WO2019052639A1 - Betreiben einer permanenterregten synchronmaschine - Google Patents

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WO2019052639A1
WO2019052639A1 PCT/EP2017/073002 EP2017073002W WO2019052639A1 WO 2019052639 A1 WO2019052639 A1 WO 2019052639A1 EP 2017073002 W EP2017073002 W EP 2017073002W WO 2019052639 A1 WO2019052639 A1 WO 2019052639A1
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phase
stator
thyristor
torque
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PCT/EP2017/073002
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Hauke NANNEN
Heiko Zatocil
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P1/00—Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters
    • H02P1/16—Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters for starting dynamo-electric motors or dynamo-electric converters
    • H02P1/46—Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters for starting dynamo-electric motors or dynamo-electric converters for starting an individual synchronous motor
    • H—ELECTRICITY
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    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
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    • H02P23/0004—Control strategies in general, e.g. linear type, e.g. P, PI, PID, using robust control
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/16—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using ac to ac converters without intermediate conversion to dc
    • H02P27/18—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using ac to ac converters without intermediate conversion to dc varying the frequency by omitting half waves

Definitions

  • the invention relates to a permanent- magnet synchronous machine which has a stator with a stator winding, a rotor and a thyristor controller for setting phase currents of the stator winding, and a method for operating the synchronous machine.
  • a damper cage In order to enable the start and operation of a permanent magnet synchronous machine on a rigid three-phase network, a damper cage can be provided in the rotor of the machine. Although a damper cage allows safe start-up on the three-phase system, but loads the dining three-phase network very high by very high start-up currents.
  • DE 10 2011 085 859 AI discloses a method for operating egg ⁇ ner synchronous machine by means of a three semiconductor dish um ⁇ comprehensive three-phase three-phase actuator, which is connected to a three-phase network.
  • a torque curve for the synchronous machine for a definable period of time when connecting at least two of the semiconductor plates taking into account a phase difference between a Polradschreib the synchronous machine and a mains voltage of the three-phase network, a speed of the rotor of Synchronma- machine, a stator current of the synchronous machine and a Pha ⁇ senlage the three-phase network precalculated.
  • a switching time is determined, to which the at least two semiconductor plates are turned on.
  • this method assumes that the three-phase controller has a semiconductor plate for each phase.
  • the invention has for its object to provide an improved method for operating a permanent-magnet synchronous machine in which a phase is permanently connected to a three-phase network.
  • the inventive method is used to operate a permanent magnet synchronous machine which is connected to a three-phase network and a stator with a three-phase stator winding, a rotor and a thyristor with a first thyristor pair of two antiparallel-connected thyristors for setting a first stator phase current of the stator winding and a second pair of thyristors of two antiparallel-connected thyristors for setting a second stator phase current of the stator winding, wherein the third stator phase current of the stator winding is not provided.
  • a current Polradradwinkel, a current rotor speed, a current network ⁇ phasenlage the three-phase network and the current Statorpha ⁇ senströme are repeatedly determined.
  • a torque ⁇ ment course of a torque acting on the rotor in each case in an ignition period for a first ignition in which both thyristor pairs are ignited, a second ignition, in which only the first thyristor pair is ignited, and a third ignition, in which only the second thyristor pair is ignited, predicted.
  • each thyristor pair is determined to fire.
  • a thyristor pair of two antiparallel-connected thyristors for setting a phase current of a phase is understood here to be a thyristor pair with which the respective phase can be connected to the three-phase network by igniting the thyristor pair.
  • the invention makes it possible to operate a permanent- magnet synchronous machine with a thyristor controller which has only one thyristor pair for setting the stator phase current for two of the three stator phase currents.
  • the method provides repeated for each one Zündzeitraum torque curves of the forces acting on the rotor torque for the different ways of firing the thyristor pairs (Zünd blunt) predict and decide on the basis of vorausberechne ⁇ th torque characteristics in each case whether one, and if so, which ignited the thyristor pairs or whether both thyristor pairs are ignited.
  • the optimum torque can be set in each case for an ignition period when a phase of the synchronous machine is permanently connected to the three-phase network.
  • An embodiment of the invention provides that continuously at least two terminal voltages of the synchronous machine are detected and the current rotor angle is determined using the detected terminal voltages.
  • the current stator phase currents can also be used in the determination of the rotor angle.
  • This embodiment of the invention enables the determination of the rotor angle and the subsequent prediction of the torque characteristics without a costly encoder system for detecting the Polradwin kels.
