FI112413B - Menetelmä vaihtosuuntaajan ohjaamiseksi - Google Patents
Menetelmä vaihtosuuntaajan ohjaamiseksi Download PDFInfo
- Publication number
- FI112413B FI112413B FI20000098A FI20000098A FI112413B FI 112413 B FI112413 B FI 112413B FI 20000098 A FI20000098 A FI 20000098A FI 20000098 A FI20000098 A FI 20000098A FI 112413 B FI112413 B FI 112413B
- Authority
- FI
- Finland
- Prior art keywords
- vector
- inverter
- voltage
- load
- current
- Prior art date
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
- H02M7/42—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal
- H02M7/44—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters
- H02M7/48—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
- H02M7/42—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal
- H02M7/44—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters
- H02M7/48—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M7/53—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
- H02M7/537—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
- H02M7/5387—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
- H02M7/53871—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with automatic control of output voltage or current
- H02M7/53875—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with automatic control of output voltage or current with analogue control of three-phase output
- H02M7/53876—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with automatic control of output voltage or current with analogue control of three-phase output based on synthesising a desired voltage vector via the selection of appropriate fundamental voltage vectors, and corresponding dwelling times
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Inverter Devices (AREA)
- Control Of Ac Motors In General (AREA)
- General Induction Heating (AREA)
- Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
- Control Of High-Frequency Heating Circuits (AREA)
Description
112413
Menetelmä vaihtosuuntaajan ohjaamiseksi
Keksinnön tausta Tämän keksinnön kohteena on menetelmä vaihtosuuntaajan ohjaamiseksi vaihtosuuntaajan käsittäessä ohjattavat kytkinkomponentit, joka mene-5 telmä käsittää vaiheet, joissa määritetään vaihtosuuntaajan ulostulon virta-vektori, määritetään vaihtosuuntaajan kuorman käämivuovektori, määritetään vaihtosuuntaajan kuorman kulmanopeus ja määritetään vaihtosuuntaajan kuorman resistanssi.
Vaihtosuuntaajia käytetään tasa- ja vaihtosähköpiirien välisessä tehon 10 siirrossa. Jänniteohjatussa vaihtosuuntaajassa vaihtojännite muodostetaan tasajännitteestä tyypillisesti puolijohdetehokytkimillä. Vaihtojännite koostuu käytettävän vaihtosuuntaajan rakenteesta riippuen yksi- tai useampitasoisista jännitepulsseista, koska kytkimillä on vain kaksi tilaa, johtava ja estävä. Modulaattorilla tarkoitetaan laitetta, jonka avulla vaihtosuuntaajan kytkinten 15 asento-ohjeet muodostetaan tietyllä ajan hetkellä ja moduloinnilla tarkoitetaan vaihtosuuntaajan lähtöjännitteen muodostamista.
Useimmiten vaihtosuuntaajasovelluksissa vaihtojännitepuolella on aktiivinen jännitelähde, joka yleisimmin muodostuu yhdestä tai useammasta pyörivästä sähkökoneesta. Sähköverkkokin voidaan kuvata ekvivalenttigeneraatto-20 rilla, koska verkon jännite muodostuu usean generaattorin yhdessä kehittä-: V: mästä jännitteestä. Pyörivien sähkökoneiden toiminta perustuu paikallaan py- ;’j*: syvässä staattorissa sekä pyörivässä roottorissa muodostuvaan magneetti- vuohon. Sähkökoneiden yhteydessä puhutaan yleisesti käämivuosta, koska ,···. vuot synnytetään yleensä koneen tyypistä riippumatta käämeissä kulkevien 25 virtojen avulla. Vaihtoehtoisesti joko staattorin tai roottorin vuo voidaan syn-;;;* nyttää myös kestomagneeteilla. Sähkökoneiden sähkömagneettisen tilan mää- ’”** rää koneen vuo ja vääntömomentti.
Monivaihejärjestelmän analysointi suoritetaan nykyään lähes poikkeuk-: setta avaruusvektoreiden avulla. Vaihesuureista muodostetun kompleksiluku-
I t I
30 na esitettävän vektorin avulla konetta voidaan ohjata kokonaisuutena erillisten . v, vaihekohtaisten säätöjen sijasta. Avaruusvektorit voidaan esittää joko reaali- ja imaginääriosiensa avulla tai vaihtoehtoisesti myös pituuden ja vaihekulman avulla. Vektorit pyörivät paikallaan pysyvän tarkastelukoordinaatiston eli .·’ : kompleksitason reaali- ja imaginääriakselin suhteen taajuuden määräämällä 35 kulmanopeudella ω. Paikallaan pysyvän tarkastelukoordinaatiston sijasta laskennassa käytetään usein jotakin tietyllä nopeudella pyörivää koordinaatistoa.
2 112413
Esimerkiksi kulmanopeudella ω pyörivässä koordinaatistossa normaalit vaih-tosähkösuureet näkyvät tasakomponentteina, jolloin säädön toteutus yksinkertaistuu.
Pyörivien eli kiertokentän muodostavien koneiden ohjauksessa tai sää-5 dössä lähtökohtana on momentin ja vuon säädön saaminen toisistaan riippumattomiksi. Vuosäädöllä pyritään pitämään joko staattorin, roottorin tai näiden yhdessä roottorin ja staattorin väliseen ilmaväliin muodostaman ilmavälin käämivuovektorin pituus haluttuna, eli normaalitilanteessa vakiona. Vääntö-momentti on puolestaan verrannollinen staattorin ja roottorin käämivuovekto-10 reiden väliseen kulmaan.
