DE3306642A1

DE3306642A1 - Verfahren zur fortschaltung des staenderdrehfeldes einer synchronmaschine

Info

Publication number: DE3306642A1
Application number: DE19833306642
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dipl.-Ing. 6078 Neu-Isenburg Dömel; Anton Ing.(grad.) 6093 Flörsheim-Weilbach Seelig
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1983-02-25
Filing date: 1983-02-25
Publication date: 1984-09-13
Also published as: DE3306642C2

Description

Verfahren zur Fort schaltung des Ständerdrehfeldes
einer Synchronmaschine Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiges Verfahren und eine entsprechende Anordnung sind beispielsweise aus den Offical Proceedings of the 2. International Powerconversion Conference 1980, Seite 6.1.1 bis 6.1.13, bekannt.Hierbei sind an dem Ständer der Synchronmaschine magnetfeldempfindliche Sensoren angebracht, welche den vom Polrad ausgehenden magnetischen Fluß erfassen, daraus Signale ableiten, welche die Winkellage des Polrades zur Ständerwicklung angeben, und über eine Steuereinrichtung die im Umrichter als abschaltbare Halbleiterschalter verwendeten Transistoren in der Weise ein- und ausschalten, daß das Ständerdrehfeld in der Drehrichtung des Läufers fortgeschaltet wird.
Andere Verfahren verwenden für die Erfassung des Drehwinkels und die Fort schaltung des Ständerdrehfeldes einen mechanisch an dem Läufer befestigten Polradlagegaber (Kleinrath: Stromrichtergespeiste Drehfeldmaschinen, Springer-Verlag, 1980, S. 136).
Diese in die Maschinen eingebauten oder außen angebauten Drehwinkelerfassungssysteme mit zusätzlichen Signalleitungen zwischen Maschine und Umrichtersteuerung sind aufwendig und störanfällig. Es wurden daher auch bereits Verfahren und'Anordnungen vorgeschlagen, die durch das Erfassen elektrischer Gräben an den Anschlußklemmen der Maschine die Winkellage des Läufers ermitteln.
Bei dem aus der DE-PS 23 53 594 bekannten Verfahren wird an die Erregerwicklung einer Synchronmaschine eine Spannung gelegt und aus den dabei in den Ständerwicklungen induzierten Spannungen die Winkellage des Läufers bestimmt. Dieses Verfahren ist nur zum Erfassen der Winkellage eines stehenden fremderregten Polrades geeignet, um vor dem Anfahren einen Zähler, dessen Stand die Winkellage des Polrades angibt, zu normieren. Bei laufender Maschine wird auch hier der Zähler von einem mit dem Läufer verbundenen Impulsgeber fortgeschaltet.
Aus der DE-PS 18 06 769 und der DE-PS 26 35 965 sind Verfahren bekannt, bei denen Größe und Winkellage des Flußvektors aus der Klemmen spannung und der Stromaufnahme der Maschine bestimmt wird. Die DE-PS 28 33 542 und die DE-PS 28 33 592 zeigen Weiterentwicklungen, welche Große und Winkellage des Flußvektors durch Integrationsverfahren ermitteln. Mit der Winkellage des Flußvektors ist jedoch noch nicht die Winkellage des Erregerfeldes bzw.
des Polrades bestimmt, denn der Flußvektor ergibt sich als resultierende Größe aus der Erregerdurchflutung und der belastungsabhängigen Ständerdurchflutung unter Berücksichtigung des magnetischen Leitwertes, der bei einer Einzelpolmaschine in beiden Läuferachsen unterschiedlich ist. Die Winkellage des Läufers und die Fortschaltwinkel des Ständerdrehfeldes können deshalb theoretisch nur durch eine Vektoranalyse unter Verwendung eines Maschinenmodells aus den Klemmenspannungen, den Strangströmen, den Phasenwinkeln und der Frequenz bestimmt werden. Diese Verfahren sind aufwendig und ungenau im Bereich kleiner Drehzahlen. Sie dienen vorwiegend zur feldorientierten Regelung von Drehfeldmaschinen und benutzen meistens noch zusätzlich einen Drehwinkel- oder Impulsgeber (Siemens-Zeitschrift 1971/45, S. 765 bis 768).
Die aus den genannten Druckschriften bekannten Verfahren zur drehwinkelabhängigen Fortschaltung des Ständerdrehfeldes einer Synchronmaschine verwenden entweder in die Maschine eingebaute bzw. angebaute Winkelerfassungseinrichtungen oder aufwendige MeS- und Rechenverfahren, bei denen mehrere Maschinengrößen auszuwerten sind. Die für Antriebe größerer Leistung entwickelten Meß- und Rechenverfahren arbeiten ohne Winkelgeber nicht im ganzen Drehzahlbereich ausreichend genau und berücksichtigen auch nicht die besonderen Eigenschaften von Umrichterantrieben, die abschaltbare Halbleiterschalter, wie beispielsweise Transistoren, im maschinenseitigen Umrichter und permanent erregte Synchronmaschinen verwenden. Derartige Antriebe sind im Bereich kleiner Leistungen bis zu einigen kW weit verbreitet.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein für Umrichterantriebe mit ab schaltbaren Halbleiterschaltern und permanent erregten Maschinen besonders geeignetes, einfaches sowie im ganzen Drehzahlbereich zuverlässig arbeitendes Verfahren und eine Anordnung zur drehwinkelabhängigen Fortschaltung des Ständerdrehfeldes anzugeben, für das keine in die Maschine eingebaute oder an diese angebaute Winkelerfassungseinrichtung erforderlich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Durch die Erfindung werden folgende Vorteile erreicht.
Die Synchronmaschine benötigt keine ein- oder angebaute Winkelerfassungseinrichtung. Die drehwinkelabhängige Fort schaltung des Ständerdrehfeldes erfolgt im ganzen Drehzahlbereich nach einem zuverlässigen Verfahren, das nur die in den Wicklungssträngen vom Polrad induzierte EMK auswertet. Das Verfahren eignet sich besonders für die im Bereich kleiner Leistungen verbreiteten Antriebe mit permanent erregten Synchronmaschinen und ab schaltet baren Halbleiter schaltern im Umrichter. Es gewährleistet die optimale Drehmomentausnutzung des Antriebes.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der in'den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Schaltprinzip eines Umrichterantriebs zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Umrichter UR, der mit ab schaltbaren Halbleiter schaltern T1-T6 ausgerüstet ist, einer Synchronmaschine SM, einer elektronischen Winkelerfassungseinrichtung WE und einer Steuereinrichtung SE; Fig. 2 die Bedeutung der ab schaltbaren Halbleiterschalter für die Durchführung des Verfahren; Fig. 3 Diagramme zur Ableitung der Polradwinkellage und eines Fortschaltsignals FS zur Fort schaltung des Ständerdrehfeldes nach einem Integrationsverfahren; Fig. 4 eine Winkelerfassungseinrichtung WE zur Ableitung der Polradwinkellage und des Fortschaltsignals FS durch Integration der Maschinen-EMK mit Speicherung des Minimal- oder Maximalwertes der Integralfunktion bis zur Auslösung des Fortschaltsignals FS; Fig. 5 eine weitere Winkelerfassungseinrichtung WE zur Ableitung der Polradwinkellage und des Fortschaltsignals FS durch Integration der Maschinen- EMK und Löschen des Integrationsspeichers beim Erkennen des Maximal- oder Minimalwertes der Integralfunktion; Fig. 6 eine Steuereinrichtung SE zur Steuerung des Umrichters und der Winkelerfassungseinrichtung in allen Betriebszuständen des Antriebs; Fig. 7 Liniendiagramme zur Wirkungsweise der Steuereinrichtung SE; Fig. 8 Winkellagen der Ständerfeldachse SA, des Läufers und der Läuferfeldachse LA in verschiedenen Betriebszuständen der Synchronmaschine.
