FI116175B

FI116175B - Menetelmä ja järjestely taajuusmuuttajan suojaamiseksi

Info

Publication number: FI116175B
Application number: FI20031868A
Authority: FI
Inventors: Markku Talja; Simo Antero Poeyhoenen
Original assignee: Abb Oy
Priority date: 2003-12-19
Filing date: 2003-12-19
Publication date: 2005-09-30
Also published as: US7227325B1; FI20031868A0; EP1544974A1; FI20031868A

Description

116175

Menetelmä ja järjestely taajuusmuuttajan suojaamiseksi

Keksinnön ala

Keksintö liittyy taajuusmuuttajaan, jolla syötetään moottoria, ja erityisesti taajuusmuuttajan suojaamiseen.

5 Keksinnön tausta

Taajuusmuuttaja on laite, jota käytetään tyypillisesti moottorin ohjaamiseen. Kuviossa 1 on esitetty esimerkki taajuusmuuttajakytkennästä. Taajuusmuuttaja 20 koostuu tyypillisesti kahdesta suuntaajasta, tasasuuntaajasta 21 ja vaihtosuuntaajasta 22, joiden välillä sijaitsee tasajännite- tai tasavirtaväli-10 piiri 23. Tasasuuntaaja 21 ja vaihtosuuntaaja 22 voivat myös sijaita fyysisesti erillään ja yksi tasasuuntaaja voi syöttää useaa vaihtosuuntaajaa yhteisen vä-lipiirin 23 kautta. Esimerkki tasasuuntaajasta 21 on diodisilta, joka saa syöttönsä 40 vaihtovirtalähteestä 10, joka on esimerkiksi 50 tai 60 Hz:n vaihtosähkö-verkko, ja esimerkki vaihtosuuntaajasta 22 on transistorien (esim. IGBT, Insu-15 lated-gate Bipolar Transistor) tai muiden puolijohteiden avulla toteutettu suuntaajassa. Vaihtosuuntaajaa 22 käytetään tyypillisesti säätämään taajuusmuuttajan välipiiristä 23 moottorille 30 siirtyvää tehoa. Kuviossa vaihtosuuntaajan 22 ja moottorin 30 välinen syöttöyhteys 50 on siis esimerkiksi kolmivaiheinen vaihtovirtayhteys, vaikka kuviossa on selvyyden vuoksi yhteys esitetty yhdellä • * · 1 2 3 4 5 6 viivalla. Vaihtosuuntaajalla moottorin 30 ohjaaminen voidaan toteuttaa luotet- 2 • * · 3 tavalla tavalla siten, että moottori toteuttaa tarkasti esimerkiksi halutun nopeus- 4 v\ tai vääntömomenttiohjeen.

5

Taajuusmuuttaja 20 käsittää tyypillisesti suojausdiagnostiikan taa-·' ·* juusmuuttajan sisäisen vikatilanteen varalle, joka toimii siten, että kun 6 esimerkiksi vaihtosuuntaajan 22 yhden vaiheen puolijohteen yhtä haaraa ei voida sammuttaa (haara menee oikosulkuun tai se saa virheellisesti jatkuvaa ; sytytystä ohjauksesta riippumatta), taajuusmuuttajan diagnostiikka havaitsee vian ja pysäyttää taajuusmuuttajan.

\ Ongelmana yllä kuvatussa järjestelyssä on se, että viallisen vaiheen ;;;* 30 haaran ja muiden vaiheiden nolladiodien kautta pääsee moottori 30 syöttämään magnetointienergiaa eli ns. takatehoa vikapisteeseen eli f: oikosulkuun vaihtosuuntaajassa 22, jolloin vikaantunut puolijohdemoduli voi : pahimmillaan räjähtää ja aiheuttaa suurta tuhoa taajuusmuuttajassa.

Esimerkiksi IGBT-puolijohdemoduli voi tuhoutua kuvatulla tavalla jo alle 10 ms 35 ajassa riippuen esim. moottorin ominaisuuksista, taajuusmuuttajan 2 116175 puolijohteiden tyypistä, välipiirin 23 jännitteestä, vikahetken lähtötaajuudesta ja moottorin 30 roottorin asennosta vikahetkellä.

Keksinnön lyhyt selostus

Keksinnön tavoitteena on siten kehittää menetelmä ja menetelmän 5 toteuttava laitteisto siten, että yllä mainittu ongelma saadaan ratkaistua tai ainakin lievitettyä. Keksinnön tavoite saavutetaan järjestelyllä ja menetelmällä, joille on tunnusomaista se, mitä sanotaan itsenäisissä patenttivaatimuksissa 1 ja 9. Keksinnön edulliset suoritusmuodot ovat epäitsenäisten patenttivaatimusten kohteena.

10 Keksintö perustuu siihen, että vasteellisesti vian havaitsemiselle taajuusmuuttajassa, kytketään taajuusmuuttajan ja moottorin välisen syöttöyh-teyden navat keskenään olennaisesti oikosulkuun, jolloin oikosulku muodostaa rinnakkaisen reitin moottorin syöttämälle magnetointivirralle.

Keksinnön mukaisen menetelmän ja järjestelmän etuna on se, että 15 osa moottorin vikatilanteessa syöttämästä virrasta jakautuu oikosulun muodostamalle rinnakkaiselle reitille ja vastaavasti taajuusmuuttajan kautta kiertävä virta vähenee. Näin taajuusmuuttajan kokema virtarasitus pienenee ja lisäva-hinkojen syntymisen todennäköisyys taajuusmuuttajassa pienenee.

. , Kuvioiden lyhyt selostus 20 Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen yh- teydessä, viitaten oheisiin piirroksiin, joista:

Kuvio 1 esittää lohkokaavion taajuusmuuttajakytkennästä; ' ‘ Kuvio 2 esittää lohkokaavion taajuusmuuttajakytkennästä keksinnön : ’.·* erään suoritusmuodon mukaisesti; ja • · · 25 Kuvio 3 esittää lohkokaavion taajuusmuuttajakytkennästä keksinnön erään suoritusmuodon mukaisesti.

• · ψ

Keksinnön yksityiskohtainen selostus ’·[ Kuviossa 1 esitetty esimerkki taajuusmuuttajakytkennästä on kuvat- tu jo aiemmin tämän selityksen yleisessä osassa, joten sitä ei toisteta tässä.

30 On huomattava, että keksinnön käyttöä ei ole rajoitettu minkään tietyn tyyppi-sen taajuusmuuttajan 20 yhteyteen. Myöskään moottorin 30 tyypillä ei ole mer- ·, : kitystä keksinnön perusajatuksen kannalta vaan se voi olla esimerkiksi yksi-, kolmi-, tai kuusivaiheinen oikosulkumoottori.

3 116175

Kuviossa 2 on esitetty lohkokaavio taajuusmuuttajakytkennästä keksinnön erään suoritusmuodon mukaisesti. Keksinnön perusajatuksen mukaisesti taajuusmuuttajan 20 ja moottorin 30 välisen syöttöyhteyden 51 ja 52 navat kytketään keskenään olennaisesti oikosulkuun vasteellisesti vian havait-5 semiselle taajuusmuuttajassa 20. Kuviossa 2 on taajuusmuuttajan 20 ja moottorin 30 välinen syöttöyhteys 50 esitetty selvyyden vuoksi yhdellä viivalla. Syöt-töyhteys 50 kuitenkin käsittää kaksi tai useampia napoja. Jos moottori 30 on esimerkiksi yksivaihemoottori, on syöttöyhteys 50 kaksinapainen käsittäen vai-hejohtimen ja nollajohtimen. Vastaavasti, jos moottori 30 on kolmivaihemootto-10 ri, on syöttöyhteys 50 kolminapainen käsittäen kolme vaihejohdinta. Syöttöyhteyden 50 napaluvulla tai moottorin tyypillä ei kuitenkaan ole merkitystä keksinnön perusajatuksen kannalta. Kuvion 2 esittämässä kytkennässä syöttöyhteyden 50 napojen oikosulku suoritetaan kytkimellä 60, joka on kytketty syöttöyhteyden 50 napoihin. Kytkin 60 on edullisesti puolijohdinkytkin esimerkiksi 15 nk. crowbar -tyyppinen tyristorikytkin. Puolijohdekytkimen käyttö on edullista, koska sillä voidaan oikosulkukytkentä muodostaa vikatilanteessa nopeasti. Kytkin 60 saa ohjaussignaalin 81 vikadiagnostiikkayksiköltä 80 diagnostiik-kayksikön havaitessa vian kuten esim. tilanne, jossa taajuusmuuttajan 20 vaihtosuuntaajan yhden vaiheen puolijohteen yhtä haaraa ei voida sammuttaa 20 (haara menee oikosulkuun tai se saa virheellisesti jatkuvaa sytytystä :Y; ohjauksesta riippumatta). Diagnostiikkayksikkö 80 voi olla osa taajuusmuutta- . jaa 20 tai erillinen elementti kuten kuviossa on esitetty. Keksinnön perusaja- tuksen kannalta on olennaista vain se, että kytkin 60 voidaan laukaista vasteel- • * · lisesti vialle taajuusmuuttajassa 20. Kytkimen 60 laukaisu voidaan lisäksi rajata • * .. . 25 tapahtumaan vain tietyn tyyppisissä taajuusmuuttajan 20 vikatilanteissa. Kek- sinnön edullisen suoritusmuodon mukaisesti kytkin 60 on kytketty taajuusmuut-'··*’ tajan 20 ja moottorin 30 väliselle syöttöyhteydelle 50 sellaiseen kohtaan, että mainitun kohdan ja taajuusmuuttajan välinen syöttöyhteyden osa 51 on pitempi : kuin mainitun kohdan ja moottorin välinen syöttöyhteyden osa 52. Termi syöt- • · * 30 töyhteys tulee tässä yhteydessä ymmärtää käsittämään taajuusmuuttajan 20 . .·. lähdön ja moottorin 30 syöttöliittimien välinen johdinyhteys sekä myös taa- juusmuuttajan lähdön ja moottorin liittimet. Kytkin 60 voidaan siis kytkeä paitsi esim. taajuusmuuttajan 20 ja moottorin 30 väliselle johdinyhteydelle niin myös-v · kin suoraan esim. moottorin 30 syöttöliittimiin. Kun kytkin 60 kytketään syöt- '·,'·· 35 töyhteydelle 50 mahdollisimman lähelle moottoria 30, saavutetaan se etu, että vikatilanteessa moottorin syöttämästä virrasta suhteellisesti suurempi osa kier- 4 116175 tää kytkimen 60 muodostaman oikosulkukohdan kautta ja vastaavasti pienempi osa taajuusmuuttajan 20 kautta, koska taajuusmuuttajan 20 kautta kiertävä virran osa joutuu kohtaamaan mm. koko taajuusmuuttajan 20 ja moottorin 30 välisen johdinosuuden 51 ja 52 impedanssin. Myös itse kytkin 60 on tällöin li-5 säksi edullista sijoittaa lähelle moottoria 30, jolloin myös kytkimen 60 ja syöt-töyhteyden 50 väliset johtimet jäävät lyhyiksi. Virranjakoon vaikuttavat myös muut järjestelmän mahdolliset impedanssit; esim. taajuusmuuttaja 20 voi olla varustettu lähtökuristimilla. Yleisesti ottaen, jotta mahdollisimman suuri osa moottorin 30 vikatilanteessa syöttämästä virrasta saataisiin kulkemaan kytki-10 men 60 muodostaman oikosulkukohdan kautta, on siis edullista, että impedanssi moottorilta 30 kytkimen 60 muodostamaan oikosulkukohtaan olisi mahdollisimman pieni ja vastaavasti impedanssi moottorilta 30 taajuusmuuttajalle 20 mahdollisimman suuri.

Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaan katkaistaan moottorin 15 30 ja taajuusmuuttajan 20 välinen syöttöyhteys 50 ainakin yhden navan osalta mainittujen napojen oikosulkuun kytkemisen jälkeen. Edelleen edullisen suoritusmuodon mukaisesti moottorin ja taajuusmuuttajan välinen syöttöyhteys katkaistaan kaikkien napojen osalta. Tämän keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisesti on kuviossa 2 esitetty toinen kytkin 70. Kytkin 70 on esimerkiksi 20 kontaktori, jota ohjataan edullisesti releen 71 avulla. Rele 71 saa edullisesti oh-jauksensa diagnostiikkayksiköltä 80 taajuusmuuttajan vikatilanteessa kuten . .\ kytkin 60. Johtuen releen 71 ja kontaktorin 70 toiminnan suhteellisesta hitau- .*.·. desta (toiminta-aika tyypillisesti esim. 10-100 ms) verrattuna puolijohdekytki- • · » ,’t‘; meen 60 (toiminta-aika esim. noin 1 ms) toimii kontaktori 70 vasta kytkimen 60 .. . 25 toiminnan jälkeen. Normaalitilassa on kontaktori 70 johtavassa tilassa eli sen kontaktit ovat suljetut. Diagnostiikkayksiköltä 80 tulevan signaalin ja releen 71 '···* ohjaamana kontaktori 70 avautuu, jolloin moottori 30 erotetaan taajuusmuutta jasta 20 ja kytkimestä 60. Vikatilanteessa siis kytkin 60 sulkeutuu edullisesti ! ensin, jolloin moottorin 30 syöttämä takavirta jakaantuu jännitehäviöiden suti va 30 teessä kytkimen 60 muodostaman oikosulun ja taajuusmuuttajan 20 kesken, . .·. kunnes kontaktori 70 avautuu. On huomattava, että kontaktoria 70 (tai vastaa- I I » vaa kytkintä) ei siis välttämättä tarvita keksinnön perusajatuksen mukaisessa ratkaisussa lainkaan. Jos käytetään pelkästään oikosulun aiheuttavaa kytkintä : 60, on tämä kytkin 60 tällöin edullisesti mitoitettava siten, että se oikosulun :.'*j 35 muodostaessaan kestää koko moottorin 30 syöttämän takavirran. Kontaktoria tai vastaavaa kytkintä 70 käytettäessä tulee kytkin 60 edullisesti mitoittaa kes- 5 116175 tämään moottorin 30 syöttämää takavirtaa vain niin kauan kuin kestää kytkimen 60 sulkeutumisesta kytkimen 70 avautumiseen eli tyypillisesti esim. joitakin kymmeniä millisekunteja.

Kuviossa 3 on esitetty lohkokaavio taajuusmuuttajakytkennästä 5 keksinnön erään suoritusmuodon mukaisesti. Kuvion järjestelmässä moottori 30 on kolmivaihemoottori ja moottorin 30 ja taajuusmuuttajan 20 välinen syöt-töyhteys on kolminapainen eli tässä tapauksessa muodostuu kolmesta vaihe-johtimesta kuten kuviossa on esitetty. Kuviossa on edelleen esitetty mahdollisen kontaktorin 70, jos sellaista käytetään, kaikkinapainen kytkentä moottorin 10 30 ja taajuusmuuttajan 20 väliselle syöttöyhteydelle. Lisäksi kuviossa on esitet ty kytkimen 60 eräs mahdollinen sisäinen kytkentä. On huomattava, että kuviossa on esitetty vain keksinnön ymmärtämisen kannalta olennaisia elementtejä. Kytkin 60 on kuvion 3 esimerkissä crowbar -tyyppinen tyristorikytkin, joka käsittää kuudesta diodista muodostuvan tasasuuntaussillan 63 sekä tyristorin 15 61. Kytkentä toimii siten, että ohjaussignaali 81 viedään tyristorin ohjauspiirille 62. Ohjauspiiri 62 muodostaa vasteellisesti ohjaussignaalille 81 sopivan ohja-uspulssin, joka sytyttää tyristorin 61. Kun tyristori 61 syttyy ja alkaa johtaa, oi-kosulkeutuvat moottorin 30 ja taajuusmuuttajan 20 välisen syöttöyhteyden navat tasasuuntaussillan 63 ja tyristorin 61 muodostaman kytkennän kautta. Kyt-20 kimen 60 komponentit samoin kuin mahdollisesti käytettävä kontaktori tai muu kytkin 70 valitaan edullisesti kulloisenkin järjestelmän, jossa kytkimiä käyte-. .·. tään, parametrien kuten esimerkiksi järjestelmän nimellisjännitteen ja järjes- telmässä esiintyvien virtojen mukaisesti. Kuviossa 3 esitetyn kaltaista kytkintä • · · [ 60 käytettäessä on lisäksi edullista valita tasasuuntaussillan 63 diodeiksi sekä • · ... 25 tyristoriksi 61 mahdollisimman pienen päästöjännitteen omaavat diodi-ja tyris- • · · torityypit, jotta kytkimen 60 toimiessa siinä sarjassa olevien kahden diodin ja * · '··' tyristorin päästöjännitteet muodostaisivat mahdollisimman pienen vastuksen moottorin 30 syöttämälle virralle.

