WO2020109321A1 - Verfahren zum überwachen des betriebs eines frequenzumrichters und frequenzumrichter - Google Patents

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frequency converter
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frequency
control unit
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Johannes Brandt
Torsten Wedemeyer
Thomas Bisig
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Lenze Automation Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for monitoring the operation of a frequency converter and a frequency converter.
  • the invention has for its object to provide a method for monitoring the operation of a frequency converter and a frequency converter, which enable reliable and inexpensive monitoring of the operation.
  • the invention solves this problem by a method for monitoring the operation of a frequency converter according to claim 1 and a frequency converter according to claim 7.
  • the method is used to monitor the operation of a frequency converter that is designed to control an electric motor.
  • the electric motor can be a synchronous motor or an asynchronous motor, for example.
  • phase voltages are conventionally generated for corresponding phase strands or between corresponding phase strands of the electric motor based on associated setpoints for the phase voltages.
  • the amplitude and frequency of the phase voltages are generated, for example, based on the setpoint such that a desired speed of the electric motor and / or a desired torque of the electric motor is set.
  • three phase voltages are generated for three corresponding phase strands.
  • a voltage rotating field is determined as a further method step.
  • the rotating voltage field is calculated as a function of the setpoints for the phase voltages.
  • phase current is measured, which flows in a phase strand and which is set on the basis of the phase voltages.
  • a three-phase electric motor it may be sufficient to measure two of the three phase currents, since the third phase current arises from the other two phase currents.
  • a rotating current field is calculated as a function of the measured phase current or currents.
  • a phase difference between the rotating voltage field and the rotating current field and / or a frequency difference between the frequency of the rotating voltage field and the frequency of the rotating current field are calculated.
  • an error state is determined if the phase difference or an amount of the phase difference exceeds a phase difference threshold value and / or if the frequency difference or an amount of the frequency difference exceeds a frequency difference threshold value.
  • the phase difference threshold and the frequency difference threshold can be absolute or relative values.
  • the phase difference threshold and the frequency difference threshold can take into account a possible slip.
  • the phase difference threshold value and the frequency difference threshold value can be, for example, in a range between 1% and 10% based on a phase of the voltage rotating field or based on a frequency of the voltage rotating field.
  • the position of a rotor of the electric motor in applications with safety functions is typically determined using a so-called safe encoder system.
  • a so-called safe encoder system With such an encoder system it is possible to determine the speed of rotation and the angular position of the rotor.
  • the encoder system represents a space and cost factor. It is therefore customary to dispense with such encoder systems in cost-critical systems. However, this has limitations in dynamics and accuracy, which is acceptable in many applications.
  • phase strands being designated 2.1, 2.2, 2.3 in the following figures (conventionally also referred to as U, V and W).
  • the angular velocity oo_mech of the rotor depends on the angular velocity oo_el or rotational frequency f of the rotating voltage field.
  • a phase current i1, i2, i3 is generated in each of the 3 phase strands 2.1, 2.2, 2.3 by the voltage rotating field.
  • w_el 2p ⁇ applies.
  • a safe encoder system is now dispensed with, the frequency of the current rotating field and the frequency of the rotating voltage field being used to monitor the operation of the frequency converter, for example to monitor the angular velocity of the electric motor controlled by the frequency converter.
  • the voltage rotating field describes the circulation of the voltage in the electric motor.
  • the current voltage values or current values are added geometrically in each case.
  • the value x also contains angle information. Only the derivative of the angle has to be determined for the calculation of the speed.
  • the duty cycles can also be used to calculate the angular velocity in the rotating voltage field. The duty cycle and the voltage differ only in the amplitude, which in turn has no influence on the angular velocity.
  • the property can be used that the current and the voltage (or the duty cycle) contain the rotating field frequency and it is possible with both values to determine the speed of the rotor, neglecting the slip.
  • a first channel forms the rotating voltage field and a second channel forms the rotating current field.
  • the frequency converter can be switched off, for example, based on the functions STO, SS1, SLS, SMS and SDI.
  • the invention represents an inexpensive solution for sensorless safety technology, in particular for the functions SS1, SLS, SMS, SDI and SMS. Furthermore, the output frequency can be reliably detected even with asynchronous motors without additional sensors in the power output stage. The invention therefore enables speed-related safety functions to be implemented without an additional feedback system, in particular also with asynchronous machines.
  • the output frequency i.e. The speed of the electric motor can be monitored by independently evaluating the phase angle of the rotating current field and rotating voltage field. Monitoring can take place on a communication channel between a control unit and a power unit, the rotating voltage field or the associated one
  • Voltage space vector is formed from setpoints for the phase voltages from the control unit and the current rotating field or the associated current vector is formed from a measured value of the phase currents from the power unit.
