FI92115B - Menetelmä invertterisyötetyn oikosulkukoneen jäännösvuon määrittämiseksi - Google Patents

Description

92 I'15

Menetelmä invertterisyötetyn oikosulkukoneen jäännösvuon määrittämiseksi Tämän keksinnön kohteena on menetelmä invertteri-5 syötetyn oikosulkukoneen jäännösvuon pyörimisnopeuden, suuruuden ja hetkellisen suunnan määrittämiseksi käytettäväksi oikosulkukoneen käynnistykseen, kun oikosulkukonees-sa on olemassa pyörivä jäännösvuo ja oikosulkukoneen koko-naishajainduktanssi tunnetaan.

10 Keksinnön mukaista menetelmää voidaan käyttää esi merkiksi invertterikäytöissä, joissa käytön pysäytyksen jälkeen saattaa tulla uudelleenkäynnistyskomento ennenkuin oikosulkukoneen vuo on hävinnyt. Edelleen keksintöä voidaan käyttää nopeaan toipumiseen häiriötilanteista, kuten 15 verkkokatkos tai invertterin ylivirtalaukaisu. Menetelmää voidaan käyttää myös kytkettäessä oikosulkumoottori verk-kosyötöstä invertteriin.

Tunnetun tekniikan mukainen menetelmä oikosulkukoneen käynnistämiseksi tilanteessa, jossa koneessa vaikut-20 taa pyörivä jäännösvuo, on esitetty EP-patenttijulkaisussa 469 177. Tässä julkaisussa kuvatussa menetelmässä lasken-ta-aika on vähintään kaksi kertaa jäännösvuon perusjakson aika ja pyörimisen mittaamisen jälkeen on oikosulkukoneen magnetointivirta nostettava nimelliseksi ennen siirtymistä 25 säädettyyn käyttöön. Täten tällä menetelmällä aikaansaatava käynnistys on verraten hidas eikä siinä voida käynnistyksessä välittömästi siirtyä säädettyyn oikosulkukoneen syöttöön.

Esillä olevan keksinnön tavoitteena on aikaansaada . 30 menetelmä, jonka avulla voidaan määrittää oikosulkukonees- sa oleva pyörivä jäännösvuo siten, että vuon määrityksen jälkeen voidaan välittömästi aloittaa jännitteen syöttö moottoriin tahdistettuna siinä olevaan jäännösmagneetti-vuohon. Menetelmä ei saa olla riippuvainen siitä tavasta, 35 jolla oikosulkukoneeseen on syntynyt pyörivä vuo ennenkuin 92115 2 oikosulkukone käynnistetään invertterisyötöllä.

Epätahtikoneen ohjauksessa on yleensä tavoitteena saada koneen kehittämä momentti käyttäytymään halutulla tavalla, kun koneeseen syötetyt virta ja jännite tunne-5 taan. Tällöin pyritään vaikuttamaan sähköiseen momenttiin, jonka suhteellisarvo staattorivuon ja -virran funktiona on:

Tm = ο(ΨΒ x i8) (1) missä: 10 Tm = sähköinen momentti, c = vakiokerroin, Ψ8 = staattorivuo, ja is = staattorivirta.

Hallittu momenttisäätö siis edellyttää, että tunne-15 taan virran lisäksi koneen staattorivuo tai siihen verrannollinen suure (kuten roottori- tai ilmavälivuo). Oikosul-kukoneen käynnistyksessä halutaan, että pyörivään jäännös-vuohon on voitava käynnistyä mahdollisimman nopeasti, ilman momentti-iskuja ja virtapiikkejä.

20 Oikosulkukoneen yleisesti tunnetut staattorin ja roottorin differentiaali- ja virtayhtälöt staattorikoor-dinaatistossa ovat: _ _* 0ψΒ

Ug = Rsis + - (2) 25 dt 30 άΨΓ O = Rrir +--j<Pr (3) dt 35 Ψ, = Lgig + Lmir (4) 40 Ψ8 = LrTr + lX8 (5) 3 9 211 5 missä: ΨΓ = roottorivuo, ir = roottorivirta, ω,,, = mekaaninen pyörintänopeus, 5 Rr = roottoriresistanssi,

Rs = staattoriresistanssi,

Ls = staattori-induktanssi,

Lr = roottori-induktanssi, ja Lm = pääinduktanssi.

10 Edelleen yhtälöistä 4 ja 5 voidaan johtaa ^ I'm —* oLeis = Ψ8--ΨΓ (6)

Lr 15 missä:

Lm2 σ=1- - 2 0 L8Lr = hajakerroin.

