DE102010014173A1

DE102010014173A1 - Verfahren zum Betrieb einer fremderregten Synchronmaschine und fremderregte Synchronmaschine

Info

Publication number: DE102010014173A1
Application number: DE102010014173A
Authority: DE
Inventors: Matthias Dr. Hauck; Marek Lewandowski; Matthias Hartmann
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2009-04-29
Filing date: 2010-04-07
Publication date: 2011-06-16
Anticipated expiration: 2030-04-08
Also published as: DE102010014173B4

Abstract

Verfahren zum Betrieb einer fremderregten Synchronmaschine und fremderregte Synchronmaschine, umfassend zumindest Stator und Rotor mit Erregerwicklung,
wobei Maschinenstrom und Maschinenspannung, insbesondere also die an der Statorwicklung bestehende Versorgungsspannung und der in die Statorwicklung gespeiste Strom, erfasst werden,
wobei mittels eines Maschinenmodells der Rotorfluss bestimmt wird und daraus gemäß einer Kennlinie, insbesondere Magnetisierungskennlinie, der in die Erregerwicklung gespeiste Erregerstrom.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer fremderregten Synchronmaschine und eine fremderregte Synchronmaschine.
Es ist bekannt, bei einer fremderregten Synchronmaschine eine Erregerwicklung am Rotor vorzusehen, die auf einem mit dem Rotor drehfest verbundenen Rotorblechpaket angeordnet ist zur Erzeugung eines Magnetfelds.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Sicherheit bei einer fremderregten Synchronmaschine zu erhöhen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Verfahren zum Betrieb einer fremderregten Synchronmaschine nach den in Anspruch 1 und bei der fremderregten Synchronmaschine nach den in Anspruch 14 angegebenen Merkmalen gelöst.
Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Verfahren sind, dass es zum Betrieb einer fremderregten Synchronmaschine, umfassend zumindest Stator und Rotor mit Erregerwicklung,
wobei Maschinenstrom und Maschinenspannung, insbesondere also die an der Statorwicklung bestehende Versorgungsspannung und der in die Statorwicklung gespeiste Strom, erfasst werden,
wobei
mittels eines Maschinenmodells der Rotorfluss bestimmt wird und daraus gemäß einer Kennlinie, insbesondere Magnetisierungskennlinie, der in die Erregerwicklung gespeiste Erregerstrom.
Von Vorteil ist dabei, dass aus an der Statorwicklung erfassten Werten gemäß einem Maschinenmodell der Rotorfluss in einfacher Weise bestimmbar ist, wobei ein einfaches Maschinenmodell verwendbar ist. Ebenso ist in einfacher Weise gemäß der im Speicher hinterlegbaren Kennlinie der Erregerstrom bestimmbar und somit die Regelung der Maschine entsprechend verbesserbar und/oder die Sicherheit mittels Überwachung auf kritische Werte oder Differenzen erhöhbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Erregerwicklung berührungslos versorgt, insbesondere mittels eines induktiven Übertragers. Von Vorteil ist dabei, dass eine verlustarme wartungsfreie Versorgung der Erregerwicklung ermöglicht ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Erregerwicklung aus einem induktiven Übertrager, insbesondere umfassend Primärwicklung und Sekundärwicklung, versorgt,
wobei Strom und/oder Spannung an der Primärwicklung bestimmt wird. Von Vorteil ist dabei, dass diese Größen in einfacher Weise bestimmbar sind und Rückschlüsse auf sekundärseitige Größen in einfacher Weise durchführbar sind.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird aus den am Übertrager primärseitig bestimmten Größen an die Sekundärwicklung übertragene Leistung bestimmt und daraus wird die an die Erregerwicklung geleitete Leistung ermittelt, woraus der ohmsche Widerstand der Erregerwicklung unter Berücksichtigung des Erregerstromes bestimmt wird,
