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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen des Betriebs eines Frequenzumrichters und einen Frequenzumrichter.
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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.
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Der Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Überwachen des Betriebs eines Frequenzumrichters nach Anspruch 1 und einen Frequenzumrichter nach Anspruch 7.
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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.
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Bei dem Verfahren werden herkömmlich Phasenspannungen für korrespondierende Phasenstränge bzw. zwischen korrespondierenden Phasensträngen des Elektromotors basierend auf zugehörigen Sollwerten für die Phasenspannungen erzeugt. Amplitude und Frequenz der Phasenspannungen werden beispielsweise sollwertbasiert derart erzeugt, dass sich eine gewünschte Drehzahl des Elektromotors und/oder ein gewünschtes Drehmoment des Elektromotors einstellen. Typisch werden drei Phasenspannungen für drei korrespondierende Phasenstränge erzeugt. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
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Als ein weiterer Verfahrensschritt wird ein Spannungsdrehfeld ermittelt. Insbesondere wird das Spannungsdrehfeld in Abhängigkeit von den Sollwerten für die Phasenspannungen berechnet. Hinsichtlich der Ermittlung des Spannungsdrehfelds sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
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Als ein weiterer Verfahrensschritt wird mindestens ein Phasenstrom gemessen, der in einem Phasenstrang fließt und der sich aufgrund der Phasenspannungen einstellt. Bei einem n-phasigen Elektromotor kann es genügen, n-1 Phasenströme zu messen, da sich der n-te Phasenstrom rechnerisch aus den anderen Phasenströmen ergibt. So kann es beispielsweise bei einem dreiphasigen Elektromotor genügen, zwei der drei Phasenströme zu messen, da sich der dritte Phasenstrom rechnerisch aus den anderen beiden Phasenströmen ergibt.
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Als ein weiterer Verfahrensschritt wird ein Stromdrehfeld in Abhängigkeit von dem oder den gemessenen Phasenströmen berechnet. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen
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Als ein weiterer Verfahrensschritt werden eine Phasendifferenz zwischen dem Spannungsdrehfeld und dem Stromdrehfeld und/oder eine Frequenzdifferenz zwischen der Frequenz des Spannungsdrehfelds und der Frequenz des Stromdrehfelds berechnet.
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Als ein weiterer Verfahrensschritt wird ein Fehlerzustand bestimmt, wenn die Phasendifferenz bzw. ein Betrag der Phasendifferenz einen Phasendifferenzschwellenwert überschreitet und/oder wenn die Frequenzdifferenz bzw. ein Betrag der Frequenzdifferenz einen Frequenzdifferenzschwellenwert überschreitet.
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Der Phasendifferenzschwellenwert und der Frequenzdifferenzschwellenwert können absolute oder relative Werte sein. Der Phasendifferenzschwellenwert und der Frequenzdifferenzschwellenwert können eine gewisse Toleranz, insbesondere einen möglichen Schlupf, berücksichtigen. Der Phasendifferenzschwellenwert und der Frequenzdifferenzschwellenwert können beispielsweise in einem Bereich zwischen 1% und 10 % bezogen auf eine Phase des Spannungsdrehfelds bzw. bezogen auf eine Frequenz des Spannungsdrehfelds liegen.
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Die Ermittlung der Position eines Rotors des Elektromotors in Anwendungen mit Sicherheitsfunktionen erfolgt typisch mittels eines so genannten sicheren Gebersystems. Mittels eines solchen Gebersystems ist es möglich, die Drehgeschwindigkeit und die Winkelstellung des Rotors zu bestimmen. Das Gebersystem stellt jedoch einen Platz- und Kostenfaktor dar. Daher ist es üblich, in kostenkritischen Anlagen auf solche Gebersysteme zu verzichten. Dies bringt jedoch Einschränkungen in Dynamik und Genauigkeit mit sich, was aber in vielen Applikationen akzeptabel ist.
