FI106231B - Invertterijärjestely - Google Patents

Description

, 106231

Invertterijärjestely

Keksinnön kohteena on invertterijärjestely sähkökoneen staattorivuon ja vääntömomentin samanaikaista 5 säätöä varten käsittäen tasajännitevälipiiriin kytketyn vaihtosuuntausosan vaiheluvultaan sähkökoneen vaihelukua vastaavan vaihtojännitteen kehittämiseksi ja säätöjärjestelmän vaihtosuuntausosan kehittämän vaihtojännitteen hetkellisen arvon säätämiseksi, joka säätöjärjestelmä 10 vastaanottaa tulosuureina ohjearvot vääntömomentille ja staattorivuolle ja mittausarvot staattorivirralle ja staattorijännitteelle tai niihin verrannollisille suureille ja käsittää välineet tulosuureisiin perustuvien, ohje- ja oloarvojen välistä eroa kuvaavien erosuureiden 15 määrittämiseksi vääntömomentille ja staattorivuolle ja välineet vaihtosuuntausosan kytkinten ohjaamiseksi näiden erosuureiden perusteella.

Edellä kuvatun kaltaisen konventionaalisen DTC- «·, invertterin (DTC=Direct Torque Control) perusideana on • · 20 sähkökoneen staattorivuon ja -vääntömomentin samanaikai- a · « • · · "V nen säätö siten, että koneeseen syötetty hetkellinen jännite vastaa mahdollisimman tarkasti vuon- ja momentin hetkellistä säätötarvetta. Tällaisen konventionaalisen DTC-invertterin lohkokaavio on esitetty oheisten piirus- ·.· · 25 tusten kuviossa 1 ja sellainen tunnetaan esimerkiksi

Takahashin ja Noguchin artikkelista "A new Quick-Respon- ;***: se and High-Efficiency Control Strategy of an Induction • · ·

Motor", IEEE Transactions on Industry Applications, Voi «·♦ ·. IA-22, No.5. September/October 1986.

• · · *··: 30 Säädön tarvitsemat vuon ja momentin oloarvot las- • ♦♦ -7 r · ♦ ketään yleensä koneeseen syötettyjen jännitteen ja vir-ran perusteella. Normaalisti staattorijännitevektori u8 — * • ;..j lasketaan tasajännitevälipiiristä DC mitatusta tasa jän nitteestä li,*, ja vaihtosuuntausosassa AC käytettyjen kyt-35 kinten SWa, SWb ja SWc asennoista Sa, Sb ja Sc, kun taas 2 106231 virtavektori Is saadaan kahden mitatun vaihevirran perusteella.

Staattorijännite ja -virta ovat tulosuureita vuonlaskentalohkolle VL, jossa koneen perusyhtälöltä hy-5 väksikäyttäen lasketaan staattorivuovektori Ψ3. Muodostamalla staattorivuon ja -virran ristitulo lohkossa R saadaan hetkellinen vääntömomentti T. Kun näin saatu momentin oloarvo vähennetään momentin ohjearvosta Tref lohkossa VI, saadaan erosuure Terr momentin säätöä varten. Vastaa-10 vasti vähentämällä lohkossa V2 staattorivuon ohjearvosta Tre£ vuon oloarvolle lohkossa IT laskettu itseisarvo Ψ3 saadaan erosuure Terr vuon amplitudisäätöä varten. Kun erosuure on positiivinen, on tehtävä oloarvoa kasvattavia säätötoimenpiteitä ja päinvastoin. Erosuureiden las-15 kentaan liittyville välineitä on kuviossa 1 annettu myös yhteinen viitemerkintä EC.

DTC-invertteri tarvitsee lisäksi tiedon siitä, missä sektorissa (ympyrän kuudennes) staattorivuovektori ···. kulloinkin on. Sektorin numero n (=0...5) selvitetään 20 erillisessä sektorinlaskentalohkossa SL, jonka sisääntu- * · · **'.* lona on siis staattorivuovektori.

Vuo- ja momenttisäätöjen erosuureet Terr ja Terr • · ’···' sekä sektorinumero n ovat tulosuureita kytkinohjeen va- lintalohkolle KV, jonka tehtävänä on valita kytkinasento > 25 (ts. jännitevektori), joka pitää momentin- ja vuon olo- arvot tiettyjen hysteresis-rajojen sisäpuolella. Käytet-tävissä on oheisten piirustusten kuviosta 2 ilmenevät 6

• M

jännitevektoria sekä nollavektori, joista siis pyritään « · · ·, valitsemaan jokaiseen hetkelliseen säätötilanteeseen • · · 30 sopivin vektori. Oleellista on tällöin jännitteen us vai- • · _ *·..* hekulma vuohon Ψ. nähden. Tätä tilannetta on havainnoi- • 8 :*·*: listettu oheisten piirustusten kuviossa 3. Mikäli momen- « • tin halutaan kasvavan (Terr>0), valitaan jännitevektori, jonka kohtisuora komponentti uq vuohon nähden on mahdol-35 lisimman suuri. Jos taas staattorivuon halutaan kasvavan 3 106231 (Yerr>0)/ valitaan jännitevektori, jonka vuon suuntainen komponentti ud on mahdollisimman suuri. Vastaavasti vuota- tai momenttia pienennettäessä on ko. komponenttien oltava negatiivisia. Mikäli säätötarvetta ei ole, vali-5 taan nollavektori.

DTC-invertterin perusongelma on siinä, että jokainen kytkimenkääntö tarvitsee mahdollisimman reaaliaikaisen tiedon vuosta ja momentista. Siitä seuraa, että kytkimiä voidaan kääntää vain silloin, kun uusi vuo- ja 10 momenttiestimaatti on saatu. Tämä johtaa tarpeeseen käyttää nopeaa signaaliprosessoria moottorin oloarvojen laskennassa, jotta keskimääräinen kytkentätaajuus olisi riittävän korkea. Minimi pulssinleveys on siten sidottu vuon- ja momentin säätösykliin, joka parhaimmillaankin 15 on kymmeniä mikrosekunteja. Jokainen jännitevektori on päällä vähintään ko. säätösyklin ajan, eli aina kun säädetään, säädetään paljon kerralla.

Säätöongelmaa pahentaa lisäksi se, että nollasta .... poikkeavia jännitevektoreita on olemassa vain 6 kappa- • · 20 letta. Useimmiten ei ole mahdollista valita vektoria, • · « "V joka vaikuttaisi juuri halutulla tavalla sekä vuon amp- litudiin että momenttiin.

« « « DTC-invertterin etuna pidetään suurta momentin nousunopeutta, jonka määrää käytännössä koneen hajain-· 25 duktanssi. Joillakin pienihajainduktanssisilla mootto reilla momentti voi nousta jopa 50% nimellisestä momen-tista yhden säätösyklin aikana, mistä taas seuraa huo- • « · .*·*. mättävä momenttirippeli ja meluongelma. Jos momenttivas- • · · •# te on liian jyrkkä, ei sitä enää voida katsoa eduksi.

M» 30 Käytännössä 5 ms vasteaika olisi riittävä.

Esillä olevan keksinnön tavoitteena on tuoda j*j*; esiin invertterijärjestely, jonka avulla edellä maini- tut, tavanomaiseen DTC-invertteriin liittyvät ongelmat kyetään ainakin oleellisin osin eliminoimaan. Tähän ta-35 voitteeseen päästään keksinnön mukaisen invertterijär- , 106231 jestelyn avulla, jonka ensimmäiselle suoritusmuodolle on tunnusomaista, että välineet vaihtosuuntausosan kytkinten ohjaamiseksi käsittävät välineet staattorijänniteoh-jeen kehittämiseksi mainittuihin vääntömomentin ja 5 staattorivuon erosuureisiin perustuen, välineet ohjearvojen kehittämiseksi staattorijännitteen vaihejännit-teille määritetyn staattorijänniteohjeen ja staattori-jännitteen yhteismuotoiselle jännitteelle annetun ohjearvon perusteella ja takaisinkytketyn jännitesäätäjän 10 sähkökoneelle syötettyjen staattorijännitteen vaihejän-nitteiden säätämiseksi vastaamaan määritettyjä vaihejän-nitteiden ohjearvoja.

Vaihtoehtona ensimmäisessä suoritusmuodossa käytetylle staattorijännitteen vaihekohtaiselle säädölle 15 voidaan säädön kohteeksi ottaa staattorijännitteen pää-jännitteet, jolloin keksinnön toisen suoritusmuodon mukaiselle invertterijärjestelylle on tunnusomaista, että välineet vaihtosuuntausosan kytkinten ohjaamiseksi kä-sittävät välineet staattorijänniteohjeen kehittämiseksi : .·. 20 mainittuihin vääntömomentin ja staattorivuon erosuurei- • · « "V siin perustuen, välineet ohjearvojen kehittämiseksi « « · staattorijännitteen pää jännitteille määritetyn staatto- **·;' rijänniteohjeen perusteella ja takaisinkytketyn jänni- • · « tesäätäjän sähkökoneelle syötettyjen staattorijännitteen v 25 pääjännitteiden säätämiseksi vastaamaan määritettyjä pääjännitteiden ohjearvoja.

Keksinnön mukaisessa invertterijärjestelyssä väl- :***: tetään konventionaaliseen DTC-invertteriin liittyvät • · · \ ongelmat, koska nyt on käytettävissä useampia jännite- *::: 30 vektoreita kuin mitä kuviossa 2 on esitetty eikä ole • · *·;·* tarvetta laskea jokaista erillistä kytkimenkääntöä. Tä- :T: hän on päästy jakamalla säätö kahteen osaan siten, että ·;·· momenttisäätö laskee kytkinasentojen sijasta vaihe- tai pääjänniteohjeet erilliselle jännitesäätäjälle, jonka 35 tehtävänä on taas säätää koneen vaihe- tai pääjännitteet 106231

O

annettujen jänniteohjeiden suuruisiksi.

Edullisesti momenttisäätöön sisältyvät välineet staattorijänniteohjeen kehittämiseksi käsittävät vuosää-täjän staattorijänniteohjeen staattorivuon suuntaisen 5 komponentin kehittämiseksi staattorivuon erosuureeseen perustuen, momenttisäätäjän staattorijänniteohjeen staattorivuon suuntaan nähden kohtisuoran komponentin kehittämiseksi vääntömomentin erosuureeseen perustuen ja välineet koordinaatistomuunnoksen suorittamiseksi kornit) ponenttiensa avulla staattorivuokoordinaatistossa määri tetyn staattorijänniteohjeen muuttamiseksi staattorijän-niteohjeeksi staattorikoordinaatistossa.

Koska keksinnön mukaisessa invertterijärjestelys-sä käytetään jännitesäätäjää invertterin lähtöjännitteen 15 asettelemiseksi, voidaan määritettyä staattorijänniteoh- jetta käyttää yhtenä tulosuureista välineille erosuurei-den määrittämiseksi vääntömomentille ja staattorivuolle sen sijaan, että staattorijännite jouduttaisiin kyseistä ·*·. tarkoitusta varten erikseen mittaamaan. Tämä perustuu ; 20 siihen, että jännitesäätäjän voidaan katsoa kykenevän • · « suorittamaan tehtävänsä sellaisella tarkkuudella, että • « « ' • · « sille ohjeeksi annettu tavoite jännite riittävällä tark- • < kuudella toteutuu ja säädössä todellisen mittausarvon I I t sijasta voidaan siten käyttää tätä tavoitejännitettä.

V 1 25 Jos pyritään vaihekohtaiseen jännitesäätöön voi daan käyttää takaisinkytkettyä jännitesäätäjää, joka kä-sittää LC-alipäästösuotimella ja jännitetakaisinkytken-nällä varustetun pulssinlevysmodulaattorin ja oskillat- «·· \ toripiirin vaihtosuuntausosan kytkimien kytkentätaajuut- *;;! 30 ta ohjaavan ohjaus jännitteen kehittämiseksi, joka puis- • · *···’ sinleveysmodulaattori on sovitettu vastaanottamaan sekä :*?*.· staattorijännitteen vaihe jännitteiden mittausarvot että ·:·· niiden ohjearvot samoinkuin oskillaattoripiirin kehittä män ohjausjännitteen ja kehittämään niiden perusteella 35 ohjaussignaalit vaihtosuuntausosan kytkimille.

106231

O

Kun säätö kohdistuu pääjännitteisiin voidaan käyttää takaisinkytkettyä jännitesäätäjää, joka käsittää LC-alipäästösuotimen, jonka kondensaattorit on kytketty vaihejännitteiden väliin, välineet pääjännitteiden olo-5 arvojen muodostamiseksi vaihejännitteistä ja modulaattorin, joka on sovitettu vastaanottamaan sekä staattori-jännitteen pääjännitteiden oloarvot että niiden ohjearvot ja kehittämään niiden perusteella ohjaussignaalit vaihtosuuntausosan kytkimille.

10 Vaihtoehtoisesti pääjännitesäätöä käytettäessä voidaan käyttää takaisinkytkettyä jännitesäätäjää, joka käsittää LC-alipäästösuotimen, jonka kondensaattorit on kytketty yhteiseen tähtipisteeseen, joka puolestaan on kytketty kondensaattorin kautta tasajännitevälipiirin 15 miinusnapaan, välineet pääjännitteiden oloarvojen muodostamiseksi vaihejännitteistä ja modulaattorin, joka on sovitettu vastaanottamaan sekä staattorijännitteen pää-jännitteiden oloarvot että niiden ohjearvot ja kehittä- ···. mään niiden perusteella ohjaussignaalit vaihtosuun- ; 20 tausosan kytkimille. Tässä ratkaisussa jännitesäätäjä on • · f *'V varustettu yhteismuotoisen jännitteen suodatuksella.

• « « ;;; Seuraavassa keksinnön mukaista invertterijärjes- • t telyä kuvataan yksityiskohtaisemmin viitaten oheiseen « « piirustukseen, jossa 25 kuvio 1 esittää konventionaalisen DTC-invertterin lohkokaavion, :***: kuvio 2 esittää 2-tasoinvertterin jännitevektorit konventionaalisessa DTC-säädössä, • » « *. kuvio 3 esittää staattorijännitteen komponentit f*· 30 staattorivuon suhteen, • · *···* kuvio 4 esittää keksinnön mukaisessa invertteri- •T; järjestelyn ensimmäisessä suoritusmuodossa käytettäväksi ;··:' soveltuvan jännitesäätäjän lohkokaavion, kuvio 5 esittää keksinnön mukaisen invertterijär- 35 jestelyn ensimmäisen suoritusmuodon lohkokaavion, 7 106231 kuvio 6 esittää keksinnön mukaisessa invertteri-järjestelyssä käytettävissä olevat jännitevektorit, kuvio 7 esittää keksinnön mukaisen invertterijärjestelyn toisessa suoritusmuodossa käytettäväksi sovel-5 tuvan jännitesäätäjän ensimmäisen suoritusmuodon lohko-kaavion , kuvio 8 esittää keksinnön mukaisen invertterijärjestelyn toisessa suoritusmuodossa käytettäväksi soveltuvan jännitesäätäjän toisen suoritusmuodon lohkokaavion 10 ja kuvio 9 esittää keksinnön mukaisen invertterijärjestelyn toisen suoritusmuodon lohkokaavion.

Keksinnön mukaisen invertterijärjestelyn perusideana on, että säätö on jaettu kahteen osaan siten, 15 että momenttisäätö laskee kytkinasentojen sijasta vaihe-tai pääjänniteohjeet erilliselle jännitesäätäjälle, jonka tehtävänä on taas säätää koneen vaihe- tai pääjännitteet annettujen jänniteohjeiden suuruisiksi.

···. Kun tavoitteena on vaihejännitekohtainen säätö, : 20 jännitesäätäjänä voidaan käyttää esim. UPS-laitteista • · < "V tuttua LC-alipäästösuodattimella ja jännitetakaisinkyt- ;;; kennällä varustettua PWM-modulaattoria, jollainen tunne- ‘ taan esimerkiksi EP-patenttijulkaisusta 439642 ja jol- laisen periaatteellinen lohkokaavio on esitetty kuviossa V 25 4.

Kuvion 4 jännitesäätäjässä invertterin vaih- :]*]: tosuuntausosan AC kytkinten SWa, SWB ja SWc kanssa sar- jaan on kytketty kuristinkelat La, Lb ja Le. Kondensaat- • · · *. torit Ca, Cb, Cc, jotka muodostavat kuristinkelojen « · · 30 kanssa LC-alipäästösuodattimen, on kytketty tähteen si- • · *·;·* ten, että tähtipiste T on kytketty tasajännitevälipiirin :*?*<* DC alempaan potenttiaaliin 0V. Jännitetakaisinkytkentä ·:·; jännitesäätäjälle on otettu kuristimien jälkeisistä vai he jännitteistä. Nämä takaisinkytketyt jännitteet ua, ub 35 ja uc tuodaan pulssileveysmodulaattorille PWM, jonka toi- 8 106231 mintataajuuden määrää oskillaattoripiiri OC. LC-suodat-timelle menevät vaihejännitteet ovat tasajännitevälipii-rin tasajännitteen UDC:n suuruisia pulsseja, joiden taajuuden määrää juuri mainittu oskillaattoripiiri OC.

5 Pulssien leveyksiä muuttamalla pulssinleveysmodulaatto-rissa säädetään kunkin vaiheen jännite ohjearvonsa suuruiseksi siten, että ua=uaref, ub=ubref ja uc=ucref. Suodattimen tehtävänä on suodattaa pois kytkentätaajuinen komponentti vaihejännitteistä. Kytkentätaajuuden tulee olla 10 huomattavasti suurempi kuin LC-suodattimen resonanssi- taajuus, jonka taas on oltava suurempi kuin koneeseen syötettävä perusaallon maksimitaajuus. Suodatuksen tuloksena vakionopeudella pyörivän koneen jännite on lähes sinimuotoista.

15 Kuviossa 4 esitetyn kaltaista jännitesäätäjää hyödyntämällä päästään kuviossa 5 esitetyn mukaiseen vuon-ja momentin säätöperiaatteeseen. Verrattaessa konventionaaliseen, kuviossa 1 esitetyn kaltaiseen DTC-sää-·'·. töön havaitaan, että staattori jännitteen laskenta- ja ; ,·, 20 kytkinohjeenvalintalohkot puuttuvat. Staattorijännitteen • · « *“.* laskentalohkoa ei enää tarvita, koska voidaan luottaa • · « 9 « « « '11 siihen, että jännitesäätäjä hoitaa sille annetun tehtä- *··;’ vän riittävän tarkasti, eli todellinen jännite on aina ohjearvonsa suuruinen. Siksi jänniteohje voidaan kytkeä l. 25 suoraan vuonlaskentalohkon VL tulosuureeksi mitatun jännitteen tilalle. Kytkinohjeenvalinta- ja sektorinlasken-talohkojen tilalle on tullut säätömenetelmä, jossa vuon :***: ja momentin erosuureiden perusteella lasketaan vaihekoh- \ täiset jänniteohjeet. Vuon ja momentin erosuureet määri- 30 tetään edelleen samoin kuin kuvion 1 mukaisen konventio- • · ”·* naalisen säädön yhteydessä ja täten näiden erosuureiden laskentaan liittyviä lohkoja VL, IT, R, VI ja V2 ei ku-·:··; vata enää tässä yhteydessä lähemmin.

Vuon erosuure Terr on tulosuure vuosäätäjälle FC, 35 jonka lähtösuure on jänniteohjeen vuon suuntainen kom- 9 106231 ponentti ud. Vastaavasti momentin erosuure Terr on tulo-suure momenttisäätäjälle TC, jonka lähtösuure on jänni-teohjeen kohtisuora komponentti uq vuohon nähden. Mainitut jännitekomponentit muodostavat jänniteohjevektorin, 5 joka staattorivuokoordinaatistossa lausuttuna on (vrt. kuvio 3) udq = ud + juq, (1) missä udq = staattorijänniteohje staattorivuokoordinaatistossa.

Merkitään staattorivuon reaali- ja imaginääriosia 10 staattorikoordinaatistossa symboleilla Ψχ ja Ψγ, jolloin Ψ* = + j'Ty = (2) missä ΨΒ = staattorivuovektorin itseisarvo ja a = staattorivuovektorin vaihekulma staattorikoordinaatistossa .

Staattorivuonsuuntainen yksikkövektori e3“ saadaan ···. 15 seuraavasti: ψ *·.· ejtt = -=^ = cosa + jsina, (3) • · ·' « · • · · « · • * , ,·, missä • « < * t i * ψ v ‘ cosa = --— ia /a\ ·· · • · • · ·♦· .**·. ψ ··· sinä = -£-. ΐ*\ ···· ··· • · *·;·* Yhtälön 3 mukaisen yksikkövektorin laskenta suo- ;*?*? ritetaan kuvion 5 lohkossa YV. Se syötetään koordinaa- :··· tistomuunnoksen suorittavalle lohkolle CC.

20 Staattorivuokoordinaatistossa laskettu jännite- vektori udq (yhtälö 1) muunnetaan staattorikoordinaatis- 10 106231 toon lohkossa CC kääntämällä sitä kulman a verran, eli kertomalla se yhtälön 3 mukaisella yksikkövektorilla:

Uaref ~ ^dq ~ Uxref -1 ^yref· (®) missä usre£ = staattorijänniteohje staattorikoordinaatis-tossa sekä uxref = udcosa-uksina ja (7) uyref = UdSina+Ug-COsa. (8) 5 usre£ voidaan lausua vaihekohtaisten jänniteoh- jeiden avulla seuraavasti: <W » f \Uaref + Ubrefe 3 + Ucrefe 3 ) , <9> missä uare£ = vaiheen a jänniteohje, ubref = vaiheen b jänniteohje ja

I 1 I

• <t<: 10 ucre£ = vaiheen c jänniteohje.

: Yhtälöistä 6 ja 9 seuraa, että • · < ( «

* < I

t . · ^xref ~ TT uaref ~ ubref ~ ^cref) (10) < * ** t ( ; I I ( <

Uyrof = ^(Ubref ~ »cref) (H) V3 .···. Merkitään vaihe jänniteohjeiden keskiarvoa (ns.

• · yhteismuotoinen jännite) symbolilla uave, joka määritel- • · lään seuraavasti: • · t ; ; Uave — — (Uaref + Ufrref + ^cref) (12) ·♦· · ‘«* * 15 Yhtälöiden 10, 11 ja 12 perusteella saadaan nyt vaihekohtaisille jänniteohjeille seuraavat lausekkeet: 11 106231 ^aref - ^ave + ^xcgf (13) ubref ~ Uave ~ {uxref ~ V^uyrefj (1^) ref - ^ave — ^ (^xref + ^yrefj (15 ) Tämä vaihekohtaisten jänniteohjeiden laskenta suoritetaan lohkossa VOL, jolle siis tuodaan ohjearvona myös yhteismuotoinen jännite uave. Esillä olevassa menetelmässä on vaihejänniteohjeiden laskenta toteutettu 5 yhtälöissä 1-15 esitetyllä tavalla. Momentti- ja vuosää-täjien TC ja FC lähtösuureena saatu staattorivuokoor-dinaatiston jänniteohje ud + juq (yhtälö 1) sekä staatto-rivuonsuuntainen yksikkövektori ejB (yhtälöt 3-5) ovat siis tulosuureita koordinaatistonmuunnoslohkolle CC (yh-10 tälöt 6-8), jonka lähtösuureena saadaan jänniteohje staattorikoordinaatistossa (u8ref)· Tämän sekä annetun yhteismuotoisen jänniteohjeen uave perusteella muodoste-'··«' taan lopulta vaihekohtaiset jänniteohjeet vaihejännit- :.l : teiden laskentalohkossa VOL (yhtälöt 13-15), jotka jän- 15 niteohjeet ovat taas tulosuureita jännitesäätäjälle VC. Kuviossa 5 jännitesäätäjä VC1 ja invertterin vaihtosuun-: tausosa AC on esitetty yhtenä lohkona VAC. Jännitesää- i « c täjä huolehtii siitä, että koneelle M syötetyt vaihejän-nitteet ovat mainittujen jänniteohjeiden suuruisia, jo-20 ten usref on tulosuure myös vuonlaskentalohkolle, jossa se • · tulkitaan jännitteen oloarvoksi.

