FI112299B

FI112299B - Menetelmä taajuusmuuttajan yhteydessä

Info

Publication number: FI112299B
Application number: FI20002843A
Authority: FI
Inventors: Samuli Heikkilae
Original assignee: Abb Industry Oy
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2003-11-14
Also published as: JP2002209398A; EP1223666A2; EP1223666A3; FI20002843A; US6552510B2; FI20002843A0; DE60120341T2; US20020113570A1; EP1223666B1; JP3727268B2; DE60120341D1; ATE329402T1

Description

112299

Menetelmä taajuusmuuttajan yhteydessä

Keksinnön tausta

Menetelmä taajuusmuuttajan yhteydessä taajuusmuuttajan ohjatessa moottoria ja toimiessa vääntömomenttisäädettynä osittain tai kokonaan 5 kentänheikennysalueella.

Taajuusmuuttajia käyttämällä voidaan ohjattavan moottorin pyörimisnopeutta kasvattaa merkittävästi yli moottorin nimellistaajuuden. Pyörimisnopeuden kasvattaminen nimellistaajuuden yli vaatii tyypillisesti magnetoinnin pienentämistä, jolloin lähtötaajuus kasvaa yli kentänheikennyspisteen, eli kolo neen sanotaan olevan kentänheikennysalueella.

Suoraan vääntömomentin säätöön perustuvissa ratkaisuissa on aikaisemmin kentänheikennysalueella pyritty ohjaamaan vuo-osoitinta siten, että sen kärkipiste muodostaa avaruuskoordinaatistossa ympyrän kehän. Samalla on pyritty välttämään nolla-osoittimien käyttöä moottorin navoissa vaikuttavan 15 jännitteen pitämiseksi mahdollisimman suurena. Maksimaalinen jännite saavutettaisiin mikäli vuo-osoitin muodostaisi kuusikulmion muotoisen kuvion. Kuusikulmion jokainen kulma sijoittuisi vastaamaan jännitevektoreiden suuntia. Tällaisen muodon avulla voitaisiin saavuttaa teoreettisesti 20% kasvu vääntö-momentissa kentänheikennysalueella ympyrän muotoiseen vuotrajektoriin ver-20 rattuna. Nolla-osoittimien eliminoiminen ei kuitenkaan aikaisemmilla toteutuk-·': silla kuusikulmion muotoisen vuon yhteydessä ole onnistunut, ja näin ei ole voitu hyödyntää maksimaalista jännitettä.

Aikaisempien toteutusten yhteydessä säätö on perustunut moni- , mutkaisiin laskelmiin, joiden laskeminen on monimutkaisuuden vuoksi toteu- > # · 25 tettava hitaammalla aikatasolla, jolloin säädön stabiilisuus ja dynamiikka kärsi- ;;; * vät suurilla pyörimisnopeuksilla.

* * • ·»

Keksinnön lyhyt selostus Tämän keksinnön tarkoituksena on aikaansaada menetelmä, joka välttää edellä mainitut epäkohdat, ja mahdollistaa moottorin vääntömomentin 30 säätämisen aikaisempaa luotettavammalla tavalla kentänheikennysalueella. Tämä tarkoitus saavutetaan keksinnön mukaisella menetelmällä, jolle on tun-;·' nusomaista se, että menetelmä käsittää vaiheet, joissa määritetään staattori- ; vuovektorin kulkusuunta ja sektori moottorissa, ennustetaan taajuusmuuttajan ' ulostulon jännitevektorin tuottama vääntömomenttiestimaatti jännitevektorin 35 lopussa jännitevektorin muutoksen tapahtuessa ennustushetkellä, verrataan 112299 2 ennustettua vääntömomenttiestimaattia taajuusmuuttajan vääntömomenttioh-jeeseen, ja toteutetaan jännitevektorin muutos ennustetun vääntömomentties-timaatin ollessa vääntömomenttiohjetta pienempi staattorivuovektorin kulkiessa positiiviseen kulkusuuntaan tai vääntömomenttiestimaatin ollessa vääntö-5 momenttiohjetta suurempi staattorivuovektorin kulkiessa negatiiviseen kulkusuuntaan.

