Verfahren zur Drehzahlregelung einer permanenterregten Dreh strommaschine mit einem Sanftstarter mittels einer Regler kaskade und Drehstrommaschine

Eine Drehstrommaschine wandelt mechanische Energie in Dreh strom oder Drehstrom in mechanische Energie um. Sie kann grundsätzlich als elektrischer Generator oder als Elektromo tor betrieben werden. Als Sanftanlauf werden Maßnahmen zur Leistungsbegrenzung beim Einschalten eines elektrischen Gerä tes, beispielsweise eines elektrischen Motors, bezeichnet.

Drehstrommaschinen werden gemäß der IEC-Norm 60034 anhand ih res Wirkungsgrades in verschiedene Energieeffizienzklassen eingeteilt. Gerade im unteren Leistungsbereich bis ca. 20kW lassen sich die gesetzlichen Wirkungsgrade für Elektroantrie be nur schwer einhalten, weshalb vermehrt die Verwendung von Permanentmagneten im Rotor angestrebt wird, z.B. als Perma nenterregte Synchronmaschine (PMSM) .

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer solchen permanenterregten Synchronmaschine M, in der Ausführung als Innenpolmaschine mit einem Stator St und einem Läufer L. Der Läufer umfasst einen magnetischen Nordpol N und Südpol S. Der Stator St umfasst Wicklungsstränge U, V, W. Die Darstellung ist lediglich beispielhaft zu verstehen und hat keine ein schränkende Wirkung auf den Schutzbereich des beanspruchten Gegenstands .

Dieser Maschinentyp ermöglicht zwar hohe Energieeffizienzgra de, jedoch sind der Start sowie der Betrieb am starren Netz nicht ohne weiteres möglich.

Um dies zu ermöglichen, kann ein Dämpferkäfig im Läufer der Maschine vorgesehen werden, welcher zwar einen sicheren Hoch lauf am starren Netz ermöglicht, jedoch das speisende Netz durch sehr hohe Anlaufströme stark belastet. Ebenso ist der Betrieb an einem geeigneten leistungselektro nischen Stellglied, wie zum Beispiel einem Frequenzumrichter oder Sanftstarter möglich. Hier stellt insbesondere der Ein satz eines SanftStarter, auch Sanftanlaufgerät genannt, eine kostenfreundliche Lösung zum Hochlauf einer permanenterregten Synchronmaschine am starren Netz dar. Ein solcher Sanftstar ter reduziert beim Einschalten (z. B. mittels Phasenan schnitt) die Spannung und erhöht diese langsam bis zur vollen Netzspannung. Ein derartiger Sanftanlauf ist allerdings häu fig nur im lastlosen Zustand oder bei geringer Last möglich. Derzeit ist hierfür jedoch noch keine marktreife Lösung be kannt .

In der Dissertation von Dr. Marcel Benecke (Universität Mag deburg) mit dem Titel "Anlauf von energieeffizienten Syn chronmaschinen mit Drehstromsteller" wird eine Lösung zum Hochlauf der permanenterregten Synchronmaschine an einem Sanftstarter vorgestellt. Das in dieser Arbeit vorgestellte Verfahren benötigt jedoch den aktuellen Polradwinkel der Ma schine, sodass die für die Arbeit verwendeten Motoren mit ei nem entsprechenden Gebersystem ausgestattet werden mussten. Unter einem Geber versteht man Drehzahl- und Lagegeber. Diese erfassen die mechanischen Größen Drehzahl und Lage. Ihre Sig nale sind erforderlich, um die Regler mit Istwerten zu ver sorgen und die vorhandenen Lage- und Drehzahlregelkreise zu schließen. Für die vektoriellen Regelverfahren bei Drehstro mantrieben dienen die Lage- und Drehzahlsignale auch als wichtige Eingangsgröße für den Stromregelkreis. Der Geber er fasst in diesem Fall die Drehzahl und/oder Lage unmittelbar an der Motorwelle.

Das Gebersystem wirkt sich negativ auf die Kosten und die Verfügbarkeit des Systems aus, was derzeit eine SanftStarter lösung für hocheffiziente Motoren unattraktiv macht. Aus die sen Gründen ist ein Verfahren zum Hochlauf ohne Geber anzu streben . Beim Betrieb einer permanenterregten Synchronmaschine mit ei nem Sanftstarter wäre zur Realisierung verschiedenster Anwen dungen eine Drehzahlregelung wünschenswert, die bislang nicht umgesetzt werden konnte.

Das benötigte Verfahren unterscheidet sich zu den im Stand der Technik bekannten geberlosen Verfahren dahingehend, dass es für einen Thyristorsteller und nicht einen Frequenzumrich ter verwendbar sein muss. Somit sind diese bekannten Verfah ren nicht anwendbar.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb einer permanenterregten Synchronmaschine ohne Geber anzugeben, das das Halten einer externen Last ermöglicht. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine permanenterregte Synchronmaschine ohne Geber anzugeben, welche mit dem erfindungsgemäßen Ver fahren arbeitet.

