DE2504767B2

DE2504767B2 - Verfahren und Vorrichtung zum Anfahren eines Synchronmotors

Info

Publication number: DE2504767B2
Application number: DE2504767A
Authority: DE
Inventors: Takeo Maeda; Yasuo Matsuda; Kunio Miyashita; Hironori Okuda; Yasuyuki Takahagi Sugiura; Kouzou Honda Kazuo Watanabe
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1974-02-06
Filing date: 1975-02-05
Publication date: 1978-03-02
Also published as: NL7501378A; US4012679A; DE2504767A1

Description

Die Ertfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Anfahren eines Synchronmotors der in den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 4 beschriebenen, aus AEG-Mitteilungen 54 (1964), 7/8, Seite 576 bis 578 bekannten ArL

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.

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.

Aus »Denki Keisan«, Band 40, Nr. 4, April 1972, Seiten 126 bis 129 ist es bekannt, den Synchronmotor mit Hilfe einer Anlaufstromversorgung, beginnend bei der Frequenz Null, zu starten und zu beschleunigen, beispielsweise mit einem statischen Wechselrichter oder einem anderen Umformer, und den Motor im Dauerbetrieb aus einer Dauerstromversorgung zu speisen. Der Motor wird zunächst über die Synchrondrehzahl hinaus beschleunigt und dann abgeschaltet. Erreicht dann während der hierdurch bedingten Verzögerung der Synchronmotor die Synchrondrehzahl, so wird auf die Dauerstromversorgung geschaltet Obwohl diese Art des Vorgehens den Vorteil hat, daß die Regulierung einfach ist, wird die Beziehung zwischen der Frequenzgenauigkeit für die Synchronisation und dem Zustand für die Synchronisation, d. h. die Übereinstimmung von Spannung, Frequenz und Phase zwischen den beiden Stromversorgungen durch das Trägheitsmoment des mechanischen Systems einschließlich des Motors und der Last sowie der Motordrehzahl festgelegt, was zu einem großen Trägheitsmoment führt. Wenn eine hohe Frequenzgenauigkeit erforderlich ist, wird deshalb dadurch, daß während der natürlichen Verzögerung des Motors nur eine Möglichkeit der Synchronisation vorhanden ist, die Synchronisation sehr schwierig. Oft kommt sie auch nicht zustande. Man muß dann

b5 abv/arten, bis der Synchronmotor zum Stillstand kommt und dann den ganzen Vorgang wiederholen, so daß für die Synchronisation unter Umständen viel Zeit notwendig ist.

Schließlich wird bei dem aus der eingangs genannten Druckschrift bekannten Verfahren der Synchronmotor bei einer Teilspannung gestartet und auf die Synchrondrehzahl beschleunigt Nach Erreichen des Synchronschlupfes wird der Synchronmotor von der Anlaufstromversorgung auf die Dauerstromversorgung umgeschaltet Hierbei wird der Synchronmotor nicht beginnend bei der Frequenz Null hochgefahren, so daß es zu erheblichen Linschaltstößen kommen kann. Außerdem nimmt das Einregulieren der Anlaufstrom-Versorgung auf Spannung und Phase der Dauerstromversorgung eine verhältnismäßig lange Zeit in Anspruch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Anfahren eines Synchronmotors anzugeben, bei denen der Synchronmotor innerhalb möglichst kurzer Zeit bei hoher Frequenzgenauigkeit beim Übergang von der Anlaufauf die Dauerstromversorgung stoßfrei hochgefahren und stets mit gutem Wirkungsgrad und stabil arbeiten kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die von den Patentansprüchen 1 und 4 erfaßten Maßnahmen gelöst.

Da erfindungsgemäß die Drehzahl des Synchronmotors vor der Umschaltung auf die Dauerstromversorgung abwechselnd erhöht und erniedrigt wird, läßt sich sehr leicht und einfach der jeweils günstigste Zeitpunkt für die Umschaltung bestimmen, was eine praktisch stoßfreie, schnelle und wirtschaftliche Arbeitsweise s.nd Umschaltung gewährleistet.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 und 3 b/:w. 5 bis 8.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.