• » *:* Koneen pää jännite ei riipu yhteismuotoisesta jän- ..*·* nitteestä uave, joten momentin ja vuon säädön kannalta sen valinnalla ei ole merkitystä. Vaihe jänniteohjeet riippu-25 vat kuitenkin suoraan uave:n arvosta (yhtälöt 13, 14 ja « « « 15), joten se tulee valita siten, että jänniteohjeet pysyvät säätöalueellaan, joka on 0...+¾. Mikäli käytetty jännitesäätäjä on kuvan 4 tyyppinen, kannattaa uave pitää noin UDC/2:n suuruisessa vakioarvossa, jotta yhteismuo- 12 106231 toisen jännitteen vaihtelu ei aiheuttaisi ylimääräistä loisvirtaa suodattimen kondensaattoreiden kautta. Vasta sitten, kun vaihejännitteen amplitudi kasvaa suuremmaksi kuin UDC/2, tulee uave-jännitettä vaihdella perusaallon 5 kolmannen harmonisen tahdissa, jotta DC-jännite voitaisiin käyttää kokonaan hyödyksi pääjännitteen muodostamisessa.

Kuvion 5 mukaista lohkokaaviota tarkasteltaessa havaitaan, että momenttisäätäjäitä eli käytännössä koor-10 dinaatistomuunnoslohkolta CC saadaan uusi staattorijän- niteohje kullakin momenttisäätäjän laskentajaksolla. Staattorijänniteohje muuttuu siten porrasmaisesti. Tällä porrasmaisuudella ei käytännössä ole merkitystä, mikäli koneen toimintataajuus ei ole erityisen korkea (satoja 15 herzejä) tai momenttisäätäjän laskentajakso suhteellisen pitkä. Tällaisessa tilanteessa, jossa siis koneen taajuus on esimerkiksi 200 Hz muodostuu kullakin momenttisäätäjän laskentakerralla staattorijänniteohjeen muutos, ellei käytössä ole erittäin tehokasta eli nopeaa ja : , 20 siten kallista prosessoria, niin suureksi ettei jänni- tesäätäjä kykene enää toimimaan halutulla tavalla. Tässä !!! tilanteessa on tarpeen täydentää vaihe jänniteoh jeiden ' laskentalohkoa VOL sopivalla interpolaattorilla, jonka

< I

avulla staattori jänniteoh jeen hyppäyksellinen muutos 25 kyetään muuttamaan momenttisäätäjän laskentajakson aikana tapahtuvaksi lineaariseksi muutokseksi. Tässä tarkoi-tuksessa täytyy edellisen ja uuden staattorijänniteoh-:***: jeen välinen muutos jakaa jänniteoh jeen suunnan suhteen \ laskentajakson aikana vakiokulmanopeudella tapahtuvaksi ’I” 30 muutokseksi ja amplitudimuutoksen suhteen vastaavasti • · *·;·* vakionopeudella tapahtuvaksi amplitudimuutokseksi. Ta- •Γ: voitteena on päästä staattorijänniteohjeen pehmeään ja :’·· jatkuvaan muutokseen porrasmaisen muutoksen sijasta. Jos edellä kuvatun kaltaista linearisointia joudutaan sovel-35 tamaan vaihejänniteohjeiden laskennassa jännitesäätäjäl- 13 106231 le, tulee vastaavaa menettelyä soveltaa myös vuon laskennan yhteydessä käytettävälle staattorijänniteohjeelle eli sen katsotaan olevan voimassa vasta tietyn ajan kuluttua. Näin tulee menetellä, koska momenttisäädössä 5 käytettävän staattorijännitetiedon tulee mahdollisimman tarkasti seurata todellista staattorijännitettä.

Keksinnön mukaisen invertterijärjestelyn perusidean kannalta yhteismuotoisella jännitteellä uave ei ole merkitystä, koska staattorijännitevektorin ohjearvo usre£ 10 kuvion 5 suoritusmuodossa ei määrää sitä, kuin suuri yhteismuotoisen jännitteen tulisi olla. Keksinnön mukainen invertterijärjestely ei siten välttämättä tarvitse vaihekohtaista jännitteen säätöä. Riittää, että pääjännitteet ovat halutun suuruiset.

15 Käyttämällä kuvion 4 mukaista vaihejännitesäätä- jää saadaan tietysti myös pääjännitteet halutun suuruisiksi, mutta tällöin modulaattori ei voi valita kytkin-asentoja yhtä vapaasti kuin pääjännitesäädössä. Tämä ···. johtuu siitä, että vaihe jännitesäädössä säädettäviä suu- ; 20 reita on 3 kpl. Pääjännitesäädössä niitä on vain kaksi, • « t "V sillä staattorijännitevektori määräytyy kahden pääjänni- • · t tevektorin avulla. Optimaalisempi kytkinasentojen valin-*· ta johtaisi pienempään kytkentätaajuuteen ja kytkinkom- i i '<' ponenttien häviöihin, joten olisi perusteltua pyrkiä V 25 säätämään suoraan pääjännitteitä.