Keksintö perustuu siihen ajatukseen, että jännitevektorin muutoksen aiheuttama muutos vääntömomenttiin saadaan ennustettua yksinkertaisesti ja luotettavasti. Vääntömomentin ennustaminen voidaan keksinnön mu-10 kaisessa menetelmässä toteuttaa säädön nopeimmalla aikatasolla, jolloin säädön dynamiikka ja stabiilisuus varmistuvat. Lisäksi keksinnön mukaisen menetelmän avulla kentänheikennysalueella saadaan hyödynnettyä koko taajuusmuuttajan välipiirin jännite, sillä menetelmän avulla toteutettu säätö ei käytä ollenkaan nollajännitevektoreita.

15 Kuvioiden lyhyt selostus

Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen yhteydessä, viitaten oheisiin piirroksiin, joista:

Kuvio 1 esittää taajuusmuuttajan jännitevektoreita ja vuoympyrää;

Kuvio 2 esittää vääntömomenttiohjetta ja todellista vääntömoment-20 tia aikatasossa;

Kuvio 3 esittää vääntömomenttivektorin ennustamista vektoriesityk- ··· senä;ja . ·. Kuvio 4 esittää vuokaaviota keksinnön menetelmästä.

> · : Keksinnön yksityiskohtainen selostus 25 Taajuusmuuttajan toimiessa vakiovuoalueella pysyvässä tilassa vuovektori piirtää ympyränmuotoista trajektoria. Tällöin vääntömomentti on yksinkertaisella tavalla pidettävissä hystereesirajojen sisäpuolella käyttämällä : nollavektoreita tarvittavilla hetkillä. Taajuuden kasvaessa nollavektoreita käy- tetään keskimäärin vähemmän, ja nollavektoreiden määrään vaikuttaa vuo-Λ 30 vektorin kulma. Eniten nollavektoreita käytetään vuovektorin ollessa lähellä sektoreiden reunoja, ja vastaavasti vähiten vuovektorin ollessa sektoreiden •; ·' keskiosalla. Ulostulotaajuuden kasvaessa kentänheikennyspisteeseen saakka, nollavektoreita ei käytetä sektoreiden keskiosissa. Tässä tilanteessa vääntö-momenttisäätö ei onnistu pitämään vääntömomenttia hystereesirajojen sisä- I t 3 112299 puolella, jolloin kentänheikennyssäädön tulee pienentää vuota siten, että vääntömomentti säilyy säädettävissä olevana.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä vääntömomentin säätö toteutetaan siten, että samalla käytettävä staattorivuo pienenee. Keksinnön mu-5 kaisessa menetelmässä ennustetaan vääntömomenttiestimaatti Tpred, joka saavutettaisiin jännitevektorin muutoksen tapahtuessa ennustushetkellä, verrataan ennustettua momenttiestimaattia momenttiohjeeseen, määritetään staattorivuovektorin kulkusuunta ja sektori, ja toteutetaan jännitevektorin muutos ennustetun vääntömomenttiestimaatin ollessa vääntömomenttiohjetta 10 pienempi staattorivuovektorin kulkiessa positiiviseen kulkusuuntaan tai vääntömomenttiestimaatin ollessa vääntömomenttiohjetta suurempi staattorivuovektorin kulkiessa negatiiviseen kulkusuuntaan.

Tämä toteutetaan siis siten, että sopivimmalla ajan hetkellä valitaan sellainen yksittäinen jännitevektori, joka toteuttaa momenttiohjeen ennustetta-15 valla hetkellä. Tätä jännitevektoria pidetään lisäksi niin kauan voimassa, että momenttiohje toteutuu, ellei aikaisemmin tule valita toista jännitevektoria. Vuota ei tällöin edes pyritä pitämään ympyrän muotoisena. Ennustushetkellä vuo irtaantuu ympyrän kaarelta, ja liittyy siihen takaisin ennustettavalla hetkellä.

20 Ohjattavan koneen toimintapisteen ollessa kentänheikennysalueella tai sitä lähellä, tutkitaan säädön nopeimmalla aikatasolla tulisiko keksinnön mukainen vuon oikaisu aloittaa vai ei. Kuviossa 1 on esitetty taajuusmuuttajan j' jännitevektorit U1... U6 ja vuoympyrä.

Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisesti vääntömoment-. : 25 tiestimaatin Tpred ennustaminen tapahtuu määritettyjen staattorivuovektorin ψs ja roottorivuovektorin ~ij>r, ja mahdollisesti toteutettavan jännitevektorin tuotta- • ·. mien staattori- ja roottorivuovektoriestimaattien perusteella.

Roottorivuovektori ~<j>r voidaan määrittää redusoidussa muodossa staattorivuon ja -virran funktiona * * 30 ~<i>r = ¥s-8Lsis. (1) • ·. missä δLs on ohjattavaan moottoriin liittyvä vakiotermi.

‘\ 35 Vääntömomentti, joka tyypillisesti lasketaan staattorivuon ja -virran ristitulona • : voidaan myös laskea käyttämällä staattori- ja roottorivoita 112299 4 1χΑψ$'~SL*J')\ In#Ä*} r = Im{(i/J /.} - Im{r)} - -1 - <2>

Niinpä ennustamalla staattori- ja roottorivuon käyttäytyminen, saadaan en-5 nustettu arvo vääntömomentille oikaisun lopussa. On selvää, että staattori-vuon suuruutta ei voida moottorista mitata, vaan se estimoidaan taajuus-muuttajassa käyttämällä moottorista laadittua mallia.

Oikaisun toteuttamista ja keksinnön mukaisen menetelmän toimintaa selitetään nyt viitaten kuvioon 3. Kuviossa on esitetty määritetyt staattori-10 vuovektori ψs ja roottorivuovektori φΓ. Kuviossa on lisäksi esitetty jännitevek- tori U3, jonka valitseminen kuljettaa staattorivuota toivottuun suuntaan. Symmetrian vuoksi sekä oikaisun alkupiste, että sen loppupiste muodostavat saman kulman sektorin reunaviivan OA kanssa. Siten ennustettu staattorivuo ψsp on peilikuva määritetystä staattorivuosta, ja sen suunta voidaan laskea 15 yksinkertaisimmin määrittelemällä uusi koordinaatisto, joka on kiinnitetty sektoreiden reunaviivaan OA, ja suorittamalla koordinaatistojen välinen muunnos tarvittaville vuovektoreille.

Koordinaatiston muunnos voidaan toteuttaa siten, että määritellään yksikkövektori s , joka on sektoreiden reunaviivan suuntainen, ja jonka asema 20 staattorikoordinaatistossa on määritelty •: s = sx + j*sy.

’ ·: Staattorivuovektori on puolestaan määritelty samassa koordinaatistossa 25 = flx + j* fly- I’.’; Nyt staattorivuon koordinaatit voidaan laskea reunaviivakoordinaa- . · · ·. tistossa seu raavasti: t · 30 » i v\: (ax = sx* flx + sy* fly *.,,: [ay = sy* flx-sx* fly * » * » · , ·, : missä fix on vuon x-suuntainen komponentti ja fly y-suuntainen komponentti.

» I »

* I

5 112299

Ennustetun staattorivuovektorin laskemiseksi määritettyä staattori-vuovektoria tulee kiertää kulman 2*atan(ay/ax) verran. Ennustettu staattori-vuovektori voidaan kuitenkin laskea käyttämättä trigonometristä funktiota yksinkertaisesti siten, että kerrotaan staattorivuovektori kahteen kertaan vekto- 5 rilla ax + j*ay. Ennustettu staattorivuovektori saadaan lausuttua apumuuttujia fx ja fy käyttämällä komponenttimuodossa ψψ = flx_pred + j*fly_pred: fic = ax* flx - ay* fly Jy = ax* fly + ay* flx pred _ ax*jk-ay*fy (4) flx*flx+fly*fly fly pred= <«'&*<*'f* flx*flx+fly*fly 10 Ennustetun roottorivuovektorin φψ laskemiseksi tulee ensin mää rittää aika At, jonka käytettävä oikaisu kestää. Eli se aika, jonka ennustushet-kellä valittava jännitevektori pidetään voimassa. Oletetaan, että oikaisun aikana taajuusmuuttajan välipiirin jännite Uc on vakio, jolloin staattorivuon muutoksen suuruus Av|/S on 15 Δ^=| UcAt (5) > ·

Toisaalta Δψ8 on määriteltynä reunaviivakoordinaatistossa kuviossa 3 esitetyllä tavalla 20 Αψι =2*ay (6)

