DE3011451A1

DE3011451A1 - Motorregelschaltkreis

Info

Publication number: DE3011451A1
Application number: DE19803011451
Authority: DE
Inventors: Nichtnennung Beantragt
Original assignee: Kearney and Trecker Corp
Current assignee: Kearney and Trecker Corp
Priority date: 1979-03-28
Filing date: 1980-03-25
Publication date: 1980-10-09
Also published as: US4300086A; JPS55136895A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Motorregelschaltkreis zur Erregung und Drehzahlregelung eines Wechselstrominduktiansmotors, der einen Rotor und mehrere Statoruicklungen aufuieist, mit einer Gleichspannungsquelle, einem Wandler zum Umwandeln einer Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsuechselspannung, ujobei der Eingang des Wandlers an die Gleichspannungsquelle angeschlossen und der Ausgang des üüandlers mit den Stataruiicklungen verbunden ist, souie mit Mitteln zur Änderung der Frequenz des Ausgangssignales des Wandlers,

Eine bekannte und oft veruendete Methode der Drehzahlregelung eines Wechselstrominduktionsmotors ist die ¹¹UoIt pro Hertz gleich konstanf-Technik. Diese Methode basiert auf der einem Wechselstrominduktionsmator anhaftenden Drehzahlregelfähigkeit, die darin besteht, daß seine synchrone, unbelastete Drehzahl proportional ist zur Erregerfrequenz entsprechend der Beziehung Nenndrehzahl pro Minute =

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Ein vierpoliger Wechselstrominduktionsmotor hat folglich eine synchrone Drehzahl von 1800 Umdrehungen pro Minute bei einer Erregerfrequenz von 60 Hz. Die Methode "UoIt pro Hertz gleich konstant" bedeutet, daß wenn die Motorerregung auf 30 Hz absinkt, die dem Motor zugeführte Spannung auf die Hälfte ihres Wertes bei GO Hz erniedrigt uierden muß. Wenn die Matorerregung auf 120 Hz ansteigt, muß die dem Motor zugeführte Spannung verdoppelt ujerden, um den gleichen Ausgangsstrom zu erhalten. Aber die Drehzahlregelung dieser Methode "UoIt pro Hertz gleich konstant" ist verhältnismäßig ungenau, weil der das Drehmoment erzeugende Mechanismus des Motors einen Schlupf Dder eine Reduktion der Motordrehzahl gegen über seiner Synchrondrehzahl erfordert. Die verfügbaren Matorenmit dem geringsten Sdilupf sind für einen Schlupf von 2% bemessen, und deshalb kann bestenfalls eine 2%-ige Regulierbarkeit mit dieser Methode "UoIt pro Hertz gleich konstant" erreicht werden.

Wenn in der Uergangenheit eine genauere Drehzahlregelung erwünscht war, mußte ein Tachometer verwendet werden zusammen mit Mitteln zur Änderung der Erregerfrequenz, um ein vorbestimmtes Ausgangssignal des Tachometers zu erreichen. Aber ein Tachometer ist verhältnismäßig teuer, benötigt Platz und bringt eine Drehzahlbegrenzung des Motors mit sich, die bei Anuendungsfallen mit hoher Drehzahl unerwünscht ist.

Der Erfindung liegt deshalb vor allem die Aufgabe zugrunde, einen Motorregelschaltkreis zu schaffen, der eine ausgezeichnete Drehzahlregelung ermöglicht, aber keinen Tachometer benötigt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Stromerfassungseinrichtung zum Abtasten der Größe des in die Statorwicklungen fließenden Stromes sowie

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eine Einrichtung vorgesehen ist, die mit der Stromerfassungseinrichtung und den Mitteln zur Frequenzänderung des Ausgangssignales des Wandlers gekoppelt sind, um die Frequenz des Wandlers zu erhöhen, wenn die Größe des Statorstromes ansteigt, und um die Frequenz des Wandlers abzusenken, uienn die Größe des Statorstromes fallt, sodaß die Drehzahl des Rotors trotz Belastungsänderungen im wesentlichen konstant gehalten wird.

