DE4113068A1

DE4113068A1 - Verfahren zur ermittlung oder regelung der drehzahl eines asynchronmotors

Info

Publication number: DE4113068A1
Application number: DE4113068A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Ing Kretschmer; Walter Dipl Ing Mueller; Wolfgang Dipl Ing Sperzel; Friedrich W Dr Ing Thomas
Original assignee: Leybold AG
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1991-04-22
Filing date: 1991-04-22
Publication date: 1992-11-05

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Turbomolekularpumpen werden mit hoher Drehgeschwindigkeit betrieben und weisen we gen ihres komplexen mechanischen Aufbaus oft mehrere kritische Resonanzfrequenzen auf. Diese kritischen Resonanzfrequenzen liegen zwischen der Drehzahl Null und der Nenndrehzahl. Damit keine bleibenden Schäden an einer Turbomolekularpumpe entstehen, darf sie nicht für längere Zeit mit ihren Resonanzfrequenzen oder -drehzahlen betrieben werden. Dies kann dadurch erreicht werden; daß sie möglichst schnell auf ihre Nenndreh zahl gebracht wird.

Die Drehzahl einer Asynchronmaschine ist allerdings lastabhängig, so daß es bei einer ent sprechenden Last durchaus vorkommen kann; daß eine ohne spezielle Regelung versehene Asynchronmaschine exakt auf einer Resonanzstelle verharrt.

Mit Hilfe einer Drehzahlregelung mittels einer frequenzvariablen Drehfeldvorgabe, die un abhängig von der jeweiligen Last die Nenndrehzahl oder eine andere Drehzahl außerhalb der Resonanzbereiche ansteuert, kann das Verharren in einer Resonanzstelle vermieden werden.

Für eine solche Drehzahlregelung sind allerdings Drehzahlgeber erforderlich, welche die Ist-Drehzahl feststellen. Solche Drehzahlgeber sind relativ aufwendig und werden deshalb nicht gerne verwendet.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Ankerdrehzahl eines über einen Frequenzumrichter gespeisten Asynchronmotors ohne Verwendung eines Drehzahlgebers zu ermitteln.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß die Drehzahl eines Asynchronmotors sowie sein Schlupf auch ohne Drehzahlgeber überwacht werden können.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im fol genden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Turbomolekularpumpe mit einem Asynchronmotor;

Fig. 2 eine Steueranordnung für den Asynchronmotor gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine Spannungs-Frequenz-Kennlinie;

Fig. 4 den Frequenzverlauf von Statorspannung und Rotordrehzahl während des Hochfahrens auf eine Enddrehzahl des Motors;

Fig. 5 die Schlupfermittlung während der Hochlaufphase des Motors;

Fig. 6 die Drehzahlregelung nach Erreichen der Enddrehzahl des Motors.

In der Fig. 1 ist eine Turbomolekularpumpe 1 dargestellt; die von einem Drehstromasyn chronmotor 2 angetrieben wird. Mit einem Pfeil 3 ist die Ansaugrichtung des abgepumpten Gases angedeutet; während mit einem Pfeil 4 die Austrittsrichtung des angesaugten Gases bezeichnet ist.

Die Turbomolekularpumpe 1 weist ein Gehäuse 5 auf, in dem eine Rotorwelle 6; ein Rotor 7 und ein Stator 8 vorgesehen sind. Am Umfang des Rotors 7 sind mehrere Rotorscheiben 9, 10, 11 angeordnet; die in entsprechende Aussparungen des Stators 8 eingreifen. Die Ro torwelle 6 ist in Lagern 12, 13 gelagert und mit ihrem einen Ende in ein Ölbad 14 getaucht, das sich in einer Wanne 15 befindet; die von einem Träger 16 des Lagers 13 abgeschlossen wird.

An die Rotorwelle 6 ist der Rotor 17 des Asynchronmotors 2 angeflanscht, dessen Stator 18 um den Rotor 17 herum angeordnet und mit dem Turbopumpen-Stator 8 verbunden ist.

Bei dem Asynchronmotor 2 handelt es sich vorzugsweise um einen Käfig- oder Kurz schlußläufer, der keine Schleifringe benötigt. Die Drehzahl eines solchen Asynchronmo tors kann über den Schlupf, die Standerfrequenz und die Polpaarzahl geändert werden, da diese drei Größen über die Gleichung

n = (1-s) f_s/p

wobei
n = Drehzahl
s = Schlupf
f_s = Ständerfrequenz
p = Polpaarzahl
die Drehzahl bestimmen.

