DE2721855A1

DE2721855A1 - Steuerung fuer einen synchronmotor

Info

Publication number: DE2721855A1
Application number: DE19772721855
Authority: DE
Inventors: Katsuhiko Iwami; Yasuhiro Saito; Toshiyuki Saruta
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1976-05-21
Filing date: 1977-05-14
Publication date: 1977-12-01
Also published as: GB1573518A; JPS52142223A; SG44482G; HK51282A

Description

DIPL.-PHYS. F. ENDLICH l - jjj4 untjrpfaffenhofen 16. Mai 1977

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DIPL.-PHYS. F. ENDLICH. D - BOS4 UNTERPFAFFENHOFEN, POSTF.

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Meine Akte: D-4-253

Kabushiki Kaisha Daini Seikosha Tokyo, Japan

Steuerung für einen Synchronmotor

Die Erfindung betrifft eine Steuerung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Eine bekannte Steuerung für einen Synchronmotor besteht aus einer Wechselspannungsquelle mit variabler Frequenz, die ein Wechselsignal entsprechend der Antriebsgeschwindigkeit des Motors erzeugt; das Wechselsignal hat dabei bei allen Frequenzen eine flache Spannungsamplitude bzw. einen flachen Spannungsamplitudenverlauf. Eine derartige Steuerung soll den Motor jeweils synchron zur Frequenz der von der Steuerung abgegebenen Ausgangsleistung steuern, und zwar unabhängig von einer Abweichung des Lastmomentes; außerdem soll die Motorgeschwindigkeit von einem höheren

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Wert auf einen niedrigeren Wert abhängig von dieser Ausgangsfrequenz geändert werden. Bei einer derartigen Steuerung besteht jedoch nach wie vor die Gefahr eines zu hohen Temperaturanstiegs und eines Wicklungsbrandes aufgrund eines Leistungsverlustes durch die Widerstandskomponente R in den Wicklungen, d.h. durch den öhmschen Verlust, der sich im Verhältnis zu der Zunahme des elektrischen Stromes in den Wicklungen erhöht; die Stromerhöhung wird durch eine Erniedrigung der Impedanz der Motorwicklungen verursacht, wenn ein Signal mit sehr niedriger Frequenz angelegt wird, um den Motor mit einer sehr niedrigen Geschwindigkeit anzutreiben. Das Verhältnis zwischen der Antriebsgeschwindigkeit ν des Synchronmotors gegenüber dem Strom i und der verbrauchten Leistung £ ergibt sich aus folgenden Gleichungen. Wenn die Induktanz der Motorwicklung mit L bezeichnet wird, deren Innenwiderstand mit R und die Speisespannung mit E, dann ergibt sich der Strom ΐ zu

I = E/(R +WL) (1)

In dieser Gleichung ist Cd = kv,

wobei k konstant ist.

Die verbrauchte Leistung P ergibt sich dann zu

P = I²R + I²WL (2).

Aus den Gleichungen (1) und (2) ist ersichtlich, daß eine kontinuierliche Steuerung eines Synchronmotors mit niedriger Geschwindigkeit den Strom 1 erhöhen läßt und demzufolge zu einer Erhöhung der Verlustleistung I R aufgrund des Innenwiderstands R der Motorwicklung gegenüber der gesamten, verbrauchten Leistung führt. Dies resultiert in einer zu hohen Wärmeerzeugung und einem Brennen der Motorwicklung. Häufige Start- und Stopvorgänge führen ebenfalls zu einer zu hohen Wärmespeicherung

