DE2520992C3 - Anordnung zum Steuern oder Regeln der Drehzahl eines Induktionsmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Steuern oder Regeln der Drehzahl eines Induktionsmotors durch Schwingungspaketsteuerung, bei dem mindestens der Strom durch einen Wicklungsstrang mit Hilfe eines Triac steuerbar ist.

Viele Antriebsaufgaben verlangen eine einstellbare Drehzahl, damit eine Ausgangsgröße am Ende einer Wirkungsstrecke verändert werden kann, zum Beispiel die Strömungsgeschwindigkeit bei einem Lüfter, die Fördergeschwindigkeit bei einer Transportvorrichtung oder die Anstellgeschwindiigkeit bei einem Vorschubantrieb. Oft liegen höhere Genauigkeitsanforderungen vor, die nur durch Einsatz der selbsttätigen Regelung gelöst werden können und die Möglichkeit zum Einstellen der Drehzahl voraussetzen.

Es sind bereits Anordnungen zum Steuern oder Regeln der Drehzahl von Induktionsmotoren durch Schwingungspaketsteuerung bekannt, bei denen die relative Einschaltdauer verändert wird (Deutsches Elektrohandwerk, Band 45,1970, Heft 5, Seite 105-108; DT-AS 15 63 207; DT-AS 17 63 081). Hierbei pendeln die Augenblickswerte der Drehzahl kaum merklich um is den einstöll- und/oder regelbaren Mittelwert herum, falls die Bedingungen erfüllt sind: Ausgleich der Drehzahlzunahme während der Ein.schaltdauer infolge des um das Lastmoment verminderten Motormoments und der Drehzahlabnahme während der Ausschaltdauer durch das weiterhin bremsende Lastmoment; außerdem muß die mechanische Zeitkonstante des Antriebs genügend groß gegenüber der Spieldauer sein. — Bei verschwindendem Lastmoment und damit fehlender Bremswirkung nähert sich aber, weitgehend unbeein-Ech eine Verminderung der relativen Einschalt-H«..ir der Drehzahlmittelwert der Leerlaufdrehzahl bei de reibenEinscha.tdauer .00%. ähnlich wie auch bei Amplituden- oder Phasenanschnittssteuerungen, so daß dZ Sir viele Anwendungen kern ansehender Drehzahleinstellbereich zur Verfügung gestellt werden kann - Die Vorteile der Schwingungspaketsteuerung .0 bestehen u.a. darin, daß sie gegenüber der Phasenan-Sttssteuerung die HF-Entstörung wesenthch erleichtert die NF-Beeinflussung des Versorgungsnetzes vermeidet und die elektronischen Schalter geringer beansprucht, denn innerhalb eines Schwingungspakets ,< wird der Strom vorzugsweise zur Umgehung von Einschaltstromstößen und damit von störenden induktiven Spannungsspitzen jeweils kurz nach se.nem Nulldurchgang erneut eingeschaltet

Rpi langzeitig eingeschalteten Induktionsmotoren ist änderet beiannf, den Drehzahleinste.lbereich trotz verschwindendem Lastmoment durch eine mit dem Motor gekuppelte, ständig erregte Induktionsbremse zu erweitern, deren Bremsmoment das fehlende Lastmoment ersetzt. Dabei ist entweder der erregende Te. as Ständer und der die Induktionsströme fuhrende Teil als Läufer ausgebildet oder umgekehrt.

Gemäß diesem Prinzip kann für einen ersten Fall eine Erweiterung des Drehzahleinstellbereichs eines Motors dadurch erreicht werden, daß man dem Drehfeld des Motors ein Gleichfeld überlagert, das im Laufer Wirbelströme hervorruft, so daß die getrennte Induktionsbremse entfallen kann. Außerdem besteht die Möglichkeit, den erforderlichen Gleichstromanteil direkt aus dem Wechselstromnetz zu beziehen, indem in die Zuleitung eines jeden Wicklungsstranges eine Parallelschaltung von Diode und Stellwiderstand (DT PS 9 75 345 DT-AS 12 79 177) oder von Diode und Thyristor (DT-PS 12 15 803) eingefügt wird. Während der Einstellwiderstand den ohnehin infolge der Gleich-Strombremsung gesunkenen Wirkungsgrad zusätzlich verringert, bedeutet die Parallelschaltung von Diode und Thyristor außer der erschwerten Enstörung und unerwünschten Netzbeeinflussung eine Verdopplung der Halbleiterbauelemente. - Bei schwingungspaket- ^ gesteuerten Induktionsmotoren kann nach einem weiteren bekannten Verfahren der zur Erregung im Ständer notwendige überlagerte Gleichstromanteil ebenfalls direkt aus dem Wechselstromnetz dadurch bezogen werden, daß am Anfang eines jeden Schwingungspaketes ein geeigneter Einschaltvorgang hervorgerufen wird (DT-AS 23 03 803); die Wirksamkeit dieses Verfahrens hängt jedoch von der Höhe des Leistungsfaktors des Induktionsmotoirs ab.

