HU226336B1 - Method for regulating a three-phase machine without a mechanical rotary transducer - Google Patents

Description

A találmány tárgya eljárás mechanikus fordulatszámjeladó nélküli, aszinkron vagy szinkron működésű háromfázisú váltakozó áramú gép szabályozására, amelyet egyenirányító kimenetéről táplált közbenső kör kimenetéről működtetünk, és a közbenső körben mért értékeket az egyenirányító pillanatnyi kapcsolási állapotának figyelembevételével szabályozzuk.

A WO 92/19038 sz. nemzetközi közzétételi iratból ismert egy olyan eljárás és kapcsolási elrendezés, amelynek segítségével gépek azon elektromágneses és mechanikus állapotjellemzői határozhatók meg, amelyeket mechanikus fordulatszám-jeladó nélküli háromfázisú váltakozó áramú gép szabályozására használnak. Ennél az ismert eljárásnál egyidejűleg mérnek két fázisvezetékben folyó áramot, és azokból egy komplex térbeli jellemzőt határoznak meg. Az eljárás végrehajtására kialakított kapcsolási elrendezésben a számítások végrehajtásához költséges és többnyire feszültségleválasztást biztosító árammérőket, áramváltókat kell alkalmazni.

Háromfázisú váltakozó áramú gépek jó minőségű szabályozásához, különösen aszinkron és szinkron gépeknél, melyek közül az utóbbi lehet állandó mágneses gerjesztésű, reluktanciahatással, amikor a különböző mágneses vezetőképesség a forgórész helyzetétől függ, vagy pedig lehet állandó mágneses gerjesztés és reluktanciahatás kombinációjával működő, a mágneses fluxus helyzetének mérését használják fel. A gépnek egy adott, a legkisebb fluxushoz tartozó fordulatszám fölött a különböző fordulatszámokhoz tartozó indukált elektromotoros erejét (EMK) különböző, az irodalomból ismert eljárásokkal lehet meghatározni, és ezekből lehet a fluxus helyzetére következtetni. Kis fluxus-fordulatszámok esetén az EMK-ra alapuló fluxusmeghatározási eljárások csődöt mondanak. Ekkor olyan eljárásokat lehet alkalmazni, amelyek a valós idejű helyzetet, illetve a fluxussűrűségtől függő mágneses vezetőképességet mérik meg, és azokból határozzák meg a forgórész, illetve a fluxus térvektor helyzetét.

Aszinkron gépeknél a gépben lévő mágneses fő fluxus a vaslemezek telítése által oly módon befolyásolja a mágneses szórt vezetés értékét, hogy a mágneses szórt vezetés értéke vagy egy azzal kapcsolatos jellemző valós idejű mérése alapján a fluxus helyzetére következtetni lehet. Szinkron gépeknél a mágneses fluxus szoros összefüggésben áll a forgórész helyzetével, ezáltal a szinkron működésű gépeknél a mágneses térrel irányított szabályozáshoz - a továbbiakban röviden térorientált szabályozáshoz, vagy a mágneses fluxus mérését vagy a forgórész helyzetének a mérését lehet használni. Említésre méltó reluktanciahatás nélküli, állandó mágneses gerjesztésű, szinkron gépeknél, például amikor állandó mágnesek vannak hengeres forgórészre elhelyezve, a vaslemezben fellépő telítés esetén - hasonlóan ahhoz, mint ahogy az aszinkron gépeknél, a telítéstől függő mágneses vezetőképességet a fluxushelyzet függvényében, csillapítással működő gépeknél a szórt vezetési érték, csillapítás nélküli gépeknél a főmező-vezetési érték segítségével határozzák meg, ezek valós idejű mérésével, vagy ezekkel összefüggő jellemző mérésével. Ebből lehet következtetni a fluxus helyzetére és a forgórész helyzetére is. Reluktanciahatással rendelkező, szinkron gépeknél, hasonló módon, a telítéstől függően ingadozó mágneses vezetőképesség helyett a forgórész geometriájától függően ingadozó mágneses vezetőképességet határozzák meg, és ezzel egyidejűleg meghatározzák a forgórész helyzetét is. Állandó mágneses gerjesztésű és reluktanciahatással rendelkező, szinkron gépeknél az eredő hatásra a telítéstől és a geometriától függő vezetőképesség-ingadozásból következtetnek.

