DK174828B1 - Frekvensomformer til hastighedsregulering af en elektromotor - Google Patents

Description

i DK 174828 B1

Frekvensomformer til hastighedsregulering af en elektromotor

Opfindelsen vedrører en frekvensomformer til hastighedsregulering af elektriske motorer, og vedrører særligt et elektronisk kredsløb til detektering af overstrøm.

5 Frekvensomformere indeholder i dag typisk tre strømgrænser, hvor den øverste grænse er en kortslutningssikring, der aktiveres ved en strøm på 300% af frekvensomformerens nominelle strøm, og har en responstid på 1-2 ps. Denne grænse træder i funktion, når der sker jordslutninger eller kortslutninger mellem faseviklingerne. Den anden grænse er hardware-grænsen, som typisk ligger på 10 en strøm på 220% med en responstid på 15 ps. Hardwaregrænsen er et udtryk forden maksimale strøm som frekvensomformerens halvledere og spoler kan tåle. Kortslutningsgrænsen og hardwaregrænsen er realiseret med elektroniske komponenter, mens den tredie grænse, softwaregrænsen, kontrolleres af frekvensomformerens program. En typisk softwaregrænse er 160% strøm i 60 15 sekunder, hvorefter frekvensomformen reducerer belastningen ved at sænke motorfrekvensen.

Hardwarestrømgrænsen bliver i reglen låst fast i frekvensomformeren allerede under fremstillingen, men fra US 4,525,660 kendes et overstrømskredsløb, hvor 20 strømgrænsen er variabel under drift. Her modtager en komparator på sin ene indgang et strømmålesignal fra en strøm målt i mellemkredsen eller på motorledningerne, og på den anden indgang et strømreferencesignal, som ændrer sig i afhængighed af frekvensomformerens spændings-frekvens forhold (U/f). Når strømmålesignalet overskrider strømreferencen sender komparatoren 25 signal om at sænke strømmen eller helt slukke for frekvensomformeren. Det variable strøm-referencesignal er sammensat af to bidrag, et første fast bidrag indstillet med et potentiometer og et andet bidrag, der fastsættes som funktion af U/f-forholdet. Det andet bidrag findes ved et tabelopslag eller ved en funktionsberegning, hvor U/f-forholdet er indgangsnøglen, og hvor strømgrænse-30 bidraget stiger med stigende U/f. Det resulterende strømreferencesignal ændrer sig således under driften af frekvensomformeren. Kredsløbet har imidlertid den 2 DK 174828 B1 ulempe, at variationen af strømgrænsen er fastlåst til U/f-forholdet, der alene bestemmer karakteristikken, d.v.s. kurveforløbet, af strømreferencen.

Det er ikke muligt frit at indlægge en anden karakteristik som er afhængig af en anden variabel.

5 WO 97/36777 beskriver også et kredsløb til dannelse af strømreferencer, der ændrer sig under en motorstyrings drift, og ændringen sker som funktion af et køretøjs hastighed. En strømreference-generator danner en hardwaregrænseværdi ved hjælp af en tabel i et hukommelseselement 10 indeholdende kombinationer af hastighed og strøm, mens en mikroprocessor danner en softwarestrømgrænse. Mikroprocessoren er over datalinier forbundet med strømreference-generatorens hukommelseselement, hvorved den kan ændre hardware-karakteristikkens forløb. Kredsløbet har sammenlignet med US 4,525,660 den fordel, at strømgrænse-karakteristikken kan ændres ved blot at 15 ændre programmeringen af mikroprocessoren. Det giver fabrikanten større frihedsgrad. Større frihedsgrader er dog ønskeligt særligt i den situation, hvor fabrikanten vil lave et universelt anvendeligt motordrev, der kan bruges til motorer af forskellige størrelser. Et typisk problem er den effektmæssigt større serieproducerede frekvensomformer, der skal tilsluttes den effektmæssigt mindre 20 motor. Frekvensomformerens hardwarestrømgrænse er da fastlåst og for høj i forhold til motoren. En videre frihedsgrad er ønskelig med hensyn til applikationsområder, d.v.s. områder i hvilke frekvensomformeren anvendes. Fx har HVAC (Heating-Ventilation-AirConditioning) og transportbånds applikationer forskellige strømgrænseprofiler, men disse er normalt fastlagt i 25 frekvensomformeren allerede ved produktionen. Frekvensomformerfabrikanten tvinges derfor til at have mange varianter, hver med sin særlige hardwarestrømgrænse.

I JP 08033394 beskrives en frekvensomformer med en hardwarestrømgrænse 30 og en lavereliggende softwarestrømgrænse. Så længe en målt strøm er lavere end softwarestrømgrænsen formindskes accelerations- eller decelerationstiden, hvorved man opnår en hurtigere regulering. Herved vil strømmen stige, men man opnår at udnytte arbejdsområdet for softwaregrænsen fuldt ud. Den beskrevne softwarestrømgrænse fastsættes før start og fastholdes under drift.

