DE3116047C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Leistungs-Steuerschaltung für einen Induktionsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem Induktionsmotor führt eine Verringerung der dem Motor zugeführten Spannung bei geringer Belastung des Motors und eine Erhöhung der dem Motor zugeführten Spannung bei großer Belastung des Motors gegenüber einem Betrieb mit konstanter Speisespannung zu einer Verringerung der durch den Motor verbrauchten Energie. Die Änderung der der Motorwicklung zugeführten Spannung, abhängig von der Größe der durch den Motor angetriebenen Last kann somit einen wesentlichen Beitrag zur Energieeinsparung leisten.

Aus der DE-OS 27 30 744 A1 (US-PS 40 52 648) ist bereits eine Leistungsfaktor-Steuereinrichtung für Wechselstrom-Induktionsmotoren bekannt, die auch ein Spannungsstellglied zum Steuern der der Motorwicklung des Induktionsmotors zugeführten Eingangsspannung aufweist, um den Phasenwinkel auf einen bestimmten Wert zu halten. Diese bekannte Leistungsfaktor-Steuereinrichtung weist die folgenden Merkmale auf:

• a) Mit jeder Phasenwicklung des Motors ist eine Strommeßeinrichtung verbunden, die ein Wechselstrom-Ausgangssignal abgibt, das mit dem durch die Wicklung fließenden Strom in Phase ist;
• b) eine Spannungsmeßeinrichtung erfaßt die Spannung, die der Wicklung zugeführt wird, und gibt ein mit der an der Wicklung liegenden Spannung in Phase liegendes Ausgangssignal ab;
• c) eine Phasendetektoreinrichtung erzeugt abhängig von den Ausgängen der Strom- und Spannungsmeßeinrichtung ein Ausgangssignal, das sich entsprechend der Phasendifferenz zwischen den Strom- und Spannungsmeßsignalen ändert; wobei die Phasendifferenz aus dem Nulldurchgang der Spannung an der Motorwicklung und dem nachfolgenden Nulldurchgang des Stromes bestimmt ist;
• d) mit jeder Motorwicklung liegt eine Steuereinrichtung in Reihe, die abhängig vom Ausgangssignal der Phasendetektorschaltung die Dauer der Einschaltzeit eines jeden Eingangsleistungszyklus zur Motorwicklung in umgekehrtem Verhältnis zur Phasendifferenz zwischen den gemessenen Strom- und Spannungswerten ändert, wodurch ein Ansteigen der Differenz zwischen der Größe der Spannung und der Größe der Belastung am Motor durch eine Herabsetzung der dem Motor zugeführten Energie kompensiert wird, wodurch sein Gesamt-Wirkungsgrad verbessert wird.

Die Leistungsfaktor-Steuerschaltung nach der DE-OS 27 30 774 A1 (US-PS 40 52 648) erzeugt, wie oben dargelegt, eine umgekehrt proportionale Abhängigkeit der Phasendifferenz zwischen dem durch jede Phasenwicklung eines Wechselstrom- Induktionsmotors fließenden Strom und der der Wicklung zugeführten Eingangsspannung zum Steuern der Leitungsdauer eines jeden Zyklus. Anders ausgedrückt, durch die Bestimmung der Phasendifferenz wird die Stromleitungsdauer umgekehrt proportional gesteuert.

Die Phasendifferenz zwischen dem in der Wicklung eines Induktionsmotors fließenden Strom und der an der Wicklung liegenden Eingangsspannung wird sowohl durch die Größe der Eingangsspannung als auch durch die Belastung des Motors beeinflußt.

Es ist dadurch möglich, daß trotz einer Veränderung der Größe der Eingangsspannung und der Motorbelastung die Phasendifferenz erhalten bleibt. Wie aus der Literaturstelle Heumann- Stumpe: "Thyristoren", Teubner, Stuttgart 1969, Seiten 71 bis 77 bekannt ist, weichen bei einem derartigen Steuerungssystem jedoch eingestellter und Grundschwingungswinkel voneinander ab. Daraus ergibt sich, daß nach dem bisher durchgeführten Verfahren, bei welchem die Stromführungsperiode umgekehrt proportional zur Phasendifferenz geregelt wird, der Wirkungsgrad des Motorbetriebs nicht immer maximiert wird.

