NO875128L - Fremgangsmaate og anordning for drift av en asynkronmotor hvis omloepstall er regulerbart ved hjelp av en styrt vekselretter. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte og en anordning for drift av en asynkronmotor hvis omløpstall er regulerbart ved hjelp av en styrt vekselretter.

Asynkronmotoren er i dag den vanligste forekommende elek-tromotor i maskiner og prosesser. Dette skyldes for en stor del at den er et standardprodukt som fremstilles i store serier og følgelig har en lav pris og er enkel og robust. En ulempe med asynkronmotoren er imidlertid at det er vanskelig å regulere om-løpstallet.

For regulering av omløpstallet på askynkronmotorer har det tidligere vært nødvendig med eksempelvis mekaniske variatorer, hydrauliske koplinger eller seriemotstander. Med disse omløps-tallsregulatorer har imidlertid virkningsgraden ved drift av asynkronmotoren blitt betydelig redusert.

En vesentlig forbedret omløpsregulering av asynkronmotorer oppnås ved at motorens omløpstall styres ved hjelp av en motorspenning med variabel frekvens. For dette formål benyttes det vanligvis en frekvenslikeretter bestående av en likeretter som mates av nettspenningen etterfulgt av en frekvensstyrt vekselretter.

Med denne omløpstallsregulering kan effektbehovet ofte re-duseres og derved spares det energi.

Ved omløpstallregulering ved variasjon av motorspenningens frekvens må samtidig matespenningen forandres dersom dreiemomentet skal være uforandret. En tilpasning av belastningen på motoren, som vanligvis varierer med varierende omløpstall, kan da også inntreffe. Hittil har spenningsforandringen blitt frembrakt ved en eller annen form for forprogrammering, dvs. at til enhver motorspenningsfrekvens hører en forutbestemt verdi av den påtrykte spenningen på motoren. Det innses at med en slik forprogrammering kan motoren kun arbeide med optimal virkningsgrad over hele omløpstallsområdet under forutsetning av at belastningens omløpstallsavhengighet ikke forandres og at forprogrammeringen er korrekt tilpasset til denne omløpstallsavhengighet. Dersom belastningens omløpstallsavhengighet imidlertid forandres over tid, noe som er normalt ved mange anvendelser, oppnås ikke den best mulige virkningsgrad som følge av at den forprogrammerte mate-spenning er ukorrekt.

Som følge av asynkronmotorers forskjellige karakteristikk, dvs. deres dreiemoments avhengighet av magnetiseringsstrømmen, og varierende tap i vekselretteren, er det vanskelig å bestemme den påkrevde spenning for opprettholdelse av et ønsket utgangsdreie-moment. Omløpstallstyrte asynkronmotorer arbeider derfor sjelden med optimal virkningsgrad.

Formålet med den foreliggende oppfinnelse er å frembringe en fremgangsmåte og en anordning for en slik drift av en asynkronmotor hvis omløpstall er regulerbart ved hjelp av en styrt vekselretter, slik at det kan oppnås en optimal virkningsgrad uavhengig av omløpstall og belastning. Ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen oppnås dette formål ved at bør-verdien av faseforskjellen mellom motorspenning og motorstrøm bestemmes som funksjon av spenningsfrekvensen fra vekselretteren samt at spennings-amplityden fra vekselretteren reguleres for å gjøre er-verdien av nevnte faseforskjell lik bør-verdien ved den gjeldende frekvens.

Ved anordningen ifølge oppfinnelsen oppnås formålet idet anordningen kjennetegnes ved en detektor for bestemming av er-verdien av faseforskjellen mellom motorspenning og motorstrøm, en komparator for bestemming av forskjellen mellom nevnte er-verdi og en bør-verdi på nevnte forskjell, hvilken bør-verdi er en funksjon av den avgitte spenningsfrekvens fra vekselretteren, samt en av forskjellen mellom er-verdien og bør-verdien påvirket styreenhet for regulering av vekselspenningsamplityden fra vekselretteren mot likhet mellom er-verdien og bør-verdien ved den gjeldende frekvens.

Ifølge oppfinnelsen utnyttes det forhold at det ved rett magnetisering av motoren, dvs. ved korrekt effektfaktor eller faseforskyvning mellom motorspenning og motorstrøm og dermed korrekt magnetiseringsstrøm, er utgangsdreiemomentet propor-sjonalt med produktet av magnetiseringsstrømmens toppverdi og kosinus av fasevinkelen mellom den påtrykte motorspenning og den tilførte motorstrøm. Videre utnyttes det forhold at den optimale fasevinkel som funksjon av motorens omløpstall er bestemt på for-hånd utifrå motorens optimale fasevinkel ved normalt omløpstall, dvs. ved nettspenningsfrekvenser på 50 eller 60 Hz.

