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Beschreibung
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektroantrieb mit einem Kurzschlussläuffer-Asynchronmotor.
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Elektroantriebe mit Asynchronmotor werden zur Verschiebung der Arbeitsorgane
von hochpräzisen numerisch gesteuerten Met allbearbeitung smaschinen benutzt. Sie
sind auch zu einer schnellen und exakten Verschiebung beliebiger Belastungen in
einem breiten Drehzahlbereich des Läufers des Ä aynchronmotor 5 geeignet.
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Die gegenwffrtig bestehenden Elektroantriebe mit Asynchronmotoren
weisen eine unausreichend hohe Arbeitsgeschwindigkeit und eine niedrige Genauigkeit
der Erzeugung des Drehmomentes an der Welle auf, wodurch die Bewegungen der Arbeitsorgane
der Metallbearbeitungsmaschinen mit numerischer Steuerung ungenügend genau und schnell
erfolgen.
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Es ist ein Elektroantrieb mit einem Asynchronmotor (siehe z.B. "Einrichtungen
und Bauelemente der Systeme zur automatischen Regelung und Steuerung", herausgegeben
von W.W. Solodownikow, Heft 3 "Stelleinrichtungen und Servomechanismen", Verlag
"Maschinostroenie", Moskau, 1976, Seiten 266-271) bekannt, welcher einem Drehwinkelgeber
für aufweist den Läufer des Asynchronmotors, dessen Ständerwicklungen über eine
regelbare Stromquelle mit den Ausgängen einer Einheit phasenempfindlicher Gleichrichter
elektrisch verbunden sind, deren Amplitudeneingänge mit einem BSindstrom- und einem
tirkstremgeber des Ständers in elektrischer Verbindung stehen, während die Bezugsaignaleingänge
an die Ausgang einer mehrphasigen Spannungsquelle angeschlossen sind, die als Bezugssignalformer
dient. Die Signale von den Ausgängen des Wirkstrom-und des Blindstromgebers durchlaufen
dabei den Erregerkreis des Drehwinkelgebers des Läufers des Asynchronmotors und
gelangen auf die Amplitudeneingänge der Einheit phasenempfindlicher Gleichrichter.
Der Erregerkreis des Drehwinkelgebers des Läufers besitzt eine recht große Zeitkonstante.
Dieser Umstand ergibt eine Verzagerung der Signale des Wirkst om und des Blindstromgebers,
verursacht eine verhältni@mäßig niedrige Ar;beitsgeschwindigheit
des
Elektroantriebs und bedingt eine geringe Genauigkeit der Verschiebungen der Arbeitsorgane
der Metallbearbeitungsmaschinen in Übergangs-und dynamischen Betriebszustanden.
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Bekannt ist ein Elektroantrieb mit einem Asynchronmotor, der eine
Reihansohaltung aus einem Wirkstromgeber des Ständers eines Kurzschlussläufer-Asynchronmotore,
einem Koordinatenwandler, einer Einheit phasenempfindlicher Gleichrichter rad einer
regelbaren Stromquelle, die an die Ständerwicklungen des Asynchronmotors angeschlossen
ist, einen Drehwinkelgeber des Läufers, welcher mit der Einheit phasenemmpfindlicher
Gleichrichter elektrisch verbunden ist, enthält, wobei der Ausgang des Wirkstromgebers
des Ständers am Steuereingang eines Frequenzerzeugers für die Läuferströme liegt,
der ausgangsseitig an den Eingang des Bezugssignalformers angeschlossen ist, dessen
anderer Eingang am Ausgang des Bezugsfrequenzeinstellers liegt und dessen Ausgang
mit der eine heit phasenempfindlicher Gleichrichter (siebe z.B. die DE-Anmeldung
Nr. P 30 36 760.3) elektrisch verbunden ist.
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Ein Signal des Wirlcstromgebers des Ständers wird dem Amplitudeneingang
des Koordinatenwandlers zugeführt, zu dessen Bezugssignaleingängen Signale vom Ausgang
des Drehwinkelgebere des Läufers gelangen. Am Ausgang des Koordinatenwandlers wird
ein Signal formiert, dessen Größe durch die Größe des Signals des Wirltstromgebers
des Ständers bestimmt wird, das an den Amplitudeneingängen der Einheit phasenempfindlicher
Gleichrichter eintrifft.
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Die Ausgenges ignale der Einheit phasenempfindlicher Gleichrichter,
deren Größen auf die Große des Signals des Wirkstromgebers des Ständers zurückgeführt
wird, werden in Strome der Standerwicklungen des Asynchronmotors mit Hilfe der regelbaren
Stromquelle umgeformt. Das Signal des Wirkstromgebers wird auch dem Steuereingang
des Frequenzerzeugers für die Läuferströme zugeleitet, dessen Ausgang mit den Bezugssignaleingangen
der Einheit phasenemfindlicher Gleichrichter elektrisch verbunden ist.