Für das in Fig. 1 dargestellte Beispiel eines Umrichterantriebs ist angenommen, daß die Synchronmaschine SM in ihrem Ständer eine herkömmliche dreisträngige Drehfeldwicklung in Sternschaltung aufweist. Die Wicklungsstränge bzw. deren Zuleitungen sind mit al, a2, a3, der Sternpunkt mit a bezeichnet. Der als Polrad ausgebildete Läufer der Synchronmaschine SM kann aus einem weichmagnetischen, zylindrischen Polradkern mit aufgesetzten hartmagnetischen Polen aus Bariumferrit, Strontiumferrit oder einem Magnetwerkstoff der Seltenen Erden und Kobalt bestehen. Diese Werkstoffe weisen gegenüber äußeren magnetischen Feldern eine relative Permeabilität von ur ~ 1 auf. Für die Stränge der Ständerwicklung ist das Polrad daher wie ein Trommelläufer magnetisch rotationesymmetrisch, und es gilt das angedeutete Ersatzschaltbild der Synchronmaschine. Darin sind e17 2, e3 die in den Wicklungssträngen vom rotierenden Polrad induzierte EMK, L die Induktivität und R der ohmsche Widerstand eines Wicklungsstranges. Die Wicklungsstränge a1, a2, a3 sind in bekannter Weise an einen ebenfalls bekannten Umrichter UR mit ab schaltbaren Halbleiterschaltern T1 bis T6 angeschlossen (Offical Proceedings of the 2. International Powerconversion 1980). Die positive Leitung P und die negative Leitung N des Umrichters UR sind zu einem Netzumrichter NU geführt, der aus den über die Netzleitungen R, S, T angelegten Wechselspannungen die Gleichspannung U erzeugt. Dabei wird vorausgesetzt, daß der Netzumrichter NU in bekannter Weise eine Stell-und Regeleinrichtung enthält, die sowohl im Motorbetrieb wie im Generatorbetrieb, d. h. Bremsbetrieb, die zwischen den Leitungen P und N auftretende Spannung U bzw.
den in diesen Leitungen fließenden Strom I an den durch die Drehzahl und das Drehmoment gekennzeichneten Betriebszustand der Synchronmaschine anpaßt. Der Netzumrichter NU ist nur zum Verständnis der Wirkungsweise dargestellt.
Es ist für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wesentlich, daß der Umrichter UR mit abschaltbaren Halbleiter schaltern T1 bis T6 ausgerüstet ist und eine Winkelerfassungseinrichtung WE den zeitlichen Verlauf der in dem jeweils stromlosen Wicklungsstrang vom rotierenden Polrad induzierten EMK el, e2, e3 erfaßt, um daraus die Winkellage des Läufers und ein Signal FS zum Fortschalten des Ständerdrehfeldes abzuleiten. Die Winkelerfassungseinrichtung WE ist zu diesem Zweck an die Zuleitungen zu den Wicklungssträngen a1, a2, a3 und den Sternpunkt a der Synchronmaschine angeschlossen.
Außerdem werden der Winkelerfassungseinrichtung von einer Steuereinrichtung SE des Umrichters UR Signale S1, 52, S3, VZ zugeführt, welche die Winkelerfassungseinrichtung WE so steuern, daß nur die EMK el, e2, e3 des gerade stromlosen Wicklungsstranges al, a2, a3 erfaßt wird, weil nur in dem stromlosen Wicklungsstrang die EMK an den äußeren Anschlüssen des Wicklungsstranges meßbar ist. An den äußeren Anschlüssen eines stromführenden Wicklungsstranges, beispielsweise a1, ist nur die Summenspannung zu messen, die zu einem fehlerhaften Ergebnis führen würde. Die Signale S1, 52, S3 zeigen der Winkelerfassungseinrichtung WE an, welcher Strang durch die abschaltbaren Halb leiter schalter T1 bis T6 stromlos geschaltet ist, und das Signal VZ unterscheidet die beiden innerhalb einer Periode in jedem Strang auftretenden stromlosen Bereiche.
Das in der Winkelerfassungseinrichtung WE gebildete Fortschaltsignal FS ist der Steuereinrichtung SE zugeführt und bewirkt mittels dieser Steuereinrichtung und deren Ausgangssignale ST1 bis ST6 die Ein- und Ausschaltung der steuerbaren Halbleiter schalter T1 bis T6 in allen Betriebszuständen des Antriebs. Zur Steuerung der Betriebszustände erhält die Steuereinrichtung SE von einem dem Antrieb übergeordneten, nicht weiter dargestellten Leitsystem noch die Steuer signale n57 DR, MR, BR, GB, GR.
Das beispielsweise analoge Signal n5 stellt die Solldrehzahl des Antriebs dar. Es ist daher auch gemeinsam mit dem Fortschaltsignal FS, dessen Frequenz dem Drehzahl-Istwert entspricht, den im Netzumrichter NU enthaltenen Regeleinrichtungen zum Zweck einer Drehzahlregelung zugeführt. Das Fortschaltsignal FS meldet zusätzlich dem übergeordneten Leitsystem die vom Antrieb ausgeführte Drehbewegung zurück.
Das Signal DR bestimmt die Drehrichtung, mit dem Signal MR wird der Motorbetrieb und mit den Signalen BR, GB der Bremsbetrieb eingestellt. Dabei schaltet das Signal GB beim Bremsen im unteren Drehzahlbereic-h den Gegenstrom-Bremsbetrieb ein, wenn die EMK der Synchronmaschine zu klein ist, um einen ausreichend großen Bremsstrom zu treiben. Das Grundstellungssignal GR normiert die Speicher der Steuereinrichtung SE und die Läufer stellung nach dem Einschalten der Netzspannung und vor dem ersten Anlauf des Antriebs.
Die Fig. 2 veranschaulicht, daß das Abschalten der Strangströme der Synchronmaschine mittels abschaltbarer Halb leiter schalter für die Durchführung des Verfahrens erforderlich ist. Für diese Betrachtungen hat der ohmsche Widerstand der Wicklungsstränge keine entscheidende Bedeutung und ist daher in den Figuren 2a und 2c nicht dargestellt.
Fig. 2a zeigt das Schaltprinzip eines Umrichters mit nichtabschaltbaren Ventilen, beispielsweise Thyristoren, der an eine Synchronmaschine angeschlossen ist, und Fig. 2b gibt den zeitlichen Verlauf der EMK e1, e2, e3 und der Strangströme il, i2, i3 bei der Kommutierung des Stromes von dem Ventil V1 auf das Ventil V2 der Fig. 2a an. Bei dieser Kommutierung wird der Strom durch die in Fig. 2b gekennzeichnete Kommutierungsspannung u k = e1 - e2 von dem Ventil V1 und der Induktivität L1 in das Ventil V2 und die Induktivität L2 getrieben.
Dazu muß das Ventil V2 rechtzeitig, beispielsweise bei dem Winkel «1 eingeschaltet werden, damit die Kommutierung bei einem Winkel oC27 der vor dem Schnittwinkel der EMK-Kurven el und e2 liegt, abgeschlossen ist. Der Strom il eilt daher stets der EMK el voraus, und der stromlose Winkelbereich OC 4 - 22 des Stranges 1 liegt meistens vor dem Nulldurchgango(5 der EMK el. Bei diesem Kommutierungsverfahren erkennt daher eine Winkelerfassungseinrichtung, welche die EMK e1 im stromlosen Winkelbereich dq 0<2 erfaßt, den Nulldurchgang «5 der EMK e1 im allgemeinen nicht.
