DE69120486T2

DE69120486T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Berechnung des Trägheitsmoments bei einem Motorgeschwindigkeitsregler und Verfahren und Vorrichtung zur Geschwindigkeitsregelung eines Motors

Info

Publication number: DE69120486T2
Application number: DE69120486T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Fujii; Satoshi Ibori; Takatsugu Kambara; Atsuhiko Nakamura
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-09-21
Filing date: 1991-09-17
Publication date: 1996-10-31
Anticipated expiration: 2011-09-18
Also published as: EP0476588A1; EP0476588B1; DE69120486D1; US5175483A; JPH04133689A; JP2892802B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Geschwindigkeitssteuerung zum Antreiben eines Wechselstrommotors mit variabler Geschwindigkeit bzw. Drehzahl mittels Änderung der Ausgangsfrequenz, und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung des Trägheitsmoments zur automatischen Erfassung des sich ergebenden Trägheitsmoments des Wechselstrommotors und einer damit verbundenen Last, sowie auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Geschwindigkeitssteuerung bzw. -regelung zum Antreiben eines Wechselstrommotors mit optimaler Beschleunigung bzw. Verzögerung auf der Grundlage des gemessenen Trägheitsmoments.
Wenn ein Wechselstrommotor mittels einer Geschwindigkeitssteuerung bzw. -regelung mit variabler Geschwindigkeit bzw. Drehzahl angetrieben wird, ändert sich aufgrund des Trägheitsmoments der mit dem Wechselstrommotor verbundenen Last das Drehmoment bei Änderungen der Geschwindigkeit stark. Es fließt dann ein starker Strom, und die Geschwindigkeitssteuerung wird ungenau und springt, solange nicht die Geschwindigkeit wegen des Trägheitsmoments der Last geändert wird.
In der japanischen Patentoffenlegungsschrift 61-88780 ist ein herkömmliches Verfahren zur Berechnung des Trägheitsmoments beschrieben. Bei diesem Verfahren wird das Trägheitsmoment aus dem Betrag des Integrals eines dem Drehmoment proportionalen Signals und dem Änderungsbetrag der Drehzahl berechnet.
Wenn bei diesem bekannten Verfahren das Drehmoment ermittelt und die Beschleunigung festgelegt wurde, kann ein Betrieb ohne übermäßigen Strom und Sprünge erreicht werden, es muß jedoch die Drehzahl erfaßt werden. Damit ist ein Drehzahldetektor notwendig. Außerdem ist ein Vektorsteuerungssystem ohne Verwendung eines Geschwindigkeitsdetektors offenbart (siehe japanische Patentoffenlegungsschrift 59-156191). In diesem System ist für den allgemein gebräuchlichen Wechselrichter ein selten gebrauchter Detektor für induzierte elektromagnetische Kräfte notwendig, so daß der Aufbau kompliziert und teuer wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, das Trägheitsmoment ohne Verwendung eines Geschwindigkeitsdetektors oder eines Detektors für induzierte elektromagnetische Kräfte zu erfassen.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine wirtschaftliche und zuverlässige Geschwindigkeitssteuerung bzw. -regelung zu schaffen, die entsprechend einem berechneten Trägheitsmoment eine geeignete Beschleunigung oder Verzögerung einstellen kann.
Diese Aufgaben werden gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1, 6, 13 und 17 gelöst. Abhängige Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.
Das gesamte Trägheitsmoment eines Wechselstrommotors und der damit verbundenen Last kann ohne Verwendung eines anderen Detektors als eines Stromdetektors ermittelt werden. Wenn die maximale Beschleunigung auf einen Wert entsprechend dem vorher gefundenen Trägheitsmoment geändert wird, kann die Geschwindigkeitssteuerung bzw. -regelung für den Wechselstrommotor im optimalen Zustand ohne Sprünge betrieben werden. Außerdem kann die Ausgabe des Wechselrichters unterbunden werden, wenn sich das Trägheitsmoment plötzlich ändert. Die Geschwindigkeitssteuerung bzw. -regelung des Wechselstrommotors ist damit einfach im Aufbau, sehr zuverlässig, wirtschaftlich und außerordentlich sicher.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
Fig. 2 ist ein Vektordiagramm für einen Motor;
Fig. 3 ist ein Zeitdiagramm der Drehmomentänderung bezüglich der Frequenzänderung;
Fig. 4 ist ein Software-Flußdiagramm;
Fig. 5 ist ein Software-Flußdiagramm einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform;
Fig. 6 ist ein Blockdiagramm einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform;
Fig. 7 ist ein Blockdiagramm einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform;
Fig. 8 ist ein Software-Flußdiagramm des Aufbaus aus Fig. 7; und
