Überwachungseinrichtung für eine Reluktanzmaschine und Ver- fahren zur Überwachung

Die Erfindung betrifft eine Reluktanzmaschine und deren Über ^¬ wachung. Eine synchrone Reluktanzmaschine kann gesteuert oder geregelt betrieben werden.

Reluktanzmaschinen gibt es als Reluktanzmotor bzw. als

Reluktanzgenerator. Zur Bestimmung der Position des Rotors (auch Läufer genannt) der Reluktanzmaschine kann ein Geber verwendet werden. Die Reluktanzmaschine kann aber auch geber- los betrieben werden.

Zur Bestimmung der Position des Rotors bei einer elektrischen Maschine kann beispielsweise auch eine feldorientierte Rege ^¬ lung herangezogen werden.

Aus der DE 197 03 248 AI sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Rotorwinkelgeschwindigkeit einer geberlosen, feldorientiert betriebenen Drehfeldmaschine be ^¬ kannt .

Aus der EP 2 023 479 Bl ist ein System zur nahtlosen Ge- schwindigkeits- und/oder Lageermittlung einschließlich Stillstand bei einem Permanentmagnet-Läufer einer elektrischen Maschine bekannt. Es ist ein Verfahren zur Ermittlung einer elektrischen Antriebs-Geschwindigkeit und/oder -Lage aus ei ^¬ ner Messung eines mehrphasigen Statorstroms beschrieben.

Aus der EP 2 226 929 AI ist ein Plausibilitäts-Überwachungs- system für Bewegungsmessungen an einer elektrischen Antriebs- einrichtung bekannt. Bei einem Verfahren zur Überwachung einer Bewegungsmessung an einer elektrischen Antriebseinrichtung auf Plausibilität wird die Bewegungsmessung eines Gebers überwacht. Anhand von Messungen von elektrischen Strömen in der Antriebseinrichtung werden ein oder mehrere Schätzwerte für die Lage, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung der Antriebseinrichtung erzeugt, wobei der oder die Schätzwerte auf Entsprechung mit einem oder mehreren, aus den Geber-Ausgangssignalen erzeugten Messwerten verglichen werden.

Eine Reluktanzmaschine, insbesondere ein synchrone

Reluktanzmaschine, kann in einem geberlosen Betrieb einge ^¬ setzt werden. In dieser Betriebsart, dem geberlosen Betrieb, kann die Reluktanzmaschine gesteuert betrieben werden. Im ge- steuerten Betrieb wird ein parametrierter Strom eingeprägt. Im gesteuerten Betrieb wird insbesondere ein Bereich niedriger Ausgangsfrequenzen durchfahren. Der Strom wird insbesondere so eingestellt, dass ein erwartetes Moment aufgebracht bzw. erzeugt werden kann. Ist die Amplitude des Stromes zu klein, wird der Rotor nicht wie gewünscht beschleunigt und der Reluktanzmotor kippt bzw. blockiert. Der Stromzeiger dreht sich über den Rotor und erzeugt beim Überstreichen der Drehmomentachse wechselweise ein positives und negatives Mo ^¬ ment. Dies wird als „Rattern" wahrgenommen. Die Drehzahl bleibt im Mittel Null; der Rotor der Reluktanzmaschine, bzw. eine Welle, welche mit dem Rotor verbunden ist, blockiert al ^¬ so .

Eine Aufgabe der Erfindung ist es eine Reluktanzmaschine si- eher zu betreiben.

Eine Lösung der Aufgabe ergibt sich bei einer Überwachungs ^¬ einrichtung für einen Reluktanzmaschine nach Anspruch 1 bzw. bei einem Verfahren zur Überwachung einer Reluktanzmaschine nach Anspruch 5. Jeweilige Ausgestaltungen ergeben sich nach den Ansprüchen 1 bis 3 bzw. 5 bis 8.

