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Die Erfindung betrifft einen Stromrichter zum Betreiben eines Innenpol-Synchronmotors sowie ein Verfahren zum Anfahren eines Innenpol-Synchronmotors.
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Bei einem Innenpol-Synchronmotor wird mittels Drehstroms, der in Ständerwicklungen des Synchronmotors eingeprägt wird, ein Drehfeld erzeugt, durch welches ein Drehmoment auf einen erregten Läufer des Synchronmotors ausgeübt wird. Um eine Rotationsgeschwindigkeit des Läufers einstellen zu können, kann vorgesehen sein, den Drehstrom mittels eines steuerbaren Stromrichters zu erzeugen, wie er beispielsweise Bestandteil eines Frequenzumrichters sein kann.
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Durch einen steuerbaren Stromrichter lässt sich der Drehstrom mittels einer Gleichspannung erzeugen. Hierzu kann der Stromrichter eine mehrphasige Brückenschaltung aufweisen. Diese ist aus mehreren Halbbrücken gebildet, von denen jede in jeweils einem Phasenleiter der Synchronmaschine eine Wechselspannung erzeugt. Dazu weist eine Halbbrücke zwei Schaltelemente auf, über die ein Anschluss einer Ständerentwicklung der Synchronmaschine abwechselnd einmal mit einem Plus-Potential und einmal mit einem Minus-Potential einer Gleichstromquelle, also beispielsweise einem Gleichstrom-Zwischenkreis eines Frequenzumrichters, verbunden wird.
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Ein Schaltzeitpunkt, zu dem man ein bestimmtes Schaltelement der Brückenschaltung leitend schaltet, wird durch einen sogenannten Schaltwinkel beschrieben. Hierbei handelt es sich um einen Phasenwinkel, welcher den Phasenversatz des Schaltzeitpunkts bezüglich des zuletzt vorangegangenen so genannten natürlichen Zündzeitpunkts des Schaltelements beschreibt. Bei dem natürlichen Zündzeitpunkt handelt es sich wiederum um denjenigen Zeitpunkt, zu dem das Schaltelement einen Strom selbständig übernehmen würde, wenn es sich bei dem Schaltelement um eine Diode handeln und die Brückenschaltung als Gleichrichter betrieben würde. Anhand von 1 und 2 ist am Beispiel einer Dreiphasen-Brückenschaltung 10 verdeutlicht, welche natürlichen Zündzeitpunkte sich für Dioden V1 bis V6 eines Dreiphasen-Brückengleichrichters ergeben, mit welchem Phasenspannungen Ua, Ub, Uc eines Drehstrom-Netzes zu einer Gleichspannung Ud gleichgerichtet werden. In dem Graphen von 2 sind die Verläufe der Phasenspannungen Ua, Ub, Uc in Abhängigkeit von einem Phasenwinkel wt aufgetragen, wobei t die Zeit und w = 2 pi f0 die Winkelgeschwindigkeit zu einer Netzfrequenz f0 angibt. Für die Diode V1 ergibt sich zu ihrem natürlichen Zündzeitpunkt ein Schaltwinkel von An1 = 0° (der Phasenversatz ist Null), für die Diode V2 zu deren natürlichen Zündzeitpunkt ein Schaltwinkel von An2 = 0° usw. Durch Verwenden eines steuerbaren Schaltelements anstelle der Diode V1 kann ein Schaltzeitpunkt von beispielsweise An1 = 45° anstelle von An1 = 0° vorgegeben werden.
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Eine Brückenschaltung, bei welcher Halbbrücken steuerbare Schaltelemente anstelle von Dioden aufweisen, kann als Wechselrichter zum Bereitstellen eines Drehstroms für einen Synchronmotor betrieben werden, indem die Schaltelemente jeweils mit einem Schaltwinkel geschaltet werden, der größer als 90° ist. Die Schaltsignale für die Schaltelemente werden hierbei durch einen lastgeführten Betrieb des Stromrichters in Abhängigkeit von einer von dem Synchronmotor in den Ständerwicklungen induzierten Spannung vorgegeben.
