DE4435346A1

DE4435346A1 - Verfahren zum Betreiben einer umrichtergespeisten Maschine

Info

Publication number: DE4435346A1
Application number: DE4435346A
Authority: DE
Inventors: Kurt Dipl Ing Reutlinger
Original assignee: W Schlafhorst AG and Co
Current assignee: Oerlikon Textile GmbH and Co KG
Priority date: 1994-10-01
Filing date: 1994-10-01
Publication date: 1996-04-04

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer umrichtergespeisten Maschine mit permanent erregtem Läufer und unipolar gespeister Ständerwicklung, vorzugsweise viersträngiger Wicklung, bei der die Strangspeisung in Abhängigkeit der Läuferlage erfolgt.

Umrichtergespeiste Maschinen mit unipolar gespeisten Ständerwicklungen werden in der Regel mit vier Strängen gebaut. Jeweils zwei Stränge liegen hierbei direkt antiparallel in denselben Nuten des Ständerpakets. Vorteilhaft ist, wenn diese beiden Wicklungen bifilar gewickelt sind, das heißt, zwei parallel gewickelte Drähte ergeben die zwei Strangwicklungen. Durch diese Anordnung wird eine sehr gute magnetische Kopplung zwischen diesen beiden Wicklungen erreicht. Beim Abschalten eines Stranges ist es somit möglich, den Strom in dieser Induktivität überspringen zu lassen auf die komplementäre Wicklung, um so den Freilaufkreis zu realisieren. Der Umrichter ist sehr einfach auf gebaut, da alle Schaltelemente auf dem gleichen Potential liegen und keine Potentialtrennung erforderlich ist. Es werden nur vier Leistungstransistoren benötigt.

Die Vorteile des Synchronbetriebs liegen in seiner einfachen Drehzahleinstellung. Über die Maschinenfrequenz kann die Drehzahl des Motors direkt erzwungen werden. Eine Regelung der Drehzahl ist nicht erforderlich. Allerdings ist ein stabiler Betrieb über einen weiten Drehzahlbereich bei Synchronmaschinen ohne Dämpferkäfig problematisch. Deshalb wird eine Betriebsart bevorzugt, die eine in Abhängigkeit von der Läuferlage erfolgende Kommutierung vorsieht und so einen stabilen Betrieb ermöglicht. Bei einem solchen Betrieb der Maschine als EC-Motor wird die Ständerdurchflutung in Abhängigkeit von der Läuferstellung geregelt. Der Durchflutungswinkel zwischen Ständer und Läuferdurchflutung wird hierzu möglichst genau auf 90 Grad festgehalten. Die Maschine erhält damit das Betriebsverhalten einer Gleichstrom-Nebenschluß-Maschine. Die Drehzahl ist nicht mehr starr, sondern muß über die Klemmenspannung geregelt werden.

Hierfür ist jedoch eine Erfassung der Läuferlage und die Ansteuerung der Ventile in Abhängigkeit der Läuferstellung notwendig.

Zur Erfassung der Läuferlage gibt es verschiedene Verfahren. Eine Möglichkeit besteht darin, mit Sensoren, wie zum Beispiel optischen Sensoren, Hall-Generatoren oder Resolvern, die Lage des Läufers zu erfassen. Diese Sensoren stellen jedoch einen zusätzlichen Aufwand an Kosten und Platzbedarf in der Maschine dar. Um diese Nachteile der Sensoren zu vermeiden, werden zur Bestimmung der Läuferlage die Klemmengrößen herangezogen. Einfach durchzuführen ist die Lageerfassung mittels der Stranginduktivität der Maschine. Die Bestimmung der Stranginduktivität erfolgt über die Oberwellen der Pulsweitenmodulation (PWM). Hierbei ist jedoch eine deutliche Lageabhängigkeit der Stranginduktivität eine Voraussetzung. Dies ist nur bei Maschinen mit sehr hoher magnetischer Ausnutzung gegeben.

Eine weitere Möglichkeit der Läuferlageerfassung besteht darin, das Nullspannungssystem bei Drehspannungssystemen auszuwerten. Dieses Verfahren ist jedoch nur bei dreisträngigen Maschinen möglich. Bei einer viersträngigen Maschine gibt es prinzipiell kein Nullsystem. Außerdem wird bei unipolarer Ansteuerung der viersträngigen Maschine der Sternpunkt angeschlossen, so daß hier der Umrichter den Sternpunkt beeinflussen kann.