Kun invertterin kytkimistä otetaan ohjauspulssit pois ts. yksittäistä kytkintä ei kytketä invertterin ylä-25 eikä alahaaraan vaan jätetään kokonaan kytkemättä, avautuu oikosulkukoneen staattoripiiri ja staattorivirta asettuu hyvin nopean muutosilmiön jälkeen nollaksi. Staattorivirta voi kulkea ohjauspulssien sammuttamisen jälkeen ainoastaan invertterin kytkimissä olevien loisvirtadiodien kautta.

30 Staattorivuo on tämän jälkeen yksin roottorivirran ylläpitämä. Staattorivuo noudattaa staattorikäämityksen avaamisen jälkeen yhtälöä: 35 - Lm "£> ΨΒ = - ΨΓ0β e** (7)

Lr missä 40 92115 4 ΨΓ0 = roottorivuo staattorikäämityksen avaushetkel-lä, τΓ = Lr/rr eli roottorin aikavakio, ω = jäännösvuon taajuus, ja 5 t = aika.

Pienentyvä jäännösvuo ei kehitä momenttia ja staat-tori- ja roottorivuo ovat saman vaiheiset eli:

Lm —> 10 ψ8 = — ΨΓ (8)

Ls

Yllä esitetyn teoreettisen taustan pohjalta on ai-15 kaansaatavissa keksinnön mukainen menetelmä, jonka avulla erittäin nopeasti kyetään määrittämään oikosulkukoneessa olevan jäännösvuon pyörimisnopeus, suuruus ja hetkellinen suunta käytettäväksi oikosulkukoneen välittömään käynnistykseen. Nämä tarvittavat jäännösvuon ominaisuudet voidaan 20 määrittää keksinnön mukaisen menetelmän avulla, joka käsittää vaiheet, joissa oikosuljetaan staattorikäämit, mitataan ensimmäinen staattorivirtavektori ja avataan staattoripiiri ensimmäisen ajanjakson lopussa, 25 oikosuljetaan staattorikäämit toistamiseen toisen ajanjakson kuluttua ensimmäisen ajanjakson päättymisestä, mitataan toinen staattorivirtavektori ja avataan staattoripiiri ensimmäisen ajanjakson pituisen ajan kuluttua toisesta oikosuljennasta, 30 määritetään jäännösvuon taajuus ensimmäisen ja toi sen staattorivirtavektorin suuntien ja ensimmäisen ja toisen ajanjakson pituuksien perusteella, määritetään jäännösvuon itseisarvon suuruus oikosulkukoneen kokonaishajainduktanssin ja ensimmäisen tai 35 toisen staattorivirtavektorin perusteella ja määritetään jäännösvuon hetkellinen suunta ensimmäisen tai toisen staattorivirtavektorin suunnan perus- 92115 5 teella.

Yksinkertaisimmin staattorikäämit oikosuljetaan ohjaamalla invertterin kaikki alahaaran kytkimet tai kaikki ylähaaran kytkimet samanaikaisesti johtaviksi ja staatto-5 ripiiri avataan jättämällä invertterin kaikkien kytkimien ohjauspulssit pois.

Jäännösvuon hetkellinen suunta voidaan puolestaan määrittää kiertämällä staattorivirtavektoria 90 astetta jäännösvuon pyörimissuuntaan.

10 Johdantokappaleen mukaisesti keksinnön mukainen menetelmä tarvitsee lähtötietona ainoastaan kokonaisha-jainduktanssin oLs. Menetelmässä ei siten tarvita etukäteistietoa jäännösvuon taajuudesta.

Keksinnön mukaista menetelmää voidaan soveltaa sil-15 loin, kun oikosulkukonetta syötetään invertterillä, jossa on oikosulkukoneen aikavakiota nopeampi erillinen momentin ja vuon taikka momentti- ja magnetointivirran säätö. In-vertterissä on oltava riittävät mittaukset, jotta staatto-rivuo voidaan määrittää menetelmän edellyttämällä nopeu-20 della. Vaihejännitteiden mittausta ei menetelmän mukaisessa välittömässä käynnistyksessä tarvita.

