FI122159B - Taajuusmuuttajan käynnistys - Google Patents

Description

TAAJUUSMUUTTAJAN KÄYNNISTYS

Tekniikan ala 5 Tämän keksinnön kohteena on menetelmä ja laitteisto taajuusmuut tajan käynnistämiseksi silloin, kun siihen on liitetty kestomagneettimoottori, jonka roottori pyörii käynnistyshetkellä. Menetelmä ja laitteisto liittyvät erityisesti sellaiseen taajuusmuuttajaan, jonka virranmittausanturi sijaitsee DC-välipiirissä ja jonka kuormasillan ylähaaran tehokytkinten ohjausteho syötetään ns. bootst-10 rap-periaatteella.

Ongelman kuvaus ja tunnettu tekniikka

Erityisesti pienitehoisissa taajuusmuuttajissa kilpailutilanne markki-15 noilla pakottaa etsimään mahdollisimman yksinkertaisia ja kustannus-tehokkaita teknisiä ratkaisuja, jolla kuitenkin saavutetaan riittävä suorituskyky. Niinpä esimerkiksi moottorivirran mittaus voidaan tunnetusti hoitaa kolmen lähtövaiheisiin sijoitetun virtamuuntimen asemesta vain yhdellä DC-välipiirissä sijaitsevalla virta-anturilla esimerkiksi patenttijulkaisun Fl 116337 tai Fl 119493 mukaisesti. 20 Samoin ylähaaran ohjattavien tehokytkinten ohjausteho voidaan galvaanisesti erotettujen tehonsyöttöpiirien asemesta syöttää ilman galvaanista erotusta alahaaran potentiaalista käsin ns. bootstrap-kytkennällä, jollainen on tullut tunnetuksi esimerkiksi patenttijulkaisusta US 5408150.

Kestomagneetein varustetulla roottorilla varustetut moottorit ovat 25 yleistyneet viime aikoina myös pienillä tehoilla alhaisten kustannustensa ja täsmällisesti säädettävän pyörimisnopeutensa vuoksi (kestomagneettikone on luonteeltaan tahtikone, jolla ei ole jättämää toisin kuin yleisimmällä moottorityy- ^ pillä, oikosulkumoottorilla). Pyörimisnopeutta säädetään tunnetusti edullisimmin o ^ taajuusmuuttajalla.

o 30 Joissakin tapauksissa moottori voi pyöriä vaikka siihen liitetty taa- juusmuuttaja onkin seis-tilassa. Esimerkiksi ilmastointisoveliuksessa paino-x voimainen heikko ilmanvirtaus voi saada aikaan ilmakanavaan sijoitettua tuule- tinta pyörittävän voiman. Samoin kun pitkää kuljetushihnaa pyörittää useita S moottoreita, myös sellainen moottori pyörii, jota syöttävä taajuusmuuttaja on g 35 jostain syystä pysäytetty. Kestomagneettimoottorin napajännite on tunnetusti ^ suoraan verrannollinen pyörimisnopeuteen.

Kun ohjausteho taajuusmuuttajan ylähaaran tehokytkimille hoidetaan bootstrap-menetelmällä, ylähaaran ohjausjännitteen syöttämiseksi täytyy 2 toiminta aloittaa kytkemällä aluksi alahaaran tehokytkin johtavaksi. Tämä voi merkitä vaiheiden välistä oikosulkua silloin kun taajuusmuuttajaan liitetty kesto-magneettimoottori pyörii. Kun moottorin virtaa mitataan vain yhdellä DC-välipiiriin sijoitetulla anturilla, ei tällaista oikosuikuvirtaa havaita välttämättä lain-5 kaan, mikä voi johtaa laitteen vaurioitumiseen.

