FI119862B

FI119862B - Taajuusmuuttajien tai invertterien rinnankäytön ohjaus

Info

Publication number: FI119862B
Application number: FI20031407A
Authority: FI
Inventors: Tero Halkosaari; Jukka-Pekka Maekinen; Pekka Haapamaeki
Original assignee: Vacon Oyj
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2003-09-30
Publication date: 2009-04-15
Also published as: EP1521356B1; US20050067984A1; FI20031407A; US7038405B2; EP1521356A3; FI20031407A0; DK1521356T3; EP1521356A2

Description

TAAJUUSMUUTTAJIEN TAI INVERTTERIEN RINNANKÄYTÖN OHJAUS

Keksinnön kohteena on menetelmä rinnakkaisilla käämityksillä varustettua vaihtosähkömoottoria tai erillisiä rinnakkaisia moottoreita, joiden akse-5 lit on mekaanisesti kytketty yhteen kuorman kautta, syöttävien rinnankytkettyjen taajuusmuuttajien tai invertteriyksiköiden ohjaamiseksi. Keksinnön kohteena on myös taajuusmuuttajien tai invertteriyksiköiden rinnankytkentäjärjestely.

Suuritehoisissa moottoreissa voidaan käyttää useita rinnakkaisia käämityksiä, jotka ovat galvaanisesti erillisiä ja kytkettävissä halutulla tavalla.

10 Käämitykset voivat olla asennettu ainakin osittain samoihin uriin, jolloin käämitysten välillä on vahva magneettinen kytkentä. Moottorin staattori voi olla myös jaettu erillisiin segmentteihin, jolloin se koostuu useasta erillisestä staattorista joiden käämityksillä ei ole keskinäistä magneettista kytkentää. Modttori voi olla joko asynkroni- tai synkronimoottori.

15 Tunnetun tekniikan mukainen tapa suuritehoisen monikäämi- moottorin syöttämiseksi taajuusmuuttajalla on sellainen, että taajuusmuuttaja koostuu useista pienempitehoisesta yksiköstä Goko erillisistä kokonaisista taajuusmuuttajista tai yhteiseen DC-syöttöön liitetyistä invertteriyksiköistä), jotka muodostavat lähtöjännitteensä samaan tahtiin. Jokainen jännitepulssin reuna 20 on siis mahdollisimman samanaikainen, mikä onnistuu siten että yhteinen ohjausyksikkö jakaa puolijohdekytkimien, kuten IGBT, ohjauspulssit samanaikaisesti jokaiselle rinnankytketylle taajuusmuuttajalle tai invertteriyksikölle.

Järjestelmän epäideaalisuuksien (signaalien kulkuaikaerot, IGBT-kytkimien erilaiset kytkentäajat, käämitysten erilaisuudet yms.) takia rinnan-25 kytkettyjen yksiköiden virrat eivät kuitenkaan välttämättä jakaannu tasan. Tästä seuraa se, että järjestelmä on mitoitettava pahimman tilanteen mukaan jolloin saavutettavissa oleva järjestelmän maksimiteho on pienempi kuin rinnankytkettyjen yksiköiden nimellistehojen summa. Virtaeroja voidaan yrittää tasoittaa ja tätä kautta kokonaistehoa kasvattaa lisäämällä tasoituskuristimia taajuus-30 muuttajien ja moottorin välille, mistä on haittana kustannusten kasvaminen.

Tämän keksinnön tarkoituksena saada aikaan taajuusmuuttajalla tai invertterillä toteutettava moottorikäyttö silloin, kun suuritehoisessa moottorissa on useampia käämityksiä rinnan. Samaa keksinnön mukaista järjestelyä voi soveltaa myös sellaisen moottorikäytön toteuttamiseen, jossa usean erillisen 35 moottorin akselit ovat kytkeytyneet mekaanisesti yhteen yhteisen kuorman kautta.

2

Keksinnön mukaisesti suuritehoisen monikäämimoottorin jokaista käämiä tai erillisiä rinnakkaisia moottoreita, joiden akselit on mekaanisesti kytketty yhteen kuorman kautta, syötetään omalla taajuusmuuttajalla tai invertte-riyksiköllä, jotka on yhdistetty toisiinsa tiedonsiirtoväylällä (esimerkiksi nopealla 5 sarjaliikenneväylällä), jolloin virrat voidaan saada jakaantumaan tasan kaikkien rinnakkaisten käämien tai rinnakkaisten erillisten moottorien kesken. Näin varmistetaan se että järjestelmä kuormittuu tasaisesti mistä on etua mm. maksimi-kuormitettavuuden sekä lämpenemän ja sitä kautta eliniän kannalta.

