DE19805643A1 - Vorrichtung und Verfahren zum drehzahlsynchronisierten Betrieb einer Asynchronmaschine - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung und ein Verfahren zum drehzahlsynchronisierten Betrieb einer Asynchronmaschine, die insbesondere zum Einsatz mit Windkonvertern zum Laden von Akkumulatoren ausgelegt ist, und einen Kurzschlußläufer und einen Oszillator zur Erzeugung einer Wechselspannung zur Versorgung der Asynchronmaschine mit einem Magnetisierungsstrom aufweist, soll dahingehend verbessert werden, daß ein günstiger Betrieb der Asynchronmaschine auch bei unterschiedlichen Frequenzen der Asynchronmaschine möglich ist, die beispielsweise durch sich ändernde Windstärken verursacht werden. Dazu ist eine Einrichtung zur Messung der Drehzahl der Asynchronmaschine vorgesehen, die in funktionaler Verbindung mit dem Oszillator steht. Der Oszillator ist dabei mit einer Steuerung verbunden, die die Ständerwicklungen der Asynchronmaschine in der Weise speist, daß ein negativer Schlupf der Asynchronmaschine erzielt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum drehzahlsyn­ chronisierten Betrieb einer Asynchronmaschine, insbesondere zum Einsatz mit Windkonvertern zum Laden von Akkumulatoren, mit einem Kurzschlußläufer und einem Oszillator zur Erzeugung einer Wechselspannung zur Versorgung der Asynchronmaschine mit einem Magnetisierungsstrom. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Ver­ fahren zum drehzahlsynchronisierten Betrieb einer Asynchronma­ schine.

Asynchronmaschinen werden überwiegend als Motoren in Haus­ haltsgeräten verwendet. Treibt man einen solchen Motor jedoch an, so daß der Läufer schneller rotiert als das Ständerdreh­ feld, wird der Schlupf negativ. Der Schlupf ist definiert als die Differenz aus Drehfeld-Drehzahl und Läufer-Drehzahl geteilt durch die Drehfeld-Drehzahl. Ist das Ergebnis dieser Gleichung größer als Null, so arbeitet die Asynchronmaschine als Motor. Wird dieses Verhältnis kleiner als Null, so arbeitet die Asyn­ chronmaschine als Generator. Eine solche Asynchronmaschine kann je nach Betrieb, also entweder als Generator oder als Motor ar­ beiten. Im Folgenden wird aufgrund des beabsichtigten Einsatzes überwiegend von einem Asynchrongenerator gesprochen, obwohl grundsätzlich auch ein Einsatz im Motorbetrieb möglich ist.

Bisher sind solche Asynchrongeneratoren ganz überwiegend selbsterregt betrieben worden, was bedeutet, daß beispielsweise eine Kondensatorbatterie parallel zu den Ständerspulen des Asynchrongenerators geschaltet wird, so daß insgesamt ein Schwingkreis gebildet ist. Bei angetriebenem Läufer wird der Schwingkreis durch einen Stromstoß angeregt und nach einer kur­ zen Einschwingzeit stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein. Ein Beispiel für einen selbsterregten Asynchrongenerator ist in der EP 0 130 242 A1 beschrieben. Ein netzunabhängiger dreh­ zahlsynchronisierter Betrieb ist mit selbsterregten Asynchron­ generatoren jedoch nur begrenzt möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Asynchron­ maschine der eingangs genannten Art zu schaffen, die auch bei Drehzahlschwankungen besonders gut einsetzbar ist. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum drehzahlsynchronisierten Betrieb einer Asynchronmaschine zu schaffen.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Ein Verfahren zur Lösung dieser Aufgabe ist im Patent­ anspruch 17 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfin­ dung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Dabei ist für die Erfindung wesentlich, daß in einer Vor­ richtung der eingangs genannten Art eine Einrichtung zur Mes­ sung der Drehzahl der Asynchronmaschine vorhanden ist, daß die Einrichtung zur Messung der Drehzahl der Asynchronmaschine funk­ tional mit dem Oszillator verbunden ist, und daß der Oszillator mit einer Steuerung verbunden ist, die einen solchen Ma­ gnetisierungsstrom erzeugt, insbesondere die Ständerwicklungen der Asynchronmaschine in der Weise speist, daß ein bestimmter Schlupf der Asynchronmaschine erzielbar ist. Insbesondere wird mit dieser Steuerung bzw. Regelschleife ein ganz bestimmter negativer Schlupf erzielt, der durch die Regelung konstant gehalten werden kann.

Anders ausgedrückt kann der wesentliche Gedanke auch darin gesehen werden, daß eine regelbare Kondensatorbatterie mit einem regelbaren Blindstromlieferanten geschaffen wird.

