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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Asymmetrien in umrichtergespeisten
Drehfeldmaschinen während des Betriebes wie es im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschieben ist.
Nach dem derzeitigen Stand der Technik werden bel drehzahlstellbaren Antrieben überwiegend Drehstrommaschinen mit Spannungszwischenkreisumrichtern eingesetzt. Die von den schnell schaltenden Leistungshalbleitern der modernen Umrichter hervorgerufenen extrem schnellen Spannungsänderungen bedeuten eine ausserordentliche Belastung für die Isolation der Statorwicklung der Maschinen. Die Folge dieser ausserordentlichen Belastung Ist eine Zuname von Wicklungsisolationsfehlern in Maschinen, die zur Bildung von Windungskurzschlussen führen und in weiterer Folge meist eine totale Zerstörung der Wicklung und damit einen Ausfall des Antriebs bewirken. Eine frühzeitige Erkennung solcher Isolationsschäden kann den Totalausfall des Antriebs verhindern und die Reparaturzeiten reduzieren.
Asymmetrien in einer Drehstrommaschine, wie sie beispielsweise in der Statorwicklung durch das Auftreten eines W ! ndungskurzschtusses als Folge eines Fehlers in der Wicklungsisolation hervorgerufen werden, können derzeit nur erkannt und lokalisiert werden, indem die Messwerte der Maschine bei reiner Sinusspeisung aus dem Spannungsnetz, also ohne Umrichterspeisung, beobachtet und ausgewertet werden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Maschine während des Betriebes am Spannungszwischenkreisumrichter zu überwachen und Asymmetrien, die beispielsweise in den Statorwicklungen durch einen Windungskurzschluss hervorgerufen werden frühzeitig zu erkennen. Dabei sollen nur die bereits im Antriebssystem zur Regelung der Maschine vorhandenen Sensoren verwendet werden.
Diese Aufgabe wird gelöst, indem erfindungsgemäss während des Betriebes der Maschine an einem Umrichter das Schaltverhalten eines Stromreglers während einer definierten Zeit beobachtet wird und für jeden möglichen aktiven Schaltzustand des Umrichters die relative Einschaltdauer gebildet wird. Aus einem Vergleich der Einschaltdauer der, in der Raumzeigerebene symmetrisch um den Ursprung verteilten aktiven Spannungsraumzeiger werden Asymmetrien in der Maschine, wie sie beispielsweise bel Windungskurzschlüssen auftreten erkannt und lokalisiert. Der laufende Betrieb des Antriebes wird durch Anwendung des Verfahrens nicht beeinträchtigt. Die Erkennung einer solchen Asymmetrie wird auch dann ermöglicht, wenn die Maschine an einem Umrichter betrieben wird. Es werden nur die, zur Regelung der Maschine notwendigen Messgrössen verwendet.
Es sind daher keine zusätzlichen Sensoren nötig. Das Verfahren kann auch In bereits bestehenden Antrieben nachträglich angewendet werden.
Die Erfindung wird im weiteren anhand von Zeichnungen näher erläutert
Figur 1 Die Grundstruktur (vereinfachte, schematische Darstellung) eines Umrichtergespeisten Antriebes zur Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens nach Anspruch 1.
In Figur 1 ist eine Vorrichtung zur Umsetzung des erfindungsgemässen Verfahrens als Blockschaltbild für einen prädiktiven Stromregler In der Raumzeigerebene und für einen dreiphasigen aus einem Spannungsnetz versorgten Umrichter mit angeschlossener Drehstrommaschine erläutert. Dabei ist der erste Eingang einer Drehstrommaschine 1 über eine erste Energieleitung 13 mit dem ersten Ausgang eines Umrichter 2 verbunden und der zweite Eingang der Drehstrommaschine 1 ist über eine zweite Energieleitung 14 mit einem ersten Stromsensor 4 und mit dem zweiten Ausgang des Umrichters 2 verbunden und der dritte Eingang der Drehstrommaschine 1 ist über eine dritte Energieleitung 15 mit einem zweiten Stromsensor 5 und mit dem dritten Ausgang des Umrichters 2 verbunden. Der Umrichter 2 ist über eine vierte Energieleitung 27 an das Spannungsnetz 3 geschaltet.
