DE19503658A1 - Verfahren zur Bestimmung einer Größe zum stoßfreien Zuschalten eines drehzahlgeberlos betriebenen Asynchronmotors zu einem Wechselrichter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches Verfahren ist durch die DE 41 07 362 C2 bekannt.

Beim geregelten Betrieb eines über einen Wechselrichter gespeisten, keinen Drehzahlgeber an seiner Welle aufweisenden Asynchronmotors muß die Regelung für einige Anwendungen in der Lage sein, auch bei einem mit zunächst unbekannter Drehzahl drehenden Motor und bei abgeschaltetem Strom (d. h. bei zunächst gesperrten Wechselrichterpulsen) den Betrieb aufzunehmen. Dieser Vorgang wird als Fangbetrieb bezeichnet. Anwendungsfälle für den Fangbetrieb können sowohl beim Einschalten von bereits angetriebenen Motoren (z. B. Förderbandanlagen) als auch bei kurzzeitigen Unterbrechungen der Spannungsversorgung (z. B. beim Springen des Stromabnehmers bei Traktionsantrieben) auftreten.

Es sind verschiedene Verfahren bekannt, wie der Fangbetrieb durchgeführt werden kann: In dem Aufsatz von Pölzler "Antriebssystem "Standard Dynamik" für Drehstromasynchronmaschinen" in der "Elin- Zeitschrift" 1990, Heft 1/2, Seiten 21 bis 26 ist ein Fangbetrieb einer sich mit unbekannter Drehzahl drehenden, geberlosen, unerregten Asynchronmaschine zum Aufschalten eines im Normalbetrieb über eine Statorfrequenz- und Statorspannungsvorgabe "statorflußorientiert" geregelten Spannungszwischenkreisumrichters angegeben. Die betriebsmäßige Regelung weist einen Wirkstromregler auf, dem zur Frequenzführung ein Frequenzregler vorgelagert ist.

Zum Fangbetrieb wird die Statorfrequenz auf den Maximalwert gesetzt, und der Regler gibt die Spannung vor, so daß ein gewünschter "Suchstrom" entsteht. Mit dem vorgegebenen Wirkstromsollwert = 0 läuft der Wirkstromreglerausgang von der Maximalfrequenz beginnend nach unten. Bei Erreichen des Kippschlupfes steigt der Wirkstrom an, um anschließend gegen den Synchronpunkt rasch abzusinken. Dieser Verlauf wird als "Antrieb gefunden" interpretiert. Der Fangvorgang ist beendet, wenn die Spannungs-/Frequenz-Kennlinie ihren Nennwert wieder erreicht hat.

Da der Wirkanteil des Stromes bei kleinen Frequenzen durch den stärker werdenden Einfluß des ohmschen Widerstands größer wird (Frequenz f = 0, d. h. nur Wirkanteil), ist es sehr schwer bzw. nahezu unmöglich, mit Hilfe des Wirkstromes bei kleinen Frequenzen eine erfolgreiche Drehzahlidentifikation durchzuführen. Dies wird in der genannten Literaturstelle auf Seite 23, Spalte 2, Absatz 2 ausdrücklich erwähnt, ohne daß dort allerdings erläutert wird, was unter "kleinen Frequenzen" zu verstehen ist.