Aus "Grundlagen der Allgemeinen Elektrotechnik, Sammlung Göschen, Band 196/196a, 1961, Seiten 103 bis 110" ist es entnehmbar, auf der Grundlage einer sinusförmigen Wechselstromquelle den Phasenwinkel aus dem Verhältnis zwischen zugeführter und rückfließender Leistung zu bestimmen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Leistungs-Steuerschaltung für einen Induktionsmotor der angegebenen Gattung hinsichtlich der Maximierung des Wirkungsgrades des Induktionsmotors zu verbessern, wobei die Dauer der Einschaltzeit der Motorwicklung durch das Spannungsstellglied veränderbar sein soll und somit der Strom auch nicht mehr nur eine Grundschwingung aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Die Erfindung basiert also auf der Erkenntnis, daß ein derartiges Steuerungssystem dadurch verbessert werden kann, daß das Verhältnis zwischen zugeführter und rückfließender Leistung auf einem bestimmten Wert gehalten wird.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 3.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert, wobei im folgenden unter Spannungsregler ein Spannungsstellglied zu verstehen ist. Es zeigt

Fig. 1 das Blockschaltbild einer Ausführungsform mit Merkmalen nach der Erfindung und

Fig. 2A bis 7 Schaltungen von Ausführungsbeispielen der einzelnen Blockelemente der Fig. 1.

In Fig. 1 ist eine Wechselspannungsquelle 1 gezeigt, die einen Induktionsmotor 2 über eine Leistungs-Steuerschaltung 3 speist. Eine Schaltung 11 erfaßt die an der Wicklung des Motors liegende Eingangsspannung, eine Schaltung 12 den durch die Motorwicklung fließenden Strom, und die Ausgangsgrößen dieser Spannungs- und Strom-Detektorschaltungen werden einer Schaltung 13 zugeführt, die sowohl die Zuführleistung (ein positiver Leistungswert als Produkt der Augenblickswerte von Strom und Spannung) von der Wechselspannungsquelle 1 zum Motor 2 als auch die rückfließende Leistung (eine negative Leistung als Produkt der Augenblickswerte von Spannung und Strom) vom Motor zur Wechselspannungsquelle ermittelt. Diese Ausgangswerte der zugeführten und der rückfließenden Leistung werden einer Rechnereinheit 17 zugeleitet, die das Verhältnis zwischen Zuführleistung geführter und rückfließender Leistung bestimmt. Die Ausgangsgröße von der Rechnereinheit wird einem Spannungsregler 19 über eine Klemmschaltung 18 eingegeben, die verhindert, daß die Ausgangsgröße von der Rechnereinheit unter einen Minimalwert absinkt. Der Spannungsregler steuert die Spannung der Wechselspannungsquelle 1 und führt diese Spannung der Wicklung des Induktionsmotors 2 zu, um die gewünschte Beziehung zwischen der Zuführleistung und der rückfließenden Leistung aufrechtzuerhalten, wie sie durch die Rechnereinheit 17 vorbestimmt wird. Eine Spannungsquelle 20 liefert die Betriebsspannungen für die Schaltkreis-Komponenten 11-13 und 17-19.

Der Spannungsdetektor 11, der in Fig. 2A gezeigt ist, verwendet einen Transformator 21. Die Klemmen 22 und 23 sind mit der Wicklung des Induktionsmotors verbunden, Klemme 24 ist an eine gemeinsame Leitung der Spannungsquelle 20 und Klemme 25 an den Detektorausgang angeschlossen. Fig. 2B zeigt einen anders aufgebauten Spannungsdetektor 11 in Gestalt eines Spannungsteilers mit Reihenwiderständen 26 und 27. Die Klemmen 22 bis 25 sind in derselben Weise angeschlossen wie diejenigen der Schaltung nach Fig. 2A.

