DE69922140T2

DE69922140T2 - Start- und antriebsverfahren eines permanent-magnet-synchronmotors, insbesondere für den antrieb einer hydraulikpumpe

Info

Publication number: DE69922140T2
Application number: DE69922140T
Authority: DE
Inventors: Giovanni Piazzalunga; Roberto Faccin
Original assignee: Sicce SpA; Tait SRL
Current assignee: Sicce SpA; Tait SRL
Priority date: 1998-08-07
Filing date: 1999-08-02
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2019-08-03
Also published as: HUP0004302A3; AU5509199A; PL200692B1; CA2305457A1; JP2002523007A; ES2233066T3; CN1160846C; IT1301915B1; WO2000008746A1; DE69922140D1; IL135497A0; HUP0004302A2; CN1275257A; EP1020020A1; KR20010024405A; PL339696A1; RU2222862C2; JP4271860B2; ATE283573T1; ITMI981876A1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anfahr- und Stationärzustands-Stromversorgung eines Permanentmagnet-Synchronmotors, insbesondere zum Antreiben einer Zentrifugal-Hydraulikpumpe.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Permanentmagnet-Synchronmotoren sind äußerst vorteilhaft, da ihr Betrieb äußerst effizient ist.
Jedoch stellt, insbesondere bei Hochleistungsmotoren, welche ein beträchtliches Trägheitsmoment aufweisende Lasten antreiben, der Anfahrschritt ein Problem dar.
Mechanische Einrichtungen oder elektronische Steuerprozeduren wurden angewandt, um dieses Problem des Standes der Technik zu lösen.
Die mechanische Einrichtung besteht insbesondere darin, die Laufräder der angetriebenen Hydraulikpumpe abzukoppeln, so dass der Rotor über einen Winkel von weniger als 360° frei anfahren kann, und dann mit dein Laufrad in Eingriff gebracht wird und seine Rotation fortsetzt.
Es ist offensichtlich, dass diese Lösung verwendet werden kann, wenn der Rotor ein geringes mechanisches Trägheitsmoment aufweist, welches ihm in jedem Fall erlaubt, den Stationärzustand in einer Halbperiode zu erreichen, falls, wie dies normalerweise der Fall ist, der Rotor zwei Pole aufweist.
In der Praxis bedeutet dies, dass eine Verwendung dieser mechanischen Vorrichtungen bei einer Pumpe mittlerer bis großer Leistung nicht möglich ist, bei welcher Rotoren vorhanden sind, deren Abmessungen und somit Trägheitsmomente eine Funktion dieser Leistung sind.
Es sind ebenfalls elektronische Anfahrprozeduren bekannt, bei denen die Position des Rotors gesteuert wird und der sinusförmige Netzstrom mit statischen Schaltern "zerhackt" wird, so dass er sich in einer Phase befindet, die nicht im Gegensatz zur Bewegung des Rotors steht.
Diese Lösung, bei welcher der Strom ohne Modifizierung der Netzfrequenz verwendet wird, erlaubt kein Erzielen großer statischer Drehmomente und ermöglicht daher weiter nicht die Versorgung von Motoren mittlerer bis großer Leistung.
Weitere Verfahren verwenden einen Inverter, welcher eine Wellenform mit allmählich ansteigender Frequenz erzeugt, wobei das Frequenzverhalten vorab in der Stromversorgungsschaltung gespeichert wurde.
Auch bei dieser Lösung treten beträchtliche Probleme auf, da Permanentmagnet-Elektromotoren sich alle voneinander unterscheiden, insbesondere im Hinblick auf die magnetischen Eigenschaften des Rotors, auch wenn dieser mit identischen Abmessungen gefertigt ist.
Motoren dieses Typs unterscheiden sich ebenfalls in Bezug auf das Statorpaket. Was den Stator betrifft, ist das Problem nur geringfügig, da lediglich Unterschiede in Bezug auf das geschichtete Blechpaket und die Wicklungen der Spule bestehen.
Jedoch sind diese Unterschiede in Bezug auf eine Beeinflussung des Magnetkreises nicht besonders relevant und wichtig.
