DE1919716B2 - Anordnung zur Regelung der Drehzahl eines Asynchron-Kurzschlußläufermotors - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Regelung der Drehzahl eines Asynchron-Kurzschlußläufer-Motors entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Es wurde bereits vorgeschlagen (DE-OS 19 00 387.3) eine Anordnung zur Regelung der Geschwindigkeit eines Elektromotors, der über steuerbare Halbleiterventile mit Zündcharakteristik an ein Wechselstromnetz angeschlossen ist, mit einem die Zündimpulse bildenden Steuersatz, in dem die Zündimpulse mit einer Mindestaussteuerung synchron zur Wechselspannung innerhalb jeder Halbwelle erzeugt werden und eine Verschiebung der Zündimpulse abhängig von einer die Geschwindigkeit messenden Einrichtung erfolgt, wobei der Steuersatz aus einzelnen Impulserzeugerstufen aufgebaut ist, deren erste Eingänge erste, mit der Wechselspannung verbundene Synchronisierstufen in Abhängigkeit von der Netzfrequenz mit einer Konstantspannungsquelle verbinden und deren zweite Eingänge zweite, ebenfalls W) mit der Wechselspannung verbundene Synchronisierstufen mit einer in einem Zwischenglied aus einem Soll-Ist-Vergleich der Geschwindigkeit gewonnenen Spannung verbinden, wobei als Elektromotor ein mehrphasiger Asynchronmotor mit stetig abfallender Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie ohne Sattel verwendet ist, dessen steuerbare Phasen unabhängig voneinander sind, und daß die die Geschwindigkeit messende Einrichtung eine Spannung mit einem Oberwellengehalt zwischen 10 und 30% bezogen auf den Effektivwert ihrer Gleichspannung abgibt und daß die Frequenz dieser Spannung bei maximaler Drehzahl oberhalb der dreifachen Netzfrequenz liegt.

Eine technische Schwierigkeit besteht bei der vorgeschlagenen Anordnung noch darin, die Zündung der steuerbaren Halbleiter so zu bewältigen, daß nicht nur der Mittelwert des Stromes der von dem Antrieb geforderten Leistung entspricht, sondern daß sich der Strom auch auf alle Phasen und alle positiven und negativen Halbwellen eines Mehrphasen-Netzes gleichmäßig verteilt.

Zur Behebung dieser Schwierigkeiten bei der Regelung von Asynchronmotoren mit Kurzschlußläufern, reichen die bisher bekannten Regelanordnungen und Einrichtungen nicht aus, da die Regelzeitkonstanten bzw. die Totzeiten der Regelstrecke zu lang sind.

In einem 50 Hz-Dreiphasennetz, in dem sechs Halbleiter gesteuert werden sollen, ist für die Zündung der Halbleiter im Abstand von je 3,3 Millisekunden ein Zündimpuls erforderlich. Wenn nun die sechs Zündimpulse während einer Periode zwar ständig versetzt werden müssen, sich jedoch nicht nennenswert zueinander verschieben dürfen, dann wird ersichtlich, wie hoch die Anforderungen an ein derartiges Regelverfahren gestellt sind.

Aus der in der DAS 11 23 744 aufgezeigten Einrichtung zur elektrischen Regelung der Drehzahl eines Elektromotors ist es bekannt, in einer Soll-Istwertvergleichsschaltung eine wellige Spannung zu erzeugen, die einen Regelverstärker steuert.

Die in den VDI-Nachrichten Nr.45/Nov. 1966 auf Seite 13 gemachten Angaben über Hebezeugantriebe mit Thyristoren und die dargestellte Zeichnung beinhaltet eine Lösung zu den genannten Schwierigkeiten nicht, denn dort sind die drei gesteuerten Phasen nicht voneinander unabhängig und der Tachogenerator ist ein Gleichstromgeber.