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Herkömmliche Synchron- oder Asynchronmotoren werden mit einem dreiphasigen Spannungsdrehfeld angesteuert, wobei die Phasenstränge in den nachfolgenden Figuren mit 2.1, 2.2, 2.3 bezeichnet werden (herkömmlich auch als U, V und W bezeichnet). Die Winkelgeschwindigkeit w_mech des Rotors hängt von der Winkelgeschwindigkeit ω_el bzw. Drehfrequenz f des speisenden Spannungsdrehfeldes ab. Durch das Spannungsdrehfeld wird in jeder der 3 Phasenstränge 2.1, 2.2, 2.3 ein Phasenstrom i1, i2, i3 erzeugt. Für die Winkelgeschwindigkeit w_el gilt ω_el=2πf.
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Bei Synchronmotoren besteht eine strenge Proportionalität zwischen der Winkelgeschwindigkeit des magnetischen Drehfelds bzw. Spannungsdrehfelds und der Winkelgeschwindigkeit des Rotors. Bei Asynchronmaschinen ist die Winkelgeschwindigkeit des magnetischen Drehfelds bzw. Spannungsdrehfelds im motorischen Betrieb immer höher als die Winkelgeschwindigkeit des Rotors. Die Differenz wird durch den Schlupf (s) beschrieben und ist erforderlich, damit die Asynchronmaschine ein Moment aufbringen kann. Dabei ist der Schlupf im motorischen Betrieb immer zwischen 0 und 1. Bei der Berechnung der mechanischen Drehzahl muss noch die Polpaarzahl (p) berücksichtigt werden.
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Somit gilt für die Synchronmaschine:
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Bei der ASM muss noch der Schlupf ergänzt werden.
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Erfindungsgemäß wird nun auf ein sicheres Gebersystem verzichtet, wobei zur Überwachung des Betriebs des Frequenzumrichters, beispielsweise zur Überwachung der Winkelgeschwindigkeit des mittels des Frequenzumrichters angesteuerten Elektromotors, die Frequenz des Stromdrehfeldes und die Frequenz des Spannungsdrehfeldes verwendet werden.
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Das Spannungsdrehfeld beschreibt den Umlauf der Spannung im Elektromotor. Um die aktuelle Ausrichtung der Stromzeiger und Spannungszeiger zu erhalten, die das Stromdrehfeld bzw. das Spannungsdrehfeld beschreiben, werden die aktuellen Spannungswerte bzw. Stromwerte jeweils geometrisch addiert.
Der Wert
enthält neben der Amplitudeninformation auch Winkelinformation. Für die Berechnung der Drehzahl ist nur die Ableitung des Winkels zu bestimmen. Anstelle der Spannung können auch die Tastgrade für die Berechnung der Winkelgeschwindigkeit im Spannungsdrehfeld verwendet werden. Die Tastgrade und die Spannung unterscheiden sich nur in der Amplitude, die wiederum kein Einfluss auf die Winkelgeschwindigkeit hat.
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Hierbei kann die Eigenschaft genutzt werden, dass der Strom und die Spannung (bzw. die Tastgrade) die Drehfeldfrequenz beinhalten und es mit beiden Werten möglich ist, die Geschwindigkeit des Rotors unter Vernachlässigung des Schlupfs zu bestimmen.
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Somit ist es möglich, eine zweikanalige Struktur aufzubauen, um die Winkelgeschwindigkeit des Rotors zu überwachen. Einen ersten Kanal bildet hierbei das Spannungsdrehfeld und einen zweiten Kanal bildet das Stromdrehfeld.
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Nach dem Bestimmen des Fehlerzustands kann ein Abschalten des Frequenzumrichters beispielsweise basierend auf den Funktionen STO, SS1, SLS, SMS und SDI erfolgen.
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Die Erfindung stellt eine kostengünstige Lösung für geberlose Sicherheitstechnik dar, insbesondere für die Funktionen SS1, SLS, SMS, SDI und SMS. Weiter ist eine sichere Erfassung der Ausgangsfrequenz auch bei Asynchronmotoren ohne zusätzliche Sensorik in der Leistungsendstufe möglich. Die Erfindung ermöglicht daher eine Realisierung von drehzahlbezogenen Sicherheitsfunktionen ohne zusätzliches Rückführsystem, insbesondere auch bei Asynchronmaschinen.