Fig. 9 ist ein Zeitdiagramm für die Wirkungsweise der Ausführungsform in Fig. 7, bei der die Frequenz zweimal geändert wird.
Es ist allgemein bekannt, daß das Gesamtträgheitsmoment GD² eines Motors und einer an diesem Motor hängenden Last durch die folgende Gleichung (1) gegeben ist:
wobei T&sub0; das Drehmoment ist, das der Motor während der Beschleunigung (oder während des Abbremsens) erzeugt, K&sub1; die Proportionalitätskonstante, TL das Drehmoment der Last bei konstanter Geschwindigkeit, t&sub2; die in Fig. 3 gezeigte Zeit und ΔN der Änderungsbetrag der Drehzahl.
Der Änderungsbetrag der Drehzahl wird durch die folgende Gleichung (2) berechnet.
ΔN = 120/Polanzahl P des Motors {(Frequenz f&sub1; nach Beschleunigung)(Frequenz f&sub2; vor Beschleunigung)} ... (2)
Aus Gleichung (2) sieht man, daß man den Änderungsbetrag der Drehzahl aus dem Änderungsbetrag der Frequenz, die der Wechselrichter erzeugt, ermitteln kann.
Fig. 3 zeigt, daß bei der Beschleunigung des Motors ab dem Zeitpunkt t&sub0; während der Beschleunigung ein Beschleunigungsmoment Ta erzeugt wird. Das Ausgabedrehmoment T&sub0; ist die Summe des Lastdrehmoments TL und des Beschleunigungsdrehmoments Ta (siehe Fig. 3).
Wenn damit der Motor nicht mehr weiter beschleunigt wird, bleibt nur das Lastdrehmoment TL, so daß das Ausgabedrehmoment konstant ist. Den Zähler der Gleichung (1) erhält man durch Integrieren des Ausgabedrehmoments und des Lastdrehmoments ab dem Beginn der Beschleunigung bis zum Zeitpunkt t&sub2;, wenn das Ausgabedrehmoment konstant wird, und Subtrahieren des Integrals des Lastdrehmoments von dem des Ausgabedrehmoments. Den Nenner der Gleichung (1) erhält man aus Gleichung (2). Damit kann das Trägheitsmoment GD&sub2; berechnet werden. In ähnlicher Weise kann das Trägheitsmoment beim Abbremsen berechnet werden. Hier ist es notwendig, ein Signal proportional dem Ausgabedrehmoment zu ermitteln. Wenn der Wechselrichter ein Vektorsteuerungssystem hat, erhält man dieses Signal auf einfache Weise. Da aber der herkömmliche Wechselrichter mit Vektorsteuerungssystem einen Sensor verwendet, der im allgemein verwendeten Wechselrichter nicht vorhanden ist, um die Drehmomentstromkomponente zu bestimmen, entsteht das oben beschriebene Problem. Deshalb wird lediglich der im allgemein verwendeten Wechselrichter benützte Ausgangsstromdetektor zur Erzeugung der Ausgangsstromkomponente durch Vektorsteuerung verwendet, und das Trägheitsmoment ermittelt man auf der Grundlage der ermittelten Drehmomentstromkomponente. Nachdem man das Trägheitsmoment GD&sub2; ermittelt hat, wird die Beschleunigungszeit t aus der folgenden Gleichung (3) berechnet:
t = GD&sub2; x (Änderungsbetrag der Geschwindigkeit ΔN)/K&sub1; x (zulässiges Ausgabedrehmoment T) ... (3)
Wird der Wechselrichter anhand der nach Gleichung (3) berechneten Beschleunigungszeit betrieben, erhält man den bestmöglichen Betrieb ohne Sprünge, Rucke oder ungleichmäßigen Lauf.
Bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen wird eine erfindungsgemäße Ausführungsform beschrieben. Fig. 1 zeigt den Aufbau dieser Ausführungsform Durch eine Gleichrichtschaltung 2 wird der Strom aus einer drehphasigen Wechselspannungsquelle 1 in einen Gleichstrom umgewandelt. Der Gleichstrom wird durch einen Glättungskondensator 3 geglättet und durch einen Rückwärtswandler 4 in eine beliebige Wechselspannung beliebiger Frequenz umgewandelt. Diese Wechselspannung wird einem Motor 6 zugeführt. Zur Steuerung des Wechselstrommotors zur Änderung seiner Drehzahl wird hier ein Wechselrichter vom Spannungstyp verwendet. Der Rückwärtswandler 4 wird durch einen Logikteil gesteuert, der aus einem Vektorberechnungsbereich A, einem Trägheitsmoment-Berechnungsbereich B, einem Bereich zur Frequenzzunahme oder -abnahme und einer PWM-Wellenform-Zusammensetzungseinheit 14 besteht. 25 bezeichnet eine Last. Ein Spannungssteuerungsbereich 12 gibt Spannungsbefehle Vd, Vq sowie einen internen Phasenwinkel δ auf der Grundlage eines Frequenzbefehls f&sub1;* + fs aus, außerdem Ströme id, iq. (Die Wirkungsweise des Vektorberechnungsbereichs A ist in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2-32788 beschrieben.)
Die Koordinatenumwandlung 16 des Vektorberechnungsbereichs A berechnet ein Signal iq proportional zum Ausgabedrehmoment und ein Signal id proportional zum Anregestrom. Die Koordinatenumwandlung 16 vollzieht eine d-q- Umwandlung gemäß der Gleichung (4). Die d-q-Koordinaten sind rotierende Koordinaten.
