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1. WO2020114816 - METHOD FOR A NETWORK SYNCHRONIZATION OF A PERMANENTLY EXCITED THREE-PHASE MACHINE COMPRISING A SOFT STARTER WHICH COMPRISES THYRISTORS

Note: Text based on automatic Optical Character Recognition processes. Please use the PDF version for legal matters

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Beschreibung

Verfahren zur Netzsynchronisation einer permanenterregten Drehstrommaschine mit einem Thyristoren umfassenden Sanft starter .

Eine Drehstrommaschine wandelt mechanische Energie in Dreh strom oder Drehstrom in mechanische Energie um. Sie kann grundsätzlich als elektrischer Generator oder als Elektromo tor betrieben werden. Als Sanftanlauf werden Maßnahmen zur Leistungsbegrenzung beim Einschalten eines elektrischen Gerä tes, beispielsweise eines elektrischen Motors, bezeichnet.

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

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer solchen permanenterregten Synchronmaschine M, in der Ausführung als Innenpolmaschine mit einem Stator St und einem Läufer L. Der Läufer umfasst einen magnetischen Nordpol N und Südpol S. Der Stator St umfasst Wicklungsstränge U, V, W. Die Darstellung ist lediglich beispielhaft zu verstehen und hat keine ein schränkende Wirkung auf den Schutzbereich des beanspruchten Gegenstands .

Dieser Maschinentyp ermöglicht zwar hohe Energieeffizienzgra de, jedoch sind der Start sowie der Betrieb am starren Netz nicht ohne weiteres möglich.

Um dies zu ermöglichen, kann ein Dämpferkäfig im Läufer der Maschine vorgesehen werden, welcher zwar einen sicheren Hoch lauf am starren Netz ermöglicht, jedoch das speisende Netz durch sehr hohe Anlaufströme stark belastet.

Ebenso ist der Betrieb an einem geeigneten leistungselektro nischen Stellglied, wie zum Beispiel einem Frequenzumrichter oder einem Sanftstarter, möglich. Hier stellt insbesondere der Einsatz eines Sanftstarter, auch Sanftanlaufgerät ge nannt, eine kostenfreundliche Lösung zum Hochlauf einer per manenterregten Synchronmaschine am starren Netz dar. Ein sol cher Sanftstarter reduziert beim Einschalten (z. B. mittels Phasenanschnitt) die Spannung und erhöht diese langsam bis zur vollen Netzspannung. Ein derartiger Sanftanlauf ist al lerdings häufig nur im lastlosen Zustand oder bei geringer Last möglich. Derzeit ist hierfür jedoch noch keine marktrei fe Lösung bekannt.

In der Dissertation von Dr . Marcel Benecke (Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, 2012) mit dem Titel "Anlauf von energieeffizienten Synchronmaschinen mit Drehstromstel-ler" wird eine Lösung zum Hochlauf der permanenterregten Syn chronmaschine an einem Sanftstarter vorgestellt. Das in die ser Arbeit vorgestellte Verfahren verwendet den aktuellen Polradwinkel der Maschine, sodass die für die Arbeit verwen deten Motoren mit einem entsprechenden Gebersystem ausgestat tet werden mussten. Unter einem Geber versteht man Drehzahl-und Lagegeber. Diese erfassen die mechanischen Größen Dreh zahl und Lage. Ihre Signale sind erforderlich, um die Regler mit Istwerten zu versorgen und die vorhandenen Lage- und Drehzahlregelkreise zu schließen. Für die vektoriellen Regel verfahren bei Drehstromantrieben dienen die Lage- und Dreh zahlsignale auch als Eingangsgröße für den Stromregelkreis. Der Geber erfasst in diesem Fall die Drehzahl und/oder Lage unmittelbar an der Motorwelle.

Das Gebersystem wirkt sich negativ auf die Kosten und die Verfügbarkeit des Systems aus, was derzeit eine Sanftstarter lösung für hocheffiziente Motoren unattraktiv macht. Aus die sen Gründen ist ein Verfahren zum Hochlauf ohne Geber anzu streben .

Beim Betrieb einer permanenterregten Synchronmaschine mit ei nem Sanftstarter wäre zur Realisierung verschiedenster Anwen dungen eine Drehzahlregelung wünschenswert, die bislang nicht umgesetzt werden konnte.

Das benötigte Verfahren unterscheidet sich von den im Stand der Technik bekannten geberlosen Verfahren dahingehend, dass es für einen Thyristorsteller, und nicht einen Frequenzum richter verwendbar sein muss. Somit sind diese bekannten Ver fahren nicht anwendbar.

Aus der DE 10 2016 204 837 Al (Siemens AG) 28.09.2017 ist ein Anlaufverfahren für einen Elektromotor bekannt, bei dem bei der Ermittlung eines Betätigungszeitpunkts für einen als Schütz mit einer Bypass-Halbleiterstrecke ausgebildeten Drei eck-Schalter die Anzugszeit des Dreieck-Schalters selbst be rücksichtigt wird. Der Betätigungszeitpunkt entspricht im We sentlichen dem Zeitpunkt, zu dem ein entsprechender Betäti gungsbefehl den Dreieck-Schalter erreicht und das Anziehen des Dreieck-Schalters einsetzt. Der Betätigungszeitpunkt wird so gewählt, dass er um die Dauer der Anzugzeit vor dem ange strebten SchaltZeitpunkt liegt. Der elektromechanische

Schaltkontakt ist zwecks einer schnellen und zeitlich präzi sen Betätigung für eine bestimmte Dauer überbrückbar.

