Beschreibung:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieben einer Elektromaschine und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist bekannt, Synchronmaschinen mittels eines Umrichters, der einen gleichspannungsgespeisten Wechselrichter umfasst, zu versorgen. Hierbei wird oftmals ein Winkelsensor mit dem Rotor der Elektromaschine verbunden, um bei der Regelung der Elektromaschine die Winkelinformation zu berücksichtigen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine geberlose Regelung bei der Synchronmaschine weiterzubilden, wobei auch im unteren Drehzahlbereich ein geregelter Betrieb ausführbar sein soll.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Verfahren nach den in Anspruch 1 und bei der Vorrichtung nach den in Anspruch 14 angegebenen Merkmalen gelöst.

Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Verfahren sind, dass es zum Betrieben einer Elektromaschine, insbesondere einer fremderregten Synchronmaschine mit zusätzlichem Kurzschlusskäfig, vorgesehen ist, wobei die Elektromaschine einen relativ zu einer Statorwicklung bewegbaren Rotor, insbesondere drehbar gelagerten, Rotor umfasst, insbesondere wobei der Rotor eine Erregerwicklung und/oder einen Kurzschlusskäfig aufweist,

wobei von einer die Elektromaschine speisenden Einheit, insbesondere umfassend einen von einer elektronischen Schaltung angesteuerten Wechselrichter, ein Statorspannungsraumzeiger gestellt und ein Statorstromraumzeiger bestimmt wird,

wobei unterhalb eines kritischen Drehzahlwertes des Rotors der bestimmte Statorstromraumzeiger auf einen Sollwert hin geregelt wird,

BESTÄTIQUNGβKOPJE insbesondere also der bestimmte Betrag des Statorstromraumzeigers auf einen Sollwert für Betrag hin geregelt wird und die Richtung und/oder Drehzahl des Statorstromraumzeigers auf einen entsprechenden Sollwert für Richtung und/oder Drehzahl.

Von Vorteil ist dabei, dass im unteren Drehzahlbereich ein geregelter Betrieb ermöglicht ist, insbesondere ohne dass eine Information über die Winkellage des Rotors vorliegt. Dabei wirkt bei Abweichung des Rotors von der gewünschten Winkellage der Kurzschlusskäfig dämpfend. Denn bei Auftreten von Schlupf erhöht sich mit dem Schlupf auch der ohmsche Verlust im Kurzschlusskäfig. Somit ist also sogar bei erfindungsgemäßer Drehzahlsteuerung eine geringe Abweichung vom Sollwert erreichbar. Außerdem ist eine hohe Dynamik eines von der Regeleinheit der elektronischen Schaltung umfassten Drehzahlregelkreises in Folge des ständig mit durchgeführten Flussberechnungsmodells, also Flussmodells, erreichbar.

Weiter von Vorteil ist das bedämpfte Verhalten bei allen Betriebspunkten. Somit ist die

Schwingneigung reduzierbar. Außerdem ist bei Ausfall der Energieversorgung, insbesondere bei Ausfall der Bestromung oder anderweitig verursachten Nicht-Bestromung, der Erregerfeldwicklung ein Notbetrieb dadurch ermöglicht, dass die Elektromaschine als Asynchronmaschine mittels des Kurzschlusskäfigs betreibbar ist. Die Statorwicklung der Elektromaschine ist vorzugsweise als mehrphasige

Drehstromwicklung ausgeführt, insbesondere als dreiphasige Drehstromwicklung, und wird von einem Wechselrichter gespeist, der aus einer unipolaren Spannung gespeist wird. Diese wird beispielsweise durch eine Batteriespannung oder eine gleichgerichtete Netzspannung erzeugt. Die Ansteuersignale für die Schalter des Wechselrichters werden von einer Signalelektronik erzeugt, die eine Regelungseinheit umfassen, der Strommesswerte zur Bestimmung des Statorstromraumzeigers zugeführt werden. Dabei stellt die Regelungseinheit den Statorspannungsraumzeiger so, dass der Statorstromraumzeiger auf einen Sollwert hin geregelt wird.

