DE3533979A1

DE3533979A1 - Motorsteuerschaltung fuer einen drehstrommotor

Info

Publication number: DE3533979A1
Application number: DE19853533979
Authority: DE
Inventors: Anton Marcel Long Green Forthampton Gloucestershire Bax
Original assignee: Smiths Group PLC
Current assignee: Smiths Group PLC
Priority date: 1984-10-03
Filing date: 1985-09-24
Publication date: 1986-04-10
Also published as: SE8504545L; US4683413A; FR2571186B1; FR2571186A1; GB8424989D0; SE465746B; SE8504545D0

Description

Motorsteuerschaltung fur einen Drehstrommotor

Die Erfindung betrifft eine Motorsteuerschaltung für einen Drehstrommotor mit mindestens einem durch eine Steuerschaltung steuerbaren Festkörperschalter in einer der drei ZufUhrleitungen.

In einigen Anwendungsfallen ist es wichtig, daß ein derartiger Motor sehr rasch seine Nenndrehzahl erreicht. Dies ist beispielsweise der Fall bei dem Kreisel eines Kreiselkompasses, der in hydrodynamischen gasgeschmierten Lagern gelagert ist , die lediglich dann einem Verschleiß unterworfen sind, bevor der Gasfilm zwischen den Lager- · flächen entstanden ist. Damit ein solcher Motor rasch seine Nenndrehzahl erreicht, ist es bekannt, diesen über zu dimensionieren, so daß er rasch auf seine Nenndrehzahl hochläuft. Dies führt jedoch zu dem Nachteil eines hohen Stromverbrauchs und einer hohen Betriebstemperatur, durch welche die Betriebsweise des Motors nachteilig beeinflußt werden kann.

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Eine weitere Schwierigkeit bei einem Drehstrommotor besteht darin, zu bestimmen, ob der Motor synchron mit der Wechselspannung sieh dreht oder nicht.

Es besteht die Aufgabe, die Motorsteuerschaltung so auszubilden, daß die Nenndrehzahl sehr rasch erreicht und der Stromverbrauch im Normal betrieb vermindert wird.

Gelost wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

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Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des Systems;

Fig. 2 die beim System nach Fig. 1 verwendete Steuerschaltung;

Fig. 3 einen Teil der Steuerschaltung und

Fig. 4 einen weiteren Teil dieser Steuerschaltung.

Gemäß Fig. 1 wird der Motor 2 über die Steuerschaltung mit Drehstrom gespeist, wobei die dreiphasige Spannungsquelle mit 1 bezeichnet ist. Der Motor 2 muß sich in einer bestimmten Richtung drehen und dient beispielsweise dazu, die Drehmasse eines Kreisels anzutreiben, welche in hydrodynamischen , gasgeschmierten Lagern gelagert ist. Eine Aufgabe der Steuerschaltung 3 besteht darin, sicherzustellen, daß der Motor nicht durch falschphasige Eingangssignale angetrieben wird. Die Steuerschaltung 3 ist bevorzugt innerhalb des gleichen Gehäuses wie der Motor 2 angeordnet . Diese Baueinheit wird fabrikseitig zusammengestellt, so daß es lediglich notwendig ist, die Stromanschlüsse vorzunehmen, ohne daß die Gefahr einer Beschädigung des Motors besteht. In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, daß oftmals festgestellt wurde, daß die StromanschlUsse falsch bezeichnet sind und daher ein falscher Anschluß erfolgt* Die Steuerschaltung 3 stellt jedoch sicher, daß der Motor 2 auch bei einem falschen Anschluß nicht beschädigt wird.

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Die Signale A vom Ausgang 11 der Stromquelle 1 werden über die Leitung 14 direkt dem Eingang 21 des Motors 2 zugeführt. Die anderen Signale B und C von den Ausgängen 12 und 13 der Stromquelle, die zu den anderen Eingängen 22 und 23 des Motors führen, werden jedoch mittels der Schalter 3OB und 3OC in den Leitungen 15 und 16 gesteuert. Die Steuerschaltung 3 umfasst einen Phasenfolgendetektor 40, der nachfolgend noch im einzelnen beschrieben wird und der die Arbeitsweise der Schalter 30B und 3OC steuert _t wobei diese Schalter öffnen und keine Signale B und C zum Motor 2 hindurchlassen, wenn die Signale zueinander nicht die korrekte Phasenbeziehung aufweisen.

Die Steuerschalung 3 umfasst weiterhin eine Zeitschaltung 50 und eine logische Schaltung 60, die mit dem Schalter 30C verbunden sind. Der Schalter 30C wird geöffnet und verhindert die Weiterleitung der Signale C zum Motor 2,nachdem dieser Motor seine Nenndrehzahl erreicht hat. Der Motor wird somit bei Nenndrehzahl lediglich mit den Signalen A und B gespeist, wodurch der Stromverbrauch und auch die Arbeitstemperatur vermindert wird. Die logische Schaltung 60 schließt auch den Schalter 3OC für kurze Perioden, so daß kurze Impulse dem Motor zugeführt werden, um ein Pendeln des Motors um die Nenndrehzahl zu bewirken, was später noch beschrieben wird. Eine monostabile Schaltung 80 in der Steuerschaltung 3 bewirkt ein öffnen des Schalters 30B für kurze Perioden, was einem ähnlichen Zweck dient.

Die Steuerschaltung wird nunmehr im einzelnen anhand der Figur 2 beschrieben. Beide Schalter 306 und 30C sind gleich aufgebaut und umfassen jeweils einen ersten Triac 31,

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die jeweils in den Leitungen 15 bzw. 16 zwischengeschaltet sind. Weiterhin weist jeder Schalter einen zweiten Triac 32 auf, der^mit der Steuerelektrode des ersten Triacs 31 über einen Strombegrenzungswiderstand 33 verbunden ist. In Serie mit der Steuerelektrode des zweiten Triacs 32 und dem Steuereingang 35 jedes Schalters 30 ist eine Zenerdiode 34 geschaltet. Die Schalter 30B und 3OC werden geschlossen \ind sind somit leitend, wenn eine hohe Spannung am Steuereingang 35 anliegt. Die Zenerdiode 34 erlaubt eine Steuerung über einen weiten Temperaturbereich, da bei hohen Temperaturen einige Triacs bereits bei geringen Spannungen getriggert werden können.

Der Ausgang des Phasenfolgendetektors 40 ist mit den Steuereingängen 35B und 35C der Schalter 30B und 3OC über jeweils eine Diode 41B und 41C verbunden. Hierbei sind deren Anoden mit den Schal tern verbunden. Weist der Ausgang des Detektors 40 hohes Potential auf, dann leiten die Dioden 41 keinen Strom und die Schalter 30B und 30C arbeiten normal und werden gesteuert von Signalen, die deren Steuereingängen 35 von der monostabilen Einheit 80 und der logischen Schaltung 60 jeweils zugeführt werden. Weist dagegen der Ausgang des Detektors 40 niederes Potential auf, dann werden die den Steuereingängen 35 zugeführten Signale über die Dioden 41 abgeleitet, so daß die Schalter 30B und 30C öffnen. Der Detektor 40 weist ein hohes Ausgangspotential auf, wenn eine korrekte Phasenbeziehung zwischen den Signalen B und C vorliegt. Das Ausgangspotential ist jedoch niedrig, wenn diese Phasenbeziehung nicht korrekt ist, wodurch verhindert wird, daß Signale dem Motor 2 zugeführt werden.

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Der Aufbau des Phasenfolgedetektors 40 ist in Fig. 3 gezeigt. Der Detektor 40 weist eine DiodenschaTtung auf, bei welcher ein Widerstand 41 , die Diode 42 und ein Kondensator 43 in Serie geschaltet sind. Ein zusätzlicher Widerstand 44 ist parallel zum Kondensator 43 geschaltet und dient zur Entladung dieses Kondensators , wenn das System abgeschaltet wird. Der Kondensator 43 ist mit dem positiven Eingang eines Komparators 45 verbunden, dessen negativer Eingang an der Spannung 2Vcc/3 anliegt. Vcc ist die Spannung, die entweder von B oder C in Bezug auf A abgeleitet wird. Die Diodenschaltung wird geladen durch Impulse der monostabilen Schaltung 80, welche über die Leitung 46 zugeführt werden. Die monostabile Schaltung 80 erzeugt einen kurzen Impuls zu einem Zeitpunkt, wenn das Signal B durch Null hindurchgeht und in positiver Richtung ansteigt. Die Anode der Diode 42 ist weiterhin verbunden mit der Anode einer zweiten Diode 47, deren Kathode das Signal C von der Leitung zugeführt wird. Falls das Signal C niederes Potential aufweist, wenn ein Impuls in der Leitung 46 auftritt, dann sperrt die Diode 42 und der Kondensator 43 wird nicht aufgeladen. Falls jedoch das Signal C ein hohes Potential aufweist, dann wird die Diode 47 vorgespannt und sperrt, so daß nunmehr der Kondensator 43 durch Impulse in der Lei tung 46 geladen wird. Der Ausgang des Komparators 45 und somit der Ausgang des Detektors 40 weist hohes Potential auf, wenn das Signal B durch Null in positiver Richtung ansteigt und hierbei das Signal C hohes Potential aufweist. In einem solchen Fall besteht eine korrekte Phasenbeziehung zwischen den Signalen B und C.

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Gemäß Fig. 2 werden die Impulse der monostabilen Einheit 80 in der Leitung 46 weiterhin zugeführt der Zeitschaltung 50. Die Zeitschaltung 50 weist eine Serienschaltung einer Diode 51, eines Widerstands 52 und eines Kondensators auf, der die Impulse zugeführt werden. Die Ladung des Kondensators 53 wird dem positiven Eingang eines Komparators 54 zugeführt, dessen negativer Eingang an der Spannung 2Vcc/3 anliegt. Der Ausgang des Komparators 54 ist verbunden mit der Kathode einer Diode 55, so daß Signale über diese Diode dem Eingang der logischen Schaltung zugeführt werden. Der Kondensator 53 benötigt zu seiner Aufladung durch die Impulse in der Leitung 46 etwa 10 Sekunden. Während dieser Zeitdauer ist das Potential am Ausgang des Komparators 54 niedrig, weist jedoch hohes Potential auf, wenn am Ende dieser Zeitdauer der Kondensator 53 geladen ist.

Die Logikschaltung 60, die ebenfalls eine Zeitsteuerfunktion ausführt , weist zwei Komparatoren 61 und 62 auf. Der negative Eingang des einen Komparators 62 ist mit dem Ausgang der Zeitschaltung 50 verbunden,während der andere Komparator 61 mit seinem positiven Eingang über einen Widerstand 63 mit diesem Ausgang verbunden ist. Ein Kondensator 64 ist angeschlossen an die Verbindungsstelle zwischen dem Widerstand 63 und dem positiven Eingang des Komparators 61. Die Ausgänge der Komparatoren 61 und 62 sind angeschlossen an eine Gatterschaltung 65, die zwei Gatter Gl und G2 aufweist, deren Ausgänge mit 66 und 67 bezeichnet sind. Der erste Ausgang 66 ist über eine Diode 68 und einen Widerstand 69 mit dem Kondensator 64 verbunden, während der zweite Ausgang 67 mit diesem Kondensator verbunden ist über einen Transistor 70 und einen Widerstand 71. Der erste Ausgang 66 ist weiterhin mit dem Steuereingang 35 des Schalters 30C ver-

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Die Logikschaltung 60 weist eine zweifache Zeitsteuerfunktion auf. Wenn der Ausgang der Zeitsteuerschaltung niederes Potential aufweist, d.h. über eine Zeitdauer von 10 Sekunden, dann öffnet das Gatter Gl , wodurch an dessen Ausgang 66 ein hohes Potential auftritt, so daß der Schalter 30C geschlossen gehalten wird. Nimmt dagegen der Ausgang der Zeitsteuerschaltung 50 hohes Potential an, dann wird der Kondensator 64 über den Widerstand 69 über eine Zeitdauer von etwa 10 ms hinweg aufgeladen. Nach dieser Aufladezeit sperrt der erste Komparator 61, wodurch das Gatter Gl geschlossen und das Gatter G2 geöffnet wird. Hierdurch nimmt die Spannung am Ausgang 66 niedriges Potential an, wodurch der Schalter 30G geöffnet wird, so daß der Motor 2 nunmehr nur noch mit dem Signal B gespeist wird.

Der Ausgang 67 des Gatters G2 weist nunmehr hohes Potential auf, so daß der Transistor 70 leitend ist. Hierdurch wird der Kondensator 64 entladen über eine Zeitdauer von etwa 5 Sekunden hinweg, wobei die Entladezeit bestimmt wird durch den Widerstand 71. Während dieser Zeit liegt am Motor 2 neben der ständig anliegenden Phase A lediglich die Phase B an. Ist der Kondensator nach etwa 5 Sekunden entladen, dann liegt am positiven Eingang des Komparators 61 wieder eine niedrige Spannung an, so daß derrKomparator einschaltet, was zu einem Einschalten des Gatters Gl führt, so daß am Ausgang 66 wieder hohes Potential anliegt. Hierdurch wird der Schalter 30C wieder geschlossen und für eine Zeitdauer von etwa 10ms geschlossen gehalten,während der der Kondensator 64 über den Widerstand 69 aufgeladen wird.

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Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß nach den ursprünglichen 10 Sekunden, wie bestimmt vom Zeitgeber 50 der Schalter 3OC geöffnet gehalten wird, also nicht leitend, mit Ausnahme einer Schließdauer von 10ms nach jeweils 5 Sekunden.

Der Schalter 3OB , der die Zufuhr der Signale B zum Motor 2 steuert, ist kontinuierlich geschlossen mit Ausnahme von kurzen Intervallen von etwa gleich l/6tel der Zeitp.ßriode der Kurvenform des Signals B , gesteuert von der monostabilen Einheit 80.

Die monostabile Einheit 80 weist zwei monostabile Schalter 81 und 82 auf, wobei beide monostabilen Schalter über den Transistor 83 vom Eingangssignal B angesteuert werden. Der monostabile Schalter 81 erzeugt einen sehr kurzen Ausgangsimpuls, wenn das Signal B im positiver Richtung durch Null hindurchgeht. Dieser Impuls tritt in der Leitung 46 auf und wird dem Phasenfolgedetektor 40 und der Zeitschaltung 50 zugeführt. Der zweite monostabile Schalter 82 erzeugt einen negativen Impuls jeweils wenn das Signal B durch NuI 1 hindurchgeht und zwar sowohl in abfallender als auch in ansteigender Richtung. Die Impulslänge am Ausgang des zweiten monostabilen Schalters 82 ist langer als die Impulsdauer der Impulse am Ausgang des ersten monostabilen Schalters, jedoch jeweils kurz in Bezug auf die Kurvenform des Signals B, beispielsweise näherungsweise l/6tel der Zeitperiode der Kurvenform des Signals B. Diese negativen Ausgangsimpulse werden über die Leitung 84 dem Steuereingang 35B des Schalters 3OB zugeführt,so daß dieser über die Dauer jedes Impulses öffnet. Der zweite monostabile Schalter 82 ist mit seinem Invertereingang mit dem Ausgang des Komparators 54 der Zeitsteuerschaltung 50 verbunden. Die

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Verbindung erfolgt liber die Leitung 85. Da der Ausgang des Komparators liber die ersten 10 Sekunden hinweg nach dem Einschalten ein niedriges Potential aufweist wird der Ausgang des zweiten monostabilen Schalters 82 über diese Zeitdauer hinweg auf hohem Potential gehalten, so daß die Signalzufuhr der Signale B zum Motor über die Leitung 15 hinweg über diese Zeitdauer hinweg nicht unterbrochen wird.