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Die Ausgangsfrequenz, d.h. die Drehzahl des Elektromotors, kann durch unabhängiges Auswerten des Phasenwinkels von Stromdrehfeld und Spannungsdrehfeld überwacht werden. Die Überwachung kann auf einem Kommunikationskanal zwischen einer Steuereinheit und einer Leistungseinheit erfolgen, wobei das Spannungsdrehfeld bzw. der zugehörige Spannungsraumzeiger aus Sollwerten für die Phasenspannungen aus der Steuereinheit gebildet wird und das Stromdrehfeld bzw. der zugehörige Stromzeiger aus einem Messwert der Phasenströme aus der Leistungseinheit gebildet wird.
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Die aus Sicherheitsgründen notwendige Zweikanaligkeit wird erreicht, indem zwei voneinander getrennte physikalisch Größen, nämlich Winkel des Spannungsdrehfelds bzw. Spannungsvektor einerseits und Winkel des Stromdrehfelds bzw. Stromvektor andererseits, überwacht werden.
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Es besteht die Möglichkeit, dass zwei Überwachungseinheiten die Winkel der Spannungs- und Stromvektoren überwachen und einen sicheren Zustand einleiten bzw. aufrechterhalten, wenn sich die detektierte Drehzahl außerhalb von vorgegebenen Grenzen befindet.
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Für die Erfassung der Drehzahl wird kein Rückführsystem am Motor benötigt. Hierdurch können Kosten im System eingespart werden.
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Erfindungsgemäß werden die Phasenspannungen derart erzeugt, dass bei fehlerfreier Funktion des Frequenzumrichters ein Betrag eines Stromvektors, der dem Stromdrehfeld entspricht, einen Minimalwert nicht unterschreitet. Der Minimalwert ist hierbei typisch derart gewählt, dass bei einer fehlerfreien Funktion des Gesamtsystems aus Frequenzumrichter und Elektromotor eine Messung des Stromdrehfelds unter allen sinnvollen Betriebspunkten noch (bzw. gerade noch) möglich ist. Der Minimalwert kann mittels Simulation, Testreihen, etc. festgelegt werden.
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Mit anderen Worten wird ein nicht-momenterzeugender Strom (unter Inkaufnahme der damit verbundenen zusätzlichen Verluste) eingeprägt, um bei ungünstigen Betriebspunkten trotzdem eine Überwachung des Frequenzumrichters/Elektromotors zu ermöglichen.
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Bei einer Synchronmaschine ist eine herkömmliche Überwachung und ein Abgleich von Stromdrehfeld und Spannungsdrehfeld nicht immer möglich, weil in einigen Betriebspunkten der Strom bzw. das Stromdrehfeld der Maschine null wird. Erfindungsgemäß wird eine zusätzliche Stromkomponente in Form eines Magnetisierungsstroms (ein nicht drehmomentbildender Strom) eingeprägt, wodurch immer ein Abgleich von Stromdrehfeld und Spannungsdrehfeld erfolgen kann, so dass alle Fehler von der Gate-Signal-Erzeugung, über den Motor bis hin zur Strommessung zuverlässig erkannt werden können. Dabei ist es nicht relevant, ob diese zusätzliche Stromkomponente positiv oder negativ ist.
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Die erfindungsgemäßen Spannungsdrehfelder bzw. Spannungsvektoren und Stromdrehfelder bzw. Stromvektoren können in einem Koordinatensystem betrachtet werden, welches mit der Stator-Frequenz (Spannung) mitdreht.
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Als Erweiterung ist es möglich, dass, wenn der drehmomentbildende Strom groß genug ist, die zusätzliche Stromkomponente bzw. der Magnetisierungsstrom wieder verringert wird. Dadurch können die Verluste verringert werden.
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Die zusätzliche Stromkomponente, welche die Messung des Stromdrehfelds grundsätzlich ermöglicht, kann durch einen nicht sicherheitsrelevanten Regler eingestellt und durch eine sichere Hard- und Softwarelösung ausgewertet werden
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Wenn das Stromdrehfeld nicht mehr auswertbar ist, beispielsweise weil die zugrunde liegenden Ströme zu klein sind oder nicht mehr zum Spannungsdrehfeld passen, wird ein Fehler erkannt und geeignet reagiert.
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Bei einer Synchronmaschine kann der Bereich für den zulässigen Winkel zwischen Stromdrehfeld und Spannungsdrehfeld angepasst werden, da bei einer Synchronmaschine Stromdrehfeld und Spannungsdrehfeld auch in Phase liegen können.