Der Schlupf s ist eine Zahl, die in Prozenten oder unmittelbar angibt, um wieviel bei einer Induktionsmaschine die mechanische Drehzahl des Läufers von der Drehzahl des Dreh felds im Luftspalt abweicht. Die in jedem Strang einer Läuferrichtung induzierte Spannung ist proportional dem Schlupf. Unter Polpaarzahl versteht man die Zahl der Polpaare, wel che die Frequenz einer Induktionsmaschine festlegt.

In der Fig. 2 ist der Asynchronmotor 2 als elektrisches Prinzipschaltbild eines Dreiphasen Asynchronmotors dargestellt, dessen Phasen U, V, W an den Versorgungsleitungen 20 bis 22 liegen. Diese Versorgungsleitungen 20 bis 22 sind jeweils mit einer Halbbrückenschal tung 23, 24, 25 verbunden, die zwei steuerbare Feldeffekttransistoren 26,27; 28, 29; 30, 31 aufweist, deren Steuerelektroden mit einer Mikroprozessorsteuerung 32 verbunden sind, welche die Steuerelektrode mit phasenverschobenen Impulsen beaufschlagt. Eine an der Halbbrückenschaltung 23-25 anliegende Gleichspannung U_z, die aus einer Gleich Stromversorgung 33 kommt, wird durch die gesteuerten Feldeffektansistoren 26 bis 31 zerhackt und in drei verschiedene Wechselströme umgeformt. Die Gleichstromversorgung 33 wird ihrerseits durch ein ein- oder dreiphasiges Netz versorgt.

Die Mikroprozessorsteuerung 32 erfaßt sowohl die am Ausgang 34, 35 der Gleichstrom versorgung 33 anstehende Gleichspannung U_a als auch den Gleichstrom J, der aus der Gleichstromversorgung 33 zu den Halbbrücken 23 bis 25 fließt. Die Stromversorgung der Mikroprozessorsteuerung 32 selbst erfolgt ebenfalls aus der Gleichsstromversorgung 33, und zwar über Leitungen 36 bis 38. Als Mikroprozessor kann beispielsweise ein Siemens Prozessor 80537 verwendet werden, der einen Pulsbreitenmodulator Marconi MA 818 (Three Phase Pulse Width Modulated Wave Form Generator) ansteuert.

Mit der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 ist es somit möglich, die von einer Gleich Stromversorgung 33 gelieferte Ausgangsspannung dreiphasig zu zerhacken, so daß drei steuerbare Wechselspannungen an den Phasen U, V, W anstehen.

Anstelle der in Fig. 2 dargestellten Halbbrückensteuerung unter Verwendung von Feld effektransistoren kann beispielsweise auch eine Schaltungsanordnung mit Gate-Turn-Off Thyristoren oder IGBTs (= Isolated-Gate-Bipolar-Transistoren) zur Anwendung kommen.

In der Fig. 3 ist eine Spannungs-Frequenz-Kennlinie 40 dargestellt, wobei U die am Stän der des Motors anliegende Spannung und f_S deren Frequenz ist. Eine solche Kennlinie wird angestrebt, um über den gesamten Frequenzbereich ein möglichst hohes Motordreh moment zu erzeugen (vgl. Franz Zach: Leistungselektronik, 2. Auflage, 1987, S. 318, Abb. 4.127) Damit ein solches hohes Drehmoment erreicht wird, muß der Motor 2 mit konstan tem magnetischem Fluß arbeiten, denn das an dem Läufer eines Asynchronmotors angrei fende innere Moment ist zeitunabhängig, proportional dem Produkt der Amplituden von Drehfeld- und Läuferstrombelagswelle und dem Cosinus des Phasenwinkels zwischen den beiden Wellen; Bei kleinem Schlupf nehmen Läuferstrombelag und Drehmoment linear mit dem Schlupf zu, wobei die Flußdichte näherungsweise als konstant angesehen werden kann.

