DE3116047A1

DE3116047A1 - Leistungs-steuerschaltung fuer induktionsmotore

Info

Publication number: DE3116047A1
Application number: DE19813116047
Authority: DE
Inventors: Hidehiko Nagoya Aichi Sugimoto
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1980-04-22
Filing date: 1981-04-22
Publication date: 1982-03-18
Also published as: JPS56150994A; US4379258A; DE3116047C2; JPS6042717B2

Description

MITSÜBHISHI DENKI KABUSHIKI KAISHA
Tokyo / JAPAN

Leistungs-Steuerschaltung für Induktionsmotore

Die Erfindung betrifft eine energiesparende Schaltung zum Regeln der Spannung, die einem Induktionsmotor zugeführt wird, in Abhängigkeit sowohl von der Motorbelastung als auch von der Speisungs- oder Netzspannung.

Wenn ein Induktionsmotor mit einer bestimmten Belastung arbeitet, schwankt die Motor-Eingangsspannung in bestimmter Weise bei Änderungen der Speisespannung. Allgemein kann man sagen, daß eine Verringerung der dem Motor zugeführten Spannung bei geringer Belastung des Motors und eine Erhöhung der dem Motor zugeführten Spannung bei großer Belastung der Motors zu einer Verringerung der durch den Motor verbrauchten Gesamt-Energie führen. Die Regelung der der Motorwicklung zugeführten Spannung, abhängig von der Größe der durch den Motor angetriebenen Last kann somit einen wesentlichen Beitrag zur Energie-Einsparung leisten.

Eine bekannte Leistungsfaktor-Steuereinrichtung für Wechselstrom-Induktionsmotore ist in der US-PS 4 052 648 beschrieben und weist die folgenden Merkmale auf:

a) Mit jeder Phasenwicklung des Motors ist eine Strommeßeinrichtung verbunden, die ein Wechselstrom-Ausgangssignal abgibt, das mit dem durch die Wicklung fließenden Strom in Phase ist;

b) eine Spannungsmeßeinrichtung erfaßt die Spannung, die der

-A-

Wicklung zugeführt wird, und gibt ein mit der an der Wicklung liegenden Spannung in Phase liegendes Ausgangssignal ab;

c) eine Phasendetektoreinrichtung erzeugt abhängig von den Ausgängen der Strom- und Spannungsmeßeinrichtungen ein Ausgangssignal, das sich entsprechend der Phasendifferenz zwischen den Strom- und SpannungsmeßSignalen ändert;

d) mit jeder Motorwicklung liegt eine Steuereinrichtung in Reihe, die abhängig vom Ausgangssignal der Phasendetektorschaltung die Dauer der Einschaltzeit eines jeden Eingangsleistungszyklus zur Motorwicklung in umgekehrtem Verhältnis zur Phasendifferenz zwischen den gemessenen Strom- und Spannungswerten ändert, wodurch ein Ansteigen der Differenz zwischen der Größe der Spannung und der Größe der Belastung am Motor durch eine Herabsetzung der dem Motor zugeführten Energie kompensiert wird,- wodurch sein Gesamt-Wirkungsgrad verbessert wird.

Die Leistungsfaktor-Regeleinrichtung gemäß US-PS 4 052 648 erzeugt, wie oben dargelegt, eine umgekehrt proportionale Abhängigkeit der Phasendifferenz zwischen dem durch jede Phasenwicklung eines Wechselstrom-Induktionsmotors fließenden Strom und der der Wicklung zugeführten Eingangsspannung zum Steuern der Leitungsdauer eines jeden Zyklus. Anders ausgedrückt, durch die Bestimmung der Phasendifferenz wird die Stromleitungsdauer umgekehrt proportional gesteuert.

Die Phasendifferenz zwischen dem in der Wicklung eines Induktionsmotors fließenden Strom und der an der Wicklung liegenden Eingangsspannung wird sowohl durch die Größe der Eingangsspannung als auch durch die Belastung des Motors beeinflußt.

Es ist dadurch möglich, daß trotz einer Veränderung der Größe der Eingangsspannung und der Motorbelastung die Phasendifferenz erhalten bleibt. Daraus ergibt sich, daß nach dem bisher durchgeführten Verfahren, bei welchem die Stromführungsperiode umgekehrt proportional zur Phasendifferenz geregelt wird, der Wirkungsgrad des Motorbetriebs nicht immer maximiert wird.

