DD220145A1 - Elektronische einrichtung zum messen des schlupfes von asynchronmotoren - Google Patents

Abstract

Fuer Messaufgaben in der Antriebstechnik wird eine elektronische Einrichtung zum Messen des Schlupfes von Asynchronmotoren angegeben. Diese gestattet durch ihre bis auf die Anzeige durchgehend frequenzanaloge Informationsverarbeitung die schnelle und genaue Messung des Schlupfes und erfordert nur einen einfachen Drehzahlgeber. Das wird im wesentlichen dadurch erreicht, dass die elektronische Einrichtung einen die Netzfrequenz vervielfachenden Phasenregelkreis enthaelt und dass eine aus einer Torschaltung, einem Frequenzteiler, einem Impulsformer und einem Flip-Flop bestehende digitale Schaltungsanordnung vorhanden ist, dass an deren Ausgang eine mit konstanter Spannung gespeiste Impulsendstufe angeschlossen ist und dass an deren Ausgang ein den zeitlichen Mittelwert anzeigendes Instrument betrieben wird. Mit dem Phasenregelkreis und der digitalen Schaltungsanordnung wird aus den netzfrequenten und drehfrequenten Eingangs-Signalen eine drehfrequente Rechteckimpulsfolge mit schlupfproportionalem Tastverhaeltnis gebildet, deren zeitlicher Mittelwert exakt dem Schlupf proportional ist.

Description

die auf eine Bezugsdrehzahl n₀ bezogene Abweichung der Istdrehzahl η von der Bezugsdrehzahl bezeichnet. Die Kenntnis des Schlupfes ist auf mehreren Gebieten der Antriebstechnik notwendig. Beim Asynchronmotor wird durch den Schlupf s der stationäre Betriebszustand eindeutig gekennzeichnet. Als Bezugsdrehzahl wird dabei die durch die Netzfrequenz f_o und die Polpaarzahl z_p bestimmte synchrone Drehzahl

"O = T* P

verwendet. Da der Kippschlupf mir wachsender Motornennleistung sinkt, besteht für die genaue Messung kleiner Schlupfwerte ein besonderes Interesse.