  • the rotor angle is determined from the terminal voltages of the synchronous machine whose detection is easier and less expensive than the detection of the rotor angle with a rotary encoder system.
  • An additional consideration of also the current stator phase in determining the pole ⁇ wheel angle advantageously allows more precise Determined ⁇ development of the load angle that no additional hardware erfor ⁇ changed since the current stator phase currents are determined in the process in any case to vorauszu- calculate the torque curves ,
  • a further embodiment of the invention provides that a torque window for the torque is specified and the thyristor is not driven according to a Zündfall for which the precalculated torque curve has a lying outside the torque window torque. This embodiment of the invention advantageously prevents that an excessive torque acting on the rotor is generated.
  • a further embodiment of the invention provides that using the current Polradwinkels, the current rotor speed, the current grid phase position and the current Statorphasenströme a Statorphasenstromverlauf each stator ⁇ phase current respectively in the ignition period for the first ignition, the second ignition and the third ignition lake ⁇ is calculated and it is decided whether it is ignited using the precalculated Statorphasenstromverlaufe for each thyristor pair.
  • this embodiment of the invention provides to predict not only the torque curve, but also the stator phase current waveforms for each ignition in the ignition period and to use the precalculated torque and stator phase current waveforms to decide whether and which thyristors are fired respectively.
  • the operation of the synchronous machine can be optimized not only taking into account the torque acting on the rotor, but also taking into account the stator phase currents.
  • a phase current window is specified for the stator phase currents and the thyristor controller is not driven according to an ignition event for which a predicted stator phase current characteristic has a stator phase current lying outside the phase current window.
  • phase current threshold value may be predefined and for an end of an ignition period to be defined as a time at which the magnitude of each stator phase current set with a thyristor pair falls below the phase current threshold value according to its previously calculated stator phase current profile.
  • a permanent-magnet synchronous machine comprises a stator having a three-phase stator winding, a rotor, a thyristor having a first thyristor pair of two antiparallel connected thyristors for setting a first stator phase current of the stator winding and a second thyristor pair of two antiparallel connected thyristors for setting a second stator phase current of the stator winding , a measuring arrangement for determining a current Polradwinkels, a current rotor speed, a current network phase position of the three-phase network and the current Stator phase currents, and a control unit, which is set up for vorausbe ⁇ computing the torque curves of a torque acting on the rotor and for driving the Thyristorstellers according to the inventive method.
  • the measuring arrangement can have a voltage measuring device for detecting at least two terminal voltages of the synchronous machine.
  • it may be provided, in particular, to use the control unit to determine the current pole wheel angle from the detected terminal voltages.
  • FIG. 1 shows a circuit diagram of a permanent-magnet synchronous machine
  • FIG. 2 shows a flowchart of a method for operating a permanent-magnet synchronous machine.
  • FIG. 1 shows a circuit diagram of a permanent-magnet synchronous machine 1, which is connected to a three-phase network 8.
  • the synchronous machine 1 comprises a stator 2 with a three-phase stator winding (not shown), a rotor 3, a thyristor 4 for setting stator phase currents of the stator winding, a control unit 5 for driving the thyristor 4 and a measuring arrangement 10 for determining a network phase position of the Three-phase network 8, the current stator phase currents, a current Polradwinkels the synchronous machine 1 and a current rotor speed of the rotor.
  • the thyristor 4 has a first pair of thyristors 6 of two antiparallel-connected thyristors 9 for setting the Statorphasenstroms a first phase U and a second Thy ⁇ ristorcontract 7 two antiparallel-connected thyristors 9 for setting the Statorphasenstroms a second phase V of the stator winding.
  • the ignition electrodes of the thyristors 9 are connected to the control unit 5, from, the firing of the thyristor pairs to 6, 7 necessary ignition signals justifyge ⁇ represents. By igniting a thyristor pair 6, 7 of a phase U, V, a stator phase current of this phase U, V is generated.
  • the thyristor pair 6, 7 of a phase U, V turns itself off when the stator phase current of this phase U, V is zero or changes its sign.
  • the Sta ⁇ torphasenstrom the third phase W is not detected by the Thy-ristorsteller 4 and is permanently connected to the rotary ⁇ power grid.
  • the control unit 5 is set up to control the thyristor 4 in accordance with the method described in more detail with reference to FIG 2.
  • the control unit 5 has a programmable microcontroller that is programmed to perform the method.
  • FIG. 2 shows a flowchart of a method with method steps S1 to S3 for operating a permanent-magnet synchronous machine 1.
