FI121721B - Menetelmä ja järjestely moottorin pyörimisnopeuden määrittämiseen - Google Patents

Description

Menetelmä ja järjestely moottorin pyörimisnopeuden määrittämiseen

Keksinnön tausta Tämä keksintö liittyy menetelmään ja järjestelyyn vaihtosuuntaajalla 5 syötetyn moottorin pyörimisnopeuden määrittämiseen.

Vaihtosuuntaaja on sähköinen laite, jolla voidaan muodostaa taajuudeltaan muuteltavissa olevaa jännitettä. Tyypillisesti vaihtosuuntaajia käytetään moottoreiden yhteydessä näiden ohjaamiseen muuttuvalla taajuudella. Vaihtosuuntaaja voi myös olla osa taajuusmuuttajaa, jota käytetään esimerkik-10 si moottorin ohjaamiseen.

Vaihtosuuntaajien ja yleensä vaihtosuuntaajia käsittävien moottori-käyttöjen yhteydessä käytetään sovelletaan yleisesti erilaisia turvallisuustoimintoja (safety functions), joiden tarkoituksena on valvoa ja varmistaa mootto-rikäyttöjen turvallisuus erilaisissa käyttötilanteissa ja -olosuhteissa. Esimerkke-15 jä eräistä suositusten mukaisista turvallisuustoiminnoista ovat vahinkokäynnis-tyksen esto STO (Safe Torque Off), hätäseis SS1 (Safe Stop 1) ja turvallinen nopeus SLS (Safely Limited Speed).

Turvallisuustoimintojen toteuttaminen edellyttää moottorin pyörimisnopeuden määrittämistä mahdollisimman luotettavasti. Tyypillisesti moottorin 20 pyörimisnopeustieto saadaan ensisijaisesti moottoria ohjaavasta vaihtosuuntaajasta. Kuitenkin pelkästään vaihtosuuntaajasta saatu pyörimisnopeustieto ei välttämättä riittävässä määrin takaa turvallisuustoimintojen luotettavuutta esim. tilanteessa, jossa vaihtosuuntaaja on jollain tavoin vikaantunut. Tämän johdosta on tarpeen järjestää vaihtoehtoinen em. nopeuden määrityksestä riippuma-___ 25 ton redundantti nopeuden määritys turvallisuustoimintojen toteuttamiseen luo- δ tettavasti.

CM

^ Eräs tapa määrittää moottorin pyörimisnopeus sitä syöttävästä vaih- ^ tosuuntaajasta riippumattomasti on mitata pyörimisnopeus moottorista tako- ° metrin eli kierroslukumittarin avulla. Takometri voidaan liittää moottoriin, esim.

£ 30 sen akseliin, joko fyysisellä liitoksella tai esim. optisen kytkennän avulla ilman to fyysistä kontaktia ja näin määrittää moottorin pyörimisnopeus.

$ Takometrin käyttöön moottorin pyörimisnopeuden määrittämiseksi oo § liittyvä ongelma on se, että turvallisuustoimintojen toteuttamiseksi tarvitaan ai- w na ylimääräinen takometri kutakin valvottavaa moottoria kohden, mikä aiheut- 35 taa lisäkustannuksia. Lisäksi ylimääräisen takometrin liittäminen moottoriin ja/tai sijoitus moottorin yhteyteen samoin kuin moottorin yhteyteen sijoitetun 2 takometrin mahdollisesti vaatima huolto saattaa olla hankalaa joissain olosuhteissa.

Keksinnön lyhyt selostus Tämän keksinnön tarkoituksena on aikaansaada menetelmä ja me-5 netelmän toteuttava laitteisto, jotka välttävät edellä mainitut epäkohdat tai ainakin lievittävät niitä. Tämä tarkoitus saavutetaan keksinnön mukaisella menetelmällä, järjestelyllä, vaihtosuuntaajalla ja taajuusmuuttajalla, joille on tunnusomaista se, mitä sanotaan itsenäisissä patenttivaatimuksissa 1, 5, 9 ja 10.

Keksinnön edulliset suoritusmuodot ovat epäitsenäisten patenttivaatimusten 10 kohteena.