Ist dagegen wie in Fig. 2c ein Umrichter UR mit abschaltbaren Halbleiter schaltern verwendet, entfällt die Forderung, daß die Kommutierung der Ströme, beispielsweise i1, i2, vor dem Schnittpunkt «3 der EMK-Kurven e1 und e2 in Fig. 2d beendet sein muß. Der Winkel «'1 bei dem die Kommutierung durch Abschalten des Halbleiterschalters T1 und Einschalten des Halbleiterschalters T2 eingeleitet wird, kann daher wesentlich näher an dem EMK-Schnittpunkt 0(3 liegen als der Winkel 0<1 in Fig. 2b.
Im Hinblick auf die Auswertbarkeit der EMK-Kurven und einer optimalen Drehmomentausnutzung des Antriebs bei möglichst geringer Phasenverschiebung zwischen EMK- und Stromverlauf eines Stranges, ist es daher vorteilhaft, den elektrischen Winkel y in Fig. 2d zwischen den Nulldurchgängen der EMK e1, e2, e3 und dem Fortschaltsignal FS, welches die Kommutierung bei den Sinkeln «'1 «'4 einleitet, so einzustellen oder einzuregeln, daß die Nulldurchgänge der EMK ungefähr in der Mitte der Winkelbereiche «'4 4 - '2 liegen, innerhalb der die Wicklungsstränge stromlos sind. Jedem EMK-Nulldurchgang entspricht eine bestimmte Winkellage des Polrades. Für die Ableitung der Polradwinkellagen aus dem EMK-Verlauf genügt daher die genaue Erfassung der EMK-Nulidurchgänge.
Dies ist im gesamten Drehzahlbereich bei der Verwendung einer elektronischen Winkelerfassungseinrichtung'WE, wie in den Figuren 1, 4 und 5 gezeigt, möglich.
Die Diagramme in Fig. 3 veranschaulichen die Wirkungsweise einer elektronischen Winkelerfassungseinrichtung WE, wobei die Auswertung der Maschinen-EMK nach einem Integrationsverfahren erfolgt. In Fig. 3a ist der prinzipielle Verlauf der Maschinen-EMK el, e2, e3 und der Strangströme i1, i2, i3 des in Fig. 1 gezeigten Umrichterantriebs dargestellt. Der abgeflachte Verlauf der EMK ergibt sich bei einer permanent erregten Synchronmaschine, deren Läufer aus einem weichmagnetischen, zylindrischen Polradkern und aufgesetzten hartmagnetischen Polen mit gleichbleibender Polhöhe besteht. Die Kurvenform der Strangströme il, i2, i3 ist vereinfacht, weil für die weitere Betrachtung nur der Bereich des Nulldurchganges zwischen den Winkeln «'1 und oC'4 in Fig. 3b von Bedeutung ist. Die Darstellung setzt voraus, daß der Winkel zwischen dem Nulldurchgang der EMK el und dem Auftreten des Fortschaltsignals FS bereits optimal eingestellt ist, so daß der Nulldurchgang der EMK etwa in der Mitte des Bereichs «'4 - cc'2 liegt, in dem i1 = 0 ist.
Die Diagramme in Fig. 3c zeigen die von der Steuereinrichtung SE gebildeten Signale ST1 bis ST6 zur Steuerung der ab schaltbaren Halbleiterschalter T1 bis T6 des Um- richters UR, und die Diagramme in Fig. 3d stellen die ebenfalls in der Steuereinrichtung erzeugten Signale S1, 52, S3 und VZ zur Steuerung der Winkelerfassungseinrichtung WE dar.
Durch das bei dem Winkel 2'1 in Fig. 3b von der Winkelerfassungseinrichtung erzeugte Fortschaltsignal FS wird die Abschaltung des Halbleiter schalters T1 und die Einschaltung des Halbleiter schalters T2 der Figuren 1 und 2c ausgelöst. Der Strangstrom i1 klingt nun bis zu dem WinkelOC12 über die in Fig. 2c mit D4 bezeichnete Diode ab. Der während des Abklingens zurückgelegte Winkel «'Z ~ '1 hängt unter anderem von dem Anfangswert des Stromes il beim Abschalten sowie der Winkelgeschwindigkeit , d. h. der Drehzahl des Antriebs, ab und erreicht bei maximaler Maschinendrehzahl und maximalem Maschinenstrom den größten Wert ß M. Jeder Maschinenstrang hat daher innerhalb jeder Halbperiode im gesamten Betriebsbereich, d. h. bis zur maximalen Stromstärke und bis zur maximalen Drehzahl,einen stromlosen Winkelbereich von der Mindestgroße oC'4 - OC'1 - AoC. Dieser Winkelbereich wird der Winkelerfassungseinrichtung WE von der Steuereinrichtung SE für jeden Maschinen strang durch die Signale S1, S2, S3 vorgegeben. Außerdem zeigt das Signal VZ der Winkelerfassungseinrichtung an, ob im Verlauf der Strang-EMK und der Strangströme ein Vorzeichenwechsel von Plus nach Minus oder in umgekehrter Richtung auftritt.
Für die Auswertung der Maschinen-EMK, d. h. die Ableitung der Winkellage des Polrades sowie des Fortschaltsignals FS aus dem zeitlichen Verlauf der Strang-EMK innerhalb der stromlosen Bereiche,ist ein Integrationsverfahren besonders vorteilhaft. Fig. 3b zeigt die Zeitintegralfunktion der Maschinen-EMK für zwei aufeinander folgende stromlose Bereiche. Der Index x steht für die wechselnden Strangindizes 1, 2 und 3. Mit dem Induktionsgesetz ergibt sich für die Integralfunktion Danach ist der Wert der Integralfunktion IF durch die Änderung des vom Polrad ausgehenden und mit den Windungen w des Stranges x verketteten magnetischen Flusses bestimmt und unabhängig von der Winkelgeschwindigkeit CJ bzw. der Drehzahl der Maschine. Bei konstantem Polfluß hängt die Flußverkettung nur von der Winkellage des Polrades ab. Der von den stromführenden Wicklungssträngen verursachte magnetische Fluß ist mit dem stromlosen Wicklungsstrang unter der Voraussetzung, daß der magnetische Leitwert des Läufers rotationssymmetrisch ist, nicht verkettet, weil die stromführenden Wicklungsstränge in Reihe geschaltet denselben Strom führen und die Achse SA ihres resultierenden Feldes, wie die Fig. 8c zeigt, stets senkrecht zur Achse SA1 des stromlosen Wicklungsstranges verläuft.
Jedem Wert der in Fig. 3b dargestellten Integralfunktion IF ist eine eindeutige Winkellage des Polrades zugeordnet.
Beim Maximalwert der Integralfunktion IF, d. h. beim Nulldurchgang der EMK eI, sind die Feldachse LA des Läufers und die Achse SAl des stromlosen Wicklungsstranges al gleichgerichtet, und dem mechanischen Drehwinkel/p in Fig. Bc, den das Polrad nach dem Auftreten des Maximalwertes IFmax in Fig. 3b bis zum Auslösen des Fortschaltsignals FS bei dem Winkel ob' 4 zurücklegt, entspricht der von IFmaX gemessene Hub H der Integralfunktion IF. Durch die Vorgabe dieses Hubes werden der Winkel r bzw. die Winkel cm'1, , bei denen die Winkelerfassungseinrichtung WE das Fortschaltsignal FS auslöst, drehzahlunabhängig eingestellt.
