AT502303B1 - Verfahren zur stossfreien magnetisierung von umrichtergespeisten asynchronmaschinen unbekannter drehzahl ohne mechanischen sensor - Google Patents

Description

österreichisches Patentamt AT502 303B1 2009-12-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Drehzahlermittlung nichtmagnetisierter umrichtergespeister Asynchronmaschinen durch hochfrequente Anregung, wie es im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschrieben ist.

[0002] Nach dem derzeitigen Stand der Technik wird zum dynamisch hochwertig geregelten Betrieb von umrichtergespeisten Asynchronmaschinen die räumliche Lage des magnetischen Flusses in der Maschine benötigt. Diese Flusslage wird dabei aus mathematischen Modellen der Maschine berechnet. Als Eingangsgrößen für diese Modelle dienen die Elektrischen Klemmengrößen Strom und Spannung. Auf die mechanische Drehzahl der Maschine als Eingangsgröße kann bei vielen Anwendungen verzichtet werden, wodurch der mechanische Positionsoder Drehzahlsensor an der Welle eingespart werden kann.

[0003] Wird ein Antrieb - beispielsweise nach einer Betriebspause - eingeschalten, so ist eine Magnetisierung des Rotors der Maschine nur dann stoßfrei möglich, wenn die mechanische Drehzahl genau bekannt ist. Die derzeit eingesetzten Antriebsregelungen sind bei nicht magnetisierter Maschine ohne mechanischen Sensor nicht in der Lage die mechanische Drehzahl zu bestimmen. Beim Start solcher Antriebe werden daher spezielle Verfahren DE 41 07 362 A1; SU 1 078 568 A, DE 195 03 658 A1, DE 195 32 477 A1 eingesetzt. Diese Verfahren basieren auf dem Grundwellenverhalten der Asynchronmaschine und sind daher auf eine zumindest geringe Magnetisierung des Rotors angewiesen, die durch einen Suchvorgang mit geregeltem Spannungs- oder Stromwert und variabler Frequenz erfolgt. Dabei werden Frequenzen im Bereich der größten Betriebsmäßigen Frequenz durchfahren. Aufgrund der notwendigen geringen Magnetisierung ist eine Drehmomententwicklung der Maschine währen des Suchvorganges nicht auszuschließen.

[0004] Das durch DE 41 07 362 A1 bekannte Verfahren legt dabei eine von einem Spannungsmodell vorgegebene reduzierte Spannung mit einer Startfrequenz, die höher ist als die Betriebsfrequenz der Maschine, an die Klemmen der Maschine. Dann wird der gesamte Frequenzbereich bis Stillstand durchfahren und die Reaktion der Maschine ermittelt bis der ermittelte Stromistwert bei der gesuchten synchronen Frequenz ein Minimum erreicht. Da die vorgegebene Spannung im Bereich der synchronen Frequenz der Asynchronmaschine jedoch zu einer Magnetisierung des Rotors führt kommt es damit zu einer Drehmomententwicklung der Maschine.

[0005] In DE 195 03 658 A1 wird ein Verfahren beschrieben, das die synchrone Frequenz dadurch bestimmt, dass die von der Drehung des magnetisierten Rotors verursachte Spannung an den Maschinenklemmen gemessen und nach ihrer Frequenz auswertet wird. Falls die Magnetisierung des Rotors für die Messung zu gering ist, wird durch das Anlegen eines Spannungsimpulses eine zusätzliche Magnetisierung aufgebaut. Um die, speziell bei kleiner Magnetisierung und kleinen Frequenzen auftretenden geringen Spannungen an den Klemmen der Maschine noch mit ausreichender Genauigkeit messen zu können, ist jedoch eine spezielles Messverfahren nötig.

[0006] Durch DE 195 32 477 A1 ist ein Verfahren bekannt, dass die synchrone Frequenz einer Asynchronmaschine dadurch bestimmt, das eine Spannung an die Maschine gelegt wird so-dass sich ein Strom einstellt dessen Betrag nahe dem Nennstrom der Maschine liegt. In weiterer Folge wird das von der Maschine entwickelte Drehmoment aus dem Statorstrom und dem Statorfluß beschätzt und zu Null geregelt indem der Statorfluß und der davon erzeugte Rotorfluß (was einer Magnetisierung des Rotors entspricht) gleichphasig gemacht werden. Zumindest vorübergehend kann die Maschine damit auch bei diesem Verfahren ein Drehmoment entwickeln. Darüber hinaus muss für die Berechnung der Vektoren des Statorflusses und des Rotorflusses die genaue Kenntnis der Maschinenparameter vorausgesetzt werden. Des Weiteren ist die Regelung der Maschine als separate Moment- und Magnetisierungsregelung vorausgesetzt, die schneller arbeitet als alle Zeitkonstanten der Maschine.