insbesondere wobei von der übertragenen Leistung Verlustleistungen subtrahiert werden, insbesondere wie beispielsweise Ummagnetisierungsverlustleistungen, Verlustleistungen eines sekundärseitig angeordneten Gleichrichters und gegebenenfalls nachgeordneter Glättungsmittel, wie Kondensator und/oder Induktivität. Von Vorteil ist dabei, dass eine Bestimmung des Rotorwiderstandes in einfacher Weise ausführbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Kennlinie einem Zusammenhang zwischen Magnetisierung desjenigen Rotorblechpakets, auf dem die Erregerwicklung angeordnet, und Erregerstrom, insbesondere also dem durch die Erregerwicklung fließenden Stroms, entspricht, insbesondere also jedem Wert für Erregerstrom einen Wert für Magnetisierung zuordnet. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfach zu bestimmende Kennlinie hinterlegt wird.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Maschine eine Drehstrommaschine, so dass Maschinenstrom und Maschinenspannung jeweils Raumzeiger sind, also vektorielle Größen, insbesondere wobei der Erregerstrom als skalare Größe darstellbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine Drehstrommaschine verwendbar ist und die um einzelne Pole des Rotorblechpakets ausgeführten Einzelwicklungen der Erregerwicklung parallel oder seriell zusammenschaltbar sind und somit mit einem unipolaren Strom, insbesondere Gleichstrom versorgbar sind.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird aus primärseitig am Übertrager erfassten Größen eine sekundärseitig zur Verfügung gestellte Leistung bestimmt, insbesondere wobei Verlustleistungen subtrahiert sind. Von Vorteil ist dabei, dass die Genauigkeit der Bestimmung sekundärseitiger Größen verbesserbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird aus der sekundärseitig zur Verfügung gestellten Leistung unter Berücksichtigung des Erregerstroms, insbesondere mittels Division durch dessen Quadrat, der ohmsche Widerstand der Erregerwicklung bestimmt. Von Vorteil ist dabei, dass die Bestimmung in besonders einfacher und schneller Weise ausführbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird aus dem ohmschen Widerstand die Temperatur der Erregerwicklung und somit im Wesentlichen des Rotors bestimmt. Von Vorteil ist dabei, dass die Temperatur in einfacher Weise, insbesondere ohne zusätzliche am Rotor vorgesehene Sensoren, ausführbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird bei Überschreiten eines kritischen Wertes, insbesondere entweder durch den Erregerstrom und/oder durch die Temperatur, eine Warnung gemeldet und/oder angezeigt und/oder eine Notreaktion, wie Leistungsreduzierende Maßnahmen oder Notabschaltung, ausgeführt. Von Vorteil ist dabei, dass eine Überwachung der Maschine ohne zusätzliche Sensoren ausführbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Kennlinie in einem Speicher der Ansteuerelektronik eines zur Speisung der Maschine vorgesehenen Wechselrichters hinterlegt, insbesondere vor Betrieb der Maschine. Von Vorteil ist dabei, dass die Kennlinie in besonders einfacher Weise bestimmbar und hinterlegbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird abhängig vom Betriebspunkt der Elektromaschine ein jeweiliger Sollwert für Erregerstrom vorgegeben, auf den der bestimmte Erregerstrom hingeregelt wird. Von Vorteil ist dabei, dass eine betriebspunktabhängige Anpassung des Sollwertes erreichbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der bestimmte Erregerstrom mit einem aus primärseitig am Übertrager erfassten Größen bestimmten, sekundärseitig zur Verfügung gestellten Erregerstrom verglichen,
insbesondere wobei bei Überschreiten einer zulässigen Abweichung eine Warnung und/oder Notreaktion ausgelöst wird. Von Vorteil ist dabei, dass der Erregerstrom in zwei unabhängigen Verfahren bestimmbar ist und somit durch Vergleich der beiden bestimmten Werte eine sicherheitsgerichtete Überwachung der Maschine ausführbar ist.