Wenn die Phase der Ausgangsspannung V&sub1; des Wechselrichters durch θ dargestellt ist und der Phasenunterschied zwischen der induzierten Spannung E&sub1; des Motors und der Ausgangsspannung V&sub1; bzw. der interne Phasenwinkel durch δ, erhält man den internen Phasenwinkel δ und die Wechselrichterausgabespannung V&sub1; durch die folgenden Gleichungen (5), (6).
V&sub1; = Vd sin(δ) + Vq cos(δ) = (ωr La iq+r&sub1; id)sin(δ)+(E&sub1;+r&sub1; iq+wr La id)cos(δ) ... (5)
δ = tan&supmin;¹{-(ωr La iq+r&sub1; id)/ (E&sub1;+r&sub1; iq+ωr La id)} ... (6)
Hier ist r&sub1; der Primärwiderstand und La die Leckreaktanz. Die obigen Beziehungen sind im Vektordiagramm der Fig. 2 gezeigt. Im Vektordiagramm der Fig. 2 sieht man, daß bei der Koordinatenumwandlung die q-Achse mit der induzierten Spannung E&sub1; in Phase ist, iq ist das Signal proportional zum Drehmoment, und id ist das Signal proportional zum Anregestrom. Das Ausgabedrehmoment kann damit durch den Wert von iq ausgedrückt werden. Der Primärspannungsbefehl V&sub1; aus Gleichung (5) wird dem PWM-Wellenform-Zusammensetzungsbereich 14 zugeführt und dann über einen Verstärker 15 den Leistungsschaltelementen des Rückwärtswandlers 4.
Nachfolgend wird das Verfahren zur Berechnung des Trägheitsmoments beschrieben. (Da das Trägheitsmoment für die Beschleunigung und für das Abbremsen auf ähnliche Weise ermittelt wird, wird lediglich das Verfahren für die Beschleunigung beschrieben). Der Bereich 8 zur Berechnung der Frequenzbeschleunigung oder des Abbremsens dient dazu, den Frequenzbefehl f&sub1;* zu einem beliebigen Zeitpunkt zu ändern und die Änderungsgeschwindigkeit des Frequenzbefehls f&sub1;* entsprechend dem Betrag des Trägheitsmoments einzustellen. Der Trägheitsmoment-Berechnungsbereich B besteht aus einem Drehmomentstromintegrierer 18, einem Detektor 17 zur Erfassung des Endes der Beschleunigung, einem Trägheitsmoment-Berechnungsbereich 19 und einem Beschleunigungssignalgenerator 20 und einem Bereich 21 zur Berechnung der Frequenzänderungsrate. Der Trägheitsmomentrechner wird jeweils nach einer bestimmten Zeit At angestoßen, um seine Berechnung auszuführen. Der Beschleunigungssignalgenerator 20 erzeugt ein Beschleunigungssignal a, wenn sich die Frequenz ändert. Der Drehmomentstromintegrierer 18 beginnt mit seiner Tätigkeit, wenn ihm vom Beschleunigungssignalgenerator 20 das Beschleunigungssignal a zugeführt wird, und summiert das dem Drehmoment proportionale Signal iq jeweils nach der bestimmten Zeit Δt auf. Der Beschleunigungsendezeitpunktdetektor 17 überwacht das dem Drehmoment proportionale Signal iq, wenn ihm vom Beschleunigungssignalgenerator 20 das Beschleunigungssignal a zugeführt wird. Er erfaßt den Zeitpunkt, zu dem das dem Drehmoment proportionale Signal iq abgenommen und einen konstanten Wert erreicht hat, oder wenn der Motor eine konstante Drehzahl erreicht hat. Wenn das dem Drehmoment proportionale Signal iq konstant geworden ist, führt der Zeitpunktdetektor 17 dem Drehmomentstromintegrierer 18 ein die konstante Drehzahl anzeigendes Signal b zu, so daß der Vorgang des Aufaddierens abgebrochen wird. Außerdem mißt und erzeugt er eine Zeit t&sub2; vom beschleunigten Zustand zum Zustand konstanter Drehzahl des Motors. Der Bereich 21 zur Berechnung der Frequenzänderungsrate berechnet die Änderung Δf (=f&sub1;-f&sub2;) der Frequenz f&sub1;* während der Zeitdauer vom Anstieg des Beschleunigungssignals a bis zum Zeitpunkt t&sub2; des Endes der Beschleunigung und führt Δf dem Trägheitsmoment-Berechnungsbereich 19 zu.
Der Trägheitsmoment-Berechnungsbereich 19 führt die Gleichungen (1) und (2) aus, um das Trägheitsmoment GD² zu ermitteln.
Bezugnehmend auf Fig. 3 wird der Vorgang genau beschrieben. Wenn eine Geschwindigkeitssetzvorrichtung 7 die Frequenz von f&sub2; auf f&sub1; ändert, steigert der Bereich 8 zur Berechnung der Frequenzzunahme oder -abnahme die Befehlsfrequenz während der Zeitdauer t&sub1;. Dann beginnt der Motor zu beschleunigen, so daß sich das Lastdrehmoment TL zum Beschleunigungsdrehmoment addiert, so daß sich das Ausgabedrehmoment T&sub0; ergibt. Der Drehmomentstromintegrierer 18 integriert den dem Ausgabedrehmoment T&sub0; proportionalen Strom iq bezugnehmend auf Δt. Wenn nach t&sub1; der Frequenzbefehl f&sub1; erreicht hat, überwacht der Drehmomentstromdetektor 17 den Zeitpunkt, zu dem der Drehmomentstrom iq konstant wird (bzw. lediglich das Lastdrehmoment verbleibt). Denn selbst wenn die Ausgabefrequenz des Wechselrichters f&sub1; erreicht hat, hat der Motor diese Frequenz nicht erreicht. Wenn der Drehmomentstrom iq konstant wird, wird die Zeit t&sub2; vom Beginn der Beschleunigung bis zur konstanten Geschwindigkeit gemessen. Das Integral des Drehmomentstroms iq während dieser Zeit ergibt sich durch die folgende Gleichung (7)