Eine aufwendige Erfassung aus den Klemmgrößen ist aus Kostengründen unerwünscht. Trotzdem sollen die Wicklungen, insbesondere viersträngiger Drehfeldmaschinen, betriebsmäßig exakt und sicher in genau definierten Läuferpositionen ein- und ausgeschaltet werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, hierzu ein Verfahren zur einfachen, robusten und sensorlosen Erfassung der jeweiligen Läuferlage vorzustellen.

Die Lösung erfolgt erfindungsgemäß mit Hilfe der kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beansprucht.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf dem Prinzip, die aktuelle Läuferlage durch die vom Permanentmagnet des Läufers in den Wicklungen des Stators induzierten Spannungen zu ermitteln, also den Läuferfluß durch die einzelnen Stränge nachzubilden. Mittels der induzierten Spannung in einem Strang kann der Fluß durch Integration der Strangspannung bestimmt werden.

Da im Betrieb die in einem Strang induzierte Spannung nicht direkt abgegriffen werden kann, müßte die induzierte Spannung aus der Klemmenspannung, dem Strangstrom und den Ersatzschaltbildgrößen bestimmt werden. Um den Aufwand in vertretbaren Grenzen zu halten, wird nur die Klemmenspannung bestimmt. Die Strangspannung der Maschine ist gegen den Sternpunkt zu messen, dieser liegt jedoch auf Zwischenkreispotential, die Auswerteelektronik dagegen auf Massepotential, um mit der restlichen Elektronik verbunden werden zu können. Erfindungsgemäß wird deshalb der Auswerteelektronik nur die Spannung zugeführt, die an den Ventilen gegen Masse anliegt.

Bei der viersträngigen Maschine wird jeweils im komplementären Strang eine der anliegenden Spannung entgegengesetzt gerichtete Spannung induziert. Es genügt somit, für die vier Stränge nur zwei Auswertungen vorzunehmen. Um die Zwischenkreisspannung aus der Ventilspannung herauszufiltern, gibt es folgende Möglichkeiten:

Die erste Möglichkeit besteht darin, den Gleichanteil mittels eines Eingangskondensators abzukoppeln. Diese Möglichkeit erfordert jedoch teure, spannungsfeste Kondensatoren.

Eine weitere Möglichkeit besteht in der Substraktion der Zwischenkreisspannung durch eine Nullpunkt-Schaltung. Hierzu muß der Elektronik die Zwischenkreisspannung zugeführt werden. Da die Zwischenkreisspannung wesentlich höher ist als die von der Elektronik herauszufilternde induzierte Spannung, ist die Genauigkeit gering.

Eine dritte Möglichkeit, welche die erfindungsgemäße darstellt, ist die Subtraktion der Spannungen der komplementären Stränge. Dies führt zu symmetrischen Spannungen ohne Gleichspannungsanteil. Gegenüber der vorhergehend besprochenen Möglichkeit liegt am Ausgang eine Spannung mit doppeltem Hub an. Letztgenanntes Verfahren stellt die genaueste und einfachste Art zum Eliminieren des Gleichanteils in den Ventilspannungen dar.

Das Wesen der Erfindung liegt in der exakten und sicheren Ermittlung des Einschaltpunktes für die elektronischen Schaltelemente zur Strangspeisung. Durch die ausschließliche Verwendung von Spannungen gegen Massepotential ist keine Potentialtrennung erforderlich. Dadurch werden die Schaltkreise einfacher und störungssicherer. Die Strangströme werden in der Auswerteelektronik nicht berücksichtigt. Trotzdem wird selbst bei hoher Belastung der Maschine eine sehr gute Stabilität der Einschaltzeitpunkte erreicht. Die Auswerteelektronik wird von einer entsprechend ausgebildeten Steuersoftware gesteuert.

Durch die Differenzbildung der Ventilspannungen an komplementären Strängen wird ein reines Wechselspannungssignal ohne Gleichanteil, mit doppelter Amplitude und Steilheit und damit hoher Genauigkeit, erhalten. Durch die Integration ergibt sich ein sehr gut geglättetes Wechselsignal mit frequenzunabhängiger, konstanter Amplitude. Dieses eindeutige Signal wird in bekannter Weise mittels Schwellwertschalter in die gewünschten Schaltimpulse für die betreffenden Schaltelemente umgeformt. Eine Drift des Ausgangs des Integrierers wird durch den Aufbau der Schaltung verhindert. Zum Starten wird die Maschine in vorbekannter Weise in vorgegebener Drehrichtung getaktet, bis die jeweils induzierte Strangspannung und damit die jeweilige Ventilspannung Werte erreichen, die von der Schaltung zum Erfassen der Läuferlage verarbeitet werden können.

