SE466425B - Foerfarande och anordning foer start av en elektrisk maskin med varierande reluktans - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 466 425 2 Ett problem, som dock inte har lösts på tillfredsställande sätt med de i dessa skrifter beskrivna utförandena är hur maskinen skall startas.

Eftersom induktansen indirekt är ett mått på reluktansen, utgör de i de nämnda skrifterna beskrivna drivkretsarna exempel på utföranden, som praktiskt kan utnyttjas som grund- val för att åstadkoma start av en reluktansmaskin. Dessa drivkretsar beskrivs icke närmare här. Uppfinningen är emel- lertid inte begränsad till användning tillsammans med dessa drivkretsar utan är giltig för alla system, där reluktansen eller en till denna kopplad storhet kan mätas eller avkännas i maskinens olika magnetkretsar.

Maskiner av den för uppfinningen aktuella typen innefattar en stationär del, här benämnd stator vare sig det rör sig om en roterande eller linjär maskin, och en rörlig del, rotor. Både stator och rotor är normalt utförda i mjukmagnetiskt mate- rial, såsom mjukmagnetiskt järn, med utpräglade tandformade poler. Flödesgenererande lindningar för de olika faserna och polerna är vanligtvis applicerade på statorn, vilket ger en gynnsam drift med avseende på mekanisk uppbyggnad, drift- säkerhet, arbetstemperatur etc, men de kan dock sitta på rotorn istället, om så önskas. I speciella maskinutföranden används en kombination av varierande reluktans och permanent- magneter. Exempel på ett sådant är den s.k. hybrid-steg- motorn.

Gemensamt för maskiner, som utnyttjar varierande reluktans, är att dessa skall styras så, att ström flyter genom maskin- lindningarna, endast när reluktansen för varje enskild lind- ningskrets antingen ökar med rotorlägesändringen, vilket gäller för generatordrift, eller minskar med rotorläges ändringen, vilket gäller för motordrift. Av detta komer det rotorlägesberoende, som diskuterats ovan.

För enkelhets skull beskrivs uppfinningen i fortsättningen endast för roterande maskiner. Allt som beskrivs gäller dock även för linjära maskiner. 10 15 20 25 30 35 3 466 42så Syftet med uppfinningen är att åstadkomma ett förfarande för inkoppling och start av en maskin med varierande reluktans, som går ut på att ta reda på vilken eller vilka faskretsar, som skall inkopplas för att vridmoment skall erhållas i önskad riktning.

Ovan nämnda syfte uppnås med ett förfarande, som erhållit de i patentkravet 1 angivna kännetecknen. Vidareutvecklingar och ytterligare särdrag hos uppfinningen samt en anordning för att utföra förfarandet anges i de övriga patentkraven.

Enligt uppfinningen avkänns reluktansen i maskinens magnet- kretsar, vilket ger information om rotorns absolutläge inom en reluktanscykel. Genom den för uppfinningen karakteristiska metoden att avkänna och behandla denna information, kan alltid rätt faskrets väljas så, att maximalt moment erhålles i önskad riktning. Metoden utgår från att reluktanscykeln kan indelas i ett visst antal zoner, där varje zon har ett unikt storleksförhållande mellan reluktansvärdena för de olika faserna. För att bestämma i vilken av dessa zoner rotorn befinner sig, jämförs de uppmätta värdena med varandra så, att storleksordningen fastläggs.

I första hand lämpar sig förfarandet enligt uppfinningen för maskiner av ovan mämnda typ, vilka ej är försedda med fysiska rotorlägesgivare, men förfarandet kan även tillämpas för maskiner, i vilka rotorlägesgivare med begränsad funktion utnyttjas.

Uppfinningen förutsätter, att det sker mätning eller avkän- ning av reluktansen eller en till denna kopplad storhet, t.ex. induktansen, i maskinens olika magnetkretsar. Denna mätning eller avkänning görs på sådant sätt, att information om rotorläget erhålles, sådan att inkoppling av maskinen kan ske på ett tillförlitligt sätt utifrån denna information.