Mit Hilfe der Erfindung wird dieser Nachteil dadurch beseitigt, daß eine Leistungs-Steuerschaltung für Induktionsmotore geschaffen wird, in der sowohl die dem Motor zugeführte Leistung als auch die vom Motor rückgespeiste Leistung festgestellt werden,und die Spannung an der Motorwicklung kann abhängig von diesen festgestellten Werten geregelt werden, um eine vorbestimmte Beziehung oder ein Verhältnis zwischen der zugeführten und der rückgespeisten Leistung zu bekommen, wodurch ein möglichst hoher Motorwirkungsgrad erreicht und der Energieverbrauch klein gehalten werden.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nun näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 2A Schaltungen von Ausführungsbeispielen der bis 8B einzelnen Blockelemente der Fig. 1.

In Fig. 1 ist eine Wechselstromquelle 1 gezeigt, die einen Induktionsmotor 2 über eine Leistungs-Steuerschaltung 3 speist. Eine Schaltung 11 erfaßt die an der Wicklung des Motors liegende Eingangsspannung, eine Schaltung 12 den durch die Motorwicklung fließenden Strom, und die Ausgangsgrößen dieser Spannungs- und Strom-Detektorschaltungen werden einer Schaltung 13 zugeführt, die sowohl die zugeführte Leistung (ein po-

sitiver Leistungswert als Produkt der Augenblickswerte von Strom und Spannung) von der Wechselstromquelle 1 zum Motor 2 als auch die rückgespeiste Leistung (eine negative Leistung als Produkt der Augenblickswerte von Spannung und Strom) vom Motor zur Wechselstromquelle ermittelt. Diese Ausgangswerte der zugeführten und der rückgespeisten Leistung werden einer Rechnereinheit 17 zugeleitet, die das Verhältnis zwischen zugeführter und rückgespeister Leistung bestimmt. Die Ausgangsgröße von der Rechnereinheit wird einem Spannungsregler 19 über eine Klemmschaltung 18 eingegeben, die verhindert, daß die Ausgangsgröße von der Rechnereinheit unter einen Minimalwert absinkt. Der Spannungsregler steuert die Spannung der Wechselstromquelle 1 und führt diese Spannung der Wicklung des Induktionsmotors 2 zu, um die gewünschte Beziehung zwischen der zugeführten Leistung und der rückgespeisten Leistung aufrechtzuerhalten, wie sie durch die Rechnereinheit 17 vorbestimmt wird. Eine Speisungsquelle 20 liefert die Betriebsspannungen für die Schaltkreis-Komponenten 11 - 13 und 17 -

Der Spannungsdetektor 11, der in Fig,. 2A gezeigt ist, verwendet einen Transformator 21. Die Klemmen 22 und 23 sind mit der Wicklung des Induktionsmotors verbunden, Klemme 24 ist an eine gemeinsame Leitung der Reglerspeisung 20 und Klemme 25 an den Detektorausgang angeschlossen. Fig. 2B zeigt einen anders aufgebauten Spannungsdetektor 11 in Gestalt eines Spannungsteilers mit Reihenwiderständen 26 und 27. Die Klemmen 22 bis 25 sind in derselben Weise angeschlossen wie diejenigen der Schaltung nach Fig. 2A.

Der in Fig. 3A gezeigte Stromdetektor 12 enthält eine Stromwandlerspule 28, die um einen mit der Klemme 22 der Induktionsmotorwicklung verbundenen Leiter gewickelt ist. Die Klemme 221 des Leiters 29 ist an den Spannungsregler 19 ge-

legt, und am Querwiderstand 281 wird eine Spannung erzeugt, die dem durch die Spule 28 fließenden Strom proportional ist. Die Klemme 24 ist mit der gemeinsamen Leitung der Reglerspeisung 20 verbunden, während Klemme 30 den Detektorausgang darstellt. Fig. 3B zeigt eine andere Ausführungsform des Stromwandlers 12 mit einem einfachen Reihenwiderstand (Shunt) 31. Der Spannungsabfall daran ist dem durchfließenden Strom proportional, und die Klemmen 24, 30 und 221 sind in derselben Weise angeschlossen wie bei Fig. 3A.

