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:

Bei der ASM muss noch der Schlupf ergänzt werden.

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.

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.