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1. Jury Petrovich Kuznetsov, Moskau, UdSSR
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2. izlikhail Jurievich Sokolov, Moskau, UdSSR Verfahren und Einrichtung
zur Steuerung eines Asynchron-Schleifringläufermotors Die Erfindung bezieht sich
auf gesteuerte Wechselstromantriebe, insbesondere ein Verfahren und eine Einrichtung
zur Steuerung eines Asynchron-Schleifringläufermotors.
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Die Erfindung kann zur Regelung der Dreh- und der Anlaß(Anlauf)geschwindigkeit
von mit Asynchron-Schleifringläufermotoren ausgerüsteten Anlagen verwendet werden,
insbesondere von Bandförderern, Ziehbändern, Kränen und Bohrwinden.
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Es gibt ein Verfahren zur Steuerung von Asynchron-Schleifringläufermotoren,
bei dem man zur Drehzahlregelung
eines Asynchron-Schleifringmotors
den Strom des Schleifringläufers mit Hilfe eines in den Schleifringläuferstromkreis
geschalteten Thyristorstromstellers regelt, wobei man die Thyristorsteuerimpulse
mit Hilfe einer Sägezahnspannung erzeugt, die ihrerseits mit Hilfe des Schleifringläuferstromes
erzeugt wird.
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Bekannt ist auch eine Einrichtung zur Durchführung dieses Steuerverfahrens,
die drei Vorwiderstände enthält, deren jeder mit einem Anschluß an eine der Läuferphasen
gelegt ist, während die anderen Anschlüsse zu einem gemeinsamen Punkt vereinigt
sind. Parallel mu jedem Vorwiderstand sind zwei antiparallele Thyristoren, die ggf.
einen Thyristorstromsteller bilden, geschaltet. Die Einrichtung enthält auch einen
Sägezahnspannungsgenerator, dessen Eingang mit den Sekundärwicklungen von Schleifringläurerstromtransformatoren
und dessen Ausgang mit dem Eingang eines Steuerimpulsgenerators für den Thyristorstromsteller
verbunden ist (vgl. Arbeiten des Bergbauinstitutes der Akademie der Wissenschaften
der Kasachischen SSR, Band 469 197ob s. 80 - 91).
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Das bekannte Verfahren und die bekannte Einrichtung gestatten jedoch
nicht, das Drehmoment des Asynchronmotors von Null aus stufenlos zu regeln. Der
Strom des Schleifringläufers und das vom Asynchronmotor entwickelte Drehmoment stehen
miteinander in Zusammenhang, d. h. ist der Schleifringläuferstrom gleich Null, so
ist auch das Drehmoment des Asynchronmotors gleich Null, ist dagegen der Schleifringläuferstrom
ungleich Null,so ist auch das Drehmoment ungleich Null. Zur Sicherung der Funktionsfähigkeit
der bekannten Einrichtung ist es erforderlich, daß beim Anlegen der Spannung an
den Ständer des Ansychronmotors sofort ein Strom im Schleifringläufer fließt, da
sonst die
Sägezahnspannung ausbleibt, ohne die die Regelung der
Drehzahl des Schleifringläufers unmöglich ist.
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Es gibt auch ein Verfahren zur Steuerung eines Asynchron-Schleifringmotors,
das in der Regelung des Drehmomentes bzw. der Drehzahl des Schleifringläufers durch
Einwirkung auf einen Thyristorstromsteller im Läuferstromkreis mit einem Signal
besteht, das sich aus dem Vergleich der Sollspannung mit einer der Ist spannung
des Asynchronmotorläufers proportionalen Spannung ergibt.
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Bekannt ist auch eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens,
die einen Transformator enthält, dessen Primärwicklung an den Schleifringläufer
des Asynchronmotors und dessen Sekundärwicklung an einen der Eingänge einer Vergleichsschaltung
angeschlossen ist, deren anderer Eingang mit einem Motordrehzahlsteller verbunden
ist, während der Ausgang der Vergleichsschaltung an den Eingang eines Steuerimpulsgenerators
gelegt ist, dessen Ausgang mit einem Thyristorstromsteller verbunden ist, der mit
einem Vorwiderstand mit einem Wahlschalter abgeschlossen und an den Schleinringläufer
des Asynchronmotors angeschlossen ist. In der Einrichtung ist auch ein Drehmomentbegrenzer
zur Begrenzung des Drehmoments beim Kurzschließen der Vorwiderstandsteile mit dem
Wahlschalter vorhanden. Zum sicheren Betrieb der Einrichtung sind an jede Phase
des Schleifringläufers parallel zum Thyristorstromsteller Widerstände geschaltet
(FR-PS 2 130 935, MKU HO 2p 1/00, 1971).