Verkkovaihtosuuntaajilla pyritään ensisijaisesti pitämään tasa- ja vaihtosähköpiirien välillä siirtyvä teho haluttuna säätämällä pätö- ja loistehoa erikseen. Verkkovaihtosuuntaajan säädöllä pyritään sinimuotoisiin vaihevirtoihin, jolloin verkkoon aiheutuvat virran yliaallot vähenevät.
15 Vaihtosuuntaajien modulointi perustuu yleisimmin joko pulssinleveys- modulaatioon (PWM) tai kaksipistesäätöön. Pulssinleveysmodulaatiossa kytkinten asento-ohjeet muodostetaan erillisellä PWM-modulaattorilla, joka saa lähtöjännitteen amplitudi- ja taajuusohjeen vaihtosuuntaajan ylemmältä säätö-tasolta. Yksinkertaisimmin pulssinleveysmodulointi on toteutettavissa vaihe-20 kohtaisesti sini-kolmio -vertailuun perustuen. Vertaamalla halutun taajuisia ja amplitudisia sinimuotoisia vaihejänniteohjeita kolmiomuotoiseen kantoaaltoon saadaan lähtöjännitteeksi jännitepulsseista muodostuva jännite, jonka keskiarvo muuttuu sinimuotoisesti. Vaihekohtaisen toteutuksen asemesta PWM-modulaattori on toteutettavissa myös lähtöjännitteen avaruusvektoriin perustu-25 en vektorimodulointia käyttäen. Erillisen PWM-modulaattorin heikkoutena on : kuitenkin ennen muuta säädön hitaus.
Toinen yleisesti käytetty periaate on toteuttaa vaihtosuuntaajan modu-
I I I
lointi kaksipistesäätöä käyttäen. Kaksipistesäätäjillä modulointi syntyy käytet-:v. tävän säätöalgoritmin sivutuotteena ilman erillistä modulaattoria. Jokainen kyt- 30 kimen kääntö suoritetaan säädettävästä suureesta riippuen joko suoraan mitä- • · ’I' tun tai mitattujen suureiden perusteella lasketun oloarvon perusteella. Kaksi- v.: pistesäädön toimintaperiaatteena on pitää oloarvo joka hetki ohjearvonsa lä- heisyydessä. Aina tarvittaessa kytkimiä käännetään siten, että oloarvo alkaa .···. jälleen lähestyä ohjearvoaan. Yksinkertaisimmillaan kytkimiä käännetään suo- ,·, : 35 raan sen mukaan, onko oloarvo ohjearvoaan pienempi vai suurempi. Usein * *» ohjearvon ympärille määritellään vielä tietty oloarvon sallittu vaihteluväli eli 3 112413 hystereesi siten, että kytkimiä käännetään vasta oloarvon poiketessa ohjearvostaan tätä sallittua vaihteluväliään enemmän. Hystereesin avulla voidaan siten vähentää tarvittavia kytkimen kääntöjä. Kaksipistesäädön toteutukselta vaaditaan vain, että kulloinenkin kytkimen ohjaus muuttaa ohjattavan suureen 5 arvoa aina oikeaan suuntaan.
Nykyiset kaksipistesäätäjien käyttöön perustuvat vaihtosuuntaajien modulointimenetelmät voidaan jakaa erilaisiin virran kaksipistesäätöihin sekä suoraan momentinsäätöön. Virran kaksipistesäätö on toteutettavissa yksinkertaisimmillaan vaihekohtaisesti. Säätäjille annetaan tyypillisesti sinimuotoisesti 10 vaihtelevat vaihevirtaohjeet, joihin mitattuja vaihevirtoja verrataan. Vaihekoh-taisen toteutuksen suurimpana ongelmana on, että vaihtosuuntaajia käyttävissä sovelluksissa tähtipistettä ei yleensä ole kytketty. Vaihevirrat eivät siis ole toisistaan riippumattomia ja vaihevirta voi muuttua vaikka kyseiseen vaiheeseen liittyviä kytkimiä ei käännettäisikään. Tämän takia virransäätö kannattaa 15 toteuttaa vaihevirroista muodostetun avaruusvektorin säädöllä, jolloin virtoja säädetään kokonaisuutena.
Suorassa momenttisäädössä koneen vuota ja vääntömomenttia säädetään suoraan staattorikäämeihin kiinnitetyssä, paikallaan pysyvässä, koordinaatistossa. Vuosäädöllä pyritään pitämään staattorivuon itseisarvo vakiona 20 ja momenttia säädetään staattorivuon kiertonopeutta säätämällä. Jokainen kytkimen kääntö tehdään vuon ja vääntömomentin hetkellisarvojen perusteel-77 la. Seuraavaksi käytettävä jännitevektori eli tietty vaihtosuuntaajan kytkina- :: : sentokombinaatio valitaan kaksipistesäätäjien avulla siten, että staattorivuo ja :*' momentti pysyvät ohjearvojen ympärille määriteltyjen hystereesien sisällä.
