DE2601924A1

DE2601924A1 - Drehzahlregler fuer einen asynchronmotor

Info

Publication number: DE2601924A1
Application number: DE19762601924
Authority: DE
Inventors: Ibaraki Hitachi; Mitsuyuki Honbu; Takamasa Hori; Sanshiro Obara
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1975-01-20
Filing date: 1976-01-20
Publication date: 1976-07-22
Also published as: DE2601924B2; US4058755A; DE2601924C3; JPS5183113A; JPS5738113B2

Description

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SCHIFF ν. FÜNER STREHL BCHÜBEL-HOPF EBBINGH/Cus"

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MÜNCHEN QO, MARiAHILFPLATZ 2 & 3 POSTADRESSE: D-8 MÜNCHEN £35, POSTFACH 95 O1 6O

HITACHI, LTD.

DIPL. CHEM. DR. OTMAR DITTMANN (_Τ1θ7ϋ)

KARL LUDWIG SCHIFF

DIPL. CHEM. DR. ALEXANDER V. fCNcH

DIPL. INS. PETER STREHL

DIPL. CHEM. DR. URSULA SCHÜBEL-HOPF DIPL. INQ. DIETER EBBINGHAUS

TELEFON (Ο39) 48 2O 64
TELEX 5-23 565 AURO D

TELESRAMME auromarcpat München

20. Januar 1976 DA - 11 951

Priorität: 20. Januar 1975, Japan, Nr. 7804

Drehzahlregler für einen Asynchronmotor

Die Erfindung betrifft einen Drehzahlregler für ei-nen belasteten Asynchronmotor mit einem mechanisch mit dem Asynchronmotor verbundenen Synchronmotor, mit einem Gleichrichter, auf den der Ausgang einer Sekundärwicklung des Asynchronmotors geschaltet ist und mit einem Wechselrichter, der den ■am Ausgang des Gleichrichters auftretenden Gleichstrom umformt und mit dem erhaltenen Wechselstrom den Synchronmotor speist.

Gebräuchlicherweise erfolgt die Wechselrichtung bei bekannten Reglern dieser Art durch einen thyristorisierten Frequenzwandler. Die mechanische Ankopplung des Synchronmotors erfolgt gebräuchlicherweise durch direktes Verbinden mit dem Asynchronmotor über eine gemeinsame mechanische Achse.

Bei Vorrichtungen dieser Art erfolgt die Drehzahlreglung durch eine Veränderung des Voreilwinkels für die Zündung des Prequenzv/andlerthyristors. Diese Art der Drehzahlreglung eines Asynchronmotors wird üblicherweise als Krämerkaskade

bezeichnet.

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Bei der Drehzahlreglung durch die kommutatorlose Krämerkaskade ist es zur Gewährleistung eines sicheren Betriebes wesentlich, die Thyristoren des Frequenzwandlers ohne Kippen zu sperren. Um dies zu gewährleisten, muss der Eingangsgleichstrom Ic des thyristorisierten Wandlers kleiner als ein Grenzwert Icmax sein. Bei Strömen grosser als Icmax kann der Thyristor

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nicht mehr zuverlässig gesperrt werden.

Andererseits muss der Eingangsstrom Ic grosser als der Laststrom IL sein. Die Ströme Icmax und IL werden nach Massgabe der Drehzahl N in der Krämerkaskade verändert.

Bei grosser positiver oder negativer Beschleunigung tritt eine sehr schnelle Drehzahländerung in der Krämerkaskade auf, so dass der Eingangsstrom Ic kleiner als der kritische Grenzstrom Icmax ist/ so dass also die Sperrbedingung Icmax>Ic>IL erfüllt ist. Die Verwendung der Krämerkaskade zur Drehzahlregelung eines Asynchronmotors lässt also über grössere Drehzahlbereiche eine nur langsame Drehzahländerung zu.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf der Grundlage der Krämerkaskade einen verbesserten Drehzahlregler für einen Asynchronmotor zu schaffen, der auch über grosse Drehzahlbereiche eine sehr rasche Drehzahländerung zulässt und so ausgelegt ist, dass der Eingangsstrom Ic des Frequenzwandlers stets grosser als der Laststrom, aber kleiner als der Grenzstrom Icmax ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäss ein Drehzahlregler mit den im Patentanspruch 1 genannten Merkmalen vorgeschlagen.

