[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
24
1 bzw. 24
2 auf, wobei die Gleichstromzwischenkreis 24
1 bzw. 24
2 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 i
1 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 i
1 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 i
1 repräsentierende Signal i
Ref und i
1 der Vergleichschaltung 30 zugeführt. In der Notation dieser Schrift wird nicht streng
unterschieden zwischen den Strömen i
Ref und i
1 und den diesen Ströme repräsentierenden Signale i
Ref und i
1.
[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
i
1 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
i
1 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 i
1 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 i
1 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 i
1 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 iRef und i1
- i1
- i1 = i1(t); vom Frequenzumrichter 10 abgegebener Strom oder ein diesen Strom repräsentierendes
Signal
- iRef
- iRef = iRef(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.
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 (iRef) repräsentierendes Signal (iRef) der Vergleichsschaltung (30) zugeführt;
C in der Vergleichsschaltung (30) werden die beiden zugeführten Signale (i1,iRef) 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.