FI121613B - Menetelmä ja järjestelmä jännitevälipiirisellä taajuusmuuttajalla syötetyn moottorin yhteydessä - Google Patents

Description

Menetelmä ja järjestelmä jännitevälipiirisellä taajuusmuuttajalla syötetyn moottorin yhteydessä

Keksinnön tausta

Keksintö liittyy taajuusmuuttajan tuottamien jännitepulssien leik-5 kaamiseen, ja erityisesti taajuusmuuttajan lähtöjännitepulssien aiheuttamien heijastumapulssien leikkaamiseen moottorin yhteydessä.

Erityisesti IGBT-kytkimin varustettujen taajuusmuuttajien lähtöjännit-teiden muutosnopeudet ovat niin suuria, että niiden, yhdessä muutosnopeutta rajoittavien lähtösuotimien kanssa aiheuttamat syöksyjänniterintamat aiheutta-10 vat heijastuksia kaapelin ja moottorin eri suuruisten aaltoimpedanssien vaikutuksesta. Nämä heijastumat näkyvät moottorin navoissa pahimmillaan jopa lähes taajuusmuuttajan välipiirijännitteeseen verrattuna kaksinkertaisina jännite-piikkeinä, jotka edelleen moottorikäämityksissä edetessään saattavat johtaa käämikierrosten välisiin osittaispurkauksiin ja aikaa myöten kierroseristeiden 15 läpilyönteihin ja käämitysten tuhoutumiseen.

Tunnettua tekniikkaa on leikata esimerkiksi kolmivaiheisella diodisil-lalla näiden jännitepiikkien energiaa välivarastoon nopeaan kondensaattoriin, josta se edelleen puretaan vastuksen avulla lämmöksi ympäristöön. Erityisesti suurilla moottoritehoilla hävitettävä teho saattaa nousta kilowatteihin, joten tar-20 vitaan erityiset tehovastukset tätä tehtävää toteuttamaan, ja niiden sijoitus ja jäähdytys saattaa olla pulma. Lisäksi etenkin teollisuuden lähes keskeytyksettä pyörivien moottoreiden piikinleikkaus saattaa kuluttaa huomattavia energia-määriä, varsinkin kun leikkausteho ei ole juurikaan riippuvainen moottorin kuormitusasteesta.

25 Julkaisussa WO 01/39347 esitetään ratkaisu, jossa moottorin ylijän- nitteiden vaikutuksia pienennetään käyttämällä erillistä apujohdinta siirtämään energiaa pois moottorilta. Tämä pois siirretty energia kompensoidaan sopivalla passiivisella kytkennällä tai syötetään takaisin taajuusmuuttajan välipiiriin tasa-suunnattuna. Tämän ratkaisun ongelmana on merkittävät kustannukset, jotka 30 aiheutuvat erillisen apujohtimen käyttämisestä.

Lähes poikkeuksetta ja tunnetusti taajuusmuuttajilla syötetyillä moottoreilla tarvitaan yksi tai useampi jäähdytyspuhallin, koska moottorin omalle akselille sijoitettu puhallin ei pienillä kierroksilla riitä jäähdyttämään moottoria. Näitä tyypillisesti oikosulkumoottorilla varustettuja jäähdytyspuhalti-35 mia syötetään tavallisesti samasta vaihtovirtaverkosta kuin taajuusmuuttajiakin, mutta jos syöttöjännite on suuri, esimerkiksi 690 volttia, on suhteellisen 2 pienitehoisten (<2,2 kW) puhallinmoottoreiden syöttöön käämien kestosyistä monesti käytetty pienempää jännitettä, esimerkiksi 400 volttia. Tämä puolestaan vaatii raskaiden, suurikokoisten ja kalliiden apujännitemuuntajien käyttöä.

Keksinnön lyhyt selostus 5 Keksinnön tavoitteena on kehittää menetelmä ja menetelmän toteut tava järjestelmä siten, että yllä mainitut ongelmat saadaan ratkaistua. Keksinnön tavoite saavutetaan menetelmällä ja järjestelmällä, joille on tunnusomaista se, mitä sanotaan itsenäisissä patenttivaatimuksissa. Keksinnön edulliset suoritusmuodot ovat epäitsenäisten patenttivaatimusten kohteena.