3 DK 174828 B1

Endelig kendes fra JP 11215888 en frekvensomformer med et elektronisk 5 kredsløb til detektering af overstrøm, hvor kredsløbet måler motorstrømmen og sammenligner med et strømreferencesignal, som er variabelt før ibrugtagning, men fast under frekvensomformerens driftsperiode. Strømreferencesignalet sammensættes af to variable, nemlig motorens mærkestrøm og en faktor indgivet af en bruger via et tastatur og lagret i et programmerbart 10 hukommelseselement. Det er således muligt før ibrugtagning af frekvensomformeren at tilpasse hardwarestrømgrænsen efter motoren og/eller den tilsluttede belastning og herved beskytte vekselretteren og motoren, men det er med løsningen ikke muligt automatisk og løbende at efterregulere hardwarestrømgrænsen.

15 På baggrund af det foregående består opgaven i at lave et elektronisk overstrømskredsløb til en frekvensomformer, hvor kredsløbet giver mulighed for at tilpasse strømgrænsen efter behov både under fremstilling og under drift.

20 Dette opnås med en frekvensomformer indeholdende et kredsløb som beskrevet i den kendetegnende del af krav 1.

Ved at muliggøre, at strømreference-karakteristikken kan være afhængig af forskellige variable opnås den ønskede frihedsgrad for 25 frekvensomformerfabrikanten. Strømreference-karakteristikken er næsten frit modificerbar, idet én karakteristik med en første variabel er frit udskiftelig med en anden karakteristik med en anden variabel. Man kan have én frekvensomformer, der tilpasses motorens størrelse, eller man kan have én effektdel indeholdende bl.a. vekselretteren, hvor samme effektdel finder anvendelse i forskellige 30 størrelser af frekvensomformere. Det eneste der skal udskiftes er styredelen, og denne er da programmeret med netop den strømgrænse der gælder for den pågældende effektdel. Selvom effektdelens komponenter i mange tilfælde vil 4 DK 174828 B1 være overdimensioneret i forhold til motoren, givet eksempelvis en 250W frekvensomformer med en tilsluttet motor på 150W, er det billigere for frekvensomformerfabrikanten at have få varianter. Der opnås stordriftsfordele og fleksibilitet, idet tilpasningen kan ske enten i fabrikken, hos OEM-fabrikanten eller 5 ude hos slutbrugeren. Strømreference-karakteristikken er lagret i et hukommelseselement, og karakteristikkens udskiftelighed giver den ønskede fleksibilitet. Man kan således i een variant programmere en karakteristik der er afhængig af en eller to variable, mens man i en anden variant kan programmere en anden karakteristik afhængig af en eller to andre variable. Karakteristikken 10 kan formuleres i afhængighed af mange forskellige variable, og udtrykkes som en vilkårlig funktion i en formel eller i en tabel. Karakteristikken kan fx lagres som en fast karakteristik i mikroprocessorens program - evt flere valgbare karakteristikker. Strømreferencesignalet er pulsbreddemoduleret, og genereres af referencegeneratoren. Herved opnås en enkel og nøjagtig styring af signalet, 15 fordi håndteringen af karakteristikken er baseret på fleksibel digital teknik og fordi signalet relativt enkelt via pulsbreddemodulation kan tilføres hurtig analog teknik, for eksempel en komparator. Opfindelsen har endvidere den fordel, at frekvensomformeren udover kortslutningsgrænsen kan arbejde med kun en ekstra strømgrænse, idet softwarestrømgrænsen og hardwarestrømgrænsen er 20 slået sammen til en. Dette betyder brug af færre komponenter.

Disse variable kan vælges blandt styringsparametre såsom motorfrekvens, U/f-forhold og temperatur eller blandt applikationsparametre såsom motorstørrelse eller belastningens momentkarakteristik. Vælges fx temperaturen som 25 indgangsvariabel vil strømreferencesignalet aftage med stigende temperatur. Alternativt kan strømgrænsen formuleres som en funktion af både en styringsparameter og en applikationsparameter.

Styrings- og applikationsparametrene, eller et mix heraf, sendes som 30 indgangssignal til referencegeneratoren, der er udført som en FPGA (Field

Programmable Gate Array), ASIC (Application Specific Integrated Circuit), DSP (Digital Signal Processor) eller en mikroprocessor.

5 DK 174828 B1

Det er foretrukket, at i det mindste motorfrekvensen er anvendt som variabel i karakteristikken, idet motorfrekvensen er et godt udtryk for strømmen i frekvensomformer og motor. Der gælder typisk, at stigende frekvens giver større 5 strøm, og til forskellige frekvenser hører der forskellige strømgrænser.

Hvis strømreference-karakteristikken formuleres med både temperatur og motorfrekvens som variable opnås et særligt nøjagtigt udtryk for hardwarestrømgrænsen.

