Zur Anpassung der einer Induktionsmaschine zugeführten elek- trischen Leistung an die jeweils aktuellen Lastverhältnisse, insbesondere beim Anlaufen und Abbremsen, ist es bekannt, steuerbare Wechselstromsteller einzusetzen.

Ein solcher mikroprozessorgesteuerter Wechselstromsteller bzw. Softstarter, wie er beispielsweise aus der EP 0 454 697 B1 bekannt ist, arbeitet nach dem Phasenan- schnitt-Prinzip und dient im wesentlichen dem ruckfreien An- und Auslauf von Drehstrom-Asynchronmaschinen. Hierzu werden meist drei Ventilsätze, im allgemeinen bestehend aus jeweils zwei antiparallelen Thyristoren, durch einen Mikroprozessor angesteuert.

Die Steuereinrichtung des bekannten Drehstromstellers verfügt über keine Informationen zur aktuellen Drehzahl der Maschine.

Dies kann bei bestimmten mechanischen Lastverhältnissen zu einer ungünstigen Betriebsweise des gesamten Antriebes füh- ren. So kann es während des Auslaufs eines Pumpenantriebes zu einem abrupten Drehzahlabfall kommen, der. zu extrem hohen Drücken im Rohrleitungssystem und damit-zu starken mechani- schen Belastungen bzw. sogar zur Zerstörung der Anlage führen kann.

Bei Kenntnis der Drehzahl kann mit Hilfe der Steuereinrich- tung, in der Regel ein Mikroprozessor, eine Drehzahl-Steue-

rung realisiert werden, die einen weitestgehend ruckfreien An-und Auslauf des Antriebes auch bei ungünstigen mechani- schen Lastverhältnissen gestattet.

Die DE 27 15 935 Al offenbart eine Hochlaufüberwachung von Asynchronmaschinen, bei der der Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung bestimmt und hieraus eine binaire Information Aber den Hochlauf der Maschine abgeleitet wird. Erfolgt der Hochlauf nicht innerhalb eines bestimmten Zeitraumes, wird zur Vermeidung von thermischen Oberlastungen die Maschine wieder vom Netz getrennt.

In der US 5 548 197 A werden die Stromnulldurchgänge der drei Statorströme erfaßt, wozu u. a. die über den Thyristoren meß- bare Spannung genutzt wird. Aus zwei unmittelbar aufeinander folgenden Stromnulldurchgängen wird ein Fehlersignal gebil- det, indem die Zeitpunkte der Nulldurchgange voneinander sub- trahiert und anschließend ein Sechstel der Netzperiode abge- zogen wird. Das um den Nullpunkt schwankende Fehlersignal wird einer Frequenzanalyse unterzogen und hieraus die Dreh- zahl des Rotors bestimmt. Netzstörungen können hierbei zu ei- ner Verfälschung des Meßsignals führen.

Ein Verfahren, welches die Polarität der induzierten Klemmen- spannung während eines Bremsvorgangs mittels Drehstromsteller mißt und die Drehzahl aus dem zeitlichen Versatz der Polari- tätswechsel der einzelnen Spannungen bestimmt, wird in der EP 0 512 372 Bl beschrieben. Für den allgemeinen An-und Aus- lauf wird hingegen kein Verfahren angegeben.

Die US 5 644 205 A und die DE 195 03 658 C3 geben jeweils für Maschinen mit Frequenzumrichter-Steuerung ein Verfahren zur Messung der Rotor-Winkelgeschwindigkeit an, welche die Fre- quenz der induzierten Spannung nach Abschaltung der Stromver- sorgung der Maschine zur Bestimmung der Rotor-Winkelgeschwin- digkeit nutzen. Wegen der wesentlich unterschiedlichen Funk- tionsprinzipien von Frequenzumrichtern und Drehstromstellern

ist das aus den zitierten Schriften bekannte Verfahren der Erzeugung eines stromlosen Stators nicht auf die drehstrom- steller-gesteuerte Maschine übertragbar.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Messen der Drehzahl einer Induktionsmaschine anzugeben, das während des Betriebs der Induktionsmaschine einfach durchgeführt werden kann und bei dem ein zusätzlicher Meß- wertaufnehmer zum Erfassen der Drehzahl nicht erforderlich ist. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Steuern einer derartigen Induktionsmaschine anzugeben.