  • the two-channel system required for safety reasons is achieved by monitoring two physically separate quantities, namely the angle of the voltage rotating field or voltage vector on the one hand and the angle of the current rotating field or current vector on the other. It is possible for two monitoring units to monitor the angles of the voltage and current vectors and to initiate or maintain a safe state if the detected speed is outside of predetermined limits.
  • the voltage rotating field is determined as a function of the setpoints for the phase voltages.
  • the relevant specialist literature reference should also be made to the relevant specialist literature.
  • the phase voltages for the corresponding phase strands of the electric motor are generated by means of pulse width modulation with variable duty cycles, the voltage rotating field being determined as a function of the duty cycles of the pulse width modulation.
  • the relevant specialist literature reference should also be made to the relevant specialist literature.
  • fault handling is carried out, in particular the generation of the phase voltages and thus also of the rotating field is prevented.
  • a safe torque-off function is carried out after the fault state has been determined.
  • the frequency converter further comprises: a control unit, for example in the form of a microprocessor, a power unit and at least one safety unit, in particular exactly two safety units that are independent of one another.
  • the power unit can, for example, conventionally have an inverter with power semiconductors, etc., which is designed to generate the phase voltages.
  • the control unit, the power unit and the at least one security unit are coupled to one another via a communication channel for data exchange.
  • a respective target value for the phase voltages is transmitted from the control unit to the power unit via the communication channel, the power unit then generating the phase voltages in accordance with the target value or values.
  • the measured values relating to the measured phase currents are transmitted from the power unit to the control unit via the communication channel.
  • the at least one safety unit is designed to evaluate the setpoint or values for the phase voltages transmitted via the communication channel and the measured values relating to the measured phase currents transmitted via the communication channel in order to determine the fault state.
  • the frequency converter according to the invention is designed to carry out the method described above.
  • the frequency converter has: a control unit, for example in the form of a microprocessor, a power unit and at least one safety unit, in particular exactly two mutually independent safety units.
  • the power unit can, for example, conventionally have an inverter with power semiconductors, etc., which is designed to generate the phase voltages.
  • the control unit, the power unit and the at least one security unit are coupled to one another via a communication channel for data exchange. A respective target value for the phase voltages is transmitted from the control unit to the power unit via the communication channel, the power unit then generating the phase voltages in accordance with the target value or values.
  • the measured values relating to the measured phase currents are transmitted from the power unit to the control unit via the communication channel.
  • the at least one safety unit is designed to evaluate the setpoint or values for the phase voltages transmitted via the communication channel and the measured values relating to the measured phase currents transmitted via the communication channel in order to determine the fault state.
  • control unit is designed to regulate the phase currents.
  • control unit is designed to use the phase voltages as a manipulated variable for regulating the phase currents.
  • Fig. 1 highly schematically a drive system with a frequency converter and an electric motor controlled by means of the frequency converter and
  • Fig. 2 is a schematic block diagram of an internal structure of the one shown in Fig. 1
  • FIG. 1 highly schematically shows a drive system with a frequency converter 1 and an electric motor 2 controlled by means of the frequency converter 1.
  • the frequency converter 1 is designed to have three phase voltages u 1, u2, u3 for corresponding phase strands 2.1, 2.2, 2.3 or between corresponding ones
  • phase currents i1, i2 and i3 To produce phase strands 2.1, 2.2, 2.3 of the electric motor 2 and adjusting To measure phase currents i1, i2 and i3.
  • phase currents i1, i2 and i3 To measure phase currents i1, i2 and i3.
  • relevant specialist literature To produce phase strands 2.1, 2.2, 2.3 of the electric motor 2 and adjusting To measure phase currents i1, i2 and i3.
  • FIG. 2 shows a schematic block diagram of an internal structure of the frequency converter 1 shown in FIG. 1.
  • the frequency converter 1 has a control unit 3, for example in the form of a microcontroller.
  • the frequency converter 1 also has a power unit 4.
  • the power unit 4 has a conventional inverter 8 for generating the phase voltages u1, u2 and u3. Furthermore, the power unit 4 has conventional current sensors 9, for example in the form of shunt resistors. The phase currents i1, i2 and i3 are measured by means of the current sensors 9.
  • the power unit 4 also has a control device 10 which controls all the essential functions of the power unit 4.
  • the power unit 4 also has a Safe Torque Off (STO) circuit 11, by means of which an STO state can be brought about.