10

Et problem består i at den strøm, der generes ved en blokeret rotor stort set svarer til motorens startstrøm. Overstrøms-kredsløbet kan derfor normalt ikke sondre mellem de to situationer, men ved at variere strømreference-karakteristikken sådan, at niveauet hæves fra opstart frem til en grænsefrekvens, 15 hvorefter niveauet igen sænkes, undgås en mulig fejldetektering.

Hardwarestrøm-grænsen er simpelthen hævet over startstrømmens amplitude i en kortere periode.

Det pulsbreddemodulerede digitale signal bør før sammenligning omformes til et 20 analogt signal, og det sker nemmest ved brug af et lavpasfilter.

Sammenligningen af den målte strøm og strømreferencen bør ske med analog teknik for at opnå den nødvendige hurtighed.

Styrings- og/eller applikationsparametrene, der skal danne baggrund for 25 dannelsen af strømreferencekarakteristikken, vil overvejende blive bestemt under fremstillingen af frekvensomformeren, men kan også gøres valgbare af brugeren, fx en OEM kunde der indstilller dip-switche eller jumpers anbragt i frekvensomformeren, eller programmerer frekvensomformeren ved brug af seriel kommunikation, fx ved brug af en PLC.

Alternativt kan frekvensomformeren selv indstille strømreferencekarakteristikken. Det kan ske ved at den selv udmåler motoren og bestemmer 30 6 DK 174828 B1 dens elektriske parametre og herudfra beregner motorens størrelse. Automatisk parameterudmåling er kendt fra teknikkens stade, og foretages i reglen før start af motoren.

5 Det fra frekvensomformeren målte strømsignal kan med fordel normeres i et normeringskredsløb, så styringen ikke behøver kende strømmens absolutte værdi. Det medfører, at samme styring kan bruges til forskellige størrelser frekvensomformere.

10 I den type frekvensomformere, hvor effektdel og styredel er adskilt og anbragt på to forskellige printkort, kan normeringskredsløbet anbringes enten på det ene kort eller på det andet kort. Igen betyder det, at fx samme effektdel kan bruges til forskellige styrekort, idet al tilpasningsfunktionalitet så at sige ligger på styrekortet. Det er foretrukket, at normeringskredsløbet er anbragt på effektdelen.

15

Normeringskredsløbet kan laves enkelt ved at parallelkoble to serieforbundne modstande med et strømsignal. Strømsignalet genereres foretrukket afen målemodstand anbragt i frekvensomformerens mellemkreds.

20 Opfindelsen vil i det følgende blive gennemgået med udgangspunkt i figurerne:

Figur 1 viser det elektroniske kredsløb for en frekvensomformer med tilkoblet elektromotor

Figur 2 viser et første kurveforløb for effektbegrænsningen over tiden 25 Figur 3 viser et andet kurveforløb for effektbegrænsningen over tiden Figur 4 viser en regulator til begrænsning af udgangseffekten Figur 5 viser i diagramform et kredsløb til overstrømsdetektion ifølge opfindelsen Figur 6 viser et tidsmæssigt forløb af størrelsen på en overstrøms-grænseværdi Figur 7 viser et kurveforløb for en overstrømskarakteristik ifølge opfindelsen 30

Frekvensomformeren 1 har en ensretter 2 som er tilsluttet et forsyningsnet 3, der kan have standardspændingerne 115V, 230V eller andre værdier. Ved "nominel 1 DK 174828 B1 spænding" forstås i det følgende den pålydende værdi, mens "aktuel spænding” betyder den virkelige, forhåndenværende spænding. Frekvensomformeren indbygges i en vaskemaskine, og forsyningsnettet er her vist som et en-faset net, men kan i princippet have flere faser. En vekselretter 4 er tilsluttet en tre-faset 5 motor 5, og vekselretteren er styret af en styreindretning 6. Styreindretningen indeholder hukommelseselementer (RAM) og kan være udført som en mikrocontroller, DSP eller ASIC med integreret eller med ekstern hukommelse.

På kendt vis omformer ensretteren netforsyningens vekselspænding til en jævnspænding, der via vekselretterens effekthalvledere 7, fx IGBT'ere (Insulated 10 Gate Bipolar Transistors), atter omformer jævnspændingen til en vekselspænding på motorledningerne 8. En temperaturmåler 24 er anbragt tæt på effekthalvledeme. En boostkonverter 9 bestående af spole 10, switch 11, diode 12 og kondensator 13 bruges til at regulere mellemkredsspændingen U^c op til en i det væsentlige konstant værdi, så det er muligt at tilslutte ensretteren 15 til en af flere forskellige netspændinger. Styreindretningen 6 måler spændingen før og efter boost konverteren via signalledningerne 15 og 16, og måler strømmen i minusledningen før og efter boostkonverteren via to målemodstande 20 og 21 samt signalledninger 22 og 23. Switchen 11 er tilsluttet styreindretningen via signalledningen 25. Boostkonverteren har samtidigt til 20 opgave at virke som Power Factor Corrector (PFC), og virker på kendt vis ved at lade strømmen i boostspolen følge den ensrettede netspændings kurveform. Powerfactoren på netforsyningssiden er meget tæt på 1. Istedet for at anvende en boostkonverter er det også muligt at bruge en styret ensretter til at opnå reguleringen af mellemkredsstrømmen, men det er lidt vanskeligere at opnå en 25 høj power factor. En styret ensretter kan fx ved en-faset netforsyning bestå af to eller fire thyristorer, som er tilsluttet styreindretningen.

Opfindelsen bidrager til at skabe en ægte adaptiv frekvensomformer, d.v.s. en motorstyring, der tilpasser sig både til netforsyningen og den tilsluttede 30 belastning. Tilpasningen til nettet sker på følgende måde. Antages en motorstørrelse på 750 W vil der ved en netspænding Un på 230V løbe en netstrøm Ϊν på ca. 4,8 A i indgangsstrøm til ensretteren. Hvis netspændingen i 8 DK 174828 B1 stedet var 115V ville der ved samme motorbelastning løbe en indgangsstrøm på ca. 9,6A for at dække motorens effektkrav. Medmindre ensretter 2 og spole 10 er dimensioneret til dette, vil de enten gå i stykker eller, for spolens vedkommende, generere en meget høj tabsvarme som kan skade den øvrige 5 elektronik. Spolens kerne kan endvidere gå i mætning med tab af selvinduktion til følge. Dette vil forårsage høje spidsstrømme som vil give yderligere øgede tab, der kan ødelægge halvlederne. Netop køling er et stort problem når en frekvensomformer er anbragt i et lukket kammer i en vaskemaskine, og dette problem forstærkes når netspændingen er lavere. Styreindretningen tilpasser 10 frekvensomformerens udgangseffekt ved at sammenholde en målt strøm lrec efter ensretteren med en strømgrænseværdi km gældende ved en netspænding på 230V, og regulerer frekvensomformerens udgangseffekt sådan, at strømmen iN på 4,8 A ikke overskrides. Den begrænser således den mulige maksimale effektafgivelse fra frekvensomformeren til 375 W. Figur 2 viser denne situation.

15 Til tiden tO starter frekvensomformeren med et loft Pmaxi for den maksimale elektriske effekt på 750 W. I perioden to til t1, der er en anelse længere end opstartstiden og varer omkring 3 sekunder, detekteres netspændingen eller mellemkredsspændingen og sammenlignes med en i en tabel lagret grænseværdi. Er spændingen lavere end grænseværdien ræsonnerer 20 styreindretningen, at netspændingsforsyningen er lavere end det frekvensomformeren er udlagt til, og begrænser den maksimale udgangseffekt til Pmax2 på 375 W. Denne værdi holdes konstant resten af driftstiden, hvor frekvensomformeren under begrænsningen hastighedsregulerer elektromotoren indenfor effektområdet op til den begrænsede maksimale udgangseffekt Pmax2-25

Det er som ovenfor nævnt ikke nødvendigt direkte at måle netspændingens amplitude, idet netspændingens amplitude kan beregnes af styreindretningen ud fra kendskabet til strømmen i ensretteren og fx spændingen i mellemkredsen.

Det er heller ikke nødvendigt at kende netspændingens nøjagtige amplitude, idet 30 det er tilstrækkeligt, at der gives en indikation af netspændingens størrelse, og denne indikation kan fx bestå i en strømmåling foretaget umiddelbart efter ensretteren via målemodstand 20. Tidspunktet for begrænsning af 9 DK 174828 B1 udgangseffekten kan enten være kort efter at frekvensomformeren er blevet startet, fx når boostswitchen 11 er begyndt at switche og opladeforløbet på kondensator 13 er overstået og hvor en indikation af netspændingens amplitude er opnået. På dette tidspunkt kan styreindretningen indstille en passende 5 grænseværdi, som gælder for resten af frekvensomformerens driftsperiode.

Denne løsning sparer regnekraft. Eller styreindretningen kan som tidligere nævnt løbende under drift overvåge, om grænseværdien overskrides og i så tilfælde sænke den elektriske udgangseffekt.

