Verfahren zum synchronen Umschalten eines Motors zwischen zwei Frequenzumrichtern

Abstract

 Insbesondere für Spinnmaschinen werden eine Mehrzahl von Synchronmotoren (M2, M3, ..) von einem Maschinenfrequenzumrichter (10) parallel und synchron mit Energie versorgt. Um einen einzelnen Synchronmotor (M1) hochfahren zu können, ist ein weiterer Frequenzumrichter (10) erforderlich. Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren zur synchronen Umschaltung (S0, S1, S2) auf einen für den stationären Betrieb vorgesehenen Frequenzumrichter (20), das keine Motor-individuelle Sensormittel an den einzelnen Motoren (M1, M2, ..) erfordert und bei dem die Frequenzumrichter (10, 20) nach dem Pulsweitenverfahren betrieben sind. Das Verfahren beruht auf dem Vergleich (30) eines stationären Stromes (i_Ref) mit dem dem hochlaufenden Motor (M1) zugeführten Strom (i₁).

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum synchronen Umschalten eines Motors zwischen zwei Frequenzumrichtern gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

[0002] Für den Antrieb von Luftspinnmaschinen sind grundsätzlich folgende zwei Antriebsarten bekannt:

i) Mehrere mit einer Welle gekoppelte Spinnstellen werden von einem Motor angetrieben,

ii) jede einzelne Achse einer Spinnstelle wird einzeln von einem Motor angetrieben.

[0003] Als Motoren werden vorzugsweise unterhaltsarme Synchronmotoren eingesetzt. Um bei einem Garnbruch einen möglichst geringen Produktionsausfall zu erleiden, werden bevorzugt einzeln angetriebene Spinnstellen vorgesehen. Dies ist jedoch mit dem Nachteil eines höheren Aufwandes auch auf der Seite der Frequenzumrichter verbunden. So muss, um eine Spinnstelle einzeln hochfahren zu können, je Achse ein eigener Frequenzumrichter bereit gestellt werden.

[0004] Solche als Hauptantriebe bezeichnete Antriebe für die Drallorgane einer Spinnmaschine mit Drehstrom-Synchronmotoren sind bekannt aus der Schrift DE 100 60 561 A1.

[0005] In der Schrift DE 40 10 376 A1 ist demgegenüber ein Einzelantrieb mit einem Drehstromsynchronmotor für eine Ringspinnmaschine offenbart, bei dem für den stationären Betrieb durch Abschalten einer Teilwicklung ein besserer Wirkungsgrad erreicht wird. Darüber hinaus ermöglicht diese Beschaltung, durch ein Abgreifen der in der abgetrennten Wicklung auftretenden Spannung eine Änderung der Drehzahl oder des lastabhängigen Polradwinkels des Motors festzustellen.

[0006] Um für einzel angetriebene Spinnstellen den Aufwand an Frequenzumrichtern zu reduzieren, ist ein einziger oder eine geringe Zahl von Frequenzumrichtern für den Hochlauf vorgesehen; dieser oder diese Frequenzumrichter werden im folgenden auch als «Robotfrequenzumrichter» oder als «erster Frequenzumrichter» oder kurz als «Robotumrichter» bezeichnet. Nach erfolgtem Hochlauf eines Synchronmotors wird vom Robotumrichter auf einen anderen Frequenzumrichter umgeschaltet, der eine Vielzahl von Synchronmotoren parallel versorgt. Dieser weitere und erheblich leistungsstärkere Frequenzumrichter wird im folgenden als «Maschinenumrichter» oder als «zweiter Frequenzumrichter»bezeichnet.

[0007] Nach einem Garnbruch oder einem erforderlich gewordenen Wechsel der Garnspule muss der Spinnvorgang neu angesetzt werden. Für einen möglichst kurzen Produktionsunterbruch ist es erforderlich, dass die Walzenpaare des Streckwerkes und des Abzuges wie auch die Friktionswalze sehr schnell bzw. quasi-instantan und synchron zueinander hochlaufen. Quasi-instantaner Hochlauf bedeutet hier, dass die Betriebsdrehzahl in sehr kurzer Zeit erreicht werden muss, beispielsweise innerhalb von 0.01 s bis 0.8s. Hauptsächlich wird durch einen schnellen Hochlauf auch eine bestimmte Qualität des Ansetzers sichergestellt.

