DE102016003738A1

DE102016003738A1 - Zwischenkreisspannungsabhängige Rückspeiseenergiebegrenzung für elektrische Antriebe

Info

Publication number: DE102016003738A1
Application number: DE102016003738.5A
Authority: DE
Inventors: Martin Oettmeier; Jens Fiedler
Original assignee: Wilo SE
Current assignee: Wilo SE
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2016-03-31
Publication date: 2017-10-05
Also published as: DE102016003738A8

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines eine Last (4) antreibenden Elektromotors (3), der von einem Frequenzumrichter (2) mit Spannungszwischenkreis (6) gespeist und durch eine den Frequenzumrichter (2) steuernde Motorregelung (10) in seiner Drehzahl derart geregelt ist, dass er bei einem Bremsen Energie in den Spannungszwischenkreis (6) zurückspeist. Während der Energierückspeisung wird in Abhängigkeit der aktuellen Zwischenkreisspannung (Udc) aus einer in den Spannungszwischenkreis (6) einspeisbaren Differenzenergie (ΔEcap) ein aktueller Grenzwert (Mdlim, iqlim) für eine Stellgröße (Mdsoll, iqsoll) der Motorregelung (10) ermittelt und zur Begrenzung der in den Spannungszwischenkreis (6) vom Elektromotor (3) im Augenblick zurückgespeisten Leistung ein von der Motorregelung (10) ermittelter Wert der Stellgröße (Mdsoll, iqsoll) auf den Grenzwert (Mdlim, iqlim) begrenzt, wenn der Wert betraglich den Betrag des Grenzwerts (Mdlim, iqlim) überschreitet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines eine Last antreibenden Elektromotors, der von einem Frequenzumrichter mit Spannungszwischenkreis gespeist und durch eine den Frequenzumrichter steuernde Motorregelung in seiner Drehzahl derart geregelt ist, dass er bei einem Bremsen Energie in den Spannungszwischenkreis zurückspeist. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Begrenzung der zurückgespeisten Energie des Elektromotors in Abhängigkeit der aktuellen Zwischenkreisspannung. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Antrieb, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren implementiert ist.
Moderne frequenzumrichtergespeiste Antriebe sind heutzutage in der Lage, nicht nur elektrische Energie in mechanische Energie umzusetzen, sondern die in der Rotation gespeicherte Energie auch wieder in elektrische Energie umzuwandeln. Dies erfolgt durch aktives elektrisches Bremsen, d. h. wenn der Antrieb bei positiver Drehzahl mit einem ein negatives Drehmoment erzeugenden Strom angesteuert wird. Dieses negative Drehmoment wirkt dann als Bremsmoment, wodurch der Motor gegenüber einem ungebremsten Auslaufen schneller zum Stillstand kommt. Der Elektromotor wird dann im generatorischen Bereich betrieben. Die vom Elektromotor gelieferte elektrische Energie wird dann in den Frequenzumrichter zurückgespeist.
Ein solcher Betrieb bei einem Elektromotor wird Vier-Quadrantenbetrieb genannt, ein solcher Frequenzumrichter als Vierquadrantensteller bezeichnet. Dabei geht dieser Begriff auf die vier Quadranten eines Koordinatensystems zurück, bei dem die Drehzahl und das Drehmoment die Koordinaten sind. Besitzen Drehzahl und Drehmoment dasselbe Vorzeichen, liegt ein motorischer Betrieb des Elektromotors vor, unterscheiden sich die Vorzeichen, liegt generatorischer Betrieb vor.
Frequenzumrichter bestehen üblicherweise mindestens aus vier Komponenten, einem Gleichrichter, einem Wechselrichter, einem dazwischen liegenden Energiespeicher und einer Steuerelektronik. In der Regel handelt es sich bei dem Energiespeicher um einen oder mehrere Kondensatoren, die von dem Gleichrichter auf eine bestimmte Gleichspannung aufgeladen werden. Der oder die Kondensatoren bilden dadurch einen sogenannten Spannungszwischenkreis.
Der Gleichrichter wird mit zumindest einer Wechselspannungsquelle verbunden, beispielsweise mit einem Wechselspannungsnetz oder mit einem Drehstromnetz. Aus diesem Grund wird der Gleichrichter auch als Netzumrichter bezeichnet. Er umfasst in der Regel ungesteuerte leistungselektronische Halbleiterschalter, beispielsweise Dioden. Der Energiefluss ist hier folglich vom Wechselspannungsnetz zum Zwischenkreis.
Der Wechselrichter erzeugt aus der Gleichspannung des Zwischenkreises eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung für den entsprechenden Elektromotor, der beispielsweise ein Synchronmotor oder ein Asynchronmotor sein kann. Der Wechselrichter wird aus diesem Grunde auch als Motorumrichter bezeichnet. Er umfasst gesteuerte leistungselektronische Halbleiterschalter, beispielsweise Hochleistungstransitoren wie MOSFETs, IGBTs oder IGCTs, die von der Steuerelektronik unter Anwendung eines geeigneten Steuerverfahrens angesteuert werden.
Ein übliches Steuerverfahren ist hier beispielsweise die Pulsweitenmodulation, die eine ein- oder entsprechend der zu schaltenden Phasen mehrdimensionale Stellgröße von einem übergeordneten Regler erhält. Dieser Regler kann beispielsweise eine feldorientierten Regelung (FOR) oder einer flussbasierte Regelung wie die Direkte Selbstregelung (DSR), die Indirekte Statorgrößen Regelung (ISR) oder die Direkte Drehmoment Regelung (DTC, Direct Torque Control) ausführen. Die Verfahren sind dem Fachmann hinlänglich bekannt, so dass hier auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen wird. Die dabei geregelte Größe ist entweder der Strom, das Drehmoment, der magnetische Fluss oder die Leistung. Da der Regler Teil der Steuerelektronik ist, bildet diese im eigentlichen Sinne eine Steuer- und Regelelektronik. Der Regler bekommt seinen Sollwert wiederum von einem überlagerten, antriebsbezogenen Regler, beispielsweise einem Drehzahlregler, mittels welcher eine bestimmte Drehzahl beim Elektromotor eingeregelt wird. Der erstgenannte Regler ist diesem zweitgenannten Regler nachgeordnet oder unterlagert. Da der zweite Regler eine antriebsbezogene Größe und nicht nur den Frequenzumrichter steuert bzw. regelt, bildet die Steuer- und Regelelektronik eine Motorregelung.
Eine Sollwertvorgabe für den antriebsbezogenen Regler kann beispielsweise direkt an der Steuer- und Regelelektronik als gewünschte Konstantdrehzahl erfolgen. Es ist aber im Rahmen einer weiteren lastbezogenen Regelung, beispielsweise bei Pumpenaggregaten für Heizungs- oder Kühlanlagen, für Druckerhöhungsanlagen in der Trinkwasserversorgung oder auch bei Abwasserpumpen üblich, eine Kennlinienregelung vorzunehmen, bei der beispielsweise eine bestimmte Solldrehzahl aus der Forderung nach einem Betriebspunkt auf der Kennlinie folgt. Die Kennlinie kann beispielsweise einen Zusammenhang zwischen zwei hydraulischen Größen des Pumpenaggregats, beispielsweis der Förderhöhe bzw. dem Förderdruck (Differenzdruck) und dem Volumenstrom beschreiben. Die lastseitig geregelte Größe ist dann beispielsweise der Förderdruck bzw. Differenzdruck zwischen der Saug- und der Druckseite der Pumpe. Die Steuer- und Regelelektronik bildet dann eine Motor-/Lastregelung, insbesondere eine Motor-/Pumpenregelung.
Insbesondere bei Pumpen ist der generatorische Betrieb des antreibenden Elektromotors von Bedeutung, weil es sein kann, dass das Laufrad der Pumpe von einer externen Strömung angetrieben wird, so dass das Laufrad schneller dreht als gewünscht und infolgedessen gebremst werden muss. Die Pumpe wirkt dann wie eine elektrische Energie erzeugende Turbine. Die vom Antrieb in den Zwischenkreis zurückgespeiste elektrische Energie kann im einfachsten Fall ungenutzt in Wärme umgewandelt werden, in dem für den Bremsvorgang ein niederohmiger Bremswiderstand zeitweilig parallel zum Kondensator geschaltet wird. Es versteht sich von selbst, dass diese Vorgehensweise nicht ökonomisch ist. Deshalb wird angestrebt, die rückgespeiste Energie für den Zwischenkreis nutzbar zu machen.