10 Den effektbegrænsende mekanisme træder også i kraft når netforsyningsspændingen har udsving. Typisk vil en frekvensomformer være dimensioneret til den nominelle netspænding plus-minus et fluktuations-bånd omkring, fx. 230 V +/-10%. Men ved særligt svage net kan underspændinger ned til fx. 180 V forekomme, og her vil indgangsstrømmen stige for at kunne 15 opretholde motorens effektkrav. Styreindretningen vil imidlertid reducere størrelsen af den maksimale udgangseffekt til en for frekvensomformeren acceptabel værdi. Antages en motor på 1500 W tilsluttet, vil der ved nominel netspænding på 230 V løbe ca. 9.5 A i indgangstrinnet. Figur 3 viser den , maksimale effektgrænse Pmaxi i perioden tO til t1. Til tiden t1 falder 20 netforsyningen til 180 V, og styreindretningen begrænser udgangseffekten til Pmax2 på 1200 W, idet grænseværdien er sat til 9,5A. Droslingen af den maksimale udgangseffekt sker i perioden t1 til t2. Motorens ydeevne derates, men motoren kører dog istedet for at styreindretningen helt stopper motoren for at beskytte frekvensomformeren. Det svarer til, at den maksimale 25 centrifugeringshastighed i vaskemaskinen nedsættes. Ofte er det for slutbrugeren ligegyldigt, om centrifugeringen sker ved 1100 o/min eller ved 800 o/min. Andre applikationer kan også nævnes, fx et pumpesystem hvor pumpen kører rundt med en lavere hastighed for dog stadig at kunne pumpe vand rundt, eller køleanlæg der fungerer med reduceret kapacitet istedet for helt at stoppe.

30 Tilbage i figur 3 sker der til tiden t2 det, at netforsyningsspændingen stiger en anelse, nemlig til 200V. Styreindretningen hæver nu grænsen for den maksimale 10 DK 174828 B1 effektgrænse Pmax3 til 1320 W. Dette er mindre end hvad motoren kan klare, men dog en højere effektgrænse end i perioden t1-t2.

Figur 4 viser i blokdiagram-form hvordan reguleringsalgoritmen, der begrænser 5 udgangseffekten, kan udføres. Regulatoren vist i figur 4 er en del af styreindretningen 6, og ved at reducere motorfrekvensen på baggrund af en måling af ensretterstrømmen begrænses udgangseffekten. Det forudsættes, at mellemkredsspændingen Ude er konstant. Den målte ensretterstrøm lrec midies i et filter 30 og fratrækkes i en subtraktor 31 strømgrænseværdien l|im. I en 10 konverteringsenhed 32 omsættes strømafvigelsen til en frekvens, f|j(T>, som er et frekvenssænkningsled og udtrykker den størrelse, som motorfrekvensen skal begrænses med, eksempelvist 10 Hz. Konverteringsenhed 32 indeholder en matematisk overføringsfunktion, men kan også være lavet som en regulator. I en frekvenskonverteringsenhed 33, som indeholder en matematisk 15 overføringsfunktion, omformes frekvensbegrænsningsleddet f|jrn og den ønskede motorfrekvens fset til et udgangssignal fref. I sin mest enkle udførelse er konverteringsenheden 33 blot en subtraktor, men udføres fortrinsvist med en filterfunktion til styring af frekvensændringen pr tidsenhed. Udgangssignalet fra 33 er referencefrekvensen fref, der føres direkte til en 20 pulsbreddemodulationsenhed 35, som takter halvlederne i vekselretteren 4.

Endvideres sendes fref ind i en U/f-styreenhed 34, der på baggrund af dette signal og den målte mellemkredsspænding Udc genererer signalet for moduleringsindekset ma, d.v.s. forholdet mellem referencen for motorspændingen og mellemkredsspændingen Udc· Vekselretterens 25 switchfrekvens er i øvrigt holdt konstant.

Regulatoren vist i figur 4 virker med udgangspunkt i en fast mellemkredsspænding Ude. som skabes af boostkonverteren, men det er også muligt at lave regulatoren med en variabel mellemkredsspænding.

30 Mellemkredsspændingen Udc bringes til at variere i takt med forsyningsspændingen ved at styre boostswitchen 11 efter forsyningsspændingens udsving. Herved bruges spændingen efter 11 DK 174828 B1 boostkonverteren som indirekte udtryk for netforsyningens amplitude. Fordelen ved denne type mellemkreds i stedet for mellemkredsen med konstant spænding er, at mellemkredsspændingen ikke skal boostes højere op end højst nødvendigt. Jo større afstand der er mellem netspændingens RMS-værdi og 5 spændingen i mellemkredsen, des større er tabene. Forsyningsspændingens udsving detekteres ved måling af spændingen UdC.

Hvis netforsyningsspændingen falder og dermed trækker mellemkredsspændingen Ude ned, er det ikke længere muligt at give motoren 10 den korrekte spænding, men ved at reducere motorfrekvensen som funktion af enten moduleringsindekset eller mellemkredsspændingen opnås, at motoren kan tilføres korrekt spænding, og samtidigt er udgangseffekten reduceret som funktion af forsyningsspændingen.

15 Grænseværdien l|im i figur 4 kan gøres dynamisk og afhængig af forskellige parametre, herunder temperaturen T målt med temperatursensor 24 (figur 1), og enten lagres som faste værdier i en opslagstabel eller blive kontinuerligt beregnet af styreindretningen under drift.

