DE19650403B4

DE19650403B4 - Verfahren zur Ermittlung von Auslaufdrehzahl und/oder Drehrichtung

Info

Publication number: DE19650403B4
Application number: DE1996150403
Authority: DE
Inventors: Niels Due Jensen; Pierrê Vadstrup
Original assignee: Grundfos AS
Current assignee: Grundfos AS
Priority date: 1996-12-05
Filing date: 1996-12-05
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2016-12-06
Also published as: DE19650403A1

Abstract

Verfahren zur Ermittlung von Auslaufdrehzahl eines frequenzumformergesteuerten Mehrphasenasynchronmotors (2), bei dem mindestens eine Wicklung (A, B, C) kurzzeitig mit einem Erregerstrom beaufschlagt und dann abgeschaltet wird, wobei durch Messung mindestens einer elektrischen Größe der sich dadurch ergebenden eletrodynamischen Rückwirkung des Motors (2) die Auslaufdrehzahl bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Erregung Motorwicklungen (A, B, C) von mindestens zwei Phasen (U, V, W) kurzgeschlossen werden und daß während des Kurzschlusses der sich dann ergebende Stromverlauf und anhand der Frequenz des Stromes die Auslaufdrehzahl ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Auslaufdrehzahl bzw. der Auslaufdrehrichtung eines frequenzumrichtergesteuerten Mehrhasenasynchronmotors mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 11 angegebenen Merkmalen.
Mehrphasenasynchronmotoren werden heute insbesondere beim Einsatz in Verbindung mit Kreiselpumpen vermehrt frequenzumformergesteuert, da die Entwicklung auf diesem Gebiet inzwischen vergleichsweise kostengünstige und kleine Umformeraggregate hervorgebracht hat, die ihren Einsatz wirtschaftlich sinnvoll macht. Ein Problem insbesondere dieser miniaturisierten, an das Motoraggregat angepaßten Frequenzumformer ist, daß diese vergleichsweise leicht durch dynamische Rückwirkungen des Motors beschädigt oder zerstört werden können. Dieses Problem tritt insbesondere beim Einschalten des Motors auf, wenn dieser noch nicht zum Stillstand gekommen ist. Es ist zwar bekannt, wie man diesem Problem der elektrodynamischen Rückwirkung des Motors auf den Frequenzumformer beim Einschalten des Motors begegnet – es wird in diesem Zusammenhang auf DE 43 07 097 C1 verwiesen -, doch setzt diese Gegenmaßnahme in der elektrischen Ansteuerung eine zumindest ungefähre Kenntnis der Drehzahl des noch laufenden Motors (Auslaufdrehzahl) sowie seiner Drehrichtung voraus.
Aus DE 41 07 362 A1 und DE 35 23 625 C2 sind ähnliche Anfahrverfahren bekannt, die ebenfalls die Ermittlung der Auslaufdrehzahl des Motors voraussetzen. Zur Ermittlung der Auslaufdrehzahl wird dort der Frequenzumformer mit verminderter Leistung so angesteuert, daß er das gesamte für den jeweiligen Motor in Frage kommende Frequenzband mindestens einmal mit reduzierter Ausgangsspannung durchfährt, wobei gleichzeitig die Stromwerte des Motors ermittelt werden. Die Frequenz, bei der der Motorstrom sein Maximum erreicht, entspricht der Auslaufdrehzahl. Dieses Verfahren ist relativ aufwendig. Insofern deutlich einfacher ist das aus DE 43 07 097 C1 bekannte, bei dem zur Ermittlung der Auslaufdrehzahl der Motor bei niedriger Frequenz kurzzeitig erregt wird und dann anhand der daraus resultierenden elektrodynamischen Rückwirkung, nämlich anhand des Spannungsabfalls an einer Freilaufdiode des ausgeschalteten Frequenzumformers, die Auslaufdrehzahl ermittelt wird. Da der Spannungsabfall an einer Freilaufdiode des ausgeschalteten Frequenzumformers ermittelt wird, muß die Meßelektronik für eine Spannung ausgelegt werden, die etwa der Betriebsspannung entspricht. Dies führt insbesondere bei Anwendung hochminiaturisierter Halbleitertechnik zu einem nicht unerheblichen Bauaufwand nur für die Meßelektronik. Es ist bekannt, daß insbesondere hochohmige Widerstände in miniaturisierter Halbleitertechnik gegenüber einem aktiven Bauelement wie beispielsweise Transistoren oder Dioden enormen Raum beanspruchen. Im übrigen muß die dort in Wärme umgesetzte Leistung abgeführt werden.
Aus US-PS 5,521,483 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung der Auslaufdrehzahl bekannt. Bei diesem Verfahren wird der Motor für eine kurze Zeitspanne kurzgeschlossen und der Stromraumzeiger ermittelt. Nach einer gewissen Leerlaufzeit erfolgt ein erneuter Kurzschluss sowie nachfolgend wieder die Bestimmung des Stromraumzeigers. Die Frequenz und somit die Drehzahl des Motors wird aus dem Differenzwinkel der beiden Stromraumzeiger dividiert durch die Leerlaufzeitspanne ermittelt. Dieses Verfahren erlaubt eine vergleichsweise exakte Bestimmung der Drehzahl, erfordert aber eine sehr aufwendige Auswertelektronik. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass eine Drehzahlbestimmung erst nach wiederholt erfolgtem Kurzschluss des Motors erfolgen kann, was typischerweise erst nach 60 bis 90 Grad Leerlaufumdrehung der Fall ist.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Ermittlung der Auslaufdrehzahl und/oder der Drehrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, das mit einem deutlich vereinfachten Messaufbau auskommt, insbesondere unter Zugrundelegung miniaturisierter Halbleitertechnik.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die in Anspruch 1 bzw. Anspruch 11 angegebenen Merkmale gelöst.