Ist die Stromquelle 1 korrekt angeschlossen, dann werden alle drei Phasensignale über die ersten 10 Sekunden hinweg voll dem Motor zugeführt, Nach Ablauf dieser 10 Sekunden nach dem Start wird das Signal C vom Motor abgetrennt , das Signal B jedoch weiterhin dem Motor zugeführt, das zwei kurze Unterbrechungen während jedes Zyklusses aufweist. Das Signal C wird jedoch alle 5 Sekunden über eine Zeitdauer von 10ms hinweg dem Motor zugeführt. Auf diese Weise erreicht der Motor 2 so rasch als möglich seine Nenndrehzahl und arbeitet danach bei verminderter Stromaufnahme , wodurch der Stromverbrauch und die Arbeitstemperatur vermindert werden. Die Unterbrechungen in der Stromzufuhr begünstigen ein Oszillieren des Motors, d.h. es treten niederfrequente Schwingungen bei der Nenndrehzahl auf. In einigen Anwendungsfällen ist dieses Oszillieren unerwünscht, im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird jedoch dieses Oszillieren dazu verwendet, zu überprüfen, ob der Motor synchron mit der zugeführten Wechselspannung arbeitet, was nachfolgend beschrieben wird.

Die Figur 4 zeigt einen Überwachungsschaltkreis 90 zum Erfassen der Rotordrehzahl_? dem vom zweiten monostabilen Schalter 82 positive Impulse zugeführt werden, die übereinstimmen mit den negativen Impulsen in der Leitung 84. Diese Impulse gelangen an die Kathode einer Diode 91.Die

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Anode dieser Diode 91 ist angeschlossen an die Leitung 92, die ihrerseits verbunden ist mit dem Eingang 22 des Motors 2, wodurch die EMK vom Motor zurückgekoppelt wird. Die Leitung 92 ist weiterhin über die Anode einer zweiten Diode 93 mit einer Seite eines Kondensators 94 verbunden, und weiterhin mit dem Eingang eines Bandpassfilters und Verstärkers 95. Der Ausgang des Filters 95 ist verbunden mit einer Diodenschaltung 96, die ihrerseits mit einem Komparator 97 verbunden ist. Der Ausgang des Komparators 97 ist angeschlossen an einen LED-Anzeiger 98 und einen Optokoppler 99.

Die Diode 91 wird durch die positiven Impulse der monostabilen Schaltung 82 jeweils in den nicht leitenden Zustand überführt, d.h. zwei mal während jedes Zyklus des Signales B, wenn die Signalzufuhr des Signals B zum Motor unterbrochen ist. Während eines dieser Impulse ist die zugeführte EMK negativ, und wird somit durch die Diode 93 blockiert. Auf diese Weise werden während eines Zyklusses jeweils positive Signale der EMK erfasst. Diese positiven EMK-Signale werden dem Kondensator 94 zugeführt, der durch sinusförmige Modulationen der Spannung aufgeladen wird, die von einem Oszillieren des Motors 2 herrühren. Der Filter 95 weist eine Mittenfrequenz auf, die etwa bei der erwarteten Frequenz der Oszillation liegt, d.h. zwischen 1 Hz und 30 Hz, wobei ein rechteckiges Ausgangssignal von Null bis Vcc erzeugt wird, wenn diese Schwingung in der Drehzahl des Motors erfasst wird. Der Diodenschaltkreis 96 mit seinem Kondensator wird durch diese Rechtecksignale geladen, wobei diese Ladung ein Ausgangssignal am Komparator 97 bewirkt. Der Komparator bewirkt einen Strömfluß in der LED-Diode 98 , die bevorzugt am Gehäuse angeordnet ist, sowie durch den Optokoppler 99,

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mittels demeine entfernte Anzeige bewirkt wird.

Schwingungen in der Motordrehzahl werden auf diese Weise nur erzeugt, wenn der Motor synchron läuft, wobei dieser Zustand über die LED-Diode 98 oder an einer entfernten
Stelle über den Optokoppler 99 angezeigt wird. Auf diese Weise ist stets sichtbar, ob der Motor synchron läuft
oder nicht.

