DE3102655C2

DE3102655C2 - Verfahren zur Erfassung maschineninterner Größen bei Asynchron-Käfigläufermotoren

Info

Publication number: DE3102655C2
Application number: DE19813102655
Authority: DE
Inventors: Egon Prof. Dr.-Ing. 6109 Mühltal Andresen
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1981-01-24
Filing date: 1981-01-24
Publication date: 1985-01-31
Also published as: DE3102655A1

Abstract

Es wird von einem Verfahren zur Erfassung maschinen interner Größen bei elektrischen Maschinen, insbesondere Drehstrom-Käfigläufermotoren ausgegangen, unter Anwendung von Magnetfeldgrößen oder deren zeitliche Änderung erfassender Sonden im oder am Luftspalt der Maschinen. Die Erfindung besteht darin, daß die Signale mehrerer im Drehwinkel zueinander, vorzugsweise um 120 ° versetzter, axial zur Maschinenachse ausgerichteter Sondenpaare (A/B, C/D) für eine lokale Fluß- und/oder inkrementale Rotorpositionsbestimmung erfaßt und ausgewertet werden, wobei der Fluß aus dem Grundwellenanteil des Signals eines oder mehrerer Sondenpaare unter Beseitigung des Oberwellenanteiles dieser Signale ermittelt und die Position durch eine Auszählung der Oberwellen unter Eliminierung des Grundwellenanteiles der Signale bestimmt wird. Die Vorteile bestehen insbesondere darin, daß sowohl der Fluß als auch die Position der Maschine einfach und ohne Veränderung am aktiven Teil der Maschine bestimmt werden können. Tachometermaschinen oder Drehwinkelaufnehmer können entfallen.

Description

11. Schaltanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonden (A. B) eines Sonden-

paares jeweils über Ventile verschiedener Durchlaßrichtung (7) sowohl an die Eingänge eines Summierverstärkers (8) als auch die Eingänge eines Differenzverstärkers (9) angeschlossen sind, wobei der Ausgang des Summierverstärkers (8) mit dem einen Eingang eines weiteren Summierverstärkers (14j und der Ausgang des Differenzverstärkers (9) einerseits über ein weiteres Ventil (13) an den anderen Eingang des weiteren Summierverstärkers (14) angeschlossen ist und andererseits gemeinsam mit dem Ausgang eines Differenzverstärkers (9') einer weiteren identischen Schaltung für ein um 120° versetztes Sondenpaar (C/D) getrennte Eingänge eines zusätzlichen Summiergliedes (10) speist, das über eine Trägerstufe (11) an eine Zählstufe (12) angeschlossen ist

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Sind bei Käfigläufermotoren Winkel- oder Drehzahloder Flußmessungen erforderlich, wie z. B. für hochwertige Regelungen oder Grenzwertüberwachungen, müssen verschiedene Meßverfahren eingesetzt werden. Die Flußmessung in einer Asynchronmaschine bereitet insbesondere wegen der kleinen Luftspalten, Schwierigkeiten. Es liiüssen Veränderungen am aktiven Eisen vorgenommen werden, was nachträglich schwierig durchzuführen ist Aus diesem Grunde wird seit langem an Beobachterschaltungen und Entkopplungsnetzwerken gearbeitet mit deren Hilfe bei solchen Maschinen z. B. ohne Flußmessung ausgekommen werden kann. Jedoch sind die Ergebnisse bislang nicht hundertprozentig befriedigend.

In jedem der bekannten Fälle benötigt man jedoch eine zusätzliche Tachometermaschine oder einen digitalen Drehwinkelaufnehmer, wenn eine Drehzahl- bzw. Winkelregelung möglich sein soll.

So werden z. B. bei einem bekannten Verfahren zur feldorientierten Regelung eines Asynchronmotors bereits der Fluß und die Rotorstellung erfaßt, wobei ein Tachogenerator die Geschwindigkeit bzw. Ableitung des Stellungswinkels mißt (z. B. DE-Z. »Regelungstechnische Praxis«, 1978, H. 3, Bild 11). Auch die Verwendung von Impulsgebern zur Drehwinkelbestimmung ist danach bekannt (a. a. O. Bild 15).