Därigenom uppnås önskat drifttillstånd hos maskinen, t.ex. maximalt moment i önskad drivriktning, om maskinen är en drivmotor. i 10 15 20 25 30 35 466 425 Kort figgrbeskrivning Uppfinningen beskrivs närmare nedan under hänvisning till de bifogade ritningarna, där a fig. 1 visar schematiskt ett diagram över induktans och statiskt moment som funktion av rotorläget för en reluktansmotor med tre separata faser med var sin lindningskrets, visar schematiska kurvor över induktansen och zonindelningen för de tre olika faserna i samma maskin som i fig. 1 i ett och sama diagram, visar diagram över uppmätta kurvor över det verkliga statiska momentet och den verkliga induktansen-för en tillverkad 3-fas SR-motor av en typ för vilken uppfinningen är avsedd, och visar en utföringsform av en styranordning för en reluktansmotor för att utföra förfarandet enligt uppfinningen. a fig. 2 fig. 3 fig. 4 Detaljerad figgrbeskrivning I fig. 1 visas schematiska kurvformer för statiskt moment T streckat och för induktans L heldraget för en trefas reluk- tansmaskin, vilken har en reluktanscykel, som kan indelas i sex zoner zon 1 - zon 6. Kurvorna för de tre faserna Fas 1, Fas 2 och Fas 3 visas separat i tre olika diagram under varandra. I figuren ser man att zongränserna utgörs av de lägen, där två faser har lika stort värde på induktansen.

Induktansen är omvänt proportionell mot reluktansen.

Varje zon har en unik kombination av induktansnivåerna (dvs likaså av reluktansnivåerna) i de olika faserna. Detta gäller oberoende av antalet faser i maskinen. Exempelvis har en maskin med fyra faser åtta olika zoner inom varje reluktans- cykel. Detta förhållande utnyttjas för att avkänna absolut- läget i reluktanscykeln, så att inkoppling kan ske av rätt faslindningskretsar för önskat drifttillstånd. Vilken eller vilka av faskretsarna, som skall inkopplas inom varje zon, bestäms utifrån kurvor över uppmätta värden av det statiska momentet Tin (se fig. 3). I de i fig. 1 visade kurvorna över 10 15 20 25 30 35 S, 466 425 f momentet T kan man utläsa, att för zonerna 1 och 2 ger till- koppling av drivspänning för Fas 3 drivning i framriktningen under det att drivning av Fas 2 skulle ge drivning i back- riktningen, för zonerna 3 och 4 ger tillkoppling av drivspän- ning för Fas 1 drivning i framriktningen och drivning av Fas 3 drivning i backriktningen, och för zonerna 5 och 6 till- koppling av drivspänning för Fas 2 drivning i framriktningen och drivning av Fas 1 drivning i backriktningen.

I den sammansatta fig. 2, där induktansen för Fas 1 visas heldraget, induktansen för Fas 2 visas streckat, och in- duktansen för Fas 3 visas prickat, ser man att geno att avkänna vilken fas som har den lägsta, mellersta, respektive den högsta induktansen, kan man klargöra, i vilken rotor- lägeszon rotorn står, eftersom varje zon har en unik kombina- tion av dessa induktans-storleksförhållanden.

Normalt måste rotorlägena kring de zongränser, där det sta- tiska momentet T för en fas har sin nollgenomgång, behandlas speciellt. Orsaken är, att man kring dessa lägen p.g.a. mätningarnas ofullkomlighet, riskerar att erhålla ett fel- aktigt riktat vridmoment från den fas, vars statiska moment T växlar tecken vid zongränsen. Han inför därför marginaler för mätningarna kring dessa lägen, så att denna risk elimineras.

Praktiskt görs detta så, att det, när de inledande jämförel- serna visat på en viss zon, utförs ytterligare jämförelser för att verifiera zon-läget. Först adderas eller subtraheras ett konstant värde till eller från det uppätta induktans- värdet för en av de faser, som utgör den ena zongränsen, varefter de inledande jämförelserna upprepas. m nu jämförel- serna visar på en annan zon, så står rotorn nära en zongräns.

Då väljs den zon, vars faskombination säkert ger drivmoment 1 önskad riktning. Om jämförelserna visar på samma zon som tidigare, utförs likadana jämförelser för den andra zon- gränsens faser för att se, om rotorn står nära denna zon- gräns.

I maskiner med fler än tre faskretsar kan det räcka med att mäta induktansen i endast tre av faskretsarna för att erhålla 10 15 20 25 30 35 466 425 ß säker start, om inte kraven är så höga. Dock erhålls då inte maximalt moment i alla lägen p.g.a. den sämre upplösningen, som blir resultatet av en sådan förenkling, I vissa fall, när kraven är tillräckligt låga, kan det t.o.m. räcka med att mäta induktansen i endast två faser.

