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Main Title: Direkte Rotorfluss- und Drehmomentregelung mit adaptiver Schalttabelle für industrielle Asynchronantriebe
Translated Title: Direct Rotor Flux and Torque Control with Adaptive Switching Table for Industrial Induction Motor Drives
Author(s): Weitendorf, Niels
Advisor(s): Bernet, Steffen
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: In dieser Arbeit wird ein Sliding Mode Regelverfahren zur Regelung von Rotorflussverkettung und Drehmoment für Asynchronmaschinen in industriellen Antrieben untersucht, welches mit dem bekannten Regelverfahren Direct Torque Control (DTC) verwandt ist. Häufig wird die variierende Schaltfrequenz bei DTC als Hauptnachteil des Verfahrens betrachtet, da es die thermische Dimensionierung der Stromrichterkomponenten sowie gegebenenfalls die Auslegung von Filterkomponenten erschwert. Darüber hinaus weist DTC aufgrund der Statorflussregelung keinen linearen Zusammenhang zwischen Drehmoment und Schlupffrequenz auf, weshalb bei DTC ein Kippmoment auftritt. Wird Direct Torque Control als Sliding Mode Regelung von Statorfluss und Drehmoment aufgefasst, kann die Erreichbarkeit der Statorflussschaltfunktion rechnerisch überprüft werden. Hierzu wird eine Beschreibung des über die Schaltperioden des Drehmomentreglers gemittelten Anstiegs des Statorflusses verwendet. So kann die bei geringer Drehmomentaussteuerung auftretende Verzerrung von Statorfluss und Statorströmen im Bereich der Sektorgrenzen mathematisch als Resultat einer dort nicht erfüllten Existenzbedingung für Sliding Mode in der Flussregelung beschrieben werden. Die Beschreibung kann verwendet werden, um unter Nutzung der Ordnungsreduktionseigenschaften von Sliding Mode Control das Auftreten von Sliding Mode bei einer auf DTC aufbauenden Rotorfluss- und Drehmomentregelung mit Schalttabelle zu untersuchen. Wie bei DTC kann Sliding Mode in der Flussschaltfunktion insbesondere bei Verwendung der Nullvektoren im Bereich der Sektorgrenzen nicht auftreten. Jedoch beschränkt sich der Bereich, in dem dies zu problematischen Abweichungen in der Flussregelung und starken Verzerrungen der Statorströme führt, nicht nur auf den Bereich geringer Drehmomentaussteuerung, sondern betrifft alle Arbeitspunkte. Als Lösungsansatz wird die adaptive Schalttabelle, die eine Verallgemeinerung der DTC-Schalttabelle durch arbeitspunktabhängige Sektorgrenzen darstellt, vorgeschlagen und untersucht. Für die Implementierung des neuen Verfahrens ist die Berechnung eines Verdrehwinkels, um den die Sektorgrenzen gegenüber den festen Sektorgrenzen der Schalttabelle von Direct Torque Control verschoben werden, erforderlich. Zwar ist die Berechnung aufwendig, aufgrund der vergleichsweise großen Zeitkonstanten der Rotorflussdynamik kann die Berechnung des Verdrehwinkels jedoch mit geringer Abtastfrequenz durchgeführt werden. Hauptnachteil des Verfahrens ist die große Parameterabhängigkeit des Verdrehwinkels. Gegenüber Direct Torque Control, bei der für eine korrekte Fluss- und Winkelbestimmung im Idealfall als einziger Parameter der Statorwiderstand bekannt sein muss, weist die Rotorflussbestimmung eine Parameterabhängigkeit von der Rotorzeitkonstanten auf, womit die Rotorflussschätzung stark von der Hauptinduktivität und dem Rotorwiderstand abhängt. Die Verdrehwinkelbestimmung ist zusätzlich stark vom Statorwiderstand, von der Hauptinduktivität sowie vom Rotorwiderstand abhängig. Die Funktion des Regelverfahrens wird simulativ und experimentell am Beispiel eines 44 kW-Asynchronantriebs überprüft. Sowohl im stationären als auch im dynamischen Betrieb konnte die Funktion der Regelung nachgewiesen werden. Außerdem wird in dieser Arbeit ein Verfahren zur offline-Bestimmung der Schaltfrequenz sowie der Schalt- und Leitverluste erarbeitet. Dieses erlaubt die näherungsweise Bestimmung sowohl der Schaltfrequenz als auch der Schalt- und Leitverluste als gleitende Mittelwerte, sodass damit die Sperrschichttemperatur bestimmt werden kann. Das Verfahren kann sowohl auf das in dieser Arbeit untersuchte Verfahren zur Rotorfluss- und Drehmomentregelung als auch auf DTC angewendet werden. Simulativ und experimentell konnte eine gute Übereinstimmung der berechneten mit der realen Schaltfrequenz gezeigt werden.
In this work a Sliding Mode Control strategy for Induction Motors in industrial drives is introduced, which is related to the well-known Direct Torque Control (DTC). As major drawback of DTC often the varying switching frequency is considered, as it complicates the thermal design of semiconductor components and, as necessary, of filter components. Moreover, due to the stator flux control, DTC possesses no linear relation between torque and slip frequency which results in the occurrence of a pull-out torque. When Direct Torque Control is considered as Sliding Mode stator flux and torque control, the existence condition of the flux switching function can be calculated. For that purpose a description of the average stator flux slope per torque controller period is employed. In this way distortions occurring at low duty cycles of the torque controller can be described mathematically as a result of an unmatched existence condition for the flux switching function. The mentioned description can be used to analyse the occurrence of Sliding Mode in the switching functions of a rotor flux and torque control structure based on DTC. As in the case of DTC, around the sector borders Sliding Mode cannot occur in the rotor flux switching function, especially when zero vectors are employed. In contrast to the situation at DTC, the range in which this problem leads to substantial distortions of rotor flux and stator currents is not limited to that of small torque modulation depth but covers all operating points. As one approach the adaptive switching table, which represents a generalisation of the DTC switching table by means of operating-point dependent sector borders is proposed and investigated. For the implementation of the new control strategy the calculation of a twisting angle, by which the static sector borders of the DTC switching table have to be shifted, is necessary. Indeed the calculation is costly, however, due to the relatively large time constant of the rotor flux dynamics can be implemented at a lower sampling rate. The major drawback of the presented control strategy is the strong parameter sensitivity of the twisting angle calculation. Unlike Direct Torque Control, where under ideal conditions for a correct determination of stator flux and transformation angle the only parameter to be known is the stator resistance, the rotor flux estimation is sensitive to changes of the rotor time constant, whereby it strongly depends on the main inductance and the rotor resistance. The calculation of the twisting angle additionally strongly depends on the stator and rotor resistances as well as the main inductance. The control strategy has been verified simulatively and experimentally for a 44 kW Induction Motor drive. Both in static and in dynamic the correct operation has been proven. Moreover, in this work an offline calculation method for the switching frequency as well as for switching and conduction losses is elaborated. The calculation method allows an approximation of both switching frequency and losses as moving averages, from which the junction temperature can be determined. It can be applied to both the presented rotor flux and torque control strategy as well as to Direct Torque Control. Both simulation and experimental results prove a good correspondence of calculated and real switching frequency.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-25133
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2628
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2331
Exam Date: 12-Nov-2009
Issue Date: 8-Jan-2010
Date Available: 8-Jan-2010
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Asynchronmaschine
Drehmomentregelung
Schalttabelle
Vektorregelung
Direct Torque Control
Induction Motor
Sliding Mode Control
Switching Table
Vector Control
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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