EP1677323A1 (Siemens AG) 05.07.2006 beschreibt ein Verfahren zum Vermeiden von Kontaktabbrand in Niederspannungsleistungs schaltern mit zumindest einer steuerbaren Halbleiterschalt einrichtung und zumindest einer zur Halbleiterschalteinrich tung parallel geschalteten elektromechanischen Schalteinrich tung .

DE102016214419A1 (Siemens AG) 08.02.2018 beschreibt einen Sanftstarter zum Schalten mindestens einer Hauptstrombahn, die jeweils eine Bypass-Schaltung mit einem Halbleiterschal ter umfasst, wobei der Sanftstarter eine Steuereinheit zur Betätigung der Bypass-Schaltung aufweist, und die Steuerein- heit einen Steuersignaleingang und einen separaten Sicher-heitssignaleingang aufweist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Netzsynchro nisation einer permanenterregten Drehstrommaschine mit einem Sanftstarter anzugeben, welches Überströme beim Verbinden mit dem starren Netz vermeidet. Es ist weiterhin Aufgabe der Er findung, eine permanenterregte Drehstrommaschine ohne Geber anzugeben, welche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren arbei tet .

Diese Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Steuervorrichtung und eine Drehstrommaschine gemäß den Merkmalen der Ansprüche 10 und 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den ab hängigen Ansprüchen.

Die vorliegende Anmeldung beschreibt ein Verfahren zur Netz synchronisation einer permanent erregten Drehstrommaschine mit einem Thyristoren umfassenden Sanftstarter sowie mit me chanischen Bypasskontakten zur Überbrückung der Thyristoren im Netzbetrieb. Unter einer Netzsynchronisation wird der Zeitpunkt oder die Phase am Ende des Hochlaufs der Drehstrom maschine, während der die Drehstrommaschine gezielt beschleu nigt wird, bezeichnet, zu dem eine dauerhafte Verbindung der Phasen der Drehstrommaschine mit einem Versorgungsnetz mög lich ist und vorgenommen wird.

Das Verfahren umfasst den Schritt des Erzeugens eines ersten Steuersignals, durch das das Leitendschalten der mechanischen Bypasskontakte initiiert wird, und zwar nach dem Erreichen eines vorgegebenen Kriteriums beim Hochlaufen der Drehstrom maschine an dem Sanftstarter . Der Zeitpunkt der Erzeugung des ersten Steuersignals repräsentiert hierbei einen Betätigungs zeitpunkt der Bypasskontakte. Das Verfahren umfasst den wei teren Schritt des Erzeugens von Zündpulsen für die Thyristo ren innerhalb eines Zeitraumes, der von dem Betätigungszeit punkt bis zu einem KontaktZeitpunkt der Bypasskontakte

reicht, mittels eines zweiten Steuersignals, wobei ein jewei liger Zündpuls für einen Thyristor dann erzeugt wird, wenn eine Phasenstrommessung ergibt, dass der Strom in der zuge ordneten Phase einen vorgegebenen Wert unterschreitet. Der genannte Zeitraum ist die konstruktiv bedingte Zeit, die be nötigt wird, um die mechanischen Bypasskontakte seit dem Be tätigungszeitpunkt (der mit dem Erhalt eines entsprechenden Steuerbefehls zusammenfällt) zu schließen. Schließlich um fasst das Verfahren den Schritt des Betreibens der Drehstrom maschine im Netzbetrieb über die Bypasskontakte. Das Betrei ben der Drehstrommaschine über die Bypasskontakte erfolgt ab dem KontaktZeitpunkt, da die Bypasskontakte ab diesem Zeit punkt leitend geschaltet sind.

Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht es, eine permanenter regte Drehstrommaschine, welche mittels eines Sanftstarters beschleunigt wird, mit dem Netz zu synchronisieren, ohne dass Überstromereignisse oder Pendelungen im Antriebsstrang auf-treten. Insbesondere ermöglicht es das Verfahren, einen Dif ferenzwinkel zwischen dem Netzwinkel und dem Rotorwinkel zu berücksichtigen, indem diese durch den parallelen Betrieb der Bypasskontakte und der Thyristoren während des Einschaltvor ganges der Bypasskontakte betrieben werden. Sobald die By passkontakte leiten, verlöschen die Thyristoren von selbst, so dass die Drehstrommaschine im Netzbetrieb alleine über die Bypasskontakte betrieben wird. Der parallele Betrieb der bei den Schaltelemente vermeidet die unerwünschten Pendelungen des Antriebsstrangs und verhindert die ebenfalls unerwünsch ten Überströme.