Das Integral lediglich des Lastdrehmoments während der Zeitdauer t&sub2; ergibt sich dagegen durch die folgende Gleichung (8):
Der Änderungsbetrag der Drehzahl kann, da die Frequenzbefehle bekannt sind, aus der folgenden Gleichung (9) berechnet werden:
ΔN = 120/P (f&sub1; - f&sub2;) ... (9)
Der Trägheitsmoment-Berechnungsbereich 19 berechnet somit das Trägheitsmoment aus Gleichung (10), die man durch Modifizierung der Gleichung (1) erhält.
Man erhält somit das Trägheitsmoment GD².
Fig. 4 zeigt das Flußdiagramm des obigen Vorgangs. Die Verwendung von Software für diesen Vorgang kann man einfach über Zeitgeber-Interrupts des in Fig. 4 gezeigten Ablaufs realisieren.
Der Vorgang wird nun bezugnehmend auf Fig. 4 beschrieben.
Wenn Zeitgeber-Interrupts in Intervallen von Δt erfolgen, wird entschieden, ob sich der Frequenzbefehl geändert hat oder nicht (Schritt S1).
Wenn sich der Frequenzbefehl f&sub1;* geändert hat, wird das Produkt aus Drehmomentstrom iq und Δt ermittelt (Schritt S2).
Solange sich der Frequenzbefehl ändert, wird iq x Δt ermittelt und zum vorherigen Wert addiert, um Σiq x Δt zu erzeugen (-S0-S1-S2-S0-).
Wenn die Frequenzänderung endet, geht der Vorgang zum Schritt S3, indem die Drehmomentstromänderung überwacht wird (Schritt S3, S4). Bis der Drehmomentstrom konstant wird, wird die Berechnung von Σiq x Δt im Schritt S2 fortgesetzt (-S0-S1-S3-S4-S2-S0).
Wenn der Drehmomentstrom konstant wird, wird t&sub2; berechnet (Schritt S5), dann wird das Lastdrehmoment iqcost x t&sub2; berechnet (Schritt S6).
Aus Gleichung (10) wird das Trägheitsmoment berechnet, indem die im Schritt S2 ermittelte Σiq x Δt und das im Schritt S6 ermittelte iqcost x t&sub2; in Gleichung (10) eingesetzt wird (Schritt S7).
Zwar werden in dieser Ausführungsform die Ausgabedrehmomentkomponente T&sub0; und die Lastdrehmomentkomponente TL vom Beginn der Beschleunigung an bis zum Ende der Beschleunigung getrennt ermittelt, diese Komponenten können aber auch zu jedem Abtastzeitpunkt ermittelt werden. Fig. 5 ist ein Flußdiagramm für diesen Vorgang. Im Schritt S8 wird Σ(iq x Δt - iqcost x Δt) berechnet. Bei dieser Ausführungsform können deshalb die Schritte S5 und S6 in Fig. 4 ausgelassen werden. Das dem Lastdrehmoment proportionale Signal iqcost wird dann bei konstanter Geschwindigkeit anhand des dem Drehmoment proportionalen Signals ermittelt und im Schritt S16 gespeichert. Diese Vorgänge betreffen die Berechnungstechnik und können deshalb durch verschiedene Verfahren ausgeführt werden. Da das Trägheitsmoment wie oben beschrieben ermittelt werden kann, kann der Bereich 8 zur Berechnung der Frequenzzunahme oder -abnahme die Beschleunigungszeit für das konstante Ausgangsdrehmoment T&sub0; aus Gleichung (3) anhand des ermittelten GD² bestimmen. Dies bedeutet, daß der Motor beschleunigt oder abgebremst werden kann, so daß der Primärstrom des Motors einen vorbestimmten konstanten Stromwert hat. Wenn zu diesem Zeitpunkt das Ausgangsdrehmoment nicht konstant ist, wird vermutet, daß sich das Lastdrehmoment geändert hat. Dann wird die Beschleunigungs- oder Abbremszeit erneut auf einen neuen Wert gesetzt. Genauso wird, wenn sich das Ausgangsdrehmoment plötzlich ändert, angenommen, daß die Last abnormal wird, und der Wechselrichter wird angehalten. Eine Abnormalitätserfassungsschaltung 27, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, erfaßt eine plötzliche Änderung des Trägheitsmoments und erzeugt ein Abnormalitätssignal AL. Außerdem führt die Abnormalitätserfassungsschaltung das Abnormalitätssignal AL der Verstärkerschaltung 15 zu, wodurch der Betrieb der Geschwindigkeitssteuerung angehalten wird.
In dieser Ausführungsform wird angenommen, daß die Motorgeschwindigkeit konstant geworden ist, wenn das dem Ausgabedrehmoment proportionale Signal iq konstant geworden ist, die Drehzahl des Motors kann aber auch immer unter Verwendung eines Schlupffrequenzberechnungsbereichs 10, wie er in Fig. 1 gezeigt ist, erfaßt werden. Da der dem Ausgabedrehmoment proportionale Strom iq bekannt ist, läßt sich die Schlupffrequenz fs aus der Gleichung (11) berechnen:
wobei T&sub2; eine Sekundärzeitkonstante ist, φ&sub2; der Sekundärmagnetfluß und M die Koppelinduktivität.
Mit dieser Gleichung ist es möglich, die Frequenz f&sub1;* um fs zu korrigieren und die richtige Drehzahl des Motors zu ermitteln. Damit kann auch dann, wenn sich das Lastdrehmoment TL bei hohen und niedrigen Geschwindigkeiten ändert, das Trägheitsmoment genauer berechnet werden.
