FI71642B - Reglering av belastningstillstaondet foer en frekvensomformar matad asynkronmotor - Google Patents

Description

_ KUULUTUSJULKAISU „ „ , „ Λ j|||^ [β] (11) UTLÄGG ΝΙNGSSKRIFT 7164 2 (45) p~'C:'-“ ~ · ' ' · 1 ’.J 31 1037 (51) Kv.lk.'/Int.CI.* Η 02 Ρ 5/40 SUOMI—FINLAND (21) Patenttihakemus — Patcntansökning 801248 (22) Hakemispäivä - Ansökningsdag 1 8.04.80 (Fl) ' * (23) Alkupäivä — Giltighetsdag 1 8.04.80

(41) Tullut julkiseksi—Blivit offentlig ] y ] ] gQ

Patentti- ja rekisterihallitus Nähtäväksi panon ja kuut. julkaisun pvm. -

Patent- och registerstyrelsen Ansökan utlagd och utl.skriften publicerad 10.10 .86 (86) Kv. hakemus - Int. ansökan (32)(33)(31) Pyydetty etuoikeus—Begärd prioritet ] g g ^ yg

Saksan liittotasavalta-Förbundsrepubliken Tyskland(DE) P 2919852.5 (71) Siemens Akt iengesel 1 schaf t, Ber 1 i n/Miinchen, DE; W i t te 1 sbacherp 1 atz 2,

Munchen, Saksan 1iittotasavalta-Förbundsrepubliken Tyskland(DE) (72) Felix B1 aschke, Erlangen, Leonhard Reng, Erlangen, Saksan liittotasa-va1ta-Förbundsrepubliken Tyskland(DE) (74) Oy Kolster Ab (54) Taajuudenmuuttaja 11 a syötetyn epätahtikoneen kuormitustilan säätö -Regiering av be 1 as tningsti11ständet för en frekvensomformar natad a synk ronmotor

Keksinnön kohteena on epätahtikoneen säätöjärjestelmä, koneen, jota syöttää vaihtovirtaverkkoon liitetty, verkkokommutoidun virransuuntaajan, tasavirtavälipiiriin ja itsekommutoidun virransuun-taajan käsittävä taajuusmuuttaja. Järjestelmä käsittää virranohjaus-osan, jossa on funktiogeneraattori ja virransäädin, jotka ohjaamalla verkkokommutoituja virransuuntausventtiilejä säätävät staattori-virran ohjearvoon, joka saadaan annetulla vuolla funktiogeneraatto-rille annetusta sisääntulosuureesta. Lisäksi on varattu oloarvonlas-kimen ja kuormitustilan säätimen käsittävä staattoritaajuuden rinnak-kaissäädinosa, joka antaa staattorivirran ja staattorijännitteen oloarvoista lasketun kuormitustilasuureen W ja funktiogeneraattorin tulosuureesta lasketun kuormitustilasuureen ohjearvon W* välistä säätöpoikkeamaa (W-W*) vastaavan taajuuden asetussuurcen itsekommu-toidun virransuuntaajan ohjausryhmälle.

2 71642 Tämänkaltaista järjestelmää voidaan käyttää tietyn vääntö-momentin antamiseen epätahtikoneelle antamalla vastaavat tulosuu-reet funktiogeneraattorin tuloliittimeen. Erikoisesti tätä järjestelmää voidaan käyttää myös epätahtikoneen kierrosluvun säätöön, jolloin kone on varustettu kierrosluvun säätimellä, jonka säätöpoik-keama vaikuttaa säätimen välityksellä funktiogeneraattorin tuloliittimeen .

Tämänkaltainen järjestelmä on tunnettu julkaisusta Sicmens-Zeitschrift 45 (1971), sivut 195-197. Kuormitustilasuureena käytetään siinä epätahtikoneen sähköistä vääntömomonenttia. Oloarvonlas-kimessa lasketaan staattorivirran ja staattorijännitteen hetkellisistä arvoista tämän vääntömomentin oloarvo. Ohjearvona on kierros-luvun säätimen lähtösuure, säätimen, jolle on annettu staattoritaajuuden säätöpoikkeama. Momentin säätimessä, jolle on annettu lasketun momentin oloarvon ja momentin ohjearvon välistä säätöpoikkeamaa vastaava kierrosluvun säätimen lähtöarvo, muodostetaan jättämätaa-juuden ohjearvo. Siitä muodostetaan epätahtikoneen kierrosluvun olo-arvon huomioon ottaen oheisessa laskinasteessa staattoritaajuudelle asetusuure, joka syötetään itsekommutoidun virransuuntaajän venttiilin ohjausjaksoon. Kierrosluvun säätimen lähtösuure annetaan myös funktiogeneraattorille, joka antaa annetusta ominaiskäyrästä tasa-virran ohjearvon välipiiriin. Funktioqeneraattorin ominaiskäyrä on asetettu niin, että moottori toimii vakionimellisvuolla ja voi siten kehittää täyden momentin jokaisella kierrosluvulla. Tästä virran ohjearvosta ja tasvairtavälipiirin väliotosta otetusta virran olo-arvosta muodostaa perään järjestetty virransäädin asetussuureen verkkokommutoidun virransuuntaajän venttiiliä ohjaavalle ohjausryhmälle.

Tämän perussäätösuunnitelman säädön jälkeen tuodaan lopuksi staattoritaajuutta ohjaamalla mukaan staattorivirtaan vektori i.

