DE102008045630A1 - Verfahren zum Zuschalten eines Umrichters an eine geberlose drehende permanenterregte Synchronmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Zuschalten eines lastseitigen Stromrichters (4) eines Spannungszwischenkreis-Umrichters auf eine geberlose permanenterregte Synchronmaschine (2), deren Rotor gegenüber dem Stator vor und/oder während des Zuschaltens mit einer unbekannten beliebigen Polradwinkelgeschwindigkeit (omega) rotiert. Erfindungsgemäß wird ein Nullspannungs-Raumzeiger $I1 zwei Mal zeitlich hintereinander für eine vorbestimmte Zeitspanne (TP) an die Klemmen der permanenterregten Synchronmaschine (2) geschaltet und die zugehörigen Stromantworten in Betrag und Phase (phi0, phi1) ermittelt, wobei der zeitliche Abstand (T) derart gewählt ist, dass die Synchronmaschine (2) stromlos wird, wird aus den Phasenwinkeln (phi0, phi1) der beiden ermittelten Stromantworten und dem zeitlichen Abstand (T) eine Polradwinkelgeschwindigkeit (omega) berechnet und wobei aus dieser Polradwinkelgeschwindigkeit (omega), den beiden Zeitspannen (T, TP) und dem Phasenwinkel (phi1) der zweiten Stromantwort ein Polradlagewinkel $I2 für den Zuan ein Zuschaltverfahren, das gegenüber bekannten Verfahren wesentlich schneller ist und einen geringeren Aufwand für die Realisierung beansprucht.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Zuschalten eines lastseitigen Stromrichters eines Spannungszwischenkreis-Umrichters an eine geberlose permanenterregte Synchronmaschine, deren Rotor gegenüber dem Stator vor und/oder während des Zuschaltens mit einer unbekannten beliebigen Polradwinkelgeschwindigkeit dreht.
• Permanenterregte Synchronmaschinen werden polradorientiert an Spannungszwischenkreis-Umrichtern, auch als Frequenzumrichter bezeichnet, betrieben. Bei einem Betrieb ohne Polradlagegeber ist das Zuschalten des Umrichters an eine rotierende permanenterregte Synchronmaschine problematisch, da zum Zeitpunkt des Zuschaltens keine Information über die Polradlage bzw. die Polraddrehgeschwindigkeit vorliegt.
• Aus der DE 10 2007 003 874 A1 ist ein Verfahren zum geberlosen Betrieb einer stromrichtergespeisten unsymmetrischen Drehfeldmaschine, insbesondere einer permanenterregten Synchronmaschine, bekannt. Bei diesem Verfahren wird mittels eines Testsignals, das in Richtung einer vermuteten Flussachse der Drehfeldmaschine in diese eingespeist wird, eine geschätzte Flusslage fortlaufend korrigiert. Bei diesem Verfahren werden als Testsignal wenigstens zwei Wechselspannungssignale unterschiedlicher Frequenz zeitgleich vorgegeben. Durch die zeitgleiche Verwendung von zwei Testsignalen erhält man wenigstens zwei unterschiedliche Reaktionen, aus denen dann eine Abweichung einer geschätzten Rotorlage von der tatsächlichen Rotorlage der permanenterregten Synchronmaschine mit einer höheren Genauigkeit bestimmt werden kann. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die Ausführung des Verfahrens Zeit beansprucht und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens aufwändig ist.
• Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Zuschalten eines Umrichters auf eine noch drehende geberlose permanenterregte Synchronmaschine anzugeben, das möglichst wenig Zeit beansprucht und ohne großen Aufwand umgesetzt werden kann.
• Diese Aufgabe wird mit den Verfahrensschritten des Anspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.