Das Integrationsverfahren hat den weiteren Vorteil,gegenüber Störsignalen weitgehend unempfindlich zu sein. Bei sehr kleinen Drehzahlen sind die der Winkelerfassungseinrichtung WE zugeführten EMK-Signale so klein, daß sie bei einer oszillographischen Aufzeichnung im Störsignalpegel verschwinden. Da die Winkelerfassungseinrichtung jedoch nur die EMK eines stromlosen Wicklungsstranges auswertet, bestehen die Störsignale vorwiegend aus höherfrequenten Wechselspannungssignalen, die induktiv in den stromlosen Wicklungsstrang eingekoppelt und dem EMK-Signal überlagert sind. Bei kleinen Drehzahlen bzw. Winkelgeschwindigkeiten CJ ist die Integrationazeit, innerhalb der das Polrad nach Fig. 3b den Winkel Oc'4 - ob'1 ~ -zurücklegt, entsprechend groß, und die über mehrere Perioden integrierten höherfrequenten Störsignale haben auf den Wert der Integralfunktion IF keinen verfälschenden Einfluß.
Entsprechend ihrer Wirkungsweise besteht die in Fig. 1 gezeigte Winkelerfassungseinrichtung WE aus mehreren Funktionsstufen. Eine von den Signalen S1, S2, 53 gesteuerte Schalteranordnung SA schaltet den jeweils stromlosen Wicklungsstrang an eine Integrationsatufe IN.
Zur einheitlichen Weiterverarbeitung der, wie Fig. 3b zeigt, mit wechselndem Vorzeichen auftretenden Abschnitte der Integralfunktion IF ist der Integrationsstufe IN in Fig. 1 eine von dem Vorzeichensignal VZ gesteuerte Vorzeichenverarbeitungsstufe VV nachgeschaltet. Es ist aber auch möglich, die positiven und negativen Abschnitte der Integralfunktion IF unabhängig voneinander in parallelen Zweigen zu bilden und weiterzuverarbeiten. Hierbei würde die Vorzeichenverarbeitungsstufe entfallen. Die Vorzeichenverarbeitungsstufe VV ist daher in Fig. 1 sowie in den Figuren 4 und 5 nur zur Erklärung der Wirkungsweise der Ausführungsbeispiele dargestellt; sie ist kein wesentliches Merkmal der Erfindung.
Die positiven Maximalwerte und die negativen Minimalwerte der Integralfunktion IF werden von der in Fig. 1 der Vor- zeichenverarbeitungsstufe VV nachgeschalteten Maximalwert-Minimalwert-Erfassungsstufe ME erfaßt. Außerdem ist der Vorzeichenverarbeitungsstufe und der Maximalwert-Minimalwert-Erfassungsstufe ME in Fig. 1 eine Komparatorstufe KO nachgeschaltet. Die Komparatorstufe löst das Fortschaltsignal FS aus, sobald der vom Maximal- oder Minimalwert der Integralfunktion IF gemessene Hub H einen voreingestellten Referenzwert erreicht.
Bei den in Fig. 4 und 5 gezeigten Ausführungsbeispielen der Winkelerfassungseinrichtung WE sind die jeweils eine Funktionsstufe bildenden Schaltelemente mit einer Strichpunktlinie umrandet und mit den gleichen Buchstabenfolgen gekennzeichnet wie in Fig. 1.
Die Schalteranordnung SA besteht aus den an die Wicklungsstränge a1, a2, a3 der Synchronmaschine SM angeschlossenen Schaltkanälen K1, K2, K3, die beispielsweise als integrierte MOS-Schalter ausgeführt sind, und einer Logikstufe LO. Die Steuersignale S1, 52, 53 steuern die Schaltkanäle nacheinander immer dann in den leitenden Zustand, wenn der angeschlossene Maschinen strang stromlos ist, so daß die EMK des stromlosen Stranges in den Eingang EI der Integrationsstufe IN einen der EMK proportionalen Strom treibt.
Die Logikstufe LO bildet aus den Steuersignalen S1, SZ, S3 ein Löschsignal LS1, das in den Figuren 4 und 5 mit LE1, LE2, LE3 bezeichneten Löscheinrichtungen zugeführt ist. Das Löschsignal LS1 löscht über die Loscheinrichtung LE1 in Fig. 4 und LE3 in Fig. 5 die Integrationsspeicher CSI der Integrationsstufeh IN sowie über die Löscheinrichtungen LE2 die Maximalwertspeicher CS2 der Maximalwerterfassungseinrichtungen ME1 in Fig. 4 und ME2 in Fig. 5 immer dann, wenn keiner der Schaltkanäle K1, K2, K3 leitend ist.
Die von der Integrationsstufe gebildete Integralfunktion IF ist in den Figuren 4 und 5 unmittelbar der Vorzeichenverarbeitungsstufe VV zugeführt. Die vom Vorzeichensignal VZ gesteuerte Vorzeichenverarbeitungsstufe ändert das Vorzeichen jedes zweiten der abwechselnd positiven und negativen Abschnitte der Integralfunktion IF, so daß eine vorzeichenunabhängige Weiterverarbeitung der von der Vorzeichenverarbeitungsstufe den nachfolgenden Funktionsstufen zugeführten Integralfunktion IFV gewährleitet ist.
In der Integralfunktion IFV treten anstatt der positiven Maximal- und der negativen Minimalwerte der Funktion IF nur noch positive Maximalwerte auf.
In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 ist die Integralfunktion IFV der Maximalwerterfassungseinrichtung ME1 und dem ersten Eingang El einer Differenzenkomparatorstufe K01 zugeführt. In der Maximalwerterfassungseinrichtung wird der Maximaluertspeicher CS2 solange geladen wie der Wert der Funktion IFV ansteigt. Nimmt der Funktionswert wieder ab, bleibt der Maximaluert in CS2 gespeichert. Dieser in CS2 gespeicherte Wert ist dem zwei ten Eingang E2 der Differenzenkomparatorstufe KOl zugeführt, die in einer ersten Verstärkerstufe V1 die Differenz zwischen dem gespeicherten Maximalwert und dem sich fortlaufend ändernden Wert der Integralfunktion IFV bildet. Das am Ausgang der ersten Verstärkerstufe V1 auftretende Differenzsignal D wird in einer zweiten Verstärkerstufe V2 mit dem durch eine Stelleinrichtung P einstellbaren Referenzwert H verglichen. Die Verstärkerstufe V2 löst aufgrund ihrer Mitkopplung das Fortschaltsignal FS aus, sobald die Differenz D zwischen dem Maximalwert der Integralfunktion IFV und ihrem laufenden Funktionswert dem eingestellten Referenzwert H gleich ist. Mit dem Eintreffen des Fortschaltsignals FS in der Steuereinrichtung SE werden die Steuersignale S1, S2, 53 abgeschaltet und der Integrationsspeicher CSI sowie der Maximalwert speicher CS2 über die Logikstufe LO und die Löscheinrichtungen LE1 und LE2 gelöscht. Die Winkelerfas- sungseinrichtung WE ist nun wieder startbereit für den nächsten Integrstionsvorgang.
