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9 e s c h r e i b u u g
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Schaltung zur Drehzahlregelung eines Asynchronmotors )ie Erfindung
betrifft eine Schaltung der im Oberbegriff des Patentanspruches angegebenen Art.
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Aus "Handbuch für Elektromotoren", S. 192 - S. 194, herausgegeben
von BBC, ist es grundsätzlich bekannt, die Drehzahl von Asynchronmotoren durch fremdgesteuerte
Umrichter, ohne Gleischstrom-Zwischenkreis zu regeln. Die Realisierung derartiger
Regelschaltungen stößt jedoch auf zahlreiche Schwierigkeiten. Insbesondere ist es
schwierig im niedrigen Drehzahlbereich eine gleichmäßige Motrdrehung zu erzielen.
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Der Erfindung leigt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung der eingangs
renannten Art anzugeben, die geeignet ist, eine kontinuierliche lastunabhängige
Drehzahlregelung über den gesamten Drehzahlbereich des Motors zu ermöglichen. Diese
Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches l angegebenen
Merkmale gelöst.
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Gemaß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung, nach der ein
Kommutierungsfrequenzgenerator mit einem Vorwärts-Rückwärts-Scheiberregister vorgesehen
ist, kann der toter suf einfache 7eise - nämlich durch Änderung der Laufrichtung
des Schieberegisters in beiden Drehrichtungen betrieben werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird dem zur Motrsteuerung
vorgesehenen Spannungssignal - im folgenden Steuersignal genannt - eine Sinusschwingung
mit vergleichsweise
gerinder Amplitude überlagert. Dadurch wird
ein Überraschen gutes Regelverhalten des Motors in niedrigen Drehzahlbereichen erzielt.
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Veitere vorteilhalfte Ausführungsformen sind den Unteranspruchen zu
entnehmen.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Figuren schematisch
dargestellten Ausfährungsbeispiels und anhand von Diagrammen erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 ein Übersichtsblockschaltbild einer Schaltung gemäß der Erfindung Lirr, 2
den im Blockschaltbild der Figur 1 enthaltenen P-I-Vertärker Fig. 3 die im Blockschaltbild
der Figur 2 enthaltene Betrag/Vorzeichen-Schaltung Fig. 4 die im Blockschaltbild
der Figur 1 enthaltenen Strombegrenzungsschaltung Fig. 5 die im Blockschaltbild
der Figur enthaltene Synchronisierschaltung Fig. 6 den im Blockschaltbild der Figur
1 enthaltenen Kommutierungsfrequenzgenerator Fig. 7 die im Blockschaltbild der Figur
1 enthaltene Freigabeschaltung Fig. 8 die im Blockschaltbild der Figur 1 enthaltene
Überwachungsschaltung Fig. 9 Diagramme a) bis i) zur Erläuterung der Arbeitsweise
der Schaltung nach dr Erfindung.
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Im Blockschaltbild ist eine Vergleichsschaltung l zu erkennen, die
von einem mit dem zu steuernden toter M verbundenen Tachogenerator 16 ein Spannungssignal
(Istwertsignal) und von einem (nicht dargestellten) sotentiometer ein Spannungssollwertsignal
erhält. Am Aussgang der Vergleichsschaltung 1 wird ein Differenzsignal gewonnen
das eine. P-I-Verstärker 2 zugeföhrt wird. Dieser erzeugt -sofern
sein
Eingangssignal eine gewisse Schwelle Übertrifft - ausgangseitig ein Signal, das
einen dem Eingangsignal proportionalen Anteil und eine mit der Zeit des Anliegens
des Eingangssignale anwachsenden Anteil aufweist. Das auf diese Weise zusammengesetzte
Ausgangssignal des Verstärkers 2 führt in der noch zu beschreibenden Regelschleife
zu einer besonders raschen Konvergenz zwischen Ist- und Sollwert. Um vor allem bei
niedrigen DrehfreQuenzen des rotors M eine kontinuierliche Drehzahlregelung sicherzustellen,
wird dem Ausgangssignal des Verotürkers 2, das etwa im Bereich zwischen 0 -und lO
Volt liegt ein Sinussignal mit einer Amplitude von beispielsweise 0,1 - l Volt überlagert.
