DE1588689C3

DE1588689C3 - Stellglied mit einem von einem Zwei- oder Dreipunktregler gesteuerten Asynchronmotor

Info

Publication number: DE1588689C3
Application number: DE1588689A
Authority: DE
Inventors: Konrad Dipl.-Ing. Dr. 8059 Finsing Samberger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1967-02-25
Filing date: 1967-02-25
Publication date: 1980-12-18
Also published as: DE1588689A1; DE1588689B2

Description

a) Thyristoren als Schaltmittel, von denen mindestens je zwei Hauptthyristoren (1 bis 8) antiparallelgeschaltet in zwei (e, f) der drei Zuleitungen des Asynchronmotors liegen,

b) zwei mit einem Anschluß mit der dritten Zuleitung (d) verbundene und, bezogen auf diese dritte Zuleitung (d), gegensinnig vorgeladene Kondensatoren (Ki, K2), wobei der zweite Anschluß jedes Kondensators (K 1, K 2) über je einen Hilfsthyristor (9 bis 12) mit jeder der motorseitigen Klemmen der Hauptthyristoren (t bis 4 bzw. 5 bis 8) in den beiden anderen Zuleitungen (e, f) verbunden ist, und zwar so, daß über diese Hilfsthyristoren (9 bis 12) eine Entladung der Kondensatoren (K 1, K 2) möglich ist,

c) ein Steuersatz (S), der abhängig von dem Regler (R) entweder die Steuerströme für alle einer Drehrichtung zugeordneten Hauptthyristoren (1 bis 4 bzw. 5 bis 8) oder die Steuerströme für zwei der vier Hilfsthyristoren (9 bis 12) liefert, wobei die Auswahl der anzusteuernden Hilfsthyristoren (9 bis 12) von der Stromrichtung in den Hauptthyristoren (1 bis 4 bzw. 5 bis 8) im Augenblick des Abschaltbefehls des Reglers in der Weise abhängig ist, daß die jeweils stromführenden Hauptthyristoren durch die Kondensatoren (K 1, K 2) gelöscht werden,

d) Bemessung der beiden Kondensatoren (K 1, K 2) derart, daß der Asynchronmotor in einer Zeit, gerechnet von der Löschung der Hauptthyristoren (1 bis 4 bzw. 5 bis 8) an, zum Stillstand kommt, die gleich oder kleiner als seine Anlaufzeit ist.

2. Stellglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Hilfsthyristoren (9 bis 12) verbundenen Anschlüsse der Kondensatoren (K 1, K 2) über je ein Ventil (13,14) und eine gemeinsame Drossel (1) mit einer der beiden zu den Hauptthyristoren führenden Phasenleitungen (S, T) verbunden sind, und daß die Polarität der Ventile so gewählt ist, daß die gegensinnige Aufladung der Kondensatoren (Ki, K 2) gewährleistet ist.

3. Stellglied nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die motorseitigen Klemmen jeder Antiparallelschaltung von mindestens zwei Hauptthyristoren (1, 2; 3, 4) über je eine Antiparallelschaltung von mindestens zwei weiteren Thyristoren (5,6; 7,8) mit der netzseitigen Klemme der jeweils anderen Antiparallelschaltung von mindestens zwei Hauptthyristoren (3, 4; 1, 2) verbunden ist.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Stellglied mit einem von einem Zwei- oder Dreipunktregler gesteuerten Asynchronmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges Stellglied ist aus der DE-AS 10 06 939 bekannt. Dabei wird ein Wechselstrommotor über einen ersten Schalter von einer Wechselspannungsquelle versorgt. Gleichzeitig wird ein Kondensator von dieser Wechselspannungsquelle über einen Gleichrichter und