Die erstgenannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Bei dem Verfahren zum Messen der Drehzahl einer Induktionsma- schine, deren Stator über einen steuerbaren Wechselstromstel- ler an ein ein-oder mehrphasiges Wechselspannungsnetz ange- schlossen ist, wird der Stator für zumindest einen vorgegebe- nen Zeitabschnitt durch Steuern der Ventile des Wechselstrom- stellers vom Wechselspannungsnetz getrennt. In diesem Zeitab- schnitt wird zumindest eine im Stator durch die Drehbewegung des Läufers induzierte Statorspannung gemessen. Aus den so gewonnenen Meßwerten wird die Frequenz dieser Statorspannung ermittelt und daraus die Drehzahl der Induktionsmaschine ab- geleitet.

Während des Betriebes der Induktionsmaschine wird somit der Stator vorübergehend in einen stromlosen Zustand versetzt.

Während des statorstromlosen Zeitabschnittes fließt im Rotor ein langsam abklingender Gleichstrom, wodurch der Rotor bezo- gen auf das Rotor-Koordinatensystem als rotierender Magnet nahezu konstanter magnetischer Durchflutung angesehen werden kann. Durch die Rotation werden an den Statorklemmen der In- duktionsmaschine Spannungen (Klemmenspannungen) induziert, deren Frequenz dem Produkt aus bekannter Polpaarzahl p und zu messender mechanischer Drehzahl entspricht.

Die Drehzahl des Rotors wird demzufolge tuber die Frequenz der induzierten Statorspannung während eines mit Hilfe des steu- erbaren Wechselstromstellers gezielt erzeugten Zeitabschnit- tes, in dem der Stator stromlos ist, erfaßt. Um die Betriebs- weise des Antriebs nur gering zu beeinflussen, ist die Zeit- dauer des Zeitabschnittes vorzugsweise kleiner als die Zeit- dauer einer halben Periode der Netzspannung.

Aus den gleichen Gründen wird in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung die Drehzahlmessung nach vorge- nanntem Verfahren nach bestimmten Zeitabständen wiederholt, die vorzugsweise das 5 bis 15-fache einer Periode der Netz- spannung betragen.

Vorzugsweise werden als Ventile Thyristoren verwendet und die Induktionsmaschine vom Wechselspannungsnetz durch Auslassen der zum Zünden der Thyristoren erforderlichen Zündsignale ge- trennt.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt bei einer dreiphasigen Induktionsmaschine zur Wieder- aufnahme des Netzbetriebes der Induktionsmaschine das erste Zündsignal für die zuerst geöffnete erste Ventilanordnung ei- ner Phase zeitlich um ein Mehrfaches der halben Netzperiode verzögert gegenüber dem letzten Zündsignal fur diese erste Ventilanordnung. Gleichzeitig mit dem erneuten Zünden dieser ersten Ventilanordnung wird ein im Normalbetrieb als zeitlich nachfolgende Ventilanordnung zu zündende zweite Ventilanord- nung gezündet. Das Zünden der dritten Ventilanordnung erfolgt anschließend um 1/6 der Netzperiode zeitlich verzögert nach dem Zünden der ersten Ventilanordnung, wobei anschließend die vor dem Abschalten vorliegende Zündsignalfolge wiederherge- stellt wird. Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, daß die durch die Drehzahlmessung folgende Unterbrechung der Span- nungsversorgung der Induktionsmaschine einen möglichst gerin- gen Einfluß auf den Weiterbetrieb der Induktionsmaschine hat.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden während des statorstromlosen Zeitabschnittes bei einem mehrphasigen Wechselspannungsnetz die in den Statorwicklungen zwischen den Statorklemmen jeweils induzierten Klemmenspan- nungen gemessen.

Insbesondere wird aus den Meßwerten der Klemmenspannung je- weils der Winkel des Raumzeigers der induzierten Statorspan- nung berechnet.