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Das zusammengestzte Signal erfährt in der Schaltung 4 eine Vollweggleichrichtung.
Dabei wird ein Vorzeichensignal gewonnen, das dem Kommutierungsfrequenzgenerator
* zugeführt wird. Das die Schaltung 4 verlassende Steruersignal, das stets positiv
ist, wird einer Strombegrenzungsschaltung, 5 zugeführt. Diese erhält liber Stromwandler
die Information über den netzseitigen Belastungsstrom. Das Steuersignal wird entsprechend
dieser Information, d.h. bei Überlastung des Motors, gegebenenfalls begrenzt.
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Nach der Strombegrenzungsschaltung 5 gelangt das Steuersignal in einen
Oszillator 6, dessen Ausgangsfrequenz von der Spannung des Eingangssignales abhängt
(U/f-Vandler).
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Das Ausgangssignal U/f-Vandler 6 ist in Figur 9a dargestellt. Im vorliegenden
Beispiel kann es Frequenzwerte zwischen 0 und 300 Hz aufweisen. In Figur 3a ist
beispielshalber eine Frequenz von 120 IIz angegeben.
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Das vom U/f-Vandler 6 kommende Signal wird in einer Synchronisierschaltung
7 auf eine an einem Sternpunkt des Netzes abgegriffene Spannung (300 Hz) synchronisiert.
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Das Ergebnis der Synchronisierung ist in Figur b dardargestellt.
Das
synchronisierte Signal wird einem Kommutierungsfrequenzgenerator 8 zugeführt, der
in Abhängigkeit von dem ihm ebenfalls zugeführten obengenannten Vorzeichensignal
sechs zinnenförmige Rechtecksignale erzeugt, deren Frequenz jeweils ein Sechsel
der netzsynchronisierten Taktfrequenz ist. Das Vorzeichensignal bestimmt die Reihenfolge
der Kommutierungsfrequenzen und dadurch die Drehrichtung des Motors. Die sechs Ausgangssignal
des Kommutierungsfrequenzgenerators 8 sind in den Figuren 9c - h zu erkennen. Es
handelt sich um sechs, jeweils 60°C verschobenen Rechtecksignale, wobei das obere
und das untere Signalniveau jeweils gleichlang andauert. Die Frequenz dieser Rechtecksignale
ist im gewählten Beispiel gleich 20 Hz.
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Des Ausgangssignal der Strombegrenzungsschaltung 5 wird desweiteren
parallel zum U/f-Wandler 6 einem Phasenanschnittsimpulsgenerator 9 zugeführt. Dieser
erzeugt Phasenamschnittssignale für die drei Neztphasen R,S,T sowie auch für deren
negative Halbwellen, also insgesamt sechs Auschnittsignale. Der Phasenanschnittswinkel
hängt von der zugeführten Eingangsspannung ab. Diese Phasenanschnittssignale steuern
- nach Verstärkung - Leistungsschalter 11, sofern durch die Kommutierungssignale
in der Freigabeschaltung 10, wie unten noch im einzelnen beschrieben wird, der Schaltweg
freigegeben ist.
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In der Zeichnung ist aus Gründen der Überschtlichkeit fer Anschluß
für eine Ständerwicklung gezeichnet.
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e die beiden weiteren Ständerwicklungen ist der Anschluß entsprechend.
Der Leistungsstrom kann zur Dämpfung des Kreisstromes zwischen dem Leistungsschalter
11 über eine @o@sel 13 für die positiven Halbwellen und über eine @o@sel 14 für
die negativen Halbwellen der Ständerwicklung 15 des Motors M zugeführt werden.
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Figur 2 zeigt den P-I-Verstärker 2 im Detail. Er besteht im wesentlichen
aus einem Operationsverstärker 24, dessen nichtinvertierender Eingang zu Symmetrierungszwecken
an einem einstellbaren Spannungsteiler, 23, 22, 21 liegt.
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Das Eingangssignal 213 gelangt vom Vergleicher 1 kommend an den invertierenden
Eingang. Der Ausgang des Operationsverstärkers ist über einen Kondensator 28 und
einen Widerstand 26 rückgekoppelt. Hierdurch wird der bereits erwähnte Proportionalanteil
bestimmt. Die Rückkopplung des Ausgangs über eien Spannungsteiler 210, 211 und Dioden
29 sowie einen Kondensator 27 und einem Widerstand 25 bestimmt den zeitlich anwachsenden
Anteil des Ausgangssignal, das :½er einen widerstand 212 abgegriffen werden kann.
