DE3111819C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zur Ermittlung der Drehzahl eines Asynchronmotors.

Bei der Entwicklung einer neuen Form von Motorschutz­ schaltern zum Schutz von Asynchronmotoren gegen unzu­ lässig hohe Erwärmung hat es sich gezeigt, daß die Er­ mittlung der Motordrehzahl unumgänglich ist. In diesem Zusammenhang ist es wünschenswert, daß Vorrichtungen zur Drehzahlermittlung, die separate Leitungen zum Motor erfordern, vermieden werden.

Bei einem aus der DD-PS 1 21 191 bekannten Verfahren zur Ermittlung der Drehzahl eines Asynchronmotors werden von einer in der Nähe des zu überwachenden Asynchronmotors angeordneten Empfangsspule Schwingungen des Asyn­ chronmotors aufgenommen. Die Empfangsspule ist dabei Be­ standteil eines Schwingkreises, der auf die durch­ schnittliche Schlußfrequenz des Asynchronmotors abge­ stimmt ist. Aus diesem Signal werden dann Impulse gewon­ nen, die mit von der Netzfrequenz gewonnenen Impulsen verglichen werden und so eine direkte Aussage über die Schlupffrequenz ermöglichen. Hierbei wird also der Schlupf direkt bestimmt.

Aus der US-PS 36 11 138 ist ein Drehzahlgeber zur Be­ stimmung der Rotationsgeschwindigkeit einer rotierenden Einrichtung bekannt, bei dem an der rotierenden Ein­ richtung ein mit Zähnen versehenes metallisches Rad eines Induktionsfühlers angeordnet ist, dessen Sensor ein für die Drehzahl des Rades bzw. der rotierenden Einrichtung repräsentatives Signal erzeugt. Dieses Signal wird einem Frequenzaddierer zugeführt, an dem gleichzeitig das Signal eines Schlupffrequenzoszilla­ tors anliegt. Das Ausgangssignal des Frequenzaddierers liegt an einem Frequenzwandler an, der zwischen einer Stromquelle und den Spulen der rotierenden Einrichtung angeordnet ist.

Hierbei ist es nachteilig, daß zur Ermittlung der Dreh­ zahl als Impulsgeber ein metallisches Rad vorgesehen werden muß, also eine mechanische Einrichtung die zu­ sätzlich an der rotierenden Einrichtung angeordnet sein muß.

Aus der DE-AS 11 93 150 ist eine Einrichtung zur Dreh­ zahlregelung für einen rotierenden Antrieb bekannt, bei dem auf der Welle des Antriebs ein Impulsgenerator vor­ gesehen ist, der Rechteckimpulse liefert.

Die Frequenz dieser Impulse ist der IST-Drehzahl des Antriebs proportional. Dieses Impulssignal wird einem Frequenzdiskriminator über ein Bandpaßfilter zugeführt, das auf eine der SOLL-Drehzahl zugeordnete Frequenz ab­ gestimmt ist, die ein Vielfaches der höchsten Impuls­ frequenz des Impulsgenerators beträgt. Der Durchlaßbe­ reich des Bandpaßfilters ist dabei sehr eng. Bei allen Drehzahlen, bei denen die fest eingestellte Durchlaß­ frequenz irgendeine obere harmonische Schwingung der Impulsfrequenz bildet, wird diese obere harmonische Schwingung durch das Bandpaßfilter ausgefiltert.

Weicht dann die IST-Drehzahl des Antriebs von der SOLL- Drehzahl ab, so erscheint am Ausgang des Bandpaßfilters eine von der Durchlaßfrequenz etwas abweichende Fre­ quenz, die am Ausgang des Frequenzdiskriminators eine Gleichspannung mit positiven bzw. negativen Vorzeichen verursacht. Dieses Gleichspannungssignal wird dann zur Steuerung der Drehzahlkorrektur des Antriebs herangezo­ gen.

Auch hierbei ist also ein mit dem rotierenden Antrieb verbundener separater Impulsgeber erforderlich.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Ver­ fahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der Drehzahl eines Asynchronmotors zu schaffen, wobei weder separate Leitungen zum Motor erforderlich sind noch zusätzliche Vorrichtungen am Motor vorgesehen sein müssen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung durch die Merkmale des Patentan­ spruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 3 gelöst.

Erfindungsgemäß wird also das im Motorstrom vorhandene Spektrum von Oberschwingungen ausgenutzt, so daß der Motorstrom selbst als Indikator für die Motordrehzahl herangezogen wird.

Dabei wird der Frequenzunterschied zwischen einer Kom­ ponente in einem Frequenzband unterhalb einer Ober­ schwingung und der Frequenzunterschied zwischen dieser Kompo­ nente und der Oberschwingung festgestellt. Aus diesem Frequenzunterschied wird dann der Schlupf und damit auch die Motordrehzahl bestimmt.

Da die zur erfindungsgemäßen Ermittlung der Drehzahl notwendigen Signale direkt oder indirekt den Zuleitun­ gen des Motors entnommen werden können, sind weder zu­ sätzliche Vorrichtungen am Motor noch gesonderte aus dem Motor herausführende Leitungen erforderlich.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 in schematischer Ansicht das Frequenzspektrum des Motorstroms eines Asynchronmotors,

Fig. 2 eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Ermittlung der Drehzahl eines Asynchronmotors,

Fig. 3 in schematischer Ansicht eine zweite Ausführungs­ form einer Ermittlungsvorrichtung,

Fig. 4 eine Schaltungsanordnung von Teilen der Vorrichtung gemäß Fig. 3, und

Fig. 5 ein Beispiel einer erwünschten Charakteristik eines in der Vorrichtung enthaltenen Bandpaßfilters.

Wie schematisch in Fig. 1 dargestellt, umfaßt der Motor­ strom eines Asynchronmotors außer der eigentlichen Grund­ frequenz f₀, üblicherweise 50 Hz, auch die ungeraden Oberschwingungen, d. h. m · f₀; m=3, 5, 7, 9 . . . Diese Oberschwingungen haben selbstverständlich eine wesentlich niedrigere Amplitude als die Grundfrequenz. Bei noch niedrigerer Amplitude gibt es unter jeder Oberschwingung ein Spektrum anderer Schwingungen (in der Zeichnung nur unter der Oberschwingung 9f₀ gezeigt). Diese Kom­ ponenten des Motorstroms werden von dem Eisen und der Geometrie der Nuten im Motor gebildet. Die nichtlinearen magnetischen Eigenschaften des Eisens erzeugen somit Ober­ schwingungen zur Ständergrundfrequenz, der Netzfrequenz, wie auch zur Läufergrundfrequenz, welche die Netzfrequenz multipliziert mit dem Schlupf ist. In dem unter einer Oberschwingung vorhandenen Spektrum ist der Frequenzunterschied im Verhältnis zur Oberschwingung der Form n·s·f₀, n=1, 2, 3 . . . , wo s der Schlupf ist. Die am meisten hervortretenden dieser Kompo­ nenten haben meistens n=10 bzw. n=14. Für n<20 ist die Amplitude niedrig im Verhältnis zu niedrigen Werten von n.

Praktisch nutzt die Erfindung das oben geschilderte Ver­ hältnis dadurch aus, daß sie aus dem genannten Frequenz­ unterschied den Schlupf bestimmt, wodurch die Drehzahl gegeben ist. Somit kann der Frequenzunterschied zwischen der infragestehenden Oberschwingung zur Ständerfrequenz und der am meisten hervortretenden Schwingung im Spektrum unmittelbar unter der infragestehenden Oberschwingung gemessen werden.

Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform der Ermittlungsvorrichtung besitzt ein Bandpaßfilter 1, dem mittels eines Stromtransformators 2 ein Signal zu­ geführt wird, das mit dem Strom zur Ständerwicklung eines Drehstrommotors 3 übereinstimmt. Der Ausgang des Bandpaß­ filters 1 ist an einen Hüllkurvendetektor 4 angeschlossen ist, dem somit ein Signal mit Frequenzen innerhalb eines ge­ wählten Frequenzbandes zugeführt wird, das unter einer gewählten Oberschwingung zur Ständerfrequenz liegt und diese Oberschwingung noch umfaßt. Der Detektor 4 gibt an seinem Ausgang ein Signal ab, das der Hüllkurve des Ausgangssignals vom Bandpaßfilter 1 entspricht.

Dadurch, daß die Hüllkurvenfrequenz in vorausbestimmbarer Weise auf den Schlupf bezogen ist, kann die Drehzahl N des Motors 3 leicht aus der Relation N=N₁ (1-s) bestimmt werden, wo N₁ die synchrone Drehzahl ist.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, kann statt des in Fig. 2 ge­ zeigten Hüllkurvendetektors 4 eine Schleife 5 mit Phasen­ rastung an den Ausgang des Bandpaßfilters 1 angeschlossen werden. Die Schleife 5 rastet auf der Frequenz der höchsten Amplitude. Ein an den Ausgang der Schleife 5 angeschlossener Periodendauerzähler 6 mißt in bekannter Weise die Perioden­ dauer der Frequenz, auf der die Schleife 5 gerastet ist. Das dem Periodendauerzähler 6 nachgeschaltete Schaltungsglied 7 führt auf Grundlage der Periodendauer der infragestehenden Oberschwingung und der vom Periodendauerzähler 6 bestimmten Periodendauer eine Bestimmung des Schlupfes s und somit der Drehzahl aus.

Falls zwei oder mehrere Schwingungen im wesentlichen die gleiche Amplitude in dem vom Bandpaßfilter 1 ausgeschiedenen Spektrum haben, wird die Messung in der Ausführungsform gemäß Fig. 3 auf die Signalkomponente mit dem größten n gegründet. Hierdurch erhält man nur ein relatives Maß des Schlupfes oder der Abweichung von der synchronen Drehzahl. Eine absolute Bestimmung der Drehzahl erfordert in diesem Falle eine Bestimmung von n für die infragestehende Kompo­ nente, und dies kann anhand irgendeiner Frequenzanalyse des untersuchten Spektrums erfolgen. Alternativ können die Meßdaten von Strom und berechneter Drehzahl mit den Nenndaten des Motors verglichen werden.

