DE19532477B4

DE19532477B4 - Verfahren zum Anlassen einer Asynchronmaschine

Info

Publication number: DE19532477B4
Application number: DE19532477A
Authority: DE
Inventors: Petri Schroderus
Original assignee: ABB Oy
Current assignee: ABB Oy
Priority date: 1994-09-09
Filing date: 1995-09-02
Publication date: 2012-05-31
Anticipated expiration: 2015-09-03
Also published as: FI944179A0; GB2293061B; FI944179A; JPH08103091A; JP3263287B2; ITTO950719A1; ITTO950719A0; FR2724508A1; FI97654C; DE19532477A1; FI97654B; US5654624A; FR2724508B1; IT1281342B1; GB9517954D0; GB2293061A

Abstract

Verfahren zum Anlassen einer Asynchronmaschine unabhängig davon, ob der Läufer der Maschine (1) rotiert oder nicht, wobei ein Positions- und/oder Drehzahl-Geber für die Maschine entbehrlich ist, und die Maschine von einem Inverter (2) gespeist wird, der eine separate Drehmoment- und Magnetisierungsstromregelung (3) aufweist, die schneller sind als die Zeitkonstanten der Asynchronmaschine, welches Verfahren folgende Schritte aufweist:
a) das Drehmoment Null wird als Ziel der Regelung (3) vorgegeben,
b) eine Spannung wird vom Inverter (2) dem Ständer der Maschine zugeführt,
c) die dem Ständer zuzuführende Spannung wird so eingestellt, dass der dadurch erzeugte Ständerstrom (i_s) nahe seinem Nennwert ist,
d) ein von der Spannung generierter Ständerstromvektor (i_s) wird bestimmt, e) ein von der Spannung generierter Ständerflussvektor (ψ_s), eine Schätzung davon, ein nach allgemeinen rechnerischen Verfahren bestimmter Ständerflussvektor (ψ_s), oder ein dem Ständerflussvektor (ψ_s) vergleichbarer Läuferfluss (ψ_r) oder Luftspaltfluss wird bestimmt,
f) ein vom Ständerflussvektor (ψ_s) und...

