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Steuervorrichtung für Synchronmotoren
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Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für SynchronmDtoren,
gemäß den Oberbegriffen der nebengeordneten Ansprüchen, zum genauen Regeln der Stromstärke
in den Wicklungen eines Synchronmotorsauf einen vorgegeben.en Wert.
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Steuergeräte für Synchronmotoren gemäß dem Stand der Technik sind
in der Beziehung nachteiliz, daß der durch die jeweilige Phase fließende Strom durch
eine induzierte Spannung in den Wicklungen des Motors beeinflußt und verändert wird,
was eine genaue Regelung verhindert. In Fig. 1 ist eine Ausführungsform eines solchen
herkömmlichen Gerätes für einen Dreiphasen-Synchronmotor dargestellt. Ein Synchronmotor
17 ist mit einem Tachogenerator 18 zum Feststellen der Drehzahl des Motors und mit
einem Läuferpositionsdetektor 19 verbunden, dessen Ausgangssignal PF zusammen mit
einer Läufer-Führungsgröße RC in ein Subtrahierglied 1 gegeben wird, dessen Ausgangssignal,
eine Drehzahl-Führungströße SC, einem Subtrahierglied 2 zusammen mit einem Drehzahl-Rückkopplungssignal
SF vom Tachogenerator 18 zugeführt wird, dessen Ausgangssignal SCA in Multiplizierer
25 bis 27 als Drehzahl-Fehlersignale SES über einen PID (Proportional-Integral-Differenzial-)
Kompensator -3 gegeben wird. Das Positions-Rückkopplungssignal PF wird auch in einen
Dreiphasen (U, V, W)-Sinusgenerator 24 angegeben, dessen Ausgangssignale SWu, SWv
und SWw in den Multiplizierern 25 - 27 in Sinussignale umgewandelt werden, deren
Phasen sich voneinander um 2 X unter-3 scheiden und deren Ausgangssignal.e, Dreiphasen-Wechselstromführungströßen
CCu, ECv und CCw,in Subtrahierglieder 5 - 7 jeweils zusammen mit Stromrückkopplungssignalen
EFu, CFv und EFw gegeben werden, die von Stromdetektoren 14 - 16 für die jeweilige
Phase übertragen werden.
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Weiterhin werden Ausgangssignale ECu, ECv und ECw von den Subtrahiergliedern
5 - 7 jeweils in PlD-Kompensatoren 8 - 10 eingegeben, deren Ausgangssignale CEu,
CEv und CEw
durch Leistungsverstärker 11 - 13 verstärkt werden und
den jeweiligen Phasen des Synchronmotors 17 als Antriebsströme DRCu, DRCv und DRCw
zugeführt werden.
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Wie schon oben erwähnt, wird bei einem solchen herkömmlichen Steuergerät
beim Drehen des Synchronmotor-s 17 bei einer gegebenen Drehzahl und einer gegebenen
Belastung, zum Beispiel in Bezug auf den Strom und die Spannung der U-Phase, das
Ausgangssignal SWu des Dreiphasen-Sinusgenerators 24 zusammen mit dem Drehzahl-Fehlersignal
SES in den Multiplizierer 25 gegeben und bildet dort eine Stromführungsgröße CCu,
wie dies in Fig. 2a dargestellt ist. Da, wie es in Fig. 2b dadurch eine durchgezogene
Linie dargestellt ist, eine U-Phasenspannung Vu aus dem Leistungsverstärker 11 abgegeben
wird, zeigt die Spannung Vru, die in der U-Phasenwicklung des Motors induziert wird,
die Form, wie sie in Fig. 2b durch die gestrichelte Linie dargestellt ist, und es
fließt ein Phasenstrom in der Wicklung des Motors, wie er durch die Schrägstriche
dargestellt ist. Da die Wellenform stark durch die induzierte Spannung beeinflußt
ist, ist jedoch eine Wellenform anzunehmen, die von der verschieden ist, die durch
die Stromführungsgröße CCu gemäß Fig. 2a gegeben ist, was zu Schwierigkeiten in
der genauen Regelung des Stromes führt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuervorrichtung für
Synchronmotoren anzugeben, die verhindern kann, daß Stromführungssignale für jeweilige
Phasen durch die induzierte Spannung beeinflußt werden, die durch den Phasenstrom
hervorgerufen wird, wenn ein Synchronmotor mit einer gegebenen Drehzahl unter einer
gegebenen Last läuft.
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Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist durch die nebengeordneten
Ansprüche gegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
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Mit erfindungsgemäßen Steuervcrrichtungen für Synchronmotoren, wird
die erfindungsgemäße Aufgabe gelöst und es wird dabei der Strom genau geregelte
in dem ein nachteiliger Effekt durch eine Spannung vermieden wird, die durch den
Fluß von Phasenströmen durch die Wicklungen des Motors induziert ist.
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Die Erfindung sowie Vorteile derselben werden im folgenden anhand
von Figuren näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein schematisches Diagramm zum Erklären
eines herkömmlichen Steuergerätes für Synchronmotoren, Fig. 2A-und 2B Zeitdiagramme
zum Erklären der Funktion eines Steuergerätes gemäß Fig. 1> Fig. 2C ein Zeitdiagramm,
das im Vergleich mit dem Stand der Tech.nik die Wirkungsweise eines erfindungsgemäßen
Steuergerätes zeigte Fig. 3 ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform dieser
Erfindung, Fig. 4 ein Ersatzschaltbild der Phasenwicklung in einem Synchronmotor,
Fig. 5 und 6 schematische Diagramme anderer Ausführungsformen der Erfindung und
Fig. 7A - 71 Zeitdiagramme zum Erläutern der Funktion des Steuergerätes gemäß Fig.
6.
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Hinsichtlich der genauen Verschaltung und gegenseitigen Zuordnung
der in den Figuren dargestellten Schaltungen wird hiermit ausdrücklich auf diese
Figuren verwiesen. Eine anrneldungsgeinäße Steuervorrichtung, wie sie in Fig. 3
dargestellt ist, weist Subtrahierglieder 1, 2 und 5 - 7, PID-Kompensatoren 3 und
8 - 10, Leistungsverstärker 11 - 13, Stromdetektoren 14 - 16, einen Synchronm.otor
17, einen Tachogenerator 18, einen Positionselder 19, einen
Dreiphasen-Sinusgenerator
24 und Multiplizierer 25 - 27 auf, die mit den oben erläuterten herkömmlichen Bauteilen
übereinstimmen. Das Gerät ist so aufgebaut, daß Multiplizierer 28 - 30 jeweils die
Ausgangssignale SWu, SWv und SWw vom Dreiphasen-Sinusgenerator 24 und ein Läufergeschwindigkeitssignal
SF multiplizieren, um Signale zu bilden, die proportional zur induzierten Dreiphasen-Spannung
sind.
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Die Ausgangssignale TWu, TWv und TWw der Multiplizierer werden in
Addierer 20 - 22 zusammen mit Stromfehlersignalen CEu, CEv und CEw aus den PID-Kompensatoren
8 - 10 gegeben.
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Die Addierresultate AEu, AEv und AEw aus den Addierern 20 - 22 werden
jeweils wieder in die Leistungsverstärker 11 - 13 eingegeben.
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Die Wirkungsweise des so aufgebauten Gerätes wird im folgenden im
wesentlichen für die U-Phase beschrieben.
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Die Kenngrößen der jeweiligen Schaltungsteile für die U-Phase sind
so festgelegt, daß die U-Phasen Stromführungsgrößte CCu 10 Volt ist, die Ermittlungskapazität
für den U-Ph-asen Stromdetektor 14 gleich 1 Volt/Ampere ist, der Verstärkungsfaktor
des PID-Kompensators 8 gleich 1 und der Verstärkungsfaktor des Leistungsverstärkers
11 gleich 20 ist. Die U-Phasenwicklung, als Ersatzschaltung in Fig. 4 dargestellt,
weist. einen inneren Widerstand R von 1 Ohm und eine induzierte Spannung Vru von
100 Volt/ 1000 Umdrehungen pro Minute auf. Die Stromregelung durch das Steuergerät
erfolgt unter diesen angenommenen Bedingungen wie unter den Punkten (A) bis (C)
im folgenden angegeben.
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(A) Wenn die Drehzahl N des Motors 17 Null ist, wird die induzierte
Spannung Vru = 0 Volt und das Korrektursignal für die induzierte Spannung ebenfalls
0 Volt. Es gilt dann die folgende Formel: [(10 - Iu) x 1 + 0] x 20 - Vru = Iu x
1 ......... (1)
Gemäß der Formel mit den oben angegebenen Werten
berechnet, wird der U-Phasenstrom Iu = 9,524 Ampere und die Spannung Vu = 9,524
Volt. Da die U-Phasenstromführunggröße 10 Ampere ist, kann eine Regelgenauigkeit
von etwa 95% erzielt werden.
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(B) Wenn die Drehzahl N des Motors 1000 Umdrehungen pro Minute ist,
gilt, da die induzierte Spannung Vru gleich 100 Volt wird, die nachfolgende Formel,
wenn die induzierte Spannung nicht korregiert wird; [(10 - Iu) x 1 t O]x 20 - Vru
= Iu x 1 ...... (2) Gemäß der Formel, mit den oben angegebenen Werten, ist Iu =
4,762 Ampere und Vu = Vru + Iu . R = 104,762 Volt.
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Der U-Phasenstrom Iu wird dann einen Wert annehmen, der weniger als
50% der Führungsgröße beträgt, was zu einer schlechten Regelgenauigkeit führt. In
Fig. 26 ist mit einer durchgezogenen und einer gestrichelten Linie die Ausgangsspannung
Vu und die induzierte U-Phasenspannung Vru des oben angegebenen Steuergeräts unter
den oben angegebenen Bedingungen dargestellt.
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(C) Wenn die induzierte Spannung im Falle einer Drehzahl N des Motors
17 von 1000 Umdrehungen pro Minute bei einer induzierten Spannung Vru von 100 Volt
korrigiert wird, und wenn weiterhin als korregierter Wert AV = Vru x 1/(Verstärkungsfaktor
des Leistungsverstärkers) ............ (3) angenommen wird, gilt die folgende Formel:
pt10 - Iu] x 1 + V] x 20 - Vru = Iu x 1 ......... (4) Gemäß der obigen Formel wird
der U-Phasenstrom Iu -91524 Ampere und die U-Phasen-Spannung Vu 109,524 Volt.
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Die erhaltenen Werte stimmen mit den im Fall (A) berechneten überein
und zeigen damit die Tatsache an, daß der Einfluß der induzierten Spannung beseitigt
worden ist. Die U-Phasen-Spannung Vu und die induzierte Spannung Vru sind durch
eine durchgezogene und eine gestrichelte Linie in Fig. 2 dargestellt.
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Bei der Fig. 3 entsprechenden Anordnung gemäß Fig. 5 ist ein Dreiphasen-Synchrongenerator
31 zusammen mit dem Tachogenerator 18 und dem Positionsmelder 19 mit dem Synchronmotor
17 gekoppelt. Die Ausgangsspannungen CGu, CGv und CGw des Synchrongenerators 31
werden zusammen mit Stromfelhlersignalen CEu, CEv bzw. CEw in Addierer 20 - 22 übertragen.
Da sich die Ausgangsspannungen CGu, CGv und CGw des Synchrongenerators 31 proportional
mit den in den Wicklungen des Synchronmotors 17 induzierten Spannungen jeweils ändern,
kann der Strom geregelt werden, ohne den Effekt von der induzierten Spannung zu
erhalten, indem die Ausgangsspannungen CGu -CGw in die Addierer 20 - 22 auf ähnliche
Art und Weise in das Steuergerät gegeben werden, wie dies in Fig. 3 angegeben ist.
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Bei der weiteren anmeldegemäßen Ausführungsform gemäß Fig. 6 wird
das Ausgangssignal ES eines Erregerkreises 32 einem Drehmelder 40, der mit dem Synchronmotor
17 verbunden ist, und Abtastimpuls-Erzeugerschaltungen 34 - 36 zugeführt. Das Ausgangssignal
RS des Drehmelders 40 wird in eine Drehmeldersignal-Ermittlungsschaltung 33 angegeben,
deren Ausgangssignal DS in Abtast- und Halteschaltungen 37 - 39 jeweils zusammen
mit den Ausgangssignalen SPu, SPv und SPw der Abtastimpuls-Erzeugerschaltungen 34
- 36 eingegeben wird, deren Ausgangssignale, die Sinussignale HGu, HGv und HGw,
in Multiplizierer 25 und 28, 26 und 29 sowie 27 und 30 eingegeben werden.
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Wenn bei dem oben angegebenen Aufbau ein Erregersignal ES von der
Erregerschaltung 32 in den Drehmelder 40 übertragen wird, wie dies in Fig. 7A dargestellt
ist, wird
vom Drehmelder 40 ein Signal RS mit einer Phase geliefert,
die aus der Läuferposition # des Motors 17 abgeleitet ist, wie dies in Fig. 7F dargestellt
ist. Die Erregersignale ES werden andererseits in die Abtastimpuls-Erzeugerschaltungen
34 - 36 gegeben. in denen sie geformt werden. Die ansteigenden Flanken werden dann
differenziert und liefern dabei Abtastimpulse SPu, SPv und SPw, mit Phasen, die
sich voneinander um 2/3 # unterscheiden, wie dies in den Fig. 7C, 7D und 7E, dargestellt
ist. Das Signal DS des Drehmelders 40 wird mittels den Abtastimpulsen SPu, SPv und
SPw in den Abtast- und Halteschaltungen 37 - 39 jeweils aufrechterhalten. Werden
die Sinussignale HGu, HGv und HGw oder die Ausgangssignale der Schaltungen 37 -
39 über der Läuferposition des Motors 17 als Abszisse aufgetragen, zeigen sie die
Wellenformen gemäß den Fig. 7G, 7H und 71, die mit denjenigen der Ausgangssignale
SWu, SWv und SWw aus dem Dreiphasen-Sinusgenerator 24 gemäß Fig. 3 übereinstimmen.
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Dadurch ist eine Stromregelung ähnlich der gemäß der Schaltung von
Fig. 3 erzielt. Der Positionsmelder 19 kann aus dem Steuergerät von Fig. 6 weggelassen
werden, da die Positionsfeststellung durch den Drehmelder 40 erfolgen kann.
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Es ist auch möglich, das Erregersignal ES des Drehmelders 40 und das
Ausgangssignal RS der Drehmeldersignal-Detektorschaltung 33 in umgekehrter Ordnung
zum Herstellen der Sinussignale HGu, HGv und, HGw zu verbinden.
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Wie vorstehend erläutert ist, ist ein anmeldegemäßes Stromsteuergerät
in der Lage, den Strom eines Synchronmotors mit höherer Genauigkeit als bisher zu
regeln, indem nachteilige Effekt induzierter Spannungen beseitigt wird und dadurch
ein genaues und wirkungsvolles Betreiben des Synchronmotors erzielt wird.
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L e e r s e i t e