Um den Fluß konstant zu halten, muß bei einer Änderung der Speise- oder Ständerfre quenz f_S zur Verstellung der Winkelgeschwindigkeit auch die Speisespannung frequenz proportional verändert werden. Es gilt:

Φ=const. ∼I_µ = const U/2π f_s L_H∼ U/f_s

wobei
Φ = Fluß
I_µ = Magnetisierungsstrom
f_s = Speisefrequenz
L_H = Induktivität der Ständerwicklung

Man erkennt hieraus, daß der für den magnetischen Fluß verantwortliche Magnetisierungs strom gleich der Ständerspannung geteilt durch den induktiven Wechselstromwiderstand ist, der seinerseits von der Frequenz abhängt. Bei konstanter Spannung und wachsender Frequenz nimmt folglich der Fluß ab. Um den Fluß konstant zu halten, muß deshalb auch die Spannung linear mit der Frequenz zunehmen. Die U/f-Kennlinie gemäß Fig. 3 zeigt ei ne solche lineare Spannungszunahme im Bereich f₀ bis f_N, wobei f_N die Nennfrequenz ist. Im Anfangsbereich 41 der Spannungs-Frequenz-Kurve 40, d h. zwischen der Frequenz 0 und f₀ findet eine I. R-Kompensation statt, weil bei niedriger Anfangsfrequenz der ohm sche Widerstand, der bei höheren Frequenzen vernachlässigt wird, stark in das Dreh moment eingeht. Der Standerwiderstand bedingt, daß im unteren Frequenzbereich 41 die Spannungs-Frequenz-Kennlinie nicht linear ist.

In der Fig. 4 ist graphisch dargestellt, wie sich die Drehfeld- oder Statorfrequenz f_s(Stator) der dem Asynchronmotor 2 zugeführten Spannung sowie der Drehzahl n_Rotor des Rotors nach dem Aufschalten über der Zeit verändern. Die Steigung der Drehzahlkennlinie ist hierbei kleiner als die Steigung der Statorfrequenz, und zwar unterscheiden sich beide Kennlinien durch einen konstanten Schlupf. Hierbei ist angenommen, daß sich der Rotor des Asynchronmotors 2 mit einer zunächst unbekannten Frequenz dreht und das Aufschal ten während dieses Drehens erfolgen soll.

Um ein solches Aufschalten während des Betriebs vornehmen zu können, wird der Asyn chronmotor 2 kurzzeitig mit der maximalen Statorfrequenz f_max beaufschlagt, die dann sehr schnell, z. B. innerhalb von 50 ms abgesenkt wird, bis eine untere Statorfrequenz _fu erreicht ist. Die Absenkung erfolgt deshalb sehr schnell, damit der Motor aufgrund seiner Trägheit nicht auf eine Drehzahl hochläuft, die der Frequenz f_max entspricht. Die Stator- Minimalfrequenz f_min liegt mit Sicherheit unter der aktuellen Rotordrehzahl, die mit n_akt(Rotor) bezeichnet ist. Liegt die Rotordrehzahl n_akt(Rotor) über der Statorfrequenz f_u(Stator), so herrscht Generatorbetrieb, der durch eine Stromerfassung erkannt wird.

Nachdem der Übergang vom Motor- auf den Generatorbetrieb erkannt worden ist, wird die Statorfrequenz f_(stator) linear erhöht. Die Rotordrehzahl n_(Rotor) folgt der Statorfrequenz f_(Stator) in geringem Abstand, wobei dieser Abstand den Beschleunigungsschlupf s_a defi niert, der bei veränderlicher Frequenz konstant bleiben soll. Zu Beginn der Drehzahlerhö hung schneidet die Statordrehzahlkurve die Rotordrehzahlkurve im Punkt f_s0, welcher den Schlupf Null definiert. Von diesem Schlupf Null beginnend wird der Rotor auf die ge wünschte Enddrehzahl n_End gebracht. Damit wird der Motor von einer definierten Stelle aus, nämlich vom Schlupf s = 0, auf seinem Betriebskreis betrieben, so daß das Risiko einer Kippung entfällt.

Sobald die Ist-Drehzahl bei f = f_s0 festgestellt worden ist, kann die Schlupfregelung ge mäß Fig. 5 beginnen. Diese Schlupfregelung soll, wie oben bereits erwähnt, bewirken, daß der Schlupf beim Hochfahren der Frequenz konstant bleibt. Durch das Konstanthalten des Schlupfes wird der cosϕ und damit der Wirkleistungsanteil stabilisiert, d. h. bei niedrigem, konstantem Schlupf ergibt sich ein guter Wirkungsgrad für die notwendige magnetische Erregung des Motors.