Durch die DE 35 43 983 C2 ist ebenfalls ein Verfahren zum stoßfreien Zuschalten eines Umrichters auf eine sich mit unbekannter Drehzahl drehende, geberlose, unerregte Drehstromasynchronmaschine über eine Fangschaltung mit einem Stromsollwert-/Stromistwertvergleich über einen Suchstromregler zur Bestimmung von Gleichheit von Umrichter- und Maschinenfrequenz bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren prägt der Umrichter der Statorwicklung der Drehstromasynchronmaschine mittels eines Suchstromreglers einen Soll-Strom ein, der beispielsweise der Nennstrom der Maschine sein kann. Dabei durchfährt der Umrichter von der Suchfrequenz Null Hz beginnend in Richtung Maximalfrequenz oder auch umgekehrt das Frequenzband der zu "fangenden" Drehstromasynchronmaschine. Gleichzeitig wird fortlaufend der Wert des Spannungsanstiegs der Statorspannung erfaßt, bis ein vorbestimmter Wert des Spannungsanstiegs erreicht wird. Sobald dieser Wert erreicht ist, befindet sich die Suchfrequenz des Umrichters an der unteren oder oberen Grenze des Schlupffrequenzfensters der zu "fangenden" Drehstromasynchronmaschine. Das Schlupffrequenzfenster wird nun mit einer verminderten Suchgeschwindigkeit durchfahren. Dabei baut sich in der Drehfeldmaschine ein Fluß auf. Überschreitet der Fluß dann einen vorbestimmten Grenzwert, wird dieses als Kriterium dafür gewertet, daß die Umrichterfrequenz und die Maschinenfrequenz annähernd gleich sind, d. h. der Betriebspunkt der sich drehenden Drehstromasynchronmaschine gefunden worden ist. Der Umrichter wird über seine Steuerung nunmehr in den Normalbetrieb umgeschaltet.

Die Durchführung dieses Verfahrens bedingt einen verhältnismäßig großen Aufwand für die zusätzliche Fangschaltung.

Durch die EP 0 166 052 ist es bekannt, einen Fangbetrieb mit einer um den Faktor 6 bis 10 reduzierten Suchspannung am Ausgang des Wechselrichters zu fahren. Die Vorgabe der reduzierten Spannung bleibt dabei unabhängig von der Frequenz konstant.

Ein in der eingangs bereits erwähnten DE 41 07 362 C2 beschriebenes Verfahren zum Fangen eines geberlosen Asynchronmotors geht von einem Umrichter aus, der im Normalbetrieb über einen läuferflußorientierten Spannungsrechner (Spannungsmodell) des Drehstromasynchronmotors eine Ständerspannung und die entsprechende Phasenlage dieser Spannung vorgibt. Dabei wirkt ein Magnetisierungsstromregler zur Kompensation von Nichtlinearitäten korrigierend auf das Spannungsmodell ein, während ein Läuferstromregler entsprechend der Lastanforderung auf die vorzugebende Ständerfrequenz wirkt.

Beide Regler erhalten ihre Istwerte von einem Stromistwertrechner. Diese betriebsmäßig vorhandene Regelstruktur für den Normalbetrieb des Drehstromasynchronmotors über den Umrichter wird auch für die Fangschaltung verwendet. Der Spannungsrechner gibt dabei eine im Fangbetrieb frequenzabhängig reduzierte Ausgangsspannung sowie zur Läuferflußorientierung die entsprechende Phasenlage dieser Spannung vor, während der Stromregler als Läuferstromregler arbeitet. Es wird somit der im Läufer induzierte Stromistwert überwacht, der dann zu Null wird oder einen Minimalwert aufweist, wenn die für die ruckfreie Zuschaltung notwendige Frequenzgleichheit herrscht.

Der Fangbetrieb nach den oben aufgeführten Verfahren ist also durch die Vorgabe eines Suchstromes, eines Stromsoll­ wert/Stromistwertvergleiches über einen Suchstromregler oder die auch für kleinere Drehzahlen geeignete Überwachung des läuferinduzierten Stromistwerts gekennzeichnet. Wegen der Verwendung des Stromes als Grundgröße zur Erfüllung eines Zuschaltkriteriums ist in der Praxis in der Regel ein ruckfreies Umschalten auf den Normalbetrieb des Wechselrichters nicht zu erreichen.

Durch die EP 0 469 177 A1 ist ein Verfahren zum stoßfreien Zuschalten eines Umrichters auf einen sich mit unbekannter Drehzahl drehenden, geberlosen, unerregten Asynchronmotor bekannt, bei dem eine wenigstens durch die Remanenz des Läufers in den Ständerwicklungen erzeugte Ständerspannung gemessen und zur Schätzung der Drehzahl und Beschleunigung des Antriebs herangezogen wird.

