CH665513A5 - Elektrische antriebsanordnung fuer langsam laufende objekte. - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche, durch Wechselstrom gespeiste, regelbare Antriebsanordnung ist insbesondere für niedrige Drehzahlen von beispielsweise einer Umdrehung in 24 Stunden bei hohen Anforderungen an die Regelgüte und einer Genauigkeit von wenigen Winkelsekunden geeignet. Die Antriebsanordnung kann in der Industrie für Werkzeugmaschinen mit Programmsteuerung, für den Vorschub von Schweisselektroden, für Bandziehvorrichtungen, für die Steuerung der Spannung beim Ziehen von Fasern, als Antrieb für Schieber sowie auch zur Verstellung von Sonnenbatterien in Weltraumstationen, zur Verstellung von Antennen und Teleskope für optische Astro-Navigationseinrich-tungen und als Antrieb für sonstige Geber und Testgeräte verwendet werden.

Für solche und weitere Aufgaben werden heutzutage in der hochentwickelten Industrie Antriebsanordnungen für die Regelung der Drehzahl und der Lage der angetriebenen Belastung bei Drehzahlen und Stetigkeiten der Rotation benötigt, die zur täglichen Erdrotation in einem bestimmten Verhältnis stehen und dabei die geforderte Genauigkeit von wenigen Sekunden erreichen.

Für die genannten Aufgaben stehen spezielle Antriebsanordnungen zur Verfügung, die langsam laufende Elektromotoren mit einem grossen Drehmoment, sogenannte Drehmomentmotoren, und langsam laufende Tachogeneratoren mit einer hohen Eingangskennlinien-Steilheit aufweisen. Die Welle eines solchen Motors wird unmittelbar mit der anzutreibenden Last verbunden. Durch eine solche direkte Kupplung wird ein Untersetzungsgetriebe im Regelkreis für die Drehzahl und Lage der Last vermieden, welches ein unvermeidliches Element im Regelkreis einer herkömmlichen elektrischen Antriebsanordnung mit einem schnellaufenden Elektromotor darstellt. Ein solches Untersetzungsgetriebe begrenzt die Genauigkeit und Starrheit bei der Schaffung hochpräziser Regelungsanordnungen für die Drehzahl und Lage der Last, so dass erst dann die Voraussetzungen für die Entwicklung einer hochpräzisen Regelungsanordnung geschaffen sind, wenn ein solches mechanisches Untersetzungsgetriebe nicht mehr erforderlich ist, sondern langsamlaufende Motoren und Tachogeneratoren unmittelbar verwendbar sind.

Eine aus dem Buch «Elektrische Machinen geringer Leistung in den Schaltungen der Automatik und Steuerschaltungen, Übersicht über die USA-Katalogwerte» von W.J. Bespalow aus dem Verlag «Informstandartelektro», Moskau 1967 bekannte elektrische Antriebsanordnung weist einen Kollektormotor und einen Tachogenerator für Gleichstrom sowie eine Steuereinrichtung für den Motor auf, deren Ausgang mit den Ankerwicklungen des Motors verbunden ist. Der Ausgang des Tachogenerators ist auf einen Eingang der Steuereinrichtung geschaltet, während ein weiterer Eingang der Steuereinrichtung mit dem Ausgang eines Steuersignalgebers verbunden ist.

Das beispielsweise eine Information über die erforderliche Drehzahl der Belastung enthaltende Sollsignal wird in der Steuerinrichtung mit dem Istsignal des Tachogenerators verglichen, um der resultierenden Regelabweichung entsprechend einen Strom an die Ankerwicklungen des Motors zu liefern, der die Belastung antreibt.

Der Kollektormotor und der für Gleichstrom bestimmte Tachogenerator dieser bekannten Antriebsanordnung stellen eine Sonderausführung dar, da beim Motor und Tachogenerator eigene Lager fehlen. Die Ständer und Läufer der genannten Gleichstrom-Kollektormaschine sind in Form einzelner Baugruppen ausgeführt und zum Einbau in das anzutreibende Objekt bestimmt. Dabei entfällt ein mechanisches Untersetzungsgetriebe, da der Motor als Drehmomentmotor und der Tachogenerator als langsamlaufender Tachogenerator mit einer grossen Steilheit ausgeführt ist.

Nachteilig ist bei dieser bekannten Antriebsanordnung das Vorhandensein von Kollektoren beim Motor und Tachogenerator, da Kollektoren die Zuverlässigkeit beinträchtigen, die Lebensdauer herabsetzen und wegen der Gefahr einer starken Funkenbildung explosionsgefährdet und störanfällig sind. Ferner ist die Anordnung der Bürstenelemente innerhalb des anzu5

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treibenden Objektes unbequem, die Herstellung kompliziert und kostenintensiv, da die Verwendung spezieller Werkstoffe im Kollektor und für die Bürsten erforderlich ist.

Ferner weisen die langsamlaufenden Gleichstrom-Drehmomentmotoren einen grossen Ankerwiderstand und eine grosse Ankerinduktivität auf, wodurch erhöhte Leistungsverluste auftreten und die Gefahr einer übermässigen Erwärmung des Motors und des anzutreibenden Objektes besteht. Ausserdem ist ein Umformer mit einer grossen installierten Leistung erforderlich, um eine Entdämpfung zu bewirken und die erforderliche Schnellwirkung zu gewährleisten.

Zudem erfordert ein langsam laufender Gleichstrom-Tacho-generator infolge der grossen Induktivität seines Ankerstromkreises einen hohen Eingangswiderstand der Steuereinrichtung, da sich sonst die Zeitkonstante des Tachogenerators nachteilig auswirkt und die erforderliche schnellwirkende Drehzahlregelung nicht gewährleistet ist. Ferner müssen auch durch den Kollektor verursachte Pulsationen im Ausgangssignal des Tachogenerators berücksichtigt werden, da sonst die Stetigkeit der Rotation des angetriebenen Objektes nachteilig beeinflusst wird.