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Beim genannten Elektroantrieb ist die Rotationsfrequenz der Signale
an den Ausgängen der Einheit phasenempfindlioher Gleichrichter gleich der Summe
von Rotationsfrequenzen des Läufers und der Läuferstöme des Asynchroumotors. Dabei
wird an der Welle des Asynchronmotors ein Drehmoment erzeugt, dessen Betrag proportional
der Größe des Signals des Wirkstromgebers des Ständers ist.
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Bei diesem Elektroantrieb wird der Betrag des Drekmomentes an der
Welle von der Rotationstrequenz des Läufers des Asynchronmotors beeintlusst. Dies
wird durch eine Abkängigkeit des Übertragungsfaktors des Koordinatenwandlers von
der Rotationsfrequenz des Läufers bestimmt, an dessen Eingang ein Signal des Wirkstromgebers
des Standers ankommt. Der Übertragungsfaktor des Koordinatenwandlers hängt von der
Größe von Signalen ab, die an dessen Eingangen ankommen. Beim genannten Elektroantrieb
treffen an den Bezugssignaleingängen des Koordinatenwandlers Signale vom Drehwinkelgeber
des Läufers ein, deren Große von der Rotationsirequenz des Läufers des Asynchronmotors
abhängig ist, weil als Drehwinkelgeber ein Sinus--Drehtransformator verwendet wird.
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Die Abhängigkeit des Übertragungsfaktors des Koordinatenwandlers
von der Rotationsfrequenz des Läufers Führt dazu, daß das geforderte Verhältnis
der Stromstärke des Ständers zur Frequenz der Läuferströme nicht mehr eingehalten
wird. Dadurch ergibt sich seinerseits eine Abweichung von der linearen Abhängigkeit
des Drehmomentes an der Welle von dem Signal des Wirkstromgebers in statisehen und
dynamisehen Betriebzuständen bei Änderung der Rotationsfrequenz des Läufers.
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Die Abhängigkeit des Drehmomentes an der Welle von der Drehzahl des
La"ufers ist unerwünscht in Eleltroantrieben mit einem großen Geschwindigkeitsbereich,
weil es zur wesentlichen Beeintrachtigung der Genauigkeit der Bewegungen der Arbeitsorgane
der Maschinen besonders in Übergangszuständen und dynamischen Betriebszuständen
kommt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Elektroantrieb mit
einem Asynchronmotor zu entwickeln, bei welchem die gewährleistete Unabhängigkeit
des Übertragungsfaktors in der Übertragungskette des Signals des Wirkstromgebers
des Ständers von der Rotationsfrequenz des Läufers des Asynchronmotors es gestattet,
die Genauigkeit der Erzeugung des Drehmomentes an der Welle in einem breiten Drehzahlbereich
des Elektroantriebs zu erhohen und damit die Genauigkeit und SchnelligkQ.it bei
der Steuerung der Geschwindigkeit und Bewegungsgröße der Arbeitsorgane der Maschinen,
besonders in Übergangs-und dynamischen Betriebszuständen, zu verbessern.
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Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Elektroantrieb
mit einem Asynchronmotor, welcher eine Reihenschaltung aus einem Wirkstromgeber
des Standes des Kurzschlußläufer-Asynchronmotors, einem Koordinatenwandler, einer
Einheit phasenempfindlicher Gleichrichter und einer regelbaren Stromquelle, die
an die Ständerwicklungen des Asynchronmotors geschaltet ist, einen Drehwinkelgeber,
der elektrisch mit der Einheit phasenempfindlicher Gleichrichter verbunden ist,
enthålt, wobei der Ausgang des Wirkstromgebers des Standers an einen Steuereingang
eines Frequenzerzeugers für die Läuferströme angeschlossen ist, der ausgangsseitig
mit einem Eingang eines Bezugssignalformers verbunden ist, dessen anderer Eingang
am Ausgang des Bezugsfrequenzeinstellern liegt und dessen Ausgang mit der Einheit
phasenemptindlicher Gleichrichter elektrisch verbunden ist, erfindungsgemäß einen
Läuferrotationsfrequenz-Vervieliacher aufweist, der eingangsseitig an die Ausgang
des Drehwinkelgebers des Läufers irnd des Bezugsfrequenzeinstellers und ausgangsseitig
an den Eingang des Bezagssignalformers angeschlossen ist, wobei die Ausgang des
Bezugssignalformers mit den Bezugssignaleingängen des Koordinatenwandlers verbunden
sind, während ein mehrphasiger und ein einphasiger Ausgang des Bezugsirequenzeinstellers
jeweils an die Bezugssignaleingänge der
Einheit phasenempfindlicher
Gleichrichter und den Synchronisierungseingang des Frequenzerzeugers für die Läuferstrüme
angeschlossen sind, und daß die Signalphasen aa den Ausgängen des Iaurerrotationstrequenz-Vervieliachers
und des Frequenzerzeugers für die Läuferströme durch die Phase von Signalen bestimmt
werden, die vom Bezugsirequenseinsteller eintreffen.
