WO2018072810A1 - Verfahren zur ausrichtung einer drehstrommaschine mit sanftanlauf und drehstrommaschine - Google Patents

Verfahren zur ausrichtung einer drehstrommaschine mit sanftanlauf und drehstrommaschine Download PDF

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Definitions

  • a rotary electric machine converts mechanical energy into rotational ⁇ current or three-phase current into mechanical energy. It can basically be operated as an electric generator or as an electric motor. As a soft start measures to limit the power when switching an electrical device, such as an electric motor called.
  • Figure 1 shows a schematic representation of such a permanent-magnet synchronous machine, in the embodiment as internal nenpolmaschine with a stator St and a rotor L.
  • the rotor comprises a magnetic north pole N and south pole S and winding strands U, V, W.
  • the illustration is only by way of example and has no limiting effect on the scope of the claimed subject matter.
  • a damper cage can be provided in the rotor of the machine, which although a safe run-up on the rigid network allows, however, the feeding mains heavily loaded by very high starting currents.
  • the operation of a suitable shovektro ⁇ African actuator such as a frequency converter or soft start is possible.
  • the A soft start is a cost-effective solution for starting up a permanent-magnet synchronous machine on a rigid network. At present, however, no marketable solution is known.
  • the start method required differs from the prior art sensorless methods in that it is suitable for a thyristor controller rather than a frequency converter. Inverter must be usable. Thus, these known methods are not applicable.
  • the problem of encoderless run-up can be divided into two sub-problems: Determination of the initial rotor angle, start-up of the machine (invention report is in progress).
  • Figure 1 shows a section through an exemplary rotary ⁇ current machine
  • Figure 2 is a diagram of the current direction with discrete
  • FIG. 3 shows a simulated current profile in phase U
  • FIG. 4 shows an exemplary profile of the electrical angle during the alignment process at different starting angles.
  • the claimed process shows how the initial rotor Posi ⁇ tion can be set so that a run without encoder is possible.
  • the electrical position of the machine is unknown and must be determined or determined.
  • the machine is subjected to pulsating currents in a defined direction and aligned by them in the clear direction.
  • the current profile is analyzed so that it can be determined whether the machine is actually moving. In the following, the individual steps are explained in more detail.
  • quadrant I the phases V and W are ignited, in quadrant II the phases U and W, and in quadrant IV the phases U and V.
  • two thyristors are fired only once at a very large ignition angle (eg 180 °) and the amplification of the phase currents ⁇ tudenwert determined. Due to the large ignition angle, the effective ⁇ on the machine voltage-time area and hence the maximum of the resulting current are very low. If the current amplitude is less than a defined maximum ⁇ worth the firing angle of the thyristor is slowly reduced by eg 180 ° and the current amplitude value again compared with the maximum value.
  • a very large ignition angle eg 180 °
  • This process is repeated until the amplitude value is sufficiently close to the maximum value.
  • Phase U and V are ignited and the current in phase U is positive. So the angle in the vector is -30 °.
  • the machine has already been able to align due to the pulsating currents. However, this does not guarantee that the machine is already fully aligned. For this reason, the thyristors are fired several times (the number is calibrated) with the determined optimum ignition angle, so that it can be assumed at the end that the machine is no longer moving and thus aligned. Finally, the course of the current space pointer is recorded during an ignition process and used as a reference curve in the subsequent measurements.
  • the machine After the first alignment, it must be ensured that the machine can actually move freely and, secondly, that it can actually move in the direction of the flow and not exactly by 180 ° is aligned.
  • the method described above is repeated with the same optimum ignition angle, but in a different current direction.
  • phases U and V have been ignited
  • phases V and W are now ignited.
  • the procedure can be repeated or an error is reported to protect the machine from mechanical damage.
  • FIGS. 3 and 4 show, by way of example, the simulated course of the phase current in phase U and the course of the electrical angle during the alignment process at different starting angles.
  • the machine was simplified with a DC voltage applied, however, the basic statements are also valid for the excitation with a thyristor.
  • two indicators of successful alignment can be introduced by calculating ⁇ s finish and comparison to a threshold ⁇ .
  • the described starting method differs from the known encoderless methods in that it is suitable for a Thyristor and not a frequency converter must be usable. This has the direct result that a method with test SignalaufSchnaltung at low speeds due to the hardware topology is not feasible - the known methods are not transferable to the present application.