Eine weitere elektrische Antriebsanordnung mit einem Motor und Generator für Wechselstrom ist beispielsweise aus dem SU-Urheberschein 671 007, Kl. H. 02 K 29/02 aus dem Jahre 1979 bekamt, wobei der Motor und der Generator als Synchronmaschinen ausgeführt sind. Diese bekannte Antriebsanordnung weist einen Drehzahlgeber, einen Regler, ein Stromversorgungsteil, einen Code-Einsteller, eine Additionsvorrichtung, einen Codegeber und einen phasenempfindlichen Gleichrichter auf, dessen Informationseingänge an den Ankerwicklungen des Synchron-Generators, Steuereingänge an die Ausgänge der Additionsvorrichtung und deren Ausgang an den Eingang des Reglers zum Schliessen eines Regelkreises angeschlossen sind. Der Ausgang des Reglers ist über das Stromversorgungsteil mit den Ankerwicklungen des Synchronmotors verbunden, dessen Welle mit dem Codegeber und dem Synchron-Generator mechanisch gekuppelt ist. Der Ausgang des Codegebers ist an die Frequenzsteuereingänge des Stromversorgungsteils und an die einen der Eingänge der Additionsvorrichtung angeschlossen, an deren andere Eingänge die Ausgänge des Code-Einstellers gelegt sind.

Das von Drehzahlgeber gelieferte Signal für den Drehzahl-Sollwert wird im Regler mit dem vom phasenempfindlichen Gleichrichter gelieferten Signal verglichen. Der resultierenden Abweichung entsprechend steuert der Regler die den Ankerwicklungen des Synchronmotors zugeführte Ausgangsspannung des Stromversorgungsteils. Die Frequenz dieser Spannung wird mittels eines Mitkopplungskreises für die Wellendrehzahl des Synchronmotors erzeugt, in welchen Kreis der Codegeber eingeschaltet ist. Der phasenempfindliche Gleichrichter wandelt die Spannung vom Ausgang des Synchrongenerators in ein der Wellendrehzahl des Synchronmotors proportionales Gleichstromsignal um. An den Steuereingängen des phasenempfindlichen Gleichrichters treffen von der Additionsvorrichtung Bezugssignale ein, deren erforderliche Phasenlage durch Umwandlung der vom Codegeber und- Einsteller gelieferten Signale in der Additionsvorrichtung erfolgt.

Bei dieser bekannten Antriebsanordnung tritt das Ausgangssignal des phasenempfindlichen Gleichrichters an Stelle des Ausgangssignals des Tachogenerators und wird in einem Gegenkopplungskreis zur Drehzahlregelung des Synchronmotors verwertet.

Die zuletzt erwähnte bekannte Antriebsanordnung gestattet eine Geschwindigkeitsregelung mit einem Motor und Tachogenerator ohne Kollektorbaugruppen, so dass eine solche Anordnung gegenüber einer Anordnung mit Kollektoren zuverlässiger und preisgünstiger ist.

Nachteilig ist dabei jedoch die Kompliziertheit dieser Antriebsanordnung, die mit der Anordnung von zwei Drehzahlgebern zusammenhängt, nämlich des Codegebers und des Synchrongenerators auf der Welle des Synchronmotors, also auf der Welle des anzutreibenden Objektes.

Für viele Anwendungen in der Industrie ist die Anordnung von zwei Drehzahlgebern auf der Welle des anzutreibenden Objektes zum Zweck der Drehzahlregelung unerwünscht oder sogar unmöglich.

Ausserdem ist die Verwendung dieser Antriebsanordnung für sehr niedrige Drehzahlen aus folgenden Gründen unmöglich:

Die Diskretheit der Signale des Codegebers gestattet es nicht, ein System von Bezugssignalen für den phasenempfindlichen Gleichrichter mit einer grossen Phasenzahl zur Gewährleistung eines Signals mit einer niedrigen Welligkeit an seinem Ausgang zu erhalten, was zur Folge hat, das die Drehzahl des angetriebenen Objektes nur eine geringe Stetigkeit aufweist nnd hohen Schwankungen unterworfen ist.

Bei herkömmlichen Synchronmaschinen ist es unmöglich, wegen der konstruktiven Beschränkungen bei der Ausführung einer Synchronmaschine mit einer grossen Anzahl von Polpaaren zwischen der Umlauffrequenz des Feldes und der Umlauffrequenz des Ankers ein grosses Untersetzungsverhältnis der Frequenz zu erzielen. Bei erheblichen Abmessungen solcher Maschinen ist es zwar möglich, zwanzig bis dreissig Polpaare vorzusehen, beispielsweise für Zementmühlen, jedoch werden dadurch die Widerstände der Phasenwicklungen erheblich sein und es ist ein Stromversorgungsteil mit einer grossen installierten Leistung erforderlich.

Solch ein kleines, der Anzahl von Polpaaren entsprechendes Frequenzuntersetzungsverhältnis einer Synchronmaschine gestattet es nicht, einen Drehzahlregler für die unmittelbar mit der Belastung gekuppelte Synchronmaschine im Bereich sehr niedriger Drehzahlen und mit einer hohen Stetigkeit der Rotation aufzubauen, weil die Fehler der elektronischen Steuergeräte für den Motor von wesentlichem Einfhiss sind. Insbesondere wird die Häufigkeit der Einwirkung solcher Fehler auf die Belastung niedrig sein, und es ist unmöglich, die eigenen Filtereigenschaften der Belastung (Trägheitsmoment) auszunutzen.