Mint azt a VDI-Fortschrittberichte, 21. old. 117. sz., VDI-kiadó, Düsseldorf 1992, „Váltakozó áramú gépek érzékelő nélküli szabályozása”) c. kiadványában M. Schrödl leírta, az áram térbeli vektorának meghatározásával és annak a feszültség térbeli vektorával történő osztásával egy, mind villamos forgórész, mind a fluxus helyzetétől függően változó komplex jellemzőt lehet meghatározni, amelyből trigonometriai összefüggésekkel a forgórész helyzetét vagy a fluxus helyzetet lehet meghatározni. A fenti iratban ismertetett eljárásnak a hátránya, hogy az áram térbeli vektorának meghatározásához legalább két fázisáramot kell meghatározni, költséges árammérők és áramváltók alkalmazásával.

A WO 96/23347 sz. nemzetközi közzétételi irat eljárást ír le egyenirányítón keresztül táplált háromfázisú váltakozó áramú gép fázisáramának egy közbenső körben mért áram segítségével történő meghatározására, ahol az egyenirányító pillanatnyi kapcsolási állapota is figyelembe van véve. Ennél a megoldásnál a gépben folyó áramot a közbenső kör impulzusszélesség-modulált vezérlésével két méréssel határozzák meg. A két mérést a hibák kiküszöbölése érdekében egy impulzusszélességnyi perióduson belül egymáshoz képest eltolt időpontokban végzik el.

A találmánnyal azt a feladatot tűztük ki, hogy olyan, a bevezetőben említett típusú eljárást hozzunk létre, amellyel egyrészt a fentiekben jelzett hátrányokat kiküszöböljük, másrészt pedig a gép jobb, illetve pontosabb szabályozását lehet megvalósítani.

A találmány tehát eljárás mechanikus fordulatszámjeladó nélküli, aszinkron vagy szinkron működésű háromfázisú váltakozó áramú gép szabályozására, amelyet egyenirányítóról táplált közbenső körrel táplálunk, és a szabályozáshoz a közbenső körben mért értékek mellett az egyenirányító pillanatnyi kapcsolási állapotára vonatkozó jellemzőt is figyelembe vesszük.

Az eljárás lényege, hogy aszinkron gépeknél a térirány figyelembevételével történő szabályozáshoz a fluxus irányát, szinkron gépeknél pedig a forgórészirány figyelembevételével történő szabályozáshoz a forgórész helyzetét, a gépben fellépő térbeli mágneses vezetőképesség ingadozásainak segítségével méréstechnikai úton határozzuk meg, és a vezetőképesség-ingadozásokat a közbenső körben mért értékek, elsősorban a közbenső körben mért áramnövekedés és/vagy a közbenső kör feszültsége, valamint az egyenirányító pillanatnyi kapcsolási állapota figyelembevételével határozzuk meg, és a mért értékekből matematikai úton számítjuk ki a fluxus irányát, illetve a forgórész helyzetét.

HU 226 336 Β1

A találmány szerinti eljárással először lehet megvalósítani mechanikus jeladók, például helyzetjeladók vagy tachogenerátorok nélkül, háromfázisú váltakozó áramú gépek jó minőségű szabályozását tetszőleges üzemi körülmények között, beleértve a kis fordulatszámokat és a nyugalmi helyzetet is. Az eljárás során kizárólag a közbenső kör jellemzőit, azaz a közbenső kör áramát és a közbenső kör feszültségét mérjük. Az egyenirányító pillanatnyi kapcsolási állapotának figyelembevételével meghatározzuk a fázisáram növekedés feszültség közötti viszonyt, ami háromfázisú váltakozó áramú gép esetében a fluxus és/vagy forgórész helyzetével van összefüggésben.

