WO2003038987A1 - Verfahren zum betrieb eines steuergeräts - Google Patents

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Ralf Bartling
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    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a
  • Control device for speed control of an electric motor which control device comprises a frequency converter circuit and a power factor correction circuit and a microprocessor influencing these circuits.
  • Control devices of the type in question are, for example
  • the power factor correction circuit upstream of the frequency converter circuit serves to avoid the repercussions of the non-sinusoidal current consumption of the frequency converter circuit on the power supply network and, in particular, the requirements of the European one serving for this purpose To comply with standard EN 61000-3-2.
  • EP 697 569 B1 discloses a control device for controlling a compressor motor of an air conditioning system, the operating mode described there, however, being based on essentially constant load requirements for the motor.
  • the power factor correction circuit does contain an internal control circuit, which is provided to keep the output voltage constant; However, such a downstream control loop is not able to compensate for abrupt load fluctuations. In extreme cases, a brief drop in the output voltage of the power factor correction circuit can cause the motor to be weakened in the field, which results in the breakdown of the torque and thus the immediate standstill of the motor.
  • the object of the present invention is therefore to provide a method for operating such a control device for regulating the speed of an electric motor, which avoids the disadvantages of the prior art shown.
  • This object is achieved in that the power factor correction circuit is operated as a function of a changing torque requirement and the associated variable power consumption of the electric motor.
  • DSP digital signal processor
  • the power factor correction circuit (1) is set in a sufficiently short time (in the range of a few milliseconds) before the motor is started so that the motor is provided with the full power. This behavior is caused by an external intervention in the voltage control loop
  • Power factor correction circuit (1) realized. As soon as the engine has started, the torque requirement drops drastically. In order to avoid overvoltage, the control loop is intervened again to master load shedding.
  • the speed control loop of the frequency converter circuit (2) is intervened and the maximum possible manipulated variable of the speed controller is reduced.
  • the power can thus be limited to the maximum possible power of the power factor correction circuit (1), so that the same cannot be overloaded.
  • the voltage requirement of an asynchronous machine increases linearly with the speed.
  • the power factor correction circuit (1) only supplies as much voltage as is necessary to operate the motor. The losses in the control unit can thus be reduced.
  • the power factor correction circuit (1) enables operation at mains input voltages that are below the rated voltage of the motor. This means that the device can be operated over a wide input voltage range (in this case, for example from 85 volts to 265 volts). A synchronization of the switching times of the power semiconductors of these two circuit parts is possible by means of the common DSP (3) provided for controlling both the power factor correction circuit (1) and the frequency converter circuit (2).
  • Such a synchronization can, on the one hand, make the measured value acquisition by the DSP much less sensitive to interference, and on the other hand, the synchronization also has a positive effect on the electromagnetic compatibility (EMC) of the control unit by significantly reducing the unwanted radiation of electromagnetic waves.
  • EMC electromagnetic compatibility

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  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Steuergeräts zur Drehzahlregelung eines Elektromotors, welches Steuergerät eine Frequenzumrichterschaltung und eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung sowie einen diese Schaltungen beeinflussenden Mikroprozessor umfaßt.Dadurch, daß die Leistungsfaktorkorrekturschaltung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in Abhängigkeit eines wechselnden Drehmomentbedarfs und der damit einhergehenden veränderlichen Leistungsaufnahme des Elektromotors betrieben wird, ergeben sich wesentliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik.

Description

Verfahren zum Betrieb eines Steuergeräts
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines
Steuergeräts zur Drehzahlregelung eines Elektromotors, welches Steuergerät eine Frequenzumrichterschaltung und eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung sowie einen diese Schaltungen beeinflussenden Mikroprozessor umfaßt.
Steuergeräte der betreffenden Art werden beispielsweise zur
Drehzahlverstellung elektrisch angetriebender Pumpen wie etwa Vakuumoder Kompressorpumpen eingesetzt.
Während die eigentliche Aufgabe der Drehzahlregelung dabei durch einen Drehzahlregelkreis der Frequenzumrichterschaltung erfüllt wird, dient die der Frequenzumrichterschaltung von Seiten der Stromversorgung vorgeschaltete Leistungsfaktorkorrekturschaltung dazu, die Rückwirkungen der nichtsinusförmigen Stromaufnahme der Frequenzumrichterschaltung auf das Stromversorgungsnetz zu vermeiden und dabei insbesondere die Anforderungen der zu diesem Zweck dienenden europäischen Norm EN 61000-3-2 zu erfüllen.
Die EP 697 569 B1 offenbart ein Steuergerät zum Steuern eines Kompressormotors einer Klimaanlage, wobei die dort beschriebene Betriebsart sich jedoch an im wesentlichen gleichbleibenden Lastanforderungen für den Motor orientiert.
Bei einem sehr stark veränderlichen Drehmomentbedarf des Elektromotors, wie er etwa beim Anlauf einer durch diesen angetriebenen Pumpe gegeben ist, kommt es jedoch zu erheblichen Schwankungen in der Leistungsaufnahme. Dies führt aber wiederum zu ebensolchen Schwankungen in der Ausgangsspannung der Leistungsfaktorkorrekturschaltung. Die Leistungsfaktorkorrekturschaltung beinhaltet zwar einen internen Regelkreis, welcher dazu vorgesehen ist, die Ausgangsspannung konstant zu halten; zum Ausgleich abrupter Lastschwankungen ist ein solcher nachgeschalteter Regelkreis jedoch nicht in der Lage. Im Extremfall kann ein kurzfristiges Absinken der Ausgangsspannung der Leistungsfaktorkorrekturschaltung ein Überführen des Motors in die Feldschwächung bewirken, was den Zusammenbruch des Drehmoments und damit den unmittelbaren Stillstand des Motors zur Folge hat.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Steuergeräts zur Drehzahlregelung eines Elektromotors bereitzustellen, welches die dargestellten Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Leistungsfaktorkorrekturschaltung in Abhängigkeit eines wechselnden Drehmomentbedarfs und der damit einhergehenden veränderlichen Leistungsaufnahme des Elektromotors betrieben wird.
Weitere besonders günstige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben und werden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels - eines Steuergeräts zur Drehzahlverstellung einer Vakuumpumpe - näher erläutert.
Wie aus der schematischen Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens ersichtlich ist, werden beim Betrieb des Steuergeräts Informationen zwischen der Frequenzumrichterschaltung (2) und der Leistungsfaktorkorrekturschaltung (1 ) ausgetauscht, wobei dieser Austausch über den zur Steuerung dieser beiden Einheiten vorgesehenen gemeinsamen, als sog. „Digitaler Signalprozessor" (DSP) ausgeführten Mikroprozessor (3) erfolgt.
Beim Anlauf der durch den Elektromotor angetriebenen Vakuumpumpe entsteht ein besonders hoher Drehmomentbedarf. Um einen Einbruch der Betriebsspannung der Frequenzumrichterschaltung (2) zu vermeiden, wird in ausreichend kurzer Zeit (im Bereich einiger Millisekunden) vor dem Start des Motors die Leistungsfaktorkorrekturschaltung (1 ) so eingestellt, daß dem Motor die volle Leistung zur Verfügung gestellt wird. Dieses Verhalten wird durch einen externen Eingriff in den Spannungsregelkreis der
Leistungsfaktorkorrekturschaltung (1 ) realisiert. Sobald der Motor angelaufen ist, sinkt der Drehmomentbedarf drastisch. Um eine Überspannung zu vermeiden, wird wiederum in den Regelkreis eingegriffen, um den Lastabwurf zu beherrschen.
