DE2504767A1

DE2504767A1 - Verfahren und vorrichtung zum steuern der arbeitsweise eines synchronmotors

Info

Publication number: DE2504767A1
Application number: DE19752504767
Authority: DE
Inventors: Kazuo Honda; Takeo Maeda; Yasuo Matsuda; Kunio Miyashita; Hironori Okuda; Yasuyuki Sugiura; Kouzou Watanabe
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1974-02-06
Filing date: 1975-02-05
Publication date: 1975-08-14
Also published as: DE2504767B2; US4012679A; NL7501378A

Description

PATENTANWÄLTE D-3 KÜNCH3N 90 MARIAHlJLiPLATZ 2 &

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K. Lu SCHIFF 0 K Π / Π 0.1 ^D"^{8 MÜNCHENr 9S}

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dr. XJ. SCHÜBEL-HOPF telegr. auromarcpat München

DlPL-INQ. D. EBBINOHATJS TELEX 5-23 SOS AUHO X»

HITACHI, LTD. 5.-Februar 1975

DA-11 612

Prioritäten: 6. Februar 1974, Japan, Nr. 14 462/74 8. Februar 1974, Japan, Nr. 15 497/74

Verfahren und Vorrichtung zum Steuern der Arbeitsweise eines Synchronmotors

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern der Arbeitsweise eines Synchronmctors, bei denen insbesondere der Synchronmotor mit einer Anlaufstromversorgung gestartet und im Dauerbetrieb mit einer den Tritt aufrechterhaltenden Stromversorgung betrieben wird.

Wenn eine Vielzahl von Synchronmotoren parallel als Gruppe gleichzeitig betrieben wird, benutzt man nach einem herkömmlichen Verfahren einen einzigen Wechselrichter oder Zyklenumformer oder einen anderen statischen Stromumformer für die Versorgung mit Antriebsenergie, der zwei Aufgaben hat, nämlich den Anlauf und den Dauerbetrieb zu bewirken.

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Obwohl ein solches Verfahren den Vorteil hat, daß der Motor im wesentlichen von der Null-Frequenz aus gestartet werden kann, hat es den Nachteil einer hohen Impedanz, gesehen von der Synchronmotorseite, wodurch das Verfahren für den Gruppenbetrieb einer Vielzahl von Motoren vom Gesichtspunkt der Tritthaltung oder insbesondere zur Verhinderung des Pendeins ungeeignet ist.

Da der Stromumformer sowohl für den Anlauf als auch für den Dauerbetrieb benutzt wird, hängt sein Leistungsvermögen von der für die Beschleunigung erforderlichen Energie ab. Wenn eine große Anzahl von Motoren vorhanden ist, ergibt sich deshalb zwischen dem Gesamtleistungsvermögen und dem für den Dauerbetrieb erforderlichen Leistungsvermögen ein Unterschied, der so groß ist, daß der Umformer unwirtschaftlich arbeitet.

Man suchte deshalb ein wirtschaftliches Motorantriebssystem, mit welchem die Synchronmotoren von im wesentlichen der Null-Frequenz aus gestartet werden können, welches den Parallelbetrieb einer Vielzahl von Synchronmotoren mit hoher Stabilität ermöglicht und welches ein Leistungsvermögen hat, das im wesentlichen der für den Dauerbetrieb erforderlichen Leistung entspricht.

Ein Verfahren, um ein solches System zu erreichen, kann darin bestehen, den Synchronmotor mit Hilfe einer Anlauf-Stromversorgung zu starten und zu beschleunigen, beispielsweise mit einem statischen Wechselrichter oder einem anderen Umformer, und den Dauerbetrieb des Motors mit einer Stromversorgung für den Dauerbetrieb zu bewirken. Bei dieser Konstruktion ergibt sich jedoch das Problem, wie die Stromversorgung für den Dauerbetrieb umgeschaltet werden soll. Bei einem der vorgeschlagenen Verfahren für den synchronisierenden Übergang wird nach einer vorübergehenden Beschleunigung

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des Motors durch die Anlaufstromversorgung auf eine Drehzahl, die höher ist als die Frequenz des Dauerbetriebs, die Anlaufstromversorgung unterbrochen, wodurch naturgemäß die Drehzahl des Synchronmotors verringert wird. Während dieser gesetzmäßigen Verzögerung wird der Synchronmotor auf die Stromversorgung für den Dauerbetrieb durch Feststellen einer Synchronisierung zwischen der Stromversorgung für den Dauerbetrieb und dem Synchronmotor geschaltet. Obwohl dieses Synchronisiersystem den Vorteil hat, daß es hinsichtlich der Regulierung einfach ist, wird die Beziehung zwischen der Frequenzgenauigkeit für die Synchronisierung und dem Zustand für die Synchronisierung, d. h. die Übereinstimmung in der Spannung, Frequenz und Phase zwischen den beiden Stromversorgungen, durch das Trägheitsmoment des mechanischen Systems, einschließlich des Motors und der Last sowie der Motorumdrehungen festgelegt, was zu einem großen Wert des Trägheitsmomentes führt. Wenn eine hohe Frequenzgenauigkeit erforderlich ist, wird deshalb dadurch, daß es nur eine Möglichkeit der Synchronisierung während der natürlichen Verzögerung des Motors gibt, die Synchronisierung sehr schwierig. Oft kommt auch die Synchronisierung nicht zustande. Wenn die Synchronisierung einmal gestört ist, muß man abwarten, bis der Synchronmotor anhält, und das vorstehende Verfahren zum Sychronisieren durch Beschleunigen des Motors mit der Anlaufstromversorgung wiederholen, was den Nachteil hat, daß für die abschließende erfolgreiche Synchronisierung sehr viel Zeit erforderlich ist.