(jonka itseisarvoa antaa virransäätöpiiri) pyörivään päävuovektoriin niin että vuovektorin suuntainen staattorivirran komponentti (mag- netointivirta i·..), säätää vakiona pidettävää vuon itseisarvoa ja λ mainittua komponenttia vastaan kohtisuora staattorivirran komponentti (pätövirta if annettua vääntömomenttia. Vääntömomentin riippuvuus päävuon vektorin ja staattorivirran vektorin välisestä kulmasta (kuormituskulma) on kuitenkin 45°:n kulmassa maksimi. Tämän vuoksi yli 45°:n kuormituskulmalla johtaa epätahtikoneen akselin kuor- 3 71642 mitus, joka ylittää vääntömomentin oloarvon ja aiheuttaa kierrosluvun pienentymisen, vielä pienemmän vääntömomentin antoon ja siis lopuksi koneen pysähtymiseen (tahdista putoamiseen). Pysähtymisen estämiseksi yli 45°:n kuormituskulmilla on sen vuoksi tunnetussa järjestelmässä tarpeellista linearisoida oloarvon laskimen ominais-käyrä, jota linearisointia ei ole kuitenkaan lähemmin esitetty. Sitä paitsi tässä säätösuunnitelmassa ei ole ilmoitettu kentän heikennys-käyttöä, joka on mahdollista vain lisäkustannuksin.

Keksinnön tehtävänä on ehdottaa johdannossa ilmoitetun kaltaista järjestelmää, jossa käytetään toista kuormitustilan suuretta suunniteltaessa parannettua säätösuunnitelmaa, joka on yli 45°:n kuormituskulmilla käyntivarma ja sallii kulloisiakin käyttöjä vastaavasti yksinkertaisin toimin lisäparannukset. Esimerkiksi kentän heikennyskäyttö voidaan helposti suorittaa ja stabilisointitoimen-piteet (värähtelyjen vaimennus) ja/tai pysähtymisen esto lähes 90°:n kuormituskulmilla vaativat vain vähäisiä lisäkustannuksia. Tämä on edullista esimerkiksi tuulettimia, keskipakopumppuja, sekoittimia ja linkoja käytettäessä. Takokonetta ei tarvita kierrosluvun toteamiseen. Säätösuunnitelma ei kuitenkaan sulje takokoneen käyttöä pois, vaan se voidaan asentaa, kun vaatimukset ovat suuria.

Keksinnön mukaan on johdannossa mainitun kaltaisessa järjestelmässä tunnusomaista se, että oloarvon laskimessa on muodostettu kulloinkin vuovektorin itseisarvoon Y ja staattorin virtavektorin i vuovektoria vastaan kohtisuoraan komponenttiin i^ verrannollinen suure, että vuon itseisarvoon Y verrannollinen suure on johdettu ensimmäisen jakoelimen jakajan tuloliittimeen ja kohtisuoraan staattorin virtavektorin komponenttiin i^ verrannollinen suure tämän jakoelimen jaettavan tuloliittimeen ja että kuormitustilan säätimeen on kytketty ensimmäisen jakoelimen lähtösuure oloarvoksi W ja vastaava, funktiogeneraattorin tulosuureesta johdettu suure ohjearvoksi W*.

Kuormitustilasuure W = i^/K vastaa muuttumattomassa tilassa kuormituskulman t tangenttia, kuten kuviosta 5 ilmenee. Tässä kuviossa on esitetty (staattorin askelin ^ suhteen pyörivä) päävuo-vektori ^ ja (myös pyörivän) staattorivirran vektorin .i komponentit i ^i ia if . Kun oh jearvo W* muodostetaan pätövirrun ja vuon vastaavien ohjearvojen osamääränä, voidaan pätövirtaan ja vuohon vaikut- 4 71642 taa erikseen. Tämä mahdollistaa käytön heikennetyllä kentällä, kun esimerkiksi annetaan nimellisvuon ja kierrosluvun osamäärään verrannollinen vuon ohjearvo, heti kun napajännite ylittää nimellisarvon .

Seuraavassa ovat päävuovektorin t ja staattorivirran vektorin komponenttien merkit samoja kuin niihin verrannollisten sähköisten suureiden merkit.

Koska oloarvonlaskin laskee jo pätövirran i^ staattorivirran staattoriin verrannollisista komponenteista, tuottaa vähäistä lisävaivaa laskea myös magnetointivirta i. Keksinnön edelleen kehittelyssä lisätään suure i^ jälkiantoelimellä vuon itseisarvoon ensimmäisen jakoelimen jakajan tuloliittimessä. Tämä johtaa epätah-tikoneen stabiloitumiseen värähtelyjen suhteen kuormitustilojen muuttuessa. Edullista voi olla myös lisäksi se, että suure i^^ lisätään kynnysarvokytkennällä, joka läpäisee oleellisesti vain negatiiviset i ^ arvot (so. arvot, jotka ovat negatiivisen tai pienen positiivisen kynnysarvon alapuolella), ensimmäisen jakoelimen jakajan tulo-liittimen suureeseen. Tätä konetta voidaan käyttää pysyvästi lähes 90°:n kuormituskulmilla ilman tahdista putoamista häiriöiden yhteydessä, jotka aiheuttavat sysäysmäisiä taajuuden muutoksia tai staat-torivirran vaiheen muutoksia.

Näitä ja muita keksinnön edullisia suoritusmuotoja selitetään seuraavassa lähemmin viitaten oheisten piirustusten mukaisiin esimerkkeihin, joissa kuvio 1 esittää keksinnön mukaisen järjestelmän lohkokaaviota, kuvio 2 esittää kuormitustilan säätimen sovituselimen kytkentäkaaviota , kuvio 3 esittää sovituselimen toista suoritusmuotoa, kuvio 4 esittää jakoelimen kytkentäkaaviota, ja kuvio 5 esittää vektorisuureita, joihin selityksessä viitataan.

