DE2856538A1

DE2856538A1 - Regelschaltung fuer kommutatorlose motoren

Info

Publication number: DE2856538A1
Application number: DE19782856538
Authority: DE
Inventors: Yuzuru Kubota; Hiroshi Nagase; Toshiaki Okuyama
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-02-03
Filing date: 1978-12-28
Publication date: 1979-08-09
Also published as: US4276504A; DE2856538C2; JPS54104518A; JPS5953795B2

Description

BESCHREIBUNa

Die Erfindung bezieht sich, auf eine Regelanordnung für kommutatorlose Motoren.

Kommutatorlose Motoren bestehen im allgemeinen aus einem Synchronmotor und einem atis Thyristoren aufgebauten Umformer. Der kommutatorlose Motor wird im folgenden als Thyristormotor bezeichnet.

Bei Thyristormotoren eilt der Ankerstrom der Klemmenspannung des mit hoher Drehzahl laufenden Motors voraus, so daß die Kommutierung des thyristorisierten Umformers, d. h. die Lastkommutierung des Frequenzumrichters durch die induzierte elektromotorische Kraft des Synchronmotors bewirkt wird. Die Phasendifferenz zwischen Ankerstrom und Klemmenspannung des Thyristormotors wird als Voreilwinkel fl bezeichnet.

Ist bei geringer Motordrehzahl die induzierte elektromotorische Kraft des Motors klein, so ist die Lastkommutierung schwierig, so daß umgeformt werden muß. In diesem Pail wird der Voreilwinkelβ auf einen kleinen Wert eingestellt, um ein hohes Motordrehmoment zu erzielen. Bei hohen Motordrehzahlen muß dagegen der Voreilwinkel ß einen hohen Wert haben, um unter Last zu kommutieren.

Somit muß der Wert des Voreilwinkels /3 zwischen hohen und niedrigen Drehzahlen umgeschaltet oder geändert werden. Das Motordrehmoment ergibt sich aus folgender Gieichung:

τ = K . cosß . . . .... (1)

Wird der Voreilwinkelft> stufenweise umgeschaltet, so ändert sich das Drehmoment r des Motors plötzlich, wodurch der Motor und/oder die Last nachteilig beeinflußt werden. In manchen Fällen kann es sogar zu Kommutierungsfehlern kommen. Um dies zu vermeiden, wird im allgemeinen der Ankerstrom zeitweilig auf 0 verringert, so daß Kommutierungsfehler vermieden werden und gleichzeitig die Drehmomentänderung auf einem kleinen Wert gehalten werden kann. Wird der Anker-

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strom zeitweilig auf 0 vermindert, so reduziert sich das Motordrehmoment ebenfalls zeitweilig auf 0. Das heißt, es treten Drehmomentänderungen auf. Wird ein Thyristormotor für Walzwerke oder dergleichen verwendet, wo hohe Beschleunigungen und Verzögerungen auftreten, so läßt sich selbst die zum Umschalten des Voreilwinkels β notwendige Zeit (5 bis 10 ms) nicht vernachlässigen. Zur Vermeidung der Schwierigkeiten einer plötzlichen Ändeiung des Motordrehmoments wurde bereits ein Regelverfahren zur wirksamen Erzeugung des Motordrehmoments durch kontinuierliche Änderung des Voreilwinkels β entsprechend der Motordrehzahl vorgeschlagen.(US-PS 3 894 277).

Der Stand der Technik und die Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

die Regelung des Voreilwinkels β nach der US-PS 3 894 277, das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltung mit einem Zyklokonverter als Umformer, das Schaltbild der Voreilwinkel-Regelsteuerschaltung der Fig. 3,

Spannungs- und Stromverläufe zur Erläuterung der Arbeitsweise der Voreilwinkel-Steuerschaltung der Fig. 4,

das Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der Voreilwinkel-Steuerschaltung der Fig. 3,

Spannungs- und Stromverläufe zur Erläuterung der Arbeitsweise der Voreilwinkel-Steuerschaltung der Fig. 7,