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Beim erfindungsgemäßen Elektroantrieb ist die Unabhangigkeit des
Übertragungsfaktors der Übertragungskette des Signals des Wirkstromgebers des Ständers
von der Drehzahl des Läufers dadurch gewährleistet, daß der Ausgang des Drehwinkelgebers
des Iauiers des Asynchronmotors aber den Läuferrotationsfrequenz-Verfielfacher an
den Eingang des Bezugssignalformers angeschlossen ist, dessen Ausgangssignale auf
die Bezugssignaleingange des Koordinatenwandlers gegeben werden. Kommt als Drehwinkelgeber
des Läufers ein Drehtransformator in Betracht, so müssen die zuvor analogen Signale
an seinem Ausgang \in diskrete Signale umgesetzt werden, welche Informationen leber
die Rotabeinhalten tionsfrequenz des Motorläufers / Hierbei kommen an den Bezugssignaleingängen
des Koordinatenwandlers diskrete Signale - Kodes der betreffenden Rotationsfrequenzemn
des Läufers und der Läuferströme - an, welche nur die Frequenz der Ausgangsaignale
des Koordinatenwandlers festlegen, deren Größe unabhängig nur vom Signal des Wirkstromgebers
des Ständers bleibt.
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Außerdem wird eine Abhangigkeit des Übertragungsfaktors in der Übertragungskette
des Signals des Wirkstromgebers des Ständers von der Rotationstrequenz des Läufers
dadurch vermieden, daß an die Bezugssignaleingänge der Einheit phasenempfindlicher
Gleichrichter ein mehrphasiger Ausgang des Bezugsfrequenzeinstellers angeschlossen
ist.
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Die Ausgangssignale des Bezugsfrequenzeninstellers enthalten keine
Information Huber die Drehzahl des Läufers und üben nur auf die Frequenz der Ausgangssignale
der Einheit phasenempfindlicher Gleichrichter einen Einfluß aus. Die Elektroantriebsschaltung
stellt die Erzeugung der Größe der Läuferströme sicher d.h. des Betrages des Momentes
an
der Welle des Elektroantriebs in strenger Übereinstimmung Init dem Vorgabesignal
des Wirkstromes des Ständers.
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Beim vorgeschlagenen Elektroantrieb wird eie hohe Genauigkeit der
Erzeugung der Frequenz der Läuferströme dadurch erzielt, daß die Ausgänge des Bezugsfrequenzeinstellers
an die Eingänge des Läuferrotationsfrequenz-Vervielfachers und des Frequenzerzeugers
für die Läuferströme angeschlossen sind.
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Durch die angegebene Verbindung der Baueinheiten des Elektroantriebs
wird eine exakte Phasensynchronisierung gewährleistet und werden sämtliche diskrete
Signale beruchsichtigt, die am Bezugssignalformer vom Läuferrotationsfrequenz-Vervielfacher
und vom Frequenzerzeuger für die Läuferstrome eintreffen.
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Darüber hinaus werden beim vorgeschlagenen Elektroantrieb die hohe
Genauigkeit und Stufenlosigkeit der Erzeugung der Rotationsfrequenz des Läufers
und der Rotationsfrequenz der Läuferströme dadurch erzielt, daß im Läuferrotationsfrequenz-Vervielfacher
eine Reihenschaltung aus eine riormierglied für Zuwächse des Drehwinkels des Läufers
und einem regelbaren Frequenzteiler und bn Fre quenzerzeuger für die Läuferströme
ein Impulsbreitenmodulator vorgesehen sind.
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Die genaue und stoßfreie Erzeugung der Drehzahl und der Rotationsfrequenz
des Läufers zusammen mit der genauen Erzeugung des Größe der Ständerströme ermöglicht
eine Erhöhung der Genauigkeit der Erzeugung des Momentes an der Welle des Elektroantriebs
in Ubergangs- und dynamischen Betriebszuständen sowie in einen welten Geschwindigkeitsbereich.
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Im weiteren wird die Erfindung durch ihre konkreten Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein
3lockschaltbild des erfindungsgemäßen Elektroantriebs mit einem Asynchronmotor;
Fig. 2 eine Schaltung des Bezugssignalformers, gemäß der Erfindung;
Fig.
