine 4 gekoppelt und treibt diese an. Die Lastmaschine 4 ist beispielsweise eine Pumpeneinheit. Der Elektromotor 3 wird von dem Frequenzumrichter 2 gespeist, der an seinem Ausgang drei Phasenspannungen für den Drehstrommotor 3 ausgibt. Gemäß einer anderen Ausführungsvariante kann der Elektromotor 3 einphasig sein. 1 shows a block diagram of an exemplary construction of a drive according to the invention 1 consisting of a frequency converter 2 an electric motor 3 , a load machine 4 and a control and elec- tronics, here because of their function as a motor control 10 referred to as. The electric motor 3 , For example, a permanent magnet synchronous motor is mechanically with the load machine 4 coupled and drives this. The load machine 4 is for example a pump unit. The electric motor 3 is from the frequency converter 2 fed, at its output three phase voltages for the three-phase motor 3 outputs. According to another embodiment, the electric motor 3 be single phase.

Der Frequenzumrichter 2 besteht aus einem Gleichrichter 5, einem Wechselrichter 7 und einem zwischen diesen liegenden Spannungszwischenkreis 6. Der Spannungszwischenkreis umfasst mindestens eine Kapazität CDC, welche wiederum von einem oder mehreren Kondensatoren 8 gebildet ist. Zusätzlich kann ein Bremswiderstand 9 parallel zum Kondensator 8 liegen.The frequency converter 2 consists of a rectifier 5 , an inverter 7 and a voltage intermediate circuit between them 6 , The voltage intermediate circuit comprises at least one capacitance C DC , which in turn is provided by one or more capacitors 8th is formed. In addition, a braking resistor 9 parallel to the capacitor 8th lie.

Der Gleichrichter 5 ist bestimmungsgemäß mit einem Wechselspannungsnetz verbunden, das beispielsweise eine Wechselspannung von 230 V oder 110 V liefert. Alternativ kann auch ein Gleichrichter 5 verwendet werden, der an einem Drehstromnetz betreibbar ist. Der Gleichrichter 5 umfasst ungesteuerte leistungselektronische Halbleiterschalter, beispielsweise Dioden, die die Wechselspannung des Wechselspannungsnetzes in eine Gleichspannung wandeln und damit den Zwischenkreis 6 aufladen. Anstelle der Dioden kann der Gleichrichter aber auch gesteuerte Halbleiterschalter besitzen, beispielsweise MOSFETs. Aus Sicht des Zwischenkreises 6 ist der Gleichrichter 5 also eine Gleichspannungsquelle. Der Energiefluss ist hier folglich vom Wechselspannungsnetz zum Zwischenkreis 6. Aufgrund der fehlenden Steuerbarkeit der Halbleiterschalter ist der Gleichrichter 5 nicht in der Lage, Energie aus dem Zwischenkreis in das Wechselspannungsnetz zurück zu speisen.The rectifier 5 is intended to be connected to an alternating voltage network which supplies, for example, an alternating voltage of 230 V or 110 V. Alternatively, a rectifier can also be used 5 used, which is operable on a three-phase network. The rectifier 5 includes uncontrolled electronic power semiconductor switches, such as diodes, which convert the AC voltage of the AC voltage network into a DC voltage and thus the DC link 6 charge. Instead of the diodes, the rectifier can also have controlled semiconductor switches, for example MOSFETs. From the perspective of the DC link 6 is the rectifier 5 So a DC voltage source. The energy flow is therefore here from the AC voltage network to the DC link 6 , Due to the lack of controllability of the semiconductor switch is the rectifier 5 unable to feed energy back from the DC link to the AC mains.

Der Wechselrichter 7 erzeugt aus der Gleichspannung des Zwischenkreises 6 hier eine dreiphasige Wechselspannung für den Elektromotor 3. Er umfasst gesteuerte leistungselektronische Halbleiterschalter, beispielsweise Hochleistungstransitoren wie MOSFETs, IGBTs oder IGCTs, die von der Motorelektronik 10 angesteuert werden.The inverter 7 generated from the DC voltage of the DC link 6 here a three-phase AC voltage for the electric motor 3 , It includes controlled power semiconductor electronic switches, such as high-performance transistors such as MOSFETs, IGBTs or IGCTs used by the engine electronics 10 be controlled.

In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel steuert die Motorregelung 10 den Wechselrichter aufgrund einer feldorientierte Regelung des Elektromotors 3. Bei dieser Regelungsart werden der Fluss und das Drehmoment des Elektromotors 3 getrennt voneinander geregelt. Dabei handelt es sich um eine sogenannte Vektorregelung bei der die Motorgrößen als Vektoren mit Betrag und Winkel betrachtet werden. Bei der feldorientierten Regelung werden folglich einerseits die Amplitude und die Orientierung des Flusses sowie andererseits die Amplitude und die Orientierung des Drehmoments in Abhängigkeit der entsprechenden Istwerte getrennt voneinander eingestellt.In the embodiment described here, the motor control controls 10 the inverter due to a field-oriented control of the electric motor 3 , In this type of control, the flux and the torque of the electric motor 3 regulated separately from each other. It is a so-called vector control in which the engine sizes are considered as vectors with magnitude and angle. In the field-oriented control, therefore, on the one hand, the amplitude and the orientation of the flow and, on the other hand, the amplitude and the orientation of the torque are adjusted separately from one another as a function of the corresponding actual values.

Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch bei anderen Regelungsarten Verwendung finden kann. Bei der in 1 als Block dargestellten Motorregelung 10 sind nur diejenigen Regelungskomponenten dargestellt, die zur Ausführung der Erfindung und zum Verständnis von Bedeutung sind. Gleichwohl können auch weitere Komponenten vorhanden sein bzw. sind bei einer anderen Regelungsart auch andere Komponenten vorhanden. So ist in 1 beispielsweise kein Flussregler, sondern lediglich der Drehmomentregler dargestellt.It should be noted, however, that the method according to the invention can also be used in other types of control. At the in 1 as a block illustrated engine control 10 only those control components are shown that are relevant to the practice of the invention and to understanding. However, other components may also be present or other components are present in another type of control. So is in 1 For example, no flow controller, but only the torque controller shown.

Konkret umfasst die Motorregelung gemäß dem hier beschriebenen Beispiel an relevanten Komponenten einen ersten Regler 11 und einer zweiten 12, einen Modulator 15 sowie eine erfindungsgemäße Grenzwertermittlungseinheit 13 samt Stellgrößenbegrenzungseinrichtung 14. Der zweite Regler 12 ist dem ersten Regler überlagert/übergeordnet, so dass der der erste Regler 11 einen unterlagerten Regler bildet. Gemäß der Ausführungsvariante in 1 ist der erste Regler ein Drehmomentregler zur Einstellung eines Drehmoments Md beim Motor 2. Dies erfolgt dadurch, dass der erste Regler für jede der drei zu steuerenden Phasen des Elektromotors eine Steuerspannung ua, ub, uc ausgibt, welche dann in dem dem ersten Regler 11 nachgeschalteten Modulator 15 in Schaltsignale umgewandelt wird, mittels welchen wiederum die Halbleiterschalter des Wechselrichters 7 angesteuert werden. Der Modulator 15 steuert die Halbleiterschalter mit einem der üblichen Modulationsverfahren für drehzahlgeregelte Antrieb an, beispielsweise mit einer Pulsweitenmodulation. Concretely, the motor control according to the example described here at relevant components comprises a first controller 11 and a second 12 , a modulator 15 and a limit value determination unit according to the invention 13 together with control variable limiting device 14 , The second controller 12 is the first controller superimposed / superior, so that the first controller 11 forms a subordinate controller. According to the embodiment in 1 the first controller is a torque controller for setting a torque Md at the engine 2 , This is done by the first controller for each of the three phases of the electric motor to be controlled outputs a control voltage u a , u b , u c , which then in the first controller 11 downstream modulator 15 is converted into switching signals, by means of which in turn the semiconductor switches of the inverter 7 be controlled. The modulator 15 controls the semiconductor switch with one of the usual modulation method for variable speed drive, for example, with a pulse width modulation.