Eliminoimalla edellisistä yhtälöistä Δψ$ saadaan ajaksi At 25 = (7) :·* uc

Oikaisun aikana ei roottorivuon kulmanopeudessa tapahdu merkit-täviä muutoksia johtuen roottorin hitausmassasta. Siitä syystä roottorivuo ' kiertyy oikaisun aikana kulman φ = Αΐω f, jossa cos on keskimääräinen taa- 6 112299 juusmuuttajan ulostulotaajuus oikaisun aikana. Näin roottorivuon kiertymäkul-maksi oikaisun aikana saadaan φ = (8) 5

Olettaen, että roottorivuon amplitudi ei muutu oikaisun aikana saadaan ennustettu roottorivuovektori kiertämällä alkuperäistä roottorivuota kulman cp, eli l>rp =(cosp + ./sinpM. (9) 10 Näin ennustetut roottori- ja staattorivuovektorit on saatu ratkaisua yksinkertaisella tavalla ja riittävällä tarkkuudella, jotta niistä saadaan laskettua yhtälön (2) mukaisesti ennustettu vääntömomentti 1. l (10)

Kun tulevan ajanhetken vääntömomenttiestimaatti on saatu edellä kuvatulla tavalla ennustettua, verrataan tätä estimaattia vääntömomenttiohjee-seen keksinnön mukaisesti. Jos vertauksen tuloksena on, että ennustettu 20 vääntömomentti on pienempi kuin vääntömomenttiohje vuon kiertäessä posi-tiiviseen suuntaan, tai jos ennustettu vääntömomentti on suurempi kuin vään-v tömomenttiohje vuon kiertäessä negatiiviseen suuntaan, tulee oikaisu suorit- • j taa välittömästi käyttämällä ennustuksen tekemisessä käytettyä jännitevekto- ria. Tämän jännitevektorin käyttäminen on nopein ja optimaalisin tapa saavut-25 taa vääntömomenttiohje.

< * »

Kuviossa 4 on esitetty vuokaaviona keksinnön mukaisen menetelmän toiminta. Vuokaavio toteutetaan esimerkiksi säädön nopeimmalla aikata-.! solia. Menetelmän käynnistyessä määritetään 40 sektori S, jolla staattorivuo- vektori kyseisellä hetkellä on. Seuraavassa askeleessa tarkistetaan 41, onko v 30 sektori sama kuin edellisellä suorituskerralla. Mikäli sektori on vaihtunut, tal-lennetään 42 muuttujalle Sprev nykyisen sektorin S arvo. Samalla päivitetään tilamuuttuja F arvoon 0 ja siirrytään kaavion loppuun. Tilamuuttujan F ollessa arvossa 1 vuo-oikaisun alkuosa on meneillään (sektori ei ole vielä vaihtunut). : Tämä tutkitaan lohkossa 43. Vuo-oikaisun alkuosan ollessa meneillään siirry- 7 112299 tään vuokaavion loppuun. Mikäli taas sektori ei ole vaihtunut (S = Sprev) ja oikaisun loppuosa on meneillään (F = 0), lasketaan 44 kyseisen hetken ennuste vääntömomentille. Ennusteen laskeminen suoritetaan kuten aikaisemmin on kuvailtu yhtälöiden (3) - (10) mukaisesti.

5 Määritetystä vääntömomenttiennusteesta, vääntömomenttiohjeesta ja staattorivuon pyörimissuunnasta määritellään 45 se, tuleeko uusi jännite-ohje toteuttaa. Määritteleminen toteutetaan laskemalla yksinkertaisesti ennusteen ja ohjeen erotus, ja kertomalla tämä erotus staattorin kulmanopeudella. Mikäli tämä tulo on pienempi kuin nolla, toteutetaan 46 jännitevektorin 10 muutos, muutoin siirrytään kaavion loppuun. Jännitevektorin muuttamisen yhteydessä tilamuuttujalle F annetaan 47 arvo 1 merkiksi seuraavalle kierrokselle siitä, että oikaisu on käynnissä, mutta sektorin vaihtokohtaa ei olla vielä saavutettu.