3 eine Schaltung des Koordinatenwandlers, gemöß der Erfindung; Pig. 4 (a, b, c,
d, e) Zeitverlaufe elektriscber Signale an den Eingängen des Koordinatenwandlers
und den Ausgängen des Bezugssignalformers, gemäß der Erfindung.
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Der Elektroantrieb mit einem Asynchronmotor enthält aus eine Reihenschaltung
/ einem Wirkstrogeber 1 des Ständers (Fig. 1), einem Koordinatenwandler 2, einer
Einheit 3 phasenempfindlicher Gleichrichter und einer regelbaren Stromquelle, die
an die Ständerwicklungen des Asynchronmotors 5 angeschlossen ist, der mit einem
Eursschlusslaufer versehen ist. Der Läufer eines Drehwinkelgebers 6 des Läufers
des Asynchronmotors ist mit dem Ia«ufer des Asynchronmotors 5 starr gekoppelt.
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Der Ausgang des Wirkstrogebers i des Standers liegt am Steuereingang
7 eines Frequenzerzeugers 8 für die Läuferströme, dessen Ausgang an den Eingang
9 eines Bezugssignalformers 10 aageschlossen ist. Der iIi'ingang 11 des Formers
10 ist mit dem Ausgang eines Bezugsfrequenzeinstellers 12 verbunden, dessen dreiphasiger
Ausgang an die Eingang 13, 14, 15 für Bezugssignale der Einheit 3 phasenempfindlicher
Gleichrichter angeschlossen ist.
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Die Amplitudeneingange der Einheit 3 sind mit einander vereinigt
und an den Ausgang 16 des Koordinatenwandlers 2 angeschlossen. Der Synchronisierungseingang
17 des Prequenzerzeugers 8 für die Läuferströme ist mit dem Ausgang des Bezugsfrequenzeinstellers
12 verbunden.
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Der Elektroantrieb enthalt auch einen Läuferrotaä tionsfrequenz-Vrvielfacher
18, dessen Eingänge 19, 20 jeweils an den Ausgängen des Drehwinkelgebers 6 des Läufers
des Asynchronmotors und des Bezugsfrequenzeinstellers 12 liegen. Der Ausgang des
Vervielfachers 18 ist an den Eingang 21 des Bezugssignalformers 10 angeschlossen.
Die Ausgänge des Formers 10 sind mit den Bezugssignal-Eingangen 22 und 23 des Koordinatenwandlers
2 verbunden.
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Der Läuferrotationsfrequenz-Vervielfacher 18 enthält aus einen Reibenkreis
/ einem Formierglied 24 für Zuwächse
des Drehwinkels des Läufers
und einem regelbaren Frequenzteiler 25, dessen einer Eingang als Eingang 20 des
Vervielfachers 18 dient, welcher am Ausgang des Bezugssignaleinstellers 12 liegt.
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Die Einheit 3 der vorliegenden Ausführungsform enthält drei phasenempfindliche
Gleichrichter 26, 27 und 28.
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Der Drehwinkelgeber des Läufers des Asynchronmotors ist als Geber
für den vollständigen Kode des Drehwinkels ausgebildet. Als primärer Meßfühler ist
im Geber 6 ein Sinus-Kosinus-Drehtransformator benutzt, der als Phasenschieber betrieben
wird.
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Der Frequenzerzeuger 8 für die Läuferströme ist als Impulsbreitenmodulator
ausgebildet. Der Bezugssignal former 10(Fig. 2) enthält einen Negator 29, zwei Eoinzidenzglieder
30 und 31, einen Frequenzsummator 32, einen aus Flipflops aufgebauten Frequenzteiler
33 und Chiffratoren 34 und 35. Der Eingang des Negators 29 und ein Eingang des Koinzidenzglied
31 sind miteinander verbunden und bilden einen Eingang 9 des Formers 10. Die Eingang
der Koinzidenzglieder 30 und 31 dienen als Eingang 11 des Formere 10. Der Ausgang
des Negators 29 ist mit dem Eingang des oinzidenzgliedes 30 verbunden, dessen Ausgang
und der Ausgang des Koinzidenzgliedes 31 an den Eingang des Frequenzsummators 32
angeschlossen aind, dessen dritt ter Eingang als Eingang 21 des Formens fungiert.
