Beschreibung
Verfahren zur automatischen Einstellung des Netzfrequenzpara¬ meters eines an einem Netz angeschlossenen Frequenzumrichters
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur automati¬ schen Erkennung eines Wertes eines Parameters "Ketzfrequenz" bei einem an einem speisenden Netz angeschlossenen Frequen¬ zumrichter.
Bei Frequenzumrichtern wird die Information über die Nennfre¬ quenz des angeschlossenen Motors benötigt. Diese ist in aller Regel identisch mit der Frequenz des speisenden Netzes. Bei dem speisenden Netz handelt es sich um ein 50Hz- oder 60Hz- Netz. Der Frequenzwert wird dazu verwendet, um bestimmte Be¬ dienparameter auswählen zu können, auf Einheiten von Bedien¬ parametern umschalten zu können und mögliche Nennspannungen vorgeben zu können. Das Problem ist, wie ein an einem spei¬ senden Netz angeschlossener Frequenzumrichter diese Informa- tion erhält.
Bei im Handel erhältlichen Frequenzumrichtern wird die Netz¬ frequenz bzw. die Motornennfrequenz entweder vom Bediener ü— ber ein Bedienparameter eingegeben, mittels eines Schalters am Frequenzumrichtergerät eingestellt oder falls eine Erfas¬ sung der Netzspannung eines speisenden Netzes oder zumindest deren Nulldurchgänge vorhanden sind, gemessen. Solange ein Bediener die Netzfrequenz als Zahlenwert eingeben muss bzw. einen Schalter in eine entsprechende Stellung bringen muss, kann es vorkommen, dass dies vom Bediener vergessen wird.
Erst im Verlauf der Erstinbetriebnahme erkennt der Bediener, dass er die Festlegung des Parameters "Netzfrequenz" verges¬ sen hat. Dies hat zur Folge, dass der Bediener den Antrieb wieder stilllegen muss und dass am Frequenzumrichter direkt, der in einer Anlage eingebaut ist, dieser Parameter "Netzfre¬ quenz" durch Umlegen eines entsprechenden Schalters oder durch Eingabe eines Zahlenwertes in den Frequenzumrichter
eingegeben wird. Danach kann er von neuem mit der Erstinbe¬ triebnahme des Antriebs beginnen. In Abhängigkeit der Nenn¬ frequenz des Motors bzw. der Frequenz des speisenden Netzes wird bei dieser Erstinbetriebnahme die IEC-Motordaten bzw. Nema-Motordaten benötigt, die jeweils einem Datenschild des verwendeten Motors entnommen werden können. Diese beiden Mo¬ tordatensätze unterscheiden sich beispielsweise dadurch, dass die IEC-Motordaten unter anderem den Leistungsfaktor "cos φ" und die Nema-Motordaten die Bemessungsleistung in "Horsepo- wer" aufweisen. Bei dem Betrieb des Frequenzumrichters an ei¬ nem 50Hz-Netz muss bei der ErstInbetriebnahme der Leistungs¬ faktor des Antriebs eingegeben werden. Wird jedoch die Einga¬ be der Bemessungsleistung in "Horsepower" verlangt, so ist der Frequenzumrichter auf ein 60Hz-Netz parametriert und nicht auf ein 50Hz-Netz.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem ein an ein speisendes Netz angeschlossener Frequenzumrichter automatisch erkennt, ob das speisende Netz ein 50Hz- oder 60Hz-Netz ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An¬ spruchs 1 gelöst.