F i g. 1 zeigt das Blockschaltbild einer Schaltung zum Anfahren eines Synchronmotors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 2 zeigt in einem Diagramm die Arbeitsweise der Schaltung von F i g. 1,

F i g. 3 zeigt das Blockschaltbild einer Schaltung zum Anfahren eines Synchronmotors gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

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

F i g. 5 und 6 zeigen Arbeitskennlinien des Synchronmotors,

F i g. 7 zeigt das Blockschaltbild eines strombezogenen Wechselrichters gemäß der Erfindung,

F i g. 8a bis 8c zeigen Kennlinien der Vorrichtung von Fig.7,

Fig.9 zeigt das Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform eines strombezogenen Wechselrichters gemäß der Erfindung,

Fig. 10 zeigt in einem Diagramm Arbeitskennlinien des Synchronmotors,

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

Die in F i g. 1 gezeigte Ausführungsform enthält eine Stromversorgung 1, beispielsweise durch das Netz, eine Dauerstromversorgung 2, eine Anlaufstromversorgung 3, Schalter 4 und 5, eine Steuerschaltung 6 zur Betätigung der Schalter 4 und 5, einen Synchronmotor 7 und einen Drehzahldetektor 9 zur Erzeugung einer zur Drehzahl des Synchronmotors 7 proportionalen Spannung. Ein Detektor 10 für den Synchronzustand enthält einen Frequenzkomparator 11, einen Phasenkomparator 12, einen Spannungskcrnparator !3 und dnc UND-Schaltung 14 zur Erzeugung eines Signals für die Feststellung des Synchronzustands und zur Zuführung dieses Signals zu der Steuerschaltung 6, wenn Frequenz, Phase und Spannung übereinstimmen. Der Frequenzkomparator 11 erzeugt ein Ausgangssignal in einem Frequenzbereich, in dem die Synchronisation möglich ist. Ein Flip-Flop 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 des Flip-Flops 15. Ein Differenzverstärker 17 mißt die Differenz zwischen einer vorher festgelegten Bezugsspannung Es und der Ausgangsspannung AEs der Feineinstellung 16 für die Spannung, wobei die Bezugsspannung Es etwa der Dauerbetriebsfrequenz des Synchronmotors 7 entspricht. Ein Drehzahlregler 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 des Drehzahldetektors.

Die vorstehend beschriebene Schaltang arbeitet folgendermaßen:

Vor dem Hochfahren des Motors 7 ist der Schalter 4 durch die Steuerschaltung 6 geöffnet, während der Schalter 5 geschlossen ist. Beim Starten wird somit der Synchronmotor 7 von der Anlaufstromversorgung 3 gespeist und beschleunigt. Wenn der Synchronmotor 7 die Dauerdrehzahl erreicht, wird der Schalter 4 durch die Steuerschaltung 6 geschlossen, während der Schalter 5 geöffnet wird, so daß der Synchronmotor 7 danach durch die Dauerstromversorgung 2 in Tritt gehalten wird, was noch näher erläutert wird. Durch Verwendung der Anlaufstromversorgung 3 und der Dauerstromversorgung 2 ist es möglich, den Motor 7 einfach von der Spannung Null anlaufen zu lassen sowie eine überlegene Stabilität im Dauerbetrieb zu erreichen.

Im folgenden wird anhand Fig.2 die Umschaltung von der Anlaufstromversorgung 3 auf die Dauerstromversorgung 2 erläutert. In dieser Figur ist die Änderung der Arbeitsfrequenz des Synchronmotors bei a dargestellt. Die gestrichelte Linie, die über der Frequenz Fm der Dauerstromversorgung 2 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 Spannungsfeineinstellung 16 erzeugt wird. Die obere und die untere ausgezogene Linie veranschaulichen die maximal zulässigen Grenzen Af der synchronen Schaltfrequenzabweichung. Wenn die Differenz zwischen den Ausgangsfrequenzen der Anlaufstromversorgung 3 und der Dauerstromversorgung 2 in diesem Bereich der zulässigen Frequenzabweichung liegt, erzeugt der Frequenzkomparator 11 ein Ausgangssignal. Die Ausgangsspannung Δ Es der Spannungsfeineinstellung 16 wird deshalb erzeugt, um eine Drehzahlregulierung bei einem der Bezugsspannung £"5 zugeordneten Frequenzpegel, der etwas höher als Fm + Af liegt, und bei einem der Bezugsspannung Es—A Es zugeordneten Frequenzpegel zu bewirken, der etwas niedriger als f/u—Af ist. Der Wert AMm stellt die Frequenzgenauigkeit für das Synchronschalten dar. In F i g. 2 ist mit b das Ausgangssignal des Frequenzkomparators U, mit cdas Ausgangssigna! des Flip-Flops 15,

mit ddas Ausgangssignal der Spannungsfeineinstellung 16, mit dem Diagramm eder öffnungs- und Schließvorgang des Schalters 5 und mit f der Öffnungs- und Schließvorgang des Schalters 4 bezeichnet.

