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Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung für einen in der Drehzahl einstellbaren, kommutatorlosen
Induktionsmotor.
Elektrischen Antrieben gegenüber besteht häufig die Anforderung, das betreffende angetriebene
System in einer genau vorbestimmten Position zum Stillstand bringen zu können. Es genügt dazu nicht, einfach den Elektromotor vom Speisenetz abzuschalten, da ein entschiedenes, schroffes, mechanisches
Bremsen eine Beschädigung des Systems zur Folge haben könnte. Wird aber anderseits das Bremsen weniger schroff vorgenommen, so wird auch das Anhalten auf eine unbestimmte und daher ungenaue Weise erfolgen, da ja Motoren unter veränderlichen, unterschiedlichen Belastungsverhältnissen betrieben werden. Diese Forderung an Genauigkeit beim Anhalten des rotierenden Systems wird in der Praxis z.
B. bei Aufzügen erhoben, sowie auch bei automatischen und halbautomatischen Wickeleinrichtungen, an denen
Wicklungen genau mit vorbestimmter Windungszahl hergestellt werden sollen. Bisher wurden derartige
Aufgaben gelöst, indem man entweder Spezialmotoren einsetzte, z. B. werden Aufzüge mit Dalander-Mo- toren bestückt, oder es wurden elektronische Systeme zur Steuerung von Gleich-oder Wechselstrom- motoren eingesetzt. Im ersten Fall liegt der Nachteil in der beschränkten Anwendungsmöglichkeit, sowie den höheren Anschaffungs-, Bedienungs- und Wartungsunkosten der Spezialmotoren. Im zweiten Fall ist die Kompliziertheit und der hohe Preis des elektronischen Systems ungünstig.
Die Erfindung bezieht sich daher auf die Steuerung von Asynchronmotoren, die bekanntlich zu den einfachsten gehören, unterschiedlichen Belastungsverhältnissen gut angepasst werden können, keiner besonderen Wartung bedürfen und insgesamt billiger sind.
Aus den DD-PS Nr. 94426 und Nr. 94666 sind bereits Steuerschaltungen für kommutatorlose
Induktionsmotoren bekannt, bei welchen der Motor von einem Speisenetz fester Netzfrequenz über eine aus antiparallelen steuerbaren Halbleitergleichrichtern bestehende Stromrichtereinheit gespeist wird und durch einen Steuersatz der Stromrichtereinheit dem Motor sequentiell je eine gerade Zahl von ganzen Halbwellen, getrennt durch eine Pause mit der Dauer von einer oder mehreren Halbwellen zugeleitet wird.
Eine derartige Steuerschaltung hat den Nachteil, dass ganze Netzperioden an den Motor gelangen und damit die Speiseenergie eine sehr grosse 50 Hz-Komponente enthält, was zur Folge hat, dass die Drehzahl des Motors wieder von der Last des Motors abhängig ist, da sie nur dann auf den eingestellten Wert abfallen wird, wenn die Leistung der 50 Hz-Komponente nicht mehr für die Drehung mit Netzfrequenz ausreicht. Ein weiterer Nachteil ist auch in der auf den hohen Wert der 50 Hz-Komponente zurückzuführenden hohen Verlustleistung zu sehen.
Aufgabe der Erfindung ist daher, die Nachteile dieses Standes der Technik zu vermeiden und die Drehzahl des Motors völlig unabhängig von seiner Belastung zu machen.
Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Steuerschaltung für einen in der Drehzahl einstellbaren, kommutatorlosen Induktionsmotor, insbesondere einen Asynchronkurzschlussläufermotor, bei welcher der Induktionsmotor von einem Speisenetz fester Netzfrequenz mindestens über eine aus antiparallelen steuerbaren Halbleitergleichrichtern bestehende Stromrichtereinheit gespeist wird, wobei durch einen Steuersatz der Stromrichtereinheit ganze Halbwellen der Netzspannung durchgelassen und andere Halbwellen der Netzspannung gesperrt werden, erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass durch den Steuersatz der Stromrichtereinheit als Speisespannung sequentiell jeweils die ganze Netzhalbwelle, die von der nächsten durchgelassenen Netzhalbwelle durch ein Zeitintervall von einer geraden Anzahl der Netzhalbwellen getrennt ist, dem Induktionsmotor zuführbar ist.