Im zweiten Fall (Induktionsströme führender Teil: Ständer, erregender Teil: Läufer) ist bei gegebenen konstruktiven Erfordernissen die entsprechende Ausbildung der an einen langzeitig eingeschalteten Induktionsmotor gekuppelten Induktionsbremse ebenfalls naheliegend; die Wirkungsweise dieser Bremse ist mit * derjenigen einer durch ein Polrad erregten Synchronmaschine zu vergleichen, deren Ständerwicklung nicht mit dem Drehstromnetz verbunden ist, sondern generatorisch mit gemischt ohmsch/induktiven konstanten Widerständen beiastet ist.

Es wurden bereits Übergangsvorgänge untersucht, bei denen auch im Induktionsmotor selbst eine bremsende Wirkung ähnlich wie in der oben beschriebenen Synchronmaschine auftritt (B ο η f e r t. K„: Verhal-

ten und Schutz von Drehstrommotoren bei Spannungseinbrüchen und Spannungsunterbrechungen; VDE-Fachberichte, Band 23,1964, Seite 2!3/BiId 6 und Seite 215/Bild 10). Nach der Spannungsabsenkung infolge einer zunächst noch nicht aufgehobenen Störung, z. B. durch einen Klemmen- oder Abstandskurzschluß, verschwindet der Hauptfluß eines Snduktionsmotors nicht plötzlich, sondern haftet als sogenanntes Restfeid an der Läuferwicklung; er klingt annähernd exponential mit einer Zeitkonstanten ab, dia wegen des als Belastungswiderstand für die Ständerwicklung wirksamen Kurzschlusses meistens kleiner ist als diejenige, die sich bei vollständiger Unterbrechung der Netzzuleitungen ergeben hätte. Dabei wird elektrische Energie zusätzlich in den Kurzschluß geliefert, die aus der im Augenblick der Spannungsabsenkung gespeicherten kinetischen Energie des Läufers stammt und ihn daher abbremst. Diese bremsende Wirkung wurde jedoch nicht zur betriebsmäßigen Erweiterung des Drehzahleinstellbereichs von Induktionsmotoren bei verschwindendem Lastmoment benutzt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Anordnung der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß auch bei Leerlauf und kleiner Last ein großer Drehzahleinstellbereich möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß innerhalb der Ausschaitdauer nach Ablauf eines vorderen Sicherheitszeitabschnitts mindestens ein Triac einen vom Netz abgeschalteten Wicklungsstrang mit einem Bremswiderstand verbindet und spätestens vor Beginn eines hinteren Sicherheitszeitabschnitts wieder trennt.

Weitere Ausbildungen der Erfindung sehen vor,
daß der Bremswiderstand ein Wirkwiderstand ist,
daß der Bremswiderstand veränderbar ist,

daß die relative Bremsdauer veränderbar ist,
daß die Veränderungen der relativen Bremsdauer und/oder des Bremswiderstands durch Regler bewirkt sind, und

daß der vordere Sicherheitszeitabschnitt, die Bremsdauer, eine Pausendauer und/oder der hintere Sicherheitszeitabschnitt aus annähernd ganzzahligen Vielfachen der Netzspannungshalbschwingungsdauer gebildet sind.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß kein Erregerstrom benötigt wird, um das die Bremswirkung herbeiführende magnetische Feld zu erzeugen. Darüber hinaus wird der Drehzahleinstellbereich insbesondere im Leerlauf und bei kleinen Lasten reproduzierbar erweitert. Außerdem werden gegenüber der Phasenanschnittsteuerung die Triacs geringer beansprucht und sowohl die Störung durch unbeabsichtigt erzeugte Hochfrequenz als auch die Rückwirkung auf das speisende Netz herabgesetzt.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt

F i g. 1 einen dreiphasigen Induktionsmotor in Sternschaltung mit je einem Triac in einer Netzzuleitung und mit einem weiteren Triac gemäß der Erfindung, und

F i g. 2 der zeitliche Verlauf von Spannung und Strom eines Wicklungsstranges der Ständerwicklung und von Drehmoment und Drehzahl.

