Verfahren zur Inbetriebnahme einer Permanenterregte Synchronmaschine und Permanenterregte Synchronmaschine

Eine Drehstrommaschine wandelt mechanische Energie in Drehstrom oder Drehstrom in mechanische Energie um. Sie kann grundsätzlich als elektrischer Generator oder als Elektromotor betrieben werden. Als Sanftanlauf werden Maßnahmen zur Leistungsbegrenzung beim Einschalten eines elektrischen Gerätes, beispielsweise eines elektrischen Motors, bezeichnet.

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

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer solchen Permanenterregten Synchronmaschine, in der Ausführung als In- nenpolmaschine mit einem Stator St und einem Läufer L. Der Läufer umfasst einen magnetischen Nordpol N und Südpol S und Wicklungssträngen U, V, W. Die Darstellung ist lediglich beispielhaft zu verstehen und hat keine einschränkende 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 Hochlauf am starren Netz ermöglicht, jedoch das speisende Netz durch sehr hohe Anlaufströme über Gebühr belastet.

Ebenso ist der Betrieb an einem geeigneten leistungselektronischen Stellglied, wie zum Beispiel einem Frequenzumrichter oder Sanfstarter, möglich. Hier stellt insbesondere der Ein- satz eines SanfStarters , auch Sanftanlaufgerät genannt, eine kostenfreundliche Lösung zum Hochlauf einer PMSM am starren Netz dar. Ein solches Sanftanlaufgerät reduziert beim Einschalten (z. B. mittels Phasenanschnitt) die Spannung und erhöht diese langsam bis zur vollen Netzspannung. Ein derartiger Sanftanlauf ist allerdings häufig nur im lastlosen Zustand oder bei geringer Last möglich. Derzeit ist hierfür noch keine marktreife Lösung bekannt.

In der Dissertation von Herr Dr. Marcel Benecke (Universität Magedburg) mit dem Titel "Anlauf von energieeffizienten Synchronmaschinen 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 Maschine, sodass die für die Arbeit verwendeten Motoren mit einem entsprechenden Gebersystem ausgestattet werden mussten. Unter einem Geber versteht man Drehzahl- und Lagegeber. Diese erfassen, die mechanischen Größen Drehzahl und Lage. Ihre Signale sind erforderlich, um die Regler mit Istwerten zu versorgen und die vorhandenen Lage- und Drehzahlregelkreise zu schließen. Für die vektoriellen Regelverfahren bei Drehstromantrieben dienen die Lage- und Drehzahlsignale auch als wichtige Eingangsgröße für den Stromregelkreis. Der Geber erfaßt 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

Sanftstarterlösung für hocheffiziente Motoren unattraktiv macht. Aus diesen Gründen ist ein Verfahren zum Hochlauf ohne Geber anzustreben.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Hochlauf ei ner Permanenterregten Synchronmaschine ohne Geber anzugeben Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine Permanenterreg ten Synchronmaschine ohne Geber anzugeben, welche mit dem e findungsgemäßen Verfahren arbeitet. Das benötigte Startverfahren unterscheidet sich zu den im Stand der Technik bekannten geberlosen Verfahren dahingehend, dass es für einen Thyristorsteller und nicht einen Frequenzumrichter verwendbar sein muss. Dies hat direkt zur Folge, dass ein Verfahren mit TestsignalaufSchaltung bei geringen Drehzahlen aufgrund der Hardware-Topologie nicht realisierbar ist - die bekannten Verfahren sind nicht auf den vorliegenden Anwendungsfall übertragbar.

Voraussetzung für das erfindungsgemäße Verfahren ist es, die initiale Rotorposition, den optimalen Zündwinkel für die Drehstrommaschine vorab zu ermitteln. Ein mögliches Verfahren hierfür ist bereits Gegenstand einer anderen Patentanmeldung. Das hier beschriebene Verfahren geht im Folgenden davon aus, dass es beim Starten auf diesen bekannten Winkel zurückgreifen kann.

Wie bereits beschrieben, setzen alle bekannten geberlosen Verfahren einen Pulswechselrichter voraus.

Das bekannte Startverfahren der Permanenterregten Synchronmaschine an einem Sanftanlaufgerät benötigt den elektrischen Winkel des Motors und bezieht diesen aus einem Messsystem.

Das hier beschriebene Verfahren basiert auf der Grundidee, dass bei der erstmaligen Zündung der Thyristoren die Maschine 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 Spannungen während der prinzipbedingten 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 Zündung 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 Beschleunigung der trägen Masse. Insofern kann davon ausgegangen werden, dass die Beschleunigung bei der Erstzündung ausreichend ist und die induzierten Spannungen hinreichend genau gemessen werden können. Bei der Messung der Spannungen kann auf die im Serien-Sanftanlaufgerät ohnehin vorhandene

Messsensorik zurück gegriffen werden. Das Verfahren benötigt also keine zusätzliche Hardware. Die Erfindung wird auch durch die folgenden Figuren dargestellt:

Figur 1 zeigt einen Schnitt durch eine beispielhafte Drehstrom-Maschine,

Figur 2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Aufbaus,

Figur 3 zeigt ein Ablaufdiagramm,

Figur 4 zeigt den gemessenen Verlauf der elektromotorischen Kraft EMK beim Austrudeln,

Figuren 5 und 7 zeigen jeweils den Verlauf einer gemessenen EMK und

Figuren 6 und 8 den dazugehörigen resultierenden Winkel aus Arkustangens (ATAN) -Berechnung .

Figur 2 zeigt den prinzipiellen gewünschten Aufbau der Perma- nenterregten Synchronmaschine (M) mit Sanftstarter (SS) ohne Geber und mit Geber (G) links.