Die Leistungsdetektorschaltung 13 gemäß Fig. 4A weist eine Klemme 25 auf, die mit dem Spannungsdetektor 11 verbunden ist, und eine mit dem Stromdetektor 12 verbundene Klemme Ein Analogmultiplikator 32 multipliziert die Ausgangsgrößen der Detektoren 12 und 13. Ein Gleichrichter 33 läßt nur den positiven Ausgang des Multiplikators, ein Gleichrichter 34 nur den negativen Ausgang hindurchtreten. Der Ausgangswert des Gleichrichters 33 wird über ein aus einem Widerstand 35 und einem Kondensator 3 6 bestehendes Filter einer Ausgangsklemme 37 geführt, die somit den integrierten Mittelwert des positiven Produktes aus Strom und Spannung und somit die zugeführte Leistung anzeigt. In gleicher Weise wird die Ausgangsgröße des Gleichrichters 34 über ein aus einem Widerstand 38 und einem Kondensator 39 bestehendes Filter und einen Analogwandler 401 der Ausgangsklemme 40 zugeleitet, die den integrierten Mittelwert des negativen Produktes aus Spannung und Strom führt und somit die rückgespeiste Leistung anzeigt. Durch die Widerstände 331 und 341 ist der Multiplikator 32 gegen Kurzschluß geschützt, der bei Fehlern der Gleichrichter 33 und 34 auftreten könnte.

Fig. 4B zeigt eine andere Ausführungsform der Leistungs-Detektorschaltung 13, bei v/elcher die Klemmen 25, 30, 37 und 40 denen der Schaltung nach Fig. 4A gleich sind. Die Ausgangsleis-

tung 411 des Komparators 41 führt ein Η-Signal, wenn die Klemme 25 positiv ist, und ein L-Signal, wenn sie negativ ist. Auf der Ausgangsleitung 421 des Komparators '42 erscheint ein Η-Signal, wenn die Klemme 30 positiv ist, und ein L-Signal, wenn sie negativ ist. Auf der Ausgangsleitung ^422 ist es umgekehrt. Das UND-Glied 43 erzeugt auf der Leitung 431 ein Η-Signal, wenn die Klemmen 25 und 30 beide positiv sind, andernfalls ein L-Signal. In gleicher Weise erscheint auf der Leitung 441 aufgrund des UND-Gliedes 44 ein Η-Signal, wenn beide Eingangsklemmen negativ sind, und andernfalls ein L-Signal, und durch das UND-Glied 45 wird ein Η-Signal auf der Ausgangsleitung 451 hervorgebracht, wenn die Klemme 25 negativ und die Klemme 30 positiv sind, andernfalls ein L-Signal, und schließlich tritt durch das UND-Glied 46 ein Η-Signal auf der Ausgangsleitung 461 auf, wenn die Klemme 25 positiv und die Klemme 30 negativ sind, andernfalls ein L-Signal. Ein ODER-Glied 47 erhält Signale auf den Leitungen 431 und 441, und ihr logischer Summenausgang wird durch ein Filter aus Widerstand 4 9 und Kondensator 50 gemittelt und einer Ausgangsklemme 37 zugeleitet. In gleicher Weise erhält ein ODER-Glied 48 die Signale auf den Leitungen 451 und 461 und erzeugt ein logisches Summenausgangssignal, das durch ein Filter aus Widerstand 51 und Kondensator 52 gemittelt und der Klemme 40 zugeleitet wird.

Die Leistungs-Detektorschaltung der Fig. 4B ist billiger als die nach Fig. 4A, da ihre Bauteile hauptsächlich digitaler Natur sind, jedoch ist der Ausgangswert erwartungsgemäß nicht so genau wie der, der durch die Analog-Ausführung nach Fig. 4A gewonnen wird.

Die in Fig. 5 gezeigte Berechnungseinheit 17 erhält von den Klemmen 37 und 40 der Leistungs-Detektorschaltung den Zuführleistungs-Ausgangswert und den Rückspeiseleistungs-Ausgangs-

wert und enthält einen Anälogwandler 601, einen Operationsverstärker 69, Widerstände 70, 71 und einen Kondensator 72. Der Ausgangswert der Rechnereinheit an der Klemme 73 wird
dem Spannungsregler 19 über die Klemmschaltung 18 zugeführt, um auf diese Weise die der Induktionsmotorwicklung zugeführte Spannung richtig zu steuern. Der durch die Motorwicklung fließende Strom wie auch die Scheinleistung und die Wirkleistung werden somit konstant angepaßt, um der Rechnereinheit Eingangswerte zuzuführen, die der unten aufgeführten Bedingung genügen.

