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Dokumentenidentifikation DE102004046966A1 13.04.2006
Titel Verfahren zur Ermittlung und Vorgabe von Parametern eines elektronischen Motorsteuergerätes und zugehöriger selbstparametrierender Drehstromsteller, insbesondere Sanftstarter
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Griepentrog, Gerd, Dr., 91468 Gutenstetten, DE;
Runggaldier, Diethard, 96135 Stegaurach, DE
DE-Anmeldedatum 28.09.2004
DE-Aktenzeichen 102004046966
Offenlegungstag 13.04.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.04.2006
IPC-Hauptklasse H02P 1/28(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H02P 23/14(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Sog. Sanftstarter als spezifische Drehstromsteller dienen zum Anlauf bzw. Auslauf von Maschinen, insbesondere Drehstrom-Asynchronmaschinen. Dabei wird beim Anlauf durch Phasenanschnitt die Netzspannung der Klemmenspannung der Maschine abgesenkt und insbesondere während des Anlaufes die Netzströme und die Drehströme reduziert. Gemäß der Erfindung werden durch eine Selbstparametrierung die Einstellparameter des Sanftstarters durch die Steuerung derart bestimmt und eingestellt, dass die vorgegebenen Randbedingungen eingehalten werden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung und Vorgabe von Parametern eines elektronischen Motorsteuergerätes für den Anlauf und Auslauf von Drehstrom-Asynchronmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf einen zugehörigen selbstparametrierenden Drehstromsteller, der mit einem derartigen Verfahren arbeitet.

Speziell die für den Anlauf und/oder Auslauf von Motoren, insbesondere von Drehstrom-Asynchronmaschinen, einsetzbaren Drehstromsteller werden in der Praxis auch als Sanftstarter (engl. "Softstarter") bezeichnet. Sie dienen dem schonenden Anlauf der Maschine, indem beispielsweise durch einen Phasenanschnitt der Netzspannung die Klemmenspannung der Maschine abgesenkt und damit während des Anlaufs die Netzströme und die Drehmomente reduziert werden.

Zur Erreichung der gewünschten Effekte müssen während der Inbetriebsetzung Parameter eingestellt werden, deren Auswirkungen auf den Verlauf des Anlaufvorganges durch den Anwender nicht ohne weiteres eingeschätzt werden können. Oftmals bleibt es dem Kunden überlassen, durch teilweise langwieriges Probieren akzeptable Einstellungen zu finden.

Wesentlich für den Start der Drehstrom-Asynchronmaschine sind die Startspannung und die Anlaufzeit bis zur Nenndrehzahl. Entsprechend unterschiedlicher apparatetechnischer Auslegung kann ein Drehstromsteller entweder mit Leistungshalbleitern, beispielsweise mit Thyristorschaltungen, die Stromventile realisieren, betrieben werden. Allgemein sind insbesondere die Startspannung ("start voltage"), aber auch ggf. die so genannte Rampenzeit ("ramp time") einzustellen, was beim Phasenanschnitt in der Thyristorschaltung durch die Vorgabe von Zündwinkel &agr; bzw. den zeitlichen Zündwinkelverlauf &agr;(t) realisiert wird. Als Nebenbedingungen können vorgegeben werden:

  • – Hochlauf bzw. Erreichen der Nenndrehzahl in einer bestimmten Zeit
  • – Einhaltung eines nicht zu überschreitenden Strom-Effektivwertes
  • – Einhaltung eines nicht zu überschreitenden Drehmomentes.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren zur Einstellung der Parameter für einen Sanftstarter anzugeben und den zugehörigen Sanftstarter zu schaffen.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß mit den Maßnahmen des Patentanspruches 1 gelöst. Ein zugehöriger Sanftstarter ist Gegenstand des Patentanspruches 15. Weiterbildungen der Erfindung werden in den jeweils zugehörigen Unteransprüchen angegeben.

Mit der Erfindung wird erreicht, dass die Steuerung des Sanftstarters, insbesondere der üblicherweise vorhandene Mikrokontroller, die notwendigen Parameter selbst bestimmt und derart einstellt, dass die vom Anwender bzw. vom Prozess vorgegebenen Randbedingungen eingehalten werden.

Selbstparametrier- und Einstellverfahren sind in der Elektrotechnik zwar bei Frequenzumrichtern und Gleichstromantrieben bekannt. Für Sanftstarter sind Selbstparametrierverfahren nicht bekannt oder nahe gelegt.

Gegenstand der Erfindung ist speziell die Art und Weise der Ermittlung der Startspannung für den Drehstromsteller anhand einer Detektion des Bewegungsbeginns der Asynchronmaschine über die induzierte EMK. Dies erfolgt softwaremäßig über einen vorgegebenen Algorithmus. Ebenso erfolgt die Bestimmung der Parameter für die Anlaufzeit.

Im Einzelnen wird für die Selbstparametrierung die Mindestspannung bzw. der zugehörige Start-Zündwinkel &agr;S zum Anlauf der Asynchronmaschine ermittelt. Dies erfolgt durch schrittweise Erhöhung der Spannung bzw. Erniedrigung des Zündwinkels, Trennung der Asynchron-Maschine vom Netz und Feststellung einer Drehbewegung durch Auswertung der EMK.

Im weiteren Verlauf muss der Zündwinkel auf Null reduziert werden. Vorteilhafterweise kann dabei eine Steuergröße, beispielsweise ein Stromgrenzwert, eine Rampenzeit oder ein Drehmomentgrenzwert, durch Iteration derart eingestellt werden, dass die vom Anwender und/oder vom Prozess geforderte Anlaufzeit der Asynchron-Maschine bis zur Solldrehzahl erreicht wird.

