DK174880B1 - Fremgangsmåde til styring af en frekvensomformer for forskellige netspændinger og en frekvensomformer - Google Patents

Description

1 DK 174880 B1

Frekvensomformer til forskellige netspændinger

Opfindelsen vedrører en frekvensomformer, som kan tilsluttes en af flere forskellige netspændinger, samt en fremgangsmåde til hastighedsregulering 5 af en elektromotor ved hjælp af en frekvensomformer.

*

Forskelle på netspændingerne i USA og Europa øger fremstillingsomkostningerne på grund af nødvendigheden af produktdifferentiering. Det harderfor i en årrække været kendt at lave frekvensomformere der kan tilsluttes 10 forskellige netspændinger, se fx US 4,656,571.

Der opstår imidlertid det problem, at når en frekvensomformer tilsluttes en lavere netspænding end den nominelle netspænding, som frekvensomformeren maksimalt er designet til at kunne klare, så vil strømmen 15 der løber i apparatet skulle øges for at kunne opretholde samme elektriske effekt på motoren. Den høje strøm kan ødelægge frekvensomformeren. For at undgå dette kan frekvensomformeren designes til den høje strøm, men det er en dyr løsning, som også vil kræve mere plads, idet fx mellemkredsspolen bliver større. Der er således behov for en beskyttelse af 20 frekvensomformeren.

Reduktion af den strøm en frekvensomformer optager er i en anden sammenhæng kendt fra EP 0 431 563 B1. Når belastningen, d.v.s. motoren, der her anvendes i en kompressor i et HVAC-system, trækker for stor strøm, 25 reducerer en styreindretning vekselretterens udgangsfrekvens. Amplituden af strømmen detekteres ved en strømmåling på netsiden, altså før frekvensomformeren. Når udgangsfrekvensen sænkes, falder den strøm, som ensretteren optager fra nettet og herved opnås, at installationen i private hjem beskyttes mod overstrøm. Den beskrevne frekvensomformer er dog ikke 30 beregnet for tilslutning til en af flere forskellige netspændinger. Hvis netspændingen i ’563 falder vil mellemkredsspændingen p.gr.a. den 2 DK 174880 B1 uregulerede ensretning også falde og dermed begrænse det mulige udstyringsområde for motoren.

En netspændings-selvtilpassende frekvensomformer er beskrevet i førnævnte 5 US 4,656,571. Før ensretteren er der anbragt en spændingsdetektor, som giver information til en styreindretning om netspændingens størrelse.

Styreindretningen indeholder et hukommelseselement, i hvilket er lagret en tabel for hver mulig netspænding. Hver tabel indeholder igen en række U/f-forhold, som på kendt vis er forholdet mellem den af veksel retteren påtrykte 10 motorspænding og motorfrekvens. For at opnå optimal motordrift skal dette forhold holdes konstant. Der er således tabeller indeholdende U/f-forhold for netspændinger på 100V, 115V, 200V og 230V, og frekvensomformerens udgangseffekt reguleres til en konstant værdi ved at vælge de passende U/f-forhold. I denne løsning tilstræbes det at holde mellemkredsspændingen 15 konstant, og til den brug anvendes i indgangskredsløbet en kontaktindretning, der ved tilslutning af apparatet til 115V går over i spændingsfordoblingsmodus, mens kontaktindretningen ved tilslutning til 230V forbliver uændret. Motoren får dermed den samme spænding, men der er den ulempe, at indgangskredsløbet ved 115V netspænding skal trække en større strøm.

20 Hele indgangskredsløbet er nødt til at være dimensioneret til den laveste netspænding, hvilket ved højere netspændinger betyder væsentligt overdimensionerede komponenter. Et videre problem ved denne konstruktion er, at den ikke tager højde for spændinger uden for de normerede værdier.

Det er således uklart, hvordan styreindretningen vil håndtere et fald i 25 forsyningsspændingen fra 230V til 170V. Her er der ikke nogen trinløs regulering.

Fra GB 2,281,825 A kendes en frekvensomformer som bestemmer den aktuelle effektmæssige belastning af et ensrettermodul og sammenligner 30 denne belastning med en kontinuerligt varierende effektgrænse. Herved kan ensrettermodulet beskyttes mod overbelastning.

3 DK 174880 B1

Skriftet nævner imidlertid ikke mulighed for tilslutning til forskellige netspændinger, men den beskrevne konstruktion formodes at kunne virke ved forskellige netspændinger selvom det tilsyneladende ikke har været formålet. Konstruktionen giver imidlertid ikke mulighed for at regulere 5 effektfaktoren.

Fra EP 0 837 549 kendes en frekvensomformer med en boost konverter mellem ensretter og vekselretter. Man ønsker at løse problemet med ændringer i omdrejningstallet på grund af spændingsudsving i 10 mellemkredsen. Spændingsudsvingene forårsages af skiftevis tænding og slukning af boostkonverteren, fordi styringen skifter mellem en PWM modus, når belastningen er lav, og en PAM modus når belastningen er høj.

Konstruktionen er i stand til at mestre netspændingsfluktuationer på +/-15%, men skriftet tier helt om hvordan større udsving fra fx 230 V til 170 V 15 håndteres. Det er sandsynligt at det ikke kan håndteres, fordi den større strøm i strømsensoren på netsiden vil blive tolket som større belastning på motorsiden. Ved stor belastning går inverteren over til PAM modus for at kunne yde fuldt moment, men denne tilstand vil ej kunne opretholdes ret længe fordi den store strøm i ensretteren vil kunne ødelægge ensretter og 20 boostkonverter. Frekvensomformeren må stoppes.

På baggrund af det foregående består opgaven i at konstruere en frekvensomformer, som kan tilsluttes en af flere forskellige netspændinger.

En videre opgave består i at lave frekvensomformeren driftsikker ved 25 tilslutning til svage net.

Dette løses ifølge opfindelsen ved en fremgangsmåde som beskrevet i krav 1, ved at en DC/DC konverter er anbragt mellem ensretteren og vekselretteren og reguleres til en udgangsspænding som er konstant under 30 drift ved hver af de flere forskellige netspændinger, at et grænseværdisignal sammenlignes med en eller flere målte eller beregnede parametre, at den maksimale udgangseffekt sænkes af styreindretningen ved at reducere den 4 DK 174880 B1 via veksel retteren genererede frekvens til motoren, og at frekvensomformeren under begrænsningen hastighedsregulerer elektromotoren indenfor et effektområde op til den begrænsede maksimale udgangseffekt.

5

Med denne løsning opnås en universelt anvendelig frekvensomformer, der i princippet kan tilsluttes et bredt, kontinuert spektrum af netforsyningsspændinger. Frekvensomformeren tilpasser sig automatisk til den forhåndenværende netspænding ved at begrænse udgangseffekten i 10 afhængighed af den netspænding, som frekvensomformeren tilsluttes. Hvis frekvensomformeren fx er designet til en maksimal nominel netspænding på 230 V, hvilket vil fremgå af motorstyringens specifikationer, vil styreindretningen ved tilslutning til en aktuel netspænding på 115 V sænke udgangseffekten. Mere præcist vil styreindretningen begrænse den 15 maksimale udgangseffekt, så frekvensomformeren flyttes fra ét forventet arbejdspunkt til et andet, hvorefter frekvensomformeren kører videre i det nye arbejdspunkt. Opfindelsen kan bruges både i den situation, hvor frekvensomformeren fra starten tilsluttes et net med lavere nominel spænding, og herefter i resten afdriftsperioden arbejder ved denne 20 spænding, eller den kan bruges, når der undervejs i en driftsperiode sker fald i netforsyningsspændingen. Gennem varigheden af denne lavere spænding er den maksimale udgangseffekt begrænset indtil netforsyningsspændingen atter når op på sin nominelle værdi. Styreindretningen beskytter på denne måde frekvensomformeren mod for høj strøm, og resultatet er en universelt 25 anvendelig motorstyring. Selv om motoren underudnyttes - derates - vil det i mange tilfælde være praktisk for både OEM fabrikanten og slutbrugeren kun at skulle håndtere een type frekvensomformer og motor på lageret.

I princippet kan styreindretningen reducere udgangseffekten med en 30 forudbestemt fast størrelse, hvis den aktuelle netspænding er lavere end den maksimale nominelle netspænding, som frekvensomformeren er udlagt til. Styreindretningen kan da få besked om netspændingens størrelse via en 5 DK 174880 B1 indstilling som brugeren foretager ved ibrugtagning af apparatet. Det er dog foretrukket, at styreindretningen selvstændigt og automatisk tilpasser frekvensomformeren til netspændingen, og styreindretningen indeholder derfor en grænseværdi, som sammenlignes med en eller flere målte eller 5 beregnede motorstyringsparametre, fx ensretterstrømmen. Hvis sammenligningen giver som resultat, at den målte eller beregnede parameter er større end grænseværdien sænkes udgangseffekten.

Sænkningen af udgangseffekten kan ske kort efter at frekvensomformeren er 10 tilsluttet nettet. Hvis den målte eller beregnede parameter efter opstarttidens udløb er større end grænseværdien, begrænser styreindretningen frekvensomformerens maksimale udgangseffekt, og holder i princippet denne nye værdi gennem resten af driftsperioden. Ved straks efter start at fastlægge den maksimalt tilladelige udgangseffekt undgås, at styreindretningen under 15 drift skal bruge regnekraft.

I stedet for kun at køre med én grænseværdi kan der i en tabel lagres forskellige grænseværdier, blandt hvilke styreindretningen udvælger én på basis af en eller flere målte eller beregnede parametre. Eksempelvis kan 20 størrelsen af grænseværdien variere med temperaturen målt tæt ved halvlederne.

En særligt nøjagtig formulering af grænseværdien kan opnås ved at lade styreindretningen beregne eller bestemme grænseværdien løbende under 25 drift. Selvom det kræver regnekraft opvejes det af øget performance, fordi frekvensomformeren kommer til at virke i sit optimale arbejdspunkt ved den pågældende netspænding. Med andre ord styres motoren sådan, at den yder den maksimalt acceptable effekt ved en given netspænding.

30 Grænseværdien kan med fordel udtrykkes som en strømgrænse, fx som strømmen i en motorfase eller - hvilket er foretrukket - som den strøm der løber efter ensretteren. På grund af sammenhængen mellem motorfrekvens 6 DK 174880 B1 og indgangsstrøm - højere frekvens medfører højere strøm - er det hensigtsmæssigt at lade strømgrænsen være en funktion af motorfrekvensen, eventuelt kombineret med en målt temperatur.

5 Uanset hvilken art grænseværdi der bruges, kan vekselretterens udgangseffekt sænkes ved at reducere motorfrekvensen. Motorfrekvensen er den frekvens, som vekselretteren påtrykker, og står på kendt vis i direkte sammenhæng med motorens omdrejningshastighed. Da effektforbruget for fx en pumpe- eller ventilator-motor er proportionalt med omdrejningstallet i 10 3.potens vil en sænkning af motorfrekvensen slå tydeligt igennem i effektforbruget og dermed i den strøm, som frekvensomformeren trækker.

Sænkningen af motorfrekvensen sker ved at danne en frekvensdifferens mellem en ønsket motorfrekvens og et frekvensdæmpningsled, hvor 15 frekvensdæmpningsleddet beregnes ud fra differensen mellem den målte eller beregnede parameter og grænseværdien. Frekvensdifferensen ledes herefter videre til vekselretteren som referencesignal.

Styringen er fortrinsvist baseret på en U/f-styring, så når frekvensen f skrues 20 ned vil motorspændingen U også falde, fordi det ønskes at forholdet U/f skal holdes konstant for at sikre korrekt magnetisering.

Med en lavere motorspænding er der mulighed for at skrue ned for mellemkredsspændingen. Dette tiltag er muligt i den type omformere, der 25 indeholder en regulerbar mellemkredsspænding, fx via et styret ensretterkredsløb. Sænkningen af mellemkredsspændingen har til fordel, at der afsættes mindre varmegenererende elektrisk effekt i mellemkredskomponenteme med lavere termisk belastning til følge.

30 Netspændingen kan måles direkte via en spændingsføler på indgangen til ensretteren, men det er også muligt at få et indirekte udtryk for 7 DK 174880 B1 netspændingens størrelse ved at bruge strømmålere anbragt i frekvensomformerens mellemkreds.

De stillede opgaver er endvidere løst med en frekvensomformer 5 som beskrevet i overbegrebet til krav 8 og er kendetegnet ved at en boost konverter anbragt mellem ensretteren og vekselretteren reguleres til at give en udgangsspænding som er konstant under drift ved hver af de flere forskellige netspændinger, at en første grænseværdi sammenlignes med en eller flere målte eller beregnede parametre, at den maksimale udgangseffekt 10 sænkes af styreindretningen ved at reducere den via vekselretteren genererede frekvens til motoren når den målte værdi er større end den første grænseværdi, og at en anden grænseværdi, som er vekselretterens hardwarestrømgrænse, er justerbar under drift af frekvensomformeren samt at et overstrømssignal gives når et strømmålesignal er større end den anden 15 grænseværdi.

I stedet for at anvende en styret ensretter, hvilket typisk anvendes ved fler-fasede netforsyninger, er det på et en-faset net foretrukket at anvende en boostkonverter anbragt efter ensretteren, hvor boostkonverterens udgangsspænding reguleres af styreindretningen.

20 Boostkonverteren giver power factor control og styring af mellemkredsspænding i ét. Ved at bruge en boostkonverter anbragt mellem ensretter og vekselretter kan en særligt høj effekt faktor opnås.Frekvensomformeren ifølge opfindelsen giver stor fordel de steder, hvor der hersker såkaldt bløde net, d.v.s. øer, hvor netspændingens 25 amplitude er særligt følsom for styrken af den strøm, der trækkes. Hvis man forestiller sig at en frekvensomformer fra teknikkens stade kobles ind mellem en motor og et blødt net, og hvor det bløde net har en lavere spænding end forventet, så vil dette resultere i et øget strømtræk fra nettet, hvilket igen resulterer i et spændingsfald og så videre. Opfindelsen bryder denne negative 30 ' cirkel, idet sænkningen af vekselretterens udgangseffekt forhindrer at netspændingen trækkes yderligere ned. Opfindelsen bidrager på denne vis til øget driftssikkerhed. Ved tillige at indbygge en variabel grænseværdi for 8 DK 174880 B1 overbelastning af frekvensomformeren bliver frekvensomformeren til et ægte adaptivt motordrev, idet det herved også tilpasser sig den tilsluttede motor.

Den variable grænseværdi er afhængig af motorens effektstørrelse og/eller den aktuelle motorfrekvens.

5

Opfindelsen vil i det følgende blive gennemgået med udgangspunkt i figurerne:

Figur 1 viser det elektroniske kredsløb for en frekvensomformer med tilkoblet 10 elektromotor

Figur 2 viser et første kurveforløb for effektbegrænsningen over tiden Figur 3 viser et andet kurveforløb for effektbegrænsningen over tiden Figur 4 viser et første udførelseseksempel på en regulator anvendt i opfindelsen 15 Figur 5 viser et andet udførelseseksempel på en regulator anvendt i opfindelsen

Figur 6 viser et tredie udførelseseksempel på en regulator anvendt i opfindelsen

Figur 7 viser i diagramform et kredsløb til detektion af overstrøm 20 Figur 8 viser et tidsmæssigt forløb af størrelsen på en overstrøms-grænseværdi

Frekvensomformeren 1 har en ensretter 2 som er tilsluttet et forsyningsnet 3, der kan have standardspændingerne 115V, 230V eller andre værdier. Ved 25 "nominel spænding" forstås i det følgende den pålydende værdi, mens "aktuel spænding" betyder den virkelige, forhåndenværende spænding.

Frekvensomformeren indbygges i en vaskemaskine, og forsyningsnettet er her vist som et en-faset net, men kan i princippet have flere faser. En vekselretter 4 er tilsluttet en tre-faset motor 5, og vekselretteren er styret af en 30 styreindretning 6. Styreindretningen indeholder hukommelseselementer (RAM) og kan være udført som en mikrocontroller, DSP (Digital Signal Processor) eller ASIC (Application Specific Integrated Circuit) med integreret 9 DK 174880 B1 eller med ekstern hukommelse. På kendt vis omformer ensretteren netforsyningens vekselspænding til en jævnspænding, der via veksel retterens effekthalvledere 7, fx IGBT’ere (Insulated Gate Bipolar Transistors), atter omformer jævnspændingen til en vekselspænding på motorledningerne 8. En 5 temperaturmåler 24 er anbragt tæt på effekthalvlederne. En boostkonverter 9 bestående af spole 10, switch 11, diode 12 og kondensator 13 bruges til at regulere mellemkredsspændingen UdC op til en i det væsentlige konstant værdi, så det er muligt at tilslutte ensretteren til en af flere forskellige netspændinger. Styreindretningen 6 måler spændingen før og efter boost 10 konverteren via signalledningerne 15 og 16, og måler strømmen i minusskinnen før og efter boostkonverteren via to målemodstande 20 og 21 samt signalledninger 22 og 23. Switchen 11 er tilsluttet styreindretningen via signalledningen 25. Boostkonverteren har samtidigt til opgave at virke som Power Factor Corrector (PFC), og virker på kendt vis ved at lade strømmen i 15 boostspolen følge den ensrettede netspændings kurveform. Powerfactoren på netforsyningssiden er meget tæt på 1. Istedet for at anvende en boostkonverter er det også muligt at bruge en styret ensretter til at opnå reguleringen af mellemkredsstrømmen, men det er lidt vanskeligere at opnå en høj power factor. En styret ensretter kan fx ved en-faset netforsyning bestå 20 af to eller fire thyristorer, som er tilsluttet styreindretningen.

Opfindelsen virker på følgende måde. Antages en motorstørrelse på 750 W vil der ved en netspænding un på 230V løbe en netstrøm iN på ca. 4,8 A i indgangsstrøm til ensretteren. Hvis netspændingen i stedet var 115V ville der 25 ved samme motorbelastning løbe en indgangsstrøm på ca. 9,6A for at dække motorens effektkrav. Medmindre ensretter 2 og spole 10 er dimensioneret til dette, vil de enten gå i stykker eller, for spolens vedkommende, generere en meget høj tabsvarme som kan skade den øvrige elektronik. Spolens kerne kan endvidere gå i mætning med tab af selvinduktion til følge. Dette vil 30 forårsage høje spidsstrømme som vil give yderligere øgede tab, der kan ødelægge halvlederne. Netop køling er et stort problem når en frekvensomformer er anbragt i et lukket kammer i en vaskemaskine, og dette 10 DK 174880 B1 problem forstærkes når netspændingen er lavere. Styreindretningen tilpasser nu i en mulig første udførelsesform frekvensomformerens udgangseffekt ved at sammenholde en målt strøm lrec efter ensretteren med en strømgrænseværdi Ι(ίπ1 gældende ved en netspænding på 230V.

5 Styreindretningen regulerer frekvensomformerens udgangseffekt sådan, at strømmen iN på 4,8 A ikke overskrides, og begrænser således den mulige maksimale effektafgivelse fra frekvensomformeren til 375 W. Figur 2 viser denne situation. Til tiden tO starter frekvensomformeren med et loft Pmaxi for den maksimale elektriske effekt på 750 W. I perioden tO til t1, der er en 10 anelse længere end opstartstiden og varer omkring 3 sekunder, detekteres netspændingen eller mellemkredsspændingen og sammenlignes med en i en tabel lagret grænseværdi. Er spændingen lavere end grænseværdien ræsonnerer styreindretningen, at netspændingsforsyningen er lavere end det frekvensomformeren er udlagt til, og begrænser den maksimale 15 udgangseffekt til PmaX2 på 375 W. Denne værdi holdes konstant resten af driftstiden, hvor frekvensomformeren under begrænsningen hastighedsregulerer elektromotoren indenfor effektområdet op til den begrænsede maksimale udgangseffekt Pmax2.

20 Det er som ovenfor nævnt ikke nødvendigt direkte at måle netspændingens amplitude, idet netspændingens amplitude kan beregnes af styreindretningen ud fra kendskabet til strømmen i ensretteren og fx spændingen i mellemkredsen. Det er heller ikke nødvendigt at kende netspændingens nøjagtige amplitude, idet det er tilstrækkeligt, at der gives en indikation af 25 netspændingens størrelse, og denne indikation kan fx bestå i en strømmåling foretaget umiddelbart efter ensretteren via målemodstand 20. Tidspunktet for begrænsning af udgangseffekten kan enten være kort efter at frekvensomformeren er blevet startet, fx når boostswitchen 11 er begyndt at switche og opladeforløbet på kondensator 13 er overstået og hvor en 30 indikation af netspændingens amplitude er opnået. På dette tidspunkt kan styreindretningen indstille en passende grænseværdi, som gælder for resten af frekvensomformerens driftsperiode. Denne løsning sparer regnekraft. Eller 11 DK 174880 B1 styreindretningen kan som tidligere nævnt løbende under drift overvåge, om grænseværdien overskrides og i så tilfælde sænke den elektriske udgangseffekt.

5 Den effektbegrænsende mekanisme træder også i kraft når netforsyningsspændingen har udsving. Typisk vil en frekvensomformer være dimensioneret til den nominelle netspænding plus-minus et fluktuations-bånd omkring, fx. 230 V +/-10%. Men ved særligt svage net kan underspændinger ned til fx 180 V forekomme, og her vil indgangsstrømmen stige for at kunne 10 opretholde motorens effektkrav. Styreindretningen vil imidlertid på opfinderisk vis reducere størrelsen af den maksimale udgangseffekt til en for frekvensomformeren akceptabel værdi. Antages en motor på 1500 W tilsluttet, vil der ved nominel netspænding på 230 V løbe ca. 9.5 A i indgangstrinnet. Figur 3 viser den maksimale effektgrænse Pmaxi i perioden tO 15 til t1. Til tiden t1 falder netforsyningen til 180 V, og styreindretningen begrænser udgangseffekten til Pma,<2 på 1200 W, idet grænseværdien er sat til 9,5A. Droslingen af den maksimale udgangseffekt sker i perioden t1 til t2.

Motorens ydeevne derates, men motoren kører dog istedet for at styreindretningen helt stopper motoren for at beskytte frekvensomformeren.

20 Det svarer til, at den maksimale centrifugeringshastighed i vaskemaskinen nedsættes. Ofte er det for slutbrugeren ligegyldigt, om centrifugeringen sker ved 1100 o/min eller ved 800 o/min. Andre applikationer kan også nævnes, fx et pumpesystem hvor pumpen kører rundt med en lavere hastighed for dog stadig at kunne pumpe vand rundt, eller køleanlæg der fungerer med 25 reduceret kapacitet istedet for helt at stoppe. Tilbage i figur 3 sker der til tiden t2 det, at netforsyningsspændingen stiger en anelse, nemlig til 200V.

Styreindretningen hæver nu grænsen for den maksimale effektgrænse PmaX3 til 1320 W. Dette er mindre end hvad motoren kan klare, men dog en højere effektgrænse end i perioden t1-t2.

Figur 4 viser i blokdiagram-form hvordan reguleringsalgoritmen, der begrænser udgangseffekten, kan udføres. Regulatoren vist i figur 4 er en del 30 12 DK 174880 B1 af styreindretningen 6, og ved at reducere motorfrekvensen på baggrund af en måling af ensretterstrømmen begrænses udgangseffekten. Det forudsættes, at mellemkredsspændingen Ude er konstant. Den målte ensretterstrøm lrec midies i et filter 30 og fratrækkes i en subtraktor 31 5 strømgrænseværdien lnm. I en konverteringsenhed 32 omsættes strømafvigelsen til en frekvens, fnm, som er et frekvenssænkningsled og udtrykker den størrelse, som motorfrekvensen skal begrænses med, eksempelvist 10 Hz. Konverteringsenhed 32 indeholderen matematisk overføringsfunktion, men kan også være lavet som en regulator. I en 10 frekvenskonverteringsenhed 33, som indeholder en matematisk overføringsfunktion, omformes frekvensbegrænsningsleddet f|im og den ønskede motorfrekvens fset til et udgangssignal fre{. I sin mest enkle udførelse er konverteringsenheden 33 blot en subtraktor, men udføres fortrinsvist med en filterfunktion til styring af frekvensændringen pr tidsenhed.

15 Udgangssignalet fra 33 er referencefrekvensen fref, der føres direkte til en pulsbreddemodulationsenhed 35, som takter halvledeme i vekselretteren 4.

Endvideres sendes fret ind i en U/f-styreenhed 34, der på baggrund af dette signal og den målte mellemkredsspænding Udo genererer et signal for moduleringsindekset ma, d.v.s. forholdet mellem referencen for 20 motorspændingen og mellemkredsspændingen UdC. Alternativt kunne man bruge dutycyklen D, d.v.s. forholdet mellem halvledemes on-tid og periodetid, men der er i alt tre forskellige dutycykles, en for hver motorvikling, hvilket besværliggør en styring med D. Veksel retterens switchfrekvens er i øvrigt holdt konstant.

25

En anden reguleringsalgoritme til begrænsning af frekvensomformerens udgangseffekt ved lave forsyningsspændinger er vist i figur 5. Også her forudsættes, at mellemkredsspændingen er konstant. Spændingen Urec efter ensretteren måles og udglattes i et filter 40. Signalet ledes derefter ind i en 30 enhed 41, som omsætter spændingen til et effekt-grænseværdisignal Pi!m.

Enheden 41 indeholder en tabel over forskellige størrelser af grænseværdien Piim, hvor spændingen Urec bruges som indgangsnøgle. Denne bør-værdi 13 DK 174880 B1 føres til en subtraktor42, og den fra vekselretteren aktuelt afgivne effekt Ρίην trækkes fra grænseværdien. Den aktuelt afgivne effekt er beregnet i enheden 43 på basis af filtrerede værdier af en målt mellemkredsstrøm ldc. Eventuelt kan der til effektberegningen yderligere medtages en målt 5 mellemkredsspænding Udc. Dette er vist med en stiplet kasse 44, der indeholder et filter. Differensen mellem Pnm og Pjnv ledes derefter ind i en konverteringsenhed 45, som omsætter afvigelsen til en frekvens, f|jm, som udtrykker den frekvensstørrelse, som motorfrekvensen skal begrænses med. Konverteringsenhed 45 er udført som en regulator eller som en 10 overføringsfunktion. Resten af kredsløbet er identisk med figur 4. Effekten Pjnv kunne også beregnes på baggrund af motorspænding og motorstrøm.

Mens regulatorerne vist i figur 4 og figur 5 virker med udgangspunkt i en fast mellemkredsspænding UdC, som skabes af boostkonverteren, er IS reguleringskredsløbet i figur 6 baseret på en variabel mellemkredsspænding. Mellemkredsspændingen Udc bringes til at variere i takt med forsyningsspændingen ved at styre boostswitchen 11 efter forsyningsspændingens udsving. Herved bruges spændingen efter boostkonverteren som indirekte udtryk for netforsyningens amplitude.

20 Fordelen ved denne type mellemkreds i stedet for mellemkredsen med konstant spænding er, at mellemkredsspændingen ikke skal boostes højere op end højst nødvendigt. Jo større afstand der er mellem netspændingens RMS-værdi og spændingen i mellemkredsen, des større er tabene. Forsyningsspændingens udsving detekteres ved måling afspændingen Urec.

25 Den variable spænding Udc ledes ind i en konverteringsenhed 50, som omsætter spændingen til en frekvens, f|,m, som udtrykker den størrelse, som motorfrekvensen skal begrænses med. Herefter virker kredsløbet som beskrevet i figur 4 og 5. Alternativt kan frekvensbegrænsningen fijm bestemmes som funktion af moduleringsindekset via konverteringsenhed 51.

30 For at vise valgmuligheden er kasserne tegnet stiplet. Hvis netforsyningsspændingen falder og dermed trækker mellemkredsspændingen Udc ned, er det ikke længere muligt at give motoren den korrekte spænding, 14 DK 174880 B1 men ved at reducere motorfrekvensen som funktion af enten moduleringsindekset eller mellemkredsspændingen opnås, at motoren kan tilføres korrekt spænding, og samtidigt er udgangseffekten reduceret som funktion af forsyningsspændingen.

5

Vi vender nu tilbage til figur 4 og grænseværdien lnm. Denne grænseværdi kan gøres dynamisk og afhængig af forskellige parametre, herunder temperaturen T målt med temperatursensor 24 (figur 1), og enten lagres som faste værdier i en opslagstabel eller blive kontinuerligt beregnet af 10 styreindretningen under drift.

I figur 4 ses endvidere et signal OC som føres ind til pulsbreddemodulationsenheden 35. Dette signal er et overstrøms- eller trip-signal som skal slukke for vekselretteren i tilfælde af, at den absolutte grænse for hvad elektronikken 15 kan tåle nås. Hardware-strømgrænsesignalet OC genereres i teknikkens stade som oftest når en fast strømgrænseværdi overskrides, men strømgrænsen for udkobling kan med fordel gøres variabel og afhængig af motorfrekvensen. Figur 7 viser et kredsløb 60, som genererer overstrømssignalet OC. Kredsløbskomponenteme 61,62,63 og 70 er en del 20 af styreindretningen 6. En referencegenerator 61 danner den variable grænseværdi på baggrund af en eller flere variable, nemlig parametrene A1, A2, An eller S1 ,S2,Sn. A betyder applikations-specifikke parametre såsom en pumpes kvadratiske momentbelastning på motorakslen, mens S betyder styringsparametre såsom motorfrekvens, motortemperatur og 25 vekselrettertemperatur. Disse er angivet med positionsnummer 62. På udgangen 63 leverer reference-generatoren et pulsbreddemoduleret signal med en passende frekvens på eksempelvis 2 kHz. Dutycyklen sættes til 50% hvilket resulterer i en strømgrænse reduceret med 50%. I et lavpasfilter 64 laves PWM signalet om til et jævnspændingssignal loc på indgangen 65 til 30 komparatoren 66. Signalet på indgang 65 repræsenterer den variable grænseværdi. På indgangen 67 står et signal for en aktuel strømmåling, f.x. et signal repræsenterende størrelsen af mellemkredsstrømmen. Et kredsløb 15 DK 174880 B1 68 bestående af ohmske modstande sørger for at strømsignalet altid er normeret - i det konkrete tilfælde svarer 220mV på indgang 67 til den maksimale strøm som kan tillades i veksel retteren. Er signalet i stedet 150mV svarer det til en aktuel strømudlastning af frekvensomformrens effektdel på 5 68,2%. På denne måde behøver styreindretningen ikke at vide hvilken effektstørrelse den pågældende effektdel i frekvensomformeren har. Som vist på figur 7 er normeringskredsløbet lavet ved at parallelkoble to shuntmodstande med målemodstanden i mellemkredsens negative ledning. Målemodstanden er på 18 milliohm, mens shuntmodstandene har forskellig 10 størrelse, virker som spændingsdelere og ligger i området på nogle megaohm. Normeringskredsløbet 68 er fortrinsvist anbragt på printkortet for effektdelen og danner en del af interfacet til styrekortet, når effektdel og styredel skal forbindes elektrisk med hinanden.

15 Normeringskredsløbet betyder for fabrikanten af frekvensomformere, at det samme printkort indeholdende styredel kan bruges til effektdele af forskellig størrelse. Når jævnspændingssignalet på indgang 65 overskrider strømmålesignalet på indgang 67 går komparatorens udgang OC på ledning 69 høj og indikerer "overstrøm", hvorefter styreindretningen 6 tager beslutning 20 om, hvorvidt frekvensomformeren skal slukkes eller ej. Den variable strømgrænse loc udtrykkes fortrinsvist som funktion af den aktuelle motorfrekvens fref samt eventuelt en eller flere af motorens elektriske størrelser. Disse parametre - A1 ,A2,An og S1 ,S2,Sn i figur 5 - kan være motorens elektriske effekt eller motorens nominelle strøm, som kan fås 25 direkte ved aflæsning fra motorskiltet. Alternativt kan motorkomponenterne statormodstand, rotormodstand og induktanser såsom hovedfeltsinduktans og spredningsselvinduktans indgå i fastlæggelsen af strømreferencekarakteristikken. På baggrund af disse parametre kan referencegenerator 61 direkte aflæse eller beregne sig frem til størrelsen af 30 den motor, der kobles på frekvensomformeren, og herudfra bestemme hvilken grænseværdi der skal gælde. Med andre ord tilpasser referencestrømgeneratoren 61 adaptivt strømgrænsen loc til motoren, så der 16 DK 174880 B1 kan sættes forskellige størrelser motorer på den samme frekvensomformer.

Det gælder særligt det tilfælde, hvor en effektmæssigt mindre motor skal tilsluttes en effektmæssigt større frekvensomformer. Brugeren skal således ikke ind og efterjustere strømgrænsen, det klarer frekvensomfomneren 5 automatisk. Information om motorens størrelse kan indgives af brugeren selv, enten via et tastatur, en seriel kommunikationsforbindelse, jumpers eller via dip-switches anbragt ab fabrik på styrekortet, hvor hver dip-switch angiver en motorstørrelse. Det er dog særligt foretrukket, at styreindretningen via frekvensomformeren selv udmåler motorens elektriske parametre og bruger 10 denne information til at danne grænseværdien loc· Udmåling af motorens elektriske størrelser før idrifttagning er kendt, og sker ved injektion af DC og AC-signaler i statorviklingerne.

Den variable strømgrænse på indgang 65 i figur 7 kan af 15 referencegeneratoren også indstilles på baggrund af den for applikationen typiske belastningskurve. Et hukommelseslager 70 indeholder en tabel over sammenhørende strømgrænseværdier og belastningskurven.

Endvidere kan referencegeneratoren variere strømgrænsen under opstart af 20 motoren. Figur 8 viser et karakteristisk forløb af strømgrænsen loc fra start og et tidsrum ind i driftsforløbet. Via en dip-switch på styrekortet er strømgrænsen sat til l0ci ► som passer til en bestemt størrelse motor. Frekvensomformeren er i virkeligheden i stand til at yde en langt større strøm, men motoren er af en mindre effektklasse. I perioden t0-t1 hæver 25 referencegeneratoren 61 grænseværdien til loc2 for at tillade den større startstrøm at passere uden at der forårsages udkobling. Til tiden t1 sænker referencegeneratoren igen strømgrænsen til loci· Til tiden t2 stiger omgivelsestemperaturen, hvilket medfører højere varmebelastning af elektronikkomponenteme, og derfor sænkes strømgrænsen yderligere til I0c3· 30 Sænkningen i perioden t2 til t3 kan ske trinvist eller gradvist. En fordel ved at bruge den variable strømgrænse er således, at grænseværdien loc ikke skal dimensioneres efter startstrømmen, og det muliggør en nøjagtigere detektion 17 DK 174880 B1 af opstående fejlsituationer. Den overstrøm, som en blokeret rotor genererer, kan ligge omkring startstrømmens amplitude, og vil i tilfælde af en fast strømgrænse omkring startstrømsniveauet fejlagtigt ikke blive fortolket som en fejlsituation.

5

Efter i det foregående at have behandlet dannelsen af overstrømssignalet OC på baggrund af en variabel strøm-grænseværdi vender vi nu tilbage til begrænsning af udgangseffekten i tilfælde af lav netspænding.

10 Begrænsningen af udgangseffekten sker som tidligere beskrevet ved at styreindretningen 6 sænker motorfrekvensen, hvilket gøres ved - over forbindelsen 14 - at ændre forholdet mellem puls-pause tiden på effekthalvlederne i vekselretteren 4. Da der foretages en U/f-styring reguleres også motorspændingen ned. Det betyder, at man samtidig kan sænke 15 mellemkredsspændingen Ude for at undgå en unødig boost af mellemkredsspændingen. Begrænsningen kan således ske ved at kombinere frekvenssænkningen med mellemkreds-spændingssænkningen, idet motorens krav til motorspænding falder med faldende motorfrekvens. Mellemkredsspændingen kan sænkes ved at sænke det gennemsnitlige puls-20 pause forhold på boostswitchen 11 som funktion af frekvensomformerens udgangseffekt.