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und verursachen manchmal ein Brennen der Wicklung aufgrund des hohen Leistungsverlustes, wenn der Motor mit niedriger Geschwindigkeit gefahren wird. Infolgedessen wird ein Synchronmotor mit wesentlich größerer Leistungskapazität und wesentlich höherer Haltbarkeit als es für die Eingangs- und Ausgangsleistungen eigentlich erforderlich ist, verwendet. Aufgrund dieser zu hohen Auslegung ergeben sich auch eine zu große Kapazität der mit dem Motor in Verbindung stehenden Anordnungen und gleichzeitig auch hohe Kosten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuerung für einen Synchronmotor zu schaffen, welche die genannten Schwierigkeiten und Nachteile beseitigt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Hauptanspruchs gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung schafft somit eine Steuerung für einen Synchronmotor, der eine Wechselspannungsquelle mit variabler Frequenz aufweist, die ein Wechselsignal mit einer Frequenz erzeugt, das der Antriebsgeschwindigkeit des Motors entspricht. Die Ausgangsspannung der Speisequelle wird entsprechend einer Frequenz gesteuert, die von der Antriebsgeschwindigkeit des Motors abhängt, um dadurch einen zu hohen Leistungsverlust bei einem Betrieb des Motors mit geringer Drehzahl zu verhindern außerdem soll der Motor vor einer Überhitzung der Wicklung oder einem Wicklungsbrand geschützt werden. Mit der erfindungsgemäßen Steuerung ist vorteilhafterweise eine rationelle und vernünftige Auswahl eines Synchronmotors sowie der zugeordneten Anordnungen bzw. Einrichtungen abhängig von den Eingangs- und Ausgangsleistungen möglich.

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Die erfindungsgemäße Steuerung für einen Synchronmotor enthält somit eine Wechselspannungsquelle variabler Frequenz zum Antrieb bzw. zur Steuerung des Synchronmotors. Die Ausgangsspannung der Wechselspannungsquelle bzw. Speisequelle wird dabei entsprechend einer Frequenz gesteuert, die von der Antriebsgeschwindigkeit des Motors abhängt, so daß über einen langen Zeitraum ein Antrieb des Motors mit geringer Geschwindigkeit möglich ist; außerdem kann ein häufiges Starten und Anhalten des Motors erfolgen, ohne daß eine Motorüberhitzung oder ein Wicklungsbrand befürchtet werden muß, der bei bekannten Steuerungen dieser Art durch zu hohe Strome verursacht wird. Durch die erfindungsgemäße Steuerung kann der Synchronmotor und die zugeordnete Gerätschaft in angemessener Weise unter Berücksichtigung der tatsächlichen Haltbarkeit und Kapazität ausgewählt werden; insbesondere läßt sich die Nennleistung bzw. die Betriebsverhältnisse des Motors und der zugeordneten Gerätschaft höher bzw. besser gestalten , d.h. der Wirkungsgrad wird verbessert.

Mit der erfindungsgemäßen Steuerung erfolgt die Steuerung der Motorgeschwindigkeit eines Synchronmotors durch die Frequenz eines Eingangssignals.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen zur Erläuterung weiterer Merkmale beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuerung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform einer Steuerung, und

Fig. 3 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise der Steuerungen nach Fig. 1 und 2.

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Das Blockschaltbild nach Fig. 1 zeigt eine Steuerung für einen Synchronmotor und enthält einen Oszillator Λ mit variabler Frequenz, dessen Ausgangssignal das Eingangssignal für einen Leistungsverstärker 2 liefert, Jer einen Synchronmotor M speist. Eine Speisequelle 3 für eine variable Spannung liefert eine Ausgangsspannung, die abhängig von einem äußeren Steuersignal geändert wird. Der Ausgang der Speisequelle 3 wird dem Leistungsverstärker 2 als Signal für die- Ausgangsleistung zugeführt. Gemäß Fig. 1 ist weiterhin eine Schaltung zur Erfassung der Drehgeschwindigkeit des Synchronmotors M vorgesehen, die in ein Spannungsausgangssignal umgewandelt wird, das dem Steueranschluß der Speisequelle 3 zugeführt wird. Somit liefert der Leistungsverstärker 2 eine wechselnde elektrische Leistung mit der gleichen Frequenz, die das Ausgangssignal des Oszillators Λ hat, wobei diese elektrische Leistung dem Synchronmotor M als Antriebsleistung zugeführt wird; die Spannung der elektrischen Speisequelle wird abhängig von der Frequenz verschoben. Bei einem Antrieb des Synchronmotors M mit niedriger Geschwindigkeit wird demzufolge die Spannung der Antriebsspeisequelle verringert, um eine zu große Zunahme des elektrischen Stromes aufgrund der Abnahme der Impedanz durch die Motorwicklung zu vermeiden, so daß auch ein hoher Leistungsverlust vermieden wird, der eine zu große Motorerhitzung oder einen Wicklungsbrand hervorrufen würde. Abgesehen von einem niedrigeren Geschwindigkeitsbereich führt die Erhöhung der Antriebsgeschwindigkeit dazu, daß die Spannung der Speisequelle erhöht wird, um das Motordrehmoment zu kompensieren, welches mit einer Stromabnahme aufgrund einer Impedanzerhöhung der Motorwicklung abnehmen würde. Bei der beschriebenen Ausführungsform besteht nicht die Gefahr, daß bei dem

