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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reduzierung der Drehmomentwelligkeit eines einphasig gespeisten EC-Motors.
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Das Schaltungsprinzip der in Ventilatoren meist eingesetzten EC-Motoren ist bekanntermaßen nicht völlig frei von Rückwirkungen auf das Netz. Durch den pulsförmigen Aufnahmestrom von EC-Ventilatoren entstehen Stromoberschwingungen. Diese belasten das Versorgungsnetz und können zu erhöhten Verlusten aufgrund von Blindleistung führen, sogar andere Geräte im Anlagennetz können negativ beeinflusst werden. Ferner führen diese auch zu einer nicht ausreichend konstanten Stromaufnahme und damit Drehmomentwelligkeit der Motoren. Um dies zu verhindern, gibt es diverse, in der Elektronik integrierte Lösungen, wie z. B. die aktive oder passive Leistungsfaktorkorrektur (PFC – Power Factor Correction).
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Um bei einphasig-netzgespeisten EC-Motoren einen zeitlich sinusförmigen Verlauf des Netzstromes zu erhalten, wird dafür klassisch eine PFC-Schaltung vorgesehen, welche an ihrem Ausgang ein geglättete Gleichspannung bereitstellt. Bei einer bekannten Methode wird z. B. der pulsförmige Aufnahmestrom der EC-Motoren in einen sinusförmigen Strom umgewandelt und dann in einem nachfolgenden zweiten Schritt die Lage der Stromkurve so verschoben, dass sie gleichphasig zur Spannung ist. Auf diese Weise können z. B. die Oberschwingungsanteile im Eingangsstrom stark reduziert werden.
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Um dies zu bewerkstelligen benötigt die PFC-Schaltung einen ausreichend groß bemessenen Elektrolytkondensator im Zwischenkreis. Bei Spannungszwischenkreis-Umrichtern werden solche Kondensatoren als Energiespeicher zur Entkopplung des lastseitigen und des netzseitigen Stromrichters eingesetzt. Reduziert man jedoch die Kapazität des Zwischenkreiskondensators oder lässt diesen, wie beim „schlanken Zwischenkreis” komplett entfallen, erhält man am Ausgang der PFC-Schaltung eine pulsierende Gleichspannung mit überlagerter Wechselspannung, die zu einer Drehmomentwelligkeit führt.
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Die
EP 0 802 623 A1 offenbart z. B. einen Frequenzumrichter, der mit einer Gleichspannungsquelle versorgt wird und wobei der Umrichter einen Zwischenspeicher zum Speichern von Kommutierungsenergie aufgrund von Umladevorgängen in einzelnen Phasenwicklungen umfasst.
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Aus der
EP 0 738 035 A2 ist es bekannt, einen Frequenzumrichter ohne Glättungskondensator auszubilden. Hierbei wird die Energie während der Umladevorgänge in einem Kondensator zwischengespeichert, der zwischen dem geschalteten Minus-Pol des Phasenanschlusses und dem Minus-Pol des Gleichspannungs-Zwischenkreises geschaltet ist. Auch dieser als Zwischenspeicher fungierende Kondensator muss für die gesamte Spannung des Zwischenkreises, die sich aus der Summe des Scheitelwertes der Netzspannung und dem Spannungsanteil einer beim Kommutieren abmagnetisierenden Spule zusammensetzt, dimensioniert sein und kann nicht beliebig verkleinert werden, ohne dass es zu der besagten unerwünschten Welligkeit kommt.
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Aus der
DE 44 06 546 B4 ist ein Frequenzumrichter zum Betreiben eines Motors bekannt, der einen gleichgerichteten und nahezu vollständig geglätteten Gleichspannungszwischenkreis umfasst. Eine Kombination aus Trafo und Kondensator bildet hier den gemeinsamen Zwischenspeicher für die Energie während der Umladevorgänge. Hierbei wird der Trafo mittels eines weiteren Schalters getaktet, so dass eine optimierte Übertragung der Energie während der Umladevorgänge bereitgestellt wird. Aufgrund des zusätzlichen Übertragers ist der Frequenzumrichter aber recht aufwändig und teuer.
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Andere alternative Lösungen sehen zum Beispiel die Nutzung des Stators des EC-Motors als Kondensator (Statorkondensator) vor oder die Nutzung der Nullinduktivität als Zwischenspeicher.
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Da die Glättungskondensatoren kostentreibend sind, ist es aber wünschenswert eine Reduzierung der verbauten Kapazität bei EC-Motoren mit Leistungsfaktorkorrektur (PFC) am Netzeingang zu realisieren. Für die Erzeugung eines konstanten Motordrehmomentes, was für einen geräuscharmen Ventilatorbetrieb zwingend notwendig ist, benötigt man eine konstante Gleichspannung, welche zu einer konstanten Motorleistung und damit bei konstanter Drehzahl zu einem konstanten Motordrehmoment führt. Die elektrische Leistung ist jedoch bei einer pulsierenden Gleichspannung nur dann konstant, wenn auch der Strom so pulsiert, dass wiederum das Produkt aus Strom und Spannung konstant ist.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, vorbesagte Nachteile zu überwinden und eine kostengünstige und zuverlässige Lösung für einphasig gespeiste EC-Motoren mit Leistungsfaktorkorrektur (PFC) am Netzeingang bereit zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Speicherung von Energie im Motor und nicht nur oder ausschließlich in einem Elektrolytkondensator erfolgt und zwar durch die gezielte Vorgabe einer dynamischen id-Strom-Trajektorie. Dabei kann die Anpassung der Stromaufnahme bei EC-Motoren bei pulsierender Gleichspannung am Wechselrichtereingang durch die Anpassung des feldbildenden id-Stromes erreicht werden.
