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Dokumentenidentifikation DE69430119T2 02.10.2002
EP-Veröffentlichungsnummer 0688094
Titel VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR MOTORREGELUNG
Anmelder Kabushiki Kaisha Yaskawa Denki, Kitakyushu, Fukuoka, JP
Erfinder YAMAKAWA, Takayuki, Kitakyushu-shi, Fukuoka 806, JP
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 69430119
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 09.12.1994
EP-Aktenzeichen 959029380
WO-Anmeldetag 09.12.1994
PCT-Aktenzeichen PCT/JP94/02078
WO-Veröffentlichungsnummer 0009519065
WO-Veröffentlichungsdatum 13.07.1995
EP-Offenlegungsdatum 20.12.1995
EP date of grant 13.03.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.10.2002
IPC-Hauptklasse H02P 7/63
IPC-Nebenklasse H02P 7/628   

Beschreibung[de]

Diese Erfindung betrifft eine Steuereinheit für Motoren, die für eine Verwendung geeignet ist, bei der Induktionsmotoren (nachstehend als "Motor" bezeichnet), bei dem maximalen Wirkungsgrad zu sämtlichen Zeiten unabhängig von Lastschwankungen (Variationen) betrieben werden.

Ein Betrieb eines Motors mit einem Umrichter wird gewöhnlicherweise unter der Bedingung ausgeführt, dass V (Spannung)/f (Frequenz) fest ist. Wenn eine Betriebsfrequenz bestimmt ist, erfährt der Motor eine Verschiebung, wenn der Wirkungsgrad maximal ist. Dieser Wert nimmt unabhängig davon, ob die Last hoch oder niedrig (leicht oder schwer) ist, einen festen Wert an. Wenn bei dem Betrieb, bei dem V/f fest ist, die Frequenz (f) bestimmt ist, Spannung (V) fest ist, tritt eine Verschiebung (ein Schlupf) auf, wenn sich die Last ändert. Demzufolge ändert sich der Wirkungsgrad, wodurch die Erreichung eines Betriebs bei dem maximalen Wirkungsgrad zu sämtlichen Zeiten nicht möglich ist. Nun wird kurz unter Bezugnahme auf Beispiele einer herkömmlichen Technologie dieser Art eine Beschreibung durchgeführt.

Als ein Verfahren zum Beseitigen einer Verringerung des Wirkungsgrads als Folge einer Änderung der Last, das als ein erstes herkömmliches Beispiel vorgeschlagen worden ist, existiert ein Betriebsverfahren, das in der Tokkohei Nr. 3-41029 (japanische Patentveröffentlichung Nr. 41029/1991) offenbart ist. Dieses Betriebsverfahren ist auf ein Betriebsverfahren für Induktionsmotoren gerichtet, die von Spannungstyp-Umrichtern angesteuert werden, wobei für eine Zeitperiode, in der der Induktionsmotor beschleunigt oder abgebremst wird, eine Umrichterausgangsspannung geregelt wird, um so einen Betrieb durch eine V/f-konstante Steuerung auszuführen, um eine Steuerung so auszuführen, dass ein Verhältnis V/f zwischen einer eingestellten Umrichterausgangsspannung und einer Umrichterausgangsfrequenz konstant (fest) ist. Wenn in dieser Weise der Induktionsmotor in den Modus eines konstanten Betriebs gebracht wird, umfasst das Verfahren die Schritte zum Bestimmen einer Ausgangsleistung PN durch Ausführen einer Multiplikation einer Umrichterausgangsspannung EDCN und eines Umrichterausgangsstroms iDCN, zum Verkleinern der Umrichterausgangsspannung von der Ausgangsspannung V&sub0; zur Zeit eines Beginns des konstanten Betriebs auf eine Spannung V&sub1;, die um ΔV abgefallen (verringert) ist, ein Vergleichen einer Differenz ΔP1 zwischen der zu dieser Zeit berechneten Umrichterausgangsleistung P&sub1; und der Umrichterausgangsleistung P&sub0; zur Zeit eines Beginns des konstanten Betriebs mit einer vorher eingestellten Konstanten ΔPs und legt die Umrichterausgangsspannung auf die Spannung V&sub1; fest, wenn ΔP&sub1; < ΔPs ist. Andererseits ist bei einer weiteren Verkleinerung die Umrichterausgangsspannung um ΔV von der Spannung V&sub1; nach einer vorgegebenen Zeit abgefallen, wenn ΔP&sub1; ≥ ΔPS ist, ein Vergleich kann von einem Ausgangsleistungs-Verkleinerungswert zu dieser Zeit und der Konstanten ΔPS durchgeführt werden, und ein Wiederholen einer Festlegung oder einer weiteren Verkleinerung der Umrichterausgangsspannung in Abhängigkeit von der Größe des Vergleichs ergibt, um den Induktionsmotor durch die Umrichterausgangsspannung zu betreiben.