Fig. 6 zeigt eine andere Ausführungsform Sie unterscheidet sich von der aus Fig. 1 insofern, als der Drehmomentstromintegrierer 31 und der Trägheitsmoment-Berechnungsbereich 26 einen im Vergleich zur Ausführungsform aus Fig. 1 anderen Aufbau haben. In Fig. 1 berechnet der Drehmomentstromintegrierer 18 getrennt die Lastdrehmomentkomponente und die Ausgabekomponente und führt sie dem Trägheitsmoment-Berechnungsbereich 19 zu, während in Fig. 6 der Drehmomentstromintegrierer 31 Σ(iq x Δt - iqcost x Δt) berechnet und es dem Trägheitsmoment-Berechnungsbereich 26 zuführt.
Es wird nun die Anwendung der Erfindung auf einen Allzweckwechselrichter beschrieben, der ein manchmal V/F- Steuerungssystem genanntes System aufweist, das so gesteuert wird, daß das Verhältnis zwischen der Ausgabespannung und der Ausgabefrequenz in einer gewissen Beziehung zueinander gehalten werden (der Vorgang ist in Fig. 7 gezeigt).
Wenn sich hier die Frequenz zweimal ändert und der Term für das Lastdrehmoment TL eliminiert wird, ist die folgende Gleichung (12) erfüllt:
T&sub1;, T&sub2; ... erstes, zweites Drehmoment
Δf&sub1;, Δf&sub2; ... erster, zweiter Frequenzänderungsbetrag
Δt&sub1;, Δt&sub2; ... erster, zweiter Zeitänderungsbetrag
K&sub2; ... Proportionalitätskonstante
Bei der für Allzweckwechselrichter weithin verwendeten V/F-Steuerung kann die dem Drehmoment proportionale Komponente nicht direkt gemessen werden. Da jedoch das Ausgabedrehmoment (T&sub1;, T&sub2;) in etwa proportional dem Primärstrom des Motors ist, erhält man GD² aus der Messung des Primärstroms wie durch die Gleichung (13) ausgedrückt:
IT1, IT2 Primärströme des Motors zum Zeitpunkt T&sub1;, T&sub2;
K&sub3; ... Proportionalitätskonstante
Nach Formel (13) kann das Trägheitsmoment ohne Kenntnis des Lastdrehmoments TL ermittelt werden.
Bezugnehmend auf die Fig. 7 bis 9 wird ein Verfahren zum Ermitteln des Trägheitsmoments eines Wechselrichters mit V/F-Steuerung beschrieben. Bei der V/F-Steuerung kann der dem Drehmoment proportionale Vektorstrom ig nicht ermittelt werden. Der Trägheitsmoment-Berechnungsbereich 30 berechnet das Trägheitsmoment GD² aus Gleichung (12), indem drei Informationen verwendet werden: der Motorprimärstrom i&sub1; aus dem Stromdetektor 5, der Frequenzänderungsbetrag Δf aus dem Bereich 28 zur Berechnung der Frequenzzunahme oder -abnahme und der Betrag der Zeitänderung Δt. Um den Term für das Lastdrehmoment TL zu eliminieren, ist es notwendig, die Frequenz wie oben beschrieben zweimal zu ändern. Fig. 8 ist ein Flußdiagramm des Vorgangs, und Fig. 9 zeigt die Anderung der Frequenz und des Stroms Der Strom wird zu jedem Abtastzeitpunkt Δt gemessen und integriert, wenn sich die Frequenz ändert. Wenn die Frequenz zweimal geändert wurde, wird GD² anhand Gleichung (14) berechnet, die eine Abänderung von Gleichung (13) ist.
Um Gleichung (14) zu erfüllen, werden zwei Beschleunigungen mit unterschiedlichen Frequenzänderungsraten vorgenommen. Die doppelte Beschleunigung muß nicht unbedingt ein besonderer Beschleunigungsvorgang für das Trägheitsmoment sein, es genügt ein herkömmlicher Beschleunigungsvorgang. Damit kann das Trägheitsmoment zu jedem Beschleunigungsvorgang mit Ausnahme des ersten Vorgangs ermittelt werden. Der Abbremsvorgang kann natürlich ein herkömmlicher Abbremsvorgang sein. Ein Spannungssteuerungsbereich 29 berechnet auf der Grundlage eines durch einen Frequenzbefehl f* vorgegebenen Verhältnisses von V/f die Ausgabespannung V und gibt sie aus.
Da bei dieser Ausführungsform das dem Drehmoment proportionale Signal näherungsweise der Primärstrom ist, kann das Trägheitsmoment berechnet werden. In diesem Fall ist dann eine Regelung für die Geschwindigkeit oder die induzierten elektromotorischen Kräfte nicht notwendig, und das Trägheitsmoment kann berechnet werden. Man erhält eine optimale, an die Last angepaßte Beschleunigung bzw. Abbremsung.
Da erfindungsgemäß das Gesamtträgheitsmoment des Motors und der damit verbundenen Last automatisch mittels lediglich eines Sensors, der üblicherweise in Allzweckwechselrichtern verwendet wird, berechnet werden kann, ergibt sich ein nicht zu komplizierter Aufbau. Außerdem kann der Motor in optimaler Zeit beschleunigt oder abgebremst werden, indem das berechnete Trägheitsmoment verwendet wird. Wenn sich das Trägheitsmoment plötzlich ändert, wird festgestellt, daß die Last eine Abnormalität verursacht hat, und der Wechselrichter wird angehalten, so daß sich die Sicherheit erhöht. Die Steuerungsvorrichtung für den Motor hat damit einen einfachen Aufbau, ist außerordentlich zuverlässig, wirtschaftlich und sicher.

