DE19943663A1

DE19943663A1 - Verfahren zum Abbremsen eines frequenzumrichtergesteuerten Asynchronmotors

Info

Publication number: DE19943663A1
Application number: DE1999143663
Authority: DE
Inventors: Pierre Vadstrup
Original assignee: Grundfos AS
Current assignee: Grundfos AS
Priority date: 1999-09-13
Filing date: 1999-09-13
Publication date: 2001-03-22

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 ω_b sein muss, wobei

Hierbei steht R_S für den Statorwiderstand, R_r für den Rotorwiderstand, ω_r 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 ω_b etwa halb so groß wie ω_r ist. Es kann also vereinfacht eine Ansteuerfrequenz gewählt werden, die größer als 0 und kleiner als 0,5 ω_r ist, wobei zweckmäßigerweise Ansteuer frequenz ω_S in einem Bereich gewählt wird, der zwischen 0,8 und dem 0,95-fachen von ω_b liegt. Die Bremswirkung ist umso größer, je näher die Frequenz ω_S an die Frequenz ω_b herankommt. Andererseits ist es geboten, einen gewissen Sicherheits abstand zu ω_b einzuhalten, um sicher zu stellen, dass ω_S stets kleiner als ω_b 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 ω_b errechnet wird, so dass ω_S stets in geringem Abstand zu ω_b 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 ω_r wird dann über einen Mikroprozessor ω_b und damit die Frequenz ω_S ermittelt. Zweckmäßigerweise erfolgt dieser Vorgang in kurzen zeitlichen Abständen, wobei die zeitlichen Abstände umso kürzer sein müssen, je geringer der Abstand zwischen ω_S und ω_b 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, ω_b bzw ω_S 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 ω_S 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 ω_S genutzt werden. Auf diese Weise kann eine feinfühlige Regelung aufgebaut werden, ohne dass eine Drehzahlmessung erfolgt oder ω_b berechnet werden muss. So kann zum Beispiel zum Beginn des Abbremsens die Ansteuerfrequenz ω_S geschätzt werden, so dass sie zuverlässig unterhalb von ω_b liegt, dann so lange kontinuierlich oder in Stufen erhöht werden, bis vom Motor Energie in den Zwischenkreis geliefert wird, wonach die Ansteuerfrequenz ω_S 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 ω_S 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 ω_S kleiner als ω_b 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 ω_S aufgetragen. Diese Kurve zeigt deutlich, dass das Bremsmoment mit wachsender Frequenz ω_S stetig ansteigt, weshalb es auch erklärlich ist, dass ω_S möglichst nahe an ω_b 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 ω_S 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 ω_b lediglich eine Energieaufnahme des Motors und im Bereich von ω_S 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

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 ω_S (Ansteuerfrequenz) angesteuert wird, die wie folgt definiert ist:
0 < ω_S < ω_b wobei
und wobei R_S der Statorwiderstand, R_r der Rotorwiderstand, ω_r 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:
0,8ω_b < ω_S < 0,95ω_b

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Frequenz ω_S wie folgt gewählt wird:
0 < ω_S < 0,5 . ω_r

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass der Motor vor der Bremsansteuerung vom Versorgungsnetz getrennt und seine aktuelle Drehzahl ω_r zur Berechnung von ω_b ermittelt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Messung von ω_r und die Berechnung von ω_b in zeitlichen Abständen wiederholt und die Ansteuerfrequenz ω_S 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 ω_b und die Anpassung der Ansteuer frequenz ω_S 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 ω_b und die Anpassung der Ansteuer frequenz ω_S 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 ω_b die Ansteuerfrequenz ω_S zunächst so abgeschätzt und gewählt wird, dass sie kleiner als ω_b ist.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Ansteuerfrequenz ω_S zunächst so abgeschätzt und gewählt wird, dass sie kleiner als ω_b ist und dass dann die Ansteuerfrequenz ω_S solange erhöht wird, bis der Motor Energie in den Zwischenkreis liefert.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Ansteuerfrequenz ω_S zunächst so abgeschätzt und gewählt wird, dass sie kleiner als ω_b ist und dass dann die Ansteuerfrequenz ω_S 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 ω_S 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 ω_S 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.