Aufgabe der Erfindung ist es, für eine Drehzahlregelung die genannten Meßgrößen einfacher und besser zu erhalten. Dabei soll ohne eine Veränderung am aktiven Teil der Maschine ausgekommen werden und auch auf eine Tachometermaschine und einen digitalen Drehwinkelaufnehmer verzichtet werden können.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung für ein Verfahren der eingangs genannten Art gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Dabei wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß die meßbaren Induktionsverläufe sowohl für die Fluß- als auch für die Drehwinkelmessung ausnutzbar sind.

Zwar ist die Flußmessung an sich mittels Magnetfeldsonden bekannt, jedoch wurde bislang nur der Grundwellenfluß gemessen und ausgenutzt (IqE-AS ft 20 130)). Es finden dort zur Vermeidung von Empfindlichkeitseinbrüchen durch Modulation von punktförmig erzielten Meßspannungen mit den Läufernutschlitzen zwei magnetfeldabhängige Sonden in bestimmter, in Umfangsrichtung versetzter Anordnung im Arbeitsluftspalt

am Ständer Verwendung. Als Sonden werden Hallgeneratoren oder Feldplatten oder induktive Aufnehmer genannt Die beiden so erzielbaren Meßspannungen werden einer Maximalwertstufe nacheinander zur Auswahl und Glättung zugeführt. Eine erfindungsgtmäße Addilii-n oder Subtraktion von Signal-Hallspannungcn erfolgt nicht, auch wird anordnungsmäßi^ anders verfahren.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Anhand von schematischen Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im nachstehenden näher erläutert

Es zeigt

F i g. 1: Verlauf der Luftspaltinduktion bei einem Drehstrom-Asynchronmotor,

F i g. 2: Anordnung von Meßsonden in magnetischen Nutkeilen,

F i g. 3: Sondensignalverlauf,

F ig. 4: Schaltbild,

F i g. 5: Differenzsignal,

F i g. 6: resultierendes Signal,

F i g. 7: Rechteckimpulse,

F i g. 8: Summiersignal,

F i g. 9: Differenzsignal gleichgerichtet,

Fig. 10: Anordnung von vier Sonden in einer Ständernut

F i g. 11: Magnetkeil für Induktioinsspulensonde,

Fig. 12: Signalverläufe,

Fig. 13: Signalverläufe.

F i g. 1 zeigt den bekannten Verlauf einer gemessenen Luftspaltinduktion zwischen einem angedeuteten Stator 1 und einem Rotor 2 eines Asynchronmotors über den Drehweg X. Die Nuten sind mit 3 und 4 angegeben. Wie ersichtlich und bekannt, ist die Maximalinduktion im Spalt unter einer Läufernut 3 bereits abgesenkt Bei einer Maschine mit gängigen Abmessungsverhältnissen für Luftspaltlänge und Nutöffnungen verkleinert sich die Felddichte mitten über der Ständernutöffnung 4 um etwa 20% der Maximalinduktion, wenn eine Läuferrsut 3 gegenübersteht. Diese Änderung würde von einer idealen Sonde gemessen werden, die z. B. 1 mm breit ist und in radialer Richtung in der Mitte des Luftspaltes untergebracht wäre. Die Nutöffnung wäre etwa 2 mm. Bei einer mittleren Luftspaltinduktion von z. B. 0,85 T betrüge die zu messende Differenz ungefähr 0,2 T oder 20 mV Hallspannung. In Wirklichkeit kann keine Meßsonde mitten in den Luftspalt gebracht werden. Je weiter die Sonde in die Nut verlagert wird, desto kleiner wird die Meßgröße, da die Feldlinien mehr und mehr vom Eisen des Nutfensters abgeschirmt werden. Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung werden die Meßsonden in oder auf magnetischen Nutkeilen 5 angebracht. Dank der relativen Permeabilität von etwa 10 wird dabei eine Annäherung an eine geschlossene Eisenoberfläche grob erreicht. Es kann sogar eine Einbettung in die Oberfläche des magnetischen Nutkeiles erfolgen. F i g. 2 zeigt eine solche Anordnung schematisch. Die Statornuten sind wieder mit 4, die Rotornuten mit 3 bezeichnet. 5 sind die magnetischen Nutkeile, in deren Oberfläche Sonden 6 integriert sind. Die mit einer solchen Sonde 6, z. B. Hallsonde, meßbaren Signale haben etwa den Verlauf der ersten Halbwelle nach F i g. 3. Dabei ist ein vierpoliger Läufer mit 30 Läufernuten angenommen. Die Figur zeigt den Nuten des Rotors entsprechend oberwellenmodulierte gleichgerichtete Grundschwingungen \a\ sowie \b\. Für die Flußmessung wird nur die Spannung der Grundtvelle ohne die störenden Läufernutoberwellen benötigt, für die Winkelmessung dagegen sind umgekehrt nur die Oberwellen erforderlich, unter Beseitigung der Grundwellenmodulation. Zur Verarbeitung der Meßsignale wird auf Fig.4 verwiesen. Diese zeigt in einem Blockschaltbild eine Anordnung für eine analoge Fluß- und eine inkrementale LäufcrslcHungmcssung.

