Current oversampling for machine self sensing and insulation condition monitoring

Abstract

Der Einsatz von drehzahlvariablen Anrieben mit Spannungszwischenkreisumrichtern in immer mehr Anwendungsbereichen führt zu neuen Anforderungen an die Betriebseigenschaften des Antriebs. Der Wunsch nach hoher Zuverlässigkeit wird immer wichtiger, da Antriebe mehr und mehr in sicherheitskritischen Anwendungen eingesetzt werden. Außerdem werden sie immer öfter nahe und über ihren Nennauslegungspunkten eingesetzt. Um diese Anforderung zu erfüllen, können verschiedene Strategien eingesetzt werden. Fehlertolerante Auslegung des Antriebssystems und der Regelungsalgorithmen, sowie Fehlererkennung und andauernde Zustandsüberwachung sind Möglichkeiten, die Zuverlässigkeit von Antriebssystemen zu steigern. Obwohl elektrische Maschinen im Allgemeinen sehr zuverlässig sind, können Fehler, welche in der Maschine selbst auftreten, zu einem Ausfall des Antriebssystems führen. Sehr häufige Ursachen für einen Ausfall sind Probleme mit dem Isolationssystem dieser. Auf der anderen Seite können auch Probleme mit den restlichen Antriebskomponenten, wie beispielsweise mit den Sensoren, die für die Antriebsregelung notwendig sind, zu einem Ausfall führen. Einer dieser Sensoren ist der Lagegeber. Die Anwendung von sogenannten sensorlosen Verfahren führt zu erhöhter Zuverlässigkeit, verringerten Kosten und verringerter Baugröße. Die oben besprochenen Anforderungen an moderne Antriebssysteme führten zur Entwicklung eines Zustandsüberwachungsverfahren und einer Methode zur Erfassung der Signale, welche für die Implementierung eines sensorlosen Regelungsverfahrens notwendig sind. Beide Methoden werden in der vorliegenden Arbeit vorgestellt. Beide Verfahren beruhen auf der Überabtastung des Stroms. Die vorgestellte Methode zur Erfassung der Signale für die sensorlose Regelung basiert auf der Elimination der Überschwinger im Strom nach einer Umrichterschalthandlung durch Überabtastung. Es ist eine Integration der Methode in die PWM-Anregung möglich. Das Zustandsüberwachungsverfahren, welches in der vorliegenden Arbeit präsentiert wird, basiert auf der Auswertung der Überschwinger, welche unmittelbar nach einer Schalthandlung durch den Umrichter im Strom auftreten. Diese Signale werden zur Beurteilung des Zustands des Isolationssystems der Maschine verwendet.

| The use of adjustable speed drives fed by voltage source inverters in an increasing field of applications leads to new requirements on the drive’s performance and capabilities. The demand for high reliability becomes more and more important as the drives are operated near and above their rated values and are used in safety critical appliances. Different strategies can be applied to meet this requirement. Fault tolerant design of the drive system and control algorithms, as well as fault detection and continuous condition monitoring are ways to increase the reliability of the drive system. Although electrical machines are generally highly reliable, faults occurring in the machine itself may lead to breakdown of the drive system. One very common cause for machine outage is due to faults related with the stator’s insulation system. On the other hand problems with the other drive components like sensors needed for control can lead to drive break down. One of these sensors is the position encoder. So-called sensorless methods can be implemented to increase reliability, reduce cost and outer dimension. The above stated requirements for modern drive systems led to the development of both – a condition monitoring method and a technique to acquire the signals needed for sensorless controlled operation of electrical machines. Both methods are presented in the thesis at hand. The similarity of the presented methods is that both are based on current oversampling. The proposed sensorless control method is based on eliminating the signal ringing in the current after inverter switching by oversampling. Integration of the method into the PWM-excitation and thus, non-invasive sensorless control is possible. The developed condition monitoring method presented in the thesis at hand is based on evaluating the current oscillation immediately after inverter switching transitions. These signals are used to assess the condition of the machine’s insulation system.