Bei dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel der Winkelerfsssungseinrichtung WE löscht die Löscheinrichtung LE3 den Integrationsspeicher CS1, wenn ein Löschbefehl durch das Löschsignal LS1 oder LS2 gegeben ist. Das Löschaignal LS1 wird wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 von der Logikstufe LO gebildet. Das impulsförmige Löschsignal LS2 wird in einer monostabilen Kippstufe MK durch das von der Maximalwerterfassungseinrichtung ME2 erzeugte Signal MEA im Maximum der Integr-alfunktion IFV ausgelöst. Unmittelbar nach dem Löschen von CSI wird die Integration der EMK fortgesetzt. Durch das Löschen des Integrationsspeichers wurde die Integralfunktion IF bzw. IFV von dem Maximalwert auf Null zurückgesetzt. Das entspricht der Subtraktion des Maximalwertes vom weiteren Verlauf der Integralfunktion. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 wird daher keine differenzbildende Verstärker stufe V1 wie in Fig. 4 benötigt, und die Integralfunktion IFV ist direkt der das Fortschaltsignal FS auslösenden Verstärker stufe V2 des Komparators K02 zugeführt.
Das Fortschaltsignal FS bewirkt über die Steuereinrichtung SE die drehwinkelsynchrone Steuerung des Umrichters UR und der Winkelerfassungseinrichtung WE. Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Steuereinrichtung SE im Blockschaltplan. Die wesentlichen Merkmale der Steuereinrichtung SE sind ein Läuferstellungsspeicher LSP, eine Ständerfeld-Stelleinrichtung SFS und eine Logikstufe LOS. Der mehrstufige Läuferstellungsspeicher LSP kann 2 m innere Zustände annehmen, wobei m die Anzahl der Wicklungsstränge bedeutet. In den Ausführungsbeispielen ist m = 3, so daß sich der Läuferstellungsspeicher immer in einem von 6 Zuständen befindet, die zweckmäßig durch die Codierung 000, 100, 110, 111, 011, 001 gekennzeichnet und mit den Zustandskombinationen der Ausgangssignale Q1, q2, q3 des Läuferstellungsspeichers identisch sind.
Als Eingangssignale erhält der Läuferstellungsspeicher LSP das Fortschaltsignal FS, das Drehrichtungssignal DR und das Grundstellungssignal GR. Das Fortschaltsignal FS schaltet den Läuferstellungsspeicher mit jedem Impuls in den benachbarten Zustand weiter, während das Drehrichtungssignal DR die Richtung bestimmt, in der die Zustände zyklisch durchlaufen werden. Das Grundstellungssignal GR setzt den Läuferstellungsspeicher unmittelbar nach dem Einschalten der Netzspannung in den Anfangszustand, der beispielsweise mit 000'definiert ist.
Die Ausgangssignale Q1, q2, q3 des Läuferstellungsspeichers LSP sind Eingangssignale der Ständerfeldstelleinrichtung SFS. Diese ordnet den von dem Läuferstellungsspeicher angezeigten Winkellagen des Läufers dem Betriebszustand des Antriebs entsprechende und durch die Ausgangssignale Al, A2, A3 der Ständerfeldstelleinrichtung codierte Winkellagen des Ständerfeldes zu. Die Ständerfeldstelleinrichtung wird daher von dem Drehrichtungssignal DR, dem den Motorbetrieb einschaltenden Signal MR sowie dem den Bremsbetrieb einschaltenden Signal BR gesteuert. Das ebenfalls der Ständerfeldstelleinrichtung zugeführte Fortschaltsignal FS synchronisiert die Steuerbefehle mit der Drehbewegung.
Aus den Ausgangssignalen Al, A2, A3 der Ständerfeldstelleinrichtung bildet die Halbleiterschalter-Steuereinrichtung HSS durch Dekodieren die Signale ST1 - ST6 zur Steuerung der ab schaltbaren Halbleiter schalter T1 bis T6 des Umrichters UR. Ein aus dem Bremssignal BR und dem Gegenstrombremssignal GB in der Oder stufe 01 gebildetes Sperrsignal SP sperrt die Steuersignale ST1 bis ST6 beim Bremsen und gibt sie wieder frei, wenn bei sehr kleinen Drehzahlen der Gegenstrombremsbetrieb ein- geschaltet wird.
Die Logikstufe LOS erzeugt aus den Signalen Al, A2, A3, welche die Information über den Schaltzustand der Halbleiterschalter T1 bis T6 enthalten, einem Signal MB, dem Drehrichtungssignal DR und einem Sperrimpuls SI die Signale S1, S2, S3 und VZ zur Steuerung der Winkelerfassungseinrichtung WE. Das durch eine Oderverknüpfung 02 aus dem Motorbetriebssignal MR und dem Bremsbetriebssignal BR gebildete Signal MB bewirkt, daß die Steuersignale S1, SZ, S3 nur im Motor- oder Bremsbetrieb und nicht in der Ruhelage die Winkelerfassungseinrichtung einschalten. Das Drehrichtungssignal DR invertiert das Vorzeichensignal VZ drehrichtungsabhängig.
In einer Impulsstufe IM der in Fig. 6 gezeigten Steuereinrichtung SE losen das Fortschaltsignal FS und ein in der Ständerfeldstelleinrichtung SFS erzeugtes Auslösesignal AS Sperrimpulse SI von der Dauer At aus, die verhindern, daß die Winkelerfassungseinrichtung WE beim Beginn einer Ständerfeldfortschaltung über die Signale S1, S2, 53 eingeschaltet wird. Dadurch ist sichergestellt, daß die Erfassung der EMK, wie in Fig. 3b gezeigt, erst nach dem Winkel nc, d. h. nach dem Abklingen des Stromes in dem abgeschalteten Wicklungsstrang,beginnt. Da zwischen dem Winkel O' in Fig. 3b und der Impulsdauer ßt die Bezeichnung besteht, muß die Impulsdauer At etwa umgekehrt proportional zur Winkelgeschwindigkeit CO bzw. zur Drehzahl des Antriebs verändert werden. Zu diesem Zweck ist der Impulsatufe IM in Fig. 6, das analoge Drehzahlsollwertsignal ns zugeführt. Bei sehr kleinen Drehzahlen ist bt auf einen maximalen Wert begrenzt.
Anhand der Figuren 7 und 8 werden die mittels des Umrichters UR, der Winkelerfassungseinrichtung WE und der Steuereinrichtung SE durchgeführten Verfahren zur Fort- schaltung des Ständerdrehfeldes einer Synchronmaschine beim Fahren, Anfahren, Bremsen und Anhalten erklärt.
Fig. 7a zeigt den Verlauf der Luftspaltinduktion B1, B2, B3,in der die Wicklungsstränge beim Umlauf des Polrades liegen. Die Luftspaltinduktion verläuft phasengleich mit der EMK. Letztere ist jedoch wegen ihrer Drehzahlabhängigkeit für die Darstellung eines Haltezustandes, in dem el = e2 = e3 = 0 ist, ungeeignet. In das Diagramm sind die Zustände des Läuferstellungsspeichers eingetragen, die jeweils 60 breiten elektrischen Winkelbereichen entsprechen. In Fig. 7b sind die der Ständerfeldstelleinrichtung SFS zugeführten Ausgangssignale Q1, Q2, Q3 des Läuferstellungsspeichers LSP dargestellt. Die Zuordnung der Läuferstellungsspeicher-Zustände zu den Winkelbereichen erfolgt unmittelbar nach dem Einschalten der Netzspannung durch eine Normierung. Hierbei wird der Läuferstellungsspeicher durch das Grundstellungssignal GR in Fig. 6 in den Zustand 000 gesetzt. Zu diesem Zeitpunkt erhält die Ständerfeldstelleinrichtung über das Motorbetriebssignal MR bzw. das Bremsbetriebssignal BR noch keinen Befehl für den Motor- bzw. Bremsbetrieb, so daß die der Läuferstellung entsprechenden Signale Q1, q2, q3 unverändert als Signale Al, A2, A3 der Halbleiterschalter-Steuereinrichtung HSS zugeführt sind. Diese bildet aus dem Grundstellungszustand 000 in dem in Fig. 7b durch Schraffur hervorgehobenen Bereich die beiden Steuersignale ST1 und ST5, welche nach Fig. 1 die Halbleiterschalter T1 und T5 einschalten. Es führen dann die Wicklungsstränge a7 und a2 der Synchronmaschine Strom, und der Läufer dreht sich in die Winkellage, in der die Läuferfeldachse LA und die Ständerfeldachse SA gleichgerichtet sind. Fig. 8a zeigt diesen Zustand für eine Maschine mit p = 1 Polpaar und 3 Wicklungssträngen. Jeder Strang der Ständerwicklung ist durch zwei diagonal gegenüber liegende Leiter dargestellt. Die Wicklungsstränge sind an ihrem Anfang mit al, a2, a3 gekennzeichnet. In der Grundstellung fließt der Strom bei al hinein und bei a2 heraus. Die Achse SA des von den stromdurchflossenen Leitern erzeugten resultierenden Ständerfeldes verläuft durch die Leiter des nicht stromführenden Stranges a3.
