DE2648150C2

DE2648150C2 - Anordnung zur Steuerung der Drehzahl eines über einen Zwischenkreisumrichter gespeisten Asynchronmotors

Info

Publication number: DE2648150C2
Application number: DE2648150A
Authority: DE
Inventors: Hans Mogens Augustenborg Beierholm; Henry Roald Stolbro Nordborg Eriksen
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1976-10-25
Filing date: 1976-10-25
Publication date: 1982-09-30
Also published as: JPS5820238B2; JPS5354734A; CH642203A5; GB1594460A; DK472777A; DE2648150A1; US4158163A; FR2368823A1; FR2368823B1

Description

Vergleicher (46) entspricht, aber auf den höchstzulässigen Stromwert (I_m,_x)iesl eingestellt ist.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2.

Bei eic r bekannten Anordnung dieser Art (CH-PS 4 98 517) wird der Arbeitspunkt mittels eines Potentiometers eingestellt, dessen abgegriffene Spannung mit einem Wert verglichen wird, der annähernd der Versorgungs-Gleichspannung proportional ist. Die Frequenz wird der Versorgungs-Gleichspannung etwa proportional nachgeführt Da sich bei einem Asynchronmotor bei einer Änderung der Belastung der Schlupf und damit die Drehzahl ändert, ist eine Schlupfkompensation vorgesehen, die mit steigendem Strom die dem Wechselrichter zugeführte Gleichspannung und die Wechselrichterfrequenz anhebt. Hierbei wird zwar die Drehzahl in einem gewissen Arbeitsbereich annähernd konstant gehalten, jedoch nicht die Wechselrichterfrequenz und damit auch nicht die Schlupffrequenz. Wenn beispielsweise die Laufräderdrehzahl auf Grund einer zunehmenden Belastung abnimmt wird die Wechselrichterfrequenz so weit angehoben, daß sich praktisch wieder die alte Läuferdrehzahl einstellt

Sobald aber wegen der steigenden Wechselrichterfrequenz die Schlupffrequenz (= Wechselrichterfrequenz minus der in Hertz gemessenen Läuferdrehzahl) zunimmt erhöht sich der induktive Widerstand der Ständerwicklung und damit der Spannungsabfai. an dieser. Demzufolge müßte auch die Betriebsspannung des Wechselrichters beziehungsweise Motors überproportional gegenüber der Zunahme des Stroms erhöht werden, um bei höherer Belastung die Drehzahl konstant zu halten. Tatsächlich wird die Betriebsspannung jedoch linear mit dem Belastungsstrom angehoben. Dies führt zu einem Fehler, der es schwierig macht, die Drehzahl im gesamten Arbeitsbereich annähernd konstant zu halten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wechselrichterschaltung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, die es erlaubt die Motordrehzahl in einem größeren Arbeitsbereich und mit größerer Genauigkeit konstant zu halten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 2 gelöst

Bei diesen Lösungen werden im Rechenkreis die drei Eingabesignale derart miteinander verknüpft, daß sich neben einer kons'.anten Wechselrichterfrequenz auch eine konstante .Schlupffrequenz ergibt Damit ist nicht nur die Läuferdrehzahl konstant, sondern auch der induktive Widerstand des Motors, so daß praktisch über dem ^«samten Regelbereich lineare Verhältnisse herrschen und dementsprechend eine größere Regelgenauigkeit erzielt wird. Dies gilt auch dann, wenn die Schlupffrequenz in Abhängigkeit vom iingestellten Arbeitspunkt geändert wird. Denn die dem Wechselrichter zugeführte Gleichspannung wird so geregelt, daß die Konstanz der Schlupffrequenz unabhängig von der Belastung aufrechterhalten wird. Das hat zur Folge, daß der für Nennlast geltende Nennschlupf auch bei Teillast auftritt. Dies führt zu der erstrebten Drehzahlkonstanz. Diese Schlupffrequenz läßt sich auch bei Beringen Belastungen HaHurch konstant halten. HaB Hip Luftspaltmagnetisierung annähernd proportional zum Läuferstrom geführt wird, also eine Untermagnetisierung auftritt. Dies hat den weiteren Vorteil, daß Pendelungen vermieden werden, wie sie bei einer Schlupfkompensation auftreten, die unter weitgehender Aufrechterhaltung der Magnetisierung die Frequenz des Wechselrichters korrigiert.

Auch beim Ausschalten tritt keine Oszillation zwischen dem Motor und dem Wechselrichter auf. Der Wechselrichter kann sogar an einem bereits rotierenden Motor angeschlossen werden, worauf dieser seine Dreh; >\hl auf den vom Wechselrichter vorgegebenen jo Wert ändert, ohne erst zum Stillstand kommen zu müssen.

Vorteilhaft ist es ferner, daß sich für jeden Belastungszustand automatisch eine minimale Leistung einstellt, bei der weder zu hohe magnetische Verluste infolge hoher Spannung noch zu hohe Kupferverluste infolge zu hohen Stromes auftreten. Vielmehr ergibt sich jeweils ein Gleichgewichtspunkt, bei dem Strom und Spannung einen optimalen Wert annehmen, weil sie sich diesem Gleichgewichtspunkt von verschiedenen Seiten her nähern. Wenn beispielsweise ein Motor plötzlich stärker belastet wird, steigt der Strom wegen der höheren Schlupffrequenz entsprechend an. Infolge-" dessen wird die Spannung höher geregelt, bis die vorgegebene Schlupffrequenz wieder erreicht ist. Dabei nimmt aber der Strom ab, wodurch sich ein neuer Gleichgewichtspunkt für Strom und Spannung einstellt.

Von Vorteil ist es darüber hinaus, daß am Motor selbst keine Messungen vorgenommen werden müssen, sondern die Meßsignale direkt vor und/oder hinter dem Wechselrichter abgenommen werden können.

Nach Anspruch 3 ergibt sich eine entsprechend einfache Schaltung des Rechenkreises, da im Hauptarbeitsbereich des Motors stets der gleiche Wert k\ eingestellt werden kann.

Damit unabhängig von der Belastung bei einer eingestellten Frequenz die Schlupf- oder Läuferfrequenz konstant gehalten wird, gilt

const.

(D

wobei /2 der Wirkstrom im Läufer des Motors, B die Luftspaltinduktion und h die Schlupf- oder Läuferfrequenz ist Es wurde gefunden, daß man mit ausreichend großer Genauigkeit den Läuferwirkstrom /2 ersetzen kann durch den Ständerwirkstrom I₁, der beispielsweise an der Gleichstromseite vor dem Wechselrichter

gemessen werden kann. Die Luftspaltinduktion läßt sich mit ausreichend großer Genauigkeit darstellen durch

R₁

const.

(2)

wobei Ui die dem Motor zugeführte Spannung, /1 der dem Motor zugeführte Wirkstrom, Rt der ohmsche Widerstand der Ständerwicklung und /i die Frequenz des Wechselrichters ist. Die Spannung U\ kann vor oder hinter dem Wechselrichter abgegriffen werden. Aus (1) und (2) ergibt sich

ijr · const.
/1

(3)

die erkennen läßt, daß — wenn die Schlupffrequenz /j konstant ^ff?heUen wird — zwischen den drei Werten /· Vt und /| ein relativ einfacher Zusammenhang besteht. Führt man den primären Wirkstrom /1 als Strommeßsignal /, die primäre Spannung Vt als Spannungsmeßsignal £und die gewünschte Wechselrichterfrequenz /i als Frequenzeingabesignal /ein, dann kann im Rechenkreis eine Rechengröße jeweils aus mindestens zweien der genannten drei Ausgangswerte £, / und / berechnet werden.

Daher ergibt sich ein besonders einfacher Rechenkreis, wenn dieser die Rechengrofle nach Maßgabe der Gleichung

(4)

oder einer Umformung davon berechnet.

Gemäß Anspruch 4 wird die Rechengröße /' etwa nach der Gleichung

(5)

berechnet.