Das vorgegebene Kriterium, das zur Erzeugung des ersten Steu ersignals führt, umfasst insbesondere, dass eine Drehzahl der Drehstrommaschine eine in einem vordefinierten Drehzahlkorri dor liegende Zieldrehzahl der Drehmomentmaschine erreicht hat. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass durch das Schließen der Bypasskontakte Pendelungen des Antriebsstrangs und große Überströme verhindert werden, wobei nach dem

Schließen der Bypasskontakte der Startvorgang und damit die Netzsynchronisation der permanenterregten Drehstrommaschine abgeschlossen ist.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Zieldrehzahl ge ringfügig höher oder niedriger als die Netzdrehzahl ist. Dies stellt sicher, dass sich der Winkel des Netzes ausreichend schnell ändert, so dass zeitnah eine Winkelbedingung zur Netzsynchronisation der permanenterregten Synchronmaschine erfüllt ist. Würde die Zieldrehzahl exakt identisch zur Netz drehzahl gewählt, so wäre es möglich, dass die Erfüllung ei ner Drehwinkelbedingung lange dauert oder gar nicht erfüllt wird, da sich Netzwinkel und Motorwinkel in diesem Zustand mit gleichem Abstand folgen und sich somit der Differenzwin kel nahezu nicht ändert.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass das vorgegebene Kriterium umfasst, dass der Differenzwinkel, der sich aus der Differenz zwischen dem Netzwinkel und dem Rotorwinkel ergibt, in einem vordefinierten Differenzwinkelkorridor zum Liegen kommt. Liegen sowohl der Differenzwinkel als auch die Motor drehzahl jeweils in ihrem jeweilig definierten Zielkorridor, so kann die permanenterregte Drehstrommaschine ohne starke Pendelungen im Antriebsstrang oder ohne die Überschreitung von maximalen Stromwerten an das Netz synchronisiert werden. Die Werte, sowohl für den Zielkorridor der Drehzahl als auch für den Zielkorridor des Winkels können während des Betriebs der Drehstrommaschine bzw. während einer Vielzahl an Hochläu fen gelernt werden. Hierdurch ist es möglich, unterschiedli che Kombinationen von Drehstrommaschinen und Sanftstartern aneinander zu betreiben. Die hierbei „gelernten" Werte für den Differenzwinkel und die Motordrehzahl können in einem Speicher hinterlegt werden, so dass für ähnliche Kombinatio nen die bereits gelernten Werte weiter verwendet werden kön nen .

Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass das vorgegebene Kriterium umfasst, dass ein Betrag eines Gesamt flusses, der sich durch die Addition eines durch die Perma- nentmagnete erzeugten Flusses und eines durch einen Dämpfer käfig erzeugten Flusses ergibt, einen vorgegebenen Mindest flusswert übersteigt, wobei der Betrag des Gesamtflusses aus den gemessenen Motorspannungen bestimmt wird. Durch die geo metrische Addition der Flüsse kann es Zeitpunkte geben, in denen die Maschinenflüsse gegensinnig gerichtet sind und der resultierende Gesamtfluss deutlich kleiner als der durch die Permanentmagnete erzeugte Fluss ist. Selbst wenn in diesem Moment der Differenzwinkel und die Drehzahl in einer geeigne ten Konstellation liegen würden, kann es zu einem Überstrom ereignis kommen, da die Gegen-EMK der Drehstrommaschine im Verhältnis zur Netzspannung zu gering wäre und damit ein gro ßer Strom auftreten würde (EMK = elektromotorische Kraft) . Demzufolge ist es zweckmäßig, zusätzlich einen Mindestwert für den Betrag des Gesamtflusses einzuhalten, welcher durch Messung der Motorspannungen ermittelt werden kann.

In einer weiteren Ausgestaltung kann der KontaktZeitpunkt der Bypasskontakte ein messtechnischer Zeitpunkt des Leitens der Bypasskontakte sein, z. B. durch eine Messung der über den über dem Bypass abfallenden Spannung. In diesem Fall kann die Ausgabe eines Steuersignals zur Erzeugung eines Zündpulses für die Thyristoren unterbleiben. Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung des KontaktZeitpunkts der Bypasskontakte wäre, eine Kontaktposition eines beweglichen Kontakts des Bypasses zu detektieren, z. B. durch einen Hilfskontakt. Alternativ kann der KontaktZeitpunkt eine durch Versuche ermittelte Zeitdauer seit dem Betätigungszeitpunkt sein, insbesondere zuzüglich einer Sicherheitsmarge. Hierdurch ist es nicht er forderlich, den Zeitraum, der von dem Betätigungszeitpunkt bis zu dem KontaktZeitpunkt der Bypasskontakte reicht, mess technisch zu ermitteln, sondern der Zeitraum kann - auf Er fahrungswerten basierend - vorab festgelegt werden. Durch das Vorsehen einer ausreichenden Sicherheitsmarge kann dabei im mer sichergestellt werden, dass die Bypasskontakte leitend geschaltet sind, bevor eine Ansteuerung der Thyristoren un terbleibt .

Es wird ferner ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, das direkt in den internen Speicher eines digitalen Computers ge laden werden kann und Softwarecodeabschnitte umfasst, mit de nen die Schritte des hierin beschriebenen Verfahrens ausge führt werden, wenn das Produkt auf dem Computer läuft. Das Computerprogrammprodukt kann in der Gestalt eines Datenträ gers, z.B. einer DVD, einer CD-ROM, eines USB-Speichersticks und dergleichen, verkörpert sein (DVD = Digital Versatile Disc; CD-ROM = Compact Disc Read-Only Memory; USB = Universal Serial Bus) . Ebenso kann das Computerprogrammprodukt als ein über ein leitungsgebundenes oder drahtloses Netz ladbares Signal vorliegen.

Es wird ferner eine Steuervorrichtung für eine Drehstromma schine mit einem Thyristoren umfassenden Sanftstarter sowie mechanischen Bypasskontakten zur Überbrückung der Thyristoren im Netzbetrieb vorgeschlagen. Die Steuervorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass diese dazu eingerichtet ist, das hier in beschriebene Verfahren durchzuführen. Hiermit sind die gleichen Vorteile verbunden, wie diese in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden.

