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Verfahren und Anordnung zum Ansteuern von Hysteresemotoren Die Erfindung
betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Ansteuern von Hysteresemotoren, deren
Wirkungsgrad insbesondere durch eine zeitweise übererregung ererhöht werden kann.
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Ein wesentlicher Vorteil eines Hysteresemotors liegt bekanntlich
darin, daß ein konstantes Drehmoment üDer einem großen Drehzahlbereich von Null
bis zur Synchron-Drehzahl mit einfachem Aufbau erzeugt werden kann. Daher kann der
Hysteresemotor viel einfacher als andere Synchronmotoren angesteuert werden, und
er wird in letzter Zeit als Antriebsmotor für Tonfrequenz-Geräte und Gasultrazentrifugen
eingesetzt. Andererseits hat der Hysteresemotor jedoch im Vergleich zu anderen Synchron-
und Induktionsmotoren Nachteile hinsicntlich des Wirkungsgrades und des Leistungsfaktors.
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Zur Lösung dieses Problems wurde bereits angeregt,
den
Hysteresemotor durch zeitweise Erhöhung der angelegten Eingangsspannung zeitweise
zu übererregen, wenn der Motor im Syncnronbetrieb arbeitet, um dadurch den Antriebs-
oder Betriebs-Wirkungsgrad des Hysteresemotors zu verbessern.
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Jedoch muß der Leistungstransformator, der zum Anlegen einer Wecnselstrom-Ausgangsspannung
an den Hysteresemotor verwendet wird, eine hone Ausgangsspannung erzeugen können,
die ihrerseits notwendig eine erhöhte Kapazität des Leistungstransformators erfordert,
um selbst zeitweise die Eingangsspannung zu erhöhen.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Ansteuern eines Hysteresemotors anzugeben, der mit hohem Wirkungsgrad durch
zeitweises Übererregen des Motors antreibbar ist, wenn er mit der Synchron-Drehzahl
angetrieben wird, wobei die tibererregung einfacn und mit gutem Wirkungsgrad zu
erzielen sein soll, selbst wenn der Hysteresemotor mit einer Drehzahl auRerhalb
der Synchron-Drehzahl arbeitet.
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Die Erfindung sieht einen Hysteresemotor vor, der zeitweise als Generator
arbeitet, indem zeitweise die Frequenz der Eingangs leistung zum Motor verringert
wird, und die während des Generatorbetriebs erzeugte EMK wird zur Ubererregung des
Läufers oder Rotors des Hysteresemotors verwendet. Wenn der mit der Synchron-Drehzanl
anzusteuernde Hysteresemotor aus der Synchronisierung kommt, wird die Übererregung
erfindungsgemäß dann bewirKt, wenn der Hysteresemotor wieder die Synchron-Drehzahl
erreicht.
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Zur Durchführung des oben erläuterten Ansteuerverfahrens sieht die
Erfindung eine Ansteueranordnung vor,
die aufweist: einen Umrichter
zum Abgeben einer Ausgangsleistung einer einstellbaren Spannung und einer einstellbaren
Frequenz an den Hysteresemotor, einen Steuersatz zum Steuern der Ausgangsspannung
und der Frequenz des Umricnters und einen Befenlsgeber zum Abgeben von Befehlssignalen
an den Steuersatz. Die erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich aus durch einen
Übererregungs-Befehlsgeber zum zeitweisen Verringern der Frequenz des beim Befehlsgeber
eingestellten Soll- oder Befehlssignales und zum anschließenden Erhöhen des Signales
auf einen vorbestimmten oder Soll-Wert. In vorteilhafter Weise kann die Ansteueranordnung
einen Drehzanlfühler zum Erfassen der Drehzahl des Hysteresemotors und einen Frequenz
fühler zum Erfassen der Ausgangsfrequenz des Umformers naben, wobei der Ubererregungs-Befehlsgeber
dann arbeitet, wenn die durch den Drehzahlfühler erfaßte Drenzahl-t'Frequenz" mit
der durch den Frequenz fühler erfaßten Frequenz übereinstimmt.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeicnnung näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 die Hysterese-Kennlinie des Läufers eines Hysteresemotors; Fig.
2 die Beziehung zwischen dem Drehmoment und der Drehzahl eines Hysteresemotors;
Fig. 3 die Beziehung zwischen der Leistung und der Drehzahl eines Hystersemotors;
Fig. 4 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Ansteueranordnung
für einen Hysteresemotor;
Fig. 5 Signale zur Erläuterung des Betriebes
der in Fig. 4 gezeigten Anordnung, und Fig. 6 ein anderes Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Ansteueranordnung.
