Betreiben einer permanenterregten Synchronmaschine Die Erfindung betrifft eine permanenterregte Synchronmaschi ^¬ ne, die einen Stator mit einer Statorwicklung, einen Rotor und einen Thyristorsteller zum Stellen von Phasenströmen der Statorwicklung aufweist, sowie ein Verfahren zum Betreiben der Synchronmaschine.

Drehstrommaschinen werden gemäß der IEC-Norm 60034 anhand ihres Wirkungsgrades in verschiedene Energieeffizienzklassen eingeteilt. Gerade im unteren Leistungsbereich bis etwa 20 kW lassen sich Vorgaben für Wirkungsgrade von Hocheffizienzmoto- ren (IE 4) nur schwer einhalten. Deshalb wird vermehrt die

Verwendung von Permanentmagneten im Rotor angestrebt, insbesondere die Verwendung von permanenterregten Synchronmaschinen. Dieser Maschinentyp ermöglicht zwar hohe Energieeffizienzgrade, jedoch sind der Start sowie der Betrieb der Maschi- nen dieses Typs an einem starren Drehstromnetz nicht ohne weiteres möglich.

Um den Start und den Betrieb einer permanenterregten Synchronmaschine an einem starren Drehstromnetz zu ermöglichen, kann ein Dämpferkäfig im Rotor der Maschine vorgesehen werden. Ein Dämpferkäfig ermöglicht zwar einen sicheren Hochlauf an dem Drehstromnetz, belastet jedoch das speisende Drehstromnetz durch sehr hohe Anlaufströme sehr stark. DE 10 2011 085 859 AI offenbart ein Verfahren zum Betrieb ei ^¬ ner Synchronmaschine mittels eines drei Halbleitersteller um ^¬ fassenden dreiphasigen Drehstromstellers, der an ein Drehstromnetz angeschlossen wird. Dabei wird ein Drehmomentverlauf für die Synchronmaschine für einen festlegbaren Zeitraum bei Anschaltung wenigstens zweier der Halbleitersteller unter Berücksichtigung einer Phasendifferenz zwischen einer Polradspannung der Synchronmaschine und einer Netzspannung des Drehstromnetzes, einer Drehzahl des Rotors der Synchronma- schine, einem Statorstrom der Synchronmaschine und einer Pha ^¬ senlage des Drehstromnetzes vorausberechnet. Anhand der Vo ^¬ rausberechnung wird ein SchaltZeitpunkt bestimmt, zu dem die wenigstens zwei Halbleitersteller angeschaltet werden. Dieses Verfahren setzt jedoch voraus, dass der Drehstromsteller für jede Phase einen Halbleitersteller aufweist. Viele Drehstromsteller weisen jedoch aus Kostengründen nur für zwei Phasen einen Halbleitersteller auf, während die dritte Phase dauerhaft mit dem Drehstromnetz verbunden ist. Für diese Dreh- stromsteiler ist das aus DE 10 2011 085 859 AI bekannte Ver ^¬ fahren daher nicht einsetzbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer permanenterregten Synchronma- schine anzugeben, bei dem eine Phase dauerhaft mit einem Drehstromnetz verbunden ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An ^¬ spruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient dem Betreiben einer per- manenterregten Synchronmaschine, die an ein Drehstromnetz angeschlossen ist und einen Stator mit einer dreiphasigen Statorwicklung, einen Rotor und einen Thyristorsteller mit einem ersten Thyristorpaar zweier antiparallel geschalteter Thyristoren zum Stellen eines ersten Statorphasenstroms der Stator- wicklung und mit einem zweiten Thyristorpaar zweier antiparallel geschalteter Thyristoren zum Stellen eines zweiten Statorphasenstroms der Statorwicklung aufweist, wobei der dritte Statorphasenstrom der Statorwicklung nicht gestellt wird. Bei dem Verfahren werden wiederholt ein aktueller Pol- radwinkel, eine aktuelle Rotordrehzahl, eine aktuelle Netz ^¬ phasenlage des Drehstromnetzes und die aktuellen Statorpha ^¬ senströme ermittelt. Unter Verwendung des aktuellen Polrad ^¬ winkels, der aktuellen Rotordrehzahl, der aktuellen Netzpha- senlage und der aktuellen Statorphasenströme wird ein Drehmo ^¬ mentverlauf eines auf den Rotor wirkenden Drehmoments jeweils in einem Zündzeitraum für einen ersten Zündfall, in dem beide Thyristorpaare gezündet sind, einen zweiten Zündfall, in dem nur das erste Thyristorpaar gezündet ist, und einen dritten Zündfall, in dem nur das zweite Thyristorpaar gezündet ist, vorausberechnet. Unter Verwendung der vorausberechneten Drehmomentverläufe wird für jedes Thyristorpaar entschieden, ob es gezündet wird. Unter einem Thyristorpaar zweier