Die größten Unterschiede treten stattdessen in den Rotoren auf, da sie nicht identisch sind und praktisch niemals eine gleiche und einheitliche Richtung der Nord- und Südfelder aufweisen.
Es ist immer ein Nord- und ein Südfeld vorhanden, jedoch sind bezüglich der Geometrie des Rotors die Formen der Felder für gewöhnlich solche, die mit 10 und 11 in 2 bezeichnet sind, und zwar bezüglich eines mit dem Bezugszeichen 12 bezeichneten Permanentmagnet-Rotors.
Dies zieht vor allem eine Asymmetrie einer Bewegung des Rotors nach sich, so dass der Motor ungleichmäßig läuft.
Ein typischer Motor mit Permanentmagnet-Rotor ist insgesamt mit dem Bezugszeichen 13 in 1 bezeichnet, wobei der Rotor hier mit dem Bezugszeichen 14 bezeichnet ist und sich zwischen zwei Polen befindet, die aus Schichtpaketen 15 und 16 bestehen, welche die Enden eines Statorpakets 17 bilden, auf dem zwei das Statorfeld induzierende Spulen 18 und 19 angebracht sind.
Damit eine Drehrichtung des Rotors bevorzugt werden kann, weisen die Pole Ausnehmungen 20 und 21 auf, welche die Symmetrieachse 22 des Rotors 14 unter einem Winkel bezüglich der Mittelachse der Pole 15 und 16 festlegen.
Es gibt auch einen Positionssensor 23, welcher in der Mitte zwischen den Polen 15 und 16 angeordnet ist.
Bei dieser herkömmlichen Struktur tritt ein weiteres Problem auf, das durch die Verschiebung der neutralen Achse des Rotors bezüglich der Position des Sensors 23 bedingt ist.
Alle diese Probleme verhindern eine genaue Kenntnis der magnetischen Struktur des Motors und seiner wirklichen Eigenschaften.
Ein weiteres Problem rührt von der Tatsache her, dass das beabsichtigte Anfahrverfahren mit der Kombination eines Permanentmagnet-Synchronmotors und einer Zentrifugal-Hydraulikpumpe verbunden ist.
Die mechanisch-hydraulischen Eigenschaften der Pumpe sind ebenfalls bestimmend für die Probleme beim Anfahrvorgang, da auch diese weder bekannt noch genau vorhersagbar sind.
Tatsächlich sind viele Faktoren beim Anfahrvorgang einer Hydraulikpumpe im Spiel. Falls beispielsweise die Pumpe für eine längere Zeit stillgestanden ist, kann es Probleme in Bezug auf Ablagerungen von durch das Wasser beförderten Produkten geben, welche unbekannte Anfangslasten erzeugen.
Dieses Problem kann auch während der Rotation auftreten, wenn mitgeführte Gegenstände in die Laufradkammer gelangen, manchmal sogar bis zu einem Festklemmen und Blockieren der Rotation der Pumpe.
INHALT DER ERFINDUNG
Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Anfahr- und Stationärzustands-Stromversorgung eines Permanentmagnet-Synchronmotors, insbesondere zum Antreiben einer Zentrifugal-Hydraulikpumpe bereitzustellen, welches in der Lage ist, alle erwähnten Probleme zu überwinden, und insbesondere zu einer Anpassung an die Probleme jedes einzelnen Motors befähigt ist.
Demzufolge ist es eine primäre Aufgabe, ein Verfahren bereitzustellen, welches das Anfahren von Permanentmagnet-Synchronmotoren ermöglicht, und zwar sowohl von Typen mittlerer Leistung sowie auch mittlerer bis großer Leistung und in einer vorbestimmten Richtung.
Demzufolge ist es eine primäre Aufgabe, ein Verfahren zur Versorgung eines Permanentmagnet-Synchronmotors beim Anfahrvorgang und an diesen anschließend bereitzustellen, welches die während des Anfahrvorgangs und des stationären Zustands aufgenommene Leistung minimiert.