In der Fig. 5 ist ein relativ kleiner Zeitbereich aus der Kurve gemäß Fig. 4 dargestellt, der sich unmittelbar an den Übergang vom Motor- zum Generatorbetrieb anschließt. Man er kennt hierbei, daß die mittlere Statorfrequenz f_m(Stator) eine etwas größere Steigung als die mittlere Rotordrehzahl n_m(Rotor) aufweist. Dieser Unterschied in den Steigungen ist so festgelegt, daß sich ein konstanter Schlupf über alle Zeiten t₁ . . . t₄ ergibt. Um diesen Schlupf zu berechnen und dann konstant zu halten, pendelt die aktuelle Statorfrequenz f_akt(Stator) fortwährend um ihren Mittelwert f_m(Stator), wobei sie von einem konstanten Wert f₁ abrupt zu einem Wert f_1min abfällt und dann sehr schnell auf einen konstanten Wert f₂ hochgeführt wird. Dieser Vorgang, bei dem jedesmal kurzfristig vom Motor- auf den Generatorbetrieb umgeschaltet wird, wiederholt sich mehrfach, so daß aufgrund der festgestellten Motor/Generator-Übergänge die mittlere Motordrehzahl f_m(Motor) errechnet werden kann. Auch die einzelnen Schlupfwerte zu den Zeitpunkten t₁ . . . t₄ sind ermittel bar, so daß auf einen konstanten Schlupfwert geregelt werden kann.

Es handelt sich somit um eine Art digitalen Abtastbetrieb, bei dem gewissermaßen die Motordrehzahl mit Hilfe der Statorfrequenzen abgetastet wird.

Wie bereits erwähnt, wird durch kurzzeitiges Absenken der Statorfrequenz unter die Rotor frequenz die Rotordrehzahl ermittelt. Für diese Rotordrehzahl wird nun unter Berücksichti gung eines gewählten Schlupfs eine Beschleunigungsstatorfrequenz berechnet und an den Stator gelegt. Eine Beschleunigungsstromgrenze verhindert etwaige Überlastungen da durch, daß die Statorfrequenz zurückgenommen wird. Derartige Überlastungen treten in der Regel auf, wenn der eingestellte Schlupf für die anliegende Last zu groß war.

Während in der Fig. 5 der Anfangsbereich des beschleunigten Hochfahrens des Motors auf eine Enddrehzahl und die Schlupfregelung im Verlaufe dieses Hochfahrens dargestellt ist, zeigt die Fig. 6 den Vorgang der Drehzahlregelung, wenn die Enddrehzahl des Motors er reicht ist. Man erkennt hierbei, daß die tatsächliche Motordrehzahl n_akt(Motor) um einen idealen Wert n_id(Motor) schwankt. Dieser kann, um ein praktisches Zahlenbeispiel zu nen nen, 600 Hz betragen. Die maximale Abweichungsbandbreite der tatsächlichen Motordreh zahl n_akt(Motor) von der idealen Motordrehzahl n_id(Motor) ist mit ±Δn bezeichnet. Hier bei wird der Schlupf s lastabhängig standig so verändert, daß die Rotordrehzahl konstant gehalten wird. Die Enddrehzahl bewegt sich innerhalb des Toleranzbereichs ±Δn. Der Re gelvorgang wird auch hier durch Strom- und Schlupfgrenzgrößen-Kontrollen überwacht.

Die Statorfrequenz f(Stator) wird während des Betriebs des Motors auf seiner Enddrehzahl fortwährend abrupt nach oben und nach unten geschaltet, so daß sie eine Art Abtast frequenz für die Motordrehzahl bildet. Die Impulsbreite der Abtastung kann z. B. 0,25 % der oben erwähten 600 Hz betragen. Dabei unterscheiden sich die Amplituden der einzel nen Stator-Frequenzpulse f₁₀ . . . f₁₆ voneinander. Da der Abstand der jeweiligen Fre quenzamplituden f₁₀ . . . f₁₆ zur End-Motordrehzahl n_End den Schlupf definiert, zeigen die einzelnen Abstände den jeweiligen Schlupf an.

