FI106081B - Menetelmä tahtikoneen stabiilisuuden varmistamiseksi - Google Patents

Description

106081

Menetelmä tahtikoneen stabiilisuuden varmistamiseksi Keksinnön tausta ja ala

Keksinnön kohteena on menetelmä tahtikoneen stabiilisuuden var-5 mistamiseksi suoraan vuohon ja momenttiin perustuvassa tahtikoneen säädössä, jossa tahtikoneen kehittämää momenttia lisätään/vähennetään kas-vattamafla/vähentämällä staattorivuon hetkellistä pyörimisnopeutta. Keksintö liittyy siten tahtikoneen stabiilisuuden varmistamiseen ja ylläpitämiseen suoraan vuohon ja momenttiin perustuvassa vaihtosähkökoneen säädössä, jollai-10 nen tunnetaan esimerkiksi US-patenttijulkaisusta 4,918,367, joka sisällytetään viitteenä tähän hakemukseen. Säätötavan etuja ovat erinomainen dynamiikka ja hyvä momentin ohjearvotarkkuus.

Seuraavassa selityksessä samoinkuin jo edellä on esityksen yksinkertaistamiseksi käytetty nimityksiä staattorivuo tai vain pelkästään vuo tar-15 koitettaessa staattorikäämivuota ja vastaavasti nimitystä momentti tarkoitettaessa vääntömomenttia.

Oheisen piirustuksen kuviossa 1 on esitetty tahtikoneen roottori-koordinaatisto eli dq-koordinaatisto. Koordinaatisto on sidottu roottoriin, ja d-akselin (direct axis) positiivinen suunta on napapyörävirran (If) magnetointi-20 suunta. Edellä mainitussa säätötavassa positiiviseen suuntaan vaikuttavaa vääntömomenttia lisätään (vähennetään) kasvattamalla (vähentämällä) staattorivuon (\|/s) hetkellistä pyörimisnopeutta, jolloin napakulma δ kasvaa (vähenee). Nopeuden ja vääntömomentin positiivinen suunta on vastapäivään.

: 25 Tahtikoneen säädön stabiilisuutta voidaan tarkastella oheisen pii rustuksen kuvion 2 avulla, jossa on esitetty tahtikoneen kehittämä staattinen momentti napakulman funktiona käyränä Τ(δ). Stabiilisuustarkastelussa käytetään staattista momenttikäyrää, koska oleellista on, onko jatkuva toiminta mahdollista tietyssä toimintapisteessä. Momenttiohjeella Tref,1 toiminta on 30 stabiilia pisteessä δ1, koska napakulman heilahdus ylöspäin saa aikaan kehi-. tetyn momentin kasvamisen yli ohjearvon, mistä seuraa säätötoimenpide, joka vähentää napakulmaa. Piste δ2 ei ole stabiili, koska pieni napakulman heilahdus ylöspäin saa aikaan säätötoimenpiteen, joka kasvattaa napakulmaa edelleen. Tästä on seurauksena tahtikäynnin menettäminen. Esitetyllä säätötavalla 35 jatkuva toiminta ei ole mahdollista, jos napakulma on suurempi kuin se napa-kulman arvo, jolla kehitetty momentti saavuttaa maksimiarvonsa Tmax. Mo- 2 106081 menttiohjeella Tref,2, joka on suurempi kuin Tmax, stabiili toiminta ei ole siten lainkaan mahdollista.

Tunnettu tekniikan taso

Edellä esitetty säätötapa voidaan stabiloida kahdella tavalla. Perin-5 teinen stabilointitapa on rajoittaa momenttireferenssiä siten, että missään tilanteessa ei ajauduta epästabiilille alueelle. Tässä menetelmässä on kaksi perustavaa laatua olevaa ongelmaa: 1) Maksimimomentin Tmax laskemiseen liittyy aina epävarmuus koneen malliparametreissä ja staattorivuon estimaatissa olevien virheiden takia.