Bei einer zweiten Ausfuhrungsform gemäß Artspruch 5 erfolgt die Berechnung der Rechengröße /' etwa nach der Gleichung

E-I- k₂ Ik,

(6)

Bei einer dritten Ausfuhrungsform gemäß Anspruch 6 erfolgt die Berechnung der Rechengröße /' etwa nach der Gleichung

(7)

Bei einer vierten Ausfuhrungsform gemäß Anspruch 7 erfolgt die Berechnung der Rechengröße /' etwa nach der Gleichung

60

E-I- k₂ /•Ar,

(8)

Bei einer fünften Ausfuhrungsform gemäß Anspruch 8 erfolgt die Berechnung der Rechengröße E' etwa nach der Gleichung

E' = (J-k_t+k₂)I

(9)

In all diesen Fällen sind die Konstanten nach Anspruch 9 einstellbar, beispielsweise um eine Anpassung an einen bestimmten Motor vornehmen zu können.

Es ist aber auch die Ausbildung nach Anspruch 10 möglich, beispielsweise um den Arbeitsbereich auch auf Frequenzen oberhalb der Nennfrequenz des Motors ausdehnen zu können.

Die Ausbildung nach Anspruch U stellt sicher, daß der Rechenkreis auch bei einem Null-Moment oder in dessen Nähe sicher arbeitet ur.d nicht etwa deshalb Undefinierte Verhältnisse eintreten, weil ein nahe Null liegender Spannunßsmeßwert und ein nahe Null liegender Strommeßwert miteinander dividiert werden müssen.

Günstig ist ferner die Ausbildung nach Anspruch 12. Hierbei kann der maximale Leistungswert auf die Nennleistung des angeschlossenen Motors eingestellt werden. Wenn bei vorgegebener Frequenz ein so starkes Belastungsmoment auftritt, daß die maximale Leistung überschritten wird, sorgt der zweite Vergleieher dafür, daß die Wechselrichterfrequenz gegenüber der eingegebenen Frequenz so weit abnimmt, daß das Belastungsmoment mit der Nennleistung bewältigt werden kann. Dies ergibt im Drehmoment-Frequenz-Diagramm eine Leistungshyperbel, die das Gebiet begrenzt, in welchem der Motor ohne Überlastung betrieben werden kann.

Der dritte Vergleicher nach Anspruch 13 stellt sicher, daß ein vorgegebener maximaler Strom im Motor nicht überschritten wird, wodurch, da das Moment annähernd dem Quadrat des Motorstroms proportional ist, auch das maximale Moment festgelegt ist

Bei der Ausbildung nach'Anspruch 14 ist es möglich, die vorteilhaften Eigenschaften der Wechselrichterschaltung in einem Arbeitsbereich, der über die Nennfrequenz des Motors hinausgeht, zu erweitern, obwohl die Versorgungs-Gleichspannung auf einen bestimmten Maximalwert, in der Rege! die Nennspannung des Motors, begrenzt ist Wenn die konstant zu haltende Schlupffre:quenz mit steigender Wechselrichterfrequenz zunimmt gelingt es, ohne Erhöhung der zuzuführenden Spannung die Motordrehzahl unabhängig vom Belastungsmoment weitgehend konstant zu halten.

Nach Anspruch 15 ist sichergestellt, daß Schlupffrequenz und eingegebene Frequenz gleichzeitig verändert werden. Dabei ist die Ausbildung nach Anspruch 16 oder 17 möglich.

Zusätzlich kann die Maßnahme nach Anspruch 18 vorgesehen sein.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Anspruch 19 bleibt im gesamten Arbeitsbereich des Motors, auch bei die Nennfrequenz übersteigenden Frequenzen, die Arbeitsweise der Wechselrichterschaltung unverändert Lediglich im oberen Bereich der zur Verfügung stehenden Spannung wird eine: Korrektur bezüglich des Schlupfes vorgenommen.

Die Ausbildung nach Anspruch 20 ermöglicht es, den Grenzwert der Spannung durch einen vorgegebenen Prozentsatz der Magnetisierungsspannung zu bestim- eo men.

Eine besonders einfache Ausführungsform ergibt sich nach Anspruch 21.

Bei der Ausbildung nach Anspruch 22 wird ein einwandfreier Betrieb sichergestellt, bei dem der &s Kippunkt noch nicht unterschritten ist

In manchen Fällen ist es auch zweckmäßig, zusätzliche Beeinflussungen dadurch wirksam zu machen, daß das eingegebene Frequenzsignal korrigiert wird.

Beispielsweise kann dies durch die Ausführung nach Anspruch 23 erreicht werden. Durch diese Maßnahme kann ebenfalls ein Überschreiten des maximalen Motorstroms verhindert werden. Der vierte Vergleicher entspricht daher dem oben erwähnten dritten Vergleicher. Hierdurch verhindert man auch, daß der Kippmoment des Motors bei Überlastung überschritten wird, denn die Frequenz wird zwangszweise herabgesetzt.

Bei der Ausführung nach Anspruch , 24 wird verhindert, daß am Motor eine vorgegebene maximale Spannung überschritten wird, denn die Frequenz wird zwangsweise erhöht. Dies ist vorteilhaft bei starker Verzögerung bei voller Drehzahl.

Bevorzugt wird eine Schaltung nach Anspruch 25 Hier tritt die Grenzwertschaltung erst bei einer dynamischen Betriebssiiuation in Funktion, wenn beim Anfahren oder bei Momentänderungen starke Beschleunigungen oder Verzögerungen auftreten. Bei einer zu großen Beschleunigung kann sich der Schlupf des Motors so stark erhöhen, daß das Kippmoment erreicht wird. Bei einer großen Verzögerung können vom Motor so hohe Spannungen erzeugt werden, daß Zerstörungen am Wechselrichter auftreten können. Die Grenzwertschaltung sorgt dafür, daß durch Korrektur der eingegebenen Frequenz die genannten Wirkungen nicht auftreten.

So kann nach Anspruch 26 eine Subtraktion der im ersten Vergleicher zu vergleichenden Größen bewirkt werden. Das Subtraktionsergebnis ist ein Maß für den Unterschied, der zu Störungen führen kann.

Eine andere Möglichkeit besteht in der Maßnahme nach Anspruch 27.

Die Grenzwertschaltung ist im einfachsten Fall gemäß Anspruch 28 ausgebildet

Da; Frequenzsollwertsignal kann mittels eines einfachen Potentiometers eingestellt werden. Es kann aber auch gemäß Anspruch 29 als Impulsreihe eingegeben und dem Rechenkreis über eic ;n Digital/ Analog-Umsetzer zugeführt werden. Dies ist häufig erwünscht, weil die Impulse entweder direkt oder durch einfache Teilung als Steuerimpulse für den Wechselrichter verwendet werden können.

Das Frequenzsollwertsignal kann auch gemäß Anspruch 30 gebildet und verarbeitet werden. Da der Impulsabstand umgekehrt proportional zur Frequenz ist, entspricht hier das Integrationsergebnis dem gewünschten Quotienten. In vielen Fällen empfiehlt es sich, daß die Spannungs-Meßvorrichtung die Spannung an der Ausgangsseite des Wechselrichters zwischen zwei Phasen mißt und die Impulse der Frequenz des Wechselrichters entsprechen. Da über die Ausgangsseite Halbwellen zugeführt werden, spielt sich jede Integration in einer Halbwelle ab. In der Zwischenzeit bis zum Auftreten der nächsten Halbwelle kann dann das Integrationsergebnis in den Speicher überführt und der Inhalt des Integrators gelöscht werden.

Günstig ist ferner eine Ausbildung gemäß Anspruch 31. Auf diese Weise kann bei unveränderter Wechselrichterschaltung eine Anpassung an Motoren unterschiedlich starker Leistung vorgenommen werden.

Damit das Kippmoment des Motors nicht unterschritten wird, ist die Ausbildung nach Anspruch 32 zweckmäßig. Die Begrenzung kann beispielsweise gemäß Anspruch 33 bewirkt werden. Wenn nämlich die Frequenz des Wechselrichters und auch das zulässige

Moment nach oben hin begrenzt sind, ergibt sich indirekt ein» Begrenzung der Schlupffrequenz.

Durch die Ausbildung nach Anspruch 34 wird Schwankungen der Wechselrichterspannung, die zu einem Pendeln des Betriebs führen könnten, entgegengewirkt.