Pääjännitesäätäjä voidaan toteuttaa esim. kuvios-:***: sa 7 esitetyllä tavalla. Se muodostuu pääjännitesuodat- timesta, joka käsittää sarjakuristimet La, Lb ja Le ja • ♦♦ *. kondensaattorit Cab, Cbc ja Cac, komparaattoreista K1 ja ««« 30 K2 pääjänniteiden määrittämiseksi vaihe jännitteistä ja • · ’·;·* modulaattorista MOD, joka pää jännitteiden uac ja u^ ja vastaavien pääjänniteohjeiden uucref ja u^,.^ muodostaa :·«: ohjaukset Sa, Sb ja Se vaihtosuuntaajan kytkimille SWa, SWb ja SWc. Suodattimen kondensaattorit Cab, Cbc ja Cac 35 on kytketty vaiheiden välille, koska yhteismuotoista 14 106231 jännitettä ei suodateta. Kahden vaiheen jännite mitataan differentiaalisesti kolmatta vaihetta vasten, jolloin saadaan kaksi pääjännitettä takaisinkytkentää varten. Kuvion 7 mukaisessa esimerkinomaisessa kytkennässä mita-5 taan vaiheiden a ja c sekä b ja c väliset jännitteet uac ja u,^, jotka modulaattori MOD säätää annettujen pääjän-niteohjeiden uacref ja u^,.^ suuruisiksi.

Yhteismuotoisen jännitteen suuri du/dt kuviossa 7 kuvatun tyyppistä säätäjää käytettäessä aiheuttaa käy-10 tännössä merkittävän ongelman, joka johtuu jännitehei-jastuksien aiheuttamista jännitepiikeistä koneen käämeissä. Jännitepiikit rasittavat koneen käämejä, joten ne saattavat lyhentää koneen käyttöikää. Siksi olisi toivottavaa suodattaa myös yhteismuotoista jännitettä, 15 jonka suodatuksen ei kuitenkaan tarvitse olla läheskään yhtä voimakas kuin pääjännitteen. Käytännössä riittää, että du/dt on korkeintaan 500 V/^s.

Yhteismuotoisen jännitteen suodatus voidaan lisä-···. tä kuvion 7 mukaiseen pääjännitesäätäjään kytkemällä ku- i 20 vion 8 mukaisesti suodatuskondensaattorit Ca, Cb ja Cc · « tähteen ja tähtipiste T kondensaattorin C0 kautta DC-jän-;;; nitteen alempaan potentiaaliin. Näin päästään kuvion 8 *♦ ' mukaiseen pääjännitesäätäjään, joka omaa erilaisen suo-

* I

datusaikavakion pää jännitteelle ja yhteismuotoiselle V 25 jännitteelle. Edellinen on verrannollinen LCrhen, joka valitaan kytkentätaajuuden ja suurimman perusaallon taa- juuden mukaan. Jälkimmäinen on verrannollinen LC0:aan :’**· (C0 « C), joka taas valitaan siten, että haluttu yhteis- ·« « *. muotoisen jännitteen du/dt saavutetaan. Modulaattorin • · « 30 MOD toimintaperiaate pääjännitesäädön suhteen on sama • · *···* kuin kuvion 7 modulaattorilla.

Yhteismuotoisen jännitteen suodatusaikavakio kas-<;·.! vaa, jos C0:aa suurennetaan. Suodatus on maksimaalinen, kun C0 -► oo. Tällöin kyseinen kondensaattori vastaa oi-35 kosulkua, eli LC-suodatin muuttuu kuvion 4 tyyppiseksi.

„ 106231

Id

Normaalisti C0 kannattaa kuitenkin valita niin pieneksi kuin mahdollista, jotta yhteismuotoisen jännitteen vaihtelu ei aiheuttaisi liian suurta loisvirtaa C0:n kautta.

Pääjänniteohjeet uacref ja u^^ voidaan lausua vai-5 hejänniteohjeiden avulla seuraavasti: uacre£ = uaze£ ~~ ucre£ (16) ^bcre£ ~ ^bre£ ~ ^cref (l-^)

Staattorijänniteohjeen x- ja y-komponentit (yhtälöt 10 ja 11) voidaan nyt lausua ko. pääjänniteohjeiden avulla seuraavasti: ^«ef “ ^acre f ~ "J Ubcre£ (18)

Hyref - ^bcre£ (19) V·3

Yhtälöiden 18 ja 19 perusteella saadaan pääjänni-10 teohjeille uacref ja ubcref seuraavat lausekkeet: • « • * · lii __ • Uacre£ = ^ Uxre£ + 2 Uyref (20)

• I I

• r · • 1 • ·

«M

: ubcze£ = uyref (21)

« « I

V * Yhtälöitä 20 ja 21 käyttäen muunnetaan staattori- jännitevektorin ohjearvo usref pääjänniteohjeiksi, jolloin :***: päästään kuvion 9 mukaiseen pääjännitesäätöön perustu- :***· vaan invertterijärjestelyyn. Ainoa ero kuvion 9 invert- ··♦ *. 15 terijärjestelyn ja kuvion 5 invertterijärjestelyn välil- ~*j lä on, että vaihejänniteohjeiden laskennan tilalla on - · * *···’ pääjänniteohjeiden laskentalohko POL. Lisäksi kuvion 9 yhteydessä vaihtosuuntaajan ja pääjännitesäätäjän sisäl-tävää lohkoa on merkitty viitemerkillä MAC. Pääjännite-20 ohjeet ovat tulosuureita kuvion 7 tai 8 tyyppiselle säätäjälle, jonka tehtävänä on säätää vastaavat pääjännit- ,c 106231 16 teet annettujen ohjeiden suuruisiksi.

Pääjänniteohjeiden laskennassa ei tarvita yhteis-muotoista jännitettä, koska ko. jännitteen suuruuden määrää pääjännitesäätäjä. Yhteismuotoisen jännitteen 5 käyrämuoto riippuu modulointiperiaatteesta ja ko. jännitteen suodatuksen voimakkuudesta. Kyseinen käyrämuoto ei yleensä noudata siniaaltoa, joten vaihejännitteetkään eivät välttämättä ole sinimuotoisia (DC-jännitteeseen nähden). Pääjännitteet sensijaan ovat sinimuotoisia, 10 koska LC-aikavakio poistaa lähes kokonaan kytkentätaa-juiset vaihtelut pääjännitteestä.