Claims

1. Vorrichtung zur Erfassung des Trägheitsmoments in einer Motorgeschwindigkeitsregelung zur Regelung eines mit einer anzutreibenden Last (25) verbundenen Wechselstrommotors (6) entsprechend einem Geschwindigkeitsbefehl (N*) auf veränderliche Geschwindigkeit, wobei die Geschwindigkeitsregelung eine Einrichtung (8) zur Erzeugung eines Ausgabefrequenzbefehls (f&sub1;*) hat, der sich zusammen mit dem Geschwindigkeitsbefehl ändert, wobei die Vorrichtung zur Erfassung des Trägheitsmoments aufweist:

eine Stromerfassungseinrichtung (5) zur Erfassung eines Primärstroms des Wechselstrommotors; und eine Einrichtung (A, B) zur Erfassung des Trägheitsmoments zur Erfassung des Gesamtträgheitsmoments des Wechselstrommotors und der damit verbundenen Last auf der Grundlage des Änderungsausmaßes der Ausgabefrequenzen für jeden von zumindest zwei Betriebszuständen des Wechselstrommotors, die durch die Ausgabefrequenzbefehle hervorgerufen werden und für die die Änderungsraten der Ausgangsfrequenzen unterschiedlich sind, sowie eines erfaßten Signals der Stromerfassungseinrichtung in jedem der Betriebszustände.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erfassung des Trägheitsmoments eine Einrichtung (A, B) zur Erfassung des Trägheitsmoments zur Erfassung des Gesamtträgheitsmoments des Wechselstrommotors und der damit verbundenen Last ist, auf der Grundlage des Änderungsausmaßes der Ausgangsfrequenzen in zumindest zwei Betriebszuständen entweder des Beschleunigens oder des Abbremsens sowie der konstanten Geschwindigkeit, wo die Änderungsrate der Ausgabefrequenz Null ist, sowie eines erfaßten Signals der Stromerfassungseinrichtung.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erfassung des Trägheitsmoments eine Einrichtung (A, B) zur Erfassung des Trägheitsmoments zur Erfassung des Gesamtträgheitsmoments des Wechselstrommotors und der damit verbundenen Last ist, auf der Grundlage eines Änderungsausmaßes der Ausgabefrequenzen bei zumindest zwei Beschleunigungs- oder Abbremsbetriebszuständen, in denen die Änderungsraten der Ausgangsfrequenzen unterschiedlich sind, sowie eines erfaßten Signals der Stromerfassungseinrichtung.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erfassung des Trägheitsmoments aufweist:

eine erste Drehmomenterfassungseinrichtung (A, 17, 20, 21, 22) zur Erfassung eines Signals, das proportional zum Drehmoment des Wechselstrommotors ist, bei einer konstanten Geschwindigkeit auf der Grundlage eines Stromerfassungssignals (iu, iw) von der Stromerfassungseinrichtung;

eine zweite Drehmomenterfassungseinrichtung (A, 17, 20, 21, 23) zur Erfassung eines Signals, das proportional zum Drehmoment des Wechselstrommotors ist, bei einer sich ändernden Geschwindigkeit auf der Grundlage eines Stromerfassungssignals von der Stromerfassungseinrichtung, wobei dadurch das Gesamtträgheitsmoment des Wechselstrommotors und der damit verbundenen Last erfaßt wird, auf der Grundlage des erfaßten Signals von der ersten Drehmomenterfassungseinrichtung und des erfaßten signals von der zweiten Drehmomenterfassungseinrichtung und den Änderungsraten der Ausgabefrequenzen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (8) zur Erzeugung des sich mit der Änderung des Geschwindigkeitsbefehls ändernden Ausgabefrequenzbefehls eine Einrichtung (7, 28) zur Änderung der Ausgabefrequenz zumindest zweimal mit unterschiedlichen Raten aufweist; und wobei die Einrichtung zur Erfassung des Trägheitsmoments eine Einrichtung (30) zur Erfassung des Gesamtträgheitsmoments des Wechselstrommotors und der damit verbundenen Last aufweist anhand des Mittelwerts des Primärstroms des Wechselstrommotors und der Frequenzänderungsraten (Δf&sub1;, Δf&sub2;) in den Geschwindigkeitsänderungsperioden (Δt&sub1;, Δt&sub2;) entsprechend den zwei Ausgabefrequenzänderungen.

6. Motorgeschwindigkeitsregelung zur Regelung eines Wechselstrommotors (6), der mit einer mit unterschiedlichen Drehzahlen entsprechend einem Drehzahlbefehl (N*) anzutreibenden Last (25) verbunden ist,

gekennzeichnet durch:

eine Stromerfassungseinrichtung (5) zur Erfassung des Primärstroms des Wechselstrommotors;

eine Einrichtung (8) zur Änderung eines Ausgabefrequenzbefehls (f&sub1;*) zusammen mit der Anderung des Drehzahlbefehls und zur Erzeugung des Ausgabefrequenzbefehls; eine Einrichtung (26, 30) zur Erfassung des Trägheitsmoments zur Erfassung eines Gesamtträgheitsmoments des Wechselstrommotors und der damit verbundenen Last auf der Grundlage des Änderungsausmaßes der Ausgabefrequenz an zumindest zwei Betriebszuständen, die durch die Ausgabefrequenzbefehle eingestellt werden und bei denen die Änderungsraten der Ausgabefrequenzen unterschiedlich sind, sowie eines erfaßten Signals von der Stromerfassungseinrichtung; und

eine Steuerungseinrichtung (8, 28) zur Steuerung der Änderung des Ausgabefrequenzbefehls entsprechend dem erfaßten Trägheitsmoment.