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Anlassen einer Asynchronmaschine unabhängig davon, ob der Läufer der Maschine rotiert oder nicht, wenn die Maschine von einem Inverter gespeist wird, der eine separate Moment- und Magnetisierungsstromregelung aufweist, die schneller ist als die Zeitkonstanten der Asynchronmaschine. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist also nicht einmal eine grobe Schätzung der Drehgeschwindigkeit des Läufers erforderlich. Das Verfahren ist somit geeignet, in Situationen angewendet zu werden, in denen der Läufer bei Anlaßbefehl schon rotiert oder keine sichere Kenntnis von der Drehbewegung des Läufers vorhanden ist. Ein zusätzlicher Ausgangspunkt des Verfahrens ist, daß die Maschine keinen bemerkenswerten Restfluß aufweist.
Verfahren zum Anlassen einer Käfigmaschine in einer Situation mit einem rotierenden Läufer ohne Restfluß sind beispielsweise aus dem DE-Patent 32 02 906 C2 und der DE-Offenlegungsschrift 35 43 983 A1 bekannt. In diesen Verfahren wird eine Frequenzrampe benutzt, mittels derer die Frequenz des Läufers abgetastet wird. Die Verfahren nehmen typischerweise Hunderte von Millisekunden Zeit in Anspruch und sind nicht bei niedrigen Frequenzen zuverlässig. Außerdem ist aus der EP-Offenlegungsschrift 04 69 177 B1 ein Verfahren bekannt, in dem angenommen wird, daß der Läufer einen wahrnehmbaren Remanenzfluß aufweist, mittels dessen die Läuferfrequenz gefunden wird. Im fraglichen Verfahren ist die Berechnungszeit wenigstens zweimal eine Taktperiode des Restflusses, und es funktioniert nicht bei niedrigen Frequenzen von z. B. weniger als 1 Hz.
Ein weiteres Verfahren zur Synchronisierung einer mit unbekannter Drehzahl rotierenden Asynchronmaschine, welches ohne eine Drehzahlmessung auskommt und auch bei niedrigen Drehzahlen einsetzbar ist, ist aus der DE 41 07 362 C2 bekannt. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass es ausschließlich Teile der betriebsmäßig vorhandenen Stromregelstruktur der umrichter-gespeisten Asynchronmaschine verwendet. Das verfahren arbeitet mit einem ein Läufermodell der Maschine enthaltendes Frequenz-Addierglied, einem Spannungsmodell und einem Läuferstrom-Istwertrechner. Zum Einfangen der Maschine findet ein Frequenzsuchlauf statt, dessen Startfrequenz höher als die Betriebsfrequenz der Asynchronmaschine ist. Danach wird ein Suchlauf aus der anderen Richtung gestartet. Die Notwendigkeit dieser beiden Suchläufe erfordert eine relativ lange Zeit für den Fangvorgang.
Ein weiteres Synchronisietverfahren für eine mit unbekannter Drehzahl rotierende unerregte Asynchronmaschine ist aus der Dissertation von Baader, Universität Bochum, 1988 bekannt. Die Dissertation befasst Sich mit der bisher kaum zur Anwendung gelangten ”direkten Selbstregelung”. Hierbei handelt es sich nicht um ein stromsteuerndes, sondern um ein flußsteuerndes Verfahren. Die direkte Selbstregelung arbeitet mit nur sieben an die Klemmen der Maschine anschaltbaren unterschiedlichen Spannungszuständen des Wechselrichters. Dies macht den Einsatz von Vorzeichen- und Flusssollwertkomparatoren sowie eines Fluss-Zweipunktreglers und eines Drehmoment-Zweipunktreglers erforderlich, die alle als Schmitt-Trigger ausgebildet sind, was zu einer Pulsation des Drehmoments führt. Auf Seite 110ff der Dissertation wird das Aufmagnetisieren (Einfangen) der sich mit unbekannter Drehzahl drehenden Asynchronmaschine beschrieben. Dabei ist für drei Drehzahlbereiche jeweils ein anderes Verfahren erforderlich. Bei Drehzahlen unter 10 Prozent der Nenndrehzahl kann auf die Kenntnis der Drehzahl nicht verzichtet werden. Im Bereich von 10 bis 30 Prozent der Nenndrehzahl arbeitet das System mit Vorzeichenkomparatoren und dem Fluss-Zweipunktregler und im Drehzahlbereich über 30 Prozent der Nenndrehzahl mit Flusssollwertkomparatoren und dem Drehmoment-Zweipunktregler. Für das letztgenannte Verfahren wird auf Seite 121 der Dissertation darauf hingewiesen, daß während der Aufmagentisierungsphase der Drehmomentsollwert auf Null gesetzt wird.