Weiterhin wird bei dem herkömmlichen Steuersystem, welches einen strombezogenen Umformer als Anlaufstromversorgung benutzt, der Synchronmotor dadurch gesteuert, daß eine Drehposition mittels mechanischer Teile festgestellt wird, die jedoch oft versagen und eine kurze Lebensdauer haben. Aus diesem Grund möchte man ein Steuersystem haben, mit dem es möglich ist, den Synchronmotor ohne irgendwelchen

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mechanischen Teile derart zu steuern, daß er sowohl mit hohem Wirkungsgrad als auch stabil arbeitet.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern der Arbeitsweise eines Synchronmotors zu schaffen, die wirtschaftlich sind, wobei der Synchronmotor von der Null-Frequenz mit hoher Stabilität gestartet wird. Insbesondere soll der Synchronmotor innerhalb einer kurzen Zeit und mit hoher Freguenzgenauigkeit beim Übergang von der Anlaufstromversorgung auf die Stromversorgung für den Dauerbetrieb synchronisierbar sein. Der Synchronmotor soll dabei immer mit gutem Wirkungsgrad und stabil arbeiten können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß beim Start und Beschleunigen des Synchronmotors mit einer Anlaufstromversorgung und im Dauerbetrieb mit einer Stromversorgung für den Dauerbetrieb die Beschleunigung und Verzögerung des Synchronmotors mittels der Anlaufstromversorgung in der Nähe der Frequenz der Stromversorgung für den Dauerbetrieb wiederholt werden, um den Übergang von der Anlaufstromversorgung auf die Stromversorgung für den Dauerbetrieb unter Synchronisation des Synchronmotors damit zu erreichen. Dabei wird ein strombezogener Umformer als Stromversorgung für den Dauerbetrieb verwendet und so gesteuert, daß der Motorstrom derart begrenzt wird, daß der Spannungsabfall infolge der Null-Reaktanz des Synchronmotors nicht höher ist als die induzierte Spannung des Synchronmotors. Weiterhin wird mit diesem Motorstrom der Leistungsfaktorwinkel zwischen dem Wert, bei welchem die Abgabe des Synchronmotors ein Maximum ist, und der 9o°-Voreilung oder 9o°- Nacheilung reguliert, bei welchen die Motorabgabe null ist.

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Gegenstand der Erfindung sind somit ein Verfahren und . eine Vorrichtung zum Steuern der Arbeitsweise eines Synchronmotors, wobei der Synchronmotor mit einer Anlauf-Stromversorgung gestartet und mit einer Stromversorgung für den Dauerbetrieb im Tritt gehalten wird. Die Anlaufstromversorgung ist so ausgelegt, daß sie abwechselnd eine Beschleunigung und Verzögerung des Synchronmotors in der Nähe der Frequenz wiederholt, um dadurch den Synchronmotor an die Stelle zu bringen, an welcher er synchron zu der Stromversorgung für den Dauerbetrieb ist. Die Anlaufstromversorgung umfaßt eine Stromsteuerschaltung und eine Phasenwinkelsteuerschaltung. Diese Schaltungen steuern den Motorstrom derart, daß verhindert wird, daß der Spannungsabfall infolge der Null-Reaktanz des Motors die induzierte Spannung des Motors übersteigt, während gleichzeitig der Leistungsfaktorwinkel so gesteuert wird, daß er in einem Bereich, liegt, der sich ausgehend von einer Voreilung von 9o zu dem Winkel erstreckt, der einem maximalen Abgabepunkt entspricht, welcher sich durch den Motorstrom ergibt.

Anhand der beiliegenden Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in einem Blockschaltbild die Steuerung für den Synchronmotor gemäß einer AusfUhrungsform der Erfindung.

Fig. 2 zeigt in einem Diagramm die Arbeitsweise der Schaltung von Fig. 1.

Fig. 3 zeigt in einem Blockschaltbild eine Steuerung für den Synchronmotor gemäß einer zweiten Ausführungsform der

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Erfindung.

Fig. 4a und 4b sind Vektordiagramme für den Synchronmotor.

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Fig. 5 und Fig. 6 zeigen Arbeitskennlinien des Synchronmotors.

Fig. 7 zeigt in einem Blockschaltbild einen strombezogenen Wechselrichter gemäß der Erfindung.

Fig. 8a bis 8c zeigen Kennlinien der Vorrichtung von Fig. 7.

Fig. 9 zeigt in einem Blockschaltbild eine weitere Ausführungsform eines strombezogenen Viechseirichters gemäß der Erfindung.

Fig. 1o zeigt in einem Diagramm Arbeitskennlinien des Synchronmotors .

Fig. 11a und 11b zeigen Kennlinien der Vorrichtung von Fig. 9.

Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform hat eine Stromzuführung 1, beispielsweise durch das Netz, eine Stromversorgung 2 für den Dauerbetrieb, eine Anlaufstromversorgung 3, Schalter 4 und 5, eine Steuerschaltung 6 für die Betätigung der Schalter 4 und 5, einen Synchronmotor 7 und eine Drehzahldetektorschaltung 9 zur Erzeugung einer Spannung proportional zur Anzahl der Umdrehungen des Synchronmotors 7. Eine Detektorschaltung 1o für den Synchronzustand hat eine Frequenzkomparatorschaltung 11, eine Phasenkomparatorschaltung 12, eine Spannungskomparatorschaltung 13 und eine UND-Schaltung 14 zur Erzeugung eines Signals für die Feststellung des Synchronzustands und zur Zuführung dieses Signals zu der Steuerschaltung 6, wenn eine Koinzidenz in der Frequenz, Phase und Spannung vorhanden ist. Die Frequenzkomparatorschaltung 11 erzeugt ein Ausgangssignal in einem Frequenzbereich, in welchem das Schließen des

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.Schaltkreises für die Synchronisation durchgeführt werden kann. Eine Flip-Flop-Schaltung 15 wird ansprechend auf das Ausgangssignal aus der Frequenzkomparatorschaltung 11 gesetzt und rückgesetzt. Eine Feineinstellung 16 für die Spannung dient zur Feinjustierung der Ausgangsspannung AEs ansprechend auf das Ausgangssignal aus der Flip-Flop-Schaltung 15. Ein Differenzverstärker 17 mißt.eine Differenz oder Abweichung zwischen einer vorher festgelegten Bezugsspannung Es und der Ausgangsspannung AEs der Feineinstellung 16 für die Spannung, wobei die Bezugsspannung Es ein Wert ist, der der Dauerbetriebsfrequenz des Synchronmotors 7 entspricht. Ein Geschwindigkeitsregler 18 dient zum Steuern der Ausgangsfrequenz der Anlaufstromversorgung 3, also der Arbeitsfrequenz des Synchronmotors 7 ansprechend auf die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 17, d. h. auf den Wert Es - AEs und das Ausgangssignal aus der Detektorschaltung 9 für die Umdrehungen.