Der zweite Regler 12 ist ein Drehzahlregler, mittels welchem eine bestimmte Drehzahl beim Elektromotor 3 eingestellt wird. Als Eingangsgröße erhält der Drehzahlregler 12 die Ist-Drehzahl nist, die er von einer Drehzahlmessung oder aus einem Beobachter erhält. Der Drehzahlregler 12 gibt an seinem Ausgang einen Sollwert Mdsoll für den unterlagerten Drehmomentregler 11 aus.The second controller 12 is a speed controller, by means of which a certain speed at the electric motor 3 is set. The input quantity is the speed controller 12 the actual speed n is that it receives from a speed measurement or from an observer. The speed controller 12 gives at its output a setpoint Md soll for the subordinate torque controller 11 out.

Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die zwischenkreisspannungsabhängige Begrenzung eines Stellwerts der Motorregelung 10 zwecks Begrenzung der Rückspeisung von Energie vom Elektromotor 3 in den Zwischenkreis 6, wobei der Stellwert in dieser Ausführungsvariante dem vorgenannten Drehmomentsollwert Mdsoll entspricht, d. h. dem vom zweiten Regler 12 an den unterlagerten ersten Regler 11 vorgegebenen Sollwert.The core of the method according to the invention is the inter-circuit voltage-dependent limitation of a control value of the motor control 10 to limit the recovery of energy from the electric motor 3 in the DC link 6 , wherein the control value in this embodiment corresponds to the aforementioned torque setpoint Md soll , ie that of the second controller 12 to the subordinate first controller 11 predetermined setpoint.

Hierzu wird die vom Zwischenkreiskondensator 8 aufnehmbare Differenzenergie ΔEcap berechnet, die in den Zwischenkreis eingeprägt werden kann, um ihn von der aktuellen Spannung UDC bis zur vorgegebenen Maximalspannung UDC,max aufzuladen. Die im Zwischenkreis 6 gespeicherte Energie ist die im Kondensator 8 gespeicherte Energie, die wie folgt berechnet werden kann: Ecap = 1 / 2CDCU 2 / DC This is done by the DC link capacitor 8th calculates absorbable differential energy .DELTA.E cap , which can be impressed in the DC link to charge him from the current voltage U DC to the predetermined maximum voltage U DC, max . The in the DC link 6 stored energy is that in the capacitor 8th stored energy, which can be calculated as follows: E cap = 1 / 2C DC U 2 / DC

Eine Berechnungsmöglichkeit für die Differenzenergie ΔEcap ist folglich durch die folgende Gleichung G1 gegeben, die die Energiedifferenz der bei der Maximalspannung UDC,max im Zwischenkreis 6 gespeicherten Energie und der bei der aktuellen Zwischenkreisspannung UDC im Zwischenkreis 6 gespeicherten Energie beschreibt. dEcap = 1 / 2CDCU 2 / DC,max – 1 / 2CDCU 2 / DC (G1) A calculation option for the differential energy ΔE cap is therefore given by the following equation G1, which is the energy difference of the maximum voltage U DC, max in the DC link 6 stored energy and at the current intermediate circuit voltage U DC in the DC link 6 stored energy describes. dE cap = 1 / 2C DC U 2 / DC, max - 1 / 2C DC U 2 / DC (G1)

Die Bestimmung der mechanischen Leistung Pmech,Motor eines beliebigen Motors 3, wie z. B. einer permanent erregte Synchronmaschine, Asynchronmaschine, Reluktanzmaschine oder dergleichen, kann dargestellt werden als Funktion fP von der Drehzahl n und dem Drehmoment Md. Pmech,Motor = fP(Md, n) (G2) wobei Md das Drehmoment und n die Drehzahl ist.Determination of mechanical power P mech, the engine of any engine 3 , such as As a permanent magnet synchronous machine, asynchronous machine, reluctance machine or the like, can be represented as a function f P of the rotational speed n and the torque Md. P mech, motor = f P (M d , n) (G 2) where Md is the torque and n is the speed.

Wird berücksichtigt, dass die dem Motor 3 zugeordnete Drehmomentregelung 11a eine Zeitraum Δt benötigt, um einen vorgegebenen Sollwert Mdsoll ausgehend von einem beliebigen Istwert zu erreichen, kann die in diesem Zeitraum Δt in den Zwischenkreis 6 gespeiste Energie Emech,Motor über eine Funktion fP' beschrieben werden:

Figure DE102016003738A1_0004
It takes into account that the engine 3 assigned torque control 11a a period .DELTA.t is required to reach a predetermined setpoint Md , starting from any actual value, the .DELTA.t in this intermediate period 6 powered energy E mech, engine described by a function f P ':
Figure DE102016003738A1_0004

Als Zeitraum Δt wird geeigneterweise das Dreifache der Zeitkonstante τ des unterlagerten ersten Reglers 11 gewählt. Nach diesem Zeitraum hat der Istwert 95% des einzustellenden Sollwerts erreicht. Um die Vorgabe einer zu jeder Zeit begrenzten Zwischenkreisspannung UDC zu erfüllen, muss die vom Motor 3 über den Zeitraum Δt = 3τ in den Zwischenkreis 2 zurückführbare Leistung in jedem Zeitpunkt auf einen Wert kleiner gleich der maximal erlaubten aufnehmbaren Energiemenge ΔEcap des Zwischenkreises begrenzt werden. Dies bedeutet, dass der Elektromotor 3 so geregelt werden muss, dass die in den Zwischenkreis 6 gespeiste Energie Emech,Motor betraglich kleiner als die maximal erlaubte aufnehmbare Energiemenge ΔEcap, d. h. kleiner als die Differenzenergie ΔEcap bzw. größer als –ΔEcap ist. Dies gilt für beide Quadranten, in denen der Elektromotor im generatorischen Betriebs laufen kann, so dass hier mit den Beträgen gearbeitet werden muss. |Emech,Motor|≤|ΔEcap| (G4) The period Δt is suitably three times the time constant τ of the subordinate first regulator 11 selected. After this period, the actual value has reached 95% of the setpoint to be set. In order to meet the specification of a DC bus voltage U DC that is limited at all times, it must be the one from the motor 3 over the period Δt = 3τ in the DC link 2 traceable power can be limited at any time to a value less than or equal to the maximum allowable amount of absorbed energy ΔE cap of the DC link . This means that the electric motor 3 must be regulated so that in the intermediate circuit 6 powered energy E mech, motor smaller than the maximum allowable amount of energy ΔE cap , ie less than the differential energy is ΔE cap or greater than -ΔE cap . This applies to both quadrants, in which the electric motor can run in generator mode, so you have to work with the amounts here. | E mech, motor | ≤ | ΔE cap | (G4)

Diese Ungleichung kann analytisch oder numerisch gelöst werden und z. B. nach dem Drehmoment Md aufgelöst werden, sofern, wie in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, die zu begrenzende Stellgröße das Drehmoment ist. Es ergibt sich dann gemäß Ungleichung G5: |Md| ≤ |fEcap, n, Δt)| (G5) This inequality can be solved analytically or numerically and z. B. are resolved according to the torque Md, if, as in the present embodiment, the manipulated variable to be limited is the torque. It then follows from inequality G5: | M d | ≤ | f Ecap, n, At) | (G5)

Alternativ kann Gleichung (G4) auch nach der Rückspeiseleistung Pmech,Motor oder anderen entsprechende Größen aufgelöst und diese dann begrenzt werden. In diesem Fall bilden diese Rückspeiseleistung oder die andere Größe die erfindungsgemäß zu begrenzende Stellgröße.Alternatively, equation (G4) may also be resolved after the recovery power P mech, motor, or other corresponding quantities, and then limited. In this case, this regenerative power or the other size form the manipulated variable to be limited according to the invention.