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Im Zusammenhang mit dem lastgeführten Betrieb des Stromrichters ergibt sich das Problem, dass die Synchronmaschine induktive Blindleistung für den Stromrichter erzeugen muss. Solche induktive Blindleistung kann von der Synchronmaschine aber während des Anfahrbetriebs (bei kleinen Drehzahlen) derselben nicht bereitgestellt werden. Um einen Läufer eines Synchronmotors aus dem Stillstand in Rotation zu versetzten und ihn über einen Anfahrdrehzahlbereich von ungefähr zehn Prozent seiner Nenndrehzahl hinaus zu beschleunigen, ist bekannt, eine Brückenschaltung durch so genanntes Zwischenkreistakten zu betreiben. Dies entspricht einem Schalten der Schaltelemente der Brückenschaltung mit einem Schaltwinkel von 180° oder knapp darunter. Hierdurch wird ein Drehmoment maximiert, das bei gegebener Erregung des Läufers auf diesen wirkt.
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Bei einer Innenpol-Synchronmaschine kann sich aber das Problem ergeben, dass im Anfahrbetrieb der Synchronmaschine nur eine verhältnismäßig geringe Erregung des Läufers erzeugt werden kann. Entsprechend kann sich eine unerwünscht geringe Beschleunigung des Läufers ergeben.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für einen Innenpol-Synchronmotor einen zuverlässigen Anfahrbetrieb zu gewährleisten.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 sowie durch einen Stromrichter gemäß Patentanspruch 5 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Stromrichters sind durch die Unteransprüche gegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, beim Anfahren eines Innenpol-Synchronmotors induktive Blindleistung in wenigstens eine Statorwicklung des Synchronmotors einzuspeisen.
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Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass in dem Ständer des Synchronmotors ein Blindstrom eingespeist wird. Dieser vergrößert den magnetischen Fluss in dem Synchronmotor im Verhältnis zu einem Betrieb mit einem Schaltwinkel von 180°. Der Schaltwinkel ist insbesondere signifikant größer als er sich lediglich durch Toleranzen bei einer herkömmlichen Steuerung ergeben kann, die einen Schaltwinkel von 180° einstellen soll. Insbesondere können also auch Schaltwinkel vorgesehen sein, die größer als 185° und auch größer als 190° sind.
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Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass dies zu einer Verstärkung eines Anfahr-Drehmoments führen kann, welches auf den Läufer wirkt. Nach der bisherigen Vorgehensweise wird das Anfahr-Drehmoment ausschließlich dadurch maximiert, dass die Schaltelemente des Stromrichters möglichst mit einem Schaltwinkel von bis zu 180° angesteuert werden. Dies ist der Maximalwert des bisher genutzten Wechselrichterbetriebs einer Brückenschaltung. Die derart angestrebte Maximierung des Anfahr-Drehmoments geht allerdings davon aus, dass eine ausreichende Erregung des Läufers vorhanden ist. Für den Fall, dass die Erregung sehr gering ist, kann sich ein unerwünscht geringes Anfahr-Drehmoment ergeben. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun durch das Einspeisen eines Blindstroms der magnetische Fluss in der Maschine vergrößert und hierdurch ein vergrößertes Anfahr-Drehmoment bewirkt.
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Für den Fall, dass der Drehstrom in den Statorwicklungen der Synchronmaschine mittels eines Stromrichters eingespeist wird, ergibt sich eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens, indem Schaltelemente des Stromrichters jeweils mit einem Schaltwinkel geschaltet werden, der größer als 180° ist. Diese bisher unbekannte Betriebsweise eines Stromrichters ermöglicht es während eines Anfahrbetriebs, die gewünschte Blindleistung in die Statorwicklungen einzuspeisen. Als obere Grenze für den Schaltwinkel wird bevorzugt ein Wert zwischen 270° und 180 gewählt, also z.B. 230°, 200°, oder 190°.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Stromrichter, mit dem sich ein Innenpol-Synchronmotor in der Weise anfahren lässt. Der Stromrichter weist eine Umrichter-Brückenschaltung mit steuerbaren Schaltelementen auf. Durch diese sind Gleichspannungsanschlüsse zum Anschließen des Stromrichters an eine Gleichspannungsquelle mit Wechselspannungsanschlüssen gekoppelt, über welche der Stromrichter an Ständerwicklungen des Innenpol-Synchronmotors angeschlossen werden kann. Mittels der Umrichter-Brückenschaltung lässt sich ein von der Gleichspannungsquelle erzeugter Strom in einen Drehstrom umrichten. Bei der dabei von der Gleichspannungsquelle erzeugten Gleichspannung kann es sich auch um eine gleichgerichtete Spannung handeln, wie sie beispielsweise in einem Zwischenkreis eines Frequenzumrichters verfügbar ist.
