178936. lajstromszámú szabadalom • Statikus frekvenciaváltóról táplált státor-frekvencia változtatással működő aszinkron- vagy szinkronmotoros hajtás nyomaték-szög szabályozással
3 178936 4 A gyakorlatban előnyösen alkalmazható frekvenciaváltós hajtások információ-feldolgozó körei a motor kapcsain mérhető villamos mennyiségekből állítják elő az egyenirányító és az inverter vezérlőjeleit, Az áraminverteres frekvenciaváltóról táplált változtatható fordulatszámú aszinkron és szinkronmotoros hajtások szabályozásának kiemelkedően jó szabályozástechnikai jellemzőket biztosító eljárása az, amelynél az egyenirányító vezérlőjele a motor kívánt munkapontjához tartozó státoráramot, az inverter vezérlőjele pedig a motor státorárama és feszültsége közötti fázisszöget, illetve e mennyiségekkel összefüggő valamilyen másik mennyiséget, pl. a státoráram és a rotorfluxus közötti szöghelyzetet, az ún. nyomatékszöget állítja be kívánt értékre. Minthogy a váltakozóáramú motorok nyomatékát a státoráram és a főmező-, státor- vagy rotorfluxus vektorális szorzata szolgáltatja, a fenti beavatkozással közvetlenül a motor nyomaté ka írható elő. Ezért ez az eljárás nyomaték-szög szabályozás néven ismert a szakirodalomban, ' Könnyű belátni a fentieket pl. az aszinkron motor 1. ábra szerinti közelítő helyettesítő vázlata alapján, amelynél elhanyagoltuk a státor és rotor kör szórási induktivitását és a státor kör ohmos ellenállását. A motor Lm főmező induktivitásából és a terhelést képviselő Ri/s ellenállásból álló áramkört ebben az esetben a közbenső egyenárammal arányos i státoráram táplálja s az Lm főmező induktivitáson ij/, az Rs/s ellenálláson ím áramot alakít ki. Az i státoráram i, alapharmonikusa két egymásra merőleges komponensre bontható (2. ábra), az iM t komponens alakítja ki a motor kapcsain mérhető Uj =iM1 • R^/s státor feszültséget, az i^1 komponens gerjeszti a gépet és hozza létre annak fluxusát. Ha tehát előírjuk a motor státoráramának i, alapharmonikusát és a ^ fázisszöget, akkor ezáltal meghatározzuk az i státoráram ún. nyomatékképző Omi), illetve fluxusképző (i^i ) komponensét, tehát közvetlenül a motor nyomatékát is, minthogy M = Ci ii i^i sinipM = Ciii(sin^M)iicos^M = < = C2i?sin2^M = C3i^sin2^M (1) A fenti összefüggésben a nyomaték-szög (a státoráram és a rotorfluxus alapharmonikusa közötti szög). Az 1. ábra szerinti közelítő helyettesítő vázlat alapján a rotorfluxus és státorfluxus azonos, és megegyezik a kapocsfeszültség integráljával, ezért a státoráram L alapharmonikusa és az Ui státor feszültség közötti fi fázisszög, illetve a síM nyomatékszög kapcsolata: fiM = 90°—fi. Pontosabb helyettesítő kép alapján a ipM nyomatékszög és fi fázisszög közötti összefüggés módosul, pl. kis frekvenciákon a státor ohmos ellenállásának elhanyagolása jelentős hibát eredményez, ha a nyomatékot a fenti összefüggés alapján az áram és a feszültség közötti szöggel számítjuk ki. Ezért a motor üzemviszonyait pontosabban kifejező helyettesítő képből kiindulva célszerű a fiM nyomaték-szöget meghatározni. Ehhez a státoráram ii alapharmonikusa és az Uj státor feszültség közötti fi fázisszöget - amely könnyen mérhető - korrigálni kell a munkaponttól függően. Nyomaték-szög szabályozást tartalmazó frekvenciaváltóról táplált aszinkron, illetve szinkronmotoros hajtásnál a 2. ábrából, illetve az (1) nyomaték egyenletből láthatóan a motor nyomatéka a státoráramtól és a fiM nyomaték-szögtől egyaránt függ, tehát egy adott nyomaték különböző nagyságú státorárammal és nyomaték-szöggel létrehozható. A feladatot azzal tehetjük határozottá, hogy előírjuk a fluxusnak a nyomatéktől (esetleg további változóktól) való függését, amellyel különböző célfüggvényeket realizálhatunk (pl. minimális motorveszteség vagy jó dinamikus jellemzők). A nyomaték-szög szabályozás gyakorlati megvalósítására többféle megoldás ismeretes. A nyomaték-szögszabályozás elve alapján kialakított frekvendaváltós hajtásokról az 1960-as évek végétől kezdve jelentek meg ismertetések a szakirodalomban. A legalapvetőbb publikációk e témakörben a Siemens cég DE-AS 1806769, illetve DE-PS 1941312 szabadalmai, amelyekről a Regelungstechnische Praxis und Prozess-Rechentechnik 1973, H9 száma a 217-221. oldalon ad összefoglaló ismertetést. Az eljárás lényege a következő: az aszinkron motor egyenletei alapján felépített modell segítségével az aszinkron motor kapcsain mérhető villamos menynyiségekből kiszámítják a rotorfluxus Park-vektorát, majd koordináta-transzformáció felhasználásával áttranszformálják azt a státoráram Park-vektorához rögzített koordináta rendszerbe. Minthogy az áraminverteres frekvenciaváltók esetében, éppen az áramgenerátoros táplálás következtében pl. a háromfázisú aszinkron motor státorárama állandósult állapotban minden hatodperiódusban állandó nagyságú, a rotorfluxus Park-vektorának alapharmonikusa a státoráram vektorhoz rögzített koordinátarendszerben minden hatodperiódusban + 30° szöghelyzetből —30° szöghelyzetbe fordul el a státor-frekvencia szögsebességével. Ily módon fiM nyomaték-szög biztosítása érdekében az inverter kommutálási parancsát (az inverter vezérlőegységének impulzus bemenetére a soron következő impulzust) abban az időpillanatban kell szolgáltatni, amikor a rotorfluxus — 30°-os szöghelyzetbe érkezett. Ebből következik, hogy az impulzus bemenet frekvenciája a státor-frekvencia hatszorosa, az impulzussor azonban fiM nyomatékszöggel el van tolva a rotorfluxus alapharmonikusához képest. (fiM nyomatékszög az fi státor-frekvencia periódus idejéből adódó koordináta-rendszerben mérve.) Az eljárást részletesebben a hivatkozott leírások ismertetik. Az ily módon megvalósított nyomaték-szög szabályozás közvetlen nyomaték szabályozást tesz lehetővé, fordulatszám szabályozó körrel kiegészítve, stabilis jó dinamikájú fordulatszám szabályozást eredményez, hátránya azonban, hogy bonyolult és költséges elektronikus áramköri készletet igényel. Jelen találmány alapján a nyomaték-szög szabályozás megvalósításához szükséges elektronikus eszközök jelentős mértékben egyszerűsíthetők, megőrizve a nyomaték-szög szabályozás előnyös tulajdonságait. A találmány alapja az a felismerés, hogy egy célszerűen kialakított feszültségvezéreit késleltető áramkör, a hajtás vezérlő áramköreihez megfelelő 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