Angedeutet ist ein Rotor 2 nut geschrägten Läufernuten 3. Oberhalb in den Nuten des hier nicht dargestellten Stators sind die Meßsonden, ζ. B. Hallsonden A und B

ίο sowie um 120° versetzt C. D paarweise und axial hintereinander in einem gewissen Abstand liegend untergebracht Mit A', ß'und C, D' sind weitere Meßsonden bezeichnet Die abgegebenen Signale a, b, c, d werden über Gleichrichter 7 bzw. T auf Summierverstärker 8 bzw. 8' sowie Differenzverstärker 9 bzw. 9' geführt Mit 10 isi ein weiterer Summierverstärker bezeichnet dessen Ausgang über einen Schmitttrigger 11 eine Zählstufe 12 steuert Mit 13 und 13' sind noch weitere Gleichrichter und mit 14 und 14' weitere Summierverstärker für die Flußbestimmung bezeichnet

Zur Winkelmessung kann die wahre Frequenz der Nutoberwellen durch Gleichrichtung (|a|) des Signals a über den Gleichrichter 7 erhalten werden. Hierdurch wird die modulationsbedingte Vorzeichenumkehr in der jeweils zweiten Halbwelle gegenüber der ersten Halbwelle aufgehoben. Die Grundwelle wird dann durch Subtraktion eines gleichgerichteten Signals \b\ gleichen Grundwellenanteils, jedoch phasenverschobenen Oberwellenanteils über Differenzverstärker 9 entfernt. Für das gleichgerichtete Signal |ö| bedarf es der Anbringung einer zweiten Sonde B im Abstand von 180° el. Entweder in einer Läufernut mit einer in diesem Abstand passenden räumlichen Verschiebung. Da dies nicht immer der Fall ist, kann in denselben magnetischen Nutkeil eine zweite Sonde B eingebaut werden, die in axialer Richtung um ein Drittel bis eine Hälfte der Ständerlänge versetzt ist. Da alle Niederspannungs-A-Motoren mit einer Schrägung der Läuferstäbe um den Be-,,., trag einer Ständernutteilung gebaut werden,! ^

sind die

meßbaren Impulse von B um ein Drittel bis eine Hälfte des Abstandes zweier Impulse gegenüber dem Signal \a\ verschoben. Hierzu wird auf F i g. 3 verwiesen. Werden die gleichgerichteten Signale \a\ und \b\ im Differenzverstärker 9 voneinander subtrahiert, so bleiben nur die Impulse der Nutoberwellen übrig, wie sie der Fig.5 entnommen werden können. Entsprechendes gilt für die gleichgerichteten Signale \c\ und \d\, die über den Differenzverstärker 9' subtrahiert werden.

Die Signaldifferenz \a\ — \b\ nach Fig.5 ist noch nicht brauchbar, da die Amplituden der Impulse mit der Speisefrequenz zwischen 0 und ihrem Höchstwert schwanken. Einzelne Impulse gehen verloren, andere sind zu schwach. Dieser Mangel läßt sich am besten dadurch beheben, daß eine gleiche Signaldifferenz |cj — \d\ vom Differenzverstärker 9' in einen Summierverstärker 10 überlagert wird, deren Nutimpulse phasengleich und deren Grundwelle jedoch so weit phasenverschoben ist, daß alle Impulse in brauchbarer Größe erscheinen. F i g. 6 zeigt das resultierende Signal für 120°el. Phasenverschiebung der Grundwellenspannung c/d gegenüber a/b. Voraussetzung ist, daß die LäufernutZw'il je Polpaar durch 3 teilbar ist. Durch Ansteuerung des Schmitttriggers 11 entsteht eine Rechteckimpulsfolge e gemäß F i g. 7, die in der Zählstufe 12 ausgewertet wird. Anhand der Schritte (vorwärts) kann der Winkel, d. h. die Stellung des Läufers, bestimmt werden.