Bei den bisher eingesetzten selbsterregten Asynchronma­ schinen soll eine Kondensatorbatterie den Magnetisierungsstrom liefern. Hierzu wird der erzeugte Wirkstrom durch die Kon­ densatorbatterie um 90° phasenverschoben. Bei einer Änderung der Motordrehzahl muß die Kondensatorbatterie eine andere Kapazität aufweisen. Das gilt ebenso für Belastungsänderungen. Das Problem einer derartigen selbsterregten Asynchronmaschine liegt darin, daß der Magnetisierungsstrom nur durch Ventile geregelt werden kann. Der Stromfluß zwischen Kondensa­ torbatterie und Ständerwicklung muß geregelt werden, da der Blindstrom durch eine konstante Kapazität erzeugt wird. Wei­ terhin muß die Leistungsentnahme drehzahlabhängig erfolgen, da der Magnetisierungsstrom nicht zu schwach werden darf.

Erfindungsgemäß ist es möglich, die Kapazität zu regeln, so daß ein optimaler Magnetisierungsstromfluß möglich ist. Der Magnetisierungsstrom ist dabei der Blindstrom. Dabei wird der zugeführte Blindstrom in Abhängigkeit von der Rotorfrequenz der Asynchronmaschine geregelt. Der drehzahlabhängige Blindstrom liefert also auch einen optimalen Magnetisierungsstrom. Der Wirkstrom, der von der Asynchronmaschine erzeugt wird, wird durch die Rückführung der Energie durch elektronische Schalter in einen Blindstrom gewandelt. Da die Wirkleistung höher als die benötigte Blindleistung ist, kann die überschüssige Energie dem Netz zugeführt werden. Durch die gegensinnigen Wicklungen wird eine Plus/Minus-Spannung an der Asynchronmaschine realisiert.

Asynchrongeneratoren zeichnen sich allgemein durch nied­ rige Kosten und eine hohe Lebensdauer aus. Der vorliegende Asynchrongenerator ist insbesondere zum Einsatz mit Windkon­ vertern zum Laden von Akkumulatoren, insbesondere auf Segel­ booten geeignet, wobei die durch den Wind entstehende un­ gleichmäßige Drehzahl des Asynchrongenerators durch die Regelung berücksichtigt wird, indem die Oszillator-Frequenz geändert werden kann, mit der der Kurzschlußläufer des Asynchrongenerators gespeist wird und dadurch auch der Schlupf beeinflußt wird. Außerdem ist mit der erfindungsgemäßen Vor­ richtung zum Betrieb des Asynchrongenerators ein "Inselbetrieb" möglich, da der Oszillator auch batteriebetrieben sein kann und günstigerweise eine Rechteckspannung liefert und daher kein Stromnetz zur Bereitstellung eines Blindstromes benötigt wird.

Der erfindungsgemäße Asynchrongenerator kann in großen Berei­ chen eingesetzt werden. So können nahezu alle permanent erreg­ ten Synchrongeneratoren ersetzt werden, die ein Spannungsnetz speisen sollen, wie z. B. kleine Windkonverter, Notstrom­ aggregate u. a. Auch der Einsatz in Kraftfahrzeugen als Licht­ maschine und in Schiffen ist möglich, wobei sich hier als Vor­ teile ein höherer Wirkungsgrad, eine billigere Herstellung und eine nur durch die Lager begrenzte Lebensdauer ergeben. Auf­ grund des höheren Wirkungsgrades sind auch kleinere Abmessungen möglich.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist an die Steuerung ein Phasenschieber angeschlossen. Dabei wird bevorzugt ein Logikgatter verwendet, da es eine feste Pha­ senverschiebung aufweist, wobei im Ergebnis bei einem zweipha­ sigen Asynchrongenerator eine Phasenverschiebung von 90° und bei einem dreiphasigen Asynchrongenerator eine Phasenverschie­ bung von 120° erzeugt werden muß, so daß entsprechende Logik­ gatter verwendet werden müssen. In einer bevorzugten Ausgestal­ tung der Erfindung weist der Phasenschieber ein EXOR- und vier NAND-Gatter auf. Mit einem solchen Phasenschieber wird eine frequenzunabhängige Phasenverschiebung erreicht, so daß im Er­ gebnis der Asynchrongenerator mit einer festen vorgegebenen Phasenverschiebung angesteuert wird und dadurch im Bereich des vorgesehenen Leistungsmaximums arbeiten kann, ohne daß fre­ quenzabhängige Phasenverschiebungen auftreten. Der ganz wesent­ liche Bestandteil des Phasenschiebers ist das EXOR-Gatter, mit dem bei einer zweiphasigen Asynchronmaschine beide Stränge mit einer Phasenverschiebung von 90° angesteuert werden können. Bei einer dreiphasigen Asynchronmaschine müßte eine Phasenver­ schiebung von 120° realisiert werden. Dies könnte beispiels­ weise durch die Verwendung mehrerer EXOR-Gatter erreicht werden, denen dann auch andere Eingangsfrequenzen zugeführt werden müßten. Die anschließenden NAND-Gatter dienen jeweils dazu, eine Phase um 180° zu drehen, so daß ein Gegentaktbetrieb oder wechselseitiger Betrieb der von MOS-FET-Transistoren ge­ bildeten elektronischen Schalter erreicht wird und damit im Er­ gebnis auch die Ständerwicklungen gegenphasig gespeist werden.