Ein Artikel in der Druckschrift ”IEEE Transactions”, Band. 28. Nr. 3, May/Dune 1992, bei dem als Mitautor ebenfalls Uwe Baader, Autor der vorgenannten Dissertation, genannt ist, befasst sich ebenfalls mit dem in der Dissertation beschriebenen direkten Selbstregelungsverfahren. Im Gegensatz zur Dissertation wird für das Einfangen der Asynchronmaschine hier ein völlig anderes Verfahren beschrieben: Dieses besteht darin, dass der Ständerwicklung der Maschine ein konstanter Strom eingeprägt wird, wodurch die Maschine auf die Drehzahl Null abgebremst wird. Danach wird die Maschine aus dem Stillstand hochgefahren.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Anlassen einer Asynchronmaschine zustandezubringen, in welchem Verfahren kein Restfluß erforderlich ist und das Finden der Läuferfrequenz einige Millisekunden bis einige zig Millisekunden dauert, was bedeutet, daß das Verfahren bedeutend schneller ist als die alten. Außerdem soll das Verfahren zu Situationen passen, in denen der Läufer langsam rotiert.
Die obenerwähnten Aufgaben können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens gelöst werden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es Schritte aufweist, in denen Nullmoment als Ziel der Regelung gesetzt wird, eine Spannung von dem Inverter dem Ständer der Maschine zugeführt wird, ein von der Spannung generierter Ständerstromvektor bestimmt wird, ein von der Spannung generierter Ständerflußvektor, eine Schätzung davon oder irgendeine andere zum Ständerfluß vergleichbare Größe bestimmt wird, ein vom Ständerflußvektor und Ständerstromvektor verursachtes Moment bestimmt wird und eine Information über das Moment der Regelung gespeist wird, die das gebildete Moment zu nullen versucht, und zwar dadurch, daß sie den Ständerfluß und einen davon erzeugten Läuferfluß gleichphasig macht und die Speisefrequenz des Inverters somit mit einer eventuellen Rotation des Läufers der Maschine synchronisiert. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird also das Regelsystem des Inverters benutzt, das bei konventioneller Anwendung Moment und Magnetisierungsstrom der Asynchronmaschine regelt. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird ein solches Regelsystem dadurch erregt, daß der Maschine ein Stromimpuls zugeführt wird, woraus folgt, daß bei eventueller Rotation der Maschine ein Moment gebildet wird, das von dem Regelsystem wunschgemäß geregelt werden kann, d. h. im Fall der vorliege den Erfindung gegen Nullmoment oder einen Zustand, in de der Ständerfluß und der Läuferfluß gleichphasig sind und in dem die Speisefrequenz des Inverters also mit der eventuellen Rotation des Läufers synchronisiert ist.
Vorzugsweise wird die dem Ständer zuzuführende Spannung so eingestellt, daß der davon erzeugte Ständerstrom sich nahe dem Nennwert des Ständerstroms befindet, damit die entstehenden Ständerfluß und Läuferfluß groß genug sein werden.
Im folgenden werden das erfindungsgemäße Verfahren und dessen theoretischer Hintergrund unter gleichzeitiger Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung ausführlicher beschrieben. Es zeigen:
1 schematisch eine exemplifikatorische Struktur einer zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Anordnung und
2 ein Zeigerdiagramm von Vektorgrößen, die bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens generiert werden.
Im erfindungsgemäßen Verfahren ist eine Information über ein in einer Käfigmaschine entstehendes Moment erforderlich. Es kann wie folgt berechnet werden T_m= c·(ψ _s × i _s) (1) wo