Ist eine auf das 2,3fache der Läuferzeitkonstanten eingestellte Entregungszeit des Asynchronmotors abgelaufen, so wird eine mit der geschätzten Drehzahl und Beschleunigung umlaufende Ausgangsspannung des Umrichters auf den Asynchronmotor geschaltet, wobei die Amplitude der Ausgangsspannung abhängig von einer einstellbaren Erregungszeit auf ihren Endwert hochgefahren wird.

Bei dem beschriebenen Verfahren muß grundsätzlich die Entregungszeit des Asynchronmotors abgewartet werden, bevor der Fluß im Motor wieder aufgebaut werden kann. Dies wirkt sich besonders bei kurzzeitigen Spannungsunterbrechungen störend aus.

Weiterhin ist das Verfahren nur bei im Asynchronmotor in ausreichender Größe vorhandenem Remanzenzfluß einsetzbar. Dieser ist jedoch sehr klein, wenn der Asynchronmotor zuvor bei hoher Flußschwächung betrieben wurde, wodurch auch die Schätzung der Drehzahl aus der Ständerspannung nicht mehr möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem eine Größe für den Fangbetrieb ermittelt wird, die ein optimales, d. h. drehmomentstoßfreies Zuschalten des Wechselrichters bis hinunter zu kleinen Drehzahlen des Asynchronmotors zuläßt. Das Verfahren soll sowohl bei einem unerregten, als auch bei einem teilerregten Asynchronmotor einsetzbar sein. Darüber hinaus soll es möglich sein, mit der Ermittlung dieser Größe auch das Beobachterprinzip mit einem um einen Drehzahlbeobachter erweiterten Flußbeobachter gemäß der DE- Patentanmeldung P.44 33 551.2 auf den Fangbetrieb zu erweitern.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Das Zuschalten des Umrichters läßt sich infolge der Verwendung der Drehfrequenz zur Schätzung der Motordrehzahl ohne Stöße im Drehmoment bewerkstelligen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens nach der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Für die Schätzung der Läuferdrehfrequenz des Asynchronmotors gemäß der Erfindung sind drei Fälle zu unterscheiden, die sich aus der Herkunft des umlaufenden, an den Klemmen des Motors meßbaren Spannungszeigers ergeben:
Wenn die Betriebsunterbrechung, d. h. die Zeit zwischen einer betriebsnotwendigen Sperrung der Pulse des Wechselrichters und der Einleitung des Fangbetriebs kurz ist, d. h. die Zeit in der Größenordnung der Läuferzeitkonstanten liegt, ist der Läuferfluß noch nicht vollständig abgeklungen. An den Klemmen des teilerregten Asynchronmotors ist dann ein mit der Drehfrequenz synchron umlaufender Spannungszeiger meßbar. Ein mit der DE- Patentanmeldung P 44 33 551.2 vorgeschlagener Beobachter kann je nach Betriebsfall aus diesen Spannungsmeßwerten nach einer kurzen Einschwingzeit brauchbare Schätzungen der Drehfrequenz und des restlichen Läuferflusses ermitteln.

Ein zuverlässigeres und bzgl. der Einschwingzeit schnelleres Verfahren ist es jedoch, die Frequenz der gemessenen Spannung vorab durch Ermittlung des Differenzdrehwinkels zweier aufeinanderfolgender Meßwerte des Spannungszeigers auszuwerten und den Drehfrequenzschätzwert des Beobachters hiermit zu initialisieren. Nach Start des Beobachters schwingen auch die Schätzwerte des Läuferflusses schnell auf den noch im Läufer befindlichen Restfluß ein.

Der Betrieb kann stoßfrei aufgenommen werden, indem zunächst eine Aufmagnetisierung genau in der Richtung des noch im Läufer befindlichen Restflusses erfolgt.

Ist der Läufer des Asynchronmotors jedoch als weiterer Fall nach einer betriebsmäßigen Unterbrechung von einem Vielfachen der Läuferzeitkonstante entmagnetisiert, werden an den Maschinenklemmen theoretisch keine Spannungen mehr induziert, so daß eigentlich die Drehzahl des Läufers bei abgeschalteten Strömen nicht zu ermitteln ist.