25 Magneettivuon ajan suhteen tapahtuva muutos indusoi tunnetusti jän- nitteen. Sähkökoneiden yhteydessä käämivuovektorin muutos indusoi kää-.··. meihin siis vastasähkömotorisen voiman e, joka voidaan esittää matemaatti- *” sesti käämivuovektorin ψ aikaderivaattana seuraavan yhtälön mukaisesti: _ df i 7 e dt ' (1) 30 Kuten edellä jo mainittiin, avaruusvektorit voidaan esittää pituutensa ja vaihe-, v. kulmansa avulla. Käämivuovektorille saadaan seuraava yhtälö: ϊ:' ψ = ψβ*, (2)
• I
jossa ψ = käämivuon pituus eli itseisarvo v · ω - kulmanopeus 35 t = aika • » e = neperin luku (» 2.718) 4 112413 j = imaginääriyksikkö ( = V^T)
Sekä vektorin pituus että vaihekulma ovat ajan funktioita, joten tulon derivoi-missäännön mukaan e saadaan seuraavasti: e = eja* + ]ωψειωΙ = —y~eJa* + jcoij/ . (3) at at 5 Yhtälön (3) ensimmäistä termiä kutsutaan muuntojännitteeksi ja toista termiä puolestaan liikejännitteeksi. Vuovektorin suuntainen muuntojännite vaikuttaa vuon itseisarvoon ja vuota vastaan kohtisuora liikejännite vaikuttaa vuon pyörimiseen. Varsinainen käämin jännitevektori ΰ saadaan lisäämällä sähkömoto-riseen voimaan e vielä käämin virtaan verrannollinen resistiivinen häviökom-10 ponentti.
Virtasäätö toteutetaan yleisesti kenttäkoordinaatistossa eli laskenta suoritetaan koneen johonkin käämivuovektoriin kiinnitetyssä ja siten vuovektorin mukana pyörivässä koordinaatistossa. Koska sähkökoneen käämityksissä kulkevat virrat muodostavat koneen vuon ja vääntömomentin, niin jakamalla 15 virtavektori kenttäkoordinaatistossa komponentteihinsa saadaan virran vaikutus vuohon ja momenttiin erotettua toisistaan. Kenttäkoordinaatiston vuon suuntaista reaaliakselia kutsutaan yleisesti d-akseliksi ja vuota vastaan kohtisuoraa imaginääriakselia q-akseliksi. Koordinaatiston perustaksi valitusta käämivuovektorista riippuen puhutaan staattorivuo-, roottorivuo- tai ilmaväli-20 vuo-orientoidusta säädöstä.
Koska vuo on lausuttavissa induktanssin ja virran tulona, niin vuon eli d- akselin suuntaisella virtakomponentilla säädetään vuon itseisarvoa. Vuota .··. vastaan kohtisuoralla q-komponentilla säädetään vääntömomenttia, koska • · v*·. yhtälön (3) mukaisesti tämä vaikuttaa vuon pyörimisnopeuteen eli käämivuo- ;;; 25 vektoreiden väliseen kulmaan. Toisaalta sovelluksesta riippuen vuon suuntai- • · nen eli magnetoinnin säätö voidaan ajatella loistehon säädöksi ja vääntömo- • · ·>·' mentin säätö on verrannollinen pätötehon säätöön. Kenttäkoordinaatistossa voidaan siten helposti muodostaa halutun vuon ja vääntömomentin tai vaihto- I » · i ehtoisesti halutun lois- ja pätötehon muodostavat virtavektorin komponenttien 30 ohjearvot. Mitattujen vaihevirtojen pohjalta muodostetun virran oloarvovektorin . v. komponenttien ja näitä vastaavien ohjearvojen erosta on siten nähtävissä tar- • * « f vittava virran muutossuunta, jotta ohjearvot toteutuisivat.
Avaruusvektorien komponenttien kaksipistesäätöön perustuvissa me-ν' ! netelmissä vaihtosuuntaajien kytkinten asennot valitaan muodostettuun valin- : 35 tataulukkoon perustuen. Vaihtosuuntaajan tiettyä kytkinasentokombinaatiota vastaava lähtöjännite on esitettävissä tietyn pituisella ja tietyssä kulmassa ole- 5 112413 valla jännitevektorilla. Valintataulukon muodostuksessa sekä kytkinasennon valinnassa käytetyt kriteerit vaihtelevat, mutta kaikille menetelmille yhteisenä tavoitteena luonnollisesti on, että joka tilanteessa saataisiin valittua oloarvoja aina haluttuun suuntaan muuttava lähtöjännite.
5 Aktiivisen jännitelähteen sisältämille vaihtosuuntaajan induktiivisille kuormille voidaan esittää kuvion 1 mukainen yleinen sijaiskytkentä. Sijaiskyt-kennän piirin jännitteelle voidaan muodostaa seuraava yhtälö määriteltäessä kuvaan merkitty virran suunta positiiviseksi: _ _ di ...
u = Ri + L— + e . (4) dt 10 Vastasähkömotorinen voima e sisältää sähkökoneiden pääinduktanssin, mutta erillisellä induktanssilla L voidaan huomioida koneiden hajainduktanssit. Verkkovaihtosuuntaajan tapauksessa induktanssilla L kuvataan vaihtosuuntaajan ja verkon välisen verkkosuodattimen induktansseja.
Yhtälön (4) perusteella voidaan virran muuttumissuunnalle kirjoittaa 15 yhtälö: L — -u—(Ri +e) = u-b , (5) dt jossa on määritelty uusi jännitevektori b . Vastasähkömotorinen voima e voidaan lausua yhtälön (3) mukaisesti. Useimmissa tapauksissa laskentaa voidaan yksinkertaistaa tekemättä suurtakaan virhettä jättämällä muuntojännit-, . 20 teen osuus pois. Sähkökoneiden tapauksessa vaihtosuuntaajalla pyritään ni- mittäin edellä mainitun mukaisesti yleensä säilyttämään vuon itseisarvo vakio- • I · ’;[/ na ja verkkovaihtosuuntaajasovelluksissa kuormana olevan verkon jännitteet • · '···’ pysyvät normaalisti likimain vakiona, jolloin vuon itseisarvon muutos on joka • · · tapauksessa nolla. Siten vektorille b pätee seuraava yhtälö: : 25 b = Ri +e«Ri + jtoy/. (6) : *: Yhtälön (5) mukaisesti piirin virta muuttuu siis vaihtosuuntaajan lähtö- jännitteen m ja määritellyn vektorin b erotuksen suuntaan.