Ein erfindungsgemäßer Drehstromsteller, insb. Sanftstarter, zum Anlauf von Drehstrom-Asynchronmaschinen, der eine Thyristorsteuerung mit paarweise vorhandenen Thyristoren aufweist, wobei die Zündwinkel der Thyristoren die Bestimmungsparameter für den Drehstromsteller darstellen, hat geeignete Mittel zur Selbstparametrierung der Zündwinkel der Thyristoren. Diese werden im Wesentlichen softwaremäßig durch ein Programm für einen Rechner bzw. für den beim Drehstromsteller üblicherweise vorhandenen Mikrokontroller realisiert.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen.

Es werden zunächst die theoretischen Voraussetzungen für das Prinzip der Selbstparametrierung bei Drehstromstellern verdeutlicht, wobei für einen Sanftanlauf eine geeignete Startspannung, die den Anlauf der Maschine ermöglicht, ermittelt werden muss. Dabei wird vom Beispiel des thyristorgesteuerten Sanftstarters ausgegangen, bei dem die Startspannung durch den Zündwinkel des Thyristors als Stromventil bestimmt wird.

Im Einzelnen wird aufgezeigt, dass und wie im Einzelfall eine Selbstparametrierung möglich ist. Hierzu zeigen jeweils als graphische Darstellungen:

1 das Anlaufmoment MA bezogen auf das Nennmoment MN sowie Anlaufstrom IA bezogen auf den Nennstrom in Abhängigkeit des Zündwinkels bei einem dreiphasigen Starter,

2 und 3 anhand von zwei Teilfiguren die Ströme und die Klemmenspannungen während einer Zündunterbrechung,

4 und 5 anhand von zwei Teilfiguren den Verlauf der drei Klemmenspannungen sowie der Summenklemmenspannung UT&Sgr; nach Abschaltung der Statorströme bei einer Geschwindigkeit von 10 min–1 und 100 min–1,

6 das Schema der Veränderung des Zündwinkels zur Bestimmung des Startzündwinkels,

7 den Einfluss der Absenkung des Zündwinkels &Dgr;&agr; auf die Anlaufzeit bei unterschiedlichen Antriebslasten, sowie

8 und 9 in zwei Teilfiguren den Anlauf einer 30 kW-Asynchronmaschine an einer Last mit M = konstant = 100 Nm sowie J = 0,1 kgm2 am Beginn des Lernverfahrens im oberen Teilbild und am Ende des Lernverfahrens im unteren Teilbild, wobei der Sollwert der Anlaufzeit 5 s entspricht.

Anschließend wird die Umsetzung der Selbstparametrierung bei einem bekannten Thyristor-Drehstromsteller mit Mikrokontroller verdeutlicht. Hierzu zeigen:

10 ein Blockschaltbild eines Thyristor-Drehstromstellers mit Mikrokontroller,

11 eine erste Möglichkeit zur Ermittlung von Start-Spannung/Zündwinkel,

12 das zugehörige Ablaufdiagramm,

13 eine zweite Möglichkeit zur Ermittlung der Start Spannung/Zündwinkel,

14 das zugehörige Ablaufdiagramm,

15 die Möglichkeit zur Vorgabe von Randbedingungen beim Anfahren der Maschine und

16 das zugehörige Ablaufdiagramm.

Sanftstarter dienen zum Anlauf und zum Auslauf insbesondere von Asynchronmaschinen (ASM). Derzeit in der Praxis verwendete Sanftstarter haben eine Thyristorsteuerung mit für jede Phase zwei antiparallele Thyristoren. Die wirksame Spannung wird durch ein Phasenanschnittsverfahren gewährleistet, wobei wesentlich der Zündwinkel bzw. Zündzeitpunkt der einzelnen Thyristorpaare ist.

Als Stellgröße dient beim thyristorgesteuerten Sanftstarter der Zündwinkel &agr; des einzelnen Thyristors. Der Winkel &agr; ist definiert als Zeit zwischen dem letzten Stromnulldurchgang des Stromes durch den Thyristor und der Wiederzündung des Thyristors, womit ein erneuter Stromfluss eingeleitet wird. Begonnen wird die Zündung im Sanftstarter durch einen gesonderten Zündwinkel-Steuersatz für alle 3 Thyristorpaare, auf dessen Grundlage der so genannte Anfangs-Zündwinkel &agr;A bestimmt werden kann. Dieser beträgt bei 3-phasigen Startern unabhängig von der Motorgröße ca. 65°.

Bei thyristorgesteuerten Sanftstartern sind insbesondere folgende Anlauf-Parameter einzustellen:

  • – Start-Zündwinkel &agr;S, der die Startspannung ("start voltage") bestimmt
  • – Rampenzeit ("ramp time") tR für den Zündwinkel.

Der Start-Zündwinkel &agr;S wird ausgehend vom Anfangs-Zündwinkel &agr;A nach der ersten Zündung durch Dekrementierung mit einer vergleichsweise großen Schrittweite von typisch 5°/Netzperiode erreicht. Eine optimale Einstellung des Start-Zündwinkels ist dann gegeben, wenn der Motor bei diesem Zündwinkel ein der Last äquivalentes Drehmoment aufbringt und damit die Drehbewegung beginnt. Damit ist der Start-Zündwinkel insbesondere vom Lastmoment im Stillstand – dem sog. Losbrechmoment – abhängig.