Der Ausgang des ersten Stromsensors 4 ist über eine erste Signalleitung 16 mit dem ersten Eingang eines Raumzeigerbildungsgliedes 6 und über eine zweite Signalleitung 18 mit dem ersten Eingang eines Flusswinkelberechnungsgliedes 10 verbunden und der Ausgang des zweiten Stromsensors 5 ist über eine dritte Signalleitung 17 mit dem zweiten Eingang des Raumzeigerbildungsgliedes 6 und über eine vierte Signalleitung 19 mit dem zweiten Eingang des Flusswinkelberechnungsgliedes 10 verbunden und der Ausgang des Raumzeigerbildungsgliedes 6 ist über eine fünfte Signalleitung 20 mit dem negativen Eingang eines Summiergliedes 7 verbunden und der Ausgang eines Sollwertvorgabegliedes 12 ist über eine sechste Signalleitung 26 mit dem ersten Eingang eines Regelungsgliedes 11 verbunden und der Ausgang des Regelungsgliedes 11 ist über eine siebente Signalleitung 28 mit
dem positiven Eingang des Summiergliedes 7 verbunden und der Ausgang des Summiergliedes 7 ist über eine achte Signalleitung 21 mit dem
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Eingang eines Maschinenmodellgliedes 8 verbunden und der Ausgang des Maschinenmodellglie- des 8 ist über eine neunte Signalleitung 22 mit dem Eingang eines Stromregiergliedes 9 verbunden und das Stromreglerglied 9 ist über eine zehnte Signalleitung 23 mit dem Umrichter 2 und über eine elfte Signalleitung 29 mit dem ersten Eingang des Einschaltdauerverarbeitungsglied 31 ver- bunden und das Stromreglerglied 9 ist über eine zwölfte Signalleitung 24 mit dem Flusswinkelbe- rechnungsglied 10 und über eine dreizehnte Signalleitung 30 mit dem zweiten Eingang des Ein- schaltdauerverarbeitungsgliedes 31 verbunden und das
Flusswinkelberechnungsglied 10 ist über eine vierzehnte Signalleitung 25 mit dem zweiten Eingang des Regelungsgliedes 11 verbunden.
In dem Ausführungsbeispiel der hochdynamisch geregelten, von einem Umrichter mit Span- nungszwischenkreis gespeisten Drehstrommaschine, werden die Strangströme der Maschine 1 mittels zweier Stromsensoren 4 und 5 gemessen. Aus diesen Messwerten wird in einem Raumzei- gerbildungsglied 6 der Statorstromraumzeiger der Maschine gebildet und in einem Summierglied 7 die Abweichung des gemessenen Statorstromraumzeigers von dem, von dem Regelungsglied 11 vorgegebenen Sollstatorstromraumzeiger bestimmt. Das Regelungsglied 11 erhält dabei von dem
Sollwertvorgabeglied 12 beispielsweise einen Drehmomentsollwert vorgegeben. Von dem Flusswinkelberechnungsglied 10 wird der aktuelle Wert des Flussraumzeigers berechnet und an das
Regelungsglied 11 weitergeleitet.