Besonders vorteilhaft sind die Ausgestaltungen nach den Ansprüchen 35 und 36. Hierbei tritt immer dann, wenn der Faktor 1/Ari und damit der Schlupf geändert wird, die Schlupfkompensierung in Tätigkeit ι ο

Nach Anspruch 37 wird die wirksame Frequenz mit steigender Schlupffrequenz erhöht, so daß die Motordrehzahl im wesentlichen konstant bleibt.

Eine andere Ausnutzungsmöglichkeit besteht in einer Ausbildung gemäß Anspruch 38. Auf diese Weise wird immer dann, wenn die Schlupffrequenz bei höheren Frequenzen des Wechselrichters erhöht werden muß, auch der effektive Momentwert vergrößert, was es erlaubt, das Drehmoment über einen noch größeren Bereich der Drehzahl konstant zu halten.

In diesem Zusammenhang ist die Ausbildung nach Anspruch 39 zweckmäßig. Diese dient einer Anpassung an die nicht linearen Kurven im Arbeitsdiagramm. Im Extremfall kann hierbei der Verstärkungsgrad kontinuierlich verändert werden.

Bei der bevorzugten Ausführungsform nach Anspruch 40 wird eine Überlastung dss Wechselrichters vermieden, wenn der dem dritten Vergleicher zugeführte maximale Momentwert durch veränderbare additive Komponenten gegenüber dem eingestellten Wert erhöht ist.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Wechselrichterschaltung gemäß der Erfindung im Blockschaltbild,

F i g. 2 bis 4 drei Ausführungsformen der Steuerschaltung im Blockschaltbild,

F i g. 5 bis 10 sechs Ausführungsbeispiele der Steuerschaltung in ausführlicher Darstellung,

Fig. 11 das Arbeitsdiagramm eines umschaltbaren Verstärkers,

F i g. 12 das Arbeitsdiagramm eines Mindeststromgebers,

Fig. 13 das Drehmoment-Frequenzdiagramm der Schaltung nach F i g. 6, das auch für F i g. 7 bis 9 gilt,

Fig. 14 dasselbe Diagramm für die Schaltung nach F ig. 5 oder 10,

F i g. 15 ein der F i g. 6 entsprechendes Schaltbild, das zusätzliche Schaltungsteile aufweist und in Funktionsblöcken dargestellt ist

F i g. 16 ein der F i g. 13 entsprechendes Diagramm.

Gemäß F i g. 1 spel-t ein Dreiphasennetz 1 einen steuerbaren Gleichrichter 2. Dieser ist über zwei Gleichstromleitungen 3 und 4 mit einem Wechselrichter 5 verbunden, an dessen drei Ausgangsleitungen 6 ein Asynchronmotor 7 angeschlossen ist Die Ausgangsspannung U\ des Gleichrichters 2 ist mit Hilfe eines Spannungsgebers 8 einstellbar, der mit Hilfe eines Spannungssignals Su beispielsweise einen Zerhacker steuert Die Gleichspannung U\ wird mittels einer Spannungs-Meßvorrichtung 9 gemessen, die ein Spannungsmeßsignal E abgibt. Der Gleichstrom /i wird mittels einer Strom-Meßvorrichtung 10 gemessen, die ein Strommeßsignai /abgibt

Die Frequenz des Wechselrichters 5 ist mittels eines Frequenzgebers 11 einstellbar, der dem Wechselrichter ein Frequenzsignal 5/ zuführt Außerdem ist eine Sollwert-Einstellvorrichtung 12 vorhanden, die ein Frequenzeingabesignal / abgibt. In einer Steuerschaltung 13 werden die drei Ausgangswerte E, /und /derart verarbeitet daß das Spannungssignal Su und das Frequenzsignal 5/die Schaltung derart beaeioen, daß der Motor 7 eine konstante Schiupi- oder Läuferfrequenz h hat.

In F i g. 2 ist zunächst dargestellt, daß die Steuerschaltung 13 einen Vergleicher 14 und einen Rechenkreis 15 aufweist Im Rechenkreis 15 wird nach Maßgabe der Gleichung (6) aus dem Strommeßsignal / und dem Spannungsmeßsignal £ sowie zwei Konstanten k\ und ki eine Rechengröße /' der Frequenz berechnet die im Vergleicher 14 mit der eingegebenen Frequenz / verglichen wird. Das Spannungssignal Su und damit Hie Gleichspannung U\ wird so lange geändert, bis die beiden Werte /und /'einander gleich sind. Dies führt, unabhängig von dem belastenden Moment zu einer konstanten Schlupf- oder Läuferfrequenz /2 des Motors 7 und damit, zu einer konstanten Drehzahl. Hierbei ist die Konstante k\ umgekehrt proportional zur Schlupffrequenz /2 und die Konstante fo proportional dem Wicklungswiderstand des Ständers des Motors.

Bei der Ausführungsform der Fig.3 enthält die Steuerschaltung 13 einen Vergleicher 114 und einen Rechenkreis 115. Dieser berechnet aus dem Spannungsmeßwert E und dem Frequenzeingabewert / nach Maßgabe der Gleichung (7) eine Rechengröße /' des Stromes, die im Vergleicher 114 mit dem Strommeßwert verglichen wird. Das Spannungssignal Su wird so lange verstellt, bis die Werte / und /' einander gleich sind. Auch dies führt zur gewünschten konstanten Schlupffrequenz.

In F i g. 4 ist in der Steuerschaltung 13 ein Vergleicher 214 und ein Rechenkreis 215 vorgesehen. Dieser berechnet aus dem Strommeßwert / und dem Frequenzeingabewert / nach Maßgabe der Gleichung (9) einen Rechenwert E' der Spannung, der im Vergleicher 214 mit dem Spannungsmeßwert E verglichen wird. Das Spannungssignal Su wird so lange verändert, bis die Werte £und feinander gleich sind. Auch dieses führt zu der gewünschten konstanten Schlupffrequenz.

Fig.5 zeigt eine Steuerschaltung entsprechend Fig. 2. Die Sollwerteingabevorrichtung 12 weist ein Potentiometer 16 auf, dessen Abgriff 17 über einen ersten Summierwiderstand 18 mit dem invertierenden Eingang eines Verstärkers 19 verbunden ist. Außerdem wird dem invertierenden Eingang über einen Summierwiderstand 20 die Rechengröße /' zugeführt. Der Ausgang des Verstärkers 19 ist über eine Diode 21 mit dem Spannungsgeber 8 verbunden.

Der Rechenkreis 15 weist eine Subtraktionsschaltung 22 auf, der das Spannungsmeßsignal £im positiven Sinn und über ein Multiplikationsglied 23, z. B. einen Verstärker, der Wert fo ■ /im negativen Sinn zugeführt wird. Das Subtraktionsergebnis wird dem Dividend-Eingang 24 einer Divisionsschaltung 25 zugeführt Dem Divisor-Eingang 26 wird das Strommeßsignal / über eine Diode 27 zugeleitet" Der Eingang ist aber außerdem über eine zweite Diode 28 mit dem Abgriff eines Potentiometers 29 verbunden. Dieser bildet einen Mindeststromgeber 30, der dafür sorgt daß bei kleinen Strommeßsignalen / der Divisor in der Divisionsschaltung 25 nicht zu Null wird. Der Quotient wird über einen Widerstand 31 an ein Rechenorgan 32, z. B. einen Verstärker, weitergeleitet in welchem der Quotient mit dem Faktor \lk\ multipliziert wird. Dies ergibt die

Rechengröße /'.