Wichtige Merkmale bei der fremderregten Synchronmaschine sind, dass sie in einem ersten axialen Abschnitt des Rotors an einem Rotorblechpaket eine Erregerwicklung angeordnet ist und
in einem zweiten axialen Abschnitt, insbesondere einem vom ersten axialen Abschnitt verschiedenen axialen Abschnitt, eine Sekundärwicklung, die mit einer axial und/oder radial beabstandet vorgesehenen Primärwicklung einen induktiven Übertrager bildet, wobei die Sekundärwicklung mit dem Rotor drehfest verbunden ist und die Primärwicklung mit dem Stator der Maschine verbunden ist,
wobei aus der Sekundärwicklung ein Gleichrichter gespeist wird, der über ein Glättungsmittel mit der Erregerwicklung elektrisch verbunden ist, insbesondere so dass der Ausgangsstrom des Gleichrichters zumindest teilweise der Erregerwicklung zugeleitet wird.
Von Vorteil ist dabei, dass eine berührungslose Versorgung der Erregerwicklung gewährleistbar ist und ein geglätteter unipolarer Strom der Erregerwicklung zuführbar ist. In Weiterbildung ist als Glättungsmittel auch die Erregerwicklung selbst verwendbar und somit eine weitere Komponente einsparbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind Mittel zur Erfassung des Maschinenstroms, der Maschinenspannung und/oder Spannung und Strom an der Primärwicklung vorgesehen und die erfassten Werte werden einer elektronischen Schaltung zugeleitet zur Bestimmung des Erregerstroms und Regelung auf einen vom Betriebspunkt der Maschine, insbesondere also Drehzahl und Drehmoment an der Abtriebswelle der Maschine, abhängigen Sollwert hin. Von Vorteil ist dabei, dass eine betriebspunktabhängige Regelung der Maschine ausführbar ist und somit die Sicherheit erhöhbar ist.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
Der erfindungsgemäße Elektromotor weist eine Rotorwelle auf, die einen ersten axialen Abschnitt umfasst, in welchem ein Rotorblechpaket angeordnet ist, das nach radial außen weisende Zähne aufweist, um die jeweils eine Wicklung ausgeführt ist, wobei die in Umfangsrichtung hintereinander angeordneten Wicklungen einen abwechselnden Wicklungssinn aufweisen. Auf diese Weise ist diese auch als Erregerwicklung bezeichenbare Wicklung auf dem Rotorblechpaket derart ausgeführt, dass in Umfangsrichtung abwechselnd nach radial außen weisende Nordpole und Südpole angeordnet sind, wenn die Erregerwicklung mit einem Gleichstrom beaufschlagt wird.
In einem axial unterschiedlichen Abschnitt der Rotorwelle ist eine als Sekundärwicklung ausgeführte Ringwicklung vorgesehen, die konzentrisch zur Rotorwellenachse ausgeführt ist.
Axial oder radial von der Sekundärwicklung beabstandet ist eine Primärwicklung vorgesehen, die mit einem Wechselstrom beaufschlagt wird. Der in der Sekundärwicklung induzierte Strom wird einem mit der Rotorwelle mitdrehbar angeordneten Gleichrichter zugeführt, aus dem die Erregerwicklung mit dem Erregerstrom versorgt wird.
Der Rotor ist in einem Stator angeordnet, dessen Statorwicklung als Drehstromwicklung ausgeführt ist.
Die Bestimmung des Erregerstroms ist zwar aus an der Primärwicklung erfassten Strom- und Spannungswerten ausführbar, jedoch ist diese Erfassung mit gewissen Unsicherheiten behaftet.
Grundsätzlich wird der Erregerstrom erfindungsgemäß aus der am Stator des Motors erfassten Spannung und dem zugehörigen Motorstrom bestimmt. Dabei wird aus den zu jeder Phase gehörigen erfassten Spannungswerten ein Motorspannungsraumzeiger bestimmt. Ebenso wird aus den in den einzelnen Phasen erfassten Stromwerten ein Stromraumzeiger bestimmt.
Dieser Spannungsraumzeiger und Stromraumzeiger wird einer Steuerelektronik zugeführt.