Keksintö perustuu siihen ajatukseen, että vaihtoehtoisena moottorin pyörimisnopeuden määritystapana mitataan vaihtosuuntaajan moottorille syöttämän jännitteen taajuus ja estimoidaan moottorin pyörimisnopeus mitatun taajuuden perusteella.

15 Keksinnön mukaisen ratkaisun etuna on se, että moottorin pyöri misnopeuden vaihtoehtoiseen määrittämiseen ei tarvita ylimääräistä takomet-riä vaan nopeus voidaan riittävällä tarkkuudella estimoida yksinkertaisen ja edullisen järjestelyn avulla. Lisäksi keksinnön mukainen ratkaisu ei edellytä moottorin mallintamista, jolloin esim. moottorin koko ei vaikuta keksinnön mu-20 kaisen ratkaisun toimintaa.

Kuvioiden lyhyt selostus

Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen yhteydessä, viitaten oheisiin piirroksiin, joista: '

Kuvio 1 esittää lohkokaavion järjestelmästä, johon keksintöä voi-^ 25 daan soveltaa; ™ Kuvio 2 esittää kytkentäkaavion pääjännitteiden mittausjärjestelystä 9 erään suoritusmuodon mukaisesti; ja o Kuvio 3 esittää lohkokaavion järjestelystä moottorin pyörimisnopeu- | den estimoimiseksi pääjännitteiden perusteella erään suoritusmuodon mukai- φ 30 sesti.

(M

00 a) Keksinnön yksityiskohtainen selostus

O

° Kuviossa 1 on esitetty lohkokaavio järjestelmästä, johon keksintöä voidaan soveltaa. Järjestely on esitetty liittyen vaihtosuuntaajaan 20 ja vaihtosuuntaajan syöttämään moottoriin 10. On huomattava, että keksinnön käyt- 3 töä ei ole rajoitettu esim. minkään tietyn tyyppisen vaihtosuuntaajan yhteyteen. Tämän johdosta vaihtosuuntaajan rakennetta ei ole tarkemmin käsitelty seu-raavassa. Myöskään esimerkiksi vaihtosuuntaajan 20 syötön (ei esitetty kuviossa) tai sen ohjaaman moottorin 10 tai näiden välisten liitäntöjen tyypillä ku-5 ten jännitetasolla tai vaiheiden määrällä ei ole merkitystä keksinnön perusajatuksen kannalta. Moottori 10 voi olla esimerkiksi epätahtimoottori, kuten esim. oikosulkumoottori, tai tahtimoottori, kuten esim. kestomagneettimoottori, tai re-luktanssimoottori kuten synkroninen reluktanssimoottori.

Kuvion 1 esimerkkijärjestelmässä vaihtosuuntaaja 20 syöttää moot-10 toria 10 kolmivaiheisen syötön kautta, jonka vaihejännitteitä on merkitty U, V ja W. Vaihtosuuntaaja 20 voi olla osa taajuusmuuttajaa (ei esitetty). Kuviossa on edelleen esitetty suojeluvalvontajärjestelmä 40, joka saa moottorin pyörimis-nopeustiedon ensisijaisesti esim. vaihtosuuntaajalta 20. Pyörimisnopeustieto voidaan muodostaa vaihtosuuntaajassa 20, joka syöttää moottoria 10 ja siten 15 tyypillisesti tietää moottorin 10 pyörimisnopeuden. On myös mahdollista käyttää esim. takometriä 50, joka mittaa ja välittää moottorin 10 pyörimisnopeus-tiedon vaihtosuuntaajalle 20, josta tieto edelleen välitetään suojeluvalvontajär-jestelmälle 40. Moottorin 10 pyörimisnopeustieto voitaisiin myös välittää suoraan mahdolliselta takometriltä 50 suojeluvalvontajärjestelmälle 40. Suojelu-20 valvontajärjestelmä 40 voi olla erillinen järjestelmä, kuten kuviossa, tai integroitu esim. vaihtosuuntaajaan 20 tai osa taajuusmuuttajaa. Tällä ei kuitenkaan ole merkitystä keksinnön perusajatuksen kannalta. Suojeluvalvontajärjestelmän 40 tarkoituksena on yleisesti valvoa ja varmistaa moottorikäytön 10, 20 turvallisuus erilaisissa käyttötilanteissa ja -olosuhteissa ja esim. vikatilanteessa antaa 25 vian indikoiva vikasignaali tai suorittaa muita toimenpiteitä esim. kytkentätoi-menpiteitä. Tätä tarkoitusta varten suojeluvalvontajärjestelmä 40 käyttää esim. o moottorin 10 pyörimisnopeustietoa, jonka se saa edullisesti ainakin kahdesta vaihtoehtoisesta lähteestä. Suojeluvalvontajärjestelmän 40 mahdollistamat tur-^ vallisuustoiminnot ovat järjestelmäkohtaisia eikä niitä sen tähden käsitellä yksi-

O

30 tyiskohtaisesti tässä yhteydessä. Keksintöä ei myöskään ole rajoitettu minkään £ tietyn tyyppisen järjestelmän yhteyteen vaan keksinnön tarkoituksena on tarjous ta yksi vaihtoehtoinen moottorin 10 pyörimisnopeuden määritystapa tilanteesin sa, jossa moottorin pyörimisnopeus halutaan määrittää ainakin kahdella vaih- § toehtoisella tavalla.

(M

35 Keksinnön mukaisesti määritetään moottorin pyörimisnopeus toisel la vaihtoehtoisella tavalla siten, että edullisesti mitataan vaihtosuuntaajan 20 4 moottorille 10 syöttämän jännitteen taajuus ja estimoidaan moottorin 10 pyörimisnopeus näin mitatun taajuuden perusteella. Kuviossa 1 on esitetty erityinen nopeudenmittausyksikkö 30, jonka avulla mainittu mittaus ja pyörimisnopeuden estimointi voidaan suorittaa erään suoritusmuodon mukaisesti. Näin saatu 5 vaihtoehtoinen eli redundanttinen moottorin 10 pyörimisnopeustieto voidaan sitten välittää esim. suojeluvalvontajärjestelmälle 40, kuten kuviossa on esitetty. Nopeudenmittausyksikkö 30 tai sitä vastaava toiminnallisuus voi olla erillinen yksikkö, kuten kuviossa, tai integroitu esim. vaihtosuuntaajaan 20 tai suo-jeluvalvontajärjestelmään 40 tai osa taajuusmuuttajaa. Seuraavassa esitetään 10 esimerkinomaisesti, miten vaihtosuuntaajan 20 moottorille 10 syöttämän jännitteen taajuuden mittaus ja moottorin 10 pyörimisnopeuden estimointi voidaan toteuttaa eräiden suoritusmuotojen mukaisesti. Seuraavassa esimerkissä esitetyt yksiköt 31-37 sisältyvät edullisesti nopeudenmittausyksikköön 30. On kuitenkin huomattava, että keksintöä ei millään muotoa ole rajattu seuraavassa 15 esitettyihin esimerkkeihin. Alan ammattimiehelle on ilmeistä, että keksinnön perusajatus voidaan toteuttaa myös vaihtoehtoisilla tavoilla.

Kuviossa 2 on esitetty kytkentäkaavio pääjännitteiden mittausjärjestelystä 31 erään suoritusmuodon mukaisesti. Kuvion esimerkin mukaisesti mitataan vaihtosuuntaajan 20 ja moottorin 10 välisen syöttöyhteyden vaihejännit-20 teet U, V ja W edullisesti suuriohmisten mittausvastusten Rsu, Rsv ja Rsw avulla. Vaihejännitteistä U, V ja W muodostetaan edelleen pääjännitteet U-V ja W-V vahvistinyksiköiden Aija A2 avulla ja samalla alipäästösuodatetaan jännitteet alipäästösuodatinten avulla, jotka edullisesti muodostuvat suodatinvastuksista Rfu, Rfv ja Rfw sekä suodatinkondensaattoreista Cfu, Cfv ja Cfw- Suodatin-25 vastusten RFu, Rfv ja Rfw ja suodatinkondensaattoreiden Cfu, Cfv ja Cfw arvot mitoitetaan edullisesti siten, että alipäästösuodatuksen rajataajuus on niin al-o hainen (esim. noin 200 Hz), että vaihtosuuntaajan lähtöjännitteestä suodattuu t“ pulssimodulaatio pois. Vaihtosuuntaajan pulssimodulaation taajuus on tyypilli-

O

ή sesti noin 1-10 kHz. Toisen pääjännitteistä U-V ja W-V sijasta voitaisiin myös ° 30 yhtä hyvin mitata ja käyttää vaiheiden U ja W välistä pääjännitettä. Kuvion 2 £ mittauskytkennän 31 sisältämien alipäästösuodatinten sijasta voitaisiin myös <0 käyttää esim. integraattoreita. Tällä ei kuitenkaan ole merkitystä keksinnön pe- |g rusajatuksen kannalta.

o Kuviossa 3 on esitetty lohkokaavio järjestelystä vaihtosuuntaajan 20

(M

35 moottorille 10 syöttämän jännitteen taajuuden määrittämiseksi ja edelleen moottorin 10 pyörimisnopeuden estimoimiseksi pääjännitteiden perusteella 5 erään suoritusmuodon mukaisesti. Mittausjärjestelystä 31 saadut kaksi pää-jännitettä, esim. U-V ja W-V, viedään ensin 3/2 koordinaattimuuntimelle 32, jonka avulla pääjännitesignaalit muunnetaan x/y-koordinaatteihin ja lasketaan näin saaduista signaaleista tangentin käänteisfunktio eli atan yksiköllä 33, jol-5 loin tuloksena saadaan taajuusmuuttajan 20 lähtöjännitteen kulma. Kulma-arvo johdetaan edelleen erotuselimelle 35 sekä suoraan että viive-elimen 34 kautta. Viive-elin 34 viivästää signaalia aikajakson t verran. Erotuselin 35 vähentää kulma-arvon ja viivästetyn kulma-arvon toisistaan. Kun näin saatu erotus jaetaan aikajaksolla t, saadaan taajuusmuuttajan 20 lähtöjännitteen kulman muu-10 tosnopeus. Näin saatu lähtöjännitteen kulman muutosnopeus edullisesti suodatetaan yksikössä 37 ja määritetään kulmanopeutta vastaava taajuusmuuttajan 20 lähtöjännitteen eli moottoria 10 syöttävän jännitteen taajuus sekä estimoidaan moottorin 10 pyörimisnopeus. Moottorin 10 pyörimisnopeus voidaan estimoida sinänsä tunnetulla tavalla moottoria 10 syöttävän jännitteen taajuu-15 den perusteella riippuen moottorin tyypistä. Esimerkiksi tahtimoottorin pyörimisnopeus (tahtinopeus) n (kierrosta sekunnissa) voidaan laskea kaavalla n = f/p, missä f on syöttävän jännitteen taajuus ja p on moottorin napapariluku. Myös esim. oikosulkumoottorin pyörimisnopeus voidaan estimoida mainitulla kaavalla, vaikka oikosulkumoottorin pyörimisnopeuteen vaikuttaa lisäksi jättä-20 mä Δη. Jättämän vaikutus voidaan kuitenkin useissa sovelluksissa jättää huomiotta ja saada riittävän tarkkuuden omaava nopeusestimaatti. Näin saatu vaihtoehtoinen moottorin 10 pyörimisnopeuden estimaatti johdetaan edelleen nopeudenmittausyksiköstä 30 suojeluvalvontajärjestelmälle 40 tai muuhun tarvittavaan käyttöön.

25 Nopeudenmittausyksikkö 30 tai mahdollinen muu laitteisto, jolla moottorin 10 pyörimisnopeus tai sen estimaatti määritetään, voidaan toteuttaa o yhden tai useamman yksikön avulla. Termi 'yksikkö' viittaa yleisesti fyysiseen -A tai loogiseen kokonaisuuteen kuten fyysiseen laitteeseen tai sen osaan tai oh- ή jelmistorutiiniin. Yksiköt voivat olla fyysisesti erillisiä tai toteutettu yhtenä koko-

O

30 naisuutena. Keksinnön suoritusmuotojen mukainen laitteisto voidaan toteuttaa £ ainakin osittain tietokoneen tai vastaavan signaalinkäsittelylaitteiston avulla, jossa on sopiva ohjelmisto. Tällainen tietokone tai signaalinkäsittelylaitteisto S käsittää edullisesti ainakin muistin, joka tarjoaa tallennusalueen, jota aritmeet- § tiset operaatiot hyödyntävät, ja prosessorin kuten yleiskäyttöisen digitaalisen

CM

35 signaalinkäsittelyprosessorin (DSP), joka suorittaa aritmeettiset operaatiot. On myös mahdollista käyttää erityisiä integroituja piirejä kuten ASIC (Application 6

Specific Integrated Circuit) tai muita komponentteja ja laitteita keksinnön toiminnallisuuden toteuttamiseen eri suoritusmuotojen mukaisesti. Edullisesti mittausjärjestely 31 toteutetaan fyysisten erilliskomponenttien tai vastaavien avulla, kuten esim. kuviossa 2 on esitetty. Kuitenkin esim. mittausjärjestelyn 31 ali-5 päästösuodatintoiminnallisuus, tai sen sijasta mahdollisesti käytettävä integ-raattoritoiminnallisuus, voitaisiin myös toteuttaa tietokoneen tai vastaavan sig-naalinkäsittelylaitteiston ja sopivan ohjelmiston avulla. Kuviossa 3 esitetty järjestely moottorin 10 pyörimisnopeuden estimoimiseksi pääjännitteiden perusteella käsittäen yksiköt 32-37, tai vastaavan toiminnallisuuden omaava järjeste-10 ly, on edullista toteuttaa tietokoneen tai vastaavan signaalinkäsittelylaitteiston avulla, joka on varustettu sopivalla ohjelmistolla, mutta toteutus käyttäen ainakin osittain erilliskomponentteja on myös mahdollinen.

Keksintö voidaan toteuttaa olemassa oleviin järjestelmiin, kuten vaihtosuuntaajiin ja/tai moottorikäyttöjen suojeluvalvontajärjestelmiin, tai käyt-15 tää erillisiä elementtejä ja laitteita keskitetysti tai hajautetusti. Olemassa olevat laitteet kuten esim. vaihtosuuntaajat tyypillisesti käsittävät prosessorin ja muistin, joita voidaan hyödyntää keksinnön suoritusmuotojen toiminnallisuuden toteuttamisessa. Täten keksinnön suoritusmuotojen toteuttamisen vaatimat muutokset ja kokoonpanot voidaan suorittaa ainakin osittain ohjelmistorutiinien 20 avulla, jotka puolestaan voidaan toteuttaa lisättyinä tai päivitettyinä ohjelmisto-rutiineina. Jos keksinnön toiminnallisuutta toteutetaan ohjelmiston avulla, tällainen ohjelmisto voidaan tarjota tietokoneohjelmatuotteena, joka käsittää tie-tokoneohjelmakoodia, jonka tietokoneohjelmakoodin suoritus tietokoneessa saa aikaan tietokoneen tai vastaavan laitteiston suorittamaan keksinnön mu-25 kaisen toiminnallisuuden edellä kuvattujen suoritusmuotojen mukaisesti. Täl-lainen tietokoneohjelmakoodi voidaan tallentaa tietokoneella luettavalle väli-o neelle kuten sopivalle muistivälineelle, esimerkiksi flash-muistille tai levymuis- t“ tille, josta se on luettavissa yksikölle tai yksiköille, jotka suorittavat ohjelma-

O

^ koodin. Lisäksi tällainen ohjelmakoodi voidaan ladata yksikölle tai yksiköille, ° 30 jotka suorittavat ohjelmakoodin, sopivan dataverkon kautta ja se voi korvata tai £ päivittää mahdollisesti olemassa olevaa ohjelmakoodia.

Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että keksinnön perusajatus voidaan S toteuttaa monin eri tavoin. Keksintö ja sen suoritusmuodot eivät siten rajoitu yl- § lä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaihdella patenttivaatimusten puit-

(M

35 teissä.