Die auf den zylindrischen, weichmagnetischen Polradkern aufgesetzten hartmagnetischen Pole sind in Fig. 8 schraffiert und als Nordpol N und Südpol S gekennzeichnet.
Die Läuferfeldachse LA verläuft vom Südpol-zum Nordpol durch die Mitte der Polsegmente. In die Fig. 8a sind auch die Zustände des Läuferstellungsspeichers eingezeichnet, die den 600 breiten Winkelbereichen durch die Normierung zugeordnet wurden.
Zum Anfahren, beispielsweise in der Linksdrehrichtung, erhalten der Läuferstellungsspeicher LSP, die Ständerfeldstelleinrichtung SFS und die Logikstufe LOS in Fig. 6 über das Drehrichtungssignal DR die Information für die heabsichtigte Linksdrehung. Danach wird der Motorbetrieb über das der Ständerfeldstelleinrichtung SFS zugeführte Motorbetriebssignal MR eingeschaltet. Es bewirkt, daß die Ständerfeldstelleinrichtung den die Läufer stellung angebenden Eingangssignalen Q1, q2, Q3 neue Ausgangssignale Al, A2, A3 zuordnet, die eine der Läuferfeldachse LA um den Winkel # # 120° in der beabsichtigten Linksdrehrichtung vorauseilende Stellung der Ständerfeldachse SA, wie in Fig. 8b dargestellt, vorgeben. Dabei werden die in der Grundstellung eingeschalteten Halbleiterschalter T1, T5 abgeschaltet und die Halbleiter schalter T2, T6 eingeschaltet, so daß nun die Wicklungsstränge a2, a3 Strom führen. Die zwischen den stromdurchflossenen Leitern und dem Läuferfeld wirksamen Kräfte sind in der Fig. 8b, im Gegensatz zur Grundstellung in Fig. 8a, wo sich die Kräfte gegenseitig aufheben, gleichgerichtet und treiben den Läufer im Linksdrehsinn an. Der Winkel c? zwischen der Läuferfeldachse LA und der Ständerfeldachse SA ist beim Anfahren, unmittelbar nachdem der Motorbetrieb durch das Signal MR eingeschaltet wurde, ebenso groß wie bei laufendem Motor unmittelbar nach einer Ständerfeldfortschaltung in Fig. 8d.
Mit dem Einschalten des Motorbetriebs wird auch die Logikstufe LOS über das von der Oder stufe 02 aus den Signalen MR und BR gebildete Signal MB aktiviert und über das von der Ständerfeldstelleinrichtung SFS erzeugte Auslösesignal AS in der Impuls stufe IM ein Sperrimpuls SI ausgelöst. Dieser bewirkt beim Anfahren, daß die Logikstufe LOS nicht unmittelbar nach dem Einschalten des Motorbetriebs durch das Signal MR, sondern erst nachdem der Strom in dem abgeschalteten Wicklungsstrang al innerhalb der Impulsdauer At abgeklungen ist, die Winkelerfassungseinrichtung WE über das Steuersignal 81 an den Wicklungsstrang al schaltet. Die Winkelerfassungseinrichtung WE erfaßt nun die von dem anlaufenden Polrad in dem stromlosen Wicklungsstrang a1 induzierte EMK und leitet daraus bei der in Fig. 8c dargestellten Winkellage das Fortschaltsignal FS zur Fort schaltung des Ständerdrehfeldes ab. Fig. 8d zeigt die Winkellage von Läuferfeldachse LA und Ständerfeldachse SA unmittelbar nachdem das Ständerfeld fortgeschaltet ist. Die Läuferachse LA liegt nun in dem mit 100 gekennzeichneten Winkelbereich und die Ständerfeldachse SA eilt der Läuferfeldachse LA wie beim Anfahren um den Winkel t = 1200 voraus. Die Grenzen der Winkelbereiche sind, wie Fig. 8c zeigt, durch den Winkel ir/p gegeben, der bei einer Maschine mit p = 1 Polpaar mit dem in den Figuren 3b und 7a dargestellten elektrischen Winkel T zwischen dem Nulldurchgang der EMK und dem Auslösen des Fortschaltsignals FS identisch ist.
Die Diagramme in Fig. 7c sowie die Figuren 8e und 8f erläutern das Verfahren zur Fort schaltung des Ständerdrehfeldes einer Synchronmaschine beim Abbremsen und Anhalten des Läufers.
Die Diagramme in Fig. 7d zeigen den mit jedem Fortschaltsignal FS in der Impulsstufe IM der Fig. 6 ausgelösten Sperrimpuls SI, sowie die in der Logikstufe LOS zur Steuerung der Winkelerfassungseinrichtung WE erzeugten Signale S1, 82, S3 und VZ. Der Sperrimpuls SI unterdrückt nach jeder Fortschaltung des Ständerfeldes für den Winkel ß die Signale S1, 82, 53.
Für den Beginn der Betrachtung beim Winkel t0 in Fig. 7 ist angenommen, daß sich die Maschine im Motorbetrieb befindet. Dies wird beispielsweise auch durch das Signal MR in Fig. 7c angezeigt. Man kann den bis zum Winkel bestehenden Motorbetrieb auch daran erkennen, daß in den Bereichen T - und #2 - #1 die Zustände der Signale Al, A2, A3 in Fig. 7c, welche die Lage der Ständerfeldachse SA bestimmen, den entsprechenden Zuständen der Signale Q1, Q2, q3 in Fig. 7b, welche die Lage der Läuferfeldachse LA angeben, um zwei Zustandsänderungen, das entspricht dem Winkel T = 1200, vorauseilen.
In dem Winkelbereich #2 ~ t1 wird, wie die Signale MR und BR, GB in Fig, 7c zeigen, die Umschaltung von dem Motorbetrieb auf den Eegenstrom-Bremsbetrieb verlangt. Um die Erfassung der EMK in dem durch das Signal 81 in Fig. 7d dargestellten Bereich nicht durch eine Umschaltung des Ständerfeldes zu stören, wird die verlangte Betriebszustandsänderung mit dem ersten nach dem Auftreten der Bremssignale BR, GB gebildeten Fortschaltsignal FS1 beim Winkel #2 wirksam. Hier hat der Läufer die in Fig. 8c dargestellte Winkellage. Bei Beibehaltung des Motorbetriebes würden die in Fig. 7c dargestellten Ausgangssignale Al, A2, A3 der Ständerfeldstelleinrichtung im Winkelbereich 3 ~ t2 den gestrichelten Zustand annehmen, zu dem die in Fig. 8d gezeigte Lage der Ständerfeldachse SA geholt.