Der Ausgang des Frequenzsummators 32 ist an den Eingang des Frequenzteilers 33 angeschlosen,
dessen Ausgänge für einen Kode N mit den Eingangen der Chiffratoren 34 und 35 verbunden
sind. Der Koordinatenwandler 2 CFig. 3) enthält Multiplizierglieder 36 und 37 zur
Multiplikation einer Spannung mit dem Funktionsvorzeichen, deren Ausgang jeweils
an die Eingänge von Digital-Analog-Wandlern 38 und 39 angeschlossen sind. Die Ausgangs
der letzteren stehen mit einem Summator 40 in Verbindung. Die einen Eingänge der
Multiplizierglieder 36 und 37 bilden Amplåtudeneingänge, die anderen bilden zusammen
mit den Eingängen der Digital-Analog-Wandler 38 und 39 Bezugssignaleingänge 22 und
23 des Koordinatenwandlers 2. Der
Ausgang des Sumators 40 ist der
Ausgang 16 des toordinatenwandlers 2.
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Zum besseren Verständnis der Arbeitsweise des Elektroantriebe sind
in Fig. 4 (a, b, c, d, e) Zeitverläufe von Signalen an den Eingängen und Ausgängen
der Chiffratoren 34 und 35 gezeigt, in denen auf der Abszissenachse die Zeit t und
auf der Ordinatenachse die Spannung auf getragen sind. Die Verlaufe veranschaulichen
die Funktion des Bezugssignalformers 10 bei einem zeitlich veränderlichen Drehwinkel
des Läufers des Asynchronmotors 5 und bei einem betragsmäßig unver"anderlichen Signal
des Wirkstromgebers 1 des Ständers. Dabei zeigt Fig. 4a einen Spannungsverlauf,
der einem sich periodisch und linear äbderen Kode N am Ausgang des Flipflop-Frequenzteilers
33 entspricht; Fig. 4b stellt den Verlauf einer Spannung dar, die einem Kode N1
entspricht, welcher sich periodurch aach dem Gesetz positiver Halbwellen einer Sinusfunktion
ändert; Fig. 4c einen Verlauf eines Signals S, das das Vorzeichen der Halbperiode
des codes N1 festlegt; Fig. 4d einen Verlauf einer Spannung, die einem Kode entspricht,
der sich periodisch nach dem Gesetz positiver Halbwellen einer Kosinusfunktion andert;
Fig. 4e einen Verlauf eines Signals C, das das Vorzeichen der Halbperiode des kordes
W2 bestimmt.
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Der erfindungsgemäße Elektroantrieb mit einem Asynchronmotor wirkt
wie folgt.
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Es muß zuerst betont werden, daß die Bezeichnungen "Wirk- und Blindstrom
des Ständers" vereinbart sind. Im realen Elektroantrieb bestimmt das Signal U1 (Fig.
1) in Form einer Gleichspannung am Ausgang des Gebers 1 einen zur Achse der Flußverkettung
des Läufers des Asynchron.
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motors 5 senkrecht orientierten Ständerstromanteil.
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Es wird nun die Arbeitsweise des Elektroantriebs in Betriebszuständen
betrachtet, wo keine Regelung des magnetischen Flußes des Asynchronmotors erforderlich
ist, daher entfällt im Antrieb ein besonderer regelbarer Blindstromgeber des Ständers.
Bei dieser Ausführunsform des Elektroantriebs wird das Drehmoment an der Welle des
Asynchronmotors 5 nach dem rT Signal des Wirkstromgebers 1 des
Ständers
bei einer betragsmäßig unveranderlichen Flußverkettung des Läufers gesteuert.
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Das Signal U trifft am Eingang des Eoordinatenwandlers 2 und am Eingang
7 des Frequenzerzeugers 8 für die Läuferströme ein. Im Koordinatenwandler 2 (Fig.
3) gelangt das Signal U1 auf den Eingang des Multipliziergliedes 36 zur Multiplikation
mit dem Funktionsvorzeichen, während auf den anderen Eingang des Gliedes 36 ein
Signal S(Fiß. 4c) von Eingang 22 des Wandlers 2 gegeben wird, welches das Vorzeichen
einer Halbwelle der Sinusfunktion charakterisiert. Am Ausgang des Multipliziergliedes
36 wird ein Signal U1.sign S geliefert, wobei das Index "sign" auf die Verwendung
nur eines Vorzeichens des Signals S hinweist.
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Das Signal vom Ausgang des Multipliziergliedes 36 gelangt auf den
Amplitudeneingang des Digital-Analog-Wandlerg 38, auf dessen Bezugssignaleingänge,
d.h. auf den Eingang 22 des Wandlers 2, ein Kode N1 (Fig. 4b) positiver Halbwellen
einer Sinusfunktion gegeben wird. Hierbei wird die Rotationsfrequenz #k der Änderung
des Kodes N1 durch folgenden Ausdruck definiert:
wobei bedeuten: #0 eine Bezugsrotationsfrequenz, die im Bezugsfrequenzeinsteller
formiert wird; # eine Rotationsfrequenz des Läufers des Asynchronmotors 5; #1 eine
Rotationsfrequenz des Läufers des Asynchronmotors 5.