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Erfindungsgemäß wird hierzu eine Vorrichtung für einen insbesondere einphasig gespeisten EC-Motors vorgesehen, bei dem zur Reduzierung der Drehmomentwelligkeit und Geräuschentwicklung eine Zwischenspeicherung von elektrischer Energie in dem EC-Motor erfolgt, welcher mit einer, einen Kondensator aufweisenden Leistungsfaktorkorrekturschaltung (PFC) am Netzeingang für eine bestimmte Netzwechselspannung UN ausgebildet ist, wobei die Kapazität des Kondensators so bemessen ist, dass beim Anlegen der Netzwechselspannung UN eine pulsierende Gleichspannung in einem Zwischenkreis erzeugt wird, wobei die dadurch erzeugte pulsierende elektrische Energie durch eine primäre Regelung des id-Stromanteils als magnetische Energie im EC-Motor zumindest für eine vorgegebene Zeitspanne gespeichert wird.
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Anders als bei PFC-Schaltungen mit einem ausreichend groß dimensionierten Zwischenkreiskondensator zum Speichern der (elektrischen) Energie, ist vorliegend der Kondensator bestimmungsgemäß unterdimensioniert, so dass die elektrische Energie anderweitig gespeichert werden muss und zwar, wie erfindungsgemäß vorgeschlagen, im EC-Motor als Feldenergie in den Motorwicklungen. So bewirkt eine Änderung des id-Stromes eine Speicherung von magnetischer Energie.
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Die durch die Pulsation der Gleichspannung hervorgerufene unerwünschte Pulsation des Motordrehmomentes, infolge von unterdimensionierten Elektrolytkondensatoren, kann somit durch eine Steuerung des id-Stromes erfindungsgemäß ausgeglichen werden. Um den hierzu erforderlichen hochdynamischen Stromverlauf zu realisieren, wird im Zusammenhang mit der Reduzierung der PFC-Kapazitäten, eine Trajektorien gesteuerte flachheitsbasierte nichtlineare Regelung im Zustandsraum verwendet. Die Verwendung dieses Regelungskonzepts ermöglichte es den erforderlichen id-Stromverlauf, exakt bzw. gewünscht einzuregeln.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuerung zur Speicherung der Energie die Anpassung des feldbildenden id-Stromanteils umfasst, wobei es weiter von Vorteil ist, wenn zur Steuerung des id-Stroms die zuvor genannte Trajektorien gesteuerte flachheitsbasierte nichtlineare Regelung im Zustandsraum verwendet wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Frequenz der id-Strom-Trajektorie der doppelten Netzfrequenz der Netzwechselspannung UN entspricht und mit der Netzfrequenz synchronisiert wird.
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Weiter vorteilhaft ist es, wenn die Amplitude und Phasenlage des id-Stroms gegenüber der Netzwechselspannung UN von einer zweiten, der primären Regelung überlagerten Regelung so eingestellt wird, dass die Pulsation der im Zwischenkreis erzeugten Gleichspannung reduziert oder (vorzugsweise auf ein Minimum) minimiert wird.
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Da es sich bei dem vorgeschlagenen Regelungskonzept um einen Regelung handelt, welche zwei Ausgangsgrößen (Amplitude des id-Stromes und die Phasenlage zur Netzspannung) sowie eine Eingangsgröße (Pulsationsamplitude) handelt, wird als zusätzliche Regelbedingung gefordert, dass die Amplitude des id-Stromes möglichst klein zu halten ist, um die Verluste durch den zusätzlichen id-Strom zu minimieren. Hierzu wird die Amplitude des id-Stromes bei der Regelung im möglichen Amplituden-Phasenlagen-Regelfeld möglichst klein gewählt wird.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Amplitude des id-Stroms negativ eingeprägt wird, um durch die dadurch erzielte Feldschwächung eine Reduzierung der Eisenverluste im EC-Motor zu erhalten. In einem besonders günstigen Fall heben sich die zusätzlichen Verluste durch den id-Strom mit der Reduzierung der Eisenverluste durch den id-Strom genau auf und der Vorteil der Reduzierung der Kapazität des Zwischenkreiskondensators geht nicht auf Kosten eines schlechteren Wirkungsgrades des EC-Motors.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen einphasig speisbarer EC-Motor mit einem Zwischenkreis, zur Anwendung des oben genannten Verfahrens, umfassend einen Netzeingang zum Anschluss an wenigstens eine bestimmte Netzwechselspannung UN, eine netzeingangsseitige Leistungsfaktorkorrekturschaltung (PFC) mit einem Kondensator, wobei die Kapazität des Kondensators unterdimensioniert bemessen ist, so dass beim Anlegen einer Netzwechselspannung UN eine pulsierende Gleichspannung UZK im Zwischenkreis erzeugt wird, ferner umfassend eine primäre Regelungseinrichtung, die ausgebildet ist, zur Regelung des id-Stromanteils derart, dass die pulsierende elektrische Energie als magnetische Energie im EC-Motor zumindest für eine vorgegebene Zeitspanne gespeichert werden kann.