Die Steuervorrichtung ist dazu ausgebildet, ein erstes Steu ersignal, durch das das Leitendschalten der mechanischen By passkontakte initiiert wird, nach dem Erreichen eines vorge gebenen Kriteriums beim Hochlaufen der Drehstrommaschine an dem Sanftstarter zu erzeugen, wobei der Zeitpunkt der Erzeu gung des ersten Steuersignals einen Betätigungszeitpunkt der Bypasskontakte repräsentiert. Dazu kann die Steuervorrichtung mit einem Sensor, z. B. einem Drehzahlmesser, verbunden sein, von dem die Steuervorrichtung Sensorwerte, z. B. Drehzahlwer te, z. B. in der Einheit rpm (= revolutions per minute) oder 1/s, betreffend die aktuelle Drehzahl der Drehstrommaschine, erhält. Die Steuervorrichtung vergleicht, insbesondere in ei nem Rechenwerk, z. B. einem digitalen Computer, Prozessor o-der ASIC, die erhaltenen Sensorwerte mit einem vorgegebenen Kriterium, z. B. einer Zieldrehzahl, das in einem Speicher der Steuervorrichtung abgelegt ist, und erzeugt das erste Steuersignal, sobald das vorgegebene Kriterium beim Hochlau fen der Drehstrommaschine erreicht ist, z. B. sobald die Drehzahl der Drehstrommaschine eine vorgegebene Zieldrehzahl erreicht hat (ASIC = Application Specific Integrated Cir cuit) . Dabei kann die Übertragung der ersten Steuersignals von der Steuervorrichtung zu dem Sanftstarter über eine Sig nalleitung erfolgen.

Die Steuervorrichtung ist außerdem dazu ausgebildet, Zündpul se für die Thyristoren innerhalb eines Zeitraumes, der von dem Betätigungszeitpunkt bis zu einem KontaktZeitpunkt der Bypasskontakte reicht, mittels eines zweiten Steuersignals zu erzeugen, wobei ein jeweiliger Zündpuls für einen Thyristor dann erzeugt wird, wenn eine Phasenstrommessung ergibt, dass der Strom in der zugeordneten Phase einen vorgegebenen Wert unterschreitet. Dazu kann die Steuervorrichtung mit einem Stromsensor, z. B. einem in dem Sanftstarter angeordneten Phasenstrommesser, verbunden sein, von dem die Steuervorrich tung Sensorwerte, z. B. Messwerte betreffend die aktuelle Stromstärke in einer Phase, erhält. Die Steuervorrichtung vergleicht die erhaltenen Sensorwerte mit einem vorgegebenen Wert, der in einem Speicher der Steuervorrichtung abgelegt ist, und erzeugt das zweite Steuersignal, falls die Strom stärke in der zugeordneten Phase einen vorgegebenen Wert un terschreitet. Dabei kann die Übertragung des zweiten Steuer signals von der Steuervorrichtung zu dem Sanftstarter über eine Signalleitung erfolgen.

Und die Steuervorrichtung ist ferner dazu ausgebildet, die Drehstrommaschine im Netzbetrieb über die Bypasskontakte zu betreiben. Dabei kann die Übertragung der Steuersignale von der Steuervorrichtung zu dem Sanftstarter über eine Signal leitung erfolgen.

Weiter wird eine Drehstrommaschine mit einem Thyristoren um fassenden Sanftstarter sowie mit mechanischen Bypasskontakten zur Überbrückung der Thyristoren im Netzbetrieb vorgeschla gen. Diese ist zur Durchführung des hierin beschriebenen Ver- fahrens ausgebildet, wodurch eine Netzsynchronisation der permanenterregten Drehstrommaschine an ein Versorgungsnetz ermöglicht ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher er läutert :

Fig. 1 einen Schnitt durch eine beispielhafte Dreh

strommaschine ;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des erfindungsge mäßen Aufbaus;

Fig. 3 einen Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfah rens ;

Fig. 4 und 5 zeitliche Verläufe der Drehzahl und der Phasen ströme zweier verschiedener Messungen einer Netzsynchronisation; und

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Steuervor richtung .

Fig. 2 zeigt den prinzipiellen gewünschten Aufbau der als permanenterregte Synchronmaschine ausgebildeten Drehstromma schine M mit Sanftstarter SS (z.B. einem Sirius-Sanftstarter) ohne Geber (rechts) , im Gegensatz zu einer Drehstrommaschine M mit Sanftstarter SS (z.B. einem Sirius-Sanftstarter) und mit einem mit der Drehstrommaschine M verbundenen Geber G (links) . Wie eingangs beschrieben, kann die Drehstrommaschine z. B. als eine Innenpolmaschine mit einem Stator St und einem Läufer L ausgebildet sein. Der Läufer L umfasst einen magne tischen Nordpol N und Südpol S. Der Stator St umfasst Wick lungsstränge U, V, W. Der Läufer L kann z. B. drehfest (oder über ein Getriebe) mit einer nicht dargestellten Welle ver bunden sein, welche von einer externen Last mit einem, insbe sondere konstanten, Moment beaufschlagt ist.