Gemäß der Definitionsgleichung des Schlupfes wird bei allen bekannten Schlupfmeßverfahren auf irgendeine Weise die Differenz von Bezugs- und Istdrehzahl und der Quotient von Differenzdrehzahl und Bezugsdrehzahl gebildet. Im allgemeinen wird davon ausgegangen, daß die Bezugsdrehzahl n_o und die Istdrehzahl η als sinusförmige Wechselspannungen mit den Frequenzen f₀ und f vorliegen. Mit einem analogen Mischer werden daraus eine Wechselspannung mit genau Differenzfrequenz f₀ - f und eine Wechselspannung mit genau Summenfrequenz f₀ + f erzeugt. Die Summenfrequenz wird mit einem Tiefpaß herausgefiltert. Die Wechselspannungen mit der Differenzfrequenz f„ - f und mit der Bezugsfrequenz f_o werden in frequenzproportionale Gleichströme beziehungsweise Gleichspannungen umgewandelt. Anschließend wird ihr Quotient mit Hilfe eines Kreuzspulinstrumentes (DT-PS 1 055 264), eines selbsttätigen Motorkompensators (DT-OS 1 224 964, Siemens-Z.31 (1957), H.8, S.396-400) oder eines Artalogdividierers (DT-OS 2 023 346, CH-PS 516161) gebildet. Diese Verfahren haben jedoch den Nachteil, daß durch die parallelen Frequenz-Strom- beziehungsweise Frequenz-Spannungs-Wandlungen stark unterschiedlicher Frequenzen und durch die analoge Division insbesondere kleine Schlupfwerte nur ungenau bestimmt werden können. Den Nachteil teilweiser amplitudenanaloger Informationsverarbeitung hat auch das in (DT-OS 2 516 569, ETZ-A 95 (1974), H. 11, S. 607-609) angegebene Schlußmeßverfahren, das auf der Auswertung des Impulsbreitenzuwachses von Impulsen beruht. Die zur Bildung des Impulsbreitenzuwachses erforderliche Speicherung der Impulsbreite des jeweils vorangegangenen Impulses erfolgt analog mit einer Abtast-Halte-Schaltung. Eine Schlußmeßeinrichtung mit durchgehend frequenzanaloger Informationsverarbeitung wird erstmals in (DD-PS 155 653, messen-steuern-regeln 24 (1981), H.2, S.98-107) angegeben. Mit einer aus zwei Speichern (D-Flip-Flops) und einer Antivalenzschaltung bestehenden digitalen Schaltungsanordnung wird aus den bezugsdrehzahl- und istdrehzahlfrequenten Impulsfolgen eine differenzfrequente impulsbreitennormierte Rechteckimpulsfolge gebildet, deren zeitlicher Mittelwert exakt dem Schlupf proportional ist. Um auch bei kleinen Schlupfwerten kurze Meßzeiten zu ermöglichen, müssen die der Bezugsdrehzahl n_o und der Istdrehzahl η entsprechenden Frequenzen f_o und f vervielfacht werden. Die Vervielfachung der Frequenz f_o erfolgt mit einem Phasenregelkreis. Die Vervielfachung der Frequenz f wird mechanisch mit einem inkrementalen rotatorischen Geber entsprechend hoher Inkrementezahl verwirklicht. Die Notwendigkeit, zur schnellen Messung kleiner Schlupfwerte einen solchen Drehzahlgeber verwenden zu müssen, ist vor allem bei betrieblichen Messungen ein Nachteil.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist es, den Schlupf von Asynchronmotoren mit einfachen Mitteln und hoher Genauigkeit zu messen. Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zur Messung des Schlupfes von Asynchronmotoren eine einfache elektronische Einrichtung mit durchgehend frequenzanaloger Informationsverarbeitung und analoger Anzeige zu schaffen, die eine hohe Meßgenauigkeit besitzt und bei der nur geringe Anforderungen an den Drehzahlgeber gestellt werden. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die elektronische Einrichtung zum Messen des Schlupfes von Asynchronmotoren einen die Netzfrequenz um einen konstanten Faktor vervielfachenden Phasenregelkreis enthält, daß die Schlupfmeßeinrichtung eine digitale Schaltungsanordnung enthält, die aus einer Torschaltung, einen Frequenzteiler, einem Impulsformer und einem Flip-Flop besteht, daß an den Ausgang der digitalen Schaltungsanordnung eine mit konstanter Spannung gespeiste Impulsendstufe angeschlossen ist und daß an deren Ausgang ein den zeitlichen Mittelwert anzeigendes Instrument angeschlossen ist. Die einzelnen Elemente der digitalen Schaltungsanordnung sind in folgender Weise zusammengeschalten: Der Ausgang der

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Torschaltung, deren erster Eingang am Ausgang des Flip-Flops angeschlossen ist, ist mit dem Eingang des Frequenzteilers verbunden. Der Ausgang des Frequenzteilers ist über den Impulsformer mit dem Rücksetz-Eingang des Flip-Flops verbunden. Der Ausgang des Phasenregelkreises ist mit dem zweiten Eingang der Torschaltung verbunden. Die Rechteckimpulsfolge P, deren Frequenz der schlupfbehafteten Drehzahl des Asynchronmotors proportional ist, ist an den Setz-Eingang des Flip-Flops angelegt. Der Ausgang des Flip-Flops bildet den Ausgang der digitalen Schaltungsanordnung.

Mit dem Phasenregelkreis wird aus der Netzwechselspannung eine Rechteckimpulsfolge P₀ erzeugt, deren Frequenz ein konstantes Vielfaches der Netzfrequenz f_o und damit der Bezugsdrehzahl n_o ist. Mit der digitalen Schaltungsanordnung wird aus der Rechteckimpulsfolge P₀ und der Rechteckimpulsfolge P, deren Frequenz der schlupfbehafteten Drehzahl des Asynchronmotors proportional ist, eine dritte Rechteckimpulsfolge P₃ erzeugt, deren Frequenz der schlupfbehafteten Drehzahl des Asynchronmotors und deren Tastverhältnis dem Schlupf proportional sind, indem das die Torschaltung steuernde Flip-Flop periodisch von der Vorderflanke eines Impulses der Rechteckimpulsfolge P gesetzt und vom Frequenzteiler nach einem Umlauf zurückgesetzt wird. Mit der an den Ausgang der digitalen Schaltungsanordnung angeschlossenen Impulsendstufe wird die Impulshöhe der Rechteckimpulsfolge P₃ normiert, so daß der zeitliche Mittelwert der am Ausgang der Impulsendstufe entstehenden Rechteckimpulsfolge P_3n exakt den Schlupf des Asynchronmotors proportional ist. Die mit der Erfindung gegenüber den bekannten Schlupfmeßeinrichtungen erzielten Vorteile bestehen vor allem darin,