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Mit Vorteil ist der EC-Motor so ausgebildet, dass eine zweite Regelung vorgesehen ist, um die Amplitude und Phasenlage des id-Stroms gegenüber der Netzwechselspannung UN einzustellen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweite Regelung zur Anpassung der Phasenlage und Amplitude des id-Stroms so ausgebildet ist, dass damit die Pulsation einer im Zwischenkreis erzeugten Gleichspannung reduziert oder minimiert wird.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen EC-Motors und
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2 eine Abbildung des Verlaufes des id-Stromes über die Zeit.
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Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die 1 und 2 anhand eines exemplarischen Ausführungsbeispiels der Erfindung näher beschrieben.
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In der 1 wird hierzu eine schematische Ansicht eines EC-Motors 1 für einen Ventilator gezeigt. Der EC-Motor 1 ist mit einer Schaltungsanordnung 1a verbunden, umfassend einen Zwischenkreis Z (bzw. eine Zwischenkreisschaltung Z) zum Erzeugen der Zwischenkreisgleichspannung UZK, wobei der Zwischenkreis mit einem Zwischenkreiskondensator CZ ausgebildet ist. Ferner verfügt die Schaltungsanordnung 1a über einen Netzeingang 2 und einen Gleichrichter 8. Die Zwischenkreisschaltung Z ist über eine Kommutierungselektronik 7 mit dem EC-Motor 1 verbunden. Die Zwischenkreisschaltung Z besitzt im Nennbetrieb die Nennspannung UZK, die von der Netzeingangsschaltung 2a und dem Gleichrichter 8 erzeugt wird. Vor der Zwischenkreisschaltung Z ist eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung (PFC) vorgesehen.
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Die Kapazität des Kondensators CZ ist dabei so bemessen, dass beim Anlegen einer Netzwechselspannung UN eine pulsierende Gleichspannung im Zwischenkreis Z erzeugt wird.
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Zur Reduzierung der Wechselspannungsanteile in der pulsierenden Gleichspannung ist eine primäre Regelungseinrichtung 4 und eine sekundäre bzw. weitere Regelung 5 ausgebildet, um den Motorstrom zu regeln. Dabei berücksichtigt die Regelung 4 eine id-Sollwertvorgabe id-S, eine Solldrehzahl w und eine Trajektorienplanung TP, bei der die Drehzahl-Vorgabe der id-Stromverlauf und der Drehwinkel DW als Parameter verwendet werden. Daraus werden die Trajektorienparameter TPp erzeugt und zu einem flachheitsbasierendem Zustandsregler FZ mit Beobachter übergeben. Der flachheitsbasierendem Zustandsregler FZ mit Beobachter erhält nach einer Clark/Park Transformation C/P in die Größen id-Mess und iq-Mess. Die Spannungsgrößen ud und uq werden von dem flachheitsbasierenden Zustandsregler FZ an das Clark-Park-Stellglied P/C übergeben, das zusätzlich die Größen wie Winkelstellung, sowie Plus und Minus der Zwischenkreisspannung UZK verarbeitet, um daraus die Spannungsgrößen ua, ub und uc zu gewinnen. Diese werde mittels einer 3-phasigen Strommessung SM an den Motor übergeben. Die 3-phasigen Strommessung SM übergibt dabei den Stromwert Iabc zurück an das C/P Stellglied.
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Es erfolgt somit die Regelung des id-Stromanteils derart, dass die pulsierende elektrische Energie als magnetische Energie im EC-Motor 1 zumindest für eine vorgegebene Zeitspanne gespeichert werden kann.
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Ferner dient die Regelung 5, um die Amplitude IA (wie in der 2 dargestellt) und Phasenlage des id-Stroms gegenüber der Netzwechselspannung UN einzustellen, wobei die erzeugte pulsierende elektrische Energie durch die Regelung des id-Stromanteils mittels der primären Regelung 4 als magnetische Energie im EC-Motor 1 gespeichert wird. Die durch die Pulsation der Gleichspannung hervorgerufene unerwünschte Pulsation des Motordrehmomentes, infolge einer bewusst unterdimensionierten Kondensatorenkapazität, kann durch die Steuerung 4, 5 des id-Stromes ausgeglichen werden. Der dazu benötigte id-Stromverlauf ist in der 2 zu sehen, wobei nur negative Stromimpulse erzeugt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0802623 A1 [0005]
- EP 0738035 A2 [0006]
- DE 4406546 B4 [0007]
