DE102016222754B4

DE102016222754B4 - Verfahren zum Betreiben eines Frequenzumrichters und Frequenzumrichter

Info

Publication number: DE102016222754B4
Application number: DE102016222754.8A
Authority: DE
Inventors: Peter Landsmann; Sascha Kühl; Dirk Paulus; Matthias Theßeling; Heiko Stichweh; Torben Jonsky
Original assignee: Lenze SE
Current assignee: Lenze SE
Priority date: 2016-11-18
Filing date: 2016-11-18
Publication date: 2024-01-18
Anticipated expiration: 2036-11-19
Also published as: DE102016222754A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Frequenzumrichters (1), der zum Ansteuern eines Drehstrommotors (2) ausgebildet ist, wobei der Frequenzumrichter (1) drei Halbbrücken (B1, B2, B3) mit jeweils mindestens zwei Schaltmitteln (S1, S2; S3, S4; S5, S6) aufweist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:- Erzeugen von drei Phasenspannungen (U, V, W) für den Drehstrommotor (2) mittels einer Pulsweitenmodulation, wobei zur Pulsweitenmodulation verschiedene Schaltmuster der Schaltmittel (S1, S2; S3, S4; S5, S6) aktiviert werden,- wobei die Halbbrücken (B1, B2, B3) jeweils einen ersten Zustand aufweisen, während dem ein Ausgang der jeweiligen Halbbrücke (B1, B2, B3) mit einem positiven Zwischenkreispotential (UZK_P) verbunden ist, der mit 1 bezeichnet wird, und jeweils einen zweiten Zustand aufweisen, während dem ein Ausgang der jeweiligen Halbbrücke (B1, B2, B3) mit einem negativen Zwischenkreispotential (UZK_N) verbunden ist, der mit 0 bezeichnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass- in mindestens einem Betriebszustand des Frequenzumrichters (1)- das Schaltmuster 111 nicht verwendet wird,- unmittelbar vor und unmittelbar nach einem Erzeugen der Schaltmuster 001, 010, 100, 011, 101, 110 immer das Schaltmuster 000 erzeugt wird,- während des Erzeugens des Schaltmusters 000 ein Strom durch das leitende Schaltmittel (S2; S4; S6) einer jeweiligen Halbrücke (B1, B2, B3) gemessen wird und- die gemessenen Ströme zur Ermittlung mindestens eines Parameters des Drehstrommotors (2) ausgewertet werden,- wobei der mindestens eine Betriebszustand des Frequenzumrichters (1) unterhalb einer Schwellendrehzahl des Drehstrommotors (2) eingestellt wird, und- wobei der mindestens eine Parameter eine Drehwinkelstellung (α) des Rotors (5) des Drehstrommotors (2) ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Frequenzumrichters, der zum Ansteuern eines Drehstrommotors ausgebildet ist, und einen Frequenzumrichter.
Die WO 92/019038 A1 beschreibt ein Verfahren, bei dem anhand der Messung von Phasenströmen während der Einprägung von Nullspannungszeigern auf Stromanstiege während der aktiven Spannungszeiger geschlossen wird, wodurch eine Abschätzung der Rotor-Drehwinkelstellung bei anisotropen Motoren ermöglicht wird.
Die DE 10 2007 026 920 A1 zeigt ein Verfahren zur Rotorpositionsermittlung eines Synchronmotors mit einer 2-Phasen-Modulation, wobei eine EMK-Auswertung zur Positionsermittlung während Nullspannungsvektoren ausgeführt wird.
Die DE 198 46 831 A1 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der Rotorstellung von Synchronmotoren, wobei eine momentane Rotorstellung durch Messung einer in mindestens einer Statorwicklung durch den Rotor induzierten EMK in einer Stromlücke des durch diese Statorwicklung fließenden Statorstroms ermittelt wird, wobei bei Verwendung eines sinusförmigen oder quasi-sinusförmigen Statorstroms eine künstliche Stromlücke des Statorstroms erzeugt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Frequenzumrichters und einen Frequenzumrichter zur Verfügung zu stellen, die die Beobachtbarkeit der Rotor-Drehwinkelstellung eines Drehstrommotors bei kleinen Drehfeldfrequenzen bzw. im Stillstand verbessern.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben eines Frequenzumrichters nach Anspruch 1 und einen Frequenzumrichter nach Anspruch 2.