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Synchronmotor eine zu hohe Erhitzung oder ein Wicklungsbrand beim Betrieb mit niedriger Geschwindigkeit auftritt, so daß ein Motor mit vernünftiger Kapazität ausgewählt werden kann und somit eine höhere Nennleistung haben kann als bei Verwendung der üblichen Steuerungen. Außerdem wird die Steuerung der Ausgangsspannung des Leistungsverstärkers 2 dadurch ausgeführt, daß die Ausgangsspannung der Speisequelle bzw. Quelle 3 für eine variable Spannung gesteuert wird, ohne daß ein Verlust in dem Ausgangskreis des Verstärkers 2 auftritt; eine Wärmeentwicklung in der Schaltung des Verstärkers 2, die durch den Leistungsverlust hervorgerufen würde, kann auf einen sehr geringen Wert begrenzt werden und die Belastung des Verstärkers 2 kann wesentlich erniedrigt werden.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Blockschaltbild einer Steuerung für einen Synchronmotor. Gemäß Fig. 2 ist ein Oszillator mit variabler Frequenz, ein Leistungsverstärker 2, eine Speisequelle 3 für eine variable Spannung und ein Synchronmotor M in ähnlicher Anordnung vorgesehen, wie dies unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert ist. Ein Frequenz/Spannungs-Wandler 5 ist vorgesehen, um die Frequenz des Ausgangssignals des Oszillators 10 in ein Spannungssignal umzuwandeln, welches dem Steueranschluß der Speisequelle zugeführt wird, um dadurch die Ausgangsspannung des Leistungsverstärkers 2 zu steuern, d.h. die Speisespannung für den Synchronmotor M entsprechend der Frequenz des Oszillators 1. Diese Ausführungsform hat die gleiche Wirkungsweise wie die unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläuterte Steuerung, so daß der Synchronmotor Mvor einer Überhitzung beim Betrieb mit niedriger Geschwindigkeit geschützt wird und wobei der Motor beim Betrieb mit höherer Geschwindigkeit mit einem ausreichend hohen Drehmoment angetrieben wird. Demzufolge kann der Motor

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für eine höhere Nennleistung, d.h. für eine größere Auslegung benützt werden; der Leistungsverlust des Leistungsverstärkers 2 wird dabei erheblich verringert. Ein weiteres wesentliches Merkmal dieser Steuerung wird darin gesehen, daß das Steuersignal für die Speisespannung des Synchronmotors M von dem Oszillator 1 abgegeben wird. Bei dieser Schaltungsart ist kein Detektor zur Erfassung der Drehgeschwindigkeit des Motors oder dgl. vorgesehen.

Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung, in der die verbrauchte Leistung des Motors M und die Verlustleistung im Leistungsverstärker 2 gegenüber der Antriebsgeschwindigkeit des Motors M dargestellt sind, der mit einem konstanten Drehmoment angetrieben wird, wobei die Steuerung nach Fig. 1 oder Fig. 2 Verwendung findet.

