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Regelverfahren für tacholose, umrichtergespeiste
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Asynchronmaschinenantriebe Die Erfindung betrifft Regelverfahren
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Bei solchen Verfahren wird die Ständerspannung
U1 über den Spannungsregelkreis mit unterlagerter Stromregelung so vorgegeben, daß
der Maschinenfluß lastunabhängig möglichst konstant bleibt. Amplitude und Frequenz
der Umrichterausgangsgrdßen können über Steuersignale verändert werden. Verfahren
dieser Art sind bekannt und z.B. in den Technischen Mitteilungen AEG 1979, Nr. 5/6,
S. 192 - 196 und in der DE-OS 24 18 322 beschrieben.
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Für Frequenzen f1 o O also den Anfahrbereich, versagt die im Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 angegebene Art der Regelung zur Konstanthaltung des Maschinenflusses,
weil in diesem Frequenzbereich der Lastzustand der Maschine am Spannungs-Isttert
nicht mehr meßbar ist. Der Spannungsregler gibt folglich falsche Stromsollwerte
in bezug auf den Lastzustand der Maschine aus, so daß diese entweder übersättigt
wird oder untersättigt wird und abkippt. Unter Abkippen wird hierbei ein Betriebszustand
verstanden, bei dem der Maschinenfluß schwindet und die Maschine trotz hoher Stromaufnahme
keine nennenswerten Momente mehr entwickelt.
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Für das Anfahren muß der Asynchronmaschinenantrieb folglich auf andere
Weise geregelt werden. Bei den bekannten Verfahren geschieht dies so, daß zum Anfahren
eine Mindestfrequenz f1 min) ° vorgegeben und dieser Mindestfrequenz ein solcher
Spannungswert
U1 min zugeordnet wird, daß die Maschine im Anfahrbereich näherungsweise Nennfluß
aufweist. Dies ist insofern nachteilig, als je nach Motordaten und Erfordernissen
der Arbeitsmaschine eine exakte Abstimmung der zwei Größen min und U1 min er folgen
muß, um das notwendige Anfahrmoment zu erzielen. Bei dem in der DE-OS 24 18 322
beschriebenen Regelverfahren beeinflussen sich die angegebenen Mindestwerte auch
noch gegenseitig. Infolge der beschriebenen Nachteile ist es häufig erforderlich,
daß bei Wechsel von Antriebsmaschine und/oder Arbeitsmaschine eine Neueinstellung
für den Anfahrbereich vorgenommen werden muß, die infolge der komplexen Zusammenhänge
nur speziell geschultes Personal durchführen kann.
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Ein weiterer Nachteil der bekannten Verfahren besteht darin, daß sich
Fehleinstellungen ungünstig auswirken: - Im Fall der Untersättigung kippt die Asynchronmaschine
bei Belastung und bleibt im gekippten Zustand momentenlos stehen, bis der Antrieb
neu gestartet wird.
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- Im Fall großer Übersättigung kann die Maschine einen so hohen Blindstrom
aufnehmen, daß der Gerätegrenzstrom erreicht wird; die üblicherweise übergeordnete
Strombegrenzungsregelung versucht, durch Frequenz absenkung den Maschinenstrom unter
dem Grenzstrom zu halten. Dies ergibt einen Grenzzyklus, bei dem kein geordneter
Betrieb mehr möglich ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Anfahren des Asynchronmaschinenantriebes
in Verbindung mit Regelverfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so
zu bewirken, daß bei einem Wechsel der Arbeitsmaschine und/oder der Antriebsmaschine
die nötige Anpassung der Regelung auf einfache Weise auch von hierfür nicht besonders
geschultem Personal vorgenommen werden kann und eventuelle anfängliche Fehleinstellungen
keine
kritischen Auswirkungen auf den Asynchronmaschinenantrieb und dessen Funktionsweise
haben.
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Die vorstehende Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs
1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Regelverfahren wird im Frequenzbereich von
Null bis zu einer Grenzfrequenz der überlagerte Spannungsregler stillgelegt und
der Stromsollwert nicht mehr vom Spannungsregler, sondern an einer anderen einstellbaren
Spannungsquelle, z.B. einem Potentiometer, vorgegeben. Ab der Grenzfrequenz wird
dann der Spannungsregler freigegeben und der Stromsollwert nunmehr vom Spannungsregler
je nach Lastzustand der Maschine bestimmt. Die Grenzfrequenz ist dabei so hoch zu
wählen, daß ab dieser Frequenz der Lastzustand der Maschine über die Maschinenspannung
beobachtet werden kann.
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Für übliche Maschinendaten liegt diese Grenzfrequenz im Bereich 3
- 5 Hz.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es von Vorteil, daß für die
Einstellung des Anfahrmomentes nur noch eine Größe, nämlich der Stromsollwert, maßgeblich
ist. Die Einstellung des Anfahrmomentes ist damit sehr einfach und kann auch von
ungeschultem Personal vorgenommen werden. Anfängliche Fehleinstellungen hinsichtlich
einer Untersättigung, d.h. zu kleiner Stromsollwert, sind durch Erhöhung des Anfahrstroms
leicht zu korrigieren. Ebenso leicht sind Fehleinstellungen hinsichtlich einer Übersättigung,
d.h. zu großer Stromsollwert, durch Verkleinern des Anfahrstroms zu beseitigen und
beeinträchtigen insbesondere den Anfahrvorgang nicht, abgesehen vom höheren Geräuschpegel
der Maschine.
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Besonders einfach gestaltet sich der Einstellvorgang bei Anwendung
der Maßnahme gemäß Patentanspruch 2, die es auch gestattet, je nach den Erfordernissen
der Arbeitsmaschine ein großes oder ein kleines Anfahrmoment vorzugeben.
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Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren neben der Stromamplitude
gemäß Patentanspruch 3 auch die Frequenzanstiegsgeschwindigkeit einstellbar eingerichtet,
so daß der Anfahrbereich mit dem für den vorgegebenen Strom max. mögliche Maschinenmoment
in Anpassung an die Beschleunigungsreserve und die Erfordernisse der Arbeitsmaschine
beliebig langsam durchfahren werden kann. Nach Übergang in den geregelten Betrieb
mit über lagerter Spannungsregelung wird dann auf die im geregelten Bereich gewünschte
Frequenzanstiegsgeschwindigkeit umgeschaltet.
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Beim Übergang von der reinen Stromregelung auf die Spannungsregelung
mit unterlagerter Stromregelung sollte darauf geachtet werden, daß während des Überganges
im Stromsollwert kein Sprung auftritt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann
ein solcher Sprung auf einfache Weise dadurch verhindert werden, daß gemäß Patentanspruch
4 der Spannungsreglerausgang mit dem Stromsollwert mitgesteuert wird und somit beim
Übergang den richtigen Wert aufweist.
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Bei Arbeitsmaschinen mit großen Gegenmomenten im Anfahrbereich, die
auf Haftreibung zurückzuführen sind (z.B. bei Förderbändern), läuft der Antrieb
beim ersten Start trotz max. Stromamplitude häufig nicht an. Es ist oft notwendig,
daß mehrere Anlaufversuche gestartet werden, bis sich die Arbeitsmaschine losreißt.
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Dieses Problem wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch die
Maßnahme gemäß Patentanspruch 5 gelöst. Welchen Erfolg der Hochlaufversuch hatte,
kann leicht daran festgestellt werden, daß nach dem übergang in den geregelten Betrieb
der Spannungsregler bei nicht hochgelaufener, d.h. bei gekippter Maschine, Stromwerte
anfordert, die über dem Maximalstrom des Umrichters liegen. Ist dies der Fall, wird
durch einen überlagerten Überlastregler die Frequenz erniedrigt; falls die Stromanforderung
des Spannungsreglers trotz dieser Frequenz erniedrigung innerhalb eines Frequenzbandes
von 2 bis 2 Hz nicht zurückgeht, ist die Maschine gekippt. Diese Informationen werden
- vorzugsweise digital - ausgewertet und in Schaltbefehle zur Frequenz-Nullsetzung
und
neuen Start umgesetzt. Das Rücksetzen erfolgt so lange, bis der Antrieb hochgelaufen
ist oder der Zyklus durch einen peripheren Steuerbefehl unterbrochen wird.
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Weiterhin gibt es Arbeitsmaschinen, bei denen die notwendigen Anfahrmomente
sehr unterschiedlich sind und zur Schonung der Übertragungselemente zwischen Motor
und Arbeitsmaschine (z.B.
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Riemen) ein möglichst sanfter Anlauf erfolgen soll. Dieses Problem
wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch die Maßnahmen gemäß Patentanspruch
5 und gemäß Patentanspruch 6 gelöst, die bewirken, daß sich die Einstellung von
Anfahrmoment und Frequenzanstiegsgeschwindigkeit automatisch an die notwendigen
Werte anpaßt. Beim Start beginnt der Antrieb beispielsweise mit dem Leerlaufstrom
der Maschine und einer bestimmten Rampe; wenn der Antrieb mit diesen Einstellungen
nicht hochläuft, wird vom Rücksetzbefehl die Forderung nach größeren Stromwerten
und geringeren Anfahrrampen abgeleitet.
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In Verbindung mit einem Zähler können über die Rücksetzbefehle stufenweise
Anfahrstrom und Anfahrrampen verändert werden, bis der Antrieb hochläuft. Ist die
letzte Zählerstufe und damit der größte Strom bei niedrigster Frequenzanstiegsgeschwindigkeit
erreicht und der Antrieb trotzdem nicht hochgelaufen, wird an die Peripherie eine
Überlastmeldung gegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachstehend in Verbindung mit
Ausführungsbeispielen von Schaltungen, die nach diesem Verfahren arbeiten anhand
der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 den Signalflußplan einer Schaltung
für konstanten Anfahrstrom, und Fig. 2 den Signalflußplan einer Schaltung für automatisch
angepaßten Anfahrstrom.
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Bei der Schaltung gemäß Fig. 1 wird die Sollfrequenz des Umrichters
über
die Analogspannung IUFX1 vorgegeben. Der Sollwertintegrator (1) begrenzt die Frequenzanstiegsgeschwindigkeit,
wobei im Anfahrbereich über das Potentiometer (2) eine niedrigere Anstiegsgeschwindigkeit
eingestellt werden kann als im übrigen Frequenzbereich. Die Umschaltung zwischen
den beiden Anstiegsgeschwindigkeiten wird durch das Digitalsignal FG vorgenommen.
Durch Addition von (UFXI an den Additiönsstellen (3) und (4) mit dem Ausgangssignal
dUF des Überlastreglers (5) wird die Analogspannung UF gebildet. UF gibt über den
Frequenz steuereingang des Umrichters (16) die tatsächliche Arbeitsfrequenz für
die Maschine (20) vor. Das Ausgangssignal oUF des Uberlastreglers hat normalerweise
den Wert 0 und greift auf die Frequenz nur ein, wenn der Antrieb durch Überlastung
an die Stromgrenze gelangt. Der Überlastregler wird im Anfahrbereich durch das SignAl
FG abgeschaltet. Das Signal FG wird im Komparator (6) durch Vergleich der an einem
Potentiometer (7) einstellbaren Grenzspannung UF grenz mit der Spannung UF für die
Frequenzvorgabe erzeugt.
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Weiterhin wird die Spannung UF in einem Kennliniengeber (8) in den
Sollwert Ulx für die Maschinenspannung so umgesetzt, daß der Maschinenfluß näherungsweise
konstant bleibt. Durch Vergleich von Spannungssollwert U1x und Istwert Uist bildet
der Spannungsregler (9) den Stromsollwert I. Der Stromregler (10) verstellt mit
seiner Ausgangsspannung Ust über den Stromsteuereingang des Umrichters den Maschinenstrom,
bis Soll- und Iststrom übereinstimmen.
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Im Anfahrbereich wird durch das Signal FG der Schalter (10) geschlossen;
damit wird das Ausgangssignal des Spannungsreglers (9) durch den Regler (11) auf
den am Potentiometer (12) eingestellten Wert IAnf für den Anfahrstrom festgehalten.
Bei Überschreiten der Grenzspannung UF grenz öffnet der Schalter (10) enz und der
Spannungsregler regelt ausgehend von IAnf den Stromsollwert Ix auf den für den Last
zustand zugehörigen Wert. Falls
im geregelten Betrieb infolge von
motorischer Überlast Stromsollwerte Ix vorgegeben werden, die über dem Grenzstrom
Imax (Potentiometer (13)) liegen, wird durch den Überlastregler (5) die Frequenz
abgesenkt, bis sich ein stabiler Arbeitspunkt einstellt. Unterschreitet man bei
dieser Frequenzabsenkung die Grenzspannung UF grenz und war ein Frequenzsoll-UF
grenz wert Iu ) > O vorgewählt, so setzt das Ausgangssignal der F Zeitstufe (14)
den Sollwertintegrator auf Null. Anschließend wird der Sollwertintegrator wieder
freigegeben und ein neuer Start läuft ab, bis die Grenzspannung UF grenz überschritten
werden kann, ohne daß der Überlastregler die Frequenz zurückführt. Das Rücksetzen
des Sollwertintegrators erfolgt nicht, wenn die Drehzahl 0, d.h. IU IUFXI *0 angewählt
ist; diese In-F formation wird im Komparator (15) erkannt und über die Verknüpfungsstufe
(17) ausgewertet. Die Rücksetzsperre bei Anwahl der Drehzahl Null ist notwendig,
damit ein generatorisches Abbremsen des Antriebes bis zur Drehzahl Null ermöglicht
wird.
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Ergänzend ist in Figur 2 beispielhaft aufgezeigt, wie die automatische
Anpassung von Anfahrstrom und Rampe an das jeweilige Gegenmoment der Arbeitsmaschine
ausgeführt werden kann.
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Beim Start wird ein Zähler (18) durch einen Setzimpuls S auf den Anfangszustand
gesetzt. Dem Zähler ist ein Digital-Analogwandler (1g) nachgeschaltet, der den Zählerstand
in Analogspannungen zur Steuerung von Anfahrstrom und Anfahrrampe umsetzt. Falls
mit diesen Werten das Anfahren nicht möglich ist, wird der Sollwertintegrator auf
Null zurückgesetzt. Der Rücksetzimpuls R erhöht gleichzeitig den Zählerzustand um
eine Stufe. Diesem neuen Zählerstand ist ein höherer Anfahrstrom und eine geringere
Rampensteigung zugeordnet. Der Anfahrzyklus wiederholt sich mit immer höheren Strömen
und niedrigeren Rampensteigerungen bis der Antrieb hochläuft oder die Grenzwerte
erreicht sind. Je nach Anforderungen können noch einige Anfahrversuche mit Maximalstrom
gestartet werden; falls diese vergeblich sind, wird ab einem bestimmten Zählerstand
eine über lastmeldung U an die Peripherie gegeben.