Die Koinzidenz von Spannung und Phase, die für das Synchronschalten erforderlich ist, wird auf die herkömmliche Weise durch das Synchronschalten selbst 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 zulässigen Schaltfrequenz gelangt, erzeugt der Frequenzkomparator 11 das Ausgangssignal öder F i g. 2. Unter dieser Bedingung beträgt die Bezugsspannung des Drezahlreglers 18 nur Es. Deshalb ist die festgelegte Frequenz höher als /Jw + Af, so daß der Synchronmotor 7 weiter beschleunigt wird. Zu dem Zeitpunkt, in welchem die Motorfrequenz den Wert /m + Af übersteigt, wird das Ausgangssignal des Frequenzkomparators 11 Null, worauf das Flip-Flop 15 ausgelöst wird, was dazu führt, daß die Bezugsspannung des Drehzahlreglers 18 sich auf Es- Δ Es ändert. Wenn die Bezugsspannung Es—AEs wird, ist der Drehzahlregler 18 auf einen Frequenzpegel festgelegt, der niedriger ist als der Pegel fM—Af. Deshalb gelangt der Synchronmotor 7 in eine Verzögerungsphase. Die Frequenz des Synchronmotors 7 tritt wieder in den für das Synchronschalten zulässigen Frequenzbereich ein, wodurch der Frequenzkomparator 11 ein Ausgangssignal erzeugt. Zu dem Zeitpunkt, in welchem der Synchronmotor 7 unter den Pegel fM—Af verzögert wird, wird das Ausgangssignal des Frequenzkomparators 11 wieder Null, so daß das Flip-Flop 15 ausgelöst wird und sich die Bezugsspannung des Drehzahlreglers 18 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 erreicht wird. Wenn der synchrone Schaltpunkt erreicht ist, öffnet der Schalter 5 und der Schalter 4 schließt, wodurch der Synchronmotor 7 durch die Dauerstromversorgung 2 in Tritt gehalten wird.

Beim Verzögern des Synchronmotors 7, wenn der Strom von der Anlaufstromversorgung 3 zugeführt wird, wird die Frequenzänderungsgeschwindigkeit verglichen mit der Frequenzänderungsgeschwindigkeit bei der natürlichen Verzögerung, die eintritt, wenn der Synchronmotor von der elektrischen Energiequelle getrennt wird, beträchtlich verringert, so daß zum Synchronschalten eine verlängerte Zeitspanne zur Verfügung steht. Aus diesem Grund ist das Erreichen des Synchronisationspunktes auch dann leicht erzielbar, wenn eine hohe Frequenzgenauigkeit erforderlich ist. So kann beispielsweise die Frequenzgenauigkeit von 0,2 bis 0,4, wie sie bei dem herkömmlichen Verfahren üblich ist, um eine Größenordnung verbessert werden. Auch wenn es bei einer derart hohen Frequenzgenauigkeit nicht erforderlich ist, den Synchronisationspunkt bei einer Beschleunigung und Verzögerung 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 F i g. 3 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der Schaltung Fi g. 1 dadurch, daß sowohl das Ausgangssignal der Spnnnungsfeincinstcllung 16 als auch das Alisgangssignal des Drehzahldetektors 9 dem Eingang des Drehzahlreglers 18 über den Differenzverstärker 17' zugeführt wird, wobei im übrigen die Arbeitsweise der Ausführungsform von F i g. 3 völlig der der Schaltung von F i g. 1 entspricht.
Statt bei der Dauerbetriebsfrequenz des Synchronmotors 7 können die Schalter 4 und 5 auch bei einer Frequenz umgeschaltet werden, die beträchtlich unter der Dauerbetriebsfrequenz liegt. Obwohl es erforderlich ist, den Motor durch die Dauerstromversorgung bis zur Dauerbetriebsfrequenz zu beschleunigen, ist dieses

ίο Verfahren dann äußerst wirksam, wenn der Synchronmotor mit hoher Drehzahl arbeitet.