Diese Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Steuervorrichtung und eine Drehstrommaschine gemäß den Merkmalen der Ansprüche 13 bzw. 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die vorliegende Anmeldung beschreibt ein Verfahren zur Dreh zahlregelung einer permanenterregten Drehstrommaschine mit einem Thyristoren umfassenden Sanftstarter mittels einer Reg lerkaskade. Bei diesem werden alle möglichen Zündzeitpunkte der Thyristoren des SanftStarters berechnet und ein zu jedem Zündzeitpunkt zugeordneten Drehmoments, das aus der Zündung der Thyristoren zu einem jeweiligen Zündzeitpunkt resultiert, bestimmt. Ein Drehmomentkorridors wird anhand einer vorgege benen Berechnungsvorschrift, der eine Ist-Drehzahl (ni _st) und ein Solldrehmoment (Ms _oii ) als Eingangsgrößen zugeführt wer den, bestimmt. Durch einen Vergleich wird bestimmt, welches der bestimmten Drehmomente in dem Drehmomentkorridor liegt. Dann wird der dem bestimmten Drehmoment zugeordnete Zündzeit- punkt der Thyristoren ermittelt. Anschließend werden die Thy ristoren zu dem zugeordneten Zündzeitpunkt gezündet.

Bei einer klassischen Drehzahl-Reglerkaskade, bestehend aus einem Drehzahlregler und einem Strom-/Drehmomentregler, wird das Sollmoment, das der Drehzahlregler ausgibt, von dem

Stromregler eins zu eins umgesetzt. Hierdurch ist es möglich, dass die Solldrehzahl sehr gut eingehalten werden kann und auch bei Führungssprüngen Drehzahlsollwert und -istwert gut übereinstimmen .

Bei Betrieb einer permanenterregten Synchronmaschine mit ei nem Sanftstarter ist dies nicht möglich. Hier kommt ein von der Anmelderin in der WO 2018/086688 Al vorgestelltes Verfah ren zum Einsatz, mit dem der Motor mit der ersten Zündung der Thyristoren des SanftStarters maximal beschleunigt wird und anschließend der Flusswinkel der Maschine aufgrund der gemes senen induzierten Spannungen berechnet wird. Nach dem ersten Zündvorgang kann der Flusswinkel der Maschine bereits direkt aus der gemessenen Klemmenspannung (die Phasenströme sind währenddessen Null) ermittelt werden.

Die Ermittlung der Zündzeitpunkte basiert zunächst auf der direkten Messung der induzierten Spannungen, also der Elekt romotorischen Kraft, EMK. Für den folgenden Zündvorgang kann dann auf den berechneten Winkel zurückgegriffen werden.

Dadurch kann der Winkel selbst bei niedrigen Drehzahlen sehr gut aus den gemessenen Spannungen ermittelt werden.

Um bei der ersten Zündung die Maschine wirklich maximal zu beschleunigen, kann der optimale Zündwinkel zum Start der Ma schine (der Startwinkel ist bekannt) im Rahmen eines Inbe triebnahmeverfahrens genau ermittelt werden, das in der WO 2018/072810 Al beschrieben ist.

Das von der Anmelderin bekannte und im Rahmen dieses Verfah rens genutzte Verfahren kann kein konstantes Drehmoment prä gen, sondern nur ein zeitlich veränderliches (in erster Nähe- rung sinushalbwellenförmig) . Ebenso ist dieses in der Höhe nicht frei wähl- und (über den Strom) genau einstellbar wie im Fall der pulswechselbetriebenen Maschine mit Stromrege lung, da das von der Anmelderin vorgestellte Verfahren keine Drehmomentenregelung darstellt. Wird eine mehr oder minder gute Zündgelegenheit verworfen, kann es u.U. mehrere Millise kunden dauern, bis sich wieder eine geneignete Situation zum Zünden der Thyristoren ergibt. Würde man also in Anbetracht dieser Umstände eine klassische Reglerkaskade zur Drehzahlre gelung verwenden, wäre das System nicht funktionsfähig.

Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren beseitigt diese Nachteile, indem die Berechnung der Zündzeitpunkte mithilfe des bestimmten Drehmomentkorridors modifiziert wird. Der Drehmomentkorridor ermöglicht die Bestimmung der Zündzeit punkte in Abhängigkeit verschiedener Betriebspunkte, z.B. in Abhängigkeit der Ist-Drehzahl. Die Ist-Drehzahl kann dabei mithilfe eines Sensors gemessen oder aus der EMK berechnet sein .

Um sicher zu stellen, dass in erster Näherung das geforderte Solldrehmoment und nicht ein viel zu großes oder viel zu kleines Drehmoment geprägt wird, wird der drehzahl- und Soll moment-abhängige Korridor definiert, in dem der Mittelwert des prädizierten, zeitveränderlichen Drehmoments zum Liegen kommt. Da es sich bei dem Verfahren nicht um einen Stromreg ler handelt, wird hierdurch gewährleistet, dass das Solldreh moment und das Ist-Drehmoment ähnliche Werte annehmen.

Verglichen mit einem Asynchronmotor am Sanftstarter ermög licht dies neue Applikationen. Insbesondere bei Applikatio nen, in denen überwiegend Dauerlauf, aber dennoch temporär geringere Geschwindigkeiten benötigt werden, kann mittels Sanftstarter und permanent erregter Drehstrommaschine mit Dämpferkäfig eine günstige Alternative zum Frequenzumrichter betriebenen Motor beschaffen werden. Beispielhaft hierfür ist eine einfache Positionierung mit zwei Lichtschranken. Eine zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass keine Zündung der Thyristoren erfolgt, wenn für alle möglichen Zündzeit punkte kein zugeordnetes Drehmoment in dem Drehmomentkorridor zum Liegen kommt. Dadurch kann der Läufer der Drehstromma schine nicht „falsch", d.h. mit einem zu großen oder einem zu kleinen Drehmoment, beschleunigt werden.

Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn in einem Fall, in dem meh rere der bestimmten Drehmomente in dem Drehmomentkorridor liegen, der dem Drehmoment zugeordnete Zündzeitpunkt ausge wählt wird, dessen zugeordnetes Drehmoment dem Solldrehmoment am nächsten kommt. Dies ermöglicht eine dem gewünschten Ziel möglichste nahekommende Regelung der Drehzahl.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass die Berech nungsvorschrift eine obere und eine untere Grenze umfasst.

Die obere Grenze ist durch einen prozentualen Aufschlag auf das Solldrehmoment definiert. Die untere Grenze ist durch ei nen prozentualen Abschlag auf das Solldrehmoment definiert. Der Korridor weist dadurch, abhängig von der Höhe des ermit telten bzw. geforderten Solldrehmoments eine unterschiedliche Breite auf, wobei diese mit zunehmender Höhe des Solldrehmo ments größer wird. Dies ermöglicht mit größer werdendem Soll drehmoment größer werdende Abweichungen für das prädizierte Drehmoment und erhöht dadurch die Wahrscheinlichkeit, dass geeignete Zündzeitpunkte zum Zünden der Thyristoren des SanftStarters gefunden werden.

Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Be rechnungsvorschrift eine obere und eine untere Grenze um fasst, wobei die obere Grenze durch einen absoluten Aufschlag auf das Solldrehmoment Msoii definiert ist. Die untere Grenze ist durch einen absoluten Abschlag auf das Solldrehmoment Msoii definiert. Der Korridor weist dadurch, unabhängig von der Höhe des ermittelten bzw. geforderten Solldrehmoments ei ne gleiche Breite bzw., in Verbindung mit dem prozentualen Aufschlag, eine gleichmäßige Verbreiterung auf. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass geeignete Zündzeitpunkte zum Zünden der Thyristoren des SanftStarters berechnet werden können .

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass das Solldrehmoment an die Lastcharakteristik angepasst wird, wobei ein angepass tes Solldrehmoment aus dem Solldrehmoment und der Ist- Drehzahl ermittelt wird. Dadurch kann das maximale Solldreh moment, das zur Ermittlung der Zündzeitpunkte als Eingangs größe verwendet wird, begrenzt werden. Es kann also zweckmä ßig vorgesehen sein, dass aus der Ist-Drehzahl ein maximal zulässiges Solldrehmoment, insbesondere anhand einer oder mehrerer Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien, ermittelt wird.

Ferner kann das maximal zulässige Solldrehmoment als Ein gangsgröße zur Bestimmung des Drehmomentkorridors verarbeitet werden, wobei das maximal zulässige Solldrehmoment als das Solldrehmoment verarbeitet wird. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, aus dem maximal zulässigen Solldrehmo ment und dem Solldrehmoment das angepasste Solldrehmoment zu bestimmen. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass das neue Solldrehmoment kleiner als das maximal zulässige Solldrehmo ment gewählt wird. Im Ergebnis wird sichergestellt, dass der Drehzahlregler nicht ein zu großes Drehmoment anfordert, das den Antrieb zu schnell beschleunigen würde. In einer traditi onellen Reglerkaskade, würde dieser Effekt (Überschwingen der Drehzahl) z.B. durch ein kurzeitig negatives Sollmoment kom pensiert werden. Dies ist aus oben genannten Gründen hier nicht ohne weiteres möglich. Daher können keine unerwünschten Drehzahlpendelungen auftreten.

Die oben beschriebenen Ausgestaltungen ermöglichen einen ram penförmigen Start des Motors mit frei wählbarer Beschleuni gung sowie eine gezielte Reduktion der Drehzahl mittels Aus lauframpe. Außerdem ist der kurzfristige Betrieb des Motors bei einer frei wählbaren Drehzahl möglich, was z.B. für rudi mentäre Positionieranwendungen (Anfahrt mit zwei Geschwindig keiten) nutzbar ist. Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass die Zündzeitpunkte derart ermittelt werden, dass negatives Dreh moment für eine Drehrichtungsumkehr der Drehstrommaschine er zeugt wird. Wird die Bestimmung der Zündzeitpunkte dahinge hend geändert, dass bei Bedarf nur negative Drehmomente zuge lassen werden, kann eine stillstehende Drehstrommaschine in negativer Drehrichtung beschleunigt werden - die Drehrichtung wird also umgekehrt. Da das speisende Netz nun eine entgegen gerichtete Drehrichtung aufweist, kann die Maschine bis ca. 60% ihrer Nenndrehzahl in negativer Richtung beschleunigt werden. Ein Vorteil dieser Lösung ist, dass kein zusätzliches Schütz zur Drehrichtungsumkehr benötigt wird. Alleine mittels der geeigneten Wahl des Zündzeitpunktes der Thyristoren wird ein negativ umlaufendes Drehfeld erzeugt, das die Drehrich tungsumkehr der Drehfeldmaschine zur Folge hat. Es ist anzu merken, dass das beschriebene Verfahren nicht für den Dauer betrieb der Maschine gedacht ist, sondern lediglich zum Be schleunigen der Maschine in ein Drehzahlband.

Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass alter nierend ein positives und ein negatives Drehmoment für eine zyklische Veränderung der Drehrichtung der Drehstrommaschine erzeugt wird. Gemäß dieser Ausgestaltung wird - insbesondere nach einem Ausrichten der Drehstrommaschine, wie im Rahmen des in der WO 2018/072810 Al offenbarten Inbetriebnahmever fahrens beschrieben - die Drehstrommaschine vorzugsweise mit maximalem Drehmoment in positive Drehrichtung beschleunigt, bis die Ist-Drehzahl einen Schwellwert überschreitet. An schließend wird die Drehstrommaschine mit vorzugsweise maxi mal negativem Drehmoment in die negative Drehrichtung be schleunigt, bis die Ist-Drehzahl einen zweiten Drehzahl schwellwert überschreitet und die Beschleunigung wieder in positiver Drehrichtung erfolgt. Die Drehstrommaschine ändert also das Vorzeichen der mechanischen Drehzahl zyklisch. Je nach Parametrierung der Schwellwerte kann ein großer oder kleiner Drehzahlhub eingestellt werden. Durch die mögliche ruckartige Drehzahl- und Drehrichtungsänderung können z.B. Ablagerungen an einer Pumpe gelöst werden. Es wird ferner eine Steuereinrichtung für eine Drehstromma schine mit Sanftstarter vorgeschlagen, die sich dadurch aus zeichnet, dass diese dazu eingerichtet ist, das hierin be schriebene Verfahren durchzuführen. Hiermit sind die gleichen Vorteile verbunden wie diese in Verbindung mit dem erfin dungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden.

Insbesondere umfasst die Steuervorrichtung zur Drehzahlrege lung einer permanenterregten Drehstrommaschine mit einem Thy ristoren umfassenden Sanftstarter mittels einer Reglerkaskade einen Drehzahlregler, eine Zündzeitpunktberechnungs-Einheit und eine Adaptionseinheit. Die Zündzeitpunktberechnungs- Einheit ist dazu eingerichtet, alle möglichen Zündzeitpunkte der Thyristoren des SanftStarters zu berechnen sowie ein zu jedem Zündzeitpunkt zugeordnetes Drehmoment zu bestimmen, das aus der Zündung der Thyristoren zu einem jeweiligen Zündzeit punkt resultiert. Die Adaptionseinheit ist dazu eingerichtet, einen Drehmomentkorridor anhand einer vorgegebenen Berech nungsvorschrift, der eine Ist-Drehzahl und ein Solldrehmoment zugeführt werden, das dem Drehzahlregler zur Verarbeitung zu geführt wird, zu bestimmen. Die Zündzeitpunktberechnungs- Einheit ist dazu eingerichtet, zu bestimmen, welches der be stimmten Drehmomente in dem Drehmomentkorridor liegt und den zugeordneten Zündzeitpunkt der Thyristoren zu ermitteln. Fer ner ist die Zündzeitpunktberechnungs-Einheit dazu eingerich tet, die Thyristoren zu dem zugeordneten Zündzeitpunkt zu zünden .

Die Zündzeitpunktberechnungs-Einheit ist ferner dazu ausge bildet, keine Zündung der Thyristoren vorzunehmen, wenn für alle möglichen Zündzeitpunkte kein zugeordnetes Drehmoment in dem Drehmomentkorridor zum Liegen kommt. In einer weiteren Ausgestaltung ist die Zündzeitpunktberechnungs-Einheit dazu ausgebildet, in einem Fall, in dem mehrere der bestimmten Drehmomente in dem Drehmomentkorridor liegen, den dem Drehmo ment zugeordneten Zündzeitpunkt auszuwählen, dessen zugeord netes Drehmoment dem Solldrehmoment am nächsten kommt. Weiter wird eine Drehstrommaschine mit Sanftstarter vorge schlagen. Diese ist zur Durchführung des hierin beschriebenen Verfahrens ausgebildet, wodurch ein Halten der Drehstromma schine ermöglicht ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher er läutert :

Fig . 1 einen Schnitt durch eine beispielhafte Drehstromma schine ;

Fig . 2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen

Aufbaus ;

Fig . 3 eine erfindungsgemäße Reglerkaskade;

Fig . 4 einen Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 5 und 6 zeitliche Verläufe der Drehzahl und der Pha senströme zweier verschiedener Messungen einer Nachlauframpenfunktion;

Fig. 7 bis 9 zeitliche Verläufe der Drehzahl und der Pha senströme dreier verschiedener Messungen eines Drehzahlsprungs zur Realisierung einer Zwischen drehzahl ;

Fig. 10 den zeitlichen Verlauf des Drehmoments zur Erzeu gung einer Drehrichtungsumkehr der Drehstrommaschi ne ;

Fig. 11 den zeitlichen Verlauf der Drehzahl bei Drehrich tungsumkehr; und

Fig. 12 den zeitlichen Verlauf der Drehzahl bei aktivierter

Reversiertunktion . Figur 2 zeigt den prinzipiellen gewünschten Aufbau der als permanenterregte Synchronmaschine M ausgebildeten Drehstrom maschine mit Sanftstarter SS (Z.B. Sirius-SanftStarter) ohne Geber und mit Geber G links. Wie eingangs beschrieben, kann die Drehstrommaschine z.B. als eine Innenpolmaschine mit ei nem Stator St und einem Läufer L ausgebildet sein. Der Läufer L umfasst einen magnetischen Nordpol N und Südpol S. Der Sta tor St umfasst Wicklungsstränge U, V, W. Der Läufer L kann z.B. drehfest (oder über ein Getriebe) mit einer nicht darge stellten Welle verbunden sein, welche von einer externen Last mit einem, insbesondere konstanten, Moment beaufschlagt ist.