Zusammengefasst schafft die Erfindung also einen Drehzahlregler für einen Asynchronmotor auf der Grundlage einer Krämerkaskade, die einen kommutatorlosen Motor enthält. Mit diesem kommutatorlosen Motor ist ein Inverter verbunden. Kernstück des Reglers ist dabei ein Funktionsgenerator, der den Beschleunigungsstrom des Inverters kleiner als den . Grenzstrom Icmax hält. Dadurch wird verhindert, dass die Krämerkaskade auch bei raschen Drehzahländerungen über einen

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weiten Drehzahlbereich des kommutatorlosen Motors kein Kippen des Inverters zeigt.

Ein Asynchronmotor mit dem Drehzahlregler der Erfindung •kann als über weite Drehzahlbereiche steuerbarer Antrieb für die verschiedensten Zwecke eingesetzt werden, beispielsweise für eine Wasserpumpe oder ein Gebläse.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;

-Fig. 2 -das Kennlinienfeld eines Reglers der Erfindung und

Fig. 3 eine Weiterbildung des in Fi'g. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels.

In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Asynchronmotor 3 von einer Wechselstromquelle 1 gespeist. Der Ausgang einer Sekundärwicklung des Asynchronmotors 3 ist auf einen Diodengleichrichter 7 geschaltet. Der am Ausgang des Gleichrichters 7 auftretende Gleichstrom ist über eine Drosselspule 8 auf einen thyristorisierten Frequenzwandler 9 geschaltet. Der Frequenzwandler 9 ist von einem automatischen Impulsphasenschieber 14 gesteuert. Der Ausgang des Frequenzwandlers 9 ist auf einen Synchronmotor 4 geschaltet. Ein Positionsprüfer 5 erzeugt ein die Stellung des Ankers im Synchronmotor 4 abbildendes Ausgangssignal/ das auf den automatischen Impulsphasenschieber . gelangt. Die Istdrehzahl des Synchronmotors 4 wird durch einen Drehzahlmesswandler 6 gemessen und als elektrisches

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Signal abgebildet. Der Drehζah!messwandler ist vorzugsweise als Messgenerator ausgebildet.

Die am Asynchronmotor 3 angreifende Last 2, der Asynchronmotor 3 f der Synchronmotor 4, der Positionsprüfer 5 und der Drehzahlmesswandler 6 sind vorzugsweise als kompakte und integrierte Baueinheit ausgebildet.

Als Führungsgrösse des Reglers dient ein am Ausgang eines Sollgeschwindigkeitsgebers 11 auftretendes Signal, das eine vorgegebene Sollgeschwindigkeit für den Asynchronmotor abbildet. Die Differenz zwischen dem Sollgeschwindigkeitssignal und dem am Ausgang des Drehzahlmesswandlers 6 auftretenden Istgeschwindigkeitssignal wird auf einen Operationsverstärker 12 gegeben. Diesem ist ein weiterer Operationsverstärker .13 nachgeschaltet. Insoweit-entspricht der Regelkreis einer gebräuchlichen·Krämerkaskade.

In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das erfxndungswesentliche Bauelement der Funktionsgenerator 15. Zur Erläuterung seiner Auslegung und Wirkungsweise sei im folgenden zunächst an Grundlagen der Krämerkaskade erinnert.

Bei Normalbetrieb der Krämerkaskade sind die Ausgangsspannung des Diodengleichrichters 7 und die Eingangsspannung des thyristorisierten Frequenzwandlers 9 abgeglichen. Zum sicheren Betrieb der Krämerkaskade ist ausserdem, wie bereits erwähnt, erforderlich, dass ein sicheres Sperren der Thyristoren des Wandlers 9 gewährleistet ist. Bei abgeglichener Spannung zwischen dem Ausgang des Diodengleichrichters 7 und dem Eingang des Frequenzwandlers 9 sind folgende Gleichungen erfüllt:

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SE, = Et cos T

/ ν \ ' 2 X Icmax /^. _n\_C cos( X- η) = cos + ~ W - ^u; -£>

V 2 Et

N =i (1 - S) N₀

In den vorstehenden Gleichungen bedeuten S den Schlupf des Asynchronmotors 3, E₂ die Ausgangsspannung der Sekundärwicklung des Asynchronmotors 3 für S=I_xY den Voreilwinkel des Frequenzwandlers 9, Et die elektromotorische Gegenkraft, u den Überlappungswinkel, X die Kommutationsreaktanz, d den kleinsten Sicherheitswinkel, N die Ankerdrehzahl des Synchronmotors 4 und N„ die Synchrondrehzahl des Synchronmotors 4. -

