SE517013C2 - Anordning och förfarande för att uppskatta hastigheten hos en släpringad asynkronmaskin samt användning - Google Patents

Description

25 30 35 517 015 o . ø . nu tiska sensorer. Emellertid är takometrar tillsammans med tillhörande nödvändig utrustning mekaniskt känsliga och er- fordrar ett stort utrymme.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en anordning och ett förfarande för att uppskatta hastigheten hos en släpringad asynkronmaskin, vilka nöjliggör en upp- skattning av rotorhastigheten med en hög precision och att samtidigt tillhandahållas en produkt, vilken är lätt och en- kel att använda i ett styrsystem.

Detta syfte uppnås enligt den inledningsvis nämnda anord- ningen, vilken. kännetecknas av' att anordningen innefattar ett mätorgan som är inrättat att mäta värdet av spänningen i rotorlindningen under åtminstone en tidsperiod och en beräk- ningsenhet som är inrättad att beräkna ett värde av rotor- hastigheten med hjälp av den ovan uppmätta spänningen. Genom mätning av spänningen under en tidsperiod är det möjligt att erhålla ett värde av spänningen under tidsperioden. Från så- dana. värden är det möjligt att analysera svängningen hos spänningen under tidsperioden och beräkna spänningsfrekven- sen med hjälp av beräkningsenheten. Med kännedom om den be- räknade spänningsfrekvensen är det lätt att beräkna efter- släpningen och därefter rotorhastigheten med hjälp av beräk- ningsenheten.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen är mätor- ganet inrättat att avge en signal motsvarande värdet av nämnda uppmätta spänning och att anordningen innefattar en signalbehandlare, vilken är inrättad att avlägsna brus fràn signalen före nämnda beräkning. I de flesta fall är spän- ningssignalen mycket fluktuerande beroende på störningar.

Därmed. kan en signalbehandlare användas för att avlägsna brus från den uppmätta spänningssignalen innan en framgångs- o o n » o u - oo 10 15 20 25 30 35 517 013 rik beräkning är möjlig. En sàdan signalbehandlare kan inne- fatta en analog signalbehandlingsenhet. I denna analoga sig- nalbehandlingsenhet transformeras och filtreras en. analog signal. Detta kan utföras med, exempelvis, operationsför- Företrädesvis kan A/D- omvandlaren omvandlar signalen från en analog signal till en stärkare och resistorkondensatornätverk. signalbehandlaren även innefatta en A/D-omvandlare. digital signal med hjälp av, delta filter. exempelvis, höghastighet sigma Slutligen kan signalbehandlaren innefatta en digital signalbehandlingsenhet. I den digitala signalbehand- lingsenheten utförs en digital filtrering av signalen. Den utgående signalen från signalbehandlaren är nu relativt tyd- lig. Därmed kan beräkningsenheten med hög precision beräkna frekvensen hos rotorspänningen och efter det eftersläpningen och slutligen rotorhastigheten. Företrädesvis beräknar be- räkningsenheten spänningsfrekvensen, eftersläpningen och ro- torhastigheten med hjälp av en matematisk algoritm.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen in- nefattar anordningen medel för att övervaka det beräknade värdet av rotorhastigheten med avsikt att detektera fel i asynkronmaskinens funktion. Sådana fel kan uppstå i maskinen eller resistorerna som är förbundna i en krets med rotorlin- dingen. Även brott hos elektriska kablar i närheten av ma- Företrädesvis är nämnda medel inrät- Pâ det sättet är det möjligt att detektera ett fel i en asynkronmaskin av skinen kan detekteras. tade att övervaka ett antal asynkronmaskiner. fyra, exempelvis i. en kran. Därigenmn är det möjligt att förhindra att arbetande asynkronmaskiner arbetar med ett för högt vridmoment, vilket kan förkorta deras livslängd. Med avsikt att ge information till en operatör kan ett visnings- organ vara inrättat att visa förstálig information avseende asynkronmaskinens tillstànd.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är anordningen en del av ett styrsystem för en släpringad syn- 10 15 20 25 30 35 517 o 1 z - kronmaskin, vilket styrsystem innefattar en styrenhet som är inrättad att använda det beräknade värdet av rotorhastighe- I ett sådant styrsystem är anordningen följaktligen mycket användbar med ten med avsikt att styra asynkronmaskinen. avsikt att möjliggöra en exakt styrning av asynkronmaskinen.

