FI121293B - Jarrutustoiminnon ohjaus - Google Patents

Description

JARRUTUSTOIMINNON OHJAUS

Tekniikan ala 5 Tämän keksinnön kohteena on sähköisen jarrutustoiminnon ohjaa minen sähkökäytössä, johon kuuluu taajuusmuuttajalla syötetty kestomagneet-timoottori. Erityisesti keksinnön kohteena on jarrutustoiminnon ohjaus tilanteessa, jossa taajuusmuuttajaa syöttävän sähköverkon jännite on poikki.

10 Tunnettu tekniikka

Kestomagneettimoottori on eräs yleisesti käytetty moottorityyppi monissa teollisuuden sovelluksissa, esimerkiksi nykyaikaisissa hisseissä. Tällaisessa moottorissa on tyypillisesti kolmivaiheinen käämitys staattorissa ja root-15 torin pintaan kiinnitetyt kestomagneetit. Tällainen moottori on luonteeltaan tahtikone, jonka roottori pyörii ilman jättämää staattorikäämitykseen syötetyn jännitteen taajuuden määräämällä nopeudella. Pyörimisnopeuden säätö toteutetaan edullisesti taajuusmuuttajalla.

Hissijärjestelmän tai vastaavan sähkömoottorikäyttöisen laitteiston 20 turvallisen toiminnan varmistamiseksi toimintahäiriötilanteessa, kuten sähkökatkoksessa, käytetään mekaanista jarrua. Turvallisuuden varmistamiseksi myös mekaanisen jarrun vikaantumisen varalta on patenttijulkaisun WO 2008/031915 mukaisesti tunnettua käyttää ns. dynaamista jarrutusta, mikä tarkoittaa moottorin syöttöliitäntöjen oikosulkemista. Oikosulun voi aikaansaada esim. kontakto-25 rilla tai taajuusmuuttajakäytöissä edullisesti myös kytkemällä johtaviksi kaikki moottoria syöttävän taajuusmuuttajan lähtövaiheiden alahaarojen tehopuolijoh-teet, tai vaihtoehtoisesti vain niiden vaiheiden negatiiviset tehopuolijohteet, joissa moottorivirran suunta on moottorista poispäin, johtaviksi, jolloin kontaktorin vaatima kustannus luonnollisesti jää pois. Mikäli roottori lähtee pyörimään täl-30 laisen oikosulun aikana, muodostuu staattorikäämitykseen jännite joka aikaansaa oikosulkuvirran, joka puolestaan aiheuttaa roottorin pyörimistä vastustavan voiman. Näin moottorin pyörimisnopeus rajoittuu kohtuulliseksi jolla pyritään välttämään vahingot esimerkiksi hissikorin törmätessä liikerajoittimeen.

Ko. patentin mukaisessa järjestelyssä taajuusmuuttajalla ohjatun 35 tahtimoottorin jarruttamiseksi moottorin jarrutusvirtaa ohjataan kytkemällä taajuusmuuttajan vaihtosuuntaajan vaihtokoskettimia. Menetelmässä kytketään joko vaihtosuuntaajan negatiivisten tai positiivisten vaihtokoskettimien avulla moottorin vaiheet lyhytaikaisesti oikosulkuun. Tällöin jarrutusvirta alkaa kasvaa 2 moottorin lähdejännitteen ohjaamana. Kun vaihtokoskettimet avataan, jarrutus-virta pyrkii kulkemaan positiivisten vaihtokoskettimien rinnalla olevien vastarin-nankytkettyjen diodien kautta välipiiriin. Tällöin välipiirissä oleva kondensaattori alkaa varautua ja välipiirijännite alkaa kasvaa. Kun oikosulun muodostaneita 5 vaihtokoskettimia avataan ja suljetaan lyhyin pulssein, siirtyy jarrutusteho moottorin välityksellä taajuusmuuttajan välipiiriin pulssimaisesti. Ko. patentin mukaisesti jarrutusteho siirretään moottorin välityksellä taajuusmuuttajan välipiiriin ja edelleen jonkin taajuusmuuttajaa ohjaavan laitteiston ohjausjärjestelmään siten, että mainittu ohjausjärjestelmä saa käyttösähkönsä moottorin jarrutustehosta. 10 Moottorin jarrutusteho voidaan syöttää myös esimerkiksi moottorin liikkumisesta kertovalle näyttölaitteelle, joka ohjataan moottorin jarrutustehon avulla. Kun tah-timoottorina käytetään ko. patentin mukaisesti kestomagneettimoottoria ja jarrutuksen ohjauksen käyttöjännite tehdään sanotun moottorin lähdejännitteestä tasasuuntaamalla, voidaan dynaaminen jarrutus toteuttaa kokonaan ilman erille lista sähkönsyöttöä.