Die vorliegende Erfindung dient dem Zweck, die vorstehend genannten Nachteile zu überwinden und die Leistungsverluste in der elektrischen Antriebsanordnung gegenüber bekannten Anordnungen zu verringern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Antriebsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei niedrigen Drehzahlen eine hohe Genauigkeit und Stetigkeit der Rotation des anzutreibenden Objektes gewährleistet.

Die gestellte Augabe wird erfindungsgemäss durch die im kennzeichnenden Teil des Anpruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform nach Anspruch 2 las st sich die Genauigkeit und die Stetigkeit der Drehzahlregelung für das anzutreibende Objekt noch weiter erhöhen, weil es eine solche Regelung erlaubt, sowohl einen Frequenzsteuerkanal als auch einen Steuerkanal für den Spannungs- oder Stromwert sowie einen Elektromotor und einen Tachogenerator mit einem grossen Verhältnis der Frequenzuntersetzung zu verwenden.

Eine derartige schaltungstechnische Lösung vereinfacht ausserdem die Antriebsanordnung durch Verwendung eines einzigen Drehzahlgebers in Form eines Synchrongenerators in Verbindung mit einem phasenempfindlichen Gleichrichter.

Der phasenempfindliche Gleichrichter demoduliert ein mit einem Steuersignal (Informationssignal) moduliertes höherfre-quentes Signal mittels eines Bezugssignals hoher (vorgegebener) Frequenz in ein Niederfrequenzsignal.

Die schaltungstechnische Lösung ermöglicht auch eine Verringerung der Leistungsverluste und eine Herabsetzung der Leistung der Stromquelle, weil sie es gestattet, den Synchronmotor

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mit einer kleinen Anzahl von Polpaaren (geringere Widerstände der Ankerwicklungen) bei einem grossen Untersetzungsverhältnis der Frequenz auszuführen.

Darüberhinaus ergibt eine derartige schaltungstechnische Lösung eine Erhöhung des Pegels der Nutzkomponente und eine Verringerung des Pegels der pulsierenden Komponente im Signal für die Drehzahl sowie eine Verminderung der Verzögerung in einer Formierungskette für dieses Signal, weil der Ta-cho-Synchrongenerator für ein grosses Untersetzungsverhältnis der Frequenz ausgeführt werden kann und der Geschwindigkeitssensor die Signale dieses Generators in Signale mit seiner grossen Phasenzahl umwandeln und mit einer Phasenregelung bei einer niedrigen Welligkeit und ohne zeitliche Filterung gleichrichten kann.

Bei einer Ausführungsform nach Anspruch 3 lässt sich die Stetigkeit der Drehzahlregelung erhöhen, weil es möglich ist, die Phasenlage der Bezugssignale mit der Winkellage der Welle der Antriebsanordnung in engere Beziehung zu bringen.

Ausserdem ermöglicht eine derartige schaltungstechnische Lösung eine Vereinfachung der Antriebsanordnung, weil der Bezugssignalgeber auf der Basis herkömmlicher Operationsverstärker aufgebaut werden kann.

Bei einer Ausführungsform nach den Ansprüche 4 und 5 lässt sich die Genauigkeit und die Stetigkeit der Regelung auch bei einer Drehzahl gleich null erhöhen, weil die Erhaltung der erforderlichen Phasenlage der Bezugssignale durch Messung der Winkellage der Welle und durch Darstellung der Messergebnisse in Form einer Mehrphasenspannung gewährleistet ist, deren Frequenz und Phasenlage mit der Frequenz und Phasenlage des Tacho-Synchrongenerators gekoppelt ist.

Eine bevorzugte Ausführungsform nach den Ansprüchen 6 und 7 gewährleistet neben der stufenlosen Drehzahlregelung eine exakte Regelung der Winkellage der Welle, weil die Winkellage abgetastet und in Abhängigkeit eines Signals am Eingang des Drehwinkelreglers regelbar ist.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Schaltbild für eine elektrische Antriebsanordnung mit einem Bezugssignalgeber,

Fig. 2 ein gegenüber der Fig. 1 erweitertes Schaltbild mit einem Schaltungsglied für mehrphasige Bezugssignale,

Fig. 3 ein einweitertes Schaltbild, in welchem der Bezugssignalgeber eine Integratoreinheit aufweist,

Fig. 4 ein Schaltbild mit einem Drehwinkelgeber,

Fig. 5 ein gegenüber der Fig. 4 erweitertes Schaltild mit einer phasenempfindlichen Gleichrichtereinheit,

Fig. 6 ein Schaltbild mit einem digitalen Drehwinkelgeber und

Fig. 7 ein gegenüber der Fig. 6 erweitertes Schaltbild mit einem Digital-Analog-Wandler.

Die Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer elektrischen Antriebsanordnung für langsam laufende Objekte. Zum Antrieb eines solchen nicht dargestellten Objektes dient ein Synchronmotor 1, dessen Welle mit derjenigen eines Tacho-Synchrongenerators 2 unmittelbar und starr gekuppelt ist. Die Ankerwicklungen des Synchronmotors 1 sind an eine regelbare Stromquelle 3 angeschlossen. Als Stromquelle dient hier ein Stromversorgungsteil, welches beispielsweise an einem nicht dargestellten Stromversorgungsnetz angeschlossen ist.

Der elektrische Ausgang des Tacho-Synchrongenerators 2 ist mit dem Eingang eines Geschwindigkeitssensors 4 verbunden, der einen phasenempfindlichen Gleichrichter 5 aufweist. Der Ausgang des Geschwindigkeitssensors 4 ist durch den Ausgang des phasenempfindlichen Gleichrichters 5 gebildet und mit einem ersten Eingang eines Reglers 6 verbunden. Ein zweiter Eingang des Reglers 6 ist mit dem Ausgang eines Drehzahlgebers 7 verbunden, der einen Bezugssignalgeber 8 aufweist. Der Ausgang des Reglers 6 ist mit einem ersten Steuereingang der Stromquelle 3 zum Steuern des Spannungs- oder Strom wertes verbunden. Damit ist der Regelkreis des Reglers 6 über die Stromquelle 3, dem Synchronmotor 1, den Tacho-Synchrongenerator 2 und dem Geschwindigkeitssensor 4 geschlossen.