Daraus läßt sich auch die Winkelgeschwindigkeit oder Drehzahl ableiten.

Für Betrieb in beiden Drehrichtungen muß eine zweite gleichartige Schaltung aufgebaut werden, die aus den Sonden A', B', C, D'gespeist wird, und die mit Rechteckimpulsen e'(vgl. F i g. 7 unten) auf dem anderen Zählereingang arbeitet. Die Impulsfrequenz wird hierdurch verdoppelt. Die Auflösung pro Umdrehung auf 1/2 N 2 = 1/60 ... 1/100 bei vierpoligen Motoren gesteigert. Einige zugehörige Impulse sind in den Fig.6 und 7 unten angedeutet. In einem solchen Fall müssen vier Hallsonden in einem Nutkeil untergebracht werden. Dem entsprechen zehn Leiter, nämlich zwei Leiter für den gemeinsamen Steuerstrom und acht Leiter für vier Felder. Diese zehn Leiter können z. B. an der Unterseite des Keiies 5 in F i g. 2 in einer abgeschirmten Hohlkehle axial herausgeführt werden. Eine solche Anordnung für vier Sonden ist z. B. der F i g. 10 entnehmbar.

Zur Flußmessung werden nur die vier Sonden A, B, C, D benötigt. Durch Addition der gleichgerichteten Signale \a\ und \b\ in dem Summierverstärker 8 bzw. 8' für \c\ und \d\ entstehen Signalfolgen entsprechend Fig. 8. Sie werden Summierverstärkern 14 bzw. 14' zugeführt. Ebenso werden die aus den Differenzverstärkern 9 bzw. 9' gewonnenen Signalfolgen nach F i g. 5 nach Gleichrichtung in Gleichrichtern 13 bzw. 13' (vgl. F i g. 9) an die Sumrnierverstärker 14 bzw. 14' geiegi und dort eine Überlagerung durchgeführt. Die Läufernutoberwellen werden dadurch eliminiert und die sich ergebende Spannung der reinen Grundwelle ist Maß für den Fluß Φ. Es ist dafür zu sorgen, daß Fehler bei der Meßwertumformung vernachlässigbar klein bleiben, z. B. durch Verwendung voll integrierter Verstärker. Über die Sonden A und B kann der Fluß in Stellung γ und über die Sonden C und D der Fluß in Stellung γ — 2 ,τ/3 ermittelt werden. Die fehlende Messung der Phasenlage Φ = γ + 2 ,τ/3 kann aus den beiden vorhandenen Werten durch Addition hergeleitet werden.

Entsprechend den verschiedenen Läufernutzahlen der-"-Sfotore 'muß die MeßeleKtfönik'mil 'verschiedenen Frequenzteilern (in Zählstüfe 12) ausgeführt werden. Der am meisten eingesetzte 4polige Motor wird mit folgenden erlaubten Nutzahlkombinationen ausgeführt:

Ständernutzahl/Vi = 36 48 60

Rotornutzahl N₂ = 30,42 38,42,54 50,54,66

In jenen seltenen Fällen, in denen N_2/3p nicht ganzzahlig ist, muß ein anderer gemeinsamer Teiler für M und Λ/2 gefunden werden, der zwangsläufig auf eine von 120°el. verschiedene Versetzung der Flußmeßachsen führt. Zum Beispiel für N₁ = 60 und N₂ = 50 bietet sich der Teiler 10 oder 5 an. Die Nutimpulse sind dann in Phase, während der Winkel zwischen den Meßachsen 72° el. oder 144° el. beträgt Die Flußsignale fallen mit diesen Winkelverschiebungen an. Zur Anpassung an die Phasenwinkel 120° und 240° muß die Rechenschaltung entsprechend erweitert werden.

Hailsonden vertragen nur eine begrenzte Betriebstemperatur von ca. 90° C. Die Wicklungen von Normmotoren bestehen aus Runddrähten mit Isolierlacken aus Kunstharzen, die fast der Isolierstoffklasse F (Übertemperatur 100 K) zuzuordnen sind. Je nach Umgebungstemperatur muß jedoch mit Wickiungstemperaturspitzen von 140° C gerechnet werden. Da Normmotoren einseitige Kühlung haben, empfiehlt sich der Einbau der Fühler auf der kalten Seite. Auf der Bohrungsfläche der Kühllufteintrittsseite kann mit einer um 30 bis 40 K niedrigeren Übertemperatur gegenüber der Wicklung gerechnet werden. Die Wahl des nächstgrößeren Motortyps dürfte die Temperatur um weitere 28% senken und neben dem Preis für den Umrichter nicht ins Gewicht fallen.