En sådan styrenhet kan vara inrättad att styra en tyristor- anordning med avsikt att tillföra nämnda trefasspänning och ström till statorn. Den matade spänningen och strömmen är inte i detta fall alltid sinusformad. Styrenheten kan vara inrättad att erhålla en styrsignal från ett manöverdon som är manövrerat av en operatör. Ett sådant manöverdon kan in- nefatta en eller flera joystick. Med hjälp av positionen hos joysticken kan operatören förflytta en last med kranen i en önskad riktning och med en önskad hastighet.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen in- nefattar styrsystemet ett visningsorgan, vilket är inrättat att visa förstålig information avseende asynkronmaskinens tillstånd. Exempelvis kan rotorns hastighet, axelns vridmo- ment, statorns ström och spänning visas. Annan förstålig in- formation som kan visas är om fel uppstår, exempelvis, i ma- skinen, kablar eller tyristorer.

Uppfinningen innefattar även en metod för att uppskatta ett elektromagnetiskt vridmoment hos en släpringad asynkronma- skin. Metoden är relaterad till den inledningsvis definiera- de maskinen och innefattar steget att mäta värdet av spän- ningen i rotorlindingen under åtminstone en tidsperiod och att beräkna ett värde av rotorhastigheten med hjälp av den ovan uppmätta spänningen. Genom att mäta värdet av spänning- en under en tidsperiod kan spänningens svängningsperioder under tidsperioden bestämmas och genom det eftersläpningen och slutligen rotorhastigheten.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen in- nefattar metoden steget att avge en signal motsvarande vär- 10 15 20 25 30 35 51 7 01 3 :mf det av nämnda uppmätta spänning och att avlägsna brus fràn I de flesta fall fluktuerar den uppmätta spänningen en hel del signalen j. en signalprocessor före nämnda beräkning. beroende pà störningar och svängningsperioderna hos spän- ningen är svára att bestämma. Av den anledningen är ett av- lägsnande av brus från signalen nödvändigt för att erhålla en tydlig signal från vilken spänningsfrekvensen kan beräk- nas. Förfarandet innefattar därmed steget att avlägsna brus fràn signalen i en analog signalbehandlare. Den utgående signalen från ett mätorgan är ofta en analog signal och ett avlägsnande av brus från signalen i en analog signalbehand- lare är nödvändigt. Därefter kan förfarandet innefatta ste- get att omvandla den analoga signalen till en digital sig- nal. Med avsikt att förenkla beräkningen av spänningsfre- kvensen är en digital signal att föredra framför en analog signal. Slutligen kan avlägsnandet av brus från signalen in- nefatta steget att avlägsna brus fràn signalen i en digital signalprocessor. I detta fall filtrerar ett digitalt filter signalen.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen in- nefattar förfarandet steget att beräkna rotorhastigheten med hjälp av en utgående signal från signalbehandlingsenheten.

Den. utgående signalen frán signalbehandlingsenheten är :nl ganska tydlig. Därför är det möjligt att beräkna spännings- frekvensen från denna signal och genom det eftersläpningen och slutligen rotorhastigheten. Företrädesvis är denna be- räkning utförd med hjälp av en matematisk algoritm.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen in- nefattar förfarandet steget att övervaka det beräknade vär- det av rotorhastigheten med avsikt att detektera fel i asyn- Därmed erhålls en effektiv detekte- ring av fel i asynkronmaskinen. kronmaskinens funktion. 10 15 20 25 30 35 0 uuooø» 517 013 0 ons» n n un annu- o v - I oo 0 som uuqo anno 1 -uco» øcoo | ou.. n n n I 1 nu o KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA I det följande beskrivs uppfinningen med hjälp av exempel med hänvisning till bifogade ritningar, på vilka Fig 1 visar schematiskt ett styrsystem som använder en anordning enligt uppfinningen för att uppskatta rotorhastigheten, Fig 2 visar schematiskt signalbehandlaren i Fig 1, Fig 3 visar schematiskt användningen av en övervakningsanordning, som övervakar tillståndet hos fyra asynkronmaskiner.