Im Folgenden werden die einzelnen Schritte genauer erläutert. Schritt 1: Ermittlung des optimalen Zündwinkels:

Nachdem das Verfahren zur initialen Ausrichtung der Maschine abgeschlossen ist, ist der aktuelle Winkel des Motors bekannt. Basierend auf diesem bekannten Startwinkel kann gemäß dem oben genannten Verfahren jener Zündwinkel des

Sanftstarters berechnet werden, bei dem das im Motor erzeugte Drehmoment 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 Maximalstrom auf den für die Leistungshalbleiter maximal zulässigen 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 Berechnung 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.

Das Ablaufdiagramm aus Figur 3 veranschaulicht ein mögliches Vorgehen. Der optimale Zündwinkel wird berechnet, der

Sanftstarter mit diesem einmalig gezündet und anschließend der Endwinkel und die mittlere Drehzahl ermittelt. Mit diesen Werten wird erneut ein optimaler Zündwinkel berechnet, der Motor nach dem Verfahren aus ID 19278 ausgerichtet und von neuem gestartet. Dieses Procedere wird so lange wiederholt bis das Abbruchkriterium (z.B. Änderung der Werte zwischen den Durchläufen) erfüllt ist.

In Schritt 10 werden die Werte 9Erde und öMittei auf 0 gesetzt. In Schritt 11 wird die Permanenterregte Synchronmaschine initial ausgerichtet.

Im nächsten Schritt 12 wird der optimale Zündwinkel errech- net, beispielsweise gemäß dem Verfahren welches in der Beschreibungseinleitung referenziert ist.

Schritt 13 umfasst die Zündung der Thyristoren (Steller) . Daraufhin werden Ac Erde und AcoMittei ermittelt, in Schritt 17. Sofern Ac Erde und AcoMittei und AZündwinkel alle unter einem fest- gelegten Schwellwert liegen, ist damit der optimale Zündwinkel berechnet, 18. Anderenfalls, falls eines der Δ Werte zu hoch ist, muss das Verfahren erneut durchlaufen werden. Es ist denkbar, den optimalen Zündwinkel für die Erstzündung nicht durch Berechnung zu ermitteln, sondern alleine aufgrund der Größen c Erde und coMittei, die während der Inbetriebnahme berechnet werden, zu bestimmen. Jener Winkel, für den c Erde bzw. coMittei maximal ist, stellt den optimalen Zündwinkel dar.

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

Nachdem die Permanenterregte Synchronmaschine durch die Erstzündung 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 gemessenen Spannungen kann anschließend z. B. durch einen Beobachter 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 Maschinengleichungen, 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 werden .

Der aus dem EMK-Verfahren ermittelte Flusswinkel wird dem Be- necke-Verfahren als Istwert übergeben und hieraus der nächste optimale Zündwinkel bei Drehung der Maschine ermittelt.

Messungen :

In den Figuren 4 bis 8 sind Diagramme aus Messungen an einer realen Permanenterregten Drehstrommaschine im Labor dargestellt. Diese zeigen, dass die Ermittlung des Flusswinkels aus den gemessenen Spannungen bereits mittels einer einfachen Arcustangensberechnung möglich ist.

Figur 4 zeigt den Verlauf der gemessenen Elektromagnetischen Kraft EMK beim Austrudeln der Maschine, Spannung U ist aufgetragen gegen die Zeit t. Figuren 5 und 7 zeigen Messungen bezüglich des gemessenen EMK gegen die Zeit, und den jeweils dazu berechneten Winkel aus einer Arcus-Tangens-Berechnung .

Um die in der IEC-Norm 60034 definierte Energieffizienzklasse IE4 zu erreichen, ist es nötig, Permanenterregte Synchronmaschinen (PMSM) direkt am Netz zu betreiben. Da dies nicht ohne weiteres möglich ist (siehe oben) , kommen

Sanftanlaufgeräte als kosteneffiziente Lösung in Frage. Um dies zu erreichen, wird beim Stand der Technik ein (kostenintensives) Gebersystem benötigt. Für eine ökonomisch sinnvolle Lösung muss ein geberloser Hochlauf ermöglicht werden.

Das benötigte Startverfahren unterscheidet sich zu den in Wissenschaft und Technik bekannten geberlosen Verfahren dahingehend, dass es für einen Thyristorsteller und nicht einen Frequenzumrichter verwendbar sein muss. Somit sind diese bekannten Verfahren nicht anwendbar.

Zusammenfassend basiert die grundlegende Idee darauf, dass der Motor mit der ersten Zündung der Thyristoren maximal beschleunigt wird und anschließend der Flusswinkel der Maschine aufgrund der gemessenen 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 basiert nicht auf einem Berechnungsmodell, sondern auf der direkten Messung der induzierten Spannungen, also der Elektromotorischen Kraft, EMK. Für den zweiten Zündvorgang kann dann auf den berechneten Winkel zurückgegriffen werden. Messungen zeigen, dass der Winkel selbst bei niedrigen Drehzahlen sehr gut aus den gemessenen Spannungen ermittelt werden kann.

Um bei der ersten Zündung die Maschine wirklich maximal zu beschleunigen, kann der optimale Zündwinkel zum Start der Maschine (der Startwinkel ist bekannt) im Rahmen eines beschriebenen Inbetriebnahmeverfahrens genau ermittelt werden. Das beschriebene Startverfahren basiert alleine auf den im Seriengerät bereits vorhandenen Messwerten und benötigt keine zusätzliche Sensorik. Es ist somit möglich, ein bestehendes Produkt alleine durch eine Softwarelösung für den Betrieb eines IE4-Motors zu erweitern.