ίο einen Widerstand auf den Scheitelwert der Wechselspannung aufgeladen. Soll der Motor abgeschaltet werden, so wird der erste Schalter geöffnet und die Wechselspannungszuführung unterbrochen. Gleichzeitig bzw. unmittelbar danach wird ein mit dem ersten

i^r> Schalter gekoppelter zweiter Schalter geschlossen und legt den aufgeladenen Kondensator an die Motorwicklung. Der Motor wird dadurch zunächst über den Kondensator mit Gleichstrom versorgt. Bei entladenem Kondensator fließt weiterhin ein pulsierender Gleichstrom über den Widerstand und den Gleichrichter. Der Kondensator ist so bemessen, daß seine Ladung ausreicht, den Motor im ersten Augenblick so weit von seiner synchronen Drehzahl herunter zu bremsen, daß der weiterhin fließende pulsierende Gleichstrom den Motor nicht mehr in den Synchronismus ziehen kann. Bei einem derartigen Stellglied tritt wegen der Schaltzeit des mechanischen Schalters eine zusätzliche Verzögerungszeit auf, die das Regelverhalten der gesamten Anordnung ungünstig beeinflußt. Außerdem

JO ist die Lebensdauer des mechanischen Schalters begrenzt und die benötigte Ansteuerleistung relativ hoch.

Aus der DE-AS 1142 651 ist eine Anordnung zur Steuerung der Drehzahl und Drehrichtung eines als

i^r> Stellmotor verwendeten Asynchronmotors bekannt. Die Steuerung erfolgt über Transistoren, die jeweils in Antiparallelschaltung in zwei Phasen des Drehstrom-Versorgungssystems liegen. Die dritte Phase bleibt ungesteuert. Beim Ausschalten des Motors wird mindestens eine Wicklung mit Gleichstrom beaufschlagt, so daß dieser abgebremst wird. Die Leistung eines derartigen Stellglieds ist begrenzt, da Transistoren, insbesondere für höhere Schaltspannungen, nur für verhältnismäßig kleine Leistungen verfügbar sind.

Bei den genannten Literaturstellen ist zwar auf die ' möglichst schnelle Abbremsung des Stellgliedes nach dem Ausschalten abgestellt, ein Optimum für die Auslaufzeit hinsichtlich der Regelkreisverstärkung ist jedoch nicht angegeben.

^r)0 Aus der CH-PS 4 02 127 ist eine Anordnung zur Drehzahlregelung eines dreiphasigen Induktionsmotors bekannt, bei dem in zwei Zuleitungen antiparallelgeschaltete Hauptthyristoren als Schalter angeordnet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein

"55 Stellglied der eingangs genannten Art mit Thyristoren zu realisieren, wobei die Kondensatoren sowohl zum Abbremsen des Stellglieds mit hinsichtlich der Regelkreisverstärkung optimaler Auslaufzeit als auch zur Löschung der Thyristoren verwendet werden sollen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im · Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. _ , ''·."■

Ein derartiges Stellglied läßt sich klein und billig .,* aufbauen, wobei insbesondere von Vorteil ist, daß die ■■·..

f>5 verhältnismäßig kostspieligen Kondensatoren in einer -.y Doppelfunktion sowohl zur Löschung der Thyristoren .~. als auch zum Abbremsen des Stellgliedes verwendet -. werden. Durch die besondere Dimensionierung der

Kondensatoren ergibt sich eine Auslaufzeit für das Stellglied, mit der das Regelungsverhalten optimiert werden kann, wie nachfolgend gezeigt wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 und 3 gekennzeichnet. ■>

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert.

In F i g. 2 ist ein mit M bezeichneter Asynchronmotor dargestellt, der über die Zuleitung d mit der Phasenleitung R eines dreiphasigen Speisenetzes RST unmittelbar und über die Zuleitungen e, f und je zwei antiparallelgeschaltete Thyristoren 1,2 und 3,4 mit den beiden anderen Phasenleitungen Sund Γ verbunden ist Die Zuleitung e ist über zwei antiparallelgeschaltete Thyristoren 5 und 6 zusätzlich mit der Phasenleitung T und die Zuleitung / über zwei antiparallelgeschaltete Thyristoren 7 und 8 mit der Phasenleitung S verbunden.