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Gemäß einer Ausführungsform werden die Phasenspannungen derart erzeugt, dass ein drehmomentbildender Anteil des Stromvektors einen Betrag derart aufweist, dass sich ein vorgegebenes bzw. gewünschtes Drehmoment einstellt, wobei eine Stromkomponente in Form eines nicht-drehmomentbildenden Anteils des Stromvektors einen Betrag derart aufweist, dass der Betrag des Stromvektors den Minimalwert nicht unterschreitet.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Elektromotor ein Synchronmotor.
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Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Ermitteln des Spannungsdrehfelds in Abhängigkeit von den Sollwerten für die Phasenspannungen. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Erzeugen der Phasenspannungen für die korrespondierenden Phasenstränge des Elektromotors mittels einer Pulsweitenmodulation mit veränderlichen Tastgraden, wobei das Ermitteln des Spannungsdrehfelds in Abhängigkeit von den Tastgraden der Pulsweitenmodulation erfolgt. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform wird nach dem Bestimmen des Fehlerzustands eine Fehlerbehandlung durchgeführt, insbesondere wird das Erzeugen der Phasenspannungen und somit auch des Drehfeldes unterbunden.
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Gemäß einer Ausführungsform wird nach dem Bestimmen des Fehlerzustands eine Safe-Torque-Off-Funktion durchgeführt.
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Der erfindungsgemäße Frequenzumrichter ist zum Durchführen des oben beschriebenen Verfahrens ausgebildet.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Frequenzumrichter eine Steuereinheit auf, dazu ausgebildet ist, die Phasenströme zu regeln.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, als Stellgröße für die Regelung der Phasenströme die Phasenspannungen zu verwenden.
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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 und
- 2 schematisch eine Trajektorie eines Stromraumzeigers in Abhängigkeit von einem Drehmoment.
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1 zeigt hoch schematisch ein Antriebssystem mit einem Frequenzumrichter 1 und einem mittels des Frequenzumrichters 1 angesteuerten Elektromotor 2.
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Der Frequenzumrichter 1 ist dazu ausgebildet, 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.
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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.
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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.
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Hierzu ermitteln die Steuereinheit 3 in Abhängigkeit von den erzeugten bzw. zu erzeugenden Phasenspannungen u1, u2, u3 ein Spannungsdrehfeld. Weiter ermitteln die Steuereinheit 3 jeweils ein Stromdrehfeld in Abhängigkeit von den gemessenen Phasenströmen i1, i2, i3 und berechnet jeweils eine Phasendifferenz zwischen dem Spannungsdrehfeld und dem Stromdrehfeld und/oder berechnet eine Frequenzdifferenz zwischen der Frequenz des Spannungsdrehfelds und der Frequenz des Stromdrehfelds. Die Steuereinheit 3 bestimmt einen Fehlerzustand, wenn die Phasendifferenz einen Phasendifferenzschwellenwert überschreitet und/oder wenn die die Frequenzdifferenz einen Frequenzdifferenzschwellenwert überschreitet.
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Falls ein Fehlerzustand bestimmt worden ist, wird eine Fehlerbehandlung durchgeführt, indem ein STO-Zustand durch geeignete Ansteuerung des Wechselrichters bewirkt wird.
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2 zeigt schematisch eine Trajektorie T eines Stromraumzeigers I in Abhängigkeit von einem veränderlichen Drehmoment.
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Erfindungsgemäß werden die Phasenspannungen u1, u2, u3 derart erzeugt, dass ein drehmomentbildender Anteil Iq des Stromvektors I einen Betrag derart aufweist, dass sich ein vorgegebenes Drehmoment einstellt, wobei ein nicht-drehmomentbildender Anteil Id des Stromvektors I einen Betrag derart aufweist, dass der Betrag des Stromvektors I den Minimalwert Imin nicht unterschreitet. Imin ist beispielsweise derart gewählt, dass das Ermitteln des Stromdrehfelds in Abhängigkeit von den gemessenen Phasenströmen i1, i2, i3 bei fehlerfreier Funktion zuverlässig möglich ist.
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Auf diese Weise ist sichergestellt, dass unter allen relevanten Betriebsbedingungen das Stromdrehfeld auch ermittelt werden kann, vorausgesetzt es liegt keine Fehlfunktion des Frequenzumrichters und/oder des Elektromotors vor.