Die Steuerung weist in einer bevorzugten Ausführungsform einen Multiplizierer und einen programmierbaren Frequenzteiler auf. Mit dem Multiplizierer wird die von der Einrichtung zur Messung der Drehzahl gemessene Eingangsfrequenz mit einem be­ stimmten Faktor multipliziert, so daß der dann erhaltene Wert in direkter Abhängigkeit zur Eingangsfrequenz steht. Durch die Multiplikation des gemessenen Wertes ist eine Weiterverarbei­ tung des Wertes mit einer höheren Genauigkeit möglich. Der so erhaltene Wert wird auf einen programmierbaren Frequenzteiler gegeben, wobei der Frequenzteiler schlupfabhängig so einge­ stellt wird, daß die gewünschte Ausgangsfrequenz berechnet wird. Insgesamt kann man hier auch von einer Regelung und einer Regelschleife beim Betrieb der Asynchronmaschine sprechen. Für den Multiplizierer ist eine günstige schaltungsmäßige Um­ setzung ein PLL (Phase-Locked-Loop), der wiederum aus einem Phasendetektor, einem Tiefpaßfilter und einem spannungsgesteu­ erten Oszillator besteht, wobei eine Rückkopplung über einen Teiler erfolgt.

Der programmierbare Frequenzteiler, der hinter dem Multi­ plizierer angeordnet ist, wird von einem Frequenz-Spannungsum­ setzer, der ebenfalls direkt die Drehzahl der Einrichtung zur Messung der Drehzahl des Asynchrongenerators abgreift, und einem Codierer angesteuert. Mit dem Frequenz-Spannungsumsetzer erhält man eine frequenzabhängige Spannung, der vom Codierer ein bestimmter Teiler zugeordnet wird, so daß bei hoher Dreh­ zahl, die einer hohen im Wind enthaltenen Energie entspricht, auch eine hohe Leistung entnommen werden kann und die Sollfre­ quenz entsprechend eingestellt wird. Die Sollfrequenz wird durch den bekannten Zusammenhang mit der Rotorfrequenz und dem gewünschten negativen Schlupf bestimmt.

Die Steuerung und der Phasenschieber können dabei in einer bevorzugten Ausgestaltung von einem Mikrocomputer gebildet werden, so daß die Realisierung der Schaltung weiter verein­ facht werden kann.

In einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist die Ein­ richtung zur Messung der Drehzahl fotoelektrisch ausgelegt. Insbesondere ist es dabei günstig an der Generatorwelle eine Scheibe zu montieren, die am Rand mit einem Loch versehen ist. Auf der einen Seite der Scheibe ist eine Lichtquelle und auf der anderen Seite der Scheibe ein Empfänger angeordnet, der je­ desmal dann einen Impuls registriert, wenn das Loch der rotie­ renden Scheibe zwischen Lichtquelle und Empfänger vorbeikommt, so daß ein Lichtstrahl ungehindert in den Empfänger dringen kann. Dieser ist mit einem Verstärker und einem Schmitt-Trigger verbunden, der ein definiertes Rechtecksignal erzeugt, welches dann auf die vorher beschriebene Steuerung mit dem Multiplizie­ rer gegeben wird. Hinter dem Schmitt-Trigger ist bevorzugt noch eine monostabile Kippstufe vorgesehen, die die zur Triggerung des Schmitt-Triggers nötigen Nadelimpulse liefert.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind dem Asynchrongenerator elektronische Schalter und ein Leistungs­ trenner vorgeschaltet. Die elektronischen Schalter werden gün­ stigerweise von MOS-FET-Transistoren gebildet. Durch die Ver­ wendung dieser MOS-FET-Transistoren ist ein geringerer Energie­ verbrauch und damit auch eine geringere Erwärmung der Schaltung als mit anderen vergleichbaren Schaltern möglich. Der Lei­ stungstrenner besteht bevorzugt aus einem Transformator, wobei vom Oszillator erzeugte Spannung in eine positive und eine ne­ gative Halbwelle umgeformt werden muß, um am Ausgang des Trans­ formators eine Wechselspannung zu erhalten. Hier wird günsti­ gerweise ein Transformator mit einer doppelten Primärwicklung verwendet, wobei die Wicklungen gegensinnig verbunden sind. Da­ bei wird bevorzugt eine Zweiweg-Gleichrichtung mit einer Mit­ telanzapfung der Transformatoren der beiden Phasenstränge rea­ lisiert, wobei die Masseleitung durch die Schaltzustände der elektronischen Schalter bestimmt werden.

