WO2001014897A1 - Verfahren und einrichtung zum messen des ohmschen widerstandes eines statorkreises einer induktionsmaschine - Google Patents

Verfahren und einrichtung zum messen des ohmschen widerstandes eines statorkreises einer induktionsmaschine Download PDF

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    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/34—Testing dynamo-electric machines

Definitions

  • the resistance R s contained in equation (2) is either known as a parameter of the induction machine or can be measured on the machine. In general, it is sufficient to use the resistance of a stator winding, since the resistances R S ⁇ , Rs2 Rs3 of each stator winding are usually the same, ie
  • the device according to the invention contains a measuring circuit with a current-voltage converter, to which the stator circuit can be connected as a voltage-determining resistor via a controllable switch, and a constant current source to generate a constant direct current which is connected to the current-voltage converter.
  • the analog output voltage U a2 of the amplifier circuit 64 is fed via an analog-digital converter 66 to the microprocessor 44, in which the resistance R and thus also R s are derived from the above equation and, for example, according to those mentioned in German Patent 42 29 554 C2 Algorithms for determining the torque is used.
  • the measurement of the resistance R takes place in a time period in which the induction machine 2 is separated from the network L1, L2, L3 by appropriate control of the semiconductor valve arrangement 40, is in the de-energized state and the transient processes caused by switching on the constant current source 70 have subsided.
  • the controllable switch 46 is preferably switched on before the induction tion machine 2 closed.
  • a measuring device 68 contained in the control device 4 for measuring the terminal voltage U ⁇ can be provided between the terminals K2 and K3, with which a currentless rotor of the induction machine 2 can be determined by the disappearance of the terminal voltage U ⁇ and it can be ensured that the resistance -Measuring device 60 is only switched on when the induction machine rotor is de-energized.

Abstract

Zum Messen des ohmschen Widerstandes (R) eines Statorkreises einer Induktionsmaschine (2) wird erfindungsgemäß der Statorkreis in einem vorgegebenen Zeitabschnitt mit einem konstanten Gleichstrom (Imess) beaufschlagt, welcher der Spannungs-versorgung der auf der Steuereinrichtung vorhandenen Elektronik entnommen wird. Der zu bestimmende Statorwiderstand (R) wird als spannungsbestimmender Widerstand einem Strom-Spannungs-Wandler (62) zugeschaltet und dessen Ausgangsspannung (Ua1) als Maß für den Statorwiderstand (R) herangezogen. Die zugehörige Einrichtung enthält eine Messschaltung (60), die einen Strom-Spannungs-Wandler (62) umfasst, an den der Statorkreis über einen steuerbaren Schalter (46) als spannungsbestimmender Widerstand (R) anschließbar ist.