Eine weitere wichtige Aufgabe besteht darin, ein Verfahren für die Stationärzustands-Stromversorgung eines Permanentmagnet-Synchronmotors bereitzustellen, bei dem cosϕ praktisch gleich 1 ist.
Dieses Ziel und diese und weitere Aufgaben, welche aus dem Folgenden klar hervorgehen, werden mittels eines Verfahrens zur Anfahr- und Stationärzustands-Stromversorgung eines Permanentmagnet-Synchronmotors, insbesondere zum Antreiben einer Zentrifugal-Hydraulikpumpe erzielt, welches die folgenden Schritte umfasst:

1) einen Lernschritt, während dem der Rotor des Motors um zwei aufeinanderfolgende Drehungen gedreht wird, die sich jeweils über 180 mechanische Grad erstrecken, wobei auf den Stator während der ersten 180 mechanischen Grad ein Gleichstrom-Anfahrstrom angelegt wird und dieser für die zweiten 180 mechanischen Grad, nachdem der Rotor die ersten 180 mechanischen Grad erreicht hat, umgepolt wird, und wobei mittels eines Speichers, der sich in einer Stromversorgungsschaltung befindet, welche mit einem linearen magnetischen Positionssensor kombiniert ist, die Arbeitskennwerte in einer diskreten Anzahl von Positionen gespeichert werden, welche vorbestimmten Winkelpositionen des Rotors entsprechen, und während dieses Lernschrittes der Anfahrstrom und die tatsächliche Nullposition des Rotors bestimmt wird;
2) einen Anfahrschritt, während dem ein größerer Strom als der während des ersten Schrittes bestimmte Anfahrstrom angelegt wird, und zwar mit einer zu Beginn niedrigen Frequenz, die dann allmählich erhöht wird, wobei mittels des linearen Sensors auf einen Durchgang des Rotors bei 80 und 100 mechanischen Grad und anschließend bei 260 und 280 mechanischen Grad gewartet wird und dieser überprüft wird;
3) einen Stationärzustands-Schritt, bei dem, sobald eine Stationärzustand-Frequenz und somit eine Stationärzustand-Geschwindigkeit erreicht sind, der angelegte Strom praktisch sinusförmig ist und darauf gewartet wird, dass der Rotor die Nullpositionen durchläuft, bevor die Stromrichtung umgepolt wird;

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens klar hervor, welches in den beiliegenden Zeichnungen darstellt ist. Diese zeigen:
1, die bereits beschrieben wurde, ein schematisches beispielhaftes Diagramm des Aufbaus eines Permanentmagnet-Synchronmotors, auf welches das Verfahren angewandt wird;
2, die bereits beschrieben wurde, die abnorme Anordnung des Magnetfeldes eines Permanentmagnet-Rotors;
3 ein Ablaufdiagramme der drei Schritte des Verfahrens und deren Verkettung;
4 ein Ablaufdiagramm des Lernschrittes;
5 ein Ablaufdiagramm des Anfahrschrittes;
6 ein Ablaufdiagramm des Stationärzustands-Schittes;
7 den Verlauf des Stroms während des Lernschrittes, bis die erste Bewegung des Rotors auftritt;
8 den Verlauf des Stroms bei den ersten zwei Rotationen um 180°.
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL DER ERFINDUNG
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht aus drei Schritten, wie schematisch in 3 dargestellt:

1) einem Lernschritt;
2) einem Anfahrschritt;
3) einem Stationärzustands-Schritt.

Das Diagramm von 3 stellt ein Rückführ-Ablaufdiagramm dar, das später noch detaillierter beschrieben wird und zeigt, dass, wenn der Rotor während des Stationärzustands-Schrittes langsamer wird, die Prozedur auf den Anfahrschritt zurückkehrt, falls jedoch der Rotor stoppt oder andere Unregelmäßigkeiten während des Stationärzustands-Schrittes auftreten, die Prozedur auf den Lernschritt zurückkehrt.
Während des Lernschrittes (4) wird der Rotor um 180 mechanische Grad gedreht, dadurch dass ein geringer Gleichstrom an das Statorfeld angelegt wird.
