DE1591852C3 - Verfahren zum Messen der Differenzfrequenz zwischen Ständerdrehfeldfrequenz und Rotorfrequenz einer Asynchronmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen der Differenzfrequenz zwischen Ständerdrehfeldfrequenz und Rotorfrequenz einer Asynchronmaschine, wobei zwei Hauptwechselspannungen, deren Frequenzen gleich oder proportional der Ständerdrehfeldfrequenz bzw. der Rotordrehfrequenz sind, digital meßtechnisch verarbeitet werden.

Bei Drehstromkurzschlußläufermotoren hoher Regelgüte wird oft die Differenzfrequenz zwischen Ständerdrehfeldfrequenz und Rotorfrequenz, auch Schlupffrequenz genannt, zu Regelzwecken benötigt.

Es sind verschiedene Verfahren und Einrichtungen bekannt, die dazu bestimmt sind, die Schlupffrequenz oder den Schlupf von Asynchronmaschinen zu messen.

Bei einer bekannten Einrichtung bildet man die Differenz einer Gleichspannung, die der synchronen Drehzahl der Asynchronmaschine proportional ist und einer der wirklichen Drehzahl der Maschine proportionalen Gleichspannung. Hierbei kann zur Darstellung ein als Gleichstrommaschine wirkender, mit dem als Permanentmagnet ausgebildeten Ständer versehener Tachodynamo, der mit der Welle der Asynchronmaschine gekuppelt ist, verwendet werden, wie er beispielsweise in der deutschen Patentschrift 10 93 893 beschrieben ist Die der synchronen Drehzahl proportionale Gleichspannung kann mit Hilfe einer geeigneten Schaltung durch eine frequenzproportionale Umsetzung der Speisewechselspannung der Maschine in einer Gleichspannung gebildet werden, wobei die Proportionalitätsfaktoren der beiden Gleichspannungsdarstellungen aufeinander abgeglichen sein müssen.

Diese mit einer solchen Einrichtung durchgeführte Methode der Schlupfmessung hat jedoch den Nachteil, daß als Schlupfwert eine relativ kleine Größe aus der .Differenz zweier wenig verschiedener Gleichspannungen abgeleitet werden muß. Die Meßmethode ist daher ungenau.

Bekannt ist auch ein Verfahren (DD-PS 45 197), bei dem zur Schlupffrequenzmessung zwei Wechselspannungen, deren Frequenzen gleich oder proportional der Ständerdrehfeldfrequenz bzw. der Rotordrehfrequenz sind, digital meßtechnisch verarbeitet werden. Gegenüber den Wechselspannungen phasenverschobene Hilfswechselspannungen werden nicht für die weitere Messung eingesetzt, und durch die digitale Anzeige der Messung ■ erfolgt eine Totzeit zur Feststellung der Differenz.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Mangel der bisherigen Schlupffrequenzmeßgeräte zu beheben und die Schlupffrequenz auch dann richtig zu erfassen, wenn die Schlupffrequenz größer ist als die Synchronfrequenz oder die Drehzahl der Asynchronmaschine.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zwei Hauptwechselspannungen U\ und U₂

zusammen mit Hilfswechselspannungen £/i/,und
Vorrichtungen gegeben werden, wobei Uu, gegenüber U\ und Lkh gegenüber Uz um 90° el phasenverschoben •ist und das eine Vorzeichen der Phasenverschiebung der einen Drehrichtung und das andere Vorzeichen der anderen Drehrichtung von Ständerfeld bzw. Rotor zugeordnet ist, daß in den Vorrichtungen die Vorzeichen der Phasenlage zwischen Haupt- und Hilfswechselspannungen in Abständen von 180° el geprüft und die Spannungen U₁ und Uz in Impulse mit den doppelten Frequenzen 2 f\ und 2 f₂ umgeformt werden, daß ferner diese Impulse mit der Frequenz £ bzw. U auf Umschalter gegeben werden, die mittles von den Vorrichtungen gelieferten Hilfssignale in der Weise gesteuert werden, daß bei gleichsinnigem Umlauf von Ständerdrehfeld und Rotor die Impulse auf verschiedene Eingänge und gegensinnigen Umlauf auf nur einen Eingang eines Frequenzdifferenzbildners gegeben werden, der so eingerichtet ist, daß er die Differenz der an den Eingängen erscheinenden Impulsfrequenzen bildet, so daß bei gleichsinnigem Umlauf die Differenz der Impulsfrequenzen gebildet wird und diese, je nach dem, ob /1 > /2 oder fz>f\ ist, auf den einen oder den anderen Eingang eines Frequenzspannungswandlers gibt, der ein der Impulsfrequenz proportionales und in Abhängigkeit vom Anstehen der Impulsfrequenz am Eingang oder Eingang ein positives oder negatives Gleichspannungssignal abgibt, und daß im Falle des gegensinnigen Umlaufes die nur an einem Eingang anstehenden Impulse direkt an den Frequenzspannungsumwandler weitergegeben werden.