Die vorstehende Schaltung arbeitet folgendermaßen:

Vor dem Anlaufen des Motors ist der Schalter 4 durch die Steuerschaltung 6 geöffnet, während der Schalter 5 geschlossen ist. Beim Starten des Motors wird somit der Synchronmotor 7 von der Anlaufstromversorgung 3 angetrieben und anschließend durch die gleiche Stromversorgung beschleunigt. Wenn der Synchronmotor 7 die Drehzahl für den Dauerbetrieb erreicht, wird der Schalter 4 durch die Steuerschaltung 6 geschlossen, während der Schalter 5 geöffnet wird, so daß der Synchronmotor 7 danach durch die Stromversorgung 2 für den Dauerbetrieb im Tritt gehalten wird, was noch näher erläutert wird. Durch Vervendung der Anlaufstromversorgung 3 und der Stromversoryuiig 2 für den Dauerbetrieb für aas Anlaufen bzw. das in Tritt Halten des Synchronmotors ist es möglich, den Motor einfach von der Null-Spannung anlaufen zu lassen sowie eine überlegene Stabilität im Dauerbetrieb zu erreichen.

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Im folgenden wird anhand von Fig. 2 das synchrone Schalten von der Anlaufstromversorgung 3 auf die Stromversorgung 2 für den Dauerbetrieb erläutert. In dieser Figur ist die Änderung der Arbeitsfrequenz des Synchronmotors mit a bezeichnet. Die gestrichelte Linie, die über der Frequenz für den Dauerbetrieb liegt, ist eine festgelegte, der Bezugsspannung Es entsprechende Frequenz, während die untere gestrichelte Linie eine andere festgelegte Frequenz darstellt, welche der Differenz Es - AEs entspricht, die von dem Differenzverstärker 17 ansprechend auf die fein eingestellte Ausgangsspannung AEs aus der Feineinstellung 16 für die Spannung erzeugt wird. Die obere und die untere ausgezogene Linie veranschaulichen die maximal tolerierbaren Grenzen Af der synchronen Schaltfrequenzabweichung. Wenn die Differenz zwischen den Ausgangsfrequenzen der Anlaufstromversorgung 3 und der Stromversorgung 2 für den Dauerbetrieb in diesem Bereich der tolerierbaren Frequenzabweichung liegt, erzeugt die Frequenzkomparatorschaltung 11 ein Ausgangssignal. Die Ausgangs spannung AEs der Feineinstellung 16 für die Spannung wird deshalb erzeugt, um eine Drehzahlregulierung auf einem Frequenzpegel, der etwas höher als f +Af im Falle der festgelegten, der Bezugsspannung Es zugeordneten Frequenz liegt, und bei einem Frequenzpegel zu bewirken, der etwas niedriger als f - Af ist, wenn die festgelegte Frequenz die Bezugsspannung Es -AEs betrifft. Der WertΔ ^f/^f _M stellt die Frequenzgenauigkeit für das synchrone Schalten dar. In Fig. 2 ist mit b das Ausgangssignal der Frequenzkomparatorschaltung 11, mit c das Ausgangssignal der Flip-Flop-Schaltung 15, mit d das Ausgangssignal der Feineinstellung 16 für die Spannung, mit dem Diagramm e der öffnungs- und Schließvorgang des Schalters 5 und mit f der öffnungs- und Schließvorgang des Schalters 4 bezeichnet.

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Die Koinzidenz von Spannung und Phase, die für das synchrone Schalten erforderlich ist, wird auf die herkömmliche Weise durch synchrones Schalten einfach erreicht. Deshalb beschränkt sich die folgende Erläuterung auf die Übereinstimmung der Frequenz.

Wenn der Synchronmotor 7 von der Anlaufstromquelle 3 beschleunigt wird und deren Frequenz in den Bereich der tolerierbaren Schaltfrequenz gelangt, erzeugt die Frequenz-^ komparatorschaltung 11 ein Ausgangssignal, wie es in Fig. bei b gezeigt ist. Unter dieser Bedingung beträgt die Bezugsspannung der Drehzahlregulierung 18 nur Es. Deshalb ist die festgelegte Frequenz höher als f + Af, so daß der Synchronmotor 7 weiter beschleunigt wird. Zu dem Zeitpunkt, in welchem die Motorfrequenz den Wert f +Af übersteigt, wird das Ausgangssignal der Frequenzkomparatorschaltung null, worauf die Flip-Flop-Schaltung 15 ausgelöst wird, was dazu führt, daß die Bezugsspannung der Drehzahlregulierung 18 sich auf Es -AEs ändert. Wenn die Bezugs spannung Es - Δ-Es wird, ist die Drehzahlregulierung 18 auf einen Frequenzpegel festgelegt, der niedriger ist als der Pegel f -Af. Deshalb gelangt der Synchronmotor 7 in eine Verzögerungsphase. Die Frequenz des Synchronmotors 7 tritt wieder in den tolerierbaren Frequenzbereich für das synchrone Schalten ein, wodurch die Frequenzkomparatorschaltung 11 ein Ausgangssignal erzeugt. Zu dem Zeitpunkt, in welchem der Synchronmotor 7 unter den Pegel f_M - Af verzögert wird, wird das Ausgangssignal der Frequenzkomparatorschaltung wieder null, so daß die Flip-Flop-Schaltung 15 ausgelöst wird und sich die Bezugsspannung der Drehzahlregulierung auf Es ändert. Dies führt dazu, daß der Motor 7 wieder beschleunigt wird. Auf diese Weise wird der Motor 7; wiederholt beschleunigt und verzögert, bis als Erfolg der Punkt des synchronen Betriebs der Schalter erreicht wird. Wenn der synchrone Schaltpunkt erreicht ist, öffnet der Schalter 5 und

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der Schalter 4 schließt, wodurch der Synchronmotor 7 durch die Stromversorgung 2 für den Dauerbetrieb in Tritt gehalten wird.