Seuraavassa keksinnön mukaista menetelmää ja siinä käytettyjä laskentakaavoja kuvataan yksityiskohtaisemmin viitaten oheiseen piirustukseen, jossa 25 kuvio 1 esittää periaatepiirrosta keksinnön mu kaista menetelmää hyödyntävästä invertterikäytöstä, kuvio 2 esittää staattori- ja roottorivuon sekä staattorivirran käyttäytymistä staattorikäämityksen oikosul jennassa, kun oikosulkukoneessa on taajuudella ω8 pyö- , 30 rivä jäännösvuo, « · kuvio 3 esittää staattori- ja roottorivuon ja staattorivirran käyttäytymistä keksinnön mukaisen menetelmän eri vaiheissa ja kuvio 4 esittää keksinnön mukaisen menetelmän vuo-35 kaaviona.

t 9211 5 6

Kuviossa 1 on esitetty kaaviollisesti invertteri-käyttö, jossa on säätöjärjestelmä 2, joka saa lähtösuuree-na oikosulkukoneen kokonaishajainduktanssin oLs ja mittaa staattorivirrat moottorilta 1 sekä ohjaa näiden tietojen 5 perusteella invertterin ylähaaran kytkimiä QlY, Q2Y ja Q3Y samoinkuin invertterin alahaaran kytkimiä Q1A, Q2A ja Q3A. Kunkin kytkimen rinnalle on kytketty loisvirtadiodi.

Menetelmän mukaisessa välittömässä käynnistyksessä oikosulkukoneeseen kytketään aluksi nollaosoitin, ts. oi-10 kosulkukoneen staattorikäämit oikosuljetaan eli invertterin kaikki alahaaran kytkimet tai kaikki ylähaaran kytkimet ohjataan samanaikaisesti johtaviksi. Tämä vaihe on merkitty kuvion 4 vuokaavioon viitteellä 41. Tällöin oi-kosulkukone muodostaa staattorivirran, jos siinä on ole-15 massa vuo ja se pyörii. Syntyvä virta on suoraan verrannollinen vuon pituuteen ja sen pyörimisnopeuteen sekä oikosulku- eli kokonaishajainduktanssiin oLs. Staattorivirta alkaa kasvaa origosta oikosuljennan alkaessa ja kasvaa hyvin nopeasti alussa lähes suoraan, mutta kaareutuu oi-20 kosuljennan kestäessä jäännösvuon pyörimissuuntaan.

Seuraavassa vaiheessa mitataan syntynyt staattorivirta isl ja samanaikaisesti avataan staattoripiiri eli invertterin kaikkien kytkimien ohjauspulssit jätetään pois. Oikosuljenta on tällöin kestänyt ajan Τλ. Tätä vai-25 hetta on merkitty kuvion 4 vuokaaviossa viitenumerolla 42. Tämän mitatun staattorivirtavektorin isl perusteella päätellään vuokaavion 4 vaiheessa 43, onko oikosulkukoneessa pyörivä jäännösvuo. Nollaosoitin pysäyttää staattorivuon paikoilleen ja lyhyellä aikavälillä roottorivuo jatkaa 30 pyörimistä jäännösvuon taajuudella. Mikäli staattorivirta ei eroa nollasta, päätellään, että nollaosoittimen aikana staattori- ja roottorivuot eivät ole eronneet toisistaan. Tähän on kaksi mahdollista syytä, joko vuot ovat nollavek-toreita tai voiden pyörimisnopeus on nolla tai hyvin lä-35 hellä nollaa. Kummassakaan tapauksessa keksinnön mukaisel- 92115 7 la menetelmällä ei voida määrittää jäännösvuota eikä siten käynnistää oikosulkukonetta tähän jäännösvuohon, mutta saadaan tieto, että voidaan tutkia pyöriikö kone vai ei. Mikäli jäännösvuo on olemassa, mutta se pyörii hyvin pie-5 neliä tai olemattomalla taajuudella, on nollaosoittimen aikana syntynyt virta hyvin pieni eikä virtaa tai jäännös-vuota siten voida havaita. Tällöin voidaan oikosulkukone siis käynnistää tavanomaisilla menetelmillä esimerkiksi perinteisellä dc-magnetoinnilla.

10 Jos ensimmäisessä oikosuljennassa mitattu staatto- rivirtavektori ei ole likimain nolla, edetään kuvion 4 vuokaavion vaiheeseen 44, jossa staattorikäämit jälleen oikosuljetaan ajaksi T:. Tätä ennen, kun staattoripiiri oli avattu, olivat staattori- ja roottorivuot asettuneet sa-15 mansuuntaisiksi, koska staattorivirta oli asettunut nollaksi. Toinen oikosuljenta, joka siis myös on kestoltaan Tlf suoritetaan T2 pituisen ajanjakson kuluttua ensimmäisen oikosuljennan päätöshetkestä. Toisen oikosuljennan päättyessä mitataan jälleen staattorivirtavektori is2. Tätä vai-20 hetta on merkitty kuvion 4 vuokaaviossa viitemerkillä 45. Seuraavaksi voidaan ensimmäisen ja toisen oikosuljennan päätöshetkillä vaikuttaneista staattorivirtavektoreista isl ja is2 laskea jäännösvuon taajuus ω3 olettaen, että aika TL on niin pieni, että sinä aikana vuo ei ennätä kulkea puol-25 ta kierrosta. Staattoritaajuus cos lasketaan virtojen arcus-tangenteista seuraavasti arot an (i s2) -arctan (i sl) ωΒ = - (9) 30 T!+T2 missä: i8l = ensimmäisen nollaosoittimen lopussa mitattu staattorivirta, 35 ie2 = toisen nollaosoittimen lopussa mitattu staat torivirta, 8 9 21 I 5 TL = nollaosoittimen kesto ja T2 = nollaosoittimen välissä oleva ohjauspulssiton aika.

Jäännösvuon taajuus lasketaan keksinnön menetelmäs-5 sä siis oikosuljennan aikana syntyneiden virtojen kulmien perusteella. Tällä tavoin määritettyä staattoritaajuuden alkuarvoa voidaan käyttää hyväksi oikosulkukoneen säädön alustuksessa muutoinkin kuin keksinnön mukaisessa menetelmässä.

10 Jotta voitaisiin määrittää staattorivuon Ψδ it seisarvo, joudutaan ensin määrittämään nollaosoittimen aikana syntynyttä staattorivirtaa vastaava staattori- ja roottorivuon välinen kulma ö. Kuviossa 2 on havainnollistettu tämän kulman δ laskentaa. Kuviossa 2 on yllä esite-15 tyn yhtälön 6 mukaisesti merkitty näkyviin staattori- ja roottorivuovektorit sekä niiden välinen kulma δ. Kuviossa 2 näkyy lisäksi jäännösvuon pyörimissuunta taajuudella ω5 samoinkuin staattorivirtavektori is. Koska nollaosoittimen aika ^ on erittäin pieni verrattuna staattori- ja rootto-20 rivuon aikavakioihin sekä jäännösvuon perustaajuuteen tos, voidaan tehdä oletukset, että voiden itseisarvot eivät aikana Tj muutu. Näillä oletuksilla, jotka lyhyellä aikavälillä ovat oikeutettuja, saadaan laskettua kulma δ, jonka roottorivuo kiertyy staattorivuosta staattorin oikosuljen-25 nan aikana. Tämä kulma δ voidaan laskea seuraavasta yhtälöstä.

δ = ωε*Τχ (10)

Edelleen, koska ^ on riittävän pieni, on syntynyt 30 voiden välinen kulma δ nollaosoittimen lopussa riittävän pieni ja voidaan käyttää tarkkuuden kärsimättä staattorivuon itseisarvolle yhtälöä:

, oLsIiJ

ΙΨ.Ι =- (11) 35 tan(ö) 92115 9 kun tunnetaan oLs:n suuruus ja staattorivirta mitataan. Koska kulma δ on pieni, voidaan laskentamäärän vähentämiseksi tarkkuuden kärsimättä käyttää tan(ö):n sijasta sin(0):a tai radiaaneissa lausuttuna suoraan δ. Kuten 5 edeltä on käynyt ilmi, oikosulkukoneen kokonaishajainduk-tanssi oLs on menetelmän vaatima ainoa etukäteen tunnettava parametri.

Kuvion 4 vuokaaviossa edellä mainittua kulman δ laskentaa on kuvattu vuokaavion vaiheessa 47 ja staattori-10 jäännösvuon itseisarvon laskentaa vuokaavion lohkossa 48. Vastaavaa tilannetta on havannollistettu kuviossa 3. Siinä on esitetty oikosulkutilanteissa syntyneet staattorivirta-vektorit isl ja is2 ja niitä vastaavat staattori- ja rootto-rivuovektorit sekä oikosuljentojen kesto Tx että niiden 15 välinen aika T2.

Yllä lasketun jäännösvuon Ψ5 itseisarvon perusteella voidaan määrittää jäännösvuon arvo kunhan vielä saadaan selville jäännösvuon suunta. Kuten kuvioista 2 ja 3 voidaan havaita, on oikosuljennan eli nollaosoittimen lopussa 20 mitattu staattorivirta 90 astetta jäljessä vastaavasta staattorivuosta. Täten staattorivuon suunta saadaan laskettua staattorivirran suunnan perusteella tekemällä siihen pyörimissuuntaan 90 asteen kierto. Staattorivuon alkuarvo Ψ5,ίηίί voidaan tällöin määrittää staattorivuon it-25 seisarvon ja 90 astetta kierretyn ja normitetun staattori- virtavektorin perusteella seuraavan yhtälön mukaisesti: ^s,init = ΙΨ.Ι . i e^^s)·^ (12) I isl 30 1: missä sign(tos) = jäännöstaajuuden etumerkki ja

Viinit = staattorivuon alkuarvo välittömässä käynnis-35 tyksessä.

Kun nyt on saatu määritettyä keksinnön mukaista menetelmää hyväksi käyttäen jäännösvuon suuruus, voidaan « 10 9211 5 se ottaa suoraan vuosäädön alkuarvoksi ja siirtyä suoraan normaaliin säätöön.

Mikäli staattorivuon alkuarvo Ψ3(1η11. on pienempi kuin vuosäädön referenssiarvo, on nimellisvuoreferenssin sijas-5 ta käytettävä säätöarvona vuon alkuarvoa ja kasvatettava vuon referenssiä roottoriaikavakioon verrannollisella nopeudella.

Keksinnön mukaiselle menetelmälle on ominaista, että oikosulkukone on täysin säädettävissä heti, kun vuon 10 alkuarvo on saatu estimoitua. Välittömän käynnistyksen jälkeen sallittava momentti on kuitenkin verrannollinen staattorivuohon, eikä nimellistä momenttia voida käyttää ennenkuin staattorivuo on noussut nimelliseksi ylittämättä nimellistä virta-arvoa.

15 Yllä keksinnön mukaisessa menetelmässä käytettävil le yhtälöille on annettu vain eräät esimerkinomaiset lausekkeet ja on ymmärrettävää, että samojen mittaustietojen perusteella voidaan johtaa yllä esitetystä poikkeavia yhtälöitä, jotka kuitenkin johtavat haluttuun lopputulok-20 seen, poikkeamatta kuitenkaan oheisten patenttivaatimusten määrittelemästä suojapiiristä.

Claims (3)

11 92Ϊ 15

1. Menetelmä invertterisyötetyn oikosulkukoneen jäännösvuon pyörimisnopeuden, suuruuden ja hetkellisen 5 suunnan määrittämiseksi käytettäväksi oikosulkukoneen käynnistykseen, kun oikosulkukoneessa (1) on olemassa pyörivä jäännösvuo (Ψ3) ja oikosulkukoneen kokonaishajainduk-tanssi (oLs) tunnetaan, tunnettu siitä, että menetelmä käsittää vaiheet, joissa 10 oikosuljetaan staattorikäämit, mitataan ensimmäinen staattorivirtavektori (isl) ja avataan staattoripiiri ensimmäisen ajanjakson (Tx) lopussa, oikosuljetaan staattorikäämit toistamiseen toisen ajanjakson (T2) kuluttua ensimmäisen ajanjakson (Tx) päät-15 tymisestä, mitataan toinen staattorivirtavektori (is2) ja avataan staattoripiiri ensimmäisen ajanjakson (T2) pituisen ajan kuluttua toisesta oikosuljennasta, määritetään jäännösvuon (Ψ8) taajuus (ω5) ensimmäi-20 sen ja toisen staattorivirtavektorin (isl, is2) suuntien ja ensimmäisen ja toisen ajanjakson pituuksien perusteella, määritetään jäännösvuon itseisarvon (|Ψ8|) suuruus oikosulkukoneen kokonaishajainduktanssin (oLs) ja ensimmäisen tai toisen staattorivirtavektorin (isl, is2) perusteella * 25 ja määritetään jännösvuon (Ψ8) hetkellinen suunta ensimmäisen tai toisen staattorivirtavektorin (isl, is2) suunnan perusteella.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, ” 30 tunnettu siitä, että staattorikäämit oikosuljetaan ohjaamalla invertterin kaikki alahaaran kytkimet (Q1A, Q2A, Q3A) tai kaikki ylähaaran kytkimet (Q1Y, Q2Y, Q3Y) samanaikaisesti johtaviksi ja staattoripiiri avataan jättämällä invertterin kaikkien kytkimien (Q1A, Q2A, Q3A,

35 Q1Y, Q2Y, Q3Y) ohjauspulssit pois. 12 9 21 I 5

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että jäännösvuon (Ψ3) hetkellinen suunta määritetään kiertämällä staattorivirtavektoria (isl, is2) 90° jäännösvuon pyörimissuuntaan. 13 92115