Anstelle von Hallsonden ist es auch möglich, den Luftspaltfluß und die Läuferposition durch Induktionsspulen zu messen, sofern man Läuferdrehzahlen unter einer Drehfrequenz von etwa 1 Hz nicht benötigt. Diese Lösung hat den Vorteil, temperaturunabhängig und damit gegebenenfalls bei rauhen Betriebsbedingungen betriebssicherer zu sein.

Eine Induktionsspulensonde kann nach Fi g. 11 in einem magnetischen Nutkeil 5 eingebettet sein. Dieser weist dazu seitlich noch am Nutfenster abgedeckte Längsnuten Ϊ5 auf, die abschnittsweise überQuerkanäie (nicht dargestellt) verbunden sind und in die die Windungen der Induktionsspule eingelegt sind.

Da die Induktionsmeßspulen nicht den Fluß selbst, sondern die zeitliche Änderung erfassen, haben die Nutimpulse etwa den Verlauf ä statt a (vgl. F i g. 13). Außerdem treten die großen Impulse beim Spannungs-0-Durchgang auf, die Verarbeitung der Signale ist hiervon jedoch unabhängig. Die Signalgrößen liegen im mV-Bereich.

Bei Verzicht auf den Stillstand genügen zweimal zwei Sonden, in F i g. 4 mit A, B, C, D bezeichnet, da die Drehrichtung durch Mittelwertbildung der Impulsspannung gemäß Fig. 12 bestimmt werden kann. Hoher Mittelwert ergibt z. B. Vorwärtsrichtung, niedriger Mittelwert Rückwärtszählrichtung.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erfassung maschineninterner Größen durch Messung des Flusses und der Rotorposition bei Asynchron-Käfigläufermotoren, wobei der Fluß, der sich aus einer Flußgrundweile und aus Nutoberwellen zusammensetzt mit Hilfe von magnetfeldempfindlichen Meßsonden im Luftspalt erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale mehrerer in Achs- und in Umfangsrichtung des Stators (1) versetzt angeordneter Sonden (A ... D) in einer Formerschaltung so verarbeitet werden, daß für die Flußgrundwellenmessung die Nutoberwellen und für die Rotorpositionsmessung die Flußgrundwellen entfernt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der Flußgrundwelle sowohl eine Additions- als auch Subtraktionsbildung der beiden gleichgerichteten Signale (\a\ + \b\; \a\ — \b\) der axial versetzten Sonden eines Paares (A/B) erfolgt und daß das Subtraktionsergebnis nach weiterer Gleichrichtung nochmals dem Additionsergebnis überlagert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur inkrementalen Rotorpositionsbestimmung jeweils eine Subtraktionsbildung der gleichgerichteten Signale (|a| - \b\) der axial versetzten Sonden des Sondenpaares (A/B) sowie der Signale (|a| - \d\) der axial versetzten Sonden eines weiteren im Umfang versetzt angeordneten Sondenpaares (C/D) erfolgt, daß die Ergebnisse einander überlagert und nach Signalformung einer Zählstufe (12) zugeführt werden.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonden (A, B ...) im Nutfenster des Ständers der Maschine auf den magnetischen Nutenverschlußkeilen (5) angeordnet sind.

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonden (A, B ...) im Nutfenster des Ständers der Maschine innerhalb der magnetischen Nutenverschlußkeile (5) angeordnet sind.

6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonden eines Paares (A/B) jeweils axial versetzt in einer Nut (4) demselben Nutverschlußkeil (5) zugeordnet sind.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonden eines Paares in axialer Richtung einen Abstand von 1/3 bis 1/2 der Ständerlänge aufweisen.

8. Anordnung nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sondenpaare (A/B; C/D) in einer Ständernut (4) untergebracht sind (F ig. 10).

9. Anordnung nach den Ansprüchen 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßsonden Hallsonden oder Induktionsspulen vorgesehen sind.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Nutenverschlußkeil (5) für die Aufnahme von Induktionsspulen seitliche Längsnuten (15) aufweist, die für den Rücklauf der Spulendrähte mit Querkanälen versehen sein können.