Das Verfahren dient zum Betreiben eines Frequenzumrichters. Der Frequenzumrichter ist zum Ansteuern eines Drehstrommotors, beispielsweise eines Synchronmotors, ausgebildet. Der Frequenzumrichter weist herkömmlich drei Halbbrücken mit jeweils mindestens zwei Schaltmitteln auf, beispielsweise in Form von Leistungshalbleitern, beispielsweise IGBTs.
Es werden drei Phasenspannungen für den Drehstrommotor mittels einer Pulsweitenmodulation erzeugt, wobei zur Pulsweitenmodulation verschiedene Schaltmuster der Schaltmittel aktiviert werden. Die Halbbrücken weisen einen ersten Zustand auf, während dem ein Ausgang der Halbbrücke mit einem positiven Zwischenkreispotential verbunden ist, der mit 1 bezeichnet wird. Entsprechend weisen die Halbbrücken einen zweiten Zustand auf, während dem ein Ausgang der Halbbrücke mit einem negativen Zwischenkreispotential verbunden ist, der mit 0 bezeichnet wird. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
In mindestens einem Betriebszustand des Frequenzumrichters wird das Schaltmuster 111 nicht verwendet. Weiter wird unmittelbar vor und unmittelbar nach einem Erzeugen der Schaltmuster 001, 010, 100, 011, 101, 110 immer das Schaltmuster 000 erzeugt. Während des Erzeugens des Schaltmusters 000 wird ein (Phasen-) Strom durch das leitende Schaltmittel einer jeweiligen Halbrücke gemessen, wobei die gemessenen (Phasen-) Ströme zur Ermittlung mindestens eines Parameters des Drehstrommotors ausgewertet werden.
Der mindestens eine Betriebszustand des Frequenzumrichters wird unterhalb einer Schwellendrehzahl des Drehstrommotors, beispielsweise unterhalb von 10% der Nenndrehzahl des Drehstrommotors, eingestellt.
Der mindestens eine Parameter ist eine Drehwinkelstellung des Rotors des Drehstrommotors (Rotorlage).
Der Frequenzumrichter ist zum Ansteuern eines Drehstrommotors ausgebildet. Der Frequenzumrichter weist herkömmlich drei Halbbrücken mit jeweils mindestens zwei Schaltmitteln auf. Die Halbbrücken sind jeweils mit einer Zwischenkreisspannung beaufschlagt. Weiter weist der Frequenzumrichter eine Steuereinheit auf, beispielsweise in Form eines Microcontrollers und zugehöriger Software. Die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, die Schaltmittel derart anzusteuern, dass ein oben genanntes Verfahren ausgeführt wird.
In einer Ausführungsform weist der Frequenzumrichter Strommessmittel zur Messung eines jeweiligen Stroms durch dasjenige Schaltmittel einer jeweiligen Halbrücke auf, das den Ausgang der jeweiligen Halbbrücke mit dem negativen Zwischenkreispotential verbindet. Die Strommessmittel können beispielsweise als so genannte Emitter-Shunts ausgebildet sein. Der Frequenzumrichter kann beispielsweise als Emitter-Shunt-Gerät ausgebildet sein.
Bei Emitter-Shunt-Geräten kann ein jeweiliger Phasenstrom nur dann gemessen werden, wenn das untere Schaltmittel bzw. der untere Leistungshalbleiter der jeweiligen Brücke durchgeschaltet ist (Zustand 0). Andernfalls fließt der Strom durch die oberen Schaltmittel und kann nicht über den im unteren Brückenzweig befindlichen Shunt-Widerstand gemessen werden.
Erfindungsgemäß wird die Folge der erzeugten Schaltmuster (Schaltzustandsabfolge) bzw. die Pulsweitenmodulation derart gewählt, dass eine Abfolge von (ausschließlich) Aktivzeigern (001, 010, 100, 011, 101, 110) immer von zwei Nullzeigern (000) umschlossen ist. Dadurch kann auch bei Emitter-Shunt-Geräten das Prinzip der Überabtastung zur Berechnung des Stromanstiegs während der eingeschlossenen Aktivzeiger angewendet werden.