Der Ausgang des Bezugssignalgebers 8 bildet einen zweiten Ausgang des Drehzahlgebers 7 und ist mit einem zweiten Steuereingang des Stromquelle 3 zum Steuern der Frequenz und mit dem Steuereingang des phasenempfindlichen Gleichrichters 5 verbunden.

Das anzutreibende, nicht dargestellte Objekt wird nachfolgend auch als Belastung bezeichnet und ist möglichst starr und unmittelbar mit der Welle des Synchronmotors 1 mechanisch zu kuppeln.

Die in der Fig. 1 dargestellte Antriebsanordnung arbeitet wie folgt:

Der Drehzahlgeber 7 liefert zwei Signale für die Vorgabe, von denen das erste ein Gleichspannungssignal und das zweite ein drei- oder vierphasiges Wechselspannungssignal ist. Der Wert des Gleichspannungssignals ist streng proportional zur Frequenz der mehrphasigen Wechselspannung, welche der Bezugssignalgeber 8 an die Stromquelle 3 und an den phasenempfindlichen Gleichrichter 5 des Geschwindigkeitssensor 4 liefert.

Die vom Tacho-Synchrongenerator 2 gelieferte Spannung ist ebenfalls eine drei- beziehungsweise vierphasige Wechselspannung, deren Wert proportional zur Drehzahl des Synchronmotors 1 ist. Diese Wechselspannung gelangt an den Informationseingang des phasenempfindlichen Gleichrichter 5, der an seinem Ausgang eine zur Drehzahl des Synchronmotors 1 proportionale Gleichspannung liefert, die dem Regler 6 als Istwert-Signal zugeführt wird. Im Regler 6 wird das Istwert-Signal mit dem vom Drehzahlgeber 7 zugeführten Sollwert-Signal verglichen. Aufgrund der Abweichung des Istwertes vom Sollwert liefert der Regler 6 ein Steuersignal an die Stromquelle 3, um die Spannung oder den Strom in den Ankerwicklungen des Synchronmotors 1 im Sinne einer Verkleinerung der Regelabweichung zu beeinflussen. Die Frequenz der Stromquelle 3 wird durch das zweite Signal bestimmt, welches der Stromquelle 3 unmittelbar vom Drehzahlgeber 7 zugeführt wird.

Die elektrische Antriebsanordnung gewährleistet eine genaue und stetige Drehzahlregelung an der mit der anzutreibenden Belastung unmittelbar verbundenen Welle des Synchronmotors 1, wobei sowohl ein Mittelwert als auch ein Momentanwert der Drehzahl eingehalten wird. Die Einhaltung des Mittelwertes der Drehzahl wird dadurch erreicht, dass der Bezugssignalgeber 8 einen regelbaren Präzisions-Frequenzgenerator aufweist, so dass die mittlere Drehzahl des Synchronmotors 1 durch die Frequenz der Speisespannung seiner Ankerwicklungen genau eingehalten wird.

Eine Änderung der Belastung verursacht bei einem Synchronmotor eine Veränderung der Winkellage seines Läufers in Bezug auf das elektrische Drehfeld. Dadurch schwankt der Momentanwert der Drehzahl, so dass die Stetigkeit der Rotation gestört ist. Um einer solchen Schwankung entgegenzuwirken, wird der Strom in den Ankerwicklungen des Synchronmotors 1 geregelt.

Die Regelung spricht an, sobald der Momentanwert der Drehzahl von einem vorgegebenen Mittelwert abzuweichen beginnt. Diese Abweichung wird vom Geschwindigkeitesensor 4 in Verbindung mit dem Regler 6 schnell und genau festgestellt, worauf der Regler 6 die Stromquelle 3 derart steuert, dass der Strom in den Ankerwicklungen des Synchronmotors 1 zur Verminderung der Drehzahlabweichung veränder wird. Die Stromänderung bewirkt eine Veränderung des an der Welle des Synchronmotors 1 erzeugten Drehmomentes, um die Belastungsänderung auszugleichen. Durch rasches Ansprechen des Reglers wird die Abweichung des Momentanwertes der Winkellage der Welle nur geringfügig sein.

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Die elektrische Antriebsanordnung enthält keine mechanischen Untersetzungsgetriebe. Der Synchronmotor 1 und der Tacho-Synchrongenerator 2 sind miteinander und mit der anzutreibenden Last kraftschlüssig und unmittelbar gekuppelt. Eine solche spielfreie Kupplung für den Antrieb langsam laufender Objekte ist neu und gewährleistet eine hohe Nutzbarkeit dieser technischen Lösung.

Der Synchronmotor 1, der Tacho-Synchrongenerator 2 und der Bezugssignalgeber 8 funktionieren nach dem Prinzip elektrischer Maschinen mit elektromagnetischer Frequenzuntersetzung.

Für den Synchronmotor 1 gilt:

Die Drehfrequenz wird durch die elektromagnetische Drehfrequenzuntersetzung bestimmt und nach der Formel fspeisung îlRotor =

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berechnet, wobei mit Z2 die Zähnezahl des Rotors bezeichnet ist, die von der Zähnezahl Zi des Stators und der Anzahl Pole der Ankerwicklung P nach der Formel

Z2 = Zi + vP

abhängt, wobei v durch die Bauart der Maschine bestimmt wird, meistens V 3 ±1, ±3.