Taajuusmuuttajan käynnistäminen pyörivään moottoriin vaatii yleensä erikoistoimenpiteitä hallitsemattoman ylivirtapulssin estämiseksi. Esimerkiksi patenttijulkaisusta Fl 113106 on tullut tunnetuksi menetelmä, jossa ennen käynnistystä määritetään vaihejännitteitä virran mittauksen avulla, jolloin 10 taajuusmuuttajan Iähtöjännitteet voidaan tahdistaa pyörivän moottorin jännitteisiin. Menetelmä vaatii kuitenkin virran mittaamisen vähintään kahdesta lähtö-vaiheesta, joten sitä ei ole tarkoitettu sellaiselle taajuusmuuttajalle, jossa on vain yksi virran mittaus DC-välipiirissä. Tunnettu on myös ratkaisu, jossa taajuusmuuttajaan on sisällytetty lähtöjännitteiden mittauspiirit, mikä luonnollisesti 15 merkitsee lisäkustannuksia.

Keksinnön yhteenveto Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan uudenlainen taa-20 juusmuuttajan käynnistysmenetelmä, joilla vältetään edellä mainitut epäkohdat ja mahdollistetaan yhdellä DC-virranmittausanturilla ja ylähaaran bootstrap-ohjaustehon syötöllä varustetun taajuusmuuttajan turvallinen käynnistyminen pyörivään kestomagneettimoottoriin. Tämä tarkoitus saavutetaan keksinnön mukaisella menetelmällä ja laitteistolla, joille on tunnusomaista se, mitä on sa-25 nottu itsenäisten patenttivaatimusten tunnusmerkkiosissa. Keksinnön muut edulliset suoritusmuodot ovat epäitsenäisten patenttivaatimusten kohteina.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä kuormasillan alahaaran yksi ^ tehokytkin ohjataan johtavaan tilaan lyhyeksi aikaa, esimerkiksi 200ps ajaksi.

o

Aika on niin lyhyt, ettei mahdollisesti pyörivän kestomagneettimoottorin oikosul-o 30 kuvirta ehdi kasvaa vaaralliselle tasolle mutta samalla kuitenkin riittävän pitkä ^ virran mittauksen kannalta. Kun tehokytkin ohjataan taas johtamattomaan ti- x laan, mahdollinen oikosulkuvirta, joka on tunnetusti induktiivista, jatkaa kulku aan vastaavan ylähaaran nolladiodin kautta ja kiertää edelleen DC-välipiirin g kondensaattorin ja muiden vaiheiden alahaaran nolladiodien kautta takaisin g 35 moottoriin. Näin ollen virran reitti kulkee DC-välipiiriin sijoitetun virran mitta usance turin kautta, josta laitteen ohjausjärjestelmä saa tiedon oikosulkuvirrasta, joka on samalla merkki siitä, että taajuusmuuttajaan liitetty moottori pyörii.

3

Keksinnön mukaisesti edelläkuvattuja ohjauspulsseja jatketaan halutun ajan, jolloin saadaan tieto myös moottorin pyörimisnopeudesta; vaihejän-nitteen ollessa positiivinen virtapulsseja kulkee kun taas negatiivisen puolijak-son aikana virtapulsseja ei kulje. Edelleen vastaavasti, kun ohjauspulsseja an-5 netaan jokaiselle tai ainakin kahdelle vaiheelle, saadaan tieto vaihejärjestykses-tä eli pyörimissuunnasta.

Keksintö tekee mahdolliseksi käynnistää turvallisesti pyörivä kesto-magneettimoottori taajuusmuuttajalla, jonka virranmittaus- ja tehokytkinten oh-jaustehon syöttöratkaisut ovat teknisesti rajoitetut kustannussyistä.

10

Piirustusten lyhyt kuvaus

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisemmin esimerkkien avulla viittaamalla oheisiin kuvioihin, joissa 15 Kuvio 1 esittää taajuusmuuttajakäytön pääpiiriä ja välipiiriin sijoitet tua virta-anturia,

Kuvio 2 esittää tehokytkinten ohjaustehon syöttöratkaisua,

Kuvio 3 esittää kolmivaihejärjestelmän jännitteitä,

Kuvio 4 esittää oikosulkuvirran kulkureittiä taajuusmuuttajassa, 20 Kuvio 5 esittää oikosulkuvirtaa ja alahaaran kytkimen ohjauksia, ja

Kuvio 6 esittää oikosulkuvirtaa koko jakson aikana.