Täysin sama tarkastelu, joka suoritettiin kuvion 5 mukaisen suoritusmuodon yhteydessä koskien moment-tisäätäjän kehittämän staattorijännitteohjeen mahdollis-15 ta linearisointia ennen vaihejänniteohjeiden laskemista jännitesäätäjälle, pätee myös kuvion 9 mukaisen suoritusmuodon yhteydessä. Ainoa ero on, että staattorijänni-teohjeen perusteella määritetään nyt pääjänniteohjeet m‘". eikä vaihejänniteohjeet, mutta tällä ei kuitenkaan ole • ) 1 ; 20 vaikutusta staattorijänniteohjeen mahdolliseen lineari- • · · ‘V sointitarpeeseen.

• · ·

Kuvioiden 7, 8 ja 9 yhteydessä on säädön kohteina • · *·** oleviksi pää jännitteiksi otettu vaiheiden a ja c sekä b • · « ‘1!·1 ja c väliset pää jännitteet. Säädön kohteena voi tietysti • · < *.1 ' 25 olla mitkä tahansa kaksi jännitettä koneen kolmesta pää- jännitteestä. Tällöin yhtälöt 20 ja 21 tulee muuttaa ··· ϊ.,,ί vastaamaan ko. pää jännitteitä.

:**]: Keksinnön mukaisen invertterijärjestelyn huomat- ).§ tavana etuna on se, että koneelle syötetty jännite vas- *!” 30 taa joka hetki täsmälleen vuo- ja momenttisäätäjien ha- • · « » » » T1 luamaa arvoa. Tama johtuu siitä, että staattorijännite- «·· V · vektori on valittavissa mielivaltaisesti sen kuusikulmi- ·;·: on rajoittamalta alueelta, joka saadaan yhdistämällä 2- tasoinvertterin jännitevektorit u1...u6 kuviossa 6 esite-35 tyllä tavalla. Koneelle syötetty hetkellinen jännite 106231 17 voidaan aina säätää optimaaliseksi siten, että vakio-kuormalla jännitteen amplitudi ja vaihekulma vuohon nähden ovat vakioita. Tästä seuraa, että keksinnön mukaista invertterijärjestelyä käytettäessä ovat vaihejännitteet 5 sinimuotoisia, mikäli kone pyörii vakionopeudella ja -kuormalla. Konventionaalisessa DTC-säädössä vaihejän-nitteet ovat aina pulssimaisia, koska käytettävissä on vain 6 jännitevektoria ja nollavektori. Tästä koneelle syötetyn jännitteen sinimuotoisuudesta seuraa myös eräi-10 tä etuja, joihin ei pelkällä DTC-säädollä päästä. Tällaisina etuina voidaan mainita sähkömagneettisesta yhteensopimattomuudesta ja suuresta vaihejännitteen nousu-nopeudesta seuraavien ongelmien poisjäänti. Täten jänni-terasituksia koneen käämeisssä tai jänniteheijastuksia 15 koneen käämeistä ei synny, minkä ansiosta myös virtamit-taukset ovat häiriöttömiä ja virtamittaussignaalin siirto helppoa. Erillisen jännitesäätäjän käytön johdosta myös itse moottorin säätö ja vaihtosuuntaajan kytkinten ohjaus voidaan toteuttaa toisistaan riippumattomasti 20 toisin kuin konventionaalisessa DTC-säädössä ja esimer-... kiksi kytkentätaajuus on nyt valittavissa moottorisää- t c döstä riippumattomasti.

t t ( * t < ♦ · · • · « • · · • · · · • · · • · · • · < ♦ · · ♦ · • » ♦ ·· ··· • · • · ·· · 1 « c · · • fit • « « • · < «

Claims (7)

18 106231 Patenttivaatimuks et

1. Invertterijärjestely sähkökoneen (M) staatto-rivuon ja vääntömomentin samanaikaista säätöä varten kä-5 sittäen tasajännitevälipiiriin (DC) kytketyn vaihtosuun-tausosan (AC) vaiheluvultaan sähkökoneen (M) vaihelukua vastaavan vaihtojännitteen (us) kehittämiseksi ja säätöjärjestelmän (CS) vaihtosuuntausosan (AC) 10 kehittämän vaihtojännitteen (us) hetkellisen arvon säätämiseksi, joka säätöjärjestelmä (CS) vastaanottaa tulo- suureina ohjearvot vääntömomentille (Tref) ja staattori-vuolle (Tre£) ja mittausarvot staattorivirralle (ia) ja staattorijännitteelle (us) tai niihin verrannollisille 15 suureille ja käsittää välineet (EC) tulosuureisiin perustuvien, ohje- ja oloarvojen välistä eroa kuvaavien erosuu-reiden määrittämiseksi vääntömomentille (Terr) ja staattorivuolle (Terr) ja 20 välineet vaihtosuuntausosan (AC) kytkinten ... (SWa, SWb, SWc) ohjaamiseksi näiden erosuureiden .··; perusteella, » « I ·'··* : tunnettu siitä, että välineet vaihtosuuntausosan kytkinten ohjaamisek- • « « 25 si käsittävät välineet (FC, TC, CC) staattori jänniteohjeen :T: (usre£) kehittämiseksi mainittuihin vääntömomentin ja staattorivuon erosuureisiin (Terr, ΨβΓΓ) perus-.*··. tuen, .···. 30 välineet (VOL) ohjearvojen kehittämiseksi • · staattori jännitteen vaihe jännitteille (uatef/ ubref, ·.*:* ucre£) määritetyn staattori jänniteohjeen (usre£) ja * « « staattori jännitteen yhteismuotoiselle jännitteel-le annetun ohjearvon (uave) perusteella ja 35 takaisinkytketyn jännitesäätäjän (VC1) sähkö- 19 106231 koneelle (M) syötettyjen staattorijännitteen vaihe jännitteiden (ua, ub, uc) säätämiseksi vastaamaan määritettyjä vaihe jännitteiden ohjearvoja (uaref, Ubref t Ucref ) *

