DE1812926A1

DE1812926A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Schlupfes eines Asynchronmotors

Info

Publication number: DE1812926A1
Application number: DE19681812926
Authority: DE
Inventors: Michel Souillard
Original assignee: CIE DES COMPTEUERS
Current assignee: CIE DES COMPTEUERS
Priority date: 1967-12-06
Filing date: 1968-12-05
Publication date: 1969-08-21
Also published as: DE1812926B2; FR1566188A; BE723277A; DE1812926C3; CH508882A; GB1254882A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung des Schlupfes eines Asynchronmotors aufgrund ausschließlich elektrischer Größen, nämlich Spannungen und Strömen des Läuferkreises.

Zur Messung des Schlupfes eines Asynchronmotors muß man bekanntlich die Drehzahl der Motorwelle oder die elektrischen Größen des Läufers messen können, wobei die letzteren bei Motoren mit Käfiganker unzugänglich sind.

Bu/Gr.

Die

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Die Erfindung hat vor allem das Ziel, die Machteile der bekannten Vorrichtungen zu vermeiden, welche Tachometer oder analoge Geräte verwenden und nur praktisch unabhängige Anzeigen der Veränderungen der Speisespannung des Motors und der Frequenz im üblichen Veränderungsbereich dieser Größen berücksichtigen.

Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Messung des Schlupfes eines Asynchronmotors, dadurch gekennzeichnet, daß die Mitfeldimpedanz eines Asynchronmotors ausschließlich aufgrund sinusförmiger elektrischer Größen, wie Spannungen und Ströme, des Läufers gemessen wird.

Tatsächlich ist die Mitfeldimpedanz eines Asynchronmotors die einzige Größe, welche nur vom Schlupf dieses Motors abhängt.

Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die sinusförmigen elektrischen Größen jeweils ein Mitfeldspannungsfilter bzw. ein Mitfeldstromfilter speisen, welche mit passiven linearen Netzen verbunden sind, deren Ausgangsgrößen auf einen Quotientenmesser und/oder Phasenmesser gegeben werden, welche eine kontinuierliche analoge Größe als Funktion des Betrages und/oder des Phasenwinkels der Impedanz des Motors abgeben, wobei diese kontinuierliche analoge Größe sodann auf eine Meßvorrichtung gegeben wird.

Die Erfindung schafft daher einen analogen Meßfühler, dessen Ausgangsgröße eine analoge Funktion des Schlupfes ist.

Die Erfindung erstreckt sieh auch auf eine Vorrichtung

zur 909834/0993

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- 3 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Falls die Speisespannungen ausgeglichen sind, ist eine einfache Messung der Impedanz zwischen den Phasen der Messung der Mitfeldimpedanz gleichwertig, wobei die umgekehrten Komponenten sodann Null sind.

Der Betrag, und der Phasenwinkel der Mitfeldimpedanz des Motors sind eine mehr oder weniger komplizierte Punktion des Schlupfes. Die die Impedanz des Motors darstellende komplexe Punktion Zg, ist für diesen kennzeichnend und unterscheidet sich gemäß dem Aufbau des Läufers, ™ je nachdem, ob er ein Einfachkäfig- oder Doppelkäfigankerläufer oder auch ein Tiefkäfigläufer (a cage profonde) ist.

Jedem Wert des Betrages der Impedanz entspricht im allgemeinen ein einziger Wert des Schlupfes. Einem Wert des Phasenwinkels der Impedanz e. sprechen im allgemeinen zwei Werte des Schlupfes. Jedem komplexen Wert der Impedanz entspricht stets ein einziger Wert des Schlupfes.

Die graphische Darstellung der Impedanz Zg in der Impedanzebene der Koordinaten R, X (Widerstand, Reaktanz) ist eine i Kennlinie entsprechend der Art des Motors. Diese Kennlinie, welche im idealen F 11 eines Einfach-Käfigankermotors ein Kreis ist, wird eine kompliziertere Kurve, welche sich im Fall von Doppel-Käfigankermotoren einer Kurve vierten Grades annähert.

Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die sinusförmigen elektrischen Größen auf ein Impedanzrelais gegeben werden, welches aufgrund

eines HQ983W0993

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eines elektromechanischen oder statischen Elements zum Vergleich des Betrages oder des Phasenwinkels die Erzielung jeder geradlinigen oder kreisförmigen Impedanzkennlinie in der Ebene der Koordinaten R, X gestattet.

Statt dessen kann man zur Erhöhung der Empfindlichkeit und der Genauigkeit der Messung in den Speisekreis des Motors eine Bezugsimpedanz mit dem Wert Zr einschalten, welche durch den Strom I gespeist wird und eine Differenzspannung Ud liefert, welche so geschrieben werden kann:

Ud = U - Zr · I
und da nach Definition U = Zg * I :

Ud = <Z_g - Z_p> I,

wobei U und I die Speisespannung bzw. der Statorstrom des Motors sind.

Man erhält so durch Bildung des Vektorquotienten U_d/I eine Impedanz Z, gleich Z - Z , welche eine Punktion der Impedanz Z des Asynchronmotors ist.

Ohne Veränderung des Grundgedankens der Erfindung kann man auch als die vom Schlupf abhängige Größe die umgekehrte komplexe Größe der Impedanz, d.h. die Admittanz Y betrachten, welche so geschrieben werden kann:

T =

Die Änderung des Nullpunkts kann verwirklicht werden, indem man eine B__ezugsadmittanz Y verwendet, welche durch die Spannung gespeist wird, und indem man den Differenzstrom

bildet 909834/0993

'* ¹¹¹¹K iS'ffililillpl!!!!:!!!!!!¹¹¹¹,,:¹"!«·.:¹:¹ j ||i

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bildet:

I_d " I - Υ_Γ U

_S Y_(g) χ ü

und da gilt:

Man erhält so durch Bildung des Vektorquotienten I_d/U eine neue kennzeichnende Admittanz Yw ν als Punktion des Schlupfes, für welche gilt:

d(g)

^Y(g) - V

Die Messungen des Betrages oder des Phasenwinkels von gestatten die Erzielung einer analogen Punktion des Schlupfes und entweder die Ausführung einer kontinuierlichen Messung von g oder die Erzielung eines Schwellwerts für einen bestimmten Wert g..

Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung kann für den Schutz von Asynchronmotoren im Fall von überbelastungen oder zu langsamen Anlaufvorgängen oder auch für den Fall der Läuferblockierung durch die Steuerung des Schlupfes angewendet werden.

Anhand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen

Figur 1 ein Schema des erfindungegemäßen Verfahrens zur Messung des Schlupfes,

Figur 2 ein Schema einer gegenüber Figur 1 abgeänderten Aus-

ftihrungsform

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führungsform, in welcher die Anwendung des in Figur 1 gezeigten Schemas auf ein Relais zur Messung des Schlupfes dargestellt ist, das für einen bestimmten Wert desselben in Tätigkeit tritt,

Figur 3 eine Vorrichtung zum Schutz von Asynchronmotoren durch die Steuerung des Schlupfes als Funktion der Anlaufzeit,

Figur 4 eine Kurve der Veränderung der Impedanz eines Doppelkäfiganker-Asynchronmotors als Funktion des Schlupfes in einem Diagramm mit den Koordinaten R (Widerstand) und X (Reaktanz),

Figur 5 eine andere Schutzvorrichtung für Asynchronmotoren und

Figuren 6 und 7 auf die in Figur 5 dargestellte Vorrichtung bezügliche graphische Darstellungen.

Aus Figur 1 ist ein Mitfeldspannungsfilter 1 und ein witfeldstromfilter 2 ersichtlich, welche jeweils passive lineare Netze 3 bzw. 4 speisen, deren Ausgangsgrößen auf einen Quotientenmesser und/oder einen Phasenmesser 5 gegeben werden, welcher eine kontinuierliche analoge Größe als Funktion des Betrages und/oder des Phasenwinkels der Impedanz Zg abgibt, die von einem Meßgerät 6 gemessen wird.

Im Fall eines elektromagnetischen Quotientenmessers sind die Elemente 5 und 6 zusammengefaßt.