Aus der ETZA 1965, Seite 571-573 ist die Verwendung von mehrphasigen Wechselstrom-Tachomaschinen bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung für die stufenlose Drehzahlregelung von Asynchron-Kurzschlußläufer-Motoren zu entwickeln, welche es mit geringem Aufwand ermöglicht, eine genaue und schnelle Spannungssteuerung zur Erzielung einer Drehzahlregelung durchzuführen, bei der die Symmetrie des Mehrphasennetzes der positiven und negativen Halbwellen erhalten bleibt und die ferner bei Neueinschaltung ein Überschwingen vermeidet.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebenen kennzeichnenden Merkmale.

Wie umfangreiche Untersuchungen ergeben haben, sind die Stromlücken, welche sich bei der Spannungssteuerung durch Halbleiter mit Zündcharakteristik ergeben, dann für den Rundlauf des Motors ohne Bedeutung, wenn sie gleichmäßig und symmetrisch auftreten. Daher ist für den Regelkreis nicht, wie allgemein üblich, die Messung der Drehzahl als Führungsgröße ausreichend, sondern die dem vorausgehende genauere Messung der Winkelgeschwindigkeit. Dies wird vorteilhaft mit hochpoligen Synchrongeneratoren erreicht, deren Frequenz bei voller Drehzahl mindestens das Dreifache der Netzfrequenz betragen soll. Hierdurch wird eine große Anzahl von Meßpunkten verzögerungsfrei in den Regelkreis eingeführt, was die Voraussetzung für eine schnelle Ansteuerung und

den Rundlauf des Motors ist

Die Schnelligkeit der Regelung beruht darauf, daß eine hochpolige, mehrphasige Tachomaschine verwendet ist Hierdurch wird ein Speicherkondensator mehrmals während einer Netzspannungsperiode aufgeladen. Es kann deshalb der Kondensator auch in seiner Kapazität klein gewählt werden, so daß seine Zeitkonstante letztlich gering wird und er sich auch Änderungen schnell anpaßt. Durch die Rückführung wird dieser Effekt noch verstärkt, denn während der ι ο Pausen zwischen den Spannungskuppen vom Tachometerdynamo wird der Kondensator noch mehrmals getastet

Die von der Tachometermaschine kommende, mehrphasige Wechselspannung, wird gleichgerichtet, so daß sich eine von der Winkelgeschwindigkeit des Antriebes bzw. des Meßwertgebers abhängige Gleichspannung mit Restwelligkeit ergibt Aus dieser Gleichspannung und einer Sollspannung ohne Restwelligkeit, welche in an sich bekannter Weise stabilisiert isi, wird eine Differenzspannung gebildet, die auf eine elektronische Schaltstufe gegeben wird, von der die Energiezufuhr zu einem Speicherglied, als Kondensator ausgebildet, gesteuert wird. Die Energiezufuhr zu dem Kondensator unterliegt einer zusätzlichen Beeinflussung, die be- _τ> stimmt wird durch die Augenblickswerte der Tachometermaschine, der Sollwertspannung und der Spannung am Kondensator. Dadurch ergibt sich erfindungsgemäß für die Spannung, welche dem Kondensator zugeführt wird, eine Frequenz, welche mindestens das ju Einhundertfache der Netzfrequenz beträgt. Somit kann der Kondensator selbst für ganz kurze Speicherzeiten bemessen sein, und die gespeicherte Energie unterliegt einer schnellen, stetigen Änderung, die wiederum der Winkelgeschwindigkeit des geregelten Antriebes entspricht. Die Spannung am Kondensator bestimmt den Zündzeitpunkt der im Lastkreis d. h. zwischen Netz und Motorwicklung liegenden Halbleiterventile.

Einzelheiten der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt F i g. 1 das w Prinzip der Regelung in einem Blockschaltbild und Fig. 2 Einzelheiten aus dem Blockschaltbild als Schaltungsanordnung.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Motor bezeichnet, dessen mehrphasige Wicklung mit 11,12 und 13 bezeichnet ist. Diesen Wicklungen sind die gesteuerten Halbleiter 71, 72 und 73 vorgeschaltet. Mit 2 ist eine Tachometermaschine bezeichnet, ausgeführt als Synchrongenerator mit Dauermagneten. Dieser Tacho ist mit dem Motor starr verbunden, so daß die Winkelgeschwindigkeit des Motors direkt als Spannung übertragen wird. Den Halbleitern 71, 72 und 73 wird die Zündspannung von Impulserzeugerstufen 41, 42 und 43 zugeführt. Diese Impulserzeugerstufen stehen mit Synchronisierstufen 31, 32 und 33 in Verbindung, die über einen oder v> mehrere Kleintransformatoren 66 mit dem Netz verbunden sind. Mit 61 ist ein Netzteil für Steuer- und Zündspannungen bezeichnet. Mit 80 ist ein elektronischer Regler bezeichnet, dem der Sollwertgeber 17, dargestellt als Potentiometer, vorgeschaltet ist. so

