SK286265B6 - Spôsob regulácie trojfázového stroja bez mechanického otočného snímača - Google Patents

Abstract

Spôsob regulácie trojfázového stroja (8) bez mechanického snímača, pri ktorom sa meria jediná merateľná premenná hodnota pomocného vradeného obvodu (zk), ktorou je prúd (Izk) alebo napätie (Uzk). Pritom sa zisťuje vzťah medzi nárastom fázového prúdua indukovaným prúdom pomocou skutočného stavu zopnutia meniča (1), ktorý zodpovedá magnetickému toku alebo polohe rotora trojfázového stroja (8). Menič (1) je na vstupe (2) napájaný striedavým prúdomzo siete. Výstup (3) meniča (1) je spojený cez pomocný vradený obvod (zk) so striedačom (4) vybaveným polovodičovým usmerňovačom (5). Napätie (Uzk) pomocného vradeného obvodu (zk) je privedené cez kondenzátor (6) k meracej a riadiacej jednotke (7). Cez odpor (R) je privedený na meraciu a riadiacu jednotku (7) prúd (Izk) vradeného obvodu (zk). Meracou a riadiacou jednotkou (7) sa zisťuje tiež skutočný stav zopnutia. Regulovaný trojfázový stroj (8) je pripojený na polovodičový usmerňovač (5). Vypočítanými riadiacimi signálmi (9) sa riadi menič (4).

Description

Vynález sa týka spôsobu regulácie chodu trojfázového stroja bez mechanického otočného snímača, vytvoreného vo forme synchrónne alebo asynchrónne pracujúceho stroja, napájaného cez menič s vradeným obvodom, pričom sa na reguláciu zisťujú namerané hodnoty vradeného obvodu s prihliadnutím na súčasný stav zopnutia meniča.

Doterajší stav techniky

V WO 92/19038 je opísaný spôsob určovania elektromagnetických a mechanických stavových veličín točivého stroja a zapojenie obvodu na uskutočnenie tohto spôsobu, ktoré môžu byť využité na reguláciu chodu trojfázových točivých strojov, ktoré nie sú vybavené mechanickým snímaním otáčok. Pri tomto známom spôsobe regulovania chodu motora sa súčasne merajú prúdy v dvoch vetvách, aby sa zistili komplexné priestorové parametre. Zapojenie na uskutočnenie tohto spôsobu musí obsahovať nákladné, a tým také drahé snímače prúdu schopné oddeľovať potenciály, aby sa mohli robiť potrebné výpočty.

Na presnú reguláciu chodu trojfázových točivých strojov, najmä synchrónne alebo asynchrónne pracujúcich elektromotorov, sa regulácia uskutočňuje buď budením permanentných magnetov, reluktančným efektom, prejavujúcim sa rôznou magnetickou vodivosťou v závislosti od polohy rotora, alebo kombináciou budenia permanentných magnetov a reluktančného efektu, a pri nej sa zisťuje stav magnetického toku. Na otáčky točivého stroja, ktoré sú väčšie než určité najmenšie otáčky, sa môže indukované elektrické napätie (ems) zisťovať rôznymi známymi spôsobmi, opísanými dostatočne v literatúre, a z týchto hodnôt je možné odvodiť stav magnetického toku. Pri menších otáčkach sa uskutočňuje takzvaný spôsob sledovania magnetického toku, založený na elektromagnetickej sile (ems). Potom môžu nasledovať spôsoby, ktorými sa posudzuje správnosť zisťovania magnetických vodivostí, závislých od polohy a magnetickej indukcie, a stanovenie polohy rotora, prípadne stavu indukčného toku.

Pri asynchrónnych točivých strojoch ovplyvňuje hlavný magnetický tok v stroji magnetickú rozptylovú hodnotu magnetickým nasýtením plechu, takže pri meraní magnetickej rozptylovej hodnoty v reálnom čase alebo s ňou spojených hodnôt je možné usudzovať, že je to stav magnetického toku. Pri synchrónne pracujúcich točivých strojoch je magnetický tok v pevnom vzťahu k polohe rotora, takže pri týchto synchrónne pracujúcich strojoch môže byť zisťovanie magnetického toku alebo zisťovanie polohy rotora využité na regulovanie pomocou orientácie magnetického poľa. Pri synchrónnych strojoch s budením permanentného magnetu bez výraznejšieho reluktančného efektu, napríklad v prípade, keď sú permanentné magnety uložené vo valcovom rotore, sa môže určovať pri nasýtení železa ako pri asynchrónnych strojoch magnetická vodivosť, závislá od nasýtenia súvisiaceho so stavom toku, cez rozptylovú vodivosť pri strojoch s tlmičom alebo hodnotou hlavného poľa beztlmičových strojov určovaním ich reálneho času alebo zisťovaním jednej príbuznej veličiny pri stave magnetického toku a tiež je možné určovať polohu rotora. Pri synchrónnych strojoch s reluktančným efektom sa rovnakým spôsobom miesto magnetickej vodivosti, kolísajúcej v závislosti od nasýtenia, zisťuje magnetická vodivosť kolísajúca v závislosti od geometrie rotora, a tým sa súčasne určuje poloha rotora. Pri synchrónnych strojoch s budením permanentného magnetu a reluktančným efektom sa výsledný efekt určuje z kolísania magnetickej vodivosti, závislej od nasýtenia a od geometrie rotora.

Ako sa opísalo vo výskumnej správe VDI, rada 21, č. 117, vydané vydavateľstvom VDI Dusseldorf 1992, „Sensorless Control of A. C. Machines“ M.Schrôdla, je možné zisťovaním ukazovateľa priestorových zmien prúdu a jeho delením priestorovým ukazovateľom prúdu získavať komplexné veličiny kolísajúce v závislosti od kombinácie trigonometrického stavu rotora, prípadne magnetického toku. Nevýhoda spôsobu opísaného v tomto materiáli spočíva v tom, že na zistenie priestorového prúdového ukazovateľa je nutné zistiť najmenej dva fázové prúdy pri použití drahých snímačov fázových prúdov, napríklad transformátorových bočníkov.

Z WO 96/23347 je ďalej známy spôsob určovania fázových prúdov točivých strojov na striedavý prúd, napájaných prostredníctvom meniča, pomocou prúdu vo vradenom obvode, pričom sa uskutočňuje vyhodnotenie aktuálneho stavu zapojenia meniča. Pri tomto spôsobe sa ukazuje, že prúd v stroji sa meria dvomi samostatnými meraniami uskutočňovanými reguláciou vo vradenom pomocnom obvode modulovanou šírkou impulzov. Pri tomto spôsobe sa uskutočňujú dve samostatné merania na potlačenie chýb posunutím časov merania vnútri jednej periódy, vymedzenej šírkou impulzu.

Úlohou vynálezu je vyriešiť spôsob uvedeného druhu, ktorý by na jednej strane odstraňoval uvedené nevýhody a na druhej strane by umožňoval lepšie, prípadne presnejšie regulovanie chodu točivého stroja.

Podstata vynálezu

Táto úloha je vyriešená spôsobom podľa vynálezu, ktorého podstata spočíva v tom, že pri asynchrónnych strojoch sa zisťuje meracími technikami smer magnetického toku, potrebného na reguláciu podľa orientácie rotora pomocou priestorového kolísania magnetickej vodivosti v stroji, pričom kolísanie vodivosti sa zisťuje z nameraných veličín vradeného pomocného obvodu, zvlášť zo zvýšenia veľkosti prúdu vo vradenom pomocnom obvode a/alebo z napätia vo vradenom pomocnom obvode a pri zohľadnení skutočného stavu zopnutia meniča a potom nasleduje matematické vyhodnotenie na výpočet smeru magnetického toku, prípadne polohy rotora. Podľa vynálezu je prvýkrát možné vyriešiť spôsob veľmi presnej regulácie trojfázového stroja bez mechanického otočného snímača, napríklad snímača polohy alebo tachogenerátora, fungujúcom za akýchkoľvek prevádzkových podmienok vrátane nízkych rýchlostí otáčania alebo v pokoji, pri ktorom sa meria jediná merateľná premenná hodnota vradeného pomocného obvodu, ktorou je prúd alebo napätie vo vradenom obvode. Pritom sa zisťuje vzťah medzi nárastom fázového prúdu a indukovaným prúdom pomocou skutočného stavu zopnutia meniča, ktorý zodpovedá magnetickému toku alebo polohe rotora trojfázového stroja.