Kuviossa 1 on kolmivaihekone 1, jota syöttää taajuusmuuttaja, joka käsittää verkkoliitännällä 2 kolmivaiheverkkoon kytketyn verkkokommutoidun virransuuntaajan 3, tasavirtavälipiirin 4, jossa on tyyntökuristin 5 ja itsekommutoitu virransuuntaaja 6. Epätahtiko-neelle 1 voidaan antaa kierrosluvun ohjearvo f*, jolloin koneelle sopivaa käynnistystä varten voi olla varattuna käynnistysanturi 7.

5 71642

Kierrosluvun säätimen tuloliittimessä muodostetaan kierrosluvun oloarvon ja annetun kierrosluvun ohjearvon f* säätöpoikkeama, jolloin kierrosluvun oloarvona, joka on yleensä mitta-arvo, voidaan käyttää esimerkiksi takogeneraattorin antamaa arvoa. Suoritusmuoto-esimerkissä johdetaan oloarvoksi staattoritaajuuden asetussuure it-sekommutoidun virransuuntaajän 6 venttiiliä ohjaavan ohjausryhmän 9 tuloliittimestä.

Kierrosluvun säädin 8, jonka perään on kytketty virranrajoi-tin 10, syöttää toisaalta funktiogeneraattorin 11 välityksellä alistettua virransäädintä 12, joka ohjaa verkkokommutoidun virransuuntaa jän 3 venttiiliä ohjaavaa ohjausryhmää 13. Funktiogeneraattorin 11 ominaiskäyrä on asetettu niin, että tulosuureesta i*y,> muodostuu päävuon f * annettavaan ohjearvoon, esim. nimellisvuohon kuuluva ohje- / 2 2 arvo i* = \/ i*y,^ + i*^ staattorivirran itseisarvolle. Toisaal ta kierrosluvun säädin syöttää myös ohjausryhmän 9 välityksellä itse-kommutoidun virransuuntaajän 6 venttiiliä ohjaavaa säädintä, jossa ensimmäisessä jakajassa 14 muodostetaan oloarvoksi osamäärä W, tätä vektoria vastaan kohtisuoran staattorivirran komponentin (pätövirran) i^2 3a päävuon vektorin V itseisarvon osamäärä. Kierrosluvun säätimen lähtösignaali on siis funktiogeneraattorille 11 (virran ohjausosa) ja staattoritaajuuden ohjausosalle yhteiden ohjesuure.

Tässä säädössä annetaan vuolle ohjearvo y *. Haluttu vääntö-momentti saadaan pätövirran ohjearvosta ija se saadaan joko kierrosluvun säätimen 8 lähtöliittimestä tai sen antaa tähän kohtaan ulkopuolelta anturi. Funktiogeneraattori 11 sovittaa virran nimellisarvon i* suureeseen i*y2 että vuo pysyy vakiona. Virransäädin 12 säätää ohjausryhmän 13 välityksellä koneen virran itseisarvoa, jolloin verkkovirran oloarvo voidaan ottaa johtamista 2, välipiirin 4 virrasta tai epätahtikoneen napojen koneenvirrasta. Koska suurilla taajuuksilla koneenvirta on moninkertaisesta vaihtosuuntaajassa kom-mutoinnista johtuen pienempi kuin verkkovirta tai välipiirinvirta, on kuitenkin säädölle ratkaiseva virta joka tapauksessa koneenvirta ja ainakin suurilla taajuuksilla on edullista ottaa käyttöön koneenvirta. Pienillä taajuuksilla, joilla virranotto vaihtovirranmuun-tajilla ei ole ilman muuta mahdollista, voi olla edullista kytkeä koneenvirranotto verkkovirranottoon.

6 71642 *

Kuormitustilasuureen ohjearvo W lasketaan toisessa jakoeli- messä 15 kierrosluvun 8 säätimen lähtöliittimessä olevasta pätövir-• * ,* ran ohjearvosta i^ ja vuon γ annetusta ohjearvosta osamääränä.

Vertailukohdassa 16 olevasta säätöpoikkeamasta W -W muodostaa perään kytketty kuormitustilan säädin 17 staattoritaajuuden asetussuureen, ★ joka annetaan ohjausjännitteenä ohjausryhmälle 9. Kun W > W alenee samalla staattoritaajuus.

Tällainen säätö mahdollistaa käytön heikolla kentällä. Täten *

on esimerkiksi mahdollista antaa ensiksi ohjearvoksi ψ nimellisarvo ja samalla mitata napajännite U ja sen saavuttaessa arvon U

* ITtclX

muodostaa^' ohjearvo vastaavan säätimen lähtöliittimeen, säätöpoikkeamasta U-U__„ johdetulla itseisarvolla alennettuna. Täten väite-

IuclX

tään se, ettei sallittua moottorijännitettä ylitetä, vaan päinvas- ★ toin tässä tapauksessa ohjearvo W suurenee tässä säätöpiirissä ja kone käy vakiojännitteellä (heikentyneellä vuolla). Jos kuitenkin ★ on toimittava kauttaaltaan vakiovuolla, niin on W verrannollinen * suureeseen i j> 2 ja kierrosluvun säätimen 8 lähtösuure voidaan johtaa myös toista jakoelintä käyttämättä suoraan säätöpoikkeaman muodostukseen .