T_m: = elektrisches Moment
c: = konstanter Koeffizient
Ψ _s: = Ständerfluß
i _s: = Ständerstrom

Damit das entstehende Moment berechnet werden kann, muß also außer dem gemessenen Ständerstrom auch der Ständerfluß oder irgendeine dazu vergleichbare Größe bekannt sein. Der Ständerfluß kann mittels der folgenden, allgemein bekannten Differential- und Stromgleichungen des Ständers und des Läufers berechnet werden, die im Ständerkoordinatensystem ausgedrückt wie folgt lauten:
ψ _s = L_s i _s + L_m i _r (4) ψ _r = L_r i _r + L_m i _s (5) wo

u _s: = Ständerspannung
R_S: = Ständerresistanz
Ψ _r: = Läuferfluß
i _r: = Läuferstrom
ω_m: = mechanische Drehgeschwindigkeit
R_r: = Läuferresistanz
L_s: = Ständerinduktanz
L_r: = Läuferinduktanz
L_m: = Hauptinduktanz

Aus den obigen Formeln kann für das Derivat des Läuferflusses die folgende Formel (Schlupffrequenz = 0) abgeleitet werden:
wo
1 zeigt ein prinzipielles Blockdiagramm eines zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Systems. Darin wird eine dreiphasige Asynchronmaschine 1 von einem Inverter 2 gespeist, der mit einem Gleichspannungszwischenkreis U_DC verbunden ist. Der Inverter 2 wird mit einem Regelsystem 3 geregelt, das erfindungsgemäß eine separate Moment- und Magnetisierungsstromregelung haben soll, die schneller ist als die Zeitkonstanten der Maschine. Als Meßwerte für das Regelsystem 3 werden Strommeßwerte aus zwei in die Maschine 1 eingehenden Phasen entnommen. Diese Ströme sind mit Bezugszeichen i_sa und i_sb in 1 bezeichnet. Auf der Basis dieser zwei Strommeßwerte ist es möglich, einen in die Maschine eingehenden Ständerstromvektor i _{s. zu} bestimmen. Dazu wird die Spannung des Gleichspannungszwischenkreises U_DC gemessen. Auf der Basis der Spannung dieses Gleichspannungszwischenkreises und der Schalterstellungen des Inverters 2 ist das Regelsystem 3 imstande, die im Ständer der Maschine wirkende Ständerspannung und daraus beispielsweise auf der Basis einer Integration der Ständerspannung den in der Maschine wirkenden Ständerfluß zu bestimmen. Natürlich sind alle allgemein bekannten, rechnerischen Verfahren zur Bestimmung des Ständerflusses, einer Schätzung davon oder irgendeiner zum Ständerfluß vergleichbaren Größe, wie eines Läuferflusses oder Luftspaltflusses, bei der Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich. Das in 1 mit dem Bezugszeichen 3 bezeichnete Regelsystem wird im Zusammenhang mit dieser Anmeldung nicht ausführlicher beschrieben, weil es von einem in diesem Bereich konventionellen Typ ist. Es soll jedoch festgestellt werden, daß ein solches Regelsystem beispielsweise im EP-Patent 01 79 356 B1 beschrieben wird.
Beim Anlassen einer Asynchronmaschine durch Benutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im ersten Schritt Nullmoment als Ziel des Regelsystems 3 gesetzt. Danach wird von dem Inverter 2 dem Ständer der Maschine 1 Spannung zugeführt. Diese Spannung wird auf einem solchen Pegel zugeführt, daß sie einen Ständerstrom erzeugt, der nahe dem Nennstrom des Ständers des Motors 1 ist. Dieser Ständerstrom und dessen Entstehung werden mit an wenigstens zwei Phasen durchzuführenden Strommessungen verfolgt, wie in 1 gezeigt wird. Mittels dieser Strommeßwerte ist es möglich, den Ständerstromvektor i _s zu bestimmen, der bei Berechnung des Moments gemäß Gleichung 1 erforderlich ist. Gleichzeitig mit der Zuführung der Ständerspannung wird der Ständerfluß der Maschine beispielsweise mittels des obenerwähnten Prozesses bestimmt, und in dieser Weise kann das in der Maschine entstehende Moment mit Gleichung 1 berechnet werden. Über das Regelsystem 3 soll noch festgestellt werden, daß wenn darin die schnellste Regelschleife den Magnetisierungsstrom steuert, der gewünschte Ständerstrom direkt als Magnetisierungsstromsollwert erteilt werden kann. Wenn wiederum der Ständerfluß gesteuert wird, kann mittels des gewünschten Ständerstroms eine geeignete Ständerflußsollwert berechnet werden: ψ _ref = σL_s i _ref (7) wo