  • STO Safe Torque Off
  • the inverter 8 is connected to the control device 10 via opto-couplers 12 and 13.
  • the current sensors 9 are connected to the control device 10 by means of an optional signal amplifier 14.
  • the frequency converter 1 also has a first safety unit 5 and a second safety unit 6.
  • control unit 3 the power unit 4 (galvanically separated by an opto-coupler 15), the first security unit 5 and the second security unit 6 are coupled to one another via a communication channel 7 for data exchange.
  • a respective setpoint for the phase voltages u1, u2, u3 is transmitted from the control unit 3 to the power unit 4 via the communication channel 7.
  • Measured values relating to the measured phase currents i1, i2, i3 are transmitted from the power unit 4 to the control unit 3 via the communication channel 7.
  • the safety units 5, 6 are each designed to independently determine the setpoint or values for the phase voltages u1, u2, u3 transmitted via the communication channel 7 and the measured values relating to the measured phase currents i1, i2, i3 transmitted via the communication channel 7 evaluate an error condition. For this purpose, the safety units 5, 6 each determine a voltage rotating field as a function of the phase voltages u 1, u2, u3 generated or to be generated. Furthermore, the safety units 5, 6 each determine a current rotating field as a function of the measured phase currents i1, i2, i3 and each calculate a phase difference between the voltage rotating field and the rotating current field and / or calculate a frequency difference between the frequency of the rotating voltage field and the frequency of the rotating current field.
  • the safety units 5, 6 each determine an error state when the phase difference exceeds a phase difference threshold value and / or when the frequency difference exceeds a frequency difference threshold value. If an error state has been determined in at least one of the safety units 5, 6, they carry out error handling independently of one another by signaling the Safe Torque Off (STO) circuit 11 to bring about an STO state by suitable control of the inverter 8.
  • STO Safe Torque Off
  • the security units 5, 6 can be arranged on a security board 16. Accordingly, the control unit 3 can be arranged on a control board 17. Finally, the power unit 4 can be arranged on a power board 18.

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Abstract

Verfahren zum Überwachen des Betriebs eines Frequenzumrichters (1), der zum Ansteuern eines Elektromotors (2) ausgebildet ist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: - Erzeugen von Phasenspannungen (u1, u2, u3) für korrespondierende Phasenstränge (2.1, 2.2, 2.3) des Elektromotors (2), - Ermitteln eines Spannungsdrehfelds, - Messen von sich einstellenden Phasenströmen (i1, i2, i3), - Ermitteln eines Stromdrehfelds in Abhängigkeit von den gemessenen Phasenströmen (i1, i2, i3), - Berechnen einer Phasendifferenz zwischen dem Spannungsdrehfeld und dem Stromdrehfeld und/oder Berechnen einer Frequenzdifferenz zwischen der Frequenz des Spannungsdrehfelds und der Frequenz des Stromdrehfelds, und - Bestimmen eines Fehlerzustands, wenn die Phasendifferenz einen Phasendifferenzschwellenwert überschreitet und/oder wenn die die Frequenzdifferenz einen Frequenzdifferenzschwellenwert überschreitet.

Description

Verfahren zum Überwachen des Betriebs eines Frequenzumrichters und Frequenzumrichter
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen des Betriebs eines Frequenzumrichters und einen Frequenzumrichter.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Überwachen des Betriebs eines Frequenzumrichters und einen Frequenzumrichter zur Verfügung zu stellen, die eine zuverlässige und kostengünstige Überwachung des Betriebs ermöglichen.
Der Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Überwachen des Betriebs eines Frequenzumrichters nach Anspruch 1 und einen Frequenzumrichter nach Anspruch 7.
Das Verfahren dient zum Überwachen des Betriebs eines Frequenzumrichters, der zum Ansteuern eines Elektromotors ausgebildet ist. Der Elektromotor kann beispielsweise ein Synchronmotor oder ein Asynchronmotor sein.