Základnou myšlienkou tohto riešenia je, že opísané kolísanie hodnôt vodivosti sa zisťuje v jednotlivých vetvách stroja. Spôsob podľa vynálezu nepotrebuje pri svojej realizácii drahé snímače prúdu na zistenie celej priestorovej informácie, ale iba projekciu ukazovateľov priestorového nárastu a zodpovedajúceho priestorového prúdu na osi vetví motora. Pomer týchto veličín (označených y s indexom označenia vetvy) je úmerný skutočným lokálnym hodnotám magnetickej vodivosti v určitej osi vetvy a kolíše s polohou rotora, prípadne osou magnetického toku. Podľa vynálezu sa spôsob zameriava na zisťovanie nárastu prúdu v jednotlivých vetvách stroja v žiadnom prípade nie meraním nárastu prúdu v jednotlivých vetvách, ale meraním nárastu prúdu v pomocnom vradenom obvode pri súčasnom využití skutočného stavu zapojenia meniča. Menič teda slúži ako inteligentný niekoľkomiestny prepínač, ktorý podľa stavu meniča pripája jednotlivé vetvy stroja na merací modul prúdu v pomocnom obvode. Pritom sa môžu vziať do úvahy prevádzkové stavy meniča, ak regulácia stroja nie je meraním ovplyvnená, alebo vynútené stavy meniča, ak je regulácia stroja ovplyvnená meraniami. Ak je napríklad pri trojfázovom meniči na mostíkovej vetve U kladné napätie vradeného obvodu a na mostíkových vetvách V a W meniča záporné napätie vradeného obvodu, tak bude vo vradenom obvode nutne pretekať prúd vetvy U a tento fázový prúd sa zisťuje pomocou vradeného obvodu. Súčasne je tiež známe, že pri tejto meničovej kombinácii ukazovateľ napätia na vetve U uvádza tiež smer vetvy, takže spomenutý pomer projekcií ukazovateľa nárastu prúdu - v spomenutom prípade ide o nárast prúdu vo vetve U - a zodpovedajúceho priestorového ukazovateľa napätia - v prípade priestorového ukazovateľa napätia v smere vetvy U - sa vynesie na osi vetvy motora, takže sa vytvorí hodnota yu. Pomocou trojfázového meniča a trojfázového stroja sa teda môžu šiestimi stavmi meniča vytvoriť spomenuté pomery v smere U, -U, V, -V, W, -W.

Na spresnenie matematického vyhodnotenia sa uvádza: Kolísanie vodivosti sa zisťuje prostredníctvom veličín prúdu v pomocnom vradenom obvode a napätia v pomocnom vradenom obvode pri súčasnom zohľadnení skutočného zopnutia meniča, aby sa vytvoril rozdiel nárastu prúdu vo vradenom obvode pri konštantnom zopnutí meniča a dosadení hodnoty priestorového ukazovateľa napätia do vzťahu. Táto matematicky zistená hodnota je v jednoznačnej známej matematickej a strojnoteoretickej závislosti od indukčnosti stroja, kolísajúcej v závislosti od priestorovej uhlovej polohy. Táto matematicky zistená hodnota je potom priradená každej vetve stroja, ktorého os príslušného čiastkového vinutia sa zhoduje so smerom priestorového ukazovateľa napätia, určeným známym stavom zapojenia meniča, pričom táto operácia sa uskutočňuje v najmenej jednom smere priestorového ukazovateľa napätia. Potom nasleduje matematické vyhodnotenie podľa známych matematických metód a podľa teórie elektrických točivých strojov na výpočet smeru magnetického toku, prípadne polohy rotora.

Vo výhodnom konkrétnom vyhotovení spôsobu podľa vynálezu sa uskutočňujú najmenej dve merania zväčšovania prúdu v pomocnom vradenom obvode a namerané hodnoty z obidvoch nárastov hodnôt sa dosadia do rovníc statorového napätia a vypočíta sa matematická väzba. Dôležitá výhoda tohto spôsobu podľa vynálezu spočíva v tom, že sa používa stále rovnaký merací modul, takže chyby meraní spôsobené rôznymi konštrukčnými prvkami meracích modulov sa kompenzujú a nevnášajú sa do výsledkov. Tak je možné s týmto riešením podľa vynálezu kombináciou dvoch meraní eliminovať elektromotorickú silu (ems) a meranie hodnôt vodivosti bude nezávislé od otáčok stroja. To nie je možné pri meraní ukazovateľov prúdu pomocou najmenej dvoch prúdov vo vetvách stroja, pretože snímače prúdu, podieľajúce sa na meraní, mávajú rôzne meracie chyby, ktoré sa premietajú do výsledku.

V ďalšej výhodnej konkretizácii spôsobu podľa vynálezu sa uskutočňujú najmenej dve merania vodivosti v priestorovo rôznych smeroch a namerané hodnoty sa dosadia do modelových rovníc:

yA = y priemer + Δ y cos(2 γ A - 2 γ) yB = y priemer + A y cos(2 γ B - 2 y) yC = y priemer + Δ y cos(2 γ C - 2 γ) a uhol y sa vypočíta podľa známych výpočtových pravidiel. Ak vzniká v statorovom vinutí napätie (ems) indukované otáčajúcim sa rotorom, bude pomer Y ovplyvnený elektromotorickou silou (ems). Aby sa tento vplyv eliminoval, kombinujú sa dve merania nárastu prúdu a miesto napätia sa používajú napäťové rozdiely a miesto nárastu prúdu rozdiely v nárastoch prúdu v obidvoch kombinovaných meraniach. To sa uskutočňuje zapísaním rovníc pre statorové napätie pre obidve kombinované merania a odčítaním obidvoch rovníc. Pretože na pravej strane rovníc sa prídavné objavuje ems, dochádza pri odčítaní rovníc k ich vylúčeniu. Matematický dôkaz je uvedený vo výskumnej správe VDI-Fortschrittberichte, rad 21, č.117, Vydavateľstvo VDI, Dusseldorf 1992, „Sensorless Control of A. C. Machines“ M. Schrodla. Tým prestáva byť kolísanie vodivosti závislé od počtu otáčok. Pretože z vodivosti merania nie je ešte možné jednoznačne posúdiť skutočný uhol rotora alebo polohu magnetického toku, kombinujú sa najmenej dve merania vodivosti v priestorovo rozdielnych smeroch. Tým je možné z troch lineárne nezávislých meraní A, B, C vodivosti so zodpovedajúcimi modelovými rovnicami y A = y priemer + Δ y cos(2 y A - 2 y) yB = y priemer + Δ y cos(2 y B - 2 y) yC = y priemer + Δ y cos(2 y C - 2 y), ktoré s dvojitým diferenčným uhlom medzi ukazovateľom yA napäťovej diferencie atd’., a smerom maxima γ vodivosti, ktoré podľa predchádzajúceho vysvetlenia zodpovedajú podľa typu stroja polohe rotora alebo smeru magnetického toku, eliminujú parameter y priemer (stredná vodivosť) a Δ y (kolísanie vodivosti) a podľa známych výpočtových pravidiel sa vypočíta uhol y.

Podľa ešte iného výhodného vyhotovenia vynálezu sa meraním určovaná vodivosť zisťuje s dostatočnou presnosťou medzi rovnakými napätiami v pomocnom vradenom obvode. Pri tomto konkrétnom vyhotovení spôsobu podľa vynálezu sa môže vynechať zisťovanie vodivosti v pomocnom vradenom obvode, ak kombinované merania vodivosti sa uskutočňujú na skoro rovnakých napätiach vo vradenom obvode, pretože potom je parameter hodnoty napätia v uvedených rovniciach tvorený iba konštantným faktorom, ktorý je v každej rovnici rovnaký, a teda je pri výpočte uhla y eliminovaný. Uhol y je základom známej regulácie pomocou orientácie poľa, prípadne rotora, ktorá má dosiahnuť nezávislé nastavenia hodnoty toku a krútiaceho momentu trojfázových točivých strojov, pričom túto reguláciu je možné uskutočňovať aj pri nízkom počte otáčok alebo v pokoji použitím spôsobu podľa vynálezu na riadenie polohy rotora alebo polohy poľa bez toho, aby sa na tomto spôsobe regulovania podieľal snímač polohy rotora alebo tachogenerátor.

V ešte inom vyhotovení vynálezu sa pri matematickom výpočte využívajú korekčné funkcie, najmä lineárne, závislé od počtu otáčok a/alebo zaťažení vo forme y (korigované) = y + Δ y (počet otáčok, zaťaženie).

Vplyvy na priebeh vodivosti sa môžu vziať do úvahy v tomto prípade korekčnými funkciami, ktoré sú najmä lineárne a sú závislé od počtu otáčok a zaťažení stroja a ktoré majú uvedenú formu, aby sa dosiahlo zvýšenie regulácie, pričom sa tieto korekčné funkcie zisťujú pomocou referenčného modelu, napríklad modelu magnetického toku podľa stavu techniky pri asynchrónnych strojoch alebo referenčného snímača otáčok, napríklad na meranie uhlu natočenia pri synchrónnych strojoch vždy raz pre každý typ stroja.