Mit Gleichung (G5) erhält man eine Begrenzung für das Drehmoment. Damit ist ein Grenzwert Mdlim für die Stellgröße Drehmoment festgelegt: |Mdlim| = |f ' / E(ΔEcap, n, Δt)| (G5a) Mdlim = f ' / E(ΔEcap, n, Δt) für n < 0 (G5b) –Mdlim = –f ' / E(ΔEcap, n, Δt) für n > 0 (G5c) With equation (G5) one obtains a limitation for the torque. This defines a limit value Md lim for the manipulated variable torque: | Md lim | = | f '/ E (ΔE cap , n, Δt) | (G5a) Md lim = f '/ E (ΔE cap , n, Δt) for n <0 (G5b) -Md lim = -f '/ E (ΔE cap , n, Δt) for n> 0 (G5c)

Da die Differenzenergie ΔEcap abhängig von der aktuellen Zwischenkreisspannung UDC ist, ist auch der Grenzwert Mdlim eine aktuell gültige Größe, d. h. abhängig von der Zwischenkreisspannung UDC veränderlich.Since the differential energy ΔE cap is dependent on the current DC link voltage U DC , the limit value Md lim is also a currently valid variable, ie variable as a function of the intermediate circuit voltage U DC .

Die Begrenzung wird dann z. B. auf den Eingang des unterlagerten Drehmomentreglers 11 so angewandt werden, dass immer nur die einen regenerativen (generatorischen) Betrieb bewirkende Drehmomentkomponente begrenzt wird. So wird dann bei positiver Drehzahl eine Begrenzung des negativen Drehmoments (Md nicht kleiner als –Mdlim), bei negativer Drehzahl eine Begrenzung des positiven Drehmoments (Md nicht größer als +Mdlim) erreicht.The limitation is then z. B. on the input of the subordinate torque controller 11 be applied so that only the one regenerative (regenerative) operation causing torque component is limited. Thus, at positive speed, a limitation of the negative torque (Md not less than -Md lim ), at negative speed, a limitation of the positive torque (Md not greater than + Md lim ) reached.

Vorteilhafterweise wurden in der obigen Herleitung die Verluste von Motor 3 und Elektronik 2 vernachlässigt. Die in den Zwischenkreis einspeisbare Energie wird somit mit der mechanischen Leistung des Elektromotors gleichgesetzt. Denn im Falle einer Berücksichtigung könnte nur noch mehr Energie zurückgespeist werden, weil diese vom Motor rückgespeiste „Mehrenergie” ohnehin nur in die genannten Verluste umgewandelt wird, also gar nicht zur Erhöhung der Zwischenkreisspannung beträgt. Insoweit wird durch eine Ausführung des Verfahrens aufgrund der Ungleichung G5 stets automatisch ein Sicherheitsabstand zur maximalen Spannungsgrenze des Zwischenkreises 6 gehalten. Für eine exakte Berechnung, müssten jedoch auch diese Verluste berücksichtigt werden. In diesem Fall ist Ungleichung G4 wie folgt zu erweitern: |Emech,Motor| < |ΔEcap| + |Eloss,elec| + |Eloss,Motor| (G6) wobei Eloss,elec die Verlustenergie von Motorumrichter 7 und Zwischenkreis 6 im Zeitraum Δt und Eloss,Motor die Verlustenergie des Motors 3 im Zeitraum Δt sind. Bei einer exakten Berechnung der Energie müsste zudem ein Δt berücksichtigt werden, bei dem 100% des neuen Sollwerts erreicht werden, um ein Überschwingen der Zwischenkreisspannung zu vermeiden.Advantageously, in the above derivation, the losses of engine 3 and electronics 2 neglected. The energy which can be fed into the intermediate circuit is thus equated with the mechanical power of the electric motor. Because in the case of consideration, only more energy could be fed back, because these "extra energy" fed back by the engine is in any case only converted into the losses mentioned, that is, not at all to increase the intermediate circuit voltage. In that regard, an execution of the method due to the inequality G5 always automatically a safety margin to the maximum voltage limit of the DC link 6 held. For an exact calculation, however, these losses must also be taken into account. In this case, inequality G4 is to be extended as follows: | E mech, engine | <| ΔE cap | + | E loss, elec | + | E loss, engine | (G6) where E loss, elec the energy loss of motor inverter 7 and DC link 6 in the period Δt and E loss, engine the loss energy of the engine 3 in the period .DELTA.t are. In the case of an exact calculation of the energy, it would also be necessary to take into account a Δt at which 100% of the new setpoint value is reached in order to avoid an overshoot of the intermediate circuit voltage.

Dementsprechend ergibt sich analog zu Ungleichung G5 als Grenzwert für das Drehmoment Md: |Md| < |f ' / E(ΔEcap, n, Δt, Eloss,elec' Eloss,Motor)| (G7) |Mdlim| = |f ' / E(ΔEcap, n, Δt, Eloss,elec, Eloss,Motor)| (G7a) Accordingly, analogously to inequality G5, the limit value for the torque Md is: | M d | <| f '/ E (ΔE cap , n, Δt, E loss, elec ' E loss, engine ) | (G7) | Md lim | = | f '/ E (ΔE cap , n, Δt, E loss, elec , E loss, motor ) | (G7a)

Wie aus den Ungleichungen G5a und G7a in Verbindung mit Gleichung (1) deutlich wird, ändert sich vor allem abhängig von der aktuellen Zwischenkreisspannung UDC der Grenzwert Mdlim für das hier als Stellgröße gewählte Drehmoment Md bis der Grenzwert Mdlim zu null wird, wenn die Zwischenkreisspannung UDC exakt die maximale Zwischenkreisspannung UDC,max erreicht hat.As is clear from inequalities G5a and G7a in conjunction with equation (1), the limit value Mdlim for the torque Md selected here as the manipulated variable changes, in particular depending on the actual intermediate circuit voltage U DC, until the limit value Mdlim becomes zero, if the DC link voltage U DC has reached exactly the maximum intermediate circuit voltage U DC, max .

Eine grafische Darstellung des Grenzwertverlaufs 16, d. h. des berechneten maximalen Bremsmoments Mdlim als Funktion der Zwischenkreisspannung UDC ist für positive Drehzahlen als Beispiel in 2 dargestellt. Eine korrespondierende Darstellung des Grenzwertverlaufs 17 für negative Drehzahlen zeigt beispielhaft 3. Die Verläufe können jedoch auch anders aussehen und sollen hier lediglich der Veranschaulichung dienen. A graphic representation of the limit value course 16 , ie the calculated maximum braking torque Md lim as a function of the intermediate circuit voltage U DC is for positive speeds as an example in 2 shown. A corresponding representation of the limit value course 17 for negative speeds shows by way of example 3 , However, the gradients may also look different and are intended to be illustrative only.