Für den Synchron-Generator 2 gilt:

Die Frequenz der erzeugten elektromotorischen Kraft (Spannung) wird durch den Grundsatz der elektromagnetischen Untersetzung nach der Formel fGenerator = Z2nRotor bestimmt, das bedeutet, dass bei den geringen Drehfrequenzen hohe Frequenzen der erzeugten Spannung erzielt werden können. In diesem Zusammenhang wird auf das folgende Werk hingewiesen: «Elektrische Maschinen, Lehrbuch für Hochschulen» von Ivanov-Smolenskij A.V., Verlag Energia, Moskau, 1980, 928 S., S. 168/187.

Der Synchronmotor 1 und der Tacho-Synchrongenerator 2 sind dem vorstehend gesagten entsprechend induktormaschinen-artig nach dem Prinzip der Reluktanzmaschinen ausgebildet.

Die Zähnezahl des Läufers kann grösser, beispielsweise gleich mehreren Zehnern und sogar wesentlich grösser als hundert gewählt werden. Solch ein grosses UntersetzungsVerhältnis ist bei keiner der bekannten elektrischen Maschinen üblich, so dass die elektrischen Maschinen mit einer elektromagnetischen Untersetzung zu einer Sondergruppe der elektrischen Maschinen zählen, die für die Verwendung in langsam laufenden elektrischen Antriebsanordnungen geeignet sind.

Wichtig ist es, dass bei einem derart grossen Frequenzuntersetzungsverhältnis die Anzahl der Polpaare gering, beispielsweise gleich drei, vier u.s.w. gewählt werden kann. Die Ausführung des Synchronmotors 1 mit einem grossen elektromagnetischen Untersetzungs Verhältnis gestattet es, bei einer geringen Anzahl von Polpaaren eine hohe Stetigkeit der Rotation der Belastung bei verhältnismässig geringen Widerständen der Ankerwicklungen des Synchronmotors 1 zu erzielen, wodurch sich die Leistungsverluste im Synchronmotor 1 und die zu installierende Leistung der Stromquelle 3 gering halten lassen.

Die Ausführung des Tacho-Synchrongenerators 2 mit elektromagnetischer Untersetzung bei einem grossen Untersetzungsverhältnis ermöglicht es, einen Pegel der Nutzkomponente im Signal für die Drehzahl der Belastung von beispielsweise 5 bis 10 mV pro Umdrehung in 24 Stunden zu erhalten. Hierbei gelingt es, eine relativ geringe Induktivität für die Ankerstromkreise des Tacho-Synchrongenerators 2 zu erhalten, so dass nur eine geringe Verzögerung bei der Bildung des Drehzahl-Signals auftritt.

In einer Ausführungsform nach Fig. 2 weist der Bezugssignalgeber 8 an seinem Ausgang ein Glied 9 zur Bildung eines mehrphasigen Bezugssignals auf. Der Geschwindigkeitssensor 4 weist bei dieser Ausführungsform einen Phasenwandler 10 auf. Der phasenempfindliche Gleichrichter 5 ist mehrphasig, beispielsweise für eine Phasenzahl von mehreren Zehnern ausgeführt. Das Glied 9 muss die gleich Phasenzahl aufweisen. Die Ausgangsspannung des Tacho-Synchrongenerators 2 wird mittels des Phasenzahlwandlers 10 in eine Spannung mit der gleichen Phasenzahl umgeformt.

Der Ausgang des Gliedes 9 bildet den Ausgang des Bezugssignalgebers 8 und ist mit dem Frequenzsteuereingang der Stromquelle 3 und mit den Steuereingängen des mehrphasigen phasenempfindlichen Gleichrichters 5 verbunden.

Die Schaltungsanordnung nach dem Blockschaltbild der Fig. 2 arbeitet im wesentlichen gleich wie diejenige nach Fig. 1. Der Unterschied besteht lediglich darin, dass das ein Signal für die Drehzahl der Belastung darstellende Ausgangssignal des mehrphasigen phasenempfindlichen Gleichrichters 5 einen niedrigen Pegel der pulsierenden Komponente durch Verwendung einer mehrphasigen Gleichrichter-Schaltung aufweist. Dadurch lässt sich die Stetigkeit der Drehzahlregelung erhöhen.

Die durch die Fig. 1 und 2 dargestellten elektrischen Antriebsanordnungen benötigen weitgehend handelsübliche Schaltungselemente und Baugruppen, wie Leistungstransistoren, Halbleiterstromschalter, Operationsverstärker sowie Strom-und Spannungsgeber.

Für hochpräzise elektrische Antriebsanordnungen wird die regelbare Stromquelle 3 vorzugsweise aus einzelnen Phasen-stromverstärkern zusammengesetzt. Jeder der Stromverstärker wird in der Regel auf der Basis von Leistungstransistorschaltern in Form eines Impulsbreiten-Spannungsverstärkers mit einer starren Ausgangsstrom-Rückkopplung ausgeführt. An den Eingang des Stromverstärkers gelangt in diesem Fall ein Steuersignal, dessen Wert durch ein Signal vom Ausgang des Reglers 6 und dessen Frequenz durch die Signalfrequenz vom Ausgang des Bezugssignalgebers 8 bestimmt wird.

Nach einer Ausführungsform gemäss Fig. 3 weist die elektrische Antriebsanordnung eine Integratoreinheit 11 als Bestandteil des Bezugssignalgebers 8 auf. Der Eingang der Integratoreinheit 11 ist mit dem Ausgang des Tacho-Synchrongenerators 2 verbunden, während der Ausgang der Integratoreinheit 11 mit dem Eingang des Gliedes 9 verbunden ist.

