DE102007008552A1

DE102007008552A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung des Betreibens einer Synchronmaschine

Info

Publication number: DE102007008552A1
Application number: DE102007008552A
Authority: DE
Inventors: Mihaly Dr. Nemeth-Csoka
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2007-02-21
Filing date: 2007-02-21
Publication date: 2008-08-28
Also published as: WO2008101837A2; WO2008101837A3

Abstract

Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Überwachung des Betreibens einer Synchronmaschine (1, 1') mit einem eine bestromte Ständerwicklung zur Erzeugung eines Ständerfeldes aufweisenden Ständer (3, 3') und mit einem Magnetpole bildenden Läufer (2, 2') wird aus einer Abweichung der Richtung der Beschleunigung des Läufers (2, 2') und der Richtung des betriebsbedingt erzeugten Drehmomentes (M) bzw. der Kraft (F) auf einen Mittkopplungszustand erkannt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung des Betreibens einer Synchronmaschine mit einer bestromten Stator- oder Ständerwicklung zur Erzeugung eines Ständerfeldes und mit einem Läufer mit einer Anzahl von Magnetpolen. Unter Synchronmaschine wird hierbei sowohl eine rotatorische Synchronmaschine als auch eine lineare Synchronmaschine (Linearmaschine) verstanden. Bei einer solchen, beispielsweise als Werkzeugmaschine eingesetzten Linearmaschine werden der bestromte Maschinenteil als Primärteil und der mit Magneten versehene, permanetmagnetische Maschinenteil als Sekundärteil bezeichnet.
Eine derartige Synchronmaschine mit einer ständer- bzw. sekundärseitigen, üblicherweise dreisträngigen und mit einem dreiphasigen sinusförmigen Wechselstrom oder Drehstrom gespeisten Drehfeldwicklung weist einen auch als Polrad bezeichneten wicklungslosen Läufer auf, der mit Permanent- oder Dauermagneten versehen ist. Diese bilden alternierende Magnetpole, d. h. die zum Luftspalt zwischen dem Ständer und dem Läufer hin gerichteten Nord- und Südpole der Magnetpole wechseln sich entlang des Läufers oder Läuferumfangs ab. Die Gesamtzahl aller Magnetpole gibt dabei die Polzahl (2 p) an, wobei benachbarte Nord- und Südpole so genannte Polpaare (Polpaarzahl p) bilden.
Unabhängig von einer speziellen Anordnung der Dauermagnete erzeugen diese im Luftspalt ein auch als Erregerfeld bezeichnetes Läuferfeld. Die mittels eines Speisestroms gespeiste Ständerwicklung erzeugt im Luftspalt ein rotierendes bzw. lineares magnetisches Ständerfeld mit der der Polzahl des Läuferfeldes entsprechenden Polzahl. In Folge der Wechselwirkung zwischen dem Läuferfeld und dem Ständerfeld entsteht ein Drehmoment (M) bzw. eine Kraft (F) der Synchronmaschine.
Die Synchronmaschine wird, beispielsweise in Verbindung mit einem Frequenzumrichter und einer Pulsweitenmodulation, geregelt mit variabler Drehzahl bzw. Geschwindigkeit betrieben. Dabei wird der Ständerwicklung der Synchronmaschine über den Umrichter ein (elektrischer) Strom zugeführt, der sich aus einem so genannten Längsstromanteil (I_d) und einem Querstromanteil (I_q) zusammensetzt.
Im stationären Betrieb bewegt sich die Synchronmaschine mit synchroner Drehzahl (Geschwindigkeit), indem sich der Läufer mit einer der Drehzahl (Geschwindigkeit) des Ständerfeldes entsprechenden Drehzahl (Geschwindigkeit) bewegt. Je nach Winkellage (Position) des Läufers relativ zum Ständerfeld ist dieses Drehmoment bzw. die Kraft positiv (M bzw. F > 0) oder negativ (M bzw. F < 0). Die Winkellage (Position) des Läufers ist daher ein für den geregelten oder gesteuerten Betrieb einer solchen Maschine maßgebender Parameter, indem die Orientierung des Reglers (Feldorientierung) aus der aktuellen Winkellage berechnet ist.