Beim Verzögern des Synchronmotors 7, wenn der Strom von der Anlaufstromversorgung 3 zugeführt wird, wird der-Grad der Frequenzänderung verglichen mit dem Grad der Frequenzänderung bei der natürlichen Verzögerung, die eintritt, wenn der Synchronmotor von der elektrischen Energiequelle abgeschnitten wird, beträchtlich verzögert, was zu einer erhöhten Zufallszahl (Zahl von Änderungen) beim synchronen Schalten führt. Aus diesem Grund ist das Erreichen des Synchronisationspunktes auch dann leicht erzielbar, wenn eine hohe Frequenzgenauigkeit erforderlich ist. So kann beispielsweise die Frequenzgenauigkeit von o,2 bis o,4, wie sie bei dem herkömmlichen Verfahren üblich ist, um eine Größenordnung verbessert werden. Auch in dem Fall, in welchem es bei einer derart hohen Frequenzgenauigkeit nicht erforderlich ist, den Synchronisationspunkt bei einer Beschleunigung und Verzögerungg zu erreichen, kann der Übergang in den synchronisierten Zustand ohne Störung in einem kurzen Zeitraum durch mehrmaliges Wiederholen der Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgänge erreicht werden.

Die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der Schaltung von Fig. 1 dadurch, daß sowohl das Ausgangssignal der Feineinstellung 16 für die Spannung als auch das Ausgangssignal der Drehzahldetektorschaltung 9 dem Eingang der Geschwindigkeitseinstelleinrichtung 18 über den Differenzverstärker 17' zugeführt wird, wobei im übrigen die Arbeitsweise der Ausführungsform von Fig. 3 völlig der der Schaltung von Fig. 1 entspricht.

Wie sich aus den vorstehenden Erläuterungen ergibt, wird die Betriebsfrequenz des Synchronmotors in der Nähe der Dauerbetriebsfrequenz durch die Anlaufstromversorgung

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zwangsweise erhöht und erniedrigt, um einen synchronisierten Zustand zu erreichen. Deshalb kann die Synchronisierung ohne Störung innerhalb einer kurzen Zeit bei einer hohen Frequenzgenauigkeit ausgeführt werden.

Im Gegensatz zu dem vorhergehenden Fall, bei welchem die synchrone Arbeitsweise der Schalter bei der Dauerbetriebsfrequenz des Synchronmotors ausgeführt wird, kann der synchrone Schaltvorgang auch bei einer Frequenz bewirkt werden, die beträchtlich unter der Dauerbetriebsfrequenz liegt* Obwohl es erforderlich ist, den Motor bis zur Dauerbetriebsfrequenz durch die Stromversorgung für den Dauerbetrieb zu beschleunigen, ist dieses Verfahren dann äußerst wirksam, wenn der Synchronmotor mit hoher Drehzahl arbeitet.

Es wird auf die Anlaufstromversorgung 3 und die Stromversorgung 2 für den Dauerbetrieb Bezug genommen. Vorzugsweise wird eine Stromversorgung mit einstellbarer Spannung und einstellbarer Frequenz mit dem strombezogenen Umformer, der immer einen konstanten Strom liefert ■■ und in der Lage ist, den Motor von der Null-Frequenz aus zu starten, als Anlaufstromversorgung 3 benutzt. Auf der anderen Seite wird als Stromversorgung für den Dauerbetrieb ein spannungsbezogener Umformer mit einer Energieversorgung mit konstanter Spannung und konstanter Frequenz bevorzugt/ die immer für eine konstante Spannung sorgt und während des Dauerbetriebs des Motors stabil ist. Das Netz genügt ebenfalls als Stromversorgung für den Dauertrieb.

Im folgenden wird näher erläutert, wie der für die Anlaufstromversorgung geeignete, strombezogene Umformer wirksam betätigt wird.

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Zunächst wird auf die Steuerungskennlinien des Synchronmotor eingegangen, wenn dieser von einem strombezogenen Wechselrichter gesteuert wird. Fig. 4a und 4b zeigen Vektordiagramme des von dem Wechselrichter angetriebenen Synchronmotor. Die Klemmenspannung Et des Motors ist eine Vektorsumme der in dem Motor induzierten Spannung Eo und des Spannungsabfalls I · X infolge der Null-Reaktanz_f wobei I der Motorstrom und X die Null-Reaktanz sind. Auf den Phasenwinkel b zwischen der Klemmenspannung Et und der induzierten Spannung Eo wird allgemein als Belastungswinkel, auf den Phasenwinkel i{ zwischen der Klemmenspannung Et und dem Ho tor strom I als Leistungsfaktorwinkel Bezug genommen. Wie aus den Vektordiagrammen ersichtlich ist, kann die Abgabeleistung P des Synchronmotors atisgedrückt werden durch

E ·Ε_ο
P = 3 sin ö (1)

oder durch

P = 3E_t · I cos ij¹ ..... (2)

Bei dem strombezogenen Wechselrichter wird die Motorabgabe P durch Steuern des Leistungsfaktorwinkels ^ reguliert, wobei der Motorstrom I fest bleibt. Deshalb ändert sich die Klemmenspannung Et mit dem Leistungsfkatorwinkel V längs eines einen Kreis bildenden geometrischen Ortes, dessen Mitte auf d,er Spitze Q des Vektors der induzierten Spannung Eo und auf dem Radius I*X liegt. Die Vektordiagramme von Fig. 4a bzw. Fig. 4b zeigen die Fälle, in welchen Eo> I*X und Εο<Ι·Χ ist. Das Diagramm von Fig. 5, welches verschiedene MotorabgabeIeistungen P zeigt, erhält man aus der obigen Beziehung zwischen dem Leistungsfaktorwinkel \t und der Klemmenspannung Et und aus Gleichung (2). Wie aus dem Diagramm zu ersehen ist, nimmt die Motorabgabeleistung bei einem entsprechenden Leistungsfaktorv?inkel tf einen Wert an,

