DE3030694C2

DE3030694C2 - Anordnung zur Regelung des Leistungsfaktors eines Asynchronmotors

Info

Publication number: DE3030694C2
Application number: DE3030694A
Authority: DE
Inventors: Edward Currier Newfield N.Y. Siemon
Original assignee: Borg Warner Corp
Current assignee: Dana Inc
Priority date: 1979-09-04
Filing date: 1980-08-14
Publication date: 1983-01-20
Also published as: ES494738A0; KR830003960A; DE3030694A1; AU6139280A; KR830001747B1; ES8105870A1; GB2058416A; CA1145393A; US4291264A; AU529745B2; FR2464520B1; FR2464520A1; GB2058416B; JPS5683292A

Description

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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Regelung des Leistungsfaktors eines Asynchronmotors mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Solche Anordnungen dienen dazu, die Leistungsaufnahme eines Asynchronmotors bei sich ändernden Belastungen im Sinne einer Energieersparnis bzw. Wirkungsgraderhöhung zu beeinflussen. Wird der Leistungsfaktor nicht geregelt, so kann insbesondere bei unbelasteten oder nur teilweise belastetem Motor die Blindleistung und damit der Stromverbrauch verhältnismäßig hoch sein.

Es ist bekannt (DE-AS 25 16 247), in einer Meßeinrichtung die Phasendifferenz zwischen dem am Ausgang des Wechselrichters auftretenden Strom und der am Ausgang des Wechselrichters auftretenden Spannung, also den Leistungsfaktor zu ermitteln. Das den Leistungsfaktor darstellende Signal wird in einem Vergleich mit einem Leistungsfaktor-Sollwert verglichen und das Ausgangssignal des Vergleichers steuert die Schaltfrequenz des Wechselrichters. Damit wird angestrebt, auch bei hoher Ausgangsfrequenz des Wechselrichters einen möglichst hohen Leistungsfaktor zu erhalten, so daß auch bei hohen Drehzahlen des Motors ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird.

Der Erfindung liegt dagegen die Aufgabe zugrunde, die Schaltungsanordnung zur Regelung des Leistungs< faktors zwecks Verringerung der Blindleistung zu vereinfachen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs I angeführt feii Merkmale gelöst

Es wird erfindungsgemäß zur Bestimmung des Leistungsfaktors der von der Gleichsparinungsquelle zum Wechselrichter fließende Gleichstrom herangezogen. In dem Differentiatverstärker wird der Gleichstrom in eine Wechselspannung umgewandelt, die ein Maß für den Leistungsfaktor des Asynchronmotors ist, in dem d-r Spannungsanteil über der Nullachse der Wechselspannung den zum Motor fließenden Wirkstrom darstellt, während der unter der Nullachse liegende Spannungsanteil den vom Asynchronmotor zurückfließenden Blindstrom abbildet Nach Vergleich der im Differentialverstärker gebildeten Wechselspannung mit der den Soll-Leistungsfaktor darstellenden Bezugsspannung wird das Ausgangssignal des Vergleichers integriert und die sich ergebende Fehlerspannung dient ZT Veränderung der Amplitude der Spannung des Wechselrichters. Auf diese Weise wird der Blindstrom über die Vorgabe des Soll-Leistungsfaktors verändert Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Merkmalen der Unteransprüche zu entnehmen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltschema einer Anordnung zur Regelung des Leistungsfaktors, und

Fi g. 2 eine Darstellung der von dem Differentialverstärker gelieferten Wechselspannung und der am Integrierglied auftretenden Fehlerspannung.

Bei den Schaltung^ -eilen 10 bis 24 handelt es sich um die üblichen Bestandteile eines über einen Wechselrichter gespeisten Asynchronmotors. Die Gleichspannungsquelle 10 ist beispielsweise ein phasengeregelter Gleichrichter, der über eine Leitung 11 an eine Eingangswechselspannung (ein- oder mehrphasig) angeschlossen und der eine Gleichspannung abgibt, deren Größe durch ein über eine Leitung 12 her anliegendes Befehlssignal bestimmt wird. Die Amplitude der Gleichspannung bestimmt dann wieder die Amplitude der Ausgangsspannung des Wechselrichters 14. Die Frequenz der Ausgangsspannung des Wechselrichters wird durch die Impulsfolgefrequen.⁷ der Taktimpulse bestimmt, die über eine Leitung 15 von einem gesteuerten Oszillator 16 anliegen. Der Oszillator kann gesteuert werden, um seine Oszillatorfrequenz in Abhängigkeit von einem entsprechenden Steuersignal für einen Parameter abzustimmen. Die Oszillatorfrequenz (und damit auch die Frequenz der Wechselrichterspannung) kann auch, wie aus Gründen der Einfachheit dargestellt ist einfach durch einen von Hand bedienbaren Einstellknopf 16a verändert werden.

