DE19532477A1

DE19532477A1 - Verfahren zum Anlassen einer Asynchronmaschine

Info

Publication number: DE19532477A1
Application number: DE19532477A
Authority: DE
Inventors: Petri Schroderus
Original assignee: ABB Industry Oy
Current assignee: ABB Oy
Priority date: 1994-09-09
Filing date: 1995-09-02
Publication date: 1996-03-14
Anticipated expiration: 2015-09-03
Also published as: ITTO950719A0; JPH08103091A; FI944179A; FI97654C; IT1281342B1; GB2293061A; GB2293061B; FR2724508B1; GB9517954D0; JP3263287B2; FI97654B; DE19532477B4; FR2724508A1; ITTO950719A1; FI944179A0; US5654624A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Anlassen einer Asynchronmaschine unabhängig davon, ob der Läufer der Maschine rotiert oder nicht, wenn die Maschine von einem Inverter gespeist wird, der eine separate Moment- und Fluß- oder Moment- und Magnetisie rungsstromregelung aufweist, die schneller ist als die Zeitkonstanten der Asynchronmaschine. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist also nicht einmal eine grobe Schätzung der Drehgeschwindigkeit des Läufers erforderlich. Das Verfahren ist somit geeignet, in Si tuationen angewendet zu werden, in denen der Läufer bei Anlaßbefehl schon rotiert oder keine sichere Kenntnis von der Drehbewegung des Läufers vorhanden ist. Ein zusätzlicher Ausgangspunkt des Verfahrens ist, daß die Maschine keinen bemerkenswerten Restfluß aufweist.

Verfahren zum Anlassen einer Käfigmaschine in einer Situation mit einem rotierenden Läufer ohne Rest fluß sind beispielsweise aus dem DE-Patent 32 02 906 und der DE-Offenlegungsschrift 35 43 983 bekannt. In diesen Verfahren wird eine Frequenzrampe benutzt, mittels deren die Frequenz des Läufers abgetastet wird. Die Verfahren nehmen typischerweise Hunderte von Millisekunden Zeit in Anspruch und sind nicht bei niedrigen Frequenzen zu verlässig. Außerdem ist aus der EP-Offenlegungsschrift 04 69 177 ein Verfahren bekannt, in dem angenommen wird, daß der Läufer einen wahrnehmbaren Remanenzfluß auf weist, mittels dessen die Läuferfrequenz gefunden wird. Im fraglichen Verfahren ist die Berechnungszeit wenig stens zweimal eine Taktperiode des Restflusses, und es funktioniert nicht bei niedrigen Frequenzen von z. B. weniger als 1 Hz.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Anlassen einer Asynchron maschine zustandezubringen, in welchem Verfahren kein Restfluß erforderlich ist und das Finden der Läuferfre quenz einige Millisekunden bis einige zig Millisekunden dauert, was bedeutet, daß das Verfahren bedeutend schneller ist als die alten. Außerdem soll das Verfahren zu Situationen passen, in denen der Läufer langsam ro tiert.

Die obenerwähnten Aufgaben können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens gelöst werden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es Schritte aufweist, in denen Nullmoment als Ziel der Regelung gesetzt wird, eine Spannung von dem Inverter dem Ständer der Maschine zuge führt wird, ein von der Spannung generierter Ständer stromvektor bestimmt wird, ein von der Spannung gene rierter Ständerflußvektor, eine Schätzung davon oder irgendeine andere zum Ständerfluß vergleichbare Größe bestimmt wird, ein vom Ständerflußvektor und Ständer stromvektor verursachtes Moment bestimmt wird und eine Information über das Moment der Regelung gespeist wird, die das gebildete Moment zu nullen versucht, und zwar dadurch, daß sie den Ständerfluß und einen davon erzeug ten Läuferfluß gleichphasig macht und die Speisefrequenz des Inverters somit mit einer eventuellen Rotation des Läufers der Maschine synchronisiert. Im erfindungsgemä ßen Verfahren wird also das Regelsystem des Inverters benutzt, das bei konventioneller Anwendung das Moment und den Fluß oder den Moment- und Magnetisierungsstrom der Asynchronmaschine regelt. Im erfindungsgemäßen Ver fahren wird ein solches Regelsystem dadurch erregt, daß der Maschine ein Stromimpuls zugeführt wird, woraus folgt, daß bei eventueller Rotation der Maschine ein Moment gebildet wird, das von dem Regelsystem wunsch gemäß geregelt werden kann, d. h. im Fall der vorliegen den Erfindung gegen Nullmoment oder einen Zustand, in dem der Ständerfluß und der Läuferfluß gleichphasig sind und in dem die Speisefrequenz des Inverters also mit der eventuellen Rotation des Läufers synchronisiert ist.

Vorzugsweise wird die dem Ständer zuzuführende Spannung so eingestellt, daß der davon erzeugte Ständer strom sich nahe dem Nennwert des Ständerstroms befindet, damit die entstehenden Ständerfluß und Läuferfluß groß genug sein werden.