Dabei besteht jedoch das Problem, dass der Zwischenkreis von dem Rückspeisestrom zunehmend aufgeladen und ggf. überladen wird, wenn eine maximale Spannungsgrenze am Zwischenkreiskondensator überschritten wird. Aus diesem Grund ist es erforderlich, die Rückspeiseleistung zu begrenzen. Zwar könnte grundsätzlich die in den Zwischenkreis rückgespeiste Energie von dem Netzumrichter weiter in das Wechselspannungsnetz gegeben werden. Jedoch sind die Netzumrichter in der Regel nicht rückspeisefähig, da sie ungesteuerte leistungselektronische Bauelemente, beispielsweise Dioden umfassen, um die eingangsseitig anliegende Wechselspannung in eine Gleichspannung umzuwandeln.
Die einfachste Art, eine Überspannung im Zwischenkreis zu verhindern, ist die Verhinderung von einem Energiefluss in den Zwischenkreis, d. h. die Verhinderung des generatorischen Betriebs des Elektromotors. Dazu wird der Frequenzumrichter derart gesteuert, dass bei positiver Drehzahl kein negatives Drehmoment erzeugender Strom, bzw. bei negativer Drehzahl kein ein positives Drehmoment erzeugender Strom zugelassen wird. Der Elektromotor wird also stets mit zur Drehzahl vorzeichengleichem Drehmoment oder keinem Drehmoment betrieben. Ein solches Vorgehen ist aus der europäischen Patentanmeldung EP 1 206 040 A2 bekannt.
Da allerdings elektrische Verluste im Motor und im Frequenzumrichter vorliegen, kann diese Forderung etwas aufgeweicht und im Augenblick die Rückspeisung einer Bremsenergie zugelassen werden, die betraglich der Summe der Verlustleistungen/Verlustenergie des Motors und der Elektronik entspricht. Die Zwischenkreisspannung erhöht sich dabei nicht und die elektrischen Verluste werden aus der Bremsenergie gedeckt. Dies sorgt für eine ausgeglichene Energiebilanz im Zwischenkreis.
Ein diese Lösung weiterbildender Ansatz zur Zwischenkreisspannungsbegrenzung besteht darin, einen Energiefluss in den Zwischenkreis zuzulassen und die Zwischenkreisspannung kontinuierlich zu überwachen. Erst bei Überschreiten eines festgelegten Grenzwerts für die Zwischenkreisspannung wird der Energiefluss in den Zwischenkreis durch die Steuer- und Regelungselektronik des Frequenzumrichters bzw. die Motorregelung unterbunden, so dass eine Überhöhung der Zwischenkreisspannung verhindert wird. Dabei wird das Drehmoment des Motors dann so angepasst, dass der Energiefluss in den Zwischenkreis null wird. Dies entspricht folglich einer Art 2-Punkt Regelung: unterhalb des Grenzwerts wird die gesamte Bremsenergie uneingeschränkt in den Zwischenkreis gespeist, d. h. der unterlagerte Regler wird hier nicht bewusst anders angesteuert; wird die Spannungsgrenze erreicht, wird der Energiefluss in den Zwischenkreis vollständig unterbunden.
Diese Vorgehensweise kann optimiert werden, indem ein Zwischenkreisspannungsregler eingesetzt wird. Hierzu wird ein zusätzlicher Regelkreis aufgebaut, der die Differenz zwischen den aktuellen Zwischenkreisspannung und einer maximal erlaubten Zwischenkreisspannung, beispielsweise dem genannten Grenzwert, als Eingangsgröße erhält. Ausgangsgröße des Zwischenkreisspannungsreglers ist dann eine von der Motorregelung zum jeweiligen Zeitpunkt zu erbringende Rückspeiseleistung.
Alle Lösungen haben den Nachteil, das die physikalisch mögliche maximale Energierückspeisung in den Zwischenkreis im jeweiligen Augenblick nicht genutzt wird, da die Motorregelung aus dem überlagerten und dem nachgeschalteten, unterlagerten Regler besteht, wobei letzterer den Energiefluss in den Motor/Zwischenkreis einstellt. Da diese unterlagerte Regelung (wie alle Regelungen) eine gewisse Einstellzeit hat, bis die von ihr geforderte Sollgröße umgesetzt wird, können alle vorgenannten Verfahren nicht optimal Energie zurück in den Zwischenkreis speisen.
Bei dem erstgenannten und in der EP 1 206 040 A2 beschriebenen Verfahren wird die Rückspeisung per se unterbunden.
Bei der 2-Punkt Regelung muss die maximale Spannungsgrenze so gewählt werden, dass ein Überschwingen des unterlagerten Reglers (und damit ein Überschwingen der rückgespeisten Energie) den Zwischenkreis nicht überlädt. Dies bedeutet, dass der Grenzwert für die Zwischenkreisspannung mit einem entsprechenden Sicherheitsabstand kleiner gewählt werden muss, als die maximal zulässige Zwischenkreisspannung, die im Wesentlichen der Bemessungsspannung des Zwischenkreiskondensators oder der Summe der in Reihe liegenden Zwischenkreiskondensatoren entspricht.
Bei der Verwendung eines Zwischenkreisspannungsreglers ist eine Zeitkonstante zu berücksichtigen. Ferner muss auch hier der unterlagerte Regler mit seiner vorgegebenen Zeitkonstante berücksichtigt werden. Ein Zwischenkreisspannungsregler lässt sich nicht ohne Weiteres in die zuvor beschriebene Motorregelungsstruktur integrieren, weil durch die bestehenden Regler andere Regelziele derselben Regel- oder Stellgrößen gegeben sind.
Zusammengefasst berücksichtig keine der bekannten Verfahren zur Zwischenkreisspannungsbegrenzung den unterlagerten Regler. Dies führt bei allen bekannten Verfahren dazu, dass im Augenblick nicht die maximal mögliche Leistung in den Zwischenkreis zurück gespeist werden kann, sondern weniger Leistung. Dies ist nicht optimal.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren sowie einen Antrieb zur Verfügung zu stellen, bei dem der Frequenzumrichter so gesteuert wird, dass zu jedem Zeitpunkt die maximale mögliche Leistung vom Elektromotor in den Zwischenkreis zurückgespeist wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch einen Antrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors vorgeschlagen, bei dem in Abhängigkeit der aktuellen Zwischenkreisspannung aus einer in den Spannungszwischenkreis einspeisbaren Differenzenergie ein aktueller Grenzwert für eine Stellgröße der Motorregelung ermittelt wird, und zur Begrenzung der in den Spannungszwischenkreis vom Elektromotor zurückgespeisten Energie ein von der Motorregelung ermittelter Wert der Stellgröße auf den Grenzwert begrenzt wird, wenn der Wert betraglich den Wert des Grenzwerts überschreitet.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Antrieb umfassend einen Elektromotor zum Antreiben einer Last, einen Frequenzumrichter mit Spannungszwischenkreis zum Speisen des Elektromotors und eine Motorregelung zur Steuerung des Frequenzumrichters und Regelung der Drehzahl des Elektromotors vorgeschlagen, wobei der Antrieb des Weiteren aufweist:

– Mittel zur Erfassung der aktuellen Zwischenkreisspannung des Spannungszwischenkreises,
– eine Grenzwertermittlungseinrichtung zur Ermittlung eines aktuellen Grenzwerts für eine Stellgröße der Motorregelung aus einer in den Spannungszwischenkreis einspeisbaren Differenzenergie in Abhängigkeit der aktuellen Zwischenkreisspannung,
– eine Stellgrößenbegrenzungseinheit zur Begrenzung der Stellgröße auf den ermittelten Grenzwert zur Begrenzung der in den Spannungszwischenkreis vom Elektromotor zurückgespeisten Energie.

Die Grundidee der Erfindung basiert darauf, die maximal erlaubte Energiemenge zu ermitteln, die in den Zwischenkreis zurückgespeist werden kann, ohne diesen zu überladen, d. h. eine Spannungsobergrenze zu überschreiten. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren somit kein Spannungsgrenzwert für die Zwischenkreisspannung sondern ein Energiegrenzwert zu Grunde gelegt. Ferner wird kein fester Grenzwert verwendet, dessen Überschreitung eine Änderung der Motorregelung bewirkt. Vielmehr wird ein Spannungsgrenzwert verwendet, der in Abhängigkeit der aktuellen Zwischenkreisspannung angepasst wird, insbesondere wiederholt berechnet wird. Dabei wird die jeweils zum aktuellen Zeitpunkt in den Spannungszwischenkreis einspeisbare Energie ermittelt, die bis zum Erreichen einer bestimmten Spannungsgrenze noch eingespeist werden darf. Die einspeisbare Differenzenergie ist somit die Differenz zwischen der im Spannungszwischenkreis bei der Spannungsgrenze gespeicherten Energie und der aktuell im Spannungszwischenkreis gespeicherten Energie.