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Abstract

Um die in der IEC-Norm 60034 definierte Energieffizienzklasse IE4 zu erreichen, ist es nötig, Permanenterregte Synchronmaschinen direkt am Netz zu betreiben. Da dies nicht ohne weiteres möglich ist, kommen Sanftanlaufgerate als kosteneffiziente Lösung in Frage. Die vorliegende Anmeldung beschreibt ein Verfahren, mit dem der initiale Rotorwinkel definiert wird, welcher anschließend von einem geberlosen Startverfahren herangezogen werden kann. Die grundlegende Idee basiert auf der Bestromung in eine definierte Richtung. Diese wird dadurch erreicht, dass lediglich zwei Stellerphasen gezündet werden. Hierdurch wird die Maschine mit einem Stromraumzeiger in fester Richtung beaufschlagt und richtet sich danach aus. Somit kann anhand des Verlaufs des Ständerstromraumzeigers die erfolgreiche Ausrichtung sowie ein blockierter Motor erkannt werden.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Ausrichtung einer Drehstrommaschine mit
Sanftanlauf und Drehstrommaschine
Eine Drehstrommaschine wandelt mechanische Energie in Dreh¬ strom oder Drehstrom in mechanische Energie um. Sie kann grundsätzlich als elektrischer Generator oder als Elektromotor betrieben werden. Als Sanftanlauf werden Maßnahmen zur Leistungsbegrenzung beim Einschalten eines elektrischen Gerätes, beispielsweise eines elektrischen Motors, bezeichnet.
Drehstrommaschinen werden gemäß der IEC-Norm 60034 anhand ihres Wirkungsgrades in verschiedene Energieeffizienzklassen eingeteilt. Gerade im unteren Leistungsbereich bis ca. 20kW lassen sich die gesetzlichen Wirkungsgrade für Elektroantrie¬ be nur schwer einhalten, weshalb vermehrt die Verwendung von Permanentmagneten im Rotor angestrebt wird, z.B. als Permanenterregte Synchronmaschine (PMSM) .
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer solchen Permanenterregten Synchronmaschine, in der Ausführung als In- nenpolmaschine mit einem Stator St und einem Läufer L. Der Läufer umfasst einen magnetischen Nordpol N und Südpol S und Wicklungs strängen U, V, W. Die Darstellung ist lediglich beispielhaft zu verstehen und hat keine einschränkende Wirkung auf den Schutzbereich des beanspruchten Gegenstands.
Dieser Maschinentyp ermöglicht zwar hohe Energieeffizienzgra- de, jedoch sind der Start sowie der Betrieb am starren Netz nicht ohne weiteres möglich .
Um dies zu ermöglichen, kann ein Dämpferkäfig im Läufer der Maschine vorgesehen werden, welcher zwar einen sicheren Hochlauf am starren Netz ermöglicht, jedoch das speisende Netz durch sehr hohe Anlaufströme stark belastet.
Ebenso ist der Betrieb an einem geeigneten leistungselektro¬ nischen Stellglied, wie zum Beispiel einem Frequenzumrichter oder Sanftanlauf möglich. Hier stellt insbesondere der Ein- satz eines Sanftanlaufs eine kostenfreundliche Lösung zum Hochlauf einer Permanenterregten Synchronmaschine am starren Netz dar. Derzeit ist hierfür jedoch noch keine marktreife Lösung bekannt .
In der Dissertation von Herr Dr. Marcel Bennecke (Universität Magdeburg) mit dem Titel "Anlauf von energieeffizienten Synchronmaschinen mit Drehstromsteller" wird eine Lösung zum Hochlauf der Permanenterregten Synchronmaschine an einem Sanftanlauf vorgestellt. Das in dieser Arbeit vorgestellte Verfahren benötigt jedoch den aktuellen Polradwinkel der Maschine, sodass die für die Arbeit verwendeten Motoren mit ei¬ nem entsprechenden Gebersystem ausgestattet werden müssen. Unter einem Geber versteht man Drehzahl- und Lagegeber. Diese erfassen, die mechanischen Größen Drehzahl und Lage. Ihre Signale sind erforderlich, um die Regler mit Istwerten zu versorgen und die vorhandenen Lage- und Drehzahlregelkreise zu schließen. Für die vektoriellen Regelverfahren bei Drehstromantrieben dienen die Lage- und Drehzahlsignale auch als wichtige Eingangsgröße für den Stromregelkreis . Der Geber er¬ faßt in diesem Fall die Drehzahl und/oder Lage unmittelbar an der Motorwelle.