Anschließend wird der Zündwinkel während des eigentlichen Anlaufes gegen den Wert 0° geführt. Dieser Verlauf kann im einfachsten Fall eine Rampe sein, aber infolge verschiedener Anforderungen an den Anlaufvorgang auch einer komplizierteren Funktion folgen. Diese Anforderungen können sein:

  • – Hochlauf bzw. Erreichen der Nenndrehzahl in einer bestimmten Zeit mit oder ohne Einhaltung nachfolgender Nebenbedingungen:

    – Einhaltung eines nicht zu überschreitenden Strom-Effektivwertes

    – Einhaltung eines nicht zu überschreitenden Drehmomentes.

Die Einhaltung der Nebenbedingung bedeutet, dass der nicht zu überschreitende Strom- oder Drehmomentgrenzwert so gewählt wird, dass die vom Anwender gewünschte Hochlaufzeit erreicht wird.

Nachfolgend werden nacheinander die beiden Teilaspekte betrachtet:

  • 1. Die Bestimmung des Start-Zündwinkels
  • 2. Die Bestimmung des Zündwinkel-Verlaufes während des Hochlaufs des Sanftstarters.

1. Bestimmung des Start-Zündwinkels:

Der Start-Zündwinkel &agr;S soll so gewählt werden, dass die ASM gerade das Lastmoment überwinden kann und damit die Drehbewegung beginnt. Zunächst zeigt 1 die typische Abhängigkeit von Anlaufmoment MA und effektivem Anlaufstrom IA vom Zündwinkel. Während die prinzipielle Form dieser Kurve für alle ASM nahezu identisch ist, kann die Skalierung in Abhängigkeit der Maschinengröße und der Gestaltung des Strom-Verdrängungsläufers etwas variieren.

Wäre das notwendige Anlaufmoment bekannt, so wäre aus 1 mit den Graphen 11 für das normierte Anlaufmoment MA/MN und 12 für den normierte Anlaufstrom IA/IN unmittelbar der Start-Zündwinkel &agr;S ablesbar. Da das Anlaufmoment im Allgemeinen nicht bekannt ist, muss die beginnende Drehbewegung auf andere Art und Weise festgestellt werden. Hierzu wird anmeldungsgemäß folgendermaßen vorgegangen:

Eine beginnende Drehbewegung des Rotors wird anhand der induzierten Spannung am stromlosen Stator detektiert. Hierzu muss die Zündung der Thyristoren nach einem noch zu beschreibenden Schema kurzzeitig ausgesetzt werden.

Die induzierte Spannung an den Klemmen der ASM ergibt sich für den Fall eines stromlosen Stators bekanntlich zu:

wobei
u∠SS:
Raumzeiger der Stator-Strangspannung
Lh:
Hauptinduktivität der Maschine
i∠RR:
Raumzeiger des Rotorstromes im Rotor-Koordinatensystem
&ggr;:
Winkel des Rotors gegenüber dem Stator-Koordinatensystem
bedeuten.

Durch Ausführen der Differentiation erhält man:

mit
&ohgr;
– Elektrische Winkelgeschwindigkeit des Rotors mit &ohgr; = d&ggr;/dt.

Aus Gl. 2 ist zu erkennen, dass sich die induzierte Spannung aus zwei Termen zusammensetzt:

  • – Induktion infolge (schneller) zeitlicher Veränderung der Rotorströme
  • – Induktion infolge Drehbewegung (auch bei konstantem oder nur langsam abklingendem Rotorstrom).

Für das Abklingen der Rotorströme nach Abschalten der Statorströme spielen zwei transiente Vorgänge mit sehr unterschiedlichen Zeitkonstanten eine Rolle:

Mit einer kleinen Zeitkonstante werden Unsymmetrien in den 3 Rotorströmen abgebaut. Wegen der magnetischen Kopplung der 3 Rotorwicklungen spielt dabei die Hauptinduktivität keine Rolle und die hierfür relevante Zeitkonstante &tgr;2&sgr; ergibt sich – unter Vernachlässigung von Stromverdrängungseffekten im Rotor – aus dem Verhältnis von Rotor-Streuinduktivität L'2&sgr; und Rotorwiderstand R'2. Diese Vorgänge verursachen im Wesentlichen die induzierte Spannung infolge zeitlicher Veränderung der Rotorströme (1. Summand in Gl. 2).

Mit einer großen Zeitkonstante klingt die in der Hauptinduktivität gespeicherte magnetische Energie ab. Hierbei ergibt sich die Zeitkonstante &tgr;2h aus dem Verhältnis von Hauptinduktivität Lh und Rotorwiderstand R'2. Da diese Vorgänge vergleichsweise langsam ablaufen, können die Ströme fast als Gleichströme angesehen werden, weswegen sie im Wesentlichen nur durch die Drehbewegung des Rotors eine Spannung im Stator induzieren (2. Summand in Gl. 2).

Zur Feststellung einer Drehbewegung wird nun wie folgt vorgegangen: Nach dem Verlöschen aller Thyristor- und damit Statorströme wird aus den 3 messbaren Klemmenspannungen UT1–T2, UT2–T3 und UT3–T1 durch die Steuerung des Sanftstarters eine Summen-Klemmenspannung U2T&Sgr; nach Gl. 3 berechnet.