Der Grundgedanke der Erfindung zur Lösung der genannten Aufgabe besteht also darin, den StatorstrDm des Induktionsmotors zu erfassen und einen Frequenzregelschaltkreis vorzusehen, in dem die Frequenz automatisch erhöht wird, nenn der Statorstrom ansteigt, und automatisch abgesenkt wird, uienn der Statorstrom abnimmt Die Beziehung zwischen der Größe der Statorstromänderung und der Größe der Frequenzänderung ist so ausgewählt, daß eine im wesentlichen konstante Rotordrehzahl von !Mullast bis Überlast erreicht wird.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in

Fig. 1: ein schematisches Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsfarm der Erfindung;

Fig. 2: eine Schar von Drehzahl-Drehmomentkennlinien für die Ausführung nach Fig. 1.

Gemäß Figur 1 weist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung eine Einrichtung auf, um einem dreiphasigen, vierpoligen Wechselstrominduktionsmotor 10 mit Statorwicklungen 12, 14 und 16 und einem Käfig-

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läufer ( nicht gezeigt ) ein dreiphasiges Erregersignal zuzuführen. Dieses dreiphasige Erregersignal uird in einem Dreiphasenwandler 18 erzeugt, dem von einer Schaltstufe 20 mit einem Leistungstransistorschalter und einem LC-Siebglied eine variable Eingangsgleichspannung und von einem dreiphasigen Ringzähler 22 ein dreiphasiges üJechsElspannungseingangssignal zugeführt wird. Der Wandler 18 erzeugt ein dreiphasiges Wechselspannungserregersignal mit einem Amplitudenscheiteluert entsprechend de-r Eingangsgleichspannung und einer Frequenz entsprechend dem Wechselspannungseingangssignal.

Die Frequenz des dreiphasigen Ringzählers 22 wird durch einen spannungsgesteuerten Oszillator 2k bestimmt, der eine Eingangsspannung von einem Summierverstärker 0A3 empfängt. Die Amplitude der Ausgangsgleichspannung der Schaltstufe 20 mit dem Leistungstransistorschalter und dem LC-Siebglied hängt von dem Verhältnis der Ein- und Ausschaltzeit der dadurch erzeugten Spannung ab. Dies wird durch einen stabilisierten Impulsbreitenmodulator 26 gesteuert, der das Verhältnis der Ein- und Ausschaltzeit in Abhängigkeit von einer Eingangsgleichspannung aus einem Summierverstärker 0A2 vorgibt. Die Ausgangssignale der Summierverstärker 0A2 und 0A3 werden zum Teil durch ein gemeinsames Eingangssignal von dem Operationsverstärker 0A1 über die Widerstände R3 beziehungsweise Rk bestimmt. Die Verstärkungsfaktoren der Summierverstärker 0A2 und 0A3 können mittels der Rückkopplungspotentiometer R5 beziehungsweise R6 eingestellt werden.*

Obwohl bei dieser Ausführung Ohmsche Widerstände als Impedanzen verwendet werden, ist dem Fachmann klar, daß bei anderen Ausführungsformen der Erfindung Drosseln oder Kapazitäten als Impedanzen eingesetzt werden können.

Der Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers GA1 kann durch das Rückkopplunaspotentiometer R7 eingestellt werden. 030041/0691

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Eine analoge Geschwindigkeitsführungsspannung wird einem Eingang des Operationsverstärkers OA1 über den Ididerstand RS zugeführt. Die Geschwindigkeitsführungsspannung bestimmt die Frequenz und die Amplitude des Wechselspannungserregersignals, das den Statorwicklungen 12, 14 und 16 des Motors 1D vermittels der Wirkung der oben beschriebenen Schaltelemente zugeführt wird. Die Frequenz und die Amplitude werden durch die Summierverstärker OA2 und DA3 nach der Methode "Volt pro Hertz gleich konstant" gesteuert.