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In Fig. 15 die die -ysterese-Kennlinie des Läufers eines Hysteresemotors
zeigt, sind auf der Abszisse die magnetische Feldstärke H und auf der Ordinate die
Industion B aufgetragen. Eine Schleife L1 stellt eine gesättigte Schleife dar, während
Schleifen L2 und L3 ungesättigte Schleifen sind. Abhängig vom Maß der Ampèrewindungen
des Ständers wird bestimmt, mit welcher Schleife der Hysteresemotor betrieben wird.
Das Ausgangs-Drehmoment des Motors steht in proportionaler Beziehung zur Fläche
der zugeordneten Hystereseschleife. Wenn daher die an die Ständerwicklung gelegte
Erregungsspannung wächst, nehmen die Erregungs-Ampèrewindungen demgemäß zu, wodurch
die Fläche der wirksamen Hystereseschleife und damit das Ausgangs-Drehmoment des
Hysteresemotors größer werden. Mit anderen Worten, ein erhöhtes Ausgangs-Drehmoment
des Hysteresemotors erfordert demgemäß erhöhte Erregungs-Ampèrewindungen der Ständerwicklung,
ohne merkliche Veränderungen im Wirkungsgrad und Leistungsfaktor des Motors hervorzurufen.
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Andererseits nehmen der Wirkungsgrad sowie der Leistungsfaktor des
Hysteresemotors bekanntlich merklich zu, wenn die Ständerspannung einmal erhöht
und danach auf den ursprünglichen Wert bei Synchronbetrieb des Motors bezüglich
der Frequenz der Eingangs-Wechselspannung am Ständer verrringert wird. Dies kann
auf die folgende Weise erklärt werden: Wenn insbesondere z. B. angenommen wird,
daß eine zeitweise erhöhte Spannung am Ständer des Hysteresemotors
liegt,
der in dem durch die Schleife L3 dargestellten Betrieb arbeitet, dann geht die durch
die Schleife L3 dargestellte Betriebsart in die durch die Schleife L2 dargestellte
Betriebsart über, und der Motor arbeitet im wesentlichen weiter in diesem Betrieb
der Schleife L2, selbst nachdem die Erregungs-Amperewindungen wieder auf den Ausgangspegel
erhöht wurden. Dies beruht darauf, daß durch den Läufer eine große Remanenz gehalten
wird.
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Mit dieser Erscheinung kann die überregung des Hysteresemotors mit
verbessertem Wirkungsgrad durcn zeitweises Ernönen der Erregungsspannung am Motor
erreicht werden, was jedoch in unerwünschter Weise eine entsprechend erhönte Kapazität
der Ansteueranordnung für den Hysteresemotor erfordert. Die Erfindung strebt eine
Verbesserung des Wirkungsgrades des Hysteresemotors durch die Obererregung mittels
des Generatorbetriebs des Hysteresemotors an, onne eine große Kapazität der Ansteueranordnung
zu benötigen.
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Die Fig. 2 und 3 zeigen jeweils die Drehmoment- und die Leistungs-Kennlinie
zur Drehzahl eines Hysteresemotors. Wie aus der Fig. 2 hervorgeht, bleibt das Drehmoment
auf einem vorbestimmten Wert T über dem Drehzahlbereich von 0 bis zur Synchron-Drehzahl
No, bei der das Drehmoment abhängig von der Last einen Wert zwischen T und -T annimmt.
In dem die Synchron-Drehzahl No überschreitenden Drenzahlbereich nimmt das Drehmoment
den vorbestimmten oder Soll-Wert -T an. Mit anderen Worten, der Betrieb des Hysteresemotors
geht vom Motorbetrieb zum Generatorbetrieb bezüglich des durch die Synchron-Drehzahl
gegebenen Schwellenwertes über.
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In der Fig. 3 stellt eine Kurve PT die mechanische Leistung des Motors
dar, die so dargestellt ist, daß sie Zur Last im positiven Bereich übertragen wird,
während im negativen Bereich die Leistung PT umgekehrt von der Last zum Hysteresemotor
übertragen wird. Tatsächlich entspricht die Leistung PT dem in Fig. 2 dargestellten
Drehmoment.
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Weiter geht aus Fig. 3 hervor, daß ein Hystereseverlust PR im Läufer
während der nichtsynchronen Drehung auftritt.
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Weiterhin ist in Fig 3 die Erregungsleistung PE für den Läufer dargestellt.
Die Eingangsleistung Pin zum Hysteresein motor ist durch die Summe aus diesen Leistungen
PT, PR und PE gegeben und wird bei der Schwellenwert-Synchron-Drehzahl No vom positiven
zum negativen Bereich geändert.