Fig. 3 veranschaulicht demzufolge die Kurve des Leistungsverbrauchs des Motors M. Die geringste, verbrauchte Leistung tritt beim Wert P . auf, d.h. in der Nähe der Geschwindigkeit 0 und erhöht sich nahezu linear bis zum maximalen Wert P bei der maximalen Drehzahl V ; das Motordrehmoment wird dabei konstant gehalten. Der minimale Leistungsverbrauch P J_n ist nahezu gleich der ohmschen Verlustleistung I R, der durch den Innenwiderstand der Motorwicklung hervorgerufen wird; bei einem idealen Motor beträgt P . nahezu Ö. Die Kurve b veranschaulicht die Verlustleistung im Leistungsverstärker 2. Wenn der Motor die höchste Geschwindigkeit V bei maximalem Leistungsverbrauch P erreicht, verbraucht der Leistungsverstärker praktisch keine Leistung; bei einer niedrigeren Geschwindigkeit des Motors M nimmt der Leistungsverlust allmählich zu bis zum Maximalwert (P____ - P₁ .;„) nahe der Drehgeschwindigkeit 0 des

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Motors M. Der Grund für dieses Phänomen ist dariir v.vt ' sehen, daß ein konstantes Drehmoment für den Synchronmotor M einen konstanten elektrischen Strom 1 erfordert und daß - falls die Spannung des Leistungsverstärkers konstant ist - der Strom I konstant gehalten wird; der Leistungsverstärker würde dann die Restleistung verbrauchen, während der Motor wegen des Betriebs mit niedriger Drehzahl nur eine geringe Leistung verbraucht; dagegen verbraucht der Leistungsverstärker nur wenig Leistung, wenn der Motor mit hoher Drehzahl betrieben wird und demzufolge eine große Leistung verbraucht. Die gerade Linie c veranschaulicht den Leistungsverlust im Leistungsverstärker 2. Da die Spannung des Leistungsverstärkers 2 entlang der Kurve a abhängig von der Drehzahl des Synchronmotors M abnimmt, verbraucht der Leistungsverstärker 2 nicht die gesamte Restleistung bei einem niedrigen Leistungsverbrauch bei dem Betrieb des Motors M mit niedriger Geschwindigkeit, sondern verbraucht nur eine niedrige Leistung, die nahezu gleich

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der ohmschen Verlustleistung I R ist.

Als Speisequelle für eine variable Spannung zur Steuerung der Speisespannung des Leistungsverstärkers 2 kann ein Frequenz-Spannungs-Wandler verwendet werden, der einen Schaltregler für eine normale Spannungsquelle aufweist, sowie eine Frequenz-Spannungs-Wandlerschaltung, die ein Frequenzsignal empfängt, welches von der Motorgeschwindigkeit abhängt und die ein Spannungssignal zur Steuerung des Schaltreglers abhängig· von der Frequenz erzeugt.

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Claims

DIPL.-PHYS. F. ENDLICH a - tci4 untcrpfa-fenhofen 16. Mai 1977 PATENTANWALT postfach S/lei DIPL.-PHYS. F. ENDLICH. D - 8034 UNTERPFAFFENHOFEN, POSTF. «MÖNCHEN) 84 36 >· TELEX: B2 173O Meine Akte: D-4-253 Kabushiki Kaisha Daini Seikosha Tokyo, Japan Pat e nt an Sprüche

1.) Steuerung für einen Synchronmotor, mit einer Speisequelle zur Erzeugung eines Wechselsignals variabler Frequenz, dessen Frequenz der Antriebsgeschwindigkeit des Synchronmotors entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (4;5) zur Steuerung der Ausgangsspannung der Speisequelle (3) entsprechend einer Frequenz vorgesehen ist, die von der Antriebsgeschwindigkeit des Synchronmotors abhängt.

Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (4) zur Steuerung der Speisequelle (3) ein Detektor zur Erfassung der Drehzahl des Synchronmotors ist.

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3· Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (5) zur Steuerung der Ausgangsspannung der Speisequelle (3) ein Frequenz/Spannungs-Wandler ist.

4-, Steuerung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenz/Spannungs-Wandler an die Speisequelle (1) zur Erzeugung eines Wechselsignals mit variabler Frequenz angeschlossen ist.

5· Steuerung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisequelle (1) zur Erzeugung eines Wechselsignals mit variabler Frequenz ein Oszillator ist.

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