Die Verläufe von Thyristor-Strömen und Klemmenspannungen am Sanftstarter während einer solchen Unterbrechung zeigen exemplarisch die 4 und 5. Die Graphen 41 bzw. 51, 42 bzw. 52 und 43 bzw. 53 die Klemmenspannungen. Der Graph 50 verdeutlicht in dem Zeitraum, in dem die ASM vom Netz getrennt ist, einen schnellen Abfall auf null und damit den Hinweis, dass sich die RSM noch nicht gedreht hat.

Zur Unterdrückung von Störungen und zufälligen Messfehlern kann die nach Gl.3 bestimmte Summen-Klemmenspannung auch einer Mittelwertbildung – z.B, einem an sich bekannten "running average" – unterzogen werden.

Liegt keine nennenswerte Drehbewegung vor, so wird U2T&Sgr; asymptotisch gegen 0 gehen. Dieses Abklingen geschieht bei Vernachlässigung der Stromverdrängung im Läufer mit einer Zeitkonstanten &tgr;2&sgr; = L'2&sgr;/R'2. Durch die Stromverdrängung wird der Abklingprozess weiter beschleunigt, weil hierdurch der effektiv wirkende Läuferwiderstand vergrößert sowie die Streureaktanz verkleinert wird.

Im Allgemeinen ist es vollkommen ausreichend, die Summen-Klemmenspannung über einen Zeitraum von ca. 20 ms zu beobachten. Fällt der Wert der Summen-Klemmenspannung innerhalb dieser Zeit unter eine bestimmte Schwelle, so kann von einem Stillstand der Maschine ausgegangen werden. Dieser Schwellwert für U2T&Sgr; beträgt vorzugsweise (5V)2 für eine Maschine zum Betrieb am 230/400 V-Netz.

Die 4 und 5 zeigen zur Veranschaulichung den Verlauf der drei Klemmenspannungen UT1–T2, UT2–T3 und UT3–T1 entsprechend den Graphen 22 bis 24 bzw. 32 bis 34 sowie der Summen-Klemmenspannung UT&Sgr; 20 bzw. 30 einmal bei einer Drehzahl von 10 min-1 (entspricht Stillstand) sowie weiterhin bei 100 min–1. Mit 21 bzw. 31 sind die Zeitpunkte für das Verlöschen des Stroms bei 22,8 ms bzw. 26,2 ms eingetragen.

Das Ansteuerverfahren zur Ermittlung des Start-Zündwinkel &agr;S läuft nun folgendermaßen ab:

Zunächst wird die Zündung der Thyristoren nach den bekannten Verfahren ganz normal eingeleitet, wodurch sich der Anfangs-Zündwinkel &agr;A ergibt. Hiervon ausgehend wird der Zündwinkel langsam mit einer bestimmten Rate pro Netzperiode &Dgr;&agr;1/T abgesenkt, bis der Zündwinkel &agr;S1 erreicht ist. Anschließend wird die Zündung der Thyristoren für ca. 20 ms unterbrochen und die Klemmenspannungen während dieser Zeit in der oben beschriebenen Weise ausgewertet. Wird keine nennenswerte Drehbewegung des Motors erkannt (EMK zu niedrig oder nicht vorhanden), wird für den neuen Anlaufvorgang &agr;S = &agr;S1 gesetzt.

Nunmehr erfolgt wieder die Einleitung des Zündverfahrens mittels der bekannten Verfahren. Allerdings kann jetzt der Zündwinkel relativ rasch mit einer erhöhten Rate &Dgr;&agr;2/T pro Netzperiode bis zum Winkel &agr;S1 abgesenkt werden. Anschließend erfolgt wieder eine langsame Absenkung mit &Dgr;&agr;1/T bis zum Zündwinkel &agr;S1, woran sich wiederum die Auswertung der Klemmenspannungen anschließt. In der Weise wird fortgefahren, bis durch die Auswertung der Klemmenspannungen eine beginnende Drehbewegung erkannt wird. Der letzte Wert für &agr;S wird dann als Start-Zündwinkel verwendet.

Als Vorzugswerte für die Absenkung des Zündwinkels &agr; können folgende Werte dienen:

  • – &Dgr;&agr;1/T ≈ –0,2°/Netzperiode
  • – &Dgr;&agr;2/T ≈ –5°/Netzperiode

Der hieraus resultierende Verlauf des Zündwinkels &agr; während der Bestimmung von &agr;S ist in 6 dargestellt. Zu den Zeitpunkten Ti ergibt sich von einem Anfangswinkel beginnend zunächst jeweils ein etwa linearer Abfall des Zündwinkels &agr; &Dgr;&agr;2/T = –5°/Netzperiode und dann &Dgr;&agr;1/T = –0,2°/Netzperiode entsprechend dem Graphen 60. Hierzu beinhalten die 11 und 12 eine detaillierte Beschreibung des Verfahrens. In den 13 und 14 wird eine abgewandelte Form der Ermittlung des Startzündwinkels &agr;S vorgeschlagen.

Insgesamt ist die Ermittlung des Start-Zündwinkel &agr;S mit dem hier beschriebenen Verfahren innerhalb von maximal 8 s abgeschlossen.

Die Größen &agr;S und &agr;S1 sind bei obigen Betrachtungen keine Konstanten, sondern ändern sich von einem Startversuch zum nächsten. Die Größe &agr;S1 entspricht den Werten &agr;Ti aus 6. Zum besseren Verständnis der praktischen Vorgehensweise sind in den Diagrammen der 11 und 13 die einzelnen Startversuche getrennt dargestellt, so dass auf die Indexierung verzichtet werden kann.