Die im Ständer eines dreiphasigen Induktionsmotors angeordneten Wicklungsstränge 1, 2, 3 mit den Wicklungsanschlüssen 4,5,6 sind durch die Triacs 7,8,9 an die Netzzuleitungen R, S, T angeschlossen; die Sternbrücke 10 ist fest mit dem Nulleiter MPverbunden. Die Triacs 7,8,9 werden durch annähernd gleichzeitige Zündimpulse an den Steuereiektroden 11, 12, 13, die durch die Steuergeneratoren 14,15,16 geliefert werden, eingeschaltet; den Zeitpunkt dafür legt der Zeitgeber 17 fest Falls die eingegebene Einschaltdauer Te das erfordert, veranlaßt der Zeitgeber 17 die Steuergeneratoren 14,15,16 zur Lieferung von erneuten Zündimpulsen in allen weiteren Halbschwingungen des Schwingungspaketes zum erneuten Einschalten der Ströme in den Netzzuleitungen jeweils kurz nach ihrem Nulldurchgang, weil ein Triac bei Richtungswechsel des Stroms ohne erneuten Zündimpuls aus dem Einschalt- in den Sperrzustand übergehen würde. Weitere Beeinflussungsmöglichkeiten des Zeitgebers 17 sehen die Eingabe der Ausschaltdauer T_A und der Bremsdauer Tb vor; außerdem kann gegebenenfalls eine Synchronisation vom speisenden Netz über die Zuleitung 18 erfolgen. Zu Beginn der Bremsdauer Tb und erforderlichenfalls in ihrem weiteren Verlauf veranlaßt der Zeitgeber 17 den Steuergenerator 19 zur Lieferung von Zündimpulsen an die Steuerelektrode 20, um den Triac 21 aus dem Sperr- in den Einschaltzustand zu versetzen. Falls im Wicklungsstrang 1 eine Spannung induziert wird, die an den Anschlüssen 4,10 abgenommen werden kann, läßt der eingeschaltete Triac 21 einen Stromfluß durch den Bremswiderstand 22 zu. Der Induktionsvorgang wird durch das Restfeld verursacht, das nach Abschaltung der Triacs 7, 8, 9 noch an der Läuferwicklung 23 haftet und, ausgehend vom Betrag des Hauptfeldes während der Einschaltdauer Tb annähernd exponentiell abklingt. Da die Bremswirkung eng mit der im Bremswiderstand 22 verbrauchten elektrischen Energie zusammenhängt, die ja aus der im Läufer gespeicherten kinetischen Energie entnommen wurde, bildet man den Bremswiderstand 22 vorteilhaft als Wirkwiderstand aus; sein Wert richtet sich u. a. nach der Höhe des zulässigen Stroms. Bei kleinen Induktionsmotoren mit ausreichend großem Widerstand des Wicklungsstrangs 1 kann evtl. auf einen besonderen Bremswiderstand 22 verzichtet werden; der eingeschaltete Triac 21 bewirkt dann einen Kurzschluß. Der Wert des Bremswiderstands 22 beeinflußt außerdem die Höhe der Bremswirkung; er wird daher in manchen Fällen vorteilhaft veränderbar sein.

Die gezeigte erfindungsgemäße Anordnung ist nur als ein Beispiel anzusehen; die Erfindung kann ohne weiteres bei anderen Schaltungen der Wicklungsstränge 1,2,3 als der Sternschaltung und bei anderer Strangzahl sinngemäß angewendet werden. Das dem Triac 21 abgewandte Ende des Bremswiderstands 22 kann beispielsweise statt mit dem Nulleiter Mp auch mit dem Anschluß 5 oder 6 verbunden werden. Ebenfalls können mehrere der Wicklungsstränge 1, 2, 3 mit je einem Bremswiderstand 22 versehen werden; im Interesse möglichst niedriger pulsierender Bremsmomente wäre die gleiche Anzahl von Bremswiderständen wie die von Wicklungssträngen vorzusehen. — Auch für die Ansteuerung sind weitere Anordnungen naheliegend; so können z. B. die Steuergeneratoren 14, 15, 16, 19 so ausgebildet werden, daß sie während der ganzen Einschaltdauer der zugehörigen Triacs ununterbrochene Folgen von periodischen Zündimpulsen mit kleiner Periodendauer (ca. 5.10~⁴ s) liefern. — Außerdem wird in vielen Fällen ein Ersatz der Steuergeneratoren 14, 15, 16, 19 durch vom Zeitgeber 17 gesteuerte Tore angebracht sein, wobei dem Zeitgeber 17 ein gemeinsamer ständig betriebener Steuergenerator zugeordnet sein müßte.. — Schließlich ist vorgesehen, daß die Eingabe der Werte von T_E, T_A und T_B in den Zeitgeber

17 in bekannter Weise durch Regler erfolgen kann; dabei wird vorzugsweise die relative Bremsdauer BD = TbI(Te+ T_a) verändert werden, bei Bedarf zusätzlich die relative Einschaltdauer ED= TeZ(Te+ Ta).