Die Bildung der Differenzfrequenz geschieht mittels einer Einrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß zwei bistabile Kippschaltungen und zwei logische Auswerteeinrichtungen vorgesehen sind, wovon die eine bistabile Kippschaltung zwei dynamische, die Eingänge des Frequenzdifferenzbildners darstellende Eingänge und zwei Ausgänge und die andere bistabile Kippschaltung zwei Vorwahleingänge, zwei dynamische Eingänge und zwei Ausgänge aufweist, während die Auswerteeinheiten mit je zwei Vorwahleingängen, einem dynamischen Eingang und einem Ausgang versehen sind, daß der eine Eingang der ersten Kippstufe sowohl an den dynamischen Eingang der ersten Auswerteeinrichtung als auch an den einen dynamischen Eingang der zweiten Kippschaltung angeschlossen ist, während der andere dynamische Eingang der ersten Kippschaltung mit dem zweiten dynamischen Eingang der zweiten Kippschaltung und dem dynamischen Eingang der zweiten Auswerteeinheit verbunden ist, daß ferner die Ausgänge der ersten Kippstufe auf die Vorwahleingänge der zweiten Kippstufe und je einem der Vorwahleingänge der Auswerteeinheiten zugeführt und die anderen Vorwahleingänge der Auswerteeinheiten mit den Ausgängen der zweiten Kippschaltung verbunden sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigt

F i g. 1 das Prinzipschaltbild eines nach dem beschriebenen Verfahren arbeitenden Schlupffrequenzmeßgerätes,

F i g. 2 das Schaltbild des Frequenzdifferenzbildners.

Die beiden Vorrichtung 1 und 2 sind mit je zwei Eingängen 3,4 bzw. 5,6 und zwei Ausgangsleitungen 7, 8 bzw. 9,10 versehen. Außerdem sind beide Vorrichtungen über die Leitungen 11 und 12 miteinander verbunden. Die Leitungen 8 bzw. 9 sind den Eingängen der Umschalter 13 bzw. 14 zugeführt, während die Leitungen 7 bzw. 10 an die Steuereingänge dieser Umschalter angeschlossen sind. Die Ausgänge der Umschalter 13,14 sind ebenfalls über zwei Leitungen 15, 16 miteinander verbunden, von denen die Leitung 16 an den Eingang 17 und die Leitung 15 an den Eingang 18 des Frequenzdifferenzbildners 19 angeschlossen ist. Der Frequenzdifferenzbildner 19 besitzt zwei Ausgänge 20, 21, die mit den Eingängen 22, 23 eines Frequenz-Spannungs-Umsetzers 24 verbunden sind.

Der Vorrichtung 1 werden die Spannungen U\ und t/inzugeführt.