Pätövirran komponentin ij>2 oloarvo ja vuo V lasketaan sinänsä tunnetulla tavalla mittamuuntajalla otetuista staattorivirran ja staattorijännitteen napasuureista. Epätahtikoneessa on kolme toistensa suhteen 120°:n kulmaan siirrettyä staattorikäämitystä. Koneen kolmesta navasta otetaan kahdesta navasta niissä vaikuttavat staattorivirran ja napajännitteen hetkelliset arvot ja muutetaein koordinaattien vaihtumissa 20, 21 staattorivirran vektorin i tai staattori jännitteen vektorin U staattorin suhteen (kiinteään) karteeseen, kaksiakselisen koordinaattijärjestelmän komponenteiksi i^ tai ja U Yhtälön e „ _ = U _-i „ _*R Derusteella muodostetaan se 2 $0,2 otfl , 2 o6l, 2 niistä smv-muekkaimessa 22 staattorikäämitykseen indusoidun smv-vek-torin tähän karteesiseen koordinaattijärjestelmään lasketut komponentit e ,|, e^2 ja niistä integroimalla muodostetut päävuon vektorin komponentit ja(^2. Kos^a epäideaalisen integraattorin aikavaste vääristää tämän vektorin oloarvot, on staattorivirran vektorin komponenteille varattu siirtoelin 23, jossa on vastaava vääristävä aikavaste, jotta myöhemmissä laskuissa saataisiin säilytettyä sama 7 71642 staattorivirran vektorin ja vuon vektorin dynamiikka. Vektoriana-lysaattorissa 24 määrätään siten kulma f, jonka vuon vektori Ψ muodostaa staattorin koordinaatti järjestelmän abskissaa o<$ vastaan. Tässä kiinnostavat vain 003/= ^.j/Vja sin f = joiden muodostamiseksi suureet tai jaetaan jakoelimessä vuon vektorin itseisarvolla1/'. Tämän vuon itseisarvo Y = 2/ + $^2 2//" ote“ taan liitoskohdasta, jossa summataan vastaavien suureiden tai V^2 lähetteet ja jakoelimen lähtösignaaleihin lisätyt kerrannaiset. Tästä saatu suure V-' johdetaan takaisin jakoelimen jakajan tuloliit-timeen. Suure i^ lasketaan vektorin kääntimessa 25 muunnoskanavan i j>^ = -i ^ · sin S + * cosi7 mukaan. Keksinnön (jäljempänä vielä tarkemmin selitetyssä) kehitelmässä lasketaan myös magnetoimisvirta ij5ij vektorin kääntimessä 25 vastaavasti kaavan i= i ^ cosi + i^2 sinjf mukaan. Laskettu pätövirran ij>2 tosiarvo johdetaan jakoelimen 14 jaettavan tuloliittimeen.

Kuormitustilasuure W, joka muuttumattomassa tilassa vastaa kuormituskulman tangenttia, muutetaan säätimessä 17 staattoritaajuu-den ohjaussuureeksi (asetusuureeksi). Kierrosluvun interferenssisää-dössä käytetään edullisesti kierrosluvun oloarvon asemasta staattoritaa juutta f, joka muuttumattomassa tilassa eroaa siitä vain jättä-mäsuureen verran. Staattoritaajuuden oloarvon muodostamiseksi dynaamisesti kierrosluvun kaltaiseksi voidaan ensimmäisen jakoelimen 14 perään kytkeä tasoituselin.

Säädön vaikutustavan selvittämiseksi oletettakoon, että epä-tahtikoneen akseliin on tullut motorinen kuormitusisku. Sen johdosta pienentyy kierrosluku, jättämä suurenee ja vuo pienenee. Pienenevä vuo aiheuttaa kuormitustilan oloarvon W suurentumisen, jonka johdosta kuormitustilan säädin 17 pienentää staattoritaajuuden asetus-suuretta, joka seuraa alenevaa kierroslukua niin, että vuo ja jättämä pysyvät vakiona. Staattoritaajuuden pienentyminen aiheuttaa kuitenkin kierrosluvun säätimessä 8 lähtösignaalin suurentumisen, siis h pätövirran ohjearvon i^2 suurentumisen. Tästä on seurauksena suurentunut vääntömomentti, joka ohimenevästi ylittää kuormitusmomentin, kunnes kierrosluku on saavuttanut jälleen alkuperäisen arvonsa ja vääntömomentti pitää kuormitusmomentin tasapainossa.

Virransuuntajaan suojaamiseksi ylivirroilta on edullista rajoittaa staattorivirta ohjearvoonsa. Koska magnetointivirran ohje- 8 71642 * arvo i ^ on jo annettu antamalla ennalta nimellisvuo, voidaan virran rajoitus suorittaa edellyttäen, että virran säätöpiiri toimii * nopeasti, rajoittamalla pätövirran ohjearvoa i kierrosluvun säätimen 8 lähtöliittimessä.

Tällöin on edullista koota kuormitustilan säädin 17 kahdesta peräkkäin järjestetystä IP-säätimestä, so. varsinaisesta W-säätimes-tä 30 ja eteen kytketystä "vetosäätimestä" 31. Jotta näet kuormitus-tilan muuttuessa staattoritaajuus seuraisi kuormitustilan muutoksesta jatkuvasti muuttuvaa kierroslukua niin, ettei nimellisjättämä ylity, W-säädin 30 tarvitsee pysyvästi tulojännitteen, joka täytyy vetää mukana aina uuden pysyvän tilan syntyyn saakka. Esimerkiksi staattoritaajuuden asetusuureen muuttamiseen tarvitaan vakiotulojännite, jotta staattoritaajuuden asetussuure säätimen lähtöliittimes-sa muuttuisi nousufunktion mukaan. Siirryttäessä uutta kuormitustilaa vastaavaan pysyvään tilaan, täytyy kuitenkin vuon oloarvo f' pitää vastaavassa ohjearvossaan.

Tämä aikaansaadaan "vetosäätimellä" 31, joka jo pienestä sää-* töpoikkeamasta W -W kuormitustilan muutoksen alkaessa antaa säätimen 30 tuloliittimeen jännitteen. Säädin 30 ohjaa nyt kuormitustilan muutoksesta seuraavaa kierrosluvun muutoksen staattoritaajuutta niin, * että säätöpoikkeama W -W katoaa. Säädin 30 vaikuttaa staattoritaa-juuden jatkuvaan asetukseen myös vielä silloin, kun kierrosluku saavuttaa uuteen kuormitustilaan kuuluvan pysyvän arvon, jolloin olo-vuo säätöpoikkeaman hävitessä säätimen 31 tuloliittimestä vetää perässään ohjevuota, koska säädin 31 säilyttää tänä aikana vakioläh-tösignaalinsa. Uuden pysyvän tilan muodostuessa vaikuttaa lähinnä W-säätimen 30 vielä muuttuva lähtösignaali niin, että säätimen 31 ★ tuloliittimeen syntyy lyhytaikainen, pieni säätöpoikkeama W -W, kun säätimen 31 lähtösignaali palaa arvoon nolla. Siis säätimen 30 lähtösignaali jää saavuttamaansa arvoon.

Täten kuormitustilan säätimen 17 dynamiikka parantuu oleellisesti ja vuo pysyy myös dynaamisissa tilanmuutoksissa käytännöllisesti katsoen ohjearvossaan. Samalla on hyvä säätö mahdollista myös silloin, kun (esim. käynnistettäessä) vaihtosuuntaajaa käytetään käytännössä sallitulla maksimivirtakuormituksella. Varsinkin kahden peräkkäin kytketyn säätimen käyttö on edullista, kun kierrosluvun oloarvona ei käytetä koneesta suoraan mitattua oloarvoa, vaan vastaavalle ohjausryhmälle 9 annettavaa ohjearvoa.

Il 9 71642

Koska staattorivirtavektori ei pyöri jatkuvasti, vaan staat-torikäämityksen ohjattua käämiä vastaavasti syöksyttäin, sisältää pätövirta ife 3a siten W-oloarvo ylivärähtelyjä, jotka häiritsevät erikoisesti pientaajuuksilla. Sen vuoksi toimitaan tällä käyttöalueella pienellä kuormitustilan säätimen vahvistuksella. Moottori-käytössä suurilla taajuuksilla, joilla kommutointiviivekulma vaikuttaa vaimentavasti, on olemassa värähtelyvaara. Värähtelyt voidaan vaimentaa suurella säätimen vahvistuksella. Sen vuoksi on edullista varustaa kuormitustilan säädin 17 sovituselimellä, joka suurentaa säätimen vahvistusta suurilla konetaajuuksilla. Pidetään parempana varata säätimen lähtöliittimeen yhteenlaskuaste 32, joka on kytketty kuormitustilan säätimen 17 lähtösuureeseen suoran johtimen 33 ja vahvistimen 34, jossa on ylisuhteellisesti nouseva vahvistusominais-käyrä, rinnan kytkennällä. Samalla on lisäksi osoittautunut edulliseksi kytkeä vahvistimen jälkeen siirtoelin, jonka toistokäyrä on Fa = sT^/(1 + sT2). Tällainen siirtoelin vaikuttaa tasoittavasti ja differoivasti, so. säätölähtösuureen muutokset vahvistuvat dynaamisesti pysyvään tilaan vaikuttamatta. Vakiot ja T2 eivät ole kriittisiä. Niiden arvot voidaan helposti saada valitsemalla käyttötavalle parhain arvo. Edullisia arvoja ovat esim. = 100 ms, T2 = 25 ms.

Kuvio 2 esittää sovituselimen yksinkertaista kytkentäkaavaa. IP-säätimeksi kytketty operaatiovahvistin on merkitty numerolla 30, joka säädin toimii kuormitustilan säätimenä, esimerkiksi, kuten edellä mainittu W-säädin. Säätimen tuloliittimeen on yhdistetty "ve-tosäätimen" 31 valvoman potentiometrin 37 väliotto, potentiometrin, jolla säätimen 30 vahvistus voidaan asettaa. Säätimen lähtöliitin on kytketty johtimella 33 ja vastuksella 35 toisen operaatiovahvistimen 36 tuloliittimeen. Lisäksi lähtöliittimeen on kytketty potentiometrillä 38 jännite, joka on valittu positiiviseksi silloin, kun kytkennän toteutukseen käytetään operaatiovahvistimien 30 ja 36 invertoituja tuloliittimiä. Potentiometrin 38 ulosotto on kytketty diodin 39, kapasitanssin 40 ja vastuksen 41 muodostamalla sarja-kytkennällä toisen operaatiovahvistimen 36 tuloliittimeen, johon on kytketty takaisinkytkentävastus 42. Kapasitanssiin 40 johtavan diodin lähtöliitin on edullista maadoittaa vastuksella.

10 71 642

Annetulla pyörimissuunnalla on taajuuden ohjausuure f (W-säätimen ulostulo) negatiivinen, jolloin pientä taajuutta vastaa pieni f:n arvo. Potentiometri on asetettu niin, että sen ulosotossa on pieni positiivinen jännite. Diodi on kytketty niin, että se tässä tilassa sulkeutuu, mutta tulee johtavaksi heti, kun säätölähtö-signaali suurentuvilla taajuuksilla muuttuu enemmän negatiiviseksi ja potentiometristä 38 otettu jännite laskee. Sen vuoksi on tässä kytkennässä pienillä taajuuksilla (diodi suljettuna) vastusten 42 ja 35 suhteen määräämä vahvistus ja suurilla taajuuksilla (diodi auki) vastuksen 42 ja vastuksien 35 ja 41 muodostaman vastuksen suhteen määräämä vahvistus. Vaihtopiste (vahvistuksen suurentuminen) voidaan asettaa potentiometrillä 38.