Im Normalbetrieb einer solchen Synchronmaschine entspricht die Richtung des Drehmomentes bzw. der Kraft stets der Richtung der Beschleunigung. Diese Gesetzmäßigkeit bezieht sich auf alle im System vorhandenen Drehmomente (Kräfte), so dass auch externe, d. h. nicht vom Antrieb unmittelbar verursachte Drehmomente (Kräfte), wie insbesondere ein externes Drehmoment, schwingungsfähige Systeme und die Energiespeicherung im System, berücksichtigt werden. Entspricht demgegenüber die Beschleunigung nicht der Richtung des Drehmomentes bzw. der Kraft, so tritt die so genannte Mitkopplung auf. Eine solche Fehlersituation während des Betriebs der Synchronmaschine kann zu Schäden führen, so dass in einem solchen Fehlerfall die Synchronmaschine möglichst schnell abgebremst werden muss.
Ein solcher Mitkopplungseffekt wird bisher üblicherweise erst erkannt, wenn die Drehzahl (Geschwindigkeit) der Synchronmaschine einen Schwellwert erreicht hat, der beispielsweise auf den Grenzwert des zur Regelung oder Steuerung der Synchronmaschine eingesetzten Regler (Drehzahl- oder Geschwindigkeitsregler) abgestimmt ist. In vielen Anwendungsfällen ist die diesbezüglich vorgegebene oder eingestellte Zeit, innerhalb derer bei dieser Art der Überwachung ein fehlerhafter Zustand erkannt wird, unerwünscht lang.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überwachung des Betreibens einer solchen, rotatorischen bzw. linearen Synchronmaschine anzugeben, bei dem ein solcher Mitkopplungseffekt zuverlässig überwacht und insbesondere in möglichst kurzer Zeit erkannt wird. Des weiteren soll eine hierzu besonders geeignete Vorrichtung angegeben werden.
Bezüglich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der hierauf rückbezogenen Unteransprüche.
Dazu wird aus einer Abweichung der Richtung der Beschleunigung des Läufers und der Richtung des betriebsbedingt erzeugten Drehmomentes oder der Kraft bzw. der Dreh- oder Bewegungsrichtung der Synchronmaschine oder deren Läufers auf einen Mittkopplungszustand erkannt. Hierbei werden zweckmäßigerweise sowohl der zeitliche Verlauf der Drehzahl bzw. der Geschwindigkeit erfasst als auch die zeitliche Änderung der Drehzahl bzw. der Geschwindigkeit ermittelt.
Zweckmäßigerweise wird die Richtung der Beschleunigung des Läufers aus dem Vorzeichen (+/–) der zeitlichen Änderung der Drehzahl (dn/dt) bzw. der Geschwindigkeit (dv/dt) ermittelt wird. Auch wird geeigneterweise der zeitliche Verlauf des drehmoment- bzw. kraftbildenden Querstroms der bestromten Ständerwicklung erfasst.
Die Richtung des betriebsbedingt erzeugten Drehmomentes bzw. der Kraft wird aus einem dem Drehmoment bzw. der Kraft zugeordneten Vorzeichen (+/–) ermittelt. Dabei wird vorzugsweise einem über die Zeit ansteigenden oder zunehmenden, positiven Drehmoment bzw. einer über die Zeit ansteigenden oder zunehmenden, positiven Kraft ein positives Vorzeichen (Plus-Zeichen) und einem über die Zeit ansteigenden (zunehmenden), negativen Drehmoment bzw. einer über die Zeit ansteigenden (zunehmenden), negativen Kraft ein negatives Vorzeichen (Minus-Zeichen) zugeordnet.