[0007] Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Drehzahl der nichtmagnetisierten Maschine 1/5 österreichisches Patentamt AT502 303 B1 2009-12-15 ohne Drehgeber zu identifizieren, wobei die Maschine weder einen Restmagnetismus aufweisen muss noch aufmagnetisiert werden muss. Die Frequenz der in der Maschine auftretenden Ströme soll um ein vielfaches oberhalb der maximalen Betriebsfrequenz liegen, wodurch es zu keiner Magnetisierung des Rotors kommen kann. Damit ist auch ausgeschlossen, dass die Maschine während der Identifikation ein Drehmoment entwickelt. Nach erfolgter exakter Drehzahlidentifizierung erfolgt die Magnetisierung des Rotors mit einem mit synchroner Frequenz rotierenden Stromraumzeiger ohne ein Drehmoment zu Entwickeln.

[0008] Diese Aufgabe wird gelöst, indem erfindungsgemäß die in allen Asynchronmaschinen vorhandenen parasitären Effekte wie Nutung von Stator und Rotor oder Anisotropie des verwendeten Bleches ausgenutzt werden. Zur Auswertung dieser, im Bereich der Betriebsfrequenzen nicht messbaren Effekte wird die Maschine mit Impulsen, die wesentlich kürzer sind als die kleinste Zeitkonstante der Maschine oder mit einer konstanten Frequenz, die ein Vielfaches der höchsten Betriebsfrequenz der Maschine beträgt, angeregt. Dabei wird nicht, wie in den Eingangs erwähnten Publikationen, das Grundwellenverhalten der Maschine ausgenützt und ausgewertet, sondern ausschließlich die hochfrequenten und transienten elektrischen Eigenschaften. Damit ist das Verfahren auch nicht von Maschinenparametern wie Widerständen und Induktivitäten abhängig, die sich während des Betriebes ändern.

[0009] Dabei wird die Maschine mit dem Umrichter entweder durch Spannungs- oder Strompulse die wesentlich kürzer sind als die kleinste Zeitkonstante der Maschine angeregt, oder mit Spannungs- oder Stromsignalen angeregt, deren Frequenz konstant ist und ein vielfaches der höchsten Betriebsfrequenz beträgt. Die Reaktion des Stromes oder der Spannung auf diese spezielle Anregung beträgt nur wenige Prozent der Nennwerte der Maschine und wird von den oben erwähnten parasitären Effekten beeinflusst und zur Bestimmung der Rotordrehzahl ausgewertet.

[0010] Zur Messung der Reaktion der Maschine können dabei die im Umrichter zur Regelung der Maschine vorhandenen Sensoren verwendet werden.

[0011] Ursache für diesen Einfluss ist zum Einen die Modulation der Luftspaltlänge entlang des Rotorumfanges durch die Nutung der Maschine wodurch die, für die hochfrequente oder transiente Reaktion der Maschine verantwortlichen Reaktanzen entsprechend der sich ändernden Luftspaltlänge moduliert werden. Zum anderen kommt es zu einer Modulation der transienten Reaktanzen, die durch die Anisotropie des verwendeten Blechmaterials.

[0012] Wie bereits erwähnt treten diese Effekte bei einer Anregung der Maschine im Bereich der maximalen Betriebsfrequenz nicht in Erscheinung.

[0013] Beide Effekte sind fix mit dem Rotor verbunden. Ihre Auswirkung auf die hochfrequente oder transiente elektrische Reaktion der Maschine liefert daher die notwendige Information über die mechanische Drehzahl des Rotors.

[0014] Nach erfolgter exakter Drehzahlidentifizierung erfolgt die Magnetisierung des Rotors mit einem mit synchroner Frequenz rotierenden Stromraumzeiger ohne ein Drehmoment zu Entwickeln.

[0015] Im Gegensatz zu DE 41 07 362 A1 wird also sie synchrone Frequenz nicht mit einer variablen Anregungsfrequenz gesucht, sonder mit einer von der mechanischen Drehzahl unabhängigen, Anregung durch eine konstante Frequenz, die ein Vielfaches der höchsten Betriebsfrequenz der Maschine beträgt, oder durch Impulse, die wesentlich kürzer sind als die kleinste Zeitkonstante der Maschine, die Rotordrehzahl ermittelt.

[0016] Im Gegensatz zu DE 195 03 658 A1 wird nicht die Drehfrequenz der Statorspannung als Folge eines noch nicht abgeklungenen Rotorflusses und des sich drehenden Rotors ermittelt und daraus die mechanische Drehzahl gebildet, sondern es wird die Modulation der transienten Reaktanzen als Folge der Nutung der Maschine bzw. der Anisotropie der Bleches ermittelt und zwar ohne Voraussetzung eines noch nicht abgeklungenen Rotorflusses.

[0017] Im Gegensatz zu DE 195 32 477 A1 werden weder der Vektor des Statorflusses, noch das aus Statorflussvektor und Statorstromvektor berechnete Drehmoment, noch der durch den 2/5 österreichisches Patentamt AT502 303 B1 2009-12-15

Statorflussvektor verursachte Rotorflussvektor oder vergleichbare Größen gebildet. Weiters wird keine hochdynamische Regelung zur Erzielung von Nullmoment vorausgesetzt. Darüber hinaus wird kein Statorstrom betrag nahe dem Nennstrom der Maschine benötigt sondern es werden nur Änderungen von wenigen Prozent des Nennwertes der Maschine benötigt.

[0018] In einem Ausführungsbeispiel wird dabei die Maschine wiederholt mit kurzen Spannungsimpulsen von einem Spannungszwischenkreisumrichter transient angeregt. Die Dauer dieser Impulse ist dabei wesentlich kürzer als die kleinste Zeitkonstante der Maschine. Gleichzeitig wird die Reaktion des Stromes der Maschine, also die Stromänderungen während der Spannungsimpulse gemessen.

[0019] Die dabei gemessenen Stromänderungen werden von der in diesem Ausführungsbeispiel konstant vorausgesetzten Zwischenkreisspannung und von den transienten Reaktanzen der Maschine bestimmt. Durch die erwähnten parasitären Effekte kommt es zu einer Modulation der einzelnen transienten Strangwerte der Reaktanzen und damit zu einer messbaren Asymmetrie. Die Modulation ist dabei nur von der Konstruktion der Maschine sowie von der Position des Rotors abhängig. Durch eine Auswertung der Modulation der transienten Strangstromänderungen ist es daher möglich, die für die stoßfreie Magnetisierung notwendige Rotordrehzahl unmittelbarzu identifizieren.

[0020] Die Erfindung wird im Weiteren anhand von Zeichnungen näher erläutert.

[0021] Figur 1 die Grundstruktur (vereinfachte, schematische Darstellung) einer Anordnung zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

[0022] In Figur 1 ist eine Vorrichtung zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Blockschaltbild für einen dreiphasigen aus einem Spannungsnetz versorgten Umrichterantrieb mit angeschlossener Drehstromasynchronmaschine erläutert. Dabei ist der erste Eingang einer Drehstromasynchronmaschine 1 über eine erste Energieleitung 9 mit dem ersten Ausgang eines Umrichters 2 verbunden und der zweite Eingang der Drehstrommaschine 1 ist über eine zweite Energieleitung 10 mit dem zweiten Ausgang des Umrichters 2 verbunden und der dritte Eingang der Drehstrommaschine 1 ist über eine dritte Energieleitung 11 mit dem dritten Ausgang eines Umrichters 2 verbunden. Der Umrichter 2 ist über eine vierte Energieleitung 20 an das Spannungsnetz 3 geschaltet. Der Umrichter 2 ist über eine erste Signalleitung 12 mit dem Eingang eines Anregungsreaktionsbildungsgliedes 8 und über eine zweite Signalleitung 13 mit dem ersten Eingang eines Modulationsauswertegliedes 7 verbunden und der Ausgang des Anregungsreaktionsbildungsgliedes 8 ist über eine dritte Signalleitung 14 mit dem zweiten Eingang des Modulationsauswertegliedes 7 verbunden. Der Ausgang des Modulationsauswertegliedes 7 ist über eine vierte Signalleitung mit dem Eingang des Drehzahlbestimmungsgliedes 6 verbunden und der Ausgang des Drehzahlbestimmungsgliedes 6 ist über eine fünfte Signalleitung 16 mit dem Flussaufbauglied 5 verbunden. Das Flussaufbauglied 5 ist über eine sechste Signalleitung 18 mit dem Umrichter 2 und über eine siebente Signalleitung 17 mit dem Anregungsglied 4 verbunden. Das Anregungsglied 4 ist über eine achte Signalleitung 19 mit dem Umrichter 2 verbunden.

[0023] Bei dieser Anordnung ist es auf relativ einfache Art und Weise möglich, das erfindungsgemäße Verfahren laut Anspruch 1 zu verwirklichen.

[0024] Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. Zu dem Zweck ist in Figur 1 eine Anordnung für die das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 1 Anwendung finden kann in Form eines Blockschaltbildes dargestellt.