Zur Löschung der Hauptthyristoren 1 bis 8 zu einem — beliebig wählbaren Zeitpunkt — also auch vor Beendigung einer Halbwelle — dient eine Löscheinrichtung, bestehend aus zwei Kondensatoren K 1 und K 2, im folgenden Löschkondensatoren genannt, und vier zusätzlichen Hilfsthyristoren 9 bis 12. Die Löschkondensatoren sind mit einem Anschluß mit der Zuleitung i/und über je ein Ventil 13 und 14 sowie einen gemeinsamen Widerstand r und eine gemeinsame Drossel / mit der Phasenleitung 5 verbunden. Die beiden Ventile sind so gepolt, daß sich die beiden Löschkondensatoren, bezogen auf die Zuleitung d, gegensinnig aufladen. Durch die Wirkung der Drossel ergibt sich ein JO Überschwingen und damit eine Aufladung der Kondensatoren auf eine Spannung, die größer als der Scheitelwert der Phasenspannung des speisenden Netzes ist.

Der Löschkondensator K1 ist über die Hilfsthyristoren 11 und 12 mit den motorseitigen Anschlüssen der Hauptthyristoren 1 bis 4 verbunden, wobei die Polarität dieser Thyristoren eine Entladung des Löschkondensators K1 ermöglicht. Der Löschkondensator K 2 ist über die Hilfsthyristoren 9 und 10 mit den gleichen motorseitigen Klemmen der Hauptthyristoren verbunden, wobei jedoch die Polung dieser Hilfsthyristoren, verglichen mit der der anderen beiden Hilfsthyristoren; umgekehrt ist. Durch Zündung des entsprechenden Hilfsthyristors läßt sich somit die.motorseitige Klemme jeder der beiden Antiparallelschaltungen 1, 2 und 3, 4 gegenüber ihrer netzseitigen Klemme positiv oder negativ machen und damit jeder der beiden Thyristoren der Antiparallelschaltung löschen.

Die Haupt- und Hilfsthyristoren erhalten Steuerspan- so nungen von einem Steuersatz S, der seinerseits von einem Dreipunktregler R angesteuert wird. Dieser Regler liefert abhängig von der Regelabweichung X_w einer Regelgröße X von einem Sollwert Xk drei Steuerbefehle, die »Linkslauf«, »Halt« und »Rechtslauf« bedeuten.

Der Steuersatz S liefert z. B. während der Dauer des Befehls »Rechtslauf« an der Klemme a und während der Dauer des Befehls »Linkslauf« an der Klemme b ein Dauersignal. Dies ist bei der hier verwendeten Schaltung ohne weiteres möglich, da in dem jeweils sperrenden Thyristor der Antiparallelschaltung praktisch keine Sperrspannung liegt. Man kann natürlich den Thyristoren auch synchronisierte Zündimpulse pro Halbwelle geben. Die Dauer dieser Impulse müßte dann größer als der maximale Phasenwinkel des Motorstromes, bezogen auf die Spannung des speisenden Netzes, sein, sofern diese Impulse nicht auf den Stromnulldurchgang synchronisiert werden. Ferner ist es möglich, den Hauptthyristoren während der Dauer der Einschaltbefehle eine Folge von Kurzimpulse zu geben.

Am Ende des Befehles »Rechtslauf« oder des Befehles »Linkslauf« müssen zwei der Hilfsthyristoren 9 bis 12 durch einen kurzen Impuls gezündet werden. Die Auswahl der beiden zu zündenden Hilfsthyristoren ist abhängig von der Richtung der Ströme in den Phasenleitungen e, f im Zeitpunkt des Endes des Einschaltbefehles des Reglers R. Zu diesem Zweck wird diese Stromrichtung durch in den Zuleitungen e, f liegende Einrichtungen E, F erfaßt. Es kann sich hierbei um einfache ohmsche Widerstände oder beispielsweise zwei antiparallelgeschaltete Dioden handeln. Abhängig von der Polarität der an diesen Einrichtungen auftretenden Spannung wird dann der von dem Steuersatz 5 beim Ende des Reglerbefehles erzeugte Zündimpuls nur zwei der vier Hilfsthyristoren zugeführt. Haben beispielsweise die Spannungen an den Einrichtungen E, F und damit der Strom durch die Hauptthyristoren die durch die Pfeile angedeutete Richtung, dann müssen am Ende des Reglerbefehles die Hauptthyristoren 1 und 3 gelöscht werden. Hierzu wird beispielsweise mittels UND-Gatter die Sperrung des Zündimpulses in der Steuerleitung zu den Hilfsthyristoren 9 und 10 aufgehoben; die Zuleitungen eund /"werden damit positiv gegenüber der Zuleitung d und die Hauptthyristoren 1 und 3 gehen in den Sperrzustand über.