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Es soll darauf ningewiesen werden, daß die "negative Leistung" eine
erzeugte Leistung bedeutet, die vom Hysteresemotor zurück zu einer Leistungsquelle
gespeist wird. In diesem Zusammenhang ist erfindungsgemäß vorteilhaft, daß die Frequenz
der Ansteuer-Leistungsquelle für eine kurze Zeitdauer bei Synchronbetrieb verringert
wird, um die Synchron-Drehzahl No kleiner zu machen, so daß der Motor als Generator
arbeiten kann, und die Übererregung wird während dieser Phase durch Erhöhen der
Erregungsspannung bewirkt.
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Die Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ansteueranordnung
für einen Hysteresemotor.
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In Fig. 4 wird ein Wechselstrom von einer Wechselstromquelle 1 durch
einen Gleichrichter 2 in einen Gleichstrom umgewandelt und nach Glätten durch eine
Drossel 5 und einen Kondensator 6 in einen Wechselstrom einer Soll-Frequenz durch
einen Wechselrichter 3 umgeformt, um in einen
Hysteresemotor 4 gespeist
zu werden, mit dem eine Last 40 direkt gekoppelt ist. Ein (Regel-)Steuersatz 7 steuert
die Ansteuerspannung und -Frequenz für den Hysteresemotor 4 entsprechend den jeweiligen
Soll-Werten bei einem Befehls- oder Sollwertgeber 8, so daß die Spannung und die
Frequenz ihren Soll-Werten entsprechen. Die im Sollwertgeber 8 eingestellte Frequenz
wird abhängig von einem übererregungssignal verändert, das durch einen erfindungsgemäßen
Ubererregungs-Befehlsgeber 9 erzeugt wird. Die Ausgangsspannung des Wechselrichters
3 wird durch einen Frequenz fühler 10 erfaßt und zum Steuersatz 7 rückgekoppelt.
Auf diese Weise regelt der Steuersatz 7 den Gleichrichter 2 und den Wechselrichter
35 so daß der Soll-Wert vom Sollwertgeber mit der vom Fühler 10 rückgekoppelten
Größe übereinstimmt. Es kann für den Antrieb des Motors ausreichend sein, lediglich
die Ausgangsspannung vom Wechselrichter zu erfassen, da die Regelung so erfolgt,
daß das Vernältnis zwischen der Spannung und der Frequenz konstant bleibt.
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In der Fig. 5, die ein Betriebs-Zeitdiagramm zur Erläuterung des
Betriebes der erfindungsgemäßen Anordnung zeigt, entsprechen Zeitintervalle I und
II jeweils dem stetigen oder stationären Ansteuerbereich und dem Ubererrgungs-Ansteuerbereich.
Wenn der Betrieb der in Fig. 4 dargestellten Ansteueranordnung mit Hilfe der Fig.
5 erläutert wird, ist die Frequenz f1 der Ansteueranordnung, die am Ausgang des
Wechselrichters 3 auftritt, synchron zur Drehzahl (-"Frequenz") fR des Läufers des
Hysteresemotors im stationären Ansteuerbereich I. Wenn unter derartigen synchronen
Bedingungen das Übererregungs-Signal Eg
in den Sollwertgeber 8 vom
Übererregungs-Sollwertgeber 9 im Zeitpunkt T1 eingespeist wird, nimmt die Frequenz
fI der Ansteueranordnung schnell ab, und zwar kleiner als die Frequenz fR des Läufers.
Als Folge geht die Eingangsleistung P. zum Hysteresemotor in den negativen Bereich
in im Zeitpunkt T2 über, und der Motor 4 arbeitet im Generatorbetrieb. Die erzeugte
Spannung wird dann zum Motor als Motorspannung EM abgegeben, die fortscnreitend
um einen bestimmten Betrag zunimmt, da die Zeitkonstante, die bei der Spannungsregelung
des Gleichrichters 2 durch den Steuersatz 7 eine Rolle spielt, gewöhnlich größer
als die Zeitkonstante ist, die im Leistungsgeneratorbetrieb auftritt. Wenn z. B.
die Frequenz fI auf 698 Hz im Motorbetrieb mit der Frequenz von 700 Hz abnimmt,
wäcnst die Motorspannung EM um ungefähr 30 %> um so den Läufer des Motors zu
übererregen. Danach verringert sich die Drehzahl fR des Läufers mit einer Verzögerung
zur Ansteuerfrequenz fI und wird synchron zur Frequenz f1 im Zeitpunkt T3> der
durcn das Übererregungs-Befehlssignal Eg vom Sollwertgeber 9 herabgesetzt ist. Von
diesem Zeitpunkt T3 an nimmt der Motor 4 wieder den Motorbetrieb mit der Motorspannung
EM auf, die sich fortschreitend auf die Ansteuerspannung der Ansteueranordnung verringert.