antiparal- lel geschalteter Thyristoren zum Stellen eines Phasenstroms einer Phase wird hier ein Thyristorpaar verstanden, mit dem die jeweilige Phase durch Zünden des Thyristorpaares mit dem Drehstromnetz verbindbar ist. Die Erfindung ermöglicht das Betreiben einer permanenterreg ^¬ ten Synchronmaschine mit einem Thyristorsteller, der nur für zwei der drei Statorphasenströme jeweils ein Thyristorpaar zum Stellen des Statorphasenstroms aufweist. Das Verfahren sieht vor, wiederholt für jeweils einen Zündzeitraum Drehmo- mentverläufe des auf den Rotor wirkenden Drehmoments für die verschiedenen Möglichkeiten des Zündens der Thyristorpaare (Zündfälle) vorauszuberechnen und anhand der vorausberechne ^¬ ten Drehmomentverläufe jeweils zu entscheiden, ob eines und gegebenenfalls welches der Thyristorpaare gezündet wird, oder ob beide Thyristorpaare gezündet werden. Dadurch kann jeweils für einen Zündzeitraum das optimale Drehmoment eingestellt werden, wenn eine Phase der Synchronmaschine dauerhaft mit dem Drehstromnetz verbunden ist. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass fortlaufend wenigstens zwei Klemmenspannungen der Synchronmaschine er- fasst werden und der aktuelle Polradwinkel unter Verwendung der erfassten Klemmenspannungen ermittelt wird. Zusätzlich können auch die aktuellen Statorphasenströme bei der Ermitt- lung des Polradwinkels verwendet werden. Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht die Ermittlung des Polradwinkels und das anschließende Vorausberechnen der Drehmomentverläufe ohne ein kostspieliges Drehgebersystem zum Erfassen des Polradwin- kels. Der Polradwinkel wird stattdessen aus Klemmenspannungen der Synchronmaschine ermittelt, deren Erfassung einfacher und kostengünstiger ist als die Erfassung des Polradwinkels mit einem Drehgebersystem. Eine zusätzliche Berücksichtigung auch der aktuellen Statorphasenströme bei der Ermittlung des Pol ^¬ radwinkels ermöglicht vorteilhaft eine noch genauere Ermitt ^¬ lung des Polradwinkels, die keine zusätzliche Hardware erfor ^¬ dert, da die aktuellen Statorphasenströme bei dem Verfahren ohnehin ermittelt werden, um die Drehmomentverläufe vorauszu- berechnen.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass ein Drehmomentfenster für das Drehmoment vorgegeben wird und der Thyristorsteller nicht gemäß einem Zündfall angesteuert wird, für den der vorausberechnete Drehmomentverlauf ein außerhalb des Drehmomentfensters liegendes Drehmoment aufweist. Diese Ausgestaltung der Erfindung verhindert vorteilhaft, dass ein zu großes auf den Rotor wirkendes Drehmoment erzeugt wird. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass unter Verwendung des aktuellen Polradwinkels, der aktuellen Rotordrehzahl, der aktuellen Netzphasenlage und der aktuellen Statorphasenströme ein Statorphasenstromverlauf jedes Stator ^¬ phasenstroms jeweils in dem Zündzeitraum für den ersten Zünd- fall, den zweiten Zündfall und den dritten Zündfall vorausbe ^¬ rechnet wird und unter Verwendung der vorausberechneten Statorphasenstromverlaufe für jedes Thyristorpaar entschieden wird, ob es gezündet wird. Mit anderen Worten sieht diese Ausgestaltung der Erfindung vor, nicht nur den Drehmomentver- lauf, sondern auch die Statorphasenstromverläufe für jeden Zündfall in dem Zündzeitraum vorauszuberechnen und die vorausberechneten Drehmoment- und Statorphasenstromverläufe zu verwenden, um zu entscheiden, ob und welche Thyristoren jeweils gezündet werden. Dadurch kann der Betrieb der Synchron- maschine nicht nur unter Berücksichtigung des auf den Rotor wirkenden Drehmoments, sondern auch unter Berücksichtigung der Statorphasenströme optimiert werden. Insbesondere kann vorgesehen werden, dass ein Phasenstrom- fenster für die Statorphasenströme vorgegeben wird und der Thyristorsteller nicht gemäß einem Zündfall angesteuert wird, für den ein vorausberechneter Statorphasenstromverlauf einen außerhalb des Phasenstromfensters liegenden Statorphasenstrom aufweist. Dadurch wird vorteilhaft verhindert, dass ein zu hoher Statorphasenstrom die Synchronmaschine oder ein mit ihr verbundenes Stromnetz und daran angeschlossene Verbraucher zu stark belastet.