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wenn Ι·Χ/Εο<1 ist. Bei einem Leistungsfaktorwinkel ergibt sich jedoch ein Wertepaar für die Motorabcrabeleistung P;, wenn Ι·Χ/Εο>1 ist. In dem Bereich, in welchem I'X/Eo > 1 ist, wird der Wert der Motorabgabeleistung P nur in einem begrenzten Bereich des Leistungsfaktorwinkels cf festgelegt, so daß der Motorbetrieb außerhalb eines solchen Bereichs des Leistungsfaktorwinkels unmöglich ist. Man sieht daraus, daß die Steuerung des Synchronmotors schwierig ist, wenn I>X/Eo > ist. Man sieht weiterhin, daß der Leistungsfaktorwinkel ψ, bei welchem die Motorabgabeleistung P ein Maximum ist, sich bei der Zunahme des Wertes von Ι·Χ/Εο später einstellt. Diese Änderungen der maximalen Abgabepunkte sind in Fig. 6 annähernd durch eine Gerade o-e veranschaulicht.

Wenn die Frequenzsteuerung des Synchronmotors sowohl in stabiler als auch brauchbarer Weise bewirkt werden soll, „ müssen der Motorstrom I und der Leistungsfaktorwinkel cf derart reguliert werden, daß I*X<Eo bei einer gegebenen induzierten Spannung Eo ist und daß bei einem gegebenen Motorstrom I der Leistungsfaktorwinkel <f im Bereich von einer Voreilung von 9o°, bei welcher die Motorabgabe null ist, bis zu einem Punkt maximaler Abgabe, oder in dem Bereich von einer Nacheilung von 9o , wo die Motorabgabe null ist, bis zu einem Punkt maximaler Abgabe geändert wird.

Ein strombezogener Wechselrichter zur Durchführung dieserv Arbeitsweise wird im folgenden anhand eines Beispiels erläutert.

Fig. 7 zeigt ein Blockschaltbild eines solchen strombezogenen Wechselrichters, bei welchem der Wechselstrom aus der Wechselstromversorgung 21 in einen Gleichstrom Id durch den Gleichrichter 22 umgeformt und über die in Reihe geschalteten Drosselspulen 23 dem Wechselrichter, 25 zugeführt wird. Der Gleichstrom Id wird durch den Wechselrichter 25 in einen

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Wechselstrom synchron zu der Drehzahl des Rotors des Synchronmotors 28 umgewandelt. Der sich ergebende Gleichstrom v/ird der Ankerwicklung 81 des Synchronmotors 28 zugeführt. Die Größe des von dem Gleichrichter 22 erzeugten Gleichstroms Id und die Phase des von dem Wechselrichter erzeugten Wechselstroms werden,wie nachstehend erläutert, gesteuert.

Die Arbeitskurvendiagramme des Frequenzkomparators 29, des Oszillators 3o mit fester Phase und der Strombegrenzungsschaltung 32 sind in den Figuren 8a, 8b bzw. 8c gezeigt. Zuerste wird die aus der Klemmenspannung Et des Synchronmotors 28 durch den Frequenzdetektor 27 festgestellte Arbeistfrequenz f mit der Bezugsfrequenz f durch den Frequenzkomparator 29 verglichen, der seinerseits ein Feststellungssignal Es, wie es in Fig. 8a gezeigt ist, erzeugt. Ansprechend auf dieses Feststellungssignal Es steuert der Oszillator 3o mit fester Phase den Leistungsfaktorwinkel <f , d. h. die Phasendifferenz zwischen der Klemmenspannung Et und dem Motorstrom I, wie dies durch die Gerade RE von Fig. 8b gezeigt ist. Das heißt mit anderen Worten, daß nach dem Feststellen der Klemmenspannung Et aus dem Spannungsdetektor 26 eine Wechselspannung ohne irgendeine Verzerrung von der Wellenformungsschaltung 31 aufgenommen wird, so daß die Phase des Motorstroms I, welche dem Nullschnittpunkt oder einem anderen Bezugspunkt der vorstehend beschriebenen Gleichspannung entspricht, durch Steuerung der Ausgangstorimpulsphase des Oszillators 3o mit fester Phase derart gesteuert wird, daß der Leistungsfaktorwinkel ^l( , wie es in Fig. 8b gezeigt ist, erreicht wird. Dadurch v/ird die Phase des Ausgangswechselstroms des Wechselrichters 25 reguliert. Dadurch, daß der Leistungsfaktorwinkel 'p nur . zwischen -9o und u> ₁ für einen gegebenen Festwert von beispielsweise I- des Motorstroms I, was sich aus Fig. 6 ergibt, geändert werden kann, wird in diesem Fall der Bezugsstrom I_Q

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zum Festlegen des Motorstroms I dem Oszillator 3o mit fester Phase zugeführt, um dadurch die Änderung des- Leistung:;faktorwinkeIs in dem Bereich von -9o bis γ zu begrenzen. Aus diesem Grund verlaufen die Kennlinien, des Oszillators 3o mit fester Phase, wie durch die bezogene Kurve RAF in Fig. 8b dargestellt ist, so daß der Leistungsfaktoi winkel i[ für den Motorstrom I* derart reguliert wird, daß die Jlotorabgabeleistung P nur in dem Bereich von null bin zur maximalen Abgabe für den Motorstrom I₁ liegt. Kenn, diese maximale Abgabe wegen eines -erhöhten Belastungsdrehmomentes nicht genügt, kann die Einstellung des Motorstrems I erhöht werden, was entsprechend durch I~, I~ usw. veranschaulicht i.'-.t. Dabei sind die Kennlinien des Oszillators 3o mit fester Phase durch die abgebogenen Kurven RBG, RCH usw."in Fig. 8b gezeigt. Es ist somit möglich, den Leistungsfaktorwinkel ·{ von der Voreilung von 9o bis ζλι einem Punkt zu regulieren, der dem Maximalwert irgendeiner ßtromeinsteilung entspricht.