Der in Fig. 3A gezeigte Stromdetektor 12 enthält eine Stromwandlerspule 28, die um einen mit der Klemme 22 der Induktionsmotorwicklung verbundenen Leiter gewickelt ist. Die Klemme 221 des Leiters 29 ist an den Spannungsregler 19 gelegt, und am Querwiderstand 281 wird eine Spannung erzeugt, die dem durch die Spule 28 fließenden Strom proportional ist. Die Klemme 24 ist mit der gemeinsamen Leitung der Spannungsquelle 20 verbunden, während Klemme 30 den Detektorausgang darstellt. Fig. 3B zeigt eine andere Ausführungsform des Stromwandlers 12 mit einem einfachen Reihenwiderstand (Shunt) 31. Der Spannungsabfall daran ist dem durchfließenden Strom proportional, und die Klemmen 24, 30 und 221 sind in derselben Weise angeschlossen wie bei Fig. 3A.

Die Leistungsdetektorschaltung 13 gemäß Fig. 4A weist eine Klemme 25 auf, die mit dem Spannungsdetektor 11 verbunden ist, und eine mit dem Stromdetektor 12 verbundene Klemme 30. Ein Analogmultiplikator 32 multipliziert die Ausgangsgrößen der Detektoren 12 und 13. Ein Gleichrichter 33 läßt nur den positiven Ausgang des Multiplikators, ein Gleichrichter 34 nur den negativen Ausgang hindurchtreten. Der Ausgangswert des Gleichrichters 33 wird über ein aus einem Widerstand 35 und einem Kondensator 36 bestehendes Filter einer Ausgangsklemme 37 geführt, die somit den integrierten Mittelwert des positiven Produktes aus Strom und Spannung und somit die Zuführleistung anzeigt. In gleicher Weise wird die Ausgangsgröße des Gleichrichters 34 über ein aus einem Widerstand 38 und einem Kondensator 39 bestehendes Filter und einen Analogwandler 401 der Ausgangsklemme 40 zugeleitet, die den integrierten Mittelwert des negativen Produktes aus Spannung und Strom führt und somit die rückfließende Leistung anzeigt. Durch die Widerstände 331 und 341 ist der Multiplikator 32 gegen Kurzschluß geschützt, der bei Fehlern der Gleichrichter 33 und 34 auftreten könnte.

Fig. 4B zeigt eine andere Ausführungsform der Leistungs-Detektorschaltung 13, bei welcher die Klemmen 25, 30, 37 und 40 denen der Schaltung nach Fig. 4A gleich sind. Die Ausgangsleitung 411 des Komparators 41 führt ein H-Signal, wenn die Klemme 25 positiv ist, und ein L-Signal, wenn sie negativ ist. Auf der Ausgangsleitung 421 des Komparators 42 erscheint ein H-Signal, wenn die Klemme 30 positiv ist, und ein L-Signal, wenn sie negativ ist. Auf der Ausgangsleitung 422 ist es umgekehrt. Das UND-Glied 43 erzeugt auf der Leitung 431 ein H-Signal, wenn die Klemmen 25 und 30 beide positiv sind, andernfalls ein L-Signal. In gleicher Weise erscheint auf der Leitung 441 aufgrund des UND-Gliedes 44 ein H-Signal, wenn beide Eingangsklemmen negativ sind, und andernfalls ein L-Signal, und durch das UND-Glied 45 wird ein H-Signal auf der Ausgangsleitung 451 hervorgebracht, wenn die Klemme 25 negativ und die Klemme 30 positiv sind, andernfalls ein L-Signal, und schließlich tritt durch das UND-Glied 46 ein H-Signal auf der Ausgangsleitung 461 auf, wenn die Klemme 25 positiv und die Klemme 30 negativ sind, andernfalls ein L-Signal. Ein ODER- Glied 47 erhält Signale auf den Leitungen 431 und 441, und ihr logischer Summenausgang wird durch ein Filter aus Widerstand 49 und Kondensator 50 gemittelt und einer Ausgangsklemme 37 zugeleitet. In gleicher Weise erhält ein ODER-Glied 48 die Signale auf den Leitungen 451 und 461 und erzeugt ein logisches Summenausgangssignal, das durch ein Filter aus Widerstand 51 und Kondensator 52 gemittelt und der Klemme 40 zugeleitet wird.