Tällöin dynaamisen jarrutuksen ohjauslaitteista ottaa ohjaussäh-könsä suoraan välipiirijännitteestä, ja jarrutuksen ohjaus käynnistetään automaattisesti välipiirijännitteen saavuttaessa ennalta määrätyn arvon. Kun välipiirijännite alkaa kasvaa roottorin lähtiessä pyörimään, ohjauslaitteista kytkeytyy 20 päälle ja alkaa jarruttaa moottoria. Tällöin ei siis tarvita erillistä energiavarasta^ dynaamisen jarrutuksen ohjauslaitteistolle, vaan dynaaminen jarrutus toimii myös esimerkiksi tilanteissa, joissa järjestelmän ohjaussähköt on katkaistu.

Virran, kuten esimerkiksi edellämainitun oikosulkuvirran, kulkiessa 25 taajuusmuuttajan tehopuolijohteiden kautta niissä muodostuu runsaasti hä-viötehoa, minkä vuoksi on tavanomaista kiinnittää ne rivoituksella varustettuun jäähdyttimeen. Jäähdytystä voidaan tunnetusti tehostaa käyttämällä puhallinta kiihdyttämään rivoituksen kautta kulkevan ilman virtausta.

Puhaltimen syöttöjännite voidaan muodostaa muuntajalla taajuus-30 muuttajan syöttöjännitteestä tai edullisesti konvertterilla taajuusmuuttajan välipii-rin jännitteestä. Ensimmäisessä tapauksessa voidaan käyttää AC-puhallinta tai AC/DC-konvertteria ja DC-puhallinta, jälkimmäisessä tapauksessa on normaalia käyttää DC/DC-konvertteria ja DC-puhallinta. Molemmissa tapauksissa on luonnollista ettei puhallin ja sen aikaansaama tehostettu tehopuolijohteiden 35 jäähdytys toimi silloin kun taajuusmuuttajan syöttöjännite on katkennut ja välipii-rin jännitekin sen seurauksena laskenut alas.

Dynaamisen jarrun vaatima oikosulkuvirta voi olla samaa luokkaa kuin taajuusmuuttajan nimellinen lähtövirta. Jarrutustilanne voi kestää pitkään- 3 kin, jopa useita minuutteja, joka voi olla pitempi aika kuin ripajäähdyttimen aikavakio. Tällaisessa tilanteessa on vaarana komponenttivaurio ylilämmön vuoksi silloin kun oikosulku tehdään oikosulkemalla taajuusmuuttajan lähtövaiheiden alahaarojen tehopuolijohteet.

5

Keksinnön yhteenveto Tämän keksinnön tarkoituksena on tuoda ratkaisu tunnetun teknii-10 kan mukaiseen ongelmaan silloin, kun dynaaminen jarrutus on toteutettu ohjaamalla kestomagneettimoottoria syöttävän taajuusmuuttajan lähtövaiheiden ylä- tai alahaarojen tehopuolijohteet oikosulkuun.

Keksinnössä muodostetaan puhaltimen syöttöjännite konvertterilla taajuusmuuttajan välipiirin jännitteestä.