Die analoge Größe des Schlupfes, welche endgültig verwendet wird, ist entweder die vom Quotientenmesser und/oder Phasen

messer

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messer erhaltene Größe, der eine zum Quotienten der sinusförmigen Größen, nämlich Ströme und Spannungen, proportionale Größe liefert, oder die von einem auf die Phasenverschiebung dieser gleichen Größen ansprechenden Element erhaltene Größe. Dieses letztere Element kann aus einer elektronischen Halbleiteranordnung bestehen, welche einen Ausgangsgleichstrom oder eine Ausgangsgleichspannung proportional zur Phasenverschiebung, d.h. analog zum Schlupf, liefert.

Bekanntlich kann die Kennlinie eines Motors als Punktion des Schlupfes durch die Kurve seiner in der Ebene der Impedanz- ä koordinaten R X dargestellten Mitfeldimpedanz dargestellt werden. Diese kreisförmige oder kompliziertere Kennlinie kann als Funktion des Schlupfes geeicht werden.

Um daher die Betätigung eines Relais für einen gegebenen Wert g^ des Schlupfes zu erzielen, gentigt es, ein Impedanzrelais zu verwenden, weiches in der Ebene R X eine geradlinige oder kreisförmige Kennlinie besitzt, die die Kurve der Veränderung der Impedanz in einem einzigen, zwischen den Grenzen CX^g₁ <^1 gelegenen Punkt schneidet.

Es sind derartige Relais bekannt, welche auf der Grundlage eines elektromechanischen oder statischen Vergleichsgliedes ' für den Betrag oder die Phase die Erzielung einer beliebigen geradlinigen oder kreisförmigen Impedanzänderung gestatten.

Um die Messung der Mitfeldimpedanz durchzuführen, wird das geschilderte Impedanzrelais durch die Mitfeldspannungs- und Mitfeldstromfilter gespeist.

Man erhält daher das Schema der Figur 2, welches ein Detektorrelais 12 enthält und dessen Teile 7 bis 11 jeweils den in Figur 1 dargestellten Teilen entsprechen. In Figur 2 ist der

Teil 909834/0993

- 8 Teil 11 ein Betrag- oder Phasenkomparator.

Das Relais 12 ist ein Detektor mit polarisiertem Nullpunkt, beispielsweise ein galvanometrisches Relais, welches in Tätigkeit tritt, wenn die dasselbe speisende Größe das Vorzeichen wechselt, indem sie durch den Nullpunkt geht.

Das Relais 12 arbeitet in der folgenden Weise:

Die Kontakte 13, I^ sind geschlossen für Die Kontakte 13» 15 sind geschlossen für

Bei einer elektronischen Ausführungsform können die Teile 11 und 12 der Figur 2 zu einem Betragkomparator oder einem Phasenkomparator zusammengefaßt sein, welcher etwa folgenden logischen Ausgangsbefehl abgibt:

Der Zustand 0 entspricht
Der Zustand 1 entspricht

Um eine Schutzvorrichtung zu verwirklichen, welche einen normalen AnlaufVorgang gewährleistet, genügt im allgemeinen die Kontrolle, daß der Schlupf kleiner geworden ist als ein vorbestimmter Wert, und zwar nach einer Zeitspanne, welche kürzer ist als die Grenzzeit, in der der Läufer des Motors blockiert bleibt. Im entgegengesetzten Fall muß die Schutsvorrichtung einen Auslösebefehl geben.

Für eine Ausführungsform der Erfindung gibt Figur 3 ein vereinfachtes Schaltbild der Schutzvorrichtung gegen Anlaufstörungen (blockierter oder zu langsamer Läufer) für einen Asynchronmotor. Der zu schützende Motor 16 ist mit dem Netzleitungssystem 100 über Kontakte 19, 19' eines Unterbrechers

verbunden 909834/0993

verbunden, welcher in Reihe mit der Primärwicklung 18a eines Stromuntersetzers 18 geschaltet ist. Die Sekundärwicklung l8b dieses Untersetzers ist in Reihe mit der Wicklung eines Stromwächters 20 und einer Wicklung 21a eines Hilfstransformators 21 geschaltet. Die andere Wicklung 2lb ist mit einer Diodenbrücke 22 verbunden.