Die Erfindung besteht darin, die bereits für Regelungs- und Schutzzwecke gemessene Zwischenkreisspannung handelsüblicher Frequenzumrichter auch für die automatische Erkennung der Netzfrequenz eines speisenden Netzes zu verwenden. Dazu wird erfindungsgemäß der Verlauf dieser gemessenen Zwischenkreis- Spannung hinsichtlich eines 50Hz- oder 60Hz-Netzes analy¬ siert. Da weltweit nur diese beiden Netze verwendet werden, muss nicht die Netzfrequenz des speisenden Netzes exakt er¬ mittelt werden, sondern es muss nur festgestellt werden, ob als speisendes Netz des Frequenzumrichters ein 50Hz- oder 60Hz-Netz vorliegt- Dadurch vereinfacht sich der Aufwand für die Analyse des Verlaufes der gemessenen Zwischenkreisspan¬ nung erheblich. Das Ergebnis dieses Analyse ist, dass das
speisende Netz ein 50Hz- oder 60Hz-Netz ist. Das Ergebnis, nämlich der Wert der Netzfrequenz des speisenden Netzes, wird als Parameter "Netzfrequenz" in dem am speisenden Netz ange¬ schlossenen Frequenzumrichter eingelesen. Sobald dieser ge- fundene Wert in den Parameter "Netzfrequenz" eingegeben ist, ist die automatische Netzfrequenzerkennung des dem Frequen¬ zumrichter speisenden Netzes abgeschlossen, so dass dieses Verfahren sich von selbst abschaltet.
Durch eine Vorbelegung des Parameters "Netzfrequenz" des an einem speisenden Netz angeschlossenen Frequenzumrichters mit einem Wert Null, wird das erfindungsgemäße Verfahren bei ei¬ ner Erstinbetriebnahme des Frequenzumrichters an einem 50Hz- oder 60Hz-Netz automatisch gestartet. Somit muss ein Bediener des angeschlossenen Frequenzumrichtergerätes nur dieses Gerät einschalten. Eine weitere Aktivierung des erfindungsgemäßen Verfahrens entfällt somit, wodurch eine Aktivierung des er¬ findungsgemäßen Verfahrens nicht vergessen werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann schon bei der Vorladung eines Zwischenkreiskondensators eines Spannungszwisσhenkrei- ses des Frequenzumrichters, als auch ab einem vorbestimmten Wert der Zwischenkreisspannung ausgeführt werden. Der Start¬ zeitpunkt der Analyse des Verlaufes der gemessenen Zwischen- kreisspannung hängt allein von der Ausgestaltung einer Strom¬ versorgung für die Elektronik des Frequenzumrichters ab. Wenn der Frequenzumrichter erst dann vorgeladen werden kann, nach¬ dem die Stromversorgung der Elektronik aufgebaut ist, kann bereits mit Beginn des Anstiegs des Verlaufes der Zwischen- kreisspannung dieser analysiert werden. Wird mit der Vorla¬ dung erst eine Stromversorgung der Elektronik hochgefahren, so kann erst nach Erreichen eines vorbestimmten Wertes für die Zwischenkreisspannung mit deren Analyse begonnen werden. Unabhängig von diesem Zeitpunkt wird mittels der Analyse des Verlaufs der Zwischenkreisspannung festgestellt, ob das spei¬ sende Netz des Frequenzumrichters ein 50Hz- oder 60Hz-Netz ist.
Durch Bandpässe, Korrelationsanalyse oder ähnliche Methoden der Frequenzanalyse lassen sich die in dem Verlauf der gemes¬ senen ZwischenkreisSpannung enthaltenen Spektralanteile er¬ mitteln, selbst bei sehr kleinen und verrauschten Messsigna- len. Gesucht wird nach Spektrallinien bei 100Hz und 300Hz für ein 50Hz-Netz bzw. bei 120Hz und 360Hz für ein 60Hz-Netz. D.h., mittels der Analyse soll nicht die Netzfrequenz des den Frequenzumrichter speisenden Netzes als solche ermittelt wer¬ den, sondern es soll lediglich festgestellt werden, zu wel- chem der beiden möglichen Netze das speisende Netz gehört. Dadurch werden keine hohen Anforderungen an die Analyse ge¬ stellt.
Bei einem weiteren Verfahren wird aus dem Verlauf der gemes- senen Zwischenkreisspannung ein Verlauf einer gleichgerichte¬ ten Netzspannung berechnet. Diese berechnete gleichgerichtete Netzspannung wird hinsichtlich ihrer Maxima bzw. Minima aus¬ gewertet. Dazu wird der zeitliche Abstand der Spannungsmaxima bzw. -minima ausgewertet. Dieser zeitliche Abstand hat für ein 50Hz- bzw. 60Hz-Netz jeweils einen unveränderlichen be¬ kannten Wert. D.h., dass mit dem Ergebnis der Zeitmessung feststeht, ob das speisende Netz ein 50Hz- oder 60Hz-Netz ist.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der das erfindungsgemäße Verfahren schema¬ tisch veranschaulicht ist.