Falls die Netzspannung der Asynchronmaschine mit der Akku­ mulatorspannung identisch ist, können die Transformatoren auch grundsätzlich entfallen. In diesem Fall muß jedoch ein Vier­ quadrantenbetrieb erfolgen, da eine Plus/Minus-Batteriespannung an der Asynchronmaschine benötigt wird.

In einer Weiterentwicklung der Erfindung kann der Lei­ stungstrenner mit dem Schalter kombiniert werden, wobei dies bevorzugt im Vierquadrantenbetrieb mit vier zusätzlichen Tran­ sistoren durchgeführt wird.

Falls eine Spannungsanpassung zwischen Belastungsspannung und der Strangspannung am Asynchrongenerator erfolgen muß, so ist günstigerweise noch ein Anpassungstransformator unmittelbar vor dem Asynchrongenerator vorgeschaltet. Dieser kann auch mit der Leistungstrennung kombiniert werden. In einer anderen Aus­ führungsform kann der Leistungstrenner auch 90° nach jedem Schaltimpuls für weitere 90° gestartet werden, da die Wirklei­ stung von der Asynchronmaschine gegenüber der zugeführten Lei­ stung um 90° verschoben ist.

Der Asynchrongenerator ist mehrpolig und mehrphasig, ins­ besondere zwei- oder dreiphasig ausgelegt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum drehzahlsynchronisier­ ten Betrieb einer Asynchronmaschine zeichnet sich dadurch aus, daß die Drehzahl der Asynchronmaschine gemessen wird, daß aus­ gehend von der Drehzahl der Asynchronmaschine und des gewünsch­ ten Schlupfes der Asynchronmaschine eine Ständerwicklungsfre­ quenz ermittelt wird und daß die ermittelte Ständerwicklungs­ frequenz mit einem Oszillator und einer Steuerschaltung erzeugt wird. Dadurch kann insbesondere ein vorgegebener negativer Schlupf erzeugt werden, mit dem die Asynchronmaschine als Gene­ rator betrieben wird und dabei im Bereich einer optimalen Lei­ stungsabgabe betrieben wird.

Dabei wird bevorzugt von der Steuerschaltung ein Teiler ermittelt, mit dem die Oszillator-Frequenz auf die gewünschte Ständerwicklungsfrequenz (Drehfeld-Drehzahl) reduziert wird. Um ein besonders genaues Ergebnis zu erhalten, ist es vorteilhaft, die vom Oszillator erzeugte Frequenz zunächst zu multi­ plizieren, so daß ausgehend von einem hohen Wert mit dem Teiler die gewünschte Ständerwicklungsfrequenz besonders genau vorge­ geben werden kann. Der Schlupf wird dabei bevorzugt auf -5 bis -10% eingestellt, da in diesem Bereich eine besonders gute Leistungsabgabe der als Generator arbeitenden Asynchronmaschine möglich ist.

Die so erzeugte Frequenz wird auf einen Phasenschieber ge­ geben, so daß verschiedene, gegeneinander phasenverschobene Si­ gnale erzeugt werden. Besonders günstig ist es, die Phasenver­ schiebung frequenzunabhängig durchzuführen und bei einer zwei­ phasigen Asynchronmaschine eine Phasenverschiebung von 90° und bei einer dreiphasigen Asynchronmaschine eine Phasenverschie­ bung von 120° durchzuführen.

Diese Asynchronmaschine ist besonders gut geeignet für Leistungen bis 10 kW, weil sie die in diesem Bereich arbeiten­ den permanenterregten Synchronmaschinen ersetzen kann.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeich­ nung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels weiter er­ läutert. Im einzelnen zeigen die schematischen Darstellungen in:

Fig. 1 eine Prinzipschaltung der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung zum Betrieb einer os­ zillatorgesteuerten Asynchronmaschine;

Fig. 2a und 2b ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betrieb einer oszilla­ torgesteuerten Asychronmaschine;

Fig. 3 ein Prinzipschaltbild für eine erfin­ dungsgemäße Vorrichtung zum Betrieb einer oszillatorgesteuerten Asynchronmaschine mit Netzanschluß und

Fig. 4 ein Prinzipschaltbild für eine erfin­ dungsgemäße Vorrichtung zum Betrieb einer oszillatorgesteuerten Asynchronmaschine zum Einsatz in einem KFZ.

In Fig. 1 ist eine Prinzipschaltung einer oszillatorge­ steuerten Asynchronmaschine dargestellt, die mit Batteriespan­ nung arbeitet, die mit Hilfe eines Transformators auf die Strangspannung der Asynchronmaschine transformiert wird. Mit 1 ist ein Drehimpulsgeber bezeichnet, der die Drehfrequenz des Asychrongenerators 2 mißt. Dies erfolgt auf fotoelektrischem Weg, indem eine Lochscheibe an der Achse des Generators angebracht ist und die Zahl der Umläufe anhand von Licht­ impulsen gemessen wird, die durch das Loch in der Scheibe von einem Detektor in dem Drehimpulsgeber 1 detektiert werden. Der Drehimpulsgeber 1 erzeugt also eine Frequenz f-Rotor, die er auf einen Multiplizierer 3 gibt. Der Multiplizierer 3 weist u. a. einen spannungsgesteuerten Oszillator auf und erzeugt im Ergebnis eine Rechteckspannung mit einer Frequenz, die das N-fache der mit dem Drehimpulsgeber 1 gemessenen Rotorfrequenz beträgt. Dieser Wert wird auf einen programmierbaren Teiler 4 gegeben, der die Aufgabe hat, den vorher erhaltenen Wert durch den Faktor T zu teilen, so daß im Ergebnis eine Frequenz ausgegeben wird, auf deren Grundlage eine Wechselsparinung zur Speisung der Ständerwicklungen des Asynchrongenerators erzeugt wird. Die so berechnete Ständerfrequenz steht in einem solchen Verhältnis zur vorher gemessenen Rotorfrequenz, daß ein negativer Schlupf erreicht wird, wodurch ein drehzahlunabhängiger Betrieb des Asychrongenerators möglich ist, so daß der Asychrongenerator die Leistung liefert, um sich selbst zu erregen und dem Gleichspannungsnetz über eine geeignete Elektronik die überschüssige Leistung zuzuführen. Da es wichtig ist, eine möglichst genaue Ständerfrequenz zu erzeu­ gen, ist es günstig, den Faktor N des Multiplizierers 3 mög­ lichst groß zu wählen, um möglichst genaue Werte erzeugen zu können. Der programmierbare Teiler 4 wird von einer Steuerein­ heit 5 angesteuert, die im wesentlichen aus einem Frequenz- Spannungsumsetzer und einem Codierer besteht. Der Multiplizie­ rer 3 gibt eine von der Rotorfrequenz abhängige Spannung auf die Steuereinheit 5. Die Steuereinheit 5 stellt dann entspre­ chend dem erhaltenen Wert einen bestimmten Teiler T ein, mit dem eine geeignete Frequenz für die Ständerwechselspannung ent­ sprechend den obigen Ausführungen erzielt wird. Der Multipli­ zierer 3, der programmierbare Teiler 4 und die Steuereinheit 5 bilden gemeinsam die eigentliche Steuerung 6. Im Anschluß an die Steuerung 6 ist ein Phasenschieber 7 vorgesehen, der dafür sorgt, daß die vorher in der Steuerung 6 ermittelte Frequenz mit den exakten Phasenverschiebungen, nämlich von 90° bei Zwei­ phasenbetrieb und 120° bei Dreiphasenbetrieb mit konstanter Phasenverschiebung und phasenrichtig zu den Ständerwicklungen gegeben wird. Die Steuerung 6 und der Phasenschieber 7 können gemeinsam von einem Mikrocomputer gebildet werden. Die so er­ zeugte Spannung wird auf elektronische Schalter 8 gegeben, die zusammen mit Transformatoren die Wechselspannung erzeugen, die auf die Ständerwicklungen des Generators gegeben wird. Diese Wechselspannung entspricht in ihrer Frequenz der vorher in der Steuerung 6 erzeugten Frequenz. Falls die Netzspannung der Asynchronmaschine und die Akkumulatorspannung nicht identisch sind, wird zwischen die elektronischen Schalter 8 und die Asyn­ chronmaschine der Anpassungstransformator 9 geschaltet. Zwi­ schen den elektronischen Schaltern 8 und dem Generator 2 wird Leistung über einen Leistungstrenner 10 entnommen, mit der dann beispielsweise ein gegen Masse liegender Akkumulator aufgeladen werden kann.

Ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Generatorschaltung, die im wesentlichen dem Prinzipschaltbild in Fig. 1 entspricht, ist in Fig. 2, genauer in den beiden Teilfiguren 2a und 2b dar­ gestellt. In Fig. 2a ist im oberen linken Bereich der Schaltung der Drehzahlgeber 1 realisiert, dessen zentrales Teil ein LDR 11 ist, der die Lichtimpulse bei der Messung der Generatorfre­ quenz empfängt und durch die Helligkeitsänderung seinen Wider­ standswert stark verändert. Der LDR 11 wird im Basisspannungs­ teiler einer Transistorstufe 12 in Emitterschaltung betrieben, so daß sich ein Impuls pro Umdrehung ergibt, der immer dann auftritt, wenn die Bohrung der Scheibe genau zwischen einer hier nicht dargestellten LED und dem LDR 11 ist. Der nachfol­ gende Verstärker, der im wesentlichen von einem weiteren Tran­ sistor 13 gebildet wird, soll den Impuls verstärken. Dieser Im­ puls wird nun auf einen Schmitt-Trigger 14 gegeben, um ein de­ finiertes Rechtecksignal zu erhalten. Das Rechtecksignal wird nun auf eine monostabile Kippstufe mit nachfolgender Anzeige gegeben. Diese beide funktionalen Elemente sind in der Schal­ tung mit 15 bezeichnet. Dabei hat das Signal vorher ein Diffe­ renzierglied durchlaufen, um die zur Triggerung des Schmitt- Triggers 14 nötigen Nadelimpulse zu liefern. Die Anzahl der Na­ delimpulse stimmt genau mit der Anzahl der Lichtimpulse über­ ein. Vom Drehimpulsgeber 1 wird das Signal über einen Eingang 17 auf den Multiplizierer 3 gegeben. Das Eingangssignal trifft auf einen Phasendetektor und wird über einen Tiefpaßfilter auf einen spannungsgesteuerten Oszillator 18 gegeben, der eine Fre­ quenz erzeugt und sie auf den Eingang zurückgibt. Die Frequenz aus dem spannungsgesteuerten Oszillator 18 wird nun mit der Eingangsfrequenz phasenverglichen und über den Tiefpaßfilter zurück auf den spannungsgesteuerten Oszillator gegeben. Am Aus­ gang 19 stellt sich die gleiche Frequenz wie am Eingang 17 ein. In der Rückkopplung ist ein Teiler 21 vorgesehen, der die Aus­ gangsfrequenz so weit herunterteilt, daß der Oszillator 18 eine Frequenz erzeugen muß, die N mal größer als die Frequenz am Eingang 17 ist, um mit dem Phasendetektor zu korrespondieren. Bei dem Oszillator handelt es sich um einen digitalen PLL (Phase-Locked-Loop), der in CMOS-Technik ausgeführt ist. Der sich an den Ausgang 19 des Multiplizierers 3 anschließende Tei­ ler 4' weicht insoweit von dem in Fig. 1 beschriebenen program­ mierbaren Teiler 4 ab als der hier dargestellte Teiler 4' ein fest eingestelltes Teilerverhältnis aufweist. Die Steuerein­ gänge 20 sind hier auf Masse gelegt, so daß der Zähler fest eingestellt ist. Der Teiler 4' ist jedoch grundsätzlich pro­ grammierbar und kann auch als Johnson-Zähler eingesetzt werden. Die Steuereingänge 20 werden dann mit dem Signal vom Ausgang 39 des Drehzahlimpulsgebers 1 beaufschlagt, wobei das Signal vom Ausgang 39 zunächst eine Frequenz-Spannungsumsetzung erfährt und dann über einen Codierer auf die Eingänge 20 gegeben wird, so daß der Teiler 4' entsprechend der gemessenen Frequenz ein­ gestellt wird. Die drei linken Teilerblöcke erzeugen am Ausgang 22 eine Frequenz von 2f, die von dem ganz rechts gelegenen Tei­ lerblock noch einmal um den Faktor 2 geteilt wird, so daß am Ausgang 23 die Frequenz f anliegt.

Die beiden Eingänge 22 und 23 finden sich in Fig. 2b wie­ der, in der der zweite Teil der Schaltung dargestellt ist. An die Eingänge 22 und 23 schließt sich zunächst der Phasenschie­ ber 7 an. Im Ergebnis soll die in Fig. 2b dargestellte Schal­ tung zwei voneinander um 90° verschobene Spannungen erzeugen, die in ihrer Amplitude an den Generator 2 angepaßt sind. Der Phasenschieber 7 beinhaltet zunächst ein EXOR-Gatter, das zwei Signale über die Eingänge 22 und 23 erhält, wobei die Frequenz auf dem Eingang 22 doppelt so groß ist wie auf dem Eingang 23. Am Ausgang des EXOR-Gatters wird dann eine um 90° verschobene Spannung f erzeugt. Der Phasenschieber 7 beinhaltet weiterhin vier NAND-Gatter 25, 26, 27 und 28, wobei gemäß den vorhergehen­ den Erläuterungen das Eingangssignal am NAND-Gatter 25 gegen­ über dem Eingangssignal am NAND-Gatter 26 um 90° phasenver­ schoben ist. Die NAND-Gatter 25 und 27 sollen wiederum die Phase um 180° gegeneinander verschieben. Diese Taktsignale die­ nen dem Spannungswandler als Eingangssignale. Im Ergebnis ent­ steht so am Transformator 29 eine 0°-Spannung und am Transfor­ mator 30 eine -90°-Spannung, die auf die Ständerwicklungen 31 und 32 des Generators 2 gegeben werden. Die Ausgangssignale der vier NAND-Gatter 25-28 werden noch einmal durch nachgeschal­ tete Transistoren verstärkt und die so verstärkten Signale werden dann auf die elektronischen Schalter 8 gegeben. Die elektronischen Schalter 8 weisen im wesentlichen vier MOS-FET- Transistoren 33, 34, 35 und 36 auf. Der MOS-FET-Transistor 33 er­ hält das Eingangssignal mit einer Phase von 180°, der MOS-FET- Transistor 34 mit einer Phase von 0°, der MOS-FET-Transistor 25 mit einer Phase von -90° und der MOS-FET-Transistor 36 mit einer Phase von +90°. Die elektronischen Schalter 8 schalten abwechselnd durch und sorgen so dafür, daß die Ständerwicklun­ gen 31 und 32 mit einer Spannungshalbwelle mit definierter Phase versorgt werden, die von den Transformatoren 29 und 30 entsprechend den erhaltenen Signale erzeugt wird. Ein zusätzli­ cher Transformator zur Spannungsanpassung könnte in Reihe zu dem Transformator 30 geschaltet werden, jedoch wird bevorzugt das Wicklungsverhältnis der Transformatoren 29, 30 so angepaßt, daß ein solcher zusätzlicher Transformator meist nicht benötigt wird.

Die Betriebsspannung U beträgt in dieser Schaltung 12 Volt. Die Leistungsentnahme erfolgt über eine Mittelanzapfung der Transformatoren 29, 30. Falls der Strom aus dem zu ladenden Akkumulator kleiner Null ist, so wird der Schalter S betätigt und der Akkumulator geladen, wobei der Strom durch zwei Schottky-Dioden gleichgerichtet wird, die im oberen Bereich der Fig. 2b neben dem Schalter S angeordnet sind. Der hier darge­ stellte Schalter S ist günstigerweise elektronisch und mit einem Ladezustandsmesser für den Akkumulator ausgebildet.

Der weiterhin in Fig. 2a dargestellte Schaltungsblock 33 beinhaltet einen Test-Oszillator, dessen Testsignal über den Schalter 38 alternativ zu dem durch den Drehzahlgeber 1, den Multiplizierer 3 und den Teiler 4 erzeugten Signal auf den Pha­ senschieber 7 gegeben werden kann. Dieser Oszillator dient zu Test- und Kontrollzwecken und ergänzt die erfindungsgemäße Schaltung sinnvoll.

In Fig. 3 ist eine Prinzipschaltung für den Betrieb eines Generators am Netz dargestellt. Dargestellt ist ein Phasen­ schieber 7, an dessen Eingang 40 die bereits in Fig. 1 darge­ stellten Elemente des Drehzahlimpulsgebers 1, des Multiplizie­ rers 3 und des programmierbaren Teilers 4 mit der Steuereinheit angeschlossen sind. Der Phasenschieber 7 arbeitet im Netzbe­ trieb günstigerweise mit drei Phasen, die jeweils um 120° ge­ geneinander verschoben sind und mit denen drei elektronische Schalter 41, 42, 43 angesteuert werden, die im Vierquadrantenbe­ trieb arbeiten. Nebenbei sei bemerkt, daß auch die elektroni­ schen Schalter 8 gemäß Fig. 1, die mit den MOS-FET-Transistoren 33-36 in Fig. 2 realisiert worden sind, im Vierquadrantenbe­ trieb geschaltet sein können. An den Netzanschluß 45 ist eine Brückengleichrichtung 46 angeschlossen. Darüber wird über einen als Batterieersatz geschalteten Pufferkondensator 47 ebenfalls eine Spannung an die elektronische Schalter 41 bis 43 gegeben, die dann entsprechend schalten und die Spannung drehzahlabhän­ gig und phasenrichtig auf die Ständerwicklungen des Generators 2 abgeben. Da die Asynchronmaschine bereits auf Netzspannung arbeitet ist keine Anpassung notwendig. Hier ist ein Vierqua­ drantenbetrieb notwendig. Anstelle der Primärwicklung des Transformators wird die Strangwicklung der Asynchronmaschine direkt angeschlossen. Weiterhin ist ein Wechselrichter 44 vor­ gesehen, der die erzeugte Gleichspannung in eine Wechselspan­ nung umsetzt und über den auch eine Leistungsabgabe über den Netzanschluß 45 in das Netz möglich ist.