Im folgenden seien die Anlaufstromversorgung 3 und die Dauerstromversorgung 2 näher erläutert. Vorzugsweise wird eine Stromversorgung mit einstellbarer Spannung und einstellbarer Frequenz mit einem 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. Als Dauerstromversorgung wird 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. Als Dauerstromversorgung kann auch das Netz verwendet werden.

Im folgenden wird näher erläutert, wie der für die Anlaufstromversorgung geeignete, strombezogene Umformer wirksam gesteuert wird.
Zunächst wird auf die Steuerungskennlinien des Synchronmotors eingegangen, wenn dieser von einem strombezogenen Wechselrichter gesteuert wird F i g. 4a und 4b zeigen Vektordiagramme des von dem Wechselrichter gespeisten Synchronmotors. Die Klemmenspannung Et des Motors ist eine Vektorsumme der in dem Motor induzierten Spannung Eo und des Spannungsabfalls / · X infolge der Null-Reaktanz wobei / der Motorstrom und X die Null-Reaktanz ist Den Phasenwinkel δ zwischen der Klemmenspannung Et und der induzierten Spannung Eo wird allgemein als Lastwinkel, der Phasenwinkel φ zwischen der Klemmenspannung Et und dem Motorstrom / als Leistungsfaktorwinkel bezeichnet. Wie aus den Vektordiagrammen ersichtlich ist, kann die Leistung P des Synchronmotors ausgedrückt werden durch

oder durch

P = 3 ±£_±£. sin Λ

P = 3 E₁ · / cos (f .

Bei dem strombezogenen Wechselrichter wird die Motorleistung Pdurch Steuern des Leistungsfaktorwinkcls φ reguliert, wobei der Motorstrom / fest bleibt Deshalb ändert sich die Klemmenspannung Et mit dem Leistungsfaktorwinkel φ längs eines einen Kreis bildenden geometrischen Ortes, dessen Mitte auf dei Spitze ζ) des Vektors der induzierten Spannung Eb unc auf dem Radius / · X liegt. Die Vektordiagramme vor Fig.4a bzw. Fig.4b zeigen die Fälle, in welcher Eo>I ■ A"und Eo<I ■ Xist. Das Diagramm von Fig.5 welches verschiedene Motorleistungen P zeigt, erhall man aus der obigen Beziehung zwischen derr Leistungsfaktorwinkel φ und der Klemmenspannung E und aus Gleichung (2). Wie aus dem Diagramm zi ersehen ist, ergibt sich bei einem bestimmten Leistungsfaktorwinkel φ nur ein Wert für die Motorleistung P

wenn / ■ X/Eo<\ ist. Bei einem Leistungsfaktorwinkel φ ergibt sich jedoch ein Wertepaar für die Motorleistung P, wenn I ■ X/Eo>\ ist. In dem Bereich, in welchem / · X/Eoi 1 ist, ist der Wert der Motorleistung Pnur in einem begrenzten Bereich des Leistungsfaktorwinkeis ψ festgelegt, so daß ein Motorbetrieb außerhalb dieses Bereichs des Leistungsfaktorwinkels unmöglich ist. Man sieht daraus, daß die Steuerung des Synchronmotors schwierig ist, wenn /· -Y/Eoäl ist. Man sieht weiterhin, daß der Leistungsfaktorwinkel φ, ιο bei welchem die Motorleistung Pein Maximum ist, sich bei einem großen Wert für / · X/Eo einstellt. Der Verlauf der maximalen Motorleistung ist in Fig.6 angenähert durch eine Gerade o—e veranschaulicht.

Wenn die Frequenzsteuerung des Synchronmotors sowohl in stabiler als auch brauchbarer Weise bewirkt werden soll, müssen der Motorstrom / und der Leistungsfaktorwinkel φ derart reguliert werden, daß / ■ X<Eo bei einer gegebenen induzierten Spannung Eo ist und daß bei einem gegebenen Motorstrom /der Leistungsfaktorwinkel φ im Bereich zwischen einer Voreilung von 90°, bei welcher die Motorleistung Null ist, und dem Punkt maximaler Leistung, oder in dem Bereich zwischen einer Nacheilung von 90°, wo die Motorleistung Null ist, und dem Punkt maximaler Leistung geändert wird.