Um ein die Läuferbewegung bremsendes Drehmoment zu erzeugen, muß der Strom in den Wicklungssträngen al und a2 entgegengesetzt zu der in Fig. 8d dargestellten Richtung, d. h. wie in Fig. 8e, fließen. Die Ständerfeldachse SA hat im Bremsbetrieb die entgegengesetzte Richtung wie im Motorbetrieb bei derselben Läuferstellung. Zur Einstellung dieser Richtung der Ständerfeldachse SA werden die in Fig. 7c gezeigten Ausgangssignale Al, A2, A3 der Ständerfeldstelleinrichtung bei dem Winkel t2 anstatt in den, dem Motorbetrieb entsprechenden gestrichelten Zustand in den entgegengesetzten ausgezogenen Zustand geschaltet.
Die Halbleiterschalter-Steuerung HSS bildet aus diesem Zustand die ebenfalls in Fig. 7c dargestellten Signale ST1 und ST5, welche die Transistoren T1 und T5 in Fig. 1 einschalten, so daß der Strom durch die Wicklungsstränge a1 und a2 in der in Fig. 8e angegebenen Richtung fließt.
Während des Bremsbetriebes wird das Ständerdrehfeld mit dem Auftreten jedes weiteren Fortschaltsignals wie im Motorbetrieb fortgeschaltet; eine Ausnahme bildet lediglich das letzte Fortschaltsignal unmittelbar vor dem Anhalten.
Für die Darstellung in Fig. 7c wurde angenommen, daß das beim Winkel t3 auftretende Fortschaltsignal FS2 das letzte der bereits im Bereich 3 - 2 gebremsten Läuferbewegung ist, und nach dem Winkel t3 angehalten wird.
Das den Antrieb führende Leitsystem hat daher von dem Winkel 3 die Läuferdrehzahl bereits soweit reduziert, daß nach dem Auftreten des Fortschaltsignals F82 der Läufer innerhalb eines Winkelbereiches von 600 elektrisch zum Stillstand kommt. Das Leitsystem schaltet deshalb bereits im Winkelbereich t3 ~ t2 die in Fig. 7c dargestellten Bremssignale BR, GB ab. Da jedoch bei laufender Maschine vorgegebene Betriebszustandsänderungen nur in den Fortschaltpunkten des Ständerfeldes wirksam werden, bleibt der Bremszustand noch bis zum Auftreten des Fortschaltsignals FS2 bestehen. Das Polrad dreht sich dabei etwa bis in die in Fig. 8e dargestellte Lage. Mit dem Fortschaltsignal FS2 schaltet die Ständerfeldstelleinrichtung SFS, weil sich die ihr zugeführten Signale MR und BR im Ruhezustand befinden, die Ausgangssignale Al, A2, A3 in den Zustand der Eingangssignale Q1, Q2, Q3.
In Fig. 7c ist das der Zustand 110,in dem dann die Halbleiter schalter T2 und T6 durch die Signale ST2 und ST6 eingeschaltet sind. Nach Fig. 1 fließt dabei der Strom in den Wicklungsstrang a2 hinein und aus dem Wicklungsstrang a3 heraus. Fig. 8f zeigt die diesem Stromfluß zugeordnete Lage der Ständerfeldachse SA. Aus dem Vergleich der Figuren 8e und 8f ergibt sich, daß beim Auftreten des letzten am Ende der beabsichtigten Drehbewegung liegenden Fortschaltsignals FS2 die ab schaltbaren Halbleiterschalter in den Schaltzustand gebracht werden, bei dem die Winkellage der Ständerfeldachse SA mit der Winkellage der Läuferfeldachse LA weitestgehend übereinstimmt. Besitzt der Läufer zu diesem Zeitpunkt noch geringe Bewegungsenergie, so führt er bis zum Stillstand eine Pendelschwingung um die durch die Ständerfeldachse SA definierte Ruhelage aus.
- Leerseite -

Claims

Verfahren zur Fort schaltung des Ständerdrehfeldes einer Synchronmaschine Patentansprüche W pSerfahren zur Fort schaltung des Ständerdrehfeldes einer Synchronmaschine (SM) mittels eines Umrichters (UR),der über eine Steuereinrichtung (SE) von einer Winkelerfassungseinrichtung (WE) in Abhängigkeit vom Läuferdrehwinkel Signale (FS) zum Fortschalten des Stromes in den Wicklungssträngen des Ständers der Synchronmaschine erhält, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) Beim Auftreten eines Fortschaltsignals (FS) wird der Strom in einem Wicklungsstrang mittels eines abschaltbaren Halbleiterschalters (T1) des Umrichters (UR) abgeschaltet und in dem nachfolgenden Strang mittels eines ab schaltbaren Halbleiterschalters (T2) eingeschaltet (Fig. 2c, 2d); b) die Iiiinkelerfassungsainrichtung (WE) erfaßt den zeitlichen Verlauf der in dem stromlosen Strang vom rotierenden Polrad induzierten EMK (ei), leitet daraus die Winkellage des Läufers und das nächste Signal (FS) fur die folgende Fortschaltung des Ständerdrehfeldes ab.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) Die Winkellage des Läufers wird aus den Nulldurchgängen der in den stromlosen Wicklungssträngen induzierten EMK (el, e2, e3) bestimmt; b) der elektrische Winkel (, Fig. 2d) zwischen den Nulldurchgängen der EMK und den nachfolgenden Fortschalt signalen (FS) wird so eingestellt oder eingeregelt, daß die Nulldurchgänge der EMK ungefähr in der Mitte der Winkelbereiche (y'4 - ob'2) liegen, innerhalb der die zugehörigen Wicklungsstränge stromlos sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) Die in den stromlosen Wicklungssträngen induzierte EMK wird integriert; b) die Nulidurchgänge der EMK werden aus den Maximalwerten (IFmaX) und den Minimalwerten (IFmin) der Integralfunktion (IF, Fig. 3b) abgeleitet.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 zur Auslösung des Fortschaltsignales (FS) bei einer voreinstellbaren Winkellage gekennzeichnet durch die Merkmale: a) Jeder Maximalwert (IFmax) oder Minimalwert (IFmin) der Integralfunktion (IF) wird gespeichert; b) der gespeicherte Maximalwert (IFmax) oder Minimalwert (IFmin) und die fortlaufend gebildete Integralfunktion (IF) werden voneinander subtrahiert; c) diese Differenz wird mit einem voreinstellbaren Wert (H, Fig. 3b) verglichen und das Fortschaltsignal (FS) ausgelöst, sobald diese Differenz dem voreinstellbaren Wert (H) gleich ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 zur Auslösung des Fortschaltsignals (FS) bei einer voreinstellbaren Winkellage gekennzeichnet durch die Merkmale: a) Beim Erkennen eines Maximalwertes (IFmax) oder Minimalwertes (IFmin) der Integralfunktion wird diese auf den Wert Null gesetzt und mit der Integration der EMK (el, e2, e3) erneut begonnen; b) die neue, nach dem Nullsetzen gebildete Integralfunktion wird mit einem voreinstellbaren Wert (H) verglichen und das Fortschaltsignal (FS) ausgelöst, sobald der Funktionswert der neuen Integralfunktion dem voreinstellbaren Wert (H) gleich ist.