AnhaiH "on Fig. 5 wurde bereits erwähnt, daß die Hotorabgabe-]c?if--i' nt} ρ ;:\7iii Werte für einen gegebenen Leistungsfaktorwinke! dann fimiimmt, wenn Ι·Χ/Ι]_β> 1 int, daß es keinen Beleich für den Voreilungsbetrieb gibt, wenn I-X/Eo gleich eins ist, und daß die Motorabgabeleistung P mit der Zunahme der Einstellung des Stroms des Synchronmotors für einen voreilenden Leistungsfaktorwinkel (f in dem Fall verringert wird., in welchem Ι·Χ/Εο<1 oder annähernd eins ist. Um den Motor im Tritt und leistungsgerecht zu betreiben, sollte der Viert von Ι·Χ/Ε vorzugsveise niedriger als o,8 sein. Für diesen 'Zweck..' wird die Größe des MotorStroms I, wie nachstehend erwähnt, begrenzt, indem die induzierte Spannung Eo des Synchronmotors festgestellt wird. Wie aus Fig. 5 zu ersehen ist, wird zuerst ein Feldstrom If proportional zur induzierten Spannung E durch einen Feldr;tromdetektor 35 festgestellt und der Strombegrenzungsschnltung 32 zugeführt. Dei Feldstrora If

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wird durch die Strombegrenzungsschaltung 32 in ein Strombegrenzungssignal Ef umgewandelt, welches die in Fig. 8c gezeigte Kennlinie hat. Die Stromsteuervorrichtung 33 begrenzt, so den Motorstrom I, indem der Zündwinkel des Thyristors des Gleichrichters 2 festgelegt wird, auch wenn der Bezugsstrom I_Q gegenüber dem Strombegrenzungssignal Ef auf einen großen Wert eingestellt ist. Wenn der Bezugsstrom I auf oder unter den Wert !„,. eingestellt wurde, der durch das Strombegrenzungssignal Ef bestimmt ist, stellt der Stromdetektor 24 den Gleichstrom Id fest, so daß die Stromsteuerschaltung 33 den Gleichstrom Id mit dem Bezugsstrom I_Q vergleicht, wodurch die Steuerung der Ausgangsimpulsphase der Impulsphasensteuerschaltung 34 derart gesteuert wird, daß der Gleichstrom Id mit dem Bezugsstrom I_Q übereinstimmt. Wenn der Bezugsstrom I_Q über dem Pegel I_o„ hinausgeht, wird der Gleichstrom mit I__M als Bezugsgröße gesteuert. Auf diese Weise wird der Wert von I*X/Eo immer unter einem vorher festgelegten Pegel gehalten, was von dem Gradienten der Geraden von Fig. 8c abhängt.

Der Wechselrichter mit den vorstehend beschriebenen Funktionen beeinflußt die Frequenzsteuerung des Synchronmotorsfolgendermaßen:

Es soll angenommen werden, daß der Synchronmotor bei einem Feldstrom If infolge der induzierten Spannung E_Q1 arbeitet, während die Stromeinstellung I- beträgt. Wenn die Belastung des Motors erhöht wird und die Betriebsfrequenz unter die Bezugsfrequenz f_Q verringert wird, ändert sich das Ausgangssignal Es des Frequenzkomparators 29 zu einem höheren Pegel hin, wie es in Fig. 8a gezeigt ist. Mit der Änderung des Feststellungssignals Es bringt das Ausgangssignal des Oszillators 3o mit fester Phase den Leistungsfaktorwinkel ψ in eine Nacheilung, wodurch die Motorabgabeleistung P ansteigt, so daß der Motor bei einer vorher festgelegten Frequenz f_Q

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bei einem Leistungsfaktorwinkel, der im Gleichgewicht zu dem Belastungsdrehmoment steht, weiter arbeitet. Wenn das Belastungsdrehmoment verringert wird, sollte in gleicher Weise der Bezugsstrom I_Q zunehmen, wenn der Motorstrom I₁ verglichen mit der Motorabgabeleistung P klein ist, die für den Motorbetrieb erforderlich ist. Auf diese Weise wird der Dauerbetrieb des Motors gewährleistet, da der eingestellte Stromwert I automatisch in dem Bereich begrenzt wird; der sich aus der Ungleichung Ι·Χο<1 ergibt.

Dieser strombezogene Wechselrichter wird dazu benutzt, die Synchronisation mit der Stromquelle für den Dauerbetrieb durch wiederholtes Korrigieren des Feststellungssignals Es, welches aus dem Frequenzkomparator 29 kommt, um λ Es zu erreichen, was bereits im einzelnen anhand von Fig. 1 beschrieben wurde.

Bei der in Fig. 9 gezeigten Ausführungsform wird ein von der Wechselstromversorgung 21 erzeugter Wechselstrom in den Gleichstrom Id durch den Gleichrichter 22 umgeformt. Dieser Gleichstrom Id wird von dem Stromdetektor 24, der Stromsteuerschaltung 33 und der Impulsphasensteuerschaltung 34 gesteuert. Der Gleichstrom Id wird in einen Wechselstrom synchron zu der Rotordrehzahl des Synchronmotors 28 durch den Wechselrichter 25 über den Spannungsdetektor 26 zum Feststellen der Klemmenspannung Et des Synchronmotors 28, über die Wellenformungsschaltung 31 und über den Oszillator mit fester Phase umgeformt. Der erhaltene Wechselstrom wird der Ankerwicklung 81 zugeführt. Die Arbeitsvreise der Schaltung von Fig. 9 entspricht der von Fig.7, mit der Ausnahme, daß der Leistungsfaktorwinkel<{' und der Motorstrom I gleichzeitig, wie nachstehend erläutert, gesteuert werden.

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Bei der Ausführungsform von Fig. 9' stellt der Frequenzdetektor 27 die Arbeitsfrequenz f des Synchronmotors 28 fest. Die Arbeitsfrequenz f wird durch den Frequenzkomparator 29 mit der Bezugsfrequenz f verglichen. Von dem Frequenzkomparator 29 v/ird das Feststellungssignal Es, wie es in.Fig. 8a gezeigt ist, erzeugt und dem Oszillator mit fester Phase sowie der Strombegrenzungsschaltung 32 zugeführt.