  • a current load angle, a current rotor ⁇ speed, a current power phase position of the three-phase network 8 and the actual stator phase currents are measured with the measurement arrangement 10th
  • the measuring arrangement 10 can in particular have a voltage measuring device for detecting at least two terminal voltages of the synchronous machine 1.
  • the actual rotor displacement is playing menpositionen at ⁇ with the control unit 5, from the detected Termi- and optionally additionally identified using the current stator phase.
  • step Sl are pre ⁇ calculated by the control unit using the current load angle, the actual rotor speed, the actual mains phase position and the actual stator phase torque curves of a force acting on the rotor 3 torque and Statorphasenstromverrise the stator phase currents are each in a Zündzeitraum.
  • a torque curve and a stator ⁇ phasenstromverläuf each Statorphasenstroms be calculated in advance for three ignition cases, in a first ignition both Thyristorcontracte 6, 7 are ignited, in a second ignition only the first thyristor pair 6 is ignited and in the third ignition only the second thyristor pair 7 is ignited.
  • One end of the respective Zündzeitraums is defined as a time point at which each Statorphasenstroms provided with a thyristor ⁇ pair 6, 7 senstromschwellenwert falls below the amount in accordance with its leading ⁇ calculated Statorphasenstromverläuf a predetermined phases.
  • step S3 it is decided by the control unit 5 for each thyristor pair 6, 7 whether it is ignited, using the precalculated torque profiles and stator phase current profiles. For this purpose, it is checked, in particular for each precalculated torque curve, whether it has a torque lying outside a predetermined torque window. Further, it is checked for each predicted stator phase current history whether it has a stator phase current outside a given phase current window. A Zündfall is defined as acceptable if the for him precalculated torque profile having no torque is outside the window torque and no pre-calculated for him Statorphasenstromverläuf has an out-of-phase current stator phase window on ⁇ . If no ignition is permitted, no thyristor ⁇ pair 6, 7 ignited.
  • the thyristor actuator 4 is activated according to the permissible ignition controls. If two or three ignition events are permitted, an ignition case, for example the ignition case with a maximum torque averaged over its ignition period, is selected among the permissible ignition events, and the thyristor controller 4 is activated according to the selected ignition event. After the third step S3, the method continues with the ers ⁇ th process step Sl.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer permanenterregten Synchronmaschine (1), die an ein Drehstrom- netz (8) angeschlossen ist und einen Stator (2) mit einer dreiphasigen Statorwicklung, einen Rotor (3) und einen Thyristorsteller (4) zum Stellen eines ersten Statorphasenstroms der Statorwicklung und eines zweiten Statorphasenstroms der Statorwicklung aufweist, wobei der dritte Statorphasenstrom der Statorwicklung nicht gestellt wird. Bei dem Verfahren wird wiederholt unter Verwendung eines aktuellen Polradwinkels, einer aktuellen Rotordrehzahl, einer aktuellen Netzphasenlage und der aktuellen Statorphasenströme ein Drehmomentverlauf eines auf den Rotor (3) wirkenden Drehmoments jeweils in einem Zündzeitraum für einen ersten Zündfall, in dem beide Thyristorpaare (6, 7) gezündet sind, einen zweiten Zündfall, in dem nur das erste Thyristorpaar (6) gezündet ist, und einen dritten Zündfall, in dem nur das zweite Thyristorpaar (7) gezündet ist, vorausberechnet. Unter Verwendung der vorausberechneten Drehmomentverläufe wird für jedes Thyristorpaar (6,7) entschieden, ob es gezündet wird.

Description

Beschreibung
Betreiben einer permanenterregten Synchronmaschine Die Erfindung betrifft eine permanenterregte Synchronmaschi¬ ne, die einen Stator mit einer Statorwicklung, einen Rotor und einen Thyristorsteller zum Stellen von Phasenströmen der Statorwicklung aufweist, sowie ein Verfahren zum Betreiben der Synchronmaschine.
Drehstrommaschinen werden gemäß der IEC-Norm 60034 anhand ihres Wirkungsgrades in verschiedene Energieeffizienzklassen eingeteilt. Gerade im unteren Leistungsbereich bis etwa 20 kW lassen sich Vorgaben für Wirkungsgrade von Hocheffizienzmoto- ren (IE 4) nur schwer einhalten. Deshalb wird vermehrt die
Verwendung von Permanentmagneten im Rotor angestrebt, insbesondere die Verwendung von permanenterregten Synchronmaschinen. Dieser Maschinentyp ermöglicht zwar hohe Energieeffizienzgrade, jedoch sind der Start sowie der Betrieb der Maschi- nen dieses Typs an einem starren Drehstromnetz nicht ohne weiteres möglich.