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Mit Hilfe des von der Anmelderin in der WO 2018/086688 Al (Siemens AG) 17.05.2018 vorgestellten Verfahrens erfolgt eine Berechnung von Zündzeitpunkten der Thyristoren des Sanftstar ters SS, wodurch auf Geber verzichtet werden kann. Das geber lose Startverfahren basiert auf der Überlegung, dass bei der erstmaligen Zündung der Thyristoren die Drehstrommaschine (auch: der Motor) mit dem maximal möglichen Drehmoment be schleunigt wird. Hierdurch soll sichergestellt werden, dass der Motor nach der Erstzündung bereits eine bestimmte minima le Drehzahl überschritten hat und somit die induzierten Span nungen während der prinzipbedingten Sperrzeit der Thyristoren hinreichend genau gemessen werden können. Aus den induzierten Spannungen kann anschließend nach den bereits bekannten sog. EMK-Verfahren der elektrische Winkel des Motors ermittelt und dem Benecke-Verfahren (aus der oben genannten Dissertation) übergeben werden. Zudem kann während einer zweiphasigen Zün dung die Spannung der dritten Phase direkt gemessen und bei der Auswertung berücksichtigt werden.

Da Motoren an Sanftanlaufgeräten, auch als Sanftstarter be zeichnet, meist passive Lasten mit linearen oder quadrati schen Lastkennlinien treiben, dient das Drehmoment bei der Erstzündung nahezu vollständig zur Beschleunigung der trägen Masse. Insofern kann davon ausgegangen werden, dass die Be schleunigung bei der Erstzündung ausreichend ist und die in duzierten Spannungen hinreichend genau gemessen werden kön nen. Bei der Messung der Spannungen kann auf die im Sanfts tarter ohnehin vorhandene Messsensorik zurückgegriffen wer den. Das Verfahren benötigt also keine zusätzliche Hardware.

Das geberlose Startverfahren umfasst zwei Schritte.

Schritt 1: Ermittlung des optimalen Zündwinkels:

Nachdem das Verfahren zur initialen Ausrichtung der Maschine abgeschlossen ist, ist der aktuelle Winkel des Motors be kannt. Basierend auf diesem bekannten Startwinkel kann gemäß dem oben genannten Verfahren jener Zündwinkel des Sanftstar ters berechnet werden, bei dem das im Motor erzeugte Drehmo ment für einen gegebenen Maximalstrom maximal ist. Um bei der ersten Zündung der Thyristoren ein möglichst hohes Drehmoment zu entwickeln, wird der bei der Erstzündung zulässige Maxi malstrom auf den für die Leistungshalbleiter maximal zulässi gen Strom gesetzt.

Bei der Berechnung des optimalen Zündwinkels geht generell auch der Verlauf des Drehwinkels und der Drehzahl während der Zündung der Thyristoren ein, jedoch sind diese bei der Be rechnung des Zündwinkels nicht bekannt. Aus diesem Grund soll der optimale Zündwinkel für die Erstzündung im Rahmen eines Inbetriebnahmeverfahrens vorab für den Antrieb ermittelt wer den .

Schritt 2: Umschaltung auf EMK-Verfahren :

Nachdem die permanenterregte Synchronmaschine durch die Erst zündung beschleunigt wurde, sind die durch die Drehung der Maschine induzierten Spannungen groß genug, um sie während der Sperrphase der Thyristoren messen zu können. Aus den ge messenen Spannungen kann anschließend, z. B. durch einen Be obachter oder durch eine einfache Arcustangens-Berechnung der Flusswinkel der Maschine ermittelt werden. Ebenso ist es denkbar, den Drehwinkel alleine auf Basis der anregenden Spannungen, der gemessenen Ströme und der Maschinengleichun gen, also mithilfe einer Berechnungsvorschrift, zu ermitteln.

Unabhängig vom gewählten Ansatz sind in den genannten Fällen bereits zahlreiche Verfahren aus dem Gebiet der geberlosen Regelung bekannt und es kann auf diese zurückgegriffen wer den. Der aus dem EMK-Verfahren ermittelte Flusswinkel wird dem Benecke-Verfahren als Istwert übergeben und hieraus der nächste optimale Zündwinkel bei Drehung der Maschine ermit telt.

Mit dem vorgenannten Verfahren wird der Motor M gezielt be schleunigt. Der Sanftstarter SS verfügt neben den Thyristo ren, die zum Beschleunigen eingesetzt werden, über nicht nä her dargestellte Bypasselemente, welche zur Überbrückung der Thyristoren bei Abschluss des Motorstarts zur Netzsynchroni sation eingesetzt werden. Die Bypasselemente stellen elektro mechanische Schaltelemente, z.B. ein Netzschütz oder ein Re lais, dar. Mit diesen Bypasselementen wird der Motor M dann fest mit dem Netz verbunden, wodurch der Startvorgang endgül tig abgeschlossen ist. Bei einer Asynchronmaschine ist dieser Vorgang auf einfache Weise realisierbar: Ist eine vorgegebene Zieldrehzahl erreicht, können die Bypasselemente geschlossen werden und der Startvorgang ist abgeschlossen. Bei der Asyn chronmaschine kommt es zu keinerlei Überstromereignissen oder Pendelungen im Antriebsstrang. Bei der permanenterregten Drehstrommaschine ist es zweckmäßig zusätzlich mindestens den Differenzwinkel zwischen dem Netz- und Rotorwinkel zu berück sichtigen, um starke Pendelungen des Antriebsstrangs und gro ße Überströme zu verhindern. Das hierbei gewählte Vorgehen wird nachfolgend beschrieben.