Claims (10)

1. Menetelmä vaihtosuuntaajalla syötetyn moottorin pyörimisnopeuden määrittämiseen, joka menetelmä käsittää: määritetään moottorin (10) pyörimisnopeus ainakin kahdella vaihto-5 ehtoisella tavalla, tunnettu siitä, että toinen mainituista ainakin kahdesta vaihtoehtoisesta tavasta käsittää: mitataan vaihtosuuntaajan (20) moottorille (10) syöttämän jännitteen taajuus; ja estimoidaan moottorin (10) pyörimisnopeus mitatun taajuuden pe- 10 rusteella.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vaihtosuuntaajan (20) ja moottorin (10) välinen syöttöyhteys on kolmivaiheinen, jolloin vaihtosuuntaajan moottorille syöttämän jännitteen taajuuden mittaus käsittää: 15 mitataan vaihtosuuntaajan (20) ja moottorin (10) välisen syöttöyh- teyden kaksi pääjännitettä; määritetään mitattujen pääjännitteiden perusteella vaihtosuuntaajan (20) moottorille (10) syöttämän jännitteen kulman muutosnopeus; ja määritetään kulman muutosnopeutta vastaava taajuus.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mitatut vaihtosuuntaajan (20) ja moottorin (10) välisen syöttöyhteyden kaksi pääjännitettä alipäästösuodatetaan modulointitaajuuden poistamiseksi, jolloin vaihtosuuntaajan (20) moottorille (10) syöttämän jännitteen kulman muu- j tosnopeus määritetään alipäästösuodatettujen pääjännitteiden perusteella. j i

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu ^ siitä, että moottori (10) on oikosulkumoottori tai tahti moottori. ^ 5. Järjestely vaihtosuuntaajalla syötetyn moottorin pyörimisnopeu- 9 den määrittämiseen, joka järjestely käsittää: o välineet (20, 30, 50) moottorin (10) pyörimisnopeuden määrittämi- £ 30 seksi ainakin kahdella vaihtoehtoisella tavalla, tunnettu siitä, että välineet CL moottorin (10) pyörimisnopeuden määrittämiseksi käsittävät toisen mainituista oo ainakin kahdesta vaihtoehtoisesta tavasta suorittamiseksi: § välineet (30; 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37) vaihtosuuntaajan moottorille ° syöttämän jännitteen taajuuden mittaamiseksi; ja 35 välineet (30; 37) moottorin pyörimisnopeuden estimoimiseksi mita tun taajuuden perusteella.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että vaihtosuuntaajan (20) ja moottorin (10) välinen syöttöyhteys on kolmivaiheinen, jolloin välineet vaihtosuuntaajan moottorille syöttämän jännitteen taajuuden mittaamiseksi käsittävät: 5 välineet (31) vaihtosuuntaajan (20) ja moottorin (10) välisen syöt- töyhteyden kahden pääjännitteen mittaamiseksi; välineet (32, 33, 34, 35, 36) vaihtosuuntaajan moottorille syöttämän jännitteen kulman muutosnopeuden määrittämiseksi mitattujen pääjännitteiden perusteella; ja 10 välineet (37) kulman muutosnopeutta vastaavan taajuuden määrit tämiseksi.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että välineet (31) vaihtosuuntaajan (20) ja moottorin (10) välisen syöttöyhteyden kahden pääjännitteen mittaamiseksi käsittävät välineet (Rfu> Rfv, Rfw, Cfu>

15 Cfv, Cfw) mitattujen kahden vaihtosuuntaajan ja moottorin välisen syöttöyhteyden pääjännitteen alipäästösuodattamiseksi.

8. Patenttivaatimuksen 5, 6 tai 7 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että moottori (10) on oikosulkumoottori tai tahti moottori.

9. Vaihtosuuntaaja, joka käsittää jonkin patenttivaatimuksista 5-8 20 mukaisen järjestelyn.

10. Taajuusmuuttaja, joka käsittää jonkin patenttivaatimuksista 5-8 mukaisen järjestelyn. δ CM O CO O x cc CL CD CM OO LO 00 o o CM