DE3112236A1 - Energiesparende motordrehzahl-regelanordnung - Google Patents

Description

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Beschreibung

Die Erfladung betrifft eine Regelanordnung für die veränderbare Drehzahl eines Dreiphasen-Wechselstrom-Motors mit dem Ziele, die für eine Solldrehzahl und ein Sollausgangsdrehmoment erforderliche Energiemenge zumindest über einen Teil des durch die Regelanordnung geregelten Drehzahlbereichs auf einen Wert zu reduzieren, der geringer ist als bei Vollast.

Motordrehzahlregelungen für Drehstrommotoren ohne die Verbesserung durch die Erfindung sind bereits seit vielen Jahren bekannt. Derartige Regelanordnungen werden von der Anmelderin vertrieben und sie besitzen eine Umsetzerschal-' tung zur Ableitung von Dreiphasen-Wechselspannungen von einer Gleichspannungsquelle zur Speisung der Drehstrommotorwicklungen. Die Frequenz der Wechselspannung ist mittels einer Drehzahlregelung veränderbar, wodurch die Hotordrehzahl eingestellt wird; die Amplitude der·Wechselspannung wird ebenfalls durch die Drehzahlregelung eingestellt, um den für den Hotor zur Erzeugung des Solldrehmoments erforderlichen Strom zu erzeugen. Bei diesen Anordnungen wird die an'den Motor angelegte Wechselspannung durch die Drehzahlregelanordnung praktisch linear mit der Drehzahl erhöht. Bei geringer Last wird dem Motor eine überhöhte Spannung zugeführt, die zu einem Energieverlust führt.

Während hierin in früherer Zeit kein besonderes Problem zu sehen war, erfordern die hohen Kosten für elektrische Energie nun, daß Energie wenn immer möglich gespart wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Regelanordnung für ver-

änderbare Drehzahl von Viechseistrommotoren derart auszugestalten, daß die Wirkung einer überhöhten Motorspannung bei Betrieb des Motors mit einer !Last, die geringer ist als die Vollast, zu reduzieren.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Motordrehzahl-Regelanordnung zur Erzeugung einstellbarer Irequenz-Wechselspannungssignale zum Betrieb von Dreiphasen-Wechselstrommotoren mit unterschiedlichen Drehzahlen, abhängig von der Einstellung einer Solldrehzahl. Zur Energieeinsparung wird ein Rückkopplungsregelsignal von dem vom Motor gezogenen Gleichstrom abgeleitet und zur Regelung der Amplitude der von der Regelanordnung dem Motor zugeführten Ausgangsspannung verwendet. Die Größe der Gleichstrom-Rückkopplung steht in Beziehung mit der Größe der von dem Motor getriebenen Last und somit wird die Motorspannung und damit die an dem Motor angelegte Energie in einer Weise reduziert, die durch die Lastanforderungen bestimmt wird.

Bei geringen Lasten wird der vom Motor gezogene Laststrom verringert, was anzeigt, daß die volle Ausgangsspannung vom Umsetzer nicht erforderlich ist, um den Motor bei dieser leichten Last mit der Solldrehzahl anzutreiben. Die Feststellung des verringerten Stroms erlaubt es., die Wechselausgangsspannung am Motor zu verringern, wodurch die Solldrehzahl und das Solldrehmoment durch eine geringere Spannung erzeugt werden und somit mit einer geringeren Leistung als zum Betrieb des Motors unter Vollast bei der gewählten Solldrehzahl erforderlich wäre. Auf diese V/eise ist es möglich, den Energieverbrauch für Drehstrommotoren, die mit unterschiedlichen Lasten betrieben werden, die geringer als Vollast sind, zu verringern.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen

S¹Xg. Λ ein Blockschaltbild eines bevorzugten Ausfü]irungs~ beispiels der Erfindung in Anwendung auf den Antrieb eines Drehstrommotors,

Pig. 2 ein Diagramm zur Yeranschaulichung der Spannungsamplitude am Motor bei unterschiedlichen Drehzahlen, wobei die Kurve A die Spannung bei Eullast und die Kurve B verschiedene Spannungs-

■ . pegel bei verschiedenen Drehzahlen bei Vollast des Motors angeben,

Fig. 3 ein Schaltbild, das einen der sechs Treiber 24—1 bis 24-6 der Wechselspannungs/Gleichspannungs-TJmsetzerschaltung 24- veranschaulicht,

Fig. 4- eine Darstellung von Signalformen, die die zwischen Wicklungspaaren ¥ (weiß) nach R (rot), R nach B (schwarz) und von B nach W angelegte Wechselspannung veranschaulicht,

' Fig. 5 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Schaltung zur Erzeugung von sechs zueinander phasenversetzten Regelsignalen D-1 bis D-6, die an die Umsetzer-Treiber zur Regelung der Erzeugung des Drehstroms angelegt werden,

Fig. 6 eine Darstellung der ungefähren Form und des zeitlichen Auftretens der Regelsignale D-1 bis D-6,

Fig. 7 ein Blockschaltbild eines Frequenzteilers zur Erzeugung von Eingangssignalen zu dem Regelsignal-Generator 22-2,

Fig. 8 ein Blockschaltbild einer Frequenz/Spannungs-Umsetzerschaltung, die das in Figur 1 gezeigte

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EEF I-Signal erzeugt,

3fig. 9 ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform ■ der erfindungsgemäßen Energieeinsparungs-Eegelschaltung,

Fig. Ί0 ein Schaltbild zur Veranschaulichung einer Schaltung, mit der eine veränderbare Gleichspannung für den Umsetzer, abhängig von dem Laststrom-Bückkopplungssignal, d.h. von der Größe des abgefühlten die Motorlast darstellenden Stromes erzeugt wird, und

Fig. 11 den Verlauf der Signalspannung EEF II der Fig. 1 über einen Bereich von unterschiedlichen Drehzahlen,wobei die Kurve A den Verlauf bei nichtbelastetem Motor und die Kurve B den Verlauf bei Vollast zeigt.

Vie aus Figur 1 ersichtlich, wird die Motordrehzahl mittels eines Potentiometers 19 eingestellt und die eingestellte Gleichspannung wird einem Spannungs/Frequenz-Umsetzer 21 zugeführt, der ein Wechselspannungssignal erzeugt, dessen Frequenz linear proportional zu der gewünschten Gleichspannung ist. Dieses einstellbare Frequenzsignal wird zuerst mittels eines Frequenzteilers 21-2 in der Frequenz um den Faktor 2 reduziert und das Signal mit reduzierter Frequenz wird dann an zwei Kanäle angelegt. Im oberen Kanal 22 erfolgt eine weitere Eeduzierung der Frequenz dieses Signales um den Faktor 16 mittels eines Frequenzteilers 22-1 und dieses Wechselspannungssignal mit wesentlich niedrigerer Frequenz wird an einen 6-Stufen-Steuersignal-Generator 22-2 angelegt, der sechs in ihrer Phase versetzte Steuersignale bei der niedrigen Wechselspannungsfrequenz erzeugt, wie dies aus Figur 6 ersichtlich ist. Die 6 fest in ihrer Phase versetzten Steuersignale werden an die 6 Leistungsschalter des Treiber-

moduls 24 angelegt, über den Wechselstrom an die 3-Phasenwicklungen des Motors 25 angelegt werden.

In dem. unteren Kanal 23 wird das Wechselspannungssignal vom Frequenzteiler 21-2 einem Frequenz/Spannungs-Umsetzer 23-1 zugeführt, wodurch ein in seiner Amplitude veränderbares Gleichspannungssignal zur Regelung des Pegels, der an' den Motor 25 anzulegenden Spannung erzeugt wird. Ist keine Energieeinsparungs-Schaltung vorgesehen, wie sie nachstehend beschrieben wird, dann erhöht sich der Spannungspegel der an den Motor 25 anzulegenden Wechselspannungsimpulse normalerweise linear unter Ansprechen auf die Schaltung 23-1»wenn die Motordrehzahl erhöht wird, wie dies aus der Kurve B in Figur 2 hervorgeht. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dieses veränderbare Gleichspannungssignal von der· Schaltung 23-1 jedoch an eine Energieeinsparung-Regelschaltung 23-2 angelegt, die auf ein Rückkopplungssignal an einem Widerstand 26 anspricht, das proportional zu dem vom Motor 25 gezogenen Strom ist. Dieses Rückkopplungssignal stellt die Gleichspannung auf einen anderen Wert ein, wie dies aus Kurve A der Figur 2 hervorgeht und zwar anteilig bzw. proportional zu der vom Motor 25 angetriebenen Last. Wird somit der Motor 25 mit Vollast betrieben, dann hat der durch den Motor von der Schaltung gezogene Ausgangsstrom den Vollast-Hennwert und es ergibt sich eine große Strom-Rückkopplung zur Energieeinsparungsschaltung, welche bewirkt, daß die an den Motor angelegte Schaltung sich linear bei jeder Drehzahl erhöht, wie dies aus der Geraden B gemäß Figur 2 ersichtlich ist. Ist der Motor jedoch unbelastet, dann ist der vom Motor gezogene Strom bei allen verschiedenen Drehzahlen geringer, als bei Vollast und die an die Energieeinsparungs-Regelschaltung 23-2 bei jeder Drehzahl angelegte niedrigere Rückkopplungsspannung reduziert entsprechend die an den Motor angelegte Spannung gemäß dem Verlauf der Spannungskurve A der

Figur 2 unter ITullast. Es ist zu erkennen, daß für jeden Zwischenwert der Motorbelastung der vom Motor gezogene Strom geringer sein wird, als derjenige bei Vollast jedoch größer als derjenige bei ITullast. Somit gibt das Rückkopplungssignal am Widerstand 26 die Größe der Belastung bei jeder Drehzahl wieder und regelt wiederum die Amplitude der an den Drehstrommotor 25 angelegtenSpannung (mit einer Frequenz, wie sie am Ausgang des Frequenzteilers 22-1 auftritt) und zwar derart, wie es für die gerade gewünschten Sollwerte von Last und Drehzahl erforderlich ist, jedoch · nicht darüber. .

Es zeigt sich somit, daß die Funktion der Energieeinsparungsschaltung 23-2 darin besteht, die Größe der Wechselspannung auf einen Wert zu reduzieren, der gerade für jede unterschiedliche Kombination-Drehzahl-Last erforderlich ist, so daß der Motor ein ausreichendes Drehmoment ohne Drehzahlverlust oder Blockieren erzeugt, feotzdem wird die durch das Produkt aus Spannung und Strom dargestellte an den Motor angelegte Energie auf ein Minimum reduziert, wodurch der Wirkungsgrad des Systems verbessert wird. Bei Verringerung der Last bei einer gegebenen Drehzahl verringern sich sowohl Strom- als auch Wechselspannung zum Motor, während die Frequenz konstant bleibt, um den Motor bei der gegebenen Drehzahl anzutreiben. Wird umgekehrt die Last bei irgendeiner gegebenen Drehzahl erhöht, dann zieht der Motor für die größere.Last mehr Strom und die Spannung erhöht sich entsprechend als Ergebnis der Rückkopplung zur Energieeinsparungs-Regelschaltung 23-2.