Bei den Bypasselementen handelt es sich um mechanische

Schaltelemente, die eine konstruktiv bedingte Zeit brauchen, um geschlossen zu werden. Die Zeitspanne zwischen Ansteuerung und tatsächlichem Schluss (d.h. Leitendschalten) der Kontakte beträgt einige Millisekunden und wird als Verzugszeit be zeichnet. Dies bedeutet, dass ca. ein oder mehrere Netzperio den vergehen, bis die Reaktion auf die Anforderung zum

Schließen in Gestalt des Empfangs eines ersten Steuersignals auftritt. Da sich in dieser Zeit die Drehzahl und der Diffe renzwinkel bereits deutlich verändert haben können, ist diese Verzögerung für ein gezieltes Zuschalten nicht akzeptabel.

Zur Überbrückung der Verzugszeit werden die Thyristoren des Saftstarters zusammen mit der Phasenstrommessung genutzt. Er folgt der Zuschaltbefehl (als Folge des Erhalts des ersten Steuersignals) , erfolgt die Ansteuerung der Thyristoren des Saftstarters derart, dass ein jeweiliger Thyristor des Sanft starters SS immer dann eine Reihe von Zündimpulsen erhält, wenn der Betrag des Stroms in der jeweiligen Phase einen de finierten Wert unterschreitet. Die Abgabe der Zündpulse endet erst dann, wenn ein Stromwert ermittelt wird, bei dem ein Schließen der Bypasskontakte als sicher betrachtet werden kann. Dies kann entweder messtechnisch oder durch eine vorbe stimmte Zeit, optional durch Berücksichtigung einer Sicher heitsmarge, festgestellt werden. Während des parallelen Be triebs der Thyristoren und der Bypasselemente sind die Thy ristoren nahezu dauerhaft gezündet, was einem geschlossenen Bypasselement im Verhalten nahekommt. Nachdem das Schließen der Bypasselemente sichergestellt ist, werden die Thyristoren nicht mehr gezündet. Dieses Vorgehen ermöglicht ein für den Motor M faktisch verzögerungsfreies Zuschalten an das Netz und bildet die Basis zur gezielten Netzsynchronisation des Motors M.

Damit der Motor M an das Versorgungsnetz geschalten werden kann, ohne dass es zu starken Pendelungen im Antriebsstrang kommt oder Strommaximalwerte überschritten werden, sollten der Differenzwinkel und die Motordrehzahl jeweils in einem Zielkorridor liegen. Die Werte, sowohl für den Zielkorridor der Drehzahl, als auch für den Zielkorridor des Differenzwin kels können auf verschiedene Art und Weise erzeugt werden. Ideal ist ein möglichst kleiner Winkel zwischen Rotorwinkel und Netzwinkel, wobei der Differenzwinkel eine Folge der Be lastung des Rotors des Motors ist.

Zum einen kann der Sanftstarter SS eigenständig zu einem be liebigen Zeitpunkt zuschalten und über interne Strommessungen im Nachhinein feststellen, ob der Zeitpunkt der Zuschaltung für den Motor ein geeigneter ZuschaltZeitpunkt ist. Durch das Zuschalten bei verschiedenen Winkel-Drehzahl-Konstellationen entsteht damit eine Übersicht an möglichen Kombinationen, an hand derer ein Korridor für den Differenzwinkel und die Mo tordrehzahl ableitbar ist, in welchem vorgegebene Grenzen eingehalten werden. Da durch diesen iterativen Prozess auch Grenzwerte häufiger überschritten werden, benötigt ein Algo rithmus eine Zeit der „Anlernung", bis er zuverlässig funkti oniert. Verbessert werden kann das Ergebnis dadurch, dass grundsätzlich ungeeignete Kombinationen von Vorneherein aus geschlossen werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, für einen angeschlossenen Motortyp Simulationen durchzufüh- ren, aus denen Korridore für den Drehwinkel und die Drehzahl abgeleitet werden. Diese abgeleiteten Parameter können dann in einem zugeordneten Sanftstarter ausgewählt werden bzw. diesem z.B. über einen Cloud-Service nachträglich mitgeteilt werden. Dies ermöglicht eine nachträgliche Bereitstellung von Parametersätzen, je nach Kundenanforderungen und Kombinatio nen von Motortyp und Sanftstarter .

Für eine sichere Netzsynchronisation ist die Wahl eines ge eigneten Drehzahlwertes zu berücksichtigen. Im Gegensatz zum Sanftstarter SS für Asynchronmaschinen wird hier zweckmäßi gerweise nicht die Netzdrehzahl als Zielwert gewählt, sondern eine Drehzahl, die etwas höher oder etwas niedriger als die Netzdrehzahl liegt. Dies stellt sicher, dass sich der Winkel des Netzes ausreichend schnell ändert, so dass zeitnah die Winkelbedingung zum Zuschalten des Motors erfüllt wird. Wird die Drehzahl exakt identisch zur Netzdrehzahl gewählt, kann es passieren, dass die Erfüllung der Drehwinkelbedingung lan ge dauert oder die Drehwinkelbedingung gar nicht erfüllt wird, da sich der Netzwinkel und der Motorwinkel in diesem Zustand mit gleichem Abstand folgen und sich somit der Diffe renzwinkel nahezu nicht ändert.