Der Löschkondensator K 2 kann sich dann über die Wicklungen des Asynchronmotors M vollständig entladen und erzeugt dadurch ein den Motor bremsendes Gleichfeld. Durch entsprechende Bemessung der Löschkondensatoren kann dadurch ein Bremsmoment in. der Größe des Anlaufmomentes erzeugt werden. Damit wird die Anlaufzeit des Motors gleich der Auslaufzeit und somit das. Regelungsverhalten optimal, wie später nachgewiesen wird.

Nimmt man einmal an, daß am Ende des Reglerbefehls die Stromrichtung in der Zuleitung /"umgekehrt als bisher angenommen ist, dann müßte der Hauptthyristor 4 gelöscht werden, d. h. es müßte der Zündimpuls den Hilfsthyristoren 9 und 12 zugeführt werden.

Die·· beschriebene Löscheinrichtung arbeitet in der gleichen Weise auch dann, wenn die der anderen Drehrichtung zugeordneten Hauptthyristoren 5 bis 8 durch einen über den Ausgang b des Steuersatzes gegebenen Impuls gezündet waren.

Grundsätzlich ist die beschriebene Steuerung auch für Einphasen-Kondensatormotoren anwendbar, wobei für jede Drehrichtung nur je zwei antiparallele Hauptthyristoren erforderlich sind.

Anhand der F i g. 1 wird im folgenden dargelegt, daß sich ein besonders schnelles und stabiles Verhalten des Regelkreises ergibt, wenn die Auslaufzeit des Motors gleich oder kleiner als die Anlaufzeit ist.

Die in Fig. la mit ν bezeichnete Kurve gibt den Verlauf der Geschwindigkeit des Stellgliedes und die mit s bezeichnete Kurve den Verlauf des Weges jeweils abhängig von der Zeit t wieder. Dabei ist ein von t = 0 bis t = t2 dauernder Stellschritt (Einschaltzeit) zugrunde gelegt. Nach dem Einschalten im Zeitpunkt t = 0 steigt die Geschwindigkeit ν an und erreicht im Zeitpunkt 11 den Maximalwert V_n. Diese Geschwindigkeit nimmt erst nach der Abschaltung im Zeitpunkt i2 wieder ab und wird schließlich im Zeitpunkt f 4 Null. Die zwischen den Zeitpunkten f2 und i4 verfließende »Nachlaufzeit« hängt von dem Trägheitsmoment des gesamten

Stellgliedes — also auch des Ankers des Motors — und von der Belastung des Motors ab.

Der von dem Stellglied bei einer Schrittlänge At zurückgelegte Weg bei dem in Fig. la dargestellten Geschwindigkeitsverlauf entspricht der von der Kurve ν umschlossenen Fläche und ist in Fig. la mit As bezeichnet. Wenn man zusammengehörende Werte von At und As aufträgt, erhält man die in Fig. Ib mit a bezeichnete Charakteristik des Stellgliedes. Sie läßt erkennen, daß sich der Proportionalitätsfaktor k des Stellgliedes (As = k ■ At) mit der Schrittlänge A rändert (Neigung der durch den Nullpunkt gehenden, gestrichelten Geraden für verschiedene Schrittlängen).

Die Kurve c in Fig. Ic zeigt den Zusammenhang zwischen dem Proportionalitätsfaktor k und der Schrittlänge At. Die Kurve nähert sich asymptotisch dem nur von der maximalen Stellgeschwindigkeit v_m abhängigen Wert k₀.