10 Lisäksi säädön näkemässä momenttiestimaatissa on virhettä. Tästä syystä momenttiohjeen suurin sallittu arvo, Tiimit, on asetettava riittävän turvamargi-naalin verran lasketun maksimiarvon Tmax alapuolelle, kuten ilmenee myös kuviosta 2.

2) Yläraja Tiimit on asetettava niin pieneksi, että kone ei joudu 15 epästabiilille alueelle missään muutosilmiöihin liittyvässä heilahduksessa.

Kohtien 1) ja 2) takia momenttiohjeen suurin sallittu arvo Tiimit on tyypillisesti asetettava 20 - 30 % pienemmäksi kuin laskettu maksimiarvo Tmax. Näin suuri momenttimarginaalin hyödyntämättä jättäminen lyhentää huomattavasti kentänheikennysaluetta. Pitkä kentänheikennysalue on tahtiko-20 nekäytön huomattava kilpailuetu.

Toinen stabilointitapa on rajoittaa suoraan napakulmaa välittämättä vallitsevasta vääntömomentistä. Tässä menetelmässä ei ole edellä esitettyjä vaikeuksia. Vaikka napakulman todellinen arvo ajautuisi virheiden takia epäs-·' tabiilille alueelle, kun säädön näkemä napakulmaestimaatti on vielä stabiililla 25 alueella, on napakulman vyörynomainen kasvu ja sitä kautta tahtikäynnin menettäminen estetty. Tästä syystä napakulman rajoittamisessa ei tarvita vastaavaa turvamarginaalia kuin vääntömomentin rajoitukseen perustuvassa menetelmässä. Napakulman rajoittamista käytetään yleisesti säädetyissä tahtikone-käytöissä, joissa napakulma ja/tai staattorivuon d-ja q-komponentit (i|/sd, i|/sq) « .· 30 ovat säädettävinä suureina.

Suoraan vuohon ja momenttiin perustuvassa säädössä koneen napakulmaa tai staattorivuon d- ja q-komponentteja ei käytetä säädettävinä suureina vaan säädettävät suureet ovat vääntömomentti ja staattorivuon suuruus (avaruusvektorin pituus).

3 106081

Keksinnön yhteenveto Tämän keksinnön tavoitteena on tuoda esiin suoraan vuohon ja momenttiin perustuva tahtikoneen säätömenetelmä, johon ei kuitenkaan liity 5 edellä kuvatun kaltaisia suurimman sallitun momenttiohjeen rajoittamisesta aiheutuvia puutteita. Tähän päästään keksinnön mukaisen menetelmän avulla, jolle on tunnusomaista, että se käsittää vaiheet, joissa määritetään staatto-rivuovektorin suunta roottorikoordinaatistossa ja pakotetaan staattorivuovektori pysymään roottorikoordinaatiston I ja IV kvadrantissa kääntämällä staattori-10 vuota roottorikoordinaatistossa tarpeellisessa määrin.

Staattorivuon suunnan määritys roottorikoordinaatistossa voidaan suorittaa koordinaatistomuunnoksella lähtien staattorivuon staattorikoordinaa-tistossa lausutuista suorakulmaisista (x ja y) komponenteista, jotka ovat suoraan vuohon ja momenttiin perustuvassa säädössä tiedossa olevia suureita.

15 Edullisesti staattorivuovektori pakotetaan pysymään halutuissa kvadranteissa siten, että määritetyn staattorivuovektorin sijaitessa roottori-koordinaatiston Il kvadrantissa käännetään staattorivuota myötäpäivään roottorikoordinaatistossa, kunnes staattorivuovektori on siirtynyt I kvadranttiin ja määritetyn staattorivuovektorin sijaitessa roottorikoordinaatiston lii kvadrantis-20 sa käännetään staattorivuota vastapäivään roottorikoordinaatistossa, kunnes staattorivuovektori on siirtynyt IV kvadranttiin.