Eine solche Schaltzustandsabfolge kann beispielsweise durch Nutzung einer angepassten 2-Schaltermodulation erreicht werden, bei der ausschließlich der untere Nullzeiger 000 verwendet wird (sog. untere FlatTop-Modulation). Hierbei ergibt sich bei gleicher maximaler Schaltfrequenz pro Schaltmittel eine Verdopplung der Intervalllänge zur Überabtastung (Verbesserung der Signalqualität), während sich die Injektions-, Schätz- und Regler-Frequenzen jeweils halbieren. Bei der FlatTop-Modulation wird herkömmlich abhängig von der aktuellen Richtung des Sollspannungszeigers entweder der untere (000) oder der obere Nullzeiger (111) verwendet. Eine ausschließliche Verwendung des unteren Nullzeigers (000) ist in der herkömmlichen Anwendung der FlatTop-Modulation für die Strommessung nachteilig und wird daher nicht verwendet.
Erfindungsgemäß kann auch eine angepasste, normale Raumzeigermodulation verwendet werden, bei der der 111-Raumzeiger durch einen 000-Raumzeiger ersetzt wird. Hierbei werden 2 zusätzliche Schaltvorgänge pro PWM-Periode akzeptiert. Der Zusammenhang zwischen maximaler Schaltfrequenz pro Schaltmittel, der Intervalllänge für die Überabtastung und den Injektions-, Schätz- und Regler-Frequenzen ist der gleiche wie in der obigen Variante.
Weiter können beliebige andere Abfolgen von ausschließlich Aktivzeigern erreicht werden, sofern diese von zwei unteren Nullzeigern umschlossen sind. Es wird auch in diesen Varianten das Prinzip der Stromüberabtastung bei Emitter-Shunt-Geräten ermöglicht.
Allen Varianten ist gemeinsam, dass auf den oberen Nullzeiger (111) vollständig verzichtet wird und damit eine Abfolge von Aktivzeigern immer von zwei unteren Nullzeigern umschlossen ist. Dies ist insbesondere bei kleinen Drehzahlen eine nicht bekannte Betriebsweise. Bei den Schaltzustandsabfolgen aller Varianten ist zudem inhärent sichergestellt, dass bei Frequenzumrichtern bzw. Wechselrichtern mit Bootstrap-Lade-Schaltung die Bootstrap-Kondensatoren immer hinreichend geladen sind.
Eine so genannte Überabtastung des Stroms, während die unteren Nullzeiger (000) aktiv sind, kann wie folgt durchgeführt werden. Während des Zustands 000 (aber nicht ausschließlich dann) wird das Ausgangssignal des Strommessmittels bzw. des Stromwandlers oder ein mit dem Ausgangssignal im direkten Zusammenhang stehendes analoges Signal (insbesondere analoge Tiefpass-Filterung oder analoges Integral) zeitlich verteilt vielfach analog/digitalgewandelt.
Die Aktivzeiger-Stromanstiegswerte werden aus den Daten der Nullzeiger-Überabtastung mit dem Ziel berechnet, daraus die magnetische Anisotropie zu berechnen und dieser die Rotorlage bzw. Drehwinkelstellung des Rotors zuzuordnen.
Die digitalisierten Messwerte können abschnittsweise digital gefiltert werden (z.B. mittels Mittelwertbildung), um hochfrequente Schwingungen abschnittsweise herauszufiltern. Diese Filterung, die die Daten reduziert, kann vorteilhaft und rechenzeitminimal durch entsprechende Hardwarefilter realisiert werden, die typische Mikrocontroller oder FPGAs heute anbieten.
Die Phasenströme können über jeweils 2 AD-Wandlerkanäle mit unterschiedlichen Filtercharakteristiken analog/digital-gewandelt werden, wobei ein Kanal ein hochfrequentes Filter für die Stromanstiegsermittlung und der andere Kanal ein niederfrequentes Filter für die Abtastung des Grundwellenstroms aufweist. Vorteilhaft kann hierbei auch eine Verwendung unterschiedlicher Messbereiche für die beiden Strommesskanäle sein.
Oberhalb der Schwellendrehzahl des Drehstrommotors, d.h. bei größeren Drehfeldfrequenzen, kann auf ein anderes Modulationsverfahren umgeschaltet werden, bei dem eine andere Abfolge der Schaltzustände erfolgen kann, bei der nicht zwingend unmittelbar vor und unmittelbar nach einem Erzeugen der Schaltmuster 001, 010, 100, 011, 101, 110 das Schaltmuster 000 erzeugt wird.