Diagramen i fig. 1 och 2 visar principiella diagram. Dia- grammen i fig. 3 visar verkligt uppmätta diagram. Man ser här att speciellt Tfln har annan form än den ideala, men in- kopplingen av de ovan beskrivna faserna med ledning av erhål- len zon ger den avsedda drivningsriktningen. Ovan har enbart beskrivnits inkoppling av drivning för en enda av faserna, men det är uppenbart att det går att koppla in alla faser som medför drivning åt det önskade hållet samtidigt, t.ex. in- koppling av båda faserna 1 och 3 vid fall av indikerad zon 2.

Eftersom reluktansen är omvänt proportionell mot induktansen kan naturligtvis mätvärden på reluktansen användas i stället för mätvärden på induktansen. Även annan storhet, som har en entydig relation till reluktansen, kan givetvis utnyttjas.

Fig. 4 visar ett utförande på en krets, som är användbar för att utföra förfarandet enligt uppfinningen. Denna krets är densamma som den som visas i.US 4 868 478 (motsv.) med sama sökande som för denna uppfinning. Det som skiljer den krets, som används för föreliggande uppfinning, från den som be- skrivs i det angivna patentet är programvaran i den ingående mikroprocessorn, vilken utför de ovan angivna jämförelserna.

Eftersom uppfinningen skall användas vid start-ögonblicket för att undersöka motorns rotationslägesvinkel, är ingen lindning spänningsmatad, utan mikroprocessorn pulsmatar varje lindning, vars induktans skall undersökas på det sätt, som beskrivs i SE 8604308-0, successivt och gör jämförelsen på de induktanser, som erhållits vid de successiva mätningarna.

Fig. 4 visar tre faslindningar Fl, F2 och F3 hos statorn hos en trefas reluktansmotor. Uppfinningen är på intet sätt begränsad till antalet faser hos motorn. Motorn drivs av en 10 15 20 25 30 35 466 42s “ 2 likspänning +V. Mellan nollpunkten och spänningskällans plus- pol ligger faslindningen Fl i en krets innefattande ett strömätningsmotstånd Rl, emitter-kollektor-sträckan hos en effekttransistor Tal, faslindningen Fl och en effekttransis- tor Tbl.

I kretsen styrs den undre transistorn Tal till bottning under hela den tid faslindningen Fl skall ha drivning, under det att den övre transistorn Tbl pulsas under fasens drivinter- vall på det sätt, som är vanligt för switchade reluktansmoto- rer, där varje drivpuls för en fas uppdelas i delpulser.

Eftersom inte motorns drivning utgör någon del av själva uppfinningen, komer den icke att beskrivas närmare.

En diod Dal är kopplad med anoden till nollpunkten och med katoden till den från transistorn Tal vända delen av faslind- ningen Fl för att upprätthålla strömmen genom faslindningen Fl genom hela drivpulsintervallet. En diod Dbl är kopplad med anoden till den från transistorn Tbl vända delen av fas- lindningen Fl och katoden till plus-polen för att ge en strömkrets med snabb bortledning av strömmen i faslindningen Fl, så snart transistorn Tal frånkopplas, dvs spärras.

De övriga faslindningarna F2 och F3 är inkopplade i var sin krets av samma typ. Sålunda är faslindningen.F2 inkopplad i en krets med ett strömmätningsmotstånd R2, två effekttransis- torer Ta2 och Tb2 och två dioder Da2 och Db2. Faslindningen F3 är inkopplad i en krets med ett strömätningsmotstånd R3, två effekttransistorer Ta3 och Tb3 och två dioder Da3 och Db3.

Från- och tillslag av transistorerna styrs av en styrenhet 1 i form av en mikrodator. Styrenheten l har sex utgångar, vilka via var sin förstärkare 2, är anslutna till styret på var sin av transistorerna Tal, Ta2, Ta3, Tbl, Tb2, Tb3, i och för individuell styrning av dessa.

Induktansnivån avkänns successivt i varje fas, som skall undersökas, dvs alla faserna i ett trefasarrangemang. Detta l0 15 20 25 30 35 466 425 Y utförs såsom angivits ovan för att detektera vilken fas, somå har det högsta, det mellersta resp. det lägsta induktans- värdet, vilket ger en indikation på inom vilken zon rotor- lägesvinkeln d befinner sig (se fig. 2).