15 Keksinnön mukaisesti taajuusmuuttajassa käytetään ensimmäistä apujännitelähdettä, joka herää toimimaan välipiiirijännitteen noustessa ensimmäiselle tasolle, joka voi olla esim. noin 20 V. Tämä apujännitelähde tarjoaa käyttöjännitteen vähintään lähtövaiheiden ylä- tai alahaarojen tehopuolijohteita ohjaaville hllaohjaimille sekä sellaiselle osalle taajuusmuuttajan ohjauspiirejä, 20 jotka kykenevät muodostamaan yksinkertaisen pulssikuvion ko. ylä- tai alahaaroja ohjaaville hilaohjaimille.

Mainitun yksinkertaisen pulssikuvion mukaisesti ohjataan ylä- tai alahaarojen tehopuolijohteita johtaviksi pulssimaisesti ja niiden kautta moottorin napoja oikosulkuun, jolloin oikosulkuvirta kasvaa moottorin sisäisten impedans-25 sien määräämälle tasolle. Edelleen saman pulssikuvion mukaisesti oikosulku poistetaan ajoittain, jolloin moottorin induktiivinen virta lataa välipiirin kondensaattoria. Näin jarrutustehoa siirretään pulssimaisesti taajuusmuuttajan välipii-riin. Toiminta vastaa tunnetun ns. step-up konvertterin toimintaa.

30 Kun välipiirin jännite on noussut riittävästi, esimerkiksi 200 V tasol le, herää taajuusmuuttajan toinen, varsinainen pää-apujännitelähde, joka tarjoaa käyttöjännitteet koko järjestelmälle ja keksinnön mukaisessa tapauksessa myös jäähdytystä tehostavalle tuulettimelle. Näinollen, dynaamisen jarrutusti-lanteen edelleen jatkuessa, ovat kaikki tehopuolijohteet tästä eteenpäin hyvin 35 jäähdytettyjä, jolloin tilanteen jatkumiselle ei ole mitään aikarajoitusta.

Keksinnön mukainen järjestely lisää laitteen luotettavuutta silloin kun dynaaminen jarru toteutetaan tehopuolijohteita oikosulkemalla. Etenkin jos 4 oikosulkuvirta on huomattava, esimerkiksi yli 30% laitteen nimellisvirrasta, on keksinnön mukainen järjestely välttämätön vaurioiden estämiseksi.

Piirustusten lyhyt kuvaus 5

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisemmin esimerkkien avulla viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa

Kuvio 1 esittää taajuusmuuttajan pääpiiriä ja moottoria,

Kuvio 2 esittää dynaamisen jarrutuksen kannalta oleellisia taajuus-10 muuttajan ja moottorin osia,

Kuvio 3 esittää alahaaran IGBT.itten ohjaussignaaleja sekä moottorin oikosulkuvirran ja taajuusmuuttajan välipiirin jännitteen käyrämuotoja,

Kuvio 4 esittää alahaaran IGBT:itten ohjaussignaaleja, taajuus-muuttajan välipiirin jännitteen käyrämuotoa ja apujännitelähteiden heräämistä.

15

Keksinnön yksityiskohtainen kuvaus

Kuviossa 1 on esimerkki normaalin kolmivaiheisen PWM-taajuusmuuttajan pääpiiristä, jossa on kolmivaiheinen syöttöjännite L1, L2, L3, 20 diodeista koostuva verkkosilta 10 syöttöverkon kolmivaiheisen vaihtojännitteen tasasuuntaamiseksi tasajännitevälipiirin tasajännitteeksi UDc jota suodatetaan suotokondensaattorilla Cdc. kolmesta tehopuolijohteilla toteutetusta vaihekytki-mestä koostuva kuormasilta 11, joka muodostaa välipiirin tasajännitteestä kolmivaiheisen lähtöjännitteen U, V, W moottorin 13 syöttämiseksi sekä ohjausyk-25 sikkö 12. Nykyaikaisissa taajuusmuuttajissa vaihekytkinten tehopuolijohde-komponentit ovat useimmiten kuvion esimerkin mukaisesti IGBT-transistoreita, joiden rinnalle on kytketty ns. nolladiodit. Taajuusmuuttajan ottaman verkkovirran yliaaltojen suodattamiseksi normaalisti käytetty induktiivinen komponentti jommallakummalla puolella verkkosiltaa on tämän keksinnön kannalta merkityk-30 settömänä jätetty kuvioon piirtämättä.