DETALJERAD BESKRIVNING AV EN FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM AV UPPFINNINGEN Fig 1 visar schematiskt ett styrsystem som använder en an- ordning för att uppskatta rotorhastigheten hos en släpringad asynkronmaskin 1. Företrädesvis kan nämnda styrsystem använ- das för* att styra ett godtyckligt antal asynkronmaskiner, exempelvis, fyra asynkronmaskiner 1 i en kran. Asynkronma- Statorn 2 har en statorlindning och rotorn 3 har en rotorlindning. skinen 1 innefattar en stator 2 och en rotor 3.

Asynkronmaskinen 1 matas med trefasspänning och ström me- delst kablar 4a-c. Den tillförda trefasspänningen och ström- men till statorlindningen genererar ett variabelt magnetiskt flöde, ningen i. rotorlindningen åstadkommer ett elektromagnetiskt som inducerar en spänning i rotorlindningen. Spän- vridmoment, vilket driver rotorn 3 med en rotorhastighet med en eftersläpning i förhållande till rotationshastigheten hos En krets 6, ett flertal resistorer 7 är förbunden med var fas hos rotor- det variabla magnetiska flödet. som inkluderar lindningen. Kretsarna 6 inkluderar ett önskat antal resisto- rer 7. En kopplingsanordning 8 är anordnad i kretsarna 6 för att förbinda ett önskat antal resistorer i kretsarna 6 med avsikt att variera resistansen. 1 -nan lO 15 20 25 30 35 517 013 En tyristoranordning 9 är anordnad för att styra tillförseln av spänning och ström till statorn 2. Tyristoranordningen 9 består av ett par tyristorer i varje fas. Genom användningen av sådana tyristorer kan spänningen till statorn reduceras kontinuerligt från full linjespänning till noll. En styren- het 10 är anordnad att styra tyristoranordningen. En sádan styrenhet 10 kan vara en mikroprocessor eller en dator, som befaller tyristorerna att koppla till ett tillslaget läge genom att justera triggerpulsarnas faspositionen, följaktli- gen tillföra mer eller mindre statorspänning.

En operatör av, exempelvis, en kran är med hjälp av ett ma- növerdon, vilket kan vara åtminstone en joystick 11, inrät- tad att styra rörelsen av en last som lyfts av kranen. Ope- ratören. kan. med hjälp av joysticken styra spänningen och strömmen som tillförs till asynkronmaskinen J. och således lasten som lyfts av kranen. Operatören manövrerar joysticken 11 till en önskad position för att styra rörelsen av lasten.

Därmed sänds en signal som är relaterad till positionen hos joysticken 11 till styrenheten 10. Därefter befaller styren- heten tyristoranordningen 9 att tillföra en erforderlig mängd spänning och ström till statorlindningen. På det sät- tet erhåller asynkronmaskinen 1 en önskad hastighet.

Med avsikt att styra hastigheten hos asynkronmaskinen 1 med en hög precision innefattar styrsystemet en första anordning för uppskattning av den aktuella rotorhastigheten. Den för- sta anordningen innefattar ett mätorgan 12. Mätorganet 12 är förbundet med kretsarna 6 för att mäta den inducerade spän- ningen i varje fas i rotorlindningen. Mätorganet 12 mäter rotorspänningen under åtminstone en tidsperiod. Därefter av- ger mätorganet 12 en analog signal som är relaterad till mätvärdet hos rotorspänningen under tidsperioden. Den upp- mätta analoga signalen är ofta fluktuerande beroende på störningar. Signalen kan således inte omedelbart användas för att beräkna frekvensen hos rotorspänningen. Därför leds 10 15 20 25 30 35 517 015 §Ií= ' den utgående signalen från mätorganet 12 till en signalbe- handlare 13. och filtrera signalen med avsikt att avlägsna brus.

Signalbehandlaren 13 är inrättad att omvandla Fig' 2 visar' schematiskt en. signalbehandlare 13. Signalbe- handlaren 13 innefattar i detta fall en analog signalbehand- lingsenhet 14. Den. analoga signalbehandlingsenheten. 14 är inrättad att tillhandahålla en analog omformning och filtre- Det kan utföras med hjälp av operationsförstärkare och resistor- ring av den utgående signalen från mätorganet 12. kondensatornätverk. Därefter leds signalen till en A/D- omvandlare 15. A/D-omvandlaren omvandlar den analoga signa- len till en digital signal. Slutligen innefattar signalbe- handlaren 13 en digital signalbehandlingsenhet 16. Den digi- tala signalbehandlingsenheten 16 innefattar digitala filter och utför en digital filtrering av signalen. Den utgående signalen från signalbehandlaren 13 är nu relativt tydlig och huvudsakligen fri från störningar. Den utgående signalen leds till en beräkningsenhet 17. Beräkningsenheten 17 beräk- nar frekvensen hos rotorspänningen med hjälp av denna sig- beräk- nas sedan beräkningsenheten 17 eftersläpningen hos asynkron- nal. Med kännedom om frekvensen hos rotorspänningen, maskinen 1 och slutligen rotorhastigheten. Beräkningsenheten 17 använder en matematisk algoritm för dessa beräkningar.

Därefter avger beräkningsenheten 17 en signal som är relate- rad till det aktuella värdet hos rotorhastigheten till en styrenhet 10. Beräkningsenheten 17 och styrenheten 10 kan vara delar av en mikroprocessor eller en dator. Denna första anordning som uppskattar den aktuella rotorhastigheten kan vara mycket kompakt och erfordrar därför bara ett litet ut- rymme.

Med avsikt att styra rotorhastigheten med en ytterligare precision innefattar styrsystemet en andra anordning för att uppskatta det aktuella elektromagnetiska vridmomentet hos asynkronmaskinen 1. Den andra anordningen innefattar mätut- 10 15 20 25 30 35 a a o o | o» 517 013 šïï” rustning 18. Mätutrustningen 18 är inrättad att mäta åtmin- stone två faser' hos spänningen. och. strömmen som tillförs till statorn 2. Om asynkronmaskinen 1 är förbunden med en konventionell trefas krafttillförsel, exempelvis på 380 V, kan värdet hos den tredje fasen beräknas från de första och andra faserna. Sådan mätutrustning 12 kan bestå av ström- och spänningstransformatorer~ och en isoleringsförstärkare.

Mätutrustningen 18 är inrättad att sända en utgående signal till beräkningsenheten 17, vilken är relaterad till de upp- mätta värdena hos spänningen och strömmen son: matas till asynkronmaskinen 1. Därmed är beräkningsenheten 17 inrättad att erhålla information avseende aktuell spänning och ström som tillförs till statorn 2. Samtidigt är beräkningsenheten 17 inrättad att erhålla information avseende den aktuella rotorhastigheten från den första anordningen. Beräkningsen- heten 17 kan, genom denna information och kännedom om egen- skaperna hos den specifika asynkronmaskinen 1, beräkna det aktuella elektromagnetiska vridmomentet för asynkronmaski- nen. Beräkningsenheten 17 använder även i detta fall en ma- tematisk algoritm för beräkningen. Denna andra anordning för uppskattning av det aktuella elektromagnetiska vridmomentet kan även vara mycket kompakt och kräver således endast ett litet utrymme.

