DE2205113B1

DE2205113B1 - Anordnung zum einstellen der einem mehrphasen-asynchron-motor zugefuehrten spannung

Info

Publication number: DE2205113B1
Application number: DE19722205113
Authority: DE
Inventors: Gerd 7970 Leutkirch Schulz
Original assignee: Kaltenbach and Voigt GmbH
Current assignee: Kaltenbach and Voigt GmbH
Priority date: 1972-02-03
Filing date: 1972-02-03
Publication date: 1973-08-02
Also published as: CH561978A5; DE2205113A1

Description

Bekannt ist ferner eine Anordnung zur Erfassung der Läuferdrehzahl an einem Gleichstrom-Kleinstmotor mit Permanent-Magnetläufer und elektronischer Kommutierung, bei der an die Ständerwicklungen in Sperrichtung zur Motor-Speisespannung gepolte Dioden angeschlossen sind, über deren zweiten Anschluß Halbwellen der vom Permanentmagnet-Läufer in den Ständerwicklungen induzierten Spannungen ausgekoppelt werden (deutsche Auslegeschrift 1 238 998). Im Gegensatz zu einem von einer Wechselrichterschaltung gespeisten Motor, bei dem die Wicklungen in beiden Richtungen vom Strom durchflossen sind, ist bei der bekannten Anordnung,
bei der nur eine Stromrichtung in den Wicklungen vorliegt, ein Sperren der Motor-Speisespannung durch die entsprechende Polung der Dioden gegeben.
Das drehzahlabhängige Signal ist hier infolge des konstanten Läuferfeldes immer direkt proportional der Drehzahl, wodurch diese exakt erfaßt werden kann.
Demgegenüber ist eine Erfassung der Drehzahl innerhalb des Frequenzbereiches des Wechselrichters bei der erfindungsgemäßen Anordnung nicht möglich (und auch nicht notwendig), da das verwendete Signal sowohl von der Belastung als auch der Motorspeisespannung (die ja erfindungsgemäß auch eine Funktion der Belastung ist) abhängt. Der erfindungsgemäßen Lösung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der Abbau der Feldenergie bei einem Asynchron-Motor um so schneller erfolgt, je stärker der Läufer des Asynchron-Motors belastet wird. Der durch die Rückstromdioden fließende Strom hängt von dem Abbau der Feldenergie ab.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt F i g. 1 Kennlinien eines Mehrphasen-Asynchron-Motors bei verschiedenen Motorspannungen, F i g. 2 eine Dreiphasen-Brücke zur Erzeugung einer Wechselspannung für einen Dreiphasen-Asynchron-Motor mit der Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines belastungsabhängigen Steuersignals; F i g. 3 a bis 3 c zeigen Impulsformen an dem gemeinsamen Widerstand der Schaltungsanordnung nach F i g. 2 bei verschiedenen Belastungen des Motors.
Die in F i g. 1 dargestellten Kurven zeigen die Abhängigkeit des Kippmomentes M1 und damit die Belastbarkeit eines Mehrphasen-Asynchron-Motors von der Motorspannung UM. Es bedeutet weiterhin n die Drehzahl, n0 die Leerlaufdrehzahl und Md das Drehmoment des Motors. Man erkennt, daß das Kippmoment Mk des Motors um so größer ist, je höher die dem Motor zugeführte Wechselspannung ist.
Je höher die dem Motor zugeführte Spannung ist, um so stärker ist auch seine Erwärmung. Da bei kleinen Belastungen auch das Kippmoment klein sein kann, ist man daher im Sinne einer möglichst geringen Erwärmung des Motors bestrebt, die Motorspannung an die Belastung anzupassen. Bisher wird mittels eines mit dem Motor gekoppelten Tachogenerators ein entsprechendes Steuersignal erzeugt, das von der Belastung abhängt. Mit diesem Steuersignal wird eine Gleichrichterschaltung gesteuert, die an ein Wechselstrom-Netz angeschlossen ist und eine dem Steuersignal entsprechende, in ihrer Höhe variierbare Gleichspannung erzeugt. Der Gleichrichterschaltung ist eine Wechselrichterschaltung nachgeschaltet, welche aus steuerbaren Schalterelementen besteht, die eine Mehrphasenbrücke zur Versorgung der Feldwicklungen des Asynchron-Motors mit einer Mehrphasen-Wechselspannung bilden.
Eine derartige Mehrphasenbrücke ist in F i g. 2 gezeigt. Es handelt sich hier um eine Dreiphasen-Brücke. Die Schaltung enthält sechs Transistoren T 1 bis T 6, die hier Schalter-Elemente bilden und von einem nicht dargestellten Impulssteuersystem gesteuert werden. Die Transistoren T 1 bis T 6 liegen zwischen dem Pluspol und dem Minus-Pol der von der Gleichrichterschaltung erzeugten Gleich- spannung. An die Dreiphasen-Brücke sind die drei Feldwicklungen W 1, W 2 und W 3 des Dreiphasen-Asynchron-Motors 3 angeschlossen.
Fig.2 enthält ferner eine Tabelle, aus welcher entnommen werden kann, wann welche Transistoren in der Taktfolge leitend sind. Beim ersten Takt sind beispielsweise die Transistoren T 1 und T5 leitend, so daß der Gleichstrom, ausgehend von dem Plus-Pol, über den Transistor T 1, die Wicklung W 3, die Wicklung W 1 und den Transistor T5 zu dem Minus-Pol fließt. Beim zweiten Takt sind die Transistoren T 1 und T6 leitend, so daß der Strom, ausgehend von dem Plus-Pol, über den Transistor T1, die Wicklung W 3, die Wicklung W 2 und den Transistor T 6 zu dem Minus-Pol fließt.