Kuviossa 2 on esitetty tämän keksinnön mukaisen toiminnan kannalta oleelliset taajuusmuuttajan ja moottorin komponentit. Tässä esimerkissä keksintöä kuvataan pelkästään alahaaran oikosulkujen avulla, mutta on mahdol-35 lista käyttää myös ylähaaran oikosulkuja. Käytännössä alahaarojen ohjaaminen on yksinkertaisempaa, koska kaikki alahaarojen tehopuolijohteiden ohjauspiirit sijaitsevat samassa potentiaalissa.

5

Dynaamisen jarrutuksen toiminnan vaatima oikosulku muodostuu, kun hilaohjain GD ohjaa kaikki alahaaran IGBT-tehopuolijohteet V4, V5, V6 johtaviksi. Moottorin oikosulkuvirta kulkee tällöin vaihevirran suunnasta riippuen joko näiden komponenttien tai niiden rinnalle kytkettyjen nolladiodien D4, D5, De 5 kautta. Kun IGBT:t ohjataan johtamattomaan tilaan ohjaussignaalien G4i G5, G6 avulla, siirtyy moottorin virta kulkemaan vaihevirran suunnasta riippuen joko ylähaaran nolladiodien Di, D2, D3 tai alahaaran nolladiodien D4, D5, De kautta lataamaan välipiirin kondensaattoria Cdc· Taajuusmuuttajan ensimmäinen apu-jännitelähde PS1, joka herää hyvin alhaisella välipiirin jännitteellä Udc, tarjoaa 10 käyttöjännitteen pelkästään sellaiselle osalle ohjauspiirejä, jotka kykenevät ohjaamaan alahaaran IGBT-tehopuolijohteita. PS2 on varsinainen pääapujännite-lähde, joka tarjoaa käyttöjännitteet koko ohjausjärjestelmälle ja tämän keksinnön mukaisesti myös jäähdytyspuhaltimelle F. Molemmat apujännitelähteet ottavat syöttöjännitteensä välipiirin kondensaattorista CDc-15 Kuviossa 2 on esitetty myös moottorin M sijaiskytkentä, johon kuu luvat vaihekohtaiset sähkömotoriset jännitteet Um ja vaihekohtaiset sarjaimpe-danssit Zm. Kestomagneettimoottorilla jännite Um on tunnetusti verrannollinen pyörimisnopeuteen. Sarjaimpedanssi Zm koostuu resistiivisestä ja induktiivisesta komponentista. Pienillä taajuuksilla resistiivinen komponentti on hallitseva, 20 joten silloin kun dynaaminen jarrutus onnistuu tarkoitetulla tavalla rajoittamaan pyörimisnopeutta pysyy oikosulkuvirta sen määräämässä arvossa oikosulun ajallisesta kestosta riippumatta.

Kuviossa 3 on esitetty moottorin oikosulkuvirran iM ja välipiirin jän-25 niiteen udc luonteenomainen käyttäytyminen dynaamisen jarrutuksen aikana. Signaali G4 G5 G6 kuvaa alahaaran IGBT-kytkinten ohjausta, jossa signaalin yläasento vastaa sitä, että kaikki IGBT:t on kytketty johtaviksi ja ala-asento sitä, että ne eivät johda virtaa. Oikosulkutilanteessa, ennen ajanhetkiä h ja t3, virta Im kasvaa moottorin sarjaimpedanssin määräämällä aikavakiolla kohti lopullista 30 arvoaan, ja samanaikaisesti välipiirin jännite alenee apujännitelähteen kuormittamana. Silloin kun oikosulkua ei ole, aikaväleillä ti...t2 ja t3...t4, moottorin induktiivinen virta lataa välipiirin kondensaattoria jonka jännite nousee. Koska apujännitelähteen energiankulutus oikosulun aikana on tyypillisesti paljon vähäisempi kuin yhden välipiirin kondensaattoria lataavan virtapulssin energia, 35 kasvaa välipiirin kondensaattorin jännite jokaisella toimintajaksolla (esim. jakso ti. t3).