Keksinnön mukaisella järjestelyllä saavutetaan useita etuja, kuten; 10 - järjestelmä on modulaarinen ja helposti laajennettavissa - taajuusmuuttajat tai invertteriyksiköt ovat samanlaisia, mistä on hyötyä mm. huollon kannalta - järjestelmä on redundanttinen; yhden taajuusmuuttajan, invertteriyksikön tai käämityksen vikaantuminen ei välttämättä pysäytä koko moottorikäyttöä, vaan 15 se voi jatkaa toimintaansa osateholla - suuri kokonaisteho saavutetaan käyttämällä pienitehoisia taajuusmuuttaja- tai invertteriyksiköitä

Yksityiskohtaisesti keksinnön mukaiselle menetelmälle ja sen mukaiselle taajuusmuuttaja/invertterijärjestelylle tunnusomaiset piirteet on esitetty 20 oheisissa patenttivaatimuksissa.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisemmin esimerkin avulla viittaamalla oheiseen piirustukseen, jossa

Kuvio 1 esittää esimerkkiä moottorikäytöstä, jossa kaksikäämistä vaihtosähkömoottoria syötetään keksinnön mukaisesti rinnankytketyillä taa-25 juusmuuttajilla.

Kuvio 2 esittää esimerkkiä moottorikäytöstä, jossa kaksikäämistä vaihtosähkömoottoria syötetään keksinnön mukaisesti yhteiseen DC-kiskostoon kytketyillä rinnankytketyillä invertteriyksiköiliä.

Kuvio 3 esittää esimerkkiä moottorikäytöstä, jossa kaksi erillistä 30 moottoria on kytketty mekaanisesti yhteen yhteisen kuorman kautta ja moottoreita syötetään keksinnön mukaisesti rinnankytketyillä taajuusmuuttajilla.

Kuvio 1 esittää moottorikäyttöä, jossa suuritehoista vaihtosähkömoottoria MOTOR1, joka voi olla asynkrani- tai synkronimoottori, ja jossa on kahdet käämitykset WIND1 ja WIND2, syötetään kahdella kolmivaiheisella kol-35 mivaiheverkkoon ACNET liitetyllä taajuusmuuttajalla FCON1 ja FCON2, joissa on tasasuuntaaja, tasajännitevälipiiri ja invertteri, ja jotka syöttävät moottoriin vaihtuvataajuista vaihtojännitettä.

3

Kuvio 2 esittää vastaavaa esimerkkiä, jossa kaksi invertteriyksikköä INU1 ja INU2 on liitetty yhteiseen tasasähkösyöttöön DCLINK, jota syöttää järjestelmän yhteinen tasasuuntausyksikkö REC1.

Kummallakin taajuusmuuttajalla tai invertteriyksiköllä on oma ohja-5 usyksikkönsä CUNIT1 ja CUNIT2, jotka on liitetty järjestelmän ohjaus-yksikköön OCONTROL

Keksinnön mukainen menetelmä toimii seuraavasti:

Monikäämisen moottorin jokaista käämiä syötetään omalla taajuusmuuttajalla tai invertteriyksiköllä, kuten FCON1 ja FCON2 kuvion 1 esimer-10 kissä tai INU1 ja INU2 kuvion 2 esimerkissä. Vastaavasti syötetään erillisiä moottoreita kuvion 3 esimerkin mukaisesti silloin, kun ne syöttävät yhteistä kuormaa ja niiden akselit kytkeytyvät yhteen kuorman kautta. Taajuusmuuttajat tai invertteriyksiköt on yhdistetty tiedonsiirtoväylällä SBUS, joka voi olla esimerkiksi nopea saijaliikenneväyfä. Yksi taajuusmuuttajista tai invertteriyksiköis-15 tä toimii isäntänä (Master) ja muut seuraajina (Follower). Järjestelmän Master -taajuusmuuttaja, joka voi olla esimerkiksi FCON1 kuvion 1 esimerkissä, ilmoittaa moottorille syöttämänsä virran lwi hetkellisarvon nopean tiedonsiirtoväylän (SBUS) avulla seuraajana toimivalle taajuusmuuttajalle, joka säätää muodostamansa lähtöjännitteen avulla omille käämeilleen syöttämänsä virran Iw2 sa-20 mansuuruiseksi ja -vaiheiseksi kuin FCON1:n virta. Tällä tavalla kaikkien rinnankytkettyjen taajuusmuuttajien tai invertteriyksiköiden moottorille/moottoreille syöttämät virrat saadaan jakaantumaan tasan kaikkien käämien kesken, millä varmistetaan se että järjestelmä kuormittuu tasaisesti mistä on etua mm. mak-simikuormitettavuuden sekä lämpenemän ja sitä kautta myös eliniän kannalta. 25 Isännän ja seuraajien syöttämien virtojen välille on myös mahdollis ta säätää haluttu vaihesiirtokulma tai virtojen suhde. Tästä voi olla etua esim. moottorin/moottoreiden muodostaman vääntömomentin tasaisuuden kannalta.

Järjestelmä voi toimia sekä ns. open loop -moodissa, jolloin moottorin pyörimisnopeudesta ei tule takaisinkytkentää, että ns. closed loop -30 moodissa, jolloin isäntätaajuusmuuttaja FCON1 tai -invertteriyksikkö INU1 saa tiedon moottorin pyörimisnopeudesta akseliin asennetun takometrin E1 avulla.

