Verfahren zum Betrieb eines dreiphasigen Wechselrichters ei ^¬ nes umrichtergespeisten Magnetlagers

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines dreiphasigen Wechselrichters eines umrichtergespeisten Magnetlagers, dessen beide Spulen einerseits mit einem ersten Anschluss jeweils mit einem Ausgang des dreiphasigen Wechsel- richters und andererseits mit einem zweiten Anschluss mitein ^¬ ander und mit einem dritten Ausgang des dreiphasigen Wechselrichters verknüpft sind.

Ein derartiges umrichtergespeistes Magnetlager ist aus der DE 10 2007 028 229 B3 bekannt. Ein derartiges umrichterge ^¬ speistes Magnetlager ist in FIG 1 näher dargestellt. In die ^¬ ser FIG 1 sind mit 2 ein umrichtergespeistes Magnetlager, mit 4 ein Umrichter, mit 6 ein Wechselrichter, mit 8 ein oberer Magnetanker, mit 10 ein unterer Magnetanker, mit 12 eine Spu- le des oberen Magnetankers 8, mit 14 eine Spule des unteren Magnetankers 10, mit 16 eine Einspeiseeinheit des Umrichters 4 und mit 18 ein speisendes Netz bezeichnet. In dieser Dar ^¬ stellung ist die Spule 12 des oberen Magnetankers 8 mit einem ersten Anschluss 20 mit einem Ausgang W des Wechselrichters 6 verbunden, wobei ein erster Anschluss 22 der Spule 14 des unteren Magnetankers 10 mit einem Ausgang V des Wechselrichters 6 verknüpft ist. Die zweiten Anschlüsse 24 und 26 der beiden Spulen 12 und 14 sind miteinander und mit einem dritten Ausgang U des Wechselrichters 6 verbunden. Der Umrichter 4 weist neben dem Wechselrichter 6 auch noch eine Einspeiseeinheit 16 auf, die wechselspannungsseitig mit einem speisenden Netz 18 verbunden ist. Die Einspeiseeinheit 16 ist gleichspannungs- seitig mit gleichspannungsseitgen Anschlüssen DC+ und DC- des Wechselrichters 6 verknüpft. Der Wechselrichter 6 ist im Han- del als Motormodul für ein handelsübliches Umrichtergerät er ^¬ hältlich . Ein derartiges Umrichtergerät wird normalerweise zum Ansteu ^¬ ern eines Drehstrommotors verwendet. Damit ein Drehstrommo ^¬ tor, insbesondere ein Synchronmotor, entsprechend Vorgaben in Drehzahl- bzw. Drehmoment geregelt werden kann, weist dieses Motormodul eine feldorientierte Regelung auf. Das heißt, die ^¬ se Regelung weist zwei Regelkanäle auf, nämlich einen Kanal für eine so genannte feldorientierte Stromkomponente, die allgemein als d-Komponente eines rotierenden Stromvektors be ^¬ zeichnet wird, und einen Kanal für eine so genannte drehmo- mentbildende Stromkomponente, die allgemein als q-Komponente eines rotierenden Stromvektors bezeichnet wird. Gemäß dem ge ^¬ nannten nationalen Patent werden diese beiden unabhängig voneinander zu erzeugenden Stromkomponenten für eine Differenzansteuerung eines Magnetlagers verwendet. Der d-Komponente wird dabei die Funktion eines Konstantstroms zur Vormagneti ^¬ sierung zugewiesen, wobei der q-Komponente die Rolle des Steuerstroms des Magnetlagers obliegt, mit der die Kraftein ^¬ wirkung gesteuert wird. Aus dieser DE 10 2007 028 229 B3 ist eine Betriebsweise des umrichtergespeisten Magnetlagers 2 gemäß FIG 1 bekannt, die anhand der FIG 2 bis 4 näher erläutert wird:

Gemäß dieser Betriebsweise wird ein Transformationswinkel (Rotorlagewinkel eines Synchronmotors) der feldorientierten Regelung des Wechselrichters 6 so eingefroren, dass für den Wechselrichter 6 der Zustand entsteht, als ob die magnetische Achse eines angetriebenen Motors fest und unveränderlich in eine bestimmte Richtung des Ständers, beispielsweise in Rich- tung der Phase am Ausgang U, zeigt. Mittels dieses Transformationswinkels (Rotorlagewinkel) wird bei der feldorientier ^¬ ten Regelung des Motormoduls ein ständerorientiertes recht ^¬ winkliges /β-System in ein läuferorientiertes d/q-System transformiert, das mit einer Läuferkreisfrequenz umläuft. Dieser Rotorlagewinkel wird auch wieder für die Rücktransfor- mation benötigt. Dieser Transformationswinkel (Rotorlagewin ^¬ kel) verändert sich während eines Umlaufs des Rotors, weswe- gen der veränderliche Rotorlagewinkel auch als Drehfeldwinkel bezeichnet wird.

Bei der Betriebsweise des Wechselrichters 6 als Einspeiseein- heit für ein Magnetlager ist dieser Transformationswinkel derart eingefroren, dass die flussbildende Achse fest und un ^¬ veränderlich in Richtung der Phase des Ausgangs U des drei ^¬ phasigen Wechselrichters zeigt. Das heißt, der Transformati ^¬ onswinkel ist konstant auf Null Grad vorgegeben.

In dieser Festlegung des Transformationswinkels fließt die d- Stromkomponente id dann zu gleichen Teilen in die Phasenlei ^¬ ter an den Ausgängen V und W. Somit ist der Phasenstrom i _u in der Phase am Ausgang U des dreiphasigen Wechselrichters (FIG 2) doppelt so groß wie der Strom id. Die Pfeilrichtungen in FIG 2 zeigen an, in welcher Richtung ein Strom als positiv gewertet werden soll. Die q-Stromkomponente i _q hingegen fließt aus der Phase am Ausgang W direkt in die Phase am Aus ^¬ gang V des dreiphasigen Wechselrichters, wobei die Phase am Ausgang U dieses dreiphasigen Wechselrichters nicht betroffen ist (FIG 3) . In der FIG 4 ist die Addition der d- und q- Stromkomponenten i _d und i _q bei Vollaussteuerung des umrichtergespeisten Magnetlagers dargestellt. Für die thermische Belastung des Wechselrichters 6 ist der Effektivstrom ausschlaggebend. Unter dem Effektivstrom kann man denjenigen Gleichstrom verstehen, der eine äquivalente Wärmeleistung in einem gedachten 1-Ohm-Widerstand erzeugen würde. Da der Wechselrichter 6 drei Phasenströme abgibt, wirkt ein zugehöriger Ersatzgleichstrom in drei Widerständen mit je 1 Ohm. Bei Betrieb mit id=10A aus dem Ausgang U des Wechselrichters 6 ein Strom i _u =-20A und in die Ausgänge V und W des Wechselrichters 6 jeweils ein Strom i _v =10A und i _w =10A. Es ergibt sich ein Effektivstrom von 14,14A _eff .

Bei Magnetlagern wird allgemein die Vollaussteuerung so festgelegt, dass bei Vollaussteuerung die Durchflutung (Ampere- Windungszahl) beispielsweise in der Spule 12 des oberen Mag- netankers des Magnetlagers 2 gerade verschwindet, während sie sich in der Spule 14 des unteren Magnetankers dieses Mag ^¬ netlagers gegenüber einer Grunddurchflutung verdoppelt (FIG 4) . Bei Vollaussteuerung des Magnetlagers weist der Effektiv ^¬ strom mit den bereits angegebenen Stromwerten einen Wert von 16,33 A _eff auf. Das heißt, der Effektivwert verändert sich zwischen den Zuständen Vormagnetisierung und Vollaussteuerung nur minimal (FIG 11) . Gemäß dieser bekannten Betriebsweise wird der Vormagnetisierungsstrom (d-Stromkomponente) gemäß dem bekannten Betriebsverfahren (DE 10 2007 028 229 B3) in der Phase am Ausgang U des Wechselrichters 6 eingeprägt.

Nach der Effektivstrombelastung des Wechselrichters 6 ist die Geschwindigkeit der Stromänderung ein wichtiges Merkmal einer Magnetlageransteuerung . Je schneller das Magnetlager den Steuerstrom und damit die Kraft ändern kann, desto besser kann es auf eine dynamische Kraftanforderung, wie beispiels ^¬ weise Unwucht oder eine plötzlich einwirkende äußere Belas ^¬ tung, reagieren.

Die Geschwindigkeit der Stromänderung ist proportional zur Spannungsdifferenz, die an die beiden Anschlüsse 22 und 20 der beiden Spulen 14 und 12 des umrichtergespeisten Magnetlagers 2 gelegt werden kann, der Wechselrichter 6 kann als maximale Spannungsdifferenz die an seinen gleichspannungsseiti- gen Anschlüssen DC+ und DC- anstehende Zwischenkreisspannung UZK beliebig an seinen Ausgängen U, V und W anlegen. Die Zwi ^¬ schenkreisspannung UZK wird von einem Zwischenkreis-Kondensa ^¬ tor 28 des Umrichters 4, der deswegen auch als Spannungszwischenkreis-Umrichter bezeichnet wird, angeboten. Bei einer Zwischenkreisspannung U _Z K handelt es sich um eine gleichge ^¬ richtete Netzspannung, die mittels der Einspeiseeinheit 16 generiert wird. Bei der Magnetlagersteuerung gemäß der

DE 10 2007 028 229 B3 fließt der Steuerstrom ( i _q -Stromkompo- nente des Wechselrichters) zwischen den Ausgängen V und W des dreiphasigen Wechselrichters 6. Die schnellste Änderung die ^¬ ses Steuerstroms wird erreicht, wenn der Wechselrichter 6 derart angesteuert wird, dass sein Ausgang W mit dem Bezugs- Potential des Spannungszwischenkreises und sein Ausgang V mit einem positiven Potential des Spannungszwischenkreises des Umrichters 4 verbunden ist. Gemäß dieser Steuerung steht die Zwischenkreisspannung U _Z K an den Ausgängen V und W des drei- phasigen Wechselrichters 6 an, und ist somit an der Reihen ^¬ schaltung der beiden Spulen 12 und 14 des umrichtergespeisten Magnetlagers 2 angelegt (FIG 5) . Wird angenommen, dass die beiden Spulen 12 und 14 dieses Magnetlagers 2 jeweils eine Induktivität L haben, ergibt sich die Stromanstiegsgeschwin- digkeit gemäß folgender Gleichung:

AI _ U _ZK

At 2 - L

Somit steht der Stromänderung, die durch die Spannung U _Z K ge- trieben wird, die beiden Induktivitäten L der beiden elektrisch in Reihe geschalteten Spulen 12 und 14 des Magnetlagers entgegen .

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das Betriebs- verfahren des umrichtergespeisten Magnetlagers derart weiterzubilden, dass sich der Effektivstrom wesentlich erniedrigt und eine möglichst hohe Stromanstiegsgeschwindigkeit erreicht wird . Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Verfahrens zum Betrieb eines dreiphasigen Wechselrichters eines umrichtergespeisten Magnetlagers gemäß Anspruch 1 erfindungsgemäß gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines dreiphasigen Wechselrichters eines umrichtergespeisten Magnetlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass ein veränderlicher Steuerstrom des Magnetlagers in einem Ausgang und ein konstanter Vormagnetisierungsstrom des Magnetlagers als Differenz der Ströme in zwei weiteren Ausgängen eingeprägt werden. Durch diese Betriebsweise des dreiphasigen Wechselrichters ist die Strom ^¬ richtung der d-Stromkomponente in den Phasen der Ausgänge V und W des Wechselrichters zueinander unterschiedlich. Gleichzeitig wird die q-Stromkomponente in der Phase des Ausganges U des Wechselrichters eingeprägt, von wo aus sich diese zu gleichen Teilen auf die Phasen der Ausgänge V und W des drei- phasigen Wechselrichters aufteilt. Dadurch tritt die q-Strom- komponente in diesen beiden Phasen der Ausgänge V und W des dreiphasigen Wechselrichters mit demselben Vorzeichen auf.

Durch diese Stromverteilung addieren sich die d- und q-Strom- komponenten in der Phase des Ausgangs V des dreiphasigen

Wechselrichters, wogegen sie sich gegenseitig in der Phase des Ausgangs W des dreiphasigen Wechselrichters auslöschen. Da gegenüber der bekannten Stromsteuerung die Richtung der d- Stromkomponente in der Phase des Ausgangs W des dreiphasigen Wechselrichters durch die erfindungsgemäße Stromverteilung invertiert ist, und in der Phase des Ausgangs U des dreipha ^¬ sigen Wechselrichters keine d-Stromkomponente mehr fließt, verringert sich der Effektivstrom, und damit die Effektivstrombelastung des dreiphasigen Wechselrichters erheblich. Durch die Einspeisung der q-Stromkomponente in der Phase des Ausgangs U des Wechselrichters teilt sich diese auf die bei ^¬ den anderen Phasen der Ausgänge V und W des dreiphasigen Wechselrichters zu gleichen Teilen auf. Im Zusammenwirken mit den d-Stromkomponenten wird die Durchflutung in der Phase des Ausgangs V des dreiphasigen Wechselrichters verstärkt, woge ^¬ gen diese in der Phase des Ausgangs W des dreiphasigen Wechselrichters abgebaut wird. Bei Vollaussteuerung des Magnetla ^¬ gers ergibt sich gegenüber der bekannten Stromverteilung eines dreiphasigen Wechselrichters eines umrichtergespeisten Magnetlagers kein Unterschied.

Somit wird keine Veränderung in einer gewünschten Kraftwirkung des umrichtergespeisten Magnetlagers, aber eine Entlas ^¬ tung des Wechselrichters dieses Umrichters, der das Magnetla- ger speist, im überwiegenden Teil des Betriebsbereiches er ^¬ reicht . Durch die erfindungsgemäße Zuweisung des d-Stroms (Vormagne ^¬ tisierungsstrom des Magnetlagers) und des q-Stroms (Steuer ^¬ strom des Magnetlagers) ist der Transformationswinkel der feldorientierten Regelung des Wechselrichters des umrichter- speisenden Magnetlagers so eingefroren, dass für diesen Wechselrichter der Zustand entsteht, als ob die magnetische Achse fest und unveränderlich in eine bestimmte Richtung des ständerorientierten Koordinatensystem zeigt. Gegenüber der bekannten Stromzuweisung ist diese magnetische Achse um 90° ge- dreht. Gegenüber dem bekannten Verfahren zum Betrieb eines dreiphasigen Wechselrichters eines umrichtergespeisten Magnetlagers wird der Transformationswinkel anstatt konstant mit 0° nun konstant mit 90° vorgegeben. Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der das erfindungsgemäße Verfahren zum Be ^¬ trieb eines dreiphasigen Wechselrichters eines umrichterge ^¬ speisten Magnetlagers schematisch erläutert wird. FIG 1 zeigt ein Ersatzschaltbild eines umrichtergespeis- ten Magnetlagers nach dem Stand der Technik, die

FIG 2 zeigt die Verteilung einer d-Stromkomponente auf zwei Spulen des Magnetlagers nach FIG 1, in

FIG 3 ist zusätzlich die Verteilung einer q-Stromkomponente zur d-Stromkomponenten-Verteilung gemäß FIG 2 dargestellt, die

FIG 4 zeigt eine resultierende Stromkomponenten-Vertei ^¬ lung, die sich aus den d- und q-Stromkomponenten- Verteilungen der FIG 3 ergibt, die

FIG 5 zeigt eine Anschaltung des Zwischenkreises des Um ^¬ richters des Magnetlagers für eine maximale Strom ^¬ anstiegsgeschwindigkeit des Steuerstroms, die

FIG 6 zeigt die Verteilung der d-Stromkomponente auf zwei

Spulen des Magnetlagers nach FIG 1 gemäß dem erfin ^¬ dungsgemäßen Verfahrens, in der

FIG 7 ist die Verteilung der q-Stromkomponente darge ^¬ stellt, die sich gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren einstellt, wobei in der FIG 8 die Verteilung der d- und q-Stromkomponenten der FIG 6 und 7 gemeinsam dargestellt sind, die

FIG 9 zeigt eine resultierende Stromkomponenten-Vertei ^¬ lung, die sich aus den d- und q-Stromkomponenten-

Verteilungen der FIG 6 und 7 bzw. der FIG 8 ergibt, die

FIG 10 zeigt eine Anschaltung des Zwischenkreises des Um ^¬ richters des Magnetlagers für eine maximale Strom ^¬ anstiegsgeschwindigkeit des Steuerstroms infolge des erfindungsgemäßen Verfahrens, und die

FIG 11 zeigt in einem Diagramm jeweils einen Verlauf eines

Effektivstroms über den Aussteuergrad, die sich er ^¬ geben bei der bekannten und der erfindungsgemäßen

Zuweisung der d- und q-Stromkomponenten in den Spulen eines umrichtergespeisten Magnetlagers nach FIG

1.

Durch die erfindungsgemäße Vorgabe des Transformationswinkel einer feldorientierten Regelung des dreiphasigen Wechselrich- ters 6 des Umrichters 4, der ein Magnetlager 2 speist, auf 90°, ergibt sich die Verteilung der d-Stromkomponente (Vor ^¬ magnetisierungsstrom des Magnetlagers) entsprechend der Dar ^¬ stellung in FIG 6. Durch den erfindungsgemäßen Transformationswinkel wird die d-Stromkomponente id als konstanter Vor- magnetisierungsstrom in den Phasen der Ausgängen V und W des dreiphasigen Wechselrichters 6 eingeprägt. Dadurch sind die Stromrichtungen in den Phasen der Ausgänge V und W des dreiphasigen Wechselrichters 6 der d-Stromkomponente id zueinan ^¬ der entgegengesetzt. Durch die erfindungsgemäße Vorgabe des Transformationswinkel der feldorientierten Regelung des drei ^¬ phasigen Wechselrichters 6 auf 90° wird gleichzeitig die q- Stromkomponente i _q als Steuerstrom in die Phase des Ausgangs U des dreiphasigen Wechselrichters 6 eingeprägt, von wo aus sich diese q-Stromkomponente i _q zu gleichen Teilen auf die beiden Phasen der Ausgänge V und W des dreiphasigen Wechselrichters aufteilt (FIG 7) . In FIG 8 sind die Verteilungen der d- und q-Stromkomponenten id und i _q zusammen dargestellt, wo ^¬ bei eine resultierende Stromverteilung bei Vollaussteuerung in FIG 9 veranschaulicht ist. Ein Vergleich der FIG 4 und 9 zeigt, dass bei Vollaussteuerung des umrichtergespeisten Magnetlagers 2 sich die gleiche Differenz der Stromverteilung zwischen den beiden Spulen 12 und 14 des Magnetlagers 2 er- gibt. Das heißt, bei Vollaussteuerung ergibt sich kein Unterschied bei der Effektivstrombelastung des dreiphasigen Wechselrichters 6. Dies zeigt außerdem das Diagramm in der FIG 11, in dem jeweils der Effektivstrom i _e ffA gemäß bekanntem Verfahren und der Effektivstrom i _e ff gemäß erfindungsgemäßem Verfahren über den Aussteuergrad des Magnetlagers 2 darge ^¬ stellt sind. Ist der Aussteuergrad Null, wird annähernd eine Halbierung der Effektivstrombelastung des dreiphasigen Wechselrichters 6 erreicht.