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Dieses Verfahren und diese Einrichtung zur Steuerung eines Asynchron-Schleifringläufermotors
gestatten keinen sanften Anlauf und keine stufenlose Regelung der Drehzahl des Asynchronmotors.
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Ein sanfter Anlauf ist unmöglich wegen der an jede
Läuferphase
des Asynchronmotors angeschlossenen Widerstände, die ähnlich wie bei der vorangehenden
Einrichtung einen Durchfluß des Schleifringläuferstromes sofort nach dem Anlegen
der Spannung an den Motorständer ermöglichen.
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Beim Kurzschließen der Vorwiderstandsteile mit dem Wahlschalter treten
so erhebliche Stromstöße des Schleifringläufers auf, daß ein Drehmomentbegrenzer
verwendet werden muß.
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Es ist daher Aufabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Einrichtung
zur Steuerung eines Asynchron-Schleifringläufermotors anzugeben, die einen sanften
Anlauf und eine stufenlose Drehzahlregelung des Asynchronmotors sichern und damit
die Zuverlässigkeit der sie verwendenden Anlagen erhöhen.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Lehre
nach dem Kennzeichen der Patentansprüche 1 und 2.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Dabei kann der Drehzahlfühler insbesondere nach den Ansprüchen 4
- 6 ausgebildet sein, wobei am günstigsten sein Aufbau als Gleichstromgenerator
ist.
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In diesem Zusammenhang ist es zweckmäßig, bei Ausbildung des Drehzahlfühlers
als Transformator einen Gleichrichter als Umformer, als Gleichstromgenerator einen
Gleichstromverstärker mit inversem Ausgang als Umformer und als fotoelektrischen
Fühler einen Gleichstromverstärker als Umformer zu benutzen.
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Die Erfindung gestattet einen stufenlosen Anstieg des Drehmomentes
des Asynchronmotors von Null bis auf den für das Motoranlassen erforderlichen Wert
mit weiterem Hochfahren des Asynchronmotors in Abhängigkeit von den technologischen
Anforderungen an den Elektroantrieb, was die Erhöhung der Zuverlässigkeit und der
Lebensdauer der den Elektroantrieb verwendenden Anlage ermöglicht.
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Steuerung
eines Asynchron-Schleifringläufermotors; Fig. 2 das elektrische Schaltbild eines
Sägezahnspannungsgenerators gemäß der Erfindung; Fig. 3 graphisch die Abhängigkeit
der Schleifringläuferspannung und der Sägezahnspannung von der Zeit bei stillstehendem
Schleifringläufer gemäß der Erfindung; und Fig. 4 graphisch die Abhängigkeit der
Schleifringläuferspannung und der Sägezahnspannung von der Zeit bei rotierendem
Schleifringläufer, dessen Drehzahl 50 % der synchronen Drehzahl des Asynchronmotors
beträgt.
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In Fig. 1 ist das Blockschaltbild einer Einrichtung zur Durchführung
des Verfahrens zur Steuerung eines Asynchron-Schleifringläufers dargestellt.
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Die Einrichtung zur Steuerung eines Asynchronmotors 1 mit einem Schleifringläufer
2 ent-hält einen Transformator 3, dessen Primärwicklung an den Schleifringläufer
2
des Elektromotors 1 und dessen Sekundärwicklung an einen der
Eingänge eines Sägezahnspannungsgenerators 4 angeschlossen ist, an dessen anderen
Eingang ein Drehzahlfühler 5 zur Abgabe einer der Drehzahl des Schleifringläufers2
des Asynchronmotors 1 proportionalen Spannung angeschlossen ist, der mit dem Schleifringläufer
2 des Elektromotors 1 verbunden ist.
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Der Drehzahlfühler 5 kann als ein elektrisch mit dem Schleifringläufer
2 des Elektromotors 1 gekoppelter Transformator, als ein mechanisch mit dem Schleifringläufer
2 des Elektromotors 1 gekoppelter Gleichstromgenerator sowie als ein optisch mit
dem Schleifringläufer 2 des Elektromotors 1 gekoppelter fotoelektrischer Fühler
ausgeführt sein.
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Die Einrichtung enthält auch einen Drehzahlsteller 6 für den Schleifringläufer
2 des Elektromotors 1, dessen Ausgang mit einem der Eingänge einer Vergleichsschaltung
7 verbunden und zur Vorgabe der Intensität und der Art des Hochfahrens des Asynchronmotors
1 bestimmt ist. Der Drehzahlsteller 6 kann nach jeder bekannten Schaltung sowohl
als autonome Einheit, die nach einem in dieser eingespeicherten Programm arbeitet,
wie auch als Steller, z. Bo als Drehmelder (Selsyn), der ein Signal je nach Stellung
eines Steuerknopfes (nicht mitgezeichnet) liefert, ausgeführt sein.