Die durch die Fig. 3 symbolisierte Antriebsanordnung arbeitet wie folgt:

Vor Anlauf des Elektroantriebes werden in der Einheit 11 Anfangswerte eingestellt. Falls der Synchrongenerator 2.(bzw. der Synchronmotor 1) mit einer Magneterregung ausgeführt ist, sind die Anfangswerte für die Integratoren bei der Einschaltung einer Speisequelle des Erregerstromkreises verfügbar. Die Signale vom Ausgang der Einheit 11 werden durch das Glied 9 umgewandelt und am Frequenzsteuereingang der Stromquelle 3 und an den Steuereingängen des mehrphasigen phasenempfindlichen Gleichrichters 5 eingespeist. Gleichzeitig trifft ein analoges Signal für die Drehzahlvorgabe vom Drehzahlgeber 7 am Informationseingang des Reglers 6 ein, der ein Steuersignal für den Spannungswert (Stromwert) des Synchronmotors 1 liefert.

Sobald sich die Welle des Elektroantriebes zu drehen beginnt, werden die Spannungen vom Ausgang des Synchrongenerators 2 in der Einheit 11 integriert, wodurch die Phasen der Ausgangssignale am Ausgang dieser Einheit 11 und folglich auch an den Ausgängen des Gliedes 9 bestimmt werden.

Die Phase der an den Steuereingängen des mehrphasigen phasenempfindlichen Gleichrichters 5 vom Glied 9 ankommenden Signale wird also unabhängig von der Drehzahl der Belastung und deren Schwankungen mit der Phase der vom Syn-

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chrongenerator 2 über den Phasenzahlwandler 10 eintreffenden Signale streng verbunden sein.

Bei derartiger Schaltung des Elektroantriebes wird eine hochpräzise Gleichrichtung der Signale des Synchrongenerators 2 und also die Erzeugung eines Signals für die Drehzahl der Belastung mit betragsmässig minimal möglichen Pulsationen verwirklicht.

Dieser Umstand erhöht die Stetigkeit der Drehzahlregelung für die Belastung und verringert die Verzögerung in der Erzeugung eines Signals für die Drehzahl, weil er es gestattet, praktisch ohne Zeitfilter am Ausgang des Geschwindigkeitssensors 4 zu arbeiten.

Zur Vereinfachung des Elektroantriebes wird er mit einem Drehwinkelsensor 12 versehen, dessen Läufer mit dem Läufer des Synchronmotors 1 (Fig. 4) mechanisch gekuppelt ist. Der Ausgang des Drehwinkelsensors 12 ist elektisch mit dem Eingang des Bezugssignalgebers 8 verbunden.

Die Arbeit des in Fig. 4 dargestellten Elektroantriebes geschieht folgenderweise:

Das analoge Signal für die Drehzahlvorgabe gelangt vom Drehzahlgeber 7 auf den Informationseingang des Reglers 6, wo es mit einem Signal für die Drehzahl der Belastung verglichen wird, das vom Drehzahlsensor 4 kommt, an dessen Steuereingängen Signale vom Bezugssignalgeber 8 eintreffen.

Die eine Information über die Winkellage der Welle des Synchronmotors 1 tragenden Signale kommen vom Ausgang des Drehwinkelsensors 12 am Eingang des Bezugssignalgebers 8 an, der entsprechend den genannten Signalen für den Drehzahlsensor 4 Bezugssignale erzeugt, deren Frequenz und Phase sich mit der Frequenz und Phase der Rotation der Welle des Elektromotors 1 und des Generators 2 als streng verbunden erweisen.

Dadurch wird eine genaue Gleichrichtung der Signale des Synchrongenerators 2 unter geringer Welligkeit im Drehzahlsensor 4 ermöglicht.

Die Signale vom Ausgang des Reglers 6 erzeugen mit Hilfe der Stromquelle 3 einen erforderlichen Strom in den Ankerwicklungen des Synchronmotors 1, dessen Frequenz und Phase durch die Frequenz und Phase der Signale vom Ausgang des Bezugssignalgebers 8 bestimmt werden.

Derartige schaltungstechnische Lösung vereinfacht den Elektroantrieb, weil die Erhaltung der erforderlichen Phase der Bezugssignale für den Drehzahlsensor 4 durch Messung einer tatsächlichen Winkellage der Welle des Synchrongenerators 2 ermöglicht wird. Hierbei ist die Anwendung eines Präzisionsgenerators für die Frequenz im Bezugssignalgeber 8 überflüssig, die mit dem analogen Signal des Drehzahlgebers 7 für die Drehzahlvorgabe für die Belastung streng abzustimmen war.

Bei der Rotation der Belastung mit einer maximal möglichen Stetigkeit und mit höchstmöglichen Drehzahlen wird der Elektroantrieb mit einer Einheit 13 phasenempfindlicher Gleichrichter als Bestandteil des Bezugssignalgebers 8 (Fig. 5) versehen, während die Integratoren in der Einheit 11 in Form aperiodischer Glieder mit einer grossen Zeitkonstante ausgeführt werden. Hierbei wird der Läufers des Drehwinkelgebers 12 ohne Wicklung ausgeführt, während auf seinen Ständer Wechselstromwicklungen aufgebracht werden. Die Speisung des Drehwinkelsensors 12 erfolgt von einer in Fig. 5 nicht aufgezeigten Quelle für die Trägerfrequenz. Am Ausgang des Drehwinkelsensors 12 liegt eine Wechselspannung der Trägerfrequenz an, die durch eine Mehrphasenspannung mit der Frequenz und der Phase des Drehwinkels des Läufers des Synchronmotors 1 durchmoduliert ist.

Der Informationseingang der Einheit 13 ist an den Ausgang des Drehwinkelsensors 12 und deren Ausgang ist an den Eingang der Integratoreinheit 11 angeschlossen. Der Steuereingang der Einheit 13 ist mit der gleichen Quelle für die Trägerfrequenz verbunden, die den Drehwinkelsensor 12 speist.