Die Ausgangsspannung des Wechselrichters 14 liegt an einem Asynchronmotor 18 an und bewirkt dessen Lauf mit einer Drehzahl, die durch die Wechselrichterfrequenz bestimmt wird und dieser direkt proportional ist. Der Motor seinerseits dreht eine Welle 19. um eine veränderliche mechanische Last 21 damit zu betreiben. Der über die Leitung 12 an der Gleichspannungsversorgung 10 anliegende Befehl wird durch einen herkömmlichen Spannungsfrequenzregler 22 erzeugt, der in Abhängigkeit von den Taktimpulsen arbeitet, die über eine Leitung 23 vom Oszillator 16 her anliegen sowie auch in Abhängigkeit von der über eine Leitung 24 von der Gleichspannungssammelschiene her anlie^ genden Gleichspannung. Wenn unabhängig von der Motördrehzahl ein konstantes Ausgangsdrehmoment beibehalten Werden Soll, ist es allgemein üblich, die Anlage so zu betreiben, daß irrt wesentlichen das Verhältnis von Amplitude zur Frequenz der Wechselrichterspannung für den Motor konstant gehalten wird.

Pies erfolgt durch dit ju.altung 22, tieren Auslegung allgemein bekannt ist. Der Regler 22 vergleicht die Größe der Gleichspannung auf der Gleichspannungsschiene (die die Größe der Amplitude der Wechselrichterausgangsspannung bestimmt) mit der Oszillatorfrequenz und setzt den Befehl auf den zur Aufrechterhaltung des gewünschten Verhältnisses erforderlichen Pegel. Wenn der Knopf 16a gedreht wird, um eine neue und höhere Motordrehzahl zu wählen, dann ändert der Regler 22 beispielsweise automatisch den Befehl, 'im die am Wechselrichter 14 anliegende Gleichspannung zu erhöhen. Der Befehl ist daher direkt proportional zur Frequenz und zur Amplitude der Wechselrichterspannung.

Da sowohl Wirkstrom als auch Blindstrom im Motor 18 verlorengeht, fließt nicht der gesamte Strom der Gleichstromschiene in Richtung von der Stromversorgung 10 über den Wechselrichter 14 zum Asynchronmotor. Ein Teil des Stromes in der Gleichstromschiene fließt praktisch in Gegenrichtung vom Motor 18 zurück zur Stromversorgung 10. Besonders während eines Teils der Zeitspanne zwischen den Schalterbeiätigungen im Wechselrichter fließt der Strom in der Gleir'mron.-schiene zum Motor als Wirkstrom. Andererseits kommutiert während des restlichen Teils der einzelnen Zeitspannen der Strom der Gleichstromschiene und fließt vom Motor 18 zur Stromversorgung 10 als Blindstrom zurück. Das Verhältnis zwischen Wirkstrom und Blindstrom stellt den Leistungsfaktor im Motor dar. Erhält man das Verhältnis auf einem vorgegebenen Pegel, so kann der Leistungsfaktor selbst bei Laständerungen am Motor 18, welche den Blindstrom zu verändern bestrebt sind, auf einem optimalen Soll-Wert gehalten werden, um den Wirkungsgrad des Motors und den Stromverbrauch zu verbessern. y,

Diese Steuerung des Leistungsfaktors wird durch Einsatz eines Widerstandes 27 sowie eines als integrierte Schaltung ausgelegten Differentialverstärkers 28 bewirkt, die den Strom der Gleichstromschiene abgreifen und daraus eine Wechselspannung (Wellenform A in F^;j. 2) entwickeln, die um die Nullachse schwingt und den Ist-Leistungsfaktor des Asynchronmotors darstellt. In der Praxis wird der Schienenstrom in eine Spannung umgesetzt, die diesem Strom proportional ist. Die Frequenz der Spannungswellenform A ist daher der Frequenz der Ausgangsspannung des Wechselrichters direkt proportior.il und durch die Anzahl der Schaltvorgänge der Halbleiterschalter des Wechselrichters bestimmt, die jeden Zyklus der Ausgangsspannung des Wechselrichters vollenden. Wenn beispielsweise die A;Sgangsspannung des Wechselrichters die bekannte sechsstufige Wellenform aufweist (um sich einer Sincswelle anzunähern), dann beträgt die Frequenz der Wellenform A das Sechsfache der Ausgangsfrequenz des Wechselrichters. Die Spannung der Wellenform A über der Nullachse stellt den zum Motor fließenden Wirkstrom dar. während die Spannung unter der Achse den vom Motor herkommenden Blindstrom zeigt. Natürlich ist der Leistungsfaktor um so höher, je größer das Verhältnis zwischen Wirk- und Blindstrom ist.