Da unterschiedliche Arten von Motoren mit unterschiedlichen Betriebswerten auch unterschiedliche Strom-Last-Spannungs-Kennlinien besitzen, kann die erfindungsgemäße Energieeinsparungsschaltung derart dimensioniert und aufgebaut werden, daß sich für jede gegebene Art von Motor und für entsprechende Nennwerte der optimale Wirkungsgrad ergibt, oder aber so, daß

zwar nicht das Optimum erreicht wird, daß jedoch die Schaltung für eine ganze Klasse oder Gruppe unterschiedlicher Motoren anwendbar ist, Für den Fall nur eines einzigen bestimmten Motors kann die Energieeinsparungsschaltung 23-2 derart aufgebaut und dimensioniert werden, daß sich ein minimaler Spannungspegel für jede unterschiedliche Last/ Drehzahl-Kombination ergibt, die den Motor ohne plötzlichen Drehzahlverlust antreibt. Soll andererseits ein eher universelles Motorregelungssystem geschaffen werden, das für eine Vielzahl unterschiedlicher Motoren brauchbar ist, dann wird die Optimierung des Systems geringer sein, d.h. der Spannungspegel wird zu einem geringeren Ausmaß reduziert und zwar soweit, daß jeder der unterschiedlichen Motoren mit verschiedensten Last/Drehzahl-Kombinationen betrieben werdenkann. "

Bei einer konkreten beispielsweisen Ausführungsform wird ein 2 HB-Baldor-3-Eh.asen-Motor verwendet mit einer Nennspannung von 460 Volt und einem Efennstrom von 3,2 Ampere. Die untere Kurve A in Figur 2 zeigt den Verlauf der.an diesen 3-Hiasen-Wechselstrommotor durch die Schaltung angelegten Spannung bei Drehzahlen von unterhalb 600 bis etwa 1800 U/min., wenn der Motor mit Uullast betrieben wird. Die obere Kurve B zeigt den höheren Spannungswert und den linearen Anstieg dieser an den gleichen Motor von der Schaltung angelegten Spannung über den gleichen Drehzahlbereich bei Vollast des Motors.. Bei dem Energieeinsparungs-System gemäß Figur 1 und bei Verwendung der dafür bestimmten Schaltungen gemäß den Figuren 3, 5 und 7 bis 10 hat sich gezeigt, daß die Uullast-Spannung am Motor bei einer Drehzahl von 1800 IT/min, um etwa 40 % auf etwa 360 Volt von der normalen Vollast-Spannung von etwa 594 Volt bei der gleichen Drehzahl verringert werden konnte, verbunden mit der erheblichen Verbesserung in der Energieausnutzung.

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Aus Figur 1 ist ersichtlich, daß das von der Energieeinsparungs-Regelschaltung 23-2 erzeugte einstellbare Spannungssignal zur Regelung der Größe der durch, die geregelte Spannungsquelle 23-3 erzeugten Spannung verwendet wird; wie nachstehend noch beschrieben wird, entspricht dieser Gleichspannungswert der Amplitude der an den Motor 25 angelegten Wechselstromimpulse.

Figur 3 zeigt eine bevorzugte Schaltung etwa entsprechend der Schaltung 24-1 in Figur 1 zur Speisung der Eingangsleitung W des Drehstrommotors mit den Wechselstromimpulsen. Es werden 6 derartige identische Schaltungen in dem System gemäß Figur 1 verwendet, die als Blöcke 24-1 bis 24-6 dort gezeigt sind.

Jeder dieser 6 Leistungs-Schaltkreise wird von einer unterschiedlichen Ehase der 6 Impulsausgangssignale des 6-Stufen-Steuersignal-Generators 22-2 gespeist. Jeder dieser 6 Leistungsschaltkreise wird auch durch den einstellbaren Wert der Gleichspannung von der geregelten Spannungsquelle 23-3 erregt, der wiederum eingestellt wird auf eine Größe, die durch die Energieeinsparungs-Schaltung 23-2 bestimmt wird. Somit wird öeder dieser sechs Leistungs-Schaltkreise mit einer Frequenz geöffnet und geschlossen, die der Solldrehzahl entspricht, wodurch ein einstellbarer Spannungswert an den Motor 25 angelegt wird, der durch die Energieeinsparungs-Schaltung bestimmt wird.

Gemäß Figur 3 wird das Schaltsignal von dem Steuersignal-Generator 22-2 zuerst an eine optische Isolatorschaltung 31 angelegt, die eine lichtemittierende Diode LED und eine Photodiode verwendet, um den Schaltkreis 24-1 derart zu isolieren, daß keine Rückkopplung zum Steuersignal-Generator 22-2 auftritt, aber dennoch Triggersignale von dem Steuersignal-Generator 22-2 zu dem Schaltkreis 24-1 gelangen. Ein

empfangenes Triggersignal schaltet den Transistor 32 leitend, so daß dieser einen Verzögerungskondensator 34 auflädt. Nach, einer Verzögerung von etwa 200 Mikrosekunden wird der Transistor 33 durch den aufgeladenen Kondensator leitend geschaltet, wodurch wiederum der Transistor 35 leitend wird und einen Basistreiberstrom an die Leistungs-Darlington-Sehaltungseinheit 38 anlegt. Die Darlington-Schaltungseinheit 38 liegt in Reihe zwischen der einstellbaren geregelten Spannungsquelle 23-3 und einer, der drei Phasenleitungen W, die den Hotor 25 speisen. Somit wird die Darlington-Schaltungseinheit 38 laufend mit der gewählten frequenz durch das Signal von dem Steuersignal-Generator 22-2 leitend geschaltet und legt die geregelte Spannungsguelle 23-3 (geregelt durch die Energieeinsparungsschaltung 23-2) an die Motorwicklung W. Hört das Triggersignal von dem Steuer-.signal-Generatör 22-2 auf, dann wird der Transistor 32 gesperrt und die Transistoren 36 und 37 werden leitend, so daß sie den Verzögerungskondensator 34 entladen. Hierdurch wird der Transistor 33 ebenfalls gesperrt, um nun nacheinander den Transistor'35 road die Darlington-Schaltung 38 abzuschalten, wodurch der Stromfluß zum Motor über die Leitung W beendet und dieser Schaltkreis für den nächsten Triggerimpuls zurückgestellt wird.