Staattorivuon kääntäminen haluttuun suuntaan toteutetaan edullisesti siten, että staattorivuota käännetään myötäpäivään roottorikoordinaatistossa antamalla momenttisäädölle negatiivinen momenttiohje ja staattorivuota 25 käännetään vastapäivään roottorikoordinaatistossa antamalla momenttisäädölle positiivinen momenttiohje. Tällöin positiivinen ja negatiivinen momentti-ohje voivat olla joko itseisarvoltaan vakiosuuruisia tai riippuvaisia määritetyn staattorivuovektorin suuntakulmasta eli napakulmasta tai jostain muusta siihen kytköksissä olevasta suureesta, kuten jostakin napakulman trigonometrisesta 30 funktiosta tai vastaavasta.

• Edelleen on edullista, että määritetyn staattorivuovektorin sijaitessa ennalta määrätyllä alueella, joka sijaitsee I tai vastaavasti IV kvadrantissa ja rajoittuu I ja li kvadrantin väliseen rajaan tai vastaavasti III ja IV kvadrantin väliseen rajaan rajoitetaan momenttisäädön momenttiohjetta staattorivuovek-35 torin suunnan funktiona siten, että mitä lähempänä ollaan I ja II kvadrantin tai vastaavasti III ja IV kvadrantin välistä rajaa sitä pienempi momenttiohje on.

4 106081

Momenttiohjeen rajoitus on edullisesti toteutettu siten, että määritetyn staatto-rivuovektorin sijaitessa I ja II kvadrantin tai vastaavasti III ja IV kvadrantin välisellä rajalla momenttiohje on nolla.

Kuvioiden lyhyt selostus 5 Keksintöä selostetaan nyt lähemmin viitaten oheiseen piirustuk seen, jossa

Kuvio 1 esittää staattorivuovektoria tahtikoneen roottorikoordinaatistossa eli dq-koordinaatistossa;

Kuvio 2 esittää tahtikoneen kehittämää staattista momenttia napa-10 kulman funktiona;

Kuvio 3 esittää roottorikoordinaatiston kvadrantit ja niissä momenttiohjeen rajoitusalueet;

Kuvio 4 esittää esimerkin momenttiohjeen rajoittamisesta ikkuna-funktion avulla; ja 15 Kuvio 5 esittää keksinnön mukaisen menetelmän toteuttamiseen liittyvät vaiheet vuokaaviona.

Keksinnön yksityiskohtainen kuvaus

Keksinnön mukaisessa menetelmässä tahtikoneen stabiilisuus varmistetaan ja sitä ylläpidetään suoraan vuohon ja momenttiin perustuvassa 20 säädössä pakottamalla staattorivuo pysymään dq-koordinaatiston eli roottori-koordinaatiston ensimmäisessä tai neljännessä kvadrantissa (Q1 ja Q4) eli rajoittamalla koneen napakulma näihin kvadrantteihin. Tätä perusideaa on ha-: vainnollistettu kuviossa 3, jossa lähtökohtaisesti kvadrantit Q1 ja Q4 on mer kitty sallituiksi alueiksi ja kvadrantit Q2 ja Q3 kielletyiksi alueiksi. Mikäli ajau-25 dutaan toiseen kvadranttiin Q2, staattorivuota käännetään myötäpäivään roottorikoordinaatistossa, kunnes saavutaan kvadranttiin Q1 eli sallitulle alueelle. Mikäli ajaudutaan kvadranttiin Q3, staattorivuota käännetään vastapäivään roottorikoordinaatistossa, kunnes saavutetaan kvadranttiin Q4.

Staattorivuon pyörittäminen tai kääntäminen myötäpäivään voidaan 30 toteuttaa esim. negatiivisella momenttiohjeella ja vastapäivään pyörittäminen vastaavasti positiivisella momenttiohjeella. Momenttiohjeen suuruus voi olla vakio tai napakulman funktio.

Mikäli napakulmarajoitus tehdään liian pitkällä suoritusvälillä, kehitetty vääntömomentti värähtelee voimakkaasti, kun ajaudutaan napakulmara-* 35 jalle eli kvadranttirajalle Q1-Q2 tai Q4-Q3. Mikäli napakulmarajoitus voidaan 5 106081 tehdä hyvin pienin suoritusvälein (esim 25 μβ), edellä kuvattua ongelmaa ei esiinny.