Das Maximalrelais 20 wird auf etwa den zweifachen Wert des Motornennstroms eingeregelt und muß während der ganzen Anlaufperlode arbeiten.

Die Primärwicklung 23a eines Spannungsuntersetzers 23 ist direkt an die Netzleitung 100 angeschlossen. Die Sekundärwicklung 23b ist In Reihe mit einer Bezugsimpedanz

24 und einer Diodenbrücke 25 geschaltet. Die Diodenbrücken 22,

25 sind parallel zu den Klemmen der Wicklung eines polarisierten Drehspulrelais 26 geschaltet.

Die von dem Spannungsuntersetzer 23, der Bezugsadmlttanz 24 (d.h. Yr) und von dem aus den Brücken 22, 25, welche parallel zu den Klemmen des Drehspulrelais 26 geschaltet sind, bestehenden Betrag- oder Absolutwertkomparator gebildete Anordnung stellt ein Impedanzrelais dar. g

Im übrigen weist eine an die Leitungen 101, 102 einer Hilfsspannungsquelle angeschlossene Verzögerungsschaltung in Reihe die Kontakte 20a, 20b des Stromwächters 20 und die Wicklung eines Verzögerungsrelais 27 auf.

Dieses letztere steuert die Auslöseschaltung des Unterbrechers 19 durch die Kontakte 27a, 27b, welche in Reihe mit den Kontakten 26a, 26b und der Wicklung des Auslöserelais 28 liegen, dessen Kontakte 28a, 28b bei ihrer Betätigung den Unterbrecher 19 steuern.

Dieses 909834/0993

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- ίο -

Dieses vereinfachte Schaltbild ohne Filter für gleichgerichtete Komponenten ist anwendbar, wenn die dauernde Amplitude der Spannungen und Ströme in Sperrichtung sehr gering ist, d.h. im Fall einer Speisung durch ausgeglichene Spannungen.

Die Anordnung gemäß Figur 3 arbeitet in der folgenden Weise: Wenn die Impedanz des Motors grö_ßer als die Bezugsimpedanz 2k wird, kehrt sich das Moment des polarisierten Relais 26 um, was die Festlegung der Koinzidenz mit einem vorbestimmten Wert des Schlupfes gestattet. So wird der Auslösebefehl auf den Unterbrecher 19 durch das Relais 28 unter der Bedingung gegeben, daß die Kontakte 27a, 2?b des Verzögerungsrelais sich vor der öffnung der Kontakte 26a, 26b des Impedanzrelais 26 schließen. Das Verzögerungsrelais 27 wird durch den Stromwächter 20 gesteuert.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung, welche in Figur 5 dargestellt ist, kann eine Messung des Schlupfes durch eine Phasenmessung erfolgen.

Aus dem Diagramm mit dem Koordinaten R, X in Figur 4 ist ersichtlich, daß der Punkt A das Ende des Impedanzvektors Zcc für eine Drehzahl Null des Läufers (g = 1) ist. Der Punkt F ist das Ende eines Impedanzvektors Zv für eine dem Gleichlauf sehr eng benachbarte Drehzahl bei unbelastetem Motor.

Der Bildpunkt des Schlupfes verschiebt sich von Λ nach F auf der Kurve als Funktion des Schlupfes selbst. Der Punkt C stellt die Impedanz Zg für einen gegebenen Wert g des Schlupfes dar. Der Punkt R bildet das Ende des Vektors, welcher die Bezugsimpedanz Zr darstellt, die in diesem Beispiel eine Reaktanz 1st.

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- ii -

Infolge der Wahl von Z in dieser Figur sieht man, daß der Winkeln zwischen den Vektoren R C, R A stets wächst, wenn der Schlupf sich von 1 auf 0 ändert, und daß der Winkel oL für g = 1 Null ist.

Das Schaltbild der Figur 5 weist zwei Teile auf. Der erste Teil gestattet die Messung der durch den WinkeloCausgedrückten Phasendifferenz und der zweite Teil gestattet die Messung eines Stromes, dessen Mittelwert proportional zum Winkel oc und daher eine Funktion von g ist.

Der erste Teil des Schaltbilds der Figur 5 (welcher den Teilen 3 und 4 der Schaltung in Figur 1 entspricht) weist die Klemmen 105, 106 und 107, 108 auf, welche durch die Untersetzungstransformatoren zur Strom- und Spannungsmessung (nicht dargestellt) gespeist werden, welche in die Netzleitungen des Motors eingeschaltet sind. Die an die Klemmen 105 und 106 angeschlossene Schaltung speist die Primärwicklung 30a einer Gegeninduktivität 30, welche in Reihe mit der Primärwicklung 31a eines Stromtransformators 31 geschaltet ist. Die Gegeninduktivität 30 weist zwei gleiche Sekundärwicklungen 30b und 30c auf, welche durch einen gemeinsamen Punkt J>k miteinander verbunden sind. Die Sekundärwicklung 31b des Transformators 31 speist über Anschlüsse 36 und 36' eine Selbstinduktivität 32, welche in Reihe mit einem Widerstand 33 liegt, der das Bild der Impedanz Z , der Kurzschlußimpedanz des Motors darstellt. Die Spannung an den Klemmen dieser Anordnung ist proportional zu Ζ_ηΛΙ. Der Anschluß 36' ist mit der Sekundär

cc

wicklung 30b verbunden.

Der Anschluß 36 der Sekundärwicklungen 31b und 32 bestimmt die Wechselspannung Vae (gemessen bei a).

Die Klemmen 107 und 108 speisen die Primärwicklung 35a

eines 909834/0993

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eines Abtrenntransformators 35. Die Sekundärwicklung 35b ist in Reihe mit der Sekundärwicklung 30c der Gegeninduktivität 30 verbunden. Daher wird die auf die Primärwicklung 35a gegebene Spannung U an der Sekundärwicklung 35b wiederhergestellt, so daß an der Klemme 37 eine Wechselspannung Vbe (gemessen in Punkt b) auftritt.

Infolge der Definition der Impedanz des Motors kann man schreiben U = Zg I. Die verschiedenen Elemente des ersten Teils des Schaltbilds der Figur 5 sind so angeschlossen, daß der Ausdruck für die Spannungen bei a und b unter Vernachlässigung der Lasten 38 und 35 geschrieben werden kann:

Vae = (Zcc - Zr) I; Vbe = (Zg - Zr) I.

Daher ist die Phasenverschiebung dieser beiden sinusförmigen Wechselspannungen gleich dem Winkel ac der Impedanz-Differenzvektoren RC und RA in Figur 4.

Der zweite Teil des Schaltbilds in Figur 5 (welcher den Teilen 5 und 6 der Schaltung in Figur 1 entspricht) weist eine Anordnung von Dioden und Transistoren zur Messung der Phasenverschiebung auf, welche in einem Meßgerät die Erzielung eines Stromes ermöglicht, dessen Mittelwert proportional zum Winkel oc und daher eine Funktion von g ist.

Diese Anordnung weist einerseits einen Widerstand 38 auf, welcher zwischen den Anschluß 36 und den den Dioden 4l, 42 gemeinsamen Anschluß 40 geschaltet ist, wobei die Diode 41 mit dem Anschluß 39 der Leitung 109 und die Diode 42 mit dem Anschlußpunkt 43 verbunden ist, welcher seinerseits mit der Basis eines Transistors 44 verbunden ist. Ein weiterer Widerstand 909834/0993

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stand 45 1st zwischen die Klemme 37 und den den Dioden 47, gemeinsamen Anschluß 46 geschaltet, wobei die Diode 47 mit dem Anschlußpunkt 49 der Leitung 109 und die Diode 48 mit dem Anschlußpunkt 43 verbunden ist, der seinerseits mit der Basis des Transistors 44 verbunden 1st. Der Emitter des Transistors 44 ist mit der Leitung 109 über den Anschluß 54 und sein Kollektor ist mit dem Anzeigegerät 55 über den Anschluß 56 verbunden, welcher mit dem Belastungswiderstand in Verbindung steht, der ebenfalls an die positive Spannung V_f angeschlossen ist.