Der bis jetzt beschriebene Motorregelschaltkreis ist demjenigen ähnlich,der in der schwebenden Patentanmeldung P30 09 344.8 beschrieben ist, die am 12 .3.80 unter der Bezeichnung "Schaltung für einen Wechselstrommotor " angemeldet wurde und deren gesamter Offenbarungsinhalt durch diese Bezugnahme hier miteinbezogen wird. Bei dem Schaltkreis gemäß dieser genannten Patentanmeldung wird ein Tachometer als Motordrehzahlrückkopplungselement verwendet. Bei der vorliegenden Erfindung wird der Tachometer ersetzt durch einen Stromerfassungswiderstand R9, der in Serie mit dem Gleichspannungseingang zum Dreiphasenleistungswandler 18, der das dreiphasige Erregersignal für den Motor 10 erzeugt, geschaltet ist. Der Strom durch den Widerstand R9 und damit auch der Spannungsabfall über dem Widerstand R9 ist deshalb proportional zum Drehmoment und Schlupf des Motors 10. Dieser Spannungsabfall wird über die Widerstände R10, R11 und R12 dem Eingang des Operationsverstärkers 0A4 zugeführt, der so geschaltet ist, daß er als Differenzverstärker arbeitet. Mit R13 ist ein Rückkopplungswiderstand bezeichnet.

Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers ÜA4 wird

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über die Widerstände R1 und R2 den Eingängen der Summierverstärker 0A2 betiehungsweise DA3 zugeführt, ωό es dem Ausgangssignal des Verstärkers DA1 für die Geschwindigkeitsführungsgröße hinzuaddiert uiird. Folglich sind die Ausgangssignale der Summierverstärker DA2 und 0A3 gleich der Summe des Geschwindigkeitsführungssignals und des Stromrückkopplungssignals.

Die Betriebsweise des oben beschriebenen Schaltkreises wird durch die Schar der Drehzahl-Drehmamentkennlinien gemäß Figur 2 erläutert. Die Kurve A zeigt die Drehzahl-Drehmomentkennlinie des Motors 1D bei einer Erregerfrequenz von GD Hz. Normalerweise ist ein Motor, dessen synchrone Drehzahl 1800 Umdrehungen pro Minute beträgt, SD ausgelegt, daß er mit einer geringeren Drehzahl, zum Beispiel 1746 Umdrehungen pro Minute, arbeitet, da ein gewisses Maß an Schlupf benötigt wird, um ein Ausgangsdrehmoment von 100% zu entwickeln. Mit dem Regelschaltkreis nach der vorliegenden Erfindung arbeitet der Motor jedoch mit einer sehr geringen Schlupfabweichung bei seiner synchronen Anlassdrehzahl von IMullast bis Überlast. Die Schlupfabweichung ist der geringe Betrag des Schlupfes von der synchronen Drehzahl bei unbelastetem Zustand. Wenn ein Betrieb bei genau 1800 Umdrehungen pro Minute gewünscht wird, kann der Effekt der anfänglichen Schlupfabweichung durch Justierung van R7 aus dem Schaltkreis beseitigt werden.