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Der Einfachheit der Erläuterung halber nimmt man die Polpaarzahl
im Asynchronmotor gleich Eins an. Die Frequenz #k wird Bezugssignalformer 10 durch
Summierung von Frequenzen dreier Signale erzeugt, welche vom Bezugsfrequenzeinsteller
12 am Eingang 11, vom Läuferrotationsfrequenz-Vervielfacher 18 am Eingang 21 und
vom Frequenzerzeuger 8 für die Läuferströme am Eingang 9 ankommen. Am Ausgang des
Wandlers 38 wird eine Spannung U3 geliefert, die eine stufenweise approximierte
Sinusfunktion (Fig. 4b) darstellt. Die Amplitude der pannang U3 wird durch die
Grösse
des Signals U1 bestimmt. Die Genauigkeit der Approximation der Sinus funktion wird
auf einen Wert zuruckgeführt, wobei n eine Stellenzahl des Frequenzteilers 33 ist.
Sogar bei n=5 erweisen sich die nichtlinearen Verzerrungen der Sinusfunktion als
unter 0,3%. Unter Berücksichtigung des Gesagten kann man schreiben: U3 = A*U1*sin
#k t, wobei A ein Proportionalitätsfaktor ist Im Koordinatenwandler 2(Fig. 3) dient
das vorbestimmte Signal U2 in Form einer Gleichstromspannung als Vorgabesignal des
Blindstroms des Ständers, d.h. der betragsmäßig unveränderlichen Flußverkettung
des Läufers. Das Signal U2 wird dem Eingang des Multipliziergliedes 37 zugeführt,
mit dem Vorzeichen des Signals 0 (Fig. 4e) das Geber den Eingang 23 des Koordinatenwandlers
2 kommt, multipliziert und gelangt dann auf den Amplitudeneingang des Digital--Analog-Wandlers
39. Den Bezugssignaleingängen des Wandlers 39 wird ein gode N2(Fig. 4d) positiver
Halbwellen der Kosinusfunktion zugeführt.
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Am Ausgang des Wandlers 39 wird analog der Spannung U3 eine Spannung
U4 formiert, die durch folgenden Ausdruck definiert wird: U4 = A U2 cos #k t.
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Die Spannungen U3 und U4 werden im Summator 40 addiert, an dessen
Ausgang 16 ein Signal geliefert wird:
wobei α einen Phasenwinkel bezeichnet, durch den das Verhältnis von Signalen
U1 und U2 gekennzeichnet wird. Das Signal U5 (Fig. 1) gelangt vom Ausgang 16 des
Koordinatenwandlers 2 auf die Amplitudeneingänge der Einheit 3 phasenemfindlicher
Gleichrichter, deren Bezug ssignaleingingen 13, 14 und 15 ein dreiphasiges Signal
mit einer Rotationsfrequenz #0 vom Bezugsfrequenzeinsteller 12 zugeführt wird. Mit
Hilfe der Einheit 3 wird das Signal U5 unter Berücksichtung seiner Phase gleichgerichtet,
wobei an den Ausgängen dieser Einheit Spannungen erzeugt werden, die von der Bezugsfrequenz
#0 frei sind:
worin K1 ein Proportionalitätsfaktor ist. Diese Spannungen dienen als Vorgabesignale
für die regelbare Stromquelle 4, die die Ständerwicklungen des Motors 5 mit sinusförmigen
Strömen versorgt, deren Amplitude dem Wert
proportional und die Rotationsfrequenz gleich
ist. Dabei wird die Rotationsfrequenz #1 der Läuferströme im Erzeuger 8 entsprechend
dem Ausdruck normiert:
wobei X eine Zeitkonstante des Läuferstromkreises ist.
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Da im beschrieben Elektroantrieb eine Stromfrequenz-Steuerungsmethode
fßr einen Asynchronmotor (siehe beispielsweise den SU-Urheberschein Nr. 193604)
realisiert ist, hängt das Drehmoment an der Welle vom Signal U1 bei U2 = const linear
ab.
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Die hohe Genauigkeit der Vorgabe des Drehmomentes an der Welle unter
Zuhilfenahme des Signals U1 unabhängig von der Rotationsfrequenz # des Läufers wird
im Elektroantrieb dadurch sichergestellt, dai3 die Größen der Signale die zum Ubertragungskreis
des Signals U1 vom Former 10 und vom Einsteller 12 kommen, von der Rotationgfrequenz
# des Läufers und der Frequenz #1 der Läuferströme nicht abhängig sind. Darüber
hinaus werden diese Signale als Bezugssignale benutzt, die nur die Frequenz der
Signale an den Ausgängen des Wandlers 2 und der Einheit 3 bestimmen.