Dabei wird aus den erfassten Werten ein Modellwert für den Rotorfluss bestimmt, wobei bei dieser Bestimmung das Maschinenmodell des Motors angewendet wird. Das Maschinenmodell besteht in mathematischen Formeln, wobei gewisse maschinenbezogene Größen mit Parameterwerten dargestellt werden, die bei Auslegung und/oder Herstellung der Maschine bestimmt werden. In der Steuerelektronik ist außerdem die Magnetisierungskennlinie für das Rotorblechpaket hinterlegt. Auf diese Weise ist es ermöglicht unter Verwendung der Magnetisierungs-Kennlinie den Erregerstrom zu bestimmen.
Auf diese Weise ist es ermöglicht, den Erregerstrom auf einen gewünschten Wert, also Sollwert, hin zu regeln. Je nach Betriebspunkt, also abhängig vom jeweils herrschenden oder gewünschten Drehzahlwert und Drehmomentwert des Motors, ist dabei ein anderer Erregerstrom vorteilhaft. Insbesondere ist bei der Wahl des Sollwertes für Erregerstrom eine Minimierung von Verlusten berücksichtigbar.
In Weiterbildung ist auch die obengenannte zusätzliche Bestimmung des Erregerstroms aus den an der Primärwicklung des Drehübertragers zur Versorgung der Erregerwicklung bestimmten Werten durchführbar. Dieser zusätzlich bestimmte Wert ist dann vergleichbar mit dem mittels der obengenannten Bestimmung des Erregerstroms aus Werten von Größen, die an der Statorwicklung bestimmt werden. Wenn die Differenz der beiden bestimmten Werten an Erregerstrom einen kritischen Wert überschreitet, ist eine Warnung anzeigbar, da ein Kurzschluss oder anderer Fehler vorliegen kann.
Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird die mittels der induktiven Übertragung von der Primärwicklung an die Sekundärwicklung übertragene Leistung bestimmt. Von diesem Leistungswert werden weitere bekannte Verluste subtrahiert. Aus dem Ergebniswert an Leistung wird der ohmsche Widerstand der Erregerwicklung bestimmt gemäß R = P/I^2, wobei I der in obengenannter Weise bestimmte Erregerstrom ist, der also aus Werten von Größen bestimmt wird, die an der Statorwicklung erfasst werden.
Aus dem ohmschen Widerstand ist die Temperatur der Erregerwicklung bestimmbar. Bei Überschreiten einer kritischen Temperatur ist eine Warnung herausgebbar oder andere Notreaktion ausführbar, wie beispielsweise eine Notabschaltung ausführbar.
Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird die kritische Temperatur abhängig vom Betriebspunkt verschieden vorgegeben, so dass für die kritische Temperatur ein Wert knapp über der für diesen Betriebspunkt zu erwartenden Temperatur vorgegeben wird und somit die Notreaktion im Fehlerfall noch schneller auslösbar ist.
Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird der bestimmte Temperaturwert gefiltert, insbesondere tiefpassgefiltert, so dass kurzfristige Schwankungen unberücksichtigt bleiben. Insbesondere ist die kritische Temperatur derart niedrig vorgebbar, dass bei kurzfristiger Überschreitung noch keine Notreaktion ausgelöst wird sondern erst bei länger andauernder Überschreitung.

Claims

Verfahren zum Betrieb einer fremderregten Synchronmaschine, umfassend zumindest Stator und Rotor mit Erregerwicklung, wobei Maschinenstrom und Maschinenspannung, insbesondere also die an der Statorwicklung bestehende Versorgungsspannung und der in die Statorwicklung gespeiste Strom, erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Maschinenmodells der Rotorfluss bestimmt wird und daraus gemäß einer Kennlinie, insbesondere Magnetisierungskennlinie, der in die Erregerwicklung gespeiste Erregerstrom.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerwicklung berührungslos versorgt wird, insbesondere mittels eines induktiven Übertragers.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerwicklung aus einem induktiven Übertrager, insbesondere umfassend Primärwicklung und Sekundärwicklung, versorgt wird, wobei Strom und/oder Spannung an der Primärwicklung bestimmt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den am Übertrager primärseitig bestimmten Größen an die Sekundärwicklung übertragene Leistung bestimmt wird und daraus die an die Erregerwicklung geleitete Leistung ermittelt wird, woraus der ohmsche Widerstand der Erregerwicklung unter Berücksichtigung des Erregerstromes bestimmt wird, insbesondere wobei von der übertragenen Leistung Verlustleistungen subtrahiert werden, insbesondere wie beispielsweise Ummagnetisierungsverlustleistungen, Verlustleistungen eines sekundärseitig angeordneten Gleichrichters und gegebenenfalls nachgeordneter Glättungsmittel, wie Kondensator und/oder Induktivität.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennlinie einem Zusammenhang zwischen Magnetisierung desjenigen Rotorblechpakets, auf dem die Erregerwicklung angeordnet ist, und Erregerstrom, insbesondere also dem durch die Erregerwicklung fließenden Stroms, entspricht, insbesondere also jedem Wert für Erregerstrom einen Wert für Magnetisierung zuordnet.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine eine Drehstrommaschine ist, so dass Maschinenstrom und Maschinenspannung jeweils Raumzeiger sind, also vektorielle Größen, insbesondere wobei der Erregerstrom als skalare Größe darstellbar ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus primärseitig am Übertrager erfassten Größen eine sekundärseitig zur Verfügung gestellte Leistung bestimmt wird, insbesondere wobei Verlustleistungen subtrahiert sind.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der sekundärseitig zur Verfügung gestellten Leistung unter Berücksichtigung des Erregerstroms, insbesondere mittels Division durch dessen Quadrat, der ohmsche Widerstand der Erregerwicklung bestimmt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem ohmschen Widerstand die Temperatur der Erregerwicklung und somit im Wesentlichen des Rotors bestimmt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten eines kritischen Wertes, insbesondere entweder durch den Erregerstrom und/oder durch die Temperatur, eine Warnung gemeldet und/oder angezeigt wird und/oder eine Notreaktion, wie Leistungsreduzierende Maßnahmen oder Notabschaltung, ausgeführt wird oder werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennlinie in einem Speicher der Ansteuerelektronik eines zur Speisung der Maschine vorgesehenen Wechselrichters hinterlegt wird, insbesondere vor Betrieb der Maschine.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig vom Betriebspunkt der Elektromaschine ein jeweiliger Sollwert für Erregerstrom vorgegeben wird, auf den der bestimmte Erregerstrom hingeregelt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der bestimmte Erregerstrom mit einem aus primärseitig am Übertrager erfassten Größen bestimmten, sekundärseitig zur Verfügung gestellten Erregerstrom verglichen wird, insbesondere wobei bei Überschreiten einer zulässigen Abweichung eine Warnung und/oder Notreaktion ausgelöst wird.
Fremderregte Synchronmaschine zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten axialen Abschnitt des Rotors an einem Rotorblechpaket eine Erregerwicklung angeordnet ist und in einem zweiten axialen Abschnitt, insbesondere einem vom ersten axialen Abschnitt verschiedenen axialen Abschnitt, eine Sekundärwicklung, die mit einer axial und/oder radial beabstandet vorgesehenen Primärwicklung einen induktiven Übertrager bildet, wobei die Sekundärwicklung mit dem Rotor drehfest verbunden ist und die Primärwicklung mit dem Stator der Maschine verbunden ist, wobei aus der Sekundärwicklung ein Gleichrichter gespeist wird, der direkt oder über ein Glättungsmittel mit der Erregerwicklung elektrisch verbunden ist, insbesondere so dass der Ausgangsstrom des Gleichrichters zumindest teilweise der Erregerwicklung zugeleitet wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Erfassung des Maschinenstroms, der Maschinenspannung und/oder Spannung und Strom an der Primärwicklung vorgesehen sind und die erfassten Werte einer elektronischen Schaltung zugeleitet werden zur Bestimmung des Erregerstroms und Regelung auf einen vom Betriebspunkt der Maschine, insbesondere also Drehzahl und Drehmoment an der Abtriebswelle der Maschine, abhängigen Sollwert hin.