DE19943663A1 - Verfahren zum Abbremsen eines frequenzumrichtergesteuerten Asynchronmotors - Google Patents
Verfahren zum Abbremsen eines frequenzumrichtergesteuerten AsynchronmotorsInfo
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Abstract
Zum Abbremsen eines frequenzumrichtergesteuerten Asynchronmotors wird dieser mit einer Wechselspannung beaufschlagt, deren Frequenz kleiner als etwa die Hälfte der aktuellen Motordrehzahlfrequenz ist. Hierdurch wird ein hohes Bremsmoment erreicht, jedoch verhindert, dass vom Motor generierte Energie in den Zwischenkreis des Frequenzumrichters eingespeist wird.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abbremsen eines frequenzumrichter
gesteuerten Asynchronmotors gemäß den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebe
nen Merkmalen sowie einen solchen Motor gemäß den im Oberbegriff des An
spruchs 13 angegebenen Merkmalen.
Auch wenn heutzutage Frequenzumrichter aufgrund der modernen Halbleitertechnik
so kompakt ausgestaltet werden können, dass sie am oder im Motorgehäuse inte
griert werden können, so stößt die Miniaturisierung dort an ihre Grenzen, wo
elektronische Bauteile, wie beispielsweise Leistungswiderstände oder Kondensato
ren hoher Kapazität, eingesetzt werden müssen.
Frequenzumrichter zur Steuerung von Asynchronmotoren bestehen heutzutage übli
cherweise aus einem Eingangs- bzw. Gleichrichterkreis, in dem eine ein- oder
mehrphasige Versorgungsspannung gleichgerichtet wird, einem Zwischenkreis und
einem Leistungskreis bzw. Wechselrichterkreis, in dem mittels elektronischer
Leistungsschalter die für den Motor gewünschte Spannungsversorgung erzeugt wird,
sowie gegebenenfalls einen Steuer- und Regelkreis. Während man bei geeigneter
Kühlung den Gleichrichter- und den Wechselrichterkreis inzwischen hochgradig
miniaturisieren kann, ergeben sich hier erhebliche Probleme bezüglich des Zwi
schenkreises, insbesondere der dort üblicherweise erforderlichen hohen Kapazitä
ten. Diese Kondensatoren sind sozusagen als Puffer erforderlich, um die vom Motor
erzeugte und in den Frequenzumrichter eingespeiste elektrische Energie aufzuneh
men, ohne dass die empfindlichen elektronischen Bauteile des Frequenzumrichters
Schaden nehmen. Diese Einspeisung von elektrischer Energie aus dem Motor in den
Frequenzumrichter erfolgt insbesondere im Schubbetrieb, wenn der Motor durch
entsprechende Signalbeaufschlagung gezielt elektrisch abgebremst wird.
Es ist bekannt, den Motor zum Zwecke des Abbremsens mit einer Gleichspannung
zu beaufschlagen. Das Bremsmoment bei einer solchen Ansteuerung ist jedoch
vergleichsweise gering, d. h. die Zeit bis zum Stillstand des Motors bzw. bis zum
Absinken der Motordrehzahl auf eine gewünschte niedrige Drehzahl ist vergleichs
weise lang.
Es ist auch bekannt, den Motor zum Zwecke des Abbremsens mit einer Wechsel
spannung zu beaufschlagen, da bei geeigneter Wahl der Wechselspannung ein
wesentlich höheres Bremsmoment im Vergleich zur Gleichspannungsbeaufschlagung
erreicht werden kann. Hierbei wird jedoch durch Induktion im Motor erzeugte
elektrische Energie in den Frequenzumrichter eingespeist, weshalb es regelmäßig
erforderlich ist, den Zwischenkreis entsprechend zu dimensionieren bzw. einen
sogenannten Chopper vorzusehen, in dem die Leistungsspitzen über Kondensatoren
und Leistungswiderstände abgebaut werden. Diese elektrischen bzw. elektronischen
Bauteile bedingen jedoch eine erhebliche Baugröße des Zwischenkreises und damit
des gesamten Frequenzumrichters.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum
Abbremsen eines frequenzumrichtergesteuerten Asynchronmotors zu schaffen, das
einerseits das gewünschte hohe Bremsmoment erzeugt, andererseits jedoch mög
lichst wenig Energie in den Frequenzumrichter einspeist, so dass dieser kompakt
und kleinbauend ausgelegt werden kann.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die in Anspruch 1 angegebenen
Merkmale gelöst. Ein entsprechend ausgestalteter Motor ist durch die in Anspruch
13 angegebenen Merkmale bestimmt. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Motor zum Ab
bremsen mit einer Wechselspannung anzusteuern und dieses frequenzmäßig so
auszuwählen, dass zwar einerseits ein gegenüber einer Gleichspannungsansteuerung
höheres Bremsmoment erzeugt wird, andererseits jedoch keine vom Motor in den
Zwischenkreis des Frequenzumrichters eingespeiste Energie in diesem gespeichert
wird. Dabei wird die Wechselspannung vorzugsweise so gewählt, dass vom Motor
keine Energie in den Zwischenkreis des Frequenzumrichters eingespeist wird. Unter
den Begriff keine Energie im Sinne der Erfindung fällt auch eine geringe, in der
Größenordnung jedoch vernachlässigbar kleine Energie, wie sie beispielsweise
zumindest zu Messzwecken eingespeist werden muss, um eine entsprechende Rege
lung aufbauen zu können, welche die Wechselspannung entsprechend der jeweiligen
Drehzahl frequenzmäßig so anpasst, dass keine Energie in den Zwischenkreis
eingespeist wird. Es versteht sich, dass die vor- und nachstehenden Betrachtungen
davon ausgehen, dass die Zwischenkreisspannungen, unabhängig von der Frequenz,
betragsmäßig gleich sind. Das erfindungsgemäße Verfahren kann noch dadurch
verbessert werden, dass die Zwischenkreisspannungen in Abhängigkeit des aktuel
len Motorzustands ebenfalls verändert werden.
Dieser allgemeine Gedanke, die zum Abbremsen an den Motor angelegte Wechsel
spannung frequenzmäßig so auszulegen, dass keine vom Motor generierte Spannung
den Zwischenkreis des Frequenzumrichters beaufschlagt, wird durch die konkrete
Regel ausgefüllt, welche besagt, dass die Frequenz der zum Bremsen des Motors an
diesen angelegten Wechselspannung größer als 0 und kleiner als ωb sein muss,
wobei
Hierbei steht RS für den Statorwiderstand, Rr für den Rotorwiderstand, ωr für die
aktuelle Motordrehzahl und σ für den Verlustfaktor des Rotors. Bei modernen
Motoren, die für einen guten Wirkungsgrad ausgelegt sind, strebt der Verlustfaktor
σ des Rotors gegen 0. Der Rotorwiderstand entspricht etwa dem Statorwiderstand,
so dass sich unter diesen Voraussetzungen grob vereinfacht ergibt, dass ωb etwa halb
so groß wie ωr ist. Es kann also vereinfacht eine Ansteuerfrequenz gewählt werden,
die größer als 0 und kleiner als 0,5 ωr ist, wobei zweckmäßigerweise Ansteuer
frequenz ωS in einem Bereich gewählt wird, der zwischen 0,8 und dem 0,95-fachen
von ωb liegt. Die Bremswirkung ist umso größer, je näher die Frequenz ωS an die
Frequenz ωb herankommt. Andererseits ist es geboten, einen gewissen Sicherheits
abstand zu ωb einzuhalten, um sicher zu stellen, dass ωS stets kleiner als ωb ist und
somit keine vom Motor generierte Energie in den Frequenzumrichter, insbesondere
den Zwischenkreis desselben gelangt.
Vor diesem Hintergrund ist es erklärlich, dass ein hohes Bremsmoment dadurch
erreicht werden kann, dass die aktuelle Motordrehzahl ermittelt und ωb errechnet
wird, so dass ωS stets in geringem Abstand zu ωb gehalten werden kann. Die Motor
drehzahl kann entweder durch externe Sensorik oder auch dadurch ermittelt werden,
dass der Motor vom Versorgungsnetz getrennt wird und dann die Drehzahl anhand
des vom Motor induzierten Signals ermittelt wird. Wie dies insbesondere unter
Einbeziehung des Frequenzumrichters erfasst werden kann, ist beispielsweise in DE
196 50 403 A1 beschrieben, auf die hier zur Vermeidung von Wiederholungen
ausdrücklich hingewiesen sei.
Nach Ermittlung der aktuellen Drehzahl ωr wird dann über einen Mikroprozessor ωb
und damit die Frequenz ωS ermittelt. Zweckmäßigerweise erfolgt dieser Vorgang in
kurzen zeitlichen Abständen, wobei die zeitlichen Abstände umso kürzer sein
müssen, je geringer der Abstand zwischen ωS und ωb gewählt ist um sicher zu
stellen, dass keine Energie in den Zwischenkreis des Frequenzumrichters einge
speist wird. Es wird also in vorgegebenen Abständen die aktuelle Motordrehzahl
ermittelt, ωb bzw ωS errechnet und die Ansteuerfrequenz an die aktuelle Motor
drehzahl angepasst, bis die gewünschte Motordrehzahl erreicht ist.
Statt einer Messung in vorgegebenen Zeitintervallen kann auch durch entsprechende
Sensorik im Frequenzumrichter ermittelt werden, wann die Energieeinspeisung vom
Motor in den Frequenzumrichter, insbesondere in den Zwischenkreis beginnt und
dann die Messung der aktuellen Motordrehzahl und Anpassung der Ansteuerfrequenz
ωS erfolgen. Es versteht sich, dass die hierzu im Frequenzumrichter vorgesehene
Sensorik so feinfühlig ausgelegt ist, dass keine Gefahr von Beschädigungen der
Frequenzumrichterelektronik durch diese Einspeisung besteht.
Durch das erfindungsgemäße Ansteuerverfahren wird der Zwischenkreiskondensator
nicht verzichtbar werden, er wird jedoch in seiner Dimension um ein beträchtliches
Maß verkleinert werden können. So kann denn auch der Ladezustand des Zwischen
kreiskondensators und insbesondere der Ladestrom als Indikator dafür herangezogen
werden, ob vom Motor Energie in den Zwischenkreis eingespeist wird oder nicht
und zur Anpassung von ωS genutzt werden. Auf diese Weise kann eine feinfühlige
Regelung aufgebaut werden, ohne dass eine Drehzahlmessung erfolgt oder ωb
berechnet werden muss. So kann zum Beispiel zum Beginn des Abbremsens die
Ansteuerfrequenz ωS geschätzt werden, so dass sie zuverlässig unterhalb von ωb
liegt, dann so lange kontinuierlich oder in Stufen erhöht werden, bis vom Motor
Energie in den Zwischenkreis geliefert wird, wonach die Ansteuerfrequenz ωS
wieder abgesenkt wird. Dieses Verfahren kann wiederholt werden, bis die ge
wünschte Motordrehzahl erreicht ist.
Zweckmäßigerweise wird die entsprechende Steuerung bzw. Regelung in den
Frequenzumrichter integriert, der seinerseits im oder am Motorgehäuse angeordnet
sein kann. Da der Zwischenkreiskondensator des Frequenzumrichters sehr klein
ausgebildet werden kann und auf Leistungswiderstände im Zwischenkreis völlig
verzichtet werden kann, kann die Baugröße des Frequenzumrichters im Vergleich zu
bekannten deutlich verringert werden.
Der grundsätzliche Aufbau der Steuerung nebst Frequenzumrichter ist anhand von
Fig. 1 im einzelnen dargestellt. Ein Gleichrichterkreis 1 bilden den Eingangskreis
des Frequenzumrichters, in dem die Wechselspannung des Versorgungsnetzes 2, in
der Regel ein Drehstromnetz, gleichgerichtet wird. Dem Gleichrichterkreis 1
nachgeschaltet ist ein Zwischenkreis 3, der mindestens einen Kondensator 4 beinhal
tet, um dessen Dimensionierung es bei der vorliegenden Erfindung geht. Dieser
Kondensator 4 dient als Puffer für Spannungsspitzen und schützt die gesamte Elek
tronik des Frequenzumrichters vor Überlastung. An den Zwischenkreis 3 schließt
sich ein Leistungskreis 5 an, der insbesondere bei der hier dargestellten Dreiphasen-
Drehstromausführung aus insgesamt sechs elektronischen Leistungsschaltern 6
besteht, zu denen parallel jeweils eine Freilaufdiode 7 in an sich bekannter Weise
geschaltet ist. Der Ausgang des Leistungskreises 5 ist mit einem Asynchronmotor,
hier einem Dreiphasen-Drehstrom-Asynchronmotor 8 verbunden. Die Steuerung der
Leistungsschalter 6 erfolgt über eine Steuerung 9, die auch als Regelung ausgelegt
sein kann und die darüber hinaus zur Erfassung des Ladezustandes des Kondensators
4 bzw. des diesem zugeführten Ladestromes ausgelegt sein kann, um die
Leistungsschalter 6 mit einer Frequenz ωS anzusteuern, mit der ein möglichst großes
Bremsmoment erzeugt, andererseits jedoch keine Energie vom Motor in den Zwi
schenkreis gespeist wird.
Der Kondensator 4 ist so dimensioniert, dass er Spannungsspitzen aufnehmen kann,
die durch Schaltvorgänge im Leistungskreis 5 ausgelöst werden. Er ist jedoch nicht
zur Aufnahme von elektrischer Energie aus dem Motor ausgelegt, weshalb er eine
vergleichsweise kleine Kapazität haben kann.
Aus Fig. 2 ist ersichtlich, welches vergleichsweise hohe Bremsmoment mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren erzeugbar ist. Dabei zeigt die Kurve A das normierte
Bremsmoment (Ordinate) aufgetragen über der normierten Motordrehzahl (Ab
szisse) bei Gleichstrombeaufschlagung, die Kurve B bei Wechselspannungsbeauf
schlagung nach dem Stand der Technik und die Kurve C bei einer Wechselspan
nungsbeaufschlagung gemäß der Erfindung, bei der die Frequenz der Wechsel
spannung ωS kleiner als ωb gewählt wird. Hieraus ist ersichtlich, was auch rechne
risch nachweisbar ist, dass das Bremsmoment bei der erfindungsgemäßen An
steuerung bis zu zwei mal höher als bei der Gleichspannungsansteuerung sein kann.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, kann zwar bei einer Wechselspannungsbeaufschlagung
nach dem Stand der Technik beispielsweise gemäß Kurve B das Bremsmoment noch
höher als bei der erfindungsgemäßen Beaufschlagung sein, doch erfolgt dabei stets
die Einspeisung vom im Motor generierter elektrischer Energie in den Zwischen
kreis, was bei der erfindungsgemäßen Frequenzbeaufschlagung gerade vermieden
wird.
In Fig. 3 ist das normierte Bremsmoment bei einer konstanten Drehzahl in Abhängig
keit der normierten Ansteuerfrequenz ωS aufgetragen. Diese Kurve zeigt deutlich,
dass das Bremsmoment mit wachsender Frequenz ωS stetig ansteigt, weshalb es auch
erklärlich ist, dass ωS möglichst nahe an ωb liegend gewählt werden sollte, um ein
möglichst hohes Bremsmoment bei Vermeidung von Energieeinspeisung in den
Zwischenkreis zu erzeugen.
Anhand von Fig. 4 ist dargestellt, wie die Energiezufuhr bzw. -abfuhr aus dem
Motor je nach Ansteuerfrequenz ωS erfolgt. Dabei bedeutet ein negativer Wert auf
der Ordinate, dass der Motor Energie aufnimmt und umgekehrt ein positiver Wert,
dass der Motor Energie abgibt, die vom Zwischenkreis 3 des Frequenzumrichters
aufzunehmen ist. Wie aus der Fig. 4 deutlich hervorgeht, ist im Bereich zwischen 0
und ωb lediglich eine Energieaufnahme des Motors und im Bereich von ωS bis zur
aktuellen Drehzahl eine Abgabe von Energie aus dem Motor festzustellen.
Das erfindungsgemäße Prinzip kann prinzipiell auch bei einem Mehrphasenmotor
nur durch Beaufschlagung einer Phase erreicht werden. Vorteilhaft ist es jedoch,
stets alle Phasen gleichmäßig zu beaufschlagen, da dann auch die Wärmebelastung
des Motors gleichmäßig ist. Entsprechendes gilt natürlich auch für den Leistungs
kreis 5 des Frequenzumrichters. Da der cosϕ nahe Null ist, werden die Verluste
weitgehend von den Freilaufdioden aufgenommen. Diese können jedoch bei geringen
Kosten und insbesondere auch geringer Baugröße entsprechend dimensioniert
werden.
Claims (16)
1. Verfahren zum Abbremsen eines frequenzumrichtergesteuerten Asynchron
motors, bei dem der Motor mit einem Bremssignal beaufschlagt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Phase des Motors mit einer
solchen Wechselspannung angesteuert wird, dass keine in den Zwischen
kreis des Frequenzumrichters eingespeiste Energie im Zwischenkreis ge
speichert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor mit
einer solchen Wechselspannung angesteuert wird, dass er keine Energie in
den Zwischenkreis des Frequenzumrichters einspeist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, dass der Motor zum Abbremsen mit einer Wechselspannung der
Frequenz ωS (Ansteuerfrequenz) angesteuert wird, die wie folgt definiert ist:
0 < ωS < ωb wobei
und wobei RS der Statorwiderstand, Rr der Rotorwiderstand, ωr die Motor drehzahl und σ den Verlustfaktor des Rotors darstellen.
0 < ωS < ωb wobei
und wobei RS der Statorwiderstand, Rr der Rotorwiderstand, ωr die Motor drehzahl und σ den Verlustfaktor des Rotors darstellen.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, dass die Frequenz cos wie folgt gewählt wird:
0,8ωb < ωS < 0,95ωb
0,8ωb < ωS < 0,95ωb
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, dass die Frequenz ωS wie folgt gewählt wird:
0 < ωS < 0,5 . ωr
0 < ωS < 0,5 . ωr
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, dass der Motor vor der Bremsansteuerung vom Versorgungsnetz
getrennt und seine aktuelle Drehzahl ωr zur Berechnung von ωb ermittelt
wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, dass die Messung von ωr und die Berechnung von ωb in zeitlichen
Abständen wiederholt und die Ansteuerfrequenz ωS an die aktuelle Motor
drehzahl angepasst wird, bis die gewünschte Motordrehzahl erreicht ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, dass die Berechnung von ωb und die Anpassung der Ansteuer
frequenz ωS an die aktuelle Motordrehzahl erfolgt, sobald der Motor Energie
an den Zwischenkreis liefert.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, dass die Berechnung von ωb und die Anpassung der Ansteuer
frequenz ωS an die aktuelle Motordrehzahl erfolgt, sobald ein Zwischen
kreiskondensator eines den Motor ansteuernden Frequenzumrichters durch
den im Motor generierten Strom geladen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle der
Berechnung von ωb die Ansteuerfrequenz ωS zunächst so abgeschätzt und
gewählt wird, dass sie kleiner als ωb ist.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, dass die Ansteuerfrequenz ωS zunächst so abgeschätzt und gewählt
wird, dass sie kleiner als ωb ist und dass dann die Ansteuerfrequenz ωS
solange erhöht wird, bis der Motor Energie in den Zwischenkreis liefert.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, dass die Ansteuerfrequenz ωS zunächst so abgeschätzt und gewählt
wird, dass sie kleiner als ωb ist und dass dann die Ansteuerfrequenz ωS
solange erhöht wird, bis der Zwischenkreiskondensator des den Motor
ansteuernden Frequenzumrichters durch den im Motor generierten Strom
geladen wird, und dass dann die Ansteuerfrequenz in Abhängigkeit dieses
Stromes abgesenkt wird.
13. Frequenzumrichtergesteuerter Asynchronmotor mit einer Steuerung (9),
welche den Motor (8) zum Zwecke des Abbremsens mit einem Bremssignal
beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (9) den Motor (8)
mit einem Wechselspannungssignal beaufschlagt, dessen Frequenz ωS so
ausgelegt ist, dass keine vom Motor in den Zwischenkreis (3) gespeiste
Energie im Zwischenkreis des Frequenzumrichters gespeichert wird.
14. Asynchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steue
rung (9) den Motor (8) mit einem Wechselspannungssignal beaufschlagt,
dessen Frequenz ωS so ausgelegt ist, dass keine Energie vom Motor in den
Zwischenkreis (3) des Frequenzumrichters gespeist wird.
15. Frequenzumrichter für einen Asynchronmotor mit einem Gleichrichterkreis
(1), einem Zwischenkreis (3) und mit einem Leistungskreis (5) sowie ggf.
einem Steuer- und/oder Regelkreis (9), wobei der Zwischenkreis (3) minde
stens einen Kondensator (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der
Kondensator (4) nur zur Aufnahme der bei den Schaltvorgängen im Lei
stungskreis (5) auftretenden Spannungsspitzen, nicht jedoch zur Aufnahme
von im Motor generierter elektrischer Energie dimensioniert ist.
16. Asynchronmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, dass die Steuerung die Ansteuerfrequenz absenkt, sobald ein
Zwischenkreiskondensator durch den im Motor generierten Strom geladen
wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1999143663 DE19943663A1 (de) | 1999-09-13 | 1999-09-13 | Verfahren zum Abbremsen eines frequenzumrichtergesteuerten Asynchronmotors |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1999143663 DE19943663A1 (de) | 1999-09-13 | 1999-09-13 | Verfahren zum Abbremsen eines frequenzumrichtergesteuerten Asynchronmotors |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19943663A1 true DE19943663A1 (de) | 2001-03-22 |
Family
ID=7921745
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1999143663 Ceased DE19943663A1 (de) | 1999-09-13 | 1999-09-13 | Verfahren zum Abbremsen eines frequenzumrichtergesteuerten Asynchronmotors |
Country Status (1)
Country | Link |
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