Einzelheiten der Schaltungsausführung, aus der der funktioneile Schaltungsablauf ersichtlich wird, sind in F i g. 2 wiedergegeben. Dargestellt sind die Einzelheiten des Reglers 80 einer Synchronisierstufe 32 und einer Impulserzeugerstufe 42. Die Synchronisierstufen 31 und f» 33, deren Anschluß angedeutet ist, entsprechen der dargestellten Synchronisierstufe 32. Ebenfalls entsprechen die Impulserzeugerstufen 41 und 43 der dargestellten Jmpulserzeugerstuie 42. Die Erläuterung des Schaltungsablaufes kann sich daher auf die gezeichneten Anordnungen in F i g. 2 beschränken.

Die von dem Tacho 2 kommende Wechselspannung wird über die Gleichrichterbrücken 21 und 22 gleichgerichtet, so daß sich eine Gleichspannung mit Restwelligkeit ergibt. Da der Tacho 2 mehrphasig — er kann sowohl zweiphasig als auch dreiphasig sein — und außerdem hochpolig ist, entspricht die gewonnene Gleichspannung der Winkelgeschwindigkeit des Antriebes!.

Diese Gleichspannung wird auf eine elektronische Schaltstufe gegeben, und zwar über den Anpassungswiderstand 813 auf den Transistor 810. Auf den gleichen Transistor 810 wird vom Sollwertpotentiometer 17 über die Widerstände 814 und 811 die Sollwertspannung gegeben. Für den Eingang des Transistors 810 ist demnach die Differenzspannung, gebildet aus Soll- und Tachospannung, maßgebend.

Der gleiche Eingang unterliegt noch einer zusätzlichen Beeinflussung über den Widerstand 851 und den Kondensator 850, der mit dem Eingang des Speichergliedes, dem Kondensator 870, verbunden ist. Das Speicherglied 870 liegt im Stromkreis des Transistors 830. Die vorgeschaltete Diode 860 verhindert eine Entladung des Kondensators 870 nach rückwärts. Der Transistor 810 dient als Schwellwertgeber und als Verstärker. Der Transistor 820 erfüllt lediglich die Aufgabe einer Umkehr- und Zwischenstufe. Der Transistor 830 schaltet somit im Schaltrhythmus des Transistors 810 den Strom für die Ladung des Kondensators 870 ein bzw. aus.

Da bei jeder Einschaltung des Transistors 830 über den Kondensator 850 und die Widerstände 851 und 811 ein zusätzliches Signal auf den Eingang des Transistors 810 gegeben wird, ergibt sich für die Frequenz der Einschaltung des Transistors 830 bzw. für die Einschaltung des Speichergliedes 870 eine Frequenz, die mindestens das Einhundertfache der Netzfrequenz beträgt.

Der Transistor 840 übernimmt eine zusätzliche Aufgabe bei Anlegen der Betriebs- bzw. Steuerspannung. Durch das vorgeschaltete /?C-GIied 845 und 842, — dadurch ist eine Rückführung gegeben —, wird der Transistor mit einer Verzögerung an- bzw. aufgesteuert. Dadurch wird die Sollspannung am Potentiometer 17 langsam gesteigert, so daß ein Überschwingen des Reglers 80 und damit ein Überschwingen der Drehzahl des Motors 1 vermieden wird. Man kann das ÄC-Glied soweit verstimmen, daß praktisch ein Sanftanlauf des Motors erfolgt, d. h. sich für den Motor ein Anlauf ergibt, der einem langsamen Hochregeln der Drehzahl entspricht.