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Nun wird auf die Funktion des Kanals zur Erzeugung der Rotationsfre
quenz
eingegangen, die eine Kreisfrequenz der an den Ausgffngen des Formers 10 anliegenden
Signale ist.
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Das Ausgangs signal des Gebers 6 in Form eines dem Drehwinkel des
Läufers entsprechenden Kodes wird vom Formierglied 24 für Zuwächse des Drehwinkels
in einen
einer Drehzahl des Läufers entsprechenden Kode umgesetzt,
der auf die Steuereingange des regelbaren Frequenzteilers 25 gelangt. Dem maßstabgebenden
Eingang 20 des Frequenzteilers 25 werden Spannungsimpulse vom Bezugsfrequenzeinsteller
12 zugeilbrt. Am Ausgang des Teilers 25 werden Spannungsimpulse mit einer Folgefrequenz
F1 erzeugt, die auf den Eingang 21 des Formers gegeben werden. Vom Ausgang des Summators
32(Fig. 2) gelangt die Frequenz F1 auf den Eingang des Flipflop-Frequenzteilers
33, dessen Ausgangsfrequenz gleich dem Verhältnis der Impulszahl, welche am Eingang
des Teilers angekommen ist, zur Kapazität dessen ben ist. Deswegen ergibt sich die
Komponente # der Frequenz AJk durch Teilung der Frequenz F1 im Flipflop--Frequenzteiler
33. Die Komponente ( o + 61) der Frequenz #k wird durch Änderung einer mittleren
Zahl von Impulsen gewonnen, welche am Eingang des Flipflop-Frequenzteilers 33 innerhalb
einer Zeitspanne angekommen sind, die durch die Periode T1 des breitenmodulierten
Signale U6 vorgegeben wird, das im Erzeuger 8 erzeugt und dem Eingang 9 des Formers
10 zugeführt wird.
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Wie schon oben erwähnt wurde, enthält der Frequenzerzeuger 8 nur
die Läuferströme einen Impulsbreitenmodulator (in Fig. 1 nicht gezeigt), ddr z.B
aus Operationsverstarkern aufgebaut ist. Zum Steuereingang des Impulsbreitenmodulators
kommt ein Signal U1. Am Ausgang des Impulsbreiten/modulators wird eine Spannung
U6 normiert, welche eine vorzeichenvariable Spannung in Form von Rechteckimpulsen
darstellt Hierbei setzt sich die Periode dieser Impulse aus zwei Zeitabschnitten
t1 und t2 zusammen, wobei t1 die Zeitdauer des positiven Impulses und t2 die Zeitdauer
des negativen Impulses im Spannungsverlauf U6 bedeutet. Bei U1=0 sind Zeiten t1
und t2 gleich lang T1 t1 = t2 = .
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2 Die Spannung U6 wird durch einen Breitenmodulationsfaktor
charakterisiert, der bei U = 0 gleich Null ist.
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Dabei wird angenommen, daß die Kreisfrequenz #1 der Läuferströme
gleich Null ist. Bei U1 J 0 und )3 0 wird eine Frequenz #1 = K2*U1 erzeugt, wobei
K2 einen Proportionalitätsfaktor bezeichnet. Die breitenmodulierte Spannung U6(Fig.
2) wird dem Koinzidenzglied 31 und dem Negator 29 zugeführt, wobei am Ausgang des
letzteren eine Spannung U6 ansteht. Diese Spannung ist, wie auch die Spannung U6,
durch das Signal U, breitenmoduliert,aber die Dauer ihres positiven Impulses beträgt
die Zeit t2.
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Dementsprechend liegt der negative Impuls im Zeitintervall t1. Die
Spannung U6 trifft am Eingang des Koinzidenzgliedes 30 ein. Zum Eingang 11 des Formers
10 gelangen vom Bezugsfrequenzeinsteller 12 zwei Impulsfolgen mit einer Frequenz
F2 bzw. F3. Dabei wird die Impulsfolge mit der Frequenz F2 auf Basis einer Bezugsimpulsfolge
mit einer Frequenz F0 gebildet und enthalt im Vergleich damit überschüssige $Impulse.
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Die impulsfolge mit der Frequenz F3 wird auch auf der Basis der Impulsfolge
mit der Frequenz; formiert, jedoch ist ihre Impulszahl genau um die Zahl überschüssiger
Impulse in der Impulsfolge 72 vermindert.