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

Fig. 7 zeigt ein Blockschaltbild eines solchen jo strombezogenen Wechselrichters, bei welchem der Drehstrom aus der Drehstromversorgung 21 durch einen Gleichrichter 22 in einen Gleichstrom Id umgeformt und über die Drosselspule 23 dem Wechselrichter 25 zugeführt wird. Der Gleichstrom Id s^ wird durch den Wechselrichter 25 in einen die Drehzahl des Ro.ors des Synchronmotors 28 bestimmenden Drehstrom umgewandelt. Der sich ergebende Drehstrom wird der Ankerwicklung 81 des Synchronmotors 28 zugeführt. Die Größe des von dem Gleichrichter 22 erzeugten Gleichstroms Id und die Phase des von dem Wechselrichter 25 erzeugten Drehstroms werden, wie nachstehend erläutert, gesteuert.

Die Arbeitskennlinien des Frequenzkomparators 29, des Oszillators 30 mit fester Phase und der Strombcgrenzungsschaltung 32 sind in den Fig. 8a, 8b bzw. 8c gezeigt. Zuerst wird die aus der Klemmspannung Et des Synchronmotors 28 durch den Frequenzdetektor 27 festgestellte Arbeitsfrequenz λ mit der Bezugsfrequenz /J₁ durch den Frequenzkomparator 29 verglichen, der seinerseits ein Signal Es, wie es in F i g. 8a gezeigt ist, erzeugt. Ansprechend auf dieses Signal Es steuert der Oszillator 30 mit fester Phase den Lcistungsfaktorwinkcl (JP, d. h. die Phasendifferenz zwischen der Klemmenspannung Et und dem Motorstrom /, wie dies durch die v, Gerade RE von Fig. 8b gezeigt ist. Die Klemmenspannung Et wird dabei aus dem .Spannungsdetektor 26 ohne irgendeine Verzerrung von der Wcllcnformungsschaltung 31 aufgenommen, so daß die Phase des Moiorstroins /, welche z. B. dem Nullschnittpunkl der t,o vorstehend beschriebenen Spannung entspricht, durch Steuerung der Ausgangsimpulsphasc des Oszillators 30 mit fester Phase derart gesteuert wird, daß der Lcistungsfaktorwinkel (/>, wie es in I'ig.8b gezeigt ist, erreicht wird. Dadurch wird die Phase des Ausgangs- b^r, drchstroms des Wechselrichters 25 reguliert. Dadurch, daß der l.eistungsfaklorwinkcl q> nur zwischen -90" und </i| für einen gegebenen l'estwerl von beispielsweise /1 des Motorstroms /, was sich aus F i g. 6 ergibt, geändert werden kann, wird in diesem Fall der Bezugsstrom /0 zum Festlegen des Motorstroms /dem Oszillator 30 mit fester Phase zugeführt, um dadurch die Änderung des Leistungsfaktorwinkels in dem Bereich von —90° bis φι zu begrenzen. Aus diesem Grund verlaufen die Kennlinien des Oszillators 30 mit fester Phase entsprechend der Kurve RAFm Fig.8b, so daß der Leistungsfaktorwinkel φ für den Motorstrom l\ derart reguliert wird, daß die Motorleistung P nur in dem Bereich zwischen Null und der maximalen Leistung liegt. Wenn diese maximale Leistung wegen eines erhöhten Belastungsdrehmomentes nicht genügt, kann der Motorstrom / erhöht werden, was entsprechend durch /2, /3 usw. veranschaulicht ist. Dabei sind die Kennlinien des Oszillators 30 mit fester Phase durch die abgebogenen Kurven RGB, RCH und RDK in F ig. 8b gezeigt. Es ist somit möglich, den Leistungsfaktorwinkel φ von der Voreilung um 90° bis zu einem Punkt zu regulieren, der dem Maximalwert der Motorleistung bei irgendeinem Motorstrom entspricht.