[0025] Zur Entwicklung eines Drehmomentes muss im Rotor einer Asynchronmaschine zunächst eine magnetische Flussverkettung durch Einprägen eines geeigneten Statorstromraumzeigers aufgebaut werden. Ein Erreichen des Nennwertes der Rotorflussverkettung ist nur möglich, wenn die Drehzahlen des Rotors sowie des Statorstromraumzeigers zumindest annähernd gleich sind. Um ein Aufmagnetisieren des Rotors auf Nennflussverkettung ohne Drehmomentstoß zu ermöglichen ist die exakte Kenntnis der mechanischen Rotordrehzahl erforderlich. 3/5

Claims (2)

1. österreichisches Patentamt AT502 303 B1 2009-12-15 [0026] Bei Antrieben ohne mechanischen Sensor muss die mechanische Drehzahl der Flusslosen Maschine zuerst identifiziert werden. [0027] Nach dem aktuellen Stand der Technik wird dazu das Grundwellenverhalten der Maschine ausgenützt und versucht, den Rotor zunächst teilweise zu Magnetisieren wobei das Drehmoment möglichst gering gehalten wird. Anschließend wird diese Grundwellenmagnetisierung oder deren induzierte Spannung direkt oder indirekt zur Bestimmung der mechanische Drehzahl und der synchronen Frequenz benutzt. [0028] Das erfindungsgemäße Verfahren hingegen benutzt das hochfrequente oder transiente elektrische Verhalten der Maschine und ist damit nicht auf eine teilweise Magnetisierung des Rotors angewiesen. Die Drehzahlinformation kann sofort ausgewertet werden, da nicht erst auf eine beginnende Magnetisierung des Rotors gewartet werden muss. [0029] In dem Ausführungsbeispiel der, von einem Umrichter mit Spannungszwischenkreis gespeisten Drehstrommaschine wird zur Magnetisierung des Rotors von einem Flussaufbauglied 5 ein Anregungsglied 4 angesteuert. Daraufhin wird die Maschine 1 von dem Anregungsglied 4 Mithilfe des Umrichters 2 transient mit kurzen Spannungsimpulsen, deren Dauer wesentlich kürzer ist als die kleinste Zeitkonstante der Maschine, angeregt. In dem Anregungsreaktionsbildungsglied 8 wird die Änderung der Maschinenströme aufgrund dieser Anregung bestimmt und zum Modulationsauswerteglied 7 weitergeleitet, wo der Signalanteil der, beispielsweise von der Rotornutung hervorgerufenen rotorfesten Modulation erfasst und zum Drehzahlbestimmungsglied 6 geführt werden. Im Drehzahlbestimmungsglied 6 wird schließlich aus diesem Signalanteil unter Kenntnis der Nutanzahl der Maschine die Rotordrehzahl bestimmt und dem Flussaufbauglied 5 zugeführt. Mit der bekannten Rotordrehzahl wird schließlich im Flussaufbauglied 5 der zur Magnetisierung ohne Drehmomententwicklung notwendige optimale Stromraumzeiger bestimmt und mit dem Umrichter 2 in der Maschine eingeprägt. Bei ausreichender Magnetisierung des Rotors wird das Anregungsglied wieder abgesteuert. Patentansprüche 1. Verfahren zur Drehzahlermittlung mit zur synchronen Frequenz hochfrequenter und zum Nennstrom kleiner Erregung von umrichtergespeisten Asynchronmaschinen ohne mechanischen Sensor, dadurch gekennzeichnet, dass eine Asynchronmaschine 1 ausgehend von einem Anregungsglied 4 durch einem Umrichter 2 transient mit Strom- oder Spannungsimpulsen angeregt wird, deren Dauer wesentlich kürzer ist als die kleinste Zeitkonstante der Maschine, und dass die, aus Nutung oder Blechanisotropie resultierenden Effekte, jedoch nicht die aus der, zum Rotor mit synchroner Frequenz rotierenden, Grundwelle resultierenden Effekte des Rotors, nämlich die modulierte Reaktion der Maschine in einem Anregungsreaktionsbildungsglied 8 erfasst wird, wobei es gleichgültig ist, ob die Reaktion der Maschine durch Auswertung von Strang oder Aussenleitermesswerten erfolgt und dass die Reaktion in einem Modulationsauswerteglied 7 weiterverarbeitet und in einem Drehzahlbestimmungsglied 6 die mechanische Drehzahl der Asynchronmaschine 1 bestimmt wird und dass ein Flussaufbauglied 5 mit der nun bekannten mechanischen Drehzahl und dem Umrichter 2 mit dem optimalen Stromraumzeiger die Magnetisierung ohne Drehmomentbildung der Asynchronmaschine 1 durchführt, wobei es gleichgültig ist, ob die Reaktion der Maschine durch Auswertung von Strang oder Aussenleitermesswerten erfolgt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregung der Asynchronmaschine 1 durch das Anregungsglied 4 und den Umrichter 2 mit einem hochfrequenten Signal erfolgt, dessen Frequenz konstant ist und ein Vielfaches der größten betriebsmäßigen Frequenz beträgt, sodass die Reaktion der Maschine von Effekten wie Nutung oder Blechanisotropie und nicht durch eine Teilmagnetisierung des Rotors moduliert wird und in dem Anregungsreaktionsbildungsglied 8 erfasst wird. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 4/5