Grundsätzlich ist das erfindungsgemäße Verfahren auch bei dreisträngigen Maschinen anwendbar.

Anhand von Schaltbildern und Diagrammen wird die Erfindung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a die Schaltung der Ständerwicklungen einer vier strängigen Maschine,

Fig. 1b den Aufbau der viersträngigen Maschine, dargestellt durch die Schaltbildsymbole,

Fig. 2 die Schaltung der komplementären Stränge der Maschine mit den Abgreifpunkten für die Ventilspannungen,

Fig. 3 den Verlauf der induzierten Strangspannung U_i1 am Strang 1 und die Einschaltdauer des Ventils 1,

Fig. 4 den Verlauf der Ventilspannung am Ventil 1,

Fig. 5 den Verlauf der Ventilspannung an Ventil 3,

Fig. 6 den Verlauf der subtrahierten Ventilspannungen U_v3-U_v1,

Fig. 7 den Verlauf des Integratorsignals der integrierten Differenzspannung,

Fig. 8 die Ausgangssignale des positiven und des negativen Schwellwertschalters,

Fig. 9 das Schaltbild des Subtrahierers und Integrierers

Fig. 10 das Schaltbild eines Integrierers mit Nulltaktunterdrückung und

Fig. 11 das Schaltbild des Schwellwertschalters mit Hysterese.

In Fig. 1a ist das Schaltbild der Ständerwicklungen einer viersträngigen, elektronisch kommutierten Drehfeldmaschine dargestellt. Die Ständerspulen, die vier Stränge 1 bis 4, sind in Sternform geschaltet. S ist der Sternpunkt, an dem das Plus- Potential liegt. Die Stränge 1 und 3 sowie die Stränge 2 und 4 sind jeweils komplementär geschaltet.

Fig. 1b zeigt die Schaltbildelemente einer viersträngigen Maschine. Die Ständerwicklungen der einzelnen Stränge 1 bis 4, symbolisiert durch die Strangwiderstände R₁ bis R₄, und die jeweiligen Hauptinduktivitäten L_H1 bis L_H4 liegen einerseits an dem Sternpunkt S, dem Pluspol der die Stränge speisenden Gleichspannungsquelle, und andererseits über die Schaltventile an dem Minuspol.

In jedem Strang ist ein Schalter eingezeichnet. Er symbolisiert die Ventile V₁ bis V₄, die Transistoren des elektronischen Wechselrichters. An jedem dieser Ventile V₁ bis V₄ wird erfindungsgemäß die durch die Induktion erzeugte und an den Ventilen anliegende Ventilspannung U_V1 bis U_V4 gemessen und zur Ermittlung der Läuferposition genutzt.

Fig. 2 zeigt das Schaltbild für die komplementären Stränge 1 und 3 der Maschine. Mit M ist die magnetische Kopplung der Wicklungen der beiden Stränge 1 und 3 symbolisiert. Mit V₁ und V₃ sind die Ventile bezeichnet, an denen die jeweilige Ventilspannung U_V1 beziehungsweise U_V3 abgegriffen wird.

Die Fig. 3 bis 8 gehören zusammen. In Fig. 3 ist die in Strang 1 indizierte Strangspannung U_i1 über die Zeit t aufgetragen. Eingezeichnet ist weiterhin der Einschaltzeitpunkt t_e1 und die Einschaltdauer D_V1 des Ventils V₁. T ist die Zeit für die Dauer einer Periode der induzierten Strangspannung U_i1.

Fig. 4 zeigt den zeitlichen Verlauf der Ventilspannung U_V1 in Vergleich zum Verlauf der Strangspannung U_i1 in Fig. 3. Auch hier ist die Einschaltdauer D_V1 des Ventils V₁ eingetragen.

Fig. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf der Ventilspannung U_V3 im Vergleich zur Ventilspannung U_V1. Die Ventilspannungen U_V1 und U_V3 weisen einen periodisch gegensinnigen Verlauf auf. Eingetragen ist die Einschaltdauer D_V3 des Ventils V₃.

Fig. 6 zeigt den zeitlichen Verlauf der im Operationsverstärker voneinander subtrahierten Ventilspannungen U_V1 und U_V3. Durch die Subtraktion der Spannung U_V1 von der Ventilspannung U_V3 entsteht eine reine Wechselspannung U_a(3-1) ohne Gleichanteil mit doppelter Amplitude und Steilheit wie die jeweiligen Ventilspannungen.