Wenn gemäß Fig. 1 der Motor beim Start mit geringer Drehzahl unterhalb S. läuft, wird der Voreilwinkel β auf einen geringen Wert ß, eingeregelt, um ein hohes Motordrehmoment zu erhalten. Während sich der Voreilwinkel β von ß, auf /L in einem hohem Drehzahlbereich über S hinausändert, wird der Voreilwinkel β längs einer Geraden mit dem in Fig. 1 gezeigten Gradienten entsprechend der Motordrehzahl erhöht. Wird der Voreilwinkel β auf diese Weise geregelt, so ändert sich das Motordrehmoment nicht sehr plötzlich.

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Fig. und	1 2
Fig.	3
Fig.	4
bis' und bis	5A 5B 6A 6C
Fig.	7
Fig. bis und bis	8A 8C 9A 9C

In manchen Fällen muß jedoch der Thyristormotor schneller als irn. oben erwähnten Fall beschleunigt oder verzögert werden. Beim Antrieb der Walzen eines Walzwerks muß beispielsweise eine vorbestimmte hohe Drehzahl etwa 2 Sekunden nach dem Start erreicht sein. Ein solcher Motor muß mit ähnlicher Geschwindigkeit verzögert werden. Wird der Voreilwinkel β innerhalb eines für eine so plötzliche Beschleunigung oder Verzögerung möglichen Geschwindigkeitsbereicls geschaltet oder geändert, so treten die im folgenden beschriebenen Nachteile auf.

Zur Erfassung der Drehzahl dient im allgemeinen ein Tachogenerator, dessen Ausgangssignal bei niedriger Drehzahl nicht linear ist und viele Schwankungen und Oberwellen enthält. Trotz einer festen Beschleunigungs- oder Verzögerungsänderung ändert sich infolgedessen der Voreilwinkel β innerhalb des in Fig. 2 schraffierten Bereichs. Eine Änderung nach einem vorbestimmten Verlauf ist daher nicht zu erwarten. In extremen Fällen ändert sich sogar der Voreilwinkel ß> entsprechend der gestrichelten Linie D in Fig. 2. Der gemäß der steilen gestrichelten Linie D ansteigende Voreilwinkel β ändert sich sehr schnell. Hierdurch ändert sich das Drehmoment sehr plötzlich, wodurch der Motor und die Last unvermeidlich nachteilig beeinflußt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Regelschaltung für kommutatorlose Motoren anzugeben, bei der der Voreilwinkel β derart geregelt wird, daß sich das Motordrehmoment nicht plötzlich ändert, wenn der Voreilwinkelβ von niedriger auf hohe Drehzahl oder umgekehrt geschaltet wird.

Erfindungsgemäß enthält der Thyristormotor einen Thyristor-Frequenzumrichter zur Frequenzumformung und einen vom Frequenz-Umrichter gespeisten Synchronmotor. In dem Thyristormotor wird der Voreilwinkel β bei niedrigen und hohen Drehzahlen des Motors geschaltet.

Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiele.