Um ein „Rattern" im gesteuerten Betrieb zu vermeiden, kann eine Varianz des Strombetrages überwacht werden. Der Strom- regier des Reluktanzmaschine kann allerdings bei kleinen Fre ^¬ quenzen die entstehenden Harmonischen (insbesondere die 2- fache Ständerfrequenz) gut ausregeln. Deswegen kann die Überwachung noch verbessert werden. Im geregelten Betrieb kann die Differenz aus Soll- und Ist- fluss überwacht werden und so der Rotor überwacht werden. Auch durch Verwendung eines Gebers kann das Blockieren (Rat- tern) des Rotors, bzw. das Blockieren einer mit dem Rotor verbundenen Welle, erkannt werden.

Um ein Blockieren (Rattern) der Reluktanzmaschine bzw. des Rotors der Reluktanzmaschine zu erkennen gibt es eine weitere Möglichkeit. Dies betrifft insbesondere den gesteuerten Be ^¬ trieb der Reluktanzmaschine.

Der Reluktanzmaschine ist ein Stromrichter zugeordnet. Zur Regelung und/oder Steuerung der Reluktanzmaschine ist eine feldorientierte Regelung/Steuerung bzw. ein Stromregler vorgesehen. Diese können zur Überwachung der Reluktanzmaschine mit herangezogen werden. Dreht ein Stromzeiger über eine stehende Welle, entsteht nach der folgenden Formel ein Flussanteil durch den komplexen und den konjugiert komplexen Strom- zeigen

mit : Ψ für den Fluss (magnetischen Fluss)

d für eine d-Komponente

q für eine q-Komponente

L für die Induktivität

Eine Komponente des Flusses Ψ dreht somit mit positiver

Grundfrequenz fFUND und eine mit negativer Grundfrequenz f Die Grundfrequenz ist die Frequenz des Stromzeigers. Es werden elektrische Frequenzen (ständerbezogen) betrachtet. Die Frequenz des Flusses wird mit der Polpaarzahl auf die Ständerseite transformiert. Um den gewünschten Stromzeiger einzuregeln erzeugt der Stromregler einen Spannungszeiger, der einen Anteil mit negativ drehender Grundfrequenz erzeugt. Durch ein Transformieren des Raumzeigers in ein Koordinatensystem, das mit negativer Grundfrequenz dreht, werden alle Frequenzanteile um die Grundfrequenz verschoben. Der durch den konjugiert komplexen Strom entstehende Anteil wird damit zu einem Gleichanteil. Dieser Gleichanteil kann mit einem

Tiefpass aus dem Signal (Gesamtsignal) gefiltert werden und zur Detektion der blockierten Welle verwendet werden. Hieraus ergibt sich folglich eine weitere Möglichkeit der Überwachung der Reluktanzmaschine.

Der im Fehlerfall (Rattern) auftretende und mit negativer Frequenz drehende Spannungsanteil wird somit durch die Trans ^¬ formation in ein mit negativer Frequenz drehendes Koordinatensystem auf die Frequenznulllinie verschoben und wird somit zum Gleichgrößensignal. Der mit positiver Frequenz drehende und die Maschine antreibende Grundwellenanteil der Spannung wird durch die Koordinatentransformation auf die Linie der doppelten Grundfrequenz verschoben. Mittels des Tiefpasses kann der Pegel der Frequenznulllinie vom Pegel der doppelten Grundfrequenzlinie getrennt werden. Am Ausgang des Tiefpasses erscheint somit im Fehlerfall ein stationäres Gleichgrößen ^¬ signal .

Eine Überwachungseinrichtung für eine Reluktanzmaschine, weist einem Vektordreher zur Drehung eines von der Spannung abhängigen Raumzeigers, einen Tiefpassfilter für den gedrehten Raumzeiger und eine Signalauswertung für das Ausgangssignal des Tiefpassfilters auf. Mittels dieser Überwachungsein ^¬ richtung kann eine stehende (ratternde) Welle bzw. Rotor er- kannt werden. Der von der Spannung abhängige Raumzeiger kann beispielsweise der Spannungszeiger sein, oder der Raumzeiger für den Fluss. Der Raumzeiger für den Fluss ist vom Spannungszeiger abgeleitet. Der Flusszeiger ist das Integral des Spannungszeigers. Der Spannungszeiger ist die Ableitung des Flusszeigers .