Die Leistungs-Detektorschaltung der Fig. 4B ist billiger als die nach Fig. 4A, da ihre Bauteile hauptsächlich digitaler Natur sind, jedoch ist der Ausgangswert erwartungsgemäß nicht so genau wie der, der durch die Analog-Ausführung nach Fig. 4A gewonnen wird.

Die in Fig. 5 gezeigte Berechnungseinheit 17 erhält von den Klemmen 37 und 40 der Leistungs-Detektorschaltung den Zuführleistungswert und den rückfließenden Leistungswert und enthält einen Analogwandler 601, einen Operationsverstärker 69, Widerstände 70, 71 und einen Kondensator 72. Der Ausgangswert der Rechnereinheit an der Klemme 73 wird dem Spannungsregler 19 über die Klemmschaltung 18 zugeführt, um auf diese Weise die der Induktionsmotorwicklung zugeführte Spannung richtig zu steuern. Der durch die Motorwicklung fließende Strom wie auch die Scheinleistung und die Wirkleistung werden somit konstant angepaßt, um der Rechnereinheit Eingangswerte zuzuführen, die der unten aufgeführten Bedingung genügen.

Nimmt man an, daß die an der Klemme 37 auftretende Spannung V _{p 1} ist, die Spannung an der Klemme 40 den V _{p 2} hat und Widerstand 70 den Wert R _{p 1} sowie Widerstand 71 den Wert R _{p 2} haben, dann wird von der Rechnereinheit folgende Beziehung eingehalten:

Diese läßt sich umformen in

was verdeutlicht, daß das Verhältnis der Zuführleistung V _{p 2} zur rückfließenden Leistung V _{p 1} ein fester Wert ist, der durch das Verhältnis von R _{p 2} (Widerstand 71) zu R _{p 1} (Widerstand 70) vorgegeben ist.

Das Verhältnis der Zuführleistung zur rückfließenden Leistung tendiert zu Abnahme, wenn die Belastung am Motor geringer wird, sofern die Eingangsspannung an der Motorwicklung konstant ist, und tendiert in gleicher Weise zur Abnahme, wenn die vom Motor abgegebene Leistung konstant bleibt und die Eingangsspannung steigt. Wenn also die Motorbelastung abnimmt oder die Eingangsspannung erhöht wird, so daß das Verhältnis V _{p 2} zu V _{p 1} kleiner als das Verhältnis R _{p 2} zu R _{p 1} zu werden trachtet, dann wirkt die Rechnereinheit 17 so, daß die Eingangsspannung herabgesetzt wird. Hierdurch steigt das Verhältnis V _{p 2} zu V _{p 1}, was wunschgemäß zu einem festen Wert dieses Verhältnisses entsprechend dem durch die Widerstände 70 und 71 vorgegebenen Verhältniswert führt. In der Schaltung der Fig. 5 führt eine Verringerung der Eingangsspannung zu einer entsprechenden Verringerung des Ausgangswertes an der Klemme 73, der sich dem Wert 0 annähern kann. Dies könnte es schwierig oder gar unmöglich machen, den Induktionsmotor 2 anlaufen zu lassen, was von seiner Bauart und seinen Kennwerten abhängt, wenn die Eingangsspannung herabgesetzt wird, während das Verhältnis von Wirkleistung zu Scheinleistung auf einem festen Wert gehalten wird. Um dies zu vermeiden, ist der Wert der Spannung an der Klemme 73 angeklemmt, d. h., es wird verhindert, daß er unter einen unteren Grenzwert absinkt.