Die Transistoren T 1, T 2 und T 3 der in F i g. 2 dargestellten Schaltung sind durch Rückstromdioden D 1, D 2 bzw. D 3 überbrückt. An die Kollektoren der Transistoren T 4, T 5 und T 6 ist die eine Seite jeweils einer Rückstromdiode D 4, D 5 bzw. D 6 angeschlossen. Die anderen Seiten der Rückstromdioden D 4, D 5, D 6 sind zusammengeschaltet und mit der einen Seite eines Widerstandes Ro verbunden.
Die andere Seite des Widerstandes R0 ist mit dem Minus-Pol verbunden. Die Rückstromdioden D 1 bis D 6 sind in bezug auf die Gleichspannung in Sperr-Richtung geschaltet. Parallel zu dem Widerstand R0 liegt ein Verstärker, der schematisch durch einen Transistor T7 und Widerstände R 1 und R 2 angedeutet ist. Vom Punkt am Kollektor des Transistors T 7 kann nun eine belastungsabhängige Steuerspannung abgenommen werden, die zur Steuerung der obenerwähnten, nicht dargestellten Gleichrichterschaltung verwendbar ist. Dadurch kann die Verwendung eines Tachogenerators entfallen.
Die Rückstromdioden D 1 bis D 6 ermöglichen es, daß der Strom im Zeitpunkt des Abschaltens einer der Feldwicklungen W 1, W2, W 3 in der ursprünglichen Richtung weiter fließt, so daß die in der Wicklungsinduktivität gespeicherte magnetische Feldenergie abgebaut werden kann.
Während des ersten Taktes sind die Feldwicklungen W 1 und W 3 über die leitenden Transistoren T 1 und T5 an die Gleichspannung angeschlossen. Beim zweiten Takt sind die Transistoren T 1 und T6 leitend, so daß die Feldwicklung W1 abgeschaltet wird und die Gleichspannung über den Transistoren T 1 und T6 an den Feldwicklungen W2 und W 3 liegt. Die in der abgeschalteten Feldwicklung W 1 gespeicherte magnetische Feldenergie erzeugt nun einen Feldabbau-Strom, der in der gleichen Richtung fließt wie der Strom, der während des ersten Taktes infolge der an der Feldwicklung W 1 anliegenden Gleichspannung durch diese floß. Dieser Feldabbau-Strom fließt, ausgehend von der Feldwicklung W 1, über die Rückstromdiode 2, den leitenden Transistor T1 und die Feldwicklung W 3 wieder zu der Feldwicklung W 1. In diesem Fall fällt also an dem Widerstand Ro keine Steuerspannung ab.
Während des dritten Taktes sind die Transistoren T 2 und T 6 leitend. Das bedeutet, daß nunmehr die Feldwicklungen W 1 und W 2 an die Gleichspannung angeschaltet sind. Die Feldwicklung W 3 ist abgeschaltet. Die in der Feldwicklung W 3 gespeicherte magnetische Feldenergie erzeugt nun einen Feldabbau-Strom, der in der gleichen Richtung fließt wie der Strom, der während des zweiten Taktes durch die Feldwicklung W 3 infolge der anliegenden Gleichspannung floß. Dieser Feldabbau-Strom fließt, ausgehend von der Feldwicklung W3, durch die Feldwicklung W2, den leitenden Transistor T6, den Widerstand R0 und die Rückstromdiode D 4 wieder zu der Feldwicklung W 3. Während des dritten Taktes fällt also an dem Widerstand R0 eine Steuerspannung ab, die dem von dem Transistor T 7 gebildeten Verstärker zugeführt wird.
Während des vierten Taktes sind die Transistoren T 2 und T 4 leitend. Dadurch liegen die Feldwicklungen W1 und W 3 an der Gleichspannung. Die Feldwicklung W2 ist abgeschaltet. Die in der Feldwicklung W2 gespeicherte magnetische Energie erzeugt nun einen Feldabbau-Strom, der in der gleichen Richtung fließt wie der Strom, der durch die Feldwicklung W2 infolge der an dieser anliegenden Gleichspannung während des dritten Taktes floß. Der Feldabbau-Strom fließt, ausgehend von der Feldwicklung W2, durch die Rückstromdiode D 3, den leitenden Transistor T2 und die Feldwicklung W 1 zurück zu der Feldwicklung W 2. Während des vierten Taktes fällt an dem Widerstand Ro also keine Steuerspannung ab.
Während des fünften Taktes sind die Transistoren T 3 und T 4 leitend. Dadurch liegen die Feldwicklungen W 3 und W2 an der Gleichspannung.
Die Feldwicklung W1 ist abgeschaltet. Die in der Feldwicklung W 1 gespeicherte magnetische Energie erzeugt nun einen Feldabbaustrom, der in der gleichen Richtung fließt wie der Strom, der während des vierten Taktes durch die Feldwicklung W 1 infolge der an dieser anliegenden Gleichspannung floß. Der Feldabbau-Strom fließt, ausgehend von der Feldwicklung W 1, durch die Feldwicklung W 3, den leitenden Transistor T 4, den Widerstand Ro und die Rückstromdiode D 5 zurück zu der Feldwicklung W 1. Während des fünften Taktes fällt also an dem Widerstand R0 eine Steuerspannung ab.
Während des sechsten Taktes fällt an dem Widerstands2, keine Spannung ab; dagegen fällt während des ersten Taktes an dem Widerstand Ro wiederum eine Spannung ab. Man erkennt, daß nur bei jedem zweiten Takt an dem Widerstand Ro eine Steuerspannung abfällt. Die Steuerspannung tritt also in Form von Impulsen an den Widerstand R0 auf.
Die Form der Steuerspannungsimpulse an dem Widerstand Ro kann den F i g. 3 a bis 3 c entnommen werden. In Fi,o. Fi g. 3 a ist der Motor normal belastet, in Fig. 3 b ist der Motor leer laufend, und in F i g. 3 c ist der Motor blockiert. Die im Integral an dem Widerstand Ro auftretende Steuerspannung ist um so geringer, je stärker der Motor belastet ist, d. h., je geringer die Drehzahl des Motors ist. Die Steuerspannung ist also eine Funktion der Belastung des Motors. Die Welligkeit der Impulse stammt von den Kurzschlußstäben des Läufers des Asynchron-Motors.