Es wird hier angenommen, daß der Oszillator 3o mit fester Phase solche Kennlinien hat, daß, wie es in Fig. 11a gezeigt ist, der Leistungsfaktorwinkel U⁵ linear aus <j« bistp~ längs einer Geraden über dem Änderungsbereich Es₁ bis Es₂ des Feststellungssignals Es des Frequenzkomparators 29 festgestellt wird, wobei if ^ bis W~ den Bereich des Leis.tungsfaktorwinkels zeigen, der der maximalen Motorabgabeleistung P entspricht, wobei die Punkte für die maximale Abgabe annähernd durch die Gerade in Fig. 1o gezeigt sind. Die Strombegrenzungsschaltung 32 hat derartige Eingangs- und Ausgangskennlinien, wie sie in Fig. 11b über dem Ausgangssignal des Feldstromdetektors 35 zum Feststellen der induzierten Spannung E_ durch Erfassen des Feldstroms If proportional zur induzierten Spannung E_ gezeigt sind. Wenn sich das Feststellungssignal von Es₁ nach Es₂ über den induzierten Spannungen E_Q1 ..., E_Q- beispielsweise ändert, wird das Ausgangssignal E_ durch eine Gerade dargestellt, deren Gradient von dem Wert der induzierten Spannungen E_Q abhängt. Der durch die induzierte Spannung E₁ bestimmte Gradient wird beispielsweise so gesteuert, daß, wenn das Ausgangssignal E₁ der Strombegrenzungsschaltung 32 entsprechend dem Maximalwert Es₂ des Feststellungssignals Es, wie es in Fig. 11b gezeigt ist, als Bezugssignal der Stromsteuerschaltung 33 zugeführt wird, der Gleichstrom am Ausgang des Gleichrichters 2 auf den Wert gleich I in der Gleichung I*X/E .. = 1 über die Schaltung einreguliert v/ird, welche den Stromdetektor 24, die Stromsteuerschaltung 33 und die Impulsphasensteuerschaltung 34 aufweist.

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Es soll angenommen werden, daß, wenn der Synchronmotor durch den Feldstrom If bei der induzierten Spannung E_Ql betrieben wird, die Arbeitsfreguenz unter den Bezugswert f_n infolge einer Änderung der Motorbelastung reduziert wird. Das Feststellungssignal Es des Frequenzkomparators 29 vergrößert sich, was aus Fig. 8a zu ersehen ist. Infolge der änderung des Feststellungssignals Es führt die Arbeitsweise des Oszillators 3o mit fester Phase dazu, daß der Leistungsfaktorwinkel if sich zu einer Voreilung hin ändert. Das Ausgangssignal E₁ der Strombegrenzungsschaltung 32 nimmt längs der Geraden von E_Ql in Fig. 11b aus zu, wodurch der eingestellte Strom erhöht wird, der der Stromsteuerschaltung 33 zugeführt wird. Der Gleichstrom Id wird erhöht und somit auch der Motorstrom I und umgekehrt. Wie aus Fig. 1o zu ersehen ist, ist der Leistungsfaktorwinkel tf entsprechend einem bestimmten Maximalwert P der Motorabgabeleistung im wesentlichen proportional zum Motorstrom I entsprechend dem speziellen Maximalwert P , wenn die induzierte Spannung E_n konstant ist. Wenn die Änderungen von I'X/E- gleich sind, wird die Länge eines entsprechenden Teils der geraden Linie von Fig. To im wesentlichen fixiert. Dies führt dazu, daß es mit den vorstehenden Kennlinien des Oszillators 3o mit fester Phase und der Stromsteuerschaltung 32, wie sie in Fig. 11a und 11b über dem Feststellungssignal Es gezeigt sind, möglich ist, den Leistungsfaktorwinkel φ und den Motorstrom I gegenüber der Änderung des Feststellungssignals Es immer längs der Geraden von Fig. 1o zu steuern. Der Motorstrom I und der Leistungsfaktorwinkel ^ werden also durch Steuern des Motorstroms I mit der Strombegrenzungsschaltung 32 derart gesteuert, daß der Leistungsfaktorwinkel if entsprechend der maximalen Abgabe bei dem vorherrschenden Wert Ι·Χ/Ε_η durch den Oszillator mit fester Phase bestimmt wird, während gleichzeitig immer der Bedingung Ι·Χ/Ε_Ο< 1" genügt wird. Wenn die Arbeitsfrequenz des Synchronmotors sich

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- 2ο -

infolge einer Belastungsänderung ändert, wird auf diese Weise die Motorabgabeleistung, wie vorstehend erwähnt, geeignet reguliert, wodurch die Übereinstimmung der Drehungen des Synchronmotors mit der Bezugsfrequenz f_n erreicht v/erden kann.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

( 1. !verfahren zum Steuern der Arbeitsweise eines Synchronmotors, dadurch gekennzeichnet, daß der Synchronmotor von einer AnlaufStromversorgung gestartet und durch eine Stromversorgung für den Dauerbetrieb in Tritt gehalten wird, daß ein tolerierbarer Frequenzbereich für das synchrone Schalten um eine Synchronfrequenz herum vorgesehen wird, um den Synchronmotor von der AnlaufStromversorgung auf die Stromversorgung für den Dauerbetrieb synchron umzuschalten, daß der Synchronmotor von der Anlaufstromversorgung verzögert wird, wenn die Umdrehungen des Synchronmotors die obere Grenze des Frequenzbereichs überschreirten, daß der Synchronmotor von der Anlaufstromversorgung beschleunigt wird, v/enn die Umdrehungen des Synchronmotors unter die untere Grenze des Frequenzbereichs verringert werden, und daß der Synchronmotor von der Anlaufstromversorgung auf die Stromversorgung für den Dauerbetrieb umgeschaltet wird, wenn die Frequenz, Phase und Spannung der AnlaufStromversorgung mit der für den Dauerbetrieb zusammenfallen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die. Umdrehungen des Synchronmotors mit einem Verzögerungsgrad verringert werden, der geringer ist als der, mit welchem der Synchronmotor verzögert wird, wenn die elektrische Energiezufuhr unterbrochen wird. · .