Nimmt man an, daß die an der Klemme 37 auftretende Spannung V . ist, die Spannung an der Klemme 40 den Wert V » hat und Widerstand 70 den Wert R _Λ sowie Widerstand 71 den Viert R _o

p1 p2

haben, dann wird von der Rechnereinheit folgende Beziehung
eingehalten:

Χλ. λ XS. rv

pi p2

Diese läßt sich umformen in

ρ ί _

was verdeutlicht, daß das Verhältnis der zugeführten Leistung V _o zur rückqespeisten Leistung V ein fester Wert ist. der

P^ P ι

durch das Verhältnis von R ₂ (Widerstand 71) zu R ₁ (Widerstand 70) vorgegeben ist.

Das Verhältnis der zugeführten Leistung zur rückgespeisten
Leistung tendiert zu Abnahme, wenn die Belastung am Motor geringer wird, sofern die Eingangsspannung an der Motorwicklung

- ίο -

konstant ist, und tendiert in gleicher Weise zur Abnahme, wenn die vom Motor abgegebene Leistung konstant bleibt und die Eingangsspannung steigt- Wenn also die Motorbelastung abnimmt oder die Eingangsspannung erhöht wird, so daß das

Verhältnis V „ zu V _Λ kleiner als das Verhältnis R . zu R . p2 p1 p2 p1

zu werden trachtet, dann wirkt die Rechnereinheit 17 so, daß die Eingangsspannung herabgesetzt wird. Hierdurch steigt das Verhältnis V ' zu V ., was wunschgemäß zu einem festen Wert dieses Verhältnisses entsprechend dem durch die Widerstände 70 und 71 vorgegebenen Verhältniswert führt. In der Schaltung der Fig. 5 führt eine Verringerung der Eingangsspannung zu einer entsprechenden Verringerung des Ausgangswertes an der Klemme 73, der sich dem Wert 0 annähern kann. Dies könnte es schwierig oder gar unmöglich machen, den Induktionsmotor 2 anlaufen zu lassen, was von seiner Bauart und seinen Kennwerten abhängt, wenn die Eingangs spannung herabgesetzt wjytrd, während das Verhältnis von Wirkleistung zu Scheinleistung auf einem festen Wert gehalten wird. Um dies zu vermeiden, ist der Wert der Spannung an der Klemme 73 angeklemmt, d.h., es wird verhindert, daß er unter einen unteren Grenzwert absinkt.

Die Klemmschaltung, die in Fig. 7 gezeigt ist, erhält das Ausgangssignal von der Rechnereinheit 17 auf ihrer Klemme 73 und enthält einen Festwiderstand 74, einen stellbaren Widerstand 75 und einen Gleichrichter 76. Ihre Klemme 77 ist an einen positiven Ausgang der Leistungszuführung 20 angeschlossen. Wenn die Spannung an der Ausgangsklemme 731 unter diejenige am Abgriff des Widerstands 75 abfällt, wird der Gleichrichter 76 leitend und klemmt somit die Ausgangsspannung an der Klemme 731 an einen festen Wert an.

Die Figuren 6 und 8A zeigen eine Ausführungsform des Spannungsreglers 19, der in die Bestandteile 19-1 und 19-2 unterteilt ist. Der Klemmausgang an der Klemme 731 wird einem Korn-

parator 78 zugeführt, der eine Hysterese-Charakteristik hat, durch die je nach zugeführtem Spannungspegel Kontaktgeber 79 - 81 betätigt werden. Komponenten 791, 801 und 811 sind Kontakte, die durch die jeweiligen Kontaktgeber 79 - 81 gesteuert werden und in die Sekundärwicklung eines Transformators 82 eingefügt sind, dessen Eingangsklemmen 83, 84 an der Wechselstromquelle 1 liegen, während die eine der Ausgangsklemmen 221 mit dem Stromdetektor 12 verbunden ist. Die andere Ausgangsklemme 23 ist mit einem Ende der Induktionsmotorwicklung und dem Spannungsdetektor 11 verbunden. Das Arbeiten einer der Kontaktgeber 79 bis 81 und des jeweils zugehörigen Kontaktes 791 — 811 entsprechend der zugeführten Spannung an der Klemme 731 regelt somit die Eingangsspannung, die an die Wicklung des Induktionsmotors 2 geführt wird.