Der Ausgang des Kondensators 870 geht auf alle drei Synchronisierstufen 31, 32 und 33. Der weitere Verlauf soll an der Stufe 32 erläutert werden. Der Transistor 322 wird in Abhängigkeit der Wechselspannung des Netzes über den Eingang 660 aus- und eingeschaltet. Im gleichen Rhythmus schaltet der Transistor 321 über den Zwischentransistor 323. Der Impulskondensator 425, aus der Impulserzeugerstufe 42, wird mit dem Einschalten des Transistors 322 zur Aufladung an die konstante Spannung 610 gelegt, und zwar über den einstellbaren Widerstand 423. Durch diese Aufladung wird je Netzhalbwelle mindestens ein Zündimpuls über den Doppelbasistransistor 421 auf den Zündübertrager 427 gegeben, welcher über die Verbindung 720 zu den Thyristoren 72 geht. Hierdurch ergibt sich eine

einstellbare Mindestspannung bzw. ein Grundstrom für die Motorwicklung 11. Bei dieser Anordnung ist von besonderem Vorteil, daß über den Einstellwiderstand 423 ein Grunddrehmoment des Motors bestimmt ist, das nicht der Ausregelung vom Regler 80 unterliegt. Hierdurch wird erreicht, daß der Magnetisierungsstrom des Motors aufgrund von Regelabweichungen nicht NULL werden kann. Eine Voraussetzung für einen ruhigen Lauf des Motors.

Über den Transistor 321 und den einstellbaren Widerstand 424 wird dem Impulskondensator 425 eine weitere Spannung aus dem Regler 80 bzw. dem Speicherkondensator 870 zugeführt. Aufgrund diesel zusätzlichen Spannung erfolgt die erforderliche Impuls verschiebung bzw. die Ausregelung der Motorwicklun gen und somit die Konstanthaltung der mit den Sollwertpotentiometer 17 eingestellten Drehzahl. DU nicht näher beschriebenen Widerstände dienen ir bekannter Weise zur Ansteuerung der Transistoren.

Die erfindungsgemäße Anordnung ergibt bei Asyn chronmotoren eine Drehzahlregelung, die allen Ansprü chen an Genauigkeit, Überlastfähigkeit, großer Regel bereich und vor allen Dingen schneller Ausregelunj gerecht werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Regelung der Drehzahl eines vom Wechselstromnetz über steuerbare Halbleiterventile mit Zündcharakteristik, mit einer veränderlichen Spannung konstanter Frequenz gespeisten Asynchronkurzschlußläufermotors, dessen Drehmo-

■ ment-Drehzahl-Kennlinie stetig fallend ohne Einsattelung bis zur Synchrondrehzahl verläuft, mit einer die Motoristdrehzahl messenden Einrichtung, die to eine wellige Spannung, deren Frequenz bei maximaler Drehzahl oberhalb der dreifachen Nef.zfrequenz liegt, abgibt, aus der im Vergleich mit einer Drehzahl-Sollwertspannung eine Differenzspannung gebildet ist, die über ein Speicherglied den Impulserzeugerstufen zur Bildung der Zündimpulse für die in unabhängig voneinander liegenden Wicklungskreisen angeordneten Halbleitern zugeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die die Motordrehzahl messende Einrichtung eine Tachometermaschine ist, deren mehrphasige Ausgangswechselspannung in eine Gleichspannung mit Restwilligkeit umgeformt ist, daß die Differenzspannung dem Eingang einer Schaltstufe zugeführt ist, dessen Ausgangsspannung die Spannung des Speichergliedes steuert, und daß die Ausgangsspannung der Schaltstufe über eine aus einer Reihenschaltung eines Kondensators und eines Widerstandes bestehenden Rückführung auf ihren Eingang zurückgeführt ist, und daß im Stromkreis der Sollspannung ein als steuerbarer Halbleiter ausgebildetes Steuerorgan vorgesehen ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführung derart dimensioniert ist, daß die Schaltstufe mit einer Frequenz, die mindestens das lOOfache der Netzfrequenz beträgt, taktet.