Um zu ermitteln, ob der Ist-Leistungsfaktor, der durch die Wellenform A dargestellt wird, auf dem Sollpegel liegt, werden der Ist* und der Soll-Leistungsfaktor in einem als Vergleichsschaltung arbeitenden und aus integrierter Schaltung aufgebaute- Verstärker 31 miteinander verglichen. Die den Ist-Leistungsfaktor darstellende Wellenspan/iung (Wellenform A) liegt am nichtinvertierenden oder positiven Eingang des Verstärkers 31 an, während eine Bezugsgleichspannung am Knotenpunkt zwischen einem Festwiderstand 32 und einem Regelwiderstand 33 an den negativen oder Inversionseingang geführt ist. Während einer jeden Periode der Wellenform A wird die Spannung am positiven Eingang des Verstärkers 31 zunächst kleiner als die (oder negativ gegenüber der) Bezugsspannung am negativen Eingang und dann größer als die (oder positive gegenüber der) Bezugsspannung. Als Ergebnis schaltet die Ausgangsspannung des Verstärkers 31 abrupt von einem verhältnismäßig hohen Pegel auf einen verhältnismäßig niedrigen Pegel um (im wesentlichen 0 V), wenn die Spannung am positiven Eingang kleiner wird als die Bezugsspannung. Wenn andererseits die positive Eingangsspannung größer wird als die Bezugsspannung am negativen Eingang, schaltet der Verstärker 31 plötzlich auf seinen verhältnismäßig hohen Ausgangspegel um.

Daraus geht hervor, daß der Bezugsspannungspegel den Soll-Leistungsfaktor darstellen Hnn, wobei die Wellenform der Ausgangsspannung de* Verstärkers 31 die Abweichung des Ist-Leistungsfaktors gegenüber dem Soll-Leistungsfaktor darstellt. Durch Nachregelung des Widerstandes 33 kann der gewünschte Soll Leistungsfaktor, mit welchem der Motor arbeiten soll, gewählt werden.

Es sei angenommen, daß der Halbleiteranalogschalter 35 geschlossen ist, daß das Ausgangssignal des Verstärkers 31 den Transistor 36 abwechselnd an- und abschaltet, worauf das Ausgangssignal verstärkt, jedoch phasenverkehrt (Wellenform B) am Knotenpunkt zwischen den Widerständen 37 und 38 anliegt. Das Rechtecksignal der Wellenform B weist somit ein Tastverhältnis auf. das der Differenz zwischen dem SoIl- und dem Ist-Leistungsfaktor proportional ist. Ein Widerstand 38 und ein Kondensator 39 bilden einen Integralions- oder Mittelwertbildungskreis zur Integration des Rechtecksignals, um eine Fehlerspannung zu erzeugen, die sich in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Soll- und !st-Leistungsfaktor ändert. Diese Fehlerspannung wird durch den aus integrierter Schaltung aufgebauten Verstärker 41 verstärkt und gelangt über eine Leitung 42 an die Gleichstromversorgung 10. um die am Wechselrichter 14 anlegende Gleichspannung zu verändern und dadurch die Vechselrichterausgangsspannung einzustellen und die Blindleistung nach Bedarf zu ändern, um den Soll-Leistungsfaktor aufrechtzuerhalten. Wenn beispielsweise die Last am Motor 18 abnimmt, ist der Blindstrom bestrebt anzusteigen und bewirkt, daß der Ist-Leistungsfaktor vom Sollwert abweicht. Daher ändert sich das Tastverhältnis des Ausgangssignals des Verstärkers 31. und die Fehlerspannung sieigt an und bewirkt, daß die Motorspannung abfällt und damit auch der Blindstrom kleiner wird, bis der Soll-Leislungsfaktor wieder aufgebaut ist.