Für die Wechselstromspeisung des Motors ist die Wicklung W dieses Drehstrommotors 25 auch mit einem identischen elektronischen Schaltkreis 24-2 gekoppelt, wie dies !Figuren .1 und 3 zeigen. Der Schaltkreis 24-2 wird zu dem geeigneten Zeitpunkt bzw. zur richtigen Phase jedes Zyklus durch den Steuersignal-Generator 22-2 leitend getriggert, so daß er einen in entgegengesetzter Richtung fließenden Gleichstrom an die Wicklung W des Motors legt. Wie Figur 1 zeigt, sind die elektronischen Schaltkreise 24-1 und 24-2 mit den entgegengesetzten Polen der gleichspannungsgeregeltea Spannungsquelle 23-3 verbunden, so daß sie diesen Energieeinsparungs-

Spannungspegel an die Motorwicklung mit entgegengesetzter Polarität oder Richtung anlegen.

Aus Figur 6 ergibt sich., daß die Signalform D-1, die das an den Schaltkreis 24-1 angelegte Signal veranschaulicht, den Schalter 24-1 zwischen einem !Phasenwinkel von 60 Grad bis 240 Grad der Periode betätigt, während die Signalform D-4 entsprechend dem an den Schaltkreis 24-2 angelegten Signal den Schaltkreis 24-2 zwischen 0 Grad und 60 Grad sowie zwischen 240 Grad und 360 Grad während jeder Wechselstromperiode betätigt. Immer wenn der Schaltkreis 24-1 angeschaltet wird, um Impulse an die Motorwicklung W anzulegen, wird der andere Schalter 24-2 gesperrt und umgekehrt..

Figur 9 veranschaulicht Einzelheiten der bevorzugten Energieeinsparungsschaltung 23-2. Wie aus Figur 1 und Figur 9 ersichtlich, wird ein Büekkopplungssignal proportional zu dem Motorlaststrom über den Widerstand 26 geleitet und dieses Lastsignal wird einem integrierenden Operationsverstärker 41 zugeführt, der dieses Lastsignal verstärkt und integriert. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel variiert das Ausgangssignal des Verstärkers 41 zwischen 0,2 und 1V, wenn sich die Motorlast zwischen Nullast und Vollast bei einer gegebenen Drehzahl ändert.

Dieses Last- oder Rückkopplungssignal wird an einen Feldeffekt-Transistor 43 und einen Operationsverstärker 42 angelegt, die einen Verstärker mit veränderbarer Verstärkung bilden. Ist der Feldeffekt-Transistor 43 in Sperrichtung vorgespannt, d.h. daß er einen sehr hohen Widerstand besitzt, dann ist der Verstärkungsfaktor dieser Schaltung Hull bzw. sehr niedrig und das Last-Eückkopplungssignal wird praktisch von der Schaltung abgetrennt bzw. es trägt sehr wenig zur Funktion der Schaltung bei. Wird andererseits der Widerstand

des S¹ET 4-3 progressiv verringert, dann erhöht sich der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 42 und ein proportional größerer Anteil des Last-Rückkopplungssignals wird angelegt. Der Leitungsgrad des 3?ET 43 wird durch das Drehzahl-Signal, geregelt, das sich über Leitung REi¹ I ergibt und an die Basis des PET.43 angelegt wird, so daß bei ansteigender Drehzahl ein größerer Anteil des Lastsignals an den Rest der Schaltung angelegt wird, was nachstehend noch zu beschreiben ist.

Das Drehzahlsignal über Leitung EEi¹ I wird auch an einen Operationsverstärker 44 angelegt, dessen Ausgangssignal (Drehzahlsignal) mit dem Ausgangssignal (Lastsignal) des Operationsverstärkers 42 kombiniert und an einen kombinierenden Operationsverstärker 45 angelegt wird. Diese Kombination des Drehzahlsignals und des Last-Rückkopplungssignals ■bestimmt den Spannungswert auf EE3? II,der wiederum die Höhe der an dem Motor angelegten Wechselspannungs-Impulse bestimmt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist es erwünscht, daß die Schaltung bei Drehzahlen unter 600 U/min, nicht auf das Last-Eückkopplungssignal sondern nur auf das Drehzahlsignal anspricht. Dies wird mittels der Kombination aus S¹ET 43 und Operationsverstärker 42 erreicht. Bei niedrigen Geschwindigkeiten (unterhalb 600 U/min.) spannt das kleine Drehzahlsignal 3J¹ET 43 in Sperrichtung vor, so daß dieser einen hohen Widerstand besitzt und praktisch nicht leitet, so daß der Verstärkungsfaktor der Kombination aus I¹ET 43 und Operationsverstärker 42 praktisch Null ist. Wird die Drehzahl des Motors jedoch über 600 U/min, erhöht, dann erhöht das Drehzahlsignal den Verstärkungsfaktor der Kombination aus IET 43 und Operationsverstärker 42 progressiv, so daß ein proportional größerer Anteil des Last-Rückkopplungssignals an die Schaltung angelegt wird, um die Motorspannung zu beeinflußen (to boost).