Am Ausgang der Einheit 13 wird beispielsweise ein Drehstrom erzeugt, dessen Frequenz und Phase mit der Frequenz und Phase der Rotation der Welle des Synchronmotors 1 und des Synchrongenerators 2 streng verbunden sind.

Die Funktion des in Fig. 5 gezeigten Elektroantriebes entspricht im wesentlichen derjenigen des in Fig. 4 dargestellten Elektroantriebes. Der einzige Unterschied besteht darin, dass am Eingang der Einheit 11 zusätzlich Signale vom Ausgang des Synchrongenerators 2 eintreffen.

Die Ausgangssignale der Einheit 11 werden also nach den Ergebnissen einer Summation von Signalen an den Ausgängen der Einheit 13 (des Drehwinkelsensors 12) und des Synchrongenerators 2 erzeugt.

Der statische und der dynamische Übertragungsfaktor der Einheit 11 werden in der Weise gewählt, dass an deren Ausgang ein betragsmässig konstantes, beispielsweise ein dreiphasiges Signal der Frequenz und Phase des Drehwinkels des Synchrongenerators 2 bei einer beliebigen Drehzahl seiner Welle gebildet wird. Dieses Signal gelangt auf den Eingang des Gliedes 9, dessen Signale an den Steuereingängen des mehrphasigen phasenempfindlichen Gleichrichters 5 ankommen.

Dadurch, dass die Signale des Synchrongenerators 2 an der Erzeugung der Signalphase am Ausgang der Einheit 11 mitwirken, gelingt es, die Eingangssignale des mehrphasigen phasenempfindlichen Gleichrichters 5 exakter in Phase zu bringen und eine geringe Welligkeit in seinem Ausgangssignal zu erhalten, was für die Betriebsarten mit für die Belastung maximal möglichen Drehzahlen von besonderer Tragweite ist.

Auf Grund dessen, dass an der Erzeugung der Ausgangssignale der Einheit 11 die Signale des Drehwinkelsensors 12 teilnehmen, treten die für den Drehzahlsensors 4 erforderlichen Betzugssignale bei einer Drehzahl der Belastung gleich Null auf. Deshalb ist es nicht nötig, vor Anlauf des Elektroantriebes die Anfangswerte in der Einheit 11 einzustellen, und also entfallen auch die Baugruppen zur Anfangswertstellung bei den aperiodischen Gliedern, was den Elektroantrieb vereinfacht.

Zur Regelung der Winkellage der Belastung wird der Elektroantrieb mit einem Drehwinkelregler 14 und mit einem digitalen Drehwinkelsensor 15 für den Läufer des Synchronmotors 1 (Fig. 6) versehen, dessen Ausgang mit den Eingängen des Bezugssignalgebers 8 und des Drehwinkelgebers 14 verbunden ist, dessen Ausgang an den Eingang des Reglers 6 angeschlossen ist.

Die Arbeit des in Fig. 6 wiedergegebenen Elektroantriebes geht wie folgt vor sich:

Das Vorgabesignal für die Winkellage der Belastung gelangt an den Informationseingang des Drehwinkelreglers 14. Dieses Signal wird meist durch eine (nicht eingezeichnete) äussere digitale Steuermaschine erzeugt und kann am Eingang des Drehwinkelreglers 14 in Form sowohl eines analogen als auch eines Codesignals ankommen.

In Fig. 6 ist die digitale Steuermaschine nicht angedeutet, weil sie zum Eleketroantrieb gehört.

Gleichzeitig mit dem genannten Signal von der digitalen Steuermaschine kommt im Drehzahlgeber 7 in der Regel ein Vorgabesignal für die Drehzahl der Belastung an.

Der digitale Drehwinkelsensor 15 misst in digitaler Form hochpräzis die Winkellage der Belastung, und die erhaltene Information trifft am Eingang für eine Rückkopplung des Drehwinkelreglers 14 sowie am Eingang des Bezugssignalgebers 8 ein.

Der Drehwinkelregler 14 vergleicht die Information des Drehwinkelsensors 15 mit der Information von der digitalen Steuermaschine und erzeugt ein erstes Vorgabesignal für den Regler 6.

Als zweites Vorgabesignal für den Regler 6 dient ein analoges Signal, das vom Drehzahlgeber 7 kommt und mit einem vom Drehzahlsensor 4 eintreffenden Rückführungssignal für die Drehzahl verglichen wird.

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Der Regler 6 erzeugt Steuersignale für die Stromquelle 3, die mit Rücksicht auf vom Bezugssignalgeber 8 ankommende Signale nach dem Wert und der Frequenz erforderliche Ströme in den Ankerwicklungen des Synchronmotors 1 erzeugt. Hierbei dreht sich die Belastung und ändert ihre Winkellage in Übereinstimmung mit den von der digitalen Steuermaschine ankommenden Vorgabesignalen für Drehzahl und Winkellage.

In dem in Fig. 6 gezeigten Elektroantrieb werden die für eine phasensynchronisierte Gleichrichtung der Signale des Synchrongenerators 2 und für eine Steuerung der Drehzahl des Synchronmotors 1 erforderlichen Signale im Bezugssignalgeber 8 auf der Basis einer vom digitalen Drehwinkelsensor 15 kommenden Information gebildet. Eine derartige schaltungstechnische Lösung gestattet es, die Winkellage der Belastung einfach und hochpräzis zu regeln, da die Information des hochpräzisen Drehwinkelgebers 15 zugleich im Regelkreis für die Winkellage der Belastung, im Steuerkreis für die Drehzahl des Synchronmotors 1 und im Formierungskreis für das Signal für die Drehzahl der Belastung ausgenutzt wird.