Den utførte bør-verdibestemmelse ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen gjentas ved passende intervaller for å opprettholde en korrekt er-verdi uavhengig av forandringer i frekvens- og motorbelastning. Derved bestemmes bør-verdifunksjonen utifrå bør-verdien ved nominell frekvens for den enkelte motor. Bør-verdi-funksjonen lagres hensiktsmessig permanent og den aktuelle bør-verdi hentes frem fra den lagrede bør-verdifunksjonen. Ekvivalent med utnyttelsen av faseforskjellen er utnyttelsen av en funksjon av denne, f.eks. effektfaktoren som er kosinus til faseforskjellen.

Anordningen ifølge oppfinnelsen omfatter fortrinnsvis et lager for permanent lagring av bør-verdifunksjonen, såsom det be-regnes utifrå bør-verdien ved nominell frekvens for den enkelte motor, og lageret er adresserbart ved hjelp av spenningsfrekvensen fra vekselretteren.

Oppfinnelsen gjør det følgelig mulig å oppnå korrekt mag-netiser ing av motoren uavhengig av omløpstall og belastning. Motoren arbeider følgelig hele tiden med ideell effektfaktor (cosqO eller med nesten ideell effektfaktor. Det avgitte moment blir da også lett å beregne og kan til og med anvendes for regu-leringsformål .

Anordningen ifølge oppfinnelsen kan derfor med fordel om-fatte en beregningsenhet som angir motorens dreiemoment som funksjon av nevnte er-verdi og motorstrømmens amplityde. Anordningen omfatter da videre fortrinnsvis en andre styreenhet for endring av den avgitte spenningsfrekvens fra vekselretteren i avhengighet av motorens dreiemoment. Anordningen kan også utstyres med en indikator for visning av motorens dreiemoment.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det etterfølgende under henvisning til medfølgende tegninger. Fig. 1 viser et diagram for å tydeliggjøre motorens dreiemoment som funksjon av omløpstallet. Fig. 2 viser et blokkskjema som viser en utførelsesform av anordningen ifølge oppfinnelsen. Fig. 3 viser forholdet mellom effektfaktor og motorens om-løpstall. Fig. 4 viser et blokkskjema som viser en mulighet til utbygging av anordningen ifølge fig. 2.

Diagrammet ifølge fig. 1 viser en asynkronmotors dreiemoment som funksjon av omløpstallet ved to forskjellige matespen-ningsfrekvenser og for forskjellige motorstrømmer. Med kurvene A og B vises det også eksempler på en belastnings omløpstallsav-hengighet .

Dersom en kurve I på fig. 1 antas å representere en asynkronmotors aktuelle momentkurve og motorbelastningen har det utseende som er angitt på kurven A, arbeider motoren med et om-løpstall n^, dvs. med et etterslep s = 1 - ng/n^, der nQer det synkrone omløpstall.

Dersom synkron-omløpstallet ved en konstant belastningsav-hengighet ifølge kurven A, økes fra nQtil eksempelvis n2, krever en slik økning i matespenningen at motorens dreiemomentkurve er i overensstemmelse med kurven II på fig. 1. Følgelig blir motorens omløpstall lik n^, slik at det for korrekt magnetisering gjelder at etterslepet skal være stort sett uforandret.

Dersom motorbelastningen ved konstant motorspenningsfrekvens forandres fra en verdi på kurven A til en verdi på en kurve B, så må til og med magnetiseringsstrømmen til motoren forandres for å oppretteholde en optimal motorvirkningsgrad.

Dersom motoren eksempelvis arbeider i skjæringspunktet mellom kurvene I og A på fig. 1 og motorbelastningen synker til kurven B på fig. 1, må motorspenningen og derved motorstrømmen forandres for å opprettholde et dreiemoment ifølge en kurve III på fig. 1, hvorved etterslepet beholdes uforandret og virkningsgraden blir maksimal.

Dersom motoren i stedet har et arbeidspunkt motsvarende skjæringspunktet mellom kurvene II og A, kreves det, ved en senkning av motorbelastningen til den som svarer til kurven B, en reduksjon av motorens dreiemoment svarende til en kurve IV.

Det er således klart at en fast forprogrammering av spen-ningsamplityden fra motoren ikke kan gi den beste virkningsgrad for motoren bortsett fra i unntakstilfeller.

Enhver asynkronmotor har en individuell effektfaktor (cos 9 ) som er angitt av fabrikanten for den nominelle frekvens fg, dvs. vanligvis 50 eller 60 Hz. Med kjennskap til denne effektfaktor-verdi er det mulig å bestemme bør-verdien på effektfaktoren eller faseforskjellen mellom motorspenning og motorstrøm for hver frekvens f innen hele frekvensområdet fra likestrøm opp til maksi-malt omløpstall for motoren. Utseende av denne bør-verdifunksjon hva angår coscp fremgår av fig. 3. Bør-verdif unks jonens utseende frembringes nærmere bestemt ved hjelp av frekvensavhengigheten til asynkronmotorens prinsippielle ekvivalentskjema ved nominell belastning, samt den gitte effektfaktor ved nominell frekvens og den nevnte nominelle belastning. Den blir såo ledes av typen e —k " f, der k er gitt av den individuelle effektfaktor ved f^.

Ifølge oppfinnelsen utnyttes dette at bør-verdien på effektfaktoren eller generelt bør-verdien på faseforskjellen mellom motorspenning og motorstrøm, er bestemt for hver frekvens eller hvert omløpstall. Ved å frembringe den motsvarende er-verdi samt styre matespenningsamplityden avhengig av forskjellen mellom bør-verdien og er-verdien, gjøres er-verdien lik bør-verdien ved gjeldende frekvens.

Utførelsesformen av anordningen ifølge oppfinnelsen ifølge fig. 2 gjennomfører denne regulering. Anordningen omfatter en likeretter 1 som er tilkoplet vekselstrømnettet, og som mater likespenning til en styrt vekselretter 2, som i sin tur driver en asynkronmotor 3. Den angitte spenning fra vekselretteren 2 bestemmes ved hjelp av en spenningsstyreenhet 4, som avgir de nød-vendige styrepulser til vekselretteren 2 avhengig av to inngangs-parametre, nemlig en bør-verdi fbørpå motorspenningens frekvens samt en verdi U pa motorspenningen. Bør-verdien fj30rkan innstil-les manuelt eller automatisk avhengig av en parameter i den pro-sess eller maskin hvor motoren 3 arbeider.

For å frembringe inngangsparameteren U utnyttes følgende enheter. En spenningsdetektor 5 er tilkoplet til enhetens 4 utgang for på sin utgang å danne et signal hvis fase er i overensstemmelse med den påtrykte spenningsfase på motoren. Spennings-detektoren 5 kan eventuelt være tilkoplet til ledningene mellom vekselretteren 2 og motoren 3. En strømdetektor 6 er tilkoplet til en av ledningene mellom vekselretteren 2 og motoren 3 for dannelse av et andre vekselspenningssignal hvis fase er i over ensstemmelse med motorstrømmens fase. Utgangene fra detektorene 5 og 6 er tilkoplet til to innganger til en fasedetektor 7 som er anordnet slik at den på sin utgang avgir et signal <?err som re-presenterer er-verdien av faseforskjellen mellom motorspenning og motorstrøm. Dette signal tilføres en inngang på en komparator 8, hvis andre inngang tilføres bør-verdien av den nevnte faseforskjell. Denne bør-verdi oppnås fra en lagerenhet 9, hvor bør-verdif unks jonen er lagret permanent. Den aktuelle bør-verdi oppnås på utgangen fra lageret 9 ved adressering ved hjelp av fre-kvensens bør-verdi fbørpå lagerets inngang.

På komparatorens 8 utgang oppnås derved forskjellen mellom cpbør °^qersomAt^"De^-^-e signal Aq> tilføres en beregningsenhet 10 som bestemmer en forandring av motorspenningens amplityde på grunnlag av f asef orsk jellens Acfstørrelse og fortegn.

Det innses at anordningen ifølge oppfinnelsen kan regulere den avgitte spenningsamplityde fra vekselretteren på en slik måte at er-verdien av faseforskjellen mellom motorspenning og motor-strøm blir lik bør-verdien av nevnte faseforskjell ved aktuell frekvens. Derved oppnås det automatisk korrekt magnetiseringstrøm 1 motoren uavhengig av omløpstall og belastning.

Ved en forandring av belastningen eller omløpstallet gjen-nomfører anordningen ifølge oppfinnelsen følgelig automatisk en innjustering av amplityden og vekselspenningen fra vekselretteren 2 inntil utgangssignalet fra komparatoren 8 er lik null.

Blokkskjemaet på fig. 4 viser en mulighet for utbygging av reguleringen i anordningen ifølge fig. 2. En beregningsenhet 11 er innrettet til å beregne motorens utgående dreiemoment T, som ved optimal effektfaktor er proporsjonal med motorstrømmens toppverdi I, eksempelvis oppnådd fra strømdetektoren 6 i fig. 2, og effektfaktoren. Enhetens 11 utgangssignal T kan utnyttes for fremvisning i en indikator 12 og kan til og med tilføres en andre komparator 13 for sammenligning med en referanseverdi ^ XB^ på dreiemomentet. Avhengig av resultatet av sammenligningen kan spenningsstyreenheten 4 ved hjelp av en korrigeringsenhet 14 til-føres en korrig^ ert verdi f, korr av frekvensen f,bø<r>

For sammenkopling mellom de ovennevnte beskrevne enheter og anordningen på fig. 2, vises også enhetene 4, 8 og 10 på fig. 4.

Referanseverdien ^ ref på motorens dreiemoment kan eksempelvis representere en maksimalverdi av dette dreiemoment. Ved over-skridelse av maksimalverdien kan korrigeringsenheten 14 eksempelvis frembringe en momentreduksjon gjennom senkning av frekvensen f, i forhold til f. _ .

korr bør

Korrigeringsenheten 14 kan eventuelt utformes til å regulere f, korr på slik måte at AT blir lik null. Dette innebærer at motoren drives ved konstant dreiemoment.

De ovennevnte utførelsesformer av anordningen ifølge oppfinnelsen kan modifiseres på mange måter innen rammen av oppfinnelsen. Oppfinnelsen er således ikke begrenset til den eks-emplifiserte utførelse, men kan eksempelvis realiseres ved hjelp av en mikroprosessor.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte til drift av en asynkronmotor hvis omløpstall er regulerbart, ved hjelp av en styrt likeretter, karakterisert ved at bør-verdien av faseforskellen mellom motorspenning og motorstrøm bestemmes som funksjon av den avgitte spenningsfrekvens fra vekselretteren, og at den avgitte spenningsamplityde fra vekselretteren reguleres for å gjøre er-verdien av nevnte faseforskjell lik bør-verdien ved gjeldende frekvens.

2. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at bør-verdifunksjonen bestemmes ut i fra den gitte bør-verdi ved nominell frekvens for den enkelte motor, og ved hjelp av motorens ekvivalent-skjerna.

3. Fremgangsmåte i samsvar med krav 2, karakterisert ved at bør-verdifunksjonen lagres permanent og den aktuelle bør-verdi hentes fram fra den lagrede børverdifunksjon.

4. Fremgangsmåte i samsvar med et av kravene 1-3, karakterisert ved at effektfaktoren anvendes som et mål på faseforskjellen.

5. Fremgangsmåte i samsvar med et av kravene 1-4, karakterisert ved at bør-verdibestemmelsen gjentas for å opprettholde en korrekt er-verdi uavhengig av forandringer i frekvens og motorbelastning.

6. Anordning for drift av en asynkronmotor (3) hvis omløpstall er regulerbart, ved hjelp av en styrt likeretter (2), karakterisert ved en detektor (7) for bestemmelse av er-verdien av faseforskjellen mellom motorspenning og motorstrøm, en komparator (8) for bestemmelse av forskjellen mellom nevnte er-verdi og en motsvarende bør-verdi, idet bør-verdien er en funksjon av den avgitte speningsfrekvens fra vekselretteren, samt en styreenhet (10) som påvirkes av forskjellen mellom er-verdien og bør-verdien, for regulering av den avgitte vekselspenings-amplityde fra vekselretteren mot likhet mellom er-verdien og bør-verdien ved gjeldende frekvens.

7. Anordning i samsvar med krav 6, karakterisert ved et lager (9) for permanent lagring av bør-verdifunksjo-nen, såsom bestemt på grunnlag av den gitte bør-verdi ved nominell frekvens for den enkelte motor, og ved hjelp av motorens ekvivalentskjema, idet lageret er adresserbart ved hjelp av spen-ningsf rekvensen fra vekselretteren.

8. Anordning i samsvar med krav 6 eller 7, karakterisert ved en enhet (11) for beregning av motorens vrid-ningsmoment som funksjon av den nevnte er-verdi og motorstrømmens amplityde.

9. Anordning i samsvar med krav 8, karakterisert ved en andre styreenhet (14) for forandring av den avgitte spenningsfrekvens fra vekselretteren avhengig av motorens dreiemoment .

10. Anordning i samsvar med krav 8 eller 9, karakterisert ved en indikator (12) for visning av motorens dreiemoment.