Der Faktor 1/Jti ist mit yilfe einer Umschaltvorrichtung 33 änderbar. Diese besteht aus einem Spezialpotentiometer 34 im durch die Widerstände 35 und 36 gebildeten Rückko^plungskreis des Verstärkers 32 Der Abgriff 37 des Potentiometers 34 ist mit dem Abgriff 17 der Sollwert-Eingabevorrichtung 12 mechanisch gekoppelt Bei einer Änderung der eingegebenen Frequenz bis zum Wert 1 (entsprechend der Nennfrequenz des angeschlossenen Motors) ändert sich die Schlupffrequenz nicht. Zwischen dem einfachen und dem doppelten Wert der Nennfrequenz ändert sich die Schlupffrequenz von dem einfachen zum doppelten Wert, und bei einer weiteren Erhöhung der eingegebenen Frequenz bleibt die Schlupffrequenz auf dem is doppelten Wert

Bei der Ausführungsform nach F i g. 6 unterscheidet sich die Steuerschaltung 15 von derjenigen nach F i g. 5 im wesentlichen dadurch, daß das Rechenorgan 32 für den Faktor 1/Jfcj als Rechenorgan 38 dem Dividend-Eingang 24 vorgeschaltet ist Der Verstärkungsfaktor dieses Rechenorgans ist über ein Umschaltorgan 38' in Abhängigkeit von seiner Eingangsspannung umschaltbar, so daß beim Oberschreiten eines Grenzwertes der Magnetisierungsspannung die Schlupffrequenz /2 allmählich vom einfachen auf den doppelten Wert zunimmt, wie es später in Verbindung mit F i g. 11 erläutert wird. Außerdem ist ein Vergleicher 39 vorgesehen. Dieser weist einen Verstärker 40 auf, dem über einen Summierwiderstand 41 von einem einstellbaren Potentiometer 42 ein maximaler Leistungswert N₁^, und über einen Summierwiderstand 43 die augenblickliche Leistung zugeführt wird Letztere ergibt sich als Ausgang einer Multiplikationsschaltung 44, der der Sparnungsmeßwert E und der Strommeßwert / zugeführt werden. Der Ausgang des Verstärkers 40 ist über eine Diode 45 an den Spannungsgeber 8 gelegt Sobald der eingestellte Wert Nmu erreicht wird, übernimmt dieser Vergleicher die Spannungssteuerung der Wechselrichterschaltung.

Ein weiterer Vergleicher 46 weist einen Verstärker 47 auf, dem über einen Summierwiderstand 48 von einem einstellbaren Potentiometer 49 ein maximaler Momentwert Mma und über einen zweiten Summierwiderstand 50 der Strommeßwert / zugeführt wird. Der Ausgang des Verstärkers 47 ist über eine Diode 51 an den Spannungsgeber 8 angeschlossen. Sobald der Wert Mmtx überschritten wird, erfolgt die Spannungssteuerung der Wechselrichterschaltung über diesen Vergleicher 46.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 7 ist lediglich der Rechenkreis 15 veranschaulicht Der Rest der Schaltung kann gemäß F i g. 5 oder gemäß F i g. 6 ausgelegt sein. Hier wird der Divisionsschaltung 25 am Dividend-Eingang 24 über ein Rechenorgan 52 ein mit dem Faktor 1/Jt₁ behafteter Spannungsmeßwert E zugeführt Der Strommeßwert gelangt an den Divisor-Eingang 26 und kann mittels des Mindeststromgebers 30 korrigiert werden. Der Quotient wird einer Subtraktionsschaltung 53 zugeführt in welcher ein Wert -p abgezogen wird, der ^Μ

an einem Potentiometer 54 einstellbar ist Bei diesem Rechenkreis wird die Rechengröße Λ nach der Gleichung (5) berechnet

F i g. 8 zeigt eine Schaltung entsprechend F i g. 3. Die Sollwert-Eingabevorrichtung führt die eingegebene Frequenz /'in Form einer Impulsreihe zu. Hiermit wird der Frequenzgeber 11 direkt beaufschlagt. Ein Digital/ Analog-Umwandler 116 setzt das Signal in eine analoge Spannung um. Diese wird über ein Rechenorgan 117, in welchem das Produkt k\ ■ f gebildet wird, einer Summationsschaltung 118 zugeführt, in welchem dem Produkt der konstante Wert ki hinzugefügt wird, welcher an einen Potentiometer 119 abgreifbar ist Das Additionsergebnis wird dem Divisor-Eingang 120 einer Divisionsschaltung 121 zugeleitet, deren Dividend-Eingang 123 mit dem Spannungsmeßwert £ versorgt wird. Auf diese Weise ergibt sich die Rechengröße /'. Diese wird über einen Summierwiderstand 124 dem invertierenden Eingang eines Verstärkers 123 des Vergleichers 114 zugeführt Diesem Eingang wird außerdem über einen Summierwiderstand 124' das Strommeßsignal J zugeleitet, das mit Hilfe eines Mindeststromgebers 30 korrigiert werden kann. Diese Schaltung ergibt nach Gleichung (7) eine konstante Schlupffrequenz.

Die beiden zu vergleichenden Werte / und /' werden außerdem einer Subtraktionsschaltung 125 zugeleitet Die Differenz beeinflußt eine Grenzwertschaltung, die aus zwei antiparallel geschalteten Zenerdioden besteh! und daher bei kleinen Differenzen kein Ausgangssignal, bei größeren Differenzen dagegen ein verhältnismäßig großes Ausgangssignal über einen Widerstand 127 an eine Additionsschaltung 128 abgibt In ihr wird da« Frequenzeingabesignal /in der Weise korrigiert, daß bei zu großer Beschleunigung oder zu großer Verzögerung das dem Rechenkreis zugeführte Frequenzsignal iir Sinne einer kleineren Abweichung zu der aus der Meßwerten berechneten Frequenz des Motors korrigiert wird.

Ein Vergleicher 129 weist einen Verstärker 130 auf dessen invertierenden Eingang über einen Summierwiderstand 131 ein maximaler Stromwert /m« von einem Potentiometer 132 und über einen Summierwiderstand 133 der Strommeßwert /zugeführt wird. Der Verstärkerausgang 130 ist über eine Diode 134 und einer Widerstand 135 ebenfalls mit dem einen Eingang de: Additionsgliedes 128 verbunden. Wenn der eingestellte Wert Inua überschritten wird, ergibt sich ein Korrektur signal, mit welchem die dem Rechenkreis zugeführte Frequenz gegenüber dem eingestellten Sollwert . verringert wird.

Ein weiterer Vergleicher 136 weist einen Verstärke! 137 auf, dessen invertierendem Eingang über einer Summierwiderstand 138 ein maximaler Spannungswer Ummx von einem einstellbaren Potentiometer 139 unc über einen zweiten Summierwiderstand 140 dei Spannungsmeßwert E zugeführt wird. Der Verstärker ausgang ist Ober eine Diode 141, die gegenüber dei Diode 134 entgegengesetzt gepolt ist, und einei Widerstand 142 ebenfalls an den einen Eingang dei Additionsschaltung 128 angeschlossen. Wenn ein« maximale Spannung Umu überschritten wird, erfolg eine Korrektur des Frequenzeingabesignals in de Weise, daß die dem Rechenkreis zugefUhrte Frequen; sich erhöht

In F i g. 9 ist ein Rechenkreis 115 dargestellt, der nacl der Gleichung (8) arbeitet in ihm wird das Strommeß signal / in einem Rechenorgan 1.43 mit dem Paktor k versehen. Dieses Produkt wird dem Minus-Einganj einer Subtraktionsschaltung 144 zugeführt, derei Plus-Eingang das Spannungsmeßsignal E zugefühn wird. Das Subtraktionsergebnis wird dem Dividend-Eingang 145 einer Divisionsschaltung 146 zugeleitet, derer Divisoreingang 147 mit dem Frequenzeingabesignal , versorgt wird. Der Quotient wird in einem Rechenorgar 148 mit dem Faktor \lk\ behaftet. Dies ergibt die

Rechengröße /' die im Vergleicher 114 mit dem Strommeßwert /verglichen wird.

Wegen der Zufuhr des Frequenzeingabesignals /als Impulsreihe, ist die Divisionsschaltung 146 in der Weise ausgelegt, daß ein Integrator 149 das am Eingang 145 anstehende Signal zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen, die über den Eingang 147 zugeführt werden, integriert Das Integrationsergebnis wird jeweils an einen Speicher 150 übertragen, so daß es auch während des Integrationsverlaufs zur Verfugung steht Gleichzeitig mit oder unmittelbar nach der Übertragung in den Speicher wird der Integrator auf NuU zurückgeführt

Die Schaltung der Fig. 10 entspricht Fig.4 und arbeitet nach der Gleichung (9). Der Rechenkreis 215 weist eine Multiplikationsschaltung 216 auf, deren is einem Eingang 217 der Frequenzeingabewert von einem Potentiometer 218 über einen Widerstand 219 und deren anderen Eingang 220 der durch den Mindeststromgeber 30 korrigierte Strommeßwert / über ein Rechenorgan 221, in welchem der Strommeßwert mit dem Faktor k_t behaftet wird, zugeführt werden. Das Produkt wird einem Eingang einer Additionsschaltung 222 zugeführt, an dessen anderen Eingang der Ausgang eines mit dem Strommeßwert / versorgten Rechenorgans 223 angeschlossen ist, so daß diesem Eingang das Produkt / · k₂ zugeführt wird. Das Summationsergebnis entspricht der Rechengröße £'der Spannung. Diese wird über einen Summierwiderstand 224 dem invertierenden Eingang eines Verstärkers 225 des Vergleichers 214 zugeleitet Dem gleichen Eingang wird über einen Summierwiderstand 226 das Spannungsmeßsignal if zugeführt Der Ausgang des Verstärken, steuert über eine Diode 227 den Spannungsregler 8.

Dem Rechenorgan 221 ist eine Divisionsschaltung 228 vorgeschaltet, deren Dividend-Eingang 229 dem Strommeßwert / zugeleitet wird. Normalerweise herrscht am Divisoreingang 230 der Wert 1, der an einem aus einem Festwiderstand 231 und einem Spezialpotentiometer 232 bestehenden Spannungsteiler abgegriffen wird. Die Abgriffe 233 der Sollwerteinstellvorrichtung und 234 des Spezialpotentiometers 232 sind mechanisch miteinander in folgender Weise verbunden: Wenn der Frequenzeingabewert zwischen Null und der Nennfrequenz des Motors liegt, hat der Divisor den Wert 1. Zwischen der einfachen und der doppelten Nennfrequenz nimmt der Divisor von 1 auf 2 zu. Oberhalb der doppelten Nennfrequenz bleibt der Divisor auf dem Wert 2. Dies entspricht in der Wirkung der Anordnung nach F i g. 5.

Außerdem ist ein zweiter Rechenkreis 235 vorgesehen. In einer Subtraktionsschaltung 236 wird von dem Spannungsmeßwert E das Produkt / ■ ki abgezogen. Das Subtraktionsergebnis wird dem Dividend-Eingang 237 einer Divisionsschaltung 238 zugeführt, dessen Divisoreingang 239 mit dem Produkt / · k\ versorgt wird. Am Ausgang ergibt sich daher eine Rechengröße /", die sich nach folgender Gleichung berechnet

E-I-k₂

(10)

60

Diese Gleichung entspricht der Gleichung (6). Diese Rechengröße /"wird in einer Subtraktionsschaltung 240 mit dem Frequenzeingabewert / verglichen. Die Differenz dient als Eingangssignal für eine Grenzwertschaltung 241, die der Grenzwertschaltung 126 entspricht. Ihr Ausgangswert wird über einen Widerstand 242 einer Additionsschaltung 243 /'!geführt, so daß der Frequenzeingabewert / korrigiert werden kann, wenn die aus den Meßwerten berechnete Frequenz f" einen zu großen Unterschied von der tatsachlich eingegebenen Frequenz /hat

In F i g. 11 ist die Arbeitekennlinie des als Verstarker ausgelegten Rechenorgans 38 (Fig.6) veranschaulicht Sein Eingangswert E-I ■ ki entspricht der Magnetisierungsspannung. Da bei höheren Motorfrequenzen und konstanter Schlupffrequenz diese Magnetisierungsspannung über die am Wechselrichtereingang zur Verfugung stehende maximale Spannung hinausgeht, wird diese konstante Schlupffrequenz nur bis kurz unter die Nennspannung (Grenzwert G), dargestellt durch 100% Emu, aufrechterhalten. Anschließend erfolgt eine derartige Korrektur, daß dem Eingangswert 100% E_n^, auch der Ausgangswert 100% E_n^_x entspricht, wis eine Änderung der Schlupffrequenz in diesem oberen Spannungsgebiet nach sich zieht

In Fig. 12 ist die Arbeitsweise des Mindeststromgebers 30 zu ersehen. Wenn der Stromnicßwert / und damit auch der Motorwirkstrom /1 sich auf der Linie A dem Wert Null nähert, übernimmt der Mindeststromgeber 30 längs der Linie B die Signalgabe. Der Wert horn der im Rechenkreis wirksam ist, kann daher nie unter einen vorgegebenen Wert z- B. 22%, was annähernd einem Mindestmoment von 5% entspricht sinken.

F i g. 13 zeigt das Moment-Frequenz-Arbeitsdiagramm einer Wechselrichterschaltung entsprechend Fig.6. Der Arbeitsbereich erstreckt sich über eine Frequenz von 0—300% der Nennfrequenz f\_nenn des Motors. Im gesamten Arbeitsbereich ist der Mindeststromgeber 30 wirksam. Aus diesem Grund entfällt der Bereich C für die Regelung. Zwischen Null und etwa 100% der Nennfrequenz ist lediglich das Drehmoment durch die Horizontale M - 100% begrenzt Dies erfolgt durch die Einstellung des Potentiometers 49. Für jeden Arbeitspunkt der zwischen der Linie M - 100% und dem Bereich C liegt ergibt sich für jedes beliebige Moment eine konstante Motordrehzahl, die durch die eingegebene Frequenz /und die mittels des Faktors \lk\ gewählte Schlupffrequenz bestimmt ist Im Frequenzbereich zwischen 100 und 200% lassen sich diese Verhältnisse bis zur Linie h - 100% aufrechterhalten. Bei einem höheren Moment tritt eine höhere Magnetisierungsspannung auf, die zum Umschalten des Regelor gans 38 entsprechend F i g. 11 führt Dies hat zur Folge, daß bei höheren Momenten die Schlupffrequenz allmählich auf den doppelten Wert anwächst. Als obere Begrenzung ist hier die Maximalleistung N_miX) die durch den Potentiometer 42 eingestellt worden ist, wirksam, die zu einer Hyperbel N - 100% führt Der Motor läßt sich sogar im Frequenzbereich von etwa 200—300% betreiben, wobei dieselben Verhältnisse wie zuvor gelten. Lediglich die obere Begrenzung wird durch die Linie /j — 200% vorgegeben, weil bei einer weiteren Erhöhung der Schlupf frequenz der Kippunkt unterschritten werden würde. Aus alledem ist ersichtlich, daß mit Hilfe der Wechselrichterschaltung ein Motor über einen außerordentlich großen Frequenzbereich und über einen außerordentlich großen Momentbereich, nämlich die weiße Fläche D unabhängig vom Moment mit konstanter Drehzahl betrieben werden kann und daß auch bei höheren Frequenzen noch ein Betrieb im Bereich £ möglich ist, wenn man eine SchlupffrequenzvergröOerung auf das Doppelte zuläßt.

Bei dem Diagramm nach Fig. 14, das beispielsweise der Ausführungsform nach Fig.5 entspricht, sind die oberen Begrenzungen dieselben wie im Diagramm der

Fig. 13, Auf Grund des mit dem Frequenzeingabe-Potentiometer 16 mechanisch gekoppelten Potentiometers 34 ergeben sich hierbei aber unterhalb der oberen Grenzkurven unterschiedliche Verhältnisse. Bis zur Nennfrequenz sind keine Unterschiede vorhanden. Im Frequenzbereich von etwa 100 bis 200% steigt die Schlupffrequenz proportional mit dem Frequenzzuwachs. Zwischen 200 und 300% ist die doppelte Schlupffrequenz konstant. Da hier jedem Frequenzeingabesignal /eine konstante Schlupffrequenz f₂ zugeord- net ist, ergeben sich für alle zulässigen Momente keine Abweichungen von der eingestellten Drehzahl.

Mit Hilfe des Prinzips der vorliegenden Wechselrichterschaltung lassen sich außerordentlich hohe Genauigkeiten bei der Drehzahlkonstanz erreichen. Mit einem gewöhnlichen Asynchronmotor kann auf diese Weise jede eingestellte Drehzahl bis auf 10% der maximalen Drehzahl innerhalb einer Toleranz von ±0,5% innerhalb des gesamten Belastungsbereichs von Null bis Vollast-Drehmoment konstant gehalten werden.