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Der erfindungsgemäße Stromrichter weist des Weiteren eine Steuereinrichtung auf, welche dazu ausgelegt ist, in einem Anfahrbetrieb des Synchronmotors die Schaltelemente mit einem Schaltwinkel zu schalten, welcher größer als 180° ist. Hierdurch wird es dann ermöglicht, induktive Blindleistung in der beschriebenen Weise in einen an die Wechselspannungsanschlüsse angeschlossenen Stator einzuspeisen.
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Beim Schalten der Schaltelemente wird bevorzugt eine Drehzahl und/oder eine Drehlage des Läufers des Synchronmotors berücksichtigt. Hierdurch wird es in vorteilhafter Weise vereinfacht, den genauen Schaltwinkel von einem Betriebszustand des Synchronmotors, also beispielsweise seiner Drehzahl, in optimaler Weise einzustellen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht in diesem Zusammenhang vor, zum Erfassen der Drehzahl und/oder der Drehlage wenigstens einen Spannungswert und/oder einen Stromstärkewert an der Synchronmaschine zu erfassen. Hieraus lässt sich in einfacher Weise die gesuchte Größe bestimmen.
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Entsprechend wird bei dem erfindungsgemäßen Stromrichter das Steuern der Schaltelemente in vorteilhafter Weise vereinfacht, indem der erfindungsgemäße Stromrichter zusätzlich eine Messeinrichtung aufweist, mit welcher sich wenigstens eine elektrische Wechselgröße des Synchronmotors erfassen lässt. Bei einer solchen Wechselgröße kann es sich um einen Wechselstrom handeln, welcher durch eine Statorwicklung fließt, oder eine Wechselspannung, die zwischen Anschlüssen zweier Statorwicklungen erzeugt wird.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Gleichrichters mit Dioden,
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2 ein Diagramm mit prinzipiellen Verläufen von Phasenspannungen eines Drehstrom-Netzwerks und
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3 eine schematische Darstellung eines Stromrichters gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stromrichters.
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Das Beispiel stellt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dar.
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In 3 ist eine Synchronmaschine 10 gezeigt, die im Motorbetrieb an einem elektrischen Versorgungsnetz 12 betrieben werden soll. Dazu ist die Synchronmaschine 10 über einen Frequenzumrichter 14 an das Versorgungsnetz 12 angeschlossen. Ein Gleichrichter 16 des Frequenzumrichters 14 erzeugt aus Phasenspannungen des Versorgungsnetzes 12 in einem Zwischenkreis 18 einen Gleichstrom Id zwischen einer Pluspol-Stromschiene 20 und einer Minuspol-Stromschiene 22.
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Aus dem Gleichstrom Id kann durch einen Wechselrichter oder Stromrichter 24 für einen (nicht näher dargestellten) Stator der Synchronmaschine 10 ein Drehstrom mit einstellbarer Frequenz erzeugt werden. Hierzu sind die Stromschienen 20, 22 des Zwischenkreises 18 an jeweilige Gleichspannungsanschlüsse 26, 28 des Stromrichters 24 angeschlossen. Auf der Seite der Synchronmaschine 10 sind Anschlüsse von deren Statorwicklungen mit Wechselstromausgängen 30, 32, 34 des Stromrichters 24 verbunden.
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Der Stromrichter 24 umfasst eine Brückenschaltung 36 mit steuerbaren Schaltelementen S1 bis S6. Bei den Schaltelementen S1 bis S6 kann es sich jeweils beispielsweise um ein Leistungs-Halbleiterelement, wie zum Beispiel einen Thyristor, oder auch um eine Schaltung mit Leistungs-Halbleiterelementen handeln. Ein Schaltzustand eines jeweiligen Schaltelements S1 bis S6 wird von einer Steuereinheit 38 eingestellt. Hierzu ist die Steuereinheit 38 über Signalleitungen 40 mit Steuereingängen der Schaltelemente S1 bis S6 verbunden. Bei der Steuereinheit 38 kann es sich beispielsweise um einen Mikrocontroller handeln.
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Eine zwischen den Wechselspannungsausgängen 30, 32, 34 jeweils anliegende Wechselspannung wird von Spannungsmesseinrichtungen 42, 44, 46 erfasst. Ein von der Brückenschaltung 36 erzeugter Phasenstrom in zwei Phasenleitungen, die zu den Wechselspannungsausgängen 30 bzw. 32 führen, wird von jeweils einem Stromwandler 50, 52 erfasst. Die Spannungsmesseinrichtungen 42, 44, 46 und die Stromwandler 50, 52 sind mit der Steuereinheit 38 gekoppelt.