In einer Ausgestaltung der Überwachungseinrichtung ist durch den Vektordreher der Raumzeiger in ein mit negativer Grund- frequenz drehendes Koordinatensystem gedreht.

In einer Ausgestaltung der Überwachungseinrichtung ist der Vektordreher ausgebildet um den Raumzeiger um eine negative Grundfrequenz zu drehen. So kann ermittelt werden, ob es ei- nen Gleichanteil gibt. Die positive Grundfrequenz ist die

Frequenz des vorgegebenen Stromzeigers (eingeprägter Strom) .

In einer Ausgestaltung der Überwachungseinrichtung ist der Raumzeiger ein Spannungszeiger. Der Spannungszeiger korres- pondiert mit dem Flusszeiger. Der Raumzeiger kann alternativ also auch der Flusszeiger sein.

In einer Ausgestaltung der Überwachungseinrichtung weist die Signalauswertung einen Betragsbildner und einen Schwellwert- vergleicher auf. Durch den Tiefpass lässt sich ein Gleichanteil ermitteln. Von diesem Gleichanteil des Raumzeigers, wel ^¬ cher den Fluss oder die Spannung betrifft, wird der Betrag gebildet. Der Betrag kann dann mit einem Schwellwert vergli ^¬ chen werden. Ist der Betrag über dem Schwellwert wird ein Fehler erkannt. Es wird also ein Blockieren (Rattern) der Welle (des Rotors) erkannt.

Das Blockieren (Rattern) der Welle kann im Gegensatz zu einer Überwachung der Varianz des Stromes im ganzen Drehzahlbereich erkannt werden. Durch eine geeignete Fehlermeldung kann ein

Betreiber der Reluktanzmaschine schneller auf eine fehlerhaf ^¬ te Parametrierung aufmerksam gemacht werden (z.B. auf einen zu geringen Anfahrstrom für den gesteuerten Betrieb) . Bei einem Verfahren zur Überwachung einer Reluktanzmaschine wird ein Raumzeiger für den Fluss, welcher von der Spannung abhängig ist, in einer mit negativer Frequenz drehendes Koordinatensystem transformiert und in diesem als stationäres Gleichgrößensignal überwacht. Das Gleichgrößensignal ist dem ^¬ nach eine Gleichgröße und/oder ein Gleichanteil eines Sig ^¬ nals . In einer Ausgestaltung des Verfahrens kann demnach aus dem Fluss, d. h. aus dem entsprechenden Zeiger, ein Gleichanteil detektiert werden. Da der Fluss von der Spannung abhängig ist ergibt sich demnach der Gleichanteil auch auf der Spannung. So kann der Gleichstromanteil des Raumzeigers für den Fluss mittels eines Tiefpassfilters aus eine Signalauswertung er ^¬ mittelt bzw. überwacht werden. Der Einsatz eines Tiefpassfil ^¬ ters ist bereits obig geschrieben.

Bei einem Verfahren zur Überwachung einer Reluktanzmaschine kann also ein Raumzeiger für den Fluss bzw. für eine Spannung überwacht werden. Der Raumzeiger wird um eine Grundfrequenz transformiert. Die Transformation erfolgt insbesondere um die negative Grundfrequenz. Die Grundfrequenz entspricht insbe ^¬ sondere der vorgegebenen Drehzahl der Reluktanzmaschine. Da- bei wird der Gleichanteil des transformierten Raumzeigers überwacht. Im regulären Betrieb ist dieser Gleichanteil Null bzw. nahezu Null. Der Gleichanteil erhöht sich, wenn der Ro ^¬ tor blockiert bzw. rattert. In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird nach der Transformation (insbesondere durchgeführt durch einen Vektordreher) der unter Umständen (also im Fall eines Blockierens bzw. Rat- terns) vorhandene Gleichanteil mittels eines Tiefpasses er ^¬ zeugt bzw. ermittelt.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird der Gleichanteil mit einem Schwellwert verglichen und eine Fehlermeldung ausgegeben, wenn der Gleichanteil des vektortransformierten Raumzeigers den Schwellwert erreicht und/oder überschreitet. Hierfür kann in einer Ausgestaltung auch zusätzlich eine Hysterese verwendet werden. In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die

Reluktanzmaschine mit der Überwachung als geberlose

Reluktanzmaschine betrieben. So kann ein sicherer Betrieb der Reluktanzmaschine kostengünstig ohne Geber erreicht werden.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die

Reluktanzmaschine in einem gesteuerten Betrieb betrieben. Damit kann auch das Anfahren der Reluktanzmaschine sicher durchgeführt werden.