In Bezug auf den Steuerstrom ( i _q -Stromkomponente der feldori ^¬ entierten Regelung des dreiphasigen Wechselrichters 6) des Magnetlagers 2 liegen die beiden Spulen 12 und 14 des umrichtergespeisten Magnetlagers 2 parallel an der Phase des Aus ^¬ gangs U des dreiphasigen Wechselrichters 6 an. Um eine schnellste Änderung der drehmomentbildenden Stromkomponente i _q (Steuerstrom des Magnetlagers) zu erreichen, wird der Aus ^¬ gang U des Wechselrichters 6 auf Bezugspotential des Umrich ^¬ ters 4 gelegt und die Zwischenkreisspannung U _Z K auf die bei ^¬ den Ausgänge V und W des dreiphasigen Wechselrichters 6 durchgeschaltet (FIG 10) . Die Stromänderungsgeschwindigkeit ergibt sich nun, da die Zwischenkreisspannung U _Z K nicht mehr auf die Serienschaltung der beiden Spulen 12 und 14 des Magnetlagers 2 geschaltet ist, sondern an jede der beiden Spulen 12 und 14 des umrichtergespeisten Magnetlagers 2 angelegt wird, gemäß folgender Gleichung:

AI _ U _ZK

At l - L

Somit steht der Stromänderung beim erfindungsgemäßen Verfah- ren zum Betrieb eines dreiphasigen Wechselrichters 6 eines umrichtergespeisten Magnetlagers 2 nur noch eine Induktivität L entgegen. Gegenüber dem bekannten Verfahren verdoppelt sich somit die Stromanstiegsgeschwindigkeit beim erfindungsgemäßen Betrieb des dreiphasigen Wechselrichters 6 eines umrichter ^¬ gespeisten Magnetlagers 2. Mit der erfindungsgemäßen Festlegung des Transformationswinkels der feldorientierten Regelung des dreiphasigen Wechselrichters 6 auf 90° konstant ist in Richtung der q-Stromkompo ^¬ nente i _q (Steuerstrom des Magnetlagers) eine kleine Indukti ^¬ vität wirksam, wogegen in Richtung der d-Stromkomponente id (Vormagnetisierung des Magnetlagers) eine große Induktivität wirksam ist. D.h., es handelt sich bei der Spulenkonfigura ^¬ tion des umrichtergespeisten Magnetlagers 2 um eine unsymmet ^¬ rische Drehstromwicklung. Dies hat zur Folge, dass die Induktivität, auf die der Wechselrichter 6 des Magnetlagers 2 speisenden Umrichters 4 arbeitet, vom Drehfeldwinkel abhängig ist. Die Unsymmetrie hat ungünstige Auswirkungen auf das Be ^¬ triebsverhalten. Um dieses Problem zu lösen, werden gemäß dem Stand der Technik für die d- und q-Stromkomponenten den

Stromregelkanälen unterschiedliche Stromverstärkungen vorge- geben. Im Unterschied zum Stand der Technik wird die Proportionalverstärkung des Stromregelkanals der d-Stromkomponente id größer eingestellt als diejenige des Stromregelkanals der q-Stromkomponente i _q . Als bevorzugtes Verhältnis zwischen diesen beiden Proportionalverstärkungen kann ein Verhältnis zwischen 2:1 bis 4:1 gewählt werden.

Durch die erfindungsgemäße Verteilung der d- und q-Stromkom- ponenten, die durch Vorgabe eines Transformationswinkels (Ro ^¬ torlagewinkel eines Synchronmotors) der feldorientierten Re- gelung des dreiphasigen Wechselrichters 6 auf 90° konstant gegenüber 0° konstant gemäß dem bekannten Verfahren bewerkstelligt wird, wird erreicht, dass die Effektivstrombelastung des Wechselrichters 6 des das Magnetlager 2 speisenden Umrichters 4 erheblich günstiger wird. Bei einer Aussteuerung von 0% halbiert sich fast die Belastung des Wechselrichters

6. Außerdem wird erreicht, dass die Stromanstiegsgeschwindig ^¬ keit des Steuerstroms des umrichtergespeisten Magnetlagers 2 sich verdoppelt, wodurch das umrichtergespeiste Magnetlager 2, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird, wesentlich dynamischer auf Lageänderungen reagieren kann.