Demgemäß sieht die Erfindung vor, daß nach dem Abschalten des Erregerstroms die Motorwicklung von mindestens zwei Phasen kurzgeschlossen und der sich dann ergebende Stromverlauf ermittelt wird, wobei anhand des Stromverlaufes die Auslaufdrehzahl des Motors ermittelt wird. Es versteht sich, daß statt des Stromverlaufes auch der Spannungsverlauf ermittelt und entsprechend ausgewertet werden kann. Unter Drehzahlermittlung im Sinne der Erfindung muß nicht eine exakte Drehzahlbestimmung verstanden werden, es genügt, eine ungefähre Bestimmung, d. h. eine Abschätzung des Drehzahlbereiches, um die eingangs erwähnten elektrodynamischen Rückwirkungen des Motors auf den Frequenzumformer beim Anfahren desselben auszuschalten.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird lediglich der Verlauf der Phasenströme im Kurzschluß ermittelt, so daß die Meßeinrichtung hinsichtlich der Durchschlagfestigkeit nicht für die Netzspannung sondern lediglich für den Niedervoltbereich auszulegen ist. Die Ermittlung des Stroms der kurzgeschlossenen Motorwicklungen – dies kann beispielsweise durch Messung des Spannungsabfalls an einem Widerstand erfolgen – ist daher insbesondere bei der Anwendung hoch- und höchstminiaturisierter Halbleitertechnik wesentlich günstiger als die bisher bekannte Spannungsmessung gegebenüber dem Versorgungspotential. Das Kurzschließen der Phasen kann durch die im Leistungsteil des Frequenzumformers ohnehin vorhandenen Leistungstransistoren erfolgen, so daß der apparative Aufwand (Modifi zierung der Chiparchitektur) denkbar gering bzw. überhaupt nicht erforderlich ist.

Der Stromverlauf wird zweckmäßigerweise indirekt ermittelt durch Messung des Spannungsabfalls an einem Meßwiderstand. Als Meßwiderstand wird bevorzugt ein ohnehin vorhandenes Bauelement eingesetzt, z. B. ein Transistor im Leistungsteil des Frequenzumformers, dessen Innenwiderstand den Meßwiderstand bildet.