Außer der Regelung des Verstärkungsfaktors des Operationsverstärkers 42 oberhalb 600 U/min, wird auch, der Verstärkungsfaktor des unteren Operationsverstärkers 44, der das Drehzahlsignal überträgt, bei Drehzahlen oberhalb und unterhalb 600 U/min, unterschiedlich bemessen. Ist das Drehzahlsignal EEJ¹ I auf einen Wert angestiegen, der eine Drehzahl 600 U/min, darstellt, dann ist das Ausgangssignal des Verstärkers 44 groß genug, um die Zener-Diode 47 leitend zu schalten, wodurch ein zusätzlicher Rückkopplungsweg für den Operationsverstärker 44 entsteht, so daß sein dann herrschender Verstärkungsfaktor (für Signale höherer Drehzahlen) etwa auf 1 verringert wird.

Somit wird bei Drehzahlen unterhalb 600 U/min, die an den Motor angelegte Ausgangsspannung mit einer ersten geregelten Rate proportional zu der eingestellten Solldrehzahl des Motors (Drehzahlsignal) progressiv erhöht, ohne daß ein Be- ' lastungs-Rückkopplungssignal die Schaltung beeinflußt. Wird jedoch das Drehzahlsignal auf oder über 600 U/min, eingestellt, dann koppelt das erhöhte Drehzahlsignal einen größeren Anteil des Last-Rückkopplungssignals progressiv in die Schaltung ein, wobei es mit dem Drehzahlsignal kombiniert wird und gleichzeitig den Verstärkungsfaktor des Drehzahlsignal-Operationsverstärkers 44 auf den Verstärkungsfaktor 1 reduziert, wodurch die Wirkung des Last-Rückkopp-. lungssignals weiter verringert und der Einfluß des Drehzahlsignals erhöht wird.

Somit beginnt bei niedrigen Motordrehzahlen etwa bei 600 U/min, der I¹ET 43 zu leiten.und führt ein Signal dem Operationsverstärker 42 zu. Der Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers 42 besitzt jedoch einen niedrigen Wert, so daß nur ein geringer Teil des Last-Rückkopplungssignals über die Schaltung angelegt wird, während der Motor von Bullast auf

Vollast belastet wird. Die Frequenz und die Spannung, die an den Motor angelegt werden, entsprechen vorwiegend den durch die Drehzahlregelung eingestellten Werten. Bei der hohen Drehzahl von 1800 U/min, ist der Verstärkungsfaktor der Kombination aus FET 43 und Operationsverstärker 42 hoch und der Anstieg der Motorspannung mit der Erhöhung der Belastung ist ebenfalls groß. Diese Situationen sind .durch die Kurven A und B der Figur 11 veranschaulicht, die den Kurven A und B der Figur 2 entsprechen. Wie Kurve B veranschaulicht, reagiert die Energieeinsparungs-Schaltung auf den erhöhten vom Motor gezogenen Laststrom bei jeder Drehzahl -zwischen 600 und 1800 U/min, derart, daß der Spannungswert der an den Motor angelegten Spannung erhöht wird. Da andererseits der Motor bei jeder Drehzahl weniger Strom zieht,,wenn er unbelastet ist, reduziert die Energieeinsparungs-Schaltung den an den Motor angelegten Spannungspegel.

Figur 4 veranschaulicht Eingangssignalformen von den Treiber-Stufen zu den Motorwicklungen, die zwischen den Motorwicklungen W, E. und B auftreten.

Figur 5 veranschaulicht eine übliche 16:1-5De iler schaltung 22-1 zur Verwendung bei der erfindungsgemäßen Regelanordnung, sowie den durch diesen Frequenzteiler 22-1 gespeisten Steuersignal-Generator .22-2. Die Schaltung gemäß Figur 5 empfängt ein impulsförmiges Ausgangssignal vom Frequenzteiler 22-1 und erzeugt die sechs in ihrer Ehase versetzten Ausgangs- . signale D-1 bis D-6 für die entsprechenden Treiberstufen D-1 bis D-6 gemäß Figur!1. Gemäß Figur 5 werden Impulse vom Frequenzteiler 22-1 an die drei Daten-Flip - Flops 51, 52 und angelegt .An diese Daten-Flip-Flops sind UQDEE-Schaltungen 54· und 55 angeschlossen, so daß Signale an den Dateneingang des Flip-Flops 53 zum geeigneten Zeitpunkt abhängig von dem Zustand verschiedener Ausgänge der Flip-Flops 51, 52 und 53 angelegt \ferden. Die Ausgangssignale der Flip-Flops 51, 52

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und 53 zu unterschiedlichen Zeitpunkten in jeder Periode werden dazu verwendet« die Ausgangstransistoren 61 bis 66 zu steuern, damit diese die Signale D-1 bis D-6 zu unterschiedlichen Zeitpunkten bzw. Phasen erzeugen, wie sie in Figur 6 gezeigt sind.