Kuviossa 2 on esitetty virtavektorin f ja jännitevektorin b käyttäytymi-.···. nen kenttäkoordinaatiston suhteen koneen eri toimintapisteissä eli kuorman ja 30 nopeuden vaihdellessa. Kuviossa paksummalla merkityt ω ja Γ-akselit jaka-.*.* vat tarkastelun neljään eri toimintakvadranttiin. Kvadranteissa I ja III kone toi- mii moottorina tehon ollessa positiivinen (Ρ = ωΤ>0). Kvadranteissa II ja IV . ’: . momentin ja kulmanopeuden ollessa keskenään erimerkkisiä teho on negatii- , ·, : vinen ja kone toimii siten generaattorina.
6 112413
Virta- ja jännitevektorin, I ja b , käyttäytymistä eri kvadranteissa on havainnollistettu kenttäkoordinaatiston suhteen. Kuviossa 2 on oletettu, että vuo-säädöllä pidetään vuon itseisarvo vakiona, jolloin virran vuon suuntainen d-komponentti pysyy likimain vakiona. Virran vuota vastaan kohtisuoraa eli mo-5 menttia kehittävää komponenttia puolestaan kasvatetaan kuormituksen kasvaessa, joten virtavektori i kääntyy siis nuolen suuntaan momentin itseisarvon |7| kasvaessa.
Vektorin b osalta kuviossa esitetään eri kvadranteissa suurin mahdollinen kääntymiskulma. Sähkökoneissa resistanssi on yleensä melko pieni, jol-10 loin resistiivinen häviökomponentti on merkittävä ainoastaan pienillä pyörimisnopeuksilla. Yhtälön (6) mukaisesti muodostuva jännite on virran suuntainen taajuudella nolla ja kulmanopeuden itseisarvon \ω\ kasvaessa vektori b kääntyy nuolen osoittamaan suuntaan. Nopeuden kasvaessa tullaan lopulta tilanteeseen, jossa resistiivinen jännitekomponentti on liikejännitteeseen ver-15 rattuna olematon ja vektori b on siten liikejännitteen mukaisesti vuota vastaan kohtisuorassa.
Nykyisissä menetelmissä, joissa kaksipistesäädöt suoritetaan virran d-ja q- komponenttien ohje- ja oloarvojen vertailujen pohjalta, saadaan selville suunta, johon virtaa olisi muutettava kenttäkoordinaatiston suhteen. Ongelma-20 na on kuitenkin se, että virran liikkumissuunta riippuu yhtälön (5) mukaisesti nimenomaan vektorista b , jonka suuruus ja suunta kenttäkoordinaatiston eli •\v vuon suhteen riippuu kuviossa 2 esitetyllä tavalla voimakkaasti koneen toi- mintapisteestä.
Suoraan dq-koordinaatistossa suoritettavat kaksipistesäätöjen vertailut 25 johtavat siten erittäin monimutkaisiin lähtöjännitteen eli samalla vaihtosuun- .··, taajan kytkinasennon valintaehtoihin. Jotta koneen eri toimintapisteissä saa- ,·!, täisiin valittua aina virtaa haluttuun suuntaan muuttava vaihtosuuntaajan läh- * * töjännite, joudutaan käytettävää modulointimenetelmää vaihtamaan nopeu-,, , desta ja kuormituksesta riippuen. Valintaehtojen määrän kasvaessa niiden : 30 suoritusaika kuitenkin pitenee ja samalla tarvittavan laitteiston monimutkaistu- essa myös kustannukset nousevat. Siten yleisesti käytetyt menetelmät ovat ;Y: tavallisesti kompromissiratkaisuja, jotka toimivat optimaalisesti vain tietyissä ,·*·. toimintapisteissä.
,;, Edellä kuvatut ongelmat koskevat myös paikallaan pysyvässä staattori- ' 35 koordinaatistossa toteutettua virran kaksipistesäätöä sekä suoraa momentti- : säätöä, jossa modulointimenetelmää joudutaan vaihtamaan pyörimissuun- 7 112413 nasta riippuen. Lisäksi eräissä toteutuksissa kummassakin pyörimissuunnassa moduloidaan nopeudesta riippuen kolmella eri tavalla.
Virran säätömenetelmiin verrattuna suoran momenttisäädön ongelmana voidaan pitää lisäksi sitä, ettei moottorin virtaan voida suoraan vaikuttaa, kos-5 ka vaihtosuuntaajan lähtöjännitteet muodostetaan suoraan halutun vuon ja momentin perusteella. Laitteiston kuormitettavuus riippuu kuitenkin tyypillisesti nimenomaan laitteiston kestämästä maksimivirrasta. Suorassa momenttisää-dössä liian suuret virrat joudutaan siten estämään tarvittaessa vuon ja momentin ohjearvoja muuttamalla, kun virtasäädössä tämä voidaan tehdä suo-10 raan virran ohjearvoja rajoittamalla.