Keksinnön yksityiskohtainen kuvaus 25 Kuvio 1 esittää tunnettua kolmivaiheisen PWM-taajuusmuuttajan pääpiiriä, jossa on syöttöverkon, jonka liitännät ovat Li - L3, virtaa suodattava AC-kuristin Lac Qonka asemesta käytetään yleisesti DC-välipiiriin sijoitettua ku- ^ ristinta, tai erityisesti pienitehoisista laitteista kuristin voi puuttua kokonaan), o ^ diodeista Du - Di6 koostuva verkkosilta 10 syöttöverkon kolmivaiheisen vaihto- o 30 jännitteen tasasuuntaamiseksi tasajännitevälipiirin tasajännitteeksi, jota suoda-tetaan kondensaattorilla Cdc, kolmesta tehopuoiijohteilla toteutetusta vaihekyt-x kimestä koostuva kuormasilta 11, joka muodostaa välipiirin tasajännitteestä Udc kolmivaiheisen lähtöjännitteen Uu, Uv, Uw sekä ohjausyksikkö 12. Kuormasillan g vaihekytkimet koostuvat ylä- ja alahaaran ohjattavista tehopuolijohdekytkimistä, g 35 edullisesti IGBT:eistä Vi - V6 sekä niiden rinnalle kytketyistä nolladjodeista Di -^ D6. Vaihekytkin yhdistää lähtövaiheen joko +UDc (yläasento) tai -UDc (ala- asento)-kiskoon. Tehopuolijohdekytkinten ohjauspulssit muodostetaan ohjausyksikön ns. modulaattorissa.

4 Tämä keksintö liittyy järjestelmään, jossa moottorivirtaa mitataan DC-välipiiriin sijoitetulla virta-anturilla, esimerkiksi shunttivastuksella Rdc. joka voi sijaita joko kuvion mukaisesti -Udc -haarassa tai vaihtoehtoisesti +Udc -haarassa tai sarjassa DC-välipiirin suotokondensaattorin CDc kanssa. Kuvion 5 mukaisella virranmittauksella saadaan tunnetusti näytteitä moottorivirroista sen mukaisesti, missä asennossa vaihekytkimet ovat. Taulukossa 1 on esitetty kaikkien eri kytkinasentojen ja iDc-signaalissa näkyvien vaihevirtojen väliset riippuvuudet (virtojen positiivinen suunta on määritelty kuvion 1 mukaisesti moottoriin päin, vaihekytkinten U, V, W asento 0 tarkoittaa sitä että vaihekytkimen ala-10 haaran IGBT on ohjattu johtavaksi ja 1 tarkoittaa vastaavasti ylähaaran ohjausta): TAULUKKO 1 U VW iDC UVW idc 0 0 0 0 1 1 0 - iw 10 0 iu 0 11 - iu i 010 iv 10 1 - iv 0 0 1 iw 111 o 15

Kuvio 2 esittää tunnettua ns. bootstrap-kytkentää, joka on edullinen tapa ylähaaran tehopuolijohdekytkimen (V-i) vaatiman ohjaustehon syöttämiseksi. Bootstrap-idean mukaisesti, silloin kun alahaaran tehokytkin V4 johtaa, on ylähaaran kytkimen emitteripotentiaali Ei lähellä -UDc -potentiaalia, jolloin 20 ylähaaran ohjauspiirin GDi apujännitteen suotokondensaattori Ci latautuu ^ bootstrap-diodin Dqi kautta lähes samaan jännitteeseen UGD jolla syötetään ° alahaaran ohjauspiiriä GD4. Vaihekytkimen täysi ohjattavuus, eli mahdollisuus o ohjata johtavaksi sekä ylä- että alahaaran tehopuolijohdekytkimet, edellyttää siis i ^ että ohjaaminen aloitetaan alahaarasta ja kytkentätaajuus, eli taajuus jolla ylä- x 25 ja alahaaran ohjauspulssit vuorottelevat, on riittävän suuri jotta jännite ylähaa- ran kondensaattorissa Ci pysyy koko ajan riittävänä, tö

CO

S Kuviot 3-5 liittyvät keksinnön mukaisen menetelmän perusteiden

O

° havainnollistamiseen. Kuvio 3 esittää kolmivaiheista sinikäyrää, jonka mukai- 30 nen on esimerkiksi pyörivän kestomagneettimoottorin liitäntäjännite Uu, Uv, Uw silloin kun siihen liitetty taajuusmuuttaja on seis-tilassa.