Die Frequenzen dieser Spannung sind entweder gleich der Frequenz f_st der Ständerspannung des Asynchronmotors bzw. der Ständerdrehfeldfrequenz oder gleich einer Frequenz die um einen konstanten, ganzzahligen Faktor K von der Ständerfrequenz abweicht Zwischen den beiden Spannungen U\ und U\h, von denen U\ als »Hauptspannung« und Uu, als »Hilfsspannung« bezeichnet werden soll, besteht eine Phasenverschiebung von ±90° el. Das Vorzeichen der Phasenverschiebung hängt von der Drehrichtung des Ständerfeldes ab, beispielsweise ist bei einem sich relativ zum Ständer im Uhrzeigersinn drehenden Feld das Vorzeichen +90° el, während es bei einem sich im Gegenuhrzeigersinn drehenden Feld —90° el ist

Analog werden der Vorrichtung 2 die Spannungen Uz und Uzh zugeführt deren Frequenz entweder gleich der Frequenz /„ des Läufers oder gleich einem ganzzahligen Vielfachen K davon ist Zwischen den Spannungen Uz und Uzh besteht ebenfalls, je nachdem ob sich der Läufer relativ zum Ständer im Uhr- oder im Gegenuhrzeigersinn bewegt eine Phasenverschiebung von ±90° el. In den Vorrichtungen 1 und 2 wird sowohl festgestellt, ob positive oder negative Phasenverschiebung der Hilfsspannungen gegenüber den Hauptspannungen vorliegt als auch die Hauptspannungen U\ und Ui in Impulse mit der doppelten Frequenz verwandelt Diese Impulse mit den Frequenzen

2 - Kfs,bzw.2 K ■ f„(K = 1,2...n)

können über die Leitungen 11, 12 in ihrer zeitlichen Folge verschoben werden. Drehen sich das Drehfeld der Ständerspeisung und der Läufer der Asynchronmaschine beide gleichsinnig, entweder im Uhr- oder im Gegenuhrzeigersinn, so senden die Vorrichtungen 1 und 2 über die Leitungen 7 und 10 Signale aus, die die Umschalter 13 und 14 entweder in dem Sinne bestätigen, wie er in der Zeichnung dargestellt ist, oder in die entgegengesetzte Lage bringen. Dadurch wird erreicht, daß die Impulse mit der doppelten Frequenz der Spannungen U\ bzw. t/₂ auf die verschiedenen Eingänge 17 bzw. 18 des Frequenzdifferenzbildners 19 gegeben werden. Stimmt dagegen die Drehfeldrichtung der Ständerspannung nicht mit der Rotordrehrichtung überein, so wird entweder der Umschalter 13 oder der Umschalter 14 umgeschaltet, so daß beide Impulsfrequenzen auf nur einen der Eingänge 17 bzw. 18 des Frequenzdifferenzbildners 19 gegeben werden. Die Verdoppelung der Frequenzen K ■ f_st bzw. K · f„ dient zur Vermeidung von Fehlanzeigen. Wird nämlich nur alle 360° el die Phasenverschiebung zwischen U\ und U\h geprüft, so kann es vorkommen, daß bei der Frequenz Null der beiden Spannungen die in der Spannung U\ enthaltenen Oberwellen so verarbeitet werden, als seien sie die Grundwelle der Hauptspannung. Der Umschalter 13 bleibt in diesem Falle z. B. in

der eingezeichneten Stellung und gibt die Oberwellenfrequenz auf den Eingang 18 des Frequenzdifferenzbildners 19. Findet dagegen die Überprüfung der Phasenlagen alle 180° el statt, so werden bei aus Oberwellen gebildeten Zusatzimpulsen in den Vorrichtungen 1 und 2 im Augenblick des Abfragens Signale auf die Leitungen 7 bzw. 10 gegeben, die bewirken, daß die Umschalter 13 und 14 im Rythmus der Abfragefrequenz umgeschaltet werden. Damit erscheinen aber die durch die Oberwellen erzeugten Impulsfrequenzen einmal am Eingang 17 ι ο und einmal am Eingang 18 des Frequenzdifferenzbildners. Da beide Eingänge mit derselben Frequenz beaufschlagt werden, hebt sich also der Fehler auf.