Der Betrieb des Motors 4 wird im Zeitpunkt T4 beim Betriebspunkt entsprechend dem
Last-Drehmoment in der Motor-Betriebsart stationär. Nach Fortdauern des Synchronbetriebs
für eine Zeitdauer unter den oben erläuterten Bedingungen wirt die Regelung des
Steuersatzes 7 so durchgeführt, daß die Ansteuerfrequenz fI langsam zum Ursprungs-
oder Ausgangswert während des Zeitintervalles von T5 bis T6 zurückkehrt. In diesem
Zusammenhang soll darauf hingewiesen werden5 daß die Ansteuerfrequenz f1 mit einem
derartigen -Zeit-Frequenz-Ände rungsverhältnis
geändert wird,
daß die Drehzahl zur des Läufers konstant der Ansteuerfrequenz fI im wesentlichen
synchron nierzu für einen gegebenen Verlust der Last, des Trägheitsmoments und anderen
Faktoren folgt. Auf diese Weise arbeitet der Motor wieder im stationären Betriebsbereich.
Jedoch soll daran erinnert werden, daß der Läufer aufgrund der ernönten Motorspannung
EM im synchronen Zustand übererregt wurde, der wänrend der Zeitdauer von T3 - T4
auftritt.
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Im Verlauf der Obererregung, die durch das zeitweise Verringern der
Ansteuerfrequenz f1 in der oben erläuterten Weise bewirkt wird, kann die Einspeisung
des Übererregungs-Befehlssignales Eg einmal oder periodisch im Synchronbetrieb 9
abhängig von den Eigenschaften dersanzutreibenden Last erfolgen. Weiterhin ist es
möglich, automatisch das übererregungs-Befehlssignal durcn Erfassen des synchronen
Zustandes des Hysteresemotors zu erzeugen, was im folgenden anhand der Fig. 6 näner
erläutert wird.
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In Fig. 6 sind einander ,ltsprechende Bauelemente mit den gleichen
Bezugszeichen versehen wie in Fig. 4. Es soll darauf hingewiesen werden, daß die
Schaltung der in Fig.
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6 gezeigten Ansteueranordnung im wesentlichen die gleiche ist wie
in Fig. 4, mit Ausnahme eines Drehzahlfühlers 11, der ninzugefügt ist, um konstant
die Drehzahl fR des Läufers des Hysteresemotors 4 zu erfassen. Die erfaßte Drehzahl
fR wird mit der Ansteuerfrequenz fI, die durch den Frequenz fühler 10 erfaßt wird,
im Obererregungs-Sollwertgeber 9 verglichen. Wenn beide Frequenzen fR und f1 übereinstimmen,
wird das Obererregungs-Befehlssignal Eg erzeigt.
Demgemäß wird
das Ubererregungs-Befehlssignal auch erzeugt, wenn der Motor 4 aus der Synchronisierung
kommt und wieder den synchronen Zustand annimmt. Da in einem derartigen Fall die
Synchronisierung bei der Ubererregung einzutreten neigt, ist es erforderlich, eine
Einrichtung zum Sperren des übererregungs-Befehlssignales vorzusehen.
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Obwohl die in Fig. 6 dargestellte Anordnung einen etwas Komplizierteren
Aufbau des Überarregungs-Sollwertgebers erfordert, indem zusätzlich der Drehzahlfühler
11 vorgesehen ist, kann der Hysteresemotor 4 konstant mit erhöntem Wirkungsgrad
angesteuert werden, da der Läufer des Motors immer dann übererregt ist, wenn der
Motor aus dem nichtsynchronisierten Zustand den synchronisierten Zustand anzunenmen
neigt.
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Wie aus den obigen Erläuterungen folgt, kann mit der erfindungsgemäßen
Ansteueranordnung für den Hysteresemotor dieser mit einem hohen Wirkungsgrad betrieben
werden, der sich dem Wirkungsgrad eines Dauermagnetmotors nähert, ohne einen hohen
Aufwand für die Kapazität oder den Aufoau der Ansteueranordnung zu erfordern.
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Obwohl bei den in den Fig. 4 und 6 dargestellten Ansteueranordnungen
ein Gleichrichter zusammen mit einem Wecnselrichter vorgesehen ist, kann selbstverständlich
jede andere Anordnung verwendet werden, mit der die Spannung und/oder die Frequenz
gesteuert werden kann, die zum Hysteresemotor gespeist sind, wie z. B. ein Frequenzumrichter,
ein Zernacker zusammen mit dem Wechselrichter oder dergleichen.