Es sei bemerkt, daß die Fehlerspannung auf der Leitung 42 auch am Regler 22 anliegt. Die Wirkung dieser Spannung besteht darin, das Amplituden-Frequenzverhä^|tr>is der Wechselrichterspannung in Abhängigkeit von Fehlerspannungsänderungen zu verändern, so daß die Frequenz (und damit die Motordrehzartl) im Wesentlichen trotz Amplitudenänderungen der Wechselrichterspannüng gleich bleiben. Andererseits kann es für einige Anwendungen der Erfindung zweckmäßig sein, die Frequenz der Wechselrichterspannung bei abnehmender Amplitude zu erhöhen, um einen anstei-

genden Motorschlupf zu kompensieren, der sich durch eine Verringerung der Motorspannung ergibt. Dies wird dadurch erreicht, daß die Fehlerspannung über eine Leitung 43 an den gesteuerten Oszillator 16 geleitet wird. ϊ

Für die Beschreibung der Arbeitsweise der Erfindung sei angenommen, daß der Analogschalter 35 geschlossen ist, wodurch die Steuerungsanlage für den Leistungsfaktor beaufschlagt wird. Der Zweck des Schalters 35 und seiner Steuerschaltung besteht darin, in die Anschaltung der Steueranlage des Leistungsfaktors so lange zu verzögern, bis die Frequenz der Wechselfichterspännung einen bestimmten Minimalpegel erreicht, wodurch der Wechselrichter anlaufen kann. Das vom Regler 22 erzeugte und der Frequenz der Wechselrichterspannung proportionale Befehlssignal liegt am positiven Eingang eines aus integrierter Schaltung aufgebauten Verstärkers 45 an, der als Vergleichsschaltung dient, und die negative Eingangsspannung ist an einen Spannungsteiler gekoppelt, an dem auch eine Bezugsspannung anliegt, die eine bestimmte Minimalfrequenz darstellt.

Während des Anlaufens und bis zum Erreichen der Minimalfrequenz ist die am positiven Eingang der Vergleichsschaltung 45 anliegende Spannung kleiner als die negative Eingangsspannung, wodurch die Ausgangsspannung der Vergleichsschaltung verhältnismäßig niedrig ist (im wesentlichen 0 V) und der Schalter 35 geöffnet bleibt. Beim Erreichen der Minimalfrequenz übersteigt jedoch die positive Eingangsspannung die Bezugsspannung am negativen Eingang, worauf die Ausgangsspannung der Vergleichsschaltung auf ihren verhältnismäßig hohen Pegel umschaltet. Diese Ausgangsspannung der Vergleichsschaltung 45 stellt ein Schließsignal für den Betätigungsschalter 35 dar, der schließt und damit den Betrieb der Steuerung ermöglicht.

Ein aus integrierter Schaltung aufgebauter Verstärker 46 und seine zugeordneten Schaltbauteile bilden lediglich eine Klemmschaltung zur Begrenzung der Amplitude der Fehlerspannung auf eitlen vorgegebenen Maximalpegel. Die Fehlerspannung auf der Leitung 42 kann nicht größer werden als die Spannung am positiven Eingang des Verstärkers 46. Dies ist ein vorteilhaftes Merkmal, da bei einigen Molorfrequenzen ürid Lastbedingüngen ein höher Leistungsfaktor praktisch nicht erreichbar ist, welbst wenn die Motorspännung fast auf 0 V zurückgenommen wird. Mit der Klemmschaltung kann eine maximale Verringerung der Molorspannüng von ihrem Nennwert zulässigerweise erreicht werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungid·

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Regelung des Leistungsfaktors eines Asynchronmotors, der an einem Umrichter, bestehend aus einem Wechselrichter und einer diesen speisenden steuerbarenGIeichspannungsquel-Ie angeschlossen ist, mit einem von den Soll- und Istwerten des Leistungsfaktors beaufschlagten Vergleicher, dessen Ausgangssignal die Umrichtersteuerung beeinflußt, dadurch gekennzeichnet,^ daß dem Vergleicher (31) als Istwert der in der Gleichstromleitung zum Wechselrichter (14) fließende, an einem Widerstand (27) abgegriffene Gleichstrom über einen Differentialverstärker (28) zugeführt ist, und daß das Ausgangssignal des Vergleichers über ein Integrierglied (38,39) die Steuerung der Gleichspannung derart beeinfluß, daß bei zu großem Blindstrom die Gleichspannung verkleinert ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekeiinzeichnet, dai das Ausgangssignal des Integriergliedcs zusätzlich dem Frequenzgeber (16) für den Wechselrichter (14) zugeführt ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Integriergliedes begrenzt ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine zwischen dem Verglcicher und dem Integrierglied angeordnete Schalteinrichtung (35) verzögert erst dann schließt, wenn der Wechselrichter mit einer Minimalfrequenz beaufschlagt i·.'.