Säätämällä oikosulkuajan suhteellista osuutta koko toimintajaksosta on mahdollista saavuttaa tilanne, jossa apujännitelähteen energiankulutus 6 on sama kuin latausvirtapulssien energia, jolloin välipiirin jännite ei enää nouse, vaan se voidaan pitää esimerkiksi normaalilla toiminta-alueella.

Kuviossa 4 on esitetty kuinka keksinnön mukainen dynaaminen jar-5 rutus alkaa. Oletus tässä on, että ennen ajanhetkeä t0 kestomagneetti-moottori on lähtenyt pyörimään kiihtyvällä vauhdilla, jolloin sen sisäinen jännite (Um kuviossa 2) kasvaa ladaten välipiirin kondensaattoria nolladiodien D^.De kautta. Kun kondensaattorin jännite udc saavuttaa ensimmäisen raja-arvon UDC(iimi). käynnistyy ensimmäinen apujännitelähde PS1, jolloin myös dynaamisen jarru-10 tuksen ohjaukseen kykenevä logiikka ja hilaohjain GD heräävät, ja alahaaran IGBT:t oikosuljetaan hetkellä to. Kuviossa 3 esitetyn toiminnan mukaisesti moottorin oikosulkuvirta alkaa tällöin kasvaa ja välipiirin jännite alentua. Jännitteen alenemisen ensimmäisen oikosulkujakson aikana voi olettaa olevan niin vähäinen, että apujännitelähde PS1 pysyy koko ajan toiminnassa. Kun oikosul-15 ku päättyy hetkellä ti, välipiirin jännite nousee nopeasti kunnes uusi oikosulku-jakso alkaa hetkellä t2. Toiminta jatkuu näin kunnes välipiirin jännite nousee toiseen raja-arvoon uDc(iim2) ajanhetkellä tx, jolloin käynnistyy taajuusmuuttajan varsinainen apujännitelähde PS2. PS2 syöttää käyttöjännitteen myös taajuus-muuttajan jäähdytyspuhaltimelle, joten tästä ajanhetkestä lähtien tehopuolijoh-20 teiden jäähdytys toimii tarkoitetulla tavalla, mikä puolestaan on edellytys sille että moottoria voidaan jarruttaa pitkiä aikoja kohtuullisella virralla.

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön eri sovellutusmuodot eivät rajoitu yksinomaan edellä esitettyyn esimerkkiin, vaan ne voivat vaihdella 25 jäljempänä esitettävien patenttivaatimusten puitteissa. Keksinnön mukaisen ajatuksen puitteissa voi esimerkiksi olla mahdollista järjestää taajuusmuuttajan apujännitelähde toimimaan jo ensimmäisestä jännitteen raja-arvosta uDc(iimi) lähtien ylöspäin, jolloin ei tarvita kahta eri mitoituksella varustettua jännitelähdettä. On myös mahdollista järjestää dynaamisen jarrutustoiminnan vaati-30 mat oikosulut siten, että siihen osallistuvat myös ylähaaran ohjattavat teho-puolijohteet, tai ylä-ja alahaaran tehopuolijohteet vuorotellen, mikä järjestely tasaa häviöitä ja alentaa ylikuumenemisriskiä ennen puhaltimella tehostetun jäähdytysjärjestelyn käynnistymistä.

Claims (3)