Die hier vorgestellte Lösung zur Begrenzung der Zwischenkreisspannung in einem Antriebssystem bei Rückspeisung von Energie aus dem Motor in den Zwischenkreis berücksichtigt die Zeitkonstante, die die Motorregelung oder zumindest ein Teil der Motorregelung, insbesondere ein unterlagerter Regler, benötigt, um eine bestimmte Sollgröße einzustellen. Es kann somit nicht zu einem Überschwingen kommen, wodurch der Spannungszwischenkreis gefährdet werden würde. Aus diesem Grund ist auch kein Sicherheitsabstand zu einer Maximalspannung im Zwischenkreis wie im Stand der Technik erforderlich, so dass das erfindungsgemäße Verfahren in jedem Augenblick die maximale Rückspeisung von Leistung vom Motor in den Zwischenkreis erlaubt und ermöglicht. Zwar führt das erfindungsgemäße Verfahren stationär zu einem identischen Verhalten wie bei einem Zwischenkreisspannungsregler, jedoch kann wegen des Fehlens eines den Zwischenkreisspannungsregler ausbildenden Regelkreises, dynamisch mehr Energie in den Zwischenkreis zurückgespeist werden und somit das vorhandene physikalische Antriebssystem besser ausgenutzt werden.
Bei der Differenzenergie kann es sich beispielsweise um die Energiedifferenz zwischen der zum Zeitpunkt der aktuellen Zwischenkreisspannung im Spannungszwischenkreis gespeicherten Energie und der bei einer maximalen Zwischenkreisspannung im Spannungszwischenkreis gespeicherten Energie handeln. Insbesondere kann die Differenzenergie aus dieser Energiedifferenz berechnet werden. Wie bereits angesprochen wird hierdurch erreicht, dass der erfindungsgemäßen Rückspeiseenergiebegrenzung kein fester Grenzwert für die Begrenzung der Rückspeiseenergie vorliegt. Vielmehr wird zu jedem Zeitpunkt die Energierückspeisung zugelassen, sofern der Spannungszwischenkreis noch in der Lage ist, weitere Energie aufzunehmen. Die maximale Zwischenkreisspannung ist durch die Bemessungsspannung des oder der im Zwischenkreis verbauten Kondensators oder Kondensatoren, oder durch andere begrenzende Bauteile festgelegt.
Alternativ kann die Differenzenergie aus der Energiedifferenz zwischen der zum Zeitpunkt der aktuellen Zwischenkreisspannung im Spannungszwischenkreis gespeicherten Energie und einer Energie berechnet werden, die gegenüber der bei einer maximalen Zwischenkreisspannung im Spannungszwischenkreis gespeicherten Energie kleiner ist, beispielsweise um 1% bis 5% kleiner ist. Hierdurch wird erreicht, dass der Zwischenkreis nicht auf seine volle Spannung aufgeladen wird. Der oder die Kondensatoren werden dadurch geschont und halten länger.
Vorzugsweise kann die Motorregelung einen unterlagerten ersten Regler und einen übergeordneten zweiten Regler aufweisen, wobei der erste Regler dem zweiten Regler regelungstechnisch nachgeordnet ist. Dabei kann die Stellgröße die Ausgangsgröße des zweiten Reglers sein, die dann eine Eingangsgröße des ersten Reglers, d. h. einen Sollwert für den ersten Regler bildet. Daraus folgt, dass in dieser Ausführungsvariante die Stellgrößenbegrenzungseinheit zwischen dem ersten und dem zweiten Regler liegt. Eine Ausgangsgröße des ersten Reglers kann dann direkt oder indirekt auf den Frequenzumrichter einwirken.
In der Stellgrößenbegrenzungseinheit kann der aktuelle Wert der Stellgröße mit dem aktuellen Grenzwert verglichen und bei einem Überschreiten vorzugsweise mit dem aktuellen Grenzwert gleichgesetzt werden. Der aktuelle Grenzwert kann der Stellgrößenbegrenzungseinheit von einer Grenzwertermittlungseinrichtung bereitgestellt werden, welcher wiederrum die aktuelle Zwischenkreisspannung zugeführt wird. Die Zwischenkreisspannung kann direkt gemessen oder aus einer anderen gemessenen Größe berechnet werden oder weiter alternativ aus einem Beobachter ermittelt werden.
Gemäß einer Ausführungsvariante kann der übergeordnete zweite Regler ein Drehzahlregler sein. Dieser kann seinen Sollwert beispielsweise durch eine manuelle Vorgabe oder von einem, dem zweiten Regler übergeordneten Lastregler erhalten. Dieser Lastregler kann beispielsweise eine Kennlinienregelung, im Falle einer Pumpeneinheit als Last beispielsweise eine der üblichen Pumpen-Kennlinienregelungen durchführen. Bekannte Pumpen-Kennlinienregelungen sind insbesondere das Konstanthalten des Differenzdrucks über dem Volumenstrom (Δp – c) oder die Regelung des Differenzdrucks gemäß einer Abhängigkeit, beispielsweise einer linearen Abhängigkeit vom Volumenstrom (Δp – v). Den Istwert, d. h. die aktuelle Drehzahl, kann der übergeordnete zweite Regler aus einer Drehzahlmessung im Antrieb oder aus einem Beobachter erhalten, der ein technisches Modell des Antriebs mathematisch beschreibt. An seinem Ausgang stellt der übergeordnete Drehzahlregler die Stellgröße für den unterlagerten ersten Regler bereit.
Gemäß einer anderen Ausführungsvariante kann der übergeordnete zweite Regler ein Leistungsregler sein, der eine bestimmte mechanische oder hydraulische Leistung am Elektromotor oder Pumpenaggregat einstellt. Analog zum Drehzahlregler kann auch der Leistungsregler seinen Sollwert beispielsweise durch eine manuelle Vorgabe oder von einem, dem zweiten Regler übergeordneten Lastregler erhalten. Auch hier kann der Lastregler beispielsweise eine Kennlinienregelung, im Falle einer Pumpeneinheit als Last beispielseiweise die o. g. Pumpen-Kennlinienregelungen durchführen. Den Istwert, d. h. die aktuelle hydraulische oder mechanische Leistung, kann der übergeordnete zweite Regler aus einer Leistungsmessung im Antrieb oder aus einem Beobachter erhalten, der ein technisches Modell des Antriebs mathematisch beschreibt. An seinem Ausgang stellt der übergeordnete Leistungsregler die Stellgröße für den unterlagerten ersten Regler bereit.
Der unterlagerte erste Regler ist abhängig von der Regelungs- und Steuerungsart des Frequenzumrichters, welche wiederum die Art des Elektromotors berücksichtigt. Gemäß einer Ausführungsvariante ist der unterlagerte erste Regler ein Stromregler. Dieser stellt geeigneterweise denjenigen Strom ein, der zum Aufbau eines Drehmoments im Elektromotor notwendig ist. Hiermit kann eine feldorientierte Regelung (FOR) des Frequenzumrichters samt Elektromotor ausgeführt werden. Der unterlagerte erste Regler kann alternativ ein Flussregler sein, der beispielsweise den Ständerfluss einstellt. Hiermit kann eine flussbasierte Regelung, beispielsweise eine ISR oder DTC des Frequenzumrichters samt Elektromotor ausgeführt werden.
In der Ausführungsvariante der Motorregelung mit einem unterlagerten ersten Regler und einem überlagerten zweiten Regler gibt der zweite Regler die Stellgröße als Sollwert für den unterlagerten ersten Regler aus. In dieser Ausführungsvariante erfolgt dann die Begrenzung des Werts der Stellgröße auf den Grenzwert vorzugsweise zwischen dem zweiten Regler und dem ersten Regler, so dass der erste Regler stets nur einen im Augenblick zulässigen Maximalwert der Stellgröße erhält, um den Zwischenkreis nicht zu überlasten.
Die Aufgabe des Stromreglers ist es, einen drehmomentbildenden Strom in den Elektromotor einzuprägen, d. h. den Elektromotor derart zu bestromen, dass er ein bestimmtes Drehmoment aufbaut, um den Rotor zur Erreichung oder Aufrechterhaltung einer bestimmten Drehzahl zu beschleunigen oder abzubremsen. Hierzu kann dem Stromregler entweder direkt das einzustellende Solldrehmoment oder ein Sollstrom vorgegeben werden, mit dem das einzustellende Drehmoment erreicht wird. In seiner physikalischen Wirkungsweise ist der Stromregler somit ein Drehmomentregler.