Mit Hilfe des nachfolgend beschriebenen Verfahrens, das auf das von der Anmelderin in der WO 2018/086688 Al vorgestellte Verfahren aufbaut und nachfolgend als geberloses Startverfah ren bezeichnet wird, wird die Berechnung von Zündzeitpunkten der Thyristoren des SanftStarters SS bewirkt.

Das geberlose Startverfahren basiert auf der Überlegung, dass bei der erstmaligen Zündung der Thyristoren die Drehstromma schine (auch: der Motor) mit dem maximal möglichen Drehmoment beschleunigt wird. Hierdurch soll sichergestellt werden, dass der Motor nach der Erstzündung bereits eine bestimme minimale Drehzahl überschritten hat und somit die induzierten Spannun gen während der Prinzip bedingten Sperrzeit der Thyristoren hinreichend genau gemessen werden können. Aus den induzierten Spannungen kann anschließend nach den bereits bekannten sog. EMK-Verfahren der elektrische Winkel des Motors ermittelt und dem Benecke-Verfahren (aus der oben genannten Dissertation) übergeben werden. Zudem kann während einer zweiphasigen Zün dung die Spannung der dritten Phase direkt gemessen und bei der Auswertung berücksichtigt werden.

Da Motoren an Sanftanlaufgeräten meist passive Lasten mit li nearen oder quadratischen Lastkennlinien treiben, dient das Drehmoment bei der Erstzündung nahezu vollständig zur Be schleunigung der trägen Masse. Insofern kann davon ausgegan gen werden, dass die Beschleunigung bei der Erstzündung aus- reichend ist und die induzierten Spannungen hinreichend genau gemessen werden können. Bei der Messung der Spannungen kann auf die im Sanftstarter ohnehin vorhandene Messsensorik zu rückgegriffen werden. Das Verfahren benötigt also keine zu sätzliche Hardware.

Das geberlose Startverfahren umfasst zwei Schritte.

Schritt 1: Ermittlung des optimalen Zündwinkels:

Nachdem das Verfahren zur initialen Ausrichtung der Maschine abgeschlossen ist, ist der aktuelle Winkel des Motors be kannt. Basierend auf diesem bekannten Startwinkel kann gemäß dem oben genannten Verfahren jener Zündwinkel des Sanftstar ters berechnet werden, bei dem das im Motor erzeugte Drehmo ment für einen gegebenen Maximalstrom maximal ist. Um bei der ersten Zündung der Thyristoren ein möglichst hohes Drehmoment zu entwickeln, wird der bei der Erstzündung zulässige Maxi malstrom auf den für die Leistungshalbleiter maximal zulässi gen Strom gesetzt.

Bei der Berechnung des optimalen Zündwinkels geht generell auch der Verlauf des Drehwinkels und der Drehzahl während der Zündung der Thyristoren ein, jedoch sind diese bei der Be rechnung des Zündwinkels nicht bekannt. Aus diesem Grund soll der optimale Zündwinkel für die Erstzündung im Rahmen eines Inbetriebnahmeverfahrens vorab für den Antrieb ermittelt wer den .

Schritt 2: Umschaltung auf EMK (Elektromotorische Kraft) - Verfahren :

Nachdem die permanenterregte Synchronmaschine durch die Erst zündung beschleunigt wurde, sind die durch die Drehung der Maschine induzierten Spannungen groß genug, um sie während der Sperrphase der Thyristoren messen zu können. Aus den ge messenen Spannungen kann anschließend, z. B. durch einen Be obachter oder durch eine einfache Arcustangensberechnung der Flusswinkel der Maschine ermittelt werden. Ebenso ist es denkbar, den Drehwinkel alleine auf Basis der anregenden Spannungen, der gemessenen Ströme und der Maschinengleichun gen, also mithilfe einer Berechnungsvorschrift, zu ermitteln.

Unabhängig vom gewählten Ansatz sind in den genannten Fällen bereits zahlreiche Verfahren aus dem Gebiet der geberlosen Regelung bekannt und es kann auf diese zurückgegriffen wer den. Der aus dem EMK-Verfahren ermittelte Flusswinkel wird dem Benecke-Verfahren als Istwert übergeben und hieraus der nächste optimale Zündwinkel bei Drehung der Maschine ermit telt .

Fig. 3 zeigt eine im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Einsatz kommende Reglerkaskade zur Drehzahlregelung der permanenterregten Drehstrommaschine. Diese umfasst einen Drehzahlregler 10, eine Zündzeitpunktberechnungs-Einheit 20 und eine Lastcharakteristikbestimmungs-Einheit 30.

Der Drehzahlregler 10 ist dazu eingerichtet, aus einer Soll drehzahl ns _oii und einer Ist-Drehzahl ni _st ein Solldrehmoment Ms _oii für die Drehstrommaschine M zu ermitteln. Die Ist- Drehzahl ni _st kann mittels eines Sensors gemessen sein. Die Ist-Drehzahl ni _st kann auch aus der EMK berechnet sein.

Die Zündzeitpunktberechnungs-Einheit 20 umfasst eine Bestim mungseinheit 22, die, wie vorstehend beschrieben, dazu einge richtet ist, die Berechnung der Zündzeitpunkte durchzuführen, um das ihr zugeführte Solldrehmoment Ms _oii möglichst gut zu erreichen. Die Bestimmungseinheit 22 ist somit dazu einge richtet, das geberlose Startverfahren auszuführen und alle möglichen Zündzeitpunkte für die Zündung der Thyristoren des SanftStarters SS auszugeben.