Die Vorrichtungen 1 und 2 sind so miteinander gekoppelt, daß ihre Ausgangsimpulse nicht zusammenfallen, sondern nur zeitlich verschoben die beiden Ausgänge verlassen. Dies ist deshalb erforderlich, weil sonst die gleichzeitig die beiden Vorrichtungen 1 und 2 verlassenden Impulse zu einem Impuls verschmelzen könnten. Dadurch entstünden dann Meßfehler, wenn die Impulse über die Umschalter 13 und 14 auf den gleichen Eingang des Impulsdifferenzmeßgerätes gegeben würden. Nimmt man nun an, die Drehrichtungen von Ständerfeld und Rotor stimmten überein, so werden die Impulsfrequenzen 2 Kf_st und 2 Kf_n auf verschiedene Eingänge des Frequenzdifferenzbildners 19 gegeben, voneinander subtrahiert und anschließend auf den Frequenz-Spannungs-Umsetzer 24 gegeben. Dieser gibt am Ausgang 25 eine der Impulsfrequenz proportionale Spannung ab, und zwar je nachdem ob die Impulse an dem einen oder anderen seiner Eingänge erscheinen eine positive oder negative Gleichspannung. Da die Impulsfrequenz /"= 2 Kf_s, -2Kf_n = /3 —/4 der Relativfrequenz, mit der das Ständerdrehfeld über den Läufer hinwegläuft, proportional ist, erhält man am Ausgang des Frequenz-Spannungs-Umsetzers die wichtige Größe /= C(fst—fn) als Gleichspannung dargestellt Stimmt die Drehrichtung des Ständerfeldes mit der des Rotors nicht überein, so gelangen die Impulse von den Vorrichtungen 1 und 2 über die Umschalter 13 und 14 zu nur einem Eingang des Frequenzdifferenzbildners 19, passieren diesen ungehindert und erreichen einen der beiden Eingänge 22, 23 des Frequenz-Spannungs-Umsetzers 24. Es gelangen also auf einen Eingang des Frequenzdifferenzbildners und damit zum Eingang des Frequenz-Spannungs-Wandlers die Frequenzen 2 Kfs, = /3 und 2 Kf_n = /4, also 2 K(f_st + Qbzw.k + U-Diese Größe entspricht der Relativfrequenz zwischen Ständerdrehfeld und Läufer. Im Frequenz-Spannungs-Umsetzer werden die Impulse in negative oder positive Gleichspannungen umgewandelt. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die Zusammenhänge zwischen den Drehrichtungen und Frequenzen von Rotor und Ständerfeld sowie der Polarität der Ausgangsgleichspannung.

Richtung des Richtung des Verhältn. der Polarität

Ständer- Läufers Frequenzen d. der Ausdrehfeldes beiden Haupt- gangsgleich-

spannungen spannung

65

Rechtsdrehfeld	Linkslauf	fs&fn	positiv
Rechtsdrehfeld	Rechtslauf	fst>fn	positiv
Rechtsdrehfeld	Rechtslauf	fsi<fn	negativ
Linksdrehfeld	Linkslauf	fst>fn	negativ
Linksdrehfeld	Linkslauf	fs,<fn	positiv
Linksdrehfeld	Rechtslauf	fs,>fn	negativ

In der Zeichnung ist dargestellt, daß für f₃ > /4 bz\ fi, > fs jeweils auf einen anderen Eingang geschaltet wire

Der Frequenzdifferenzbildner 19 der Fig. 1 besteh nach Fig. 2 aus zwei bistabilen Kippschaltungen 26,2 und zwei Auswerteeinheiten 28, 29. Die bistabil Kippschaltung 26 besitzt zwei dynamische Eingänge 3(

31 und zwei Ausgänge 32, 33, während die bistabil. Kippschaltung 27 vier Eingänge 34,35,36,37 von denei 34 und 36 dynamisch sind und zwei Ausgänge 38, 3! aufweist. Die Auswerteeinheiten 28,29 sind gleichartij aufgebaut Sie beistzen je drei Eingänge 40,41,42 bzw 43, 44, 45 und je einen Ausgang 46 bzw. 47. Der eint Eingang 30 der bistabilen Kippstufe 26 ist mit den Eingang 34 der bistabilen Kippstufe 27 und mit den Eingang 40 der Auswerteeinheit 28 verbunden, wahrem der andere Eingang 31 zu dem Eingang 36 der Stufe 2'. und dem Eingang 45 der Einheit 29 führt. Der Ausgang

32 der Kippstufe 26 ist an den Eingang 35 der Kippstufe

27 und an den Eingang 41 der Auswerteeinheit 28, dei Ausgang 33 der Kippstufe 26 an den Eingang 37 dei Kippstufe 27 und an den Eingang 44 der Auswerteeinheit 29 angeschlossen. Die Ausgänge 38, 39 dei Kippstufe 27 sind den Eingängen 42 bzw. 44 der Auswerteeinheiten 28,29 zugeleitet.