Dieser Schritt ist deutlicher in 7 dargestellt, in welcher die Zuführung eines Gleichstroms dargestellt ist, dieser dann bei allmählich zunehmender Intensität alterniert, wobei für die Intervalle 24 und 25 keine Rotorbewegung erzeugt wird, hingegen das Intervall 26 den Strom repräsentiert, bei dem sich der Rotor dreht, so dass nach einer Drehung um 180° die Position erreicht wird, welche der durch das Magnetfeld der Pole 15 und 16 bestimmten Position entspricht, hingegen eine weitere Rotation um 180° im anschließenden Intervall auftritt, da das Feld umgekehrt wurde.
Der Grund dafür, dass der Strom in Zeiträumen in einer Größenordnung von 200 ms alterniert, liegt darin, dass, sogar wenn der Rotor bezüglich des Magnetfeldes in übereinstimmender Position war, er in einem anschließenden Intervall gezwungen wird, sich um 180° zu drehen.
Auf diese Weise wird durch die Prozedur zuerst bestimmt, welcher minimale Strom den Rotor über die ersten 180° bewegt und welcher Strom ihn über die zweiten 180° bewegt.
Diese zwei Werte sind für gewöhnlich nicht zueinander identisch, bedingt durch die Nichtgleichförmigkeit und die Asymmetrie von Rotor und Stator.
Diese zwei Stromwerte werden als Anfahrwerte betrachtet; der größere dieser Stromwerte wird in einem Speicher gespeichert, welcher sich in einem zur Stromversorgungsvorrichtung gehörigen Prozessor befindet, und dieser größere Wert wird für alle Zwecke als Wert des Anfangsstroms des Motors betrachtet.
Dadurch, dass in jedem Fall ein Strom dieses Wertes verwendet wird, ist sichergestellt, dass in jedem Fall unter diesen Bedingungen eine Bewegung des mit der Hydraulikpumpe verbundenen Motors erfolgt.
Während der Rotationsschritte speichert der lineare magnetische Positionssensor 23 erneut eine Reihe von Werten im Prozessor, welche der Winkelposition des Rotors entsprechen und die ersten 180 mechanischen Grad der Rotation und die anschließenden 180 mechanischen Grad der Rotation betreffen, die insgesamt eine vollständige Umdrehung bilden.
Da der lineare Sensor 23 in einem mittleren Bereich zwischen den Polen des Stators angeordnet ist, ist der Wert des Magnetfeldes, das er erfasst, nicht Null, wie dies theoretisch der Fall sein sollte, wenn sich der Rotor nicht bewegt, da, wie erwähnt, um den Rotor in einer gegebenen Richtung anlaufen zu lassen, die Statorpole 15 und 16 asymmetrisch sind und so geformt sind, dass sich der Motor selber unter einem axialen Versatzwinkel von ungefähr 5° ausrichtet, was beim Anfahrvorgang ein bereits vorgegebenes Ungleichgewicht hervorbringt, was wiederum, außer dass es ein leichteres Anfahren des Rotors ermöglicht, auch dessen Drehrichtung festlegt.
Dadurch, dass der lineare Sensor die zwei Feldwerte speichert, welche bei 180 und 360 mechanischen Grad auftreten, ist es möglich, die genaue Position des Rotors zu bestimmen, und diese Daten werden im Prozessor gespeichert.
Während dieses Lernschrittes wurde daher nicht nur der Anfahrstrom bestimmt, sondern es wurde ebenfalls der tatsächliche Nullpunkt des Rotors bestimmt, und es wurden auch die Parameter bei 90 mechanischen Grad und 270 mechanischen Grad durch Extrapolieren der durch die Bewegung erhaltenen Werte bestimmt.
Dieser Selbstlernschritt erfolgt in einer sehr kurzen Zeit, die ca. 400 ms betragen kann.
Dieser Selbstlernschritt wird bei jedem Anfahrvorgang des Rotors durchgeführt, so dass beliebige Modifikationen oder neue Situationen des Motors und der zu diesem gehörigen Pumpe kompensiert werden.