Die Grenzwertverläufe zeigen einen mit zunehmender Zwischenkreispannung UDC betraglich kleiner werdenden Grenzwert Mdlim. Erreicht die Zwischenkreisspannung UDC die maximale Zwischenkreisspannungsgrenze UDC,max wird der Grenzwert jeweils null. Zudem ist der Grenzwert Mdlim in Richtung steigender Grenzwerte, d. h. fallender Zwischenkreisspannung UDC durch einen Maximalwert Mdmax begrenzt. Dabei ist das maximale Drehmoment Mdmax eine vom Antriebssystem vorgegebene Größe. Bei steigender Zwischenkreisspannung UDC wird eine strengere maximale Drehmomentbegrenzung – bestimmt aus der oben hergeleiteten Gleichungen G5a, G7a angewandt. Die Begrenzung des Grenzwerts Mdlim auf das physikalisch bedingte Drehmomentmaximum Mdmax tritt in den Abbildungen jeweils ab einer ersten Zwischenkreisspannung UDC,Limit,1 auf.The limit value curves show a limit value Md lim which becomes smaller as the DC link voltage U DC increases . If the intermediate circuit voltage U DC reaches the maximum intermediate circuit voltage limit U DC, max , the limit value becomes zero in each case. In addition, the limit Md lim in the direction of increasing limits, ie falling DC link voltage U DC limited by a maximum value Md max . The maximum torque Md max is a size predefined by the drive system. As the intermediate circuit voltage U DC increases , a stricter maximum torque limitation determined from the equations G5a, G7a derived above is applied. The limitation of the limit value Md lim to the physically determined torque maximum Md max occurs in the figures in each case starting at a first intermediate circuit voltage U DC, Limit, 1 .

Unterhalb dieser Spannungsgrenze UDC,Limit,1 könnte grundsätzlich mehr Energie pro Zeiteinheit in den Zwischenkreis eingespeist werden, als das System mechanisch oder elektrisch zu ertragen vermag.Below this voltage limit U DC, limit, 1 , more energy per unit of time could in principle be fed into the DC link than the system can endure mechanically or electrically.

Die Berechnung des aktuellen Grenzwerts Mdlim für die Stellgröße, hier also für das Solldrehmoment Mdsoll, erfolgt in einer Grenzwertermittlungseinrichtung, die in 1 mit der Bezugsziffer 13 versehen ist.The calculation of the current limit value Md lim for the manipulated variable, in this case for the setpoint torque Md soll , takes place in a limit value determination device, which in 1 with the reference number 13 is provided.

4 zeigt in Erweiterung der 1 eine grafische Darstellung des zwischenkreisspannungsabhängigen Grenzwertverlaufs 16 Mdlim (UDC) für positive Drehzahlen mit zusätzlichem, rein beispielhaften Verlauf 18 eines beliebigen von der Drehzahlregelung berechneten Solldrehmoments Mdsoll. Bei dieser Darstellung wird deutlich, dass, obgleich es zu jedem Zeitpunkt einen aktuellen Grenzwert Mdlim gibt, nicht unbedingt permanent eine Begrenzung der Stellgröße, d. h. hier des Solldrehmoments Mdsoll, erforderlich ist. Denn unterhalb einer zweiten Zwischenkreisspannung UDC,2 ist das vom Drehzahlregler 12 ermittelte Solldrehmoment Mdsoll nicht betraglich größer als der entsprechende Grenzwert Mdlim. 4 shows in extension the 1 a graphical representation of the intermediate circuit voltage dependent limit value curve 16 Md lim (U DC ) for positive speeds with additional, purely exemplary course 18 of any computed from the speed control to the target torque Md. In this representation, it becomes clear that, although there is a current limit value Md lim at any time, it is not absolutely necessary to permanently limit the manipulated variable, ie here the setpoint torque Md soll . Because below a second intermediate circuit voltage U DC, 2 is the speed controller 12 Determined setpoint torque Md should not be greater than the corresponding limit value Md lim .

Eine Begrenzung wird lediglich zwischen der zweiten Zwischenkreisspannung UDC,2 und einer dritten Zwischenkreisspannung UDC,3 bewirkt. Dieser Begrenzungsbereich ist mit Bezugsziffer 19 versehen und schraffiert in 3 hervorgehoben. Auch oberhalb der dritten Zwischenkreisspannung UDC,3 erfolgt keine Begrenzung des Solldrehmoments Mdsoll, weil es kleiner als der aktuelle Stellgrößengrenzwert ist. Die erfindungsgemäße Begrenzung muss also nicht sofort Einfluss auf die Motorregelung haben. Im Beispiel von 3 wird vom unterlagerten Drehmomentregler 11 der Sollwert Mdsoll entsprechend der Kurve 18 umgesetzt. Erst wenn der Sollwert Mdsoll den zu jeder Zwischenkreisspannung UDC neu berechneten Grenzwert Mdlim erreicht, tritt eine Begrenzung des Sollwerts des unterlagerten Regelkreises auf, schraffierter Bereich 19.A limitation is only effected between the second intermediate circuit voltage U DC, 2 and a third intermediate circuit voltage U DC, 3 . This bounding area is indicated by reference numeral 19 provided and hatched in 3 highlighted. Even above the third intermediate circuit voltage U DC, 3 there is no limitation of the setpoint torque Md soll , because it is smaller than the current manipulated variable limit value. The limitation according to the invention therefore does not have to have an immediate effect on the engine control. In the example of 3 is from the lower-level torque controller 11 the setpoint Md should correspond to the curve 18 implemented. Only when the setpoint Md is to reach the limit value Mdlim recalculated for each intermediate circuit voltage U DC does a limitation of the setpoint value of the subordinate control loop occur, hatched area 19 ,

Im Hinblick auf das Blockdiagramm in 1 wird die Begrenzung des Soll-Drehmoments Mdsoll von einer Stellgrößenbegrenzungseinrichtung 14 durchgeführt, die regelungstechnisch zwischen dem ersten und dem zweiten Regler 11, 12 bzw. hinsichtlich des Signalflusses vor dem ersten Regler 11 und hinter dem zweiten Regler 12 liegt.With regard to the block diagram in 1 is the limitation of the desired torque Md soll of a manipulated variable limiting device 14 performed, the control technology between the first and the second controller 11 . 12 or with regard to the signal flow before the first controller 11 and behind the second regulator 12 lies.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nun noch anhand des Ablaufdiagramms in 5 erläutert, wobei entsprechend der Ausführungsvariante gemäß 1 die Stellgröße das Solldrehmoment Mdsoll für den Antriebs 1 ist, welches von einem ersten Regler 11 eingestellt und von einem zweiten Regler 12 bereitgestellt wird.The inventive method will now be described with reference to the flowchart in 5 explained, according to the embodiment according to 1 the manipulated variable the setpoint torque Md is intended for the drive 1 is which of a first regulator 11 set and by a second regulator 12 provided.