Das Gebersystem wirkt sich allerdings negativ auf die Kosten und die Verfügbarkeit des Systems aus, was derzeit eine Sanftanlauflösung für hocheffiziente Motoren unattraktiv macht .
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Hochlauf einer Permanenterregten Synchronmaschine ohne Geber anzugeben. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine Permanenterreg¬ ten Synchronmaschine ohne Geber anzugeben, welche mit dem er¬ findungsgemäßen Verfahren arbeitet.
Das benötigte Startverfahren unterscheidet sich zu den im Stand der Technik bekannten geberlosen Verfahren dahingehend, dass es für einen Thyristorsteller und nicht einen Frequenz- Umrichter verwendbar sein muss. Somit sind diese bekannten Verfahren nicht anwendbar.
Die Problematik des geberlosen Hochlaufs kann in zwei Teilprobleme zerlegt werden: Bestimmung des initialen Rotorwinkels, Hochlauf der Maschine (Erfindungsmeldung ist in Arbeit ) .
Die Erfindung wird auch durch die folgenden Figuren dargestellt :
Figur 1 zeigt einen Schnitt durch eine beispielhafte Dreh¬ strom-Maschine,
Figur 2 ein Diagramm der Stromrichtung mit diskreten
Strumraumzeigern,
Figur 3 zeigt einen simulierten Stromverlauf in Phase U und Figur 4 zeigt einen beispielhaften Verlauf des elektrischen Winkels während des Ausrichtvorgangs bei unterschiedlichen Startwinkeln .
Das beanspruchte Verfahren zeigt, wie die initiale Rotorposi¬ tion festgelegt werden kann, sodass ein Hochlauf ohne Geber möglich ist .
Im initialen Zustand des Systems ist die elektrische Lage der Maschine unbekannt und muss ermittelt bzw. festgelegt werden. Hierzu wird die Maschine mit pulsenden Strömen in definierter Richtung beaufschlagt und durch diese in eindeutiger Richtung ausgerichtet. Ebenso wird der Stromverlauf analysiert, sodass ermittelt werden kann, ob sich die Maschine überhaupt bewegt . Im Folgenden werden die einzelnen Schritte genauer erläutert .
Während des gesamten Ablaufs werden immer lediglich zwei Ventile, bestehend aus zwei antiparallelen Thyristoren, gezündet, sodass nur zwei Motorphasen stromdurchflossen sind. Die dritte Phase führt keinen Strom, da das entsprechende Ventil sperrt. Folgerichtig gilt für diesen Zustand, dass die beiden stromdurchflossenen Phasen dem Betrage nach denselben Strom führen, jedoch mit unterschiedlichen Vorzeichen. Dies hat zur Folge, dass der Stromraumzeiger im ständerfesten Koordinaten- System lediglich auf drei festen Achsen verlaufen kann und die Stromraumzeigerlänge sich zeitabhängig ändert.
Berücksichtigt man die Stromrichtung, sind insgesamt 6 dis¬ krete Stromraumzeiger möglich, siehe Figur 2.
In Quadrant I sind die Phasen V und W gezündet, in Quadrant II die Phasen U und W, und in Quadrant IV die Phasen U und V.
Durch den Stromfluss in eine der sechs möglichen Richtungen wird ein ebenso ausgerichtetes Feld in der Maschine aufge¬ baut. Ist die Flussachse der Maschine nicht in dieser durch den Strom determinierten Richtung, entsteht ein Drehmoment und die Maschine beginnt sich in Richtung des Ständerstromraumzeigers zu drehen - sie richtet sich also von alleine in Stromrichtung aus. Sobald die Flussachse der Maschine mit der Stromrichtung zusammenfällt, entsteht kein Drehmoment mehr.
Ermittlung des optimalen Zündwinkels:
Um sicherzustellen, dass die Ausrichtung der Maschine mit einem festgelegten Maximalstrom (und damit auch mit einem maximalen Drehmoment) durchgeführt wird, muss zunächst der opti¬ male Zündwinkel ermittelt werden. Dieser wird bei allen wei¬ teren Ausrichtvorgängen verwendet.