• Erfindungsgemäß werden zwei Nullspannungs-Raumzeiger zu unterschiedlichen Zeiten nacheinander vom Stromrichter ausgegeben und jeweils eine Stromantwort in Betrag und Phase ermittelt. Die Zeitspanne zwischen den beiden Nullspannungs-Raumzeigern ist derart bemessen, dass bei der Ausgabe eines zweiten Nullspannungs-Raumzeigers die noch drehende permanenterregte Synchronmaschine stromlos ist. Aus den ermittelten Phasenwinkeln der beiden Stromantworten und einer Zeitspanne, die sich zusammensetzt aus Zeitspannung der Ausgabe eines Nullspannungs-Raumzeigers und einer Zeitspanne zum Stromloswerden der Synchronmaschine, wird eine Polradwinkelgeschwindigkeit berechnet. Mit dieser Polradwinkelgeschwindigkeit, mit dem Phasenwinkel der zweiten Stromantwort und den beiden Zeitspannen kann zu einem Zuschaltzeitpunkt eine zugehörige Polradlage berechnet werden, die in der feldorientierten Regelung des lastseitigen Stromrichters eines Spannungszwischenkreis-Umrichters verwendet wird.
• Im Vergleich zum Verfahren mit einem Testsignal ist dieses erfindungsgemäße Verfahren deutlich schneller im Ablauf und benötigt für die Umsetzung einen erheblich geringeren Aufwand.
• Bei einem vorteilhaften Verfahren ist die Dauer für die Ausgabe eines Nullspannungs-Raumzeigers derart bemessen, dass ein Betrag einer zugehörigen Stromantwort einen vorbestimmten Stromgrenzwert des lastseitigen Stromrichters nicht übersteigt. Dadurch kann die Zeitspanne für die Dauer der Ausgabe eines Nullspannungs-Raumzeigers gleich der Dauer einer Puls weitenmodulations-Periode des lastseitigen Stromrichters sein. Somit ist dieses Verfahren auch bei lastseitigen Stromrichtern einsetzbar, die für Regelungszwecke nur übliche Sollwertschnittstellen verwendet, wie beispielsweise Low-Cost-Umrichter.
• Den Unteransprüchen 4 bis 7 sind Berechnungsmethoden von Größen des erfindungsgemäßen Verfahrens entnehmbar.
• Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der das erfindungsgemäße Verfahren erläutert wird.
• 1 zeigt ein Blockschaltbild einer bekannten feldorientierten Regelung einer geberlosen, permanenterregten Synchronmaschine, die um eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erweitert worden ist, in der
• 2 ist eine Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht, in der
• 3 ist eine Stromtrajektorie in Polarkoordinaten eines flussfesten Koordinatensystems bei Klemmenkurzschluss dargestellt, in der
• 4 ist in einem Diagramm über der Zeit t ein Pulsmuster des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, wobei in den
• 5 und 6 jeweils in einem Diagramm über der Zeit t eine Stromantwort veranschaulicht ist.
• In der 1 ist ein Blockschaltbild einer aus der DE 10 2007 003 874 A1 bekannten feldorientierten Regelung einer stromrichtergespeisten, geberlosen, permanenterregten Synchronmaschine schematisch dargestellt, die um eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erweitert worden ist. In diesem Blockschaltbild sind mit 2 eine geberlose, permanenterregte Synchronmaschine, mit 4 ein lastseitiger Stromrichter, insbesondere ein selbstgeführter Pulsstromrichter, mit 6 ein Steuersatz, auch als Modulator bezeichnet, mit 8 eine Grundschwingungs-Stromregelung, mit 10 eine Recheneinrichtung, die auch als Flussrechner bezeichnet wird, und mit 12 ein Modell, insbesondere ein Wechselrichtermodell, bezeichnet. Außerdem weist diese feldorientierte Regelung noch zwei Koordinatenwandler 14 und 16, zwei Vektordreher 18 und 20 und eine Vorrichtung 26 auf, mit der das erfindungsgemäße Verfahren realisiert wird. Ein Blockschaltbild einer Ausführungsform dieser Vorrichtung 26 ist in der 2 näher dargestellt.