Im folgenden werden das erfindungsgemäße Ver fahren und dessen theoretischer Hintergrund unter gleichzeitiger Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung ausführlicher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine exemplifikatorische Struktur einer zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Anordnung und

Fig. 2 ein Zeigerdiagramm von Vektorgrößen, die bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gene riert werden.

Im erfindungsgemäßen Verfahren ist eine Infor mation über ein in einer Käfigmaschine entstehendes Moment erforderlich. Es kann wie folgt berechnet werden

wo
T_m = elektrisches Moment
c = konstanter Koeffizient
_s = Ständerfluß
_s = Ständerstrom.

Damit das entstehende Moment berechnet werden kann, muß also außer dem gemessenen Ständerstrom auch der Ständerfluß oder irgendeine dazu vergleichbare Größe bekannt sein. Der Ständerfluß kann mittels der folgen den, allgemein bekannten Differential- und Stromglei chungen des Ständers und des Läufers berechnet werden, die im Ständerkoordinatensystem ausgedrückt wie folgt lauten:

wo
_s = Ständerspannung
R_s = Ständerresistanz
_r = Läuferfluß
_r = Läuferstrom
ω_m = mechanische Drehgeschwindigkeit
R_r = Läuferesistanz
L_s = Ständerinduktanz
L_r = Läuferinduktanz
L_m = Hauptinduktanz.

Aus den obigen Formeln kann für das Derivat des Läufer flusses die folgende Formel (Schlupffrequenz = O) abge leitet werden:

wo

Fig. 1 zeigt ein prinzipielles Blockdiagramm eines zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfah rens geeigneten Systems. Darin wird eine dreiphasige Asynchronmaschine 1 von einem Inverter 2 gespeist, der mit einem Gleichspannungszwischenkreis U_DC verbunden ist. Der Inverter 2 wird mit einem Regelsystem 3 gere gelt, das erfindungsgemäß eine separate Moment- und Fluß- oder Moment- und Magnetisierungsstromregelung haben soll, die schneller ist als die Zeitkonstanten der Ma schine. Als Meßwerte für das Regelsystem 3 werden Strommeßwerte aus zwei in die Maschine 1 eingehenden Phasen entnommen. Diese Ströme sind mit Bezugszeichen i_sa und i_sb in Fig. 1 bezeichnet. Auf der Basis dieser zwei Strommeßwerte ist es möglich, einen in die Maschine eingehenden Ständerstromvektor _s zu bestimmen. Dazu wird die Spannung des Gleichspannungszwischenkreises U_DC gemessen. Auf der Basis der Spannung dieses Gleichspan nungszwischenkreises und der Schalterstellungen des In verters 2 ist das Regelsystem 3 imstande, die im Ständer der Maschine wirkende Ständerspannung und daraus bei spielsweise auf der Basis einer Integration der Ständer spannung den in der Maschine wirkenden Ständerfluß zu bestimmen. Natürlich sind alle allgemein bekannten, rechnerischen Verfahren zur Bestimmung des Ständer flusses, einer Schätzung davon oder irgendeiner zum Ständerfluß vergleichbaren Größe, wie eines Läufer flusses oder Luftspaltflusses, bei der Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich. Das in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 3 bezeichnete Regelsystem wird im Zusammenhang mit dieser Anmeldung nicht ausführlicher beschrieben, weil es von einem in diesem Bereich kon ventionellen Typ ist. Es soll jedoch festgestellt wer den, daß ein solches Regelsystem beispielsweise im EP- Patent 01 79 356 beschrieben wird.

Beim Anlassen einer Asynchronmaschine durch Be nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im ersten Schritt Nullmoment als Ziel des Regelsystems 3 gesetzt. Danach wird von dem Inverter 2 dem Ständer der Maschine 1 Spannung zugeführt. Diese Spannung wird auf einem solchen Pegel zugeführt, daß sie einen Ständerstrom er zeugt, der nahe dem Nennstrom des Ständers des Motors 1 ist. Diesel Ständerstrom und dessen Entstehung werden mit an wenigstens zwei Phasen durchzuführenden Strom messungen verfolgt, wie in Fig. 1 gezeigt wird. Mittels dieser Strommeßwerte ist es möglich, den Ständerstrom vektor _s zu bestimmen, der bei Berechnung des Moments gemäß Gleichung 1 erforderlich ist. Gleichzeitig mit der Zuführung der Ständerspannung wird der Ständerfluß der Maschine beispielsweise mittels des obenerwähnten Pro zesses bestimmt, und in dieser Weise kann das in der Maschine entstehende Moment mit Gleichung 1 berechnet werden. Über das Regelsystem 3 soll noch festgestellt werden, daß wenn darin die schnellste Regelschleife den Magnetisierungsstrom steuert, der gewünschte Ständer strom direkt als Magnetisierungsstromsollwert erteilt werden kann. Wenn wiederum der Ständerfluß gesteuert wird, kann mittels des gewünschten Ständerstroms eine geeignete Ständerflußsollwert berechnet werden:

wo
_ref = Ständerflußsollwert
_ref = gewünschter Ständerstrom.

Wie oben festgestellt wurde, beginnt beim Start des Anlassens auch die Berechnung des entstehenden Mo ments mittels der Formel 1. Wenn der Läufer nicht ro tiert, wird kein Moment gebildet, weil es dabei zwischen dem Ständerfluß und dem Ständerstrom keine Phasendiffe renz gibt und deren Vektorprodukt somit Null ist. In dieser Situation kann mit der Stromzuführung des Stän ders fortgesetzt werden, und der Ständerfluß kann erhöht werden, bis der Motor ausreichend magnetisiert ist und imstande ist, die erteilten Momentsollwerte auszuführen. Dabei kann der Maschine somit ein gewünschter Moment sollwert erteilt werden, und es ist möglich, den bei Verwirklichung des erfindungsgemäßen Anlaßverfahrens erforderlichen Nullmomentsollwert zu verlassen.

Wenn wiederum der Läufer bei erfindungsgemäßem Anlassen des Motors rotiert, wird auch Moment gebildet. Dies basiert darauf, daß beim Rotieren des Läufers zwi schen dem Ständerstrom und Ständerfluß ein Winkelunter schied entsteht, der zur Folge hat, daß deren Vektor produkt nach Formel 1 nicht mehr Null ist. Fig. 2 stellt diese Situation dar, in der der Ständerfluß nach Formel 6 einen kleinen Läuferfluß verursacht hat, der sich beim Rotieren des Läufers wendet und einen Winkel unterschied zwischen dem Ständer- und Läuferflüssen verursacht. Weil jedoch dem Regelsystem Nullmoment als Sollwert erteilt worden ist, versucht die Regelung das entstandene Moment dadurch zu kompensieren, daß sie den Ständerfluß auf den Läuferfluß steuert. In dieser Weise schießt der Ständerfluß zu der Drehgeschwindigkeit des Läuferflusses. Der Ständerfluß erreicht sogar hohe Fre quenzen ohne Verzögerungen, weil er keine Inertia auf weist.

Ein wahrnehmbares Moment wird je schneller gebil det, je schneller der Läufer rotiert und je kleiner die Läuferzeitkonstante ist. Aus Formel 6 ist ersichtlich, daß der Läuferfluß bei typischen Läuferzeitkonstanten Zeit hat, so groß zu wachsen, daß es gelingt, das ent stehende Moment so schnell zu entdecken, daß die Maschi ne nicht einmal bei hohen Frequenzen kippt. Die Moment grenze, nach der der Ständerfluß bewegt werden soll, kann jedoch nicht Null sein, weil bei Strommessung immer Fehler entstehen, die wiederum aus der Momentschätzung nach Formel 1 hervorgehen. Deshalb ist es wichtig, daß das von einem wirklichen, rotierenden Läuferfluß ver ursachte Moment sich von einem von Strommessungsfehlern verursachten Momentgeräusch unterscheidet. Das wird ausdrücklich dadurch erreicht, daß der bei Beginn des Verfahrens dem Ständer zuzuführende Strom groß genug ist und die in dieser Weise entstehenden Ständer- und Läu ferflüsse auch so groß sind, daß Messungsfehler zuver lässig vermieden werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch ge kennzeichnet, daß die Käfigmaschine gleich nach der Erzeugung des Ständerstroms und des Ständerflusses völ lig regelbar ist. Das zu benutzende Moment soll jedoch wegen der Kippgefahr beschränkt werden, und das Nenn moment kann nicht benutzt werden, bevor der Ständerfluß auf den nominellen erhöht worden ist.

Claims

1. Verfahren zum Anlassen einer Asynchronmaschi ne unabhängig davon, ob der Läufer der Maschine (1) ro tiert oder nicht, wenn die Maschine von einem Inverter (2) gespeist wird, der eine separate Moment- und Fluß- oder Moment- und Magnetisierungsstromregelung (3) auf weist, die schneller ist als die Zeitkonstanten der Asynchronmaschine, dadurch gekennzeich net, daß das Verfahren Schritte aufweist, in denen Nullmoment all Ziel der Regelung (3) gesetzt wird,
eine Spannung von dem Inverter (2) dem Ständer der Maschine zugeführt wird,
ein von der Spannung generierter Ständerstrom vektor (_s) bestimmt wird,ein von der Spannung generierter Ständerflußvek tor (_s), eine Schätzung davon oder irgendeine andere zum Ständerfluß vergleichbare Größe bestimmt wird,ein vom Ständerflußvektor (_s) und Ständerstrom vektor (_s) verursachtes Moment (T_m) bestimmt wird und
eine Information über das Moment (T_m) der Rege lung gespeist wird, die das gebildete Moment zu nullen versucht, und zwar dadurch, daß sie den Ständerfluß (_s) und einen davon erzeugten Läuferfluß (_r) gleichphasig macht und die Speisefrequenz des Inverters somit mit einer eventuellen Rotation des Läufers der Maschine synchronisiert.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Ständer zuzu führende Spannung so eingestellt wird, daß der dadurch erzeugte Ständerstrom (i_s) nahe seinem Nennwert ist.