Hierfür werden zwei Thyristoren bei einem sehr großen Zündwinkel (z.B. 180°) lediglich einmalig gezündet und der Ampli¬ tudenwert der Phasenströme ermittelt . Durch den großen Zünd¬ winkel sind die an der Maschine wirksame Spannungszeitfläche und damit das Maximum des resultierenden Stroms sehr gering. Ist die Stromamplitude geringer als ein definierter Maximal¬ wert, wird der Zündwinkel des Thyristorstellers langsam von z.B. 180° verringert und der Stromamplitudenwert wieder mit dem Maximalwert verglichen.
Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis der Amplitudenwert ausreichend nahe am Maximalwert liegt.
Bei allen weiteren Messungen muss der Amplitudenwert der Ströme kontinuierlich überwacht und gegebenenfalls der opti- male Zündwinkel nochmals angepasst werden. Vereinfachend wird im Weiteren vorausgesetzt, dass dies nicht nötig ist.
Eine Berechnung kann dabei wie folgt aussehen:
Phase U und V werden gezündet und der Strom in Phase U ist positiv. So ist der Winkel im Vektor ist -30°.
Bei Anwendung der Clarke/Park Transformation mit dem elektrischen Winkel der Maschine φ kann der den Drehmoment bildende Strom Ia berechnet werden:
Figure imgf000006_0001
Folglich wird der Drehmoment berechnet als (Ld = Lq) :
Figure imgf000006_0002
4
= - j^= - p - ipd - Iu(t) - cos {-<p + -)
Der Drehmoment wird 0 wenn der elektrische Winkel = -30° ist.
Erste Ausrichtung:
Während der Ermittlung des optimalen Zündwinkels hat sich die Maschine aufgrund der pulsierenden Ströme bereits ausrichten können. Es ist jedoch hiermit noch nicht sichergestellt, dass die Maschine bereits vollständig ausgerichtet ist. Aus diesem Grund werden die Thyristoren noch mehrmals (die Anzahl ist kalibrierbar) mit dem ermittelten optimalen Zündwinkel gezündet, sodass am Ende davon ausgegangen werden kann, dass sich die Maschine nicht mehr bewegt und somit ausgerichtet ist. Abschließend wird der Verlauf des Stromraumzeigers während eines Zündvorgangs aufgezeichnet und bei den nachfolgenden Messungen als Referenzverlauf verwendet.
Zweite Ausrichtung (Plausibilisierung) :
Nach der ersten Ausrichtung muss sichergestellt werden, dass sich die Maschine zum einen tatsächlich frei bewegen kann und zum anderen wirklich in Stromrichtung und nicht um genau 180° versetzt ausgerichtet ist. Hierfür wird das oben beschriebene Verfahren mit demselben optimalen Zündwinkel, jedoch in einer anderen Stromrichtung wiederholt .
Wurden also bisher beispielsweise immer die Phasen U und V gezündet, werden nun die Phasen V und W gezündet. Hierbei kann man die Phasenfolge so wählen, dass der Motor in positi¬ ver Drehrichtung dreht und es nicht zu einem eventuellen Schaden an der Mechanik kommt, da diese sich während der Ausrichtung entgegengesetzt der erlaubten Drehrichtung dreht.
Während nun die Maschine mit einem pulsierenden Stromraumzei¬ ger in anderer Richtung beaufschlagt wird, wird der gemessene Verlauf des Ständerstromraumzeigers mit dem Referenzverlauf aus der ersten Ausrichtung verglichen. Sind die Verläufe sehr ähnlich, bewegt sich der Motor nicht und eine entsprechende Meldung („Motor blockiert") wird ausgegeben - der Ausrichtvorgang kann nicht abgeschlossen werden und deshalb zum Schutz des Systems abgebrochen.
Richtet sich die Maschine entsprechend des neuen Winkels des Stromraumzeigers neu aus, sind die Stromverläufe unterschied¬ lich. Nun werden dieselben Thyristoren wieder mehrmals gezündet um die Maschine endgültig auszurichten. Am Ende dieses Vorgangs wird der Verlauf des Ständerstromraumzeigers wieder mit dem Referenzverlauf verglichen. Sind die Verläufe sehr ähnlich, bewegt sich die Maschine nicht mehr und die Maschine ist ausgerichtet.
Differieren die Verläufe nach wie vor markant, kann das Verfahren wiederholt werden oder es wird ein Fehler gemeldet um die Maschine vor mechanischer Beschädigung zu schützen.