Um den Start und den Betrieb einer permanenterregten Synchronmaschine an einem starren Drehstromnetz zu ermöglichen, kann ein Dämpferkäfig im Rotor der Maschine vorgesehen werden. Ein Dämpferkäfig ermöglicht zwar einen sicheren Hochlauf an dem Drehstromnetz, belastet jedoch das speisende Drehstromnetz durch sehr hohe Anlaufströme sehr stark. DE 10 2011 085 859 AI offenbart ein Verfahren zum Betrieb ei¬ ner Synchronmaschine mittels eines drei Halbleitersteller um¬ fassenden dreiphasigen Drehstromstellers, der an ein Drehstromnetz angeschlossen wird. Dabei wird ein Drehmomentverlauf für die Synchronmaschine für einen festlegbaren Zeitraum bei Anschaltung wenigstens zweier der Halbleitersteller unter Berücksichtigung einer Phasendifferenz zwischen einer Polradspannung der Synchronmaschine und einer Netzspannung des Drehstromnetzes, einer Drehzahl des Rotors der Synchronma- schine, einem Statorstrom der Synchronmaschine und einer Pha¬ senlage des Drehstromnetzes vorausberechnet. Anhand der Vo¬ rausberechnung wird ein SchaltZeitpunkt bestimmt, zu dem die wenigstens zwei Halbleitersteller angeschaltet werden. Dieses Verfahren setzt jedoch voraus, dass der Drehstromsteller für jede Phase einen Halbleitersteller aufweist. Viele Drehstromsteller weisen jedoch aus Kostengründen nur für zwei Phasen einen Halbleitersteller auf, während die dritte Phase dauerhaft mit dem Drehstromnetz verbunden ist. Für diese Dreh- stromsteiler ist das aus DE 10 2011 085 859 AI bekannte Ver¬ fahren daher nicht einsetzbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer permanenterregten Synchronma- schine anzugeben, bei dem eine Phase dauerhaft mit einem Drehstromnetz verbunden ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An¬ spruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient dem Betreiben einer per- manenterregten Synchronmaschine, die an ein Drehstromnetz angeschlossen ist und einen Stator mit einer dreiphasigen Statorwicklung, einen Rotor und einen Thyristorsteller mit einem ersten Thyristorpaar zweier antiparallel geschalteter Thyristoren zum Stellen eines ersten Statorphasenstroms der Stator- wicklung und mit einem zweiten Thyristorpaar zweier antiparallel geschalteter Thyristoren zum Stellen eines zweiten Statorphasenstroms der Statorwicklung aufweist, wobei der dritte Statorphasenstrom der Statorwicklung nicht gestellt wird. Bei dem Verfahren werden wiederholt ein aktueller Pol- radwinkel, eine aktuelle Rotordrehzahl, eine aktuelle Netz¬ phasenlage des Drehstromnetzes und die aktuellen Statorpha¬ senströme ermittelt. Unter Verwendung des aktuellen Polrad¬ winkels, der aktuellen Rotordrehzahl, der aktuellen Netzpha- senlage und der aktuellen Statorphasenströme wird ein Drehmo¬ mentverlauf eines auf den Rotor wirkenden Drehmoments jeweils in einem Zündzeitraum für einen ersten Zündfall, in dem beide Thyristorpaare gezündet sind, einen zweiten Zündfall, in dem nur das erste Thyristorpaar gezündet ist, und einen dritten Zündfall, in dem nur das zweite Thyristorpaar gezündet ist, vorausberechnet. Unter Verwendung der vorausberechneten Drehmomentverläufe wird für jedes Thyristorpaar entschieden, ob es gezündet wird. Unter einem Thyristorpaar zweier antiparal- lel geschalteter Thyristoren zum Stellen eines Phasenstroms einer Phase wird hier ein Thyristorpaar verstanden, mit dem die jeweilige Phase durch Zünden des Thyristorpaares mit dem Drehstromnetz verbindbar ist. Die Erfindung ermöglicht das Betreiben einer permanenterreg¬ ten Synchronmaschine mit einem Thyristorsteller, der nur für zwei der drei Statorphasenströme jeweils ein Thyristorpaar zum Stellen des Statorphasenstroms aufweist. Das Verfahren sieht vor, wiederholt für jeweils einen Zündzeitraum Drehmo- mentverläufe des auf den Rotor wirkenden Drehmoments für die verschiedenen Möglichkeiten des Zündens der Thyristorpaare (Zündfälle) vorauszuberechnen und anhand der vorausberechne¬ ten Drehmomentverläufe jeweils zu entscheiden, ob eines und gegebenenfalls welches der Thyristorpaare gezündet wird, oder ob beide Thyristorpaare gezündet werden. Dadurch kann jeweils für einen Zündzeitraum das optimale Drehmoment eingestellt werden, wenn eine Phase der Synchronmaschine dauerhaft mit dem Drehstromnetz verbunden ist. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass fortlaufend wenigstens zwei Klemmenspannungen der Synchronmaschine er- fasst werden und der aktuelle Polradwinkel unter Verwendung der erfassten Klemmenspannungen ermittelt wird. Zusätzlich können auch die aktuellen Statorphasenströme bei der Ermitt- lung des Polradwinkels verwendet werden. Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht die Ermittlung des Polradwinkels und das anschließende Vorausberechnen der Drehmomentverläufe ohne ein kostspieliges Drehgebersystem zum Erfassen des Polradwin- kels. Der Polradwinkel wird stattdessen aus Klemmenspannungen der Synchronmaschine ermittelt, deren Erfassung einfacher und kostengünstiger ist als die Erfassung des Polradwinkels mit einem Drehgebersystem. Eine zusätzliche Berücksichtigung auch der aktuellen Statorphasenströme bei der Ermittlung des Pol¬ radwinkels ermöglicht vorteilhaft eine noch genauere Ermitt¬ lung des Polradwinkels, die keine zusätzliche Hardware erfor¬ dert, da die aktuellen Statorphasenströme bei dem Verfahren ohnehin ermittelt werden, um die Drehmomentverläufe vorauszu- berechnen.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass ein Drehmomentfenster für das Drehmoment vorgegeben wird und der Thyristorsteller nicht gemäß einem Zündfall angesteuert wird, für den der vorausberechnete Drehmomentverlauf ein außerhalb des Drehmomentfensters liegendes Drehmoment aufweist. Diese Ausgestaltung der Erfindung verhindert vorteilhaft, dass ein zu großes auf den Rotor wirkendes Drehmoment erzeugt wird. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass unter Verwendung des aktuellen Polradwinkels, der aktuellen Rotordrehzahl, der aktuellen Netzphasenlage und der aktuellen Statorphasenströme ein Statorphasenstromverlauf jedes Stator¬ phasenstroms jeweils in dem Zündzeitraum für den ersten Zünd- fall, den zweiten Zündfall und den dritten Zündfall vorausbe¬ rechnet wird und unter Verwendung der vorausberechneten Statorphasenstromverlaufe für jedes Thyristorpaar entschieden wird, ob es gezündet wird. Mit anderen Worten sieht diese Ausgestaltung der Erfindung vor, nicht nur den Drehmomentver- lauf, sondern auch die Statorphasenstromverläufe für jeden Zündfall in dem Zündzeitraum vorauszuberechnen und die vorausberechneten Drehmoment- und Statorphasenstromverläufe zu verwenden, um zu entscheiden, ob und welche Thyristoren jeweils gezündet werden. Dadurch kann der Betrieb der Synchron- maschine nicht nur unter Berücksichtigung des auf den Rotor wirkenden Drehmoments, sondern auch unter Berücksichtigung der Statorphasenströme optimiert werden. Insbesondere kann vorgesehen werden, dass ein Phasenstrom- fenster für die Statorphasenströme vorgegeben wird und der Thyristorsteller nicht gemäß einem Zündfall angesteuert wird, für den ein vorausberechneter Statorphasenstromverlauf einen außerhalb des Phasenstromfensters liegenden Statorphasenstrom aufweist. Dadurch wird vorteilhaft verhindert, dass ein zu hoher Statorphasenstrom die Synchronmaschine oder ein mit ihr verbundenes Stromnetz und daran angeschlossene Verbraucher zu stark belastet.
Ferner kann vorgesehen werden, dass ein Phasenstromschwellen- wert vorgegeben wird und ein Ende eines Zündzeitraums als ein Zeitpunkt definiert wird, zu dem der Betrag jedes mit einem Thyristorpaar gestellten Statorphasenstroms gemäß seinem vo- rausberechneten Statorphasenstromverlauf den Phasenstrom- schwellenwert unterschreitet. Diese Ausgestaltung der Erfin¬ dung nutzt aus, dass sich ein Thyristorpaar einer Phase von selbst abschaltet, wenn der Statorphasenstrom dieser Phase Null wird beziehungsweise sein Vorzeichen wechselt. Die vo- rausberechneten Statorphasenstromverläufe können daher verwendet werden, um zu ermitteln, wann kein Thyristorpaar mehr eingeschaltet sein wird. Dies ermöglicht vorteilhaft eine präzise Vorausberechnung des Endes des Zündzeitraums für je¬ den Zündfall, indem ein Ende des Zündzeitraums als ein Zeit- punkt definiert wird, zu dem der Betrag jedes mit einem Thy¬ ristorpaar gestellten Statorphasenstroms einen vorgegebenen Phasenstromschwellenwert unterschreitet .