Styrenheten 10 kan genom informationen avseende det aktuella elektromagnetiska vridmomentet och positionen hos joysticken 11, styra spänningen och strömmen som tillförs till statorn 2 medelst tyristoranordningen 9 med avsikt att styra hastig- heten hos åtminstone en asynkronmaskin. I, exempelvis, en kran kan en operatör manövrera fyra asynkronmaskiner medelst en joystick med avsikt att förflytta en last. Med hjälp av de beräknade värdena av det elektromagnetiska vridmomentet för var och, en av asynkronmaskinerna 1, kan styrsystemet fördela vridmomentet väsentligen likformigt till asynkronma- skinerna 1. 10 15 20 25 30 35 517 013 10 Ett visarorgan 19 är förbundet med styrenheten 10. Visaror- ganet 19 är inrättat att Visa förstàlig information avseende tillståndet hos asynkronmaskinen. 1. Rött varningsljus kan exempelvis aktiveras vid en för hög maskin- eller kabeltem- peratur, rotor/hastighetsfel, överbelastningy för' hög' has- I annat fall kan ett grönt ljus indikera att styrsystemet är OK. Annan förstàlig tighet och tyristoröverbelastning. information som kan visas är motorhastighet, axelvridmoment och statorspänning och ström.

Som nämns ovan kan ett antal asynkronmaskiner 1 användas i en kran för att tillhandahålla en önskad för flyttning av en last som lyfts av kranen. Fig 3 visar schematiskt en över- vakningsanordning som övervakar tillståndet hos var och en av asynkronmaskinerna la-d. Ett mätorgan l2a-d mäter rotor- spänningen hos asynkronmaskinerna la-d. Därefter avger mät- organen l2a-d en signal motsvarande rotorspänningen hos var och en av asynkronmaskinerna la-d. Denna signal kan behand- las i en signalbehandlare 13 innan signalen sänds till be- räkningsenheten 17 och till styrenheten 10. På detta sätt är det möjligt att övervaka funktionen hos var och en av asyn- kronmaskinerna la-d. Därmed är det möjligt att upptäcka ett fel hos någon asynkronmaskin la-d och förhindra de andra asynkronmaskinerna la-d från att arbeta med ett onödigt högt vridmoment.

Med avsikt att minimera motorns förluster är styrenheten 10 inrättad att variera motståndet i kretsarna 6 som svar på På ett sådant sätt minimerar styrenheten 10 strömmen i statorlinningen ge- det beräknade elektromagnetiska vridmomentet. nom att välja så hög resistans som möjligt i kretsarna 6 be- roende på det aktuella elektromagnetiska vridmomentet. Där- med beräknar styrenheten 10 den optimala resistansen i kret- sarna 6 och sänder en styrsignal till kopplingsanordningen 8. Kopplingsanordningen 8 ansluter så många resistorer 7 i ll kretsarna 6 som möjligt beroende pà det aktuella beräknade elektromagnetiska vridmomentet.

Uppfinningen är inte på något sätt begränsad till utförings- formerna som beskrivs pá figurerna utan kan varieras fritt inom patentkravens ramar.

Claims (17)

10 15 20 25 30 35 517 013 12 Patentkrav

1. Anordning för uppskatta hastigheten hos en släpringad (1), vilken har en statorlindning, asynkronmaskin varvid asynkronmaskinen (1) innefattar en stator (1) som är inrättad att matas med trefas spänning och ström för att generera ett variabelt magnetiskt flöde, och en rotor (3) som har en ro- torlindning i vilken det magnetiska flödet är inrättat att inducera en spänning för att åstadkomma ett elektromagne- tiskt vridmoment som driver rotorn (3) med en rotorhastighet med en eftersläpning i förhållande till rotationshastigheten hos det variabla magnetiska flödet och varvid anordningen (12) av spänningen i rotorlindningen under åtminstone en tidspe- innefattar ett mätorgan som är inrättat att mäta värdet riod och att avge en signal motsvarande värdet hos nämnda uppmätta spänning, kännetecknad av att anordningen innefat- tar en signalprocessor (13) (16), från en digital som innefattar en digital sig- nalbehandlingsenhet vilken är inrättad att avlägsna signal motsvarande värdet av (17) inrättad att beräkna ett värde av rotorhastigheten med hjälp störningar nämnda uppmätta spänning, och en beräkningsenhet som är av en avgiven signal från signalprocessorn (13).

2. Anordning enligt krav 1, kännetecknad av att mätorganet (12) är inrättat att avge en analog signal motsvarande vär- det av nämnda uppmätta spänning och att nämnda signalproces- sor (13) innefattar en analog signalbehandlingsenhet (14).

3. Anordning enligt krav 2, (13) kännetecknad av att nämnda sig- nalprocessor innefattar en A/D omvandlare (15).

4. Anordning enligt något av föregående krav, (17) hjälp av en matematisk algoritm. kännetecknad av att beräkningsenheten beräknar rotorhastigheten med lO 15 20 25 30 35 517 013 13

5. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av att anordningen innefattar medel för att övervaka det be- räknade värdet av rotorhastigheten med avsikt att detektera fel hos asynkronmaskinens funktion.

6. Anordning enligt krav 5, kännetecknad av att nämnda medel är inrättade att övervaka ett flertal asynkronmaskiner (1).

7. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av att anordningen är en del av ett styrsystem för en släp- ringad asynkronmaskin, vilket styrsystem innefattar en styr- (10) avd rotorhastigheten med avsikt att styra asynkronmaskinen (1)- enhet som är inrättad att använda det beräknade värdet

8. Anordning enligt krav 7, (10) sikt att tillföra nämnda trefas spänning och ström till sta- torn (2). kännetecknad av att styrenheten är inrättad att styra en tyristoranordning (9) med av-

9. Anordning enligt krav 7 eller 8, (10) är inrättad att erhålla en styrsignal från (11) kännetecknad av att styrenheten ett manöverdon som är manövrerat av en operatör.

10. lO. Anordning enligt något av kraven 7 till 9, kännetecknad (19), information avseende av att styrsystemet innefattar ett visningsorgan vil- inrättat att visa förstålig tillstånd. ket är asynkronmaskinens (1)

11. ll. Eörfarande för att uppskatta hastigheten hos en släp- ringad asynkronmaskin, varvid asynkronmaskinen innefattar en stator (1) vilken har en statorlindning, som är inrättad att matas med trefas spänning och ström för att generera ett va- riabelt magnetiskt flöde, och en rotor (3) som har en rotor- lindning i vilken det magnetiska flödet är inrättat att in- ducera en spänning för att åstadkomma ett elektromagnetiskt 10 15 20 25 30 35 517 015 14 vridmoment som driver rotorn (3) med en rotorhastighet med en eftersläpning i förhållande till rotationshastigheten hos det variabla magnetiska flödet, och varvid förfarandet inne- fattar stegen att mäta värdet av spänningen i rotorlindning- en under åtminstone en tidsperiod och åstadkomma en signal motsvarande värdet hos nämnda uppmätta spänning, känneteck- nat av att förfarandet innefattar de ytterligare stegen att avlägsna störningar i en digital signalprocessor (13)från en digital signal motsvarande värdet hos nämnda uppmätta spän- ning och att beräkna ett värde av rotorhastigheten med hjälp av en avgiven signal från signalprocessorn (13).

12. l2. Förfarande enligt krav 11, kännetecknat av de ytterliga- re stegen att inledningsvis upprätta en analog signal som motsvarande värdet av nämnda uppmätta spänning och avlägsna störningar från den analoga signalen i en analog signalbe- handlingsenhet (14).

13. Förfarande enligt krav 12, kännetecknat av det ytterli- gare steget att omvandla den analoga signalen till en digi- tal signal.

14. Förfarande enligt krav 13, kännetecknat av det ytterli- gare steget att beräkna rotorhastigheten med hjälp av en ma- tematisk algoritm.

15. Förfarande enligt något av krav 11 till 14, kännetecknat ag det ytterligare steget att övervaka det beräknade värdet av rotorspänningen, frekvensen eller hastigheten eller kom- binationer därav för att detektera fel i asynkronmaskinens funktion.

16. Användning av en anordning enligt något av kraven 1-10, med avsikt att styra åtminstone en asynkronmaskin. 517 015 15

17. Användning enligt krav 16, kännetecknad av att åtminsto- ne en asynkronmaskin är styrd med avsikt att förflytta en last.