Stromverlauf (simuliert) :
Die Figuren 3 und 4 zeigen beispielhaft den simulierten Ver- lauf des Phasenstroms in Phase U sowie den Verlauf des elekt- rischen Winkels während des AusrichtVorgangs bei unterschied- liehen Startwinkeln. In der Simulation wurde die Maschine vereinfachend mit einer DC-Spannung beaufschlagt, jedoch sind die grundlegenden Aussagen auch auf die Anregung mit einem Thyristorsteller gültig .
Es wird deutlich, dass bei einem Startwinkel von φ= -30° die Maschine bereits ausgerichtet ist und der Stromverlauf allei ne durch den Widerstand und die Induktivität der Maschine de terminiert wird (RL-Strecke) . Mit steigendem Initialwinkel der Maschine weicht der Stromverlauf markant von diesem ein¬ fachen RL-Verhalten ab. Die Ursache hierfür sind die durch die Bewegung der Maschine induzierten Spannungen, welche die Stromform beeinflussen - der Verlauf des Stromes kann also zur Plausibilisierung („bewegt sich die Maschine?") herange¬ zogen werden.
Zwei Indikatoren für eine erfolgreiche Ausrichtung können beispielsweise eingeführt werden durch die Berechnung < sfinish
Figure imgf000008_0001
und Vergleich zu einem Schwellwert ε. Stromverlauf (gemessen) :
Der simulierte Stromverlauf bei DC-Bestromung wurde an einer realen Maschine im Labor verifiziert. Die Startwinkel wurden grob mit folgenden Werten abgeschätzt:
Figure imgf000008_0002
Das beschreibene Startverfahren unterscheidet sich zu den be- kannten geberlosen Verfahren dahingehend, dass es für einen Thyristorsteller und nicht einen Frequenzumrichter verwendbar sein muss. Dies hat direkt zur Folge, dass ein Verfahren mit Test SignalaufSchaltung bei geringen Drehzahlen aufgrund der Hardware-Topologie nicht realisierbar ist - die bekannten Verfahren sind nicht auf den vorliegenden Anwendungsfall übertragbar .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Ausrichtung einer Drehstrommaschine mit
Sanftanlauf mit folgenden Schritten:
in einem ersten Schritt eine erste Ausrichtung des Läufers durchgeführt wird, indem ein optimaler Zündwinkel ermit¬ telt wird,
in einem zweiten Schritt eine erste Ausrichtung erfolgt unter Verwendung des ermittelten optimalen Zündwinkels, und
in einem dritten Schritt eine Plausibilisierung der Ausrichtung des Läufers durchgeführt wird, indem der Läufer mit dem zuvor ermittelten Zündwinkel in einer anderen Stromrichtung beaufschlagt wird,
wobei bei jedem Schritt des Verfahrens nur zwei Motorpha¬ sen (U, V, W) der Drehstrommaschine stromdurchflossen sind .
2. Verfahren gemäß Patentanspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste stromdurchflossene Stromphase (U, V, W) dem Be¬ trage nach die gleiche Strommenge führt wie die zweite stromdurchflossene Stromphase (U, V, W) , und
die erste stromdurchflossene Stromphase (U, V, W) der Richtung nach ein anderes Vorzeichen aufweist wie die zweite stromdurchflossene Stromphase (U, V, W) .
3. Verfahren gemäß einem der vorherigen Patentansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein optimaler Zündwinkel ermittelt wird, indem zwei Zün¬ dungen mit sehr großem Zündwinkel, insbesondere 180°, ein¬ mal gezündet werden und ein Amplitudenwert der Phasenströ¬ me ermittelt werden.
4. Verfahren gemäß Patentanspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine weitere Zündung durchgeführt wird, solange bis der gemessene Amplitudenwert nahe an einem Maximalwert liegt .
Verfahren gemäß einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Verlauf des Stromraumanzeichers während eines Zündvor ganges aufgezeichet wird und bei den nachfolgenden Messun gen als Referenzverlauf verwendet wird.
Verfahren gemäß Patentanspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der gemessene Verlauf des Stromraumanzeigers ein einer zweiten Stromrichtung mit dem zuvor aufgezeichneten Referenzverlauf basierend auf einer ersten Stromrichtung verglichen wird und bei einer Übereinstimmung eine Fehlermel dung ausgegeben wird.
Drehstrommaschine, mit Sanftanlauf
dadurch gekennzeichnet, dass
eine initiale Ausrichtung der Drehstrommaschine gemäß dem Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 mit 6 erfolgt.
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