Ferner kann vorgesehen werden, dass ein Phasenstromschwellen- wert vorgegeben wird und ein Ende eines Zündzeitraums als ein Zeitpunkt definiert wird, zu dem der Betrag jedes mit einem Thyristorpaar gestellten Statorphasenstroms gemäß seinem vo- rausberechneten Statorphasenstromverlauf den Phasenstrom- schwellenwert unterschreitet. Diese Ausgestaltung der Erfin ^¬ dung nutzt aus, dass sich ein Thyristorpaar einer Phase von selbst abschaltet, wenn der Statorphasenstrom dieser Phase Null wird beziehungsweise sein Vorzeichen wechselt. Die vo- rausberechneten Statorphasenstromverläufe können daher verwendet werden, um zu ermitteln, wann kein Thyristorpaar mehr eingeschaltet sein wird. Dies ermöglicht vorteilhaft eine präzise Vorausberechnung des Endes des Zündzeitraums für je ^¬ den Zündfall, indem ein Ende des Zündzeitraums als ein Zeit- punkt definiert wird, zu dem der Betrag jedes mit einem Thy ^¬ ristorpaar gestellten Statorphasenstroms einen vorgegebenen Phasenstromschwellenwert unterschreitet .

Eine erfindungsgemäße permanenterregte Synchronmaschine um- fasst einen Stator mit einer dreiphasigen Statorwicklung, einen Rotor, einen Thyristorsteller mit einem ersten Thyristorpaar zweier antiparallel geschalteter Thyristoren zum Stellen eines ersten Statorphasenstroms der Statorwicklung und mit einem zweiten Thyristorpaar zweier antiparallel geschalteter Thyristoren zum Stellen eines zweiten Statorphasenstroms der Statorwicklung, eine Messanordnung zum Ermitteln eines aktuellen Polradwinkels, einer aktuellen Rotordrehzahl, einer aktuellen Netzphasenlage des Drehstromnetzes und der aktuellen Statorphasenströme, und eine Steuereinheit, die zum Vorausbe ^¬ rechnen der Drehmomentverläufe eines auf den Rotor wirkenden Drehmoments und zum Ansteuern des Thyristorstellers gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren eingerichtet ist. Die Messanord- nung kann insbesondere eine Spannungsmessvorrichtung zum Erfassen wenigstens zweier Klemmenspannungen der Synchronmaschine aufweisen. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, mit der Steuereinheit aus den erfassten Klemmenspannungen den aktuellen Polradwinkel zu ermitteln. Die Vorteile einer der- artigen Synchronmaschine ergeben sich aus den oben genannten Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen: FIG 1 einen Schaltplan einer permanenterregten Synchronmaschine,

FIG 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer permanenterregten Synchronmaschine.

Figur 1 zeigt einen Schaltplan einer permanenterregten Synchronmaschine 1, die an ein Drehstromnetz 8 angeschlossen ist. Die Synchronmaschine 1 umfasst einen Stator 2 mit einer (nicht näher dargestellten) dreiphasigen Statorwicklung, ei- nen Rotor 3, einen Thyristorsteller 4 zum Stellen von Statorphasenströmen der Statorwicklung, eine Steuereinheit 5 zum Ansteuern des Thyristorstellers 4 und eine Messanordnung 10 zum Ermitteln einer Netzphasenlage des Drehstromnetzes 8, der aktuellen Statorphasenströme, eines aktuellen Polradwinkels der Synchronmaschine 1 und einer aktuellen Rotordrehzahl des Rotors 3. Der Thyristorsteller 4 weist ein erstes Thyristorpaar 6 zweier antiparallel geschalteter Thyristoren 9 zum Stellen des Statorphasenstroms einer ersten Phase U und ein zweites Thy ^¬ ristorpaar 7 zweier antiparallel geschalteter Thyristoren 9 zum Stellen des Statorphasenstroms einer zweiten Phase V der Statorwicklung auf. Die Zündelektroden der Thyristoren 9 sind an die Steuereinheit 5 angeschlossen, von der die zum Zünden der Thyristorpaare 6, 7 erforderlichen Zündsignale bereitge ^¬ stellt werden. Durch Zünden eines Thyristorpaares 6, 7 einer Phase U, V wird ein Statorphasenstrom dieser Phase U, V erzeugt. Das Thyristorpaar 6, 7 einer Phase U, V schaltet sich von selbst ab, wenn der Statorphasenstrom dieser Phase U, V Null wird beziehungsweise sein Vorzeichen wechselt. Der Sta ^¬ torphasenstrom der dritten Phase W wird nicht durch den Thy- ristorsteller 4 gestellt und bleibt dauerhaft mit dem Dreh ^¬ stromnetz 8 verbunden. Die Steuereinheit 5 ist zum Ansteuern des Thyristorstellers 4 gemäß dem anhand von Figur 2 näher beschriebenen Verfahren eingerichtet. Beispielsweise weist die Steuereinheit 5 einen programmierbaren MikroController auf, der programmiert ist, um das Verfahren auszuführen.

Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens mit Verfahrensschritten Sl bis S3 zum Betreiben einer permanenterregten Synchronmaschine 1.

In einem ersten Verfahrensschritt Sl werden mit der Messanordnung 10 ein aktueller Polradwinkel, eine aktuelle Rotor ^¬ drehzahl, eine aktuelle Netzphasenlage des Drehstromnetzes 8 und die aktuellen Statorphasenströme ermittelt. Um den aktu- eilen Polradwinkel zu ermitteln, kann die Messanordnung 10 insbesondere eine Spannungsmessvorrichtung zum Erfassen wenigstens zweier Klemmenspannungen der Synchronmaschine 1 auf ^¬ weisen. In diesem Fall wird der aktuelle Polradwinkel, bei ^¬ spielsweise mit der Steuereinheit 5, aus den erfassten Klem- menspannungen und optional zusätzlich unter Verwendung der aktuellen Statorphasenströme ermittelt. Nach dem ersten Ver ^¬ fahrensschritt Sl wird ein zweiter Verfahrensschritt S2 aus ^¬ geführt . In dem zweiten Verfahrensschritt Sl werden von der Steuereinheit unter Verwendung des aktuellen Polradwinkels, der aktuellen Rotordrehzahl, der aktuellen Netzphasenlage und der ak- tuellen Statorphasenströme Drehmomentverläufe eines auf den Rotor 3 wirkenden Drehmoments und Statorphasenstromverläufe der Statorphasenströme jeweils in einem Zündzeitraum voraus ^¬ berechnet. Dabei werden ein Drehmomentverlauf und ein Stator ^¬ phasenstromverläuf jedes Statorphasenstroms jeweils für drei Zündfälle vorausberechnet, wobei in einem ersten Zündfall beide Thyristorpaare 6, 7 gezündet sind, in einem zweiten Zündfall nur das erste Thyristorpaar 6 gezündet ist und in dem dritten Zündfall nur das zweite Thyristorpaar 7 gezündet ist. Ein Ende des jeweiligen Zündzeitraums wird als ein Zeit- punkt definiert, zu dem der Betrag jedes mit einem Thyristor ^¬ paar 6, 7 gestellten Statorphasenstroms gemäß seinem voraus ^¬ berechneten Statorphasenstromverläuf einen vorgegebenen Pha- senstromschwellenwert unterschreitet. Nach dem zweiten Ver ^¬ fahrensschritt S2 wird ein dritter Verfahrensschritt S3 aus- geführt.

In dem dritten Verfahrensschritt S3 wird unter Verwendung der vorausberechneten Drehmomentverläufe und Statorphasenstrom- verläufe von der Steuereinheit 5 für jedes Thyristorpaar 6, 7 entschieden, ob es gezündet wird. Dazu wird insbesondere für jeden vorausberechneten Drehmomentverlauf geprüft, ob er ein außerhalb eines vorgegebenen Drehmomentfensters liegendes Drehmoment aufweist. Ferner wird für jeden vorausberechneten Statorphasenstromverläuf geprüft, ob er einen außerhalb eines vorgegebenen Phasenstromfensters liegenden Statorphasenstrom aufweist. Ein Zündfall wird als zulässig definiert, wenn der für ihn vorausberechnete Drehmomentverlauf kein außerhalb des Drehmomentfensters liegendes Drehmoment aufweist und kein für ihn vorausberechneter Statorphasenstromverläuf einen außer- halb des Phasenstromfensters liegenden Statorphasenstrom auf ^¬ weist. Wenn kein Zündfall zulässig ist, wird kein Thyristor ^¬ paar 6, 7 gezündet. Wenn nur ein Zündfall zulässig ist, wird der Thyristorsteller 4 gemäß dem zulässigen Zündfall ange- steuert. Wenn zwei oder drei Zündfälle zulässig sind, wird unter den zulässigen Zündfällen ein Zündfall, beispielsweise der Zündfall mit einem maximalen über seinen Zündzeitraum ge- mittelten Drehmoment, ausgewählt und der Thyristorsteller 4 wird gemäß dem ausgewählten Zündfall angesteuert. Nach dem dritten Verfahrensschritt S3 wird das Verfahren mit dem ers ^¬ ten Verfahrensschritt Sl fortgesetzt.

Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausfüh- rungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .