FI87501C - Foerfarande foer reglering av en asynkronmotor - Google Patents

Description

87501

MENETELMÄ EPÄTAHTIMOOTTORIN SÄÄTÄMISEKSI - FÖRFARANDE FÖR REGLERING AV EN ASYNKRONMOTOR

Tämän keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdanto-5 osan mukainen menetelmä epätahtimoottorin säätämiseksi.

Taajuusohjattua vaihtosähkömoottoria käytetään nykyisin useisissa sähkömoottorikäytöissä. Taajuusohjauksella hyötysuhde pysyy korkeana koko nopeusalueella, ja verkon tehoker-10 roin on lähes yksi. Lisäksi moottorina voidaan käyttää yksinkertaista oikosulkumoottoria.

Epätahtimoottorin säädössä voidaan käyttää moottoria kuvaavia sijaiskytkentöjä. Esim. kirjassa Biihler: "Einfiihrung in 15 die Theorie geregelter Drehstromantriebe, Band 1: Grundla-gen", 1977, on kuvioissa 2.20 d) ja 2.21 esitetty epätahtimoottorin säätöjärjestelmiin soveltuva epätahtimoottorin yk-siakselinen, kompleksinen sijaskytkentä staattorille ja roottorille staattorin kulmanopeudella pyörivässä koordinaa-20 tistossa. Lisäksi mainitussa kirjassa on johdettu epätahti-moottorin jännite- ja vuoyhtälöt ko. koordinaatistossa (ss.

. 94, yhtälöt 2.99 a - d).

Erityisesti taajuusmuuttajakäytöissä käytetään nykyään epä-;· 25 tahtimoottoreiden säädössä vektorisäätöä. Vektorisäädön etuna on se, että siinä päästään tasasuureiden säätöön. Säätöä ei siten tarvitse tehdä kolmivaihemoottorin kullekin vaiheelle erikseen. Kirjassa Späth: "Steuerverfahren fiir Drehstrommaschinen", 1983, on esitetty epätahtimoottorin, : 30 erityisesti oikosulkumoottorin, säätöä avaruusvektoriin sidotussa koordinaatistossa. Mainitun kirjan ss. 6 - 13 on esitetty yksinkertainen epätahtimoottorin malli, jossa reaa-liakseli on roottorivuovektorin suuntainen. Lisäksi tunne-taan ko. roottorivuo-orientoituneeseen säätöön soveltuvia : 35 säätöjärjestelmiä, jotka perustuvat virtasäätäjien käyttöön.

2 B7501 Tällaisissa järjestelmissä tarvitaan virran mittausta, jolloin järjestelmistä tulee kalliita ja monimutkaisia.

Tämän keksinnön tarkoituksena cm poistaa tunnetun tekniikan 5 epäkohdat sekä saada aikaan yksinkertainen, vektorisäätöön perustuva menetelmä epätahtimoottorin vuon ja momentin säätämiseksi jäljempänä esitettävien patenttivaatimusten mukaisesti.

10 Keksinnön mukaisessa menetelmässä ei virtasäätäjiä tarvita. Tällöin säädöstä tulee nykyään käytössä olevia ratkaisuja nopeampi, yksinkertaisempi ja hinnaltaan edullisempi.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisemmin esi-15 merkin avulla viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa

Kuvio 1 esittää oikosulkumoottorin avaruusvektoridiagrammaa.

Kuvio 2 esittää keksinnön mukaista säätöjärjestelmää.

20

Kuvio 3 esittää keksinnön mukaisen säätöjärjestelmän käyttä-·;·. mistä taajuusmuuttajan ohjauksessa.

Kuviot 4a - 4g esittävät moottorin simulointikäyriä.

::: 25

Yksiakseliteorian mukaiset oikosulkumoottorin jännite- ja vuoyhtälöt ovat edelläesitettyjen yhtälöiden 2.99 a - d mukaisesti staattorikentän mukana pyörivässä koordinaatistossa (roottorin jännite on nolla; alleviivatut suureet ovat vek-30 torisuureita): - = is rs + lA^-d^/dt ♦ jfsJ8 (1) ’;· · o = Vrr ♦ 1/uvdVdt + jfA (2) V-i 35 is “ As'xs + ir'xh i:

Sir - ir'Xr ♦ 1,-¾ (4) 3 87501

Ko. yhtälöissä u_ on staattorin jännite, i_ staattorin 5 virta, rg staattorin resistanssi,^ kulmataajuus, staattorin vuo ja f staattorin taajuus. Edelleen i_r on roottorin virta, rr roottorin resistanssi, Ύr roottorin vuo ja fr roottorin taajuus (jättämä). xg on staattorin reaktanssi, keskinäisreaktanssi ja xr roottorin reaktanssi.

10

Ko. yhtälöiden mukainen vektoridiagramma, jossa roottorivuo on edelläesitetyn mukaisesti sijoitettu reaaliakselille Re (hieman reaaliakselin alapuolelle), ja jossa staattorivuo sijaitsee tällöin hieman reaaliakselin yläpuolella, on 15 esitetty kuviossa 1. Staattorijännite u on projisoitu reaa- "ö li- ja imaginääriakseleille Re ja Im jännitevektoreiksi ugr ja «si’

Keksinnön mukaisella menetelmällä säädetään staattorivuon 20 itseisarvoa, joka pyritään pitämään vakiona, staattorijännitteen reaaliosalla ugr ja momenttia staattoritaajuudella f . Staattorijännitteen imaginääriosaa u . säätämällä pide-tään laskentakoordinaatisto sellaisessa asennossa, että roottorivuo pysyy lähes reaaliakselilla. Momentin arvo ja 25 staattorivuon itseisarvo saadaan moottoriyhtälöistä laskemalla. Sekä staattorivuon itseisarvoa että momenttia säädetään PI-säätäjällä, jonka aikavakio noudattaa osoitettua arvoa.

30 Staattorijännitteen imaginääriosalle u . voidaan johtaa säätöä varten yhtälö usi = k fr ♦ fs 35 k on kerroin rg χ^/(γγ xg). Moottorin momentti T voidaan säätöä varten kirjoittaa (ks. Biihler, ss. 92) 4 87501 Τ = Im{jrr*ir} (6)

Vr on roottorivuovektorin kompleksikonjugaatti.

5

Kuviossa 2 on esitetty edelläesitettyjen yhtälöiden mukainen säätöjärjestelmä taajuusmuuttajalla syötetyssä oikosulkumoottorikäytössä. Fyysinen laite 1 käsittää kolmivaiheisen oikosulkumoottorin 2, sitä syöttävän taajuusmuuttajan 3 sekä 10 moottorin akselille kytketyn takometrigeneraattorin 4 moottorin pyörimisnopeuden n mittaamiseksi. Tietokoneessa 5 on ohjelmallisesti toteutettu keksinnön mukainen vuon ja momentin säätö. Kuviossa 2 on esitetty lohkokaaviomuodossa säätäjä 6 sekä simulaattori 7, johon on talletettu säätöyhtälöt (3) ja (6) sisältävä säätöalgoritmi. Säätäjässä on eroelimet 8 ja 9, summauseiimet 10 ja 11, kerroin 12 sekä PI-säätäjät 13 ja 14.

Säätäjään 6 ohjataan nopeussäätäjästä momentin ja staattori-20 vuon itseisarvon ohjearvot Tref ja ^ref, joista eroelimissä 8 ja 9 vähennetään simulaattorissa 7 määritetyt momentin ja vuon arvot T ja |ifs | (staattorivuon itseisarvo). Kumpikin erotus johdetaan PI-säätäjään 13, 14, joista ensimmäisestä .·. saadaan roottorin taajuus fr« Tämä yhdistetään summauseli---25 messä 10 moottorin nopeuteen n, joilloin saadaan staattorin taajuus f_· Roottorin taajuus yhdistetään lisäksi staattori-

. S

taajuuteen f kertoimen k (elin 12) kautta, jolloin saadaan

S

staattorijännitteen imaginääriosa ug^. Toisesta säätäjästä 14 saadaan staattorijännitteen reaaliosa ugr. Nämä kolme .30 suuretta f , u · ja u johdetaan simulaattoriin 7, josta saadaan edelläesitetyn mukaisesti momentti T ja vuo |y |, sekä taajuusmuuttajaan 3. PI-säätäjän aikavakio on 'C = <rsxr*rr rs>- 35 Kuvio 3 esittää vielä keksinnön mukaiseen säätöön soveltuvaa taajuusmuuttajaa sen tehoasteen ja ohjauksen osalta yksi- ti 5 87501 tyiskohtaisemmin. Kolmivaiheverkosta, jonka vaihejännitteet ovat UR, Ug ja UT, syötettävän taajuusmuuttajan tehoaste 15 syöttää moottoria 2. Taajuusmuuttajan tehoaste muodostuu dioditasasuuntaussillasta 16, vaihtosuuntaajan tehoasteesta 5 17, suodatuskondensaattorista C1 sekä moottorin palaavan te hon käsittelyyn tarkoitetuista vastuksesta R1 ja transistorista T7.

Vaihtosuuntaajan tehoaste 17 muodostuu transistoreista T1 -10 T6 sekä diodeista D1 - D6, jotka muodostavat virtatiet induktiivisille virroille. Transistorien ohjaus tapahtuu seuraavasti :

Staattorijännitteen imaginääri- u . ja reaaliosa u johde-15 taan ensin EPROM-muistipiiriin 18, josta saadaan staattori-jännitteen amplitudi |Ug | (itseisarvo) ja kulma a. Staatto-rijännitteen amplitudi muutetaan digitaalimuotoon Ug A/D-muuntimessa 19. Staattorijännitteen taajuus f ohjataan en-

S

sin itseisarvogeneraattoriin 20 taajuuden itseisarvon ai-20 kaansaamiseksi. Sen jälkeen signaali ohjataan jännitesäädet-tyyn oskillaattoriin 21, jonka ulostulosta saadaan sakara-aalto, jonka taajuus on verrannollinen staattorijännitteen taajuuteen fg. Oskillaattorista saatava sakara-aalto johdetaan ylös/alas(up/down)-laskuriin 22, jonka laskusuunnan 25 määrää komparaattori 23, joka seuraa staattorijännitteen taajuuden polariteettia.

Tähän signaaliin lisätään muistipiirissä 24 kulmatieto a. Näin saatu kahdeksan bitin laajuinen osoitetieto johdetaan 30 kolmeen muistipiiriin 25a - 25c, joihin on talletettu kunkin vaiheen ohjearvojännitteitä kuvaavat käyrät. Muistipiirien ulostuloissa signaalit ovat rinnakkaismuotoisena digitaali-sanana. Binäärimuotoiset signaalit ohjataan tämän jälkeen digitaalianalogiamuuntimiin 26a - 26c, joissa jännitteet 35 muunnetaan analogisiksi ja säädetään amplitudiltaan vastaamaan jännitettä U . Digitaalianalogiamuuntimien ulostuloissa

S

6 8 7 5 Ο Ί on amplitudiltaan ja taajuudeltaan säätyvä kolmivaiheinen jännite. Tällä jännitteellä ohjataan pulssileveysmodulaatto-ria 27, joka muodostuu kolmioaaltogeneraattorista ja komparaattoreista. Pulssileveysmodulaattorin ulostulojännitteet 5 saadaan vertaamalla kolmiojännitegeneraattorin kolmiojänni-tettä digitaalianalogiamuuntimista saatuihin signaaleihin. Ulostulojännitteet johdetaan transistoreja Tl - T6 ohjaaviin ohjaimiin 28a - 28f. Tehoasteen 17 kunkin navan toista transistoria (esim. T2) ohjataan komparaattoreiden 29a - 29c 10 kautta toisen transistorin (esim. Tl) komplementtisignaa-lilla.