Description

Beschreibung
Verfahren und Einrichtung zum Messen des ohmschen Widerstandes eines Statorkreises einer Induktionsmaschine
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen des ohmschen Widerstandes eines Statorkreises einer Induktionsmaschine. Daneben bezieht sich die Erfindung auf eine zugehörige Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens .
Zur Verbesserung der Betriebseigenschaften einer Induktionsmaschine, die von einer nach dem Phasenanschnittprinzip arbeitenden Steuereinrichtung (Drehstromsteller) angesteuert wird, ist es für eine Vielzahl von Antriebsaufgaben von Vor- teil, das von der Induktionsmaschine erzeugte Drehmoment zu beeinflussen oder zu regeln. Hierzu ist die Kenntnis des von der Induktionsmaschine erzeugten Drehmoments erforderlich. Dieses kann beispielsweise mechanisch an der Welle der Induktionsmaschine gemessen werden. Eine solche mechanische Mes- sung des Drehmomentes ist allerdings konstruktiv aufwendig, da hierzu geeignete Messwertaufnehmer entweder in die Induktionsmaschine eingebaut oder außerhalb der Induktionsmaschine angeordnet werden müssen.
Alternativ zu letzterer Methode ist es auch möglich, das Drehmoment der Induktionsmaschine durch Messung rein elektrischer Größen an den Klemmen der Induktionsmaschine zu bestimmen. Eine einfache Möglichkeit hierzu besteht darin, aus den messbaren Effektivwerten für Strom und Spannung das Drehmoment gemäß nachfolgender Gleichung zu bestimmen:
M= Λ 'P r -(Us -Is -cosφ-Rs -Is 2) (1)
2-π-ß Netz
M - durch die Maschine erzeugtes Drehmoment p - Zahl der Polpaare fNez - Frequenz des speisenden Netzes Us - Effektivwert der Stator-Strangspannung Is - Effektivwert des Statorstromes cosφ - Leistungsfaktor
Rs - ohmscher Widerstand einer Statorwicklung inklusive Zuleitung
Mit Hilfe der vorstehend genannten Gleichung lässt sich jedoch das Drehmoment nur in einfachen Betriebssituationen ermitteln.
Eine insbesondere bei unsymmetrischen oder stark von der Sinusform abweichenden Strömen genauere Bestimmung des Drehmomentes ist beispielsweise aus der DE 42 29 554 C2 bekannt. Dort ist eine Berechnung des Drehmomentes aus dem verketteten Statorfluss und dem Statorstrom gemäß folgender Gleichung offenbart :
Figure imgf000004_0001
m - Drehmoment p - Zahl der Polpaare ψ - Raumzeiger des verketteten Statorflusses, bezogen auf das Stator-Koordinatensystem i - Raumzeiger des Statorstromes x - Operator mit zz x zz = Re(zz} -Imlz- j -Im(zz} -Reiz j
Während der Raumzeiger i des Statorstromes aus den messbaren Statorklemmenströmen isι,s2,s3 mit Hilfe bekannter Koordinatentransformationen direkt bestimmt werden kann, muß der Raum- zeiger ψ des verketteten Statorflusses indirekt aus den Stator-Strangspannungen uSι,s2,s3 und den Statorklemmenströmen isι,s2,s3 ermittelt werden.
Für die zeitliche Ableitung des Raumzeigers Ψ des verkette- ten Statorflusses gilt:
Figure imgf000005_0001
11$ - Raumzeiger der Stator-Strangspannung
Rs - ohmscher Widerstand einer Statorwicklung und der Zuleitung
Der in Gleichung (2) enthaltene Widerstand Rs ist entweder als Parameter der Induktionsmaschine bekannt bzw. an der Maschine messbar. Im allgemeinen reicht es aus, den Widerstand einer Statorwicklung zu verwenden, da üblicherweise die Widerstände RSι, Rs2 Rs3 jeder Statorwicklung gleich sind, d.h.
Figure imgf000005_0002
Durch Integration folgt schließlich der Raumzeiger des ver- ketteten Statorflusses der Induktionsmaschine zu:
Figure imgf000005_0003
Beiden Verfahren zur Bestimmung des Drehmoments aus elektri- sehen Größen ist gemein, dass der ohmsche Widerstand der
Statorwicklung einschließlich der Zuleitungen bekannt sein muss. In der Praxis wurde der ohmsche Widerstand der Statorwicklung und der Zuleitungen allein aufgrund der Bemessungs- leistung des Drehstromstellers und der hieraus zu erwartenden Nennleistung der angeschlossenen Induktionsmaschine geschätzt.
