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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung
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zur Anzeige des Belastungszustandes eines Wechselstrommotors, insbesondere
auf eine solche Schaltungsanordnung für einen Asynchronmotor.
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Es existiert eine grosse Anzahl von Gebieten, auf welchen eine einfache
Vorrichtung zur Anzeige des Belastungszustandes eines Wechselstrommotors und zur
Anzeige von Änderungen in dem Belastungszustand von grossem Wert wäre und die Kontrolle
und Regelung verschiedener Prozesse und Arbeitsabläufe, die von dem Belastungszustand
des Motors abhängen, vereinfachen könnte. Es seien beispielsweise erwähnt: Eine
Ueberwachung zum Verhindern des Leerlaufs oder einer Ueberlastung, die Anzeige des
Endes eines Arbeitszyklus, wie z.B. beim Bohren, Gewindeschneiden und Sägen, unter
Umständen verbunden mit dem Auslösen eines anderen Arbeitszyklus sowie die Regelung
der Leistung einer Last in Abhängigkeit von der Belastung eines Wechselstrommotors.
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Zur Anzeige der Belastung eines Wechselstrommotors wurden bisher Vorrichtungen
verwendet, welche den Motorstrom oder die Motorleistung anzeigten. Nachteilig bei
diesen Vorrichtungen ist u.a. die geringe Empfindlichkeit für Laständerungen innerhalb
von Teilen des Lastbereiches.
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Eine Anzeige der Belastung eines Wechselstrommotors kann auch durch
eine Vorrichtung realisiert werden, die ein Signal erzeugt, dessen Grösse eine Funktion
der Phasendifferenz zwischen dem Motorstrom der Motorspannung ist, da diese Phasendifferenz
im wesentlichen in linearer Beziehung zu der Last steht. Nachteilig bei diesen Anordnungen
zur Anzeige der Phasendifferenz ist jedoch die Empfindlichkeit gegenüber Änderungen
der Versorgungsspannung des Motors.
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Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zu schaffen,
welche unter Verwendung der Phasendif-
ferenz zwischen dem Motorstrom
und der Motorspannung den Belastungszustand eines Wechselstrommotors anzeigt, wobei
im besonderen die Anzeige der Belastung unabhängig von Änderungen der Versorgungsspannung
sein soll.
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Dieses Ziel wird mit einer Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten
Art erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass eine Schaltung zur Erzeugung einer ersten
Wechselspannung mit fester Phasenbeziehung zu dem Motorstrom und einer zweiten Wechselspannung
mit fester Phasenbeziehung zu der blotorspannung, ein mit der genannten Schaltung
verbundener Phasendetektor zur Erzeugung einer Folge von Impulsen, deren Breite
proportional der Phasendifferenz zwischen der ersten und der zweiten Wechselspannung
ist, eine Gleichrichterschaltung zur Erzeugung eines Gleichspannungssignals, dessen
Amplitude proportional der Amplitude der Motorspannung ist, und eine mit dem Phasendetektor
und der Gleichrichterschaltung verbundene Schaltung zur Erzeugung eines Anzeigesignals
für die Belastung vorgesehen sind.
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Auf diese Weise kann das Lastanzeigesignal unabhängig von änderungen
der Versorgungsspannung gehalten werden.
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Die Erfindung samt ihren weiteren Vorteilen und Merkmalen ist im folgenden
an Hand beispielsweise Ausführungsformen näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht
sind. Es zeigen Fig. 1 eine Blockschaltung einer bekannten Lastanzeigevorrichtung,
beruhend auf der Phasendifferenz zwischen Strom und Spannung, Fig. 2 ein Diagramm,
welches die Phasendifferenz zwischen dem Motorstrom und der Motorspannung eines
Asynchronmotors als Funktion der Belastung zeigt, wobei die Versorgungsspannung
Parameter ist,
Fig. 3 ein Diagramm, welches das Ausgangssignal der
Lastanzeigevorrichtung nach Fig. 1 als Funktion der Belastung des Asynchronmotors
darstellt, mit der Versorgungsspannung als Parameter, Fig. 4 ein Blockschaltbild
einer spannungskompensierten Lastanzeigevorrichtung entsprechend der vorliegenden
Erfindung, Fig. 5 ein Diagramm, welches das Ausgangssignal der Spannungskompensier-Schaltung
als Funktion der Versorgungsspannung zeigt, Fig. 6 eine Schaltungsanordnung zur
Gewinnung der Eingangsspannungen für den Phasenkomparator der Vorrichtung nach der
Erfindung, Fig. 7 die Schaltung eines Phasenkomparators gemäss der Erfindung, Fig.
8 die Gleichrichterschaltung entsprechend der Erfindung, Fig. 9 eine Ausführungsform
der Kombinationsschaltung gemäss der Erfindung, Fig. 10 eine andere Ausführungsform
der Kombinationsschaltung gemäss der Erfindung und Fig. 11 in der Schaltung nach
Fig. 10 auftretende Kurvenformen.
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Fig. 1 zeigt einen Phasenkomparator 1 mit zwei Eingängen, wobei einem
Eingang eine Wechselspannung U1 zugeführt wird, die in fester Phasenbeziehung zu
dem Wechselstrom einer nicht gezeigten Last steht, wogegen dem anderen Eingang eine
Wechselspannung U2 zugeführt wird, die in
fester Phasenbeziehung
zu einer an der Last liegenden Wechselspannung steht. Der Phasenkomparator 1 erzeugt
an seinem Ausgang eine Gleichspannung, deren Grösse der Phasendifferenz + zwischen
den Spannungen U1 und U2 proportional ist.
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Besteht die Last aus einem Wechselstrommotor, insbesondere aus einem
Asynchronmotor, so kann das Ausgangssignal des Phasenkomparators zur Anzeige der
Belastung des Motors herangezogen werden. Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung kann
somit als Lastindikator angesprochen werden. Dies geht auch aus den Diagrammen der
Fig. 2 und 3 hervor. Fig. 2 zeigt, dass sich die Phasendifferenz über den gesamten
Lastbereich bis über die Vollast hinaus im wesentlichen linear ändert und Fig. 3
zeigt, dass die Ausgangs spannung Ufdes Phasenkomparators 1 eine im wesentlichen
lineare Funktion der Last über den genannten Bereich ist.
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Die Fig. 2 und 3 zeigen allerdings auch einen Nachteil der in Fig.
1 dargestellten Schaltung, nämlich, dass die Phasendifferenz + und somit die Ausgangsspannung
U des Phasenkomparators 1 von der an der Last liegenden Spannung abhängen. Eine
konstante Last vorausgesetzt, steigt + mit steigender Versorgungsspannung, wogegen
abnimmt.
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Um sicherzustellen, dass die Spannung U+, die von dem Phasenkomparator
1 erzeugt wird, eine genaue Anzeige des Lastzustandes ist, müsste die Versorgungsspannung
konstant bleiben, was natürlich in der Praxis nicht der Fall ist.
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Die erfindungsgemässe Schaltung, dargestellt in Fig. 4, sieht eine
Kompensation der Änderungen der Versorgungsspannung vor. Insbesondere wird einer-Gleichrichterschaltung
2 eine Spannung zugeführt, die proportional der
Versorgungsspannung
ist, und die Schaltung 2 erzeugt eine Kompensationsspannung UkOmp, deren Amplitude
proportional der Amplitude der Versorgungsspannung ist. Die Gleichspannung Ukomp
wird in geeigneter Weise mit der Ausgangsspannung UO des Phasenkomparators 1 in
einer Kombinationsschaltung 3, z.B. einer Addierschaltung, vereinigt, um eine korrigierte
Ausgangsspannung Uokorr zu erhalten.
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Fig. 5 zeigt die Kompensations-Gleichspannung UkOmp als Funktion der
Versorgungsspannung UVersorgung Es versteht sich, dass es durch geeignete Dimensionierung
der Schaltungen 1, 2 und 3 möglich ist, in der Schaltung nach Fio. 4 die Anderung
der Amplitude der Spannung UO mit einer Anderung der Versorgungsspannung zu korrigieren,
und zwar mit Hilfe der sich ergebenden Änderung der Amplitude der Spannung Ukomp
Die Fig. 6 zeigt eine Schaltung zur Erzeugung der Eingangsspannungen des Phasenkomparators
nach Fig. 4. Ein Wechselspannungsmotor 4 ist an eine Dreiphasenstromquelle 5, beispielsweise
das Netz, über Leitungen 6, 7 und 8 angeschlossen. In der Phasenleitung 8 sind zwei
Dioden D1 und D2, antiparallel geschaltet, vorgesehen. Die Anschlüsse der Dioden
D1 und D2 sind über Widerstände R1 und R2 mit den Eingängen eines ersten Differenzverstärkers
Al in der gezeigten Weise verbunden. Drei Widerstände R3, R4 und R5 sind in Sternschaltunc
mit den drei Phasenleitern 6, 7 und 8 verbunden, wobei in Serie mit dem Widerstand
R5 die Antiparallelschaltung zweier Dioden D3 und D4 liegt. Ueber zwei Widerstände
R6 und R7 sind die Anschlüsse dieser Dioden mit den Eingängen eines zweiten Differenzverstärkers
2 in der gezeigten Weise verbunden. Ueberdies ist für jeden Eingang der Differenzverstärker
Al und A2 eine Vorspannung UVorspan: vorgesehen, die über Widerstände R8, R9, R10
und R12 den Eingängen zugeführt ist.
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Die Funktion der Schaltung nach Fig. 6 ist die folgende.
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Die Dioden D1 und D2 erzeugen ein Eingangssignal für den Differenzverstärker
Al, das in fester Phasenbeziehung zu den durch den Phasenleiter 8 fliessenden Strom
steht. In ähnlicher Weise sind die Eingänge des Differenzverstärkers A2 mit einem
Signal beaufschlagt, das in fester Phasenbeziehung zu der über den Phasen leiter
8 der Last 4 zugeführten Spannung steht. Die Widerstände R3-R5 erzeugen eine Referenzspannung
für die zuletzt genannte Spannung. Die Differenzverstärker Al und A2 sind Operationsverstärker,
die als Komparatoren arbeiten, und aus diesem Grund sind ihre Ausgangsspannungen
U1 und U2 Rechteckspannungen, deren Phasen den Phasen der Eingangsspannungen entsprechen.
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Der Phasenkomparator nach Fig. 7 weist ein Exklusiv-Odergatter G auf,
dem als Eingangssignale die Spannungen Ul und U2 zugeführt werden. Der Ausgang des
Gatters G ist an ein Tiefpassfilter gelegt, das aus zwei RC-Zweigen, mit Widerständen
R12, R13 und Kondensatoren C1, C2, besteht. Das Ausgangssignal des Gatters G ist
Null, wenn die Phasenverschiebung zwischen den Eingangssignalen U1 und U2 Oo beträgt,
und eine konstante Gleichspannung bestimmter Grösse, wenn die Phasenverschiebung
zwischen den genannten Eingangssignalen 1800 beträgt. Für Phasenverschiebungen zwischen
diesen Werten besteht die Ausgangsspannung des Gatters G aus einer Impulsfolge,
deren Frequenz doppelt so hoch wie die der Eingangssignale ist, und deren Impulsbreite
direkt proportional der Phasen differenz ist. Der Mittelwert des Ausgangssignals
des Gatters G wird mit Hilfe des Tiefpassfilters gebildet, d.h. die Ausgangsspannung
des Filters ist eine Gleichspannung, deren Amplitude proportional der genannten
Phasendifferenz ist.
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Die in Fig. 8 gezeigte Gleichrichterschaltung 2 gemäss der Erfindung
beinhaltet einen ersten Spannungsteiler zwischen den Phasen leitern 7 und 8 mit
zwei Widerständen
R14 und R15, sowie einen zweiten Spannungsteiler
zwischen den Phasen leitern 6 und 8 mit zwei Widerständen R16 und R17. Eine Diode
D5 ist zwischen die Verbindung der Widerstände R14, R15 und ein aus zwei Kondensatoren
C3, C4 und einem Widerstand R18 bestehendes Tiefpassfilter geschaltet. In ähnlicher
Weise ist eine Diode D6 zwischen die Verbindung der Widerstände R16, R17 unddieses
Tiefpassfilter geschaltet. Demgemäss erhält man eine Gleichspannung Ukomp an dem
Ausgang des Tiefpassfilters, wobei die Amplitude dieser Gleichspannung proportional
der Amplitude der Spannungen zwischen den Phasenleitern 8 und den Phasenleitern
6 und 7 ist.
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Die in Fig. 9 gezeigte Kombinationsschaltung gemäss der Erfindung
weist Widerstände Rl9 und R 20 auf, mit deren Hilfe die Ausgangsspannung Ui des
Phasenkomparators 1 und die Ausgangsspannung Ukomp der Gleichrichterschaltung 2
addiert werden, um so das korrigierte Ausgangssignal zuzuerhalten.
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Zur Feststellung, dass die Last einen bestimmten Wert und in der Folge
die Spannung Ukorr eine bestimmte Amplitude überschreiten, kann eine Referenzspannung
Uref mit dieser Amplitude an den invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers
A3, der als Komparator arbeitet, gelegt werden, wobei die Spannung Ukorran den nichtinvertierenden
Eingang dieses Differenzverstärkers A3 gelegt ist. Wenn die Amplitude der Spannung
Ukorr die Amplitude der Referenzspannung Uref übersteigt, ändert die Spannung am
Ausgang des Verstärkers 3 daher ihre Polarität von negativ zu positiv. Der Widerstand
R21 ist für eine gewisse Hysteresis verantwortlich. Die Schaltung nach Fig.
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9 kann daher anzeigen, dass die Belastung z.B. einen vorgegebenen
Maximalwert erreicht hat. Entsprechende Schaltungen zur Anzeige dass die Belastung
einen bestimmten Minimalwert erreicht hat, können leicht von jedem Fachmann entworfen
werden.
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Fig. 10 zeigt eine andere Ausführungsform der Kombinationsschaltung
3. Das in Fig. 7 bereits gezeigte Gatter G ist nicht an ein Tiefpassfilter sondern
an einen Operationsverstärker A4 gelegt, der als Integrator geschaltet ist. Die
Kopplung erfolgt einerseits über einen Widerstand R22 und andererseits über einen
Inverter I in Serie mit einem Widerstand R23. Um die Integrationswirkung zu erreichen,
ist ein Kondensator C5 zwischen den Ausgang des Verstärkers A4 und seinen invertierenden
Eingang geschaltet. Der Ausgang ist über einen Widerstand R24 mit dem nicht invertierenden
Eingang eines Differentialverstärkers A5, der als Komparator arbeitet, gelegt.
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An den nicht invertierenden Eingang des Differenzverstärkers A5 ist
überdies über einen Widerstand R25 der Ausgang der Gleichrichterschaltung nach Fig.
8 gelegt.
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Eine nicht gezeigte Spannungsquelle liefert eine Referenzspannung
Um reif für den invertierenden Eingang des Verstärkers A5. Der Ausgang des Verstärkers
A5 ist über einen Widerstand mit einem Opto-Koppler 0 verbunden, dessen Ausgang
an einem Tiefpassfilter mit Widerständen R27, R28 und Kondensatoren C6, C7 liegt.
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Die Funktion der Schaltung nach Fig. 10 wird nun unter Bezugnahme
auf Fig. 11 erläutert, wobei die Kurvenformen a-d entsprechenden Punkten in Fig.
10 zugeordnet sind.
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Das Ausgangssignal a des Gatters G und sein Komplementärsignal b werden
mit Hilfe des -Integrators A4 integriert, wobei bei geeigneter Wahl der Werte für
den Kondensator C5 und die Widerstände R22, R23 eine Ausgangsspannung mit trapezförmiger
Kurvenform c auftritt. Die Summe dieser Spannung und der Gleichspannung U wird komp
an den Eingang des Verstärkers A5 zum Vergleich mit der Referenzspannung Ulref gelegt,
wobei ein Binärsignal der Kurvenform d erhalten wird. Das zuletzt genannte Signal
gelangt über den Opto-Koppler O an das Tiefpassfilter R27, R28, C6, C7, dessen Ausgangssignal
der Spannung Ukorr entspricht. Es sei daran erinnert, dass das Ausgangssignal
des
Gatters G eine Folge von Impulsen ist, deren Breite der Phasendifferenz zwischen
den Eingangsspannungen U1 und U2 proportional ist. Wie man der Fig. 11 entnehmen
kann, kann man erreichen, dass das Signal am Ausgang des Verstärkers A5 Impulse
zeigt, deren Breite proportional der Breite der Impulse des Ausgangssignals des
Gatters G ist. Eine Änderung der Versorgungsspannung ergibt zwar eine Änderung der
Impulsbreite, aber diese Änderung wird durch den Gleichspannungspegel der Kurvenform
c kompensiert, der mit Hilfe der Spannung Ukomp geändert wird.
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Um dies zu erreichen, wird, was im Können des Fachmanns liegt, der
Anstieg der Flanken der Kurvenform c entsprechend bestimmt, in Abhängigkeit von
der Änderung der Spannung UkOmp,I ebenso wie die Änderung der Pulsbreite der Kurvenform
a mit Änderungen der Versorgungsspannung.
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Die von dem Inverter I, den Verstärkern A4, A5 und den zugeordneten
Kondensatoren und Widerständen gebildete Schaltung stellt daher eine Art Pulsbreitemodulator
zur Modulation der Pulsbreite der Impulse des Phasenkomparators 1 durch die Gleichspannung
der Gleichrichterschaltung 2 dar.
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Ein entscheidender Vorteil der Schaltung nach Fig. 10 liegt darin,
dass eine galvanische Trennung zwischen den Phasenleitern 6, 7 und 8 und den das
Signal Ukorr verarbeitenden, nicht gezeigten Schaltungen erzielbar ist.
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Es kann noch erwähnt werden, dass die Verstärker Al, A2, A3, A4 und
A5 Operationsverstärker der Type LM 3900 sein können, die zum Betrieb an einer einzigen
Versorgungsspannung eingerichtet sind.
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