1. Menetelmä taajuusmuuttajalla ohjatun kestomagneettimoottorin (13) dynaamisen jarrutustoiminnan järjestämiseksi, 5 jossa dynaaminen jarrutus on toteutettu ohjaamalla kestomagneet- timoottoria syöttävän taajuusmuuttajan lähtövaiheiden (U, V, W) ylä- ja/tai alahaarojen tehopuolijohteita (V4, V5, Vö), pulssimaisesti oikosulkuun väli-piirissä olevan kondensaattorin varaamiseksi ja välipiirijännitteen nostamiseksi, 10 jossa tehopuolijohteiden ohjaus aloitetaan välipiirin jännitteen saa vuttaessa ennalta määrätyn arvon (uDc(nmi)), ja jossa taajuusmuuttajaan liittyvän toimilaitteen syöttöjännite muodostetaan dynaamisen jarrutuksen aikana välipiirin jännitteestä, tunnettu siitä, 15 että laite on taajuusmuuttajan jäähdytyspuhallin (F), joka on järjestetty jäähdyttämään ylä-ja/tai alahaarojen tehopuolijohteita, että menetelmässä käytetään kahta ennalta määrättyä välipiirijännitteen raja-arvoa, ensimmäistä alempaa raja-arvoa (uDc(iimn) ja toista ylempää raja-arvoa (uDc(iim2)), ja 20 että sen jälkeen kun välipiirin tasajännite on ylittänyt ensim mäisen raja-arvon (uocfiimi)) käynnistyy ensimmäinen apujännitelähde (PS1), jonka avulla ohjataan lähtövaiheiden ylä- tai alahaaran ohjattavat tehopuolijohteet yhtaikaa johtaviksi pulssimaisesti, ja että sen jälkeen kun välipiirin tasajännite on ylittänyt toisen ra-25 ja-arvon (uDc(iim2))- käynnistyy toinen apujännitelähde (PS2), joka aikaan saa taajuusmuuttajan jäähdytyspuhaltimen (F) käynnistymisen.

2. Vaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmässä säädetään oikosulkuajan 30 suhteellista osuutta koko toimintajaksosta siten, että saavutetaan tilanne, jossa apujännitelähteen energiankulutus on sama kuin latausvirtapulssien energia, jolloin välipiirin jännite ei enää nouse.

3. Järjestely taajuusmuuttajalla ohjatun kestomagneettimoottorin 35 (13) dynaamisen jarrutustoiminnan järjestämiseksi, jossa taajuusmuutta jassa on vaihtosähköverkkoon kytkettävä kuormasilta (10), moottoriin kytkettävä kuormasilta (11), niiden välisessä tasajännitepiirissä oleva kondensaattori (Cdc), sekä ohjausyksikkö (12), jossa dynaaminen jarrutus on toteutettu sovittamalla ohjausyksikkö (12) ohjaamaan kestomagneettimoottoria syöttävän taajuusmuuttajan lähtövaiheiden (U, V, W) ylä- ja/tai alahaarojen tehopuolijohteita (V4, V5, V6), pulssimaisesti oikosulkuun välipiirissä olevan kondensaattorin va-5 raamiseksi ja välipiirijännitteen nostamiseksi, jossa ohjausyksikkö on sovitettu aloittamaan tehopuolijohtei-den ohjauksen välipiirin jännitteen saavuttaessa ennalta määrätyn arvon (UDC(lim1))> ja jossa on taajuusmuuttajaan liittyvä toimilaite, jonka syöttöjän-10 nite orr muodostettavissa dynaamisen jarrutuksen aikana välipiirin jännit teestä, tunnettu siitä, että laite on taajuusmuuttajan jäähdytyspuhallin (F), joka on järjestetty jäähdyttämään ylä- ja/tai alahaarojen tehopuolijohteita, ja 15 että järjestelmässä on kaksi apujännitelähdettä (PS1, PS2) kahden ennalta määrätyn välipiirijännitteen raja-arvon, ensimmäisen alemman raja-arvon (uoc(iimi)) ja toisen ylemmän raja-arvon (uDC(iim2)), käyttämiseksi, jossa apujännitelähteet on järjestetty toimimaan siten, sen jälkeen kun välipiirin tasajännite on ylittänyt ensimmäisen 20 raja-arvon (uDC(iimi)) käynnistyy ensimmäinen apujännitelähde (PS1), jonka avulla ohjataan lähtövaiheiden ylä- tai alahaaran ohjattavat tehopuolijoh-teet yhtaikaa johtaviksi pulssimaisesti, ja että sen jälkeen kun välipiirin tasajännite on ylittänyt toisen raja-arvon (uDc(iim2)), käynnistyy toinen apujännitelähde (PS2), joka aikaan-25 saa taajuusmuuttajan jäähdytyspuhaltimen (F) käynnistymisen.