Die Zündzeitpunktberechnungs-Einheit 20 umfasst darüber hin aus eine Adaptionseinheit 21, die dazu eingerichtet ist, ei nen Drehmomentkorridor AM _Komdor anhand einer vorgegebenen Be rechnungsvorschrift, der die Ist-Drehzahl ni _st und das Sollmo ment Ms _oii zugeführt werden, zu bestimmen. Der Drehmomentkor ridor wird der Bestimmungseinheit 22 der Zündzeitpunktberech- nungs-Einheit 20 zur Bestimmung der Zündzeitpunkte der Thy ristoren des SanftStarters zugeführt.

Die Bestimmungseinheit 22 berechnet alle möglichen Zündzeit punkte der Thyristoren des SanftStarters (SS) und bestimmt ein zu jedem Zündzeitpunkt zugeordnetes Drehmoment, das aus der Zündung der Thyristoren zu einem jeweiligen Zündzeitpunkt resultiert. Anschließend bestimmt die Bestimmungseinheit 22, welches der bestimmten Drehmomente in dem Drehmomentkorridor liegt und ermittelt den zugeordneten Zündzeitpunkt der Thy ristoren. Dann gibt die Bestimmungseinheit 22 ein entspre chendes Signal zum Zünden der Thyristoren zu dem zugeordneten Zündzeitpunkt .

Wenn für alle möglichen Zündzeitpunkte kein zugeordnetes Drehmoment in dem Drehmomentkorridor AM _Komdor zum Liegen kommt, wird kein Signal zum Zünden der Thyristoren ausgege ben. Wenn demgegenüber in dem Drehmomentkorridor AM _Komdor mehrere der bestimmten Drehmomente liegen, wird der dem Dreh moment zugeordnete Zündzeitpunkt ausgewählt, dessen zugeord netes Drehmoment dem Solldrehmoment Msoii am nächsten kommt.

Die von der Adaptionseinheit 21 verarbeitete Berechnungsvor schrift kann auf einer oder mehreren vorab definierten Kenn linien basieren, welche den Drehmomentkorridor definieren bzw. begrenzen. Die von der Adaptionseinheit 21 verarbeitete Berechnungsvorschrift bzw. der dadurch definierte Korridor umfasst eine obere und eine untere Grenze. Die die obere Grenze ist durch einen prozentualen Aufschlag auf das Soll drehmoment Msoii definiert. Die untere Grenze ist durch einen prozentualen Abschlag auf das Solldrehmoment Msoii definiert. Der Korridor weist dadurch, abhängig von der Höhe des ermit telten bzw. geforderten Solldrehmoments Msoii eine unter schiedliche Breite auf, wobei diese mit zunehmender Höhe des Solldrehmoments größer wird.

Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Be rechnungsvorschrift eine obere und eine untere Grenze um- fasst, wobei die obere Grenze durch einen absoluten Aufschlag auf das Solldrehmoment Msoii definiert ist. Die untere Grenze ist durch einen absoluten Abschlag auf das Solldrehmoment Msoii definiert. Der Korridor weist dadurch, unabhängig von der Höhe des ermittelten bzw. geforderten Solldrehmoments ei ne gleiche Breite bzw., in Verbindung mit dem prozentualen Aufschlag, eine gleichmäßige Verbreiterung auf. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass geeignete Zündzeitpunkte zum Zünden der Thyristoren des SanftStarters gefunden werden.

Die lediglich optionale Lastcharakteristikbestimmungs-Einheit 30 dient zur Anpassung der Solldrehmoments Msoii an die Last charakteristik aus dem Solldrehmoment Msoii und der Ist- Drehzahl ni _st . Die Lastcharakteristikbestimmungs-Einheit 30 umfasst eine Einheit 31, die dazu ausgebildet ist, aus der Ist-Drehzahl ni _st ein maximal zulässiges Solldrehmoment

Msoii_max, insbesondere anhand einer oder mehrerer Drehmoment- Drehzahl-Kennlinien, zu ermitteln. Mit anderen Worten wird für eine gerade anliegende Ist-Drehzahl ni _st aus einer vorab, z.B. durch Versuche oder numerische Simulationen, festgeleg ten Kennlinie das zugeordnete maximal zulässige Solldrehmo ment Msoii_max ermittelt. Die Lastcharakteristikbestimmungs- Einheit 30 umfasst ferner eine Begrenzungseinheit 32.