Anhand von F i g. 5 wurde bereits erwähnt, daß die Motorleistung P zwei Werte für einen gegebenen Leistungsfaktorwinkeidann annimmt, wenn / · X/Eo> 1 ist, daß es keinen Bereich für den Voreüungsbetrieb gibt, wenn / · XZEo=] ist, und daß die Motorleistung P mit der Zunahme des Stromes des Synchronmotors für einen voreilenden Leistungsfaktorwinkel ψ verringert wird, wenn / · X/Eo<\ oder annähernd 1 ist. Um den Motor im Tritt und leistungsgerecht zu betreiben, sollte der Wert von / · X/E vorzugsweise niedriger als 0,8 sein. Zu diesem Zweck wird der Motorstrom /, wie nachstehend erwähnt, begrenzt, indem die induzierte Spannung Eodes Synchronmotors festgestellt wird. Wie aus F i g. 9 zu ersehen ist, wird zuerst ein Feldstrom // proportional zur induzierten Spannung E durch einen Feldstromdetektor 35 festgestellt und der Strombegrenzungsschaltung 32 zugeführt. Der Feldstrom If wird durch die Strombegrenzungsschaltung 32 in ein Strombegrenzungssignal Ef umgewandelt, das den in Fig.8c gezeigten Verlauf hat. Die Stromsteuerschaltung 33 begrenzt so den Motorstrom /, indem der Zündwinkel des Thyristors des Gleichrichters 22 festgelegt wird, auch wenn der Bezugsstrom /0 gegenüber dem Strombegrenzungssignal Ef auf einen großen Wert eingestellt ist. Wenn der Bezugsstrom /0 auf oder unter einen maximalen Wert /ολ/ eingestellt wurde, der durch das Strombegrenzungssignal El bestimmt ist, stellt der Stromdetcktor 24 den Gleichstrom Id fest, so daß die Stromsteuerschallung 33 den Gleichstrom Id mit dem Bezugsstrom /0 vergleicht, wodurch die Steuerung der Ausgangsimpulsphasc der Impulsphasenstcuerschaltung 34 derart gesteuert wird, daß der Gleichstrom Id mit dem Bezugsstrom /_tl übereinstimmt. Wenn der Bezugsstrom Ai über den maximalen Pegel /<ιλ( hinausgeht, wird der Gleichstrom mit dem maximalen Wert Ihm als Bezugsgröße gesteuert. Auf diese Weise wird der Wert von / · X/Eo immer unter einem vorher festgelegten Pegel gehallen, was von dem Gradienten der Geraden von F i g. 8c abhängt.

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

Es soll angenommen werden, daß der Synchronmotor bei einem Fcldstrom If infolge der induzierten Spannung ßn arbeitet, während die Stromeinslellung /1 beträgt. Wenn die Belastung des Motors erhöht wird und die Betriebsfrequenz unter die Bezugsfrequenz f»

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 Signals Es bringt das Ausgangssignal des Oszillators 30 mit fester Phase den Leistungsfaktorwinkel φ in eine Nacheilung, wodurch die Motorleistung P ansteigt, so daß der Motor bei einer vorher festgelegten Frequenz /ö bei einem Leistungsfaktorwinkel φ, der im Gleichgewicht zu dem Belastungsdrehmoment steht, weiter arbeitet. Wenn das Belastungsdrehmoment verringert wird, sollte in gleicher Weise der Bezugsstrom k zunehmen, wenn der Motorstrom h verglichen mit der Motorleistung P klein ist, die für den Motorbetrieb erforderlich ist. Auf diese Weise wird der Dauerbetrieb des Motors gewährleistet, da der eingestellte Stromwert /automatisch in dem Bereich begrenzt wird, der sich aus der Ungleichung / · Xo < 1 ergibt.

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

Bei der in F i g. 9 gezeigten Ausführungsform wird ein von der Drehstromversorgung 21 erzeugter Drehstrom durch den Gleichrichter 22 in den Gleichstrom Id umgeformt. Dieser Gleichstrom Id wird von dem Stromdetektor 24, der Stromsteuerschaltung 33 und der Impulsphasensteuerschaltung 34 gesteuert. Der Gleichstrom Id wird in einen Drehstrom synchron zu der Rotordrehzahl des Synchronmotors 28 durch den Wechselrichter 25 über den Spannungsdetektor 26 zum Feststellen der Klemmenspannung Et des Synchronmolors 28, über die Wellenformungsschaltung 31 und über den Oszillator 30 mit fester Phase umgeformt. Der erhaltene Drehstrom wird der Ankerwicklung 81 zugeführt. Die Arbeitsweise der Schaltung von F i g. 9 entspricht der von F i g. 7, mit der Ausnahme, daß der Leistungsfaktorwinkel φ und der Motorstrom / gleichzeitig, wie nachstehend erläutert, gesteuert werden.

Bei der Ausführungsform von F i g. 9 stellt der Frequenzdetektor 27 die Arbeitsfrequenz f des Synchronmotors 28 fest. Die Arbeitsfrequenz /"wird durch den Frequenzkomparator 29 mit der Bezugsfrequenz f₀ verglichen. Von dem Frequenzkomp"">tor 29 wird das Signal Es, wie es in F i g. 8a gezeigt isi, erzeugt und dem Oszillator 30 mit fester Phase sowie der Strombegrenzungsschaltung 32 zugeführt.

Es wird hier angenommen, daß der Oszillator 30 mit fester Phase solche Kennlinien hat, daß, wie es in Fig. 1 la gezeigt ist, der Leistungsfaktorwinkel φ linear aus φι bis (p2 längs einer Geraden über dem Änderungsbereich £si bis £s2des Signals Esdes Frequenzkomparators 29 festgestellt wird, wobei ψ\ bis q>2 den Bereich des Leistungsfaktorwinkels zeigen, der der maximalen Motorleistung P entspricht, wobei die Punkte für die maximale Leistung annähernd durch die Gerade in Fig. 10 gezeigt sind. Die Strombegrenzungsschaltung 32 hat derartige Eingangs- und Ausgangskennlinien, wie sie in F i g. lib über dem Alisgangssignal des Fcldstromdetektors 35 zum Feststellen der induzierten Spannung Eo durch Erfassen des Feldstroms // proportional zur induzierten Spannung £° gezeigt sind. Wenn sich das Signal von Es\ nach Esi über den induzierten Spannungen £oi..., fin ändert, wird das Ausgangssignal Ei durch eine Gerade dargestellt, deren Gradient von dem Wert der induzierten Spannungen £Ό abhängt. Der durch die induzierte Spannung E_Oi bestimmte Gradient wird beispielsweise so gesteuert, daß, wenn das Ausgangssignal En der Strombegrenzungsschaltung 32 entsprc chend dem Maximalwert E& des Signals Es, wie es ii Fig. 11b gezeigt ist, als Bezugssignal der Stromsteuerschaltung 33 zugeführt wird, der Gleichstroin pm Ausgang des Gleichrichters 22 auf den Wert gleich / ir, der Gleichung / · X/Eq\ = 1 über die Schaltung einreguliert wird, welche den Stromdetektor 24, die Stromsteuerschaltung 33 und die Impulsphasensteuerschaltung 34 aufweist.

Es soll angenommen werden, daß, wenn der Synchronmotor durch den Feldstrom // bei der induzierten Spannung £m betrieben wird, die Arbeitsfrequenz infolge einer Änderung der Motorbelastung unter den Bezugswert /"o reduziert wird. Das Ausgangssignal Es des Frequenzkomparators 29 vergrößert sich, was aus F i g. 8a zu ersehen ist. Infolge der Änderung des Signals Es führt die Arbeitsweise des Oszillators 30 mit fester Phase dazu, daß der Leistungsfaktorwinkel φ sich zu einer Voreilung hin ändert. Das Ausgangssignal Ei der Strombegrenzungsschaltung 32 nimmt längs der

jo Geraden von £oi in Fig. lib aus zu, wodurch der eingestellte Strom erhöht wird, der der Stromsteuerschaltung 33 zugeführt wird. Der Gleichstrom Id wird erhöht und somit auch der Motorstrom / und umgekehrt. Wie aus Fig. 10 zu ersehen ist, ist der