Koneen kiertosuunnan kääntö voidaan aikaansaada muuttamalla taajuuden ohjausuureen f merkki. Tällöin on potentiometrin ulosotossa aina positiivinen jännite ja kuviossa 2 oleva diodi 39 on jatkuvasti suljettuna. Kuvio 2 on korvattu käytännön toteutusta varten kuviolla 3, jossa potentiometristä 38 otettu jännite johdetaan jännitteen jakajalla 44 ja lisäksi invertterin 43 ja vastaavan jännitteen jakajan 44’ avulla myös säätimen 30 lähtöliittimeen. Invertoitu potentiometrin väliottojännite johdetaan samoin diodilla 39', kondensaattorilla 40' ja vastuksella 41' vahvistimen 36 tuloliittimeen. Täten saadaan aikaan myös taajuuden ohjausuureen f etumerkin käännön sovitus edellä selitetyllä tavalla.

Kuten jo mainittiin, vastaa pysyvässä tilassa kuormitustila-suure W kuormituskulman tangenttia ja vakiovuolla vääntömomentti pätövirran komponenttia (ja siten myös W-oloarvoa). Suurempi vään- :k tömomentin ohjearvo (so. W -W>0) suurentaa edelleen taajuutta, so. jättämä ja kuormituskulma kasvavat. Se merkitsee vain sitä, että kun kuormituskulma <90°, kasvaa olovääntömomentti (kuten vaaditaan) ja kun kuormituskulma >90°, se kuitenkin pienenee. Tämän vuoksi on noin 90°:n kuormituskulmilla olemassa tahdista putoamisen vaara. Jos nimittäin häiriön vaikutuksesta (esim. staattoritaajuuden hyppäämisen johdosta) kuormituskulma £ (ks. kuviota 5) ohjautuu sysäysmäi-sesti esimerkiksi 70°:sta 100°reen, ei magnetointivirran komponentissa ij>2 = i · sin^ tapahdu mitään muutosta ja vuon suuren aikavakion johdosta muuttuu vuo ψ vain hitaasti. Oloarvo W muuttuu siis vain hitaasti eikä säätö ensiksi käytännnössä reagoi häiriöön ja ko- n 11 71642 ne putoaa tahdista. Tämä voidaan kuitenkin välttää vaikuttamalla lisäksi W-oloarvoon, joka kuormituskulman raja-arvon ylittäessään, varsinkin yli 90°:n kuormituskulmilla (so. kulmilla, joilla vuon suuntainen magnetoimisvirran komponentti itulee negatiiviseksi) säätää nopeasti staattoritaajuuden ohjaussuuretta nopein kulman muutoksin .

Tämä aikaansaadaan etupäässä siten, että jakoelimen 14 jakajan tuloliittimessä lisätään vuovektoriin Y myös vektorin käänti-messä 25 laskettu magnetoimisvirta i^ heti, kun tämä virta alittaa ennalta annetun raja-arvon S. Tätä varten on oloarvon laskimen lähtöliitin 45 kytketty estokytkennällä 46 jakajan tuloliittimessä olevaan suureeseen Ύ . Raja-arvoksi on edullista valita negatiivinen tai mahdollisesti pieni positiivinen arvo, niin että käytännössä estetään kaikkien positiivisten i^-arvojen lisäys, mutta negatiiviset arvot yhdistyvät kuitenkin suureeseen ψ . Normaalilla käyttöalueella (kuormituskulma pienempi kuin 90°) tämä kytkentä ei sen vuoksi vaikuta. Jos kuormituskulma kuitenkin suurenee yli 90°:n arvoon, niin kuormitustilan oloarvon W nimittäjä pienenee ja siis W-oloarvo suurenee sysäyksenomaisesti. Tämän vuoksi kuormituksen säädin alentaa taajuutta siksi, kunnes kulma saadaan normaalikäyttö-alueelle. Tämä estää koneen tahdista putoamisen. Jos esimerkiksi konetta käytetään 80°:n kuormituskulmaan saakka, valitaan kynnys niin, että 110°:n kuormituskulrnalla suurimpaan staattorivirtaan kuuluva magnetoimisvirta vielä lukittuu, mutta suuri negatiivinen magnetoimisvirran arvo vaikuttaa kuitenkin W-oloarvon nimittäjään. Täten sulkukytkentä ei vaikuta normaalikäyttöön, jossa virtavektori heilahtelee ^30° keskikuormituskulman ympärillä, mutta aikaansaa suurilla kuormituskulmilla tahdista putoamisen estävän staattoritaa juuden alentumisen.

Lisäksi on osoittautunut, että magnetoimisvirta i^ sopii hyvin kuormitustilan säätimen vaimentamiseen. Osamäärä xΫ on vuon hitaudesta johtuen suhteellisen hitaasti muuttuva oloarvo, mikä voi aiheuttaa värähtelyjä. Kuormitustilan säätöön saadaan vaimentava vaikutus, jos tämän osamäärän nimittäjään kytketään dynaamisesti (nopeasti muuttuva) oloarvo i^. Säädön pysyvään käyttäytymiseen se ei saa vaikuttaa, so. magnetoimisvirran oloarvo i^ kytketään jälki-antoelimellä 47 jakoelimen 14 tuloliittimessä vuon oloarvoon /7. Täi- i2 71 642 laiselle jälkiantoelimelle on tunnusomaista voimakkaasti vaimeneva, syöksyyn reagoiva toiminta, so. jälkiantoelin reagoi syöksymäisesti suurenevaan tulosignaaliin suurella positiivisella, mutta kuitenkin nopeasti vaimenevalla lähtösignaalilla. Täten vältetään vuon värähtelyt.

Kuviossa 4 on tällaisen jakoelimen kytkentäjärjestelmä, jonka jakajan tuloliittimen eteen on kytketty tällainen estokytkentä ja jälkiantoelin. Oloarvon laskimen lähtöliittimestä 45 johdettu jännite ijj^ aiheuttaa vastuksen 50 välityksellä operaatiovahvistimen 51 tuloliittimeen menevässä johtimessa 52 virran, jonka vain negatiivisilla virta-arvoilla toinen tähän johtimeen järjestetty ja vastaavasti suunnattu diodi 53 päästää läpi. Sen kanssa sarjaan järjestetty zenerdiodi 54 päästää vain negatiivisella, kynnysjännitteen alapuolella olevalla -arvolla virran kulkemaan. Operaatiovahvistimen 51 toiseen tuloliittimeen menevässä johtimessa 55 vaikuttaa kondensaattori 56 niin, että vain tulojännitteen i^ muuttuessa virtaa lyhytaikainen varausvirta johtimessa 55 ja vastuksessa 57 vahvistimen 51 tuloliittimeen. Lisäksi oloarvon laskimesta otettu jännite y kehittää toisessa johtimessa 59 vastaavan, vastuksen 60 läpi operaatiovahvistimeen 51 menevän virran niin, että vahvistimen 51 lähtöliittimessä on suure, joka vastaa pysyvässä tilassa ja normaali-kuormituskulmalla suuretta ψ, mutta joka yli 90°:n kuormituskulmilla ja/tai magnetoimisvirran komponentin i^ muuttuessa on kuitenkin edellä olevien selitysten mukaisesti muunnettu. Tämä lähtösignaali, joka oikean napaisuuden saamiseksi invertoidaan tässä tapauksessa invertterissä 61, johdetaan jakajan tuloliittimeen 62 jakoelimessä 14, jonka jaettavan tuloliittimeen on syötetty oloarvo i^>>*

Koska hyvin pienillä taajuuksilla, esimerkiksi 10 % nimellis-taajuutta pienemmillä taajuuksilla, on staattorivirran ja staattori-jännitteen oloarvon otto mittamuuntajan avulla virheellistä ja vir-tavektorin vastaavien komponenttien, MK-vektorin ja vuovektorin laskeminen on myös epätarkkaa, voi varsinkin käynnistettäessä syntyä vaikeuksia.

Nämä vaikeudet voidaan välttää, jos pienillä taajuuksilla kuormitustilan säätöpiiri erotetaan ja kuormitustilan säätimen 17 ★ tuloliittimeen pannaan kuormitustilan säätöpoikkeaman W -W asemasta ... * * vastaava säätöpoikkeama f -f, so. annettavan taajuuden ohjearvon f 13 71 642 ja taajuuden ohjaussuureen f erotus. Kuviossa 1 esitetyssä järjestelmässä, jossa kierrosluvun säädin 8 on virran ohjausosan ja kuormitustilan säätimen yhteisen tuloliittimen edessä, voidaan tämä taajuuden säätöpoikkeama ottaa kierrosluvun säätimen tuloliittimestä tai vastaavasti vertailupisteestä 70, vahvistaa mahdollisesti P-vah-vistimessa 71 ja saattaa kytkimellä 72 kuormitustilan säätimeen.

Pienillä taajuuksilla on kytkin 72 suljettuna ja samanaikaisesti ★ vertalupisteestä 16 tuleva säätöpoikkeaman (W -W) johtimen kytkin 73 auki. Kytkimet 72 ja 73 aikaansaavat vaihtokytkennän itsetoimivasta staattoritaajuuden säädöstä staattoritaajuuden ohjaukseen. Silloin, kun kuormitustilan säätimessä on kaksi IP-säädintä, johtaa kytkin 72 toisen W-säätimen 30 tuloliitäntään. "Vetosäädin" 31 on kytkimen 73 auki ollessa poissa käytöstä, mutta jos vetovahvistime-na käytetään operaatiovahvistinta, niin voidaan esimerkiksi sen tu-loliitin oikosulkea invertoivaan tuloliittimeen niin, että säätölä-hete on nolla.

Tällaisella ohjauksella aiheuttaa staattorivirran kasvu vain silloin suuremman vääntömomentin, kun kuormituskulma pidetään pienempänä kuin 45°. Koneen tahdista putoamisen estämiseksi ajetaan sen vuoksi tässä käyttötilassa suurella magnetoimisvirralla. Tässä käytetään apuna normaalikäyttötilassa avoinna pidettyä kytkintä 74, * joka pienillä taajuuksilla suljetaan ja vuon ohjearvon τ antotulo- liittimeen kytketään lisätty magnetoimisvirran ohjearvo (käynnistys- virta i„). Tällä tavalla aikaansaadaan se, että funktiogeneraatto-M * rissa 11 muodostuu vastaavasti suuri virran ohjearvo i . Tällöin * on edullista, että funktiogeneraattorin antosuureen i ^ tuloliittimen eteen kytketään erotuskytkin 75, jonka avaus irrottaa pienillä taajuuksilla funktiogeneraattorin kierrosluvun säätimestä 8. Funk- tiogeneraattori 11 antaa silloin vain käynnistysvirrasta i„ riippu-* “ van ohjearvon i , eikä reagoi kierrosluvun säätimen lähtösuureen * i ^2 heilahteluihin. Jotta normaalikäyttöön siirryttäessä (avataan kytkin 74) voitaisiin välttää virran ohjearvon i syäsysmäinen muutos, voidaan kytkimen 74 jälkeen kytkeä edullisesti tasoituslaite.