Es sei zu Beginn angenommen, daß alle Q-Ausgänge der Flip-Flops 51 bis 53 auf niedrigem Pegel liegen, daß der Transistor 61 gesperrt ist, daß der Eingang D des Flip-Flops 51 auf hohem Pegel (+DC) liegt, daß die Transistoren 52 und 53 gesperrt sind und daß die Transistoren 64, 65 und 66 leiten. Der erste Taktimpuls vom Frequenzteiler 22-1 wird an das Flip-Flop 51 angelegt, so daß der (£ dieses Flip-Flops auf seinen niedrigen Wert geht, wodurch der Transistor 66 gesperrt und der Transistor 63 leitend wird. Der zweite Taktimpuls des Frequenzteilers 22-1 kippt das Flip-Flop 52 und sperrt den Transistor 62, wahrend der Transistor 65 leitend wird. Der dritte Taktimpuls kippt das Flip-Flop 53 aufgrund des Zustandes von ^ von Flip-Flop 51 und Flip-Flop 52 und von Q von Flip-Flop 53 an die KÖDER-Schaltungen 54- und 55 gelegt sind, was bewirkt, daß der D-Eingang des Flip-Flops 53 seinen hohen Wert (+) annimmt. Dies wiederum bewirkt, daß der Transistor 64 gesperrt und der Transistor 61 leitend wird. Der vierte Taktimpuls kippt das Flip-Flop 51 (bewirkt, daß dieses Flip-Flop seinen Zustand ändert), so daß der Transistor 63 gesperrt und der Transistor 66 leitend wird. Der sechste ankommende Taktimpuls kippt das Flip-Flop 53» schaltet den Transistor 64 leitend und sperrt den Transistor 61. Diese Folge setzt sich fort und wiederholt sich zur Erzeugung der Ausgangssignale D-1 bis D-6, während Taktimpulse erzeugt und an die Flip-Flops 51 bis 53 angelegt werden.

Figur 7 veranschaulicht den Spannungs/Frequenz-Umsetzer 21, den 2^-Frequenzteiler 21-2 und den 16:1-Frequenzteiler 22-1.

Das Eingangssignal zu dem Spannungs/Frequenz-Umsetzer 21 kommt von dem Drehzahl-Potentiometer 19.

Es sei angemerkt, daß eine übliche Beschleunigungs/Verzögerungs-Regelung zwischen das Potentiometer 19 und den Spannungs/Frequenz-Umsetzer 21 eingefügt werden kann, wie dies allgemein bekannt ist.

Der Spannungs/Frequenz-Umsetzer 21 kann ein bekannter integrierter Chip sein, beispielsweise VFC 32 der -Firma Burr Brown Co., Tucson, Arizona, USA, der bei maximaler Motordrehzahl ein Signal mit 11.520 Hz. und bei niedrigeren Frequenzen Signale proportional zu der Gleichspannung am Potentiometer 19 erzeugt. Dieses Signal wird durch den Faktor 2 durch ein D-Flip-Flop 21-2 geteilt, das in beiden Kanälen 22 und 23 vorgesehen ist._Das Signal im Kanal 22 wird ferner durch den Faktor 16 mittels eines Frequenzteilers geteilt, der aus vier Data-Flip-Flops besteht, die vrie bei 22-1 verbunden sind und 360 Hz-Rechtecksignale bei einer Einstellung des Potentiometers 19 auf maximale Motordrehzahl erzeugen.

Figur 8 veranschaulicht eine Frequenz/Spannungs-Umsetzerschaltung 23-1 zum Anschluß an die Energieeinsparungs-Regelungsschaltung 23-2. Die Frequenz/Spannungs-Umsetzerschaltung besitzt einen üblichen IED-Isolator 70 wie er beispielsweise bei 31 in Figur 3 gezeigt ist, dessen Ausgang mit einem Frequenz/Spannungs-Umsetzer 71 verbunden ist, der die Form eines Chips etwa eines Burr Brown VFC-32 besitzt mit einer Beschaltung*wie sie aus Figur 8 ersichtlich ist-r Die Ausgangsspannung dieser Schaltung liegt zwischen 0 und +10 V-Gleichspannung und wird an die Energieeinsparungs-Regelschaltung 23-2 angelegt, wie dies Figur 1 zeigt.

Aus Figur 10 ergibt sich die geregelte Gleichspannungsquelle

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23-3. Hierbei bezeichnet das Bezugsζeichen 80 den Gleichspannungs-Versorungsteil, während mit 90 der Regelteil hierfür bezeichnet ist, der auf das Signal EEF II der Energieeinsparungs-Regelschaltung 23-2 anspricht.

Der Stromversorgungsteil 80 besitzt Eingangsklemmen 80-1, an die eine 460 V-Wechselspannungsquelle angeschlossen sind. Die Wechselspannung wird an die aus den Dioden 80-2 und 80-3 und den gesteuerten Silicium-Gleichrichtern .80-4- und 80-5 (SCR) bestehende Gleichrichterbrücke angelegt. Eine freilaufende Diode ist mit 80-6 bezeichnet, über die ein Rückschlagstrom durch die Drossel 80-15 aufrecht erhalten wird. Die Größe der Ausgangs-Gleichspannung die von dieser Schaltung an den Motor gelegt wird, ist geregelt in Einklang mit der Ehase der SCR-Zündsignale, die von dem Regelschaltungsteil 90 über die Strombegrenzungs-Widerstände -80-13 und 80-14-angelegt werden. Die SCR-Regelsignale bestimmen den Zeitpunkt der Durchschaltung der gesteuerten Silicium-Gleichrichter während jeder Wechselspannungsperiode, wenn der Silicium-Gleichrichter in Yorwärtsrichtung vorgespannt ist. Die Ausgangs-Gleichspannung wird über die gezeigten Filter-Kondensatoren 80-16 und 80-17 abgegeben.