Keksinnön lyhyt selostus Tämän keksinnön tarkoituksena on aikaansaada menetelmä vaihtosuuntaajan ohjaamiseksi, joka välttää edellä mainitut epäkohdat, ja mahdollistaa lisäksi vaihtosuuntaajan ohjaamisen aikaisempia menetelmiä yksinker-15 taisemmalla tavalla. Tämä tarkoitus saavutetaan keksinnön mukaisella menetelmällä, jolle on tunnusomaista se, että menetelmä käsittää lisäksi vaiheet, joissa määritetään jännitevektori vaihtosuuntaajan kuorman resistanssin ja ulostulon virtavektorin tulon ja kuorman sähkömotoriseen voimaan verrannollisen jännitteen summana, muodostetaan suuntavektori vaihtosuuntaajan oh-20 jearvo virtavektorin ja ulostulon virtavektorin perusteella, määritellään jännite- : vektoriin kiinnitetty avaruuskoordinaatisto μυ, jonka reaaliakseli μ on jännite- ;'j‘: vektorin suuntainen, määritetään suuntavektori μυ - koordinaatistossa ja • .·*. muodostetaan vaihtosuuntaajan kytkinohjeet suuntavektorin //-akselin suun- ** · .···. täisen komponentin ja υ -akselin suuntaisen komponentin perusteella.
25 Keksinnön mukainen menetelmä perustuu siihen ajatukseen, että vaih-
• I
!!!_ tosuuntaajan säädöt toteutetaan aktiivisen jännitelähteen sisältämän induktii visen kuorman muodostamaan jännitevektoriin kiinnitetyssä koordinaatistossa. Tällaisen jännitevektorin pituus ja vaihekulma vaihtelee automaattisesti ko- • ·’ neen kuorman toimintapisteen mukaan. Joten keksinnön mukaisella menetel- < f > 30 mällä saadaan toimintapisteestä riippumatta valittua aina haluttu vaihtosuun-taajan lähtöjännitevektori suoraan kaksipistesäätäjien vertailujen pohjalta, il- . * · , man nykyisien menetelmien käyttämiä monimutkaisia valintalogiikoita.
Hyödynnettävän jännitevektorin laskennassa huomioidaan samalla
» I I
v * myös pyörimissuunta kulmanopeuden etumerkin avulla, joten kytkinasennon 35 valintalogiikkaa ei tarvitse muuttaa edes pyörimissuunnan vaihtuessa. Keksinnön mukaisella jänniteorientointiin perustuvalla moduloinnilla saavutetaan ny- 112413 s kyisiä menetelmiä parempi lopputulos säädön tarkkuudessa ja nopeudessa nykyistä yksinkertaisemmalla laitteistolla.
Keksinnön mukaisella menetelmällä saavutetaan suurin etu niissä sovelluksissa, joissa toimintapiste vaihtelee merkittävästi, eli lähinnä sähkö-5 moottorikäytöissä. Verkkovaihtosuuntaajien tapauksessa verkon jännitteen ja taajuuden ollessa likimain vakioita, pystytään nykyisetkin menetelmät optimoimaan hyvin. Keksinnön mukaisen menetelmän perustuessa virran säätöön, saadaan verkkovaihtosuuntaajissa vaihevirrat kuitenkin erittäin hyvin sinimuotoisiksi.
10 Kuvioiden lyhyt selostus
Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen yhteydessä, viitaten oheisiin piirroksiin, joista:
Kuvio 1 esittää vaihtosuuntaajan kuorman yleistä sijaiskytkentää;
Kuvio 2 esittää virtavektorin f ja jännitevektorin b käyttäytymistä kent-15 täkoordinaatiston suhteen koneen eri toimintapisteissä;
Kuvio 3 esittää suuntavektorin S muodostamista; ja Kuvio 4 esittää keksinnön mukaisen moduloinnin periaatetta.
Keksinnön yksityiskohtainen selostus
Keksinnön mukaisessa jänniteorientointiin perustuvassa menetelmässä ; y. 20 tunnettujen modulointimenetelmien ongelmat ratkaistaan kiinnittämällä kaksi-. pistesäätäjän vertailut jännitevektoriin b , joka on määritelty yhtälön (6) esittä- mällä tavalla. Keksinnön menetelmän mukaisesti määritetään vaihtosuuntaa-jän ulostulon virtavektori Jol(), kuorman käämivuovektori ψ, vaihtosuuntaajan • · kuorman kulmanopeus ω ja vaihtosuuntaajan kuorman resistanssi R jännite-* · _ 25 vektorin b laskemiseksi. Ulostulon virtavektori voidaan määrittää suoraan mittaamalla tai mahdollisesti vaihtosuuntaajan kuorman mallia hyväksi käyttämällä, jonka mallin avulla myös käämivuovektori tyypillisesti määritetään.
• · » • Kuorman resistanssi voidaan määrittää esimerkiksi vaihtosuuntaajan käyt- töönoton yhteydessä tai valinnaisesti aina vaihtosuuntaajan käytön alkuvai-. '§ 30 heessa automaattisena rutiinina. Kuorman kulmanopeus voidaan myös mää- rittää käyttämällä kuorman mallia, tai tarvittaessa erittäin tarkkaa ja luotettavaa
I I
‘'I’’ säätöä käyttämällä tarkoitukseen sopivaa mittausanturia, kuten esimerkiksi : pulssitakometriä. Jännitevektori b määritetään siis resistanssin R ja virtavek- torin Joh tulon ja kuorman sähkömotoriseen voimaan verrannollisen jännitteen » » 35 summana.