Vom Meßaufbau her noch einfacher ist es, den Stromverlauf durch Ermittlung des Spannungsabfalls an einem im Leistungsteil des Frequenzumformers ohnehin vorhandenen Meßwiderstand zu bestimmen. Solche Meßwiderstände sind beispielsweise auf der Niederspannungsseite jedes Umformerzweigpaares ohnehin vorhanden (s. EP 0 585 703 A2 Die Nutzung dieser ohnehin vorhandenen Meßwiderstände hat nicht nur den Vorteil, daß der Bauaufwand für weitere in Halbleitertechnik stets aufwendige Widerstände entfällt, sondern darüberhinaus auch den, daß der Spannungsabfall beim Kurzschluß der Wicklungen an diesem bzw. diesen Meßwiderständen deutlich größer als beispielsweise am Innenwiderstand eines Leistungstransistors ist. Dadurch reduziert sich der Bauaufwand für die Meßeinrichtung erheblich, da die zu messende Größe zum einen gut erfaßbar und zum anderen weitgehend unempfindlich gegen innere oder äußere Störeinflüsse ist.

Vorteilhaft ist es, wenn die Erregung des Motors mit Gleichstrom, erfolgt, da dann die Auswertung vereinfacht und insbesondere die Drehrichtung des Motors schnell und gut erfaßbar ist. Ein solcher Gleichstrom steht frequenzumformerseitig ohnehin zur Verfügung. Über die Größe und Zeitdauer des Erregerstroms kann zudem der sich später beim Kurzschluß einstellende Wicklungsstrom wirksam be grenzt werden, was zu einer weiteren Eingrenzung der Meßeinrichtung hinsichtlich der Durchschlagfestigkeit führen kann.

Wenn der Motor in Sternschaltung betrieben ist, erfolgt die Erregung bevorzugt in zwei der drei Motorwicklungen eines Dreiphasenasynchronmotors. Durch Ermittlung des Stromverlaufes in der dritten nicht erregten Phase des Motors können ebenfalls Drehrichtung und/oder Drehzahl ermittelt werden. Die hier zu messenden Ströme bzw. Spannungen sind relativ klein, da die Wicklung, an der gemessen wird, nicht erregt worden ist.

Wenn schon während der Erregung der Stromverlauf in einer nicht erregten Wicklung bestimmt wird, kann sehr schnell, d. h. schon vor dem Kurzschluß der Motorwicklungen die Drehrichtung des Motors ermittelt werden. Die Drehzahl des (noch laufenden) Motors (Auslaufdrehzahl) wird anhand der Frequenz des in der nicht erregten Wicklung induzierten Stromes bestimmt.

Alternativ kann die Erregung auch mit Wechselstrom erfolgen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

1 in stark vereinfachter Form ein Schaltbild eines Dreiphasenasynchronmotors in Dreieckschaltung mit vorgeschaltetem Frequenzumformer,

2 einen Dreiphasenasynchronmotor mit vorgeschaltetem Frequenzumformer in Sternschaltung in Darstellung nach 1,

3 den Stromverlauf eines gleichstromerregten Dreiphasenasynchronmotors und

4 den Stromverlauf eines wechselstromerregten Dreiphasenasynchronmotors.

Ein Frequenzumformer 1 ist einem Dreiphasenasynchronmotor 2 vorgeschaltet, der in 1 in Dreieckschaltung und in 2 in Sternschaltung betrieben wird. Die Phasen sind mit U, V und W gekennzeichnet, die zugehörigen Wicklungen mit A, B und C. Der anhand der 1 und 2 dargestellte Frequenzumformer 1 wird durch ein Einphasenwechselstromnetz 3 gespeist.

Der in den Figuren dargestellte Leistungsteil des Frequenzumumformers gliedert sich in einen Gleichrichter 4, der den aus dem Netz 3 kommenden Wechselstrom gleichrichtet, einen Zwischenkreis 5, in dem der Gleichstrom geglättet wird und einen Wechselrichter 6, in dem das für den Motor 2 gewünschte Drehstromsignal erzeugt wird. Die Steuerung und Regelung erfolgt über einen nicht dargestellten Steuer- und Regelkreis, der an sich ebenfalls bekannt ist. Bei den anhand der 1 und 2 dargestellten Ausführungen erfolgt die Versorgung über ein einphasiges Wechselstromnetz 3, sie kann jedoch auch über ein Dreiphasendrehstromnetz erfolgen.