Bei dem Verfahren werden herkömmlich Phasenspannungen für korrespondierende Phasenstränge bzw. zwischen korrespondierenden Phasensträngen des Elektromotors basierend auf zugehörigen Sollwerten für die Phasenspannungen erzeugt. Amplitude und Frequenz der Phasenspannungen werden beispielsweise sollwertbasiert derart erzeugt, dass sich eine gewünschte Drehzahl des Elektromotors und/oder ein gewünschtes Drehmoment des Elektromotors einstellen. Typisch werden drei Phasenspannungen für drei korrespondierende Phasenstränge erzeugt. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
Als ein weiterer Verfahrensschritt wird ein Spannungsdrehfeld ermittelt. Insbesondere wird das Spannungsdrehfeld in Abhängigkeit von den Sollwerten für die Phasenspannungen berechnet. Hinsichtlich der Ermittlung des Spannungsdrehfelds sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
Als ein weiterer Verfahrensschritt wird mindestens ein Phasenstrom gemessen, der in einem Phasenstrang fließt und der sich aufgrund der Phasenspannungen einstellen. Bei einem dreiphasigen Elektromotor kann es genügen, zwei der drei Phasenströme zu messen, da sich der dritte Phasenstrom rechnerisch aus den anderen beiden Phasenströmen ergibt. Als ein weiterer Verfahrensschritt wird ein Stromdrehfeld in Abhängigkeit von dem oder den gemessenen Phasenströmen berechnet. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen
Als ein weiterer Verfahrensschritt werden eine Phasendifferenz zwischen dem Spannungsdrehfeld und dem Stromdrehfeld und/oder eine Frequenzdifferenz zwischen der Frequenz des Spannungsdrehfelds und der Frequenz des Stromdrehfelds berechnet.
Schließlich wird ein Fehlerzustand bestimmt, wenn die Phasendifferenz bzw. ein Betrag der Phasendifferenz einen Phasendifferenzschwellenwert überschreitet und/oder wenn die Frequenzdifferenz bzw. ein Betrag der Frequenzdifferenz einen Frequenzdifferenzschwellenwert überschreitet.
Der Phasendifferenzschwellenwert und der Frequenzdifferenzschwellenwert können absolute oder relative Werte sein. Der Phasendifferenzschwellenwert und der Frequenzdifferenzschwellenwert können einen möglichen Schlupf berücksichtigen. Der Phasendifferenzschwellenwert und der Frequenzdifferenzschwellenwert können beispielsweise in einem Bereich zwischen 1 % und 10 % bezogen auf eine Phase des Spannungsdrehfelds bzw. bezogen auf eine Frequenz des Spannungsdrehfelds liegen.
Die Ermittlung der Position eines Rotors des Elektromotors in Anwendungen mit Sicherheitsfunktionen erfolgt typisch mittels eines so genannten sicheren Gebersystems. Mittels eines solchen Gebersystems ist es möglich, die Drehgeschwindigkeit und die Winkelstellung des Rotors zu bestimmen. Das Gebersystem stellt jedoch einen Platz- und Kostenfaktor dar. Daher ist es üblich, in kostenkritischen Anlagen auf solche Gebersysteme zu verzichten. Dies bringt jedoch Einschränkungen in Dynamik und Genauigkeit mit sich, was aber in vielen Applikationen akzeptabel ist.
Herkömmliche Synchron- oder Asynchronmotoren werden mit einem dreiphasigen Spannungsdrehfeld angesteuert, wobei die Phasenstränge in den nachfolgenden Figuren mit 2.1 , 2.2, 2.3 bezeichnet werden (herkömmlich auch als U, V und W bezeichnet). Die Winkelgeschwindigkeit oo_mech des Rotors hängt von der Winkelgeschwindigkeit oo_el bzw. Drehfrequenz f des speisenden Spannungsdrehfeldes ab. Durch das Spannungsdrehfeld wird in jeder der 3 Phasenstränge 2.1 , 2.2, 2.3 ein Phasenstrom i1 , i2, i3 erzeugt. Für die Winkelgeschwindigkeit w_el gilt w_bI=2p†. Bei Synchronmotoren besteht eine strenge Proportionalität zwischen der Winkelgeschwindigkeit des magnetischen Drehfelds bzw. Spannungsdrehfelds und der Winkelgeschwindigkeit des Rotors. Bei Asynchronmaschinen ist die Winkelgeschwindigkeit des magnetischen Drehfelds bzw. Spannungsdrehfelds im motorischen Betrieb immer höher als die Winkelgeschwindigkeit des Rotors. Die Differenz wird durch den Schlupf (s) beschrieben und ist erforderlich, damit die Asynchronmaschine ein Moment aufbringen kann. Dabei ist der Schlupf im motorischen Betrieb immer zwischen 0 und 1. Bei der Berechnung der mechanischen Drehzahl muss noch die Polpaarzahl (p) berücksichtigt werden.
Somit gilt für die Synchronmaschine:
Figure imgf000005_0001
Bei der ASM muss noch der Schlupf ergänzt werden.