112413 g
Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisesti kuorman sähkömotori-seen voimaan verrannollinen jännite käsittää liikejännitteen jcoyz , jolloin jän-nitevektorin b yhtälöksi saadaan b = Rl + ]ωψ . Keksinnön erään suoritusmuodon mukaisesti kuorman sähkömotoriseen voimaan verrannolliseen jän-5 nitteeseen sisällytetään myös muuntojännitteeseen verrannollinen jännite, jolloin jännitevektorista b voidaan saada entistä tarkempi.
Keksinnön mukaisessa menetelmässä muodostetaan suuntavektori S ohjearvo virtavektorin ire/ ja virtavektorin ioh perusteella. Edullisesti suunta- vektori määritetään mainittujen virtavektoreiden erotuksena. Kun esimerkiksi 10 kenttäkoordinaatistossa lasketuista virtakomponenttien ohjearvoista muodostuva ohjearvovektori iref ja mitattuihin virtoihin perustuva oloarvovektori ioln lausutaan keskenään samassa koordinaatistossa, niin näiden erotus muodostaa suuntavektorin S ~ ^ref ~ ΐ»Ιο ' C^) 15 jonka suuntaan virtaa täytyy liikuttaa, jotta ohjearvot toteutuisivat. Kuviossa 3 on esitetty esimerkki virran suuntavektorin S muodostamisesta. Suuntavektorin pituus ei ole merkittävä seikka keksinnön periaatteen mukaista modulointi-menetelmää hyödynnettäessä, joten erotuksena muodostuva vektori voidaan esimerkiksi kertoa vakioluvulla ja näin saada lopullinen suuntavektori S. Kek-20 sinnön menetelmän mukainen modulointi voidaan suorittaa pelkästään suun-. , tavektorin asentokulman perusteella.
Keksinnön mukaisesti määritellään uusi jännitteeseen kiinnitetty koordi-'·' * naatisto, jonka jännitevektorin b suuntaista reaaliakselia merkitään symbolilla 'μ ja tätä vastaan kohtisuoraa imaginääriakselia symbolilla v. Vektori S saa-25 daan lausuttua tässä μ v - koordinaatistossa suorittamalla koordinaatiston-muunnos, ellei kyseinen vektori ole määritetty mainitussa koordinaatistossa. Jos molemmat vektorit, S ja b , tunnetaan jo jossain muussa koordinaatistossa, niin helpoimmin nämä vektorin S μ- \3 v-komponentit saadaan tunnetulla ; -.1. tavalla kyseisten vektorien piste- ja ristitulojen avulla. Kuviossa 4 on havain- ’. ^ 30 nollistettu keksinnön mukaisen jänniteorientoidun moduloinnin periaatetta.
·; ’ Virtojen ohjearvovektorin ~ireJ ja oloarvovektorin Iolo erotuksen muodos- ’ tämän suuntavektorin S kärki voi luonnollisesti sijaita dq-tason missä kvad- rantissa tahansa. Jännitevektori b voi puolestaan sijaita dq-tason kvadran-.*1*. teissä I tai IV, koska d-akselin ja vektorin b välinen kulma vaihtelee kuviossa .·. : 35 2 esitetyn mukaisesti välillä -90° < δ < 90°. Vektoreiden S ja b välinen kulma ‘ ‘ on merkitty symbolilla p.
10 112413
Keksinnön mukaisesti vaihtosuuntaajan kytkinohjeet muodostetaan suuntavektorin S suorakulmaisten komponenttien ja Su perusteella.
Vaihtosuuntaajan lähtöjännitteen valinta yksinkertaistuu merkittävästi suorittamalla kaksipistesäätöjen vertailut μ- jav-akselien suunnilla. Vektorin S 5 komponenttien SM ja S„ perusteella saadaan joka hetki suoraan valittua vektorin b suhteen oikeassa suunnassa oleva, ja siten virtaa haluttuun suuntaan liikuttava vaihtosuuntaajan lähtöjännite. Säädön tavoitteena on luonnollisesti saada vektorin S komponentit nollaksi.
Koneen kaikissa toimintapisteissä virtaa haluttuun suuntaan muuttavan 10 kytkinasennon valitsemiseksi riittää periaatteessa, että vektorin b vaihekulma tunnetaan samassa koordinaatistossa, jossa vaihtosuuntaajan lähtöjännite-vektorit on määritelty. Lähes poikkeuksetta nämä lähtöjännitevektorit ja niitä vastaavat kytkinasennot määritellään paikallaan pysyvässä staattorikoordi- naatistossa. Tämän vektorin b vaihekulman lisäksi tulee säädön toteuttami-15 seksi tietää ainakin suuntavektorin komponenttien Sp ja Sv etumerkit. Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisesti kytkinohjeiden muodostaminen toteutetaan suuntavektorin komponenttien itseisarvojen ja etumerkkien perusteella. Komponenttien itseisarvoja, eli pituuksia, voidaan hyödyntää keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisesti kaksipistesäädössä, jossa ohjearvojen 20 ympärille on lisätty hystereesirajat. Hystereesirajat määrittävät oloarvon sallitut vaihteluvälit ja vaikuttavat näin ollen kaksipistesäädössä kytkinkomponenttien • · v.: kytkentätaajuuteen. Hystereesin avulla voidaan myös määrittää raja, jolloin v : siirrytään pysyvän tilan modulointitavasta dynaamisen tilan modulointitapaan.
Siirtymiskriteerinä voidaan esimerkiksi käyttää merkittävää ja usein toistuvaa 25 hystereesirajojen ylitystä.
f. Keksinnön mukaisessa menetelmässä varsinainen modulointi suorite- taan //-suunnan komponentin SM perusteella, koska sillä valitaan, että kytke- • · täänkö vaihtosuuntaajan lähtö seuraavaksi nollaan vai käytetäänkö nollasta poikkeavaa jännitevektoria. Komponentin Sv perusteella valitaan ainoastaan 30 se, kummalta puolelta vektoria b käytettävä lähtöjännitevektori tarvittaessa valitaan.