Ferner werden in der Tokkohei Nr. 3-261394 (japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 261394/1991), die als ein zweites herkömmliches Beispiel vorgeschlagen wird, eine Einheit und ein Verfahren offenbart, die dafür ausgelegt sind, um in Übereinstimmung mit Lastfaktoren Leistungsfaktoren einzustellen, bei denen eine Leistung minimal wird, um eine Spannung zu steuern, sodass dieser Leistungsfaktor bereitgestellt wird. Diese Einheit umfasst eine Einrichtung zum. Erfassen einer Spannung, die an Wicklungen eines Motors geliefert wird, eine Einrichtung zum Erfassung eines Stroms, der in der Wicklung fließt, eine Leistungsberechnungs-(Betriebs-)Einrichtung, die mit dem Spannungserfassungsverfahren und dem Stromerfassungsverfahren verbunden ist, und arbeitet, um eine aktive (effektive) Leistung für wenigstens einen Zyklus aus dem Produkt der Spannung und des Stroms zu berechnen, und eine aufscheinende Leistung für wenigstens einen Zyklus aus einem Produkt eines effektiven Werts der Spannung und eines effektiven Wert des Stroms zu berechnen. Zusätzlich ist in dem Verfahren zum Einstellen eines optimalen Leistungsfaktor-Befehlswerts des Motors die Vergleichseinrichtung zum Berechnen eines Messleistungsfaktors aus der aktiven Leistung und der Scheinleistung zum Vergleichen des Messleistungsfaktors und des eingestellten Leistungsfaktors, um ein Leistungsfaktor-Vergleichssignal zu erzeugen, vorgesehen; und ein Spannungsregelungsverfahren, das auf das Leistungsfaktor-Vergleichssignal anspricht, um eine an die Wicklungen des Motors gelieferte Spannung zu regeln, ist vorgesehen, wobei die Einrichtung die Spannung so regelt, dass dem Messleistungsfaktor ermöglicht wird, näher zu dem optimalen Leistungsfaktor zu werden. Ferner ist das voranstehend erwähnte Verfahren ein Steuerverfahren, das Schritte zum Ausführen der voranstehend beschriebenen jeweiligen Einrichtungen umfasst.

In dem Verfahren des ersten herkömmlichen Beispiels gibt es hier doch ein Problem dahingehend, dass ein Ansprechverhalten in Bezug auf eine Laständerung schlecht ist, da eine beträchtliche Zeit benötigt wird, bis die Leistung an dem minimalen Punkt ankommt, weil der minimale Betriebszustand einer Leistung gesucht wird, während eine sehr kleine Änderung der Spannung ausgeführt wird. Ferner gibt es in dem Verfahren des zweiten herkömmlichen Beispiels das Problem, dass der Betrieb bei der Spannung, bei der die Leistung minimal wird, ein Betrieb an einem Abschnitt sein würde, der von dem maximalen Wirkungsgrad verschoben ist (Verschiebung bzw. Schlupf), da eine Spannung, an der eine Leistung minimal wird, und eine Spannung, an der ein Wirkungsgrad maximal wird, allgemein unterschiedlich sind, wie in Fig. 1 angedeutet, die nachstehend noch beschrieben wird, während ein Betrieb ausgeführt werden kann, sodass die Leistung minimal wird.

Die US-A-4207510 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines bürstenlosen DC-Motors durch Verwenden eines Controllers, der auf einen Motoreingangsstrom und eine Motoreingangsspannung anspricht. Die Differenz zwischen ersten und zweiten Impedanz-bezogenen Signalen wird verwendet, uin die Motoreingangsspannung für einen effizienten Motorbetrieb über einen breiten Bereich von Betriebsgeschwindigkeiten zu steuern.

Die FR-A-2577730 offenbart eine weitere Vorrichtung zum Verringern der Energie, die von einem elektrischen Motor verbraucht wird. Diese Vorrichtung verwendet ebenfalls einen Controller (Steuereinrichtung), der eine an den Motor gelieferte Spannung überwacht und eine Motorstromzuführung entsprechend einstellt.

Die JP-A-5316793 offenbart eine Steuereinheit für einen Motor, die eine Versorgungsspannungs- Berechnungseinrichtung umfasst.

Diese Erfindung ist eine Einrichtung, die im Hinblick auf jeweilige Probleme, wie voranstehend beschrieben, ausgeführt worden ist, und richtet sich auf eine Einheit, die auf die Ausführung einer Steuerung bei einer hohen Geschwindigkeit abzielt, sodass ein Wirkungsgrad des Motors zu sämtlichen Zeiten in Bezug auf Laständerungen maximal ist.

Diese Erfindung ist auf eine Steuereinheit für einen Motor gerichtet, die dafür ausgelegt ist, um einen Motorbetrieb mit einem Umrichter zu steuern, wie in den Ansprüchen 1 bis 5 aufgeführt.

Da diese Erfindung auf derartige Motorsteuereinheiten gerichtet ist, kann eine optimale Spannung an den Motor in Abhängigkeit von Lastbedingungen geliefert werden. Demzufolge ist es möglich, den Motor bei dem maximalen Wirkungsgrad zu betreiben, während immer und schnell eine Anpassung an Lastbedingungen etc. ausgeführt wird.

Fig. 1 ist eine Ansicht, die eine Eingangsleistung gegenüber einem Wirkungsgrad des Motors zeigt, wenn eine Eingangsspannung des Motors unter der Bedingung geändert wird, dass eine Motorlast fest ist, Fig. 2 ist ein T-Typ Ersatzschaltbild des Motors, Fig. 3 ist eine Ansicht des Falls für den Wert des Koeffizienten K&sub1;, wenn eine Frequenz, wie in dieser Erfindung enthalten, rigoros berechnet wird, und des Falls, bei dem dieser Wert so berechnet wird, dass er proportional zu der Kubikwurzel der Frequenz wird. Fig. 4 ist ein Blockdiagramm, das eine Schaltungskonfiguration in den Charakteristiken dieser Erfindung zeigt.

Diese Verwendung wird nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 ist eine Ansicht, die den Zusammenhang zwischen einer Eingangsleistung und einem Wirkungsgrad des Motors zeigt, wenn eine Eingangsspannung des Motors unter der Bedingung verändert wird, dass ein Last des Motors fest ist. Dies ist eine charakteristische Kurve, wenn eine Eingangsleistung (erste Ordinate) und ein Wirkungsgrad (zweite Ordinate), die eine Eingangsspannung (Abszisse) bei der Nennspannung von 200 V und einer Nennleistung von 2,2 KW und einem Lastfaktor von 10% des Motors entsprechen, auf der gleichen Ebene aufgetragen werden, wobei ein Punkt 102, an dem eine Eingangsleistung minimal wird, eine Eingangsspannung ist, die sich deutlich von dem Punkt 101 unterscheidet, wo ein Wirkungsgrad maximal wird.

Ein T-Typ-Ersatzschaltung des Motors einer Verwendung dieser Erfindung ist in Fig. 2 gezeigt. In Fig. 2 bezeichnet V&sub1; eine Phasenspannung; r&sub1; bezeichnet einen primären Widerstand; x&sub1; bezeichnet eine Leckreaktanz, I&sub1; bezeichnet einen primären Strom; E&sub1; bezeichnet eine primäre Spannung; r&sub2; bezeichnet einen sekundären Widerstand, der in die primäre Seite umgewandelt ist; x&sub2; bezeichnet eine sekundäre Leckreaktanz, die in die primäre Seite umgewandelt ist; I&sub2; bezeichnet einen sekundären Strom, der in die primäre Seite umgewandelt ist; s bezeichnet eine Durchrutschung bzw. eine Verschiebung; rm bezeichnet einen Eisenverlustwiderstand; xm bezeichnet eine Erregungsreaktanz; und Im bezeichnet einen Erregungsstrom. Wenn gm ein Erregungsleitwert ist, bm eine Erregungssuszeptanz ist und j das komplexe Zahlensymbol ist, wird die folgende Gleichung aus der voranstehend erwähnten Ersatzschaltung abgeleitet.

Vektor IM = (Vektor E&sub1;)/(rm + jxm) = (Vektor E&sub1;) · (gm - jbm) (1)

In der obigen Gleichung gilt:

gm = rm/(rm² + xm²) (1a)

bm = xm/(rm² + xm²) (1b)

Vektor I&sub2; = (Vektor E&sub1;)/{(r&sub2;/s) + jx&sub2;} = (Vektor E&sub1;) · [{sr&sub2;/(r&sub2;² + s²x&sub2;²)} - j {s²x&sub2;/(r&sub2;² + s²x&sub2;²)}] = (Vektor E&sub1;) · (a&sub1; - ja&sub2;) (2)

In der obigen Gleichung gilt:

a&sub1; = sr&sub2;/(r&sub2;² + s²x&sub2;²) (2a)

a&sub1; = s²x&sub2;/(r&sub2;² + s²x&sub2;²) (2b)

Vektor I&sub1; = (Vektor IM) + (Vektor I&sub2;) = (Vektor E&sub1;) · {(a&sub1; + gm) - j(a&sub2; + bm)} = (Vektor E&sub1;) · (b&sub1; - jb&sub2;) (3)

In der obigen Gleichung gilt:

b&sub1; = a&sub1; + gm (3a)

b&sub2; = a&sub2; + bm (3b)

Vektor V&sub1; = (Vektor E&sub1;) + (r&sub1; + jx&sub1;) · (Vektor I&sub1;) = (Vektor E&sub1;) · {(1 + b&sub1;r&sub1; + b&sub2;x&sub1;) - j(b&sub2;r&sub1; - b&sub1;x&sub1;)} = (Vektor E&sub1;) · (c&sub1; - jc&sub1;) (4)

In der obigen Gleichung gilt:

c&sub1; = 1 + b&sub1;r&sub1; + b&sub2;x&sub1; (4a)

c&sub2; = b&sub2;r&sub1; - b&sub1;x&sub1; (4b)

Aus den Gleichungen (3), (4) ergibt sich:

Vektor I&sub1; = {(b&sub1; - jb&sub2;)/(c&sub1; - jc&sub2;)}V&sub1; (5)

Die Scheinleistung P1e, die an den Motor geliefert wird, wird wie folgt ausgedrückt.

P1e = 3 · (Vektor V&sub1;) · (konjugierter Vektor von I&sub1;) = {3(b&sub1; + jb&sub2;)/(c&sub1; + jc&sub2;)}V&sub1;² = {3V&sub1;²/(c&sub1;² + c&sub2;²)} · {(b&sub1;c&sub1; + b&sub2;c&sub2;) - j (b&sub1;c&sub2; - b&sub2;c&sub1;)} (6)

Da die effektive Leistung P&sub1; des primären Eingangs des Motors durch den Realteil der Gleichung (6) gegeben ist, ergibt sich:

P&sub1; = 3(b&sub1;c&sub1; + b&sub2;c&sub2;)/(c&sub1;² + c&sub2;²)}V&sub1;² (7)

Die Scheinleistung Pze des sekundären Eingangs des Motors wird wie folgt ausgedrückt.

P2e = 3 · (Vektor E&sub1;) · (konjugierter Vektor von I&sub2;) = 3 · (Vektor E&sub1;) · (konjugierter Vektor von E&sub1;) · (a&sub1; + ja&sub2;) = {3V&sub1;²/(c&sub1;² + c&sub2;²)} · (a&sub1; + ja&sub2;) (8)

Da die effektive Leistung P2 des sekundären Eingangs des Motors durch den Realteil der Gleichung (8) gegeben ist, gilt:

P&sub2; = 3V&sub1;²a&sub1;/(c&sub1;² + c&sub2;²) (9)

Da ein mechanischer Ausgang P2m der Wert ist, der durch Multiplizieren der effektiven Leistung P&sub2; des sekundären Eingangs mit (1 - s) erhalten wird, gilt:

P2m = {3a&sub1;(1 - s)/(c&sub1;² + c&sub2;²)} · V&sub1;² (10)

Der Wirkungsgrad η des Motors wird wie folgt ausgedrückt:

η = P2m/P&sub1; = (1 - s)a&sub1;/(b&sub1;c&sub1; + b&sub2;c&sub2;) (11)

Da a&sub1;, b&sub1;, b&sub2;, c&sub1;, c&sub2; Parameter (Variablen) (die sich ändern) als eine Funktion der Motorkonstanten, der Frequenz und der Verschiebung s in der obigen Gleichung sind, wird auch der Wirkungsgrad η ein Parameter (eine Variable) als eine ähnliche Funktion.

Die Verschiebung s, die den maximalen Wirkungsgrad bereitstellt, wird durch Bestimmung einer Verschiebung s ermittelt, bei der die Gleichung, die durch Differenzieren der Gleichung (11) bezüglich s erhalten wird, gleich zu Null ist.

Wenn man nun annimmt, dass die Verschiebung zu dieser Zeit s(ηmax) ist, da eine Verschiebung s(ηmax), die den maximalen Wirkungsgrad bereitstellt, sich als eine Funktion der Konstanten und der Frequenz des Motors verändert, wird die Verschiebung s(ηmax) gleich zu einem konstanten Wert unabhängig von der Last.

Andererseits wird die effektive Leistung P&sub1; des primären Eingangs des Motors wie folgt aus der Gleichung (7) ausgedrückt:

P&sub1; = {3(b&sub1;c&sub1; + b&sub2;c&sub2;)/(c&sub1;² + c&sub2;²) · V&sub1;²

Wenn die Leitungsspannung VL für die Phasenspannung von V&sub1; eingesetzt wird,

VL = V&sub1;/(3)1/2

ergibt eine Ersetzung der Leitungsspannung VL in der Gleichung (7):

P&sub1; = {(b&sub1;c&sub1; + b&sub2;c&sub2;)/(c&sub1;² + c&sub2;²)} · VL²

Wenn die Leitungsspannung VL (Versorgungsspannung) aus der obigen Gleichung bestimmt wird, gilt:

VL = {(c&sub1;² + c&sub2;²)/(b&sub1;c&sub1; + b&sub2;c&sub2;)}1/2 · P&sub1;1/2 = K&sub1;P&sub1;1/2 (12)

In der obigen Gleichung gilt:

K&sub1; = {(c&sub1;² + c&sub2;²)/(b&sub1;c&sub1; + b&sub2;c&sub2;)}1/2 (12a)

Da b&sub1;, b&sub2;, b&sub1;, c&sub2; Parameter sind, die sich als ein Funktion der Motorkonstanten verändern, werden auch die Frequenz, die Verschiebungen und der Koeffizient K&sub1; Parameter, die sich als eine ähnliche Funktion verändern.

Wenn sich die Last ändert, dann ändert sich die Verschiebung s. Demzufolge ändert sich auch der Koeffizient K&sub1;. Wenn ein Ansatz verwendet wird, um die Leitungsspannung VL so zu steuern, dass eine Verschiebung s gleich zu einer Verschiebung s(ηmax) wird, die den maximalen Wirkungsgrad zu sämtlichen Zeiten unabhängig von dem Lastwert bereitstellt, wird jedoch der Wert des Koeffizienten K&sub1; auch gleich zu einem festen Wert unabhängig von Laständerungen. Mit anderen Worten, wenn das Produkt eines Koeffizienten K&sub1; zurzeit einer Verschiebung s(ηmax), die den maximalen Wirkungsgrad bereitstellt, und die Quadratwurzel der erfassten effektiven Leistung P&sub1; des primären Eingangs des Motors als Eingangsspannung des Motors gegeben ist, hält eine Verschiebung s(ηmax) aufrecht. Demzufolge ist es möglich, den Motor bei dem maximalen Wirkungsgrad zu sämtlichen Zeiten in Bezug auf Laständerungen zu betreiben.

Da jedoch die Gleichung, die durch Differenzieren der Gleichung (11) nach der Verschiebung s erhalten wird, so ausgelegt ist, dass sie gleich Null ist, ist sie eine Gleichung sechster Ordnung. Da diese Gleichung nicht analytisch gelöst werden kann, wird ein Koeffizient K&sub1; durch eine Approximation, wie nachstehend beschrieben, bestimmt. Wenn die Gleichungen (3a), (3b), (4a), (4b) auf die Gleichung (11) angewendet werden, wird ein Wirkungsgrad η wie folgt ausgedrückt.

η = {(1 - s)a&sub1;}/(gm + gmr&sub1;b&sub1; + gmx&sub1;b&sub2; + a&sub1; + r&sub1;a&sub1;b&sub1; + x&sub1;a&sub1;b&sub2; + r&sub1;bmb&sub2; + r&sub1;a&sub2;b&sub2; - x&sub1;bmb&sub1; - x&sub1;a&sub2;b&sub1;) (13)

Da in der Gleichung (13) (gmx&sub1;b&sub2;), (r&sub1;a&sub2;b&sub2;), (x&sub1;a&sub2;b&sub1;) im Vergleich mit anderen Termen klein sind und (x&sub1;a&sub1;b&sub2;) (x&sub1;bmb&sub1;) ist, werden sie vernachlässigt. Somit kann die Gleichung (13) wie folgt ausgedrückt werden.

η = {(1 - s)a&sub1;}/(gm + a&sub1; + r&sub1;a&sub1;b&sub1; + r&sub1;bmb&sub2; + gmr&sub1;b&sub1;) (14)

Da ferner in den Gleichungen (2a), (2b) r&sub2;² > > s&sub2;x&sub2;² ist, werden s²x&sub2;² des entsprechenden Nenners der Gleichungen vernachlässigt, wodurch die folgenden Gleichungen bereitgestellt werden.

a&sub1; s/r&sub2; (14a)

a2 (x&sub2;s²)/r&sub2;² (14b)

Zusätzlich ergibt sich aus den Gleichungen (3a), (3b):

b&sub1; gm + s/r&sub2; (14c)

b&sub2; bm + x&sub2;(s²/r&sub2;²) (14d)

Eine Einsetzung dieser Gleichungen in die Gleichung (14) ergibt:

η = {(1 - s)sr&sub2;}/{r&sub1;s² + r&sub2;(2r&sub1;gm + 1)s + r&sub2;²(gm + r&sub1;bm²)} (15)

dη/ds = 0 wird eingesetzt, um eine Verschiebung s zu bestimmen. Somit wird eine Verschiebung s(ηmax), die den maximalen Wirkungsgrad bereitstellt, bestimmt.

Durch Einsetzen von

A = {r&sub2;(2r&sub1;gm + 1)}/r&sub1;

B = {r&sub2;²(gm + r&sub1;bm²)}/r&sub1;

wird die Durchrutschung s(ηmax), die den maximalen Wirkungsgrad bereitstellt, wie folgt ausgedrückt:

s(ηmax) = [-B + {B · (A + B + 1)}1/2]/(A + 1) (16)

Da A, B Parameter sind, die sich aus einer Funktion der Motorkonstanten und der Frequenz verändern, ist s(ηmax), die den maximalen Wirkungsgrat bereitstellt, ebenfalls ein Parameter, der sich als Funktion einer ähnlichen Funktion verändert.

Wenn die Gleichungen (4a), (4b) in der Gleichung (12a) angewendet werden, gilt:

c&sub1;² + C&sub2;² = 1 + r&sub1;²b&sub1;² + x&sub1;²b&sub2;² + 2r&sub1;b&sub1; + 2x&sub1;b&sub2; + r&sub1;²b&sub2;² + x&sub1;²b&sub1;²

Da (r&sub1;²b&sub2;²), (x&sub1;²b&sub2;²) auf einen derartigen Grad klein sind, dass sie im Vergleich mit anderen Termen vernachlässigt werden können, gilt:

c&sub1;² + c&sub2;² 1 + r&sub1;²b&sub1;² + 2r&sub1;b&sub1; + 2x&sub1;b&sub2; + x&sub1;²b&sub1;²

Wenn die Gleichungen (3a), (3b) auf die obige Gleichung angewendet werden, gilt:

c&sub1;² + c&sub2;² r&sub1;²gm + 2a&sub1;r&sub1;²gm + r&sub1;²a&sub1;² + r&sub1;²bm² + 2r&sub1;²a&sub2;bm + r&sub1;² a&sub2;² + 2r&sub1;gm + 2r&sub1;a&sub1; + 2x&sub1;bm + 2x&sub1;a&sub2; + 1

da (r&sub1;²gm), (2r&sub1;²a&sub2;bm), (r&sub1;²a&sub2;²), (2x&sub1;a&sub2;) im Vergleich mit anderen Termen klein sind und sie vernachlässigt werden können. Somit wird die folgende Gleichung erhalten.

c&sub1;² + c&sub2;² a&sub1;r&sub1;²gm + r&sub1;²a&sub1;² + r&sub1;²bm² + 2r&sub1;gm + 2r&sub1;a&sub1; + 2x&sub1;bm + 1

Eine Einsetzung von a&sub1; η s/r&sub2; der Gleichung (14a) und a&sub1; (x&sub2;s²)/r&sub2;² der Gleichung (14b) in die obige Gleichung ergibt:

c&sub1;² + c&sub2;² (1/r&sub2;²) · (2r&sub1;²r&sub1;gms + r&sub1;²s² + r&sub1;²r&sub2;²bm² + 2r&sub1;r&sub2;²gm² + 2r&sub1;r&sub2;s + 2x&sub1;r&sub2;²bm + r&sub2;²)

In ähnlicher Weise gilt:

b&sub1;c&sub1; + b&sub2;c&sub2; (1/r&sub1;²) · (r&sub2;²gm + 2r&sub1;r&sub2;gms + r&sub2;s + r&sub1;s² + r&sub1;r&sub2;²bm²)

Eine Ersetzung von diesen (c&sub1;² + c&sub2;²) und (b&sub1;c&sub1; + b&sub2;c&sub2;) in die Gleichung (12a) wird durchgeführt, und der Koeffizient K&sub1;, wenn eine Verschiebung s veranlasst wird s(ηmax) zu sein, wird wie folgt ausgedrückt:

K&sub1; = [{r&sub1;²(s(ηmax)² + 2r&sub1;r&sub2;(r&sub1;gm + 1) · s(ηmax) + r&sub2;²(r&sub1;²bm² + 1) + 2r&sub2;²(r&sub1;gm + x&sub1;bm)}/{r&sub1;(s(ηmax)2 + r&sub2;(2r&sub1;gm + 1) · s(ηmax) + r&sub2;²(gm + r&sub1;bm²)}]1/2 (17)

Diese Gleichung (17) stellt einen guten approximierten Wert in einem breiten Bereich der Motorkapazität und der Betriebsfrequenz bereit.

Wenn das Produkt des Koeffizienten K&sub1;, der mit der Gleichung (17) berechnet wird, und der Quadratwurzel der erfassten primären Eingangsleistung P&sub1; des Motors als eine Eingangsspannung gegeben wird, ist es möglich, den Motor bei dem maximalen Wirkungsgrad zu betreiben.

Um den Motor bei dem maximalen Wirkungsgrad zu betreiben, wie voranstehend beschrieben, wird eine Berechnungseinrichtung zum Bestimmen von s(ηmax), die den Motor bei dem maximalen Wirkungsgrad mit der Gleichung (16) betreiben kann, um einen derartigen Verschiebungswert auf die Gleichung (17) anzuwenden, um so einen Wert des Koeffizienten K&sub1; zu bestimmen, benötigt. Wenn eine Berechnung durch diese Prozedur ausgeführt wird, ist es möglich, mit guter Genauigkeit eine Spannung zu berechnen, die den maximalen Wirkungsgrad bereitstellt, und an den Motor geliefert wird. Da jedoch die Berechnungsmengen groß sind, wird die Einheit kostenaufwendig, wenn versucht wird, eine Antwort mit hoher Geschwindigkeit zu realisieren.

In Übereinstimmung mit der numerischen Berechnung, ist ein Wert des Koeffizienten K&sub1;, der mit der Gleichung (17) angedeutet wird, im Wesentlichen proportional zu der Kubikwurzel der Frequenz. Wenn ein Wert des Koeffizienten K&sub1; überprüft wird, wenn eine Frequenz f in der Gleichung (17) geändert wird, ist das Ergebnis wie in Fig. 3 gezeigt. Während drei Typen von Motoren von 1,5 KW, 7,5 KW und 55 KW in dem Beispiel der Fig. 3 gezeigt sind, zeigen Motoren von anderen Kapazitäten eine im Wesentlichen ähnliche Tendenz. Ausgezogene Linien der Fig. 3 zeigen Ergebnisse an, die durch Auftragen von Werten des Koeffizienten K&sub1; bei jeweiligen Frequenzen erhalten werden, die durch Verwenden eines Approximationsberechnungsverfahrens von Newton auf der Grundlage der Gleichung (11) bestimmt werden, und gestrichelte Linien sind die Ergebnisse, die durch Bestimmen von Werten des Koeffizienten K&sub1; zu dieser Zeit von 60 Hz durch das Approximationsberechnungsverfahren von Newton erhalten werden, um diesem Wert zu ermöglichen, der Koeffizient K&sub6;&sub0; zu sein, um Werte des Koeffizienten K1f bei der Betriebsfrequenz f durch die folgende Gleichung zu bestimmen, um sie aufzutragen:

K1f = {K&sub6;&sub0;/(60)1/3}(f)1/3 = K&sub2;(f)1/3 (18)

In der obigen Gleichung ist K&sub2; = K&sub6;&sub0;/(60)1/3

Es lässt sich ersehen, dass der Koeffizientenwert K&sub1; im Wesentlichen proportional zu der kubischen Wurzel der Frequenz ist. Es ist nicht erforderlich, dass die Grundfrequenz 60 Hz beträgt. Im Allgemeinen kann ein Ansatz verwendet werden, bei dem bewirkt wird, dass die Grundfrequenz f&sub0; ist, um mit guter Genauigkeit einen Wert Kf0 des Koeffizienten K&sub1; zu bestimmen, wenn die Grundfrequenz f&sub0; ist, um den Wert des Koeffizienten K1f bei der Betriebsfrequenz f auf Grundlage des Werts Kf0 wie folgt zu bestimmen:

K1f = {Kf0/(f&sub0;)1/3}(f)1/3 (19)

Wenn der Wert des Koeffizienten K&sub1; mit der Gleichung (18) oder (19) bestimmt wird, wenn eine Betriebsfrequenz geändert wird, wird eine Berechnungszeit verkürzt, wodurch ennöglicht wird, das Ansprechverhalten zu verbessern.

Wenn dies zusammengenommen betrachtet wird, ist die Leitungsspannung VL der Versorgungsspannung zu dem Motor, die den maximalen Wirkungsgrad bereitstellt:

VL = K&sub1;·(P&sub1;)1/2 = Kf0·(f/f&sub0;)1/3·(P&sub1;)1/2 (20)

Die Versorgungsspannung zu dem Motor wird durch die Gleichung (20) durch eine effektive Leistung des Motors berechnet und an den Motor geliefert. Wenn jedoch eine Filterzeitkonstante für eine Erfassung einer Leistung klein ist, besteht ein Stabilitätsmangel, wohingegen dann, wenn eine derartige Filterkonstante verlängert wird, ein Ansprechverhalten schlecht wird. Um dieses Problem zu lösen, werden zwei Zeitkonstanten verwendet [natürlich können drei Zeitkonstanten oder eine größere Anzahl verwendet werden, und eine feine Steuerung wird in Abhängigkeit von den Umständen ausgeführt], um ein Filter mit einer kurzen Zeitkonstanten zu verwenden, wenn eine Änderung einer Leistung groß ist; um ein Filter mit einer langen Zeitkonstanten zu verwenden, wenn diese Änderung klein ist; und um die erfasste Leistung zu fixieren, wenn eine Leistungsänderung noch kleiner ist, um einen festen Wert an den Motor zu liefern, wodurch eine bessere Stabilisation erreicht wird.

Ein Blockdiagramm der Schaltungskonfiguration, die in dieser Erfindung enthalten ist, ist in Fig. 4 gezeigt, und nachstehend wird die Erläuterung angeführt.

In Fig. 4 bezeichnet ein Bezugszeichen 1 einen sanften Starter zum Vermeiden eines plötzlichen Anstiegs (Anwachsens) der Geschwindigkeit zur Zeit eines Starts des Motors, um einen Betrieb sanft zu starten. Ein Bezugszeichen 2 ist ein Frequenz-zu-Spannungs-Wandler; ein Bezugszeichen 3 ist ein Leistungsdetektor; ein Bezugszeichen 4 bezeichnet ein Filter mit einer Zeitkonstanten T&sub1;; ein Bezugszeichen 5 ist ein Filter mit der Zeitkonstanten T&sub2; [T&sub1; < T&sub2;]; ein Bezugszeichen 6 ist ein Frequenz f- zu-Koeffizienten K&sub1;-Wandler; ein Bezugszeichen 7 ist ein Rechner (Betriebselement) zum Einführen einer erfassten Leistung P und eines Koeffizienten K&sub1;, um die Quadratwurzel der Leistung P mit einem Koeffizienten K&sub1; zu multiplizieren, um eine Leitungsspannung (Versorgungsspannung) VL zu berechnen; ein Bezugszeichen 8 ist ein Begrenzer, in dem eine Leitungsspannung VL auf der Abszisse aufgetragen ist und eine Befehlsspannung V&sub0; auf der Ordinate aufgetragen ist; ein Bezugszeichen 9 ist ein Treiber; ein Bezugszeichen 10 bezeichnet einen Umrichter; ein Bezugszeichen 11 ist eine kommerzielle Wechselstrom- Energieversorgung (A. C.); ein Bezugszeichen 12 ist ein Wandler; ein Bezugszeichen 13 ist eine Glättungsschaltung; ein Bezugszeichen 14 ist ein anzutreibender Motor; ein Bezugszeichen 15 ist ein Motorbetriebsfrequenz-Befehlselement; ein Bezugszeichen 16 ist eine Speicherschaltung zum Speichern einer erfassten Leistung bei der letzten Abtastperiode bei der Erfassung der Leistung, und S&sub1; ~ S&sub3; sind Umschalt-(Wähler-)Schalter.

Es sei nun angenommen, dass der Umschalter S&sub1; anfänglich in dem "offenen" Zustand ist. Die Betriebsfrequenz f von dem Frequenzbefehlselement 15 wird durch den sanften Starter 1 geführt, wobei sie darin von der Frequenz Null auf f durch einen eingestellten Zeitgradienten anwächst. Der Frequenz-zu- Spannungs-Wandler 2 ist eine Einheit, die dafür ausgelegt ist, um eine Spannung entsprechend zu der Frequenz, die von dem sanften Starter 1 ausgegeben wird, zu erzeugen, und dient dazu, eine Steuerung so vorzunehmen, dass das Verhältnis zwischen der an den Motor gelieferten Frequenz und Spannung fest ist. Zur Zeit eines Startens des Motors wird der Motor mit dem voranstehend erwähnten Betrieb betrieben. Wenn ein Ausgang des sanften Starters 1 die Befehlsfrequenz f erreicht, wird der Umschalter S&sub1; auf "geschlossen" umgeschaltet. Zu nachfolgenden Zeiten wird ein Betrieb durch das Steuerverfahren dieser Erfindung fortgesetzt.

Eine effektive Leistung, die an den Motor 14 geliefert wird, wird aus der Spannung [V&sub1;] und einem Strom [I&sub1;] durch den Leistungsdetektor 3 erfasst. Diese effektive Leistung wird an die zwei Filter 4 und 5 eingeleitet. Das Filter 4 weist eine kurze Zeitkonstante T&sub1; auf und das Filter 5 weist eine lange Zeitkonstante T&sub2; auf. Ferner sind die Umschalter S&sub2;, S&sub3; zu Beginn in dem "offenen" Zustand. Wenn eine Leistungsänderung kleiner als ein eingestellter Wert ΔP&sub1; ist, wird der Umschalter S&sub2; in den geschlossenen Zustand gebracht. Somit wird das Filter 5 mit der langen Zeitkonstanten zum Erfassen der effektiven Leistung verwendet.

Wenn eine Änderung der Leistung noch kleiner wird und kleiner als der Wert ΔP&sub2; wird (ΔP&sub2; < ΔP&sub1;), wird der Umschalter S&sub3; in einen "geschlossenen" Zustand gebracht. Somit wird die Leistung auf diejenige zu dem Zeitpunkt, wenn eine Leistungsänderung unter ΔP&sub2; ist, als erfasste Leistung P&sub1; festgelegt, und diese Leistung wird in der Speicherschaltung 16 gespeichert. Eine Ausgabe der so gespeicherten Leistung wird fortgesetzt.