Die Speisespannung Vfe des zweiten Teils des Schaltbilds der Figur 5 wird von einer Hilfe-Gleichspannungsquelle E auf die Klemmen 50, 51 geliefert und durch eine Zenerdiode 52 und den Widerstand 53 stabilisiert.

Die Anordnung der Dioden 4l, 42 und 47, 48 sowie der Basis-Emitterkreis des Transistors 44 stellt eine Koinzidenzschaltung dar, in welcher der Transistor "gesperrt" ist, wenn die Speisegrößen gleichzeitig negativ sind, und "durchlässig" für Jede andere Kombination von Polaritäten wird. Das Anzeigegerät 55 zeigt den Mittelwert der Spannung Vde als Funktion des Zustande des Transistors 44 an, welcher durch die sinusförmigen Wechselspannungen Vae und Vbe ge- f steuert wird.

Die Figuren 6a, 6b und 6c zeigen die Spannungen Vae, Vbe, Vde als Funktion der Zeit. Wenn T die Periodendauer ist, so ist die Verzögerung der Spannung Va in bezug auf Vb T

gleich

2/T *

Die Breite der Rechtecksignale Vde mit der Amplitude Vfe ist:

(T-Qt) T .
2/T

Der 909834/0993

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Der Mittelwert der vom Anzeigegerät 55 gemessenen Spannung Vde ist:

1 Vde dt = ψ - X^

Figur 7 zeigt die Veränderung dieser mittleren Spannung von ^l^ für Oe = ο bis oc = T. Diese Spannung ist ebenso wie der Winkel J^ eine Funktion des Schlupfes.

Bei einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform, welche auf dem gleichen Prinzip wie das Schaltbild der Figur 2 beruht, ist das Anzeigegerät 55 durch ein Gleichstrom-Schwellwertrelais ersetzt, welches den Mittelwert der Spannung Vde steuert.

Pat ent ansp rü gh® 909834/0993

Claims

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Patentansprüche

1. Verfahren zur Messung des Schlupfes eines Asynchronmotors, dadurch gekennzeichnet, daß die Mitfeldimpedanz eines Asynchronmotors ausschließlich aufgrund sinusförmiger elektrischer Größen, wie Spannungen und Ströme,

des Läufers gemessen wird. _Λ

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sinusförmigen elektrischen Größen jeweils ein Mitfeldspannungsfilter bzw. ein Mitfeldstromfilter speisen, welche mit passiven linearen Netzen verbunden sind, deren Ausgangsgrößen auf einen Quotientenmesser und/oder Phasenmesser gegeben werden, welche eine kontinuierliche analoge Größe als Funktion des Betrages und/oder des Phasenwinkels der Impedanz des Motors abgeben, wobei diese kontinuierliche analoge Größe sodann auf eine Meßvorrichtung gegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die sinusförmigen elektrischen Größen auf ein Impedanz- i relais gegeben werden, welches aufgrund eines elektromechanischen oder statischen Elements zum Vergleich des Betrages oder des Phasenwinkels die Erzielung Jeder geradlinigen oder kreisförmigen Impedanzkennlinie gestattet.

k. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Betragkomparator mit Diodenbrücken, welcher einen Vergleich zwischen dem Betrag einer Bezugsimpedanz und dem Betrag der Motorimpedanz derart durchführt, daß das

Differenzsignal 909834/0993

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Differenzsignal am Ausgang dieses Betragkomparators ein Relais steuert, wenn die Motorimpedanz einen größeren Wert als die Bezugsimpedanz erreicht.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Phasenkomparator mit Diodenbrücken, welcher einen Vergleich zwischen der Phase einer BezugsImpedanz und der Phase der Motorimpedanz derart durchführt, daß das Differenzsignal dieses Phasenkomparators eine Koinzidenzschaltung steuert, welche "gesperrt" ist, wenn die sinusförmigen elektrischen Speisegrößen gleichzeitig negativ sind, und "durchlässig" für jede andere Kombination der Polaritäten ist.

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