FIG 1 zeigt ein Ersatzschaltbild eines herkömmlichen Fre- quenzumrichters, in der
FIG 2 ist eine gemessene Zwischenkreisspannung des Frequen¬ zumrichters nach FIG 1 und eine berechnete gleichge¬ richtete Netzspannung in einem Diagramm über der Zeit t dargestellt und die FIG 3 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Durch¬ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Gemäß dem Ersatzschaltbild nach FIG 1 weist ein Frequenzum¬ richter 2 als netzseitigen Stromrichter einen Dioden-Gleich¬ richter 4 und als lastseitigen Stromrichter einen selbstge¬ führten Pulsstromrichter 6 auf. Beide Stromrichter sind gleichspannungsseitig mittels eines Gleichspannungs-Zwischen- kreises elektrisch leitend miteinander verknüpft. Dieser Gleichspannungszwischenkreis weist eine Reihenschaltung zwei¬ er Zwischenkreiskondensatoren CZKi und Czκ2 und eine Reihen¬ schaltung zweier Symmetrierwiderstände Rl und R2 auf. An den beiden in Reihe geschalteten Zwischenkreiskondensatoren C7lKi und Czκ2 fällt eine Zwischenkreisspannung UZK ab. An den Pha¬ sen-Ausgängen 8, 10 und 12 des selbstgeführten Pulsstromrich¬ ters 6 ist ein Motor 14 angeschlossen. Motor 14 und Frequen¬ zumrichter 2 bilden einen sogenannten Antrieb. Eingangsseitig weist dieser Frequenzumrichter 2 eine Netzkommutierungsdros¬ sel 16 auf, die für jede Netzphase eine Induktivität L bein¬ haltet. Mittels dieser Netzkommutierungsdrossel 16 ist dieser Frequenzumrichter 2 an ein speisendes Netz 18 angeschlossen.
Der Dioden-Gleichrichter 4 generiert aus den anstehenden Pha¬ senspannungen uRnet7.f uSnet7. und uTnet7. des speisenden Netzes 18 eine Gleichspannung, die Zwischenkreisspannung UZκ, die mit¬ tels der beiden elektrisch in Reihe geschalteten Zwischen¬ kreiskondensatoren CZKi und Czκ2 gepuffert wird. Aus Übersicht- lichkeitsgründen sind von diesen Phasenspannungen URnetz, usnetz und uτnetz und den Phasenströmen iR is und iτ nur die der Phase R dargestellt. Damit diese beiden Zwischenkreiskondensatoren CzKi und Czκ2 annähernd symmetrisch aufgeladen werden, ist elektrisch parallel zu diesen eine Symmetrierschaltung 20, bestehend aus den beiden Symmetrierwiderständen Rl und R2, geschaltet. Dem Zwischenkreis ist eine Vorladeschaltung, be¬ stehend aus einem Vorladewiderstand Rv und einem Relais 22, vorgeschaltet. Bei dieser Vorladeschaltung ist das Relais 24 dem Vorladewiderstand Rv elektrisch parallel geschaltet. Mit Hilfe dieses Vorladewiderstandes Rv und des Zwisσhenkreiskon- densators Czκ weist diese Vorladeschaltung eine Zeitkonstante TVL auf. In dem Diagramm gemäß FIG 2 ist über der Zeit t eine
gemessene Zwischenkreisspannung Uzκ für eine Abtastzeit tA von beispielsweise 250μsec. und. einer Zeitkonstante Xvi von bei¬ spielsweise 5msec. näher dargestellt.
In diesem Diagramm gemäß FIG 2 ist ebenfalls eine gleichge¬ richtete Netzspannung Ugg veranschaulicht, die aus den abge¬ tasteten Werten der gemessenen Zwischenkreisspannung UZκ be¬ rechnet ist. Diese gleichgerichtete Netzspannung Ugg wird ge¬ mäß folgender Gleichung:
Ugg = Uz« + Rv - CZK • d(Uzκ)/dt (1)
berechnet, wobei Rv den wirksamen Vorladewiderstand und Czκ die Zwischenkreiskapazität der beiden elektrisch in Reihe ge- schalteten Zwischenkreiskondensatoren Czκi und CZκ2 bezeichnet. Diese berechnete gleichgerichtete Netzspannung Ugg weist bei einer sechs-pulsigen Gleichrichtung bekannter Weise innerhalb einer Netzperiode sechs Sinuskuppen auf.
In der FIG 3 ist eine Vorrichtung zur Durchführung des erfin¬ dungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht. Diese Vorrichtung weist eine Analyseeinrichtung 24 und einen Speicherplatz 26 für den Parameter ".Netzfrequenz" auf. Dieser Speicherplatz 26 ist der Analyseeinrichtung 24 nachgeschaltet. Eingangsseitig ist diese Analyseeinrichtung 24 mittels eines Schalters 28 mit einem Eingang 30 dieser Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens elektrisch leitend verknüpft. Am Eingang 30 steht die abgetastete Zwischenkreisspannung UZκ an. Der Schalter 28 wird vorzugsweise automatisch geschlos- sen, wenn im Speicherplatz 26 der Wert Null für den Parameter "Netzfrequenz" abgelegt ist und der Frequenzumrichter 2 ein¬ geschaltet wird. Dazu weist diese Vorrichtung einen Vorbele¬ gungskanal 32 auf, der mit einem Eingang des Speicherplatzes 26 verbunden ist. Die Analyseeinrichtung 24 weist zwei Einga- bekanäle 34 und 36 auf. Über den Eingabekanal 34 werden sig¬ nifikante Werte eines 50Hz-Netzes und über den Eingabekanal 36 werden signifikante Werte eines 60Hz-Netzes in die Analy-
seeinrichtung eingegeben. Welche Werte dies sind, hängt vom verwendeten Analyseverfahren ab. Am Ausgang dieser Analyse¬ einrichtung 24 steht am Ende des Analyseverfahrens entweder der Zahlenwert "50" oder der Zahlenwert "60" an, der mittels der Verbindung 38 in den Speicherplatz 26 gelesen wird. Der Zahlenwert "50" verdeutlicht, dass mittels der Analyse der ZwischenkreisSpannung Uzκ festgestellt worden ist, dass das speisende Netz 18 des Frequenzumrichters 2 ein 50Hz-Netz ist. Dementsprechend bedeutet der Zahlenwert "60", dass das spei- sende Netz 18 des Frequenzumrichters 2 ein 60Hz-Netz ist.
Wird die abgetastete Zwischenkreisspannung UZK mit einer Me¬ thode der Frequenzanalyse ausgewertet, so werden mittels des Eingabekanals 34 die Frequenzwerte 100Hz und 300Hz und mit- tels des Eingabekanals 36 die Frequenzwerte 120Hz und 360Hz eingelesen. Mittels der Methode der Frequenzanalyse wird nun festgestellt, bei welchen Frequenzen Spektrallinien ermittelt werden. Liegen diese Spektrallinien bei 10OHz oder 300Hz, so ist das speisende Netz ein 50Hz-Netz, und in den Speicher- platz 26 wird der Zahlenwert "50" eingelesen. Liegen die Spektrallinien bei 120Hz bzw. 360Hz, so ist das speisende Netz ein 60Hz-Netz, wodurch im Speicherplatz 26 der Zahlen¬ wert "60" abgelegt wird. Mit dem Abspeichern eines dieser beiden Zahlenwerte ist das Verfahren zur automatischen Erken- nung der Netzfrequenz des speisenden Netzes 18 eines Frequen¬ zumrichter 2 beendet.
Ein einfaches Analyseverfahren besteht darin, dass die be¬ rechnete gleichgerichtete Netzspannung Ugg ausgewertet wird. Um diese gleichgerichtete Netzspannung Ugg berechnen zu kön¬ nen, wird die bereits angegebene Gleichung (1) in-die Analy¬ seeinrichtung 24 abgespeichert. Außerdem müssen Zahlenwerte für den wirksamen Vorladewiderstand Rv und für die Zwischen- kreiskapazität Czκ der elektrisch in Reihe geschalteten Zwi- schenkreiskondensatoren Czκi und CZK2 abgelegt werden. Dazu werden wiederum die beiden Eingabekanäle 34 und 36 benutzt. Außerdem werden die zeitlichen Abstände der Spannungsmaxima
oder -minima abgelegt, die entstehen, wenn das speisende Netz 18 ein 50Hz-Netz oder ein 60Hz-Netz ist. Bei einem speisenden 50Hz-Netz sind diese Spannungsmaxima bzw. -minima der gleich¬ gerichteten Netzspannung Ugg 3,33msec. zeitlich voneinander beabstandet. Bei einem speisenden 60Hz-Netz sind die Span¬ nungsmaxima bzw. -minima der gleichgerichteten Netzspannung Ugg 2,77msec. voneinander zeitlich beabstandet. Beispielswei¬ se wird bei einem ersten Spannungsmaximum ein Zähler gestar¬ tet, der bei einem nachfolgenden Spannungsmaximum zurückge- setzt wird, wobei der aufgelaufene Zählerstand zwischenge¬ speichert wird. Dieser Zählvorgang wird vorzugsweise mehrmals durchgeführt. Aus diesen abgespeicherten Zählerständen wird dann ein Mittelwert gebildet, der mit den beiden vorbestimm¬ ten Zeiten verglichen wird. Ist dieser Mittelwert annähernd gleich dem zeitlichen Abstand 3,33msec, so wird im nachge¬ schalteten Speicherplatz 26 der Zahlenwert "50" abgelegt. Entspricht der Mittelwert dem zeitlichen Abstand 2,77msec, so wird im Speicherplatz 26 der Zahlenwert "60" abgelegt.
Ein weiteres Analyseverfahren wird abhängig von auftretenden Nachladungen durchgeführt. Eine Nachladung des Spannungszwi¬ schenkreises erfolgt jeweils im Scheitelpunkt der berechneten gleichgerichteten Netzspannung Ugg. Eine Nachladung ist im Abtastintervall k erfolgt, wenn
Uzκ(k+1) - üZκ(k-l) > ΔUaKmin (2)
gilt, dabei ist ΔUzKmin eine zu erwartende Entladung. Die Zeitpunkte (Abtastschritte k) , zu denen dies auftritt, werden über einen langen Zeitraum, beispielsweise 0,5sec, gespei¬ chert. Dann wird geprüft, ausgehend vom ersten Speicherwert, ob im Abstand von
k = n - k2f + m (n = 1,2,3...; m = -1,0, + 1) (3)
eine erneute Nachladung erfolgte. Dabei ist k2f die bei 50Hz bzw. 60Hz zu erwartende Anzahl von Abtastschritten Tab zwi-
sehen zwei Nachladungen. Um robust gegen unsymmetrische Netz¬ spannungen zu sein, wird die erwartete Anzahl k2f vorteilhaf¬ terweise wie folgt gewählt:
k2f = l/<100Hz - Tab)
für die Prüfung auf 50Hz und
k2f = 1/(120Hz • Tab)
für die Prüfung auf 60Hz.
Abhängig davon, für welche erwartete Anzahl k2f die Zahl der Treffer höher ist, wird auf ein 50Hz- bzw. 60Hz-Netz ge- schlössen. Wenn die Anzahl der Treffer kleiner als beispiels¬ weise 25% ist, wird die Prüfung beginnend mit dem nächsten Nachladevorgang in der gespeicherten Liste wiederholt.
Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren ist der Frequenzum- richter 2 selbst in der Lage, feststellen zu können, ob er an einem 50Hz- oder 60Hz-Netz angeschlossen ist. Dadurch wird der bisherige Umschalter am Frequenzumrichter 2 für die Um- schaltung zwischen 50Hz und 60Hz-Netz nicht mehr benötigt. Dadurch kann es auch nicht mehr vorkommen, dass ein Bediener vergisst, diesen Umschalter in die der Netzfrequenz des spei¬ senden Netzes 18 entsprechende Stellung zu bringen. Außerdem ist eine Erfassung der Netzspannung nicht mehr erforderlich. Somit kann ein Frequenzumrichter 2 mit diesem erfindungsgemä¬ ßen Verfahren an ein speisendes Netz 18 angeschlossen und ge- startet werden (plug and play) .