Die Klemmschaltung, die in Fig. 6 gezeigt ist, erhält das Ausgangssignal von der Rechnereinheit 17 an ihrer Klemme 73 und enthält einen Festwiderstand 74, einen stellbaren Widerstand 75 und einen Gleichrichter 76. Ihre Klemme 77 ist an einen positiven Ausgang der Spannungsquelle 20 angeschlossen. Wenn die Spannung an der Ausgangsklemme 731 unter diejenige am Abgriff des Widerstands 75 abfällt, wird der Gleichrichter 76 leitend und klemmt somit die Ausgangsspannung an der Klemme 731 an einen festen Wert an.

Die Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform des Spannungsreglers 19, dessen Eingangsklemmen 83, 84 an der Wechselspannungsquelle 1 liegen, während die eine der Ausgangsklemmen 221 mit dem Stromdetektor 12 verbunden ist. Die andere Ausgangsklemme 23 ist mit einem Ende der Induktionsmotorwicklung und dem Spannungsdetektor 11 verbunden.

Ein Phasenschieber 85 wirkt entsprechend dem Eingangsspannungspegel an der Klemme 731 und steuert den Leitungszustand eines Triac 86, der in Reihe in einer der Induktionsmotorzuführleitungen liegt.

Die Spannungsquelle 20 ist in ihren Einzelheiten nicht beschrieben, da sie ganz üblich ausgebildet sein kann.

Wenngleich das beschriebene Ausführungsbeispiel sich mit der Speisung eines einphasigen Induktionsmotors befaßt, ist die erfindungsgemäße Lehre auch für Dreiphasen-Induktionsmotoren zu verwenden, wobei dann drei Steuerschaltungen gemäß Fig. 1 vorhanden sind, die sämtlich zwischen die Wechselspannungsquelle und die drei Phasen der Motorwicklung eingeschaltet sind.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird das Verhältnis von Zuführleistung zur rückfließenden Leistung durch Festwiderstände gebildet, doch kann auch ein variables Verhältnis mit Hilfe eines geeigneten Mustersteuer-Netzwerks oder eines spannungsvariablen Widerstands verwendet werden.

Gemäß der Erfindung wird ein Induktionsmotor in seiner Betriebsweise so gesteuert, daß das Verhältnis von Zuführleistung zu rückfließender Leistung ein fester Wert ist, der trotz Veränderungen der anliegenden Spannung und/oder der Motorbelastung auf einem optimalen Wert gehalten wird, wodurch die Verluste im Motor so klein wie möglich sind und sich erhebliche Leistungseinsparungen ergeben. Wenn der Induktionsmotor bei geringer Last betrieben wird, dann wird die der Motorwicklung zugeführte Eingangsspannung verringert, wodurch unerwünschte Vibrationen klein gehalten werden können.

Claims (3)

1. Leistungs-Steuerschaltung für einen Induktionsmotor mit einer Wechselspannungsquelle und einem Spannungsstellglied, durch das die Einschaltzeit der Motorwicklung während jeder halben Periode der Wechselspannung veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Wechselspannungsquelle (1) und dem Induktionsmotor (2) Schaltkreiselemente (3) eingefügt sind zum Ermitteln der Zuführleistung und der rückfließenden Leistung, wobei die Einschaltzeit derart gesteuert wird, daß das Verhältnis zwischen Zuführleistung und rückfließender Leistung auf einem bestimmten Wert bleibt.

2. Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zum Feststellen der durchschnittlichen Zuführleistung, wenn das Produkt des Augenblickswertes der an den Wicklungen des Induktionsmotors anliegenden Spannung mit dem Augenblickswert des durch die Wicklungen fließenden Stroms positiv ist, und zum Feststellen der durchschnittlichen rückfließenden Leistung, wenn das Produkt negativ ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführleistung und die rückgespeiste Leistung von zeitlichen Mittelwerten des logischen Produktes eines Digitalsignals bestimmt wird, das die Polarität der der Wicklung des Induktionsmotors zugeführten Spannung wiedergibt, mit einem Digitalsignal, das die Polarität des durch die Wicklung fließenden Stroms wiedergibt.