Der Abtastvorgang erfolgt im einzelnen in der Weise, daß z. B. die Statorfrequenz zuerst bei f₁₀ abgesenkt wird und dort die aktuelle Drehzahlkurve n_akt(Rotor) noch nicht er reicht. Es wird deshalb bei der nächsten Abtastung bei f₁₁ eine tiefere Absenkung vorge nommen, so daß nun die abgesenkte Statorfrequenz sehr nahe an die n_akt-Kurve kommt, aber immer noch nicht schneidet. Erst bei der darauffolgenden f₁₂ -Absenkung, die noch etwas weiter nach unten geht, wird die n_akt Kurve geschnitten. Jetzt kann die nachfolgen de Absenkung bei f₁₃ etwas geringer sein.

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung oder Regelung der Drehzahl einer Asynchronmaschine, die über eine Strom- oder Spannungsquelle mit veränderlicher Frequenz gespeist wird und die beim Übergang vom Motor- zum Generatorbetrieb und umgekehrt ein charakteristisches Signal liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz (f_S) der Strom- oder Span nungsquelle (23 bis 25) so lange verändert wird, bis das charakteristische Signal auftritt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das charakteristische Signal der von der Drehstrommaschine (2) aufgenommene Strom (J) ist, der beim Übergang vom Motor- zum Generatorbetrieb und umgekehrt den Wert Null annimmt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz (f_S) der Strom- oder Spannungsquelle (23 bis 25) von einem bestimmten Wert (f_max bzw. f_u) aus gehend erhöht bzw. erniedrigt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der aufgenommene Strom (1) der Strom eines Gleichstromzwischenkreises (33) ist.

5. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufrechterhaltung eines konstanten Drehmoments der Asynchronmaschine (2) die Spannung (U) linear mit der Fre quenz (f_S) der Strom- oder Spannungsquelle (23 bis 25) verändert wird.

6. Verfahren zur Ermittlung oder Regelung der Drehzahl einer Asynchronmaschine, die über eine Strom- oder Spannungsquelle mit veränderlicher Frequenz gespeist wird und die beim Übergang vom Motor- zum Generatorbetrieb und umgekehrt ein charakteristisches Signal liefert, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) die Strom- oder Spannungsquelle (23 bis 25) schaltet eine maximale Frequenz (f_max) auf den Stator einer Asynchronmaschine (2);
b) die Frequenz der Strom- oder Spannungsquelle (23 bis 25) wird innerhalb einer sehr kurzen Zeit auf einen solchen Wert (f_u) verringert, daß die Asynchronmaschine (2) vom Motor- zum Generatorbetrieb gelangt;
c) die Frequenz der Strom- oder Spannungsquelle (23 bis 25) wird von ihrem untersten Wert (f_u) ausgehend bis zu derjenigen Frequenz (f_End) erhöht, bei welcher die Asynchron maschine (2) ihre Nenndrehzahl einnimmt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz (f_S) der Strom- oder Spannungsquelle (23 bis 25) nach Erreichen des untersten Werts (f_u) linear er höht wird, wobei innerhalb einer vorgegebenen Zeit und unmittelbar nach Beginn der Er höhung der Frequenz die Frequenz (f₁, f₂, f₃, f₄) um einen Mittelwert (f_m) pendelt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Frequenzstufe f₁... f₄) vor dem Anstieg auf einen höheren Wert (z. B. von f₂ auf f₃) auf einen Wert (z. B. f_2min) abgesenkt wird, der unterhalb der Drehzahl des Rotors der Asynchronmaschine (2) liegt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlupf (s) auf einen konstanten Wert geregelt wird.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ist- Schlupf durch Vergleich der Frequenz der an den Stator der Asynchronmaschine (2) ange legten Spannung mit der beim Absenken der Frequenz auf den unteren Wert (z. B. f_2min) ermittelten Ist-Drehzahl des Rotors der Asynchronmaschine (2) ermittelt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz (f_S) der Strom- und Spannungsquelle (23 bis 25) nach Erreichen des obersten Werts (F_End), der die Soll-Drehzahl (n_End) der Asynchronmaschine bestimmt, die Ist-Drehzahl dieser Asyn chronmaschine (2) pulsweise abtastet.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Asynchronmaschine (2) für den Antrieb einer Turbomolekularpumpe (1) verwendet wird.