Kuviossa 2 on esitetty, kuinka todellinen vääntömomentti värähtelee 15 kerran vuon kulkiessa sektorin läpi käytettäessä keksinnön mukaista menetelmää. Säätömenetelmä on kuitenkin stabiili, sillä jos jostain syystä todellinen vääntömomentti oikaisun loputtua on pienempi kuin ennustettu, alkaa seuraa-va oikaisu aikaisemmin aiheuttaen staattorivuon pienenemisen, jolloin ero todellisen vääntömomentin ja vääntömomenttiohjeen välillä ei kasva enempää. 20 Tämä perustuu siihen keksinnön piirteeseen, että säätömenetelmä laskee jatkuvasti optimaalisinta oikaisuhetkeä. Järjestelmässä saattaa olla vääntömo- » · V mentin ennustamisesta johtuva pysyvä vääntömomenttivirhe, mutta momentti- säätö pystyy silti seuraamaan tarkasti momenttiohjetta. Mahdollinen pysyvä virhe momenttisäädössä joudutaan jokatapauksessa kompensoimaan käyttä-'·,· 25 mällä esimerkiksi integraattoria.

Kuviossa 1 esitetyllä tavalla osittaisessa kentänheikennyksessä oikaisujen välissä on kohtia, joissa staattorivuo seuraa vuo-ohjeen määrittämää vuoympyrää. Näin tapahtuu silloin, kun staattorivuo saavuttaa ohjearvon en-, , nen seuraavan oikaisun aloittamista. Toimittaessa täydessä kentänheikennyk- ,,; 1 30 sessä, staattorivuo koskettaa vuo-ohjeen ympyrää ainoastaan jännitevektorien • · ’ suuntaisissa kohdissa, ja vuosta muodostuu kuusikulmaisen muotoinen. Sama ; : säätöperiaate toimii sekä täydellä että osittaisella kentänheikennyksellä, sillä " ennustettu vääntömomentti on ohjearvon suuruinen jokaisen oikaisun loputtua.

> i 1 , , Jos todellinen vääntömomentti pyrkii putoamaan ohjearvoa pienemmäksi, ta- » ; 1 · | 35 pahtuu sama myös ennustetulle vääntömomentille, jolloin menetelmän mukai- : nen säätöjärjestelmä valitsee automaattisesti suurempia oikaisuja.

8 112299

Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että tekniikan kehittyessä keksinnön perusajatus voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Keksintö ja sen suoritusmuodot eivät siten rajoitu yllä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaihdella patenttivaatimusten puitteissa. 1 ♦ < »

Claims

9 112299

1. Menetelmä taajuusmuuttajan yhteydessä taajuusmuuttajan ohjatessa moottoria ja toimiessa vääntömomenttisäädettynä osittain tai kokonaan kentänheikennysalueella, tunnettu siitä, että menetelmä käsittää 5 vaiheet, joissa määritetään staattorivuovektorin (ψχ) kulkusuunta ja sektori moottorissa, ennustetaan taajuusmuuttajan ulostulon jännitevektorin tuottama vääntömomenttiestimaatti (Tpred) jännitevektorin lopussa jännitevektorin muu-10 toksen tapahtuessa ennustushetkellä, verrataan ennustettua vääntömomenttiestimaattia (Tpred) taajuus-muuttajan vääntömomenttiohjeeseen (Tref), ja toteutetaan jännitevektorin muutos ennustetun vääntömomentties-timaatin (Tpred) ollessa vääntömomenttiohjetta (Tref) pienempi staattorivuovekto-15 rin (ψχ) kulkiessa positiiviseen kulkusuuntaan tai vääntömomenttiestimaatin (Tpred) ollessa vääntömomenttiohjetta (T^,) suurempi staattorivuovektorin (ψ s) kulkiessa negatiiviseen kulkusuuntaan.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vääntömomenttiestimaatin (Tpred) ennustaminen käsittää vaiheet, joissa 20 määritetään taajuusmuuttajalla ohjattavan moottorin staattorivuo- . ·. vektori (ψs) ja roottorivuovektori( ), ennustetaan jännitevektorin muutoksen tuottamat staattori- ja root-torivuovektoriestimaatit (^,^,), ja lasketaan vääntömomenttiestimaatti (Tpred) ennustettujen staattori-25 ja roottorivuovektoriestimaattien perusteella. * t » 10 1 12299