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5 zur Fortschaltung des Ständerdrehfeldes der Synchronmaschine (SM) beim Anfahren, gekennzeichnet durch die zeitlich aufeinander folgenden Schritte: a) Im Stillstand (Fig. 7b) sind abschaltbare Halbleiterschalter (T1, T5) des Umrichters (UR) entsprechend einem beliebigen (000, Fig. 7a) der bei laufender Maschine zyklisch aufeinander folgenden Zustände (011, 001, 000, 100, 110, 111) eingeschaltet,und der Läufer hat eine Winkellage, bei der die Feldachsen (LA) des Läufers und (SA) des Ständers gleichgerichtet sind (Fig. 8a); b) durch Abschalten der eingeschalteten Halbleiterschalter (T1, T5) und Einschalten bestimmter anderer Halbleiterschalter (T2, T6 in Fig. 7c) wird der Schaltzustand eingestellt, bei dem die Ständerfeldachse (SA) gegenüber der noch in der Ruhelage befindlichen Läuferfeldachse (LA) in der beabsichtigten Drehrichtung um annähernd den gleichen Winkel (t) vorauseilt (Fig. Bb), wie bei laufendem Motor unmittelbar nach einer Ständerfeldfortschaltung (Fig. 8d); c) von der in dem nun stromlosen Wicklungsstrang (a1, Fig. Bc) durch das anlaufende Polrad induzierten EMK (el) wird das Fortschaltsignal für die folgende Ständerfeldfortschaltung abgeleitet.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5 zur Fortschaltung des Ständerdrehfeldes der Synchronmaschine (SM) bei einem auf den Motorbetrieb folgenden und durch Signale (BR, GB) gesteuerten Bremsbetrieb, gekennzeichnet durch die zeitlich aufeinander folgenden Schritte: a) Mit dem ersten nach dem Auftreten der Bremssignale (BR, 138 in Fig. 7c) gebildeten Fortschaltsignal (FS1) werden die Halbleiterschalter in den Schaltzustand gebracht, bei dem die Ständerfeldachse (SA, Fig. Be) die entgegengesetzte Richtung wie im Motorbetrieb (Fig. ad) bei derselben Läuferstellung aufweist; b) während des Bremsbetriebes wird das Ständerdrehfeld von der neu eingestellten Achsenrichtung ausgehend mit dem Auftreten jedes weiteren Fortschaltsignales wie im Motorbetrieb fortgeschaltet.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5 zur Fortschaltung des Ständerdrehfeldes beim Anhalten, dadurch gekennzeichnet, daß beim Auftreten des letzten am Ende der beabsichtigten Drehbewegung liegenden Fortschaltsignals (FS2, Fig. 7c) die ab schaltbaren Halbleiter schalter in den Schaltzustand gebracht werden, bei dem die Winkellage der Ständerfeldachse (SA) mit der Winkellage der Läuferfeldachse (LA) weitestgehend übereinstimmt (Fig. Bf).
9. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) Eine Integrationsstufe (IN), deren Eingang über Schaltkanäle (K1, K2, K3), denen in der Steuereinrichtung (SE) des Umrichters (UR) erzeugte Steuersignale (S1, 52, 53) zugeführt sind, an die äußeren Anschlüsse (al, a2, a3, a) der Maschinenstränge angeschlossen ist und deren Integrationsspeicher (CS1) mit einer über eine Logikstufe (L0) ebenfalls von den Steuersignalen (S1, 52, 53) gesteuerten Löscheinrichtung (leu) versehen ist; b) eine Maximal-Minimalwert-Erfassungseinrichtung(ME1) zur Erkennung des in der Integralfunktion (IF, IFV) enthaltenen Maximal- oder Minimalwertes (IFmaX, Imin, Fig. 3b) und Speicherung desselben in einem Speicher (CS2), der ebenfalls eine über die Logikstufe (L0) von den Steuersignalen (S1, 52, 53) gesteuerte Löscheinrichtung (LE2) aufweist; c) eine differenzbildende Komparatorstufe (wo?), deren erstem Eingang (El) der gespeicherte Maximal- oder Minimalwert und deren zweitem Eingang (E2) die laufende Integralfunktion (IFV) zugeführt ist, die eine Einrichtung (P) zur Voreinstellung eines Referenzwertes (H) aufweist, welcher für die Differenz (D) zwischen dem gespeicherten Maximal- oder Minimalwert und der fortlaufenden Integralfunktion der Schwellwert zur Auslösung des am Ausgang der Komparatorstufe auftretenden Fortschaltsignals (FS) ist (Fig. 4).
10. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3 und 5, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale EI? a) Eine Integrationsstufe (IN), deren Eingang über Schaltkanäle (K1, K2, K3), denen in der Steuereinrichtung (SE) des Umrichters (UR) erzeugte Steuersignale (S1, 52, 53) zugeführt sind, an die äußeren Anschlüsse (a1, a2, a3, ag) der Maschinenstränge angeschlossen ist und deren Integrationsspeicher (CS1) eine Löscheinrichtung (LE3) aufweist, der ein erstes durch die Logikstufe(LO)aus den Steuersignalen (S1, 52, 53) gebildetes Lbschsignal (LS1) und ein zweites von einer Kippstufe (MK) ausgelöstes Löschsignal (LS2) zugeführt sind; b) eine Maximal-Minimalwert-Erkennungseinrichtun (ME2), deren Ausgangssignal (MEA) der Kippstufe(MK) zur Auslösung des zweiten Löschsignals (LS2) beim Erkennen des in der Integralfunktion (IF, IFV) enthaltenen Maximalwertes (IFmax) oder Minimalwertes (IFmin) zugeführt ist; c) eine Komparatorstufe (K02), die eine Einrichtung (P) zum Voreinstellen eines Referenzwertes (H) aufweist, und der die Integralfunktion (IFV) zur Auslösung des Fortschaltsignals (FS) bei Gleichheit zwischen dem Wert der Integralfunktion (IFV) und dem Referenzwert (H) zugeführt ist (Fig. 5).
11. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 6 bis 8, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: a) Einen mehrstufigen Läuferstellungsspeicher (LSP), dessen Ausgangssignale (Q1, q2, q3) die augenblickliche Stellung der Läuferfeldachse (LA) in binär codierter Zahlendarstellung angeben, dem das von der Winkelerfassungseinrichtung (WE) zum winkelsynchronen Fortschalten der gespeicherten Zustände erzeugte Fortschaltsignal (FS) sowie das Drehrichtungssignal (DR) zur Bestimmung des Drehsinn der zyklischen Fortschaltung und ein Grundstellungssignal (GR) zur Einstellung eines Anfangszustandes beim Einschalten der Anordnung zugeführt sind; b) eine Ständerfeldachsenstelleinrichtung (SFS), der die Ausgangssignale (Q1, q2, q3) des Läuferstellungsspeichers (LSP) sowie das Drehrichtungssignal (DR), das den Motorbetrieb einschaltende Signal (MR), das den Bremsbetrieb einschaltende Signal(BR) und das Fortschaltsignal (FS) als Eingangssignale zugeführt sind und deren Ausgangssignale (A1,A2,A3) die binäre Codierung der Stellung der Ständerfeldachse und der Schaltzustände der steuerbaren Halbleiter schalter (T1 bis T6) sind; c) eine Logikstufe (LOS) mit Ausgangssignalen (S1, 52, 53, VZ) zur Steuerung der Winkelerfassungeinrichtung (WE) in Abhängigkeit von den Ständerfeldstellungssignalen (A1, A2, A3), dem Drehrichtungssignal (DR), einem nur im Motor- oder Bremsbetrieb die Ausgangssignale (S1, S2, 53) der Logikstufe (LOS) freigebenden Signal (MB) sowie einem nach jedem Fortschaltsignal (FS) die Ausgangssignale (51, 52, 53) der Logikstufe (LOS) für die Zeit (ast) sperrenden Impuls (SI) (Fig. 6).