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Die Vergleichsschaltung 7 erzeugt am Ausgang ein in Phase mit der
Sägezahnspannung liegendes Signal aus der vom Drehzahlsteller 6 erhaltenen Spannung,
aus der der Spannung des Schleifringläufers 2 des Elektromotors 1 proportionalen
Spannung und aus der Sägezahnspannung.
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Ein Steuerimpulsgenerator 8, dessen Eingang mit dem Ausgang der Vergleichsschaltung
7 und dessen Ausgang mit dem Eingang des Thyristorstromreglers 9 verbunden ist,
erzeugt Steuerimpulse für einen Thyristorstromsteller 9 und hat einen beliebigen
bekannten Aufbau.
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Der Thyristorstromsteller 9 kann sowohl in Brückenschaltung als auch
mit antiparallel geschalteten Thyristoren in jeder Phase des SchleiSringläuSem,2
2 ausgeführt sein.
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Der Thyristorstromsteller 9 ist in den Stromkreis des Schleifringläufers
2 des Elektromotors 1 geschaltet und mit einem Vorwiderstand 10 abgeschlossen.
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Zur Anpassung des Drehmomentes des Asynchronmotors an das Lastmoment
wird eine Schalteinrichtung (nicht mitgezeichnet) zum Überbrücken eines Teils bzw.
des gesamten Vorwiderstandes 10 verwendet. Die Schalteinrichtung kann sowohl mit
einem oder mehreren Thyristoren als auch in Form eines Wahl schalters ausgeführt
sein.
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Fig. 2 zeigt das elektrische Schaltbild des Sägezahnspannungsgenerators
4.
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Der Sägezahnspannungsgenerator 4 weist einen Widerstand 11 auf, dessen
einer Anschluß an die Sekundärwicklung des Transformators 2 (Fig. 1) und dessen
anderer Anschluß an Dioden 12 und 13 gelegt ist. Der Widerstand 11 hat den Zweck,
den Strom über die Dioden 12 und 13 zu begrenzen. Die Dioden 12 und 13 dienen zur
Begrenzung der Steuerspannung für einen Transistor 14 als Schalter.
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Ein Umformer 15 ist mit einem Widerstand 16 verbunden, der den Ladestrom
und die Ladezeitkonstante eines Kondensators 17 bestimmt, und erzeugt eine Spannung,
die den Kondensator 17 auflädt.
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Der Kondensator 17 ist dasjenige Bauelement der Schaltung, an dem
eine Sägezahnspannung erzeugt wird, die als Ausgangsspannung für den Sägezahnspannungsgenerator
4 (Fig. 1) dient.
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Der Umformer 15 (Fig. 2) ist ein Gleichrichter, falls der Drehzahlfühler
5 (Fig. 1) zur Abgabe einer der Drehzahl des Schleifringläufers 2 des Asynchronmotors
1 proportionalen Spannung als mit dem Schleifringläufer 2 des Asynchronmotors 1
gekoppelter Transformator ausgeführt ist, oder ein Gleichstromverstärker, falls
der Drehzahlfühler 5 als Gleichstromgenerator bzw. als fotoelektrischer Fühler ausgeführt
ist. Hierbei ist bei Ausführung des Drehzahlfühlem 5 als Gleichstromgenerator der
Umformer 15 ein Gleichstromverstärker mit inversem Ausgang.
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In Fig. 3 ist die Abhängigkeit der der Spannung des Schleifringläufers
2 (Fig. 1) proportionalen Spannung U und der Sägezahnspannung am Ausgang des Sägezahnspannungsgenerators
4 bzw. - was dasselbe ist - am Kondensator 17 (Fig. 2) bei stillstehendem Schleifringläufer
2 (Fig 1) von der Zeit t graphisch dargestellt In Fig. 4 ist die Abhängigkeit der
der Spannung des Schleifringläufers 2 (Fig 1) proportionalen Spannung U und der
Sägezahnspannung am Ausgang des Sägezahnspannungsgenerators 4 bzw. - was dasselbe
ist - am Kondensator 17 (Fig. 2) beim Rotieren des Schleifringläufers 2 des Elektromotors
1 (Fig. 1) mit einer Drehzahl, die 50 % der synchronen Drehzahl des Asynchronmotors
1 beträgt, von der Zeit t graphisch dargestellt.
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Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung arbeitet wie folgt:
An
den Ständer des stillstehenden Elektromotors 1 wird die Speisenetzspannung angelegt,
so daß am Schleifringläufer 2 eine Spannung erscheint, die nach Erhöhung bzw. Verminderung
(je nach Wert der Nennspannung des Schleifringläurers 2 bei stillstehendem Motor
1) im Transformator 3 einem der Eingänge des Sägezahnspannungsgenerators 4 zugeführt
wird, dessen zweitem Eingang gleichzeitig die Spannung vom Drehzahlfühler 5 zugeführt
wird.