Bei zeitlich diskreter Abtastung der induzierten Klemmenspan- nung ist die Taktrate dabei so bemessen, daß innerhalb des Zeitabschnittes für eine möglichst große Anzahl von Zeitpunk- ten die zugehörigen Winkel des Raumzeigers der induzierten Statorspannung berechnet werden. Den ermittelten Winkeln des Raumzeigers wird zumindest innerhalb des statorstromlosen Zeitabschnittes eine Gerade zugeordnet, aus deren Steigung die Drehzahl der Induktionsmaschine bestimmt wird.

Die zweitgenannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einer Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 10.

Die Einrichtung zum Steuern einer Induktionsmaschine, deren Stator über einen Wechselstromsteller an ein ein-oder mehr- phasiges Wechselspannungsnetz angeschlossen ist, enthält eine Steuereinrichtung zum Steuern des Wechselstromstellers und zum Trennen des Stators für einen vorgegebenen Zeitabschnitt durch Offnen der Ventile des Wechselstromstellers vom Wech- selspannungsnetz, eine Spannungsmeßeinrichtung zum Messen zu- mindest einer in diesem Zeitabschnitt im Stator durch die Drehbewegung des Läufers induzierten Statorspannung, und eine Recheneinrichtung zum Berechnen der Frequenz dieser Stator- spannung aus dem so gewonnenen Meßwerten und zum Berechnen der Drehzahl der Induktionsmaschine aus dieser Frequenz.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird aus der Drehzahl ein Steuersignal für die Steuereinrichtung abgeleitet, das an

einem Ausgang der Recheneinrichtung bereitsteht und über eine Steuerleitung an die Steuereinrichtung geführt ist.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Einrichtung ergeben sich gemäß der Unteransprüche 12 bis 16.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf das Ausfüh- rungsbeispiel der Zeichnung verwiesen, in deren FIG 1 eine erfindungsgemäße Einrichtung zum Steuern einer dreiphasigen Induktionsmaschine in einem schemati- schen Blockschaltbild veranschaulicht ist. In FIG 2 sind die in den Statorwicklungen fließenden Ströme in einem Diagramm gegen die Zeit aufgetragen. In FIG 3 sind die zwischen den Klemmen des Stators jeweils gemessenen Klemmenspannungen ebenfalls in einem Diagramm gegen die Zeit aufgetragen.

FIG 4 zeigt den zeitlichen Verlauf des Winkels des Raum- zeigers der induzierten Spannung ebenfalls in einem Diagramm.

Gemäß FIG 1 ist eine Induktionsmaschine 2, im Beispiel eine Drehstrom-Asynchronmaschine, über einen dreiphasigen Wechsel- stromsteller 4 (Drehstromsteller) an die Phasen L1, L2, L3 ei- nes dreiphasigen Netzes angeschlossen. Jeder Phase L1, L2, L3 ist eine Ventilanordnung V1, V2, V3 zugeordnet, die im Ausfüh- rungsbeispiel jeweils aus zwei antiparallel geschalteten Thy- ristoren 6 bestehen. Die Zündelektroden der Thyristoren 6 sind an eine Steuereinrichtung 8 angeschlossen, mit der die zum Zünden der Thyristoren 6 erforderlichen Zündsignale in einer vorgegebenen zeitlichen Abfolge bereitgestellt werden.

Zwischen die Statorklemmen K1, K2, K3 der Induktionsmaschine 2 ist jeweils eine Spannungsmeßeinrichtung 10 geschaltet, an deren Ausgang die zwischen den betreffenden zwei Statorklem- men K1, K2, K3 jeweils auftretende Klemmenspannung uK12, uK23, uK31 bereitsteht. Alternativ hierzu können auch jeweils die Span-

