Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine, elektrische Maschine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine, wobei die elektrische Maschine durch eine feldorientierte Regelung betrieben wird, und wobei eine aktuelle relative Lage eines Drehfeldes mittels mindestens eines Sensors erfasst wird.

Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine, mit einer Einrichtung zur feldorientierten Regelung, und mit wenigstens einem Sensor zum Erfassen einer aktuellen relativen Lage eines Drehfeldes.

Stand der Technik

Bei der feldorientierten Regelung elektrischer Maschinen ist die tatsächliche Lage des Drehfeldes für einen optimalen Betrieb von hoher Bedeutung. Dabei ist es bekannt, die relative Lage des Drehfeldes mittels mindestens eines Sensors zu erfassen. Hierfür sind bereits unterschiedliche Sensoren bekannt. Um die absolute Lage des Drehfeldes bestimmen zu können, muss die Einbaulage des Sensors zu dem Drehfeld bekannt sein. Auch hierfür wurden bereits

unterschiedliche Verfahren entwickelt. So ist beispielsweise das sogenannte Testpulsverfahren bekannt, bei dem eine Anisotropie der elektrischen Maschine benutzt wird, um die Lage der sogenannten d-Achse zu bestimmen. Ein weiteres bekanntes Verfahren bestimmt den Null-Durchgang der Phasenströme bei drehender elektrischer Maschine.

Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die Einbaulage des Sensors zu dem Drehfeld beziehungsweise die absolute Lage des Drehfeldes auf einfache und kostengünstige Art und Weise bestimmbar ist, insbesondere ohne dass ein Rotieren beziehungsweise ein Betrieb der elektrischen Maschine erforderlich ist. Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sieht dazu vor, dass zunächst eine elektrische Spannung erzeugt wird, die einen elektrischen Rotorfluss entsprechend der von dem Sensor erfassten Lage erzeugt. Dabei wird die elektrische Maschine darauf überwacht, ob ein Drehmoment erzeugt wird. Ist der Sensor derart angebracht, dass die aktuell gemessene Rotorflusslage dem absoluten Wert des Winkels des Drehfeldes entspricht, wenn beispielsweise der Sensor einen Wert von 30° elektrischer Winkel liefert, und auch die

Rotorflussrichtung bei 30° liegt, und wird eine Spannung erzeugt, welche genau in der von dem Sensor erfassten Lage einen Rotorfluss verursacht, im

vorliegenden Beispiel also bei 30° elektrisch, dann würde sich der Rotor der elektrischen Maschine nicht drehen. Vorliegend wird daher die absolute Lage des Drehfeldes in Abhängigkeit von dem erzeugten Drehmoment erfasst. Wird nämlich ein Drehmoment beziehungsweise ein ausreichend hohes Drehmoment erzeugt, das zu einem Verdrehen des Rotors der elektrischen Maschine führen könnte, so weicht die aktuelle Drehfeldlage von der absoluten Lage ab. Es lässt sich hiermit also eine Abweichung von der absoluten Lage zu der relativen Lage erkennen, so dass auf diesem Wege auf die absolute Lage des Drehfeldes geschlossen werden kann.

Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass mindestens ein erzeugter Phasenstrom der elektrischen Maschine überwacht und mit einem Grenzwert verglichen wird, wobei bei Überschreiten des Grenzwertes durch den Phasenstrom ein

Reibmoment der elektrischen Maschine überwunden wird. Der Grenzwert ist also derart gewählt, dass bei einem Überschreiten ein Reibmoment der elektrischen Maschine überwunden wird, so dass, wenn der erfasste Phasenstrom unterhalb des Grenzwertes liegt, eine Drehung des Rotors der elektrischen Maschine nicht eingeleitet werden kann, da das Reibmoment nicht überwunden wird. Indem dieser Grenzwert berücksichtigt wird, kann gewährleistet werden, dass das Ausbleiben einer Drehbewegung des Rotors nicht durch das Reibmoment begründet ist.

Vorzugsweise wird die Spannung derart angepasst, dass der mindestens eine erzeugte Phasenstrom den Grenzwert überschreitet. Dadurch wird gewährleistet, dass stets ausreichend Leistung erzeugt wird, um das Reibmoment der elektrischen Maschine zu überwinden. Es wird dadurch vermieden, dass ein stillstehender Rotor aufgrund des nicht überwundenen Reibmoments mit einem stillstehenden Rotor aufgrund einer fehlenden Abweichung von relativer Lage zur absoluten Lage des Drehfeldes verwechselt wird.

Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass die elektrische Maschine mittels eines Drehfeldreglers betrieben wird, wobei eine von dem Regler eingestellte

Regeldifferenz überwacht und in Abhängigkeit von der Regeldifferenz die absolute Lage des Drehfeldes bestimmt wird. Der üblicherweise vorgesehene Drehfeldregler wirkt bei dem zuvor beschriebenen Verfahren dem durch die eingeprägte (Prüf-)Spannung erzeugten Drehmoment beziehungsweise der Bewegung des Rotors entgegen, indem er den Einfluss der angelegten

Spannung durch eine Änderung des Drehfeldes behebt. Der Regler ändert damit solange die entstehende Flussrichtung durch eine Anpassung der

Betriebsspannung beziehungsweise Betriebsspannungen, bis kein Drehmoment mehr erzeugt wird, beziehungsweise der Rotor sich nicht mehr dreht oder zu drehen versucht. Die hierfür notwendige Regeldifferenz, die sich also aus dem Drehmoment ergibt, wird als ein Maß für die zuvor genannte Abweichung genutzt, um daraus die absolute Lage des Drehfeldes zu bestimmen.

Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass Die absolute Lage des Drehfeldes nur dann bestimmt wird, wenn die Regeldifferenz unterhalb eines vorgebbaren Schwellenwertes liegt, und wenn - wie zuvor bereits erwähnt - der Phasenstrom größer ist als der vorgegebene Grenzwert.

Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass zum Bestimmen der absoluten Lage der Rotorwinkel in Abhängigkeit von den Ausgangswerten des Stromreglers, der Phasenspannungen und/oder der Phasenströme bestimmt wird.

Die elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 7 zeichnet sich durch eine Prüfvorrichtung, insbesondere Steuereinheit aus, die zum Bestimmen einer absoluten Lage des Drehfeldes eine elektrische Spannung erzeugt, die einen Rotorfluss in der von dem Sensor erfassten Lage verursacht, und die die elektrisch Maschine darauf überwacht, ob durch die verursachte Spannung ein Drehmoment erzeugt wird, um in Abhängigkeit von dem erzeugten Drehmoment die absolute Lage des Drehfeldes zu bestimmen.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dazu zeigt die einzige

Figur eine Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine als

vereinfachte Schaltungsanordnung.

Die einzige Figur zeigt eine Vorrichtung 1 zum Betreiben einer elektrischen Maschine 2 als vereinfachte Schaltungsanordnung. Die elektrische Maschine 2 weist drei Phasen U, V und W auf und wird durch eine Einrichtung 10 der Vorrichtung 1 mittels einer feldorientierten Regelung betrieben. Hierbei ist eine Steuereinheit 3 vorgesehen, die den Betrieb der elektrischen Maschine 2 steuert und überwacht. Die Vorrichtung 1 weist einen Drehfeldregler 4 auf, der in Abhängigkeit von einer Soll-Vorgabe es einen Drehfeldwinkel für die elektrische Maschine 2 einstellt. Der elektrischen Maschine 2 ist ein Sensor 5 zum Erfassen der aktuellen Lage des Drehfeldes zugeordnet. Der Ist-Wert der Lage ei wird ebenfalls dem Feldregler 4 zugeführt, der entsprechend eine Regeldifferenz zum Anpassen des Drehfeldes in Abhängigkeit der Soll-Vorgabe (es) bestimmt.

Weiterhin weist die Vorrichtung 1 einen Stromregler 6 auf, sowie eine Einheit 7 zur Durchführung einer inversen Clarke-Transformation, eine Brückenschaltung 8 und eine Einrichtung 9 zur Durchführung einer Clarke-Parks-Transformation.

Folgende Überlegung ist der Vorrichtung 1 zugrunde gelegt: Ist der Sensor 5 derart angebracht, dass die aktuell gemessene Rotorflusslage dem absoluten Wert des Winkels des Drehfeldes entspricht, und wird eine Spannung Uas, Ußs eingeprägt, welche genau in dem vom Sensor 5 gelieferten Wert einen Rotorfluss verursacht, dann würde sich der Rotor nicht drehen beziehungsweise es würde kein Drehmoment erzeugt werden, wenn der von dem Sensor erfasste Wert richtig wäre. Liefert der Sensor 5 beispielsweise einen Sensorwert von ei=30°, dann müsste auch die Rotorflussrichtung 30° entsprechen. Vorliegend werden die Phasenströme lu, Iv und Iw erfasst und durch die

Steuereinheit 3 mit einem vorgebbaren Grenzwert verglichen. Der Grenzwert ist dabei derart gewählt, dass bei Überschreiten des Grenzwertes durch die eingestellten Phasenströme ein Reibmoment der elektrischen Maschine 2 überwunden werden würde, ab welchem ein Rotor der elektrischen Maschine 2 zu drehen beginnt. Die jeweils angelegte Spannung Uas, Ußs wird daher derart variiert, bis der jeweils erzeugte Phasenstrom größer als der zuvor genannte

Grenzwert wird, damit gewährleistet ist, dass das Reibmoment der elektrischen Maschine 2 überwunden wird.

Wenn der Sensorwert ei nicht richtig ist, und beispielsweise um 70° von dem Soll-Winkel es abweicht, dann wird sich der Rotor der elektrischen Maschine 2 in die Richtung des Drehfeldes bewegen. Am Anfang des Verfahrens wird der Sensorwert abgespeichert und als Soll-Wert für eine Wnkelregelung des Drehfeldreglers 4 vorgegeben. Der Drehfeldregler 4 versucht der Bewegung des Rotors entgegen zu wirken und damit den Einfluss der angelegten Spannung Uas, Ußs durch die Änderung des Feldes zu beheben. Daher ändert der

Drehfeldregler 4 solange die entstehende Flussrichtung durch Anpassung der angelegten Spannungen Uas, Ußs, bis der Rotor sich nicht mehr zu drehen versucht. Wenn die Regeldifferenz des Drehfeldreglers 4 kleiner ist als ein vorgebbarer

Schwellenwert und der erfasste Phasenstrom größer als der vorgegebene Grenzwert, dann wird entweder der Rotorwinkel aus α, ß beziehungsweise d, q- Strömen, oder a, ß beziehungsweise U , V, W-Spannungen oder auch aus dem Reglerausgang des Drehfeldreglers 4 bestimmt. Ein Beispiel hierfür ist: ) mit l _n orm=Normstrom; und

Spannung Das beschriebene Verfahren wird gemäß der Vorrichtung 1 vorzugsweise direkt nach der Fertigung der elektrischen Maschine oder bei jeder Inbetriebnahme der elektrischen Maschine 2 einmal durchgeführt. Mit dem vorteilhaften Verfahren der Vorrichtung 1 kann bei stehender elektrischer Maschine 2 mit hinreichender Genauigkeit die absolute Lage des Drehfeldes bestimmt werden.