— daß durch die durchgehend frequenzanaloge Informationsverarbeitung der Schlupf mit hoher Genauigkeit gemessen werden kann,

— daß keine spezielle Vorrichtung zur Quotientenbildung, die eine Fehlerquelle darstellen würde, erforderlich ist,

— daß nur ein einfacher Drehzahlgeber zur Gewinnung der drehfrequenten Rechteckimpulsfolge P erforderlich ist,

— daß trotz des einfachen Drehzahlgebers der Meßwert schnell gebildet wird,

— daß sich die Auswirkungen periodischer Ungleichförmigkeiten der Drehbewegung auf den Meßwert vollständig unterdrücken lassen und

— daß ein billiges Schlupfmeßgerät ermöglicht wird.

Ausführungsbeispiel

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand folgender Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen Figur 1 das Blockschaltbild der elektronischen Schlupfmeßeinrichtung,

Figur 2 digitale Schaltungsanordnung zur Bildung eines schlupfproportionalen Tastverhältnisses, Figur 3 die Ableitung der drehfrequenten Rechteckimpulsfolge P₃ mit schlupfproportionalem Tastverhältnis aus den

Rechteckimpulsfolgen P₀ und P mit der digitalen Schaltungsanordnung nach Figur 2,

Figur 4 ein Ausführungsbeispiel der Impulsendstufe zur Normierung der Impulshöhe der Rechteckimpulsfolge P₃ und Figur 5 das Blockschaltbild des Phasenregelkreises zur Vervielfachung der Netzfrequenz.

Um kurze Meßzeiten und eine hohe Genauigkeit erreichen zu können, muß die der Bezugsdrehzahl (synchronen Drehzahl) n_o porportionale Netzfrequenz f₀um einen konstanten möglichst großen Faktor vervielfacht werden. Die Vervielfachung der Netzfrequenz f_o erfolgt mit einem Phasen regelkreis (1), Figur 1. Der Phasenregelkreis (1) besteht aus einem Phasendetektor (11), einem Tiefpaß (12), einem spannungsgesteuerten Oszillator (13) und einem Frequenzteiler (14), Figur 5. Die Oszillatorfrequenz wird mit dem Frequenzteiler im Verhältnis VN geteilt. Im Phasendetektor wird die Ausgangsfrequenz des Frequenzteilers mit der Netzfrequenz verglichen. Bei Phasenungleichwert beider Eingangsspannungen erzeugt der Phasendetektor eine Ausgangsspannung, die über den Tiefpaß den Oszillator so nachstimmt, daß dessen geteilte Ausgangsfrequenz gleich der Netzfrequenz ist. Das heißt, der Oszillator schwingt mit einer Frequenz, die phasenstarr zur Netzfrequenz, aber N-mal größer als diese ist.

Die Rechteckimpulsfolge P, deren Frequenz f der Drehzahl η des Asynchronmotors proportional ist, kann z. B., wie in Figur 1 dargestellt, dadurch gewonnen werden, daß mit der Welle des Asynchronmotors (2) ein inkrementaler rotatorischer Geber (3) gekuppelt wird und daß das von diesem Drehzahlgeber abgegebene Signal durch einen Impulsformer (4) zu einer Rechteckimpulsfolge geformt wird.

Kernstück der elektronischen Einrichtung zur Messung des Schlupfes von Asynchronmotoren ist die aus einer Torschaltung (51), einem Frequenzteiler (52), einen Impulsformer (53) und einem Flip-Flop (54) bestehende digitale Schaltungsanordnung (5) zur Bildung einer drehfrequenten Rechteckimpulsfolge mit schlupfproportionalem Tastverhältnis. In dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel dieser digitalen Schaltungsanordnung werden die Torschaltung durch ein NOR-Glied, der Impulsformer durch ein Mono-Flop und das Flip-Flop durch ein RS-Flip-Flop verwirklicht.