Es sind im übrigen auch noch weitere Methoden zur Steuerung von Asynchronmotoren durch Veränderung der Frequenz des den Motor speisenden Netzes bekannt.
Alle diese Methoden basieren auf dem einen oder andern von zwei Grundprinzipien. Das eine Grundprinzip besteht in der unmittelbaren Frequenzumwandlung, ohne dass dazu eine Gleichstrom-Zwischenstufe benötigt wird. Gemäss dem andern Grundprinzip erfolgt eine mittelbare Frequenzumwandlung, d. h. es wird eine Gleichstromstufe zwischengeschaltet.
Die Ausgangsfrequenz von Frequenzumformern kann sowohl stetig, als auch stufenweise geregelt werden. Zu den bekanntesten Frequenzumformern gehören die Trapezumformer, die Sinusumformer und die Frequenzumformer mit zwischengeschaltetem Gleichstromkreis. Bei der Bewertung einer Frequenzumform-Schaltung muss die Kompliziertheit, die Kostspieligkeit und die Leistungsfähigkeit der betreffenden Schaltung beachtet werden. Als Leistungsfähigkeit wird hier bewertet, inwieweit die zu untersuchende Frequenzumform-Schaltung bei einer Speisung des Asynchronmotors mit veränderlicher Frequenz den
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Anforderungen nachkommen kann, welche seitens des Motors bestehen. Diese Anforderungen sind folgende :
Wird z.
B. ein für die Netzfrequenz fo dimensionierter Asynchronmotor von einem Netz gespeist, dessen Frequenz kleiner ist als fo, d. h. der Motor wird im sogenannten drehmomentbeständigen Bereich betrieben, dann muss-um eine zu hohe Wärmeabgabe im Motor zu vermeiden-gleichzeitig mit der Frequenzverminderung auch die Netzspannung reduziert werden, oder man muss während der Verminderung der Netzfrequenz eine Spannung liefern, deren Form vom Sinus abweicht, u. zw. den Durchschnittsstrom vermindernd, also im Grunde genommen, ähnlich wirkend, wie bei der Spannungsreduktion. Bei der letzteren Methode muss man aber auch darauf achten, dass der Oberwellenanteil dieser Spannung möglichst klein bleibt, da dieser Anteil restlos in Verlustwärme übergeht, wodurch der Wirkungsgrad des Systems beeinträchtigt wird.
Nachstehend ist die Erfindung an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 im Blockschema eine mit Trapezumformung arbeitende bekannte Steuerschaltung, Fig. 2 an Hand einer Schaukurve die Ausgangsspannung der Stromrichtereinheit der Schaltung nach Fig. 1, Fig. 3 im Blockschema eine mit Sinusumformung arbeitende bekannte Steuerschaltung, Fig. 4 an Hand einer Schaukurve die Ausgangsspannung der Stromrichtereinheit der Schaltung nach Fig. 3, Fig. 5 im Blockschema eine mit mittelbarer Frequenzumwandlung durch Zwischenschaltung einer Gleichstromstufe arbeitende bekannte Steuerschaltung, Fig. 6a bis 6d an Hand von Schaukurven das Prinzip der erfindungsgemässen Steuerung und Fig. 7 im Blockschema eine Steuerschaltung nach der Erfindung.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Trapezumformer für Einphasenbetrieb sind an die Phasenleitungen Stromrichter-l und 2-- in Antiparallel-Schaltung angeschlossen, Sie werden über Zündstufen --3 und
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wird durch eine Synchronisierstufe --6-- gewährleistet. Die Referenzspannung für die Synchronisierstufe - liefert eine Abtastschaltung --5--. Die Ausgangsspannung der in der oben beschriebenen Weise gesteuerten Stromrichter-l und 2-- hat eine Trapezform, welche als Umhüllende der geschalteten Phasenspannungen entstanden ist (Fig. 2).
Das Arbeiten mittels selbstwirkender Kommutation ermöglicht nur eine stufenweise Frequenzver- änderung. Es kann zwar auch eine stetige Frequenzregelung erzielt werden, dazu muss jedoch eine Zwangskommutierung bewirkt werden, welche weitere Thyristoren und weitere Zündstufen erfordert.
Im Grunde genommen folgt aber aus der Trapezform der Spannung ein viel grösserer Formfaktor als aus der Sinusform und auch ein sehr hoher Oberschwingungsgehalt. Wie schon erwähnt wurde, ist daher diese Spannungsform für Asynchronmotoren nicht allzu günstig. Der höhere Formfaktor und die Tatsache, dass die Spannung sehr oberschwingungsreich ist, führt zu einer unnötigen Verlustwärmeerhöhung. Auch sonst erhöht sich der den Motor durchfliessende Strom wenn die Frequenz des Speisenetzes vermindert wird.
Um diesen schädlichen Folgen entgegenzuwirken, wurde die Schaltung nach Fig. 1 mit einem Frequenzspannungs-Umformer --8-- und einer Auslösestufe--9--bestückt. Das Stellglied dieser Regelung ist ein Spannungsregler --11--. Über einen Impulsgenerator --10-- und die Auslösestufe --9-- wird der Spannungsregler --11-- auf eine Weise gesteuert, dass er die trapezförmige Welle mit einer Häufigkeit unterbricht, die bedeutend höher ist, als die umgewandelte Frequenz. Schaltet man nun die so erzeugte Spannung an ein Tiefpassfilter-12-, so entsteht eine Spannung, deren Oberschwingungsgehalt bereits deutlich vermindert wurde und deren Form der Sinusform bereits viel näher kommt. Diese Spannung ist demnach zur Speisung des Asynchronmotors --13-- viel besser geeignet, als die ungesiebte Spannung.
Die Unterbrechung kann mit konstanter oder veränderlicher Frequenz erfolgen. Wird die Unterbrechungsfrequenz nach einer andern Variante dieser Methode in der Zeit periodisch verändert, so nähert sich die Form der Spannung am Ausgang des Tiefpassfilters-12-der Sinusform noch mehr an, eine derartige Schaltung ist aber auch entsprechend komplizierter und aufwendiger ausgeführt.
Um den Wert der untergeteilten Spannung so fein wie möglich einstellen zu können, lohnt es sich, die Eingangsfrequenz möglichst hoch zu wählen.
Es ist verständlich, dass auf diese Art auch Mehrphasensysteme gebaut werden können, indem man mehrere antiparallel geschaltete Systeme - zueinander verschoben - steuert.
Der ebenfalls wohl bekannte Sinus-Umformer enthält ebenfalls antiparallel geschaltete Stromrichter, hier wird jedoch die Stromrichtereinheit mit einer Impulsfolge gesteuert, die dem Sinusverlauf folgt. Hiezu
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werden in jeder Halbwelle der Ausgangsspannung die Steuerphasenwinkel aI und all derart gewählt bzw. auf eine Weise verändert, dass die Umhüllende der Ausgangsspannungen der beiden Teile der Stromrichtereinheit l-wie sie im Blockschema des einphasigen Sinus-Umformers nach Fig. 3 dargestellt ist-sich der Sinus-Wellenform so weit wie möglich annähert (Fig. 4).
Die Stromrichter der Stromrichtereinheit --1-- können je Halbperiode abwechseln als Gleichrichter oder als Wechselrichter betrieben werden. Während beim vorangehend beschriebenen Trapez-Umformer der Steueroszillator --7-- mit dem Netztakt synchronisiert wird, wird eine solche Synchronisierung beim Sinus-Umformer nicht vorgenommen. Vom Ausgangssignal des Steueroszillators --7-- wird eine Spannung
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--5'-- steuert.- -6', 10'-- und die Phasenlöschstufe --2'--. Die Filterung der Ausgangsspannung zur Verminderung der
Oberwellen erfolgt dann mittels des bereits beschriebenen Tiefpassfilters --12--. Auch hier ist der
Asynchronmotor --13-- die Last.
Der Vorteil des Sinus-Umformers - dem Trapez-Umformer gegenüber - be- steht darin, dass die Ausgangsspannung die Sinus-Wellenform besser annähern und die Frequenz stetig verändert werden kann. Die stetige Frequenzveränderung kann zwar wie bereits ausgeführt, auch beim
Trapez-Umformer vorgenommen werden, was aber eine kompliziertere und aufwendigere Schaltung erfordert. Gegenüber dem Trapezumformer besteht beim Sinus-Umformer allerdings der Nachteil, dass die
Ausgangsfrequenz höchstens die Hälfte der Eingangsfrequenz betragen kann und die Blindleistung sehr hoch ist.
In Fig. 5 ist das Blockschema eines Umformers dargestellt, der mit zwischengeschalteter Gleichstrom- stufe arbeitet. Hier wird die Ausgangsspannung des Stromrichters-l--mittels eines Tiefpassfilters --2"-- gesiebt und durch eine Unterbrecherstufe gesteuert bzw. unterbrochen. Die Unterbrecherstufe wird ihrerseits über eine Auslösestufe --7"-- gesteuert, deren Takt einerseits von einem Steuer- oszillator --9"-- über einen Dreiphasengenerator --8"-- und anderseits von einem Impulsgenerator --13"-- bestimmt wird, wodurch die Ausgangsspannung des Tiefpassfilters --12-- zum einen die Sinus-Wellenform gut annähert und zum andern die Frequenz der Ausgangsspannung stetig verändert werden kann.
Die stetige Frequenzveränderung erfolgt durch eine Zwangskommutierung mittels einer Löschstufe --10"--, die durch eine Auslösestufe gesteuert wird. Das System ist ursprünglich frequenzabhängig. Um diese Frequenzabhängigkeit zu vermeiden, ist ein Spannungs-Frequenz-Umformer --6"-- als Regler eingebaut. Die Schaltungsanordnung, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist, ermöglicht einen Energiefluss nur in einer Richtung. Erfolgt das Abbremsen des Motors --14--, kann bei diesem System die beim Bremsvorgang frei gewordene Geschwindigkeitsenergie nicht als Nutzenergie ins Speisenetz zurückgeführt werden, sondern sie entweicht als Wärmeverlust an einem Widerstand der natürlich nur während des Abbremsens eingeschaltet wird.
Auch bei dieser Schaltanordnung ist, wie bei den vorangehend beschriebenen Systemen, die Aufgabe des Impulsgenerators das Zünden der antiparallelen Thyristorpaare.
Die erfindungsgemässe Drehzahlsteueranordnung basiert auf dem Annäherungsprinzip, welches in den Fig. 6a bis 6d dargestellt ist. Dem hier angewendeten Annäherungsprinzip zufolge ist die erfindungsgemässe Lösung wesentlich einfacher als die vorbekannten, wobei sie den Anforderungen, die aus der Notwendigkeit, den Motor mit veränderlicher Frequenz zu betreiben, folgen, noch besser entspricht, wie nachstehend näher erläutert werden wird. Es sei darauf hingewiesen, dass obwohl im folgenden eine Einphasenausführung des Drehzahlveränderungssystems gemäss der Erfindung beschrieben wird, selbstverständlich ohne Schwierigkeiten auch eine Mehrphasenausführung dieses Systems möglich ist. In Fig. 6a sind drei ganze Perioden der Netzspannung dargestellt.
Die vorangehend beschriebenen Drehzahlveränderungssysteme erzielten die Lösung der Aufgabe mittels einer möglichst genauen mathematischen Behandlung. In diesem Sinne kann die Sinusspannung in Fig. 6b, also diejenige der 1/3-Frequenz als getreue Abbildung der Ausgangsspannung beliebiger vorangehend beschriebener Systeme betrachtet werden. Sei nun aus der Wellenform nach Fig. 6a die Spannungsform nach Fig. 6c abgeleitet. Es ist daraus ersichtlich, dass man mittels Weiterleitung nur jeder dritten Halbperiode eine Spannung erhält,
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deren Zeitverlauf zur Speisung von Asynchronmotoren mit veränderlicher, im gegebenen Fall sich vermindernder Frequenz bevorzugt wird. Dies ist durch Fig. 6d veranschaulicht, in der die Schaukurven nach den Fig. 6b und 6c einander überlagert sind und nur die Differenz dieser beiden Spannungen schraffiert dargestellt ist.
Es ist klar ersichtlich, dass diese Differenz zwischen Spannungen, deren eine effektiv der 1/3-Frequenz folgt (Fig. 6b), während die andere die Spannung von sich mit 1/3-Frequenz wiederholenden Impulsen ist (Fig. 6c), wobei eine Annäherung der 1/3-Frequenz angewendet wird, im
Anfangsteil der Halbperioden nur gering ist (schraffiertes Gebiet). Im darauffolgenden Phaseteil bis n/2 steigt diese Differenz an, vermindert sich dann zu Null, um danach wieder-in entgegengesetzter Polarität - ein neues Maximum zu erreichen.
In Kenntnis der Physik der Asynchronmotoren kann man leicht einsehen, dass die Impulsfolge nach Fig. 6e die Halbwelle viel weniger ausfüllt, also der Formfaktor vermindert wurde. Sie ist deshalb vorzüglich anwendbar, den Motor mit einer Spannung verminderter Frequenz zu speisen und dabei die Überwärmung des Motors zu vermeiden. Auch die Oberschwingungen belasten den Motor nicht übermässig, da ja der Oberschwingungsgehalt der Spannungsform gemäss Fig. 6c als verhältnismässig nicht zu hoch betrachtet werden kann. Es ist ein besonderer Vorteil dieses Systems, dass die Ausgangsspannungsform keine Gleichstromkomponente enthält.
In Fig. 7 ist das Blockschema einer Schaltungsanordnung dargestellt, mittels derer die Spannungsform gemäss Fig. 6e erzeugt werden kann.
Die Spannung des Speisenetzes gelangt an eine Abtaststufe --1"1¯- sowie eine antiparallel angeordnete Stromrichtereinheit Die von der Abtaststufe ¯-1"1¯- gelieferten Referenzimpulse werden in einer digitalen Dividierstufe-2'"-gezählt. Diese Stufe ist so ausgeführt, dass ihr Ausgangssignal einen Impulsgenerator-3'"-in z. B. jeder dritten oder siebenten Halbperiode triggert. Das Ausgangssignal des Impulsgenerators zündet über eine Zündstufen dite antiparallel angeordnete Stromrichtereinheit Die Zeitdauer der Zündimpulsfolge entspricht der Kreisfrequenz w. Die Spannung mit derartig unterteilter Frequenz gelangt dann an den Verbraucher --6'11-- (Asynchronmotor).
Die Erzeugung einer Impulsfolge, deren Häufigkeit ein Mehrfaches der Basisfrequenz beträgt und deren Zeitdauer der Kreisfrequenz w entspricht, ist notwendig, um das zuverlässige Zünden der antiparallel angeordneten Stromrichtereinheit ¯-5111¯- zu gewährleisten.
Zusammenfassend kann man feststellen, dass für die in Fig. 6c veranschaulichte Schaukurve eine Schaltanordnung für Asynchronmotoren vorliegt, die mit der Spannung, die mit unterteilter Frequenz erzeugt wird, dem kleinen Formfaktor zufolge keine übermässigen Wärmeverluste im Motor verursacht.
Diese Schaltanordnung ist auch vorteilhaft, weil die angewendete Spannungsform zum einen nur mit geringen Oberschwingungen behaftet ist und darum keine Oberwellenfilterung erfordert, und zum andern auch keine Gleichstromkomponente zugegen ist.