10 Keksintö perustuu siihen ajatukseen, että taajuusmuuttajan syöttä män moottorin napojen jännitettä tasasuunnataan ja tätä tasasuunnattua jännitettä syötetään kondensaattoriin. Kondensaattorin jännitettä käytetään edelleen moottorin jäähdytyspuhaltimen syöttämiseen, joka on aikaisemmin tarvinnut oman tehonsyöttönsä.

15 Keksinnön mukaisen menetelmän ja järjestelmän etuna on mootto rin napojen jännitepiikkien pieneneminen ja samalla jännitepiikkien energian hyödyntäminen puhallinmoottoreiden syöttämiseen. Keksinnön mukaisesti moottorin navoissa vaikuttava jännite heijastumapiikkeineen tasasuunnataan kolmivaiheisella diodisillalla ja saatua tasajännitettä käytetään pyörittämään 20 puhaltimia, jotka jäähdyttävät moottoria ja erikoistapauksissa myös laakereita. Lähes poikkeuksetta heijastumapiikkien leikkauksesta syntyvä energia ei pelkästään riitä jäähdytyspuhaltimien pyörittämiseen täydellä teholla, joten myös osa moottorille tulevasta välipiiritasoisesta vaihtojännitteestä tasasuunnataan jäähdytyspuhaltimille.

25 Tasasuunnattua jännitettä voidaan käyttää suoraan tasajännitteenä aputaajuusmuuttajalle, jota käytetään puhaltimien pyörittämiseen. Tasasuunnattua jännitettä voidaan edelleen muuntaa muun tyyppisille puhaltimille soveltuvaan muotoon.

Puhaltimen säädettävyydellä saadaan aikaan huomattavan suuret 30 energiasäästöt verrattuna koko ajan täydellä teholla pyörivään puhaltimeen. Kun lisäksi lähes kaikki ylijännitepiikkien sisältämä energia saadaan hyötykäyttöön, paranee kokonaishyötysuhde entisestään.

3

Kuvioiden lyhyt selostus

Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen yhteydessä, viitaten oheisiin piirroksiin, joissa kuvio 1 esittää keksinnön mukaisen järjestelmän rakennetta.

5 Keksinnön yksityiskohtainen selostus

Kuviossa 1 on esitetty taajuusmuuttajan 5 päävirtapiirin periaatteellinen kytkentä. Taajuusmuuttaja koostuu tunnetulla tavalla verkkotasasuuntaa-jasta 1, joka tasasuuntaa verkon jännitteen välipiirin kondensaattorille 3. Vaihtosuuntaaja 2 muodostaa tästä välipiirin tasajännitteestä pituudeltaan vaihtele-10 via jännitepulsseja, joista muodostuu taajuusmuuttajan lähtöjännite. Kuviossa 1 on esitetty edelleen moottorikaapeli U2, V2, W2, joka on kytketty taajuus-muuttajan lähdön ja moottorin 4 välille.

Keksinnön mukaisesti moottorikaapelin moottorin puoleiseen päähän on kytketty tasasuuntaaja, kuten kuviossa 1 esitetty dioditasasuuntaussilta 15 6 eli piikinleikkaussilta. Tämän tasasuuntaajan tarkoituksena on muodostaa moottorille moottorikaapelilla syötettävästä jännitteestä tasajännite. Edelleen tasasuuntaajan 1 lähtöön on kytketty kondensaattori C, joka edelleen varastoi ja tasaa tasasuunnattua jännitettä, ja toimii erityisesti myös moottorikaapelille muodostuvien jännitepiikkien leikkaajana yhdessä tasasuuntaajan kanssa. 20 Kondensaattori muodostaa suuritaajuisille jännitteille pieni-impedanssisen virtatien, joten moottorikaapelin ja moottorin rajapinnassa muodostuvat jännitepii-kit kulkeutuvat pääosin kondensaattorille. Kolmivaiheinen, nopeista diodeista koostuva tasasuuntaussilta tasasuuntaa kaiken moottorin liitinnavoissa näkyvän jännitteen kondensaattoriin C. Riippumatta taajuusmuuttajan lähtötaajuu-25 desta kondensaattorin jännite pysyy aina likimain taajuusmuuttajan välipiirijän-nitteen suuruisena. Piikinleikkaussilta 6, C on kytketty taajuusmuuttajalla syötettävän moottorin 4 rinnalle.