5

Oletetaan että taajuusmuuttajan ohjaaminen aloitetaan keksinnön mukaisesti hetkellä t0, jolloin U-vaiheen jännite on positiivinen ja muiden vaiheiden jännitteet negatiivisia. Oletetaan lisäksi, edellä selostetun mukaisesti, että U-vaiheen alahaaran tehokytkin ohjataan aluksi johtavaksi. Näinollen muodos-5 tuu kuviossa 4 esitetty oikosulku kaikkien johtavien alahaaran kytkimien kautta. Kuvion 4 mukaisesti oikosulkuvirta kulkee U-vaiheen alahaaran IGBT:n V4 (vir-tareitti 1) ja muiden vaiheiden alahaaran nolladiodien kautta. Virran kulkuun osallistuvat komponentit on kuviossa tilanteen havainnollistamiseksi piirretty yhtenäisellä viivalla ja siihen osallistumattomat katkoviivalla. Kuviossa 5, jossa 10 on kuvattu U-vaiheen alahaaran tehokytkimen V4 ohjaussignaali V4/G ja U-vaiheen virran negaatio -iu, samaa tilannetta esittää aikaväli to — ti. Kuviosta 4 on helppo nähdä, että koska moottorivirta kulkee pelkästään alahaarojen kautta, ei virta-anturi Rdc havaitse virran kulkua lainkaan.

Oletetaan edelleen, että kuvion 5 mukaisella ajanhetkellä ti V4-15 kytkimen ohjaus lopetetaan, jolloin U-vaiheen induktiivinen oikosulkuvirta kääntyy kulkemaan ylähaaran noliadiodin kautta (virtareitti 2 kuviossa 4). Muiden vaiheiden virrat kulkevat edelleen entistä reittiä alahaarojen kautta, koska nolla-diodit pysyvät johtavina ja ko. vaiheiden jännitteet negatiivisina. Koska U-vaihe on nyt eri asennossa kuin muut vaiheet, sen virta näkyy virta-anturissa taulukon 20 1 mukaisesti (U V W = 1 0 0, joten iDc = iu)· Tilanne jatkuu kuviossa 5 esitetyllä aikavälillä ti -12, jolloin moottorin syöttämä virta pienenee induktiivisen energian purkautuessa välipiiriin.

Hetkellä t2 U-vaiheen alahaaran kytkin ohjataan uudestaan johtavaksi, jolloin muodostuu jälleen oikosulku jonka vuoksi moottorin virta alkaa jäl-25 leen kasvaa. Toiminta jatkuu näin edelleen niin kauan kuin halutaan. Kuten edellä on todettu, DC-välipiirin virta-anturi Rdc näkee näytteen moottorin virrasta vain silloin kun vaihekytkimet ovat eri asennoissa. Yhtenäisen käsityksen saa-^ miseksi lähtövirroista taajuusmuuttajan ohjausyksikkö yleensä interpoloi tuloksia

O

^ näytteenottojen välillä.