Ved at reducere det maksimale loft for udgangseffekten beskyttes frekvensomformerens indgangstrin mod for stor strøm. Motorens 25 omdrejningstal reguleres efter hvilken netspænding der er til rådighed på frekvensomformerens indgang. Motoren vil dermed ikke kunne yde det samme moment som ved tilslutning til en højere netspænding, men denne nedgang i ydeevne tages naturligvis i betragtning af OEM-fabrikanten ved systemdimensioneringen.

Der er i det foregående beskrevet en universelt anvendelig frekvensomfomner. På netsiden tilpasser frekvensomformeren sig den 30 18 DK 174880 B1 tilrådighedstående netspænding ved at begrænse den maksimale udgangseffekt, mens frekvensomformeren på motorsiden tilpasser sig motoren ved at variere grænseværdien for overstrømssignalet efter motorens størrelse, motorfrekvensen eller den belastning, der er tilkoblet motorakslen.

5

Claims (11)

19 DK 174880 B1

1. Fremgangsmåde til hastighedsregulering af en elektromotor med en 5 frekvensomformer, hvor frekvensomformeren indeholder en ensretter, en vekselretter og en styreindretning og kan tilsluttes en af flere forskellige netspændinger og hvor styreindretningen (6) begrænser frekvensomformerens maksimale elektriske udgangseffekt, hvis den aktuelle netspænding er lavere end den maksimale nominelle 10 netspænding som frekvensomformeren er konstrueret til, kendetegnet ved at en DC/DC konverter (9) anbragt mellem ensretteren (2) og vekselretteren (4) reguleres til en udgangsspænding (Udc) som er konstant under drift ved hver af de flere forskellige netspændinger, at et grænseværdisignal (l|jm, Pum) sammenlignes med en eller flere 15 målte (Urec, lrec. Udc,ldc,T) eller beregnede parametre (Pinv), at den maksimale udgangseffekt sænkes af styreindretningen ved at reducere den via vekselretteren genererede frekvens til motoren, og at frekvensomformeren under begrænsningen hastighedsregulerer elektromotoren indenfor et effektområde op til den begrænsede 20 maksimale udgangseffekt.

2. Fremgangsmåde til hastighedsregulering af en elektromotor med en frekvensomformer ifølge krav 1 kendetegnet ved at styreindretningen på grundlag af den eller de målte eller beregnede parametre (Urec, 25 lrec, Udc,Ide,T, Pinv) umiddelbart efter at netspændingen er tilsluttet frekvensomformeren begrænser den maksimale elektriske udgangseffekt hvis den målte eller beregnede parameter er større end grænseværdien.

3. Fremgangsmåde til hastighedsregulering af en elektromotor med en frekvensomformer ifølge krav 1 kendetegnet ved at styreindretningen indeholder en tabel (41) med grænseværdier (Piim), og at

20 DK 174880 B1 styreindretningen på grundlag af den eller de målte (UreC) eller beregnede parametre udvælger en grænseværdi af en ønsket størrelse.

4. Fremgangsmåde til hastighedsregulering af en elektromotor med en frekvensomformer ifølge krav 1 kendetegnet ved at styreindretningen (6) løbende under frekvensomformerens drift bestemmer grænseværdien (lBm, PBm).

5. Fremgangsmåde til hastighedsregulering af en elektromotor med en frekvensomformer ifølge krav 3 eller 4 kendetegnet ved at grænseværdien er en strømgrænse (lr,m) der bestemmes som funktion af motorfrekvensen og/eller en målt temperatur (T).

6. Fremgangsmåde til hastighedsregulering af en elektromotor med en frekvensomformer ifølge krav 1 kendetegnet ved at et referencesignal (fret) for motorfrekvensen er dannet som en differens mellem en ønsket motorfrekvens (fset) og et frekvensænkningsled (fBm), hvor frekvenssænkningsleddet er dannet på basis afen strømdifferens 20 (IreJiim). en effektdifferens (Pnm, Pmv) eller en mellemkredsspænding (Ude)-

7. Fremgangsmåde til hastighedsregulering af en elektromotor med en frekvensomformer ifølge et af de foregående krav kendetegnet ved at 25 frekvensomformeren indeholder en spændings- eller strømmåler (20,21) til direkte eller indirekte detektion af den aktuelle netspænding.

8. Frekvensomformer til hastighedsregulering af en elektromotor, hvor 30 frekvensomformeren indeholder en ensretter, en vekselretter og en styreindretning og kan tilsluttes en af flere forskellige netspændinger og hvor styreindretningen (6) begrænser frekvensomformerens

21 DK 174880 B1 maksimale elektriske udgangseffekt, hvis den aktuelle netspænding er lavere end den maksimale nominelle netspænding som frekvensomformeren er konstrueret til, kendetegnet ved at en boost konverter (9) anbragt mellem ensretteren (2) og vekselretteren (4) 5 reguleres til at give en udgangsspænding (Udc) som er konstant under drift ved hver af de flere forskellige netspændinger, at en første grænseværdi (him, Pnm) sammenlignes med en eller flere målte (Urec, Irec, UdcIdcT) eller beregnede parametre (Pirw), at den maksimale udgangseffekt sænkes af styreindretningen ved at reducere den via 10 vekselretteren genererede frekvens til motoren når den målte værdi er større end den første grænseværdi, og at en anden grænseværdi (loc). som er veksel retterens hardwarestrømgrænse, er justerbar under drift af frekvensomformeren samt at et overstrømssignal (OC) gives når et strømmålesignal (67) er større end den anden 15 grænseværdi.