Durch neue Situationen wie beispielsweise eine abnorme Belastung des Laufrades kann bei jedem Anfahrvorgang ein unterschiedlicher Anfahrstrom festgelegt sein; dies ist der Grund dafür, dass der Lernschritt jedes Mal durchgeführt wird.
Außerdem sei angemerkt, dass dadurch, dass dem Motor jedes Mal der minimale mit seiner Bewegung kompatible Strom zugeführt wird, der Verbrauch verringert wird und eine unnötige Belastung des Stators vermieden wird.
Die gelernten Daten liefern wie erwähnt die Werte bei 90 mechanischen Grad; dadurch, dass man ca. 20 bis 25% davon abzieht, erzielt die Prozedur den Wert, bei welchem der Rotor die ersten 80 mechanischen Grad seiner Drehung hinter sich gebracht hat, und dieser Wert wird bei ca. 100 mechanischen Rotationsgrad wiederholt.
Wenn der Rotor die ersten 100 mechanischen Grad absolviert hat, kann er sich nicht mehr zurück bewegen und dreht sich daher, bis er 180 mechanische Grad erreicht (8).
Diese zwei Daten bei 80 und 100 mechanischen Rotationsgrad gelangen ebenfalls zum Mikroprozessor, welcher diese anschließend zur Überprüfungsfunktionen verwendet.
Sobald diese Daten gespeichert sind, ist der Lernschritt abgeschlossen und die Prozedur fährt fort mit dem Anfahrschritt (5).
Der Anfahrschritt beginnt, wenn der Rotor den Nullpunkt der zweiten Halbumdrehung erreicht hat, wobei ein Strom angelegt wird, welcher so groß ist wie der während des Lernschrittes bestimmte Anfahrstrom, jedoch um ca. 25% größer und sinusförmig, und dieser mittels einer durch den Mikroprozessor gesteuerten Stromversorgungsschaltung rekonstruiert wird.
Dieser Strom wird angelegt und beibehalten, bis der Rotor die ersten 180 mechanischen Grad erreicht hat, wobei an dieser Stelle die Prozedur auf den Rotor wartet, falls dieser bezüglich der vorbestimmten theoretischen Zeit zurückbleibt ist.
Die Wartezeit über diese theoretische Zeit hinaus kann passenderweise ca. 1,5 Sekunden betragen.
Falls der Rotor nicht innerhalb dieser Zeit 80 mechanische Grad erreicht, bedeutet dies, dass er aus irgendeinem Grund entweder blockiert ist oder der Selbstlernvorgang nicht in korrekter Weise erfolgt ist, und daher wird der Anfahrschritt automatisch unterbrochen und erneut ein Lernschritt durchgeführt.
Falls stattdessen der Rotor 80 mechanische Grad erreicht, wird der Strom beibehalten bis 100 mechanische Grad erreicht sind, und dann folgt ein abnehmendes sinusförmiges Muster.
Diese Operation wird für einen vollständigen ersten Zeitraum durchgeführt; auf diese Weise wird durch die Wartezeiten sichergestellt, dass sogar ein Anlaufen von Rotoren von großem Trägheitsmoment durchgeführt werden kann, da bei der Prozedur immer auf den Rotor bei seinem Durchgang durch die vorbestimmten Winkelpositionen gewartet wird.
Nach dem vollständigen Durchlaufen des ersten Zyklus und nachdem sichergestellt ist, dass der Rotor nicht blockiert, wartet die Prozedur ausschließlich auf einen Durchgang des Rotors an der Nullposition und nicht mehr an dazwischen liegenden Winkeln.
Die Frequenz wird dann erhöht, wobei erneut ein Nullpositionsdurchgang des Rotors überprüft wird; auf diese Weise wird der Rotor, dadurch, dass Umdrehung für Umdrehung die eingestellte Frequenz entsprechend den längeren oder kürzeren Wartezeiten auf den Nullpositionsdurchgang des Rotors erhöht oder verringert wird, allmählich auf die vorbestimmte Stationärgeschwindigkeit gebracht.
In der Praxis wird vorgegangen als gäbe es einen virtuellen Anfahrmotor, der den Rotor allmählich bis auf Stationärgeschwindigkeit bringt.
Es ist auch deshalb passend, bei einem Nullpositionsdurchgang auf den Rotor zu warten, da gefunden wurde, dass bei nicht einheitlichen oder asymmetrischen Rotoren, auf deren Durchgang man bei anderen Positionen als dieser Nullposition wartet, dies zu Komplikationen und zu fehlerhaften Lesevorgängen sowie zu einer Sättigung des Statorpakets führen kann. Falls in den zwei Halbperioden unterschiedliche Werte zugewiesen würden, würden Gleichstromkomponenten erzeugt, die eine Sättigung des Statorpakets bewirken würde, an welches lediglich relativ geringe Induktionswerte B angelegt werden können.
In dieser Situation verhält sich die Stromversorgung, bei der es sich um einen Inverter handelt, als Synchronvorrichtung, das heißt die Stromversorgung passt sich an die Bewegung des Rotors an und nicht umgekehrt.
Diese Situation tritt auch im Stationärzustands-Schritt (6) auf, bei welcher der Stromversorgungsprozess in gesteuerter Weise fortgesetzt wird.
Das bedeutet, dass, falls der Rotor aus irgendeinem Grund langsamer wird, die Prozedur auf einen Ablauf in der Art des Anfahrschrittes zurückkehrt, das heißt, der Inverter verringert die Stromversorgungsfrequenz, da er keine negative Halbwelle anlegen kann, wenn die positive Halbwelle noch nicht vollendet ist oder das Warten, dass der Rotor die Nullposition erreicht, nicht abgeschlossen ist.
In dieser Situation verringerter Frequenz vergrößert der Inverter allmählich den Strom, und demgemäß kehrt der Rotor zu der Frequenz zurück, welche der vorbestimmten Geschwindigkeit entspricht, wenn auch unter unterschiedlichen Stromzuständen.
Beim Stationärzustands-Schritt erfolgt, falls aus irgendeinem Grund der Rotor zu früh an der Nullposition ankommt, bei dieser Situation eine Verringerung des zugeführten Stromes, so dass der Rotor zu Bedingungen zurückkehrt, die für einen korrekten Nulldurchgang sorgen; in der Praxis bedeutet dies, dass immer eine geeignete und phasensynchrone Stromzufuhr erfolgt, wodurch ein cosϕ mit einem Wert gleich 1 geliefert wird.
Als Sicherheitsmaßnahme erfolgt, falls der Rotor blockiert, oder der Sensor ausfällt oder sich die Drehrichtung umkehrt, unmittelbar ein Abschalten der Stromversorgung des Motors.
In diesem Fall wird die Lernprozedur wiederholt, bis ein erneuter Anfahrvorgang des Motors erfolgt; falls das Anfahren des Motors fehlschlägt, da er verklemmt ist, gibt es eine Grenze für den Strom, die zur Bestimmung des Anfahrstroms festgelegt ist.
In diesem Fall ist es möglich, für eine vollständige oder vorübergehende Unterbrechung der Anfahrprozedur zu sorgen.
Eine Umkehr der Sinuskurve kann schon kurze Zeit bevor der Rotor die tatsächliche Nullposition erreicht vorgenommen werden. Auf diese Weise wird der Synchronmotor für einen kurzen Zeitraum zu einem Wechselstromgenerator.
Mit dieser Prozedur wird gewährleistet, dass der Rotor am Ende eines jeden Zeitraums phasensynchron ist.
Dies erlaubt, die Frequenz bis auf einen Wert oberhalb der Nenn-Netzfrequenz von 50 Hz zu erhöhen, wobei beispielsweise ein Wert von 60 Hz erreicht wird.
Auf diese Weise ist es, da der Pumpendruck sich mit dem Quadrat der Geschwindigkeit ändert und sich der Durchsatz ebenfalls dementsprechend ändert, möglich, größere Durchflussmengen zu erzielen, ohne dass der Stromverbrauch wesentlich erhöht wird.
Auch in diesem Fall bleibt der cosϕ bei einem Wert gleich 1, was von großem Nutzen für die daraus ergebende Leistung ist.
Aus der zuvor gegebenen Beschreibung und den Figuren geht klar hervor, dass das Ziel und alle angestrebten Aufgaben erzielt wurden und dass insbesondere ein Verfahren zum Anfahren eines Motors und zum Aufrechterhalten des Stationärzustandes bereitgestellt wurde, welches ermöglicht, dass ein gesicherter Anfahrvorgang erfolgt, und zwar sogar bei Motoren mittlerer und großer Leistung, sowie bei sowohl durch den Rotor als auch die Pumpenlaufräder bedingten beträchtlichen Trägheitsmomenten.
Da außerdem der cosϕ praktisch immer einen Wert gleich 1 hat, wird ein maximaler Wirkungsgrad des Motors erzielt, und daher ist der aufgenommene Strom immer minimal, was für den Stromverbrauch große Vorteile hat.
Selbstverständlich kann, unter Beibehaltung der gleichen Abfolge von Operationsschritten und Operationen innerhalb jedes Schrittes, das Verfahren unter Verwendung von Stromversorgungen mit Schaltungen unterschiedlicher Art und ebenfalls mit Bauteilen unterschiedlicher Art durchgeführt werden, die für eine Durchführung der erforderlichen Operationen angepasst wurden.

Claims

Verfahren zur Anfahr- und Stationärzustand-Stromversorgung eines Permanentmagnet-Synchronmotors, insbesondere zum Antreiben einer Zentrifugal-Hyraulikpumpe, welches die folgenden Schritte umfasst: 1) einen Lernschritt, während dem der Rotor des Motors um zwei aufeinanderfolgende Drehungen gedreht wird, die sich jeweils über 180 mechanische Grad erstrecken, wobei auf den Stator während der ersten 180 mechanischen Grad ein Gleichstrom-Anfahrstrom angelegt wird und dieser für die zweiten 180 mechanischen Grad, nachdem der Rotor die ersten 180 mechanischen Grad erreicht hat, umgepolt wird, und wobei mittels eines Speichers, der sich in einer Stromversorgungsschaltung befindet, welche mit einem linearen magnetischen Positionssensor kombiniert ist, die Arbeitskennwerte in einer diskreten Anzahl von Positionen gespeichert werden, welche vorbestimmten Winkelpositionen des Rotors entsprechen, und während dieses Lernschrittes der Anfahrstrom und die tatsächliche Nullposition des Rotors bestimmt wird; 2) einen Anfahrschritt, während dem ein größerer Strom als der während des ersten Schrittes bestimmte Anfahrstrom angelegt wird, und zwar mit einer zu Beginn niedrigen Frequenz, die dann allmählich erhöht wird, wobei mittels des linearen Sensors auf einen Durchgang des Rotors bei 80 und 100 mechanischen Grad und anschließend bei 260 und 280 mechanischen Grad gewartet wird und dieser überprüft wird; 3) einen Stationärzustand-Schritt, während dem, sobald eine Stationärzustand-Frequenz und somit eine Stationärzustand-Geschwindigkeit erreicht sind, der angelegte Strom praktisch sinusförmig ist und darauf gewartet wird, dass der Rotor die Nullpositionen durchläuft, bevor die Stromrichtung umgepolt wird; wobei Steuerfunktionen vorgesehen sind, welche, wenn der Rotor während des Stationärzustand-Schrittes langsamer wird, eine Rückkehr des Verfahrensablaufes auf den Anfahrschritt veranlassen, und welche, falls der Rotor blockiert, sich die Drehrichtung umkehrt, ein Defekt beim linearen Sensor oder Unregelmäßigkeiten auftreten, eine Rückkehr des Verfahrensablaufes auf den Lernschritt veranlassen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des Lernschrittes dem Stator ein Gleichstrom zugeführt wird, dessen Intensität allmählich erhöht wird, wobei der Strom periodisch umgepolt wird, und zwar nach Erfolgen einer ersten Rotation um 180 mechanische Grad sowie, nach der Stromumpolung, nach Erfolgen einer zweiten Rotation um weitere 180 mechanische Grad.