Bei einem anderen Spannungsregler, der in der Fig. 8B jäargestellt ist, sind Klemmen 23, 83, 84, 221 und 731 vorhanden, die in derselben Weise wie diejenigen der Figuren 6 und 8A verbunden sind. Hier wirkt ein Phasenschieber 85 entsprechend dem Eingangsspannungspegel an der Klemme 731 und steuert den Leistungszustand eines Triac 86 , der in Reihe in einer der Induktionsmotorzuführleitungen liegt.

Die Leistungszuführung 20 ist in ihren Einzelheiten nicht beschrieben, da sie ganz üblich ausgebildet sein kann.

Wenngleich das beschriebene Ausführungsbeispiel sich mit der Speisung eines einphasigen Induktionsmotors befaßt, ist die erfindungsgemäße Lehre auch für Dreiphasen-Induktionsmotoren zu verwenden, wobei dann drei Steuerschaltungen gemäß. Fig. 1 vorhanden sind, die sämtlich zwischen Wechselspannungsquelle und die drei Phasen der Motorwicklung eingeschaltet sind.

Der Spannungsregler 19 kann auch eine Komponente für variable Spannung verwenden, wenn eine Speisungsquelle für variable Spannung und variable Frequenz (ein Wandler) eingesetzt wird.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird das Verhältnis von Zuführleistung zur Rückspeisungsleistung durch Festwiderstände gebildet, doch kann auch ein variables Verhältnis mit Hilfe eines geeigneten Mustersteuer-Netzwerks oder eines spannungsvariablen Widerstandes verwendet werden.

Gemäß der Erfindung wird ein Induktionsmotor in seiner Betriebsweise so gesteuert, daß das Verhältnis von Zuführleistung zu Rückspeisungsleistung ein fester Wert ist, der trotz Veränderungen der anliegenden Spannung und/oder der Motorbelastung auf einem optimalen Wert gehalten wird, wodurch die Verluste im Motor so klein wie möglich sind und sich erhebliche Leistungseinsparungen ergeben. Wenn der Induktionsmotor bei geringer Last betrieben wird, dann wird die der Motorwicklung zugeführte Eingangsspannung verringert, wodurch unerwünschte Vibrationen klein gehalten werden.

Claims

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MITSUBISHI DENKI KABUSHIKI KÄISHA
/ JAPAN

Leistungs-Steuerschaltung für Induktionsmotore

Patentansprüche

( 1.J Leistungs-Steuerschaltung für einen Induktionsmotor,
gekennzeichnet durch

a) zwischen eine Wechselstromquelle und die Wicklung des Induktionsmotors (2) eingefügte Schaltkreiselemente zum Ermitteln der Zuführleistung und der rückgespeisten Leistung, die von der Stromquelle (1) zum Motor (2) fließen, und

b) einen Spannungsregler (19) zum Steuern der der Motorwicklung des Induktionsmotors (2) zugeführten Eingangsspannung derart, daß das Verhältnis zwischen zugeführter und
rückfließender Leistung auf einem bestimmten Wert bleibt.
2. Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zum Feststellen der durchschnittlichen Leistungszufuhr, wenn das Produkt des Augcnbiickswertes der an den Wicklungen des
Induktionsmotors anliegenden Spannung mit dem Augenblickswert des durch die Wicklungen fließenden Stroms positiv ist, und zum Feststellen der durchschnittlichen rückfließenden
Leistung, wenn das Produkt negativ ist.
3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet/ daß die zugeführte Leistung und die rückgespeiste Leistung von zeitlichen Mittelwerten des logischen Prodμktes eines Digitalsignals bestimmt wird, das die Polarität der der Wicklung des Induktionsmotors zugeführten Spannung entspricht, mit einem Digitalsignal, das die Polarität des durch die Wicklung fließenden Stroms wiedergibt.
4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselstromquelle eine solche variabler Spannung und variabler Frequenz ist und daß eine Einheit mit variabler Spannung der Stromquelle eine Spannungsregler-Einrichtung enthält.