Kuten edellä on esitetty, järjestelmä on redundanttinen; yhden taajuus-muuttajan tai käämityksen vikaantuminen ei välttämättä pysäytä koko moottori-käyttöä, vaan se voi jatkaa toimintaansa osateholla (isännän vikaantuessa joku 35 seuraajista voidaan muuttaa uudeksi isännäksi joko manuaalisesti tai ylemmän säätöjärjestelmän ohjaamana). Erillisten moottorien tapauksessa redundantti- 4 suus koskee myös kokonaisen moottorin tai niihin liitettyjen erillisten takometri-en vikaantumista.

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön eri sovellutusmuodot eivät rajoitu yksinomaan edellä esitettyyn esimerkkiin, vaan ne voivat vaihdella jäi-5 jempänä esitettävien patenttivaatimusten puitteissa.

Claims

5

1. Menetelmä rinnakkaisilla käämityksillä varustettua vaihtosähkömoottoria (MOTOR1) tai erillisiä rinnakkaisia moottoreita, joiden akselit on mekaanisesti 5 kytketty yhteen kuorman kautta, syöttävien rinnankytkettyjen taajuusmuuttajien tai invertteriyksiköiden ohjaamiseksi, jossa menetelmässä mitataan moottoriin syötettyä vaihtovirtaa, jossa yksi taajuusmuuttajista/invertteriyksiköistä (FCON1 tai INU1) toimii isäntälaitteena ja toiset taajuusmuuttajista/invertteriyksiköistä (FCON2 tai INU2) 10 seuraajalaitteina, ja jossa taajuusmuuttajat/invertteriyksiköt on yhdistetty toisiinsa tiedonsiirtoväylällä, tunnettu siitä, että yksi taajuusmuuttajista/invertteriyksiköistä (FCON1 tai INU1) toimii isäntä-15 laitteena siten, että se lähettää tiedon yhteiselle moottorille syöttämänsä vaihtovirran (lwi) hetkellisarvosta tiedonsiirtoväylää pitkin toiselle/toisille laitteel-le/laitteille (FCON2 tai INU2), jotka toimivat seuraajalaitteina siten, että ne säätävät omien vaihtovirtojensa (lW2) hetkellisarvoja isäntälaitteen virran perusteella.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että toisten laitteiden virta säädetään samansuuruiseksi ja -vaiheiseksi kuin isäntälaitteen virta.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että toisten laitteiden virtaa säädetään siten, että isän-25 tälaitteen ja seuraajalaitteiden virtojen välillä on tietty vaihesiirtokulma tai vir-tasuhde.

4. Jokin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että järjestelmä toimii ns. open loop -moodissa, jolloin moottorin pyörimisnopeudesta ei tule takaisinkytkentää.

5. Jokin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että, että järjestelmä toimii ns. closed loop -moodissa, jolloin isäntätaajuusmuuttaja (FCON1) saa tiedon moottorin pyörimisnopeudesta akseliin asennetun takometrin (E1) tai vastaavan avulla

6. Jokin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen menetelmä, 35 tunnettu siitä, että isännän vikaantuessa joku seuraajista voidaan muuttaa uudeksi isännäksi joko manuaalisesti tai ylemmän säätöjärjestelmän ohjaamana. 6

7. Järjestelmä rinnakkaisilla käämityksillä varustettua vaihtosähkö-moottoria (MOTOR1) tai erillisiä rinnakkaisia moottoreita, joiden akselit on mekaanisesti kytketty yhteen kuorman kautta, syöttävien rinnankytkettyjen taajuusmuuttajien tai invertteriyksiköiden ohjaamiseksi, jossa järjestelmässä on 5 vaihtovirran mittaus moottorivirran mittaamiseksi, jossa yksi taajuusmuuttajista/invertteriyksiköistä (FCON1 tai INU1) toimii isäntälaitteena ja toiset taajuusmuuttajista/invertteriyksiköistä (FCON2 tai INU2) seuraajalaitteina, ja jossa taajuusmuuttajat/invertteriyksiköt on yhdistetty toisiinsa tiedonsiirto-10 väylällä, tunnettu siitä, että yksi taajuusmuuttajista/invertteriyksiköistä (FCON1 tai INU1) toimii isäntä-laitteena siten, että se lähettää tiedon yhteiselle moottorille syöttämänsä vaihtovirran (lwi) hetkellisarvosta tiedonsiirtoväylää pitkin toiselle/toisilie laitteel-15 le/laitteille (FCON2 tai INU2), jotka toimivat seuraajalaitteina siten, että ne säätävät omien vaihtovirtojensa (Iw2) hetkellisarvoja isäntälaitteen virran perusteella.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että järjestelmä toimii ns. open loop -moodissa, jolloin 20 moottorin pyörimisnopeudesta ei tule takaisinkytkentää.

9. Patenttivaatimuksen 7 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että, että järjestelmä toimii ns. closed loop -moodissa, jolloin isäntätaajuusmuuttaja (FCON1) saa tiedon moottorin pyörimisnopeudesta akseliin asennetun takometrin (E1) tai vastaavan avulla. 7