Kuviossa 1 on esitetty edelleen kondensaattoriin C kytketyt DC/DC-muuttajat 8 ja DC-moottorit 9, jotka saavat syöttönsä mainituilta DC/DC -30 muuttajilta. Moottorin jäähdytyspuhaltimina voidaan käyttää diagonaalipuhalti-mia, joiden syöttöjännite on tyypillisesti 48 volttia tasavirtaa ja joissa on sisäinen puolijohdekommutointi. Tällöin tasasuuntauksen synnyttämä suuri jännitetaso muutetaan yhdelle tai useammalle puhaltimelle sopivaksi esimerkiksi erillisten fly-back -muuttajien avulla. Samalla saavutetaan galvaaninen turvaeris-35 tys, jolloin moottorin puhaltimia voidaan huoltaa jännitteisinä. Esimerkkinä 4 edellä mainitusta diagonaalipuhaltimesta voidaan mainita valmistajan Ebm-papst malli W1G180, jonka suurin tehonotto on 160 W.

Keksinnön järjestelmän erään suoritusmuodon mukaisesti tasasuuntaaja 6 ja kondensaattori C tuottavat jännitteen, jota käytetään suoraan yhden 5 tai useamman apuvaihtosuuntaajan välipiirin jännitteenä. Tällöin yhtä tai useampaa puhallinmoottoria ohjataan siis yhdellä tai useammalla apuvaihtosuun-taajalla. Tällaisella menettelyllä saadaan aikaan yksinkertaisella tavalla säädettävä puhallin, jonka moottori voi olla oikosulkumoottori.

Kun vaihtosuuntaaja kääntää jonkin vaiheen tilan esimerkiksi DC- -10 potentiaalista DC+ -potentiaaliin, lähtee syöksyaalto kulkemaan pitkin mootto-rikaapelia U2, V2, W2. Kun aalto kohtaa moottorin liittimet, se heijastuu takaisin kohti vaihtosuuntaajaa ja samalla moottorin navoissa vaikuttava jännite yrittää kasvaa tunnettuun tapaan kaapelin ja moottorin aaltoimpedanssien määräämässä suhteessa. Koska kondensaattorin C jännite on keskimääräisesti vä-15 lipiirijännitteen tasossa, ei piikkijännite pääse vapaasti nousemaan, vaan se tasasuuntautuu kondensaattoriin C. Lyhytkestoisen piikin energia varaa kondensaattoria C, jonka kapasitanssi määrää, kuinka paljon napajännite nousee piikin vaikutuksesta.

Jos arvioidaan, että yhden heijastumapiikin tyypillinen varaus 160 20 kW:n moottorilla on 250 pAs ja kondensaattorin C kapasitanssi 10 mikrofara-dia, nousee kondensaattorin napajännite yhden piikin varauksen vaikutuksesta 25 volttia. Kun taajuusmuuttajan keskimääräinen kytkentätaajuus on 3000 s'1, on tasasuunnattu keskimääräinen piikitysvirta 0,75 ampeeria. Tämän piikitys-virran neutralointi esimerkiksi 540 voltin välipiirijännitteellä merkitsee hieman 25 runsaan 400 watin jatkuvaa tehoa DC/DC-muuttajien tai apuvaihtosuuntaajien kautta jäähdytyspuhallinmoottoreihin.

Toisaalta tiedetään, että kun kyseisen kokoisen moottorin jäähdytykseen täydellä akseliteholla tarvitaan tyypillisesti 2,2 kW:n tehoinen aksiaali-puhallin, ei ole pelkoa, että piikitysteho pääsisi ylittämään jäähdytyspuhaltimien 30 tehon, vaikka puhaltimien nopeus ei olisikaan aivan maksimaalinen. Sen sijaan tehonsäästö voi olla jopa 1,8 kW, mikäli moottori käy lähes tyhjäkäynnillä. Se merkitsee usean prosentin parannusta kokonaishyötysuhteeseen osakuormilla.

Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisesti piikinleikkausjärjes-telyn 6, C tasasuunnattu DC-jännite voidaan yhdistää päätaajuusmuuttajan 5 35 välipiiriin hyvin kevyellä kaksinapaisella kaapelilla (esim. 2*1,5 mm2). Tämän apujännitesyötön avulla puhallin saadaan pyörimään silloinkin, kun moottori on 5 jännitteetön. Keksintö mahdollistaa myös puhaltimen DC/DC-muuntimelta saatavan 48 voltin jännitteen hyödyntämisen myös muissa moottorin kulutuskoh-teissa. DC-jännitteelle voidaan järjestää myös ulosotto moottorin yhteyteen valinnaisten kuormien syöttämistä varten.

5 Keksinnön mukaiseen järjestelmään kuuluu edullisesti nopea kak sisuuntainen tiedonsiirtoväylä (esim. valokuitulinkki) taajuusmuuttajan ja moottorin välillä. Sen kautta moottorin suunnasta voidaan välittää mittaustuloksia, joita ovat mm. moottorin käämien ja laakereiden lämpötilat, roottorin kulmanopeus- ja/tai asentotieto, erilaiset laakerinkuntotiedot sekä puhallinmoottoreiden 10 pyörintänopeudet. Vastakkaiseen suuntaan kulkevat mm. puhaltimien nopeus-ohjeet, jotka määräytyvät asianomaisen puhaltimen jäähdytyskohteen lämpötilasta sekä kondensaattorin C mitatusta keskimääräisestä napajännitteestä. Viimeiseksi mainittu riippuvuus on tarpeen, jotta estetään kondensaattorin C napajännitteen hallitsematon nousu liian pienen puhallinkuorman seuraukse-15 na. Mikäli niin halutaan, voidaan jäähdytyspuhaltimen nopeusohjaus toteuttaa myös itsenäisesti vasteellisena jäähdytettävän moottorin lämpötilalle ja kondensaattorin C jännitteelle. Kuviossa 1 on esitetty puhallinmoottoreiden ohjaukset Control. Nämä ohjaukset voidaan tuodaan siis tyypillisesti taajuusmuuttajalta 1 tiedonsiirtoväylää pitkin. Taajuusmuuttajan ohjausosa, joka tavan-20 omaisesti ohjaa taajuusmuuttajan toimintoja, voidaan yksinkertaisella tavalla sovittaa lähettämään tarvittavat ohjaussignaalit. Kuviossa 1 esitetyt ohjaussignaalit voidaan tuottaa vastaavalla tavalla myös silloin, kun käytössä on aputaa-juusmuuttaja ja tämän ohjaama puhallinmoottori. Aputaajuusmuuttaja ottaa tällöin vastaan puhaltimen nopeusohjeen.

25 Kuvion 1 mukainen piikinleikkaussilta 6 sekä kondensaattori C sijoi tetaan edullisimmin suoraan moottorin kytkentäkoppaan, jolloin tarvitaan vain yksi pienipoikkipintainen (2*1,5 mm2) johto siirtämään tarvittava teho puhaltimille.

Keksinnön mukaisessa järjestelmässä on edullista käyttää aksiaali-30 siä turbopuhaltimia, mikäli niiden IP-luokka on riittävä kyseiseen ympäristöön. Puhaltimia sijoitetaan tarvittava määrä joko perinteiseen tapaan keskeisesti moottorin N-päähän tai radiaalisesti moottorin ulkokehälle, jolloin moottorin staattorin jäähdytysrivaston kattava peitelevy ohjaa ilmavirran tehokkaasti kohti kumpaakin päätä. Turbopuhaltimen jättöpuolen umpinainen keskialue on laaja 35 ja sen peitteeksi voidaan sijoittaa pyöreä piirilevy, jolle on toteutettu kyseisen 6 puhaltimen teholle mitoitettu, galvaanisesti erottava DC/DC-muuttaja. Muuttaja on edullisimmin fly-back -tyyppinen.

Jos tarvitaan turbopuhaitimien IP-luokkaa tiiviimpää ratkaisua, on edullista käyttää puhaltimen moottorina täysin suljettua induktiokonetta, jonka 5 oma taajuusmuuttaja sijoitetaan erilliseen koteloon, tai taajuusmuuttajana käytetään komponenttia, jonka IP-luokka on sinällään riittävä.

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 vaihdel-10 la patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (15)

1. Menetelmä jännitevälipiirisellä taajuusmuuttajalla syötetyn moottorin yhteydessä, tunnettu siitä, että menetelmä käsittää vaiheet, joissa syötetään moottorille (4) moottorijännitettä moottorikaapelia (U2, V2, 5 W2) pitkin taajuusmuuttajalla (1) moottorin ohjaamiseksi, tasasuunnataan moottorikaapelin jännitettä tasajännitteen muodostamiseksi ja rajoitetaan moottorikaapelin jännitteen suuruutta moottorikaapelin moottorin (4) puoleisessa päässä moottorin rinnalle kytketyllä leikkauspiirillä, joka käsittää tasajänniteitä varastoivan kondensaattorin (C), jolloin leikkauspiiri 10 tasaa kaiken moottorin navoissa näkyvän jännitteen kondensaattorille, käytetään tasasuunnattua jännitettä moottorin yhden tai useamman jäähdytyspuhaltimen (9) pyörittämiseen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että leikkauspiiri käsittää tasasuuntaussillan ja tasasuuntaussillan lähtöön kytis ketyn kondensaattorin moottorikaapelin jännitteen tasasuuntaamiseksi ja yli- jännitepiikkien rajoittamiseksi.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tasasuunnattua jännitettä käytetään aputaajuusmuuttajan tasajännit-teenä, jolla aputaajuusmuuttajalla ohjataan jäähdytyspuhaltimen moottoria.

4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tasasuunnattua jännitettä muutetaan edelleen toiseksi jännitetasoksi ohjattavalle DC-puhaltimelle.

5. Järjestelmä jännitevälipiirisellä taajuusmuuttajalla syötetyn moottorin yhteydessä, tunnettu siitä, että järjestelmä käsittää leikkauspiirin (6,

25 C), joka on kytketty moottorikaapelin moottorin (4) puoleiseen päähän mootto rin rinnalle tasasuunnatun jännitteen muodostamiseksi ja moottorikaapelin yli-jännitteiden leikkaamiseksi, yhden tai useamman moottorin (4) jäähdytyspuhaltimen, ja välineet (8) tasasuunnatun jännitteen syöttämiseksi jäähdytyspuhal-30 timen moottorille.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että leikkauspiiri käsittää tasasuuntaajan (6) ja tämän lähtöön kytketyn kondensaattorin (C).

7. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen järjestelmä, tunnettu 35 siitä, että välineet tasasuunnatun jännitteen syöttämiseksi jäähdytyspuhaltimen moottorille käsittää tasasuunnattuun jännitteeseen kytketyn vaihtosuuntaajan, joka on sovitettu syöttämään jäähdytyspuhaltimen moottoria.

8. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että välineet tasasuunnatun jännitteen syöttämiseksi jäähdytyspuhaltimen 5 moottorille käsittävät DC/DC -muuttajan, joka on sovitettu muodostamaan ta-sasuunnatusta jännitteestä jännitetason jäähdytyspuhaltimen moottorille.

9. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 5 - 8 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että järjestelmä käsittää lisäksi apujännitesyötön, joka yhdistää taajuusmuuttajan (5) tasajännitevälipiirin ja piikinleikkaussillan (6, C) tasa- 10 jännitteen, jolloin jäähdytyspuhaltimen moottoria voidaan pyörittää moottori-kaapelin ollessa jännitteetön.

10. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 5 - 9 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että järjestelmä käsittää lisäksi moottorin ja taajuus-muuttajan välisen kaksisuuntaisen tiedonsiirtoväylän, joka on sovitettu siirtä- 15 mään mittaus-ja ohjaustietoja.

11. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 5-10 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että jäähdytettävän moottorin (4) yhteyteen on sovitettu moottorin (4) lämpötilaa määrittävä elin, jolloin jäähdytyspuhaltimen nopeutta ohjataan vasteellisena määritetylle lämpötilalle.

12. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 5-10 mukainen järjes telmä, tunnettu siitä, että järjestelmä käsittää välineet leikkauspiirin kondensaattorin (C) jännitteen määrittämiseksi, jolloin jäähdytyspuhaltimen nopeutta ohjataan vasteellisena määritetylle jännitteelle.

13. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 5-12 mukainen järjes- 25 telmä, tunnettu siitä, että jäähdytettävää moottoria ohjaava taajuusmuuttaja tuottaa jäähdytyspuhaltimen nopeusohjeen vasteellisena kondensaattorin (C) jännitteelle ja/tai jäähdytettävän moottorin lämpötilalle.

14. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 5-13 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että piikinleikkaussilta (6, C) on sijoitettu ohjattavan 30 moottorin (4) kytkentäkoppaan.

15. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 5-14 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että järjestelmä käsittää useita jäähdytyspuhaltimia ja näitä syöttäviä DC/DC-muuttajia tai vaihtosuuntaajia.