Als dritte, alternative Ausführungsform kann das zeit­ veränderliche Signal vom Bandpaßfilter 1 einer Vorrichtung zugeführt werden, die eine sogenannte schnelle Fourier-Transfor­ mation (Fast Fourier Transform) ausführt, wodurch ein Über­ gang zur Frequenzebene erzielt wird und die infragestehenden Frequenzunterschiede wie auch der Schlupf und die Drehzahl leicht berechnet werden können.

Fig. 4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des Bandpaß­ filters 1 und der Schleife 5 mit Phasenrastung in Fig. 3. Das Bandpaßfilter 1 besteht aus drei kaskadengeschalteten Filtereinheiten A, B und C, von denen die Einheit A aus einem passiven Bandpaßfilter und einem nachgeschalteten Pufferverstärker besteht, dessen Aufgabe es ist, die Grundfrequenz (50 Hz) zu entfernen, welche sonst infolge ihrer hohen Amplitude die nachfolgenden Schaltungsglieder übersteuern würde. Die Einheiten B und C sind aktive Bandpaßfiltereinheiten mit etwas unterschiedlichen mittleren Frequenzen, wodurch für die Einheiten A, B und C zusammen eine Frequenz­ charakteristik erzielt wird, die eine gute Annäherung einer erwünschten Charakteristik darstellt, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist.

Wie aus Fig. 5 hervorgeht, ist die erwünschte Frequenz­ charakteristik eine solche, daß sie Frequenzen unter der Oberschwingung 11·50 Hz = 550 Hz und über der Oberschwingung 10·50 Hz = 500 Hz durchläßt. Die Dämpfung beiderseits des Paß­ filters ist so hoch wie 60 dB.

Der Ausgang der Filtereinheit C ist an den Eingang einer Schleife 5 mit Phasenrastung angeschlossen, die aus einem integrierten Standardkreis vom Typ LM565 mit äußeren Komponenten zur Signalanpassung am Eingang und zur Ein­ stellung der Freischwingungsfrequenz aufgebaut ist, d. h. derjenigen Frequenz, mit der die Schleife 5 oszilliert, wenn an deren Eingang kein hinreichend starkes Signal auftritt. Die Freischwingungsfrequenz wird derart ein­ gestellt, daß sie gerade über dem infragestehenden Paß­ band (etwa 560 Hz) liegt.

Der Ausgang der Schleife 5 mit Phasenrastung ist an den Eingang eines Frequenzteilers 8 angeschlossen, beispiels­ weise vom Typ CD4040, der die Frequenz des Eingangssignals durch den Faktor 32 teilt. Dadurch hat das Ausgangssignal vom Teiler 8 eine Periodendauer, welche 32 mal länger ist als die Periodendauer des Eingangssignals und somit ent­ sprechend leichter mit der erwünschten Genauigkeit bestimm­ bar ist.

Das eigentliche Messen der Periodendauer, wo die Frequenz­ teilung als eine vorbereitende oder erste Maßnahme ange­ sehen werden kann, kann wie auch die Wandlung auf den Schlupf­ wert entweder mittels diskreter Schaltungsglieder oder mit Hilfe eines in zweckdienlicher Weise programmierten Rechners ausgeführt werden.

Claims (6)

1. Verfahren zur Ermittlung der Drehzahl eines Asyn­ chronmotors, dadurch gekennzeichnet, daß Komponenten des Frequenzspektrums des Motor­ stroms in einem Frequenzband unterhalb einer Ober­ schwingung der Grundfrequenz des Motorstroms ausge­ filtert werden, daß der Frequenzunterschied zwischen der Oberschwingung und zumindest einer dieser Kompo­ nenten festgestellt wird, und daß der Schlupf und somit die Drehzahl aus dem Frequenzunterschied be­ stimmt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzunterschied durch Frequenzanalyse, vorzugsweise auf Grundlage einer schnellen Fourier- Transformation, der genannten Komponenten bestimmt wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1 zur Ermittlung der Drehzahl eines Asynchronmotors, gekennzeichnet durch ein Bandpaßfilter (1) zur Ausfilterung von Komponen­ ten des Frequenzspektrums des Motorstroms in einem Frequenzband unterhalb einer Oberschwingung der Grundfrequenz des Motorstroms, sowie eine Schal­ tungsanordnung (4; 5-7) zur Bestimmung des Schlupfs und somit der Drehzahl aus dem Frequenzunterschied zwischen der Oberschwingung und zumindest einer der Motorstromfrequenz-Komponenten.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung einen an den Ausgang des Bandpaßfilters (1) angeschlossenen Hüllkurvendetek­ tor (4) umfaßt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung nach dem Bandpaßfilter (1) der Reihe nach eine Schleife (5) mit Phasen­ rastung, einen Periodendauerzähler (6) und einen Periodendauer-Schlupfwandler (7) umfaßt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung Mittel zur Durchführung einer Frequenzanalyse, vorzugsweise auf Grundlage einer schnellen Fourier-Transformation, der genann­ ten Komponenten umfaßt.