• Mittels zweier Stromwandler 22 und 24 und des Koordinatenwandlers 14 werden aus zwei gemessenen Maschinenstrom-Istwerten i_a und i_c zwei orthogonale Stromkomponenten i_α und i_β eines Maschinenstrom-Istraumzeigers i generiert. Dieser Maschinenstrom-Istraumzeiger i mit seinen kartesischen Stromkomponenten i_α, i_β ist noch ständerorientiert. Mit Hilfe des ersten Vektordrehers 18 werden diese kartesischen Stromkomponenten i_α, i_β des ständerorientierten Maschinenstrom-Istraumzeigers i in orthogonale Stromkomponenten i_d, i_q eines polradorientierten Maschinenstrom-Istraumzeigers i gedreht. Die eine orthogonale Stromkomponente i_d dieses polradorientierten Maschinenstrom-Istraumzeigers i erstreckt sich in Richtung des von den Permanentmagneten erzeugten Fluss-Raumzeigers, weshalb dieser auch als Längsstrom bezeichnet wird, wogegen die andere orthogonale Stromkomponente i_q sich senkrecht dazu erstreckt, weswegen diese als Querstrom bezeichnet wird. Damit das ständerorientierte kartesische Koordinatensystem α, β in das flussfeste Koordinatensystem d, q gedreht werden kann, muss die elektrische Lage des von den Magneten erzeugten Flusses der permanenterregten Synchronmaschine 2 bekannt sein. Diese elektrische Lage ist zwar fest mit der mechanischen Läuferlage verbunden, die sich bei Drehung der permanenterregten Synchronmaschine 2 aber auch verändern kann. Deshalb benötigt dieser Vektordreher 18 den Polradlagewinkel γ.
• Die Stromkomponenten i_α, i_β des ständerorientierten Maschinenstrom-Istraumzeigers i werden zusammen mit orthogonalen Komponenten u_α, u_β eines generierten ständerorientierten Maschinenspannungs-Istraumzeigers u der Recheneinrichtung 10 zugeführt. Eine Ausführungsform dieser Recheneinrichtung 10 ist in der 6 der DE 10 2006 004 034 A1 näher dargestellt. Die Spannungskomponenten u_α, u_β des ständerorientierten Maschinenspannungs-Istraumzeigers u werden mittels des Wechselrichtermodells 12, dem eine gemessene Zwischenkreisspannung u_ZW, Steuersignale S_ν und die gemessenen Maschinenstrom-Istwerte i_a, i_c und der daraus berechnete Maschinenstrom-Istwert i_b zugeführt sind, und mittels des zweiten Vektordrehers 16 ermittelt. An den Ausgängen des Wechselrichtermodells 12 stehen Maschinenspannungs-Istwerte u_a, u_b und u_c an. Im einfachsten Fall können auch die ständerorientierten Maschinenspannungs-Sollwertkomponenten u_αRef und u_βRef der feldorientierten Regelung verwendet werden. Die Recheneinrichtung 10 berechnet aus diesen ständerorientierten Maschinenstrom-Istkomponenten i_α und i_β des Maschinenstrom-Istraumzeigers i und den ständerorientierten Maschinenspannungs-Istkomponenten u_α und u_β des Maschinenspannungs-Istraumzeigers u einen Polradlagewinkel γ ^ und eine Läuferkreisfrequenz ω ^, die auch als Polradwinkelgeschwindigkeit bezeichnet wird. Da diese Werte berechnet und nicht messtechnisch ermittelt sind, handelt es sich bei diesen Werten um Schätzwerte, die in der feldorientierten Regelung mit einem ”^” versehen sind. Der geschätzte Polradlagewinkel γ ^ wird als Drehwinkel für die beiden Vektordreher 18 und 20 verwendet, wogegen die geschätzte Polradwinkelgeschwindigkeit ω ^ für eine nicht näher dargestellte übergeordnete Drehzahlregelung und zur Vorsteuerung der Stromregelung 8 verwendet wird. Dazu wird diese geschätzte Polradwinkelgeschwindigkeit ω ^ einer Vorsteuereinrichtung 28 zugeführt, an deren Eingängen feldorientierte Maschinenstrom-Sollwertkomponente i_dRef und i_qRef anstehen.
• Die Grundschwingungs-Stromregelung 8 weist außer dieser Vorsteuereinrichtung 28 noch für jede der beiden Stromkomponen ten i_dRef und i_qRef eines feldorientierten Maschinenstrom-Sollraumzeigers i _Ref jeweils einen Stromregler 30 und 32 mit vorgeschaltetem Vergleicher 34 und 36 auf. Ausgangsseitig sind diese Stromregler 30 und 32 jeweils mit einem Addierer 38 und 40 verknüpft, deren zweite Eingänge jeweils mit einem Ausgang der Vorsteuereinrichtung 28 verknüpft sind.
• Ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Vorrichtung 26 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der 2 näher dargestellt. Gemäß diesem Blockschaltbild sind mit 42 eine Einrichtung zur Bestimmung jeweils eines Phasenwinkels φ₀ bzw. φ₁ jeweils einer Stromantwort, mit 44 eine Einrichtung zur Ausgabe eines Steuersignals S_0,7 eines Nullspannungs-Raumzeigers u _0,7, mit 46 eine Einrichtung zur Berechnung einer Polradwinkelgeschwindigkeit ω ^ und mit 48 eine Einrichtung zur Berechnung eines Polradwinkels γ ^ bezeichnet. An den beiden Eingängen der Einrichtung 42 steht jeweils eine ständerorientierte Stromkomponente i_α und i_β eines Maschinenstrom-Istraumzeigers i an, der als Antwort eines geschalteten Nullspannungs-Raumzeigers u _0,7 ermittelt worden ist. Damit ein Nullspannungs-Raumzeiger u _0,7 geschaltet werden kann, wird von der Einrichtung 44 in Abhängigkeit eines Impulssperre-Signals S_SP und zweier Zeitspannen T_SP und T_P ein zugehöriges Steuersignal S_0,7 berechnet. Die Zeitspanne T_P gibt die Zeit an, während der ein Nullspannungs-Raumzeiger u _0,7 geschaltet ist. Dagegen gibt die Zeitspanne T_SP die Zeit an, während der der lastseitige Stromrichter 4, insbesondere ein selbstgeführter Pulsstromrichter, nach einem geschalteten Nullspannungs-Raumzeiger u _0,7 gesperrt ist. Diese Zeitspanne T_SP wird ebenfalls den Einrichtungen 46 und 48 zugeführt. Die Einrichtung 46 berechnet aus den ihren Eingängen zugeführten, berechneten Phasenwinkeln φ₀ und φ₁ und der zugeführten Zeitspanne T = T_SP + T_P den Wert einer Polradwinkelgeschwindigkeit ω ^. Dieser Wert der geschätzten Polradwinkelgeschwindigkeit ω ^ wird einerseits der Einrichtung 48 zugeführt und kann andererseits an einem Ausgang der Vorrichtung 26 abgegriffen werden. Der Einrichtung 48 sind neben diesem Wert der geschätzten Polradwinkelgeschwindigkeit ω ^ und der Zeitspanne T_SP ebenfalls die Zeitspanne T_P und ein Phasenwinkel φ₁ einer zweiten Stromantwort zugeführt. In Abhängigkeit dieser Werte berechnet diese Einrichtung 48 einen Wert eines geschätzten Polradwinkels γ ^, der an einem Ausgang dieser Vorrichtung 26 abgegriffen werden kann. Das Steuersignal S_0,7 wird über dem Modulator 6 dem lastseitigen Stromrichter 4 zugeführt, damit dieser einen Nullspannungs-Raumzeiger u _0,7 an den Klemmen der permanenterregten Synchronmaschine 2 schalten kann. Die geschätzten Werte für Polradwinkel γ ^ und Polradwinkelgeschwindigkeit ω ^ werden der Recheneinrichtung 10 zugeführt, damit deren Ausgangswerte ω ^ und γ ^ auf die in der Vorrichtung 26 berechneten Werte initialisiert werden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist angelehnt an den Stoßkurzschlussversuch der permanenterregten Synchronmaschine und wertet die Stromantwort zweier in kurzem Abstand aufeinander folgender Spannungsnullimpulse (Klemmenkurzschluss der Synchronmaschine) aus.
• Zur Erläuterung des physikalischen Effektes werden die verkoppelten Differentialgleichungen der feldorientierten Ständerstromkomponenten i_d und i_q in dem mit elektrischer Kreisfrequenz ω des Polrades rotierendem flussfesten Koordinatensystem d, q betrachtet. Jede Dämpfung durch den elektrischen Widerstand R_S der Ständerwicklung sei vernachlässigt (R_S = 0), die die Synchronmaschine 2 sei symmetrisch und linear und an den Ständerklemmen kurzgeschlossen (U = 0).
• Bei stromloser Anfangsbedingung folgt aus den Gleichungen: 0 = –ωLiq + Li .d (1) 0 = ωψ0 + ωLid + Li .q (2)für beliebige t > 0 die Zeitverläufe der Stromkomponenten i_d(t) und i_q(t): id = iK·[cos(ωt) – 1] (3) iq = iK·sin(ωt) (4)