Eftersom rotorn står stilla, och ingen fas har drivström, matas från styrenheten 1 kortvariga pulser till styrena på båda effekttransistorerna Tai och Tbi i drivkretsen för lindningen Fi i den fas Fas i, som skall undersökas. Varje puls har en bestämd varaktighet, som är liten i förhållande till periodtiden, så att strömmen i den övervakade lindningen hinner gå ner till noll mellan varje puls. I slutet av varje puls mäts strömen av en till en ingång på styrenheten l kopplad analog/digital-omvandlare 11. Strömstigningen under varaktigheten T hos varje puls ger ett mått på den momentana induktansnivån i den övervakade lindningen. En multiplexenhet 5 har därför tre ingångar kopplade över var sitt av motstån- den Rl, R2 och R3, vilka alla har samma reistans.

Multiplexenheten 5 har också en fjärde ingång kopplad till en spänningsdelare med motstånden Rx och Ry kopplad mellan matningsspänningen +V och jord. Spänningen U' över motståndet Ry är proportionell mot matningsspänningen +V. Såsom angivits i US 4,520,302 och SE 8604308-0 kan matningsspänningen vari- era, dels på grund av vanliga spänningsvariationer, dels på grund av det spänningsrippel, som uppkommer i de fall då +V är en likriktad växelspänning, varför det kan vara lämpligt att efter varje värde på spänningen över något av motstånden R1, R2 eller R3 undersöka drivspänningens värde för att erhålla riktigt resultat på induktansen, eftersom beräkningen av denna sker genom att approximera ekvationen (U-Ri)=d(L*i)/dt som beskriver förhållandet spänning-ström för en spole med resistansen R, induktansen L, genomfluten ström i och pålagd spänning U med U=L*di/dt 10 15 20 25 30 35 q vilket för en motorlindning är en god approximation för små strömmar i och låga motorvarvtal, dvs litet dL/dt. Vidare förutsätts att di/dt=(i,-i,)/(t,-t1) (1) _ där i, betecknar strömen vid tz och il betecknar strömen vid ti för kort tid T=(t,-ti). Här är i1=0 och i, är strömnivån vid sluten av den till den övervakade faslindningen tillförda pulsen. Spänningen U motsvaras av drivspänningen +V. In- duktansen beräknas således som: L=v/ ( iz/'r ) =v*¶'/i, .

Risken för spänningsfluktuationer just vid undersökningen vid startögonblicket är relativt liten, varför det i och för uppfinningen kan vara onödigt att undersöka spänningen över Ry för varje undersökt fas. Det är emellertid ingen nackdel att göra den extra undersökningen av U', som ju är propor- tionell mot +V och det kan vid samtidig användning av den styrning, som beskrivs i patent nr US 4,868,478 innebära enklare programvara att ha den med, eftersom denna extra undersökning där ändå skall göras när väl maskinen har star- tat, varför båda fallen med och utan extra undersökning av U' kan användas.

Mnltiplexenheten 5 styrs av styrenheten 1 med en digital signal för att ange vilken av multiplexenhetens 5 ingångar, som skall kopplas till dess utgång. Signalen från enheten 5 matas till A/D-omvandlaren 11. Styrenheten 1 pulsstyr faserna i tur och ordning och styr för varje fas multiplexenheten 5 och analog/digitalenheten 11 så att spänningen över fasmot- ståndet Ri i den just undersökta fasen i via multiplexenheten 5 matas till analog/digital-omvandlaren 11 vid tiden T efter pulsstart i den ifrågavarande fasen. Enheten l avläser den digitala signalen på omvandlarens 11 utgång och dividerar den med resistansen för motståndet Ri för att få värdet på fas- strömmen i och beräknar induktansen enligt den ovan angivna ekvationen (1). Efter en genomgången pulsstyrcykel med beräk- ning av induktansen i alla undersökta faser, utför enheten 1 en undersökning av den inbördes storleksordningen hos induk- 4es 425,' 466 425 /0 tanserna och ger drivspänning till den fas, som ger vrid- moment i den önskade riktningen i enlighet med ett lagrat preferensschema och utför dessutom de beräkningar, som be- skrivts ovan i anslutning till fig 1-31 Något flödesdiagram för dessa beräkningar ges ej, eftersom det är utomordetligt enkelt för en ordinär programerare att göra ett program med hjälp av de uppgifter, som har givits i texten.

Många modifieringar är möjliga inom ramen för uppfinningen.