Aus den vorstehenden Gleichungen erhält man die in Fig. 2 , graphisch dargestellte Drehzahlabhängigkeit des Grenzstromes Icmax. '

Der Grenzstrom Icmax ist der grösste über die Gleichstromdrosselspule 8 fliessende Gleichstrom, der den Thyristor des Frequenzwandlers 9 sperren kann. Wenn der Strom Ic grosser als Icmax wird, kann der Wandler 9 nicht mehr sperren. Es ist daher erforderlich, dass der über die Drosselspule in den Wandler 9 fliessende Strom Ic kleiner als der Strom Icmax ist.

Der Strom Icmax ist eine Funktion der Drehzahl des Motors Auf der anderen Seite ist der Gleichstrom IL des Motors 3, der von der Last 2, beispielsweise einer Wasserpumpe oder einem Luftgebläse gefordert wird, ebenfalls in der in Fig. gezeigten Weise eine Funktion der Drehzahl des Motors 4. Der Strom Ic muss dabei aber grosser als der Strom IL sein, so dass folgende Bedingung eingehalten ist:

Icmax > Ic > IL

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— "6 —

Aufgrund dieser Bedingung ist der steuerbare und regelbare Drehzahlbereich im allgemeinen kleiner als der in Fig. 2 gezeigte Bereich von N1 bis N3.

Es sei angenommen _f dass der Asynchronmotor 4 mit der in Fig. 2 gezeigten Drehzahl N1 laufe. Unter diesen Betriebsbedingungen werde die Sollgeschwindigkeit und deren am Ausgang des Soligeschwindigkeitsgebers 11 austretende Abbildung rasch über einen weiten Bereich hin geändert, beispielsweise auf die Drehzahl N3. Die Differenz zwischen ...der Sollgeschwindigkeit und der Istgeschwindigkeit, die durch den Drehzahlmesswandler 6 abgebildet wird, ist gross. Das Differenzsignal wird auf den Operationsverstärker 12 gegeben. Dieses Differenzsignal wird im Operationsverstärker bis auf einen Wert Ia¹ verstärkt. Selbst wenn die Istgeschwindigkeit des Motors NI ist, erreicht der auf den Wandler 9 fliessende Gleichstrom einen Wert Ia, der grosser als Id. ist. Id ist dabei der grösste Strom bei der Drehzahl N1. Der Thyristorfrequenzwandler kann dadurch nicht -mehr sperren. Dadurch sind gebräuchliche Krämerkaskaden nur auf die Steuerung und Regelung innerhalb eines eng begrenzten Drehzahlbereiches ausgelegt, um ein solches Kippen zu verhindern. In dem in Fig. 2 gezeigten Diagramm muss der Iststrom Ic unter dem maximalen Grenzstrom Icmax bleiben, und zv/ar bei jeder beliebigen Drehzahländerung. Gebräuchliche Steuerungen waren daher auf den Bereich N2 bis N3 beschränkt (Fig. 2).

Beim Drehzahlregler der Erfindung wi.rd nun jedoch über den Funktionsgenerator 15 und den Operationsverstärker das in Fig. 2 gezeigte konstante Signal Ia" erzeugt. Der Funktionsgenerator 15 erzeugt ein dem die Istgeschwindigkeit abbildenden Ausgangssignal des Drehzahlmesswandlers 6 proportionales Ausgangssignal Ip. Der Strom (Ip + Ia"), der grosser als IL und kleiner als Icmax ist, wird mit dem von einem Stromprüfer 10 abgebildeten Gleichstrom verglichen

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und über einen Operationsverstärker 13 zur Steuerung des Thyristorfreguenzwandlers 9 auf einen automatischen Impulsphasenschieber 14 gegeben.

Bei einer Drehzahl N1 wird für eine vorgegebene Last ein Laststrom IL1 benötigt. Der Asynchronmotor beginnt entsprechend dem Beschleunigungsstrom (Ia1 - IL1) zu beschleunigen. Solange der Strom Id grosser als .Ia1 ist/ kann der Thyristorfrequenzwandler sicher sperren. Anschliessend erreicht dann das Ausgangssignal Ip'des Funktionsgenerators 15 aufgrund der Motcrbeschleunigung den Grenzwert Ip3. Während sich die Drehzahl des Motors 3 allmählich auf N3 erhöht, erzeugt der Funktionsgenerator 15 einen Strom Ip3. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 12 wird auf einem Wert -(Ip3-IL3) gehalten. Der^Asynchronmotor wird auf der Drehzahl N3 "gehalten.