Kuviossa 4a on esitetty simulointimallilla saadut staattori- jännitteen reaali- ja imaginääriosat ugr, u ^ ajan funk- 15 tiona, kuviossa 4b staattorivuon itseisarvo |VS j» staattori- taajuus f sekä momentin T askelvaste, kuviossa 4c roottorin s ja staattorin taajuus f , f , kuviossa 4d staattorivuon re- r s aali- ja imaginääriosat , Ψsi> kuviossa 4e roottorivuon reaali- ja imaginääriosat 'f rr· ^ τ^· kuviossa 4f staattori 20 virran reaali- ja imaginääriosat i , i . ja kuviossa 4g sr si roottorivirran reaali- ja imaginääriosat irr* ir^·

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön eri sovellu-tusmuodot eivät rajoitu yksinomaan edelläesitettyyn esimerk-25 kiin, vaan ne voivat vaihdella jäljempänä esitettävien patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (7)

7 87501

1. Menetelmä epätahtimoottorin staattorivuon ja momentin säätämiseksi vektorisäädöllä imaginäärisessä avaruusvektori- 5 koordinaatistossa, jossa menetelmässä staattorivuon itseisarvo (|^s|) sekä momentti (t) määritetään mainitussa koordinaatistossa, ja jossa menetelmässä laskentakoordinaatisto on sellaisessa asennossa, että roottorivuo (Vr) on ainakin lähes reaaliakselilla, tunnettu siitä, että staat-10 torivuon itseisarvoa { |yg |) säädetään staattorijännitteen reaaliosalla (u ) ja momenttia (T) staattoritaajuudella (f ), ja että staattorijännitteen imaginääriosaa (u ) sää-tämällä pidetään laskentakoordinaatisto mainitussa asennossa. 15

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että koordinaatistona käytetään staattorin mukana pyörivää koordinaatistoa.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tun nettu siitä, että staattorivuon itseisarvoa säädetään siten, että se pysyy olennaisesti vakiona.

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen menetelmä, 25 tunnettu siitä, että sekä staattorivuon itseisarvoa että momenttia säädetään PI-säätäjällä (13,14), jonka aikavakio noudattaa osoitettua arvoa.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä 30 taajuusmuuttajalla (3) ohjatun epätahtimoottorin (2) säätämiseksi, jossa menetelmässä mitataan moottorin pyörimisnopeus (n), ja jossa menetelmässä käytetään momentin ja staattorivuon itseisarvon ohjearvoja (Tref ,Ifref ), tunnettu siitä, että momentin ohjearvosta vähennetään moottoria 35 simuloivasta simulaattorista (7), jossa staattorivuon itseisarvo (|^3|) sekä momentti (T) määritetään mainitussa 8 87501 koordinaatistossa niitä kuvaavien yhtälöiden avulla, saatava momentin (T) arvo, joka erotus johdetaan ensimmäiseen PI-säätäjään (13), että ensimmäisen säätäjän ulostulosta saadaan roottoritaajuus (fr), että roottoritaajuudesta muodos-5 tetaan staattoritaajuus (f ) yhdistämällä siihen moottorin S pyörimisnopeus (n) sekä staattorijännitteen imaginääriosa (u . ) yhdistämällä staattoritaajuuteen moottorin impedans-seista riippuvalla kertoimella (k) kerrottu roottoritaajuus, että staattorivuon itseisarvon ohjearvosta vähennetään simu-10 laattorista (7) saatava staattorivuon itseisarvo, joka e-rotus johdetaan toiseen PI-säätäjään (14), että toisen säätäjän ulostulosta saadaan staattorijännitteen reaaliosa (ugr), 3a etta staattorijännitteen imaginääri- ja reaaliosat ^usi'usr^ se^ä staattoritaajuus (fg) johdetaan taajuusmuut-15 ta jän (3) vaihtosuuntausosan puolijohdekytkimien ohjaukseen ja simulaattoriin (7).

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä pulssileveysmoduloidulla taajuusmuuttajalla ohjatun mootto- 20 rin säätämiseksi, jossa pulssileveysmoduloinnissa muodostetaan puolijohdekytkimien ohjaussignaalit vertailemalla modu-lointisignaalia moduloivaan signaaliin, tunnettu siitä, että pulssileveysmoduloinnin ohjearvosignaalin taajuus määritetään staattoritaajuuden sekä staattorijännite-•.25 vektorin kulman (a) ja amplitudi staattorijännitteen itseisarvon (Ug) perusteella.

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että moottori on oikosulkumoottori. I; 9 8 750 Ί