Az alapgondolat az, hogy a vezetőképesség-ingadozásokat a gép fázisvezetékeiben mért áramnövekedés alapján határozzuk meg. A találmány szerinti eljárás során nincs szükség költséges árammérők alkalmazására, mivel nem a teljes térvektorra vonatkozó információra van szükség, hanem csupán az áramnövekedés-térvektornak és az annak megfelelő feszültségtérvektomak motorhoz tartozó fázisok tengelyeire vett vetületeire. Ezen értékek aránya (amit a továbbiakban y-nal jelölünk mellette a szóban forgó fázis jelölésével) a vizsgált fázis tengelyében a pillanatnyi helyi mágneses vezetőképességgel arányos, és a forgórész és/vagy fluxus tengely helyzetének kétszeresével ingadozik. A találmány szerinti eljárás során tehát az áram növekedését nem a fázisvezetékekben folyó áram növekedésének közvetlen mérésével kapjuk meg, hanem egy közbenső körben folyó egyenáram növekedésének a mérésével, melyhez az egyenirányító pillanatnyi kapcsolási állapotát is figyelembe vesszük. Az egyenirányító tehát intelligens méréshely-átkapcsolóként is szolgál, amikor az egyenirányító állapotának megfelelően a különböző fázisokat rákapcsolja a közbensőköri (áramköri) árammérő egységre. Ehhez az üzemszerűen fellépő egyenirányító-állapotokat - a gép szabályozását a mérés nem befolyásolja -, vagy kényszeregyenirányító-állapotokat - a gép szabályozását a mérés befolyásolja - figyelembe lehet venni. Ha például egy háromfázisú egyenirányítónál az U fázissal összekötött egyenirányító-hídág a közbenső kör pozitív feszültségű pontjával és a V és W fázisokkal összekötött egyenirányító-hídágak pedig negatív feszültségű ponttal vannak összekötve, akkor a közbenső körben az U fázisban folyó áram fog folyni, és a közbenső körben lévő árammérő is ezt a fázisáramot fogjuk mérni. Ugyanakkor ismert, hogy ennél az egyenirányítókombinációnál a gépre jutó feszültség térbeli vektora az U fázis irányába mutat úgy, hogy az áramnövekedés térbeli vektorának - az említett esetben ez az U fázisban fellépő áramnövekedés - és az ennek megfelelő feszültség térbeli vektorának - ebben az esetben az U fázis feszültségének térbeli vektora - fent említett vetületarányát a motorfázistengelyre lehet leképezni. Ez lesz tehát yu képzése. Háromfázisú egyenirányító és háromfázisú gép esetében tehát hat egyenirányító-állapot segítségével lehet a fent említett arányokat az U, -U, V, -V, W, -W fázisok irányában képezni.

A matematikai kiértékelés pontosításához a következőket hajtjuk végre: a vezetőképesség-ingadozásokat a közbenső körben mért egyenáram és/vagy feszültség értékeivel az egyenirányító pillanatnyi kapcsolási állapotának figyelembevételével határozzuk meg úgy, hogy a közbenső körben az áramnövekedés különbségét konstans egyenirányító-állapot mellett mérjük, és ezt arányítjuk az ekkor mérhető feszültség térbeli vektorához. Ez a matematikai úton kapott érték a kétszeres térbeli szöghelyzettel ingadozó gép induktivitásával egyértelmű, ismert matematikai és elméleti összefüggésben áll. Ezt a matematikai úton kapott értéket a gép minden olyan fázisához hozzárendeljük, ahol a fázistekercs tengelye az egyenirányító kapcsolási állapota révén rögzített feszültség térbeli vektora irányával egybeesik, és ezt az eljárást legalább egy feszültség térbeli vektor irányban végrehajtjuk. Ezt követően ismert matematikai és villamosgép-elméleti eljárásokkal elvégezzük a matematikai kiértékelést, és meghatározzuk a fluxus irányát és a forgórész helyzetét.

A találmány szerinti eljárás során előnyösen a közbenső körben legalább két az áramnövekedés-mérést végzünk, amelyeket az állórész feszültségegyenleteibe behelyettesítünk, és matematikai korrelációs számítást végzünk. Ennek előnye az, hogy mindig ugyanazt a mérőegységet használjuk a méréshez, és ezáltal kiegyenlítjük azokat a mérési hibákat, amelyek több mérés kombinációja során az egyes alkatrészek szórása következtében lépnek fel. A két mérés kombinációjával tehát ki lehet küszöbölni az indukált elektromotoros erőt, és a vezetőképesség mérése a fordulatszámtól független lesz. Ez nem lehetséges akkor, ha az áram térbeli vektorát legalább két fázisáram segítségével mérjük, mivel az ehhez alkalmazott áramérzékelőknek különbözőek a mérési hibái, ami az eredményt megváltoztatja.

Előnyösen a térben különböző irányokban legalább két vezetőképesség-mérést hajtunk végre, és a mért értékeket az alábbi modellegyenletekbe írjuk be:

yA^Yközép+Ay C0S(2yA—2y) yB=yközé_P ⁺Ay cos(2_yb-2_Y) yC=yközép⁺Ay cos(2yC-2y), ahol y szög ismert számítási szabályok szerint kiszámítható, a vezetőképesség maximumának megfelelő érték, yA, yB, yC az A, B és C fázisokban mért vezetőképesség, y_közép ^a vezetőképesség középértéke, Áy a vezetőképesség-ingadozás.

Amikor az állórésztekercsben a forgásban lévő forgórész révén létrehozott elektromotoros erő (EMK) lép fel, az y vezetőképességet az EMK befolyásolja. Annak érdekében, hogy ezt a hatást kiküszöböljük, két áramnövekedés-mérést kombinálunk, így feszültség helyett feszültségkülönbségeket, az áramnövekedés helyett pedig áramnövekedés-különbségeket használunk fel. Ezt a két mérésre vonatkozó állórészfeszültség-egyenletek felírásával és a két egyenlet egymásból való kivonásával lehet megvalósítani. Mivel az egyenletek jobb oldalán az EMK (elektromotoros erő) additív módon jelenik meg, azt a kivonással kiküszöböljük. A matematikai műveleteket M. Schrödl: „Sensorless Control of A. C. Machines, VDI-Fortschrittberichte, 21. sor, 117. sz. VDI-kiadó, Düsseldorf 1992 c.

HU 226 336 Β1 kiadványából ismerhetjük meg. Ezáltal a vezetőképesség-ingadozás meghatározása a fordulatszámtól független lesz. Mivel egyetlen vezetőképesség-mérésből nem lehet egyértelműen következtetni a pillanatnyi forgórész- vagy fluxushelyzet szögére, legalább két, a térben különböző irányok mért vezetőképesség-értékeket kombinálunk.

A találmány szerinti eljárás során vezetőképességértékeket, elegendő pontossággal azonos közbensőköri feszültségeknél határozzuk meg. így a közbensőkön feszültségmérést elhagyhatjuk, mivel ekkor a fenti egyenletekben a feszültségparaméter is, mint állandó tényező jön csak be, és emiatt a γ szög kiszámításánál ki fog esni. A γ szög a háromfázisú váltakozó áramú gépek fluxusa nagyságának és a forgatónyomatékának egymástól független beállítására szolgáló ismert tér- és/vagy forgórészhelyzet alapján történő, azaz térorientált vagy forgórész-orientált szabályozás alapja, így a szabályozás a találmány szerinti eljárás alkalmazásával kis fordulatszámok vagy nyugalmi helyzet mellett is végrehajtható forgórész és/vagy fluxus helyzetének a szabályozására forgórészhelyzet-jeladó vagy tachogenerátor nélkül.

A találmány szerinti eljárás során előnyös, ha a matematikai számítások során az alábbi fordulatszámés/vagy terhelésfüggő, előnyösen lineáris korrekciós számítást hajtunk végre:

y(konigált)=y+Ay(fordulatszám, terhelés).

A fordulatszámnak és a terhelésnek a vezetőképesség értékére való hatását a fenti fordulatszám- és terhelésfüggő, előnyösen lineáris korrekciós függvényekkel lehet figyelembe venni a pontosság növelése céljából, ahol a korrekciós függvényeket egy referenciamodell segítségével, például egy, az aszinkron gépeknél az ismert fluxusmodell szerint, vagy szinkron gépeknél például egy referencia-fordulatszámjeladó, például egy elfordulásiszög-mérő segítségével, a gép típusának megfelelően.

A találmány szerinti eljárás során kapott fluxusés/vagy forgórészhelyzetszögeket bemeneti paraméterekként egy, a háromfázisú váltakozó áramú gép szabályozására szolgáló gépmodellben on-líne módon is bevihetjük. Ilyen módon ennek a találmány szerinti eljárásnak az alkalmazása funkcionálisan egyértelmű.

A találmány szerinti eljárást a továbbiakban kiviteli példa kapcsán, a mellékelt rajz alapján ismertetjük részletesebben.

Az 1. ábrán egy 8 háromfázisú váltakozó áramú gép szabályozására kiképezett elrendezés tömbvázlatát mutatjuk be.

Az 1. ábrán látható egy 1 egyenirányító, amelynek 2 váltakozó feszültségű bemenete egy- vagy háromfázisú váltakozó feszültségű hálózatra van csatlakoztatva. Az 1 egyenirányító 3 egyenáramú kimenete egy zk közbenső körön keresztül egy 4 inverter bemenetére van csatlakoztatva, amelynek 5 félvezető kapcsolóelemei hídba vannak kapcsolva. A zk közbenső kör bemeneti Uzk feszültsége egy, az 1 egyenirányító 3 egyenáramú kimenetére csatlakoztatott 6 kondenzátoron mérve van egy 7 mérő- és vezérlőegység egyik bemenetére csatlakoztatva. A zk közbensőkörben folyó Izk áram egy, a zk közbenső körbe sorosan iktatott R ellenálláson keresztül létrehozott U_ik feszültségként a 7 mérő- és vezérlőegység egy másik bemenetére van csatlakoztatva. A 7 mérő- és vezérlőegység 1 egyenirányító pillanatnyi kapcsolási állapotát is érzékeli. A hídkapcsolású 5 félvezető kapcsolóelemeket tartalmazó 4 inverter kimenete a szabályozandó 8 háromfázisú váltakozó áramú gép U, V, W fázisaira van csatlakoztatva. A 4 inverter vezériőbemenete a vezérlőjelét a 7 mérő- és vezérlőegység számítja ki, és a 9 kimenetén keresztül továbbítja a 4 inverterre.

A bemutatott kiviteli alak alapján szakember a találmány szerinti eljárást az eljárási igénypontban foglaltak alapján meg tudja valósítani.

Claims (6)

1. SZABADALMI IGÉNYPONTOK

   1. Eljárás mechanikus fordulatszám-jeladó nélküli, aszinkron vagy szinkron működésű háromfázisú váltakozó áramú gép szabályozására, amelyet egyenirányítóról táplált közbenső körrel táplálunk, és a szabályozáshoz a közbenső körben mért értékek mellett az egyenirányító pillanatnyi kapcsolási állapotára vonatkozó jellemzőt is figyelembe vesszük, azzal jellemezve, hogy aszinkron gépeknél a térirány figyelembevételével történő szabályozáshoz a fluxus irányát, szinkron gépeknél pedig a forgórészirány figyelembevételével történő szabályozáshoz a forgórész helyzetét, a gépben fellépő térbeli mágneses vezetőképesség ingadozásainak segítségével méréstechnikai úton határozzuk meg, és a vezetőképesség-ingadozásokat a közbenső körben mért értékek, elsősorban a közbenső körben mért áramnövekedés és/vagy a közbenső kör feszültsége, valamint az egyenirányító (1) pillanatnyi kapcsolási állapota figyelembevételével határozzuk meg, és a mért értékekből matematikai úton számítjuk ki a fluxus irányát, illetve a forgórész helyzetét.
2. 2. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy közbenső körben az áramnövekedést legalább kétszer mérjük meg, és a mért értékeket a gép állórészfeszültség-egyenleteibe írjuk be, és matematikailag értékeljük ki az adatokat.
3. 3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a legalább két vezetőképesség-mérést végzünk el a tér különböző irányaiban, és a mért értékeket a gép modelljére vonatkozó alábbi egyenletekbe helyettesítjük be:

   y^A=Yközép^+Ay cos(2yA-2y) yB=yközép⁺Ay cos(2yB-2y) yC⁼yközép⁺Ay cos(2yC-2y), ahol γ szög ismert számítási szabályok szerint kiszámítható, a vezetőképesség maximumának megfelelő érték, yA, yB, yC az A, B és C fázisokban mért vezetőképesség, y_közép a vezetőképesség középértéke, Ay a vezetőképesség-ingadozás.
4. 4. Az 1-3. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a méréstechnikai úton mért ve4

   HU 226 336 Β1 zetőképességeket, ugyanazon közbensőköri feszültségnél mérjük.
5. 5. Az 1-4. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy fordulatszám- és/vagy terhelésfüggő, előnyösen lineáris korrekciót végzünk az alábbiak szerint:

   y(korrigált)=y+Á y(fordulatszám, terhelés).
6. 6. Az 1-5. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a meghatározott fluxusra és/vagy forgórészhelyzetre vonatkozó szöget bemeneti paraméterekként visszük be on-line egy, a háromfázisú 5 váltakozó áramú gép (8) szabályozására szolgáló gépmodellbe.