Das maximal zulässige Solldrehmoment Ms ₀ u_ _max wird zum einen der Adaptionseinheit 21 zur Bestimmung des Drehmomentkorri dors AM _Komdor zugeführt, durch die das maximal zulässige Solldrehmoment M _So ii_max als das Solldrehmoment M _So ii verarbeitet wird. Zum anderen wird das maximal zulässige Solldrehmoment Msoii_max der Begrenzungseinheit 32 zugeführt, die aus dem ma ximal zulässigen Solldrehmoment Ms ₀ u_ _max und dem Solldrehmo ment ein angepasstes Solldrehmoment Msoii' bestimmt, das der Bestimmungseinheit 22 als Führungsgröße zugeführt wird. Im einfachsten Fall wird das maximal zulässige Solldrehmoment Msoii_max als das angepasste Solldrehmoment M _So ii ' verwendet, wo bei auch zusätzliche Transformationen möglich sind. Insbeson dere wird das angepasste Solldrehmoment Msoii kleiner als das maximal zulässige Solldrehmoment Ms ₀ u_ _max gewählt. Die in Fig. 3 gezeigte Reglerkaskade, bestehend aus dem dreh zahladaptiven Drehzahlregler 10 und einem modifizierten Algo rithmus (21, 22 sowie optional 31, 32) ermöglicht die Berech nung der Zündzeitpunkte. In Abhängigkeit der Ist-Drehzahl ni _st wird das maximale Solldrehmoment Msoii_max durch die Lastcha rakteristikbestimmungs-Einheit 30 begrenzt. Wird in Kennlinie 1 die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie der Last berücksichtigt, wird durch die Einheit 31 sichergestellt, dass der Drehzahl regler 10 nicht ein zu großes Drehmoment anfordert, das den Motor zu schnell beschleunigen würde. Um sicher zu stellen, dass in erster Näherung das geforderte Drehmoment (d.h., das angepasste Solldrehmoment Msoii ' ) und nicht ein viel zu großes oder viel zu kleines Drehmoment geprägt wird, wird ein dreh- zahl- und sollmomentenabhängiger Korridor definiert, in dem der Mittelwert des prädizierten, zeitveränderlichen Drehmo ments liegen soll. Da es sich bei dem Algorithmus nicht um einen Stromregler handelt, wird hierdurch gewährleistet, dass Soll- und Istmoment ähnliche Werte annehmen.

Fig. 4 zeigt einen Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfah rens. In Schritt S1 werden alle möglichen Zündzeitpunkte der Thyristoren des SanftStarters ermittelt sowie ein zu jedem Zündzeitpunkt zugeordnetes Drehmoment bestimmt, das aus der Zündung der Thyristoren zu einem jeweiligen Zündzeitpunkt re sultiert. In Schritt S2 wird ein Drehmomentkorridor anhand einer vorgegebenen Berechnungsvorschrift, der die Ist- Drehzahl und das Sollmoment als Eingangsgrößen zugeführt wer den, bestimmt. Der Drehmomentkorridor wird zur Berechnung des Zündzeitpunkts verarbeitet. In Schritt S3 erfolgt die Bestim mung, welches der bestimmten Drehmomente in dem Drehmoment korridor liegt und sowie die Ermittlung des zugeordneten Zündzeitpunkts der Thyristoren. Schließlich erfolgt in

Schritt S4 das Zünden der Thyristoren zu dem zugeordneten Zündzeitpunkt .

Das beschriebene Verfahren basiert alleine auf den in einem Seriengerät bereits vorhandenen Messwerten und benötigt keine zusätzliche Sensorik. Es ist somit möglich, ein bestehendes Produkt alleine durch eine Softwarelösung für den Betrieb ei nes IE4-Motors zu erweitern.

Nachfolgend werden noch Applikationen vorgestellt, für die die Drehzahlregelung die Basis darstellt.

Nachlauframpenfunktion

Die in den Figuren 5 und 6 dargestellten zeitliche Verläufe der Drehzahl n und der Phasenströme Iu,v,w der drei Phasen U,

V, W resultieren aus zwei verschiedener Messungen des Nach laufs eines Motors mit Permanenterregung an einem Sanftstar ter. Der Motor ist über die gesamte Messung mit einem quadra tischen Moment belastet, das bei Nenndrehzahl dem Nennmoment entspricht. Die tatsächliche Drehzahl ist jeweils im unteren Diagramm der Figuren 5 und 6 mit n _reai gekennzeichnet. Um ein abruptes Stoppen des Motors zu verhindern, wird weiterhin ein Moment in der Maschine erzeugt, das eine langsame Abnahme der Drehzahl steuert.

Fig. 6 zeigt, ebenso wie Fig. 5, einen Auslauf der Maschine. Fig. 6 zeigt zusätzlich, dass auch ein deutlich langsameres Auslaufen möglich ist. Der Nachlauf bei permanenterregten Hocheffizienzmotoren am Sanftstarter eröffnet den Einsatz in Pumpenapplikationen. Der Nachlauf verhindert z.B. Beschädi gungen durch Wasserschlag (sog. Druckstoß).

Zwischendrehzahlen

Die Reglerkaskade kann auch für den temporären Betrieb eines permanenterregten Hocheffizienzmotors bei Drehzahlen niedri ger als die Nenndrehzahl verwendet werden. Zum Beispiel könn ten Festdrehzahlen vorkonfiguriert werden.

Die Figuren 7 bis 9 zeigen zeitliche Verläufe der Drehzahl n und der Phasenströme Iu,v,w der drei Phasen U, V, W aus drei verschiedener Messungen eines Drehzahlsprungs zur Realisie rung einer Zwischendrehzahl. Die tatsächliche Drehzahl ist jeweils im unteren Diagramm der Figuren 7 bis 9 mit n _re ai ge kennzeichnet .

Fig. 7 zeigt einen Drehzahlsprung von der Nenndrehzahl (n = 1500 min ^-1 ) zu einer niedrigeren Drehzahl (n = 900 min ^-1 ) bei vollem Lastmoment. Eine Solldrehzahl ns _oii ist nahezu

sprungförmig vorgegeben. Entsprechend der Motorträgheit ergibt sich eine leichte Verzögerung. Es ist zu sehen, dass beide Drehzahlniveaus gehalten werden und bis auf den durch die nur sehr eingeschränkte Steuerbarkeit des Thyristors ver ursachte Drehzahlrippel übereinstimmen.