Claims

Patentanspruch: Anordnung zum Einstellen der einem Mehrphasen-Asynchron-Motor zugeführten Spannung in Abhängigkeit von seiner Belastung, derart, daß die im Leerlauf anliegende Spannung mit zunehmender Belastung erhöht wird, mit einer an ein einphasiges oder mehrphasiges Wechselstromnetz angeschlossenen Gleichrichterschaltung, welcher zur Spannungssteuerung ein von der Belastung des Asynchron-Motors abhängigesSteuersignal zugeführt wird, und mit einer an den Ausgang der Gleichrichterschaltung angeschlossenen Wechselrichterschaltung, welche aus steuerbaren Schalter-Elementen besteht, die eine Mehrphasen-Brücke zur Versorgung der Feldwicklungen des Asynchron-Motors mit einer entsprechenden Mehrphasen-Wechselspannung bilden, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Schalter-Elemente (10 bis 15 bzw. T 1 bis T6) der Mehrphasen-Brücke (6) von einem Schaltungszweig überbrückt ist, der eine Rückstromdiode (D 1 bis D 6) enthält, und daß das belastungsabhängige Steuersignal für die Gleichrichter-Schaltung (1) aus dem durch mindestens eine der Rückstromdioden (D 1 bis D 6) infolge des Abbaus der magnetischen Feldwicklungs-Energie des Asynchron-Motors (3) fließenden Strom abgeleitet wird.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Einstellen der einem Mehrphasen-Asynchron-Motor zugeführten Spannung in Abhängigkeit von seiner Belastung, derart, daß die im Leerlauf anliegende Spannung mit zunehmender Belastung erhöht wird, mit einer an ein einphasiges oder mehrphasiges Wechselstromnets angeschlossenen Gleichrichterschaltung, welcher zur Spannungssteuerung ein von der Belastung des Asynchron-Motors abhängiges Steuersignal zugeführt wird, und mit einer an den Ausgang der Gleichrichterschaltung angeschlossenen Wechselrichterschaltung, welche aus steuerbaren Schalter-Elementen besteht, die eine Mehrphasen-Brücke zur Versorgung der Feldwicklungen des Asynchron-Motors mit einer entsprechenden Mehrphasen-Wechselspannung bilden.