V ešte inom výhodnom vyhotovení spôsobu podľa vynálezu sa zistený magnetický tok, prípadne uhol rotora použije ako vstupná hodnota v strojovom modeli na priamu reguláciu trojfázového stroja. Tým je funkčne jednoznačne zaistené využitie spôsobu regulácie podľa vynálezu.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Vynález bude bližšie objasnený pomocou príkladov vyhotovenia zobrazených na výkrese, na ktorom je znázornená bloková schéma regulácie trojfázového stroja.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Podľa tohto obrázku je menič 1 na svojom vstupe 2 striedavého napätia napájaný zo siete s jednofázovým alebo trojfázovým striedavým napätím. Strana 3 jednosmerného napätia je spojená cez vradený obvod zk so striedačom 4, obsahujúcim polovodičový usmerňovač 5. Napätie Uzk vradeného obvodu zk je privedené cez kondenzátor 6 k meracej a riadiacej jednotke 7. Ďalej je cez odpor R privedený na meraciu a riadiacu jednotku 7 prúd I vradeného obvodu zk. Na mostíkové spojenie polovodičového usmerňovača 5 je pripojený regulovaný trojfázový stroj 8. Striedač 4 je riadený výstupnými signálmi 9 meracej a riadiacej jednotky 7.

V ďalšom opise sa predpokladá, že v rôznych ďalších príkladoch vyhotovenia vynálezu budú rovnaké časti zariadení vybavené rovnakými vzťahovými značkami, prípadne rovnakými vzťahovými číslicami, pričom v celom opise príkladného vyhotovenia majú rovnaké súčasti rovnaké vzťahové číslice, prípadne rovna ké vzťahové značky. V opise spomenuté označenia polohy, napríklad homá, spodná, bočná a podobne, sa vzťahujú k polohe zobrazenej na výkrese a pri zmene polohy sa tieto označenia prenášajú do novej polohy. Ďalej môžu jednotlivé znaky alebo kombinácie znakov z opísaných a zobrazených príkladov predstavovať samostatné riešenia na úrovni vynálezu.

Claims (6)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Spôsob regulácie trojfázového stroja bez mechanického otočného snímača, pracujúceho synchrónne a napájaného meničom s pomocným vradeným obvodom, pri ktorom sa na reguláciu zisťujú merané veličiny pomocného vradeného obvodu pri zohľadnení skutočného stavu zapojenia meniča, vyznačujúci sa tým, že pri asynchrónnych strojoch sa zisťuje meracími technikami smer magnetického toku, potrebného na reguláciu s orientovaným poľom, a pri synchrónnych strojoch poloha rotora, nutná na reguláciu podľa orientácie rotora pomocou priestorového kolísania magnetickej vodivosti v stroji, pričom kolísanie vodivosti sa zisťuje z nameraných veličín pomocou vradeného obvodu, najmä z nárastu veľkostí prúdu v pomocnom vradenom obvode a/alebo z napätia v pomocnom vradenom obvode a pri zohľadnení skutočného stavu zopnutia meniča, a potom nasleduje matematické vyhodnotenie na výpočet smeru magnetického toku, prípadne polohy rotora.
2. 2. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že sa uskutočňujú najmenej dve merania nárastu prúdu v pomocnom vradenom obvode a namerané hodnoty z obidvoch nárastov hodnôt sa dosadia do rovníc statorového napätia a vypočíta sa matematická väzba.
3. 3. Spôsob podľa nároku 1 alebo 2, vyznačujúci sa tým, že sa uskutočňujú najmenej dve merania vodivosti v priestorovo rôznych smeroch a namerané hodnoty sa dosadia do modelových rovníc:

   yA = y priemer + A y cos(2 γ A - 2 γ) yB = y priemer + Δ y cos(2 γ B - 2 γ) yC = y priemer + A y cos(2 γ C - 2 γ) a uhol y sa vypočíta podľa známych výpočtových pravidiel.
4. 4. Spôsob podľa najmenej jedného z nárokov 1 až 3, vyznačujúci sa tým, že meraním určovaná vodivosť sa zisťuje s dostatočnou presnosťou medzi rovnakými napätiami v pomocnom vradenom obvode.
5. 5. Spôsob podľa najmenej jedného z nárokov 1 až 4, vyznačujúci sa tým, že sa pri matematickom výpočte využívajú korekčné funkcie, závislé od počtu otáčok a/alebo zaťaženia, najmä lineárne, vo forme γ (korigované) = γ + Δ γ (počet otáčok, zaťaženie).
6. 6. Spôsob podľa najmenej jedného z nárokov 1 až 5, vyznačujúci sa tým, že zistený magnetický tok, prípadne uhol rotora, sa použije ako vstupná hodnota v strojovom modeli na priamu reguláciu trojfázového stroja.