Noch höhere Ansprüche lassen sich mit der Schaltung nach Fig. 15 erfüllen, die weitgehend der Fig.6 entspricht, so daß diesbezüglich auch dieselben verwendet werden, aber noch weitere Schaltungsbestandteile enthält Zur besseren Veranschz .llichung sind einige Schaltungsteile als Funktionsblöcke veranschaulicht, bei denen jeweils in Koordinaten-Darstellung das Eingangssignal auf der Abszisse und das Ausgangssignal auf der Ordinate aufgetragen ist

In den Pfad de" Strommeßsignals /ist ein Verstärker 55 mit veränderbarem Verstärkungsfaktor A geschaltet Dies erlaubt es, Motoren verschiedener Größe an dieselbe Wechselrichterschaltung anzuschließen, obwohl die Wechselrichterschaltung selbst nur für eine bestimmte Motorgröße ausgelegt ist

Wenn ein Motor angeschlossen wird, der eine kleinere Nennleistung hat als die Nennleistung der Wechselrichterschaltung, würde der Vollaststrom des kleineren Motors einem Teillaststrom des größeren Motors entsprechen. Infolgedessen wäre der kleinere Motor bei Vollast untermagnetisiert und hätte auch bei jeder Teillast eine zu geringe Magnetisierung. Damit ergäbe sich eine unerwünschte größere Schlupffrequenz und damit die Möglichkeit daß das Kippmoment des Motors überschritten wird. All diese Nachteile lassen sich auf einfache Weise durch eine Erhöhung des Verstärkungsfaktors A im Verstärker 55 beheben. Wenn beispielsweise ein Motor mit der halben Nennleistung angeschlossen wird, braucht lediglich der Verstärkungsfaktor A verdoppelt zu werden. Alle Vorgänge in der Wechselrichterschaltung laufen dann beim halben Motorstrom ab.

Das Strommeßsignal wird der Rechenschaltung 15 über ein Zeitglied 56, insbesondere ein ÄC-Glied, zugeführt Die Zeitkonstante dieses Gliedes, die beispielsweise 0,2 s betragen kann, sorgt dafür, daß sich eine gewisse Welligkeit des Wechselrichterstromes nicht im Rechenkreis 15 auswirkt

Insbesondere ändert sich nicht die Frequenz des Wechselrichters unter dem Einfluß dieser Strom-Welligkeit. Diese Zeitkonstante beeinflußt zwar auch die Geschwindigkeit, mit der die Wechselrichterschaltung auf einen neuen Arbeitspunkt übergeht Die Zeitkonstante läßt sich aber ohne weiteres so wählen, daß der Einfluß der Strom-Welligkeit zwar unterdrückt wird, die Annäherung an einen neuen Arbeitspunkt aber ausreichend rasch vor sich geht.

Der Spannungsmeßwert E wird nicht nur der Rechenschaltung 15, sondern auch einem Bandpaßfilter 57 zugeführt, das für Gleichspannung undurchlässig ist, aber eine Wechselspannungskomponente in Abhängigkeit von ihrer Frequenz mehr oder weniger stark hindurchläßt Diese Wechselspannungskomponente bildet das Ausgangssignal des Bandpaßfilters 57 und wird in einer Mischstufe 58 dem Vergleicher 46 gleichsinnig mit dem Strommeßsigna! /zugeführt Der Bandpaßfilter ist zweckmäßigerweise auf die Resonanzfrequenz des Filterkreises, der bei einem regelbaren Gleichrichter 2 üblich ist, abgestimmt Auf diese Weise können Pendelungen des nachgeschalteten Motors vermieden werden, wie sie bei einer plötzlichen Laständerung bei Drehmomentsteuerung auftreten. Denn diese Pendelung macht sich durch die Spannungsänderungen bemerkbar. Die Wechselspannungskomponente wirkt als Gegenkopplung.

Da bei dieser Regelung der Maximalstrom des Motors nicht überschritten werden darf, ist ein weiterer Vergieicher 53 vorgesehen, dessen Ausgang über είπε Diode 60 mit den Ausgängen der übrigen Vergleicher 14,39 und 46 verbunden ist Dieser Vergleicher besitzt eine Subtraktionsschaltung 61, der einerseits das Strommeßsignal / und andererseits von einem Spannungsteiler 62 ein festes Referenzsignal ils höchstzulässiger Stromwert Τ™, zugeführt wird. Dieser Vergleicher 59 übernimmt daher die Steuerung des Spannungsregelsignals Su, sobald der Maximalstrom überschritten wird.

Die Schlupffrequenz des Motors darf-auch unter extremen Verhältnissen nicht so groß werden, daß das Kippmoment unterschritten wird. Dies tritt in der Regel dann ein, wenn die tatsächliche Schlupffrequenz größer als das Dreifache der Nennschlupffrequenz, ist Da zwischen Schlupffrequenz und Drehmoment nicht-lineare Verhältnisse vorherrschen, die im Rechenkreis nur mit sehr großem Aufwand berücksichtigt werden können, empfiehlt es sich, die Schlupffrequenz auf etwa die doppelte Nennschlupffrequenz »,u begrenzen. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Ausgestaltung des umschaltbaren Verstärkers 38,38' gescher hen.

In vorliegender Schaltung ist jedoch eine indirekte Begrenzung durch die Begrenzungsschaltung 63 vorgesehen, die verhindert, daß das Frequenzeingabesignal / einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet Wenn einerseits eine maximale Frequenz durch die Schaltung 63 und andererseits die maximale Belastung durch den Vergieicher 59 festgelegt ist, kann umgekehrt auch die Schlupffrequenz einen vorgegebenen Grenzwert nicht überschreiten.

Dies gilt auch dann, wenn noch eine zusätzliche Schlupfkompensation vorgesehen ist Ein Schlupfkompensationssignalgeber 64 wird von der gleichen Eingangsgröße wie der umschaltbare Verstärker 38 beeinflußt, nämlich vom Wert E-I-Ic₂. Unter Bezugnahme auf F i g. 11 sei in Erinnerung gerufen, daß bei einem Grenzwert G im umschsltbaren Verstärker 38 der Faktor \lk\ geändert wird. Bis zu diesem Grenzwert G tpbt der Schlupfkompensationsgeber 64 ein Schlupfkornpensationssignal 5Ar - 0 ab. Beim Überschreiten dieses Grenzwertes G nimmt das Signal Sk kontinuierlich zu. Das Signal Sk ist daher nur wirksam, wenn der für die Schlupffrequenz verantwortliche Faktor \/k\ vergrößert, z. B. verdoppelt worden ist

An einem Potentiometer 65 wird ein erstes Schlupfkompensationssignal 5A-1 abgegriffen und in einer eine Additionsschaltung aufweisenden Mischstufe

66 dem Frequenzeingabesignal /Oberlagert Dies hat zur Folge, daß die Frequenz des Wechselrichters kontinuierlich erhöht wird, wenn die Schlupffrequenz mittels des Verstärkers 38 kontinuierlich herabgesetzt wird Infolgedessen ergibt sich eine hohe Drehzahlkonstanz. Ein zweites Schlupfkompensationssignal 5*2, das mit dem Schlupfkompensationssignal 5Ar identisch sein kann, wird einem Verstärker 67 zugeführt, der zwei VerstärkerkeiUiünien I und II hat Bei niedrigen Weiten des am Potentiometer 49 eingestellten maximalen Momentwerts Mao. gilt die Verstirkerkennlinie 1, bei höheren Momentwerten die Verstarkerkennlinie II. Der Ausgangswert wird in einer Additionsschaltung 68 dem maximalen Momentwert hinzugefügt Dies hat zur Folge, daß immer dann, wenn ein maximaler Moment- is wert eingestellt war, der nicht gleich der höchstzulässigen Belastung war, das eingestellte maximale Moment über einen größeren Drehzahlbereich hinweg konstant gehalten werden kann, wie es in Verbindung mit F i g. 16 erläutert wird.

In F i g. 16 ist, wie in F i g. 13, über der Wechseirichtftrfrequenz /1 das Moment Maufgetragen. Es werden drei verschiedene Betriebszustände untersucht bd denen das maximale Moment auf 100,75 und 50%, eingestellt war. Dies entspricht Strömen /von 100, 87 und 71%. Diesen Kurven entsprechen oberhalb der Nennfrequenz die Leistungshyperbeln N von 100, 87 und 71%. Es ist ersichtlich, daß bei einer Moment-Einstellung unter 100% das Moment oberhalb einer vorgegebenen Frequenz /1 absinkt obwohl noch eine Moment-Reser ve vorhanden ist Diese wird dadurch ausgeschöpft, daß dem eingestellten Momentwert M das Schlupfkompensationssignal 5Ar 2 Oberlagert wird, wobei diese Oberlagerung gleichlaufend mit der Erhöhung der Schlupffrequenz /2 vor sich geht Durch diese Überlagerung ergeben sich die verlängerten Momenten-Geraden M' und M", aus denen erkennbar ist, daß beispielsweise ein eingestelltes Moment M von 50% bis zur doppelten Nennfrequenz aufrechterhalten werden kann. Zu beachten ist hierbei, daß bei größeren Momenten, welche die Leistungshyperbel in steileren Abschnitten schneiden, größere Zuschläge zur Schlupfkompensation erforderlich sind als bei kleineren Momenten. Dies berücksichtigen die beiden Verstärkerkennlinien I und II des Verstärkers 67. Es ist klar, daß eine höhere Geschwindigkeit erzielt werden kann, wenn der Verstärkungsgrad kontinuierlich mit dem eingestellten Moment M₁^, geändert wird. Die Begrenzung bei einer Wechselrichterfrequenz von 200% /!„„„ ist die Wirkung der Begrenzerschaltung 63.

Die dargestellten Schaltungen sind lediglich Ausführungsbeispiele. Die Rechenkreise lassen sich auch auf andere Weise verwirklichen. Beispielsweise können statt der Divisionsschaltungen Multiplikationsschaltungen angewendet werden, bei denen der Divisor als Kehrwert zugeführt wird. Statt den einen Ausgangswert direkt dem Vergleicher zuzuführen, kann man ihn auch im Rechenkreis behandeln und dann zwei Zwischenergebnisse miteinander vergleichen.

Hierzu 6 Blatt Zeichnunaen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Steuerung der Drehzahl eines über einen Zwischenkreisumrichter gespeisten Asynchronmotors

— mit einem Frequenzgeber zur Steuerung des Wechselrichters,

— einem Spannungsgeber zur Steuerung der ι ο Gleichspannungsversorgung

— und einer die Steuersignale für den Spannungsgeber bildenden Steuerschaltung, die

— einen Vergleicher, dessen Ausgangssignal den Spannungsgeber führt, und einen

— Recherikreis umfaßt, und der als Eingabegrößen

— ein Frequenzsollwertsignal

— ein zur Motorspannung proportionales Spannungsmeßsignal

— und ein zum Strom des Zwischenkreises proportionales StrommeBsignat

— zugeführt sind, wobei der Rechenkreis aus jeweils zwei Eingabesignalen bei Berücksichtigung des ohmschen Widerstands des Motors durch eine Konstante eine Ausgangsgröße bildet, da en Signal zusammen mit dem dritten Eingabesignal dem Vergleicher zugeführt sind,

30

dadurch gekennzeichnet,daß der Rechenkreis (15, 1IS, 215) seine Ausgangsgröße nach der Gleichung

τ (τ-*0

35

oder einer Umformung davon berechnet, in der

f das Frequenzsollwertsignal E das Spannungsmeßsignal

/ das Strommeßsignal

k\ ein die gewünschte Schlupf frequenz berücksich

tigender Wert und
jt₂ eine dem Widerstand der Ständerwicklung entsprechende Konstante

bedeuten und daß das Frequenzsollwertsignal auch den Frequenzgeber führt

2. Anordnung zur Steuerung der Drehzahl eines über einen Zwischenkreisumrichter gespeisten Asynchronmotor

— mit einem Frequenzgeber zur Steuerung des Wechselrichters,

— einem Spannungsgeber zur Steuerung der Gleichspannungsversorgung

— Rechemkreis umfaßt, und der als Eingabegrößen

— ein Frequenzsollwertsignal

— ein zur Motorspannung proportionales Spannungsmeßsignal

— und ein zum Strom des Zwischenkreises proportionales Strommeßsignal

— zugeführt sind, wobei der Rechenkreis aus jeweils zwei Eingabesignalen bei Berücksichtigung des ohmschen Widerstands des Motors durch eine Konstante eine Ausgangsgröße bildet, deren Signal zusammen mit dem dritten Eingabesignal dem Vergleicher zugeführt sind,

dadurch gekennzeichnet, daß der Rechenkreis (15, 115, 215) ein Frequenzausgangssignal nach der Gleichung

oder einer Umformung davon berechnet, in der

/ das Frequenzsollwertsignal

E das Spannungsmeßsignal

/ das Strommeßsignal

k\ ein die gewünschte Schlupffrequenz berücksichtigender Wert und

Jt₂ eine dem Widerstand der Ständerwicklung entsprechende Konstante

bedeuten und daß dieses Frequenzausgangssignal auch den Frequenzgeber führt

3. Wechselrichcerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert k\ zumindest über den größten Teil des Motorarbeitsbereiches unterhalb der Nenndrehzahl konstant gehalten wird.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechenkreis (15) eine Divisionsschaltung (25) der das Spannungsmeßsignal (E) als Dividend und das Strommeßsignal (I) als Divisor zugeführt wird, und eine nachgeschaltete Subtraktionsschaltung (53), in der vom Quotienten ein fester Wert

(I)

abgezogen wird, aufweist, und daß vor den Dividend-Eingang oder hinter den Ausgang der Divisionsschaltung ein Rechenorgan geschaltet ist,

das den Faktor —einführt (F i g. 7).
*i

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechenkreis (15) eine Subtraktionsschaltung (22), in der vom Spannungsmeßsignal (E) ;in stromproportionaler Wert (I... fc) abgezogen wird, und eine Divisionsschaltung (25) aufweist, der der Ausgangswert der Subtraktionsschaltung als Dividend und das Strommeßsignal (I) als Divisor zugeführt wird, aufweist, und daß vor den Dividend-Eingang oder hinter den Ausgang der Divisionsschaltung ein Rechenorgan geschaltet ist,

das den Faktor— einführt (F i g. 5 und 6).

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechenkreis (115) eine Additionsschaltung (128), in der ein zum Frequenzsollwertsignal proportionaler Wert (f ■ k\) und ein konstanter Wert (ki) addiert werden, und eine Divisionsschaltung (121), der als Dividend das Spannungsmeßsignal (E) und als Divisor der Ausgangswert der Additionsschaltung zugeführt wird, aufweist (F i g. 8).

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechenkreis (115) eine Subtraktionsschaltung (144), in der vom Spannungsmeßsignal (E) ein stromproportionaler Wert (I · fe) abgezogen wird, und eine Divisionsschaltung (146), der der Ausgangswert der Subtraktionsschaltung als Dividend und der Frequenzsollwert als Divisor zugeführt wird, aufweist, und daß vor den Dividend-Eingang oder hinter den Ausgang der Divisionsschaltung ein Rechenorgan geschaltet ι ο

ist, das den Faktorp einführt (F i g. 9).

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechenkreis (215) eine Multiplikationsschaltung (216), dem das Frequenzsollwertsignal (f) und das Strommeßsignal (I), von denen eines mit einer ersten Konstanten (k\) multipliziert ist, zugeführt werden, und eine Additionsschaltung (222), in der das Multiplikationsergebnis und das mit einer zweiten Konstanten (ki) multiplizierte Strommeßsignal (I) addiert werden, aufweist (F ig. 10).