20 I figur 4 ses et overstrømssignal OC som føres ind til pulsbreddemodulationsenheden 35. Dette signal er et overstrøms- eller trip-signal som skal slukke for vekselretteren i tilfælde af, at den absolutte grænse for hvad elektronikken kan tåle nås. Hardware-strømgrænsesignalet OC genereres i teknikkens stade som oftest når en fast strømgrænseværdi overskrides, men strømgrænsen for 25 udkobling kan med fordel gøres variabel og afhængig af motorfrekvensen. Figur 5 viseret kredsløb 60, som genererer overstrømssignalet OC. Kredsløbskomponenterne 61,62,63 og 70 er en del af styreindretningen 6. En referencegenerator 61 danner et variabelt strømreferencesignal på baggrund af en eller flere variable, nemlig parametrene A1, A2, An eller S1,S2,Sn. A betyder 30 applikations-specifikke parametre såsom en pumpes kvadratiske momentbelastning på motorakslen, mens S betyder styringsparametre såsom motorfrekvens, motortemperatur og vekselrettertemperatur. Disse er angivet med 12 DK 174828 B1 positionsnummer 62. På udgangen 63 leverer reference-generatoren et pulsbreddemoduleret signal med en passende frekvens på eksempelvis 2 kHz. Dutycyklen sættes til 50% hvilket resulterer i en strømgrænse reduceret med 50%. I et lavpasfilter 64 laves PWM signalet om til et jævnspændingssignal loc 5 på indgangen 65 til komparatoren 66. Signalet på indgang 65 repræsenterer en variabel grænseværdi. På indgangen 67 står et signal for en aktuel strømmåling, fortrinsvist et signal repræsenterende størrelsen af mellemkredsstrømmen.

Udgangssignalet fra komparatoren 66 føres via forbindelse 71 til 10 referencegeneratoren, der er lavet som FPGA eller mikroprocessor. Selvom der til dannelsen af hardwarestrø mg rænsen bruges digital teknologi, der er langsommere end den tilsvarende analoge, opnås alligevel en acceptabel responstid fordi den digitale behandling er afgrænset til ændringen af strømreferencesignalet, d.v.s. signalet på udgangen 63. Kredsløbet er 15 tilstrækkeligt hurtigt fordi overstrøms-signalgenereringen sker analogt på udgangen 69.

Et kredsløb 68 bestående af ohmske modstande sørger for at strømsignalet altid er normeret - i det konkrete tilfælde svarer 220mV på indgang 67 til den 20 maksimale strøm som kan tillades i vekselretteren. Er signalet i stedet 150mV svarer det til en aktuel strømudlastning af frekvensomformrens effektdel på 68,2%. På denne måde behøver styreindretningen ikke at vide hvilken effektstørrelse den pågældende effektdel i frekvensomformeren har. Som vist på figur 5 er normeringskredsløbet lavet ved at parallelkoble to shunt-modstande 25 med målemodstanden 21 (fig.1) i mellemkredsens negative ledning.

Målemodstanden ligger i området milliohm, f.eks 18 milliohm, mens shuntmodstandene,der virker som spændingsdelere typisk ligger i området på nogle megaohm. Normeringskredsløbet 68 er fortrinsvist anbragt på printkortet for effektdelen og danner en del af interfacet til styrekortet, når effektdel og 30 styrekort skal forbindes elektrisk med hinanden.

13 DK 174828 B1

Normeringskredsløbet betyder for fabrikanten af frekvensomformere, at det samme printkort indeholdende styredel kan bruges til effektdele af forskellig størrelse. Når jævnspændingssignalet på indgang 65 overskrider strømmålesignalet på indgang 67 går komparatorens udgang OC på ledning 69 5 høj og indikerer "overstrøm", hvorefter styreindretningen 6 tager beslutning om, hvorvidt frekvensomformeren skal slukkes eller ej. Den variable strømgrænse loc udtrykkes fortrinsvist som funktion af den aktuelle motorfrekvens fref samt eventuelt en eller flere andre parametre. Disse parametre - A1 ,A2,An og S1 ,S2,Sn i figur 5 - kan være motorens elektriske effekt eller motorens 10 nominelle strøm, som kan fås direkte ved aflæsning fra motorskiltet. Alternativt kan motorkomponenterne statormodstand, rotormodstand og induktanser såsom hovedfeltsinduktans og spredningsinduktans indgå i fastlæggelsen af strømreferencekarakteristikken. På baggrund af disse parametre kan referencegenerator 61 direkte aflæse eller beregne sig frem til størrelsen af den 15 motor, der kobles på frekvensomformeren, og herudfra bestemme hvilken grænseværdi der skal gælde. Med andre ord tilpasser referencestrømgeneratoren 61 adaptivt strømgrænsen loc til motoren, så der kan sættes forskellige størrelser motorer på den samme frekvensomformer. Det gælder særligt det tilfælde, hvor en effektmæssigt mindre motor skal tilsluttes en 20 effektmæssigt større frekvensomformer. Brugeren skal således ikke ind og efterjustere strømgrænsen, det klarer frekvensomformeren automatisk.