Figure imgf000005_0002
Erfindungsgemäß wird nun auf ein sicheres Gebersystem verzichtet, wobei zur Überwachung des Betriebs des Frequenzumrichters, beispielsweise zur Überwachung der Winkelgeschwindigkeit des mittels des Frequenzumrichters angesteuerten Elektromotors, die Frequenz des Stromdrehfeldes und die Frequenz des Spannungsdrehfeldes verwendet werden.
Das Spannungsdrehfeld beschreibt den Umlauf der Spannung im Elektromotor. Um die aktuelle Ausrichtung der Stromzeiger und Spannungszeiger zu erhalten, die das Stromdrehfeld bzw. das Spannungsdrehfeld beschreiben, werden die aktuellen Spannungswerte bzw. Stromwerte jeweils geometrisch addiert.
Figure imgf000005_0003
Der Wert x enthält neben der Amplitudeninformation auch Winkelinformation. Für die Berechnung der Drehzahl ist nur die Ableitung des Winkels zu bestimmen. Anstelle der Spannung können auch die Tastgrade für die Berechnung der Winkelgeschwindigkeit im Spannungsdrehfeld verwendet werden. Die Tastgrade und die Spannung unterscheiden sich nur in der Amplitude, die wiederum kein Einfluss auf die Winkelgeschwindigkeit hat. Hierbei kann die Eigenschaft genutzt werden, dass der Strom und die Spannung (bzw. die Tastgrade) die Drehfeldfrequenz beinhalten und es mit beiden Werten möglich ist, die Geschwindigkeit des Rotors unter Vernachlässigung des Schlupfs zu bestimmen.
Somit ist es möglich, eine zweikanalige Struktur aufzubauen, um die Winkelgeschwindigkeit des Rotors zu überwachen. Einen ersten Kanal bildet hierbei das Spannungsdrehfeld und einen zweiten Kanal bildet das Stromdrehfeld.
Nach dem Bestimmen des Fehlerzustands kann ein Abschalten des Frequenzumrichters beispielsweise basierend auf den Funktionen STO, SS1 , SLS, SMS und SDI erfolgen.
Die Erfindung stellt eine kostengünstige Lösung für geberlose Sicherheitstechnik dar, insbesondere für die Funktionen SS1 , SLS, SMS, SDI und SMS. Weiter ist eine sichere Erfassung der Ausgangsfrequenz auch bei Asynchronmotoren ohne zusätzliche Sensorik in der Leistungsendstufe möglich. Die Erfindung ermöglicht daher eine Realisierung von drehzahlbezogenen Sicherheitsfunktionen ohne zusätzliches Rückführsystem, insbesondere auch bei Asynchronmaschinen. Die Ausgangsfrequenz, d.h. die Drehzahl des Elektromotors, kann durch unabhängiges Auswerten des Phasenwinkels von Stromdrehfeld und Spannungsdrehfeld überwacht werden. Die Überwachung kann auf einem Kommunikationskanal zwischen einer Steuereinheit und einer Leistungseinheit erfolgen, wobei das Spannungsdrehfeld bzw. der zugehörige
Spannungsraumzeiger aus Sollwerten für die Phasenspannungen aus der Steuereinheit gebildet wird und das Stromdrehfeld bzw. der zugehörige Stromzeiger aus einem Messwert der Phasenströme aus der Leistungseinheit gebildet wird.
Die aus Sicherheitsgründen notwendige Zweikanaligkeit wird erreicht, indem zwei voneinander getrennte physikalisch Größen, nämlich Winkel des Spannungsdrehfelds bzw. Spannungsvektor einerseits und Winkel des Stromdrehfelds bzw. Stromvektor andererseits, überwacht werden. Es besteht die Möglichkeit, dass zwei Überwachungseinheiten die Winkel der Spannungs- und Stromvektoren überwachen und einen sicheren Zustand einleiten bzw. aufrechterhalten, wenn sich die detektierte Drehzahl außerhalb von vorgegebenen Grenzen befindet.
Für die Erfassung der Drehzahl wird kein Rückführsystem am Motor benötigt. Hierdurch können Kosten im System eingespart werden. Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Ermitteln des Spannungsdrehfelds in Abhängigkeit von den Sollwerten für die Phasenspannungen. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verweisen.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Erzeugen der Phasenspannungen für die korrespondierenden Phasenstränge des Elektromotors mittels einer Pulsweitenmodulation mit veränderlichen Tastgraden, wobei das Ermitteln des Spannungsdrehfelds in Abhängigkeit von den Tastgraden der Pulsweitenmodulation erfolgt. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verweisen.
Gemäß einer Ausführungsform wird nach dem Bestimmen des Fehlerzustands eine Fehlerbehandlung durchgeführt, insbesondere wird das Erzeugen der Phasenspannungen und somit auch des Drehfeldes unterbunden.