Eine erfindungsgemäße permanenterregte Synchronmaschine um- fasst einen Stator mit einer dreiphasigen Statorwicklung, einen Rotor, einen Thyristorsteller mit einem ersten Thyristorpaar zweier antiparallel geschalteter Thyristoren zum Stellen eines ersten Statorphasenstroms der Statorwicklung und mit einem zweiten Thyristorpaar zweier antiparallel geschalteter Thyristoren zum Stellen eines zweiten Statorphasenstroms der Statorwicklung, eine Messanordnung zum Ermitteln eines aktuellen Polradwinkels, einer aktuellen Rotordrehzahl, einer aktuellen Netzphasenlage des Drehstromnetzes und der aktuellen Statorphasenströme, und eine Steuereinheit, die zum Vorausbe¬ rechnen der Drehmomentverläufe eines auf den Rotor wirkenden Drehmoments und zum Ansteuern des Thyristorstellers gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren eingerichtet ist. Die Messanord- nung kann insbesondere eine Spannungsmessvorrichtung zum Erfassen wenigstens zweier Klemmenspannungen der Synchronmaschine aufweisen. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, mit der Steuereinheit aus den erfassten Klemmenspannungen den aktuellen Polradwinkel zu ermitteln. Die Vorteile einer der- artigen Synchronmaschine ergeben sich aus den oben genannten Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen: FIG 1 einen Schaltplan einer permanenterregten Synchronmaschine,
FIG 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer permanenterregten Synchronmaschine.
Figur 1 zeigt einen Schaltplan einer permanenterregten Synchronmaschine 1, die an ein Drehstromnetz 8 angeschlossen ist. Die Synchronmaschine 1 umfasst einen Stator 2 mit einer (nicht näher dargestellten) dreiphasigen Statorwicklung, ei- nen Rotor 3, einen Thyristorsteller 4 zum Stellen von Statorphasenströmen der Statorwicklung, eine Steuereinheit 5 zum Ansteuern des Thyristorstellers 4 und eine Messanordnung 10 zum Ermitteln einer Netzphasenlage des Drehstromnetzes 8, der aktuellen Statorphasenströme, eines aktuellen Polradwinkels der Synchronmaschine 1 und einer aktuellen Rotordrehzahl des Rotors 3. Der Thyristorsteller 4 weist ein erstes Thyristorpaar 6 zweier antiparallel geschalteter Thyristoren 9 zum Stellen des Statorphasenstroms einer ersten Phase U und ein zweites Thy¬ ristorpaar 7 zweier antiparallel geschalteter Thyristoren 9 zum Stellen des Statorphasenstroms einer zweiten Phase V der Statorwicklung auf. Die Zündelektroden der Thyristoren 9 sind an die Steuereinheit 5 angeschlossen, von der die zum Zünden der Thyristorpaare 6, 7 erforderlichen Zündsignale bereitge¬ stellt werden. Durch Zünden eines Thyristorpaares 6, 7 einer Phase U, V wird ein Statorphasenstrom dieser Phase U, V erzeugt. Das Thyristorpaar 6, 7 einer Phase U, V schaltet sich von selbst ab, wenn der Statorphasenstrom dieser Phase U, V Null wird beziehungsweise sein Vorzeichen wechselt. Der Sta¬ torphasenstrom der dritten Phase W wird nicht durch den Thy- ristorsteller 4 gestellt und bleibt dauerhaft mit dem Dreh¬ stromnetz 8 verbunden. Die Steuereinheit 5 ist zum Ansteuern des Thyristorstellers 4 gemäß dem anhand von Figur 2 näher beschriebenen Verfahren eingerichtet. Beispielsweise weist die Steuereinheit 5 einen programmierbaren MikroController auf, der programmiert ist, um das Verfahren auszuführen.
Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens mit Verfahrensschritten Sl bis S3 zum Betreiben einer permanenterregten Synchronmaschine 1.