Die Erfindung sowie weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren näher erläutert. Es zeigen: FIG 1 einen Blechschnitt eines Rotors einer

Reluktanzmaschine ;

FIG 2 eine Reluktanzmaschine mit einem Stromregler;

FIG 3 ein Zeigerdiagramm im Normalbetrieb;

FIG 4 ein Zeigerdiagramm im Fehlerfall (Blockieren bzw,

Rattern des Rotors bzw. der Welle) und

FIG 5 eine Überwachungseinrichtung.

Die Darstellung nach FIG 1 zeigt einen Rotorblechschnitt 1 einer Reluktanzmaschine. Gezeigt ist ferner ein Pol 2 und ei- ne Pollücke 3 zusammen mit den Achsen d und q des Flusses auf Grundlage der Park-Transformation. Die d-Achse betrifft den flussbildenden Anteil und die q-Achse betrifft den momenten- bildenden Anteil des gesamten Flusses. Der Rotorblechschnitt 1 ist ein typisches exemplarisches Beispiel für einen Rotor einer Reluktanzmaschine. Neben dem Pol 2 und der Lücke 3, welche entsprechend die d-Achse und die q-Achse darstellen, ist auch der Fluss Ψ( _ΐ und der Fluss Ψη dargestellt.

Die Darstellung nach FIG 2 zeigt eine Reluktanzmaschine 4 mit einem Stromregler 14. Damit ergibt sich ein vereinfachtes Blockschaltbild der Regelung der Reluktanzmaschine 4. Die Reluktanzmaschine 4 weist einen Stator 5 mit Statornuten 6 auf, in welchen Statorwicklungen eingefügt sind. Gezeigt ist ferner ein Rotor 7, dessen Blechschnitt angedeutet ist. Die Reluktanzmaschine 4 weist einen dreiphasigen Stromanschluss 8 auf. Zur Messung eines Stromes bzw. einer Spannung für die Phasen des Stromanschlusses 8 ist ein dreiphasiger Messwert- aufnehmer 9 vorgesehen. Die aufgenommenen Messwerte werden in einer Istwertverarbeitung 10 verarbeitet. Die Istwertverarbeitung 10 ergibt einen Stromistwert I_ aus. Dieser Strom ^¬ istwert I_ ist ein Eingangswert des Stromreglers 14. Ein wei ^¬ terer Eingangswert des Stromreglers 14 ist der Stromsollwert I_ _so ii 12. Zudem weist der Stromregler 14 eine Verknüpfung mit einem Motormodell 13 auf. Ein Ausgangswert des Stromreglers 14 ist der Spannungssollwert U 15. Der Spannungssollwert U 15 ist eine Eingangsgröße einer Wechselrichtersteuerung 16. Die Wechselrichtersteuerung 16 hat als Ausgangsgrößen Ansteuer- signale 17, welche einem Wechselrichter 18 zugeführt sind. Der Wechselrichter 18 dient der Speisung der

Reluktanzmaschine 14 mit elektrischer Energie.