N.

o 30 o Kuvio 6 esittää edellä kuvatulla tavalla selvitetyn vaihevirran kulkua g pitemmällä aikavälillä. Kuviossa Uu kestomagneettimoottorin virtuaalinen U- vaiheen jännite (joka kuvaa moottorin sisäistä lähdejännitettä, todellinen napa-g jännite taajuusmuuttajan toimiessa on tunnetusti pulssimaista) ja -iu saman

LO

§ 35 vaiheen virran negaatio. Keksinnön mukaisesti alahaaran ohjauspulssien pi- ou tuudet ovat käynnistyksen yhteydessä samankestoisia ja niin pitkiä, että virtaa selvästi kulkee mutta ne eivät ole kuitenkaan niin pitkiä että virta ehtisi yhden pulssin aikana kasvaa vaarallisen korkeaksi. Koska kestomagneettimoottorin 6 napajännite on verrannollinen pyörimisnopeuteen, voi olla edullista muuttaa pulssin pituutta mitatun virran mukaisesti. Tämä voidaan toteuttaa esimerkiksi siten, että ensin aloitetaan lyhyellä, esim. noin 200 μβ mittaisella pulssilla ja jos mitattu virta on liian pieni tarkkojen päätelmien tekemiseksi, pulssin pituutta 5 kasvatetaan tarpeen mukaan. Näin menetellen oikosulkujen aikana virta kasvaa sitä suuremmaksi, mitä suurempi on vaihejännite. Edelleen, mikäli vaihe-jännite on negatiivinen, oikosulkuvirtaa ei kulje lainkaan. Näin ollen, kun keksinnön mukaisesti ohjataan aluksi vain yhden vaiheen alahaaraa, mitattu vaihe-virta edustaa samalla tietoa vaihejännitteen positiivisesta puolijaksosta.

10 Keksinnön mukaisesti saatua tietoa vaihevirrasta ja vaihejännittees- tä voidaan hyödyntää monella tavalla. Voidaan esimerkiksi estää taajuusmuuttajan käynnistäminen kokonaan silloin kun moottori pyörii. On myös mahdollis- ι ta, muutaman moottorin pyörimisjakson aikana, toistaa edellä kuvattu toiminto esimerkiksi kahdessa vaiheessa, jolloin saadaan tieto näiden vaihejännitteiden 15 keskinäisestä järjestyksestä, mikä yhdistettynä selvitettyyn puolijakson aikaan tuottaa tiedon pyörimissuunnasta ja pyörimisnopeudesta. Näiden tietojen pohjalta on mahdollista käynnistää taajuusmuuttaja suoraan pyörivään moottoriin (tunnettu ns. vauhtikäynnistys).

20 Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön eri sovellutus- muodot eivät rajoitu yksinomaan edellä esitettyihin esimerkkeihin, vaan ne voivat vaihdella jäljempänä esitettävien patenttivaatimusten puitteissa.

δ

(M

r^- o I'-- o

X

cc

CL

δ co uo

CD

o o

(M

Claims (12)

1. Menetelmä tasajännitevälipiirillä varustetun taajuusmuuttajan käynnistämiseksi erityisesti, kun siihen on liitetty kestomagneettimoottori, jonka 5 roottori pyörii käynnistyshetkellä, jossa taajuusmuuttajassa on verkkosilta (10) ja kuormasilta (11), jossa kuormasillassa on ylä- ja alahaaran ohjattavat tehopuolijohdekytki-met (V1 - V6) sekä niiden rinnalle kytketyt noliadiodit (D1 - D6), sekä niiden välissä tasajännitevälipiiri, 10 jossa taajuusmuuttajassa käytetään tasajännitevälipiiriin sijoitettua virranmittausanturia, jonka muodostamassa analogisessa virtasignaalissa esiintyy näytteitä mitattavista lähtövirroista, ja jossa taajuusmuuttajan yiähaaran tehokytkimiä ohjataan bootstrap-menetelmällä, 15 tunnettu siitä, että käynnistäminen aloitetaan ohjaamalla yhtä lähtövaihetta kerrallaan siten, että alahaaran ohjattava tehopuolijohdekytkin ohjataan johtavaksi yhdeksi tai useammaksi lyhyeksi, edullisesti noin 200 ps mittaiseksi, ajanjaksoksi.

2. Vaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mikäli virranmittausanturi havaitsee lähtövirran poikkeavan nollasta johtavak-siohjausten välisenä aikana, taajuusmuuttajan käynnistäminen estetään.

3. Vaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ς mikäli virranmittausanturi havaitsee lähtövirran poikkeavan nollasta johtavak- ^ siohjausten välisenä aikana, johtavaksiohjauksia jatketaan kunnes virtaa ei 9 enää kulje, o 30

£ 4. Vaatimuksen 1 tai 3 mukainen menetelmä, CL tunnettu siitä, että oo aikaa, jona virran havaitaan kulkevan, käytetään pyörivän kesto- o magneettimoottorin vaihejännitteen positiivisen puolijakson indikaattorina. o ™ 35

5. Vaatimusten 1,3 tai 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että alahaaran ohjattavien tehopuolijohdekytkin ohjauksia tehdään vähintään kah dessa vaiheessa.

6. Vaatimuksen 5 mukainen menetelmä, 5 tunnettu siitä, että aikoja, jona virran havaitaan kulkevan vähintään kahdessa vaiheessa, joiden alahaaran ohjattavia tehopuolijohdekytkimiä ohjataan, käytetään pyörivän kes-tomagneettimoottorin vaihejärjestyksen indikaattorina.

7. Laitteisto tasajännitevälipiirillä varustetun taajuusmuuttajan käynnistämiseksi erityisesti, kun siihen on liitetty kestomagneettimoottori, jonka roottori pyörii käynnistyshetkellä, jossa taajuusmuuttajassa on ohjausyksikkö, verkkosilta (10) ja kuormasilta (11), jossa kuormasillassa on ylä- ja alahaaran ohjattavat tehopuoli-15 johdekytkimet (V1 - V6) sekä niiden rinnalle kytketyt nolladiodit (D1 - D6), sekä niiden välissä tasajännitevälipiiri, jossa taajuusmuuttajassa on tasajännitevälipiiriin sijoitettu virranmit-tausanturia, jonka muodostamassa analogisessa virtasignaalissa esiintyy näytteitä mitattavista lähtövirroista, ja 20 jossa ohjausyksikkö on sovitettu ohjaamaan taajuusmuuttajan ylä- haaran tehokytkimiä bootstrap-menetelmällä, tunnettu siitä, että ohjausyksikkö on sovitettu aloittamaan käynnistämisen ohjaamalla yhtä lähtö-vaihetta kerrallaan siten, että alahaaran ohjattava tehopuolijohdekytkin ohjataan 25 johtavaksi yhdeksi tai useammaksi lyhyeksi, edullisesti noin 200 ps mittaiseksi, ajanjaksoksi. δ C\]

, 8. Vaatimuksen 7 mukainen laitteisto, h-.

9 tunnettu siitä, että ohjausyksikkö on sovitettu siten, että l^. o 30 mikäli virranmittausanturi havaitsee lähtövirran poikkeavan nollasta johtavaksi siohjausten välisenä aikana, taajuusmuuttajan käynnistäminen estetään. c8 9. Vaatimuksen 7 mukainen laitteisto, m ’ o tunnettu siitä, että ohjausyksikkö on sovitettu siten, että O ^ 35 mikäli virranmittausanturi havaitsee lähtövirran poikkeavan nollasta johtavak- siohjausten välisenä aikana, johtavaksiohjauksia jatketaan kunnes virtaa ei enää kulje.

10. Vaatimuksen 7 tai 9 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että ohjausyksikkö on sovitettu siten, että aikaa, jona virran havaitaan kulkevan, käytetään pyörivän kesto-magneettimoottorin vaihejännitteen positiivisen puolijakson indikaattorina. 5

11. Vaatimusten 7, 9 tai 10 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että ohjausyksikkö on sovitettu siten, että alahaaran ohjattavien tehopuolijohdekytkin ohjauksia tehdään vähintään kahdessa vaiheessa. 10

12. Vaatimuksen 11 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, ohjausyksikkö on sovitettu siten, että aikoja, jona virran havaitaan kulkevan vähintään kahdessa vaiheessa, joiden alahaaran ohjattavia tehopuolijohdekytkimiä ohjataan, käytetään pyörivän kes-15 tomagneettimoottorin vaihejärjestyksen indikaattorina. δ (M r^- o I'-- o X cc CL δ co LO CD o o C\J