Ausgehend von der aktuellen Drehzahl nist und einer zu erreichenden Drehdrehzahl nsoll bestimmt der Drehzahlregler 12 in Schritt 12a das notwendige Drehmoment Mdsoll, um den Elektromotor 3 von der Istdrehzahl auf die Solldrehzahl zu beschleunigen (Beschleunigungsmoment) oder abzubremsen (Bremsmoment). In der Stellgrößenbegrenzungseinheit 14 erfolgt dann in Schritt 14a die Überprüfung, ob das ermittelte Soll-Drehmoment Mdsoll betraglich größer als der von der Grenzwertermittlungseinrichtung 13 bestimmte aktuelle Grenzwert Mdlim ist. Is Starting n of the current speed and to reach a rotational speed n soll determined, the speed controller 12 in step 12a the necessary torque Md is supposed to be the electric motor 3 to accelerate from the actual speed to the set speed (acceleration torque) or decelerate (braking torque). In the command value limiting unit 14 then takes place in step 14a checking whether the determined setpoint torque Md should be greater than that of the limit value determination device 13 certain current limit Md lim is.

Ist dies nicht der Fall (NEIN-Zweig) wird der ermittelte Drehmomentsollwert Mdsoll unverändert an den Drehmomentregler 11 gegeben, der eine entsprechende Drehmomentregelung 11a vornimmt. Folglich bleibt das vom Drehzahlregler 12 ermittelte Solldrehmoment Mdsoll die Eingangsgröße für den Drehmomentregler 11. Hierbei ermittelt er die zum Erreichen des Drehmoments Mdsoll notwendigen Phasenspannungen ua, ub, uc, die er dem nachgeschalteten Modulator 15 wiederrum als Sollgrößen übergibt. Der Modulator 15 steuert nun den Wechselrichter 7 gemäß einer Modulationsart an, beispielsweise einer Pulsweitenmodulation, in dem die Halbleiterschalter des Wechselrichters entsprechend geschaltet werden.If this is not the case (NO branch), the determined torque setpoint Md shall remain unchanged at the torque controller 11 given, the appropriate torque control 11a performs. Consequently, that remains of the speed controller 12 Determined setpoint torque Md is the input variable for the torque controller 11 , Here, it determines the reaching of the torque Md to necessary phase voltages u a, u b, u c, he the downstream modulator 15 in turn, as nominal values passes. The modulator 15 controls now the inverter 7 according to a modulation type, for example a pulse width modulation in which the semiconductor switches of the inverter are switched accordingly.

Ist das ermittelte Soll-Drehmoment Mdsoll allerdings betraglich größer als der von der Grenzwertermittlungseinrichtung 13 bestimmte aktuelle Grenzwert Mdlim ist (JA-Zweig) so wird der Soll-Drehmoment Mdsoll in der Stellgrößenbegrenzungseinheit 14 auf den aktuellen Grenzwert Mdlim begrenzt und dem Drehmomentregler 11 wird dieser Grenzwert Mdlim als Sollwert vorgegeben, wodurch die Rückspeisung der Energie begrenzt wird.If, however, the determined nominal torque Md is to be greater than that of the limit value determination device 13 certain current limit value Md lim is (YES branch) so the setpoint torque Md soll is in the manipulated variable limiting unit 14 limited to the current limit Md lim and the torque controller 11 this limit Md lim is set as the setpoint, which restricts the return of energy.

Die Bestimmung des aktuellen Grenzwerts Mdlim erfolgt im Rahmen einer zwischenkreisspannungsabhängigen Grenzwertermittlung 13a, die diesen Grenzwert Mdlim wiederholt mit der Regelungsausführungsgeschwindigkeit des unterlagerten Drehmomentreglers 11 berechnet.The determination of the current limit value Md lim takes place in the context of an intermediate circuit voltage-dependent limit value determination 13a which repeats this limit value Md lim with the control execution speed of the subordinate torque controller 11 calculated.

Hierzu wird in einem ersten Schritt 13.1 die aktuelle Zwischenkreisspannung UDC ermittelt. In einem zweiten Schritt 13.2 wird die Differenzenergie ΔEcap berechnet, die bis zum Erreichen einer maximalen Spannungsgrenze UDC,max noch in den Zwischenkreis 6 eingespeist werden kann. Anschließend wird daraus der aktuelle Stellgrößengrenzwert in Schritt 13.3 berechnet. Schließlich erfolgt dann noch in Schritt 13.4 eine Prüfung, ob der berechnete aktuelle Grenzwert Mdlim eine physikalisch-mechanisch/elektrisch bedingte maximale Drehmomentgrenze Mdmax überschreitet. Ist dies der Fall, wird der Grenzwert Mdlim auf diese maximale Drehmomentgrenze Mdmax begrenzt, Schritt 13.5. Die Grenzwertermittlungseinrichtung 13 gibt dann diesen begrenzten Grenzwert Mdlim an die Stellgrößenbegrenzungseinheit 14. Ist dies nicht der Fall, wird der aktuelle Grenzwert Mdlim unverändert an die Stellgrößenbegrenzungseinheit 14 ausgegeben. Dieses Verfahren wird kontinuierlich wiederholt.This will be done in a first step 13.1 the current DC link voltage U DC determined. In a second step 13.2 the differential energy ΔE cap is calculated, which is still in the DC link until a maximum voltage limit U DC, max is reached 6 can be fed. This then becomes the current manipulated variable limit in step 13.3 calculated. Finally, then in step 13.4 a check as to whether the calculated current limit value Mdlim exceeds a physical-mechanical / electrical maximum torque limit Md max . If this is the case, the limit value Md lim is limited to this maximum torque limit Md max , step 13.5 , The limit determination device 13 then gives this limited limit Md lim to the manipulated variable limiting unit 14 , If this is not the case, the current limit value Md lim is unchanged at the manipulated variable limiting unit 14 output. This process is repeated continuously.

Gemäß einer anderen Ausführungsvariante regelt der unterlagerte erste Regler 11 das Drehmoment Md aufgrund eines vorgegeben Stromsollwerts iq,soll für die das Drehmoment Md bildende Stromkomponente iq, so dass er einen Stromregler bildet. Diese Ausführungsvariante betrifft vor allem einen permanentmagneterregten Synchronmotor, der mittels einer feldorientierten Regelung geregelt wird. Hier kann die mechanische Leistung Pmech aus Gleichung G2a berechnet werden. Pmech = Md·Ω = 3 / 2piq[id(Ld – Lq) + ψPM]·Ω (G2a) According to another embodiment, the lower-level first controller regulates 11 the torque Md due to a given current command value i q, is intended for the current component i q forming the torque Md, so that it forms a current regulator. This embodiment mainly relates to a permanent magnet synchronous motor, which is controlled by means of a field-oriented control. Here, the mechanical power P mech can be calculated from equation G2a. P mech = Md · Ω = 3 / 2pi q [i d (L d -L q ) + ψ PM ] · Ω (G2a)

Dabei ist p die Polpaarzahl des Elektromotors, iq die das Drehmoment bildende Stromkomponenten, iq die das Feld aufbauende Stromkomponente, Ld die Induktivität des Stators in Richtung der d-Achse sowie Lq die Induktivität des Stators in Richtung der q-Achse eines mit dem Rotor rotierenden Koordinatensystems mit den Achsen d und q, ψPM die Flussverkettung des Rotors und Ω die Winkelgeschwindigkeit/Drehzahl des Rotors.In this case, p is the number of pole pairs of the electric motor, i q is the current components forming the torque, i q is the component of current forming the field, L d is the inductance of the stator in the direction of the d axis, and L q is the inductance of the stator in the direction of the q axis with the rotor rotating coordinate system with the axes d and q, ψ PM the flux linkage of the rotor and Ω the angular velocity / speed of the rotor.