In besonders vorteilhafter Weiterbildung wird ein Steuersignal zum Abbremsen der Synchronmaschine erst dann erzeugt, wenn zumindest die beiden nachfolgenden Bedingungen gemeinsam erfüllt sind. So besteht die erste Bedingung darin, dass eine Abweichung der Richtung der Beschleunigung des Läufers und der Richtung des Drehmomentes bzw. der Kraft erkannt wird. Die zweite Bedingung besteht darin, dass ein vorgegebener Grenzwert des Drehmomentes bzw. der Kraft, insbesondere das betriebsbedingte Maximum des Drehmomentes bzw. der Kraft, vorzugsweise dauerhaft erreicht ist.
Wird zudem bei Erreichen des Grenzwertes ein Zeitglied gestartet und das Steuersignal zum Abbremsen der Synchronmaschine erst nach Ablauf der mittels des Zeitgliedes eingestellte Zeit erzeugt, so wird eine besonders günstige Robustheit der Synchronmaschine erreicht. Die bedeutet, dass mittels des als vorgebbarer Paramter bereitgestellten Zeitgliedes die Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Mitkopplungs-Überwachung derart eingestellt werden kann, dass unnötige Betriebsunterbrechungen der Synchronmaschine vermieden werden.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass ein verbessertes Betriebsverhalten einer Synchronmaschine erreicht wer den kann, wenn das Auftreten einer Mitkopplung möglichst frühzeitig und insbesondere bereits bei vergleichsweise niedrigen Drehzahlen zuverlässig erkannt wird. Eine solche Fehlererkennung bereits bei niedrigen Drehzahlen (Geschwindigkeiten) ist aus Sicherheitsgründen deshalb von Bedeutung, weil die Energie einer solchen Synchronmaschine während deren Betrieb proportional zum Quadrat der Drehzahl bzw. der Geschwindigkeit ansteigt.
So tritt beispielsweise eine solche Mitkopplung auf, wenn die Pol- oder Läuferlage und die in der Regelung oder Steuerung der Synchronmaschine herangezogene Pollage-Information um einen bestimmten Wert voneinander abweichen. Dabei kann sich die Synchronmaschine mit unter Umständen maximaler Drehzahl (Geschwindigkeit) unkontrolliert in die falsche Richtung bewegen. Dieser zu vermeidende Zustand der Synchronmaschine muss zunächst erkannt werden, um entsprechende Gegenmaßnahmen zur Vermeidung von Schäden an Mensch und Maschine treffen zu können.
So kann eine falsche Pollage oder Pollage-Information verursacht werden, wenn ein entsprechender Geber eine fehlerhafte Absolutinformation, insbesondere während des Hochlaufs der Synchronmaschine, oder aber eine fehlerhafte Inkremental-Information während des Betriebes der Synchronmaschine liefert. Fehler bei der Pollage-Identifikation oder im sensorlosen Betrieb können ebenfalls Ursache für eine falsche Pollage sein.
Zwar können zur Überwachung einer korrekten Pollage beim Hochlaufen der Synchronmaschine eine so genannte Rotor- oder Pollagen-Identifikation und die vom Geber ausgelesene Absolutlage miteinander verglichen und bei einer groben Abweichung ein fehlerhafter Zustand identifiziert werden. Diese Identifikation benötigt jedoch eine relativ lange Zeit und verursacht zudem Bewegungen und Geräusche, die bei vielen Anwendungen unakzeptabel sind.
Eine weitere Überwachungsmöglichkeit besteht in einer Kontrolle des Reglers (Drehzahl-/Geschwindigkeitsregler). Arbeitet nämlich der Regler über einen längeren Zeitraum, beispielsweise in einem Bereich von mehreren 10 ms als einstellbarer Parameter im Bereich der Sättigung, so ist der Regler nicht mehr in der Lage, Regler- oder Regelungsabweichungen auszugleichen. Da ein Beschleunigungsvorgang bei normalem Betrieb der Synchronmaschine typischerweise in dieser zeitlichen Größenordnung liegt, kann zwangsläufig ein entsprechender Fehler erst nach Ablauf dieser relativ langen Zeitspanne erkannt werden. Während dieser Zeitspanne kann die Synchronmaschine jedoch bereits eine sehr große, aus Sicherheitsgründen für Mensch und Maschine unzulässig hohe Drehzahl bzw. Geschwindigkeit erreicht haben.
Bezogen auf ein läufer- oder läuferflussfestes Koordinatensystem (d-q-Koordinatensystem) stellt der quer zur Längsrichtung des Läufers (d-Achse) und somit in Richtung der q-Achse orientierte Querstrom (I_q) den Drehmoment (Kraft) bildenden Strom dar. Der Querstrom kann daher als Parameter, Regel-, Steuer- und/oder Messgröße zur Bestimmung des aktuellen, betriebsbedingten Drehmomentes (M) und somit als Ist-Wert des Drehmomentes herangezogen werden. Analog ist bei einer Linearmaschine der Querstrom ein Maß für die Kraft (F).
Die zeitliche Änderung der Drehzahl bei der rotatorischen Maschine bzw. die zeitliche Änderung der Geschwindigkeit bei der Linearmaschine ist ein Maß für die Beschleunigung der Synchronmaschine.
Bezüglich der Vorrichtung wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 9. Hierzu ist ein Überwachungsmodul vorgesehen, dem eingangsseitig ein die zeitliche Änderung der Drehzahl bzw. der Geschwindigkeit repräsentierendes Signal und ein den zeitlichen Verlaufs des Querstroms repräsentierendes Signal zugeführt ist.
Das Überwachungsmodul ist dazu ausgebildet, aus einer Abweichung der aus der Drehzahl- oder Geschwindigkeitsänderung ermittelten Richtung der Beschleunigung und der aus dem Querstrom ermittelten Richtung des Drehmomentes bzw. der Kraft einen Mitkopplungs-Zustand der Synchronmaschine zu erkennen. Die Ermittlung einer derartigen Abweichung erfolgt dadurch, dass das Überwachungsmodul lediglich ein Vorzeichenvergleich durchführt und aus unterschiedlichen Vorzeichen auf eine Mittkopplung der Synchronmaschine bzw. auf ein Kippen deren Regelung schließt.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 schematisch eine rotatorische Synchronmaschine mit in entgegengesetzter Drehrichtung orientiertem Drehmoment und zeitlicher Drehzahländerung (Mitkopplung),
2 die Verhältnisse gemäß 1 bei einer linearen Synchronmaschine (Linearmaschine),
3 in einer Diagrammdarstellung ein Drehzahl- und Querstrom-Verlauf über die Zeit im Falle einer Mitkopplung ohne Mitkopplungs-Überwachung und ohne Überwachung der Reglerfunktion auf eine maximal kontrollierbare Drehzahl bzw. Geschwindigkeit (Regler-Sättigung),
4 in einem Diagramm gemäß 3 die entsprechenden Verhältnisse im Falle einer Mitkopplung wiederum ohne Mitkopplungs-Überwachung, jedoch mit Überwachung der Reglerfunktion (Regler-Sättigung),
5 in einer Diagrammdarstellung einen Drehzahl- sowie Querstrom-Verlauf über die Zeit mit resultierenden Vorzeichen der zeitlichen Drehzahl-/Geschwindigkeitsänderung und des Drehmomentes (m) bzw. der Kraft (f),
6 in einem Diagramm gemäß den 3 und 4 die Verhältnisse im Falle einer Mitkopplung mit Mitkopplungs-Überwachung,
7 ein zugehöriges Zählraten-Zeit-Diagramm, und
8 schematisch in einer Blockdarstellung Funktionsbausteine einer Vorrichtung zur Überwachung des Betriebszustandes der Synchronmaschine.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt schematisch eine permanenterregte Synchronmaschine 1 mit in nicht näher dargestellter Art und Weise einem mit Dauermagneten versehenen Rotor oder Läufer 2 sowie mit einem diesen unter Bildung eines Luftspaltes umgebenden Ständer oder Stator mit einer Ständerwicklung 3. Die entgegengerichteten Pfeile symbolisieren einen Betriebszustand der Synchronmaschine 1, bei dem Mitkopplung aufgetreten ist.
In einem solchen Mittkopplungs-Fall ist je nach Drehrichtung oder Orientierung entweder das Drehmoment M größer als Null (M > 0) und die zeitliche Ableitung der Drehzahl n kleiner als Null (dn/dt < 0) oder das Drehmoment M kleiner Null (M < 0) und die zeitliche Änderung der Drehzahl größer als Null (dn/dt > 0). In beiden Fällen ist das Produkt aus Drehmoment M und Drehzahländerung dn/dt kleiner Null (M·dn/dt < 0).
Analog verhält es sich bei einer in 2 veranschaulichten linearen Synchronmaschine (Linearmaschine) 1' mit einem mit einer Wicklung versehenen Primärteil 3' und einem Sekundärteil 2'. Bei einer derartigen, beispielsweise als Werkzeugmaschine eingesetzten Linearmaschine 1' treten an die Stelle des Drehmomentes die Kraft F und an die Stelle der Drehzahländerung die Geschwindigkeitsänderung dv/dt. In den Fällen des dargestellten Mitkopplungs-Zustandes ist auch hier das Produkt aus Kraft und Geschwindigkeitsänderung kleiner Null (F·dv/dt < 0).
Aufgrund der Proportionalität des Drehmomentes M bzw. der Kraft F zum so genannten Querstrom I_q einer derartigen elektrischen Synchronmaschine 1, 1' kann zur Bestimmung des Drehmomentes M bzw. der Kraft F der als Parameter oder Messgröße bzw. als Ist-Wert in der Regelung oder Steuerung einer solchen Synchronmaschine 1, 1' vorhandene Querstrom I_q herangezogen und daraus das Drehmoment M bzw. die Kraft F bestimmt werden. Bei den nachfolgenden Ausführungen wird daher der Querstrom I_q repräsentativ für das Drehmoment M der rotatorischen Synchronmaschine 1 bzw. für die Kraft F der Linearmaschine 1' herangezogen.
In den 3 und 4 sind typische, beispielsweise durch die Simulation einer fehlerhaften Pollage-Information innerhalb der Regelung der Synchronmaschine 1, 1' herbeigeführte zeitliche Verläufe der Drehzahl n(t) und des Querstroms I_q(t) im Falle einer Mitkopplung dargestellt. Dabei zeigt 3 den Zustand der Mitkopplung ohne erfindungsgemäße Mitkopplungs-Überwachung und ohne Überwachung des in die Regelung der Synchronmaschine 1, 1' eingebundenen Reglers (ohne "Drehzahlregler am Anschlag"-Überwachung).
4 zeigt einen Mitkopplungs-Zustand wiederum ohne Mitkopplungs-Überwachung, jedoch mit einer Überwachung des Einlaufens des Drehzahlreglers in die Sättigung (mit "Drehzahlregler am Anschlag"-Überwachung). Ausgangszustand der in den 3 und 4 dargestellten Verläufe sind eine Drehzahl n = 0 und eine falsche Pollage-Information der Synchronmaschine 1, 1' sowie das daraus folgende Verhalten der Regelung der Synchronmaschine 1, 1'.
Aufgrund der fehlerhaften Pollage oder Pollage-Information steuert die Regelung die Synchronmaschine 1, 1' über den Querstrom I_q(t) in einen Betriebszustand mit kontinuierlich zunehmender (negativer) Drehzahl, um den dem Soll-Wert (n = 0) entsprechenden Betriebszustand der Synchronmaschine 1, 1' zu erreichen. Erst bei Erreichen eines eingestellten abhängigen Drehzahlgrenzwertes wird dieser Fehlerzustand erkannt und die Synchronmaschine 1, 1' abgeschaltet oder abgebremst. Dies ist in den Darstellungen nach den 3 und 4 anhand des spontanen Absinkens des Querstroms I_q ersichtlich.