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Fig. 3 zeigt einen an ein Drehstromnetz 1 angeschlossenen Frequenzumrichter 2 zur Umwandlung der Frequenz des Drehstromnetzes 1 in eine benötigte Motorfrequenz, an den wiederum ein vom Umrichter 2 gespeister Synchronmotor 3 angeschlossen ist. Der Synchronmotor 3 enthält eine Feldwicklung 3F; mit seinem Anker sind ein Stellungsdetektor 4 zur Erfassung der Stellung des Ankers gegenüber dem Feld des Synchronmotors 3 und ein Tachogenerator 5 zur Erfassung der Drehzahl des Synchronmotors 3 gekuppelt. An das Drehstromnetz 1 ist ein die Spannung regulierender Steuerimpulsgenerator zur Regelung der Drehzahl des Synchronmotors 3 über den Zündwinkel der Thyristoren zur Speisespannung, der im folgenden als Zündwinkel auf der Speisungsseite bezeichnet wird, angeschlossen. Der Steuerimpulsgenerator 6 wird von einem Drehzahlregler angesteuert, der ein Analogsignal zur Regelung des Steuerimpulsgenerators 6 entsprechend einem Drehzahlbefehl M regelt. Eine Voreilwinkel-Regelschaltung 8 wird vom Ausgangssignal Sf des Tachogenerators 5 beaufschlagt und erzeugt ein Befehlssignal c zur Regelung des Voreilwinkels β , d. h. des Zündv/inkels der Thyristoren auf der Motorseite. An den Ausgang der Voreilwinkel-Regelschaltung ist ein Steuerimpulsgenerator 9 angeschlossen, dem das Analogsignal c zugeführt wird und der den Zündwinkel der Thyristoren auf der Motorseite entsprechend der Größe des ausgangssignals c regelt. Der Zündwinkel der Thyristoren auf der Motorseite des Frequenzumrichters 2 wird durch das Ausgangssignal des Stellungsdetektors 4 bestimmt. Die beiden Steuerimpulsgeneratoren 6 und 9 steuern schließlich eine Thyristor-Steuerschaltung 10 an, die die Thyristoren des Umrichters 2 mit dem Steuersignal versorgt.

Im folgenden sei die Voreilwinkel-Regelschaltung 8 näher erläutert. Der Steuerimpulsgenerator 9 bestimmt den Zündwinkel auf der Motorseite, und zwar ■ sequentiell entsprechend dem Stellungssignal des Stellungsdetektors 4 derart, daß der Ankerstrom eine vorbestimmte Phasenbeziehung zur Klemmenspannung hat. Der Steuerimpulsgenerator 6 bestimmt den Zündwinkel auf der Speiseseite mit einer dem Ausgangssignal der Drehzahl-Regelschaltung 7 entsprechenden Phase, die auf den Drehzahlbefehl M anspricht. Die Thyristor-Steuerschaltung 10 zündet die Thyristoren sequentiell gemäß dem logischen Produkt der

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Ausgangssignale der Steuerimpulsgeneratoren 6 und 9, -wodurch die Größe des Ankerstroms (Drehzahl) des Synchronmotors 3 geregelt wird. Auf diese Weise spricht die Drehzahl des Synchronmotors 3 auf den Drehzahlbefehl M an.

Die Yoreilwinkel-Regelschaltung 8 der Fig. 3 ist in Fig. 4 im einzelnen gezeigt. Die Arbeitsweise dieser Schaltung wird anhand der Fig. 5A bis 5C und 6A bis 60 erläutert.

Gemäß Fig. 4 enthält die Regelschaltung 8 eine Schaltung 11 zur Einstellung der Motordrehzahl S, , an der der Voreilwinkel /3 geschaltet wird. Diese Schaltung kann z. B. aus einem herkömmlichen Potentiometer bestehen. Die Schaltung enthält ferner drei Operationsverstärker 12, 13 und 14, Widerstände R. bis R„, einen Kondensator C. und eine Diode D,. Der Operationsverstärker 12 kehrt das Signal S. um, der Operationsverstärker 13 vergleicht den eingestellten Wert S. der Drehzahl-Einstellschaltung 11 mit dem Ausgangssignal S_f des Tachogenerators 5 und erzeugt ein Ausgangssignal b mit negativem Pegel, wenn das Signal S„ den eingestellten Wert S. überschreitet.(Fig. 5A, 5B). Wenn das Ausgangssignal b des Operationsverstärkers 13 einen positiven Wert hat, kann der Motor unter Speisungskommutierung mit niedriger Drehzahl betrieben werden. Hat das Ausgangssignal b dagegen einen negativen Wert, so läuft der Motor mit .hoher Drehzahl, wobei die Kommutierung durch die induzierte elektromotorische Kraft des Motors bewirkt wird.

Der Operationsverstärker 14 bildet eine Verzögerungsschaltung erster Ordnung. Wenn das Ausgangssignal b des Operationsverstärkers 13 sich von einem positiven auf einen negativen Wert ändert, wird das Ausgangssignal c durch die vom Widerstand R„ und vom Kondensator C₁ bestimmte Zeitkonstante geändert. Das Ausgangssignal c des Operationsverstärkers 14 folgt somit der schwach ansteigenden Kurve erster Ordnung der Fig. 5C.

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Das Diagramm der Fig. 5A zeigt, wie aus dem Gradienten der geraden Linie S_f ersichtlich, einen Fall, bei dem sich das Drehzahlsignal S_f schnell ändert, d. h., in dem der Motor stark beschleunigt wird. Fig. 6A zeigt dagegen einen Fall, bei dem sich das Drehzahlsignal S„ langsam ändert. Auch im letzeren Fall erzeugt der Operationsverstärker 13 wie im Fall der Fig. 5B das Ausgangssignal b, mit dem Ergebnis, daß das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 14 gemäß Fig. 6G nach der gleichen Kurve verläuft wie gemäß Fig. 50. Auf diese Weise ändert sich das von der Voreilwinkel-Regelschaltung 8 erzeugte Signal c stetig und langsam mit vorherbestimmter Zeitkonstante, und zwar unabhängig von der Motorbeschleunigung oder -verzögerung. Der Voreilwinkel β ist proportional dem Ausgangssignal c, so daß durch die allmähliche Änderung des Signals c der Yoreilwinkel β mit niedriger Geschwindigkeit geregelt wird.

Das Ausgangssignal der Yoreilwinkel-Regelschaltung 8 wird dem Steuerimpulsgenerator 9 als Regelspannung zugeführt. Da das Ausgangssignal c proportional dem Yoreilwinkel β ist, ändert der Steuerimpulsgenerator 9 den Voreilwinkel β gemäß Fig. 50" oder 60. Somit wird der Frequenzumrichter 2 derart geregelt, daß der Zündwinkel der Thyristoren auf der Motorseite (Yoreilwinkel) mit vorherbestimmter Zeitkonstante oder vorherbestimmter Zeitdauer geschaltet wird.

Fig. 7 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Yoreilwinkel-Regelschaltung. Der Operationsverstärker 14» der bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 als Verzögerungsschaltung erster Ordnung dient, ist in der Schaltung der Fig. 7 durch einen Integrator 15 mit einem Begrenzer ersetzt. Der Integrator 15 mit dem Begrenzer integriert das Eingangssignal b, bis das Integrationsergebnis die Spannung Y erreicht, die durch Teilung der Versorgungsspannung -Y der Schaltung durch die Werte der Widerstände R_Q und R_q erhalten wird. Das Ausgangssignal c des Integrators 15 hat somit den in den Fig. 8C und 9C gezeigten Verlauf, d. h., es steigt während der Zeit t₁ linear an,

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bis die Spannung V ereicht ist. Wie die Fig. 5A und 6A stellen die Fig. 8A und 9A Fälle dar, in denen sich, das Drehzahlsignal S™ schnell bzw. langsam, ändert.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schaltung kann also der Voreilwinkel β langsam geändert werden, so daß sich das Motordrehmoment nicht plötzlich, sondern langsam und mit vorbestimmter Geschwindigkeit ändert. Das Ergebnis ist, daß sich das vom Motor erzeugte Drehmoment beim Umschalten des Voreilwinkels β nicht plötzlich ändert, so daß nachteilige Einflüsse auf den Motor und die Last vermieden werden.

Da sich bei der erfindungsgemäßen Schaltung der Yoreilwinkel β mit vorbestimmter konstanter Geschwindigkeit ändert, kann sich der Voreilwinkel unbeeinflußt vom Fehler des Tachogenerators oder von den Betriebsbedingungen oder ohne jegliche plötzliche Änderungen ändern.

Statt des Frequenzumrichters der Fig. 3 können auch Umrichter mit Gleichstromzwischenkreis verwendet werden, bei denen die Wechseloder Drehspannung zunächst in Gleichspannung gleichgerichtet und dann durch einen Wechselrichter in eine Wechsel- bzw. Drehspannung umgewandelt wird.

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Claims

ΓΆΤ E V TA N W 5 1.T^-=

SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINGHAUS FINCK

MARIAHILFPLATZ 2 & 3, MÖNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 95 O1 6O, D-8DOO MÖNCHEN 95

KARL LUDWIG SCHIFF

DIPL. CHEM. DR. ALEXANDER V. FÜNER

DIPL. ING. PETER STREHL

DIPL. CHEM. DR. URSULA SCHÜBEL-HOPF

DIPL. ING. DIETER EBBINGHAUS

DR. ING. DIETER FINCK

TELEFON (Ο89) 48QJ54

TELEX 0-23 565 AURO IJ

TELEGRAMME AUROMARCPAI MÜNCHEN

Hitachi, Limited DEA-I4384

28. Dezember 1978

Regelschaltung für kommutatorlose Motoren

PATENTANSPRÜCHE

A .) Regelschaltung für kommutatorlose Motoren, mit einem Frequenzumrichter mit mehreren Thyristoren zur Speisung einer Wechselspannung zur Ankerwicklung eines Synchronmotors, mit ejnem Positionsdetektor zur Erfassung der Stellung des Rotors des Synchronmotors, mit einer Drehzahlregeleinrichtung mit einem ersten Steuerimpulsgenerator zur Steuerung der Zündphase der Thyristoren auf der Speiseseite entsprechend einem Signal, das durch Vergleich der tatsächlichen Motordrehzahl vom Drehzahldetektor mit einer vorgegebenen Drehzahl erhalten ist, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (8) mit einem zweiten Steuerimpulsgenerator (9) zur Regelung des Voreilwinkels (fi) der Thyristoren auf

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der Motorseite entsprechend dem Ausgangssignal des Stellungsdetektors (4), wobei der Voreilwinkel bei niedriger und hoher Drehzahl des Motors geschaltet wird, wobei die Voreilwinkel·- Regelschaltung (8) ferner eine Schaltung zur Zufuhr eines Steuersignals (c) zum zweiten Steuerimpulsgenerator enthält, das den Voreilwinkel nicht plötzlich, sondern mit vorbestiminter Änderungsgeschwindigkeit ändert, selbst wenn sich das Ausgangssignal· des der Voreilwinkel-Steuerschaltung zugeführten Ausgangssignals des Drehzahldetektors (5) plötzlich ändert.
2. Regelschaltung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Voreilwinkel-Steuerschaltung (8) eine Drehzahl-Einstellschaltung (11) zur Einstellung einer vorbestimmten Motordrehzahl enthält, bei der der Voreilwinkel (ß) geschaltet wird, sowie ferner einen ersten Operationsverstärker (13) zum Vergleich und zur Verstärkung des Ausgangssignals der Drehzahl-Einstellschaltung mit dem Ausgangssignal des Drehzahldetektors (5), und einen zweiten Operationsverstärker (H) zur Erzeugung eines Ausgangsignals, das sich auf ein Ausgangssignal des ersten Operationsverstärkers mit vorbestimmter Zeitkonstante ändert.
3. Regelschaltung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Voreilwinkel-Steuerschaltung (8) eine Drehzahl-Einstellschaltung (11) zur Einstellung einer vorbestimmten Motordrehzahl enthält, bei der der Voreilwinkel· (ß) geschadet wird, sowie ferner einen ersten Operationsverstärker (I3) zum Vergleich und zur Verstärkung des Ausgangssignals äer Drehzahl-Einstellscha^ung mit dem Ausgangs signal· des Drehzalü-detektors (5) > und einen Integrator (15) mit einem Begrenzer, dem das Ausgangssignal· des ersten Operationsverstärkers zugeführt wird und der ais Ergebnis der Integration des Ausgangssignais des ersten Operationsverstärkers bis zu einer vorbestimmten Spannung ein Ausgangssignal· erzeugt.

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4. Regelschaltung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Freq_uenzumrichter einen Zyklokonverter enthält.
5. Regelschaltung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzumrichter einen Gleichrichter und einen Wechselrichter mit jeweils mehreren Thyristoren enthält.

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