Beschränkt wird dieses Verfahren lediglich durch vom Anwender vorgegebene Obergrenzen für Motorstrom und Drehmoment. Wird innerhalb der vorgegebenen Grenzen kein Beginn der Drehbewegung festgestellt, dann ist ein Anlauf mit der gegebenen Last sowie den gewünschten Randbedingungen (Strom, Drehmoment) nicht möglich, was in diesem Fall durch die Steuerung des Sanftstarters signalisiert wird.

Eine weitere Verbesserung des genannten Verfahrens insbesondere hinsichtlich des Ausgleichs von Schwankungen der Netzspannung ergibt sich dann, wenn gleichzeitig das Drehmoment aus Strom und Spannung berechnet wird, was im Einzelnen in der EP 1 116 014 B1 beschrieben ist. In diesem Fall kann während des in 4 skizzierten Verfahrens fortlaufend das Drehmoment bestimmt werden. Anschließend ist der Sanftstarter auch bei anderen Spannungsverhältnissen in der Lage, den Zündwinkel relativ rasch so einzustellen, dass von der Asynchronmaschine (ASM) das Losbrechmoment aufgebracht wird.

Der genannte Vorgang zur Bestimmung des Start-Zündwinkels &agr;S wird nur einmal während der Inbetriebnahme in einem Teach-in-Lauf oder nach Veränderungen an der angetriebenen Last durchgeführt. Dieser Vorgang kann wahlweise manuell oder auch über ein Feldbussystem initiiert werden. Anschließend steht durch Abspeicherung in einem nichtflüchtigen Speicher, z.B. E2PROM, der ermittelte Start-Zündwinkels &agr;S für jeden weiteren Anlauf unmittelbar zur Verfügung.

Ein weiterer Teilaspekt des anmeldungsgemäßen Verfahrens ist die Bestimmung der Rampenzeit.

2. Bestimmung der Rampenzeit:

Im Allgemeinen wird ein Anlauf innerhalb einer bestimmten Zeit gewünscht.

Wesentlich für die richtige Parametrierung des Sanftstarters zur Erzielung eines gewünschten Anlaufs ist in jedem Fall die Erkennung des Hochlaufs der ASM – also das Erreichen der Nenndrehzahl. Charakteristischstes Merkmal eines erfolgten Hochlaufs ist die signifikante Absenkung der Phasenverschiebung &phgr; zwischen Strom und Spannung. Auf Basis dieses Merkmals existieren bereits erprobte Verfahren mit dazu gehörigen Software-Implementierungen. Ist eine Strommessung verfügbar, kann der Hochlauf auch über die Stromabsenkung erkannt werden.

Nach Erreichen der Nenndrehzahl bzw. dem Überschreiten des Kipp-Punktes sollte der Zündwinkel zur Vermeidung weiterer Netz-Oberwellen unverzüglich auf 0° verringert werden, da der Anlaufvorgang ohnehin abgeschlossen ist und daher eine weitere Beeinflussung unmöglich ist.

Im einfachsten Fall wählt der Anwender lediglich eine bestimmte Anlaufzeit Tan_soll, in welcher der Antrieb vom Stillstand bis zur Nenndrehzahl beschleunigen soll. Weitere Randbedingungen wie Begrenzungen des Stromes oder Beeinflussung des Drehmomentes werden hierbei zunächst nicht berücksichtigt, so dass dieses Verfahren z.B. auch in Sanftstartern ohne Strommessung eingesetzt werden kann.

Die vom Anwender notwendigen Parametrierungen des Sanftstarters reduzieren sich damit auf die Festlegung der gewünschten Anlaufzeit.

Zur Ableitung des Verfahrens zur Selbstparametrierung zeigt 7 zunächst exemplarisch den Einfluss der Absenkung des Zündwinkels &Dgr;&agr;1 auf die Anlaufzeit für verschiedene Antriebslasten am Beispiel einer 30 kW-Asynchronmaschine (JASM = 0, 24 kg m2, MN = 190 Nm)

  • – Last mit konstantem Drehmoment von 30 Nm und kleiner Massenträgheit von JLoad = 0,1 kg m2 (entsprechend Graph 71)
  • – Last mit konstantem Drehmoment von 30 Nm und großer Massenträgheit von JLoad = 1 kg m2 (entsprechend Graph 72)
  • – Last mit linear ansteigendem Drehmoment von 30 Nm im Stillstand auf 100 Nm bei Nenndrehzahl sowie kleiner Massenträgheit von JLoad = 0, 1 kg m2 (entsprechend Graph 73).

Der zuvor bestimmte Start-Zündwinkels &agr;S beträgt hierbei 50°.

Zusätzlich zeigt 7 als durchgezogene Linie 70 die "ideale" Anlaufzeit als den Zeitraum, in dem der Zündwinkel &agr; bei der gewählten Absenkung den Wert 0° erreicht.

Liegt demnach die tatsächliche Anlaufzeit unter der "idealen", dann ist im Moment des Erreichens der Nenndrehzahl noch ein Zündwinkel &agr; vorhanden. Dies ist in jedem Fall erwünscht. Im anderen Fall wird die ASM schon vor Erreichen der Nenndrehzahl n ohne Phasenanschnitt betrieben, wodurch eine wirksame Strombegrenzung ausgeschlossen wird.

Das Verfahren zur Bestimmung der Zündwinkel-Absenkung &Dgr;&agr;1 funktioniert nun folgendermaßen:

Zunächst wird ein Startwert für die Absenkung &Dgr;&agr;1 gewählt. Dies kann vorzugsweise nach Gl. 4 geschehen:

mit
T
= Netzperiode (0,02 s bei 50 Hz).