Der Frequenz f-zu-Koeffizienten K&sub1;-Wandler 6 berechnet eine Konstante (einen Koeffizienten) K&sub1; in Bezug auf den Frequenzbefehl f. Der Rechner 7 berechnet aus der dem Koeffizienten K&sub1;, der bei dem Wandler 6 berechnet wird, und einer erfassten Leistung P&sub1; eine Spannung, bei der ein Wirkungsgrad des Motors 14 maximal wird. Der Begrenzer 8 ist für eine Verhinderung einer Übererregung oder einer Verhinderung eines Stehenbleibens, wenn die Geschwindigkeit zu gering ist, vorgesehen. Die Spannung V&sub0; und der Frequenzbefehl f, die in dieser Weise berechnet wurden, werden an den Treiber 9 geliefert. Somit steuert der Treiber 9 Transistoren des Unirichters 10 so, dass eine Leitungsspannung VL und ein Frequenzbefehl f an den Motor 14 geliefert werden.

Da wie voranstehend angegeben der Motor durch eine Versorgungs-(Leitungs-)Spannung entsprechend zu der effektiven Leistung/dem Frequenzbefehl des Motors konstant unter diesen Umständen angetrieben wird, wird der Motor schnell bei dem maximalen Wirkungsgrad zu sämtlichen Zeiten betrieben, wie ausführlich in der voranstehend erwähnten begleitenden Theorie erläutert wird.

Wie sich aus der vorangehenden Beschreibung ersehen lässt, wird gemäß dieser Erfindung der hervorragende Vorteil bereitgestellt, dass eine optimale Spannung bei einer hohen Geschwindigkeit an den Motor in Übereinstimmung mit einem Lastzustand geliefert wird, sodass der Motor zu sämtlichen Zeiten bei dem maximalen Wirkungsgrad betrieben werden kann.


Anspruch[de]

1. Steuereinheit für einen Motor, der zum Steuern eines Motorbetriebs durch einen Umrichter ausgelegt ist,

wobei die Einheit umfasst:

eine Einrichtung (3) zum Erfassen einer effektiven Leistung, die an den Motor geführt wird;

eine Berechnungseinrichtung (6, 7, 8), um als eine Versorgungsspannung, die den maximalen Wirkungsgrad bereitstellt, das Produkt eines Koeffizienten K&sub1;, bestimmt durch eine Berechnung von einer Konstanten, eines Werts, der aus der Versorgungsfrequenz des Motors abgeleitet wird, und der Quadratwurzel der erfassten effektiven Leistung des Motors zu berechnen; und

eine Einrichtung (9), um die berechnete Versorgungsspannung an den Motor zu liefern.

2. Steuereinheit für einen Motor, die zum Steuern eines Motorbetriebs durch einen Umrichter ausgelegt ist,

wobei die Einheit umfasst:

eine Einrichtung (3) zum Erfassen einer effektiven Leistung, die an den Motor geführt wird;

eine Berechnungseinrichtung (6, 7, 8), um als eine Versorgungsspannung, die den maximalen Wirkungsgrad bereitstellt, das Produkt eines Koeffizienten K&sub2;, bestimmt durch eine Berechnung aus einer Konstanten, eines Werts (f/f&sub0;)1/3, wobei f eine Versorgungsfrequenz ist und f&sub0; eine spezifische Frequenz ist, und der Quadratwurzel der erfassten effektiven Leistung des Motors zu berechnen; und

eine Einrichtung (9) zum Liefern der berechneten Versorgungsspannung an den Motor.

3. Steuereinheit für einen Motor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Effektivleistungs- Erfassungseinrichtung (3) so arbeitet, dass sie für den Fall, dass angenommen wird, dass eine Änderung der effektiven Leistung eine erste Konstante ΔP&sub1; ist, eine effektive Leistung durch Verwenden eines Leistungserfassungsfilters mit einer größeren Zeitkonstante erfasst.

4. Steuereinheit für einen Motor nach Anspruch 3, wobei die Effektivleistungs-Erfassungseinrichtung (3) so arbeitet, dass sie für den Fall, dass angenommen wird, dass eine Änderung der effektiven Leistung eine zweite Konstante ΔP&sub2; ist, die kleiner als die erste Konstante ΔP&sub1; ist, die erfasste Leistung P&sub1; zu der Zeit, wenn die Änderung der erfassten Leistung die zweite Konstante ΔP&sub2; werden würde, als einen Erfassungswert der effektiven Leistung festlegt, wohingegen dann, wenn eine Änderung der effektiven Leistung fortdauert, um kleiner als ΔP&sub2; zu sein, sie der festen Leistung erlaubt, eine erfasste effektive Leistung zu sein.

5. Steuereinheit für einen Motor nach Anspruch 1, wobei der Koeffizient K&sub1; folgendermaßen ausgedrückt wird:

K&sub1; = [{r&sub1;²(S(ηmax))² + 2r&sub1;r&sub2;(r&sub1;gm + 1) · S(ηmax) + r&sub2;²(r&sub1;²bm² + 1) + 2r&sub2;²(r&sub1;gm + x&sub1;bm}/{r&sub1;(S(ηmax))² + r&sub2; - (2r&sub1;gm + 1) · S(ηmax) + r&sub2;²(gm + r&sub1;bm²)}]1/2

wobei

r&sub1; ein Motorprimärwiderstand ist,

x&sub1; eine primäre Leckreaktanz des Motors ist,

S(ηmax) eine Durchrutschung des Motors ist, bei der ein Wirkungsgrad des Motors maximal ist,

r&sub2; ein sekundärer Widerstand ist, der in die primäre Seite des Motors umgewandelt wird,

bm eine Erregungssuszeptanz des Motors ist, und

gg eine Erregungsleitfähigkeit des Motors ist.







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