Wenn der Motor belastet wird, steigt sein Statorstrom an, was einen auf dem Stromrückkopplungssignal beruhenden Anstieg der synchronen Frequenz bewirkt. Die Kurven B, C, D und E zeigen Drehzahl-Drehmomentkennlinien bei verschiedenen Belastungen, die sich von geringer Last (Kennlinie B) bis Überlast (Kennlinien D und E) erstrecken. Die Motordrehzahl bleibt konstant bei 1800

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Umdrehungen pro Minute, aber die Position auf der Drehzahl-Drehmomentkennlinie ändert sich, wie das durch die Punkte 30, 32, 3*f und 36 dargestellt ist, ιιιεππ sich die Last von Nullast auf Überlast ändert. Die Drehzahl-Drehmomentkennlinie verschiebt sich in Figur 2 nach rechts, wenn die Motorbelastung ansteigt, und verschiebt sich in Figur 2 nach links, uenn die Last abnimmt· Es wird darauf hingewiesen, daß die Drehzahlregelwirkung bei der Erfindung nicht vom Nennschlupf des Motors abhängt. Der Schaltkreis gemäß der vorliegenden Erfindung kann denselben Grad der Drehzahlregulierung bei einem Motor mit einem Nennschlupf von 10% wie bei einem Motor mit einem Nennschlupf von Z% wahren. Damit wird es dem Schaltkreisentmickler möglich, den Prozentsatz des Schlupfes als Konstruktionskriterium zu ignorieren und den Motor nach anderen Kriterien auszuwählen.

Wenn die Geschwindigkeitsführungsspannung verändert wird, ändert sich auch die Drehzahl des Motors 10 innerhalb seines Betriebsbereiches. Die Drehzahl des Motors 10 kann somit innerhalb seines Betriebsbereiches auf jeden gewünschten Wert eingestellt werden, indem man die entsprechende Geschwindigkeitsführungsspannung vorgibt. Die Stromrückkopplungsspannung wird die Motordrehzahl auf dem ausgewählten Wert halten, wenn sich die Motorbelastung ändert.

Obwohl das Ausführungsbeispiel der Erfindung sehr detailliert beschrieben wurde, um ein praktisch verwendbares und betriebsfähiges System entsprechend der Erfindung vollständig zu beschreiben, ist klarzustellen, daß die dargestellten und beschriebenen speziellen Schaltkreise nur zur Erläuterung gedacht sind und daß die verschiedenen neuen Merkmale der Erfindung auch in anderen Schaltungen verwendet werden können, ohne daß dadurch der Schutzumfang der Erfindung, wie er in den nachfolgenden Ansprüchen zum Ausdruck kommt, verlassen wird.

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Claims

PATENTANWALT DIPL.-ING. HIEBSCH · D - 77 SINGEN, den

A.Z. KT-125 Blatt _a 1-

PATENTAIMSPRÜCHE

\1./Motorregelschaltkreis zur Erregung und Drehzahlregelung eines Wechselstrominduktionsmotors, der einen Rotor und mehrere Statoruiicklungen aufweist, mit einer Gleichspannungsquelle, einem Wandler zum Umwandeln einer Eingangsgleichspannung in eine Ausgangstiiechselspannung, wobei der Eingang des Wandlers an die Gleichspannungsquelle angeschlossen und der Ausgang des Wandlers mit den Statorwicklungen verbunden ist, sowie mit Mitteln zur Änderung der Frequenz des Ausgangssignales des Wandlers,

dadurch gekennzeichnet,

daß eine Stromerfassungseinrichtung (R9) zum Abtasten der Größe des in die Statorwicklungen (12, 14, 16) fließenden Stromes sowie eine Einrichtung vorgesehen ist, die mit der Stromerfassungseinrichtung (R9) und den Mitteln (22, 24) zur Frequenzänderung des Ausgangssignales des Wandlers (18) gekoppelt ist, um die Frequenz des Wandlers (18) zu erhöhen, wenn die Größe des Statorstromes ansteigt, und um die Frequenz des Wandlers (18) abzusenken, wenn die Größe des Statorstromes fällt, sodaß die Drehzahl des Rotors trotz Belastungsänderungen im wesentlichen konstant gehalten wird·
2. Motorregelschaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (26) zur Änderung der Ausgangsspannung der Gleichspannungsquelle und eine Einrichtung vorgesehen sind, die mit der Stromerfassungseinrichtung (R9) und den Mitteln (26) zur