Ψref: = Ständerflußsollwert
i _ref: = gewünschter Ständerstrom

Wie oben festgestellt wurde, beginnt beim Start des Anlassens auch die Berechnung des entstehenden Moments mittels der Formel 1. Wenn der Läufer nicht rotiert, wird kein Moment gebildet, weil es dabei zwischen dem Ständerfluß und dem Ständerstrom keine Phasendifferenz gibt und deren Vektorprodukt somit Null ist. In dieser Situation kann mit der Stromzuführung des Ständers fortgesetzt werden, und der Ständerfluß kann erhöht werden, bis der Motor ausreichend magnetisiert ist und imstande ist, die erteilten Momentsollwerte auszuführen. Dabei kann der Maschine somit ein gewünschter Momentsollwert erteilt werden, und es ist möglich, den bei Verwirklichung des erfindungsgemäßen Anlaßverfahrens erforderlichen Nullmomentsollwert zu verlassen.
Wenn wiederum der Läufer bei erfindungsgemäßem Anlassen des Motors rotiert, wird auch Moment gebildet. Dies basiert darauf, daß beim Rotieren des Läufers zwischen dem Ständerstrom und Ständerfluß ein Winkelunterschied entsteht, der zur Folge hat, daß deren Vektorprodukt nach Formel 1 nicht mehr Null ist. 2 stellt diese Situation dar, in der der Ständerfluß nach Formel 6 einen kleinen Läuferfluß verursacht hat, der sich beim Rotieren des Läufers wendet und einen Winkelunterschied zwischen dem Ständer- und Läuferflüssen verursacht. Weil jedoch dem Regelsystem Nullmoment als Sollwert erteilt worden ist, versucht die Regelung das entstandene Moment dadurch zu kompensieren, daß sie den Ständerfluß auf den Läuferfluß steuert. In dieser Weise schießt der Ständerfluß zu der Drehgeschwindigkeit des Läuferflusses. Der Ständerfluß erreicht sogar hohe Frequenzen ohne Verzögerungen, weil er keine Inertia aufweist.
Ein wahrnehmbares Moment wird je schneller gebildet, je schneller der Läufer rotiert und je kleiner die Läuferzeitkonstante ist. Aus Formel 6 ist ersichtlich, daß der Läuferfluß bei typischen Läuferzeitkonstanten Zeit hat, so groß zu wachsen, daß es gelingt, das entstehende Moment so schnell zu entdecken, daß die Maschine nicht einmal bei hohen Frequenzen kippt. Die Momentgrenze, nach der der Ständerfluß bewegt werden soll, kann jedoch nicht Null sein, weil bei Strommessung immer Fehler entstehen, die wiederum aus der Momentschätzung nach Formel 1 hervorgehen. Deshalb ist es wichtig, daß das von einem wirklichen, rotierenden Läuferfluß verursachte Moment sich von einem von Strommessungsfehlern verursachten Momentgeräusch unterscheidet. Das wird ausdrücklich dadurch erreicht, daß der bei Beginn des Verfahrens dem Ständer zuzuführende Strom groß genug ist und die in dieser Weise entstehenden Stander- und Läuferflüsse auch so groß sind, daß Messungsfehler zuverlässig vermieden werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die Käfigmaschine gleich nach der Erzeugung des Ständerstroms und des Ständerflusses völlig regelbar ist. Das zu benutzende Moment soll jedoch wegen der Kippgefahr beschränkt werden, und das Nennmoment kann nicht benutzt werden, bevor der Ständerfluß auf den nominellen erhöht worden ist.

Claims

Verfahren zum Anlassen einer Asynchronmaschine unabhängig davon, ob der Läufer der Maschine (1) rotiert oder nicht, wobei ein Positions- und/oder Drehzahl-Geber für die Maschine entbehrlich ist, und die Maschine von einem Inverter (2) gespeist wird, der eine separate Drehmoment- und Magnetisierungsstromregelung (3) aufweist, die schneller sind als die Zeitkonstanten der Asynchronmaschine, welches Verfahren folgende Schritte aufweist: a) das Drehmoment Null wird als Ziel der Regelung (3) vorgegeben, b) eine Spannung wird vom Inverter (2) dem Ständer der Maschine zugeführt, c) die dem Ständer zuzuführende Spannung wird so eingestellt, dass der dadurch erzeugte Ständerstrom (i_s) nahe seinem Nennwert ist, d) ein von der Spannung generierter Ständerstromvektor (i_s) wird bestimmt, e) ein von der Spannung generierter Ständerflussvektor (ψ_s), eine Schätzung davon, ein nach allgemeinen rechnerischen Verfahren bestimmter Ständerflussvektor (ψ_s), oder ein dem Ständerflussvektor (ψ_s) vergleichbarer Läuferfluss (ψ_r) oder Luftspaltfluss wird bestimmt, f) ein vom Ständerflussvektor (ψ_s) und dem Ständerstromvektor (i_s) verursachtes Drehmoment (T_m) wird bestimmt und g) eine Information über das Drehmoment (T_m) wird der Regelung zugeführt, die das gebildete Drehmoment dadurch zu nullen versucht, dass sie den Ständerfluss (ψ_s) und einen davon erzeugten Läuferfluss (ψ_r) gleichphasig macht und somit die Speisefrequenz des Inverters mit einer eventuellen Rotation des Läufers der Maschine synchronisiert.