Aus dem Ausgang des Summiergliedes 7, das die Abweichung des Istwertes des Statorstromraumzeigers von seinem Sollwert darstellt, wird durch das Maschi- nenmodel 8, in dem die Maschine durch eine grundschwingungsfrequente innere Spannung und eine in Serie geschaltene Induktivität angenähert wird, der Sollspannungsraumzeiger berechnet, der nötig ist um den Istwert des Statorstromraumzeigers während einer Abtastperiode des Regelkreises an den vorgegebenen Sollwert heranzuführen. Der Sollspannungsraumzeiger wird an das Stromregierglied 9 weitergeleitet, in dem, von den insgesamt sieben möglichen unterschiedlichen Spannungsraumzeigern (32), (33), (34), (35), (36), (37) und (38) erfindungsgemäss derjenige ausgewählt wird, der dem Sollspannungsraumzeiger in Phase und Betrag am nächsten liegt.
Der dem ausgewählten Spannungsraumzeiger entsprechende Schaltbefehl wird dem Umrichter 2 und dem Einschaltdauerverarbeitungsglied 31 zugeführt. In dem Einschaltdauerverarbeitungsglied 31 wird die Einschaltdauer der sechs aktiven Schaltzustände (33), (34), (35), (36), (37) und (38) während einer definierten Beobachtungsdauer, die beispielsweise einer Umdrehung des Stromraumzeigers entspricht, gebildet. Rotiert der Sollstromraumzeiger beispielsweise mit konstantem Betrag und konstanter Winkelgeschwindigkeit, so kann beispielsweise eine Asymmetrie in der Statorwicklung direkt an der dann ungleichen Verteilung der Einschaltdauer der einzelnen aktiven Schaltzustände erkannt und lokalisiert werden.
Bei dieser Anordnung Ist es auf relativ einfache Art und Weise möglich, das erfindungsgemässe Verfahren laut Anspruch 1 zu verwirklichen.
In Figur 2 ist entsprechend dem Stand der Technik die Lage der, durch die unterschiedlichen Schaltzustände eines Umrichters mit Spannungszwischenkreis festgelegten, Raumzeiger der Umrichterausgangsspannung in der komplexen Raumzeigerebene dargestellt. Dabei zeigt die waagrechte Koordinatenachse 39 In Richtung positiver reeller Werte der Raumzeigerebene, die senkrecht dazu stehende Koordinatenachse 40 zeigt in Richtung positiver imaginärer Werte und der Ursprung des Koordinatensystems ist durch den Schnittpunkt 32 der Koordinatenachse 39 mit der Koordinatenachse 40 festgelegt. Definitionsgemäss fällt die Strangachse des ersten Stranges der Maschine mit der reellen Koordinatenachse 39 zusammen, wobei die Richtung der Strangachse des ersten Stranges in die Richtung positiver reeller Werte zeigt.
Die Strangachse des zweiten Stranges der Maschine liegt gegenüber der Strangachse des ersten Stranges um 1200 in mathematisch positiver Drehrichtung um den Ursprung 32 verdreht in der Raumzeigerebene und zeigt in Richtung des Spannungsraumzeigers 35. Die Strangachse des dritten Stranges der Maschine liegt gegenüber der Strangachse des ersten Stranges um 240 in mathematisch positiver Drehrichtung um den Ursprung 32 verdreht in der Raumzeigerebene und zeigt in Richtung des Spannungsraumzeigers 37. Durch unterschiedliche Schaltzustände der Leistungsschalter des Umrichters lassen sich insgesamt sieben unterschiedliche Spannungsraumzeiger erzeugen die mit den Bezugszeichen 33,34, 35,36, 37,38 und 32 gekennzeichnet sind.
Der Spannungsraumzeiger 32 mit der Länge null fällt mit dem Ursprung 32 des Koordinatensystems zusammen und tritt dann auf, wenn die Schalter aller drei Phasen des Umrichters 2 den gleichen Schaltzustand aufweisen. Die Spannungsraumzeigern 33,34, 35,36, 37 und 38 werden als aktive Spannungsraumzeiger bezeichnet
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und die zugehörigen Schalterkombinationen werden als aktive Schaltzustände bezeichnet Alle anderen Spannungsraumzeiger und Schalterkombinationen werden als inaktive Spannungsraumzeiger und Schaltzustände bezeichnet.