Bei der Berechnung wird angenommen, dass die mechanische Leistung Pmech über einen Steuerzyklus konstant ist, obgleich sie infolge des Bremsens abnimmt, weil die Stromregelung die drehmomentbildende Stromkomponente iq im Hinblick auf die Sollstrombegrenzung anpassen wird. Dies ist eine worst-case Annahme, die zu einer konservativen Berechnung des Grenzwerts iq,lim für den Sollstrom Iq,soll führt.In the calculation, it is assumed that the mechanical power P mech is constant over a control cycle, although it decreases due to the braking because the current control will adjust the torque-forming current component i q with respect to the target current limit. This is a worst-case assumption, which leads to a conservative calculation of the limit value i q, lim for the nominal current I q, soll .

Nach einem Zeitraum Δt von der dreifachen Zeitkonstante des Stromreglers, beträgt die in den Zwischenkreis 6 eingespeiste Energie gemäß Gleichung G3a etwa Emech = 3 / 2piq[id(Ld – Lq) + ψPM]·Ω·Δt (G3a) After a period Δt of three times the time constant of the current controller, that is in the DC link 6 fed energy according to equation G3a approximately E mech = 3 / 2pi q [i d (L d - L q) + ψ pm] · Ω · .DELTA.t (G3a)

Hierbei handelt es sich um eine Approximation. Denn zum einen ist der Zeitraum Δt eine frei aber sinnvoll gewählte Zeitdauer, zum anderen ist der drehmomentbildende Strom iq innerhalb dieser Zeitdauer Δt nicht konstant, so dass die rückgespeiste Energie nicht konstant während des Zeitintervalls Δt ist. Ferner ändert sich während des Zeitraums Δt auch die Drehzahl und somit die mechanischen Leistung, so dass auch deshalb die rückgespeiste Energie während des Zeitintervalls Δt nicht konstant ist. Schließlich werden hier die Verluste des Elektromotors und der Leistungselektronik vernachlässigt, die zu einer reduzierten Zwischenkreisspannung führen. Bei einer genauen Berechnung können diese Faktoren zwar allesamt berücksichtigt werden. Die hier präsentierte Lösung führt jedoch zu einem großen Sicherheitsabstand zu exakten Spannungsgrenzen, um eine Überschreitung der maximalen Spannungsgrenze des Zwischenkreises 6 selbst dann zu verhindern, wenn der Wert der Zwischenkreiskapazität 8 oder die Zeitkonstante des Stromreglers 11 ungenau sind. Darüber hinaus ist die vorgestellte Berechnungsmethode besonders einfach, d. h. weniger komplex als eine alle physikalischen Eigenschaften des Antriebs realitätsgetreu nachbildende Berechnungsmethode. Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit problemlos auf einem herkömmlichen Mikrocontroller der Pumpenelektronik ablaufen.This is an approximation. For one thing, the period .DELTA.t is a free but meaningfully selected period of time, on the other hand, the torque-forming current iq is not constant within this period of time .DELTA.t, so that the energy fed back is not constant during the time interval .DELTA.t. Furthermore, during the period .DELTA.t also the rotational speed and thus the mechanical power change, so that therefore also the energy fed back during the time interval .DELTA.t is not constant. Finally, the losses of the electric motor and the power electronics are neglected here, which lead to a reduced intermediate circuit voltage. For a precise calculation, these factors can all be taken into account. However, the solution presented here leads to a large safety margin to exact voltage limits, to exceed the maximum voltage limit of the DC link 6 even if prevent the value of the DC link capacitance 8th or the time constant of the current controller 11 are inaccurate. In addition, the presented calculation method is particularly simple, that is, less complex than a realistic simulation of all physical properties of the drive simulation method. The method according to the invention can thus be carried out without problems on a conventional microcontroller of the pump electronics.

Ausgehend von Gleichung G3a ist analog zu Gleichung G4 nun zu fordern, dass die in den Zwischenkreis 6 rückgespeiste Energie –Emech (das Minuszeichen folgt aus dem umgekehrten Energiefluss) stets kleiner als die Differenzenergie ΔEcap ist, solange die Spannungsobergrenze UDC,max im Zwischenkreis 6 nicht erreicht ist. Somit gilt –Emech < ΔEcap (G4a) Starting from equation G3a, analogously to equation G4, it is now necessary to request that the values in the DC link 6 regenerated energy -E mech (the minus sign follows from the reverse energy flow) is always smaller than the differential energy ΔE cap , as long as the upper voltage limit U DC, max in the DC link 6 is not reached. Thus applies -E mech <ΔE cap (G4a)

Durch Einsetzen der Gleichungen G1 und G3a in Gleichung G4a erhält man als Forderung für den Sollwert iq,soll der drehmomentbildenden Stromkomponente iq bei der aktuellen Zwischenkreisspannung UDC, sowie bei der aktuellen Drehzahl Ω und mit einer dem Zeitraum Δt entsprechenden Zeitkonstante des Stromreglers 11 gemäß Ungleichung G8:

Figure DE102016003738A1_0005
By substituting the equations G1 and G3a in equation G4a, one obtains as a requirement for the setpoint value iq , should the torque-forming current component i q at the current DC link voltage U DC , and at the current speed Ω and with a time constant of the current controller corresponding time period .DELTA.t 11 according to inequality G8:
Figure DE102016003738A1_0005

Aus Gleichung G8 folgt, dass der aktuelle Grenzwert iq,lim gleich dem rechten Term der Ungleichung G8 ist. Diese Ungleichung gilt für positive Drehzahlen. Bei negativen Drehzahlen sind das Vorzeichen des Terms auf der rechten Seite sowie das Vergleichszeichen umzudrehen.It follows from equation G8 that the current limit i q, lim is equal to the right term of the inequality G8. This inequality applies to positive speeds. In the case of negative speeds, the sign of the term on the right-hand side and the reference symbol must be reversed.

In der beschriebenen Ausführungsvariante ist die zu begrenzende Stellgröße der Sollwert iq,soll der drehmomentbildenden Stromkomponente iq des Statorstroms. Dieser wird vom zweiten Regler 12 ausgegeben und ist dann analog zu dem vorherigen Beispiel Eingangsgröße für den unterlagerten ersten Regler 11. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dann identisch zu dem Ablauf in 5, wobei lediglich das Drehmoment durch die drehmomentbildenden Stromkomponente iq auszutauschen ist.In the embodiment described, the manipulated variable to be limited is the setpoint value i q, ought to be the torque-forming current component i q of the stator current. This is from the second controller 12 is output and is then analogous to the previous example input variable for the subordinate first controller 11 , The inventive method is then identical to the sequence in 5 , wherein only the torque is to be replaced by the torque-forming current component i q .

Obgleich in 6 die Schritte 13.2 und 13.3 als einzelne Berechnungsschritte aufgeführt sind, wird anhand von Ungleichung G8 deutlich, dass sich aufgrund dem Ineinander setzen der Gleichungen G1 und G3a nur eine einzige Gleichung für den Grenzwert iq,lim ergibt, so dass Schritt 13.2 zur Berechnung der Differenzenergie auch als Teil des Schrittes 13.3. zu Stellgrößengrenzwertberechnung verstanden werden kann.Although in 6 the steps 13.2 and 13.3 are shown as individual calculation steps, it becomes clear from inequality G8 that, due to the intermingling of the equations G1 and G3a, only a single equation results for the limit value i q, lim , so that step 13.2 for calculating the differential energy also as part of the step 13.3 , to manipulated variable limit calculation can be understood.