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Infolgedessen erscheint am Ausgang des Sägezahnspannungsgenerators
4 eine Sägezahnspannung.
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In diesem Fall arbeitet der Säge zahnspannungs generator 4 (Fig.
1), dessen elektrisches Schaltbild in Fig. 2 dargestellt ist, wie folgt.
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Die der Spannung des Schleifringläufers 2 (Fig. 1) proportionale
Spannung gelangt zum Eingang des Sägezahnspannungsgenerators 4, an den einer der
Anschlüsse des Widerstandes 11 (Fig. 2) gelegt ist, und wird nabh Begrenzung ihrer
Amplitude mit Hilfe der Dioden 12 und 13 der Basis des Transistors 14 zugeführt.
Dies ist erforderlich, damit die erzeugte Sägezahnspannung in Phase mit der Spannung
des Schleifringläufers 2 liegt und deren Dauer eine halbe Periode der Spannung des
Schleifringläufers 2 (Fig. 1) beträgt. Der Transistor 14 (Fig. 2) dient als Schalter,
der in leitendem Zustand den Kondensator 14 überbrückt und die Erzeugung der Sägezahnspannung
unterbricht. Bei gesperrtem Transistor wird der Kondensator 17 bis auf die Amplitude
A aufgeladen, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Die Aufladung des Kondensators 17 (Fig.
2) erfolgt durch die der Drehzahl des Schleifringläufers 2 (Fig. 1) proportionale
Spannung über den Widerstand 16 (Fig. 2). Die so erzeugte Sägezahnspannung wird
zusammen mit der Spannung vom Drehzahlsteller 6 (Fig. 1) und der der Spannung des
Schleifringläufers
2 proportionalen Spannung der Vergleichsschaltung
7 zugeführt, die am Ausgang Steuerimpulse für den Steuerimpulsgenerator 8 erzeugt,
deren Dauer der Differenz der eintreffenden Spannungen proportional ist. Beim Anlegen
der Spannung an den Ständer des Elektromotors 1 ist diese Differenz gleich Null,
so daß am Ausgang der Vergleichsschaltung 7 kein Signal anliegt. Gelangt vom Ausgang
der Vergleichsschaltung 7 zum Eingang des Steuerimpulsgenerators 8 kein Signal,
so erzeugt dieser keine Steuerimpulse für den Thyristorstromsteller 9. In diesem
Fall bleiben der Strom im Schleifringläufer 2 und folglich das Drehmoment des Asynchronmotors
1 aus.
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Während der Regelung des Schleifringläuferstromes bzw. der Änderung
der Sollspannung nimmt die Differenz der Signale am Eingang der Vergleichsschaltung
7 zu, was an deren Ausgang Impulse hervorruft. Weiterhin arbeitet der Thyristorstromsteller
9 als Dreiphasenthyristorsteller mit Änderung des Thyristorzündwinkels auf einer
mit der Schlupffrequenz des Schleifringläufers 2 synchronen Frequenz.
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Durch die Regelung des Thyristorzündwinkels wird ein stufenloser
Anstieg des Stromes im Schleifringläufer 2 und damit des Drehmomentes des Elektromotors
1 gesichert.
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Das Drehmoment steigt so lange an, bis der Elektromotor angelassen
wird, und sodann findet ein Hochfahren des Schleifringläufers 2 entsprechend der
vom Drehzahl steller 6 vorgegebenen Geschwindigkeit statt.
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Da die Sägezahnspannung in Phase mit der Spannung des Schleifringläufers
2 liegt, die Dauer der Sägezahnspannung gleich der halben Periode der Spannung des
Schleifringläufers 2 ist und ihre Amplitude A sowohl bei stillstehendem
Schleifringläufer
2 als auch bei laufendem Schleifringläufer 2 konstant ist, wie aus Fig. 4 ersichtlich
ist, wird eine stufenlose Regelung des Drehmomentes des Asynchronmotors 1 (Fig.
1) von Null bis zum Anlassen des Asynchronmotors 1 und weiter eine stufenlose Regelung
der Drehzahl des Elektromotors 1 im gesamten Drehzahlbereich ermöglicht.
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Das Verfahren und die Einrichtung zur Steuerung eines Asynchron-Schleirringläufermotors
sichern einen stufenlosen Anstieg des Drehmomentes des Asynchronmotors von Null
bis auf einen zum Anlassen erforderlichen Wert mit weiterem Hochfahren des Asynchronmotors
in Abhängigkeit von den technologischen Anforderungen an den Elektroantrieb und
damit eine wesentliche Steigerung der Zuverlässigkeit und der Lebensdauer der sie
verwendenden Anlage.
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L e e r s e i t e