nungen zwischen einer Statorklemme Kl, K2, K3 und einem in der Figur nicht dargestellten Mittelpunktsleiter gemessen und daraus die Klemmenspannungen uK12, uK23, uK31 abgeleitet abgeleitet Die Ausgänge der Spannungsmeßeinrichtungen 10 sind an eine Recheneinrichtung 12 angeschlossen, in der eine Weiterverar- beitung der am Eingang beispielsweise kontinuierlich anste- henden analogen Spannungssignale UK12, UK23, UK31 weiterverarbei- tet werden. Die Recheneinrichtung 12 enthält eine erste Re- cheneinheit 14, in der die in Form analoger Meßwertsignale vorliegenden Klemmenspannungen UK12, UK23, UK31 einer Koordinaten- transformation unterzogen werden, bei der die Komponenten usx und usy des Raumzeigers Us der induzierten Statorspannung und daraus der Winkel y des Raumzeigers US dieser Statorspannung berechnet werden. Die auf diese Weise anstehenden Werte für den Winkel y des Raumzeigers us werden fortlaufend in einen Speicher 16 eingeschrieben.

Dem Speicher 16 ist eine zweite Recheneinheit 18 nachgeschal- tet, in der die im Speicher 16 gespeicherten Winkel y ausge- lesen und zur Berechnung der Drehzahl n der Induktionsma- schine 2 herangezogen werden. Die im Speicher 16 eingeschrie- benen Werte für den Winkel y werden dabei in der zweiten Re- cheneinheit 18 nur in einem Zeitabschnitt weiterverarbeitet, in dem sichergestellt ist, daß der Stator der Induktionsma- schine 2 stromlos ist. Die Initialisierung des Auslese-und Rechenvorgangs in der zweiten Recheneinheit 18 wird dabei durch die Steuereinrichtung 8 vorgenommen, in der die Pro- grammroutine für den Meßablauf gespeichert ist. Am Ausgang der Recheneinrichtung 12 steht ein zur Drehzahl n korrespon- dierendes Steuersignal an, das an einen Eingang der Steuer- einrichtung 8 geführt ist und dort zur Steuerung der Indukti- onsmaschine 2 verwertet wird.

Die zweite Recheneinheit 18 wird somit nur in einem Zeitab- schnitt initialisiert, in dem sichergestellt ist, daß in den Phasen L1, L2, L3 keine Statorströme ii. i'-, i3 fließen.

Im Diagramm gemäß FIG 2 ist zu erkennen, daß der Stator der Induktionsmaschine in einem Zeitabschnitt At stromlos ist, d. h. alle Statorströme i1,2,3 sind in diesem Zeitabschnitt At gleich Null.

Der stromlose Stator wird nun erzeugt, indem zunächst keine Zündimpulse an die Thyristoren 6 (FIG 1) gegeben werden.

Hierdurch kommt es zur Erstlöschung des Stromes in einer der drei Stator-Wicklungen, im Beispiel zum Zeitpunkt to der Strom i3 in der Phase L3 (erstlöschende Phase). Anschließend verlöschen zum Zeitpunkt t, auch die Ströme il, i2 in den bei- den verbleibenden Wicklungen bzw. Phasen L1, L2, so daß im Zeitabschnitt At zwischen t, und 12 ein stromloser Stator vorliegt und die Auswertung der Klemmenspannung uK12, uK23, uK31 beginnen kann.

Die induzierte Statorspannung an den Klemmen der elektrischen Maschine ergibt sich für den statorstromlosen Fall im Stator- Koordinatensystem zu : us-Raumzeiger der Statorspannung Lh-Hauptinduktivität der Maschine iR-Raumzeiger des Rotorstromes y-Verdrehwinkel des Rotorstrom-Raumzeigers gegenüber dem Stator-Koordinatensystem Durch Differentiation erhält man : -Elektrische Winkelgeschwindigkeit des Rotors mit # = dr/dt

Da die zeitliche Änderung des abklingenden Rotor-Gleichstro- mes vernachlässigbar klein gegenüber der Änderung infolge der Rotation ist, kann in vorstehender Gleichung der erste Sum- mand in der Klammer vernachlässigt werden, wodurch sich er- gibt : us2 # j # Lh # # # ej#γ # iR@ Hieraus geht hervor, daß der Winkel zwischen Statorspannungs- Raumzeiger us@ und auf den Stator bezogenen Rotorstrom-Raum- zeiger iRz konstant ist und damit die Frequenz der induzier- ten Klemmenspannung UK12, UK23/UK3, der elektrischen Winkelge- schwindigkeit des Rotors entspricht. Der zeitliche Verlauf der Klemmenspannungen ut12, ut23, UK31 ist in FIG 3 dargestellt.

