DE3038788C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Belastungsanzeiger für Wechsel­ strommotoren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Belastungsanzeiger dienen dazu, bei Wechselstrom­ motoren die aufgenommene Leistung zu überwachen. Bei einem bekannten Belastungsanzeiger nach EP 00 30 497 Al wird ein den Motorstrom repräsentierendes Signal an einem in einer Stromzuleitung einer der Phasen eingesetzten Widerstand ab­ genommen, und nach Aufbereitung einer Multiplikationsschaltung angelegt, an deren anderem Eingang ein die Phasenspannung des Motors repräsentierendes Signal, vermindert um einen Anteil des Stromsignals, anliegt. Der Anteil des Stromsignals ist hier so gewählt, daß sich nach Multiplikation ein um die Kupferverluste verminderter Leistungswert ergibt. In weiteren, nachgeschalteten Kreisen ist auch eine Kompensation der Eisenverluste und eine Bestimmung der im Leerlauf aufgenommenen Leistung möglich, so daß mit diesem Belastungsanzeiger eine Überwachung der tatsäch­ lich von der Motorbelastung herrührenden Leistung ermöglicht ist. Ein nachgeschalteter Schütz bewirkt ein Abschalten des Motors, sobald eine vorgegebene Maximalleistung überschritten wird.

Bei einem weiteren bekannten Belastungsanzeiger (DE 28 44 548 Al) wird die Belastung versorgungsspannungs-unabhängig dadurch ange­ zeigt, daß in fester Phasenbeziehung zum Motorstrom und zur Motor­ spannung stehende Signale mittels einer Schaltung überwacht werden, die eine Impulsfolge erzeugt, deren Impulsbreite proportional der Phasendifferenz der beiden Spannungen ist, worauf eine Gleichspan­ nung mit zur Motorspannungsamplitude proportionaler Größe erzeugt wird, die mit Hilfe der Phasenüberwacherschaltung in ein die Bela­ stung anzeigendes Signal gewandelt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen an die Art des jeweils verwendeten Motors leicht anzupassenden Motorbelastungs­ anzeiger der eingangs genannten Gattung zu schaffen, der die Mo­ torbelastung auf der Grundlage der dem Motor zugeführten Leistung bestimmt und bei dem gleichzeitig die von Versorgungsspannungs­ schwankungen herrührenden und sich auf die Leistungsbestimmung auswirkenden Fehler weitgehend vermindert sind.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patent­ anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung nützt den Umstand aus, daß die Motorbelastung im we­ sentlichen proportional zum Unterschied zwischen der dem Motor zugeführten Leistung P und einer Größe k · |I| ist, wo I der Motor­ strom und k eine empirisch festlegbare Konstante ist. Durch diese Korrektur der Leistung wird ein von in Stromversorgungsnetzen nor­ malerweise vorkommenden Spannungsvariationen hauptsächlich unab­ hängiges Maß der Motorbelastung innerhalb des normalen Belastungs­ vermögens des Motors erreicht.

Die vorteilhafte Weiterbildung gemäß Anspruch 2 ermöglicht eine einfache Ausgestaltung des Kreises zur Erzeugung des den Absolut­ wert des Motorstromes repräsentierenden Signales. Dabei kann ein Vollweg-Gleichrichter verwendet werden, aber es hat sich auch ge­ zeigt, daß für den normalen Einsatz entsprechend Anspruch 3 ein Halbwellengleichrichter ausreicht.

Eine besonders vereinfachte Ausbildung der Schaltung ergibt sich nach Anspruch 4, wobei die jeweils für den verwendeten Motortyp richtige Einstellung des Spannungsteilers auf einfachste Weise empirisch ermittelt werden kann.

Die im Anspruch 5 angegebene Ausführungsform ermöglicht eine Überwachung der Motorleistung gemäß vorbestimmter Maximal- bzw. Minimalwerte, wobei sich der hohe überwachbare Leistungsbereich vorteilhaft auswirkt.

Die Erfindung wird anhand eines ein Ausführungsbeispiel des Bela­ stungsanzeigers enthaltenden Belastungswächters gemäß der Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines solchen Belastungswächters,

Fig. 2A und 2B ein detailliertes Schaltbild einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform des Belastungswächters aus Fig. 1, und

Fig. 3A bis 3D Kurvenformen von Signalen, die an einigen Stellen der Schaltung nach Fig. 2A auftreten.

Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Belastungswächter enthält Spannungs- und Stromgeber 1 und 2 zur Erzeugung von Signalen, welche die Motorspannung bzw. den Motorstrom eines (nicht darge­ stellten) Wechselstrommotors repräsentieren. Diese Signale werden an eine Multiplikationsschaltung 3 angelegt, welche ein Signal erzeugt, das die dem Motor zugeführte Leistung repräsentiert. Ein Differenzkreis 4 bildet die Differenz zwischen dem die zugeführte Leistung repräsentierenden Signal und einem zum Absolutwert des Motorstromes proportionalen Signal mit variabler Proportionalitätskonstante, das durch einen Gleich­ richter 5 erzeugt wird. Das Ausgangssignal des Differenz­ kreises 4 wird in einem Filter 6 geglättet und zwei Ni­ veaudetektoren 7 und 8 zugeführt, deren Umstellungsni­ veau mittels gesonderter Einstellkreise 9 und 10 einstell­ bar ist. Die Niveaudetektoren 7 und 8 sind an je einer Verzögerungseinheit 11 bzw. 12 mit einem gemeinsamen Einstellkreis 13 für die Verzögerungsdauer angeschlos­ sen. Die Verzögerungseinheiten 11 und 12 sind an je einer Relaissteuerung 14 bzw. 15 zur Betätigung eines Höchst­ belastungsrelais bzw. eines Mindestbelastungsrelais (nicht gezeigt) angeschlossen. Der Motorstromgeber 2 gibt über einen Stromdetektor 16 ein Signal an zwei Integratoren 17 und 18 mit verschiedenen Integrationskonstanten ab. Die Ausgänge dieser Integratoren sind an ein Exklusiv- ODER-Verknüpfungsglied 19 angeschlossen, dessen Ausgangssignal an den Relaissteuerungen 14 und 15 anliegt, um diese während des Anlassens des Motors unwirksam zu machen.

Die bevorzugte Ausführung des in Fig. 1 schematisch ge­ zeigten Belastungswächters ist in Fig. 2A-B veranschau­ licht. Wie aus dieser Figur ersichtlich, besteht der Spann­ ungsgeber 1 aus einer Widerstandsschaltung, über welche ein die Motorspannung repräsentierendes Signal (siehe Fig. 3A) der Multiplikationsschaltung 3 in der Form eines integrierten Kreises des Typs ICL8013CCTC zugeführt wird. Der Stromgeber 2 hat die Form eines Strom­ transformators, dessen Sekundärwicklung in Fig. 2A über die Eingänge eines Verstärkers F 1 parallel zu einem Wider­ standsnetz zur Anpassung des Eingangssignalniveaus an den Verstärker F 1 gekoppelt ist. Der Ausgang des Ver­ stärkers F 1 ist an einen Eingang der Multiplikationsschal­ tung 3 angeschlossen, deren Ausgang an einen Eingang eines Verstärkers F 2 angeschlossen ist, dessen Ausgang über einen aus Widerständen und Kondenstoren bestehenden Glättkreis 6 an einen Eingang eines Pufferverstärkers F 3 gekoppelt ist. An den Ausgang des Verstärkers F 1 ist der eine Anschluß eines Gleichrichters 5 in der Form einer Diode gekoppelt. Der zweite Anschluß der Diode 5 ist an ein Potentiometer P 1 gekoppelt, von dessen Abgriff während jeder zweiten Halbperiode ein dem Motorstrom proportionales Signal dem Eingang des Verstärkers F 2 zugeführt wird. Das Signal (in Fig. 3D gezeigt) am Ausgang des Verstärkers F 2 ist somit während jeder zweiten Halbperiode zur Differenz P - k |I|, und sonst zu P proportional, wobei P die effektive Motor-Gesamtleistung, I die Absolut­ größe des Motorstromes und k ein durch den Potentiometer-Ab­ griff einstellbarer Proportionalitätsfaktor ist. Der Ausgang des Verstärkers F 3 ist an zwei Niveaudetektoren 7 und 8 in Form von Operationsverstärkern angeschlossen, wobei das Umstell­ niveau der Detektoren mittels gesonderter Widerstandsnetze 9 und 10 einstellbar ist. Die Ausgänge der Niveaudetek­ toren 7 und 8 sind an den Eingang je eines aus einem Operationsverstärker gebildeten Integrators 11 bzw. 12 angeschlossen. Die Ausgänge der Integratoren 11 und 12 sind an je ein Exklusiv-ODER-Verknüpfungsglied G 1 und G 2 gekoppelt, deren Ausgänge an je ein Relais RA bzw. RB mit einem Wechselkontakt gekoppelt sind. Die in der Sekundärwicklung des Stromtransformators 2 entwickelte Spannung wird von einem kräftig übersteuerten Operations­ verstärker F 4 verstärkt, welcher somit ein Signal mit einem zweier Niveaus in Abhängigkeit davon abgibt, ob der Motor mit Strom versorgt wird oder nicht. Durch dieses Signal wird über eine Diode D 1 ein erster Kondensator C 1 aufgeladen. Ein zweiter Kondensator C 2 ist, in Reihe mit einem einstellbaren Widerstand R 1, zum ersten Kondensator parallelgeschaltet. Die Spannungen über den beiden Kondensatoren C 1, C 2 werden einem Exklusiv- ODER-Verknüpfungsglied G 3 aufgeprägt, dessen Ausgangssig­ nal einen Transistor Q steuert, dessen Kollektor-Emitter­ strecke zwischen der Kreiserde und zwei an je einen der Ausgänge der Integratoren 11 und 12 angeschlossenen Dioden D 2 bzw. D 3 liegt. Den anderen Eingängen der die Relais RA und RB steuernden Exklusiv-ODER-Verknüpfungsglieder G 1 und G 2 können alternativ Nullspannung oder eine posi­ tive Spannung durch Umschalten eines Schalters S aufge­ prägt werden.

Die Arbeitsweise dieses Belastungswächters wird im folgenden kurz beschrieben. Die Sekundärwicklung des Stromtransformators 2 führt der Multiplikationsschaltung 3 ein Signal zu (siehe Fig. 3B), welches den Motorstrom repräsentiert. Die aus Widerständen gebildete Schal­ tung 1 führt der Multiplikationsschaltung 3 ein Signal zu (siehe Fig. 3A), welches die Motorspannung repräsentiert. Die Multiplikationsschaltung 3 gibt an den Verstärker F 2 ein Signal ab (siehe Fig. 3C), welches die dem Motor zu­ geführte Leistung repräsentiert, und der Verstärker F 2 gibt an seinem Ausgang ein Signal ab (siehe Fig. 3D), welches die Differenz zwischen der dem Motor zugeführten Leistung und einer Größe repräsentiert, die während jeder zweiten Halbperiode des Motorstromes null ist und sonst zum Absolutwert des Motorstromes proportional ist. Durch den Glättungsfilter 6 zwischen den Verstärkern F 2 und F 3 wird ein Gleichstromsignal an dem Ausgang des Verstärkers F 3 erhalten. Das Niveau dieses Signals ist zur Größe der Motorbelastung im wesentlichen proportional und wird von den Niveaudetektoren 7 und 8 mit den einge­ stellten Höchst- und Mindestniveaus für die Größe der Motorbelastung verglichen. Solange das Signalniveau an dem Ausgang des Verstärkers F 3 zwischen den eingestellten Höchst- und Mindestniveaus liegt, wird die Spannung an den Ausgängen der Integratoren 11 und 12 -15 V sein und keine Änderung des Zustandes der Relais RA und RB wird stattfinden. Wenn das Signalniveau am Ausgang des Ver­ stärkers F 3 das eingestellte Höchstbelastungsniveau über­ schreitet, wird der Ausgang des oberen Niveaudetektors 7 von positivem auf negatives Potential wechseln, wobei der nachfolgende Integrator 11 eine Integration beginnt, während welcher das Potential an dem Ausgang des Integrators von -15 V gegen +7,5 V ansteigt, welch letzteres Potential den Umkehrpunkt des nachfolgenden Exklusiv-ODER-Verknüpf­ ungsgliedes G 1 darstellt. Der entsprechende Verlauf tritt dann ein, wenn das Ausgangssignalniveau vom Verstärker F 3 ein voreingestelltes Mindestbelastungsniveau unter­ schreitet. Mittels eines den beiden Integratoren 11 und 12 gemeinsamen Potentiometers P 2, dessen Abgriff über Widerstände R 2 bzw. R 3 an die invertierenden Eingänge der Integratoren 11, 12 angeschlossen ist, kann die Integrationszeitkonstante verstellt werden, z. B. im Bereich von 50 ms bis 4 s.