Aus den Eigenschaften der permanenterregten Drehstrommaschine mit Dämpferkäfig ergibt sich eine weitere zu berücksichtigen de Bedingung. Bei einem Motor mit Dämpferkäfig addieren sich der durch die Permanentmagnete erzeugte und der durch den Dämpferkäfig erzeugte Fluss geometrisch. Durch die geometri sche Addition der Flüsse kann es Zeitpunkte geben, in denen die Maschinenflüsse gegensinnig gerichtet sind und der resul tierende Gesamtfluss deutlich kleiner ist als der durch die Permanentmagnete erzeugte Fluss. Selbst wenn in diesem Moment der Differenzwinkel und die Drehzahl in einer perfekten Kons tellation liegen würden, käme es zu einem Überstromereignis, da die Gegen-EMK des Motors im Verhältnis zur Netzspannung zu gering wäre und somit ein großer Stromwert auftreten würde. Demzufolge ist zusätzlich ein Mindestwert für den Betrag des Gesamtflusses einzuhalten, welcher durch Messung der Motor spannungen ermittelt werden kann.

Fig. 3 zeigt einen Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfah rens. In Schritt S1 wird ein erstes Steuersignal erzeugt, durch das das Leitendschalten der mechanischen Bypasskontakte initiiert wird, und zwar nach dem Erreichen eines vorgegebe nen Kriteriums beim Hochlaufen der Drehstrommaschine an dem Sanftstarter, wobei der Zeitpunkt der Erzeugung des ersten Steuersignals einen Betätigungszeitpunkt der Bypasskontakte repräsentiert. Das erste Kriterium umfasst eine Drehzahl der Drehstrommaschine und/oder einen Differenzwinkel und/oder ei nen Betrag des Gesamtflusses , der sich durch die Addition ei nes durch die Permanentmagnete erzeugten Flusses und eines durch einen Dämpferkäfig erzeugten Fluss ergibt. In Schritt S2 erfolgt die Erzeugung von Zündpulsen für die Thyristoren innerhalb eines Zeitraumes, der von dem Betätigungszeitpunkt bis zu einem KontaktZeitpunkt der Bypasskontakte reicht, mit tels eines zweiten Steuersignals, wobei ein jeweiliger Zünd puls für einen Thyristor dann erzeugt wird, wenn eine Phasen strommessung ergibt, dass der Strom in der zugeordneten Phase einen vorgegebenen Wert unterschreitet. In Schritt S3 erfolgt ein Betreiben der Drehstrommaschine im Netzbetrieb über die Bypasskontakte, nachdem der Zeitraum abgeschlossen ist.

In den Figuren 4 und 5 sind zeitliche Verläufe der Drehzahl nm der Drehstrommaschine M und der Phasenströme IUv,w der drei Phasen U, V, W beim Hochlaufvorgang und der Netzsynchronisa tion dargestellt. Dabei zeigt Fig. 4 das Zuschalteverhalten gemäß dem Stand der Technik, bei dem ein Überstrom auftritt, wobei dieser Zeitpunkt kurz vor Erreichen einer Zieldrehzahl von nm ~ 1500 rpm auftritt. In dem I-t-Diagramm ist der Zeit punkt der Netzsynchronisation und des Auftretens des Über stroms durch eine elliptische Markierung visualisiert . Im Ge gensatz dazu ist aus den Diagrammen der Fig. 5 ohne weiteres ersichtlich, dass bei der Netzsynchronisation mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens beim Erreichen der Zieldrehzahl (nm ~ 1500 rpm) die Phasenströme bei der Netzsynchronisation keine Überschwinger aufweisen. Der entsprechende Teil im I-t-Diagramm ist wiederum durch eine Ellipse markiert.

Fig. 6 zeigt einen Sanftstarter SS, welcher an drei Haupt strombahnen (Phasenleiter) 12, 14, 16 einer drei Phasen U, V,

W aufweisenden Wechselspannungsversorgung der Drehstromma schine M angeschlossen ist. Im Sanftstarter SS ist jeder der Hauptstrombahnen 12, 14, 16 eine Schaltung 20 zugeordnet, die jeweils einen Halbleiterschalter 22 und einen elektromechani schen Bypasskontakt 26 zur Überbrückung des Halbleiterschal ters 22 im Netzbetrieb umfasst. Der Halbleiterschalter 22 ist als ein antiparallel angeordnetes Paar von Thyristoren 24 ausgebildet. Der elektromechanische Bypasskontakt 26 ist als ein Relais ausgebildet. Jeder der Halbleiterschalter 22 und der elektromechanischen Bypasskontakte 26 ist mit einer Steu ervorrichtung 40 verbunden, die den Sanftstarter SS im Be trieb steuert. Die Steuervorrichtung 40 kann im Gehäuse des Sanftstarters SS integriert oder in einem separaten Gehäuse untergebracht sein. Die elektromechanischen Bypasskontakte 26 sind im Netzbetrieb der Drehstrommaschine M geschlossen, und die Halbleiterschalter 22 geöffnet. Die Steuervorrichtung 40 weist einen Speicher 82 auf, in dem ein Computerprogrammpro dukt 80 gespeichert ist. Die Steuervorrichtung 40 weist ein Rechenwerk 84, z. B. einen digitalen Computer, Prozessor oder ASIC, auf, der das im Speicher 82 gespeicherte Computerpro grammprodukt 80 ausführen kann. Das Computerprogrammprodukt 80 ist unter anderem dazu ausgebildet, mittels der Halb leiterschalter 22 eine Phasenanschnittsteuerung oder eine Phasenabschnittsteuerung zu verwirklichen.