Durch die Dioden 29 wird der Rückkopplungsweg über den Viderstand 25 und den Kondensator
27 für kleine Signale gesperrt, so daß nur der Rückkopplungsweg über den Viderstand
26 und den Kondensator 28, der eine wesentlich kleinere Kapazität als der Kondensator
27 aufweist. Hierdurch wird erreicht, daß kleinere Steuersignale ein steileres Anregelverhalten
hervorrufen. Dies fährt vor allem bei niedrigen Drehzahlen zu einer nrszisen Einhaltung
der ge-.v r..schten Drehzahl.
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Figur 3 zeigt die Betrag/Vorzeichenschaltung 4 der Figur 1.
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die enthält im wesentlichen zwei Schalttransistoren 33 und 34. denen
parallel das Eingangssignal 315 das vom Verstärker und vom Sinusgenerator 3 kommt,
zugeführt wird. Die Schalttransistoren werden alternativ, 5e nach Vorzeichen des
Eingangssignales durchgeschaltet. Zur Gewinnung der Schaltimpulse sind zwei Operationsverstärker
31 und 32 hintereinandergeschaltet, wobei jeweils die invertierenden Eingänge benutzt
werden und die anderen auf Masse liegen.
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Das Sc-haltsignal für den Transistor 34 wird am Ausgang des ersten,
dasjenige für den Transistor 33 am Ausgang des z-veiten Gperationsverstärkers 32
gewonnen. Das Vorzeichensignal wird ebenfalls am Ausgang des ersten Operationverstärkers
31 abgegriffen. Das Betriebssignal, d.h., das vollweggleichgerichtete Signal wird
am Ausgang eines weiteren Operationsverstärkers
311 gewonnen,
dessen Eingänge mit den Ausgänge den Schalttransistoren 33 und 34 über Widerstände
37 und 38 verbunden sind. Die Schaltung erzeugt folglich eine schwellfreie Gleichrichtung,
die im Zusammenhang mit der Drehzahlregelung bei kleinen Drehfrequenzen unumgänglich
ist.
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Figur 4 zeigt die Strombegrenzugsschaltung 5. Sie schützt das Netz,
die Leistungsschalter 11 und den rotor M vor zu hoher Strömen. Der Stromistwert
wird einer die Stromwandler 41, 42 die in der Netzeinspeisung liegen abgegriffen,
im Gleichrichter 43 gleichgerichtet und über eine Bärde 44 einer Begrenzungsschaltung
45 - 48 zugeführt. Operationsverstärkers 45 arbeitet las Trigger, dessen Niveau
über das Potentiometer 46 einstellbar ist und somit den Grenzstrom im Netz bestimmt.
Operationsverstärker 47 dient zur Signalvertierung.
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Figur 5 zeit die Synchronisierschaltung 7. ber einen Eingang 52 wird
dieser die Spannungdes Netzsternpunktes zugeführt. Über einen weiteren Eingang 51
erhält sie das Frequenzsignal des U/f-Vandlers 6. Am Ausgang 53 werden Taktsignale
mit der Frequenz des Eingangssignales 51, jedoch synchronisiert auf das Schwingungssignal
des Netzsternpunktes erhalten. Das Sternpunktsignal wird über zwei gegensinnig parallelgeschaltete
Dioden 54 und 55 dem invertierenden Eingang eines Ope rati onsvers tärke rs 57 bzw.
dem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 56 zugeführt. Die Ausgangssignale
beider Operaionsverstärkers werden in RC-Gliedern bestehend aus Kondensator 511
und Widerstand 59 bzw. Kondensator 510 bzw. Widerstand 58 differenziert, und danach
einem UND-Glied 512 mit nachgeschaltetem Inverter 513 zugeführt.
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Der Ausgang des Inverters 513 ist mit dem Eingang einer aus zwei UND-Gliedern
514 und 515 bestehenden Kippschaltung verbunden. Dem zweiten Eingang dieser Kippschaltung
wird, differenziert durch ein RC-Glied 517, 516 das zu
synchronisierende
Frequenzsignal zugeführt. Das Ausgangssignal wird Ausgang 53 der Kippstufe 514,
515 erhalten.