Im Falle des Drehmoments Md als erfindungsgemäß zu begrenzende Stellgröße kann der Grenzwert Mdlim für einen PM-Synchronmotor mit feldorientierter Regelung aus Gleichung G9 ermittelt werden:

Figure DE102016003738A1_0006
In the case of the torque Md as a manipulated variable to be limited according to the invention, the limit value Mdlim for a PM synchronous motor with field-oriented control can be determined from equation G9:
Figure DE102016003738A1_0006

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird immer eine maximale Rückspeisung in den Zwischenkreis erlaubt. Ferner wird ein Überschwingen der Zwischenkreisspannung durch Berücksichtigung der Zeitkonstante des unterlagerten Drehmomentreglers ausgeschlossen. Zusätzlich wird auf einen Zwischenkreisspannungsregler und damit auf eine Erhöhung der Systemkomplexität verzichtet. Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit besonders einfach implementiert werden und bewirkt eine zuverlässige und betriebssichere Begrenzung der Energierückspeisung in den Spannungszwischenkreis des Frequenzumrichters.With the method according to the invention a maximum feedback is always allowed in the DC link. Furthermore, an overshoot of the intermediate circuit voltage is excluded by taking into account the time constant of the subordinate torque controller. In addition, an intermediate circuit voltage regulator and thus an increase in system complexity are dispensed with. The method according to the invention can thus be implemented particularly simply and brings about a reliable and reliable limitation of the energy feedback into the voltage intermediate circuit of the frequency converter.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Antriebdrive
22
Frequenzumrichterfrequency converter
33
Elektromotorelectric motor
44
Last, PumpeneinheitLoad, pump unit
55
Gleichrichter, NetzumrichterRectifier, network converter
66
SpannungszwischenkreisVoltage link
77
Wechselrichter, MotorumrichterInverter, motor inverter
88th
Kondensator, ZwischenkreiskapazitätCapacitor, DC link capacitance
99
Bremswiderstandbraking resistor
1010
Motorregelungmotor control
1111
Erster Regler, DrehmomentreglerFirst controller, torque controller
11a11a
Drehmomentregelungtorque control
12 12
Zweiter Regler, DrehzahlreglerSecond controller, speed controller
12a12a
Soll-DrehmomentbestimmungTarget torque determination
1313
GrenzwertermittlungseinrichtungThreshold detection means
133133
Zwischenkreisabhängige GrenzwertermittlungDC link-dependent limit value determination
13.113.1
ZwischenkreisspannungsbestimmungIntermediate circuit voltage determination
13.213.2
DifferenzenergieberechnungDifferential energy calculation
13.313.3
Ermittlung des aktuellen StellgrößengrenzwertsDetermination of the current command value limit value
13.413.4
Grenzwertvergleichlimit Compare
13.513.5
StellgrößengrenzwertbegrenzungManipulated variable threshold limit
1414
StellgrößenbegrenzungseinheitOutput limiting unit
14a14a
StellgrößenbegrenzungCommand value limit
1515
Modulatormodulator
15a15a
Modulationmodulation
1616
beispielhafte Zwischenkreisabhängige Stellgrößenmaximalkurve für positive Drehzahlenexemplary DC link-dependent command value maximum curve for positive speeds
1717
beispielhafte Zwischenkreisabhängige Stellgrößenmaximalkurve für negative Drehzahlenexemplary DC link-dependent manipulated variable maximum curve for negative speeds
1818
Möglicher DrehmomentverlaufPossible torque curve
1919
Wirkungsbereich der StellgrößenbegrenzungRange of action of the command value limit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 1206040 A2 [0011, 0016] EP 1206040 A2 [0011, 0016]

Claims (17)

Verfahren zum Betreiben eines eine Last (4) antreibenden Elektromotors (3), der von einem Frequenzumrichter (2) mit Spannungszwischenkreis (6) gespeist und durch eine den Frequenzumrichter (2) steuernde Motorregelung (10) in seiner Drehzahl derart geregelt ist, dass er bei einem Bremsen Energie in den Spannungszwischenkreis (6) zurückspeist, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der aktuellen Zwischenkreisspannung (Udc) aus einer in den Spannungszwischenkreis (6) einspeisbaren Differenzenergie (ΔEcap) ein aktueller Grenzwert (Mdlim, iqlim) für eine Stellgröße (Mdsoll, iqsoll) der Motorregelung (10) ermittelt und dass zur Begrenzung der in den Spannungszwischenkreis (6) vom Elektromotor (3) zurückgespeisten Energie ein von der Motorregelung (10) ermittelter Wert der Stellgröße (Mdsoll, iqsoll) auf den Grenzwert (Mdlim, iqlim) begrenzt wird, wenn der Wert betraglich den Betrag des Grenzwerts (Mdlim, iqlim) überschreitet.Method of operating a load ( 4 ) driving electric motor ( 3 ), by a frequency converter ( 2 ) with voltage intermediate circuit ( 6 ) and by a frequency converter ( 2 ) controlling engine control ( 10 ) is regulated in its rotational speed in such a way that, during braking, it transfers energy into the voltage intermediate circuit ( 6 ) fed back, characterized in that in dependence on the current DC link voltage (U dc ) from one in the voltage intermediate circuit ( 6 ) input energy difference (ΔE cap ) a current limit (Md lim , iq lim ) for a manipulated variable (Md soll , iq soll ) of the motor control ( 10 ) and that for limiting the voltage in the voltage intermediate circuit ( 6 ) from the electric motor ( 3 ) fed back energy from the engine control ( 10 ) value of the manipulated variable (Md soll , iq soll ) is limited to the limit value (Md lim , iq lim ), if the value exceeds the amount of the limit value (Md lim , iq lim ). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenzenergie (ΔEcap) die Energiedifferenz zwischen der bei der aktuellen Zwischenkreisspannung (Udc) im Spannungszwischenkreis (6) gespeicherten Energie und der bei einer maximalen Zwischenkreisspannung (UDC,max) im Spannungszwischenkreis (6) gespeicherten Energie ist.A method according to claim 1, characterized in that the differential energy (ΔE cap ), the energy difference between the at the current DC link voltage (U dc ) in the voltage intermediate circuit ( 6 ) and at a maximum intermediate circuit voltage (U DC, max ) in the voltage intermediate circuit ( 6 ) stored energy. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße (Mdsoll, iqsoll) von einem übergeordneten zweiten Regler (12) der Motorregelung (10) als Sollwert für einen unterlagerten ersten Regler (11) der Motorregelung (10) ausgegeben wird, wobei eine Ausgangsgröße (Ua,b,c) des ersten Reglers (11) direkt oder indirekt auf den Frequenzumrichter (2) einwirkt.Method according to Claim 1 or 2, characterized in that the manipulated variable (Md soll , iq soll ) is transmitted from a higher-order second controller ( 12 ) of the engine control ( 10 ) as setpoint for a subordinate first controller ( 11 ) of the engine control ( 10 ), wherein an output variable (U a, b, c ) of the first regulator ( 11 ) directly or indirectly to the frequency converter ( 2 ) acts. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Regler (11) ein Drehzahlregler oder ein Leistungsregler ist.Method according to Claim 3, characterized in that the second controller ( 11 ) is a speed controller or a power controller. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße (Mdsoll, iqsoll) ein Drehmoment (Mdsoll), eine Drehmoment bildende Stromkomponente (iqsoll) oder eine dem Drehmoment äquivalente Größe, insbesondere ein magnetischer Fluss ist.Method according to Claim 3 or 4, characterized in that the manipulated variable (Md soll , iq soll ) is a torque (Md soll ), a torque-forming current component (iq soll ) or a torque-equivalent variable, in particular a magnetic flux. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorregelung (10) eine feldorientierte Regelung durchführt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the engine control ( 10 ) performs a field-oriented regulation. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Grenzwerts (Mdlim, iqlim) unter der Annahme eines verlustfreien Elektromotors (3) und/oder Frequenzumrichters (2) erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the determination of the limit value (Md lim , iq lim ) assuming a lossless electric motor ( 3 ) and / or frequency converter ( 2 ) he follows. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert (Mdlim, iqlim) aus einer der Gleichungen
Figure DE102016003738A1_0007
ermittelt wird, wobei CDC eine Kapazität des Spannungszwischenkreises ist, UDC die aktuelle Spannung im Spannungszwischenkreis (6), UDC,max eine maximale Spannung im Spannungszwischenkreis (6), p die Polpaarzahl des Elektromotors, id eine Feld bildende Komponente des Motorstroms, iq,lim der Grenzwert einer Drehmoment bildenden Komponente des Motorstroms, Mdlim der Grenzwert für das Drehmoment, Pmlim der Grenzwert für die mechanische Motorleistung, Ld die Statorinduktivität des Elektromotors in Richtung der d-Achse eines mit dem Rotor umlaufenden Koordinatensystems, Lq die Statorinduktivität des Elektromotors in Richtung der q-Achse eines mit dem Rotor umlaufenden Koordinatensystems, ψPM der magnetische Fluss eines permanenterregten Rotors des Elektromotors, Ω die aktuelle mechanische Winkelgeschwindigkeit des Rotors des Elektromotors, und Δt ein Zeitraum ist, während dem Energie in den Spannungszwischenkreis gespeist wird und den die Motorregelung benötigt, um einen vorgegebenen Sollwert von einem beliebigen Istwert zu einem bestimmten Prozentsatz zu erreichen.
Method according to one of the preceding claims, characterized in that the limit value (Md lim , iq lim ) from one of the equations
Figure DE102016003738A1_0007
where C DC is a capacitance of the voltage intermediate circuit, U DC is the actual voltage in the voltage intermediate circuit ( 6 ), U DC, max a maximum voltage in the voltage intermediate circuit ( 6 ), p is the number of pole pairs of the electric motor, i d is a field-forming component of the motor current, i q, lim is the limit value of a torque-forming component of the motor current, Md lim is the limit value for the torque, Pm lim is the limit value for the mechanical motor power, L d is Statorinduktivität the electric motor in the direction of the d-axis of a rotating with the rotor coordinate system, L q is the stator inductance of the electric motor in the direction of the q-axis of a coordinate system rotating with the rotor, ψ PM is the magnetic flux of a permanent-magnet rotor of the electric motor, Ω is the current mechanical angular velocity of the rotor of the electric motor, and Δt is a period during which energy is in the voltage supply circuit is fed and needs the motor control to achieve a predetermined setpoint from any actual value to a certain percentage.
Verfahren nach Anspruch 3 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitraum Δt das Dreifache einer Zeitkonstante (τ) des unterlagerten ersten Reglers (11) ist.Method according to Claims 3 and 8, characterized in that the time period Δt is three times a time constant (τ) of the lower-level first controller ( 11 ). Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der ermittelte aktuelle Grenzwert (Mdlim, iqlim) bei betraglichem Überschreiten eines maximalen Grenzwerts (Mdmax, iqmax) auf diesen maximalen Grenzwert (Mdmax, iqmax) begrenzt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the determined current limit value (Md lim , iq lim ) is limited to this maximum limit value (Md max , iq max ) when exceeding a maximum limit value (Md max , iq max ). Antrieb (1) umfassend einen Elektromotor (3) zum Antreiben einer Last (4), einen Frequenzumrichter (2) mit Spannungszwischenkreis (6) zum Speisen des Elektromotors (3) und eine Motorregelung (10) zur Steuerung des Frequenzumrichters (2) und Regelung der Drehzahl des Elektromotors (3), gekennzeichnet durch – Mittel zur Erfassung der aktuellen Zwischenkreisspannung (UDC) des Spannungszwischenkreises (6), – eine Grenzwertermittlungseinrichtung (13) zur Ermittlung eines aktuellen Grenzwerts (Mdlim, iqlim) für eine Stellgröße (Mdsoll, iqsoll) der Motorregelung (10) aus einer in den Spannungszwischenkreis (6) einspeisbaren Differenzenergie (ΔEcap) in Abhängigkeit der aktuellen Zwischenkreisspannung (UDC), – eine Stellgrößenbegrenzungseinheit (14) zur Begrenzung der Stellgröße (Mdsoll, iqsoll) auf den ermittelten Grenzwert (Mdlim, iqlim) zur Begrenzung der in den Spannungszwischenkreis (6) vom Elektromotor (3) zurückgespeisten Energie.Drive ( 1 ) comprising an electric motor ( 3 ) for driving a load ( 4 ), a frequency converter ( 2 ) with voltage intermediate circuit ( 6 ) for feeding the electric motor ( 3 ) and a motor control ( 10 ) for controlling the frequency converter ( 2 ) and control of the speed of the electric motor ( 3 ), characterized by - means for detecting the actual intermediate circuit voltage (U DC ) of the voltage intermediate circuit ( 6 ), - a limit value determination device ( 13 ) for determining a current limit value (Md lim , iq lim ) for a manipulated variable (Md soll , iq soll ) of the motor control ( 10 ) from one into the voltage intermediate circuit ( 6 ) feed-in differential energy (ΔE cap ) as a function of the current DC link voltage (U DC ), - a command value limiting unit ( 14 ) for limiting the manipulated variable (Md soll , iq soll ) to the determined limit value (Md lim , iq lim ) for limiting in the voltage intermediate circuit ( 6 ) from the electric motor ( 3 ) fed back energy. Antrieb (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorregelung (10) einen unterlagerten ersten Regler (11) zur Steuerung des Frequenzumrichters (2) und einen diesem ersten Regler (11) übergeordneten zweiten Regler (12) zur Ausgabe der Stellgröße als Sollwert für den ersten Regler (11) aufweist.Drive ( 1 ) according to claim 11, characterized in that the engine control ( 10 ) a subordinate first controller ( 11 ) for controlling the frequency converter ( 2 ) and a first controller ( 11 ) superordinate second controller ( 12 ) for outputting the manipulated variable as setpoint for the first controller ( 11 ) having. Antrieb (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgrößenbegrenzungseinheit (14) zwischen dem ersten und dem zweiten Regler (11, 12) liegt.Drive ( 1 ) according to claim 12, characterized in that the manipulated variable limiting unit ( 14 ) between the first and the second controller ( 11 . 12 ) lies. Antrieb (1) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Regler (11) ein Stromregler oder ein Drehmomentregler ist.Drive ( 1 ) according to claim 12 or 13, characterized in that the first controller ( 11 ) is a current regulator or a torque controller. Antrieb (1) nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Regler (11) ein Drehzahlregler ist.Drive ( 1 ) according to claim 12, 13 or 14, characterized in that the second controller ( 11 ) is a speed controller. Antrieb (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorreglung (10) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 eingerichtet ist.Drive ( 1 ) according to one of claims 13 to 15, characterized in that the engine control ( 10 ) is arranged to carry out the method according to one of claims 1 to 10. Kreiselpumpenaggregat mit einer Pumpeneinheit (4) und einem Antrieb (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei die Pumpeneinheit (4) die von dem Elektromotor (2) angetriebene Last (4) ist.Centrifugal pump unit with a pump unit ( 4 ) and a drive ( 1 ) according to one of claims 11 to 16, wherein the pump unit ( 4 ) of the electric motor ( 2 ) powered load ( 4 ).
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