Dieser Vorgang erfordert gemäß der Darstellung nach 3 bei einer Zeiteinteilung von beispielsweise 20 ms pro strichliniert dargestellter Zeiteinteilung einer Reaktionszeit von etwa 100 ms (ohne "Drehzahlregler am Anschlag"-Überwachung). Mit der in 4 veranschaulichten Überwachung auf den Sättigungszustand des Reglers (mit "Drehzahlregler am Anschlag"-Überwachung) ist diese Reaktionszeit zwar auf ca. 60 ms reduziert, jedoch hinsichtlich geforderter oder gewünschter Sicherheitsaspekte verhältnismäßig lang. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass innerhalb dieser vergleichsweise langen Reaktionszeit die Synchronmaschine 1, 1' bereits eine sehr hohe Drehzahl (Geschwindigkeit) erreicht und damit eine entsprechend große Energie gespeichert hat.
In 5 ist im oberen Diagrammteil ein typischer Drehzahlverlauf n(t), ausgehend von einer über die Zeit ansteigenden Drehzahl n und einer sich daran anschließenden schwankenden Drehzahl n, veranschaulicht. In dem darunter liegenden Diagramm ist der zugehörige Verlauf des Querstroms I_q(t) veranschaulicht. Zudem ist oberhalb des oberen Diagramms das zu dem Drehzahlverlauf n(t) zugehörige Vorzeichen der Drehzahl- bzw. Geschwindigkeitsänderung (dn/dt, dv/dt) eingetragen. Analog ist unterhalb des unteren Diagramms in den korrespondierenden Zeitabschnitten oder Zeitintervallen das entsprechende Vorzeichen des Momenten- bzw. Kraftverlaufes (m, f) eingetragen.
Erkennbar ist, dass die Vorzeichen (+/–) innerhalb der entsprechenden Zeitintervalle übereinstimmen. Dies bedeutet, dass in diesem Betriebszustand der Synchronmaschine 1, 1' die Richtung des Drehmomentes M, m bzw. der Kraft F, f der Richtung der Beschleunigung (dn/dt; dv/dt) der Synchronmaschine 1, 1' entspricht. Die erfindungsgemäße Überwachung des Betriebszustandes der Synchronmaschine 1, 1' erkennt somit, dass keine Mitkopplung vorliegt.
Sind demgegenüber innerhalb derartiger Zeitintervalle die Vorzeichen (+), (–) der Drehzahl- oder Geschwindigkeitsänderung (dn/dt bzw. dv/dt) einerseits und das Vorzeichen (+), (–) des Querstrom I_q – und damit des Drehmomentes M, m bzw. der Kraft F, f – unterschiedlich, so erkennt die erfindungsgemäße Überwachung einen Mitkopplungs-Zustand. Die Reaktionszeit ist dabei vergleichsweise gering und beträgt gemäß den nachfolgend anhand der 6 und 7 erläuterten Bedingungen weniger als 20 ms.
So zeigt 6 wiederum den zeitlichen Verlauf der Drehzahl n(t) bei einem Drehzahl-Soll-Wert von n = 0 und einer wiederum fehlerhaften Pollage oder Pollage-Information der Regelung der Synchronmaschine 1, 1'. Der Verlauf des von der Regelung der Synchronmaschine 1, 1' eingestellten Querstroms I_q(t) steigt wiederum mit der Folge an, dass die Synchronmaschine 1, 1' beschleunigt wird und demzufolge die Drehzahl n zu (negativen) Drehzahlwerten hin ansteigt. Innerhalb des dargestellten Zeitintervalls Δt erkennt die erfindungsgemäß Überwachung aufgrund des unterschiedlichen Vorzeichens (+/–) der Drehzahl- bzw. Geschwindigkeitsänderung (dn/dt; dv/dt) einerseits und des Vorzeichens (+/–) des Verlaufes des Drehmomentes M, m bzw. der Kraft F, f auf einen fehlerhaften Betriebszustand (Mitkopplung bzw. kippen der Regelung) der Synchronmaschine 1, 1'.