Pysyvässä tilassa toimittaessa on edullisinta valita komponenttien ja • , Sv määrittelemässä suunnassa vektoria b lähinnä oleva lähtöjännitevektori, koska yhtälön (5) mukaisesti tämä minimoi virran muutoksen. Tällainen valinta ' ’ 35 johtaa siten tasaisimpaan virtaan eli myös tasaisimpaan momenttiin.
' » 11 112413
Dynaamisessa muutostilanteessa eli esimerkiksi ohjearvojen suurten hetkellisten muutosten yhteydessä on edullisinta valita virran muutoksen haluttuun suuntaan maksimoiva lähtöjännite.
Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että tekniikan kehittyessä keksinnön 5 perusajatus voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Keksintö ja sen suoritusmuodot eivät siten rajoitu yllä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.
» > · • · t » 1 i > · » » » • · 11 t I i » r ·
Claims (5)
1. Menetelmä vaihtosuuntaajan ohjaamiseksi vaihtosuuntaajan käsittäessä ohjattavat kytkinkomponentit, joka menetelmä käsittää vaiheet, joissa määritetään vaihtosuuntaajan ulostulon virtavektori (iolo), 5 määritetään vaihtosuuntaajan kuorman käämivuovektori {ψ), määritetään vaihtosuuntaajan kuorman kulmanopeus (ω), määritetään vaihtosuuntaajan kuorman resistanssi (R), tunnettu siitä, että menetelmä käsittää lisäksi vaiheet, joissa määritetään jännitevektori (b) vaihtosuuntaajan kuorman resistanssin 10 (R) ja ulostulon virtavektorin (ioh) tulon ja kuorman sähkömotoriseen voimaan verrannollisen jännitteen summana, muodostetaan suuntavektori (S) vaihtosuuntaajan ohjearvo virtavektorin (hef) Ja ulostulon virtavektorin (Joto) perusteella, määritellään jännitevektoriin (b) kiinnitetty avaruuskoordinaatisto μυ, 15 jonka reaaliakseli μ on jännitevektorin (b ) suuntainen, määritetään suuntavektori (S) μυ - koordinaatistossa ja muodostetaan vaihtosuuntaajan kytkinohjeet suuntavektorin (Ξ)μ-akselin suuntaisen komponentin (Ξμ) ja υ-akselin suuntaisen komponentin (SJ perusteella.
2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että . . suuntavektorin (S) muodostaminen käsittää vaiheen, jossa muodostetaan suuntavektori (S) ohjearvo virtavektorin (ire/) ja ulostulon virtavektorin (f0/0) erotukseen verrannollisena.
• · *··** 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, < I > 25 että vaihtosuuntaajan kytkinohjeiden muodostaminen käsittää vaiheen, jossa kytkinohjeet muodostetaan suuntavektorin (S) μ-akselin suuntaisen kompo-neniin (Ξμ) ja υ -akselin suuntaisen komponentin (Sv) itseisarvojen ja etumerkkien perusteella. |’ j
4. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 1 - 3 mukainen menetelmä, * I . · · . 30 t u n n e 11 u siitä, että kuorman sähkömotoriseen voimaan verrannollinen jän- • 1 T nite käsittää liikejännitteen {jcoy/ ).
5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kuorman sähkömotoriseen voimaan verrannollinen jännite käsittää lisäksi : 1 : muuntojännitteeseen verrannollisen jännitteen. ; , at * 1 · 112413
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FI20000098A FI112413B (fi) | 2000-01-18 | 2000-01-18 | Menetelmä vaihtosuuntaajan ohjaamiseksi |
| EP01660001A EP1120898B1 (en) | 2000-01-18 | 2001-01-05 | Method for controlling an inverter |
| DE60142096T DE60142096D1 (de) | 2000-01-18 | 2001-01-05 | Verfahren zur Steuerung eines Wechselrichters |
| AT01660001T ATE467945T1 (de) | 2000-01-18 | 2001-01-05 | Verfahren zur steuerung eines wechselrichters |
| US09/760,787 US6313599B2 (en) | 2000-01-18 | 2001-01-17 | Method for controlling an inverter |
| JP2001010421A JP3440256B2 (ja) | 2000-01-18 | 2001-01-18 | インバータ制御方法 |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FI20000098A FI112413B (fi) | 2000-01-18 | 2000-01-18 | Menetelmä vaihtosuuntaajan ohjaamiseksi |
| FI20000098 | 2000-01-18 |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FI20000098A0 FI20000098A0 (fi) | 2000-01-18 |
| FI20000098L FI20000098L (fi) | 2001-07-19 |
| FI112413B true FI112413B (fi) | 2003-11-28 |
Family
ID=8557109
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FI20000098A FI112413B (fi) | 2000-01-18 | 2000-01-18 | Menetelmä vaihtosuuntaajan ohjaamiseksi |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6313599B2 (fi) |
| EP (1) | EP1120898B1 (fi) |
| JP (1) | JP3440256B2 (fi) |
| AT (1) | ATE467945T1 (fi) |
| DE (1) | DE60142096D1 (fi) |
| FI (1) | FI112413B (fi) |
Families Citing this family (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6653812B1 (en) * | 2002-01-31 | 2003-11-25 | Analog Devices, Inc. | Space vector modulation methods and structures for electric-motor control |