Information om motorens størrelse kan indgives af brugeren selv, enten via et tastatur, en seriel kommunikationsforbindelse, jumpers eller via dip-switches anbragt ab fabrik på styrekortet, hvor hver dip-switch angiver en motorstørrelse.

25 Det er dog særligt foretrukket, at styreindretningen via frekvensomformeren selv udmåler motorens elektriske parametre og bruger denne information til at danne strømreferencen loc- Udmåling af motorens elektriske størrelser før idrifttagning er kendt, og sker ved injektion af DC og AC-signaler i statorviklingerne.

30 Den variable strømreference på indgang 65 i figur 5 kan af referencegeneratoren som nævnt indstilles på baggrund af den for applikationen typiske belastningskurve. Et hukommelseslager 70 indeholder en tabel over 14 DK 174828 B1 sammenhørende strømgrænseværdier og belastningskurven, og kurven vil i fx en pumpeanvendelse have parabel form. I et andet eksempel, hvor strømreference-karakteristikken udelukkende er en funktion af vekselretterens temperatur, der måles med sensoren 24 (figur 1), er kurvens forløb en negativ 5 parabel med toppunkt ved 0 °C og herefter faldende ved stigende temperatur. Strømreferencen kan i det beskrevne eksempel fx følge denne karakteristik: (1) I«.« -0.0085 *T2 + 100 10 hvor T er temperaturen og læ strømreferencesignalet. I praksis vil man gøre kurven stykvis lineær sådan at loc har en fast konstant værdi op til ca. 90°C, hvorefter kurven vil falde i takt med den stigende temperatur.

Overføringsfunktionen (1) kan realiseres som en funktion i mikroprocessorén eller laves med tabelopslag.

15

Strømreferencesignalet kan som tidligere nævnt også gøres afhængigt af motorfrekvensen eller motorfrekvensens referencesignal (fref i figur 4).

Karakteristikken vil da tage sig ud som vist i figur 7, hvor strømgrænsen er hævet under motorstarten.

20

Figur 6 viser et karakteristisk forløb af strømreferencen loc fra start og et tidsrum ind i driftsforløbet. Via en dip-switch på styrekortet er strømgrænsen sat til loa, som passer til en bestemt størrelse motor. Frekvensomformeren er i virkeligheden i stand til at yde en langt større strøm, men motoren er af en 25 mindre effektklasse. I perioden t0-t1 hæver referencegeneratoren 61 grænseværdien til loc2 for at tillade den større startstrøm at passere uden at hardwarestrømgrænsen forårsager udkobling. Til tiden t1 sænker referencegeneratoren igen strømgrænsen til loci- Til tiden t2 stiger omgivelsestemperaturen, hvilket medfører højere varmebelastning af 30 elektronikkomponenterne, og derfor sænkes strømgrænsen yderligere til loc3· Strømgrænsen kan eksempelvist også sænkes ved fald i netspændingen. Sænkningen i perioden t2 til t3 kan ske trinvist eller gradvist. En fordel ved at 15 DK 174828 B1 bruge den variable strømgrænse er således, at strømreferencen loc ikke skal dimensioneres efter startstrømmen, og det muliggør en nøjagtigere detektion af opstående fejlsituationer. Den overstrøm, som en blokeret rotor genererer, kan ligge omkring startstrømmens amplitude, og vil i tilfælde afen fast strømgrænse 5 omkring startstrømsniveauet fejlagtigt ikke blive fortolket som en fejlsituation.

Alternativt kan strømreference-karakteristikken formuleres med temperaturen og motorfrekvensen som variable.

10 Efter i det foregående at have behandlet dannelsen af overstrømssignalet OC på baggrund af en variabel strøm-grænseværdi vender vi nu tilbage til begrænsning af udgangseffekten i tilfælde af lav netspænding. Det skal bemærkes, at strømgrænseværdien l|im og strømreferencen loc virker uafhængigt af hinanden, idet Iijm er en intern softwarestrømgrænse, mens loc virker som hardware 15 strømgrænse. loc's hovedfunktion er at beskytte halvlederne, og signalet OC kan derfor også tilføres boostswitchen 11.

Begrænsningen af udgangseffekten sker som tidligere beskrevet ved at styreindretningen 6 sænker motorfrekvensen, hvilket gøres ved - over 20 forbindelsen 14 - at ændre forholdet mellem puls-pause tiden på effekthalvlederne, i vekselretteren 4. Da der foretages en U/f-styring reguleres også motorspændingen ned. Det betyder, at man samtidig kan sænke mellemkredsspændingen Ude for at undgå en unødig boost af mellemkredsspændingen. Begrænsningen kan således ske ved at kombinere 25 frekvenssænkningen med mellemkreds-spændingssænkningen, idet motorens krav til motorspænding falder med faldende motorfrekvens.