Im vorliegenden Fall ist die Änderung (dn/dt bzw. dv/dt) der Beschleunigung und somit das Vorzeichen negativ (–), während in diesem Zeitintervall Δt der Verlauf des Drehmomentes M, m bzw. der Kraft F, f und somit das Vorzeichen positiv (+) ist. Somit ist für die Überwachung des Betriebszustandes der Syn chronmaschine 1, 1' bereits die Bedingung erfüllt, dass eine Mitkopplung eingetreten ist.
Zur Vermeidung von Fehlreaktionen und damit zur Erhöhung der Robustheit des Betriebsverhaltens der Synchronmaschine 1, 1' wird mittels des Überwachungsverfahrens – bzw. der nachfolgend beschriebenen Überwachungsvorrichtung – ein Zeitglied gestartet.
Innerhalb der mittels dieses Zeitgliedes eingestellten oder vorgegebenen Zeitspanne Δt wird eine weitere Bedingung des Betriebszustandes der Synchronmaschine 1, 1' abgefragt. Diese weitere Bedingung ist orientiert oder gekoppelt an eine Information bzw. ein Signal des Drehzahlreglers, ob ein beispielsweise vorgegebenes oder eingestelltes maximales Drehmoment M_max bzw. eine maximale Kraft F_max erreicht ist. Sind diese Bedingung oder dieses Kriterium sowie gleichzeitig die Bedingung bzw. das Kriterium des Mittkopplungszustandes erfüllt und ist das vorreingestellte Zeitintervall Δt des Zeitgliedes abgelaufen, so wird die Synchronmaschine 1, 1' stromlos geschaltet und demzufolge abgebremst, indem der Querstrom I_q spontan auf den Wert Null (I_q = 0) abgesenkt oder abgeregelt wird.
8 zeigt in einem schematischen Blockschaltbild eine Überwachungsvorrichtung der Synchronmaschine 1, 1'. Veranschaulicht ist ein Antrieb 4 mit der Synchronmaschine 1, 1' und mit einem diese speisenden Umrichter 5. Der in nicht näher dargestellter Art und Weise von einem Drehzahl- oder Geschwindigkeitsgeber erfasste Ist-Wert n_ist der Drehzahl (Geschwindigkeit) n der Synchronmaschine 1, 1' wird einem Motormodell 6 zugeführt. Diesem Motormodell 6 wird zudem vom Umrichter 5 ein den aktuellen Querstrom I_q repräsentierendes Signal zugeführt. Der zeitliche Verlauf des Querstroms I_q(t) sowie die zeitliche Änderung dn/dt der Drehzahl n(t) werden einem Überwachungsmodul 7 der Überwachungs-Vorrichtung zugeführt.
Das Überwachungsmodul 7 vergleicht die Vorzeichen (+, –) der zeitlichen Drehzahländerung dn/dt bzw. das Vorzeichen (+, –) der Geschwindigkeitsänderung dv/dt und das Vorzeichen (+, –) des das Drehmoment M bzw. die Kraft F repräsentierenden Querstroms I_q. Wird vom Überwachungsmodul 7 eine Abweichung der Vorzeichen festgestellt, so wird dem Umrichter 5 ein Steuersignal SA zum gezielten (elektrischen) Abbremsen der Synchronmaschine 1, 1' zugeführt und über diesen die Energiezufuhr zur Synchronmaschine 1, 1' abgeschaltet.
Um ein gezieltes oder geregeltes Abbremsen der Synchronmaschine 1, 1' besonders vorteilhaft zu erreichen, wird dem Überwachungsmodul 7 vom Motormodell 6 ein EMK-Signal S_EMK zugeführt, das die vom Motormodell 6 berechnete Pollage repräsentiert. Mittels dieses Wertes oder Parameters der von dem Motormodell 6 ermittelten aktuellen Pollage der Synchronmaschine 1, 1' erfolgt über die Überwachungs-Vorrichtung ein gesteuertes elektrisches Abschalten der Synchronmaschine 1, 1'.