7. Motorgeschwindigkeitsregelung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erfassung des Trägheitsmoments eine Einrichtung (A, B) zur Erfassung des Trägheitsmoments zur Erfassung eines Gesamtträgheitsmoments des Wechselstrommotors und der damit verbundenen Last ist, auf der Grundlage des Änderungsausmaßes der Ausgabefrequenz in zumindest zwei Betriebszuständen, oder zumindest im Beschleunigungs- oder Abbremsbetriebszustand, und im Konstantdrehzahlbetriebszustand, bei dem die Änderungsrate der Ausgabefrequenz Null ist, sowie eines erfaßten Signals der Stromerfassungseinrichtung.

8. Motorgeschwindigkeitsregelung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erfassung des Trägheitsmoments eine Einrichtung (A, B) zur Erfassung des Trägheitsmoments zur Erfassung eines Gesamtträgheitsmoments des Wechselstrommotors und der damit verbundenen Last ist, auf der Grundlage des Änderungsausmaßes der Ausgabefrequenz in zumindest zwei Beschleunigungs- oder Abbremszuständen, bei denen die Änderungsraten der Ausgabefrequenzen unterschiedlich sind, sowie eines erfaßten Signals der Stromerfassungseinrichtung.

9. Motorgeschwindigkeitsregelung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erfassung des Trägheitsmoments aufweist: eine erste Drehmomenterfassungseinrichtung (A, 17, 20, 21, 22) zur Erfassung eines Signals, das proportional zum Drehmoment des Wechselstrommotors ist, bei konstanter Drehzahl auf der Grundlage eines Stromerfassungssignals (iu, iw) der Stromerfassungseinrichtung; und eine zweite Drehmomenterfassungseinrichtung (A, 17, 20, 21, 23) zur Erfassung eines Signals proportional zum Drehmoment des Wechselstrommotors bei sich ändernder Geschwindigkeit auf der Grundlage des Stromerfassungssignals (iu, iw) der Stromerfassungseinrichtung, wobei dadurch ein Gesamträgheitsmoment des Wechselstrommotors und der damit verbundenen Last erfaßt wird, auf der Grundlage des erfaßten Signals der ersten Drehmomenterfassungseinrichtung, des erfaßten Signals der zweiten Drehmomenterfassungseinrichtung und der Änderungsrate der Ausgabefrequenzen.

10. Motorgeschwindigkeitsregelung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (8) zur Erzeugung des sich mit der Änderung des Drehzahlbefehls ändernden Ausgabefrequenzbefehls eine Einrichtung (7, 28) zum Ändern der Ausgabefrequenz zumindest zweimal mit unterschiedlichen Raten aufweist; und die Einrichtung zur Erfassung des Trägheitsmoments eine Einrichtung (30) zur Erfassung eines Gesamtträgheitsmoments des Wechselstrommotors und der damit verbundenen Last aufweist, aus dem Mittelwert des Primärstroms des Wechselstrommotors und den Frequenzänderungsraten (Δf&sub1;, Δf&sub2;) in den Drehzahländerungsperioden (Δt&sub1;, Δt&sub2;) bei den zwei Ausgabefrequenzänderungen.

11. Motorgeschwindigkeitsregelung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (27) zur Erfassung einer plötzlichen Änderung des Trägheitsmoments, das jeweils bei einer Beschleunigung oder beim Abbremsen erfaßt wird, sowie zur Erzeugung eines Abnormalitätssignals.

12. Motorgeschwindigkeitsregelung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (15, 27) zur Erfassung einer plötzlichen Änderung des Trägheitsmoments, das jeweils bei Beschleunigung oder beim Abbremsen erfaßt wird, sowie zum Unterbinden der Ausgabe eines Wechselrichters.

13. Verfahren zur Erfassung des Trägheitsmoments einer Last (25) eines Wechselstrommotors (6) in einer Motordrehzahlregelung zur Regelung des mit der Last verbundenen Wechselstroms, dessen Ausgabefrequenz zu ändern ist und der entsprechend einem Drehzahlbefehl (N*) angesteuert wird,

gekennzeichnet durch:

einen ersten Schritt (S1, S10, S11) zur Beurteilung der Änderung der Ausgabefrequenz;

einen zweiten Schritt (S2, S8, S14, S15) zum Integrieren eines Signals (iq), das zum Ausgabedrehmoment proportional ist und das man aus dem Primärstrom des Wechselstrommotors bei jedem Abtastzeitpunkt (Δt) erhält, zu dem entschieden wird, daß eine Änderung der Ausgabefrequenz vorliegt;

einen dritten Schritt (S4, S10, S11) zur Beurteilung, daß das dem Ausgabedrehmoment proportionale Signal (iq) nahezu ein endgültiger Wert wird, wenn beurteilt wird, daß keine Änderung der Ausgabefrequenz vorliegt; und ein vierter Schritt (S7, S9, S13) zur Erfassung eines Gesamtträgheitsmoments des Wechselstrommotors und der damit verbundenen Last auf der Grundlage der Änderungsraten (Δf) der Ausgabefrequenzen aus dem ersten bis dritten Schritt sowie des im zweiten Schritt gewonnenen integrierten Wertes.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem ersten Schritt ein fünfter Schritt (S16) vorgesehen ist, zur Speicherung eines einem Lastdrehmoment proportionalen Signals (iq cost), das man durch Erfassung des Primärstroms während der Tätigkeit des Wechselstrommotors bei gleicher Drehzahl erhält, und wobei der zweite Schritt aufweist;