Geht man von den Tatsachen aus, daß bei unterschiedlichen Frequenzen J₃ und 4 beispielsweise h>U, innerhalb eines bestimmten Zeitabschnittes am Eingang 30 ein Impuls mehr auftritt als am Eingang 31 und daß die Auswerteeinheiten 28, 29 nur dann einen Impuls an ihren Ausgängen 46 bzw. 47 abgeben, wenn vor Erscheinen eines Impulses an dem Eingang 30 bzw. 31 an beiden Vorwahleingängen 41, 42 bzw. 43, 44 ein O-Signal stand, so geschieht die Differenzfrequenzbildung auf folgende Weise. Bevor der zusätzliche Impuls auf den Eingang 30 der bistabilen Kippstufe auftrifft wechseln die Signale an den Ausgängen 32, 33 fortwährend von L auf O und umgekehrt, da immer an dem Ausgang ein 0-Signal ansteht, an dessen zugehörigen Eingang ein Impuls erscheint Dadurch wird erreicht, daß immer derjenige der Vorwahleingänge 41 bzw. 45 mit einem L-Signal beaufschlagt ist, an dessen Setzeingang 40 bzw. 45 bei abwechselnd an den Eingängen 30 und 31 erscheinenden Impulsen der nächste Impuls auftritt. Bei auf den Eingängen 30 und 31 abwechselnd erscheinenden Impulsen werden also von keinem der Ausgänge 46 bzw. 47 der Auswerteeinheiten

28 und 29 Impulse abgegeben. Es werde vorausgesetzt, daß an dem Ausgang 38 ein 0-Signal und an 39 ein L-Signal anstehe. Kommt nun der zusätzliche Impuls auf den Eingang, so kann er die Auswerteeinheit 28 passieren, da durch den letzten Impuls der Ausgang 32 auf 0-Signal gestellt wurde und an dem Ausgang 28, wie oben angenommen, ebenfalls ein 0-Signal abgegeben wird.

Die bistabile Kippstufe 27 speichert, an welchem der beiden Eingänge 30, 31 die größere Impulsfrequenz ansteht. Wird nun beispielsweise U>h, so unterdrückt die Kippstufe 27 den ersten überzähligen Impuls am Eingang 31, der normalerweise die zugehörige Auswerteeinrichtung 29 passieren könnte. Damit werden hochfrequente Pendelungen der Eingangsimpulsfrequenzen des Frequenzbildners 19 unterdrückt, die von Oberwellen in den Hauptspannungen U\ und U₂ oder durch ungleiche Rasterabstände in einem mit der Maschinenwelle der Asynchronmaschine gekuppelten Impulsgeber hervorgerufenen Frequenzpendelungen stammen. Durch diese Maßnahme gibt der Frequenzdifferenzbildner nur die Differenz der beiden Eingangs-

frequenzen an seinen Ausgang ab und nicht noch zusätzlich diese Frequenzpendelungen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Differenzfrequenz zwischen Ständerdrehfeld und Rotor einer Asynchronmaschine bei allen möglichen Drehrichtungen richtig erfaßt werden kann, der Einfluß der Oberwellen, die in den die