Anschließend wird die tatsächliche Anlaufzeit Tan_ist gemessen und für den nächsten Anlauf ein verbesserter Wert iterativ nach Gl. 5 bestimmt.

Der Exponent &bgr; sollte vorzugsweise Werte im Bereich 1, 5...2 aufweisen. Kleinere Exponenten verlangsamen die Konvergenz des Verfahrens, größere Exponenten können – abhängig vom Lastmoment – das Verfahren instabil machen.

Das so beschriebene Verfahren bestimmt in den meisten Fällen mit drei Anläufen die Zündwinkel-Absenkung &Dgr;&agr;1 iterativ so, dass die tatsächliche Anlaufzeit der gewünschten bis auf ± 5 % entspricht.

In 7 sind dafür die Anlaufzeiten für verschiedene Randbedingungen als Funktion des Zündwinkels aufgetragen. Wie bereits erwähnt, zeigt dabei Graph 70 den idealen Verlauf, die Graphen 71 bis 73 die Kurven mit Werten von 30 Nm & 0,1 kgm2 (Kurve 7l), 30 Nm & 1 kgm2 (Kurve 72), 100 Nm & 0,1 kgm2 (Kurve 73), d.h. für verschiedene Anlaufmomente.

Ein weiterer Vorteil des beschriebenen Verfahrens besteht darin, dass die Absenkung des Zündwinkels auch bei Änderung der Netzspannung selbsttätig so angepasst wird, dass die gewünschte Anlaufzeit erreicht wird.

Eine weitere Fortbildung des Verfahrens besteht darin, dass während des Anlaufs ein bestimmter Strom-Effektivwert des Motors IGrenz oder ein bestimmtes Drehmoment MGrenz nicht überschritten werden. Dieser Grenzwert des Stromes oder des Drehmomentes ist durch einen Algorithmus der Selbstparametrierung nun so zu wählen, dass die vom Anwender gewünschte Anlaufzeit Tan_soll eingehalten wird. In diesem Fall wird der Zündwinkel im Regelfall nicht auf einer Rampe gegen den Wert 0 geführt sondern durch einen an sich bekannten Regler so eingestellt, dass der gewählte Grenzwert des Stromes oder des Drehmomentes eingehalten wird. In diesem Fall erfolgt demnach die Einhaltung der gewünschten Anlaufzeit Tan_soll mittelbar über die Wahl des betreffenden Grenzwertes im Rahmen der Selbstparametrierung mit dem Vorteil, dass gleichzeitig bestimmte Obergrenzen für Strom oder Drehmoment nicht überschritten werden.

Die Vorgehensweise der Bestimmung der genannten Grenzwerte erfolgt im Prinzip analog zur Bestimmung der Absenkung &Dgr;&agr;1, indem zunächst nach Gl. 4 ein Anfangswert für die Absenkung &Dgr;&agr;1 bestimmt wird. Während eines ersten Anlaufs mit der so bestimmten Absenkung wird dann der Maximalwert von Strom oder Drehmoment bestimmt. Dieser Wert dient als erster Grenzwert I(0)Grenz oder M(0)Grenz für die weiteren Iterationen. Anschließend wird analog zu Gl. 5 eine iterative Verbesserung dieses Wertes nach Gl. 6 vorgenommen.

Bei der Bestimmung der Grenzwerte IGrenz oder MGrenz ist darauf zu achten, dass diese Werte vom Anwender vorgegebene, absolut nicht zu überschreitende Sollwerte des Stromes IRef oder des Drehmomentes MRef nicht übersteigen. In diesem Fall liegt ein Zielkonflikt vor, woraufhin das Verfahren zur Selbstparametrierung mit einer entsprechenden Meldung abgebrochen wird.

In der Praxis kann damit das Selbstparametrierverfahren wie folgt ablaufen:

  • – Bestimmung des Start-Zündwinkels &agr;S wie zuvor beschrieben
  • – Ermittlung der Zündwinkel-Absenkung &Dgr;a1 innerhalb von drei Probe-Anläufen
  • – Weitere laufende Verbesserung und Anpassung der Zündwinkel-Absenkung &Dgr;&agr;1 in weiteren betriebsmäßigen Anläufen.

Die 8 und 9 zeigen den Anlaufvorgang einer 30 kW ASM an einer konstanten Last mit M = 100 Nm und J = 0,1 kg m2 am Beginn (8) und am Ende (9) eines solchen „Teach-in"-Lernverfahrens, wobei hier eine gewünschte Anlaufzeit von Tan_soll = 5 s vorgegeben ist. Aufgetragen sind über der Zeit t als Abszisse die Graphen 81 und 82 bzw. 91 und 92 für &agr; und &phgr; als linke Ordinate und die Graphen 83 bis 85 bzw. 93 bis 95 für n/10, m und Irms entsprechend der rechten Ordinate.

Der Zielwert der Anlaufzeit Tan_soll beträgt in den 8/9 genau 5 s. Dieser wird in 9 bei &Dgr;&agr;1 = 0,005368° nahezu erreicht.

In 10 ist eine Drehstrom-Asynchronmaschine 2 über einen dreiphasiges Motorsteuergerät 1, das auch als Drehstromsteller bezeichnet wird, an die Phasen L1, L2 und L3 eines dreiphasigen Netzes angeschlossen.

Beim thyristorgesteuerten Drehstromsteller 1 ist jeder der Phasen L1, L2, L3 eine Ventilanordnung 3, 3', 3'' zugeordnet. Die Ventilanordnungen 3, 3', 3'' bestehen aus jeweils zwei antiparallel geschalteten Thyristoren 4, 4'. Die Zündelektroden der Thyristoren 4, 4' sind an eine Steuereinrichtung angeschlossen, von der bei den vorgesehenen Phasenanschnittswinkeln die zum Zünden der Thyristoren 4, 4' erforderlichen Zündsignale in einer vorgegebenen zeitlichen Abfolge bereitgestellt werden.

Zwischen den zur Maschine 1 führenden Leitern des Drehstromstellers 1, beispielsweise zwischen T1, T2 und T3 in 10, wird jeweils die Spannung gemessen und in einer Recheneinheit entsprechend der oben bereits angegebenen Gl. 3 die Summenspannung

ermittelt. Abhängig von den Spannungen wird die Steuereinrichtung zur Steuerung des Phasenanschnittswinkels zwecks Sanftauslauf der Asynchronmaschine 2 aktiv.

Die gesamte Mess- und Steuereinrichtung wird vorteilhafterweise durch einen Rechner bzw. einen Mikrocontroller 5 realisiert. Der Mikrokontroller 5 umfasst dabei die Berechnung der Summenspannung in der Einheit 6, den Algorithmus zur Bestimmung der Startspannung in Einheit 7 und eine Einheit 8 zur Ventilansteuerung.

In vorliegendem Fall dient der Mikrokontroller 5 insbesondere dazu, ein abgespeichertes Programm zu bearbeiten, so dass die Selbstparametrierung softwaremäßig erfolgen kann.

In den 11/12 und 13/14 sind zwei alternative Vorgehensweisen zur Bestimmung der Startspannung bzw. des für den thyristorgesteuerten Drehstromsteller maßgebenden Startzündwinkels &agr;S ausgeführt.

Die 11 und 13 zeigen jeweils mehrere Startversuche. Aufgetragen sind jeweils als Abszisse die Zeit t und als Ordinate der Startwinkel &agr; bzw. die Startspannung U. Es sind drei Startversuche dargestellt:

In 11 wird bei allen Startversuchen jeweils vom gleichen Ausgangsstartwinkel &agr;A entsprechend Graph 111, 111' oder 111'' ausgegangen. Beim ersten Versuch wird in mehreren äquidistanten Schritten &Dgr;&agr;2 auf einen vorgegebenen Startwinkel &agr;S heruntergefahren. Von dort wird eine Rampe mit einer Schrittweite von &Dgr;&agr;1/Netzperiode für eine bestimmte Zeit tT durchfahren. Anschließend wird der Drehstromsteller vom Netz getrennt und anhand der EMK bestimmt, ob eine Induktionsspannung induziert ist, d.h. ein Anlauf erfolgt ist. Ist dies der Fall, wird der Winkel &agr;S als Startspannungswinkel gespeichert.

Ist dies nicht der Fall, d.h. ist keine Spannung induziert, wird in einem neuen – zweiten – Startversuch, ausgehend vom gleichen Anfangszündwinkel &agr;A entsprechend dem Graph 111' in fünf Schritten auf einen geringeren Start-Zündwinkel &agr;S, der dem Zündwinkel des letzten Anlaufs bei Trennung der ASM entspricht, heruntergefahren und wieder die EMK geprüft. Ganz entsprechend werden ein dritter und ein vierter Startversuch entsprechend dem Graph 111'', 111''' erfolgen.

Letzteres wird in 12 anhand eines Flussdiagramms verdeutlicht, das die Positionen 121 (Start) bis 135 (Ende) durchläuft. In üblicher Weise kennzeichnen dabei die Rechtecke Befehlsfunktionen, die Kreise Verknüpfungsfunktionen und die Rauten Entscheidungsfunktionen.

Das programmtechnische Vorgehen mit den Positionen 121 bis 135 ist aufgrund seiner Bezeichnungen selbsterklärend. Wesentlich ist, dass mit dieser Ablaufroutine ein geeigneter Startzündwinkel &agr;S und damit die notwendige Anfangsspannung UA ermittelt und abgespeichert werden können, mit dem ein Anlauf der Asynchronmaschine 2 erfolgreich erfolgen kann.

In den 13 und 14 ist die Vorgehensweise gemäß den 11 und 12 insofern abgeändert, dass hier nicht bei den einzelnen Startversuchen jeweils vom gleichen Anfangszündwinkel &agr;A, sondern unmittelbar von einem vorgegebenen Startwinkel &agr;S ausgegangen wird, von dem wiederum in Schritten &Dgr;&agr;1 der Zündwinkel gemäß den Graphen 131, 131' oder 131'' abgesenkt wird. Die Prüfung bzw. Bestimmung der EMK erfolgt in gleicher Weise wie bei 11/12. Dies ist durch das Flussdiagramm gemäß 14 mit den Positionen 221 bis 232 verdeutlicht. Für das Ablaufprogramm gilt das entsprechend zu 12 Gesagte.

Es wurde bereits weiter oben ausgeführt, dass ausgehend von der Startspannung US, die beim hier beschriebenem thyristorgesteuerten Sanftstarter gemäß 10 durch die Zündwinkel &agr;S bestimmt wird, Nebenbedingungen vorgegeben werden können. Dies ist insbesondere ein Stromsollwert IRef oder ein Drehmomentsollwert MRef.

Dies bedeutet, dass vom Benutzer beispielsweise ein Strom IRef, der bei Anlauf der Maschine 2 nicht überschritten werden soll, vorgegeben werden kann. Davon abhängig ergeben sich verschiedene Kurven 151, 151' bzw. 151'', mit denen jeweils nach einer bestimmten Zeit die Solldrehzahl nsoll erreicht wird.

Wenn alternativ dazu die Anlaufzeit TAnl vorgegeben wird, können aus dem Schaubild geeignete Kurven 152, 152' bzw. 152'' und die zugehörigen Ströme abgelesen werden.

Beide Möglichkeiten sind durch das Flussdiagramm gemäß 16 mit den Positionen 161 bis 170 verdeutlicht. Für das Ablaufprogramm gilt das entsprechend zu 12 und 14 Gesagte.

In der Praxis werden entweder die Vorgehensweisen gemäß den 11/12 und 15/16 oder die Vorgehensweisengemäß den 13/14 und 15/16 kombiniert. Die Vorgehensweise gemäß den 13/14 ist an sich einfacher als die Vorgehensweise gemäß den 11/12. Allerdings kann es hier in Einzelfällen bei transienten Vorgängen zu Störungen kommen.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Ermittlung und Vorgabe von Parametern eines elektronisches Motorsteuergerätes für den Anlauf von Drehstrom-Asynchronmaschinen (ASM) entsprechend vorgegebener Randbedingungen, wobei Mittel zur Beeinflussung der an der Maschine (Motor) anliegenden Spannung verwendet werden, wozu beispielsweise durch Phasenanschnittssteuerung oder Phasenabschnittsteuerung der Netzspannung die Klemmenspannung für die Asynchronmaschine abgesenkt wird und damit die Netzströme sowie die Drehmomente während des Anlaufes der Asynchronmaschine reduziert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellparameter des Drehstromstellers durch eine Selbstparametrierung automatisch derart bestimmt und eingestellt werden, dass die vorgegebenen Randbedingungen eingehalten werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Randbedingungen zum Betrieb der Asynchronmaschine vom Benutzer vorgegeben werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Randbedingungen zum Betrieb der Asynchronmaschine durch einen technologischen Prozess vorgegeben werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Selbstparametrierung die Mindestspannung zum Anlauf der Asynchronmaschine ermittelt wird, und zwar durch schrittweise Erhöhung der Spannung, Trennung der Asynchron-Maschine vom Netz und Feststellung einer Drehbewegung durch Auswertung der EMK.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Steuergröße, beispielsweise ein Stromgrenzwert, eine Rampenzeit oder ein Drehmomentengrenzwert, durch Iteration derart eingestellt wird, dass die vom Anwender und/oder vom Prozess geforderte Anlaufzeit der Asynchron-Maschine bis zur Solldrehzahl erreicht wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei als Mittel zur Beeinflussung der am Motor anliegenden Spannung Thyristoren als Stromventile verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Thyristoren bei vorgegebenen Zündwinkeln gezündet werden und dass für die Selbstparametrierung der Start-Zündwinkel einerseits und der Zündwinkel-Verlauf während des Hochlaufes der Asynchronmaschine andererseits ermittelt werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Start-Zündwinkel ausgehend vom Anfangs-Zündwinkel nach der ersten Zündung durch Dekrementierung mit Einzelschritten erreicht wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelschritte etwa 5° pro Netzperiode sind.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass während des Anlaufes der Zündwinkel auf den Wert von 0° zurückgeführt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf des Zündwinkels die Form einer Rampe hat.
  11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf des Zündwinkels eine vorgegebene Funktion erfüllt.
  12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Selbstparametrierung das Erreichen der Nenndrehzahl in einer bestimmten Zeit vorgegeben ist.
  13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Selbstparametrierung die Einhaltung eines nicht zu überschreitenden Strom-Effektivwertes vorgegeben ist.
  14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Selbstparametrierung die Einhaltung eines nicht zu überschreitenden Drehmomentes vorgegeben ist.
  15. Selbstparametrierender Drehstromsteller zum Anlauf von Drehstrom-Asynchronmaschinen, insbesondere Sanftstarter, der eine Thyristorsteuerung mit paarweise vorhandenen Thyristoren (4, 4') aufweist, wobei die Zündwinkel der Thyristoren (4, 4') die Bestimmungsparameter für den Drehstromsteller (1) darstellen, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (7, 121142, 221232) zur Selbstparametrierung der Zündwinkel (&agr;) der Thyristoren (4, 4') vorhanden sind.
  16. Selbstparametrierender Drehstromsteller nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Selbstparametrierung der Zündwinkel (&agr;) Mittel (121142, 221232) zur Bestimmung des Start-Zündwinkels (&agr;S) vorhanden enthalten.
  17. Selbstparametrierender Drehstromsteller nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Selbstparametrierung der Zündwinkel (&agr;) Mittel (321332) zur Bestimmung des Zündwinkel-Verlaufes während des Hochlaufes der Maschine (1) enthalten.
  18. Selbstparametrierender Drehstromsteller nach Anspruch 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Bestimmung des Start-Zündwinkels (&agr;S) und des Zündwinkel-Verlaufes als Softwareprogramm (121142, 221232) realisiert sind.
  19. Selbstparametrierender Drehstromsteller nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Softwareprogramm (121142, 221232) zur Bestimmung des Start-Zündwinkels (&agr;S) und des Zündwinkel-Verlaufes auf einem Arbeitsspeicher eines Rechners (5) abgespeichert sind.
Es folgen 16 Blatt Zeichnungen






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