Eine Anordnung der eingangs beschriebenen Art ist bekannt (VDE-Buchreihe, Bd. 11, »Energieelektronik und geregelte elektrische Antriebe«, VDE-Verlag Berlin, 1966, S. 550). Bei dieser bekannten Anordnung ist zur Erzeugung eines belastungsabhängigen Signals ein Tachogenerator vorgesehen, der mit dem Läufer des Asynchron-Motors gekoppelt ist.

Insbesondere bei Kleinstmotoren ist jedoch der Einbau eines Tachogenerators wegen des für den Einbau dieser Motoren normalerweise in sehr beschränktem Maße zur Verfügung stehenden Platzes sehr schwierig. Man muß hierbei bedenken, daß der Tachogenerator mit dem Motor gekoppelt sein muß, d. h., er muß unmittelbar am selben Platze mit diesem angeordnet werden. Mehrphasen-Asynchron-Motoren werden neuerdings beispielsweise in zahnärztlichen Bohrhandstücken zum Antrieb des Bohrers eingesetzt. Die Unterbringung des Tachogenerators in dem Bohrhandstück würde eine unerwünschte Vergrößerung des Bohrhandstückes erfordern. Außerdem ist die Verwendung eines Tachogenerators teuer.

Weiterhin wird bei den bisher bekannten Ausführungen dieser Art die Spannung proportional mit der Frequenz verändert, wenn die Drehzahl des Antriebs in größeren Bereichen verändert werden soll.

Die Nachteile dieser Anordnung sind, daß die frequenzabhängigen Verluste bereits im Leerlauf entsprechend der Frequenzerhöhung vergrößert werden, wodurch sich der Antrieb infolge dieser höheren Verluste stärker erwärmt. Desgleichen nehmen infolge des Frequenzeinflusses bei frequenzproportionaler Spannung die maximal erreichbaren relativen Momente (Kippmomente) bei höheren Drehzahlen ab, weil beispielsweise die Eigenverluste quadratisch mit der Frequenz steigen. Die Anpassung der Motorspannung an unterschiedliche Belastungszustände hat den Sinn, daß der Motor stets mit geringstmöglicher Verlustleistung betrieben wird. Dadurch wird die von dem Motor erzeugte Wärme auf ein Minimum reduziert und der Betrieb des Motors ökonomischer, wobei das maximal erreichbare Moment wesentlich erhöht wird.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Anordnung der eingangs beschriebenen Art so zu gestalten, daß ein Signal ohne großen Aufwand und Platzbedarf erzeugt werden kann, das infolge seiner Belastungsabhängigkeit eine Anpassung der Motorspeisespannung an verschiedene Belastungsfälle gestattet.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht bei einer Anordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß darin, daß jedes der Schalter-Elemente der Mehrphasen-Brücke von einem Schaltungszweig überbrückt ist, der eine Rückstromdiode enthält, und daß das belastungsabhängige Steuersignal für die Gleichrichter-Schaltung aus dem durch mindestens eine der Rückstromdioden infolge des Abbaus der magnetischen Feldwicklungs-Energie des Asynchron-Motors fließenden Strom abgeleitet wird.

Eine Wechselrichterschaltung mit Schalterelementen (z. B. Transistoren, Thyristoren), bei der die Schalterelemente von Rückstromdioden überbrückt sind, ist bekannt (AEG-Mitteilungen 54 [1964], Heft 1/2, Seiten 89 bis 106). Die Rückstromdioden sind für die Funktion des Wechselrichters und zur Ausbildung eines Rückstromes vom Verbraucher erforderlich. Ein Signal wird an ihnen nicht abgenommen.