Anstelle einer Schätzung ist es prinzipiell möglich, den ohmschen Widerstand der Statorwicklung und der Zuleitung der Induktionsmaschine zu messen. Aus „Conference Record, IEEE Instrument and Measurement Technology Conference, New York, 1991, S. 288-291, ist es beispielsweise bekannt, die elektrischen Größen des Statorkreises einer Induktionsmaschine labormäßig dadurch zu bestimmen, dass an den Statorkreis eine vorgegebene Spannung angelegt und der Strom gemessen wird.
Figure imgf000006_0001
stromlose Zustand des Rotors durch das Fehlen der Stator- Klemmenspannung detektiert wird.
Unter Statorkreis ist dabei im folgenden der durch die Sta- torwicklungen zwischen zwei Klemmen der Induktionsmaschine festgelegte Stromkreis zu verstehen, der je nach Beschaltung der Induktionsmaschine aus einer Serienschaltung von zwei Statorwicklungen (Sternschaltung) oder aus einer Parallelschaltung einer Statorwicklung mit zwei in Serie geschalteten Statorwicklungen (Dreieckschaltung) und den jeweiligen Zuleitungen besteht . Der zur Berechnung des Drehmomentes erforderliche ohmsche Widerstand einer Statorwicklung inklusive Zuleitung kann damit unmittelbar aus dem ohmschen Widerstand eines Statorkreises abgeleitet werden.
Da die Widerstands-Messeinrichtung von der Spannungsversorgung der Steuereinrichtung versorgt wird, d. h. die zur Messung des Widerstands erforderlichen elektrischen Signale aus der zur Versorgung der Elektronik der Steuereinrichtung vor- handenen Versorgungsspannung erzeugt werden, ist eine einfache Integration in einen bereits vorhandenen Drehstromteller möglich.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Messung des ohmschen Widerstandes vor jedem Anlauf der Induktionsmaschine.
Der auf diese Weise gemessene ohmsche Widerstand wird dann vorteilhaft als Eingangsgröße zum Bestimmen des Drehmomentes aus dem verketteten Statorfluss und dem Statorstrom verwendet.
Die Einrichtung gemäß der Erfindung enthält eine Messschaltung mit einem Strom-Spannungs-Wandler, an dem der Stator- kreis über einen steuerbaren Schalter als spannungsbestimmender Widerstand anschließbar ist, und eine Konstantstromquelle zum Erzeugen eines konstanten Gleichstroms die an den Strom- Spannungswandler angeschlossen ist.
Vorzugsweise ist als Strom-Spannungswandler ein Operations- Verstärker vorgesehen, dessen Rückkopplungskreis durch den zuschaltbaren Statorkreis gebildet ist.
Die erfindungsgemäße Einrichtung umfasst insbesondere eine Steuereinrichtung zur Steuerung des steuerbaren Schalters in Abhängigkeit von der Klemmenspannung.
Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung zur Steuerung einer Halbleiterventilanordnung vorgesehen, mit der die Induktionsmaschine an ein Netz angeschlossen ist.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinrichtung zum Bestimmen des Drehmoments der Induktionsmaschine aus dem verketteten Statorfluss und dem Statorstrom unter Verwendung des gemessenen ohmschen Wider- Standes vorgesehen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungs- beispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patent- ansprüchen. Es zeigen jeweils als Blockschaltbild
Figur 1 eine Einrichtung zum Messen des ohmschen Widerstandes eines Statorkreises einer Induktionsmaschine und Figur 2 eine gegenüber Figur 1 abgeänderte Einrichtung zum Messen des Statorwiderstandes.
Gemäß Figur 1 ist eine Induktionsmaschine 2 über eine nach dem Phasenanschnittprinzip arbeitende Steuereinrichtung 4 mit ihrem Ständer an die Phasen Ll, L2 , L3 eines dreiphasigen Netzes angeschlossen. Die Steuereinrichtung 4 umfasst hierzu eine Halbleiterventilanordnung 40, die im Ausführungsbeispiel für jede Phase Ll, L2, L3 aus zwei antiparallel geschalteten Thyristoren 42 besteht.
Die Steuereinrichtung 4 enthält einen Mikroprozessor 44, in dem die zum Bereitstellen der Zündsignale für die Thyristoren 42 erforderlichen Operationen durchgeführt und die hierzu notwendigen, den Betriebszustand der Induktionsmaschine 2 charakterisierenden Messdaten verarbeitet werden.