Mittels der an den Ausgang des Verstärkers F 4 angeschlos­ senen Zeitkreise, die verschiedene Zeitkonstanten haben, wird der Belastungswächter daran gehindert, während einer kurzen Zeitspanne nach Anlassen des Motors zu wir­ ken, um eine unerwünschte Auslösung des Wäch­ ters zu verhindern. Durch Anschluß einer Diode D 4 in der dargestellten Weise über den Widerstand R 1 wird der Belastungswächter auch daran gehindert, bei Abschalten des Motors auszulösen.

Es sind mehrere Abänderungen der in Fig. 2A und 2B gezeigten Aus­ führungsform möglich. So kann ein Vollwellengleichrichter anstelle der halb­ wellengleichrichtenden Diode 5 benützt werden. Dabei ist der Wert von k in diesem Falle halb so groß, wie bei der Ausführungsform nach Fig. 2A und 2B, da das den Absolutwert des Stromes repräsentierende Signal in jeder zweiten Halbperiode nun ≠ null ist.

Damit wird ein Belastungswächter für Wechselstrommotoren geschaffen, welcher den erfindungs­ mässigen Belastungsanzeiger enthält, der von Variatio­ nen in der Motorspannung nahezu ganz unabhängig ist, vor­ ausgesetzt, daß die Proportionalitätskonstante richtig gewählt wird. Die Bestimmung des Wertes der Konstante k wird empirisch vorgenommen. Der Wert, der gewöhnlich im Intervall 0-5 liegt, ist in erster Linie von der Motorgröße und in zweiter Linie vom Motortyp abhängig.

Der Belastungsanzeiger kann, allgemein zur Steuerung von oder Einwirkung auf Vorgänge(n) in Abhängigkeit von der Belastung eines Wech­ selstrommotors verwendet werden. Es kann das vom Filter 6 erhaltene Signal in ein anologes Ausgangssignal, beispielsweise im Bereich 0-20 mA, umgeformt werden.

Claims (5)

1. Belastungsanzeiger für Wechselstrommotoren, welcher einen Geber zur Erzeugung eines den Motorstrom repräsentierenden Signals, einen Geber zur Erzeugung eines die Motorspannung repräsentierenden Signals und eine Multiplikationsschaltung zur Multiplikation des den Motorstrom repräsentierenden Sig­ nales mit dem die Motorspannung repräsentierenden Signales zur Erzeugung eines die zugeführte Leistung repräsentieren­ den Signales aufweist, gekennzeichnet durch
einen Kreis (5) zur Erzeugung eines den Absolutwert des Motorstroms repräsentierenden Signals,
eine Differenzschal­ tung (4) zur Bildung eines Signals, das die Differenz zwi­ schen dem die zugeführte Leistung repräsentierenden Signal und einem Anteil des den Absolutwert des Motorstromes reprä­ sentierenden Signales darstellt,
und einen Kreis (P 1) zur Einstellung des genannten Anteils je nach Art und Leistungs­ aufnahme des angeschlossenen Wechselstrommotores.

2. Belastungsanzeiger nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kreis zur Erzeugung eines den Absolutwert des Motorstromes repräsentierenden Signals einen Gleichrichter (5) umfaßt, der an den Geber (2) zur Erzeugung eines den Motorstrom repräsentierenden Signals angeschlossen ist.

3. Belastungsanzeiger nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Gleichrichter (5) ein Halbwellen­ gleichrichter ist.

4. Belastungsanzeiger nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Kreis zur Einstellung des Anteiles des den Absolutwert des Motorstromes repräsentierenden Signales für die Differenzschaltung (4) einen an den Ausgang des Gleichrichters (5) angeschlossenen Spannungsteiler (P 1) für die Einstellung der Größe einer Konstanten (k) in dem von der Differenzschaltung (4) gebildeten Signal (P - k · |I|) um­ faßt, wobei P das Ausgangssignal der Multiplikationsschaltung (3) und I das Ausgangssignal des Stromgebers (2) ist.

5. Belastungsanzeiger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ge­ kennzeichnet durch einen Detektorkreis (7, 8) zur Feststellung, wenn der durchschnittliche Wert des Differenz­ signales entsprechend einer vorbestimmten Höchst- bzw. Mindest­ belastung voreingestellte Niveaus über- bzw. unterschreitet.