2. Invertterijärjestely sähkökoneen (M) staattori- vuon ja vääntömomentin samanaikaista säätöä varten käsittäen tasajännitevälipiiriin (DC) kytketyn vaihtosuun-tausosan (AC) vaiheluvultaan sähkökoneen (M) vaihelukua 10 vastaavan vaihtojännitteen (us) kehittämiseksi ja säätöjärjestelmän vaihtosuuntausosan (AC) kehittämän vaihtojännitteen (us) hetkellisen arvon säätämiseksi, joka säätöjärjestelmä (CS) vastaanottaa tulosuureina ohjearvot vääntömomentille (Tref) ja staattorivuolle (Tref) 15 ja mittausarvot staattorivirralle (is) ja staattorijännitteelle (us) tai niihin verrannollisille suureille ja käsittää välineet (EC) tulosuureisiin perustuvien, ohje- ja oloarvojen välistä eroa kuvaavien erosuu-20 reiden määrittämiseksi vääntömomentille (Terr) ja staattorivuolle (Terr) ja /*;' välineet vaihtosuuntausosan (AC) kytkinten (SWa, SWb, SWc) ohjaamiseksi näiden erosuureiden perusteella, ... 25 tunnettu siitä, että välineet vaihtosuuntausosan kytkinten ohjaamisek-si käsittävät välineet (FC, TC, CC) staattorijänniteohjeen .···. (usref) kehittämiseksi mainittuihin vääntömomentin .···. 30 ja staattorivuon erosuureisiin (Terr, Yerr) perus- • · *** tuen, ♦ välineet (POL) ohjearvojen kehittämiseksi * « « staattori jännitteen pää jännitteille (uacref, u^,,.^) .·:·. määritetyn staattorijänniteohjeen (usref) perus- 35 teella ja • · 20 1 0 6 2 31 takaisinkytketyn jännitesäätäjän (VC2; VC3) sähkökoneelle (M) syötettyjen staattorijännitteen pää jännitteiden (uac, u^) säätämiseksi vastaamaan määritettyjä pää jännitteiden ohjearvoja (uacref,

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen invertte-rijärjestely, tunnettu siitä, että välineet staattorijänniteohjeen (usref) kehittämiseksi käsittävät vuosäätäjän (FC) staattori jänniteohjeen (usref) 10 staattorivuon suuntaisen komponentin (ud) kehittämiseksi staattorivuon erosuureeseen (Yerr) perustuen, momenttisäätäjän (TC) staattorijänniteohjeen (usref) staattorivuon suuntaan nähden kohtisuoran komponentin (uq) kehittämiseksi vääntömomentin erosuureeseen 15 (Terr) perustuen ja välineet (CC) koordinaatistomuunnoksen suorittamiseksi komponenttiensa (ud, uq) avulla staattorivuokoor-dinaatistossa määritetyn staattorijänniteohjeen muuttamiseksi staattorijänniteohjeeksi staattorikoordinaatis-20 tossa (usref).

... 4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen invertte- « « .“I rijärjestely, tunnettu siitä, että määritetty • * < staattorijänniteohje (usref) muodostaa yhden tulosuureista välineille (EC) erosuureiden määrittämiseksi vääntömo-... 25 mentille (Terr) ja staattorivuolle (Terr)·

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen invertterijär- • · · : jestely, tunnettu siitä, että takaisinkytketty jännitesäätäjä (VC1) käsittää LC-alipäästösuotimella (La, Lb, Le, Ca, Cb, Cc) ··· .···. 30 ja jännitetakaisinkytkennällä varustetun pulssinlevysmo- *·) dulaattorin (PWM) ja • · · ·"! oskillattoripiirin (OC) vaihtosuuntausosan (AC) kytkimien (SWa, SWb, SWc) kytkentätaajuutta ohjaavan oh-jausjännitteen kehittämiseksi, 35 joka pulssinleveysmodulaattori (PWM) on sovitettu 106231 21 vastaanottamaan sekä staattorijännitteen vaihejännitteiden (ua, ub/ uc) oloarvot että niiden ohjearvot (uare£, Ubref/ ucref) samoinkuin oskillaattoripiirin (OC) kehittämän ohjausjännitteen ja kehittämään niiden perusteella oh-5 jaussignaalit (Sa, Sb, Sc) vaihtosuuntausosan kytkimille (SWa, SWb, SWc).

5 Ubcref ) ·

6. Patenttivaatimuksen 2 mukainen invertterijärjestely, tunnettu siitä, että takaisinkytketty jännitesäätäjä (VC2) käsittää

10 LC-alipäästösuotimen (La, Lb, Le, Cab, Cbc, Cac), jonka kondensaattorit (Cab, Cbc, Cac) on kytketty vaihe-jännitteiden (ua, ub, uc) väliin, välineet (Kl, K2) pää jännitteiden (uac, u^) oloar-vojen muodostamiseksi vaihejännitteistä (ua, ub, uc) ja 15 modulaattorin (MOD), joka on sovitettu vastaanot tamaan sekä staattori jännitteen pää jännitteiden (uac, u^) oloarvot että niiden ohjearvot (uacref, u^ef) ja kehittämään niiden perusteella ohjaussignaalit (Sa, Sb, Sc) vaihtosuuntausosan kytkimille (SWa, SWb, SWc).

7. Patenttivaatimuksen 2 mukainen invertterijär- ···. jestely, tunnettu siitä, että takaisinkytketty jännitesäätäjä (VC3) käsittää ••y LC-alipäästösuotimen (La, Lb, Le, Ca, Cb, Cc), < « c jonka kondensaattorit (Ca, Cb, Cc) on kytketty yhteiseen 25 tähtipisteeseen (T), joka puolestaan on kytketty konden-saattorin (C0) kautta tasajännitevälipiirin miinusnapaan :7: (0V), välineet (Kl, K2) pää jännitteiden (uac, u^) oloar- :***; vojen muodostamiseksi vaihe jännitteistä (ua, ub, uc) ja • · · .*··. 30 modulaattorin (MOD), joka on sovitettu vastaanot- • · · ·. tamaan sekä staattorijännitteen pää jännitteiden (uac, u^) • · · y* oloarvot että niiden ohjearvot (uaoref, ubcref) ja kehittä- tr t mään niiden perusteella ohjaussignaalit (Sa, Sb, Sc) vaih- « tosuuntausosan kytkimille (SWa, SWb, SWc). « « « 106231 22