Gemäß einer Ausführungsform wird nach dem Bestimmen des Fehlerzustands eine Safe-Torque- Off-Funktion durchgeführt.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Frequenzumrichter weiter auf: eine Steuereinheit, beispielsweise in Form eines Mikroprozessors, eine Leistungseinheit und mindestens eine Sicherheitseinheit, insbesondere genau zwei voneinander unabhängige Sicherheitseinheiten. Die Leistungseinheit kann beispielsweise herkömmlich einen Wechselrichter mit Leistungshalbleitern usw. aufweisen, der dazu ausgebildet ist, die Phasenspannungen zu erzeugen. Die Steuereinheit, die Leistungseinheit und die mindestens eine Sicherheitseinheit sind über einen Kommunikationskanal zum Datenaustausch miteinander gekoppelt. Ein jeweiliger Sollwert für die Phasenspannungen wird von der Steuereinheit über den Kommunikationskanal zu der Leistungseinheit übertragen, wobei die Leistungseinheit dann die Phasenspannungen gemäß dem oder den Sollwerten erzeugt. Die Messwerte betreffend die gemessenen Phasenströme werden von der Leistungseinheit über den Kommunikationskanal zu der Steuereinheit übertragen. Die mindestens eine Sicherheitseinheit ist dazu ausgebildet, den oder die über den Kommunikationskanal übertragenen Sollwerte für die Phasenspannungen und die über den Kommunikationskanal übertragenen Messwerte betreffend die gemessenen Phasenströme zum Bestimmen des Fehlerzustands auszuwerten.
Der erfindungsgemäße Frequenzumrichter ist zum Durchführen des oben beschriebenen Verfahrens ausgebildet. Gemäß einer Ausführungsform weist der Frequenzumrichter auf: eine Steuereinheit, beispielsweise in Form eines Mikroprozessors, eine Leistungseinheit und mindestens eine Sicherheitseinheit, insbesondere genau zwei voneinander unabhängige Sicherheitseinheiten. Die Leistungseinheit kann beispielsweise herkömmlich einen Wechselrichter mit Leistungshalbleitern usw. aufweisen, der dazu ausgebildet ist, die Phasenspannungen zu erzeugen. Die Steuereinheit, die Leistungseinheit und die mindestens eine Sicherheitseinheit sind über einen Kommunikationskanal zum Datenaustausch miteinander gekoppelt. Ein jeweiliger Sollwert für die Phasenspannungen wird von der Steuereinheit über den Kommunikationskanal zu der Leistungseinheit übertragen, wobei die Leistungseinheit dann die Phasenspannungen gemäß dem oder den Sollwerten erzeugt. Die Messwerte betreffend die gemessenen Phasenströme werden von der Leistungseinheit über den Kommunikationskanal zu der Steuereinheit übertragen. Die mindestens eine Sicherheitseinheit ist dazu ausgebildet, den oder die über den Kommunikationskanal übertragenen Sollwerte für die Phasenspannungen und die über den Kommunikationskanal übertragenen Messwerte betreffend die gemessenen Phasenströme zum Bestimmen des Fehlerzustands auszuwerten.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, die Phasenströme zu regeln.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, als Stellgröße für die Regelung der Phasenströme die Phasenspannungen zu verwenden.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Hierbei zeigt:
Fig. 1 hoch schematisch ein Antriebssystem mit einem Frequenzumrichter und einem mittels des Frequenzumrichters angesteuerten Elektromotor und
Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild eines inneren Aufbaus des in Fig. 1 gezeigten
Frequenzumrichters.
Fig. 1 zeigt hoch schematisch ein Antriebssystem mit einem Frequenzumrichter 1 und einem mittels des Frequenzumrichters 1 angesteuerten Elektromotor 2.
Der Frequenzumrichter 1 ist dazu ausgebildet, drei Phasenspannungen u 1 , u2, u3 für korrespondierende Phasenstränge 2.1 , 2.2, 2.3 bzw. zwischen korrespondierenden
Phasensträngen 2.1 , 2.2, 2.3 des Elektromotors 2 zu erzeugen und sich einstellende Phasenströme i1 , i2 und i3 zu messen. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines inneren Aufbaus des in Fig. 1 gezeigten Frequenzumrichters 1.
Bezugnehmend auf Fig. 2 weist der Frequenzumrichter 1 eine Steuereinheit 3, beispielsweise in Form eines Microcontrollers auf.