In einem ersten Verfahrensschritt Sl werden mit der Messanordnung 10 ein aktueller Polradwinkel, eine aktuelle Rotor¬ drehzahl, eine aktuelle Netzphasenlage des Drehstromnetzes 8 und die aktuellen Statorphasenströme ermittelt. Um den aktu- eilen Polradwinkel zu ermitteln, kann die Messanordnung 10 insbesondere eine Spannungsmessvorrichtung zum Erfassen wenigstens zweier Klemmenspannungen der Synchronmaschine 1 auf¬ weisen. In diesem Fall wird der aktuelle Polradwinkel, bei¬ spielsweise mit der Steuereinheit 5, aus den erfassten Klem- menspannungen und optional zusätzlich unter Verwendung der aktuellen Statorphasenströme ermittelt. Nach dem ersten Ver¬ fahrensschritt Sl wird ein zweiter Verfahrensschritt S2 aus¬ geführt . In dem zweiten Verfahrensschritt Sl werden von der Steuereinheit unter Verwendung des aktuellen Polradwinkels, der aktuellen Rotordrehzahl, der aktuellen Netzphasenlage und der ak- tuellen Statorphasenströme Drehmomentverläufe eines auf den Rotor 3 wirkenden Drehmoments und Statorphasenstromverläufe der Statorphasenströme jeweils in einem Zündzeitraum voraus¬ berechnet. Dabei werden ein Drehmomentverlauf und ein Stator¬ phasenstromverläuf jedes Statorphasenstroms jeweils für drei Zündfälle vorausberechnet, wobei in einem ersten Zündfall beide Thyristorpaare 6, 7 gezündet sind, in einem zweiten Zündfall nur das erste Thyristorpaar 6 gezündet ist und in dem dritten Zündfall nur das zweite Thyristorpaar 7 gezündet ist. Ein Ende des jeweiligen Zündzeitraums wird als ein Zeit- punkt definiert, zu dem der Betrag jedes mit einem Thyristor¬ paar 6, 7 gestellten Statorphasenstroms gemäß seinem voraus¬ berechneten Statorphasenstromverläuf einen vorgegebenen Pha- senstromschwellenwert unterschreitet. Nach dem zweiten Ver¬ fahrensschritt S2 wird ein dritter Verfahrensschritt S3 aus- geführt.
In dem dritten Verfahrensschritt S3 wird unter Verwendung der vorausberechneten Drehmomentverläufe und Statorphasenstrom- verläufe von der Steuereinheit 5 für jedes Thyristorpaar 6, 7 entschieden, ob es gezündet wird. Dazu wird insbesondere für jeden vorausberechneten Drehmomentverlauf geprüft, ob er ein außerhalb eines vorgegebenen Drehmomentfensters liegendes Drehmoment aufweist. Ferner wird für jeden vorausberechneten Statorphasenstromverläuf geprüft, ob er einen außerhalb eines vorgegebenen Phasenstromfensters liegenden Statorphasenstrom aufweist. Ein Zündfall wird als zulässig definiert, wenn der für ihn vorausberechnete Drehmomentverlauf kein außerhalb des Drehmomentfensters liegendes Drehmoment aufweist und kein für ihn vorausberechneter Statorphasenstromverläuf einen außer- halb des Phasenstromfensters liegenden Statorphasenstrom auf¬ weist. Wenn kein Zündfall zulässig ist, wird kein Thyristor¬ paar 6, 7 gezündet. Wenn nur ein Zündfall zulässig ist, wird der Thyristorsteller 4 gemäß dem zulässigen Zündfall ange- steuert. Wenn zwei oder drei Zündfälle zulässig sind, wird unter den zulässigen Zündfällen ein Zündfall, beispielsweise der Zündfall mit einem maximalen über seinen Zündzeitraum ge- mittelten Drehmoment, ausgewählt und der Thyristorsteller 4 wird gemäß dem ausgewählten Zündfall angesteuert. Nach dem dritten Verfahrensschritt S3 wird das Verfahren mit dem ers¬ ten Verfahrensschritt Sl fortgesetzt.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausfüh- rungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer permanenterregten Synchronmaschine (1), die an ein Drehstromnetz (8) angeschlossen ist und einen Stator (2) mit einer dreiphasigen Statorwicklung, einen Rotor (3) und einen Thyristorsteller (4) mit einem ersten Thyristorpaar (6) zweier antiparallel geschalteter Thyristoren (9) zum Stellen eines ersten Statorphasenstroms der Statorwicklung und mit einem zweiten Thyristorpaar (7) zweier antiparallel geschalteter Thyristoren (9) zum Stellen eines zweiten Statorphasenstroms der Statorwicklung aufweist, wobei
- der dritte Statorphasenstrom der Statorwicklung nicht gestellt wird,