Es ist zweckmässig, dass der Elektroantrieb einen Digital-Analog-Wandler 16 als Bestandteil des Bezugssignalgebers 8 enthält, in dem die Integratoren der Einheit 11 in Form aperiodischer Glieder mit einer grossen Zeitkonstante (Fig. 7) ausgeführt sind. Hierbei ist der Eingang des Digital-Analog-Wandlers 16 an den Ausgang des digitalen Drehwinkelgebers 15 und sein Ausgang an den Eingang der Einheit 11 angeschlossen, an deren Eingang auch der Ausgang des Synchrongenerators 2 geschaltet ist.

Die Funktion des in Fig. 7 angedeuteten Elektroantriebes entspricht im wesentlichen derjenigen des in Fig. 6 gezeigten s Elektroantriebes. Der Unterschied besteht in der Erzeugung der Bezugssignale im Bezugssignalgeber 8.

Die Signale des digitalen Drehwinkelgebers 15 treffen codiert am Eingang des Digital-Analog-Wandlers 16 ein, der einen nichtlinearen Wandler darstellt und an seinen Ausgängen bei-io spielsweise ein dreiphasiges System von Signalen erzeugt, deren Frequenz und Phase mit der Drehzahl und der Winkellage der Belastung streng verbunden sind.

Dieses mehrphasige System der Signale gelangt in die Einheit 11 und erzeugt an deren Ausgang dank dem Vorhandensein 15 eines statischen Übertragungsfaktors ein entsprechendes System der Signale, das seinerseits am Eingang des Gliedes 9 ankommt.

Zur Korrektur der Signale am Ausgang der Einheit 11 treffen an deren Eingang Zusatzsignale vom Ausgang des Synchrongenerators 2 ein. Die Signale am Ausgang der Einheit 11 20 müssen insbesondere bei Grenzwerten der Drehzahl der Belastung korrigiert werden.

Eine derartige schaltungstechnische Lösung des Elektroantriebes verringert die Welligkeit des Signals für die Drehzahl der Belastung am Ausgang des Drehzahlsensors 4 und erhöht die 25 Genauigkeit und Stetigkeit der Steuerung der Drehzahl und der Winkellage der Belastung.

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3 Blätter Zeichnungen

Claims (7)

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1. Elektrische Antriebsanordnung für langsam laufende Objekte, mit einem an eine regelbare Stromquelle (3) angeschlossenen Synchronmotor (1), der mit einem Tacho-Synchrongenera-tor (2) mechanisch gekuppelt ist, mit einem Geschwindigkeitssensor (4), der einen phasenempfindlichen Gleichrichter (5) aufweist, dessen Informationseingang mit dem Tacho-Synchrongenerator (2) und dessen Ausgang mit einem ersten Eingang eines Reglers (6) verbunden ist, mit einem Drehzahlgeber (7), der mit einem zweiten Eingang des Reglers (6) verbunden ist, dessen Ausgang mit einem ersten Steuereingang der Stromquelle (3) zum Steuern des Spannungs- oder Stromwertes der Stromquelle (3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehzahlgeber (7) einen Bezugssignalgeber (8) aufweist, dessen Ausgang mit einem zweiten Steuereingang der Stromquelle (3) zum Steuern der Frequenz der Stromquelle (3) und mit einem Steuereingang des phasenempfindlichen Gleichrichters (5) verbunden ist und dass der Synchronmotor (1) und der Tacho-Synchrongenerator (2) nach dem Prinzip einer Reluktanzmaschine mit elektromagnetischer Frequenzuntersetzung ausgerüstet sind.

2. Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bezugssignalgeber (8) ein Glied (9) zur Bildung eines mehrphasigen Bezugssignals und der Geschwindigkeitssensor (4) einen Phasenzahlwandler (10) aufweist, dass der phasenempfindliche Gleichrichter (5) mehrphasig ist und sein Informationseingang über den Phasenzahlwandler (10) mit dem Tacho-Synchrongenerator (2) und sein Steuereingang mit dem Glied (9) des Bezugssignalgebers (8) verbunden ist. (Fig. 2).

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PATENTANSPRÜCHE

3. Antriebsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bezugssignalgeber (8) eine Integratoreinheit (11) aufweist, deren Eingang mit dem Tacho-Synchrongenerator (2) und deren Ausgang mit dem Eingang des Gliedes (9) des Bezugssignalgebers (8) verbunden ist. (Fig. 3).

4. Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Synchronmotor (1) ein Drehwinkelsensor (12) mechanisch gekuppelt ist und mit dem Bezugssignalgeber (8) elektrisch verbunden ist. (Fig. 4).

5. Antriebsanordnung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Bezugssignalgeber (8) eine phasenempfindliche Gleichrichtereinheit (13) aufweist, deren Eingang mit dem Drehwinkelsensor (12) und deren Ausgang mit der Integratoreinheit (11) verbunden ist, deren Integratoren aperiodische Glieder aufweisen. (Fig. 5).

6. Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abtasten des Läufers des Synchronmotors (1) ein digitaler Drehwinkelsensor (15) vorhanden ist, dessen Ausgang mit den Eingängen des Bezugssignalgebers (8) und mit einem Drehwinkelregler (14) verbunden ist und dass der Ausgang des Drehwinkelreglers (14) mit einem dritten Eingang des Reglers (6) verbunden ist. (Fig. 6).

7. Antriebsanordnung nach den Ansprüchen 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Bezugssignalgeber (8) einen Digital-Analog-Wandler (16) aufweist, dessen Eingang mit dem digitalen Drehwinkelsensor (15) und dessen Ausgang mit dem Eingang der Integratoreinheit (11) verbunden ist, deren Integratoren aperiodische Glieder aufweisen. (Fig. 7).