| US6864648B1 (en) * | 2002-02-08 | 2005-03-08 | Powersci, Inc | Vector flux machine |
| US20060071627A1 (en) * | 2002-03-28 | 2006-04-06 | Ho Eddy Y Y | Motor current reconstruction via DC bus current measurement |
| US6756763B2 (en) * | 2002-05-02 | 2004-06-29 | Visteon Global Technologies, Inc. | Sensorless induction motor control |
| US7436144B2 (en) * | 2003-09-30 | 2008-10-14 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Inverter apparatus |
| WO2006073378A1 (en) * | 2005-01-07 | 2006-07-13 | Ronald De Four | A self starting method and an apparatus for sensorless commutation of brushless dc motors |
| US7348758B2 (en) * | 2005-10-26 | 2008-03-25 | International Rectifier Corporation | Audible noise reduction for single current shunt platform |
| EP2432114B1 (en) * | 2010-09-16 | 2013-11-20 | ABB Technology AG | Flux offset compensation for a rotating electrical machine |
| CN102624317B (zh) * | 2012-04-19 | 2014-10-08 | 株洲南车时代电气股份有限公司 | 一种两电平双模式空间矢量过调制方法及其系统 |
| DE102012210650A1 (de) * | 2012-06-22 | 2013-12-24 | Robert Bosch Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zum Ansteuern eines Wechelrichters |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07118950B2 (ja) * | 1986-04-14 | 1995-12-18 | 株式会社日立製作所 | Ｐｗｍインバータの制御方法と装置 |
| JP3257566B2 (ja) * | 1992-06-16 | 2002-02-18 | 株式会社安川電機 | 誘導電動機のｐｇレスベクトル制御装置 |
| EP0588213B1 (en) * | 1992-09-16 | 1996-12-18 | Hitachi, Ltd. | Method for measuring characteristic constants of alternating current motor and controller thereof based on said method |
| US5440219A (en) * | 1993-05-21 | 1995-08-08 | Wilkerson; Alan W. | Induction motor speed control having improved sensing of motor operative conditions |
-
2000
- 2000-01-18 FI FI20000098A patent/FI112413B/fi not_active IP Right Cessation
-
2001
- 2001-01-05 DE DE60142096T patent/DE60142096D1/de not_active Expired - Lifetime
- 2001-01-05 AT AT01660001T patent/ATE467945T1/de not_active IP Right Cessation
- 2001-01-05 EP EP01660001A patent/EP1120898B1/en not_active Expired - Lifetime
- 2001-01-17 US US09/760,787 patent/US6313599B2/en not_active Expired - Lifetime
- 2001-01-18 JP JP2001010421A patent/JP3440256B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20010008371A1 (en) | 2001-07-19 |
| EP1120898B1 (en) | 2010-05-12 |
| FI20000098A0 (fi) | 2000-01-18 |
| DE60142096D1 (de) | 2010-06-24 |
| EP1120898A2 (en) | 2001-08-01 |
| JP3440256B2 (ja) | 2003-08-25 |
| US6313599B2 (en) | 2001-11-06 |
| ATE467945T1 (de) | 2010-05-15 |
| EP1120898A3 (en) | 2003-07-23 |
| JP2001231264A (ja) | 2001-08-24 |
| FI20000098L (fi) | 2001-07-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| FI112413B (fi) | Menetelmä vaihtosuuntaajan ohjaamiseksi | |
| Liu et al. | A seamless transition scheme of position sensorless control in industrial permanent magnet motor drives with output filter and transformer for oil pump applications | |
| Leonhard | Control of AC-Machines with the help of Microelectronics | |
| Zolghadri et al. | A DSP based direct torque controller for permanent magnet synchronous motor drives | |
| JP2008017608A (ja) | 同期機のセンサレス制御装置 | |
| JP7094859B2 (ja) | モータ制御装置及びモータ制御方法 | |
| JP3279457B2 (ja) | 永久磁石同期電動機の制御装置 | |
| JP6113651B2 (ja) | 多相電動機駆動装置 | |
| Sanita et al. | Modelling and simulation of four quadrant operation of three phase brushless DC motor with hysteresis current controller | |
| JP6951945B2 (ja) | モータ制御装置及びモータ制御方法 | |
| JP7042568B2 (ja) | モータ制御装置及びモータ制御方法 | |
| JP5095134B2 (ja) | モータ制御装置およびモータ制御方法 | |
| JP2015163035A (ja) | 同期モータを制御するモータ制御装置 | |
| CN114365414B (zh) | 用于静电机的无传感器控制器 | |
| JP4894125B2 (ja) | 永久磁石同期電動機の位置決め方法 | |
| JP2022143391A (ja) | モータ制御装置、モータ制御方法、及びモータ駆動システム | |
| Gastli et al. | A new stator-flux-oriented speed-sensorless control algorithm for general purpose induction motor drive | |
| Itoh et al. | Maximum torque per ampere and maximum efficiency control methods based on V/f control for IPM synchronous motors | |
| Hu et al. | Field oriented control CSI synchronous motor drive without shaft sensors | |
| Lipo et al. | AC Motor Speed Control | |
| Ahmad | Vector control of induction motor drives | |
| Figueiredo et al. | Implementation of Vector Speed Control in a Split-Winding Three-Phase Bearingless Induction Motor | |
| Schmidt et al. | Vector sliding mode control of sinusoidal-field synchronous servo drive | |
| Qinghua et al. | Torque control of IPMSM drives using direct flux control for wide speed operation | |
| JP2023177398A (ja) | 交流回転電機の制御装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM | Patent lapsed |