Sobald die Leistungsaufnahme der Pumpe über die maximal mögliche Leistung der Leistungsfaktorkorrekturschaltung (1 ) ansteigt, wird in den Drehzahlregelkreis der Frequenzumrichterschaltung (2) eingegriffen, und die maximal mögliche Stellgrösse des Drehzahlreglers reduziert. Damit kann die Leistung auf die maximal mögliche Leistung der Leistungsfaktorkorrektur- Schaltung (1 ) begrenzt werden, so daß eine Überlastung derselben ausgeschlossen ist.
Der Spannungbedarf einer Asynchronmaschine steigt linear mit der Drehzahl an. Es wird von der Leistungsfaktorkorrekturschaltung (1 ) immer nur soviel Spannung geliefert wie nötig ist, um den Motor zu betreiben. Damit können die Verluste im Steurgerät reduziert werden. Darüberhinaus wird durch die Leistungsfaktorkorrekturschaltung (1) ein Betrieb an Netzeingangsspannungen möglich, die unter der Bemessungsspannung des Motors liegen. Dadurch kann das Gerät über einen weiten Eingangsspannungsbereich (in diesem Fall z.B. von 85 Volt bis 265 Volt) betrieben werden. Durch den zur Steuerung sowohl der Leistungsfaktorkorrekturschaltung (1 ) als auch der Frequenzumrichterschaltung (2) vorgesehenen gemeinsamen DSP (3) ist eine Synchronisation der Schaltzeitpunkte der Leistungshalbleiter dieser beiden Schaltungsteile möglich. Durch eine solche Synchronisation kann zum einen die Messwerterfassung durch den DSP wesentlich störunempfindlicher gestaltet werden, zum anderen hat die Synchronisation aber auch eine positive Auswirkung auf die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) des Steuergeräts, indem die unerwünschte Abstrahlung elektromagnetischer Wellen deutlich reduziert wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb eines Steuergeräts zur Drehzahlregelung eines Elektromotors, welches Steuergerät eine Frequenzumrichterschaltung (2) und eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung (1 ) sowie einen diese
Schaltungen beeinflussenden Mikroprozessor (3) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsfaktorkorrekturschaltung (1 ) in Abhängigkeit eines wechselnden Drehmomentbedarfs und der damit einhergehenden veränderlichen Leistungsaufnahme des Elektromotors betrieben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsfaktorkorrekturschaltung (1 ) je nach Betriebszustand des Elektromotors dem zu erwartenden Leistungsbedarf vorauseilend betrieben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsfaktorkorrekturschaltung (1 ) kurz vor dem Start des Motors auf volle Leistung gestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsabgabe der Leistungsfaktorkorrekturschaltung (1 ) nach dem Anlauf des Motors wieder reduziert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das jeweilige Verhalten der Leistungsfaktorkorrekturschaltung (1 ) durch einen Eingriff in den Spannungsregelkreis derselben realisiert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsfaktorkorrekturschaltung (1 ) als Hochsetzsteller betrieben wird, wobei zur Erzielung der zum Betrieb des Elektromotors erforderlichen Ausgangsspannung bei unterschiedlichen Eingangsspannungen ein dementsprechender Spannungshub gewählt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung der Leistungsfaktorkorrekturschaltung (1) in Abhängigkeit der Drehzahl des Elektromotors geregelt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzumrichterschaltung (2) in Abhängigkeit des
Betriebszustandes der Leistungsfaktorkorrekturschaltung (1 ) betrieben wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreitung eines vorgegebenen Maximalwertes der
Leistungsabgabe der Leistungsfaktorkorrekturschaltung (1 ) durch Eingriff in den Drehzahlregelkreis der Frequenzumrichterschaltung (2) eine Begrenzung der Leistungsaufnahme des Elektromotors bewirkt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltzeitpunkte der Leistungshalbleiter der Frequenzumrichterschaltung (2) und der Leistungsfaktorkorrekturschaltung (1 ) aufeinander synchronisiert sind.
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