Dieses Signal wird integriert und ergibt ein sehr gut geglättetes Wechselsignal U_ai(3-1) mit frequenzunabhängiger, konstanter Amplitude, wie aus Fig. 7 ersichtlich. In dieser Figur sind auch die Schwellwerte U_smax und U_smin eingetragen. Die Ventile sind jeweils dann geschaltet, wenn das Signal zwischen dem oberen und dem unteren Schwellwert liegt. Im ansteigenden Kurvenast ist das Ventil V₁ geschaltet, im abfallenden Kurvenast das Ventil V₃. Das eindeutige Signal wird in bekannter Weise mittels Schwellwertschalter in die gewünschten Schaltimpulse für die betreffenden Schaltelemente umgeformt, wie aus der Fig. 8 ersichtlich ist. Dort sind der Ausgang des positiven und des negativen Schwellwertschalters in Abhängigkeit des Integrierersignals über die Zeit aufgetragen unter Angabe der Schaltzeitpunkte t_E1 und t_E3 der jeweiligen Ventile V₁ und V₃.

Die Funktion des Subtrahierers für die beiden Eingangssignale U_V1 und U_V3 und des nachfolgenden Integrierers lassen sich zusammenfassen in die Beschaltung eines einzigen Operationsverstärkers, wie er in Fig. 9 in einem Schaltplan dargestellt ist.

Um beim Integrierer das Abdriften des Arbeitspunktes zu verhindern, wird der Gleichanteil im Ausgangssignal unterdrückt. Die Drift kann durch ein nicht exakt symmetrisches Eingangssignal oder durch Fehler im Operationsverstärker entstehen, beispielsweise durch dessen Nullverschiebung. Um diesen Gleichanteil zu unterdrücken ist es üblich, für die Frequenz Null beziehungsweise für kleine Frequenzen die Gegenkopplung zu verstärken. Einfacher läßt sich jedoch die Mitkopplung für kleine Frequenzen durch einen Kondensator unterdrücken. Das Schaltbild für einen Integrierer mit Nulltaktunterdrückung ist in Fig. 10 wiedergegeben.

Der Schwellwertschalter wird, um ein stabiles Schalten zu ermöglichen, mit einem Hystereseverhalten aufgebaut. Sein Schaltbild ist in Fig. 11 wiedergegeben.

Um jeweils für die komplementären Sträge die Steuersignale zu generieren, wird das Ausgangssignal des Integrierers, beispielsweise U_ai(3-1), jeweils auf zwei Schwellwertschalter gegeben. Bei dem ersten Schwellwertschalter wird das Ausgangssignal des Integrierers auf dem positiven Eingang des Schwellwertschalters und die Referenzspannung oder die Schaltschwelle auf den negativen Eingang gelegt. Bei dem zweiten Schwellwertschalter wird das Ausgangssignal des Integrierers auf den negativen Eingang des Schwellwertschalters und die Referenzspannung U_ref oder die Schaltschwelle auf den positiven Eingang gelegt. Zur Erzielung symmetrischer Ausschaltflanken müssen die Schalthysterese und die Schwellwerte aufeinander abgestimmt werden.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben einer umrichtergespeisten Maschine mit permanent erregtem Läufer und unipolar gespeister Ständerwicklung, vorzugsweise viersträngiger Wicklung, bei der die Strangspeisung in Abhängigkeit der Läuferlage erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilspannungen der Schaltelemente zur Schaltung der jeweiligen Strangspeisung zur Lageerfassung des Läufers und damit zur Ermittlung der Einschaltzeitpunkte für die Strangspeisungen genutzt werden.

2. Verfahren zum Betreiben einer umrichtergespeisten Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Subtraktion und der anschließenden Integration der Ventilspannungen der komplementären Stränge der Maschine die Lage des Läufers ermittelt wird.

3. Verfahren zum Betreiben einer umrichtergespeisten Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Subtraktion der Ventilspannungen ein reines Wechselsignal ohne Gleichanteil entsteht, dessen Amplitude und Steilheit doppelt so groß ist wie die jeweiligen Eingangssignale.

4. Verfahren zum Betreiben einer umrichtergespeisten Maschine nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Integration des Differenzsignals der Ventilspannungen ein Wechselsignal mit frequenzunabhängiger, konstanter Amplitude ergibt und daß dieses Signal mittels eines Schwellwertschalters in einen Schaltimpuls für das betreffende Schaltelement umgeformt wird.

5. Verfahren zum Betreiben einer umrichtergespeisten Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Subtraktion der an den Schaltelementen der komplementären Stränge anliegenden Ventilspannungen als auch die Integration der jeweiligen Differenzspannungen in demselben Operationsverstärker durchgeführt werden.