[0008] Die Umschaltung vom Robotumrichter auf den Maschinenumrichter wäre an und für sich durch einen Vergleich der Spannungsvektoren möglich, d.h. innerhalb einer bestimmten Übereinstimmung von Amplitude, Phasenlage und Frequenz der an den betreffenden Motor anliegenden Spannung. Dies ist jedoch für Frequenzumrichter mit einer sogenannten Pulsweitenmodulation (PWM) wegen der erforderlichen Schaltfrequenzen nicht möglich, da die Schaltfrequenzen der Ventile, das sind IGBT oder MOSFET oder bipolare Transistoren ein mehrfaches der zu erzeugenden Frequenz betragen.

[0009] In der Schrift EP 1 205 588 A1 (Maschinenfabrik Rieter AG) ist eine Spinnmaschine offenbart, bei der das Streckwerk einer Spinnstelle wenigstens teilweise unabhängig vom Streckwerk der anderen Spinnstellen ansteuerbar und antreibbar ist, wobei dazu pro Spinnstelle mindestens ein Sensormittel vorgesehen ist. Es ist jedoch eine relativ aufwendige Regelung pro Spinnstelle notwendig, da das Hochlaufverfahren der Motoren indirekt über die erwähnten Sensormittel überwacht werden muss.

[0010] Es hat sich jedoch gezeigt, dass durch einen sehr schnellen Hochlauf auch eine minimale Garndickstelle, d.h. eine optimale Garnqualität bezüglich des Ansetzers sichergestellt werden kann.

[0011] Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Umschaltung eines Synchronmotors von einem ersten Frequenzumrichter auf einen zweiten Frequenzumrichter anzugeben, das keine Sensormittel an den einzelnen Motoren erfordert und wobei die Frequenzumrichter nach dem Pulsweitenverfahren (PWM) betrieben sind.

[0012] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Anspruch 1 angegebenen Massnahmen gelöst.

[0013] Durch die erfindungsgemässe Lösung, wonach die Ströme oder die diese Ströme repräsentierende Signale von ersten und zweitem Frequenzumrichter hinsichtlich Frequenz und Phasenlage verglichen werden, ist ein Verfahren geschaffen, das auch für Pulsweitenmodulierte Frequenzumrichter anwendbar ist und keine besondere Motorindividuelle Sensorinfrastruktur für das Gewährleisten einer synchronen Umschaltung erfordert.

[0014] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in abhängigen Ansprüchen aufgeführt.

[0015] Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Dabei zeigt:

Figur 1

Prinzipschema zur Speisung einer Mehrzahl von Synchronmotoren durch zwei Frequenzumrichter;

Figur 2

Detaillierte Darstellung der Abfolge der Schalterstellungen für die Umschaltung

Figur 3

Darstellung des Stromverlaufes

[0016] Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Spinnmaschine. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Anwendung bei Spinnmaschinen beschränkt. In Figur 1 sind eine Mehrzahl von Drehstromsynchronmotoren M1, M2, usw. gezeigt, die mittels elektromechanischer Kontakte, das sind Schütze, gezielt von einem ersten Frequenzumrichter 10 oder von einem zweiten Freqenzumrichter 20 mit elektrischer Energie versorgt werden können.

[0017] In der Disposition gemäss der Figur 1 ist angenommen, dass der Drehstromsnychronmotor M1 - im folgenden ist der Einfachheit halber nur noch von Motor oder von Synchronmotor die Rede -, sich in der Hochlaufphase befindet und demzufolge vom ersten Frequenzumrichter 10 - auch Robotumrichter 10 genannt - mit Energie versorgt wird. Für die anderen Motoren M2, M3, usw. wird angenommen, dass sich diese im stationären Betrieb befinden und vom zweiten Frequenzumrichter 20 - auch Maschinenumrichter 10 genannt - mit Energie versorgt werden. Die Frequenzumrichter oder kurz Umrichter 10 und 20 werden auf die übliche Weise an das öffentliche Energieversorgungsnetz 25 angeschlossen.

[0018] Jeder Umrichter 10 und 20 weist in diesem Ausführungsbeispiel je einen eigenen Gleichstromzwischenkreis 24₁ bzw. 24₂ auf, wobei die Gleichstromzwischenkreis 24₁ bzw. 24₂ über ein Ventil 23, z.B. eine Leistungsdiode 23, miteinander koppelbar sind, die Funktion dieser Kopplung wird weiter unten erläutert.

[0019] Des Verfahren zur Umschaltung läuft basierend auf der in Figur 1 gezeigten Schaltungsanordnung wie folgt ab:

Motor 1 wird durch den Umrichter 10 hochgefahren, z.B. auf eine resultierende Spinngeschwindigkeit von 600 m/min. Die Hochlaufzeit beträgt typischerweise 0.1 - 0.5 s. Aufgrund der Dimensionierung von Umrichter 10 und dem hochlaufen Motor M1 - bzw. den identischen Motoren M2, M3, usw. - ist im Umrichter 10 ein Algorithmus implementiert, der die Frequenz und die abzugebende Spannung U1 so einstellt, dass die vorstehend aufgeführten Hochlaufbedingungen erreicht werden. Insbesondere zur Erreichung des geforderten Drehmomentes muss die Spannung U1 höher sein, als die im stationären Betrieb vom zweiten Umrichter 20 abgegebene Spannung U2. Bei beiden Umrichtern 10 und 20 ist dabei für die Pulsweitenmodulation eine Schaltfrequenz von ca. 8 - 16 kHz vorgesehen. Die Frequenz für die Nenndrehzahl liegt bei z.B. 230 Hz.

[0020] Der genaue Zeitpunkt der Umschaltung basiert auf einem Vergleich der vom ersten und zweiten Umrichter 10 bzw. 20 abgegebenen Ströme i₁ bzw. i_Ref. Dieser Vergleich und der daraus resultierende exakte Umschaltzeitpunkt wird nachfolgend anhand der Figur 3 erläutert. Da vom Umrichter 20 eine Mehrzahl von Motoren M2, M3, .. parallel und synchron versorgt wird, genügt es, vom Umrichter 20 einen Referenzstrom i_Ref für den Vergleich abzuzweigen. Dies erfolgt über einen Stromwandler 21, an dem eine Impedanz 22 angeschlossen ist, die die gleichen elektrischen Eigenschaften wie ein Motor M2, M3, .. im stationären Betrieb aufweist. Beispielsweise kann dazu ein Drehstromspartransformator verwendet werden. Der an den hochlaufenden Motor M1 anstehende Strom i₁ wird ebenfalls über einen Stromwandler 11 geführt. Von den beiden Stromwandlern 11 und 22, die produktbezogen meist als sogenannte LEM-Wandler ausgebildet sind, wird je ein diese Ströme i_Ref und i₁ repräsentierende Signal i_Ref und i₁ der Vergleichschaltung 30 zugeführt. In der Notation dieser Schrift wird nicht streng unterschieden zwischen den Strömen i_Ref und i₁ und den diesen Ströme repräsentierenden Signale i_Ref und i₁.

[0021] Gemäss der Figur 3 ist im obersten Diagramm der Verlauf des Referenzstromes i_Ref dargestellt. Im mittleren Diagramm ist der Verlauf des dem Motor M1 zugeführten Stromes i₁ während dem Hochlauf dargestellt. Dabei weist dieser Strom noch nicht die der Nenndrehzahl entsprechende Frequenz auf, im Moment ist zusätzlich eine «Phasenverschiebung» um einen Winkel Δα dargestellt. Nach erfolgtem Hochlauf ist die Frequenz des Stromes i₁ ggf. bis auf eine leichte «Schwebung» identisch mit der Frequenz des Referenzstromes i_Ref . In diesem quasistationären Zustand erfolgt, dann eine Umschaltung auf den zweiten Stromrichter 20, wenn der Phasenwinkel Δα einen Schwellwert von z.B. 5° unterschritten hat.

[0022] In diesem Moment wird von der Vergleichsschaltung 30 ein Schaltsignal an den Schütz S0 abgegeben. Als elektromechanische Schütze S0 ist ein Wechsler- oder Umschaltschütz vorgesehen, der reine Umschaltzeiten in der Grössenordnung von 4 - 6 ms aufweist. Die Abfolge der mit elektromechanischen Schützen realisierten Schaltung ist in den Figuren 2a bis 2d dargestellt.

[0023] Figur 2a zeigt den Zustand des Hochlaufens einschliesslich der Schalterstellungen S0, S1 und S2 eines Motors Mx.

[0024] Figur 2b zeigt den Umschaltzustand unmittelbar nach dem Umschalten vom Robotumrichter 10 auf den Maschinenumrichter 20. Damit der Robotumrichter 10 für den Hochlauf eines anderen Motors My zur Verfügung steht, muss der Robotumrichter 10 vom soeben hochgelaufenen Motors Mx auch bezüglch des Punktes P getrennt werden; die letzte Trennung erfolgt dann mit dem Wechslerschütz S0.

[0025] Figur 2c zeigt den Schaltzustand, wo der hochgelaufene Motor Mx über zwei Pfade versorgt wird.

[0026] In Figur 2d ist schliesslich die Trennung des Punktes P vom Maschinenumrichter 10 dargestellt. In diesem Zustand ist der Robotumrichter frei für einen Neustart eines anderen Motors My. Für die Schalter S1 und S2 können relativ langsame, handelsübliche Bauelemente bzw. Schütze eingesetzt werden.

[0027] Die Vergleichsschaltung 30 kann mittels eines Mikroprozessors ausgebildet sein.

[0028] Nachstehend werden zwei besonders in den Figuren nicht dargestellte vorteilhafte Ausführungsformen dieser Erfindung erläutert.

[0029] Zum einen kann vorgesehen werden, die Ströme i_Ref und i₁ direkt auf einen Transformator mit zwei parallelen Primärwicklungen zuführen, die über einen Eisenkern mit einer weiteren Spule transformatorisch gekoppelt sind. Die Referenzlast 22 braucht im Betrag der Impedanz nicht identisch zu einem Motor Mx ausgelegt zu sein. Eine allfällige Abweichung kann durch die Wicklungszahl der einen der vorstehend erwähnten Spulen kompensiert werden.

[0030] Des weiteren kann die vorstehend erwähnte Ausführungsform mit einem LEM-Wandler ausgeführt sein, der als sogenannter Summenstromwandler für die Ströme i_Ref und i₁ ausgeführt sein. Auf diese Weise erhält man automatisch den gesuchten Stromsummenwert. Wenn dieser Stromsummenwert eine bestimmte Schwelle erreicht oder überschreitet, wird daraus ein Signal zur Einleitung der Umschaltung generiert. Diese vorteilhafte Ausführungsform kann des weiteren mit je einem Strom i_Ref bzw i₁ ausgeführt sein, die je durch eine entsprechende Referenzlast bestimmt sind wie dies vorstehend für den Strom i_Ref bereits erläutert wurde.

[0031] Damit eine grössere Motorbeschleunigung erreicht werden kann, wird der Robotumrichter 10 mit einer höheren Spannung gespeist, die beispielsweise über einen Vortrafo erzeugt wird. Um nach dem Hochlauf, aber vor dem Umschalten am Ausgang des Robotumrichters 10 die gleiche Spannung wie beim Maschinenumrichter 20 zu haben, wird die Einspeisung des Robotumrichters 10 - die im genannten Zustand einem erhöhten Spannungswert aufweist - abgeschaltet. Dadurch wird über die Diode 23 die Energieversorgung des Robotumrichters 10 mit der gleichen Spannung U2 vom Maschinenumrichter 20 unterbrechungsfrei vorgenommen.

Liste der verwendeten Bezugszeichen

[0032] 

10

Robotfrequenzumrichter, Robotumrichter, zur Versorgung eines Synchronmotors für den Hochlauf

11

Stromwandler, LEM-Wandler

20

Maschinenfrequenzumrichter, Maschinenumrichter, zur Versorgung mehrerer Synchronmotoren

21

Stromwandler, LEM-Wandler

22

Induktive Ersatzlast, anstelle eines Synchronmotors

23

Ventil, Diode zur Kopplung der beiden Gleichstromzwischenkreise

24₁, 24₂

Gleichstromzwischenkreis von Frequenzumrichter 10 bzw. 20

25

Öffentliches Energieversorgungsnetz

30

Vergleichsschaltung zur Auswertung von i_Ref und i₁

i₁

i₁ = i₁(t); vom Frequenzumrichter 10 abgegebener Strom oder ein diesen Strom repräsentierendes Signal

i_Ref

i_Ref = i_Ref(t); Referenzstrom beim stationären Betrieb ein diesen Referenzstrom repräsentierendes Signal

M1, M2, M3, M4; Mx, My

Synchronmotoren

S0

Wechslerschütz, Umschalter

S1, S2

Schalter, Schütze

Liste der verwendeten Akronyme

[0033] 

MOSFET

Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor

IGBT

Insulated Gate Bipolar Transistor
Bipolarer Transisitor mit isoliert angeordneter Ansteuer-Elektrode

Liste der referenzierten Schriften

[0034] DE 100 60 561 A1, Offenlegungstag: 6. Juni 2002
   «Hauptantrieb für eine Spinnmaschine»
   Spindelfabrik Süssen Schurr, Stahlecker & Grill GmbH 73079 Süssen, DE.

[0035] DE 40 10 376 A1, Offenlegungstag: 2. Oktober 1991
   «Antrieb, insbesondere Einelspinelantrieb für eine Arbeitsstelle einer Ringspinnmaschine»
   Warbinek, Kurt, Prof. Dr. Ing., 7332 Eislingen, DE.

[0036] EP 1 205 588 A1. Veröffentlichungstag 15. Mai 2002
   «Steuerung von Spinnstellen in einer Spinnmaschine»
   Maschinenfabrik Rieter AG, 8406 Winterthur.

Ansprüche

1. Verfahren zur Umschaltung eines Synchronmotors (M1) von einem ersten Frequenzumrichter (10) auf einen zweiten Frequenzumrichter (20), wobei der erste Frequenzumrichter (10) für den Hochlauf des zu speisenden Synchronmotors (M1) und der zweite Frequenzumrichter (20) für den stationären Betrieb von mehreren zu speisenden Synchronmotoren (M1, M2, M3, ..) vorgesehen sind, und wobei nach Erreichen der Solldrehzahl des hochgelaufenen Synchronmotors (M1) die Umschaltung vom ersten (10) auf den zweiten Frequenzumrichter (20) erfolgt;
gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte,

A vom ersten Frequenzumrichter (10) wird ein Signal (i₁) einer Vergleichsschaltung (30) zugeführt, das den Strom (i₁) repräsentiert, der dem hochlaufenden Synchronmotor (M1) zugeführt wird;

B vom zweiten Frequenzumrichter (20) wird ein einen Referenzstrom (i_Ref) repräsentierendes Signal (i_Ref) der Vergleichsschaltung (30) zugeführt;

C in der Vergleichsschaltung (30) werden die beiden zugeführten Signale (i₁,i_Ref) hinsichtlich Frequenz und/oder Phasenlage (Δα) verglichen;

D bei Übereinstimmung der beiden Signale erfolgt eine Umschaltung des hochgelaufenen Motors (M1) vom ersten (10) auf den zweiten Frequenzumrichter (20).

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Verfahrensschritt D als Übereinstimmung hinsichtlich Phasenlage (Δα) ein Wert unterhalb von 10° vorgesehen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
für die Verfahrensschritte A und B als Signale die Ströme selbst der Vergleichsschaltung (30) zugeführt und dass als Vergleichsschaltung ein Transformator mit zwei parallelen Primärwicklungen oder ein Summenstromwandler vorgesehen ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Verfahrensschritt D als Übereinstimmung ein Überschreiten eines bestimmter Schwellwert der Ausgangsgrösse von Transformator oder Summenstromwandler vorgesehen ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
für die Verfahrensschritte A und B als Signale Ströme der Vergleichsschaltung (30) zugeführt werden, wobei diese Ströme je durch eine Referenzimpendanz bestimmt sind und die Referenzimpedanz auf die Impedanz der Synchronmotoren (M1, M2, M3, ..) abgestimmt ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet , dass
pro Synchronmotor (M1, M2, M3, ..) je zwei weitere Schalter (S1, S2) vorgesehen sind, um im Verfahrensschritt D den betreffenden Synchronmotor (My) vom ersten (10) oder vom zweiten Frequenzumrichter (20) abzutrennen.

7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Verfahrensschritt D nach erfolgter Umschaltung auf den zweiten Frequenzumrichter (20) temporär die beiden weiteren Schalter (S1, S2) geschlossen sind und erst dann der eine (S1) der beiden weiteren Schalter geöffnet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste (10) oder zweite Frequenzumrichter (20) mit einem gemeinsamer Gleichstromzwischenkreis (24₁, 24₂) über eine Diode (23) koppelbar sind, wobei die Kopplung im Verfahrensschritt D bei Abschaltung der Netzeinspeisung (25) des ersten Frequenzumrichters (10) erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
dem ersten Frequenzumrichter (10) bei der Netzeinspeisung (25) ein Vortransformator vorgeschaltet ist, um eine gegenüber dem zweiten Frequenzumrichter (20) höhere Spannung (U1, U2) im Gleichstromzwischenkreis (241) zu erhalten.

10. Textilmaschine, insbesondere Luftspinnmaschine, mit mehreren Spinnstellen und mindestens zwei Frequenzumrichter (10, 20) zum Betreiben von mehreren Synchronmotoren (M1, M2, M3, ..), dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung von einem Frequenzumrichter (10) auf einen weiteren Frequenzumrichter (20) nach einem der vorangehenden Verfahren erfolgt.

Zeichnung