An die Steuereinrichtung 4 ist eine von der Spannungsversorgung Vc der Steuereinrichtung 4 versorgte Widerstands-Messeinrichtung 60 angeschlossen, die über einen steuerbaren Schalter 46 an die Klemmen K2 , K3 der Induktionsmaschine 2 geführt ist. Der Schaltzustand des steuerbaren Schalters 46, im Ausführungsbeispiel ein Relais, wird durch ein vom Mikroprozessor 44 der Steuereinrichtung 4 bereitgestelltes Steuersignal S gesteuert.
Die Widerstands-Messeinrichtung 60 enthält zur Messung des ohmschen Widerstandes Rs der zwischen den Klemmen K2 und K3 befindlichen Statorwicklung einen Strom-Spannungs-Wandler 62, der im Ausführungsbeispiel durch einen Operationsverstärker gebildet ist, an dessen invertierenden Eingang eine Konstant- Stromquelle 70 angeschlossen ist. Der nichtinvertierende Ein- gang des Operationsverstärkers ist über einen Spannungsteiler R0 an eine zur Versorgung der Steuereinrichtung 4 bereits vorhandene Versorgungsspannung VCc angeschlossen, so dass an seinem nichtinvertierenden Eingang eine vorgegebene Spannung U0 anliegt.
Der zwischen den Klemmen K2 und K3 befindliche Teil der Statorwicklung der Induktionsmaschine 2 bildet den Rückkopplungskreis des Operationsverstärkers. Der von der Konstantstromquelle 70 erzeugte konstante Strom ImesS fließt bei ge- schlossenem Schalter 46 über diesen Teil der Statorwicklung der Induktionsmaschine 2, so dass am Ausgang eine dem Wider- stand R zwischen den Klemmen K2 , K3 des Statorkreises proportionale Spannung Uaι gemäß nachstehender Gleichung anliegt.
Figure imgf000010_0001
= Uθ— Imess ' R ( 5 )
Der Widerstand R wiederum ist dem Widerstand Rs einer Statorwicklung proportional und beträgt je nach Beschaltung 2RS (Stern) oder 2Rs/3 (Dreieck) , so dass die Spannung Ual ebenfalls proportional zu RΞ ist. Die mittels des Spannungstei- lers R0 am nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers angelegte Spannung U0 dient dazu, ein Funktionieren der Widerstands-Messeinrichtung 60 auch bei unipolarer Spannungsversorgung zu gewährleisten.
Dem Stromspannungswandler 62 ist eine ebenfalls aus einem Operationsverstärker und Widerständen Rvl und Rv2 aufgebaute Verstärkerschaltung 64 nachgeschaltet, an deren Ausgang eine verstärkte Spannung Ua2 gemäß Gleichung
Imess-R ( 6 )
Figure imgf000010_0002
anliegt .
Die analoge AusgangsSpannung Ua2 der Verstärkerschaltung 64 wird über einen Analog-Digital-Wandler 66 dem Mikroprozessor 44 zugeführt, in dem der Widerstand R und damit auch Rs aus der obigen Gleichung abgeleitet und beispielsweise nach den in der deutschen Patentschrift 42 29 554 C2 genannten Algorithmen zur Bestimmung des Drehmomentes herangezogen wird.
Die Messung des Widerstandes R erfolgt in einem Zeitabschnitt, in dem die Induktionsmaschine 2 vom Netz L1,L2,L3 durch entsprechende Ansteuerung der Halbleiterventilanordnung 40 getrennt ist, sich im stromlosen Zustand befindet und die durch Zuschalten der Konstantstromquelle 70 verursachten transienten Vorgänge abgeklungen sind. Der steuerbare Schalter 46 wird hierzu vorzugsweise vor dem Anlaufen der Induk- tionsmaschine 2 geschlossen. Zusätzlich kann eine in der Steuereinrichtung 4 enthaltene Messeinrichtung 68 zum Messen der Klemmenspannung Uκ zwischen den Klemmen K2 und K3 vorgesehen sein, mit der ein stromloser Rotor der Induktions- maschine 2 durch Verschwinden der Klemmenspannung Uκ festgestellt und sichergestellt werden kann, dass die Widerstands-Messeinrichtung 60 nur bei stromlosem Rotor der Induktionsmaschine zugeschaltet wird.
Nach Abklingen der transienten Vorgänge, d.h. nach etwa
100ms, sind die AusgangsSpannung Uaι des Stromspannungswandlers 62 und die AusgangsSpannung Ua2 der Verstärkerschaltung 64 dem zu bestimmenden Widerstand R direkt proportional. Gegebenenfalls kann der Verstärkerschaltung 64 noch ein passi- ver Tiefpassfilter nachgeschaltet sein oder alternativ hierzu eine digitale Tiefpassfilterung auch im Mikroprozessor 44 erfolgen.