j5 Leistungsfaktorwinkel φ entsprechend einem bestimmten Maximalwert P_Max der Motorabgabeleistung im wesentlichen proportional zum Motorstrom / entsprechend dem speziellen Maximalwert Pm_1u wenn die induzierte Spannung Eo konstant ist. Wenn die Änderungen von / · X/Eo gleich sind, wird die Länge des entsprechenden Teils der geraden Linie von Fig. 10 im wesentlichen fixiert. Dies führt dazu, daß es mit den vorstehenden Kennlinien des Oszillators 30 mit fester Phase und der Stromsteuerschaltung 32, wie sie in Fig. 11a und Hb über dem Feststellungssignal Es gezeigt sind, möglich ist, den Leistungsfaktorwinkel φ und den Motorstrom / gegenüber der Änderung des Signals Es immer längs der Geraden von Fig. 10 zu steuern. Der Motorstrom /und der Leistungsfaktorwinkel ψ werden also durch Steuern des Motorstroms / mit der Strombegrenzungsschaltung 32 derart gesteuert, daß der Leistungsfaktorwinkel φ entsprechend dc maximalen Leistung bei dem vorherrschenden Wer' / · X/Eo durch den Oszillator mit fester Phase bestimir

■γ-, wird, während gleichzeitig immer der Bedingung / · X/Eo< 1 genügt wird. Wenn die Arbeitsfrequenz des Synchronmotors sich infolge einer Belastungsänderung ändert, wird auf diese Weise die Motorleistung, wie vorstehend erwähnt, geeignet reguliert, wodurch die

ho Übereinstimmung der Drehzahl des Synchronmolors mit der Bezugsfrequenz k erreicht werden kann.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Anfahren eines Synchronmotors, bei dem der Synchronmotor von einer Anlaufstromversorgung gestartet und kurz vor Erreichen des Synchronlaufs bei Übereinstimmung von Spannung und Phase der Anlaufstromversorgung und einer Dauerstromversorgung auf die Dauerstromversorgung umgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß bis zur Umschaltung auf die Dauerstromversorgung die Drehzahl des Synchronmotors innerhalb eines für die Umschaltung geeigneten Bereichs um die Synchrondrehzahl abwechselnd erhöht und erniedrigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl des Synchronmotors in geringerem Maße verringert wird als bei Unterbrechung der elektrischen Energiezufuhr.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Motorstrom von der Anlaufstromversorgung derart geregelt wird, daß der Spannungsabfall in Folge der synchronen Reaktanz die im Motor induzierte Spannung nicht überschreitet und der Leistungsfaktorwinkel in einem Bereich gesteuert wird, der sich ausgehend von einem Punkt, bei dem die Motorleistung bei einem gegebenen Motorstrom ein Maximum ist, bis zu einer Voreilung von 90° oder einer Nacheilung von 90° erstreckt, wobei die Motorleistung gleich Null ist.

4. Vorrichtung zum Anfahren eines Synchronmotors, mit einer Anfahrstromvsrsorgung, von der der Synchronmotor von einer Steuerschaltung auf eine Dauerstromversorgung umschaltbar ist, und mit Einrichtungen zum Vergleich der Frequenz und der Spannung der Anlauf- und de*· Dauerstromversorgung, gekennzeichnet durch Frequenzänderungseinrichtungen (15—18) zum Reduzieren der Frequenz der Anlaufstromversorgung (3), wenn diese einen Pegel oberhalb der Frequenz der Dauerstromversorgung (2) überschreitet, und zum Erhöhen der Frequenz der Anlaufstromversorgung (3), wenn diese unter einen Pegel unter der Frequenz der Dauerstromversogrung (2) absinkt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzänderungseinrichtungen ein Flip-Flop (15) umfassen, das ansprechend auf die Ausgangssignale eines Frequenzkomparators (11) setzbar und rücksetzbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlaufstromversorgung (3) ein lastgeführter Umformer ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Umformer eine Stromsteuerschaltung (33) enthält, die bewirkt, daß der Spannungsabfall infolge der synchronen Reaktanz die im Motor induzierte Spannung nicht überschreitet, sowie eine Phasensteuerschaltung (30) zum Steuern des Leistungsfaktorwinkeis in einem Bereich aufweist, der von einem Punkt ausgeht, bei welchem die Motorleistung ein Maximum ist, und bis zu einer Voreilung von 90° oder einer Nacheilung von 90° reicht, bei welchen die Motorleistung Null ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Einstellen eines Bezügssü'oms für die Siromsteuerschaltung (33) und die Phasensteuerschaltung (30), und durch eine Wellenformungsschaltung (31) zum Gestalten der Wellenform des Signals für die im Motor induzierte Spannung und zum Zuführen des erhaltenen Ausgangssignals zur Phasensteuerschaltung (30).