Die Aufgabe des Flussreglers ist es, einen drehmomentbildenden magnetischen Fluss in dem Elektromotor auszubilden. Der Flussregler wirkt darauf hin, die Differenz des magnetischen Flusses zwischen Rotor und Stator derart zu regeln, dass ein bestimmtes Drehmoment erreicht wird. Die geregelte Größe ist hier jedoch nicht das Drehmoment oder der das Drehmoment erzeugende Strom sondern der das Drehmoment ausübende magnetische Fluss. Hierzu kann dem Flussregler entweder ein bestimmter, einzustellender Sollfluss vorgegeben werden, mit dem das einzustellende Drehmoment erreicht wird, oder alternativ ein Solldrehmoment vorgegeben werden.
Entsprechend der vorgenannten Ausführungsvarianten des ersten und zweiten Reglers kann die Stellgröße beispielsweise ein Drehmoment, eine Drehmoment bildende Stromkomponente oder eine dem Drehmoment äquivalente Größe wie beispielsweise ein magnetischer Fluss sein. Dieses Drehmoment, die Stromkomponente oder die dem Drehmoment äquivalente Größe bilden dann einen Sollwert für den unterlagerten ersten Regler.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante führt die Motorregelung eine feldorientierte Regelung durch, die dem Fachmann wohl bekannt ist. Hierbei wird der Statorstrom vektoriell betrachtet, wobei die einen Stromvektor bildenden beiden Stromkomponenten in ein mit dem Rotor rotierendes Koordinatensystem transformiert werden. Dadurch ergibt sich eine erste Stromkomponente i_d, auch feldbildender Strom oder d-Strom genannt, die ausschließlich die Ausbildung des elektromagnetischen Feldes bewirkt, und eine hierzu orthogonale zweite Stromkomponente i_q, auch drehmomentbildender Strom oder q-Strom genannt, die ausschließlich die Ausbildung des Drehmoments bewirkt. d und q bilden die Achsen in dem rotierenden rotorbezogenen Koordinatensystem. Allerdings stehen d und q nicht ausschließlich für Feld und Drehmoment. So kann beispielsweise auch die d-Komponente drehmomentbildend sein. Dies ist beispielsweise bei dem Verfahren MMPA (Maximales Moment pro Ampere) der Fall.
Entsprechend der Ausführungsvariante, bei der die Motorregelung eine feldorientierte Regelung durchführt, kann die Stellgröße die zweite Stromkomponente i_q sein.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es insbesondere von Vorteil, wenn die Ermittlung des Grenzwerts unter der Annahme eines verlustfreien Elektromotors und/oder Frequenzumrichters erfolgt. Dies hat zur Folge, dass trotz einer Verwendung der maximalen Spannungsgrenze des Spannungszwischenkreises zur Berechnung der Differenzenergie ein Sicherheitsabstand zur Überlastungsgrenze des Zwischenkreises besteht. Denn bei realer Betrachtung des Antriebs müssen energetische Verluste bzw. Wirkungsgradverluste berücksichtigt werden, die im Falle einer Energierückspeisung vom Elektromotor zum Zwischenkreis vorteilhaft wirken, weil sie die im Zwischenkreis ankommende Energie reduzieren.
Beispielsweise kann der Grenzwert aus einer der Gleichungen
oder
ermittelt werden, wobei

C_DC: eine Kapazität des Spannungszwischenkreises ist,
U_DC: die aktuelle Spannung im Spannungszwischenkreis (6),
U_DC,max: eine maximale Spannung im Spannungszwischenkreis (6),
p: die Polpaarzahl des Elektromotors,
i_d: eine Feld bildende Komponente des Motorstroms,
i_q,lim: der Grenzwert einer Drehmoment bildenden Komponente des Motorstroms,
Md_lim: der Grenzwert für das Drehmoment,
L_d: die Statorinduktivität des Elektromotors in Richtung der d-Achse eines mit dem Rotor umlaufenden Koordinatensystems,
L_q: die Statorinduktivität des Elektromotors in Richtung der q-Achse eines mit dem Rotor umlaufenden Koordinatensystems,
ψ_PM: der magnetische Fluss eines permanenterregten Rotors des Elektromotors,
Ω: die aktuelle mechanische Winkelgeschwindigkeit des Rotors des Elektromotors, und
Δt: ein Zeitraum ist, während dem Energie in den Spannungszwischenkreis gespeist wird und den die Motorregelung benötigt, um einen vorgegebenen Sollwert von einem beliebigen Istwert zu erreichen.

Es sei angemerkt, dass bei den vorliegenden Gleichungen zusätzlich zur Vernachlässigung der Wirkungsgradverluste die Änderung des Stroms innerhalb des Zeitraums Δt vernachlässigt ist, was zu einer Einfachheit der Gleichungen und zu einem weiterenn Sicherheitsabstand zur maximalen Zwischenkreisspannung führt.
Der Grenzwert Md_lim kann sowohl als Grenzwert bei einem Stromregler als auch bei einem Flussregler als unterlagerter erster Regler verwendet werden, der das Drehmoment als Eingangsgröße hat.
Dabei kann der Zeitraum Δt bevorzugt das Dreifache der Zeitkonstante (r) des unterlagerten ersten Reglers sein. Ist der unterlagerte erste Regler beispielsweise ein PI-Regler, so ist der Zeitraum Δt = 3τ dann derjenige Zeitraum, der benötigt wird, um 95% des Sollwerts nach einer sprunghaften Änderung des Sollwerts zu erreichen. Sind beispielsweise 0 A gefordert, dauert es diesen Zeitraum Δt = 3τ bis dieser Wert bis auf 5% eingeregelt ist. Würden beispielsweise zum aktuellen Zeitpunkt noch 5 A geliefert werden können, wird die Regelung aber erst nach dem Zeitraum Δt = 3τ wieder aufgerufen, so würde der Zwischenkreisspannungswert zu groß sein. Aus diesem Grund muss die Berechnung in jedem Reglertakt durchgeführt werden, da sich die Zwischenkreisspannung ständig ändert. Folglich müssen die adaptiven Begrenzungswerte bei jedem Reglertakt neu berechnet werden.
Bei der Berechnung des aktuellen Grenzwerts kann es noch sinnvoll sein, diesen auf einen maximalen Wert zu begrenzen. Dies ist von Vorteil, wenn der Antrieb aus physikalischen Gründen dynamisch nur eine begrenzte Menge Energie pro Zeiteinheit in den Zwischenkreis zurückspeisen kann und diese begrenzte Menge durchaus auch überschritten werden könnte. Der aktuelle Grenzwert selbst berücksichtigt diesen Fall nicht. Er kann höher sein, als ein maximaler Wert, beispielsweise wenn der Zwischenkreis auf weniger als 30% seiner Bemessungsspannung aufgeladen ist. In diesem Fall kann ein im Augenblick zu hoher Rückspeisestrom beispielsweise die leistungselektronischen Halbleiterschalter des Motorumrichters stark belasten. Um dies zu verhindern kann der ermittelte aktuelle Grenzwert bei betraglichem Überschreiten eines maximalen Grenzwerts auf diesen maximalen Grenzwert begrenzt werden. Diese Begrenzung kann vorzugsweise ebenfalls von der Grenzwertermittlungseinrichtung durchgeführt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen:
1: Blockdiagramm eines beispielhaften Aufbaus eines erfindungsgemäßen Antriebs
2: Beispielhafter Verlauf eines Grenzwerts für das Drehmoment als Stellgröße in Abhängigkeit der Zwischenkreisspannung beim elektrischen Bremsen und positiver Drehzahl
3: Beispielhafter Verlauf eines Grenzwerts für das Drehmoment als Stellgröße in Abhängigkeit der Zwischenkreisspannung beim elektrischen Bremsen und negativer Drehzahl
4: Verlauf des Drehmomentgrenzwerts analog 1 mit zusätzlich eingezeichnetem, beispielhaftem Drehmomentistwert.
5: Ablaufdiagramm eines beispielhaften Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens
1 zeigt ein Blockdiagramm eines beispielhaften Aufbaus eines erfindungsgemäßen Antriebs 1 bestehend aus einem Frequenzumrichter 2, einem Elektromotor 3, einer Lastmaschine 4 und einer Steuer- und Regelungseleketronik, die hier aufgrund ihrer Funktion als Motorregelung 10 bezeichnet wird. Der Elektromotor 3, beispielsweise ein permanentmagneterregter Synchronmotor, ist mechanisch mit der Lastmaschine 4 gekoppelt und treibt diese an. Die Lastmaschine 4 ist beispielsweise eine Pumpeneinheit. Der Elektromotor 3 wird von dem Frequenzumrichter 2 gespeist, der an seinem Ausgang drei Phasenspannungen für den Drehstrommotor 3 ausgibt. Gemäß einer anderen Ausführungsvariante kann der Elektromotor 3 einphasig sein.
Der Frequenzumrichter 2 besteht aus einem Gleichrichter 5, einem Wechselrichter 7 und einem zwischen diesen liegenden Spannungszwischenkreis 6. Der Spannungszwischenkreis umfasst mindestens eine Kapazität C_DC, welche wiederum von einem oder mehreren Kondensatoren 8 gebildet ist. Zusätzlich kann ein Bremswiderstand 9 parallel zum Kondensator 8 liegen.
Der Gleichrichter 5 ist bestimmungsgemäß mit einem Wechselspannungsnetz verbunden, das beispielsweise eine Wechselspannung von 230 V oder 110 V liefert. Alternativ kann auch ein Gleichrichter 5 verwendet werden, der an einem Drehstromnetz betreibbar ist. Der Gleichrichter 5 umfasst ungesteuerte leistungselektronische Halbleiterschalter, beispielsweise Dioden, die die Wechselspannung des Wechselspannungsnetzes in eine Gleichspannung wandeln und damit den Zwischenkreis 6 aufladen. Anstelle der Dioden kann der Gleichrichter aber auch gesteuerte Halbleiterschalter besitzen, beispielsweise MOSFETs. Aus Sicht des Zwischenkreises 6 ist der Gleichrichter 5 also eine Gleichspannungsquelle. Der Energiefluss ist hier folglich vom Wechselspannungsnetz zum Zwischenkreis 6. Aufgrund der fehlenden Steuerbarkeit der Halbleiterschalter ist der Gleichrichter 5 nicht in der Lage, Energie aus dem Zwischenkreis in das Wechselspannungsnetz zurück zu speisen.
Der Wechselrichter 7 erzeugt aus der Gleichspannung des Zwischenkreises 6 hier eine dreiphasige Wechselspannung für den Elektromotor 3. Er umfasst gesteuerte leistungselektronische Halbleiterschalter, beispielsweise Hochleistungstransitoren wie MOSFETs, IGBTs oder IGCTs, die von der Motorelektronik 10 angesteuert werden.
In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel steuert die Motorregelung 10 den Wechselrichter aufgrund einer feldorientierte Regelung des Elektromotors 3. Bei dieser Regelungsart werden der Fluss und das Drehmoment des Elektromotors 3 getrennt voneinander geregelt. Dabei handelt es sich um eine sogenannte Vektorregelung bei der die Motorgrößen als Vektoren mit Betrag und Winkel betrachtet werden. Bei der feldorientierten Regelung werden folglich einerseits die Amplitude und die Orientierung des Flusses sowie andererseits die Amplitude und die Orientierung des Drehmoments in Abhängigkeit der entsprechenden Istwerte getrennt voneinander eingestellt.
Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch bei anderen Regelungsarten Verwendung finden kann. Bei der in 1 als Block dargestellten Motorregelung 10 sind nur diejenigen Regelungskomponenten dargestellt, die zur Ausführung der Erfindung und zum Verständnis von Bedeutung sind. Gleichwohl können auch weitere Komponenten vorhanden sein bzw. sind bei einer anderen Regelungsart auch andere Komponenten vorhanden. So ist in 1 beispielsweise kein Flussregler, sondern lediglich der Drehmomentregler dargestellt.
Konkret umfasst die Motorregelung gemäß dem hier beschriebenen Beispiel an relevanten Komponenten einen ersten Regler 11 und einer zweiten 12, einen Modulator 15 sowie eine erfindungsgemäße Grenzwertermittlungseinheit 13 samt Stellgrößenbegrenzungseinrichtung 14. Der zweite Regler 12 ist dem ersten Regler überlagert/übergeordnet, so dass der der erste Regler 11 einen unterlagerten Regler bildet. Gemäß der Ausführungsvariante in 1 ist der erste Regler ein Drehmomentregler zur Einstellung eines Drehmoments Md beim Motor 2. Dies erfolgt dadurch, dass der erste Regler für jede der drei zu steuerenden Phasen des Elektromotors eine Steuerspannung u_a, u_b, u_c ausgibt, welche dann in dem dem ersten Regler 11 nachgeschalteten Modulator 15 in Schaltsignale umgewandelt wird, mittels welchen wiederum die Halbleiterschalter des Wechselrichters 7 angesteuert werden. Der Modulator 15 steuert die Halbleiterschalter mit einem der üblichen Modulationsverfahren für drehzahlgeregelte Antrieb an, beispielsweise mit einer Pulsweitenmodulation.
Der zweite Regler 12 ist ein Drehzahlregler, mittels welchem eine bestimmte Drehzahl beim Elektromotor 3 eingestellt wird. Als Eingangsgröße erhält der Drehzahlregler 12 die Ist-Drehzahl n_ist, die er von einer Drehzahlmessung oder aus einem Beobachter erhält. Der Drehzahlregler 12 gibt an seinem Ausgang einen Sollwert Md_soll für den unterlagerten Drehmomentregler 11 aus.
Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die zwischenkreisspannungsabhängige Begrenzung eines Stellwerts der Motorregelung 10 zwecks Begrenzung der Rückspeisung von Energie vom Elektromotor 3 in den Zwischenkreis 6, wobei der Stellwert in dieser Ausführungsvariante dem vorgenannten Drehmomentsollwert Md_soll entspricht, d. h. dem vom zweiten Regler 12 an den unterlagerten ersten Regler 11 vorgegebenen Sollwert.
Hierzu wird die vom Zwischenkreiskondensator 8 aufnehmbare Differenzenergie ΔE_cap berechnet, die in den Zwischenkreis eingeprägt werden kann, um ihn von der aktuellen Spannung U_DC bis zur vorgegebenen Maximalspannung U_DC,max aufzuladen. Die im Zwischenkreis 6 gespeicherte Energie ist die im Kondensator 8 gespeicherte Energie, die wie folgt berechnet werden kann: E_cap = 1 / 2C_DCU 2 / DC
Eine Berechnungsmöglichkeit für die Differenzenergie ΔE_cap ist folglich durch die folgende Gleichung G1 gegeben, die die Energiedifferenz der bei der Maximalspannung U_DC,max im Zwischenkreis 6 gespeicherten Energie und der bei der aktuellen Zwischenkreisspannung U_DC im Zwischenkreis 6 gespeicherten Energie beschreibt. dE_cap = 1 / 2C_DCU 2 / DC,max – 1 / 2C_DCU 2 / DC (G1)
Die Bestimmung der mechanischen Leistung P_mech,Motor eines beliebigen Motors 3, wie z. B. einer permanent erregte Synchronmaschine, Asynchronmaschine, Reluktanzmaschine oder dergleichen, kann dargestellt werden als Funktion f_P von der Drehzahl n und dem Drehmoment Md. P_mech,Motor = f_P(M_d, n) (G2) wobei Md das Drehmoment und n die Drehzahl ist.
Wird berücksichtigt, dass die dem Motor 3 zugeordnete Drehmomentregelung 11a eine Zeitraum Δt benötigt, um einen vorgegebenen Sollwert Md_soll ausgehend von einem beliebigen Istwert zu erreichen, kann die in diesem Zeitraum Δt in den Zwischenkreis 6 gespeiste Energie E_mech,Motor über eine Funktion f_P' beschrieben werden:
Als Zeitraum Δt wird geeigneterweise das Dreifache der Zeitkonstante τ des unterlagerten ersten Reglers 11 gewählt. Nach diesem Zeitraum hat der Istwert 95% des einzustellenden Sollwerts erreicht. Um die Vorgabe einer zu jeder Zeit begrenzten Zwischenkreisspannung U_DC zu erfüllen, muss die vom Motor 3 über den Zeitraum Δt = 3τ in den Zwischenkreis 2 zurückführbare Leistung in jedem Zeitpunkt auf einen Wert kleiner gleich der maximal erlaubten aufnehmbaren Energiemenge ΔE_cap des Zwischenkreises begrenzt werden. Dies bedeutet, dass der Elektromotor 3 so geregelt werden muss, dass die in den Zwischenkreis 6 gespeiste Energie E_mech,Motor betraglich kleiner als die maximal erlaubte aufnehmbare Energiemenge ΔE_cap, d. h. kleiner als die Differenzenergie ΔE_cap bzw. größer als –ΔE_cap ist. Dies gilt für beide Quadranten, in denen der Elektromotor im generatorischen Betriebs laufen kann, so dass hier mit den Beträgen gearbeitet werden muss. |E_mech,Motor|≤|ΔE_cap| (G4)
Diese Ungleichung kann analytisch oder numerisch gelöst werden und z. B. nach dem Drehmoment Md aufgelöst werden, sofern, wie in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, die zu begrenzende Stellgröße das Drehmoment ist. Es ergibt sich dann gemäß Ungleichung G5: |M_d| ≤ |f_E(Δ_cap, n, Δt)| (G5)
Alternativ kann Gleichung (G4) auch nach der Rückspeiseleistung P_mech,Motor oder anderen entsprechende Größen aufgelöst und diese dann begrenzt werden. In diesem Fall bilden diese Rückspeiseleistung oder die andere Größe die erfindungsgemäß zu begrenzende Stellgröße.
Mit Gleichung (G5) erhält man eine Begrenzung für das Drehmoment. Damit ist ein Grenzwert Md_lim für die Stellgröße Drehmoment festgelegt: |Md_lim| = |f ' / E(ΔE_cap, n, Δt)| (G5a) Md_lim = f ' / E(ΔE_cap, n, Δt) für n < 0 (G5b) –Md_lim = –f ' / E(ΔE_cap, n, Δt) für n > 0 (G5c)
Da die Differenzenergie ΔE_cap abhängig von der aktuellen Zwischenkreisspannung U_DC ist, ist auch der Grenzwert Md_lim eine aktuell gültige Größe, d. h. abhängig von der Zwischenkreisspannung U_DC veränderlich.
Die Begrenzung wird dann z. B. auf den Eingang des unterlagerten Drehmomentreglers 11 so angewandt werden, dass immer nur die einen regenerativen (generatorischen) Betrieb bewirkende Drehmomentkomponente begrenzt wird. So wird dann bei positiver Drehzahl eine Begrenzung des negativen Drehmoments (Md nicht kleiner als –Md_lim), bei negativer Drehzahl eine Begrenzung des positiven Drehmoments (Md nicht größer als +Md_lim) erreicht.
Vorteilhafterweise wurden in der obigen Herleitung die Verluste von Motor 3 und Elektronik 2 vernachlässigt. Die in den Zwischenkreis einspeisbare Energie wird somit mit der mechanischen Leistung des Elektromotors gleichgesetzt. Denn im Falle einer Berücksichtigung könnte nur noch mehr Energie zurückgespeist werden, weil diese vom Motor rückgespeiste „Mehrenergie” ohnehin nur in die genannten Verluste umgewandelt wird, also gar nicht zur Erhöhung der Zwischenkreisspannung beträgt. Insoweit wird durch eine Ausführung des Verfahrens aufgrund der Ungleichung G5 stets automatisch ein Sicherheitsabstand zur maximalen Spannungsgrenze des Zwischenkreises 6 gehalten. Für eine exakte Berechnung, müssten jedoch auch diese Verluste berücksichtigt werden. In diesem Fall ist Ungleichung G4 wie folgt zu erweitern: |E_mech,Motor| < |ΔE_cap| + |E_loss,elec| + |E_loss,Motor| (G6) wobei E_loss,elec die Verlustenergie von Motorumrichter 7 und Zwischenkreis 6 im Zeitraum Δt und E_loss,Motor die Verlustenergie des Motors 3 im Zeitraum Δt sind. Bei einer exakten Berechnung der Energie müsste zudem ein Δt berücksichtigt werden, bei dem 100% des neuen Sollwerts erreicht werden, um ein Überschwingen der Zwischenkreisspannung zu vermeiden.
Dementsprechend ergibt sich analog zu Ungleichung G5 als Grenzwert für das Drehmoment Md: |M_d| < |f ' / E(ΔE_cap, n, Δt, E_loss,elec' E_loss,Motor)| (G7) |Md_lim| = |f ' / E(ΔE_cap, n, Δt, E_loss,elec, E_loss,Motor)| (G7a)
Wie aus den Ungleichungen G5a und G7a in Verbindung mit Gleichung (1) deutlich wird, ändert sich vor allem abhängig von der aktuellen Zwischenkreisspannung U_DC der Grenzwert Md_lim für das hier als Stellgröße gewählte Drehmoment Md bis der Grenzwert Md_lim zu null wird, wenn die Zwischenkreisspannung U_DC exakt die maximale Zwischenkreisspannung U_DC,max erreicht hat.
Eine grafische Darstellung des Grenzwertverlaufs 16, d. h. des berechneten maximalen Bremsmoments Md_lim als Funktion der Zwischenkreisspannung U_DC ist für positive Drehzahlen als Beispiel in 2 dargestellt. Eine korrespondierende Darstellung des Grenzwertverlaufs 17 für negative Drehzahlen zeigt beispielhaft 3. Die Verläufe können jedoch auch anders aussehen und sollen hier lediglich der Veranschaulichung dienen.
Die Grenzwertverläufe zeigen einen mit zunehmender Zwischenkreispannung U_DC betraglich kleiner werdenden Grenzwert Md_lim. Erreicht die Zwischenkreisspannung U_DC die maximale Zwischenkreisspannungsgrenze U_DC,max wird der Grenzwert jeweils null. Zudem ist der Grenzwert Md_lim in Richtung steigender Grenzwerte, d. h. fallender Zwischenkreisspannung U_DC durch einen Maximalwert Md_max begrenzt. Dabei ist das maximale Drehmoment Md_max eine vom Antriebssystem vorgegebene Größe. Bei steigender Zwischenkreisspannung U_DC wird eine strengere maximale Drehmomentbegrenzung – bestimmt aus der oben hergeleiteten Gleichungen G5a, G7a angewandt. Die Begrenzung des Grenzwerts Md_lim auf das physikalisch bedingte Drehmomentmaximum Md_max tritt in den Abbildungen jeweils ab einer ersten Zwischenkreisspannung U_DC,Limit,1 auf.
Unterhalb dieser Spannungsgrenze U_DC,Limit,1 könnte grundsätzlich mehr Energie pro Zeiteinheit in den Zwischenkreis eingespeist werden, als das System mechanisch oder elektrisch zu ertragen vermag.
Die Berechnung des aktuellen Grenzwerts Md_lim für die Stellgröße, hier also für das Solldrehmoment Md_soll, erfolgt in einer Grenzwertermittlungseinrichtung, die in 1 mit der Bezugsziffer 13 versehen ist.
4 zeigt in Erweiterung der 1 eine grafische Darstellung des zwischenkreisspannungsabhängigen Grenzwertverlaufs 16 Md_lim (U_DC) für positive Drehzahlen mit zusätzlichem, rein beispielhaften Verlauf 18 eines beliebigen von der Drehzahlregelung berechneten Solldrehmoments Md_soll. Bei dieser Darstellung wird deutlich, dass, obgleich es zu jedem Zeitpunkt einen aktuellen Grenzwert Md_lim gibt, nicht unbedingt permanent eine Begrenzung der Stellgröße, d. h. hier des Solldrehmoments Md_soll, erforderlich ist. Denn unterhalb einer zweiten Zwischenkreisspannung U_DC,2 ist das vom Drehzahlregler 12 ermittelte Solldrehmoment Md_soll nicht betraglich größer als der entsprechende Grenzwert Md_lim.
Eine Begrenzung wird lediglich zwischen der zweiten Zwischenkreisspannung U_DC,2 und einer dritten Zwischenkreisspannung U_DC,3 bewirkt. Dieser Begrenzungsbereich ist mit Bezugsziffer 19 versehen und schraffiert in 3 hervorgehoben. Auch oberhalb der dritten Zwischenkreisspannung U_DC,3 erfolgt keine Begrenzung des Solldrehmoments Md_soll, weil es kleiner als der aktuelle Stellgrößengrenzwert ist. Die erfindungsgemäße Begrenzung muss also nicht sofort Einfluss auf die Motorregelung haben. Im Beispiel von 3 wird vom unterlagerten Drehmomentregler 11 der Sollwert Md_soll entsprechend der Kurve 18 umgesetzt. Erst wenn der Sollwert Md_soll den zu jeder Zwischenkreisspannung U_DC neu berechneten Grenzwert Md_lim erreicht, tritt eine Begrenzung des Sollwerts des unterlagerten Regelkreises auf, schraffierter Bereich 19.
Im Hinblick auf das Blockdiagramm in 1 wird die Begrenzung des Soll-Drehmoments Md_soll von einer Stellgrößenbegrenzungseinrichtung 14 durchgeführt, die regelungstechnisch zwischen dem ersten und dem zweiten Regler 11, 12 bzw. hinsichtlich des Signalflusses vor dem ersten Regler 11 und hinter dem zweiten Regler 12 liegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nun noch anhand des Ablaufdiagramms in 5 erläutert, wobei entsprechend der Ausführungsvariante gemäß 1 die Stellgröße das Solldrehmoment Md_soll für den Antriebs 1 ist, welches von einem ersten Regler 11 eingestellt und von einem zweiten Regler 12 bereitgestellt wird.
Ausgehend von der aktuellen Drehzahl n_ist und einer zu erreichenden Drehdrehzahl n_soll bestimmt der Drehzahlregler 12 in Schritt 12a das notwendige Drehmoment Md_soll, um den Elektromotor 3 von der Istdrehzahl auf die Solldrehzahl zu beschleunigen (Beschleunigungsmoment) oder abzubremsen (Bremsmoment). In der Stellgrößenbegrenzungseinheit 14 erfolgt dann in Schritt 14a die Überprüfung, ob das ermittelte Soll-Drehmoment Md_soll betraglich größer als der von der Grenzwertermittlungseinrichtung 13 bestimmte aktuelle Grenzwert Md_lim ist.
Ist dies nicht der Fall (NEIN-Zweig) wird der ermittelte Drehmomentsollwert Md_soll unverändert an den Drehmomentregler 11 gegeben, der eine entsprechende Drehmomentregelung 11a vornimmt. Folglich bleibt das vom Drehzahlregler 12 ermittelte Solldrehmoment Md_soll die Eingangsgröße für den Drehmomentregler 11. Hierbei ermittelt er die zum Erreichen des Drehmoments Md_soll notwendigen Phasenspannungen u_a, u_b, u_c, die er dem nachgeschalteten Modulator 15 wiederrum als Sollgrößen übergibt. Der Modulator 15 steuert nun den Wechselrichter 7 gemäß einer Modulationsart an, beispielsweise einer Pulsweitenmodulation, in dem die Halbleiterschalter des Wechselrichters entsprechend geschaltet werden.
Ist das ermittelte Soll-Drehmoment Md_soll allerdings betraglich größer als der von der Grenzwertermittlungseinrichtung 13 bestimmte aktuelle Grenzwert Md_lim ist (JA-Zweig) so wird der Soll-Drehmoment Md_soll in der Stellgrößenbegrenzungseinheit 14 auf den aktuellen Grenzwert Md_lim begrenzt und dem Drehmomentregler 11 wird dieser Grenzwert Md_lim als Sollwert vorgegeben, wodurch die Rückspeisung der Energie begrenzt wird.
Die Bestimmung des aktuellen Grenzwerts Md_lim erfolgt im Rahmen einer zwischenkreisspannungsabhängigen Grenzwertermittlung 13a, die diesen Grenzwert Md_lim wiederholt mit der Regelungsausführungsgeschwindigkeit des unterlagerten Drehmomentreglers 11 berechnet.
Hierzu wird in einem ersten Schritt 13.1 die aktuelle Zwischenkreisspannung U_DC ermittelt. In einem zweiten Schritt 13.2 wird die Differenzenergie ΔE_cap berechnet, die bis zum Erreichen einer maximalen Spannungsgrenze U_DC,max noch in den Zwischenkreis 6 eingespeist werden kann. Anschließend wird daraus der aktuelle Stellgrößengrenzwert in Schritt 13.3 berechnet. Schließlich erfolgt dann noch in Schritt 13.4 eine Prüfung, ob der berechnete aktuelle Grenzwert Md_lim eine physikalisch-mechanisch/elektrisch bedingte maximale Drehmomentgrenze Md_max überschreitet. Ist dies der Fall, wird der Grenzwert Md_lim auf diese maximale Drehmomentgrenze Md_max begrenzt, Schritt 13.5. Die Grenzwertermittlungseinrichtung 13 gibt dann diesen begrenzten Grenzwert Md_lim an die Stellgrößenbegrenzungseinheit 14. Ist dies nicht der Fall, wird der aktuelle Grenzwert Md_lim unverändert an die Stellgrößenbegrenzungseinheit 14 ausgegeben. Dieses Verfahren wird kontinuierlich wiederholt.
Gemäß einer anderen Ausführungsvariante regelt der unterlagerte erste Regler 11 das Drehmoment Md aufgrund eines vorgegeben Stromsollwerts i_q,soll für die das Drehmoment Md bildende Stromkomponente i_q, so dass er einen Stromregler bildet. Diese Ausführungsvariante betrifft vor allem einen permanentmagneterregten Synchronmotor, der mittels einer feldorientierten Regelung geregelt wird. Hier kann die mechanische Leistung P_mech aus Gleichung G2a berechnet werden. P_mech = Md·Ω = 3 / 2pi_q[i_d(L_d – L_q) + ψ_PM]·Ω (G2a)
Dabei ist p die Polpaarzahl des Elektromotors, i_q die das Drehmoment bildende Stromkomponenten, i_q die das Feld aufbauende Stromkomponente, L_d die Induktivität des Stators in Richtung der d-Achse sowie L_q die Induktivität des Stators in Richtung der q-Achse eines mit dem Rotor rotierenden Koordinatensystems mit den Achsen d und q, ψ_PM die Flussverkettung des Rotors und Ω die Winkelgeschwindigkeit/Drehzahl des Rotors.
Bei der Berechnung wird angenommen, dass die mechanische Leistung P_mech über einen Steuerzyklus konstant ist, obgleich sie infolge des Bremsens abnimmt, weil die Stromregelung die drehmomentbildende Stromkomponente i_q im Hinblick auf die Sollstrombegrenzung anpassen wird. Dies ist eine worst-case Annahme, die zu einer konservativen Berechnung des Grenzwerts i_q,lim für den Sollstrom I_q,soll führt.
Nach einem Zeitraum Δt von der dreifachen Zeitkonstante des Stromreglers, beträgt die in den Zwischenkreis 6 eingespeiste Energie gemäß Gleichung G3a etwa E_mech = 3 / 2pi_q[i_d(L_d – L_q) + ψ_PM]·Ω·Δt (G3a)
Hierbei handelt es sich um eine Approximation. Denn zum einen ist der Zeitraum Δt eine frei aber sinnvoll gewählte Zeitdauer, zum anderen ist der drehmomentbildende Strom iq innerhalb dieser Zeitdauer Δt nicht konstant, so dass die rückgespeiste Energie nicht konstant während des Zeitintervalls Δt ist. Ferner ändert sich während des Zeitraums Δt auch die Drehzahl und somit die mechanischen Leistung, so dass auch deshalb die rückgespeiste Energie während des Zeitintervalls Δt nicht konstant ist. Schließlich werden hier die Verluste des Elektromotors und der Leistungselektronik vernachlässigt, die zu einer reduzierten Zwischenkreisspannung führen. Bei einer genauen Berechnung können diese Faktoren zwar allesamt berücksichtigt werden. Die hier präsentierte Lösung führt jedoch zu einem großen Sicherheitsabstand zu exakten Spannungsgrenzen, um eine Überschreitung der maximalen Spannungsgrenze des Zwischenkreises 6 selbst dann zu verhindern, wenn der Wert der Zwischenkreiskapazität 8 oder die Zeitkonstante des Stromreglers 11 ungenau sind. Darüber hinaus ist die vorgestellte Berechnungsmethode besonders einfach, d. h. weniger komplex als eine alle physikalischen Eigenschaften des Antriebs realitätsgetreu nachbildende Berechnungsmethode. Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit problemlos auf einem herkömmlichen Mikrocontroller der Pumpenelektronik ablaufen.
Ausgehend von Gleichung G3a ist analog zu Gleichung G4 nun zu fordern, dass die in den Zwischenkreis 6 rückgespeiste Energie –E_mech (das Minuszeichen folgt aus dem umgekehrten Energiefluss) stets kleiner als die Differenzenergie ΔE_cap ist, solange die Spannungsobergrenze U_DC,max im Zwischenkreis 6 nicht erreicht ist. Somit gilt –E_mech < ΔE_cap (G4a)
Durch Einsetzen der Gleichungen G1 und G3a in Gleichung G4a erhält man als Forderung für den Sollwert i_q,soll der drehmomentbildenden Stromkomponente i_q bei der aktuellen Zwischenkreisspannung U_DC, sowie bei der aktuellen Drehzahl Ω und mit einer dem Zeitraum Δt entsprechenden Zeitkonstante des Stromreglers 11 gemäß Ungleichung G8:
Aus Gleichung G8 folgt, dass der aktuelle Grenzwert i_q,lim gleich dem rechten Term der Ungleichung G8 ist. Diese Ungleichung gilt für positive Drehzahlen. Bei negativen Drehzahlen sind das Vorzeichen des Terms auf der rechten Seite sowie das Vergleichszeichen umzudrehen.
In der beschriebenen Ausführungsvariante ist die zu begrenzende Stellgröße der Sollwert i_q,soll der drehmomentbildenden Stromkomponente i_q des Statorstroms. Dieser wird vom zweiten Regler 12 ausgegeben und ist dann analog zu dem vorherigen Beispiel Eingangsgröße für den unterlagerten ersten Regler 11. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dann identisch zu dem Ablauf in 5, wobei lediglich das Drehmoment durch die drehmomentbildenden Stromkomponente i_q auszutauschen ist.
Obgleich in 6 die Schritte 13.2 und 13.3 als einzelne Berechnungsschritte aufgeführt sind, wird anhand von Ungleichung G8 deutlich, dass sich aufgrund dem Ineinander setzen der Gleichungen G1 und G3a nur eine einzige Gleichung für den Grenzwert i_q,lim ergibt, so dass Schritt 13.2 zur Berechnung der Differenzenergie auch als Teil des Schrittes 13.3. zu Stellgrößengrenzwertberechnung verstanden werden kann.
Im Falle des Drehmoments Md als erfindungsgemäß zu begrenzende Stellgröße kann der Grenzwert Md_lim für einen PM-Synchronmotor mit feldorientierter Regelung aus Gleichung G9 ermittelt werden:
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird immer eine maximale Rückspeisung in den Zwischenkreis erlaubt. Ferner wird ein Überschwingen der Zwischenkreisspannung durch Berücksichtigung der Zeitkonstante des unterlagerten Drehmomentreglers ausgeschlossen. Zusätzlich wird auf einen Zwischenkreisspannungsregler und damit auf eine Erhöhung der Systemkomplexität verzichtet. Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit besonders einfach implementiert werden und bewirkt eine zuverlässige und betriebssichere Begrenzung der Energierückspeisung in den Spannungszwischenkreis des Frequenzumrichters.
Bezugszeichenliste

1: Antrieb
2: Frequenzumrichter
3: Elektromotor
4: Last, Pumpeneinheit
5: Gleichrichter, Netzumrichter
6: Spannungszwischenkreis
7: Wechselrichter, Motorumrichter
8: Kondensator, Zwischenkreiskapazität
9: Bremswiderstand
10: Motorregelung
11: Erster Regler, Drehmomentregler
11a: Drehmomentregelung
12: Zweiter Regler, Drehzahlregler
12a: Soll-Drehmomentbestimmung
13: Grenzwertermittlungseinrichtung
133: Zwischenkreisabhängige Grenzwertermittlung
13.1: Zwischenkreisspannungsbestimmung
13.2: Differenzenergieberechnung
13.3: Ermittlung des aktuellen Stellgrößengrenzwerts
13.4: Grenzwertvergleich
13.5: Stellgrößengrenzwertbegrenzung
14: Stellgrößenbegrenzungseinheit
14a: Stellgrößenbegrenzung
15: Modulator
15a: Modulation
16: beispielhafte Zwischenkreisabhängige Stellgrößenmaximalkurve für positive Drehzahlen
17: beispielhafte Zwischenkreisabhängige Stellgrößenmaximalkurve für negative Drehzahlen
18: Möglicher Drehmomentverlauf
19: Wirkungsbereich der Stellgrößenbegrenzung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1206040 A2 [0011, 0016]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines eine Last (4) antreibenden Elektromotors (3), der von einem Frequenzumrichter (2) mit Spannungszwischenkreis (6) gespeist und durch eine den Frequenzumrichter (2) steuernde Motorregelung (10) in seiner Drehzahl derart geregelt ist, dass er bei einem Bremsen Energie in den Spannungszwischenkreis (6) zurückspeist, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der aktuellen Zwischenkreisspannung (U_dc) aus einer in den Spannungszwischenkreis (6) einspeisbaren Differenzenergie (ΔE_cap) ein aktueller Grenzwert (Md_lim, iq_lim) für eine Stellgröße (Md_soll, iq_soll) der Motorregelung (10) ermittelt und dass zur Begrenzung der in den Spannungszwischenkreis (6) vom Elektromotor (3) zurückgespeisten Energie ein von der Motorregelung (10) ermittelter Wert der Stellgröße (Md_soll, iq_soll) auf den Grenzwert (Md_lim, iq_lim) begrenzt wird, wenn der Wert betraglich den Betrag des Grenzwerts (Md_lim, iq_lim) überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenzenergie (ΔE_cap) die Energiedifferenz zwischen der bei der aktuellen Zwischenkreisspannung (U_dc) im Spannungszwischenkreis (6) gespeicherten Energie und der bei einer maximalen Zwischenkreisspannung (U_DC,max) im Spannungszwischenkreis (6) gespeicherten Energie ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße (Md_soll, iq_soll) von einem übergeordneten zweiten Regler (12) der Motorregelung (10) als Sollwert für einen unterlagerten ersten Regler (11) der Motorregelung (10) ausgegeben wird, wobei eine Ausgangsgröße (U_a,b,c) des ersten Reglers (11) direkt oder indirekt auf den Frequenzumrichter (2) einwirkt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Regler (11) ein Drehzahlregler oder ein Leistungsregler ist.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße (Md_soll, iq_soll) ein Drehmoment (Md_soll), eine Drehmoment bildende Stromkomponente (iq_soll) oder eine dem Drehmoment äquivalente Größe, insbesondere ein magnetischer Fluss ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorregelung (10) eine feldorientierte Regelung durchführt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Grenzwerts (Md_lim, iq_lim) unter der Annahme eines verlustfreien Elektromotors (3) und/oder Frequenzumrichters (2) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert (Md_lim, iq_lim) aus einer der Gleichungen
ermittelt wird, wobei C_DC eine Kapazität des Spannungszwischenkreises ist, U_DC die aktuelle Spannung im Spannungszwischenkreis (6), U_DC,max eine maximale Spannung im Spannungszwischenkreis (6), p die Polpaarzahl des Elektromotors, i_d eine Feld bildende Komponente des Motorstroms, i_q,lim der Grenzwert einer Drehmoment bildenden Komponente des Motorstroms, Md_lim der Grenzwert für das Drehmoment, Pm_lim der Grenzwert für die mechanische Motorleistung, L_d die Statorinduktivität des Elektromotors in Richtung der d-Achse eines mit dem Rotor umlaufenden Koordinatensystems, L_q die Statorinduktivität des Elektromotors in Richtung der q-Achse eines mit dem Rotor umlaufenden Koordinatensystems, ψ_PM der magnetische Fluss eines permanenterregten Rotors des Elektromotors, Ω die aktuelle mechanische Winkelgeschwindigkeit des Rotors des Elektromotors, und Δt ein Zeitraum ist, während dem Energie in den Spannungszwischenkreis gespeist wird und den die Motorregelung benötigt, um einen vorgegebenen Sollwert von einem beliebigen Istwert zu einem bestimmten Prozentsatz zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 3 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitraum Δt das Dreifache einer Zeitkonstante (τ) des unterlagerten ersten Reglers (11) ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der ermittelte aktuelle Grenzwert (Md_lim, iq_lim) bei betraglichem Überschreiten eines maximalen Grenzwerts (Md_max, iq_max) auf diesen maximalen Grenzwert (Md_max, iq_max) begrenzt wird.
Antrieb (1) umfassend einen Elektromotor (3) zum Antreiben einer Last (4), einen Frequenzumrichter (2) mit Spannungszwischenkreis (6) zum Speisen des Elektromotors (3) und eine Motorregelung (10) zur Steuerung des Frequenzumrichters (2) und Regelung der Drehzahl des Elektromotors (3), gekennzeichnet durch – Mittel zur Erfassung der aktuellen Zwischenkreisspannung (U_DC) des Spannungszwischenkreises (6), – eine Grenzwertermittlungseinrichtung (13) zur Ermittlung eines aktuellen Grenzwerts (Md_lim, iq_lim) für eine Stellgröße (Md_soll, iq_soll) der Motorregelung (10) aus einer in den Spannungszwischenkreis (6) einspeisbaren Differenzenergie (ΔE_cap) in Abhängigkeit der aktuellen Zwischenkreisspannung (U_DC), – eine Stellgrößenbegrenzungseinheit (14) zur Begrenzung der Stellgröße (Md_soll, iq_soll) auf den ermittelten Grenzwert (Md_lim, iq_lim) zur Begrenzung der in den Spannungszwischenkreis (6) vom Elektromotor (3) zurückgespeisten Energie.
Antrieb (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorregelung (10) einen unterlagerten ersten Regler (11) zur Steuerung des Frequenzumrichters (2) und einen diesem ersten Regler (11) übergeordneten zweiten Regler (12) zur Ausgabe der Stellgröße als Sollwert für den ersten Regler (11) aufweist.
Antrieb (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgrößenbegrenzungseinheit (14) zwischen dem ersten und dem zweiten Regler (11, 12) liegt.
Antrieb (1) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Regler (11) ein Stromregler oder ein Drehmomentregler ist.
Antrieb (1) nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Regler (11) ein Drehzahlregler ist.
Antrieb (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorreglung (10) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 eingerichtet ist.
Kreiselpumpenaggregat mit einer Pumpeneinheit (4) und einem Antrieb (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei die Pumpeneinheit (4) die von dem Elektromotor (2) angetriebene Last (4) ist.