Der Frequenzumrichter 1 weist weiter eine Leistungseinheit 4 auf. Die Leistungseinheit 4 weist einen herkömmlichen Wechselrichter 8 zum Erzeugen der Phasenspannungen u1 , u2 und u3 auf. Weiter weist die Leistungseinheit 4 herkömmliche Stromsensoren 9 auf, beispielsweise in Form von Shunt-Widerständen. Mittels der Stromsensoren 9 werden die Phasenströme i1 , i2 und i3 gemessen. Die Leistungseinheit 4 weist weiter eine Steuereinrichtung 10 auf, die alle wesentlichen Funktionen der Leistungseinheit 4 steuert. Die Leistungseinheit 4 weist weiter eine Safe Torque Off (STO)-Schaltung 1 1 auf, mittels der ein STO-Zustand bewirkt werden kann. Der Wechselrichter 8 ist mit der Steuereinrichtung 10 über Opto-Koppler 12 und 13 verbunden. Die Stromsensoren 9 sind mittels eines optionalen Signalverstärkers 14 mit der Steuereinrichtung 10 verbunden.
Der Frequenzumrichter 1 weist weiter eine erste Sicherheitseinheit 5 und eine zweite Sicherheitseinheit 6 auf.
Die Steuereinheit 3, die Leistungseinheit 4 (galvanisch getrennt durch einen Opto-Koppler 15), die erste Sicherheitseinheit 5 und die zweite Sicherheitseinheit 6 sind über einen Kommunikationskanal 7 zum Datenaustausch miteinander gekoppelt. Eine Punkt-zu-Punkt- Datenverbindung zwischen den beiden Sicherheitseinheiten 5 und 6 ist optional vorgesehen.
Ein jeweiliger Sollwert für die Phasenspannungen u1 , u2, u3 wird von der Steuereinheit 3 über den Kommunikationskanal 7 zu der Leistungseinheit 4 übertragen. Messwerte betreffend die gemessenen Phasenströme i1 , i2, i3 werden von der Leistungseinheit 4 über den Kommunikationskanal 7 zu der Steuereinheit 3 übertragen.
Die Sicherheitseinheiten 5, 6 sind jeweils dazu ausgebildet ist, unabhängig voneinander den bzw. die über den Kommunikationskanal 7 übertragenen Sollwerte für die Phasenspannungen u1 , u2, u3 und die über den Kommunikationskanal 7 übertragenen Messwerte betreffend die gemessenen Phasenströme i1 , i2, i3 zum Bestimmen eines Fehlerzustands auszuwerten. Hierzu ermitteln die Sicherheitseinheiten 5, 6 jeweils in Abhängigkeit von den erzeugten bzw. zu erzeugenden Phasenspannungen u 1 , u2, u3 ein Spannungsdrehfeld. Weiter ermitteln die Sicherheitseinheiten 5, 6 jeweils ein Stromdrehfeld in Abhängigkeit von den gemessenen Phasenströmen i1 , i2, i3 und berechnen jeweils eine Phasendifferenz zwischen dem Spannungsdrehfeld und dem Stromdrehfeld und/oder Berechnen eine Frequenzdifferenz zwischen der Frequenz des Spannungsdrehfelds und der Frequenz des Stromdrehfelds. Die Sicherheitseinheiten 5, 6 bestimmen jeweils einen Fehlerzustand, wenn die Phasendifferenz einen Phasendifferenzschwellenwert überschreitet und/oder wenn die die Frequenzdifferenz einen Frequenzdifferenzschwellenwert überschreitet. Falls ein Fehlerzustand in mindestens einer der Sicherheitseinheiten 5, 6 bestimmt worden ist, führen diese unabhängig voneinander eine Fehlerbehandlung durch, indem der Safe Torque Off (STO)-Schaltung 11 signalisiert wird, einen STO-Zustand durch geeignete Ansteuerung des Wechselrichters 8 zu bewirken.