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Figur 6 zeigt den Kommutierungsfrequenzgenerator. Das synchronisierte
Taktsignal wird iber einen Eingang 61 einem Vowärts-Rückwärts-Schieberegister 63
zugeführt.
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trber einen weiteren Eingang 62 erhält das Vorw-irts-Rlckwärts-Schieberegister
63 das von der Schaltung 4 der Figur 1 kommende Vorzeichensignal zur Bestimmung
seiner Schieberichtung. Das Schieberg. 63 besitzt sechs Ausgänge. An diesen werden
nacheinander folgende Digitalsignale erhalten: 100000 000100 010000 000010 001000
000001 Diese sind paarweise, jeweils unter Auslassung zweier Ausgänge mit bistabilen
Kippstufen verbunden, die aus gekonpelten UND-Gliedern 64 - 69 bestehen. An den
AusgUngen der UND-Glieder 64 - 69 können die Kommutierungsfrequenzsignale, wie in
Fig. 9c - h dargestellt, abgenommen werden.
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Figur 7 zeigt die Freigabeschaltung 10. Über die Eingänge 720, 721,
722, 723, 724, 725 werden die Kommutierungssignale des Generators 8, nämlich die
Signale in der Form wie in den Figuren 9c - 9h angegeben zugeführt.
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ueber die Eingänge 77 bis 712 werden die Freigabe- bzw.
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Sperrsignale von der Kommutierungsäberwachung 12 entsprechend wie
in Fig. 8 beschrieben zugeführt. Entsprechend gelangen auch die Zündimpulse vom
Phasenanschnittsimpulsgenerator 9 leber die Eingänge 71 - 76 in dei Schaltung. Diese
genannten Signalgrupen werden in der gezeichneten Weise iber UND-Glieder 713a bis
713r miteinander verknüpft, so daß ausgangssietig insgesamt 18 Zündimpulse zur Steuerung
der Leistungsverstärker 11 gewonnen
werden. Die Ausgangssignale
der UND-Glieder 713a bis f sind für die Beschaltung der ersten Ständerwicklung des
Motors M (Figur 1) zuständig. Die Ausgänge der UND-Glieder g) und 1), entsprechend
für die zwewite (nicht dargestellte) und die UND-Glieder (m - r) entsprechend für
die (nicht dargestellte) Ständerwicklung des Motors M.
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Figur 8 zeigt eine berwachungsschaltung bestehend aus Operationsverstärkern
816 - 821, Viderständen 822 - 826, und gegensinnig parallelgeschalteten Dioden 827
- 829, die gegebenenfalls die Kommutierungssignale in der Freigabesteuerung 7 durch
UND-Glieder unterdrückt, um das Netz und die Thyristoren von urzschlässen beim Kommutierungsvorgang
zu schätzen.
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Die Überwachungsschaltung greift das Potential an der Ständerwicklung
15 am Motor M ab und führt es äber den Eingang 823 einer Spannungsbegrenzung zu,
die aus dem Viderstand 824 und zwei Dioden 827 bestehen. Diese begrentze Spannung,
die positiv oder negativ sein kann, wird mit Hilfe der Operationsverstärkers zu
Schalt- bzw.
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Freigebesignalen umgeformt. Ein positives Potential am Ständer 15
erzeugt auf Operationsverstärkers 816 ein Freigebesignal 837 (+12 V) für das positive
Kommutierungssignal und auf Operationsverstärkers 817 ein Spersignal (-12 V) für
das negative Kommutierungssignal. Bei negatitiven Potential am Ständer 15 des Motors
M ändern sich die Freigebesignale zu Sperrisgnalen und die Sperrsignale zu Freigebesignalen
um die negativen Kommutierungssignale freizuschalten und die positiven zu sperren.
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Die Überwachung wiederholt sich für alle drei Ständerwicklungen. Mit
834 wird das Potential der zweiten Ständrwicklung abgetastet und mit 835 das Potential
der dritten Ständerwicklung. 836 wird mit dem Sternpunkt aller drei Ständerwiclungen
des Motors M verbunden.