In der zuvor beschriebenen Weise arbeitet der Thyristorfrequenzwandler fehlerfrei und ohne Kippen auch bei rascher Beschleunigung des Asynchronmotors über weite Drehbereiche.

Vorzugsweise ist in der zuvor beschriebenen Schaltung der Ausgang des Funktionsgenerators 15 zumindest näherungs-. weise in der in Fig. 2 gezeigten Weise eine lineare Funktion Ip¹. Der Ausgang des Operationsverstärkers ist unter diesen Bedingungen stets negativ. Dadurch kann auch bei maximaler Beschleunigung ein Kippen vermieden werden bzw. ist durch die Verhinderung des Kippens ein maximales Beschleunigen möglich.

Der Diodengleichrichter 7, die Drosselspule 8 und der Thyristorwandler 9 können auch gegen einen Cyclokonverter ausgetauscht werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. gezeigt. Der Verstärker 12 und der Generator 15 in Fig. 1

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sind durch eine Geschwindigkeitsbezugstufe ersetzt. Der Operationsverstärker 12 verstärkt das Ausgangssignal des Sollgeschwindigkeitsgebers 11.

Wenn das Ausgangssignal des Drehzahlmesswandlers 6 grosser als das Ausgangssignal des Sollgeschwindigkeitsgebers 11 ist, wird das Ausgangssignal des Operationsverstärkers durch den Widerstand 18 und die Diode 17 auf dem begrenzenden Wert Ia gehalten. Dabei ist zu berücksichtigen, dass in der in Fig. 3 gezeigten Weise das am Ausgang des Sollgeschwindigkeitsgebers 11 auftretende Signal negativ ist. Sie weist neben den genannten Bauelementen weiterhin die Widerstände 21,22 und 23 sowie den Kondensator 20 auf. Die Wirkungsweise dieser Schaltungsbauelemente ist dem Fachmann ersichtlich. Die Stromstärke la ist eine Funktion des am Ausgang des Funktionsgenerators 16 auftretenden Signals. Dieses Ausgangssignal des Funktionsgenerators wird dabei nach Massgabe der vom Drehzahlinesswandler 6 abgebildeten Istgeschwindigkeit in der in Fig. 2 gezeigten -Weise verändert, und zwar vorzugsweise linear.

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Claims

— Ω _ Patentansprüche

1.)Drehzahlregler für einen belasteten Asynchronmotor mit einem mechanisch mit dem Asynchronmotor verbundenen Synchronmotor, mit einem Gleichrichter, auf den der Ausgang einer Sekundärwicklung des Asynchronmotors geschaltet ist₇ und mit einem Wechselrichter, der den am Ausgang des Gleichrichters auftretenden Gleichstrom uin-"formt und mit dem erhaltenen Wechselstrom den Synchronmotor speist, gekennzeichnet durch einen Stromsignalgenerator, dessen Ausgangssignal eine Funktion der Solldrehzahl und der Istdrehzahl des Synchronmotors ist und auf den Steueranschluss eines Thyristors des Wechselrichters gegeben wird, so dass der Gleichstrom kleiner als der grösste Wendestrom und grosser als der kleinste . Laststrom ist.

2. Drehzahlregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der Stromsignalgenerator einen Operationsverstärker enthält, der ein die Sollgeschwindigkeit und die Istgeschwindigkeit abbildendes Differenzsignal verstärkt, und einen Funktionsgenerator, der nach Massgabe der Istgeschwindigkeit ein Gleichstromstellsignal erzeugt, und zwar in der Weise, dass das Ausgangssignal des Verstärkers und das Gleichstromstellsignal den Gleichstrom unter dem maximalen Kommutationsstrom und gleichzeitig über dem kleinsten Laststrom halten.

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3. Drehzahlregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strorasxgnalgenerator einen Operationsverstärker enthält, der ein die Differenz zwischen der Sollgeschwindigkeit und der Istgeschwindigkeit abbildendes Differenzsignal verstärkt, und einen Punktionsgenerator enthält, der den begrenzenden Wert des Verstärkerausgangssignals proportional der Istgeschwindigkeit verändert.

4. Drehzahlregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Synchronmotor, der Gleichrichter und der Wandler durch einen Cyclokonverter ersetzt sind.

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