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Durch die Koinzidenzglieder 30 und 31 werden Impulse der Impulsfolgen
mit den Frequenzen F2 und F3 zum Eingang des Summators 32 entsprechend der Funktion
F2U6 - F3U6 T1 durchgelassen. Ist t1=t2= , so beläuft sich die 2 mittlere Frequenz
der am Ausgang des Summators 32 auliegenden Spannungsimpulse, d.h. am Eingang des
Flipflop-Frequenzteilers 33, auf Fo Dabei wird am Ausgang des Flipflop-Frequenzteilers
33 die Frequenz # formiert. Wenn t1 länger T1 als ist, überwiegt die Impulsfolge
mit der Frequenz F2 2 und die Ausgangsfrequenz des Teilers 33 beträgt (#0+#1).
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Dementsprecbend ist bei t1 < T1/2 am Ausgang des Teilers 33 die
Frequenz gleich (#0-#1). Da für den Impulsbreitenmodulator # # U1 gilt, ist ebentfalls
#1#U1, was auch als notwendige Forderung nach einer genauen Steuerung des Momentes
des Asynchronmotors angesehen wird.
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Im allgemeinen wird, wenn am Eingang des ßummators Impulse mit Frequenzen
F1, F2 und F3 eintreffen, am Ausgang des Flipflop-Frequensteilers 33 ein Kode N(Fig.
4a) formiert, dessen Erneuerungsfrequenz gleich #k = #0 # #1 # # # ist. Der Kode
N(Fig. 4) trifft an den Eingängen der Chiffratoren 34 und 35 ein, welche Kodes N1(Fig.
4b) und N2 (Fig. 4d) liefern, die Kodes iur die positiven Halbwellen der Sinus-und
Kosinusfunktionen darstellen.
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Die Ohiffratoren 34 und 35 erzeugen auch Signale S(Fig.4c) und C(Fig.
4e), durch die das Vorzeichen der Kodes N1(Fig.4b) und N2(Fig. 4d) gekennzeichnet
wird. Die Signale S und C, die Kodes N1 und N2 gelangen auf die Bezugssignaleingänge
22 und 23 des Koordinatenwandlers 2 und werden darin gemaß dem oben beschriebenen
benutzt. Da im Elektroantrieb die Erzeugung der Frequenzen L3 #1 und der Vorgabesignale
der Ständerströme auf Grundlage von Prinzipien und Bauelementen der diskreten Technik
durchgeführt wird, wird die Genauigkeit der Maßstabhaltung wesentlich erhöht entfallen
Einstellungen und werden Voraussetzungen für die Verminderung des Gewichtes und
Volumens der Steuerelemente geschaffen. Damit die Diskretheit der im Elektroantrieb
verwendeten Informationen auf die Genauigkeit und Stutenlosigkeit der Erzeugung
des Momentes an der Wblle keinen Einfluss ausübt, wird die Bezugsfrequenz #0 so
groß wie die höchstmögliche Rotationsfrequenz # des Läufers des Motors 5 gewählt.
Außerdem wird die gegenseitige Synchronisierung der Funktion des Erzeugers 8, des
Formers 10 und des Vervielfachers 18 mit Hilfe von Impulsen vom BezugsSrequenzeinateller
12 vorgenommen.
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Durch die im erfindungsgemäßen Elektroantrieb verwendeten oben beschriebenen
technischen Lösungen wird die genaue Vorgabe der Ständerstromgrösse und der Frequenz
der Läuferströme mittels des Signals U1 sichergestellt, was seinerseits die hohe
Genauigkeit der erzeugung des Drehmomentes an der Welle gewährleistet.
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Die mechanischen Kennlinien des Elektroantriebs sind weich und der
erfindungsgemäße Elektroantrieb wird unmittelbar zur Regelweg cer Beschleunigung
einer Belastung
in Überreistimmung mit dem Signal U1 angewendet.
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Falls der Elektroantrieb zur Regelung der Geschwindigkeit und der
Winkelstellung einer Belastung eingesetzt wird, gewinnt man Informationen über die
Ist-Drehzahl und -Winkelstellung der Belastung mit Hilfe des Läuferrotationsfrequenz-Yervielfachers
18 des Läufers des Motors 5.
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Die Anwendung des Elektroantriebs, der sich durch hohe Genauigkeit
der Steuerung des Drehmomentes in statischen und dynamischen Betriebszuständen auszeichnet,
gestattet es, schnellwirkende und hochprazise Systeme zur Regelung der Geschwindigkeit
und Stellung der Arbeitsorgane verschiedener Metallbearbeitungsmaschinen aufzubauen,
wodurch eine hohe Gute bei der Bearbeitung von Werkstücken und eine Leistungssteigerung
der Ausrüstung erzielt wird.
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L e e r s e i t e