• I

i Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että tekniikan kehittyessä keksin- 30 nön perusajatus voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Keksintö ja sen suoritus- . muodot eivät siten rajoitu yllä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaihdel- • » · ϋ! _ la patenttivaatimusten puitteissa.

• · · • · « • · »

» I

Claims

116175

1. Järjestely taajuusmuuttajan suojaamiseksi järjestelmässä, joka käsittää moottorin (30) ja sitä kaksi- tai useampinapaisen syöttöyhteyden (50) kautta syöttävän taajuusmuuttajan (20), tunnettu siitä, että järjestely käsit- 5 tää ensimmäiset kytkentävälineet (60), jotka on sovitettu kytkemään, vasteellisesti vian havaitsemiselle taajuusmuuttajassa (20), syöttöyhteyden (50) navat keskenään olennaisesti oikosulkuun.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, et-10 tä järjestely käsittää lisäksi toiset kytkentävälineet (70), jotka on sovitettu katkaisemaan moottorin (30) ja taajuusmuuttajan (20) välinen syöttöyhteys (50) ainakin yhden navan osalta mainittujen napojen oikosulkuun kytkemisen jälkeen.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen järjestely, tunnettu siitä, et-15 tä toiset kytkentävälineet (70) on sovitettu katkaisemaan moottorin ja taajuus- muuttajan välinen syöttöyhteys kaikkien napojen osalta.

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että ensimmäiset kytkentävälineet (60) on kytketty taajuusmuuttajan (20) ja moottorin (30) väliselle syöttöyhteydelle (50) sellaiseen kohtaan, että maini- 20 tun kohdan ja taajuusmuuttajan välinen syöttöyhteyden osa (51) on pitempi :Y: kuin mainitun kohdan ja moottorin välinen syöttöyhteyden osa (52). : 5. Jonkin patenttivaatimuksista 1-4 mukainen järjestely, tunnet- ;y. t u siitä, että ensimmäiset kytkentävälineet (60) käsittävät puolijohdekytkimen.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen järjestely, tunnettu siitä, et- • · . 25 tä ensimmäiset kytkentävälineet (60) käsittävät tyristorin. • »

7. Jonkin patenttivaatimuksista 1-6 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että toiset kytkentävälineet (70) käsittävät kontaktorin.

8. Jonkin patenttivaatimuksista 1-7 mukainen järjestely, tunnet- : t u siitä, että moottori (30) on kolmivaihemoottori ja syöttöyhteys (50) taajuus- 30 muuttajalta moottorille on kolminapainen.

9. Menetelmä taajuusmuuttajan suojaamiseksi järjestelmässä, joka •»» .···. käsittää taajuusmuuttajan ja siihen kytketyn moottorin, jolloin menetelmä käsit- .·’ tää vaiheen, jossa ’ · ‘ * syötetään moottoria taajuusmuuttajalta kaksi- tai useampinapaisen :.‘ i 35 syöttöyhteyden kautta, tunnettu siitä, että menetelmä käsittää lisäksi vaiheen, jossa 116175 kytketään, vasteellisesti vian havaitsemiselle taajuusmuuttajassa, syöttöyhteyden navat keskenään olennaisesti oikosulkuun.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmä käsittää lisäksi vaiheen, jossa 5 katkaistaan moottorin ja taajuusmuuttajan välinen syöttöyhteys ai nakin yhden navan osalta mainittujen napojen oikosulkuun kytkemisen jälkeen.

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että katkaistaan moottorin ja taajuusmuuttajan välinen syöttöyhteys kaikkien napojen osalta.

12. Patenttivaatimuksen 9, 10 tai 11 mukainen menetelmä, tun nettu siitä, että syöttöyhteyden navat kytketään oikosulkuun syöttöyhteyden pisteessä, joka on lähempänä moottoria kuin taajuusmuuttajaa.

13. Jonkin patenttivaatimuksista 9-12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu oikosulkuun kytkentä suoritetaan puolijohteen käsit- 15 tävällä kytkimellä.

14. Patenttivaatimuksen 13 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu oikosulkuun kytkentä suoritetaan tyristorin käsittävällä kytkimellä. » I « • · » • · t • · « • # · • · » · · • · > · * « · • t « · • * · «tl t I « I 116175