Die Darstellung nach FIG 3 zeigt ein Zeigerdiagramm für die Reluktanzmaschine, wobei im Zeigerdiagramm die Spannungszei ^¬ ger nicht extra dargestellt sind. Der Spannungszeiger ergibt sich aus der zeitlichen Ableitung des Flusses und ist um 90° zum Flusszeiger verdreht. Das Zeigerdiagramm basiert auf der Darstellung der d-Achse 26 und der q-Achse 27. Dargestellt sind der Stromzeiger I_, der Fluss Ψι, der Fluss Ψ und der

Fluss Ψι ^* . Die Raumzeiger bewegen sich, wie dargestellt, mit der elektrischen Rotorwinkelgeschwindigkeit ω _Γ . Bezüglich der dargestellten Werte ergeben sich folgende Gleichungen: ω _Γ = ω

Ψι = L _R -I

Ψι ^* = L _Im -I ^*

Die Darstellung nach FIG 3 zeigt das Zeigerdiagramm der

Reluktanzmaschine im bestimmungsgemäßen Betrieb. In einem Be ^¬ triebszustand der Reluktanzmaschine nach FIG 3 ergibt sich kein Rattern bzw. Blockieren des Rotors. Unter Zugrundelegung der Gleichungen erschließt sich, dass sich die d-Achse mit dreht, wie auch der konjugiert komplexe Anteil des Flusses.

Die Darstellung nach FIG 4 zeigt ein weiteres Zeigerdiagramm mit den Achsen d 26 und q 27. Dargestellt ist ferner der Stromzeiger I_ mit der Winkelgeschwindigkeit ω und der auf diesem verlaufende Zeiger Ψ _Σ sowie der dazu um -ω verschobene Zeiger Ψι ^* . Im Unterschied zu der Darstellung nach FIG 3 zeigt die Darstellung nach FIG 4 nicht einen normalen Betriebszustand, sondern den Fehlerfall, bei welchem die Welle bzw. der Rotor blockiert ist, also rattert. Der Flusszeiger Ψι rotiert mit der Winkelgeschwindigkeit ω. Der Zeiger Ψ _Σ ^* ro- tiert mit der Winkelgeschwindigkeit -ω. Damit rotieren die Zeiger Ψ _Σ und Ψι ^* in entgegengesetzte Richtungen. Hieraus ergibt sich ein Gleichanteil, welcher detektiert werden kann.

Die Darstellung nach FIG 5 zeigt eine Überwachungseinrichtung 19. Die Überwachungseinrichtung 19 dient der Überwachung der Reluktanzmaschine. Die Überwachungseinrichtung weist Eingangssignale 21 und 25 auf. Das Eingangssignal 21 ist ein Raumzeiger, insbesondere ein statorfester Spannungszeiger U _ab (Klemmenspannung des Motors) . Das Eingangssignal 25 ist eine negative Kreisfrequenz 2π ( -f _Fund ) . Dabei ist die Grundfrequenz f _F unci durch das negative Vorzeichen negiert. Die negative Kreisfrequenz 25 wird mittels einer Abtastung mit der Abtastfrequenz T _ab abgetastet. Für einen Vektordreher 20 erfolgt mittels einer Winkelintegration 24 eine Integration des Ein- gangssignals 25 über die Abtastzeit. Das Ausgangssignal des

Winkelintegrators 24 wird dem Vektordreher 20 zugeführt, wel ^¬ cher den Raumzeiger 21 dreht. Der mit der negativen Kreisfrequenz gedrehte Raumzeiger 21 wird durch einen Tiefpassfilter 22 geführt. Das Ausgangssignal des Tiefpassfilters 22 wird in einer Signalauswertung 23 weiter verarbeitet. Die Signalaus ^¬ wertung 23 ist beispielsweise ein Betragsbildner, wobei im vorliegenden Fall eine Betragsbildung der Komponenten des Spannungszeigers | U _xv I im drehenden Koordinatensystem durch- geführt wird. Im Fehlerfall dreht sich die Komponente L _S I_ wie im Normalfall stets mit positiver Richtung. Die Komponenten A I_ ^* dreht sich im Fehlerfall mit negativer Richtung. Im Normalfall dreht die Komponente _A I_ ^* auch mit positiver Frequenz um. Es ist also so, dass im Fehlerfall wie im Normalfall die Komponente L _S I in positiver Frequenz (Drehrichtung) dreht, die konjugierte Komponente LA I ^* im Normalfall mit positiver Richtung dreht, im Fehlerfall jedoch die Drehrichtung ändert und in negativer Richtung dreht.