Es wird nun auf den Regelschaltungsteil 90 Bezug genommen. Für den Anfangszustand sei angenommen, daß das Ausgangssignal des Regel-Operationsverstärkers 90-2 0 Volt besitzt. Der Basisstrom des Transistors 90-9 wird durch den Widerstand 90-7 derart beeinflußt, daß der Kondensator 90-18 mit einem konstanten Strom geladen wird. Über dem Kondensator 90-18 ist ein Transistor 90-19 geschaltet, der beim Null-Durchgang der Leitungsspannung jedesmal für 500 Hikrosekunden leitend geschaltet wird. Der Hull-Spannungsdurchgang wird mittels einer Null-Durchgang-Detektorschaltung 91 festgestellt, die aus einer ungefilterten negativen Doppelweg-Stromversorgung

besteht und den Transistor 90-19 leitend schaltet. Dies bewirkt, daß der Kondensator 90-18 entladen wird, so daß sich nach jedem Null-Durchgang eine bestimmte Zeitkonstante ergibt.

Der Kondensator 90-18 wird aufgeladen, bis die Spannung Vp des Unijunktions-Transistors 90-13 erreicht wird, so daß dieser leitend geschaltet wird. Dies bewirkt,· daß auch der Transistor 90-15 leitend wird, so daß dessen Ausgangssignal einen niedrigen Wert annimmt und den Transistor 90-10 leitend schaltet. Dieser sendet einen positiven Gate-Impuls an die gesteuerten Silicium-Gleichrichter 80-4 und 80-5· Beim Ansteigen der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 90-2 (wenn diese negativer wird) steigt auch der Strom durch . den Transistor 90-9 an und bewirkt, daß der Kondensator 90-18 sich rascher auflädt, so daß die gesteuerten Silicium-GleiGhrichter im Gleichspannungs-Versorgungsteil 80 früher in jeder Periode zünden, was eine Erhöhung der Ausgangs-Gleichspannung zum Motor bedeutet.

Wenn der Wert der Spannung EEF II von der Energieeinsparungsschaltung progressiv positiver wird (d.h. das Ausgangssignal der Regelungsschaltung 23-2, wenn die Drehzahlregelung 19 für eine Erhöhung der Arbeitsdrehzahl eingestellt wird), dann wird eine positivere Spannung an den Eingang des Operationsverstärkers 90-2 angelegt. VJenn die Diode 90-16· infolge eines ausreichenden Anstiegs der Spannung EEF II leitend wird, dann beginnt der Operationsverstärker 90-2 ein negatives Ausgangssignal abzugeben, das bewirkt, daß der Transistor 90-9 leitend wird, so daß die Erzeugung von SCR-Steuersignalen erfolgt.

Beim Erhöhen der Spannung REF II wird eine negative Rückkopplungs-Spannung über die Zener-Diode 92 mit der positiven

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Spannung EEF II summiert, so daß das Signal am Ausgang von 90-2 weniger negativ wird.

Gleichzeitig wirken die Widerstände 9-20 (Einstellungs-Potentiometer) und 9-21 in "Verbindung mit Diode 9-16 als eine Booster-Schaltung, die es ermöglicht, daß der Motor 25 ein größeres Abreißdrehmoment erzeugen kann, als es normalerweise unterhalb einer Drehzahl von 600 U/min, möglich wäre.

Über dem Operationsverstärker 90-2 liegt ein■ Kückkopplungs-Transistor 90-3 sowie ein Filter-Kondensator 90-4 und eine Umkehr-Spannungs-Diode 90-5. Ein Widerstand 90-6 und ein Thexmistor T wirken als thermischer Basisstromausgleich für den Transistor 90-9.

Der Widerstand 90-7 wiiktals Basisklemmschaltungs-Widerstand für den Transistor 90-9 und der Widerstand 90-8 ist ein Emitterstrom-Begrenzungswiderstand. Ein Widerstand 90-11 ist ein Basisklemmschaltungs-Widerstand für den Transistor 90-10 und der Widerstand 90-12 begrenzt den Basisstrom zum Transistor 90-10. Ein Potentiometer 90-17 dient zur Volt-Hertz-Eins tellungsmit der die Größe der negativen Rückkopplung geregelt wird, wodurch eine Einstellung der Ausgangsspannung bei einer gegebenen Frequenz erfolgt.

Wird im Betrieb das Drehzahl-Potentiometer 19 (Figur 1) auf einen Anstieg der Motordrehzahl eingestellt, dann gibt die Energieeinsparungs-Regelschaltung 2J-2 das Drehzahlsignal in Form einer positiven Spannung EEF II am Ausgang ab, welches letztlich die Brücke 80 mit den gesteuerten SiIicium-Gleichrichtern erzeugte Spannung regelt. Da die Spannung EEF II (Drehzahlsignal) weiter (über 0) ansteigt, leitet die Diode 90-16₃was wiederum die Aktivierung des

-²²- -22- . . ·

Operationsverstärkers 90-2 nach sich zieht. Bevor die Diode 90-16 leitet, liegt bereits eine positive Spannung an dem +-Eingang des Operationsverstärkers 90-2, wodurch der Ausgang positiv und die Diode 90-5 in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird, so daß der Ausgang des Operationsverstärkers 90-2 auf etwa + 0,6 V zwangsläufig gehalten wird. Die Größe der Bezugsspannung EEF II, die ein Leiten der Diode. 90-16 nach sich zieht, kann mittels des Potentiometers 90-20 eingestellt werden, wodurch die Größe des Versetzungssignals am Operationsverstärker 90-2 eingestellt wird.

