Was ist Feldschwächungs-Regelung?

Die Feld- oder Flussschwächung ist eine Methode zur Erhöhung der Drehzahl von Elektromotoren über deren Nennwert hinaus auf Kosten eines reduzierten Drehmoments. Die Feldschwächung wird für Motorsteuerungen in Automatisierungs-Anwendungen und zur Steuerung der Antriebsmotoren von Elektrofahrzeugen und Lokomotiven eingesetzt, um höhere Motordrehzahlen zu erreichen, sofern ein geringeres Drehmoment akzeptabel ist.

Der Permanent-Magnet-Synchronmotor (PMSM) ist in solchen Anwendungen wegen seiner hohen Leistungsdichte und Drehzahl sowie seines schnellen dynamischen Ansprechverhaltens beliebt.  Die Drehzahl von PMSMs ist jedoch nach oben begrenzt, sobald die Klemmenspannung des Stators die Leistungsgrenze des Umrichters erreicht.  Um die Antriebsdrehzahl über den konstruktiven Nennwert zu erhöhen, muss darum bei PMSMs mit der Feldschwächung gearbeitet werden.  Eine Vorgehensweise zur Erhöhung der Motordrehzahl ist, die Regelung der Leistungselektronik im Umrichter so zu gestalten, dass die D- und Q-Achsenströme des Stators so manipuliert werden, dass sie dem von den Rotormagneten erzeugten magnetischen Luftspaltfluss entgegenwirken.

Zur Feldschwächungs-Regelung wird der resultierende D-Achsenfluss \(\lambda_{d}\) verringert, indem der Effekt der mit den Permanentmagneten verbundenen Verkettung des Luftspaltflusses \(\lambda_{pm}\) vermindert wird. Dies erfolgt, indem die Komponente des magnetisierenden D-Achsen-Statorstroms im PMSM negativ gesetzt wird, wie in Abb. 1 unten gezeigt.

Die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie in Abb. 2 zeigt, dass die Gegen-EMK des Motors (Stator-Spannung) proportional zur Motordrehzahl steigt. Dieses Verhalten tritt im Bereich konstanten Drehmoments des PMSM auf, wo die feldorientierte Regelung (FOC) eine anerkannte Form der Motorsteuerung ist. Steigt die Drehzahl jedoch weiter, erreicht die angelegte Spannung ihren Maximalwert und die Gegenspannung übersteigt die angelegte Spannung, sodass die Motordrehzahl nicht weiter steigen kann. Um die Motordrehzahl über ihren Grundwert hinaus zu erhöhen, wird der Feldschwächungsmodus verwendet und gleichzeitig eine konstante Ausgangsleistung als Produkt aus Drehmoment und Motordrehzahl aufrechterhalten. Während der Feldschwächung kann der Motor bei der maximal verfügbaren Spannung höhere Drehzahlen erreichen, wobei jedoch das erreichbare Drehmoment herabgesetzt wird.

Abb. 3 veranschaulicht die Feldschwächungs-Regelung als Überschneidungsfläche zwischen der Ellipse des Spannungsgrenzwerts und dem Kreis des Stromgrenzwerts auf der linken Seite der Ebene der Statorströme (Ebene aus i_d, i_q).

Um die Feldschwächung besser zu verstehen, können die Stromvektorkurven mithilfe der Kurven ausgewertet werden, die den Feldschwächungsbereich OABC eingrenzen. Kurve I entlang OA steht für das maximale Drehmoment pro Ampere (MTPA), wobei das MTPA erreicht wird, indem die Stromvektorkurve so manipuliert wird, dass sie mit der Kurve OA zusammenfällt. Kurve II folgt dem Kreis des Stromgrenzwerts von A nach B. Der Stromgrenzwert ergibt sich aus den durch den DC-Bus und der Leistungselektronik vorgegebenen Grenzen. Kurve III stellt eine tiefe Feldschwächung entlang BC dar, die Kurve des maximalen Drehmoments pro Volt (MTPV).  Im MTPV-Modus generiert der Motor die innerhalb der Ellipse der Spannungsbegrenzung maximal erlaubten Geschwindigkeiten und Drehmomente, die durch den DC-Bus begrenzt werden.   Unabhängig vom Übergangsverhalten des Drehmoments befinden sich die optimierten Feldschwächungskurven oder Arbeitspunkte immer innerhalb der grauen Fläche.

Abb. 4 zeigt das auf der Systemebene modellierte Blockdiagramm der Feldschwächungs-Regelung eines PMSM in Simulink^®. Der äußere Drehzahl-Regelkreis generiert einen Drehmomentbefehl als Eingabe für den MTPA-Feldschwächungs-Reglerblock. Die innere Stromschleife besteht aus Clarke- und Park-Transformationen und einem Raumzeiger-Generator.

Das Motor Control Blockset™ bietet Referenzbeispiele zur Feldschwächungs-Regelung und Bereitstellung durch Codegenerierung, die Ihnen bei der Implementierung von Feldschwächungs-Regelungen mit Simulink helfen.

Weitere Informationen zum Entwurf und zur Implementierung von Motorregelungs-Algorithmen finden Sie beim Motor Control Blockset und bei Simscape Electrical™.