Ohjatussa käytössä, so. kytkin 73 avattuna, voivat oloarvon laskimen edellä selitetyt virheet kytkentäpisteessä 16 aiheuttaa säätöpoikkeaman suurentumisen. Kun vaihtokytkentäraja ohjatusta käytöstä säädettyyn käyttöön saavutetaan, esimerkiksi, kun on saavutettu 10 % nimelliskierrosluvusta, avataan kytkin 72 ja kytkin 73 14 71 642 (mahdollisesti myöskin kytkin 15) suljetaan. Tällä hetkellä liitos-pisteessä 16 sattumalta oleva säätöpoikkeama aiheuttaa silloin lähinnä kuormitustilan säätimen siirtymisen ja siten sysäysmäisen taajuuden muutoksen, kunnes nyt suljettu säätöpiiri on häivyttänyt * säätöpoikkeaman W -W. Tällainen vaihtokytkentänykäys voidaan kuitenkin välttää, jos samanaikaisesti kytkimen 73 avauksen kanssa kytkentäpisteessä 16 oleva säätöpoikkeama johdetaan kierrosluvun sää- * timeen ja vähennetään sen tuloliittimessä olevasta suureesta f -f.

Kytkin 73 voidaan muodostaa sitä varten vaihtokytkimeksi. Tämän ta- * kaisinkytkennän avulla kierrosluvun säätimen antama ohjearvo i ^ seuraa jakoelimessä 14 laskettua oloarvoa W, jolloin saadaan erotus * W —W poistettua liitospisteestä 16. Vaihtokytkentähetkellä ovat sitten kierrosluvun säädin 8 sekä "vetosäädin" 31 katoavaa säätöpoik-keamaa vastaavassa asennossa ja tapahtuu pehmeä siirtyminen ohjatusta käyttötilasta säädettyyn käyttötilaan.

Claims (8)

15 71 642

1. Järjestelmä vaihtovirtaverkkoon liitetyn, verkkokommutoidun virransuuntaajan (3), tasavirtavälipiirin (4) ja itsekommu-toidun virransuuntaajan (6) käsittävästä taajuudenmuuttajasta syötetyn epätahtikoneen (1) säätämiseksi funktiogeneraattorin (11) ja virransäätimen (12) käsittävällä virranohjausosalla, joka säätää ohjaamalla verkkokommutoituja virransuuntausventtiilejä staat-torivirran ohjearvoon, joka saadaan annetulla vuolla funktiogene-raattorille (11) annetusta sisääntulosuureesta, ja oloarvon laskimen (20-25) ja kuormitustilan säätimen (17) käsittävällä staatto-ritaajuuden rinnakkaissäädinosalla, joka antaa staattorivirran ja staattorijännitteen oloarvoista lasketun kuormitustilasuureen W ja funktiogeneraattorin tulosuureesta lasketun kuorimitustila- * suureen ohjearvon W välistä säätöpoikkeamaa W-W* vastaavaan taajuuden asetussuureen itsekommutoidun virransuuntaajan (6) ohjausryhmälle (9), tunnettu siitä, että oloarvon laskimessa (20-25) on muodostettu kulloinkin vuovektorin 'f itseisarvoon Ϋ ja staattorin virtavektorin i vuovektoria vastaan kohtisuoraan komponenttiin i^2 verrannollinen suure, että vuon itseisarvoon f verrannollinen suure on johdettu ensimmäisen jakoelimen (14) jakajan tuloliittimeen ja kohtisuoraan staattorin virtavektorin komponenttiin verrannollinen suure tämän jakoelimen jaettavan tuloliittimen ja että kuormitustilan säätimeen (17) on kytketty ensimmäisen jakoelimen lähtösuure oloarvoksi W ja vastaava, funktiogeneraattorin (11) tulosuureesta johdettu suure ohjearvoksi W*.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestelmä, tunnet-t u siitä, että kuormitustilan säätimeen on johdettu ohjearvona toisen jakoelimen lähtösuure, jakoelimen, jonka jaettavaan tuloliittimeen on johdettu funktiogeneraattorin (11) tulosuure ja jonka jakajan tuloliittimeen on johdettu vuon annettua itseisar- ik voa vastaava ohjesuure f .

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että oloarvon laskimessa on laskettu myös vuon vektorin suuntaisen staattorivirran vektorikomponenttiin verrannollinen suure i^ ja että tämä suure on lisätty jälkiantoeli- 16 71 642 mellä ensimmäisen jakoelimen (14) jakajan tuloliittimessä vuon itseisarvoon verrannolliseen suureeseen Ψ.

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että oloarvon laskimessa (25) on laskettu myös vuon vektorin suuntaiseen staattorivirran vektorikomponenttiin verrannollinen suure ij^ ja tämän suureen pienimmän arvon alapuolella oleva arvo on lisätty estokytkennällä (46) vuon vektoriin verrannolliseen suureeseen ensimmäisen jakoelimen (14) jakajan tuloliittimessä .

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että kuormitustilan säädin (17) käsittää kaksi peräkkäin kytkettyä IP-säädintä (30,31) .

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että kuormitustilan säätimen (17) perään on kytketty sovituselin ja että sovituselimessä on liitospiste (32), johon on kytketty kuormitustilan säätimen (17) lähtösuure rinnankytkennällä (33) suoraan ja vahvistimella (34), jossa on yli-suhteellisesti nouseva vahvistusominaiskäyrä.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen järjestelmä, tunnet-t u siitä, että vahvistimen (34) perään on kytketty differentioiva ja tasoittava siirtoelin (34a) .

8. Jonkin patenttivaatimuksen 1-7 mukainen järjestelmä, ie tunnettu siitä, että annettava taajuuden ohjearvo f ja itsekommutoidun virransuuntaajän (6) ohjausryhmälle (9) annettava taajuuden ohjaussuure f on kytketty kierrosluvun säätimeen (8) ja * että kierrosluvun säätimen lähtösuure. (i ^ ) on annettu tulosuu-reena funktiogeneraattorille (11) ja alistetulle kuormitustilan säätöpiirille. 17 71 642