einen Schritt (S8), in dem man ein erstes Produkt des dem Ausgabedrehmoment proportionalen Signals und der Abtastzeit erhält,

einen Schritt (S8), in dem man ein zweites Produkt des dem Lastdrehmoment proportionalen Signals und der Antastzeit erhält, einen Schritt (S8), in dem man die Differenz zwischen dem ersten Produkt und dem zweiten Produkt erhält, und einen Schritt (S8) zum Integrieren eines Differenzwerts zu jedem Abtastzeitpunkt.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem ersten Schritt ein fünfter Schritt (S16) vorgesehen ist zum Speichern eines einem Lastdrehmoment proportionalen Signals (iq cost), das man erhält, indem der Primärstrom während der Tätigkeit des Wechselstrommotors bei gleichförmiger Drehzahl erfaßt wird, und wobei der zweite Schritt versehen ist mit; einem Schritt (S8), in dem man die Differenz zwischen dem dem Ausgabedrehmoment proportionalen Signal und dem dem Lastdrehmoment proportionalen Signal erhält, einen Schritt (S8), in dem man das Produkt eines Differenzwerts und der Abtastzeit erhält, und einen Schritt (S8) zum Integrieren eines Differenzwerts zu jedem Abtastzeitpunkt.

16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schritt, der zweite Schritt und der dritte Schritt zumindest zweimal durchgeführt werden bei der Änderung zweier Ausgabefrequenzen mit unterschiedlichen Änderungsverhältnissen der Ausgabefrequenzen (S10-S14, S11-S15) und der vierte Schritt (S13) nach dem zweiten Mal ausgeführt wird.

17. Verfahren zur Regelung eines Wechselstrommotors (6), der mit einer Last (25) verbunden und dessen Ausgabefrequenz zu ändern ist und der entsprechend einem Drehzahlbefehl (N*) bei unterschiedlichen Drehzahlen betrieben wird, gekennzeichnet durch

einen zweiten Schritt (S2, S8, S14, S15) zum Integrieren eines dem Ausgabedrehmoment proportionalen Signals (iq), das man bei jedem Abtastzeitpunkt (Δt) aus dem Primärstrom des Wechselstrommotors erhält, wenn beurteilt wird, daß eine Änderung der Ausgabefrequenz vorliegt; einen dritten Schritt (S4, S10, S11) zur Beurteilung, daß das dem Ausgabedrehmoment proportionale Signal (iq) nahezu ein endgültiger Wert wird, wenn beurteilt wird, daß keine Änderung der Ausgabefrequenz vorliegt; einen vierten Schritt (S7, S9, S13) zur Erfassung eines Gesamtträgheitsmoments des Wechselstrommotors und der damit verbundenen Last auf der Grundlage der Änderungsraten (Δf) der Ausgabefrequenzen aus dem ersten bis dritten Schritt und dem integrierten Wert, den man im zweiten Schritt erhält, und einen fünften Schritt zur Steuerung der Änderung der Ausgabefrequenz entsprechend dem im vierten Schritt erfaßten Trägheitsmoment.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem ersten Schritt ein fünfter Schritt (S16) vorgesehen ist zur Speicherung eines einem Lastdrehmoment proportionalen Signals (iq cost), das man erhält, indem der Primärstrom während der Tätigkeit des Wechselstrommotors bei konstanter Drehzahl erfaßt wird, und wobei der zweite Schritt versehen ist mit;

einem Schritt (S8), in dem man ein erstes Produkt des dem Ausgabedrehmoment proportionalen Signals und der Abtastzeit erhält,

einem Schritt (S8), in dem man ein zweites Produkt des dem Lastdrehmoment proportionalen Signals und der Abtastzeit erhält,

einem Schritt (S8), in dem man die Differenz zwischen dem ersten Produkt und dem zweiten Produkt erhält, und einem Schritt (S8) zum Integrieren eines Differenzwerts zu jedem Abtastzeitpunkt.

19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem ersten Schritt ein fünfter Schritt (S16) vorgesehen ist zur Speicherung eines einem Lastdrehmoment proportionalen Signals (iq cost), das man durch Erfassung des Primärstroms während der Tätigkeit des Wechselstrommotors bei gleichförmiger Drehzahl erhält, und wobei der zweite Schritt versehen ist mit;

einem Schritt (S8), in dem man die Differenz zwischen dem dem Ausgabedrehmoment proportionalen Signal und dem dem Lastdrehmoment proportionalen Signal erhält, einem Schritt (S8), in dem man das Produkt eines Differenzwerts und der Abtastzeit erhält, und einen Schritt (S8) zum Integrieren eines Differenzwerts zu jedem Abtastzeitpunkt.

20. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schritt, der zweite Schritt und der dritte Schritt zumindest zweimal bei Änderungen der zwei Ausgabefrequenzen, die unterschiedliche Änderungsverhältnisse der Ausgabefrequenzen haben, durchgeführt wird (S10-S14, S11-S15), und der vierte Schritt (S13) nach dem zweiten Mal ausgeführt wird.