Maximum Ampere Control (MA) - EAL Lehrstuhl für Elektrische
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Vorlesung Bewegungssteuerung durch geregelte elektrische Antriebe MTPA-Regelung ("Maximum Torque per Ampere“) Technische Universität München Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik Prof. Dr.-Ing. Ralph Kennel Drehmoment- und Leistungsverlauf einer elektrischen Maschine … bei permanentmagneterregten Maschinen lässt sich eine Feldschwächung durch Phasenverschiebung der Ströme gegenüber der Rotorposition erreichen Grunddrehzahlbereich Feldschwächbereich … bei elektrische erregten Drehfeldmaschinen (Asynchronmaschine oder elektrisch erregten Synchronmaschine) ist das einfacher über die Reduktion der Erregung zu erzielen Momentensteuerverfahren für alle Betriebsbereiche bei Käfigläufer-Asynchronmaschinen Für die Drehmomentensteuerung/-regelung existieren unterschiedliche Möglichkeiten, die Feldschwächung zur Optimierung zu nutzen. Constant Flux Control (CF) Maximum Torque per Ampere Control (MTPA) Maximum Ampere Control (MA) Maximum Torque per Flux Control (MTPF) … häufig wird von MTPA (Maximum Torque per Ampere Control ) gesprochen, obwohl eines der anderen Konzepte gemeint ist oder eine Kombination von diesen Constant Flux Control (CF) Die einfachste und meist angewandte Variante ist den Fluss auf seinen konstanten Nennwert zu halten und damit den d-Strom auf einen festen Wert zu regeln … das ist die „normale“ feldorientierte Regelung ! Der (ohnehin langsamer zu regelnde) d-Strom ist konstant für die Momentensteuerung wird nur der dynamischere q-Strom beeinflusst. Die Steuerung/Regelung ist auf diese Art sehr einfach – praktisch wie bei der Gleichstrommaschine. Da der Betrag des Flusses immer maximal ist, ist es einfacher den Betrag und vor allem den Winkel des Rotorflussraumzeigers, der für die feldorientierte Regelung benötigt wird, zu messen bzw. zu schätzen. Die elektrische Maschine kann mit Constant Flux Control (= Grunddrehzahlbereich) nur bis zur Nenngeschwindigkeit betrieben werden Constant Flux Control (CF) Asynchronmaschine M<0 isq Synchronmaschine M>0 isq M<0 M>0 maximaler Statorstrom r,dN L M>0 dPM isd M<0 isd Lsd M>0 M<0 Drehmoment- und Leistungsverlauf einer elektrischen Maschine … unterhalb der Bemessungsdrehzahl wird der Motor mit konstantem Feldstrom betrieben Grunddrehzahlbereich Feldschwächbereich … oberhalb der Bemessungsdrehzahl wird der Motor mit maximaler Spannung betrieben Constant Flux Control (CF) Asynchronmaschine M<0 isq Synchronmaschine M>0 M<0 isq M>0 maximaler Statorstrom bei steigender Drehzahl der elektrischen Maschine verkleinert sich die Ellipse r,dN L M>0 isd dPM Lsd die Lage der Ellipse (vertikal oder horizontal) hängt bei Synchronmaschinen vom Verhältnis zwischen Lsd und Lsq ab M<0 M>0 M<0 maximale Statorspannungsgrenze isd Field Weakening Maximum Ampere Control (MA) Asynchronmaschine Synchronmaschine isq isq maximaler Statorstrom r,dN L isd maximale Statorspannungsgrenze dPM Lsd isd Maximum Torque per Ampere Control (MTPA) … unterhalb der Bemessungsdrehzahl wird der Motor mit konstantem Feldstrom betrieben … im Teillastbereich wird klar : der volle Feldstrom wäre nicht notwendig Nachteile • geringerer Feldstrom … das gleiche Drehmoment könnte auch mit einem Bruchteil des Feldstroms eingestellt werden • … bei geringerem Gesamtstrom höherer Wirkungsgrad geringere Dynamik optimaler Feldstrom stark arbeitspunktabhängig Achtung !!! … mit dieser Metode werden tatsächlich nur die ohm‘schen Verluste (in den Wicklungen etc.) minimiert MTPA-Regelung „optimaler Strom“ in Abhängigkeit von Feldstrom und Last MTPA-Regelung „optimaler Feldstrom“ in Abhängigkeit von der Last Vergleich der Ströme bei unterschiedlichen Verhältnissen zwischen d- und q-Strom Maximum Torque per Ampere Control (MTPA) Asynchronmaschine Synchronmaschine isq isq konstantes Drehmoment r,dN L isd dPM Lsd isd Maximum Ampere Control (MA) CF (Constant Flux Control) und MTPA (Maximum Torque per Ampere Control) können nur verwendet werden, wenn die notwendige Spannung nicht größer als die Maximalspannung ist. Dann ist es sinnvoll, zunächst mit maximalem Statorstrom zu regeln … daher heißt dieses Verfahren Maximum Ampere Control (MA). Das Feld durch die zwangsläufige Verringerung des d-Stroms geschwächt. Diese Vorgehensweise hat erneut den Vorteil, dass die Referenz des d-Strom nur langsam verändert wird, während das Drehmoment mit dem dynamischen q-Strom eingestellt wird. (Dieses Verfahren könnte auch als Maximum Voltage Control (MV) bezeichnet werden, da der maximale Fluss eingestellt wird.) Maximum Ampere Control (MA) Asynchronmaschine Synchronmaschine isq isq konstantes Drehmoment r,dN L isd maximale Statorspannungsgrenze dPM Lsd isd Maximum Torque per Flux Control (MTPF) … steigt die Geschwindigkeit immer weiter an, dann wird die Spannungsgrenze immer kleiner. Im Extremfall schneiden sich (bei Asynchronmaschinen) Spannungs- und Stromgrenze auf der q-Achse. Würde hier weiter MA verwendet, würde kein Fluss mehr generiert werden und damit kein Drehmoment mehr erzeugt werden. … steigt die Geschwindigkeit weiter, darf aufgrund der kleinen Spannungsgrenze kein MA mehr verwendet werden. Aus diesen Gründen wird bereits vor diesem Punkt das Maximum Torque per Flux-Verfahren (MTPF) verwendet. … der Fluss wird so eingestellt, dass unter Einhaltung der Spannungsbegrenzung das dabei maximal mögliche Drehmoment erreicht werden kann. Maximum Torque per Flux Control (MTPF) Asynchronmaschine Synchronmaschine isq isq konstantes Drehmoment r,dN L isd dPM Lsd bei steigender Drehzahl der elektrischen Maschine verkleinert sich die Ellipse maximale Statorspannungsgrenze isd Maximum Torque per Ampère MTPA bei Synchronmaschinen Kennlinien konstanten Drehmoments Grenzlinien/Bereiche der maximalen Spannung (abhängig von Drehzahl) Grenzlinie/Bereich des maximalen Stroms 09.12.2014 Kennlinie des maximalen Drehmoment/Strom-Verhältnisses 18