Ständerdrehfeldfrequenz bzw. Rotorfrequenz abbildenden Hauptspannungen auftreten können, auf die Meßgenauigkeit ausgeschaltet ist und die Differenzfrequenz auch dann noch richtig gemessen wird, wenn entweder die Ständerdrehfeldfrequenz oder die Rotorfrequenz oder beide kleiner als die Differenzfrequenz sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Messen der Differenzfrequenz zwischen Ständerdrehfeldfrequenz und Rotorfrequenz einer Asynchronmaschine, wobei zwei Hauptwechselspannungen, deren Frequenzen gleich oder proportional der Ständerdrehfeldfrequenz bzw. der Rotordrehfrequenz sind, digital meßtechnisch verarbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Hauptwechselspannungen U\ bzw. U₂ zusammen mit Hilfswechselspannungen Uu, und U₂t, auf Vorrichtungen (1,2) gegeben werden, wobei Uu, gegenüber U₂ um 90° el phasenverschoben ist und das eine Vorzeichen der Phasenverschiebung der einen Drehrichtung und das andere Vorzeichen der anderen Drehrichtung von Ständerfeld bzw. Rotor zugeordnet ist, daß in den Vorrichtungen (1, 2) die Vorzeichen der Phasenlagen zwischen Haupt- und Hilfswechselspannungen in Abständen von 180° el geprüft und die Spannungen U\ und U₂ in Impulse mit den doppelten Frequenzen 2 f\ und 2 f₂ umgeformt werden, daß ferner diese Impulse mit der Frequenz h bzw. U auf Umschalter (13,14) gegeben werden, die mittels von den Vorrichtungen (1, 2) gelieferten Hilfssignalen (7, 10) in der Weise gesteuert werden, daß bei gleichsinnigem Umlauf von Ständerdrehfeld und Rotor die Impulse auf verschiedene Eingänge (17, 18) und gegensinnigen Umlauf auf nur einen Eingang (17 oder 18) eines Frequenzdifferenzbildners (19) gegeben werden, der so eingerichtet ist, daß er die Differenz der an den Eingängen (17,18) erscheinenden Impulsfrequenzen (fs, /») bildet, so daß bei gleichsinnigem Umlauf die Differenz der Impulsfrequenzen gebildet wird und diese, je nach dem ob, /j >f₂ oder f₂>f\ ist, auf den einen (22) oder den anderen (23) Eingang eines Frequenzspannungsumwandlers (24) gibt, der ein der Impulsfrequenz proportionales und in Abhängigkeit vom Anstehen der Impulsfrequenz am Eingang (23) oder Eingang (22) ein positives oder negatives Gleichspannungssignal abgibt, und daß im Falle des gegensinnigen Umlaufes die nur an einem Eingang (17 oder 18) anstehenden Impulse (h bzw. /4) direkt an den Frequenzspannungswandler (24) weitergegeben werden.

2. Differenzfrequenzbildner zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei bistabile Kippschaltungen (26,27) und zwei logische Auswerteeinrichtungen (28,29) vorgesehen sind, wovon die eine bistabile Kippschaltung (26) zwei dynamische, die Eingänge (17, 18) des Frequenzdifferenzbildners darstellenden Eingänge (30, 31) und zwei Ausgänge (32, 33) und die andere bistabile Kippschaltung (27) zwei Vorwahleingänge (35,37), zwei dynamische Eingänge (34,36) und zwei Ausgänge (38,39) aufweist, während die Auswerteeinheiten (28,29) mit je zwei Vorwahleingängen (41, 42); (43, 44) einem dynamischen Eingang (40); (45) und einem Ausgang (46); (47) versehen sind, daß der eine Eingang (30) der ersten Kippstufe (26) sowohl an den dynamischen Eingang (40) der ersten Auswerteeinrichtung (28) als auch an den einen dynamischen Eingang (34) der zweiten Kippschaltung (27) angeschlossen ist, während der andere dynamische Eingang (31) der ersten Kippschaltung (26) mit dem zweiten dynamischen Eingang (36) der zweiten Kippschaltung (27) und dem dynamischen Eingang (45) der zweiten Auswerteeinheit (29) verbunden ist, daß ferner die Ausgänge (32, 33) der ersten Kippstufe (26) auf die Vorwahleingänge (35, 37) der zweiten Kippstufe (27) und je einem der Vorwahleingänge (41, 44) der Auswerteeinheiten (28,29) zugeführt und die anderen Vorwahleingänge (42, 43) der Auswerteeinheiten (28, 29) mit den Ausgängen (38, 39) der zweiten Kippschaltung (27) verbunden sind.