- wiederholt ein aktueller Polradwinkel, eine aktuelle Rotor- drehzahl, eine aktuelle Netzphasenlage des Drehstromnet¬ zes (8) und die aktuellen Statorphasenströme ermittelt wer¬ den,
- unter Verwendung des aktuellen Polradwinkels, der aktuellen Rotordrehzahl, der aktuellen Netzphasenlage und der aktuellen Statorphasenströme ein Drehmomentverlauf eines auf den Ro¬ tor (3) wirkenden Drehmoments jeweils in einem Zündzeitraum für einen ersten Zündfall, in dem beide Thyristorpaare (6, 7) gezündet sind, einen zweiten Zündfall, in dem nur das erste Thyristorpaar (6) gezündet ist, und einen dritten Zündfall, in dem nur das zweite Thyristorpaar (7) gezündet ist, voraus¬ berechnet wird, und
- unter Verwendung der vorausberechneten Drehmomentverläufe für jedes Thyristorpaar (6, 7) entschieden wird, ob es gezündet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass fortlaufend wenigstens zwei Klemmenspannungen der Synchronmaschine (1) erfasst werden und der aktuelle Polradwinkel unter Verwendung der erfassten Klemmenspannungen ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der aktuelle Polradwinkel unter Verwendung der aktuellen Statorphasenströme ermittelt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drehmomentfenster für das Drehmoment vorgegeben wird und der Thyristorsteller (4) nicht gemäß einem Zündfall angesteuert wird, für den der vorausbe¬ rechnete Drehmomentverlauf ein außerhalb des Drehmomentfens- ters liegendes Drehmoment aufweist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwendung des aktuellen Polradwinkels, der aktuellen Rotordrehzahl, der aktuellen Netzphasenlage und der aktuellen Statorphasenströme ein Sta¬ torphasenstromverläuf jedes Statorphasenstroms jeweils in dem Zündzeitraum für den ersten Zündfall, den zweiten Zündfall und den dritten Zündfall vorausberechnet wird und unter Ver¬ wendung der vorausberechneten Statorphasenstromverläufe für jedes Thyristorpaar (6, 7) entschieden wird, ob es gezündet wird .
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Phasenstromfenster für die Statorphasenströme vorgegeben wird und der Thyristorstel¬ ler (4) nicht gemäß einem Zündfall angesteuert wird, für den ein vorausberechneter Statorphasenstromverläuf einen außerhalb des Phasenstromfensters liegenden Statorphasenstrom auf¬ weist.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Phasenstromschwellenwert vorgegeben wird und ein Ende eines Zündzeitraums als ein Zeitpunkt definiert wird, zu dem der Betrag jedes mit einem Thyristorpaar (6, 7) gestellten Statorphasenstroms gemäß sei¬ nem vorausberechneten Statorphasenstromverläuf den Phasenstromschwellenwert unterschreitet .
8. Permanenterregte Synchronmaschine (1), umfassend
- einen Stator (2) mit einer dreiphasigen Statorwicklung,
- einen Rotor (3) ,
- einen Thyristorsteller (4) mit einem ersten Thyristor- paar (6) zweier antiparallel geschalteter Thyristoren (9) zum Stellen eines ersten Statorphasenstroms der Statorwicklung und mit einem zweiten Thyristorpaar (7) zweier antiparallel geschalteter Thyristoren (9) zum Stellen eines zweiten Statorphasenstroms der Statorwicklung,
- eine Messanordnung (10) zum Ermitteln eines aktuellen Polradwinkels, einer aktuellen Rotordrehzahl, einer aktuellen Netzphasenlage des Drehstromnetzes (8) und der aktuellen Sta¬ torphasenströme, und
- eine Steuereinheit (5) , die zum Vorausberechnen der Drehmo- mentverläufe eines auf den Rotor (3) wirkenden Drehmoments und zum Ansteuern des Thyristorstellers (4) gemäß dem Verfah¬ ren nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.
9. Permanenterregte Synchronmaschine (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung (10) eine
Spannungsmessvorrichtung zum Erfassen wenigstens zweier Klemmenspannungen der Synchronmaschine (1) aufweist.
10. Permanenterregte Synchronmaschine (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Steuereinheit (5) aus den erfassten Klemmenspannungen der aktuelle Polradwinkel ermittelt wird.
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