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Änderung der Ausgangsspannung der Gleichspannungsquelle gekoppelt ist, um deren Ausgangsspannung anzuheben, wenn die Größe des Statorstromes ansteigt, und um die Ausgangsspannung abzusenken, uenn die Größe des Statorstromes abfällt.
3. Motorregelschaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromerfassungseinrichtung eine Impedanz (R9) aufweist, die in Reihe mit dem Wandler (1B) geschaltet ist.
4. Motorregelschaltkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Änderung der Frequenz des Ausgangssignales des Wandlers (18) einen spannungsgesteuerten Oszillator (24) zur Erzeugung eines lüechselspannungsausgangssignales, dessen Frequenz proportional zur Größe der der Eingangsklemme des spannungsgesteuerten Oszillators (24) zugeführten Eingangsspannung ist, sowie einen Summierverstärker (0A3) beinhalten, der zwei Eingänge und einen mit der Eingangsklemme des spannungsgesteuerten Oszillators (24) verbundenen Ausgang aufweist, uiobei der eine Eingang des Summierverstärkers (0A3) über bestimmte Mittel (0A4) mit der Stromerfassungsimpedanz (R9) verbunden und dem anderen Eingang des Summierverstärkers (0A3) eine Geschuindigkeitsführungsspannung zugeführt ist, deren Amplitude proportional zur gewünschten Motordrehzahl ist.
5. Motorregelschaltkreis nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß diese Mittel, über die der eine Eingang des Summierverstärkers (OA3) an die Stromerfassungsimpedanz (R9) angeschlossen ist, einen Differenzverstärker (0A4) beinhalten, der zwischen die Stromerfassungsimpedanz (R9) und den besagten Eingang des Summierverstärkers (0A3) eingeschleift ist,

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6. Motorregelschaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungsquelle einen Impulsbreitenmodulator (26) aufweist, eine Konstantgleichspannungsquelle, einen an die Konstantgleichspannungsquelle angeschlossenen Leistungsschaltkreis (20), der an den Impulsbreitenmodulator (26) angekoppelt ist und die Konstantgleichspannung bei einer Impulsbreite proportional zum Ausgangssignal des Impulsbreitenmodulators (26) zerhackt, wobei der Impulsbreitenmodulator (26) eine Ausgangsimpulsfolge erzeugt, deren Impulsbreite proportional zur Größe der dessen Eingangsklemmen zugeführten Eingangsspannung ist.
7. Motorregelschaltkreis nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungsquelle einen zweiten Summierverstärker (0A2) mit zwei Eingängen und einem Ausgang aufweist, der mit der Eingangsklemme des Impulsbreitenmodulators (26) verbunden ist, wobei einem Eingang des Summierverstärkers (0A2) die Geschwlndigkeitsführungsspannung zugeführt und der andere Eingang dieses zweiten Summierverstärkers mit dem Ausgang des Differenzverstärkers (0A4) verbunden ist.
8. Verfahren zur Regelung eines Motors gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, dadurch gekennzeichnet, daß Spannuna und Frequenz eines Wechselspannungserregersignales, das den Statorwicklungen eines Wechselstrominduktionsmotors zugeführt wird, in Abhängigkeit von der Größe des in die Statorwicklungen fließenden Stromes verändert werden, daß der Statorstroirfluß durch einen Rückkopplungswiderstand erfaßt wird, der in Reihe mit einem Wandler liegt, der das Wechselspannungserregersignal für die Statorwicklungen erzeugt.

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9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Spannungsabfall über dem Meßwiderstand zu einer Geschwindigkeitsführungsspannung hinzuaddiert wird, die die gewünschte Motordrehzahl angibt, wobei aufsurratiierte Spannung die Frequenz und die Amplitude der Erregerwechselspannung in einer Weise steuert, daß das Verhältnis Volt pro Hertz konstant bleibt.

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