Die Beschreibung dieser digitalen Schaltungsanordnung erfolgt zweckmäßig anhand ihres in Figur 3 dargestellten Impulsdiagrammes. Die Vorderflanke eines Impulses der drehfrequenten Rechteckimpulsfolge P setzt das Flip-Flop (54). Dadurch wird die Torschaltung (51) geöffnet und die Rechteckimpulsfolge P₀ zum Eingang des Frequenzteilers (52) weitergeleitet. Nach dem Einlaufen einer dem Teilerverhältnis entsprechenden Anzahl von Impulsen der Rechteckimpulsfolge P₀ setzt die Flanke des Ausgaiigssignals P₂ des Frequenzteilers (52) über den Impulsformer (53) das Flip-Flop (54) zurück. Mit dem Rücksetzen des Flip-Flops (54) wird die Torschaltung (51) geschlossen und der sich wieder in seiner Ausgangsstellung befindende Frequenzteiler angehalten. In diesem Zustand verharrt die Schaltung bis zum Eintreffen der Vorderflanke des nächsten Impulses der Rechteckimpulsfolge P, mit dem eine neue Umsetzperiode beginnt. Die am Ausgang des Flip-Flops (54) entstehende Rechteckimpulsfolge P₃ besitzt deshalb wieder die Drehfrequenz f und ihr Tastverhältnis (Verhältnis von Impulsbreite zu Impulsperiode) entspricht exakt dem Schlupf. Der zeitliche Mittelwert der Rechteckimpulsfolge P₃ ist dem gesuchten Schlupf und der Impulshöhe exakt proportional. Um den Einfluß der Impulshöhe auszuschalten, muß diese hochkonstant sein. Die Ausgangssignale digitaler Schaltkreise erfüllen diese Forderung im allgemeinen nicht. Die Konstanz der impuSshöhe läßt sich durch folgende drei Maßnahmen erreichen:

1. Die am Ausgang des Flip-Flops (54) entstehende Rechteckimpulsfolge P₃ wird nicht direkt gemittelt, sondern sie steuert eine Seriengegentaktimpulsendstufe (6) an. Damit wird erreicht, daß in beiden Schaltzuständen immer ein niederohmiger Ausgangswiderstand auftritt.

2. Die Seriengegentaktimpulsendstufe (6) wird, wie in Figur 4 dargestellt, mit Feldeffekttransistoren realisiert. Damit wird erreicht, daß in beiden Schaltzuständen prinzipiell keine Offsetspannung auftritt und die Ausgangsimpulshöhe exakt gleich der Versorgungsspannung der Impulsendstufe wird.

3. Die Versorgungsspannung der Seriengegentaktimpulsendstufe wird durch eine Regelung konstant gehalten.

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Von der am Ausgang der Seriengegentaktimpulsendstufe (6) entstehenden Spannungs-Rechteckimpuisfolge P_3n mit der konstanten Impulshöhe wird mit einem Drehspulinstrument (7) der zeitliche Mittelwert gebildet und angezeigt. Die digitale Schaltungsanordnung nach Figur 2 kann mit Schaltkreisen aller Logikfamilien verwirklicht werden. Dagegen ist es zweckmäßig, die Impulsendstufe nach Figur 4 mit unipolaren Transistoren aufzubauen.

Claims (1)

1. -1- 258 525

   Erfindungsanspruch:

   Elektronische Einrichtung zum Messen des Schlupfes von Asynchronmotoren, bei der die schlupfbehaftete Drehzahl η des Asynchronmotors (2) durch die Frequenz f der Impulsfolge P gegeben ist, gekennzeichnet dadurch, daß sie einen die Netzfrequenz f₀ um den konstanten Faktor vervielfachenden Phasenregelkreis (1) enthält, daß eine aus einer Torschaltung (51), einem Frequenzteiler (52), einem Impulsformer (53) und einem Flip-Flop (54) bestehende digitale Schaltungsanordnung (5) vorgesehen ist, bei der der Ausgang der Torschaltung (51), deren erster Eingang am Ausgang des Flip-Flops (54) angeschlossen ist, mit dem Eingang des Frequenzteilers (52) und dessen Ausgang über den Impulsformer (53) mit dem Rücksetz-Eingang des Flip-Flops (54) verbunden sind, daß die Impulsfolge P an den Setz-Eingang des Flip-Flops (54) angelegt ist, daß der Ausgang des Phasenregelkreises (1) mit dem zweiten Eingang der Torschaltung (51) verbunden ist, daß an den Ausgang der digitalen Schaltungsanordnung (5) eine mit konstanter Spannung gespeiste Impulsendstufe (6) angeschlossen ist und daß an deren Ausgang ein den zeitlichen Mittelwert anzeigendes Instrument (7) angeschlossen ist. Hierzu 4 Seiten Zeichnungen

   Anwendungsgebiet der Erfindung

   Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Einrichtung zur Messung des Schlupfes von Asynchronmotoren, insbesondere für Meßaufgaben in der Antriebstrechnik.

   Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

   Als Schlupf wird gemäß Definition