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Claims

Dipi.-ing. RolfCharrier -"-· : '-' ·** - " - * ocoqq7q '{ I Patentanwalt ^JJJlJ/J ^ Rehlingenstraße 8 · Postfach 260 D-8900 Augsburg 31 Telefon 08 21/3 6015+3 6016 Telex 53 3 275 Postscheckkonto: München Nr. 1547 89-801 Anm.: Smiths Industries Public Limited Company 8989/158 Augsburg, den 23. September 1985 Ansprüche

1. Motorsteuerschaltung für einen Drehstrommotor mit mindestens einem durch eine Steuerschaltung steuerbaren Festkörperschalter in einer der drei Zuführleitungen, dadurch gekennzei chnet ,daß der Schalter (30C) nach Einschalten des Motors (2)' durch die Steuerschaltung (50, 60) geschlossen gehalten wird, bis er seine Nenndrehzahl erreicht hat, wonach der Schalter (3OC) geöffnet wird.

2. Motorsteuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet, daß die Steuerschaltung (50, 60) eine Zeitsteuerschaltung (50) aufweist, die den Schalter (30C) eine Zeitdauer nach Einschalten des Motors (.2) öffnet.

3. Motorsteuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzei chnet, daß nach dem öffnen des Schalters (30C) die Steuerschaltung (50, 60) den Schalter (30C) periodisch für kurze Intervalle schließt.

4. Motorsteuerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzei chnet, daß eine überwachungsschaltung (90) vorgesehen ist, welche Drehzahländerungen im Bereich der Nenndrehzahl des Motors (2) erfasst.

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5. Motorsteuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzei chnet, daß in einer weiteren Zuführleitung (15) ein weiterer Schalter (30B) angeordnet ist der von einer monostabilen Schaltung (80) gesteuert wird, die den Schalter (30B) für kurze Intervalle periodisch öffnet .

6. Motorsteuerschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzei chnet , daß der überwachungsschaltung (.90) die EMK des Motors (2) zugeführt wird.

7. Motorsteuerschaltung mach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung eine Phasendetektorschaltung (40) aufweist, welche die Phasenbeziehung der in den Zuführleitungen (15, 16) auftretenden Signale erfasst und welche die Schalter (3OB, 30C) öffnet, wenn eine falsche Phasenbeziehung vorliegt.

8. Motorsteuerschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereingänge (35B, 35C) der Schalter (3OB, 30C) jeweils mit einer Diode (41B, 41C) verbunden sind, die vom Phasendetektor (40) in Durchlaßrichtung geschaltet werden, wenn dieser eine falsche Phasenbeziehung erfasst und über diese Dioden (41B, 41C) die die Schalter (.3OB, 30C) schließenden Steuersignale der Steuerschaltung (80, 50, 60) abgeleitet werden.

9. Motorsteuerschaltung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendetektor (40) die Serienschaltung eines Kondensators (43) und einer Diode (42) aufweist, das von einer der Zuführleitungen (15) abgegriffene Signal den Kondensator (43)

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über die Diode (42) auflädt und daß die von der anderen Zuführleitung (16) abgegriffenen Signale den Leitzustand der Diode (.42) steuern und diese Diode (42) sperren, wenn eine falsche Phasenbeziehung zwischen den Signalen in den Zuführleitungen (15, 16) vorliegt.

10. Motorsteuerschaltung nach Anspruch 2, dadurch g e k e η nz e i ch η et , daß der Zeitsteuerschaltung (50) Impulse im Takt der Wechselspannung in einer der Zuführleitungen (15) zugeführt werden, die einen Kondensator (53) laden, ein Komparator (54) vorgesehen ist, dessen Ausgangspotential bei Erreichen eines bestimmten Ladezustands wechselt und bis zum Wechsel des Ausgangspotentials das Ausgangssignal des Komparators (54) den geschlossenen Zustand der Schalter (3OB, 30C) bestimmt.

11. Motorsteuerschaltung nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß der eine Schalter (30C) nach dem Wechsel des Ausgangspotentials der Zeitsteuerschaltung (.50) durch eine logische Schaltung (60) gesteuert wird, die zwei Gatter(Gl, G2) aufweist, von denen das eine Gatter (Gl) einen Kondensator (64) kurzzeitig auflädt und, hierbei den Schalter (30C) schließt und das andere Gatter (G2) den Kondensator (64) langzeitig entlädt, wobei der Schalter (30C) geöffnet ist.

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