In der Praxis zeigt sich jedoch, daß der Läuferfluß des Motors nach Sperrung der Pulse des Wechselrichters meist nicht vollständig abklingt, sondern ein Restfluß aufgrund der Remanenz des Eisens über eine lange Zeit erhalten bleibt. Dadurch ist bei drehendem abgeschalteten Motor auch ständig ein kleiner Spannungszeiger meßbar, der mit der Drehfrequenz des Läufers synchron umläuft. Die Amplitude des Spannungszeigers beträgt dabei nur wenige Volt. Mit geeigneten Spannungsmeßverfahren ist es aber möglich, diesen Spannungszeiger mit ausreichender Genauigkeit zu messen und hieraus, ähnlich wie zuvor zum teilerregten Asynchronmotor beschrieben, einen Initialisierungswert der Drehfrequenzschätzung zu ermitteln. Dadurch ist allerdings noch nicht sichergestellt, daß auch die Schätzung des Läuferflusses nach Betrag und Winkel auf den Remanenzfluß einschwingt. Dieses ist aber ohne Bedeutung, da auch eine Aufmagnetisierung in anderer Richtung als der des anfänglichen Remanenzflusses praktisch keinen Drehmomentstoß erzeugt. Wichtig ist allein, daß der Anfangswert des Drehfrequenzschätzwertes stimmt und somit beim Aufmagnetisieren ein synchron umlaufendes Drehfeld erzeugt werden kann.

Sollte (als dritter Fall) die Remanenz des Läufers für die Ermittlung der Drehfrequenz nicht ausreichen, weil der Motor beim vorherigen Betrieb beispielsweise entmagnetisiert oder in großer Flußschwächung betrieben wurde, ist es durch Aufschaltung eines einzelnen Spannungspulses möglich, einen geringen Läuferfluß aufzubauen. Dieser genügt wiederum für die Ermittlung der Drehfrequenz aus dem Meßwert des Spannungszeigers. Ein Drehmomentstoß ist durch dienen Spannungspuls nicht zu erwarten, da der Motor ja entmagnetisiert ist. Nach Messung des Spannungszeigers kann wie zuvor beschrieben fortgefahren werden.

Claims (3)

1. Verfahren zur Ermittlung einer aus einer Meßgröße an den Klemmen eines Asynchronmotors abgeleiteten Größe für den Fangbetrieb zum stoßfreien Zuschalten eines Umrichters auf den sich mit unbekannter Drehzahl drehenden, geberlosen Asynchronmotor, dadurch gekennzeichnet, daß an den Klemmen des Asynchronmotors als Meßgröße die Drehfrequenz eines Spannungszeigers erfaßt wird, der aufgrund eines noch nicht abgeklungenen Läuferflusses, aufgrund eines aus der Remanenz resultierenden Restflusses oder aufgrund eines auf den Asynchronmotor einzeln aufgeschalteten Spannungspulses umläuft, und dann aus der Drehfrequenz des Spannungszeigers ein Schätzwert für die Läuferdrehfrequenz als den Fangbetrieb steuernde Größe abgeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehfrequenz des Spannungszeigers durch Auswertung eines oder mehrerer Differenzdrehwinkel von jeweils zwei aufeinanderfolgenden, den Spannungszeiger erfassenden Meßwerte ermittelt wird und aus dem Spannungszeiger und der geschätzten Drehfrequenz der aktuelle Läuferflußzeiger ermittelt wird, mit dem wiederum eine läuferflußorientierte Regelung initialisiert wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Drehzahlschätzverfahrens für den drehzahlgeberlosen Betrieb eines wechselrichtergespeisten Asynchronmotors, bei dem neben einem Flußbeobachter ein Drehzahlbeobachter eingesetzt wird, der Drehzahlbeobachter mit dem aus der Erfassung der Drehfrequenz des Spannungszeigers abgeleiteten Schätzwert für die Läuferdrehfrequenz initialisiert wird.