In Figur 2 ist die Einrichtung gemäß Figur 1 insoweit ver- einfacht, dass Widerstand RMot des Motors 2 an den positiven Eingang eines Operationsverstärkers 72 angeschaltet ist, der eine Verstärkung des aus eingeprägtem Messstrom ImeSs und Widerstand RMot des Motors 2 resultierenden Spannungsabfalls vornimmt. An den positiven Eingang des Operationsverstärkers 72 wird hierzu der Messstrom ImeSs aus der Gleichspannungs- versorgung mit 5 V eingeprägt. Dem Operationsverstärker 72 ist ein A/D-Wandler 75 nachgeschaltet. Mit dem A/D-Wandler 75 wird der Spannungsabfall am Widerstand erfaßt, so dass der Wert des spannungsbestimmenden Widerstandes R direkt anzeig- bar ist.
Mit dem anhand der vorangehenden Beispiele beschriebenen Verfahren und den zugehörigen Einrichtungen ergeben sich somit gegenüber dem Stand der Technik vereinfachte Möglichkeiten, den ohmschen Widerstand eines Statorkreises einer an ein Netz angeschlossenen Induktionsmaschine, insbesondere eines Motors, zu bestimmen und anzuzeigen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Messen des ohmschen Widerstandes (R) eines Statorkreises einer an eine nach dem Phasenanschnittsprinzip arbeitenden Steuereinrichtung angeschlossenen Induktionsmaschine, mit folgenden Verfahrensschritten: die Induktionsmaschine wird durch die Steuereinrichtung vollständig vom Netz getrennt und das Abklingen der im Rotor fließenden Ströme abgewartet, - der Statorkreis wird mit einem Gleichstrom (ImeSs) beaufschlagt, welcher der Spannungsversorgung der auf der Steuereinrichtung vorhandenen Elektronik entnommen wird
- mit Hilfe einer von der Spannungsversorgung der Steuereinrichtung versorgten Widerstands-Messeinrichtung wird als spannungsbestimmender Widerstand (R) der Induktionsmaschine (2) ein Signal gemessen,
- das Signal wird einem Mess-Wandler (62, 72) zugeschaltet, dessen AusgangsSpannung (AI) als Maß für den Widerstand (R) herangezogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein stromloser Zustand der Induktionsmaschine (2) durch Messen einer Klemmenspannung (Uκ) festgestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Gleichstrom zur Beaufschlagung des Statorkreises konstant eingeprägt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , bei dem die Messung des ohmschen Widerstandes (R) vor jedem Anlauf der Induktionsmaschine (2) erfolgt.
5 Verfahren zur Steuerung des Drehmoments einer Induktionsmaschine (2) , bei dem ein nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche gemessene ohmscher Widerstand (R) eines Statorkreises als Eingangsgröße zum Bestimmen des Drehmomentes aus dem verketteten Statorfluss und dem Statorstrom verwendet wird.
6. Einrichtung zum Messen des ohmschen Widerstandes (R) eines Statorkreises einer Induktionsmaschine (2) , mit einer Messschaltung (60) , die einen Strom-Spannungs-Wandler (62) umfasst, an den der Statorkreis über einen steuerbaren Schalter (46) als spannungsbestimmender Widerstand (R) anschließbar ist, und mit einer Stromquelle (70) zum Erzeugen eines Gleichstroms (Imess) . die an den Strom-Spannungs-Wandler (62) angeschlossenen ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, bei der als Strom-Spannungs- wandler (62) ein Operationsverstärker vorgesehen ist, dessen Rückkopplungskreis durch den zuschaltbaren Statorkreis gebildet ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, mit einer Steuereinrichtung (4) zur Steuerung des steuerbaren Schalters (46) in Abhängigkeit von der Klemmenspannung (Uκ) .
9. Einrichtung nach Anspruch 8, bei der die Steuereinrichtung (4) zur Steuerung einer Halbleiterventilanordnung (40) vorgesehen ist, mit der die Induktionsmaschine (2) an ein Netz (L1,L2,L3) angeschlossen ist.
10. Einrichtung nach Anspruch 9, bei der die Steuereinrichtung zum Bestimmen des Drehmoments der Induktionsmaschine (2) aus dem verketteten Statorfluss und dem Statorstrom unter Verwendung des gemessenen ohmschen Widerstandes (R) vorgesehen ist.
PCT/DE2000/002872 1999-08-24 2000-08-23 Verfahren und einrichtung zum messen des ohmschen widerstandes eines statorkreises einer induktionsmaschine WO2001014897A1 (de)

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