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Auf der Grundlage der von den Messeinrichtungen empfangenen Messwerte ermittelt die Steuereinheit 38 eine Drehlage eines Läufers der Synchronmaschine 10 sowie eine Drehgeschwindigkeit desselben.
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Bei dem der 3 zu Grunde liegenden Beispiel steht der Läufer zunächst still. Eine Erregung des Läufers wird von einer Erregermaschine erzeugt, die sich auf einer Welle des Läufers befindet. Der Läufer soll aus dem Stillstand auf eine Nenndrehzahl Nn beschleunigt werden. Seine momentane Drehzahl N = 0 (Stillstand). Bei der Drehzahl N = 0 der Synchronmaschine beträgt auch eine von dieser an den Wechselspannungsausgängen 30, 32, 34 erzeugte Wechselspannung 0 V. Die Synchronmaschine kann daher in einem Anfahrdrehzahlbereich N/Nn kleiner als oder gleich 0,1 nicht die Steuer- und Kommutierungsblindleistung für einen lastgeführten Betrieb des Stromrichters 34 liefern.
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Zum Anfahren der Synchronmaschine aus einem Stillstand des Läufers der Synchronmaschine in einem Motorbetrieb werden deshalb in einem selbstgeführten Betrieb des Stromrichters 24 zunächst eines der Schaltelemente S2, S4, S6 und eines der Schaltelemente S1, S3, S5 geschlossen, d.h. in einen leitenden Zustand geschaltet. Die stromdurchflossenen Statorwicklungen erzeugen hierauf in der Synchronmaschine 10 einen Strombelag. Der Läufer dreht sich hierdurch aufgrund seiner Erregung in eine entsprechende Richtung. Die Drehbewegung wird von der Steuereinheit 38 erkannt. Ab einer bestimmten Drehlage des Läufers werden der Zwischenkreisstrom abgebaut, zwei andere Schaltelemente geschlossen und der Zwischenkreisstrom wieder aufgebaut, so dass die Drehbewegung des Läufers aufrechterhalten und verstärkt wird, d.h. der Läufer beschleunigt wird. Durch die Steuereinheit 38 werden die Schaltelemente S1 bis S6 dabei weiterhin im selbstgeführten Betrieb gemäß einer Zwischenkreistaktung angesteuert. Ein Schaltwinkel der Schaltelemente ist auf einen Wert größer als 180° eingestellt.
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Die Erregermaschine erzeugt während dieses Anfahrbetriebs nur eine verhältnismäßig geringe Erregung in dem Läufer. Die eingestellten Schaltwinkel von mehr als 180° sind in Bezug auf eine Schaltzeit zum Erzeugen eines Drehmoments auf der Grundlage des von der Erregermaschine allein erzeugten magnetischen Flusses suboptimal. Hierzu müsste vielmehr ein Schaltwinkel von 180° eingestellt werden. Bei einem Schaltwinkel von 180° würde von der Stromrichter 24 ausschließlich Wirkleistung zur Synchronmaschine 10 übertragen, die dort (bis auf einige Verluste) in rotatorische Energie des Läufers umgewandelt würde.
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Durch den vergrößerten Schaltwinkel wird nun zusätzlich eine induktive Blindleistung von dem Stromrichter 24 erzeugt, die ebenfalls zur Synchronmaschine 10 übertragen wird. Dies verstärkt den magnetischen Fluss in der Synchronmaschine 10. Da das auf den Läufer wirkende Drehmoment auch proportional zu dem magnetischen Fluss ist, ergibt sich insgesamt (also trotz des bezüglich des Erregerflusses suboptimalen Schaltwinkels) ein größeres Drehmoment als bei einer Übertragung von reiner Wirkleistung mittels eines Schaltwinkels von 180°.
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Nach Verlassen des Anfahrdrehzahlbereichs wird der Stromrichter im lastgeführten Betrieb weiterbetrieben. Der Erregerstrom der Erregermaschine ist hier dann ausreichend groß.
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Durch das Beispiel gezeigt, wie durch eine Blindstromeinspeisung auf einen Ständer einer Synchronmaschine im selbstgeführten Betrieb eines Stromrichters bei niedrigen Drehzahlen ein magnetischer Fluss in der Maschine erzeugt bzw. erhöht werden kann, um eine Erregermaschine zu unterstützen.