Die Statorwicklung der Elektromaschine ist vorzugsweise als mehrphasige

Drehstromwicklung ausgeführt, insbesondere als dreiphasige Drehstromwicklung, und wird von einem Wechselrichter gespeist, der aus einer unipolaren Spannung gespeist wird. Diese wird beispielsweise durch eine Batteriespannung oder eine gleichgerichtete Netzspannung erzeugt. Die Ansteuersignale für die Schalter des Wechselrichters werden von einer Signalelektronik erzeugt, die eine Regelungseinheit umfassen, der Strommesswerte zur Bestimmung des Statorstromraumzeigers zugeführt werden. Dabei stellt die Regelungseinheit den Statorspannungsraumzeiger so, dass der Statorstromraumzeiger auf einen Sollwert hin geregelt wird.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird stets, also auch unterhalb und oberhalb der kritischen Drehzahl, ein Flussraumzeiger gemäß einem Flussmodell bestimmt, insbesondere wobei dem Flussmodell der Statorspannungsraumzeiger zugeführt wird und ein zeitliches Integral gebildet wird. Von Vorteil ist dabei, dass das Flussmodell stets einen Wert für den Flussraumzeiger zur Verfügung stellt und die vom Integrierer verursachte Drift des Flusses durch Stützung des Flussmodells durch den Statorstromraumzeiger verringerbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird unterhalb der kritischen Drehzahl das Flussmodell in Richtung des Statorstromraumzeigers gestützt, insbesondere die Richtung des Statorstromraumzeigers als Richtung des Flusses verwendet wird. Von Vorteil ist dabei, dass der auf diese Weise aus dem Flussmodell erhaltene Flussraumzeiger nur geringe Abweichungen zum physikalisch realen Flussraumzeiger hat.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die kritische Drehzahl derart gewählt, dass ein oberhalb der kritischen Drehzahl aus einem Flussmodell bestimmter Flussraumzeiger mit einem besseren Signal-Rauschverhältnis bestimmbar ist als ein unterhalb der kritischen

Drehzahl aus dem Flussmodell bestimmter Flussraumzeiger, insbesondere wobei das Signal- Rausch-Verhältnis oberhalb der kritischen Drehzahl größer als Zwei ist. Von Vorteil ist dabei, dass ein fehlerarmes Signal für die Regelungseinheit zur Verfügung stellbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird bei Überschreiten der kritischen Drehzahl das Regelverfahren auf ein feldorientiertes Regelverfahren umgeschaltet, insbesondere also aus dem Flussmodell ein Flussraumzeiger bestimmt wird und die Raumzeiger der physikalischen Größen, wie Statorstrom, in einem hierzu orientierten Koordinatensystem dargestellt werden. Von Vorteil ist dabei, dass eine hohe Regelgüte und möglichst geringe Abweichungen zwischen Sollwert und Istwert erreichbar ist.

Wichtige Merkmale bei der Vorrichtung sind, dass mit ihr die vorgenannten Verfahren durchführbar sind, wobei am Rotor der Synchronmaschine eine Erregerfeldwicklung und/oder ein Kurzschlusskäfig angeordnet sind. Von Vorteil ist dabei, dass ein bedampftes Verhalten erzielbar ist, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen. Außerdem ist bei niedrigen Drehzahlen, also unterhalb der kritischen Drehzahl eine einfache Regelung ermöglicht, wobei zwar keine Information über die Winkellage des Rotors zur Verfügung steht, aber Winkelabweichungen des Rotors von der gewünschten Winkellage bedämpft werden mittels des Kurzschlusskäfigs.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind Mittel zur Erfassung des Motorstroms mit einer elektronischen Schaltung verbunden, die Ansteuersignale für Schalter eines Wechselrichters erzeugt, aus dem die Elektromaschine gespeist wird. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache und kostengünstige Realisierung der Erfindung ermöglicht ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt die Energieversorgung der Erregerfeldwicklung aus einem Gleichrichter, der von einer ebenfalls am Rotor vorgesehenen Sekundärwicklung versorgt ist, die an eine stationär angeordnete Primärwicklung induktiv gekoppelt vorgesehen ist, insbesondere zur berührungslosen Energieversorgung der Erregerfeldwicklung. Von Vorteil ist dabei, dass ein Schleifkontakt vermeidbar ist und somit ein Reibmoment entfällt. Eine höhere Schwingneigung, insbesondere bei Drehzahlsollwertsprüngen, wird mittels des Kurzschlusskäfigs bedämpfbar - zumindest bei niedrigen Drehzahlen.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nun näher erläutert:

Erfindungsgemäß weist die Elektromaschine an ihrem Rotor einen Kurzschlusskäfig und auch eine Erregerfeldwicklung auf. Somit ist die Elektromaschine bei Bestromung der Erregerfeldwicklung mit Gleichstrom als fremderregte Synchronmaschine betreibbar. Bei Nicht-Bestromung ist die Elektromaschine als Asynchronmotor betreibbar. In beiden Fällen wird die Statorwicklung der Elektromaschine derart gespeist, dass ein Drehfeld erzeugt wird, das mit dem Rotor wechselwirkt.

Bei dem erfindungsgemäßen Regelverfahren wird die Statorwicklung der Elektromaschine von einem Wechselrichter gespeist, dessen elektronische Schalter pulsweitenmodulierte Ansteuersignale von einer elektronischen Schaltung bekommen, die eine Regelungseinheit umfasst.

Außerdem sind Mittel zur Erfassung des Motorstroms von der elektronischen Schaltung umfasst. Die Regelungseinheit stellt mittels der Schalter des Wechselrichters die Motorspannung derart, dass der Motorstrom in Richtung auf seinen Sollwert hin geregelt wird.

Dabei führt die Regelungseinheit ein Regelverfahren durch, wobei unterhalb eines kritischen Drehzahlwertes des Rotors die Motorspannung derart gestellt wird, dass der Betrag des Statorstromraumzeigers auf einen gewünschten Betrag hin geregelt wird und die Richtung beziehungsweise Drehzahl des Statorstromraumzeigers dem jeweils gewünschten Wert, also Sollwert, entspricht. Wenn der Rotor eine abweichende Richtung oder Drehzahl aufweist, entsteht ein Schlupf, welchem der Kurzschlusskäfig abdämpfend entgegen wirkt.

Zusätzlich wird auch schon unterhalb des kritischen Drehzahlwertes des Rotors der Wert des Flusses bestimmt gemäß einem Flussmodell, das in Stromzeigerrichtung gestützt ist. Dieser somit bestimmte Flusswert wird jedoch nicht weiter verwendet, da zu niedrigen Drehzahlwerten hin das Signal-Rausch-Verhältnis sich immer weiter verschlechtert.

Oberhalb des kritischen Drehzahlwertes wird gemäß dem Flussmodell die Flussrichtung bestimmt, wobei der kritische Drehzahlwert derart gewählt ist, dass das Signal-Rausch- Verhältnis hierbei ausreichend gut ist. Die so bestimmte Richtung wird als Grundlage eines Koordinatensystems verwendet, in welchem die Raumzeiger physikalischer Größen, wie beispielsweise Strom, dargestellt werden und somit wird ein feldorientierten Regelverfahren ausführbar.

Beim Übersteigen der kritischen Drehzahl vom unteren Bereich aus wird der aktuelle im Flussmodell bestimmte Flussraumzeiger verwendet für die dann startende feldorientierte Regelung.

Die Erfindung umfasst auch Ausführungsbeispiele, bei denen Rotor und Stator vertauscht vorgesehen sind, also am Stator die Erregerwicklung und der Kurzschlusskäfig vorgesehen ist und am Rotor die Drehstromwicklung, welche berührungslos versorgbar ist.