Im Prinzip erlaub das verstellbare Potentiometer 90-20, daß vom Operationsverstärker 90-2 eine Ausgangsspannung früher erzeugt wird, als bei einer manuellen Einstellung der Drehzahlregelung 19. Wenn die Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers 90-2 negativer wird, erfolgt ein Anlegen von Signalen an die gesteuerten Silicium-Gleiehrichter des Spannungsversorgungsteils 80, wodurch eine negative Gleichspannung erzeugt wird. Diese wird zum Eingang des Operationsverstärkers 90-2 zurückgeführt und mit der Spannung HEF II summiert. Die Summenspannung wiederum regelt die Signale der gesteuerten Silicium-Gleichrichter der Schaltung 80. Wird eine geringere Spannung von der' Energieeinsparungs-Eegeschaltung 23-3 infolge eines niedrigen Stromes im Widerstand 26 abgegeben, der bei niedriger Motorlast festgestellt wird, dann verringert sich EEF II und es wird auch die Ausgangsspannung verringert, während die gesteuerten Silicium-Gleichrichter innerhalb der Wechselspannungs-Periode später zünden, sofern sie in Vorwärtsrichtung vorgespannt sind. Andererseits befindet sich die Ausgangsspannung EEF II bei voller Motorlast auf einem Maximum, so daß eine frühere Zündung in der Wechselspannungs-Periode erzielt wird.

Claims (16)

1. 3112*36
2. PATENTANWALTS
3. Α.- SRÜNECKER
4. DtPL-ING
5. H. KINKEUDEY
6. ΟΛ-INQ
7. W. STOCKMAIR K. SCHUMANN
8. DRRERKAT Drt_-PHYS
9. P. H. JAKOB
10. DIPL-ING.
11. G. BEZOLD
12. CRBERIU»T CW.-CW&1
13. Zero-Max Industries, Incorporated
    284-5 Harriett Avenue, South
    Minneapolis, MN" 55408,
    U.S.A.
14. 8 MÜNCHEN
15. MAXIMILIANSTRASSE
16. 16.03.81 P 16 007-57/tf

    Energiesparende Motordrehzahl-Regelanordnung

    Patentansprüche

    hzahl-Regelanordnung für einen Wechselstrommotor mit einer Einrichtung zum Erzeugen einer veränderbaren Frequenz proportional zu der Motorsolldrehzahl und zum Erzeugen eines veränderbaren zur Motorsolldrehzahl proportionalen Signals, gekennzeichnet durch , eine Einrichtung (23-2) zum Erzeugen eines veränderbaren zu der vom Motor getriebenen Last proportionalen Signals und durch eine Schaltung (24·), die sowohl auf das Drehzahlsignal als auch das Lastsignal anspricht, um die an den Motor (25) angelegte Spannung über einen vorgegebenen Drehzahlbereich auf einem Minimum zu halten.

    2. Regelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine auf das Drehzahlsignal anspre-

    (öse) aaaeea

    TELEX OB-3SS8O

    TELEGRAMME MONAPAT

    TELEKOPIHRFO

    chende Vorrichtung zur Abschaltung des Lastsignals vorgesehen ist, wenn der Motor in einem gegebenen Drehzahlbereich arbeitet, sowie zum Anlegen des Lastsignals bei Motordrehzahlen in einem anderen Drehzahlbereich.

    3; Regelanordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die auf das Regelsignal zur einstellbaren Regelung des Anteils des an die Regelanordnung bei unterschiedlichen Drehzahlbereichen angelegten Lastsignals.

    4. Regelanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die auf das Drehzahlsignal zur Abschaltung des Lastsignals über einen ersten Drehzahlbereich und zur EinsciialtstsDiDqgdes an die Regelanordnung angelegten Lastsignals über einen zweiten Drehzahlbereich anspricht.

    5. Regelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die auf das Drehzahlsignal zur automatischen Einstellung des Anteils des an. die Regelanordnung angelegten Drehzahlsignals über einen ersten Drehzahlbereich anspricht, welcher Anteil sich unterscheidet von demjenigen Anteil, der an die Regelanordnung über einen zweiten Drehzahlbereich angelegt wird.

    6. Regelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine auf die Motordrehzahl ansprechende Einrichtung zur Einstellung des Anteils des an die Regelanordnung bei unterschiedlichen Drehzahlbereichen angelegten Lastsignals und zum Einstellen des Anteils des bei unterschiedlichen Drehzahlbereichen an die Regelanordnung angelegten.Drehzahlsignals.

    7. Regelanordnung für die veränderbare Drehzahl eines Wechselstrommotors, gekennzeichnet durch eine einstellbare Einrichtung zum Erzeugen einer anderen !"requenz zum Antrieb des Motors mit jeder anderen Drehzahl»einer zweiten Einrichtung, die auf die Drehzahlregelung zur gemeinsamen Einstellung des Pegels der an den Motor angelegten Wechselspannung bei jeder unterschiedlichen Drehzahl und durch eine energiesparende Schaltung, die auf die vom Motor getriebene Last zur Reduzierung der an den Motor angelegten Wechselspannung abhängig von der durch den Motor getriebenen Last ansprechen.

    8. Regelanordnung nach Anspruch 7> gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die auf die Motordrehzahl in einem niedrigeren Drehzahlbereich zur Abschaltung der energiesparenden Schaltung und in einem höheren Drehzahlbereich zur proportionalen Reduzierung der Wirkung der energiesparenden Schaltung anspricht.

    9· Regelanordnung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die auf die Motordrehzahl in dem höheren Drehzahlbereich zur Änderung des Anteils der Einstellung durch die zweite Einrichtung anspricht.

    10. Regelanordnung nach Anspruch 7, dadurch g e k e. η η ^ zeichnet, daß die energiesparende Schaltung automatisch in einem Drehzahlbereich von Ruhestellung bis zu einer ersten niedrigen Drehzahl abgeschaltet und für Drehzahlen, die die erste niedrige Drehzahl überschreiten progressiv eingeschaltet wird.·