Ein Grundwellenstrom kann unter Verwendung der überabgetasteten Messwertreihen ermittelt werden.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und Frequenzumrichters kann die Beobachtbarkeit der Drehwinkelstellung des Rotors bzw. der Rotorlageposition von Synchronmaschinen mit Anisotropien für Emitter-Shunt-Geräte bei kleinen Drehfeldfrequenzen bzw. im Stillstand verbessert werden. Neben der verbesserten Beobachtbarkeit durch eine Auswertung der PWMbasierten Stromanstiege wird durch die Erfindung die Verwendung einer FlatTop-Modulation auch bei kleinen Drehzahlen ermöglicht. Darüber hinaus werden Wege aufgezeigt, wie eine Stromsensorik für Frequenzumrichter ausgeführt sein kann, die sowohl über eine hinreichende Dämpfung für die Regelung des Grundwellenstroms verfügt (Filterung von schaltungsbasierten Stromschwingungen aufgrund kapazitiver Umladeströme), als auch eine gute Dynamik bzw. einen optimalen Messbereich zur Erfassung der Stromanstiege aufweist.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Hierbei zeigen:

1 schematisch ein Schaltbild eines Antriebssystems mit einem Frequenzumrichter und einem Drehstrommotor und
2 exemplarisch eine zeitliche Abfolge von Schaltmustern von Schaltmittel des in 1 gezeigten Frequenzumrichters.

1 zeigt schematisch ein Schaltbild eines Antriebssystems mit einem Frequenzumrichter 1 und einem Drehstrommotor in Form eines Synchronmotors 2.
Der Frequenzumrichter 1 ist zum Ansteuern des Drehstrommotors 2 ausgebildet.
Der Frequenzumrichter 1 weist herkömmlich drei Halbbrücken B1, B2, B3 mit jeweils zwei Schaltmitteln S1, S2 bzw. S3, S4 bzw. S5, S6 auf. Weiter weist der Frequenzumrichter 1 eine Steuereinheit 3 auf, die dazu ausgebildet ist, die Schaltmittel S1, S2; S3, S4; S5, S6 anzusteuern. Weiter weist der Frequenzumrichter 1 Strommessmittel 4 in Form von Emitter-Shunts zur Messung des jeweiligen Stroms durch die Schaltmittel S2 bzw. S4 bzw. S6 auf. Das Strommessmittel 4 ist mit der Steuereinheit 3 gekoppelt. Hinsichtlich dieses grundsätzlichen Aufbaus sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
Die Halbbrücken B1, B2, B3 weisen jeweils einen ersten (Schalt-) Zustand auf, während dem ein Ausgang der jeweiligen Halbbrücke B1, B2, B3 mit einem positiven Zwischenkreispotential UZK_P verbunden ist. Dieser (Schalt-) Zustand wird nachfolgend mit 1 bezeichnet. Entsprechend weisen die Halbbrücken B1, B2, B3 jeweils einen zweiten (Schalt-) Zustand auf, während dem ein Ausgang der jeweiligen Halbbrücke B1, B2, B3 mit einem negativen Zwischenkreispotential UZK_N verbunden ist. Dieser (Schalt-) Zustand wird nachfolgend mit 0 bezeichnet.
Der Frequenzumrichter 1 erzeugt drei Phasenspannungen U, V, W für den Drehstrommotor 2 mittels einer Pulsweitenmodulation, wobei zur Pulsweitenmodulation verschiedene Schaltmuster der Schaltmittel S1, S2; S3, S4; S5, S6 aktiviert werden. Zur grundsätzlichen Funktion der Erzeugung der drei Phasenspannungen U, V, W für den Drehstrommotor 2 mittels Pulsweitenmodulation sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
Unterhalb einer Schwellendrehzahl des Drehstrommotors 2, d.h. unterhalb einer entsprechenden Schwellendrehfeldfrequenz, wird das Schaltmuster 111 nicht erzeugt bzw. verwendet. Weiter wird unmittelbar vor einem Erzeugen der Schaltmuster 001, 010, 100, 011, 101, 110 (Aktivzeiger) und unmittelbar nach dem Erzeugen der Schaltmuster 001, 010, 100, 011, 101, 110 das Schaltmuster 000 erzeugt.
2 zeigt exemplarisch eine solche zeitliche Abfolge von Schaltmustern der Schaltmittel S1, S2; S3, S4; S5, S6 des in 1 gezeigten Frequenzumrichters 3 innerhalb einer Periode einer Pulsweitenmodulation mit der Periodendauer TP. Wie in 2 gezeigt, ist das Schaltmuster 010 von dem Schaltmuster 000 eingerahmt.
Während des Erzeugens des Schaltmusters 000 wird mittels der Emitter-Shunts 4 ein jeweiliger Strom durch das leitende Schaltmittel S2; S4; S6 einer jeweiligen Halbrücke B1, B2, B3 gemessen.
Die Steuereinheit 3 wertet die gemessenen Ströme zum Ermitteln einer Drehwinkelstellung α des Rotors 5 des Drehstrommotors 2 aus. Insoweit sei exemplarisch auch auf die WO 92/019038 A1 bzw. die Veröffentlichung D. Paulus, P. Landsmann und R. Kennel, „Sensorless Field-oriented Control for Permanent Magnet Synchronous Machines with an Arbitrary injection Scheme and Direct Angle Calculation," IEEE Conf. SLED, pp. 41-46, 2011 verwiesen, die Verfahren beschreiben, wie aus den gemessenen Strömen die Drehwinkelstellung α des Rotors 5 ermittelt bzw. abgeschätzt werden kann.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Frequenzumrichters (1), der zum Ansteuern eines Drehstrommotors (2) ausgebildet ist, wobei der Frequenzumrichter (1) drei Halbbrücken (B1, B2, B3) mit jeweils mindestens zwei Schaltmitteln (S1, S2; S3, S4; S5, S6) aufweist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: - Erzeugen von drei Phasenspannungen (U, V, W) für den Drehstrommotor (2) mittels einer Pulsweitenmodulation, wobei zur Pulsweitenmodulation verschiedene Schaltmuster der Schaltmittel (S1, S2; S3, S4; S5, S6) aktiviert werden, - wobei die Halbbrücken (B1, B2, B3) jeweils einen ersten Zustand aufweisen, während dem ein Ausgang der jeweiligen Halbbrücke (B1, B2, B3) mit einem positiven Zwischenkreispotential (UZK_P) verbunden ist, der mit 1 bezeichnet wird, und jeweils einen zweiten Zustand aufweisen, während dem ein Ausgang der jeweiligen Halbbrücke (B1, B2, B3) mit einem negativen Zwischenkreispotential (UZK_N) verbunden ist, der mit 0 bezeichnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass - in mindestens einem Betriebszustand des Frequenzumrichters (1) - das Schaltmuster 111 nicht verwendet wird, - unmittelbar vor und unmittelbar nach einem Erzeugen der Schaltmuster 001, 010, 100, 011, 101, 110 immer das Schaltmuster 000 erzeugt wird, - während des Erzeugens des Schaltmusters 000 ein Strom durch das leitende Schaltmittel (S2; S4; S6) einer jeweiligen Halbrücke (B1, B2, B3) gemessen wird und - die gemessenen Ströme zur Ermittlung mindestens eines Parameters des Drehstrommotors (2) ausgewertet werden, - wobei der mindestens eine Betriebszustand des Frequenzumrichters (1) unterhalb einer Schwellendrehzahl des Drehstrommotors (2) eingestellt wird, und - wobei der mindestens eine Parameter eine Drehwinkelstellung (α) des Rotors (5) des Drehstrommotors (2) ist.
Frequenzumrichter (1), der zum Ansteuern eines Drehstrommotors (2) ausgebildet ist, aufweisend: - drei Halbbrücken (B1, B2, B3) mit jeweils mindestens zwei Schaltmitteln (S1, S2; S3, S4; S5, S6), und - eine Steuereinheit (3), die dazu ausgebildet ist, die Schaltmittel (S1, S2; S3, S4; S5, S6) derart anzusteuern, dass ein Verfahren nach Anspruch 1 ausgeführt wird.
Frequenzumrichter (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass - der Frequenzumrichter (1) Strommessmittel (4) aufweist, die dazu ausgebildet sind, einen Strom durch dasjenige Schaltmittel (S2; S4; S6) einer jeweiligen Halbrücke (B1, B2, B3) zu messen, das den Ausgang der jeweiligen Halbbrücke (B1, B2, B3) mit dem negativen Zwischenkreispotential (UZK_N) verbindet.