Aus Fig.2 ist zunächst die durch den Zeitgeber 17 gesteuerte zeitliche Schaltfolge zu ersehen. Die Arbeitsweise der Schwingungspaketsteuerung wird durch die Angabe von zwei Werten aus den folgenden vier Werten gekennzeichnet:

Te Einschaltdauer, T_A Ausschaltdauer, Ts Spieldauer Ts= Te+ T_a ED relative Einschaltdauer ED= TeITs.

Im dargestellten Beispiel beträgt die relative Einschaltdauer E£>=60%; sie wird zum Steuern oder Regeln der Drehzahl verändert. Diese Maßnahme reicht aber bei verschwindendem Lastmoment und damit fehlendem Bremsmoment nicht aus; sie wird erfindungsgemäß dadurch ergänzt, daß innerhalb der Ausschaltdauer Ta nach Ablauf eines vorderen Sicherheitszeitabschnitts 7Vder Triac 21 den Wicklungsstrang 1 mit dem Bremswiderstand 22 verbindet. Die Verbindung wird so lange aufrechterhalten, wie durch die Bremsdauer 7ß bzw. die relative Bremsdauer BD= Tb/Ts angegeben wird. Im dargestellten Beispiel beträgt die relative Bremsdauer BD=20%. — Durch Veränderung der Bremsdauer T₈ wird nun auch bei verschwindendem Lastmoment Ml die mittlere Drehzahl +n beeinflußt; die Bremsdauer Tb kann allerdings nur soweit verlängert werden, bis die Pausendauer 7>zu Null wird. Dann wird gerade noch der hintere Sicherheitsabschnitt Th eingehalten, bevor die nächste Spieldauer Ts mit einer neuen Einschaltdauer 7f beginnt. Der Zeitgeber 17 hält den vorderen und den hinteren Sicherheitszeitabschnitt Tv bzw. T_H infolge besonderer Schaltungsmaßnahmen von außen unbeeinflußbar ein. Die Sicherheitszeitabschnitte Tv bzw. Tu betragen etwa je eine Netzspannungshalbperiode und sind notwendig, weil ein Triac durch Zündimpulse zwar in einem vorbestimmten Zeitpunkt eingeschaltet werden kann, der Ausschaltzeitpunkt im nächsten Nulldurchgang des Stroms aber von der mit der Belastung wechselnden induktiven Komponente abhängig ist. Wegen der Sicherheitszeitabschnitte Tv bzw. Th ist anzustreben, daß die Ausschaltdauer Τ_Λ mindestens zwei Netzspannungsj jrioden anhält.

Ferner wird in F i g. 2 die Abhängigkeit der SpannungU4_io zwischen den Anschlüssen 4 und 10 sowie des Stroms i\ durch den Wicklungsstrang 1 von der Zeit f gezeigt. Die Netzspannung ur-m_p ändere sich zeitlich sinusförmig mit konstanten Scheitelwerten; der Triac 7 werde als idealer Schalter angesehen, dessen Einschaltzeitpunkt fo im dargestellten Beispiel so gewählt ist, daß im Strom i\ keine Gleichstromkomponente auftritt. — Im allgemeinen Fall können in einem Drehstromnetz jedoch gleichstromanleilerzeugendc Einschaltvorgänge nicht ausgeschlossen werden; ihre Auswirkungen werden dadurch verringert, daß man die Spieldauer Ts als ungerades Vielfaches der Netzspannungshalbschwingungsdauer wählt, wodurch jedes Spiel mit einer anderen Polarität als das vorhergehende Spiel beginnt. — Bis zum Ende der Einschaltdaucr Tf fallen die Scheitelwerte des Stroms /Ί und das negative Bremsmoment — me (Beschleunigungsmoment) etwas ab und die Drehzahl π nimmt zu, um die Drehzahlabnahme während der Ausschaltdauer T_A auszugleichen. Das Bremsmoment me ergibt sich aus dem als konstant angenommenen Lastmoment Ml und dem Drehmoment des Induktionsmotors /tim zu /7Jb=Ml-HIm. Da aus Darstellungsgründen das Lastmoment Ml nicht vollständig zum Verschwinden gebracht, sondern ein geringer Wert beibehalten wurde, ergibt sich während des folgenden vorderen Sicherheitsabschnitts Tv infolge des Motormoments /πα*=0 ein weiterer kleiner Abfall der Drehzahl n. Gleichzeitig haftet an der Läuferwicklung 23 noch ein Restfeld, das vom Hauptfeld am Ende