Der Wechselrichter 6 besteht aus insgesamt sechs Zweigen 7, von denen jeder einen Schalter 8 in Form eines Leistungstransistors sowie eine parallel geschaltete Diode 9 als Freilaufdiode aufweist. Die Steueranschlüsse der Transistoren 8 sind mit 10 gekennzeichnet. Für jede Phase U, V und W des Motors 2 sind zwei Umformerzweige vorgesehen, die so gesteuert sind, daß immer ein Zweig 7 stromführend ist, wenn der andere nicht stromführend ist. Jeder Phase U, V, W ist also ein Zweigpaar zugeordnet, von denen jeweils der in den Figuren untere Zweig der Niederspannungsseite und der in den Figuren obere Zweig 7 der Hochspannungsseite zugeordnet ist.

Zum Messen der Motorströme, die durch die Wicklungen A, B und C fließen, sind drei Meßwiderstände R_U, R_V, R_W jeweils in den unteren Zweigen, also auf der Niederspannungsseite vorgesehen. Da von jedem Zweigpaar stets nur ein Zweig stromführend und innerhalb des Steuer- und Regelkreises ein Signal abgreifbar ist, anhand dessen eine zeitliche Zuordnung der Stromführung der Zweige möglich ist, kann durch Spannungsmessung an diesen drei Meßwiderständen R_U, R_V und R_W der Motorstrom (bzw. die Motorströme) exakt bestimmt werden. Die Strommessung erfolgt in an sich bekannter Weise durch Messung des Spannungsabfalls an den Meßwiderständen. Eine entsprechende Meßeinrichtung ist in den Figuren dem Meßwiderstand R_U zugeordnet und mit 11 gekennzeichnet. Es versteht sich, daß jedem der Meßwiderstände eine solche Meßeinrichtung 11 zugeordnet sein kann, wenn alle Motorströme exakt bestimmt werden sollen.

Zur Ermittlung der Drehrichtung und Auslaufdrehzahl des Motors 2 erfolgt zunächst durch entsprechende Ansteuerung der Schalter 8 über die Steueranschlüsse 10 mittels des Steuer- und Regelkreises eine Erregung von zwei Wicklungen A und B der drei Motorwicklungen mit einer zuvor ermittelten Spannung über eine Zeit von beispielsweise 0,2 Sek. Dabei ergibt sich ein Stromfluß innerhalb der Wicklungen, wie in 3 anhand der Phasen U, V und W dargestellt ist. Diese Phasenströme können während der Erregungsphase in an sich bekannter Weise durch Spannungsmessung an den Widerständen R_U, R_V und R_W ermittelt werden, wobei eine Messung in den erregten Phasen U und V an sich nicht erforderlich ist, in 3 jedoch übersichtshalber dargestellt ist. Zweckmäßig ist es jedoch, schon während der Erregung in den Phasen U und V den Strom in der dritten nicht erregten Phase W zu bestimmen. Anhand des dort mit 12 gekennzeichneten Ausschlages, also eines sich kurz nach Beginn der Erregung einstellenden kurzzeitigen negativen Stromes 12 kann bereits die Drehrichtung des Motors ermittelt werden, d. h. bei positivem Ausschlag dreht der Motor rechts herum, bei negativem links herum oder umgekehrt.

Bei dem Ausführungsbeispiel erfolgt die Erregung für 0,2 Sek., wonach eine Abschaltung des Motors erfolgt, indem alle sechs Schalter 8 geöffnet werden. Unmittelbar danach werden die Wicklungen A, B und C miteinander kurzgeschlossen, indem die Schalter 8 der in den Figuren jeweils unteren Zweige geschlossen werden. Da dies die Niederspannungsseite des Frequenzumformers ist, liegt hier frequenzumformerseitig kein Potential an, weshalb sich ein Kurzschlußstrom ausschließlich innerhalb der Wicklungen ausbildet. Die sich hier bildenden Ströme können durch die Meßeinrichtungen 11 an den Meßwiderständen R_U, R_V und R_W erfaßt werden, wie dies in 3 ersichtlich ist. Zwar sind in 3 alle drei Ströme auch nach Kurzschließen der Wicklungen A, B und C dargestellt, doch genügt es auch hier, in der nicht erregten Phase W den Strom zu messen. Anhand der Frequenz des gegen Null auslaufenden Stromes kann dann die Drehzahl des Motors ermittelt werden, wobei die Übereinstimmung der anhand der Auslauffrequenz ermittelten Drehzahl mit der tatsächlichen Drehzahl um so größer ist, je höher die Drehzahl und je größer der Motor ist. In der Regel genügt jedoch schon bei kleinen Motoren die hier erzielbare Genauigkeit, um einen Drehzahlbereich mit genügender Sicherheit eingrenzen zu können, so daß ein gezieltes Anfahren ohne schädlich dynamische Rückwirkungen auf den Frequenzumformer erfolgen kann.

Wie die vorstehenden Ausführungen verdeutlichen, kann das Verfahren zur Ermittlung von Drehzahl und Drehrichtung mit ohnehin vorhandenen Bauteilen erfolgen, benötigt also keinerlei zusätzliche elektronische Bauteile. Die Durchführung des Verfahrens erfolgt rein steuerungstechnisch, so daß es in der Praxis lediglich einer entsprechenden Programmierung innerhalb des ebenfalls ohnehin vorhandenen Steuer- und Regelkreises bedarf.

Anhand von 4 ist dargestellt, wie die Erregung alternativ mit Wechselstrom erfolgen kann und welche Stromverläufe sich dann ergeben.

Claims

Verfahren zur Ermittlung von Auslaufdrehzahl eines frequenzumformergesteuerten Mehrphasenasynchronmotors (2), bei dem mindestens eine Wicklung (A, B, C) kurzzeitig mit einem Erregerstrom beaufschlagt und dann abgeschaltet wird, wobei durch Messung mindestens einer elektrischen Größe der sich dadurch ergebenden eletrodynamischen Rückwirkung des Motors (2) die Auslaufdrehzahl bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Erregung Motorwicklungen (A, B, C) von mindestens zwei Phasen (U, V, W) kurzgeschlossen werden und daß während des Kurzschlusses der sich dann ergebende Stromverlauf und anhand der Frequenz des Stromes die Auslaufdrehzahl ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromverlauf durch Spannungsmessung an mindestens einem Meßwiderstand (R) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßwiderstand der Innenwiderstand eines Transistors (8) im Leistungsteil des Frequenzumformers (1) genutzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßwiderstand ein im Leistungsteil des Frequenzumformers (1) vorhandener Meßwiderstand (R) benutzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung mit Gleichstrom erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung in zwei der drei Motorwicklungen (A, B, C) eines Dreiphasenasynchronmotors (2) erfolgt, wenn der Motor in Sternschaltung betrieben ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromverlauf in der nicht erregten Wicklung (A, B, C) des Motors ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß schon während der Erregung der Stromverlauf in einer nicht erregten Wicklung (A, B, C) zur Bestimmung der Drehrichtung des Motors ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß anhand der Frequenz des in der nicht erregten Wicklung (A, B, C) induzierten Stromes die Auslaufdrehzahl bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung mit Wechselstrom erfolgt.
Verfahren zur Ermittlung der Auslaufdrehrichtung eines frequenzumrichtergesteuerten Mehrphasenasynchronmotors (2), bei dem mindestens eine Wicklung (A, B, C) kurzzeitig mit einem Erregerstrom beaufschlagt und dann abgeschaltet wird, wobei durch Messung mindestens einer elektrischen Größe der sich dadurch ergebenden eletrodynamischen Rückwirkung des Motors (2) die Auslaufdrehrichtung bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung mit Gleichstrom erfolgt und der Stromverlauf (12) in der nicht erregten Wicklung (A, B, C) während der Erregung des Motors (2) ermittelt und aus der Stromrichtung daran die Drehrichtung des Motors (2) bestimmt wird.