Die Bestimmung der Lage des Statorspannungs-Raumzeigers us aus den drei gemessenen Klemmenspannungen UK121UK23, UK31 erfolgt nun mittels einer an sich bekannten Koordinaten-Transforma- tion : u-x-Komponente des Statorspannungs-Raumzeigers u ; -y-Komponente des Statorspannungs-Raumzeigers us uK12, uK23, uK31 - zwischen den Statorklemmen K1, K2 und K3 meß- bare Spannungen Die räumliche Orientierung (Winkel) y des Statorspannungs- Raumzeigers us@ ergibt sich aus der bekannten Beziehung : Mittels mehrfacher Bestimmung der Klemmenspannungen uK12, K23, K31 und Berechnung des Winkels y innerhalb des statorstromlosen Zeitabschnittes At werden mehrere Meßwerte der räumlichen

Lage des Statorspannungs-Raumzeigers Us gewonnen. Diese sind im Diagramm gemäß FIG 4 gegen die Zeit aufgetragen. Diese Werte ergeben idealerweise für konstante Geschwindigkeit eine Gerade G, deren Steigung a direkt der gesuchten elektrischen Winkelgeschwindigkeit m des Rotors entspricht.

Um einen zuverlässigen Meßwert der elektrischen Rotor-Winkel- geschwindigkeit zu erhalten und den Einfluß von Meßfehlern zu minimieren, wird die Steigung mit Hilfe einer Ausgleichsgera- den bestimmt, die durch geeignete mathematische Verfahren, vorzugsweise durch Minimierung der Fehlerquadrate, aus den aufgenommenen Winkelwerten bestimmt werden kann.

Die mechanische Rotor-Winkelgeschwindigkeit ergibt sich nun aus der elektrischen Rotor-Winkelgeschwindigkeit durch einfa- che Division durch die bekannte Polpaarzahl p der Induktions- maschine.

Um den Einfluß des stromlosen Zeitabschnitts auf den Artrieb gering zu halten, muß die Wiederzündung der Ventilsätze so erfolgen, daß sich Drehmoment und Statorströme annähernd so verhalten, wie es auch ohne Drehzahlmessung der Fall gewesen wäre.

Dies kann gemäß FIG 2 dadurch erfolgen, daß der Zündzeit- punkt t3 der letzten, aber nicht ausgeführten Zündung der erstlöschenden Ventilanordnung V3 um eine halbe Netzperiode T (= 180°) erhöht und auf den Zeitpunkt t2= t3+T/2 gelegt wird.

Um einen Stator-Stromfluß nach dieser Wiederzündung zu erhal- ten, wird auf den hieraus resultierenden Zündzeitpunkt t2 auch die Wiederzündung der auf der erstlöschenden Ventil- anordnung V3 in Netz-Drehrichtung folgenden Ventilanord- nung Vl gelegt. Mit einsetzendem Stromfluß an der ersten Wie- derzündung ist die eigentliche Drehzahlmessung abgeschlossen, da die induzierten Klemmenspannungen wieder durch den flie- ßenden Statorstrom bestimmt werden und somit kein die Rotor- Winkelgeschwindigkeit beinhaltendes Meßsignal einschließen.

Somit steht, je nach Typ der elektrischen Maschine und Lastverhältnissen, ca. ein Drittel einer Netzperiode für die Drehzahlmessung zur Verfügung, was für das beschriebene Ver- fahren vollkommen ausreichend ist.

Die verbleibende Ventilanordnung V2 wird um eine Sechstel Netzperiode (= 60°) verzögert gegenüber dem erstlöschenden Ventilsatz im Zeitpunkt t4 gezundet, womit der normale Rhyth- mus der Ventilzündungen wieder hergestellt ist.