Die in Fig. 8 gezeigte Messung ist unter denselben Bedingun gen wie die in Fig. 7 aufgenommen worden, nur dass diesmal anstatt eines Drehzahlsprungs eine Drehzahlrampe als Sollwert ns _oii vorgegeben wird. Wie bereits bei den Festdrehzahlen kann der Motor auch bei dieser Rampe gut folgen.

Die in Fig. 9 gezeigte Messung zeigt den umgekehrten Fall der Beschleunigung des Motors von der Drehzahl n = 350 min ^-1 auf die Drehzahl n = 1500 min ^-1 . Wie auch beim in Fig. 8 vorge stellten Wechsel von Nenndrehzahl auf eine niedrigere Dreh zahlstufe ist das Folgen einer Drehzahlrampe ohne weiteres möglich .

Die Messungen in den Figuren 5 bis 9 zeigen, dass ein Betrieb mit belasteter Maschine bei unterschiedlichen Drehzahlen un terhalb der Nenndrehzahl des permanenterregten Hocheffizienz motors am Sanftstarter möglich ist. Auch die Übergänge können frei gestaltet werden. Verglichen mit einem Asynchronmotor am Sanftstarter ermöglicht dies völlig neue Applikationen. Ins besondere Applikationen, in denen überwiegend Dauerlauf, aber dennoch temporär geringere Geschwindigkeiten benötigt werden, können mittels Sanftstarter und permanenterregtem Motor mit Dämpferkäfig eine günstige Alternative zum mit Frequenzum richter betriebenen Motor beschaffen sein. Beispielhaft hierfür ist eine einfache Positionierung mit zwei Lichtschranken. Fährt die zu positionierende Einheit durch die erste Lichtschranke wird die Motordrehzahl von Netzdrehzahl auf eine deutlich niedrigere Drehzahl (z.B. 20% der Netzdrehzahl) verringert und die zu positionierende Ein heit wird abgebremst. Nun fährt die Vorrichtung so lange wei ter bis auch die zweite Lichtschranke durchschritten wird und eine vollständige Bremsung der Vorrichtung vorgenommen wird. Durch die vorherige Reduktion der Geschwindigkeit erfolgt ein zeitnaher Stillstand und ein weites Überfahren der Sollposi tion (das insbesondere bei großen und veränderlichen Träghei ten auftreten würde) wird verhindert. Eine solche Applikation kann heute nur mittels Frequenzumrichter realisiert werden.

Drehrichtungsumkehr

Durch die Reglerkaskade können die Zündzeitpunkte auch derart ermittelt werden, dass negatives Drehmoment erzeugt wird.

Dies ermöglicht eine Drehrichtungsumkehr der Drehstrommaschi ne, wie die Figuren 10 und 11 zeigen. Wird die Bestimmung der Zündzeitpunkte dahingehend geändert, dass bei Bedarf nur ne gative Drehmomente zugelassen werden, kann eine stillstehende Drehstrommaschine in negativer Drehrichtung beschleunigt wer den - die Drehrichtung wird also umgekehrt. Da das speisende Netz nun eine entgegen gerichtete Drehrichtung aufweist, kann die Maschine bis ca. 60% ihrer Nenndrehzahl in negativer Richtung beschleunigt werden.

Ein Vorteil dieser Lösung ist, dass kein zusätzliches Schütz zur Drehrichtungsumkehr benötigt wird. Alleine mittels der geeigneten Wahl des Zündzeitpunktes der Thyristoren wird ein negativ umlaufendes Drehfeld erzeugt, das die Drehrichtungs umkehr der Drehfeldmaschine zur Folge hat.

Es ist anzumerken, dass die Drehrichtungsumkehr nicht für den Dauerbetrieb der Maschine gedacht ist, sondern lediglich zum Beschleunigen der Maschine in ein bestimmtes Drehzahlband. Alternierende Änderung der Drehrichtung

Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass alter nierend ein positives und ein negatives Drehmoment für eine zyklische Veränderung der Drehrichtung der Drehstrommaschine erzeugt wird. Hier wird - insbesondere nach einem Ausrichten der Drehstrommaschine, wie im Rahmen des Inbetriebnahmever fahrens (WO 2018/072810 Al) beschrieben - die Drehstromma schine vorzugsweise mit maximalem Drehmoment in positive Drehrichtung beschleunigt bis die Ist-Drehzahl einen Schwell wert überschreitet. Anschließend wird die Drehstrommaschine mit vorzugsweise maximal negativem Drehmoment in die negative Drehrichtung beschleunigt bis die Ist-Drehzahl einen zweiten Drehzahlschwellwert überschreitet und die Beschleunigung wie der in positiver Drehrichtung erfolgt. Die Drehstrommaschine ändert also das Vorzeichen der mechanischen Drehzahl zyk lisch.

Je nach Parametrierung der Schwellwerte kann ein großer oder kleiner Drehzahlhub eingestellt werden. Durch die mögliche ruckartige Drehzahl- und Drehrichtungsänderung können z.B. Ablagerungen an einer Pumpe gelöst werden. So kann beispiels weise die Reversierfunktion in festen zeitlichen Abständen (täglich, wöchentlich, monatlich etc.) für wenige Sekunden aktiviert werden, um Ablagerungen vorzubeugen. Ein zeit- und kostenintensiver Austausch von Pumpe kann durch die beschrie bene Funktion verhindert oder zumindest verzögert werden.