Momentin värähtelyä voidaan vähentää rajoittamalla momentin ohjearvoa lähestyttäessä napakulmarajaa eli tultaessa kuviossa 3 esitetyille na-5 pakulmarajoihin Q1-Q2 ja vastaavasti Q3-Q4 rajoittuviin kvadranttien Q1 ja Q4 alueisiin Q1r ja vastaavasti Q4r. Tällöin jäljelle jääviä kvadranttien I ja IV alueita, joilla momentin ohjearvon rajoitusta ei siis ole tarpeen käyttää, on merkitty merkinnöillä Q1s ja Q4s. Alueilla Q1r ja vastaavasti Q4r napakulma δ > Ör tai vastaavasti δ < -5r. Momentin ohjearvon reduktio voidaan tehdä esim. kuvios-10 sa 4 esitetyllä tavalla kertomalla momentin ohjearvo ikkunafunktiolla Cr, joka pienentää momentin ohjearvon nollaan siirryttäessä alueen Q1r ja vastaavasti alueen Q4r rajalta kvadranttien väliselle rajalla Q1-Q2 ja Q3-Q4. Kuviossa 4 tilanne on esitetty ainoastaan kvadranttien Q1 ja Q2 välisen rajan osalta. Stabiili toimintapiste löytyy pisteestä P, jossa mainittu momentin ohjearvon ja ik-15 kunafunktion muodostama käyrä leikkaa tahtikoneen staattisen momenttikäy-rän.

Momentin ohjearvon rajoittamisen eli momenttireduktion käyttäminen pienentää hyödynnettävää maksimimomenttia, mutta vähennys ei ole käytännössä merkittävä. Esim. umpinapaisella tahtikoneella maksimimomentti 20 saavutetaan napakulman arvolla δ = 90°. Tässä tapauksessa momenttireduktion aloittaminen napakulmasta ör = 80° vähentää hyödynnettävää maksimi-momenttia enimmillään kertoimella sin(80°)/sin(90°) = 0,985 eli n. 1.5 %.

Tarvittava momenttireduktioalueen laajuus eli momenttiohjekäyrän loivuus riippuu sallittavasta momentin aaitoisuudesta toimittaessa napakulma-‘ . 25 rajalla ja suoritusvälistä, millä napakulmarajoitus toteutetaan.

Kuviossa 5 on havainnollistettu keksinnön mukaista menetelmää vuokaavion avulla. Siinä viitemerkillä 51 on merkitty vaihetta, jossa määritetään napakulma eli staattorivuon suunta roottorikoordinaatistossa eli dq-koordinaatistossa. Tämän napakuimamäärityksen jälkeen siirrytään vaihee-30 seen 52, jossa testataan onko napakulma kvadranteissa Q1 tai Q4. Jos näin ei * ole, siirrytään vaiheeseen 53 testaamaan, onko napakulma kvadrantissa Q2.

Jos näin on, käännetään staattorivuota roottorikoordinaatistossa myötäpäivään lohkossa 55 sen saamiseksi siirtymään kvadranttiin Q1. Yllä on esitetty, miten tämä kääntäminen voidaan suorittaa. Jos taas vaiheessa 53 havaitaan, 35 että staattorivuo ei ole kvadrantissa Q2, sen täytyy olla kvadrantissa Q3, jolloin sen saamiseksi kvadranttiin Q4 staattorivuota käännetään lohkossa 54 rootto- 6 106081 rikoordinaatistossa vastapäivään. Lohkoista 54 ja 55 siirrytään lohkoon 51 määrittämään napakulmaa uudelleen.

Jos edellä lohkossa 52 havaittiin napakulman olevan kvadranteissa Q1 tai Q4, testataan lohkossa 56 lisäksi, onko napakulma kuviossa 3 ja 4 ha-5 vainnollistetuilla alueilla Qlrtai Q4r. Jos näin on, momentin ohjearvoa rajoitetaan lohkossa 57, kuten on esitetty kuvion 4 yhteydessä. Lohkolta 57 samoinkuin lohkolta 56, jos napakulma ei ole alueilla Qlrtai Q4r, palataan lohkoon 51 määrittämään napakulmaa uudelleen.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä voidaan staattorivuo korvata 10 ilmavälivuolla (ψηι) tai vaimennuskäämivuolla (ψ0 + jyQ). Funktiot, joissa on argumenttina napakulma 5, voidaan korvata funktiolla, joissa on argumenttina cos (5) = \ysd/vj/s, sin(5) = vj/sq/vys tai muu vastaava muoto, jolla aikaansaadaan tarvittavat riippuvuussuhteet.

Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että keksintö ja sen suoritusmuo-15 dot eivät siten rajoitu yllä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaihdella oheisten patenttivaatimusten puitteissa.

•

Claims (9)

106081 Patentti vaati m u kset

1. Menetelmä tahtikoneen stabiilisuuden varmistamiseksi suoraan vuohon ja momenttiin perustuvassa tahtikoneen säädössä, jossa tahtikoneen kehittämää momenttia lisätään/vähennetään kasvattamalla/vähentämällä 5 staattorivuon hetkellistä pyörimisnopeutta, tunnettu siitä, että menetelmä käsittää vaiheet, joissa määritetään staattorivuovektorin (vys) suunta roottorikoordinaatis-tossa (dq), ja pakotetaan staattorivuovektori (i|/s) pysymään roottorikoordinaa- 10 tiston I ja IV kvadrantissa (Q1, Q4) kääntämällä staattorivuota roottorikoordi-naatistossa tarpeellisessa määrin.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että staattorivuon (vys) kääntäminen roottorikoordinaatistossa käsittää staattorivuon staattorikoordinaatistossa mitatun pyörimisnopeuden ja -suunnan oh- 15 jäämisen.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että määritetyn staattorivuovektorin (vj/s) sijaitessa roottorikoordinaatiston II kvadrantissa (Q2) käännetään staattorivuota myötäpäivään roottorikoordinaatistossa, kunnes staattorivuovektori on siirtynyt I kvadranttiin (Q1) ja 20 määritetyn staattorivuovektorin (ψε) sijaitessa roottorikoordinaatis ton III kvadrantissa (Q3) käännetään staattorivuota vastapäivään roottorikoordinaatistossa, kunnes staattorivuovektori on siirtynyt IV kvadranttiin (Q4).

4. Patenttivaatimuksen 3mukainen menetelmä, tunnettu siitä, \ että staattorivuon (ψε) kääntäminen myötäpäivään roottorikoordinaatistossa 25 käsittää negatiivisen momenttiohjeen antamisen momenttisäädölle ja staattorivuon kääntäminen vastapäivään roottorikoordinaatistossa käsittää positiivisen momenttiohjeen antamisen momenttisäädölle.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainitut positiivinen ja negatiivinen momenttiohje ovat itseisarvoltaan va- • 30 kiosuuruisia.

6. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainitut positiivinen ja negatiivinen momenttiohje ovat itseisarvoltaan riippuvaisia määritetyn staattorivuovektorin suuntakulmasta eli napakulmasta (δ) tai jostain muusta siihen kytköksissä olevasta suureesta, kuten tan (δ) tai vas- 35 taavasta. 8 . 106081

7. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että määritetyn staattorivuovektorin sijaitessa ennalta määrätyllä alueella (Q1r, Q2r), joka sijaitsee I (Q1) tai vastaavasti IV kvadrantissa (Q4) ja rajoittuu I ja II kvadrantin väliseen rajaan (Q1-Q2) tai vastaavasti III ja IV kvadrantin väliseen 5 rajaan (Q3-Q4) rajoitetaan momenttisäädön momenttiohjetta staattorivuovektorin (ψε) suunnan funktiona siten, että mitä lähempänä ollaan I ja II kvadrantin tai vastaavasti III ja IV kvadrantin välistä rajaa sitä pienempi momenttiohje on.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 10 että määritetyn staattorivuovektorin sijaitessa I ja II kvadrantin tai vastaavasti III ja IV kvadrantin välisellä rajalla (Q1-Q2; Q3-Q4) momenttiohje on nolla.

«-« « 9 106081