Claims (7)

10 15 20 25 ¿;0 35 466 425," ll Patentkrav

1. Förfarande för start av en elektrisk maskin med tre eller flera faskretsar (Fas 1 - Fas 3) med varierande reluktans i beroende på läget hos en rörlig del i förhållande till en stationär del hos maskinen, för att ge val av vilken eller vilka av faskretsarna, som skall inkopplas för att ge vrid- moment i en önskad riktning, k ä n n e t e c k n a t av att maskinens reluktanscykel indelas i ett antal rotorläges- vinkelzoner (zon 1 - zon 6), där det för en storhet med entydig relation till maskinens reluktansvärde i åtminstone två av maskinens faskretsar finns en entydig relation mellan dessa storheter inom varje zon; att mätning av storheten sker i de faskretsar, som är relevanta; att jämförelse av de uppmätta storheternas inbördes storleksförhållanden fast- ställs och därigenom zonen, vilket ger den rörliga delens läge i förhållande till den stationära delen; och att inkopp- ling görs med ledning av den erhållna zonen av den eller de faskretsar, som ger drivning i den önskade riktningen.

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att mätningen av storheten utförs i alla faskretsarna.

3. Förfarande enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k - n a t av att efter fastställandet av zonen utförs ytter- ligare jämförelse mellan storheterna för att verifiera den erhållna zonen och avkänna om zonläget befinner sig nära den ena eller den andra av zonens gränser genom att för de av faskretsarna, vilka bestämer zongränserna, addera eller subtrahera de erhållna aktuellt uppmätta värdena med ett konstant värde före jämförelsen.

4. Anordning för start av en elektrisk maskin med tre eller flera faskretsar med varierande reluktans i beroende på läget hos en rörlig del i förhållande till en stationär del hos ma- skinen, för att ge val av vilken eller vilka faskretsar, som skall inkopplas för att ge vridmoment i en önskad riktning, varvid anordningen innefattar en beräknings- och styrenhet 0466 425 10 15 20 25 30 35 12 (1), som är kopplad till styrorgan (Tal, Tbl; Ta2, Tb2; Ta3, Tb3) för de olika faskretsarna och som är kopplad att avkänna en storhet med entydig relation till den rådande reluktansen i var och en av faskretsarna, k ä n n et e c k n a d av att beräknings- och styrenheten (1) i tur och ordning för rele- vanta av faskretsarna avkänner den nämnda storheten och där- efter fastställer storleksförhållandena mellan de avkända storheterna och fastställer inom vilken rotorlägeszon maskin- ens rörliga del befinner sig i relativt den stationära delen av ett antal rotorlägesvinkelzoner maskinens reluktanscykel är indelad i, där det inom varje zon finns en entydig rela- tion mellan storheterna; och att beräknings- och styrenheten (1) med ledning av den erhållna zonen, och därav följande lä- ge mellan maskinens rörliga del i förhållande till dess sta- tionära del, aktiverar inkoppling av den eller de av faskret- sarna, som ger drivning i den önskade riktningen.

5. Anordning enligt krav 4, i vilken beräknings- och styren- heten (1) är kopplad att via en styrbar multiplexenhet (5) avkänna en storhet proportionell mot strömmen i var sin av faskretsarna, k ä n n e t eic k n a d av att beräknings- och styrenheten (1) är anordnad att i tur och ordning under- söka induktansen i varje faskrets genom att styra den aktu- ella faskretsen till tillslag under en tid med i förväg bestämd varaktighet och avkänna faskretsens ström vid slutet av tillslagstiden.

6. Anordning enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a d av att beräknings- och styrenheten (1) är anordnad att beräkna induktansen L i varje faskrets med ekvationen L=V*T/iz, där V är fasens drivspänning, T är den i förväg bestämda varak- tigheten och i, den avkända strömen vid slutet av tillslags- tiden.

7. Anordning enligt krav s eller si, ik ä n n et e e k - n a d .av att beräknings- och styrenheten (1) efter faststäl- landet av zonen är anordnad att utföra ytterligare jämförelse mellan storheterna för att verifiera den erhållna zonen och med en inbyggd logisk operation bestämma om zonläget befinner 466 42sf 13 sig nära den ena eller den andra av zonens gränser genom att för de av faskretsarna, vilka bestämmer zongränserna, addera eller subtrahera de erhållna aktuellt uppmätta värdena med ett konstant värde före jämförelsen.