DE3048097C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Regelverfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Bei solchen Verfahren wird die Ständerspan­ nung U ₁ über den Spannungsregelkreis mit unterlagerter Strom­ regelung so vorgegeben, daß der Maschinenfluß lastunabhängig möglichst konstant bleibt. Amplitude und Frequenz der Umrichter­ ausgangsgrößen können über Steuersignale verändert werden. Ver­ fahren dieser Art sind bekannt und z. B. in den Technischen Mit­ teilungen AEG 1979, Nr. 5/6, S. 192-196 und in der DE-OS 24 18 322 beschrieben.

Für Frequenzen f₁ → 0, also den Anfahrbereich, versagt die im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebene Art der Regelung zur Konstanthaltung des Maschinenflusses, weil in diesem Fre­ quenzbereich der Lastzustand der Maschine am Spannungs-Istwert 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 ent­ wickelt.

Für das Anfahren muß der Asynchronmaschinenantrieb folglich auf andere Weise geregelt werden. Bei den bekannten Verfahren ge­ schieht dies so, daß zum Anfahren eine Mindestfrequenz f _{1 min} < 0 vorgegeben und dieser Mindestfrequenz ein solcher Spannungswert U _{1 min} zugeordnet wird, daß die Maschine im Anfahrbereich näherungsweise Nennfluß aufweist. Dies ist in­ sofern nachteilig, als je nach Motordaten und Erfordernissen der Arbeitsmaschine eine exakte Abstimmung der zwei Größen f _{1 min} und U _{1 min} erfolgen muß, um das notwendige Anfahr­ moment zu erzielen. Bei dem in der DE-OS 24 18 322 beschrie­ benen Regelverfahren beeinflussen sich die angegebenen Min­ destwerte 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.

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 momenten­ los stehen, bis der Antrieb neu gestartet wird.
• - Im Fall großer Übersättigung kann die Maschine einen so hohen Blindstrom aufnehmen, daß der Gerätegrenzstrom erreicht wird; die üblicherweise übergeordnete Strom­ begrenzungsregelung versucht, durch Frequenzabsenkung den Maschinenstrom unter dem Grenzstrom zu halten. Dies ergibt einen Grenzzyklus, bei dem kein geordneter Be­ trieb mehr möglich ist.

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 An­ triebsmaschine die nötige Anpassung der Regelung auf einfache Weise auch von hierfür nicht besonders geschultem Personal vorgenommen werden kann und eventuelle anfängliche Fehlein­ stellungen keine kritischen Auswirkungen auf den Asynchron­ maschinenantrieb und dessen Funktionsweise haben.

Die vorstehende Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Regelverfahren wird im Frequenz­ bereich 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 Lastzu­ stand 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. Für übliche Maschinendaten liegt diese Grenzfrequenz im Be­ reich 3-5 Hz.

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 unge­ schultem Personal vorgenommen werden. Anfängliche Fehleinstel­ lungen 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 Ver­ kleinern des Anfahrstroms zu beseitigen und beeinträchtigen insbesondere den Anfahrvorgang nicht, abgesehen vom höheren Geräuschpegel der Maschine.

Besonders einfach gestaltet sich der Einstellvorgang bei An­ wendung der Maßnahme gemäß Patentanspruch 2, die es auch ge­ stattet, je nach den Erfordernissen der Arbeitsmaschine ein großes oder ein kleines Anfahrmoment vorzugeben.

Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren neben der Stromamplitude gemäß Patentanspruch 3 auch die Frequenzanstiegs­ geschwindigkeit einstellbar eingerichtet, so daß der Anfahrbe­ reich mit dem für den vorgegebenen Strom max. mögliche Maschi­ nenmoment 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 Be­ reich gewünschte Frequenzanstiegsgeschwindigkeit umgeschaltet. Beim Übergang von der reinen Stromregelung auf die Spannungs­ regelung 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 Stromsoll­ wert mitgesteuert wird und somit beim Übergang den richtigen Wert aufweist.

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 Anlaufver­ suche gestartet werden, bis sich die Arbeitsmaschine losreißt. 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 Spannungs­ regler 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 Über­ lastregler die Frequenz erniedrigt; falls die Stromanforderung des Spannungsreglers trotz dieser Frequenzerniedrigung inner­ halb eines Frequenzbandes von 2 bis 2 Hz nicht zurückgeht, ist die Maschine gekippt. Diese Informationen werden - vorzugsweise digital - ausgewertet und in Schaltbefehle zur Frequenz-Null­ setzung und neuen Start umgesetzt. Das Rücksetzen erfolgt so lange, bis der Antrieb hochgelaufen ist oder der Zyklus durch einen peripheren Steuerbefehl unterbrochen wird.

Weiterhin gibt es Arbeitsmaschinen, bei denen die notwendigen Anfahrmomente sehr unterschiedlich sind und zur Schonung der Übertragungselemente zwischen Motor und Arbeitsmaschine (z. B. 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 Anfahr­ moment und Frequenzanstiegsgeschwindigkeit automatisch an die notwendigen Werte anpaßt. Beim Start beginnt der Antrieb bei­ spielsweise mit dem Leerlaufstrom der Maschine und einer be­ stimmten Rampe; wenn der Antrieb mit diesen Einstellungen nicht hochläuft, wird vom Rücksetzbefehl die Forderung nach größeren Stromwerten und geringeren Anfahrrampen abgeleitet. 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 Frequenzanstiegsgeschwindig­ keit erreicht und der Antrieb trotzdem nicht hochgelaufen, wird an die Peripherie eine Überlastmeldung gegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachstehend in Verbindung mit Ausführungsbeispielen von Schaltungen, die nach diesem Verfahren arbeiten anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 den Signalflußplan einer Schaltung für konstanten Anfahrstrom, und

Fig. 2 den Signalflußplan einer Schaltung für automatisch an­ gepaßten Anfahrstrom.

Bei der Schaltung gemäß Fig. 1 wird die Sollfrequenz des Um­ richters über die Analogspannung |U _F X| vorgegeben. Der Soll­ wertintegrator (1) begrenzt die Frequenzanstiegsgeschwindig­ keit, 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 vor­ genommen. Durch Addition von |U _F X| an den Additionsstellen (3) und (4) mit dem Ausgangssignal Δ U _F des Überlastreglers (5) wird die Analogspannung U _F gebildet. U _F gibt über den Frequenzsteuer­ eingang des Umrichters (16) die tatsächliche Arbeitsfrequenz für die Maschine (20) vor. Das Ausgangssignal Δ U _F des Überlast­ reglers hat normalerweise den Wert 0 und greift auf die Fre­ quenz nur ein, wenn der Antrieb durch Überlastung an die Strom­ grenze 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 U _{F grenz} mit der Spannung U _F für die Frequenz­ vorgabe erzeugt.

Weiterhin wird die Spannung U _F in einem Kennliniengeber (8) in den Sollwert U ₁ x für die Maschinenspannung so umgesetzt, daß der Maschinenfluß näherungsweise konstant bleibt. Durch Vergleich von Spannungssollwert U ₁ x und Istwert U _ist bildet der Spannungs­ regler (9) den Stromsollwert I ^x . Der Stromregler (10) verstellt mit seiner Ausgangsspannung U _St über den Stromsteuereingang des Umrichters den Maschinenstrom, bis Soll- und Iststrom überein­ stimmen.

Im Anfahrbereich wird durch das Signal FG der Schalter (10) ge­ schlossen; damit wird das Ausgangssignal des Spannungsreglers (9) durch den Regler (11) auf den am Potentiometer (12) einge­ stellten Wert I _Anf für den Anfahrstrom festgehalten. Bei Über­ schreiten der Grenzspannung U _{F grenz} öffnet der Schalter (10) und der Spannungsregler regelt ausgehend von I _Anf den Strom­ sollwert I ^x auf den für den Lastzustand zugehörigen Wert. Falls im geregelten Betrieb infolge von motorischer Überlast Strom­ sollwerte I ^x vorgegeben werden, die über dem Grenzstrom I _max (Potentiometer (13)) liegen, wird durch den Überlastregler (5) die Frequenz abgesenkt, bis sich ein stabiler Arbeits­ punkt einstellt. Unterschreitet man bei dieser Frequenzab­ senkung die Grenzspannung U _{F grenz} und war ein Frequenzsoll­ wert |U _F ^x | < 0 vorgewählt, so setzt das Ausgangssignal der Zeitstufe (14) den Sollwertintegrator auf Null. Anschließend wird der Sollwertintegrator wieder freigegeben und ein neuer Start läuft ab, bis die Grenzspannung U _{F grenz} überschritten werden kann, ohne daß der Überlastregler die Frequenz zurück­ führt. Das Rücksetzen des Sollwertintegrators erfolgt nicht, wenn die Drehzahl 0, d. h. |U _F ^x ) ≈ 0 angewählt ist; diese In­ formation wird im Komparator (15) erkannt und über die Ver­ knüpfungsstufe (17) ausgewertet. Die Rücksetzsperre bei An­ wahl der Drehzahl Null ist notwendig, damit ein generatori­ sches Abbremsen des Antriebes bis zur Drehzahl Null ermög­ licht wird.

Ergänzend ist in Fig. 2 beispielhaft aufgezeigt, wie die automatische Anpassung von Anfahrstrom und Rampe an das je­ weilige Gegenmoment der Arbeitsmaschine ausgeführt werden kann. Beim Start wird ein Zähler (18) durch einen Setzimpuls S auf den Anfangszustand gesetzt. Dem Zähler ist ein Digital-Ana­ logwandler (19) nachgeschaltet, der den Zählerstand in Ana­ logspannungen 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 Grenz­ werte 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 Ü an die Peripherie gegeben.

Claims (7)

1. Regelverfahren für tacholose, umrichtergespeiste Asynchron­ maschinenantriebe, bei dem nach dem Anfahren die Drehzahl über die Frequenz des speisenden Umrichters und der Maschi­ nenfluß mittels einer Regelanordnung zur Regelung der Ma­ schinenspannung über einen unterlagerten Stromregelkreis vorgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß für den Anfahrvorgang im Frequenzbereich von Null bis zu einer einstellbaren Grenzfrequenz von der Spannungsre­ gelung mit unterlagerter Stromregelung auf eine reine Strom­ regelung bei stillgelegtem Spannungsregler übergegangen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die während des Anfahrvorganges auftretende Stromampli­ tude zwischen Null und einem Maximalwert einstellbar einge­ richtet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auch die während des Anlaßvorgangs auftretende Ge­ schwindigkeit des Frequenzanstieges einstellbar eingerichtet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsreglerausgang auf den während des Anfahr­ vorgangs auftretenden Stromsollwert vorgesteuert wird, so daß er beim Überschreiten der Grenzfrequenz diesen Strom­ sollwert in stetigem Übergang als Anfangs-Stromsollwert für die dann einsetzende Spannungsregelung mit unterlagerter Stromregelung herbeiführt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedesmal bei Erreichen der Grenzfrequenz überprüft wird, ob die Drehzahl der Maschine der vorgegebenen Frequenz ge­ folgt oder ob die Maschine gekippt ist, und daß bei gekipp­ ter Maschine die Frequenz auf Null zurückgesetzt und ein erneuter Hochlaufversuch gestartet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Antrieben mit wechselnden Gegenmomenten während des Anfahrvorganges mit einer kleinen Stromamplitude begonnen wird und im Fall des Kippens erneute Hochlaufversuche auto­ matisch mit immer höheren Stromamplituden vorgenommen werden, bis der Antrieb hochgelaufen ist oder der max. mögliche An­ fahrstrom erreicht wird und daß bei nicht erfolgtem Anlauf trotz max. Stromamplitude die Meldung "Überlast" an die Um­ richterperipherie gegeben wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß automatisch für jeden erneuten Hochlaufversuch die Fre­ quenzanstiegsgeschwindigkeit verringert wird, so daß die Maschine immer langsamer ihr Momentenmaximum durchfährt.