  

  die aus den Differentialgleichungen (1) und (2) hergeleitet sind.
• Im ersten Augenblick für t > 0 verschwindet die erste Ableitung des Längsstroms i °d, d. h. es gilt id(t) ~ 0, i °d ~ 0 (5)wobei der Querstrom i_q proportional zur Polradspannung mit der Zeit t anwächst, d. h. es gilt: iq(t) ~ –ω·iK·t (6)
• Hieraus folgt unmittelbar, dass die Antwort eines Stromraumzeigers i auf einen an den Klemmen einer geberlosen drehenden permanenterregten Synchronmaschine 2 angelegter Nullspannungs-Raumzeiger u _0,7 im ersten Augenblick der so genannten EMK (Polradspannung) entgegengerichtet aus Null startet. Im weiteren Verlauf dreht dann der Stromraumzeiger i entgegen der Drehrichtung des Polrads der permanenterregten Synchronmaschine 2 auf einer Kreistrajektorie k aus der EMK-Achse (q-Achse des flussfesten Koordinatensystems) heraus.
• Dieses Verhalten eines Stromraumzeigers i einer kurzgeschlossenen drehenden geberlosen permanenterregten Synchronmaschine 2 ist in der 3 näher dargestellt. In dieser 3 ist eine Stromtrajektorie k im flussfesten Koordinatensystem d, q bei Klemmenkurzschluss der permanenterregten Synchronmaschine 2, die sich noch dreht, dargestellt. Da dieses Koordinatensystem d, q flussfest ist, liegt der von den Permanentmagneten erzeugte Fluss-Raumzeiger Ψ ₀ in der d-Achse dieses Koordinatensystems d, q. Der zugehörige EMK-Raumzeiger u _PR ist rechtwinklig zum Fluss-Raumzeiger Ψ ₀ angeordnet, und liegt in der q-Achse dieses flussfesten Koordinatensystems d, q. Eben falls ist in dieser 3 der Kurzschlussstrom i_K der Synchronmaschine 2 eingetragen, der nach einer Zeitspanne T_P den Punkt I(T_P) auf der Kreistrajektorie k erreicht hat.
• Im Diagramm der 4 ist über der Zeit t ein Pulsmuster u_PM des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, wogegen in den Diagrammen der 5 und 6 jeweils über der Zeit t die ermittelten Stromkomponenten i_α und i_β des ständerorientierten Maschinenstrom-Istraumzeigers i dargestellt sind.
• Anhand dieser Diagramme und der beiden Blockschaltbilder der 1 und 2 wird nun das erfindungsgemäße Verfahren zum Zuschalten eines lastseitigen Stromrichters 4 eines Spannungszwischenkreis-Umrichters an eine permanenterregte Synchronmaschine 2, deren Rotor (Polrad) gegenüber dem Stator vor und/oder während des Zuschaltens mit einer unbekannten beliebigen Polradwinkelgeschwindigkeit ω rotiert, beschrieben:
  Der lastseitige Stromrichter 4 befindet sich vor dem Zeitpunkt t₀ im gesperrten Zustand, d. h., die Steuersignale S_ν sind derart gestaltet (Impulsstarre), dass der lastseitige Stromrichter 4 gesperrt ist. Zum Zeitpunkt t₀ wird ein erster Nullspannungs-Raumzeiger u _0,7 für eine vorbestimmte Zeitspanne T_P an die Klemmen der Synchronmaschine 2 gegeben. Zum Zeitpunkt t₁ wird dieser Nullspannungs-Raumzeiger u _0,7 wieder gesperrt, d. h., der Modulator 6 wechselt in den Zustand ”Impulssperre”. Während dieser Zeitspanne T_P, in der ein erster Nullspannungs-Raumzeiger u _0,7 an den Klemmen der Synchronmaschine 2 ansteht, werden zwei Maschinenströme i_a und i_c gemessen, aus denen der dritte Maschinenstrom i_b berechnet wird, aus denen dann mittels des Koordinatenwandlers 14 ständerorientierte Stromkomponenten i_α und i_β eines Maschinenstrom-Istraumzeigers i ermittelt werden. Zum Zeitpunkt t₁ steht an den Klemmen der Synchronmaschine 2 kein Nullspannungs-Raumzeiger u _0,7 mehr an, so dass der Strom in der drehenden Synchronmaschine 2 abnimmt. Die zeitlichen Verläufe dieser beiden ständerorientierten Stromkomponenten i_α und i_β des Maschinenstrom-Istraumzeigers i sind in den Diagrammen der 5 und 6 über der Zeit t dargestellt. Aus diesen ständerorientierten Stromkomponenten i_α und i_β des ermittelten Maschinenstrom-Istraumzeigers i, der eine Stromantwort auf den ersten geschalteten Nullspannungs-Raumzeiger u _0,7 ist, wird mittels der Einrichtung 42 der Vorrichtung 26 fortlaufend der Betrag und der Phasenwinkel φ berechnet. Zum Zeitpunkt t₁ erhält man einen ersten Phasenwinkel φ₀ der Stromantwort auf den ersten geschalteten Nullspannungs-Raumzeiger u _0,7. Sobald die drehende permanenterregte Synchronmaschine 2 wieder stromlos ist (Zeitpunkt t₂), wird erneut ein Nullspannungs-Raumzeiger u _0,7 an die Klemmen der drehenden permanenterregten Synchronmaschine 2 geschaltet. Nach Ablauf der Zeitspanne T_SP, also zum Zeitpunkt t₂, ist die permanenterregte Synchronmaschine 2 wieder stromlos. Dieser Nullspannungs-Raumzeiger u _0,7 bleibt ebenfalls für die Zeitspanne T_P aktiv. Die zeitliche Differenz t₂ – t₁ ist die Zeitspanne T_SP, die die Zeitdauer für das Stromloswerden der permanenterregten Synchronmaschine 2 angibt. Während dieser Zeitspanne T_P werden wieder die ständerorientierten Stromkomponenten i_α und i_β des Maschinenstrom-Istraumzeigers i (Stromimpulsantwort) in Betrag und Phase ermittelt. Zum Zeitpunkt t₃, wenn der Modulator 6 vom Zustand ”Nullspannungs-Raumzeiger” in den Zustand ”Impulssperre” wechselt, steht an einem Ausgang der Einrichtung 42 der Vorrichtung 26 ein zweiter Phasenwinkel φ₁ der zweiten Stromimpulsantwort auf dem zum zweiten Mal geschalteten Nullspannungs-Raumzeiger u _0,7 zur Verfügung. Aus diesen ermittelten Phasenwinkeln φ₀ und φ₁ der beiden Stromimpulsantworten auf einen Nullspannungs-Raumzeiger u _0,7, der zwei Mal zeitlich beabstandet geschaltet wird, und einem zeitlichen Abstand T dieser beiden geschalteten Nullspannungs-Raumzeiger u _0,7 berechnet die Einrichtung 46 der Vorrichtung 26 gemäß folgender Gleichung:

  

  einen Wert der elektrischen Polradwinkelgeschwindigkeit ω. Mit der Kenntnis des Phasenwinkels φ₁ zum Ende des zum zweiten Mal geschalteten Nullspannungs-Raumzeigers u _0,7, der berechneten Polradwinkelgeschwindigkeit ω und den Zeitspannen T und T_P kann nun die Einrichtung 48 der Vorrichtung 26 einen Wert der Polradlage γ ^ der drehenden permanenterregten Synchronmaschine 2 zu einem Zuschaltzeitpunkt t₄ vorausberechnen. Diese Polradlage γ ^ zum Zuschaltzeitpunkt t₄ wird gemäß der Gleichung: γ ^ = φ1 + ω·T – Δ (8)mit Δ = 0,5ωT
  berechnet.
• Δ ist ein Nacheilwinkel einer Stromantwort gegenüber einer Orientierung einer negativen Polradspannung u _RP. Die Gleichung (8), mit der ein Wert einer Polradlage γ ^ zum Zuschaltzeitpunkt t₄ berechnet wird, ist abhängig von der Art der Strommessung. Wird eine integrierende Strommesswerterfassung verwendet, so wird die Polradlage γ ^ zum Zuschaltzeitpunkt t₄ gemäß folgender Gleichung:

  

  berechnet. Wird die Stromantwort ohne integrierende Messung ermittelt, so wird die Polradlage γ ^ zum Zuschaltzeitpunkt t₄ gemäß folgender Gleichung:

  

  berechnet. Durch die integrierende Messung eilt die Phase des integrierend gemessenen Stromwertes nochmals um einen Winkel Δi = 1/2·1/3ωTP (11) nach. Um diesen Nacheilwinkel Δ_i unterscheiden sich die Gleichungen (9) und (10).
• Da nun zum Zuschaltzeitpunkt t₄ die Polradlage γ ^ und die Polradwinkelgeschwindigkeit ω ^ bekannt sind, verfügt die feldorientierte Regelung gemäß 1 über Informationen bezüglich Polradlage γ ^ und Polradwinkelgeschwindigkeit ω ^ zum Zuschaltzeitpunkt t₄, so dass der lastseitige Stromrichter 4 eines Spannungszwischenkreis-Umrichters wieder an die geberlose drehende permanenterregte Synchronmaschine 2 geschaltet werden kann. Mit dem Zeitpunkt t₄ wird wieder ein Pulsmuster vom Modulator 6 ausgegeben, mit dem Spannungs-Sollkomponenten u_αRef, u_βRef eines berechneten Maschinenspannungs-Sollwerts u_Ref vom lastseitigen Stromrichter 4 ausgegeben werden können.
• Gemäß der Stromtrajektorie k im flussfesten Koordinatensystem d, q bei Klemmenkurzschluss einer drehenden permanenterregten Synchronmaschine 2 kann der maximal erreichbare Betrag einer Stromimpulsantwort zum Ende eines geschalteten Nullspannungs-Raumzeigers u _0,7 gemäß folgender Gleichung:

  

  berechnet werden, wobei i_K der Kurzschlussstrom der Maschine ist. Die Gleichung des Kurzschlussstroms i_K ist bereits in der Gleichung (4) angegeben. Bei gegebener Stromgrenze des lastseitigen Stromrichters 4 eines Spannungszwischenkreis-Umrichters und der permanenterregten Synchronmaschine 2 sind gemäß dieser Gleichung (12) Grenzen bzw. Anforderungen für die Polradwinkelgeschwindigkeit ω, sowie der Zeitspanne T_P für die Dauer der Aufschaltung eines Nullspannungs-Raumzeigers u _0,7 definiert. Diese Zeitspanne T_P kann bis zur Dauer einer Pulsweitenmodulations-Periode ausgedehnt werden, solange eine zulässige Stromgrenze für die permanenterregte Synchronmaschine 2 und den lastseitigen Stromrichter 4 dabei nicht überschritten wird. Dadurch kann dieses erfindungsgemäße Verfahren auch bei einem lastseitigen Stromrichter 4 eines Spannungszwischenkreis-Umrichters verwendet werden, der nur für Regelungszwecke übliche Sollwertschnittstellen verwendet. Zu diesen Spannungszwischenkreis-Umrichtern werden Low-Cost-Umrichter gezählt.
• Da zur Bestimmung einer Polradlage γ ^ und einer Polradwinkelgeschwindigkeit ω ^ zu einem Zuschaltzeitpunkt t₄ nur ein Nullspannungs-Raumzeiger u _0,7, der zwei Mal zeitlich beabstandet geschaltet wird, und dessen Stromantworten benötigt werden, ist dieses erfindungsgemäße Verfahren im Vergleich zu einem Verfahren zur Steuerung einer geberlosen permanenterregten Synchronmaschine, das wenigstens ein Testsignal verwendet, wesentlich schneller, wobei eine Realisierung der Vorrichtung 26 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß dem Blockschaltbild gemäß 2 einen erheblich geringeren Aufwand beansprucht.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• - DE 102007003874 A1 [0003, 0016]
• - DE 102006004034 A1 [0018]

Claims (7)

1. Verfahren zum Zuschalten eines lastseitigen Stromrichters (4) eines Spannungszwischenkreis-Umrichters an eine geberlose permanenterregte Synchronmaschine (2), deren Rotor gegenüber dem Stator vor und/oder während des Zuschaltens mit einer unbekannten beliebigen Polradwinkelgeschwindigkeit (ω) rotiert, mit folgenden Verfahrensschritten: a) Ansteuerung des lastseitigen Stromrichters (4) zu einem ersten Zeitpunkt (t₀) derart, dass für eine vorgegebene Zeitspanne (T_P) ein Nullspannungs-Raumzeiger (u _0,7) an den Klemmen der permanenterregten Synchronmaschine (2) ansteht, b) Messung einer Stromantwort auf diesen Nullspannungs-Raumzeiger (u _0,7) in Betrag und Phasenwinkel (φ₁), c) Sperrung des lastseitigen Stromrichters (4) nach Ablauf der vorgegebenen Zeitspanne (T_P) für den Nullspannungs-Raumzeiger (u _0,7), d) Wiederholung der Verfahrensschritte (a) bis (c), nachdem die geberlose permanenterregte Synchronmaschine (2) stromlos geworden ist, e) Berechnung einer Polradwinkelgeschwindigkeit (ω) in Abhängigkeit der beiden ermittelten Phasenwinkel (φ₀, φ₁) und einer Zeitspanne (T), während der der lastseitige Stromrichter (4) gesperrt ist, und f) Berechnung eines Polradlagewinkels (γ) zum Zuschaltzeitpunkt (t₄) in Abhängigkeit des Phasenwinkels (φ₁) der zweiten Stromantwort, der berechneten Polradwinkelgeschwindigkeit (ω), der Zeitspannen (T_P, T) für den Nullspannungs-Raumzeiger (u _0,7) und für die Sperrung des lastseitigen Stromrichters (4) und eines Nacheilwinkels (Δ) einer Stromantwort gegenüber einer Orientierung einer negativen Polradspannung (u _PR).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitspanne (T_P) für die Dauer eines Nullspannungs-Raumzeigers (u _0,7) derart bemessen ist, dass der Betrag der zugehörigen Stromantwort einen vorbestimmten Stromgrenzwert (i_max) des lastseitigen Stromrichters (4) nicht überschreitet.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitspanne (T_P) für die Dauer eines Nullspannungs-Raumzeigers (u _0,7) maximal der Dauer einer Pulsweitenmodulations-Periode des lastseitigen Stromrichters (4) ist.
4. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polradwinkelgeschwindigkeit (ω) gemäß folgender Gleichung:

   

   berechnet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Nacheilwinkel (Δ) gemäß folgender Gleichung: Δ = 0.5·ωTP (10)berechnet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,, dass der Polradlagewinkel (γ ^) zum Zuschaltzeitpunkt (t₄) gemäß folgender Gleichung: γ ^ = φ1 + ω·TP – Δ (8)mit Δ = 0,5ω·T_P berechnet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag einer Stromimpulsantwort zum Ende der Zeitspanne (T_P) eines zugehörigen Nullspannungs-Raumzeigers (u _0,7) gemäß folgender Gleichung:

   

   berechnet wird.