Die Sicherheitseinheiten 5, 6 können auf einer Sicherheitsplatine 16 angeordnet sein. Entsprechend kann die Steuereinheit 3 auf einer Steuerplatine 17 angeordnet sein. Schließlich kann die Leistungseinheit 4 auf einer Leistungsplatine 18 angeordnet sein.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Überwachen des Betriebs eines Frequenzumrichters (1 ), der zum Ansteuern eines Elektromotors (2) ausgebildet ist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Erzeugen von Phasenspannungen (u 1 , u2, u3) für korrespondierende Phasenstränge (2.1 , 2.2, 2.3) des Elektromotors (2) basierend auf Sollwerten für die Phasenspannungen (u 1 , u2, u3),
Ermitteln eines Spannungsdrehfelds,
Messen von sich einstellenden Phasenströmen (H , i2, i3),
Ermitteln eines Stromdrehfelds in Abhängigkeit von den gemessenen Phasenströmen (i1 , i2, i3),
Berechnen einer Phasendifferenz zwischen dem Spannungsdrehfeld und dem Stromdrehfeld und/oder Berechnen einer Frequenzdifferenz zwischen der Frequenz des Spannungsdrehfelds und der Frequenz des Stromdrehfelds, und
Bestimmen eines Fehlerzustands, wenn die Phasendifferenz einen Phasendifferenzschwellenwert überschreitet und/oder wenn die die Frequenzdifferenz einen Frequenzdifferenzschwellenwert überschreitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
das Ermitteln des Spannungsdrehfelds in Abhängigkeit von den Sollwerten für die Phasenspannungen (u 1 , u2, u3) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
das Erzeugen der Phasenspannungen (u1 , u2, u3) für die korrespondierenden Phasenstränge (2.1 , 2.2, 2.3) des Elektromotors (2) mittels einer Pulsweitenmodulation mit veränderlichen Tastgraden erfolgt, wobei das Ermitteln des Spannungsdrehfelds in Abhängigkeit von den Tastgraden der Pulsweitenmodulation erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Bestimmen des Fehlerzustands eine Fehlerbehandlung durchgeführt wird, insbesondere das Erzeugen der Phasenspannungen (u1 , u2, u3) unterbunden wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Bestimmen des Fehlerzustands eine Safe-Torque-Off-Funktion durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzumrichter (1 ) aufweist:
eine Steuereinheit (3),
eine Leistungseinheit (4), und
mindestens eine Sicherheitseinheit (5, 6),
wobei die Steuereinheit (3), die Leistungseinheit (4) und die mindestens eine Sicherheitseinheit (5, 6) über einen Kommunikationskanal (7) zum Datenaustausch miteinander gekoppelt sind,
wobei die Sollwerte für die Phasenspannungen (u1 , u2, u3) von der Steuereinheit (3) über den Kommunikationskanal (7) zu der Leistungseinheit (4) übertragen werden, wobei Messwerte betreffend die gemessenen Phasenströme (i1 , i2, i3) von der Leistungseinheit (4) über den Kommunikationskanal (7) zu der Steuereinheit (3) übertragen werden, und
wobei die mindestens eine Sicherheitseinheit (5, 6) dazu ausgebildet ist, die über den Kommunikationskanal (7) übertragenen jeweiligen Sollwerte für die Phasenspannungen (u 1 , u2, u3) und die über den Kommunikationskanal (7) übertragenen Messwerte betreffend die gemessenen Phasenströme (i1 , i2, i3) zum Bestimmen des Fehlerzustands auszuwerten.
7. Frequenzumrichter (1 ), dadurch gekennzeichnet, dass
der Frequenzumrichter (1 ) zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
8. Frequenzumrichter (1 ) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
der Frequenzumrichter (1 ) aufweist:
eine Steuereinheit (3),
eine Leistungseinheit (4), und
mindestens eine Sicherheitseinheit (5, 6),
wobei die Steuereinheit (3), die Leistungseinheit (4) und die mindestens eine Sicherheitseinheit (5, 6) über einen Kommunikationskanal (7) zum Datenaustausch miteinander gekoppelt sind,
wobei Sollwerte für die Phasenspannungen (u 1 , u2, u3) von der Steuereinheit (3) über den Kommunikationskanal (7) zu der Leistungseinheit (4) übertragen werden, wobei Messwerte betreffend die gemessenen Phasenströme (i1 , i2, i3) von der Leistungseinheit (4) über den Kommunikationskanal (7) zu der Steuereinheit (3) übertragen werden, und wobei die mindestens eine Sicherheitseinheit (5, 6) dazu ausgebildet ist, die über den Kommunikationskanal (7) übertragenen jeweiligen Sollwerte für die Phasenspannungen (u 1 , u2, u3) und die über den Kommunikationskanal (7) übertragenen Messwerte betreffend die gemessenen Phasenströme (i1 , i2, i3) zum Bestimmen des Fehlerzustands auszuwerten.
9. Frequenzumrichter (1 ) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinheit (3) dazu ausgebildet ist, die Phasenströme (i 1 , i2, i3) zu regeln.
10. Frequenzumrichter (1 ) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinheit (3) dazu ausgebildet ist, als Stellgröße für die Regelung der Phasenströme (i1 , i2, i3) die Phasenspannungen (u 1 , u2, u3) zu verwenden.
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