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3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des Motorstrorns von der Anlaufstromversorgung derart reguliert wird, daß der Spannungsabfall infolge der Null-Reaktanz des Synchronmotors nicht die induzierte Spannung des Synchronmotors überschreitet und der Leistungsfaktorwinkel des Synchronmotors in einem Bereich gesteuert wird, der sich ausgehend von einem Punkt, bei welchem die Abgabe des Synchronmotors um einen gegebenen Motorstrom ein Maximum ist, bis zu einer Voreilung von 9o oder einer Nachei!
Motorabgabe null ist.

9o oder einer Nacheilung von 9o erstreckt, wo die
4. Vorrichtung zum Steuern der Arbeitsweise eines Synchronmotors, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Synchronmotor, mit einer Anlaufstromversorgung, die mit dem Synchronmotor über eine erste Schalteinrichtung verbunden ist, mit einer Stromversorgung für den Dauerbetrieb, die mit dem Synchronmotor über eine zweite Schalteinrichtung verbunden ist, und mit einer Steuereinrichtung zum Steuern des Öffnens und Schließens der ersten und zweiten Schalteinrichtung, gekennzeichnet durch eine Frequenzkomparatorschaltung (11) zum Vergleichen der Frequenz der Anlaufstromversorgung (3) mit der Frequenz der Stromversorgung (2) für den Dauerbetrieb und zum Erzeugen eines Ausgangssignals, wenn die Differenz zwischen den Frequenzen nicht größer als ein vorher festgelegter Wert ist, durch Frequenzänderungseinrichtungen (15 bis 18) zum Reduzieren der Frequenz der Anlauf-Stromversorgung (3), wenn die Frequenz der Anlauf-Stromversorgung (3) einen Frequenzpegel überschreitet, der höher eingestellt ist, als die Frequenz der

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Stromversorgung (2) für den Dauerbetrieb und zum Erhöhen der Frequenz der Anlaufstromversorgung (3), wenn die Frequenz der Anlaufstromversorgung (3) unter den Frequenzpegel verringert wird, der höher eingestellt ist als die Frequenz der Stromversorgung

(2) für den Dauerbetrieb, durch eine Phasenkomparator— schaltung (12) zum Vergleichen der Phase der Stromversorgung (2) für den Dauerbetrieb mit der der Anlaufstromversorgung (3) und zum Erzeugen eines Ausgangssignals, wenn die Differenz zwischen den Phasen kleiner ist als ein vorher festgelegter Wert, durch eine Spannungskomparatorschaltung (13) zum Vergleichen der Spannung der Stromversorgung (2) für den Dauerbetrieb mit der der Anlaufstromversorgung (3) und zum Erzeugen eines Ausgangssignals, wenn die Differenz zwischen der Spannung kleiner ist als ein vorher festgelegter Wert, und durch eine UND-Schaltung (14) zum Erzeugen eines Ausgangssignals und zum Zuführen des Ausgangssignals zur Steuereinrichtung (6), wenn die Frequenzkomparatorschaltung (11), die Phasenkomparatorschaltung (12) und die Spannungskomparatorschaltung (13) Ausgangssignale erzeugen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzänderungseinrichtung eine Einrichtung zum Erhöhen der Frequenz der Anlaufstromversorgung

(3) auf einen Frequenzpegel, der höher eingestellt ist als die Frequenz der Stromversorgung (2) für den Dauerbetrieb, eine Flip-Flop-Schaltung (15), die ansprechend auf die Ausgangssignale der Frequenzkomparatorschaltung (11) setzbar und rücksetzbar ist, und Einrichtungen zum Verringern der Frequenz der Anlaufstromversorgung (3) auf einen Frequenzpegel aufweist, der niedriger ist als die Frequenz der Stromversorgung (2) für den Dauerbetrieb, ansprechend auf das Ausgangssignal aus der Flip-Flop-Schaltung (15).

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6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlaufstromversorgung (3) ein strombezogener Umformer ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der strombezogene Umformer eine Stromsteuerschaltung (33) für eine solche Steuerung des Motorstroms, daß der Spannungsabfall infolge der Nullreaktanz des Synchronmotors (28) die induzierte Spannung des Sychronmotors (28) nicht überschreitet, und eine Phasensteuerschaltung (3o) zum Steuern des Leistungsfaktorwinkels des Motors (28) in einem Bereich aufweist, der von einem Punkt ausgeht, bei welchem die Abgabe des Synchronmotors ein Maximum ist, bis zu einer Voreilung von 9o oder einer Nacheilung von 9o° reicht, bei denen die Motorabgabe null ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch \ Einrichtungen zum Einstellen eines Bezugsstroms, der der Stromsteuerschaltung (33) und der Phasensteuer schaltung (3o) zugeführt wird, durch einen Frequenzdetektor (27) und einen Detektor (26) für die induzierte Spannung zum Feststellen der Arbeitsfrequenz bzw. der induzierten Spannung des Synchronmotors (28) durch einen Phasenkomparator zum Feststellen der Differenz zwischen der Arbeitsfrequenz, die von dem Frequenzdetektor (27) festgestellt wird, und einer vorher festgelegten Bezugsfrequenz sowie zum Zuführen eines diese Differenz darstellenden Signals zu einer Phasenwinkelsteuerschaltung, und durch eine Wellenformungsschaltung (31) zum Gestalten der Wellenform der Ausgangsspannung aus dem Detektor (26) für die induzierte Spannung und zum Zuführen des erhaltenen Ausgangssignals zu der Phasenwinke!steuerschaltung .

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Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Frequenzdetektor (27) und einen Detektor (26) für die induzierte Spannung zum Feststellen der Arbeitsfrequenz und der induzierten Spannung des Synchronmotors (28), durch einen Phasenkomparator zum Feststellen der Differenz zwischen der van dem Frequenzdetektor festgestellten Arbeitsfrequenz und einer vorher festgelegten Bezugsfrequenz und zum Zuführen eines Ausgangssignals zu der Phasenwinkelsteuerschaltung und der Stromsteuerschaltung, und durch eine Wellenformungsschaltung (31) zum Gestalten der Wellenform der Ausgangsspannung des Detektors (26) der induzierten Spannung und zum Zuführen eines Ausgangssignals zu der Phasenwinkelsteuerschaltung.

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