Ferner ist jeder Hauptstrombahn 12, 14, 16 ein als Messwand ler 28 ausgebildetes Messmittel 27 zugeordnet, welches dazu ausgebildet ist, einen Stromfluss IUv,w in einer der Haupt strombahnen 12, 14, 16 zu erfassen und/oder zu messen. Jedes der Messmittel 27 ist über einen Messsignaleingang 41 mit der Steuervorrichtung 40 gekoppelt. Das Computerprogrammprodukt 80 in der Steuervorrichtung 40 ist dazu ausgebildet, eine von den Messmitteln 27 erfasste Betriebsgröße, also unter anderem den Stromfluss IUv,w in den Hauptstrombahnen 12, 14, 16 zu empfangen und auszuwerten.

Darüber hinaus ist die Steuervorrichtung 40 mit einem Sensor signaleingang 44 versehen, über welchen Sensorsignale 54 emp fangen werden. Die Sensorsignale 54 werden von einem Dreh zahlmesser 46 erzeugt, der sich in oder an der Drehstromma schine M befindet und die Drehzahl nm der Drehstrommaschine M erfasst .

Die Steuervorrichtung 40 ist dazu ausgebildet, erste Steuer signale 25 zum Initiieren des Leitendschaltens der elektrome chanischen Bypasskontakte 26 an die elektromechanischen By passkontakte 26 und zweite Steuersignale 21 in Form von Zünd pulsen an die Halbleiterschalter 22 zu senden.

Die Steuervorrichtung 40 erzeugt ein erstes Steuersignal 25, durch das das Leitendschalten der mechanischen Bypasskontakte 26 initiiert wird, nachdem ein vorgegebenes Kriterium beim Hochlaufen der Drehstrommaschine M an dem Sanftstarter SS er reicht ist, wobei der Zeitpunkt der Erzeugung des ersten Steuersignals 25 einen Betätigungszeitpunkt der Bypasskontak te 26 repräsentiert. Dazu ist die Steuervorrichtung 40 über eine Signalleitung 48 mit dem an der Drehstrommaschine M an geordneten Drehzahlmesser 46 verbunden, von dem die Steuer vorrichtung 40 Drehzahlwerte in der Einheit rpm, betreffend die aktuelle Drehzahl nm der Drehstrommaschine M, erhält. Die Steuervorrichtung 40 vergleicht die erhaltenen Drehzahlwerte mit einer Zieldrehzahl, die in dem Speicher 82 der Steuervor richtung 40 abgelegt ist, und erzeugt das erste Steuersignal 25, sobald die Drehzahl nm der Drehstrommaschine M die vorge gebene Zieldrehzahl erreicht hat. Dabei erfolgt die Übertra gung der ersten Steuersignale 25 von der Steuervorrichtung 40 zu den mechanischen Bypasskontakten 26 des Sanftstarters SS über eine Steuerleitung.

Die Steuervorrichtung erzeugt außerdem Zündpulse für die Thy ristoren 24 innerhalb eines Zeitraumes, der von dem Betäti- gungszeitpunkt bis zu einem KontaktZeitpunkt der Bypasskon takte 26 reicht, mittels eines zweiten Steuersignals 21, wo bei ein jeweiliger Zündpuls für einen Thyristor 24 dann er zeugt wird, wenn eine Phasenstrommessung ergibt, dass der Strom Iu,v,w in einer zugeordneten Phase U, V, W einen vorge gebenen Wert unterschreitet. Dazu ist die Steuervorrichtung 40 über eine Signalleitung mit den als Messwandlern 28 ausge bildeten Messmitteln 27 verbunden, von denen die Steuervor richtung 40 Messwerte betreffend die aktuelle Stromstärke Iu,v,w in einer Phase U, V, W erhält. Die Steuervorrichtung 40 vergleicht die erhaltenen Phasenstrommesswerte Strom IU V,w mit einem entsprechenden vorgegebenen Wert, der in dem Spei cher 82 der Steuervorrichtung 40 abgelegt ist, und erzeugt das zweite Steuersignal 21, wenn der Strom in der zugeordne ten Phase U, V, W einen vorgegebenen Wert unterschreitet. Da bei erfolgt die Übertragung des zweiten Steuersignals 21 von der Steuervorrichtung 40 zu den Halbleiterschaltern 22 des Sanftstarters SS über eine Steuerleitung.

Und die Steuervorrichtung 40 betreibt die Drehstrommaschine M im Netzbetrieb über die elektromechanischen Bypasskontakte 26. Dabei erfolgt die Übertragung der Steuersignale von der Steuervorrichtung 40 zu den Bypasskontakten 26 des Sanftstar ters SS über eine Steuerleitung.

Bezugszeichenliste

12 erste Hauptstrombahn, Phasenleiter

14 zweite Hauptstrombahn, Phasenleiter

16 dritte Hauptstrombahn, Phasenleiter

20 Schaltung

21 zweites Steuersignal, Zündbefehl

22 Halbleiterschalter

24 Thyristor

25 erstes Steuersignal

26 elektromechanischer Bypasskontakt

27 Messmittel

28 Messwandler

40 Steuervorrichtung

41 MessSignaleingang

44 SensorSignaleingang

46 Drehzahlmesser

48 Signalleitung

54 Sensorsignal

80 Programm

82 Speicher

84 Rechenwerk

G Geber

Iu,v,w Phasenstrom

L Läufer

M Drehstrommaschine

N Nordpol

Drehzahl

s Südpol

55 Sanftstarter

st Stator

51 Schritt 1

52 Schritt 2

53 Schritt 3

t Zeit

U Phase, Wicklungsstrang V Phase, Wicklungsstrang W Phase, Wicklungsstrang