In Fig. 4 ist eine Schaltung für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug vorgesehen. Hier ist als Spannungsquelle ein 12-Volt-Akkumulator 50 vorhanden, der eine Spannung auf die elek­ tronischen Schalter 48 und 49 gibt, die im Vierquadrantenbe­ trieb geschaltet sind. Transformatoren sind bei dieser 12-Volt- Gleichspannung nicht notwendig. Die Rotorfrequenz des Genera­ tors 2 wird durch den Drehzahlimpulsgeber 1 bestimmt und auf den Multiplizierer 3 gegeben. Mit Hilfe der Steuereinheit 5 und des programmierbaren Teilers 4 wird die für den optimalen Schlupf notwendige Ständerfrequenz ermittelt. Mit Hilfe des Phasenschiebers 7 wird dieses Frequenzsignal mit einer 90° Pha­ senverschiebung auf die elektronischen Schalter 48 und 49 gege­ ben. Der Generator 2 ist mehrpolig und mindestens zweiphasig ausgelegt. Die Asynchronmaschinenstrangspannung muß der Batte­ riespannung entsprechen, andernfalls müßten zusätzliche Trans­ formatoren verwendet werden. Daher muß die Strangspannung 12- Volt-Wechselspannung betragen. Falls eine handelsübliche Asynchronmaschine verwendet werden kann, so kann eine Schaltung entsprechend der Fig. 2a und 2b komplett übernommen werden.

Claims (20)

1. Vorrichtung zum drehzahlsynchronisierten Betrieb einer Asynchronmaschine, insbesondere zum Einsatz mit Windkonvertern zum Laden von Akkumulatoren, mit Kurzschlußläufern und mit einem Oszillator zur Erzeugung einer Wechselspannung zur Ver­ sorgung der Asychronmaschine mit einem Magnetisierungsstrom, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung eine Einrichtung zur Messung der Drehzahl (1) der Asychronmaschine (2) aufweist,
daß die Einrichtung zur Messung der Drehzahl (1) der Asychron­ maschine (2) in funktionaler Verbindung mit dem Oszillator (18) steht, und
daß der Oszillator (18) mit einer Steuerung (6) verbunden ist, mit der ein bestimmter Schlupf der Asynchronmaschine (2) ein­ stellbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Steuerung (6) ein Phasenschieber (7) angeschlossen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenschieber (7) Logikgatter mit fester Phasenver­ schiebung aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenschieber (7) ein EXOR-Gatter (24) aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (6) einen Multiplizierer (3) und einen Fre­ quenzteiler (4) aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzteiler (4) programmierbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der programmierbare Frequenzteiler (4) von einem Frequenz- Spannungsumsetzer und einem Codierer angesteuert wird.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (6) und der Phasenschieber (7) von einem Mi­ krocomputer gebildet werden.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Messung der Drehzahl (1) fotoelektrisch arbeitet.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Asynchrongenerator (2) und dem Phasenver­ schieber (7) elektronische Schalter (8) angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Schalter (8) von MOS-FET-Transistoren ge­ bildet sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Schalter (8) jeweils im Vierquadranten­ betrieb geschaltet sind.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Asynchrongenerator (2) ein Leistungstrenner (10) vorge­ schaltet ist.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar vor dem Asynchrongenerator (2) ein Anpassungs­ transformator (9) geschaltet ist.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Asynchrongenerator (2) im Netzbetrieb dreiphasig angelegt ist.

16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Asynchrongenerator (2) bei einem Einsatz in einem Kraftfahrzeug mindestens zweiphasig ist und die Schalter (48; 49) im Vierquadrantenbetrieb geschaltet sind.

17. Verfahren zum drehzahlsynchronisierten Betrieb einer Asynchronmaschine, bei dem
die Drehzahl der Asynchronmaschine (2) gemessen wird, ausgehend von der Drehzahl der Asynchronmaschine (2) und des gewünschten Schlupfes der Asynchronmaschine (2) eine Ständer­ wicklungsfrequenz ermittelt wird, und
die ermittelte Ständerwicklungsfrequenz mit einem Oszillator (18) und einer Steuerschaltung erzeugt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung einen Teiler ermittelt, mit dem die Oszillatorfrequenz auf die gewünschte Ständerwicklungsfrequenz reduziert wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Oszillator (18) erzeugte Frequenz zunächst multi­ pliziert wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlupf auf -5 bis -10% eingestellt wird.