Mellemkredsspændingen kan sænkes ved at sænke det gennemsnitlige pulspause forhold på boostswitchen 11 som funktion af frekvensomformerens udgangseffekt.

Ved at reducere det maksimale loft for udgangseffekten beskyttes frekvensomformerens indgangstrin mod for stor strøm. Motorens omdrejningstal 30 16 DK 174828 B1 reguleres efter hvilken netspænding der er til rådighed på frekvensomformerens indgang. Motoren vil dermed ikke kunne yde det samme moment som ved tilslutning til en højere netspænding, men denne nedgang i ydeevne tages naturligvis i betragtning af OEM-fabrikanten ved systemdimensioneringen.

5

Der er i det foregående beskrevet en universelt anvendelig frekvensomformer.

På netsiden tilpasser frekvensomformeren sig den tilrådighedstående netspænding ved at begrænse den maksimale udgangseffekt, mens frekvensomformeren på motorsiden tilpasser sig motoren ved at variere 10 grænseværdien for overstrømssignalet efter motorens størrelse, motorfrekvensen eller den belastning, der er tilkoblet motorakslen.

Claims (15)

17 DK 174828 B1

1. Frekvensomformer indeholdende et elektronisk kredsløb til detektion af 5 overstrøm, hvor kredsløbet består af en komparator (66) som sammenligner et strømmålesignal med et strømreferencesignal som genereres af en referencegenerator, hvor komparatoren sender et overstrømssignal når strømmålesignalet er større end strømreferencesignalet, hvor en strømreference-karakteristik lagres i et programmerbart hukommelseselement (70), 10 og hvor karakteristikken er afhængig af mindst en første variabel (A1,A2,An,S1,S21Sn) og udskiftelig med en anden karakteristik afhængig af mindst en anden variabel (A1,A21An,S1,S2,Sn) kendetegnet ved at referencegeneratoren (61) indlæser strømreference-karakteristikken fra hukommelseselementet og genererer et pulsbreddemoduleret 15 strømreferencesignal (63) som kan varieres under frekvensomformerens driftsperiode.

2. Frekvensomformer ifølge krav 1 kendetegnet ved at den første og den anden variabel kan vælges blandt styringsparametrene (S1.S2, Sn) motorfrekvens, 20 motortemperatur og vekselretter-temperatur eller blandt applikationsparametrene (A1 ,A2,An) motorstørrelse eller motorakslens momentbelastningskarakteristik, eller at den første og den anden variabel kan vælges blandt en kombination af en styringsparameter og en applikationsparameter.

3. Frekvensomformer ifølge krav 2 kendetegnet ved at en eller flere variable af typen styringsparametre og/eller en eller flere variable af typen applikationsparametre sendes til referencegeneratoren som indgangsignal.

4. Frekvensomformer ifølge krav 3 kendetegnet ved at motorfrekvensen (fref) er 30 den første variabel i karakteristikken.

18 DK 174828 B1

5. Frekvensomformer ifølge krav 4 kendetegnet ved at parameterparret motorfrekvens (fref) og vekseirettertemperatur (T) er den første variabel i karakteristikken.

6. Frekvensomformer ifølge krav 3 kendetegnet ved at strømreferencesignalet holdes fast på et første niveau under motorens opstart frem til en grænsefrekvens (fg), hvorefter strømreferencesignalet (loc) sænkes.

7. Frekvensomformer ifølge krav 1 kendetegnet ved at det 10 pulsbreddemodulerede strømreferencesignal ledes ind i et lavpasfilter (64), hvis udgang er forbundet til en indgang (65) på komparatoren.

8. Frekvensomformer ifølge krav 2 kendetegnet ved at stømreference-karakteristikken er valgbar ved brug af dip-switches eller jumpers anbragt i 15 frekvensomformeren eller ved brug af seriel kommunikation.

9. Frekvensomformer ifølge krav 2 kendetegnet ved at frekvensomformeren selv måler elektriske parametre i motoren og ud fra disse parametre bestemmer strømreference-karakteristikken. 20

10. Frekvensomformer ifølge et af de foregående krav kendetegnet ved at strømmålesignalet er dannet via en målt motorstrøm eller via en målt strøm i frekvensomformerens mellemkreds, og at den målte strøm er blevet normeret i et normeringskredsløb (68), på hvis udgang strømmålesignalet står. 25

11. Frekvensomformer ifølge krav 10 kendetegnet ved at normeringskredsløbet enten er anbragt på et printkort indeholdende frekvensomformerens styreelektronik eller foretrukket på et printkort indeholdende effektelektronikken, og at de to printkort er forbundet elektrisk med hinanden. 30

12. Frekvensomformer ifølge krav 11 kendetegnet ved at normeringskredsløbet består af ohmske modstande som er parallelkoblet med et strømsignal, som

19 DK 174828 B1 fortrinsvist genereres af en målemodstand anbragt i frekvensomformerens mellemkreds.