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Konstante (k\, Jb) einstellbar ist

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Konstante (k\) von einem der drei Ausgangswerte (f) abhängig sind.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch einen Mindeststromgeber (30), der das Strommeßsignal (I) bei kleinen Werten des gemessenen Stromes auf einem vorgegebenen Mindestwert hält

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet daß an den Ausgang des ersten Vergleichers (14) der Ausgang eines zweiten Vergleichers (39) geschaltet ist der einen einstellbaren maximalen Leistungswert (N_m._x) mit dem Produkt aus einem annähernd dem gemessenen Strom- (I\) und einem annähernd der gemessenen Spannung (U\) entsprechenden Faktor vergleicht und den ersten Vergleicher übersteuert wenn das Produkt den maximalen Leistungswert übersteigt

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet daß ar: den Ausgang des ersten Vergleichers (14) der Ausgang eines dritten Vergleichers (46) geschaltet ist, der einen einstellba ■ ren maximalen Momentwert (M_mtx) mit einem dem gemessenen Strom (I) entsprechenden Vergleichswert vergleicht und den ersten Vergleicher über- steuert wenn der Vergleichswert den maximalen Momentwert übersteigt.

14. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das den der Schlupffrequenz proportionalen Faktor \lk\ einstellende Rechenorgan (32,38, 221) diesen im Arbeitsbereich bis etwa zur Nennfrequenz des Moiors konstant hält und ein Umschaltorgan (33, 38') diesen Faktor oberhalb der Nennfrequenz vergrößert.

15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschaltorgan (33) mit der Einstellvorrichtung (17, 233) der Sollwert-Eingabevorrichtung (12) mechanisch gekoppelt ist.

16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschahorgan (33) eine '5 mit dem als Verstärker ausgebildeten Rechenorgan (221) in Reihe liegende Divisionsschaltung (228) steuert, in die ein mit dem Frequenzsollwertsignal (f) änderbares Signal als Divisor eingeführt wird.

17. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Rechenorgan (32) einen Verstärker und das Umschaltorgan (33) einen mit dem Frequenzsollwertsignal (Q änderbaren Rückkopplungswiderstand (34) aufweist

18. Anordnung nach Anspruch 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet daß der Faktor (1/Jti) sich zwischen der einfachen und der doppelten Nennfrequenz verdoppelt und bei weiterem Anstieg der Frequenz etwa auf diesem doppelten Wert bleibt

19. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das den der Schlupffrequenz proportionalen Faktor 1/Jti einstellende Rechenorgan (38) diesen im Arbeitsbereich bis zu einem kurz unter der Nennspannung liegenden Spannungsgrenzwert konstant hält und ein Umschaltorgan (38') diesen Faktor oberhalb dieses Spannungsgrenzwertes vergrößert

20. Anordnung nach Anstach 19, dadurch gekennzeichnet daß das Umschalturgan (38') von einem Steuersignal gesteuert wird, das gleich dem um einen stromproportionalen Wert (I · fe) verminderten Spannungsmeßsignal (E) ist und der Spannui.gsgrenzwert etwa 90% bis 95% der Nennspannung des Motors entspricht

21. Anordnung nach Anspruch 13 und 20, dadurch gekennzeichnet daß das Rechenorgan (38) ein zwischen Substraktionsschaltung (22) und Divisionsschaltung (25) angeordneter Verstärker ist und daß das Umschaltorgan (38') dessen Verstärkungsgrad ändert und vom Eingangssignal des Verstärkers gesteuert ist

22. Anordnung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet daß der Faktor

(i)

sich zwischen dem Spannungsgrenzwert und einem der Nennspannung entsprechenden Wert kontinuierlich etwa verdoppelt.

23. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang der Sollwert-Eingabevorrichtung (12) der Ausgang eines vierten Vergleichers (129) geschaltet ist, der einen einstellbaren maximalen Stromwert (I_mtx) mit dem Strommeßsignal (I) vergleicht und das Frequenzsollwertsignal (f) herabsetzt wenn das Strommeßsignal den maximalen Ctromwert übersteigt.

24. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang der Sollwert-Eingabevorrichtung (12) der Ausgang eines fünften Vergleichers (136) geschaltet ist, der einen einstellbaren maximalen Spannungswert (Um_1x) mit dem Spannungsmeßsignal (E) vergleicht und das Frequenzsollwertsignal (f) heraufsetzt wenn das SpannungsmeP'ignal den maximalen Spannungswert übersteigt

25. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang der Sollwert-Eingabevorrichtung (12) der Ausgang einer Grenzwertschaltung (126,241) angeschlossen ist, die, wenn der Unterschied zwischen einem der Ausgangswerte und der zugehörigen Rechengröße einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt, das Frequenzsollwertsignal (f) im Sinne einer Verringerung des Unterschieds ändert.

26. Anordnung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Grenzwertschaltung (126) eine Subtraktionsschaltung (125) vorgeschaltet ist, der die beiden im ersten Vergleicher (114) zu vergleichenden Größen zugeführt werden.

27. Anordnung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Rechenkreis (235) vorgesehen ist, der aus dem Spannungsmeßsignal (E) und dem Strommeßsignal (I)t\nt Frequenz-Rechengröße (C) berechnet und daß der Grenzwertschaltung (241) eine Subtraktionsschaltung (240) vorgeschaltet ist, der das Frequenzsollwertsignal (f) und die Frequenz-Rechengröße (/"^zugeführt werden.

28. Anordnung nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzwert-Schaltung (126, 241) zwei antiparallel geschaltete Dioden, insbesondere Zenerdioden, aufweist.

29. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 28,

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signal (f) als Impulsreihe eingegeben und dem Rechenkreis (115) über einen Digital/Analog-Umsetzer(116) zugeführt wird.

30. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Frequenzsollwertsignal (!) der Divisionsschaltung (146) als Impulsreihe zügeführt wird, deren Frequenz der Frequenz des Wechselrichters entspricht, daß die Divisionsschaltung einen Integrator (149) aufweist, der das Spannungsmeßsignal (E) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen integriert, und daß ein Speicher (150) das jeweils letzte Integrationsergebnis speichert

31. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom-Meßvorrichtung (10) ein Verstärker (55) mit einstellbarem Verstärkungsgrad (A) zugeordnet ist, der das Strommeßsignal ^abgibt

32. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 31, gekennzeichnet durch eine Begrenzungsschaltung (63) welche die Schlupffrequenz (fi) auf etwa die doppelte Nennschlupffrequenz begrenzt

33. Anordnung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet daß im Weg des Frequenzsignals, insbesondere des Frequenzsollwertsignals (f), eine Begrenzungsschaltung (63) liegt

34. Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis

33, dadurch gekennzeichnet daß das Spannungsmeßsignal (E) über einen Bandpaßfilter (57) zugeführt wird, dessen Ausgangssignal gleichsinnig mit dem Strommeßsignal (I) in den dritten Vergleicher (46) eingespeist wird.

35. Anordnung nach einem der Ansprüche 14 bis

34, dadurch gekennzeichnet daß ein Schlupfkompensierungssignalgeber (64) vorgesehen ist der ein Schlupfkompensierungssignal (Sk) abgibt das bis etwa zur Nennfrequenz des Wechselrichters Null ist und darüber einen mit der Frequenz ansteigenden Wert hat

36. Anordnung nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet daß der Schlupfkompensierungssignalgeber (64) von derselben Eingangsgröße gesteuert ivird wie das den zur Schlupffrequenz proportionalen Faktor (1/Jti) bestimmende Rechenorgan (38).

37. Anordnung nach Anspruch 35 oder 36. s5 gekennzeichnet durch eine Additionsschaltung (66), in der ein erstes Schlupfkompensationssignal (Sk 1) dem Frequenzsignal, insbesondere dem Frequenzsollwertsignal (I), hinzugefügt wird.

38. Anordnung nach einem der Ansprüche 35 bis 37, gekennzeichnet durch eine Additior.sschaltung (68), in der ein zweites Schlupfkompensationssignal (Sk 2) dem einstellbaren Momentwert (Mmu), der dem »dritten Vergleicher (46) zugeführt wird, hinzugefügt wird.

39. Anordnung nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet daß das zweite Schlupfkompensationssignal (Sk 2) über einen Verstärker (67) geleitet ist, dessen Verstärkungsgrad in Abhängigkeit vom einstellbaren Momentwert (M_mtx) wenigstens zwei Stufen (I, II) einnehmen kann, wobei die höhere Stufe (II) einem höheren Momentwert zugeordnet ist

40. Anordnung nach einem der Ansprüche 34 bis 39, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang des ersten Vergleichers (14) der Ausgang eines sechsten