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des Lernschrittes die minimalen Stromwerte, welche eine Rotation über die ersten und zweiten 180 mechanischen Grad bewirken, gespeichert werden und der größte Wert als Anfahrstrom betrachtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des Lernschrittes die Kennwerte, die in einer diskreten Anzahl von Winkelpositionen des Rotors erfasst werden, gespeichert und interpoliert werden, so dass eine kontinuierliche Kurve, die einer sinusförmigen Kurve ähnlich ist, erhalten wird, welche das tatsächliche Verhalten des Rotors bei allen Posi tionen der ersten und der zweiten Halbperioden beschreibt, wobei die Positionen mittels des linearen magnetischen Positionssensors erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des ersten Lernschrittes die tatsächlichen Nullpositionen des Rotors nach 180 und 360 mechanischen Grad mittels des linearen Sensors bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des ersten Lernschrittes die Stromwerte bei 80 und 100 mechanischen Grad der ersten Halbperiode und bei 260 und 280 mechanischen Grad der zweiten Halbperiode durch Extrapolieren bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Anfahrschritt, nachdem der Rotor eine zweite Halbperiode des Lernschrittes vollendet hat, ein Wechselstrom angelegt wird, dessen Polung bezüglich des Stromes der zweiten Halbperiode umgekehrt ist und dessen Wert im Vergleich zum Anfahrstrom beträchtlich größer ist, beispielsweise um 20 bis 25%.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass darauf gewartet wird, dass der Rotor die ersten 80 mechanischen Grad durchläuft, und dann der Strom bis 100 Grad stabil gehalten wird, wo erneut auf den Rotordurchlauf gewartet wird, und dann bis 180 mechanische Grad eine Verringerung erfolgt, wo erneut auf den Rotordurchlauf gewartet wird, bevor in der zweiten Halbperiode die Polung des Stromes mit gleichem Verhalten umgekehrt wird, bis 360 mechanische Grad, die anfängliche Nullposition, erreicht werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Wartezeit in der Größenordnung von 1,5 Sekunden liegt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der ersten Winkel-Referenzposition, die vom Rotor nicht innerhalb der vorbestimmten Wartezeit erreicht wird, die Verfahrensschritte unterbrochen werden und wieder mit dem Lernschritt begonnen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende der zweiten Halbperiode des Anfahrschrittes ein sinusförmiger Strom angelegt wird, dessen Größe und Frequenz allmählich erhöht wird, bis die Stationärzustand-Geschwindigkeit erreicht ist, wobei eine Überprüfung des Rotors lediglich erfolgt, wenn er die Nullpositionen durchläuft, und optional auf den Rotor für einen vorbestimmten Zeitraum gewartet wird, bevor eine Phasenumkehr vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall einer Verspätung des Rotors, die durch eine Erhöhung der angelegten Last bedingt ist, das Verfahren auf einen Ablauf in der Art des Anfahrschrittes zurückkehrt, wobei die Frequenz verringert wird und der Strom erhöht wird, bis die Stationärzustand-Geschwindigkeit wieder, möglicherweise mit einem größeren Stromwert, erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn der Rotor, bedingt durch eine Verringerung der angelegten Last, zu früh ankommt, ein Verfahrensablauf in der Art einer Rückkehr auf den Anfahrschritt erfolgt, wobei der Strom verringert wird, bis sich der Rotor wieder in Phase befindet, und wobei der Rotor bei seinem Durchgang durch die Nullpositionen überprüft wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Stationärzustand-Schritt ein Blockieren des Rotors, eine Umkehr der Rotationsrichtung, ein Defekt des linearen magnetischen Positionssensors und andere Unregelmäßigkeiten zu einer Unterbrechung der Stromversorgung führen und eine Rückkehr des Verfahrens auf den Lernschritt herbeiführen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom mit Augenblickfrequenzen und -werten durch einen Inverter erzeugt wird, welcher durch einen Prozessor gesteuert wird, in dem sich die Lern- und Steuerspeicher befinden.