Claims

Verfahren zur Überwachung des Betreibens einer Synchronmaschine (1, 1') mit einer bestromten Ständerwicklung (3, 3') zur Erzeugung eines Ständerfeldes und mit einem Magnetpole bildenden Läufer (2, 2'), bei dem aus einer Abweichung der Richtung der Beschleunigung des Läufers (2, 2') und der Richtung des betriebsbedingt erzeugten Drehmomentes (M) bzw. der Kraft (F) auf einen Mittkopplungszustand erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der zeitliche Verlauf der Drehzahl (n(t)) bzw. der Geschwindigkeit (v(t)) erfasst und die zeitliche Änderung der Drehzahl (dn/dt) bzw. der Geschwindigkeit (dv/dt) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Richtung der Beschleunigung des Läufers (2, 2') aus dem Vorzeichen (+/–) der zeitlichen Änderung der Drehzahl (dn/dt) bzw. der Geschwindigkeit (dv/dt) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der drehmoment- bzw. kraftbildende Querstrom (I_q(t)) der bestromten Ständerwicklung (3, 3') erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Richtung des erzeugten Drehmomentes (M) bzw. der Kraft (F) aus einem dem Verlauf und/oder einer Änderung des Drehmomentes (M) bzw. der Kraft (F) zugeordneten Vorzeichen (+/–) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem einem positiven Drehmoment (M) oder einer positiven Kraft (F) ein positives Vorzeichen (+) und einem negativen Drehmoment (M) bzw. einer negativen Kraft (F) ein negatives Vorzeichen (–) zugeordnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem ein Steuersignal (S_A) zum Abbremsen der Synchronmaschine (1, 1') erzeugt wird, – wenn eine Abweichung der Richtung der Beschleunigung des Läufers (2, 2') und der Richtung des Drehmomentes (M) bzw. der Kraft (F) erkannt wird, und – wenn ein vorgegebener Grenzwert (M_max, F_max) des Drehmomentes (M) bzw. der Kraft (F) erreicht ist.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem bei Erreichen des Grenzwertes (M_max, F_max) ein Zeitglied (Δt) gestartet wird, wobei das Steuersignal (S_A) zum Abbremsen der Synchronmaschine (1, 1') nach Ablauf der mittels des Zeitgliedes eingestellte Zeit (Δt) erzeugt wird.
Vorrichtung zur Überwachung des Betreibens einer Synchronmaschine (1, 1') mit einer bestromten Ständerwicklung (3, 3') zur Erzeugung eines Ständerfeldes und mit einem Magnetpole bildenden Läufer (2, 2'), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, – mit Mitteln zur Erfassung der Drehzahl (n_ist) bzw. der Geschwindigkeit (v_ist) des Läufers (2, 2'), – mit Mitteln zu Bestimmung des zeitlichen Verlaufs des drehmoment- bzw. kraftbildenden Querstroms (I_q) der Synchronmaschine (1, 1'), und – mit einem Überwachungsmodul (7), dem eingangsseitig ein die zeitliche Änderung der Drehzahl bzw. der Geschwindigkeit repräsentierendes Signal (dn/dt; dv/dt) und ein den zeitlichen Verlaufs des Querstroms (I_q) repräsentierendes Signal (I_q(t)) zugeführt ist, wobei das Überwachungsmodul (7) dazu ausgebildet ist, anhand einer Abweichung der aus der Drehzahl- bzw. Geschwindigkeitsänderung (dn/dt; dv/dt) ermittelten Richtung (+, –) der Beschleunigung des Läufers (2, 2') von der anhand der zeitlichen Änderung des Querstroms (I_q) ermittelten Richtung (+, –) des Drehmomentes (M) bzw. der Kraft (F) einen Mitkopplungs-Zustand der Synchronmaschine (1, 1') zu erkennen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der das Überwachungsmodul (7) dazu ausgebildet ist, im Falle eines Mitkopplungs-Zustandes, insbesondere nach Ablauf eines einstellbaren Zeitgliedes (Δt), ein Steuersignal (S_A) zum Abbremsen der Synchronmaschine (1, 1') zu erzeugen.