is der Einschaltdauer T£herrührt und annähernd exponentiell abklingt Das Abklingen erfolgt während des vorderen Sicherheitszeitabschnitts Tv mit einer Zeitkonstante, die durch die Eigeninduktivität und den Wirkwiderstand der Läuferwicklung 23 in bekannter

jo Weise bestimmt wird und meistens mehrere Netzspannungsperioden beträgt, so daß das Restfeld bei Beginn der Bremsdauer Tb fast ungeschmälert vorhanden ist, zu erkennen am Verlauf der Spannung 1/4-10 während des vorderen Sicherheitszeitabschnitts Tv.

»5 Nach dem Einschalten des Triacs 21 wird die Abklingzeitkonstante durch den Einfluß der Eigeninduktivität und des Wirkwiderstandes des Ständerwicklungsstrangs 1 sowie des Bremswiderstandes 22 etwas verändert; sie reicht aber in den meisten Fällen zur Erzielung einer genügend starken Bremswirkung während mehrerer Netzspannungsperiodcn aus. — Das Restfeld induziert somit während der ganzen Abschaltdauer Ta eine annähernd sinusförmige abklingende Wechselspannung t/4-10 im Wicklungsstrang 1; aufgrund dieser Spannung fließt während der Bremsdauer Tb durch den Bremswiderstand 22 der Strom /1. Wegen der damit verknüpften Energieübertragung ergibt sich dann ein positiver Mittelwert des Bremsmoments ma der über den Wert des Lastmoments Ml hinausgehen kann und daher eine schnellere Abnahme der Drehzahl η zur Folge hat. Die Bremsdauer Tb wird dann beendet, wenn der Triac 21 nach dem letzten Nulldurchgang des Stroms /Ί keine Zündimpulse mehr vom Steuergenerator 19 erhält. — Wegen der leichten Abnahme des Restfeldes während der Bremsdauer Tb wird im übrigen die Bremswirkung trotz konstanter relativer Einschaltdauer ED und konstanter relativer Bremsdauer BC durch eine Erhöhung der Schalthäufigkeit bzw. Verringerung der Spieldauer Ts etwas verstärkt.

Im stationären Betrieb gleichen sich die Zunahme dci Drehzahl η während der Einschaltdauer Te und die Abnahme der Drehzahl η während der Ausschaltdaue Ta innerhalb einer Spieldauer 7s aus; die Augenblicks werte der Drehzahl η pendeln dabei nach Maßgabe de Momente itim, Mi. und me sowie des gcsamtei wirksamen Trägheitsmoments um eine mittlere Dreh zahl η herum. Vorliegende Grenzwerte für zulässig Drehzahlschwankungen können in bekannter Weis durch Anpassen des gesamten wirksamen Trägheitsmc mcnts erreicht werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Steuern oder Regeln der Drehzahl eines Induktionsmotors durch Schwingungspaketsteuerung, bei dem mindestens der Strom durch einen Wicklungsstrang mit Hilfe eines Triac steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Ausschaltdauer (T_A) nach Ablauf eines vorderen Sichelheitzeitabschnitts (Tv) mindestens ein Triac (21) einen vom Netz abgeschalteten Wicklungsstrang (1) mit einem Bremswiderstand (22) verbindet und spätestens vor Beginn eines hinteren Sicherheitsabschnkts (Th) wieder trennt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bremswiderstand (22) ein Wirkwiderstand ist

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bremswiderstand (22) veränderbar ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Bremsdauer fßDJveränderbar ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderungen der relativen Bremsdauer (BD) und/oder des Bremswiderstands (22) durch Regler bewirkt sind.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der vordere Sicherheitsabschnitt (Tv), die Bremsdauer (T_B), eine Pausendauer (7» und/oder der hintere Sicherheitszeitabschnitt (Th) aus annähernd ganzzahligen Vielfachen der Netzspannungshalbschwingungsdauer gebildet sind.