DE102019212012A1

DE102019212012A1 - Verfahren zum Überwachen des Betriebs eines Frequenzumrichters und Frequenzumrichter

Info

Publication number: DE102019212012A1
Application number: DE102019212012.1A
Authority: DE
Inventors: Heiko Stichweh; Johannes Brandt; Thomas Bisig
Original assignee: Lenze Drives GmbH
Current assignee: Lenze SE
Priority date: 2019-08-09
Filing date: 2019-08-09
Publication date: 2021-02-11

Abstract

Verfahren zum Überwachen des Betriebs eines Frequenzumrichters (1), der zum Ansteuern eines Elektromotors (2) ausgebildet ist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
- Erzeugen von Betriebs-Ansteuersignalen (u1, u2, u3) für korrespondierende Phasenstränge (2.1, 2.2, 2.3) des Elektromotors (2) in Abhängigkeit von einer gewünschten Drehzahl und/oder einem gewünschten Drehmoment des Elektromotors (2),
- Erzeugen von Test-Ansteuersignalen (ut1, ut2, ut3) für die korrespondierenden Phasenstränge (2.1, 2.2, 2.3) des Elektromotors (2), wobei die Test-Ansteuersignale (ut1, ut2, ut3) den Betriebs-Ansteuersignalen (u1, u2, u3) überlagert werden und derart erzeugt werden, dass sich bei fehlerfreier Funktion des Frequenzumrichters (1) und/oder des Elektromotors (2) ein Test-Stromvektor ergibt,
- Messen von Phasenströmen (i1, i2, i3), und
- Bestimmen eines Fehlerzustands des Frequenzumrichters (1) und/oder des Elektromotors (2) in Abhängigkeit davon, ob der Test-Stromvektor aus den Phasenströmen (i1, i2, i3) ableitbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen des Betriebs eines Frequenzumrichters und einen Frequenzumrichter.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Überwachen des Betriebs eines Frequenzumrichters und einen Frequenzumrichter zur Verfügung zu stellen, die eine zuverlässige und kostengünstige Überwachung des Betriebs ermöglichen.
Der Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Überwachen des Betriebs eines Frequenzumrichters nach Anspruch 1 und einen Frequenzumrichter nach Anspruch 7.
Das Verfahren dient zum Überwachen des Betriebs eines Frequenzumrichters, der zum Ansteuern eines Elektromotors ausgebildet ist. Der Elektromotor kann beispielsweise ein Synchronmotor oder ein Asynchronmotor sein.
Bei dem Verfahren werden herkömmlich Betriebs-Ansteuersignale, beispielsweise in Form von Phasenspannungen, für korrespondierende Phasenstränge bzw. zwischen korrespondierenden Phasensträngen des Elektromotors in Abhängigkeit von einer gewünschten Drehzahl und/oder einem gewünschten Drehmoment des Elektromotors erzeugt. Beispielsweise können Amplitude und Frequenz der Betriebs-Ansteuersignale derart erzeugt werden, dass sich die gewünschte Drehzahl des Elektromotors und/oder das gewünschte Drehmoment des Elektromotors einstellt/einstellen. Typisch werden drei Phasenspannungen für drei korrespondierende Phasenstränge erzeugt. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
Erfindungsgemäß werden Test-Ansteuersignale für die korrespondierenden Phasenstränge des Elektromotors erzeugt, wobei die Test-Ansteuersignale den Betriebs-Ansteuersignalen überlagert und derart erzeugt werden, dass sich bei fehlerfreier Funktion des Systems aus Frequenzumrichter und Elektromotor ein messbarer Test-Stromvektor ergibt.
Weiter werden die sich einstellenden Phasenströme gemessen, wobei ein Fehlerzustand des Systems aus Frequenzumrichter und Elektromotor in Abhängigkeit davon ermittelt wird, ob der Test-Stromvektor aus den gemessenen Phasenströmen ableitbar ist oder nicht. Zum grundsätzlichen Ableiten bzw. Berechnen eines Stromvektors aus gemessenen Phasenströmen sei auf die reichhaltig vorhandene, einschlägige Fachliteratur verwiesen. Wenn der Test-Stromvektor aus den gemessenen Phasenströmen ableitbar ist, wird kein Fehler bestimmt.
Wenn der Test-Stromvektor nicht aus den gemessenen Phasenströmen ableitbar ist, wird ein Fehler bestimmt.
Gemäß einer Ausführungsform werden die Test-Ansteuersignale derart erzeugt, dass bei fehlerfreier Funktion des Systems aus Frequenzumrichter und Elektromotor der Test-Stromvektor mit einer bekannten Test-Drehfeldfrequenz (beispielsweise 600 Hz) umläuft, wobei ein Fehlerzustand des Systems aus Frequenzumrichter und Elektromotor in Abhängigkeit davon ermittelt wird, ob die Test-Drehfeldfrequenz des Test-Stromvektors aus den Phasenströmen ableitbar ist. Wenn die Test-Drehfeldfrequenz aus den gemessenen Phasenströmen ableitbar ist, wird kein Fehler bestimmt. Wenn die Test-Drehfeldfrequenz nicht aus den gemessenen Phasenströmen ableitbar ist, wird ein Fehler bestimmt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann bevorzugt bei kleinen Drehmomenten zum Einsatz kommen, wenn das Betriebs-Ansteuersignal nicht ausreichend ist. Das Test-Ansteuersignal kann do gewählt werden, dass kein Drehmoment aus diesem Test-Ansteuersignal resultiert. Es können auch mehrere Test-Drehfeldfrequenzen zeitgleich verwendet werden.
Gemäß einer Ausführungsform werden die Test-Ansteuersignale derart erzeugt, dass sich bei fehlerfreier Funktion des Frequenzumrichters und/oder des Elektromotors zwei gegensinnig rotierende bzw. umlaufende Test-Stromvektoren ergeben. Die beiden gegensinnig rotierenden Test-Stromvektoren weisen bevorzugt eine identische Frequenz und eine identische Amplitude auf, so dass sich aufgrund der Überlagerung der beiden Test-Stromvektoren eine drehfester, in seiner Amplitude zwischen zwei Werten alternierender Stromvektor bzw. Stromraumzeiger ergibt. Ein Fehlerzustand des Frequenzumrichters und/oder des Elektromotors wird dann in Abhängigkeit davon bestimmt, ob die beiden Test-Stromvektoren aus den Phasenströmen ableitbar sind bzw. ob der sich ergebende alternierende Stromvektor bzw. Stromraumzeiger aus den Phasenströmen ableitbar ist.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Test-Spannungsvektor basierend auf den Test-Ansteuersignalen ermittelt, wobei ein Fehlerzustand des Systems aus Frequenzumrichter und Elektromotor in Abhängigkeit von einer Phasendifferenz zwischen dem Test-Spannungsvektor und dem Test-Stromvektor ermittelt wird. Zum grundsätzlichen Ableiten bzw. Berechnen eines Spannungsvektors aus Ansteuersignalen bzw. Ansteuerspannungen sei ebenfalls auf die reichhaltig vorhandene, einschlägige Fachliteratur verwiesen.
Gemäß einer Ausführungsform wird nach dem Bestimmen des Fehlerzustands eine Fehlerbehandlung durchgeführt, insbesondere wird das Erzeugen der Betriebs-Ansteuersignale unterbunden.
Gemäß einer Ausführungsform wird nach dem Bestimmen des Fehlerzustands eine Safe-Torque-Off-Funktion durchgeführt.
Der erfindungsgemäße Frequenzumrichter ist zum Durchführen des oben beschriebenen Verfahrens ausgebildet.
Mittels der Erfindung ist beispielsweise eine sensorlose Überwachung eines eine Synchronmaschine ansteuernden Frequenzumrichters ohne Rückführsystem anhand der Strom-Grundwelle und der Grundwelle der Spannung möglich. Bei sehr kleinen Drehfeldfrequenzen wird aus dem dynamischen Stromsignal ein Gleichstrom. Eine Validierung des Stromsignales ist dann herkömmlich nicht mehr möglich. Durch das erfindungsgemäße Einprägen eines hochfrequenten Signals (HF-Signal) kann die Sensorik dennoch in ihrer ordnungsgemäßen Funktion überprüft werden.
Erfindungsgemäß wird ein hochfrequentes Signal eingeprägt, das beispielsweise auch für eine Drehwinkelstellungserfassung des Rotors genutzt werden kann. Dieses hochfrequente Signal kann beispielsweise zur Funktionskontrolle der Gate-Signal-Ansteuerung im Wechselrichter des Frequenzumrichters und zur Funktionskontrolle der Strommessung dienen.
Die Test-Ansteuersignale können beispielsweise derart erzeugt werden, dass sich ein alternierender Stromraumzeiger oder ein rotierender Stromraumzeiger einstellt.
Die Test-Ansteuersignale können beispielsweise durch eine nicht sichere Komponente vorgegeben werden. Die Auswertung kann durch eine sichere Hard- und Software erfolgen. Dadurch muss nur überwacht werden, ob der Test-Stromvektor eine ausreichende Amplitude und die richtige Frequenz aufweist. Ein Fehler im Signalpfad führt in diesem Fall zu einem Ausfall und zum Abschalten durch die sichere Hard- und Software.
Mittels der Erfindung können eine Aktorik und eine Sensorik des Frequenzumrichters, die beispielsweise zur Drehzahlerfassung des Elektromotors dient, auch bei Stillstand bzw. einer Drehfeldfrequenz nahe bei 0 Hz überprüft werden. Auch wenn der Strom im Motor durch die aktuelle Last zu klein für eine Auswertung ist, schafft die Erfindung eine Möglichkeit der Funktionskontrolle.
Die Test-Ansteuersignale können derart erzeugt werden, dass ein sich einstellender Test-Stromvektor und ein sich einstellender Test-Spannungsvektor hinsichtlich ihrer Frequenz/Phasenverschiebung bei fehlerfreier Funktion bekannte Werte aufweisen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Hierbei zeigt:

1 hoch schematisch ein Antriebssystem mit einem Frequenzumrichter und einem mittels des Frequenzumrichters angesteuerten Elektromotor,
2 schematisch einen Test-Spannungsvektor und einen Test-Stromvektor gemäß einer ersten Ausführungsform, und
3 schematisch einen Test-Spannungsvektor und einen Test-Stromvektor gemäß einer weiteren Ausführungsform.

1 zeigt hoch schematisch ein Antriebssystem mit einem Frequenzumrichter 1 und einem mittels des Frequenzumrichters 1 angesteuerten Elektromotor 2.
Der Frequenzumrichter 1 ist dazu ausgebildet, drei Betriebs-Ansteuersignale in Form von drei Phasenspannungen u1, u2, u3 für korrespondierende Phasenstränge 2.1, 2.2, 2.3 bzw. zwischen korrespondierenden Phasensträngen 2.1, 2.2, 2.3 des Elektromotors 2 zu erzeugen und sich einstellende Phasenströme i1, i2 und i3 zu messen. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
Der Frequenzumrichter 1 weist eine Steuereinheit 3 auf, beispielsweise in Form eines Microcontrollers, wobei die Steuereinheit 3 den Betrieb des Frequenzumrichters steuert, insbesondere die Phasenströme i1, i2, i3 regelt.
Der Frequenzumrichter 1 weist beispielsweise einen herkömmlichen Wechselrichter zum Erzeugen der Phasenspannungen u1, u2 und u3 auf. Weiter weist der Frequenzumrichter 1 herkömmliche Stromsensoren auf, beispielsweise in Form von Shunt-Widerständen. Die Shunt-Widerstände können beispielsweise in einem Emitter-Pfad angeordnet sein. Mittels der Stromsensoren werden die Phasenströme i1, i2 und i3 bzw. Strangströme gemessen. Weiter kann der Frequenzumrichter 1 eine Safe Torque Off (STO)-Schaltung aufweisen, mittels der ein STO-Zustand bewirkt werden kann.
Zur Funktionsüberwachung erzeugt der Frequenzumrichter 1 drei Test-Ansteuersignale in Form von drei Test-Spannungen ut1, ut2, ut3 für die korrespondierenden Phasenstränge 2.1, 2.2, 2.3 des Elektromotors 2, wobei die Test-Ansteuersignale ut1, ut2, ut3 den Betriebs-Ansteuersignalen u1, u2, u3 überlagert werden und derart erzeugt werden, dass sich bei fehlerfreier Funktion des Frequenzumrichters 1 und des Elektromotors 2 ein Test-Stromvektor Ihf ergibt, siehe hierzu 2.
Ein Betriebs-Stromvektor 11 und ein Betriebs-Spannungsvektor U1 resultiert aus den Betriebs-Ansteuersignalen u1, u2, u3. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
Mittels seiner Stromsensoren misst der Frequenzumrichter 1 die Phasenströme i1, i2, i3 und bestimmt einen Fehlerzustand dann, wenn der Test-Stromvektor Ihf nicht aus den gemessenen Phasenströmen i1, i2, i3 ableitbar ist. Wenn der Test-Stromvektor Ihf aus den Phasenströmen i1, i2, i3 mit erwarteten Eigenschaften ableitbar ist, wird auf eine fehlerfreie Funktion geschlossen .
Bezugnehmend auf 2 werden die Test-Ansteuersignale ut1, ut2, ut3 derart erzeugt, dass bei fehlerfreier Funktion der Test-Stromvektor Ihf mit einer bekannten Test-Drehfeldfrequenz umläuft. Ein Fehler wird dann ermittelt, wenn die Test-Drehfeldfrequenz des Test-Stromvektors Ihf aus den Phasenströmen i1, i2, i3 nicht ableitbar ist. Wenn die Test-Drehfeldfrequenz des Test-Stromvektors Ihf aus den Phasenströmen i1, i2, i3 ableitbar ist, wird auf eine fehlerfreie Funktion geschlossen.
Weiter Bezug nehmend auf 2 wird ein Test-Spannungsvektor Uhf basierend auf den Test-Ansteuersignalen ut1, ut2, ut3 ermittelt, wobei ein Fehlerzustand in Abhängigkeit von einer Phasendifferenz zwischen dem Test-Spannungsvektor Uhf und dem Test-Stromvektor Ihf ermittelt wird.
Bezug nehmend auf 3 werden die Test-Ansteuersignale ut1, ut2, ut3 derart erzeugt, dass sich bei fehlerfreier Funktion des Frequenzumrichters 1 und/oder des Elektromotors 2 zwei gegensinnig rotierende Test-Stromvektoren Ihf1, Ihf2 ergeben, wobei ein Fehlerzustand des Frequenzumrichters 1 und/oder des Elektromotors 2 in Abhängigkeit davon bestimmt wird, ob die beiden Test-Stromvektoren Ihf1, Ihf2 aus den Phasenströmen i1, i2, i3 ableitbar sind.
Weiter Bezug nehmend auf 3 werden basierend auf den Test-Ansteuersignalen ut1, ut2, ut3 zwei gegensinnig rotierende Test-Spannungsvektoren Uhf1 und Uhf2 ermittelt und geeignet ausgewertet.
Nach dem Bestimmen eines Fehlerzustands wird typisch eine Fehlerbehandlung durchgeführt, beispielsweise indem das Erzeugen der Betriebs-Ansteuersignale u1, u2, u3 unterbunden wird und/oder eine Safe-Torque-Off-Funktion durchgeführt wird.

Claims

Verfahren zum Überwachen des Betriebs eines Frequenzumrichters (1), der zum Ansteuern eines Elektromotors (2) ausgebildet ist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: - Erzeugen von Betriebs-Ansteuersignalen (u1, u2, u3) für korrespondierende Phasenstränge (2.1, 2.2, 2.3) des Elektromotors (2) in Abhängigkeit von einer gewünschten Drehzahl und/oder einem gewünschten Drehmoment des Elektromotors (2), gekennzeichnet durch die Schritte - Erzeugen von Test-Ansteuersignalen (ut1, ut2, ut3) für die korrespondierenden Phasenstränge (2.1, 2.2, 2.3) des Elektromotors (2), wobei die Test-Ansteuersignale (ut1, ut2, ut3) den Betriebs-Ansteuersignalen (u1, u2, u3) überlagert werden und derart erzeugt werden, dass sich bei fehlerfreier Funktion des Frequenzumrichters (1) und/oder des Elektromotors (2) mindestens ein Test-Stromvektor (Ihf) ergibt, - Messen von Phasenströmen (i1, i2, i3), und - Bestimmen eines Fehlerzustands des Frequenzumrichters (1) und/oder des Elektromotors (2) in Abhängigkeit davon, ob der mindestens eine Test-Stromvektor (Ihf) aus den Phasenströmen (i1, i2, i3) ableitbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Schritte: - Erzeugen der Test-Ansteuersignale (ut1, ut2, ut3) derart, dass bei fehlerfreier Funktion des Frequenzumrichters (1) und/oder des Elektromotors (2) der mindestens eine Test-Stromvektor (Ihf) mit einer bekannten Test-Drehfeldfrequenz umläuft, und - Bestimmen eines Fehlerzustands des Frequenzumrichters (1) und/oder des Elektromotors (2) in Abhängigkeit davon, ob die Test-Drehfeldfrequenz des mindestens einen Test-Stromvektors (Ihf) aus den Phasenströmen (i1, i2, i3) ableitbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Schritte: - Erzeugen der Test-Ansteuersignale (ut1, ut2, ut3) derart, dass sich bei fehlerfreier Funktion des Frequenzumrichters (1) und/oder des Elektromotors (2) zwei gegensinnig rotierende Test-Stromvektoren (Ihf1, Ihf2) ergeben, und - Bestimmen eines Fehlerzustands des Frequenzumrichters (1) und/oder des Elektromotors (2) in Abhängigkeit davon, ob die beiden Test-Stromvektoren (Ihf1, Ihf2) aus den Phasenströmen (i1, i2, i3) ableitbar sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte: - Ermitteln mindestens eines Test-Spannungsvektors (Uhf) basierend auf den Test-Ansteuersignalen (ut1, ut2, ut3), und - Bestimmen eines Fehlerzustands des Frequenzumrichters (1) und/oder des Elektromotors (2) in Abhängigkeit von einer Phasendifferenz zwischen dem mindestens einen Test-Spannungsvektor (Uhf) und dem mindestens einen Test-Stromvektor (Ihf).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - nach dem Bestimmen des Fehlerzustands eine Fehlerbehandlung durchgeführt wird, insbesondere das Erzeugen der Betriebs-Ansteuersignale (u1, u2, u3) unterbunden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - nach dem Bestimmen des Fehlerzustands eine Safe-Torque-Off-Funktion durchgeführt wird.
Frequenzumrichter (1), dadurch gekennzeichnet, dass - der Frequenzumrichter (1) zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.