Wenn ein derartiges Stellglied in einem Regelkreis liegt, dann ist dessen Gesamtverstärkung ebenso wie der Proportionalitätsfaktor k von der Schrittlänge At abhängig. Die Gesamtverstärkung des Regelkreises darf nun aber aus Stabilitätsgründen einen bestimmten Maximalwert nicht überschreiten. Man muß daher die Verstärkung der übrigen Glieder des Regelkreises so wählen, daß dieser Grenzwert auch bei einer Stellschrittlänge von Δ t\ nicht erreicht wird. Das hat aber zur Folge, daß die Verstärkung des Regelkreises bei den in der Praxis vorwiegend vorkommenden größeren Stellschritten wesentlich geringer ist, was eine niedrige- jo re Regelgeschwindigkeit bedeutet.

Man erhält einen in weiten Grenzen von der Schrittlänge At unabhängigen Proportionalitätsfaktor des Stellgliedes (Kurve d in Fig. Ic), wenn die Verlängerung des linearen Teiles der den Zusammen- « hang zwischen Stellschrittlänge At und Weglänge As wiedergebenden Kurve durch den Nullpunkt verläuft, wie die Kurve Z? in Fig. Ib. Diese Kurve erhält man, wenn man die schraffierten Flächen in Fig. la gleich, d. h. die Auslaufzeit gleich der Anlaufzeit des Stellantriebes macht. Praktisch ebenso gute Ergebnisse erhält man jedoch auch dann, wenn die Auslaufzeit kleiner als die Anlaufzeit ist. Diese Bedingung ist praktisch leichter zu überwachen und zu erfüllen.

Schließlich ist noch die Forderung nach möglichst großer maximaler Stellgeschwindigkeit v_m bedeutsam. Bei gleicher oder gar größerer Genauigkeit führt diese Forderung nämlich zu immer kürzeren Stellschritten At und damit in das nichtlineare Gebiet diesseits von Δ ti. Das Stellglied soll aber einen möglichst linearen Zusammenhang zwischen Stellschrittlänge At und zurückgelegtem Weg As gewährleisten. Bei erhöhter Maximalgeschwindigkeit v_m ist dies aber nur möglich, wenn man die Anlaufzeit il möglichst klein macht. Diese Maßnahme ist aber — wie bereits erwähnt — nur bei gleichzeitiger, entsprechender Herabsetzung der Auslaufzeit sinnvoll, weil sonst die Stabilität des Regelkreises leiden würde.

Man muß somit die Auslaufzeit eines Stellgliedes gleich oder kleiner als die Anlaufzeit und diese wiederum möglichst niedrig halten, um gleichzeitig eine hohe Stellgeschwindigkeit, eine gute Dynamik im Regelkreis und eine weitgehende Linearität zwischen Stellschrittlänge und Stellweg zu gewährleisten.

Die heute gestellten Forderungen an Stellgeschwindigkeit und Genauigkeit führen bereits unter diesen Gesichtspunkten zu kürzesten Stellschritten von etwa 10 Millisekunden. Eine wenigstens annäherungsweise Erfüllung der genannten Bedingungen hat man bereits mit speziellen Gleichstrommotoren mit extrem geringem Trägheitsmoment (Scheibenläufermotoren) versucht. Die Erfindung ermöglicht demgegenüber die Anwendung robuster, wartungsfreier, in großen Serien hergestellter und daher billiger Asynchronmotoren mit hoher Lebensdauer.

Für sehr kurze Stellzeiten können vorteilhaft spezielle Asynchronmotoren verwendet werden, die einen verhältnismäßig langen Läufer mit kleinem Durchmesser und daher kleinem Trägheitsmoment besitzen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Stellglied mit einem von einem Zwei- oder Dreipunktregler gesteuerten Asynchronmotor, bei dem Schaltmittel zum Ein- und Ausschalten und zum Bremsen des Asynchronmotors und mindestens ein mit einer Ladeeinrichtung versehener Kondensator als Bremsmittel vorgesehen sind, wobei der Kondensator beim Ausschalten mit den Statorwicklungen des Asynchronmotors verbunden wird, gekennzeichnet durch die Gesamtheit folgender Merkmale: