DE3134002C2 - Vorrichtung zur Steuerung der Drehzahl eines Induktionsmotors - Google Patents

Vorrichtung zur Steuerung der Drehzahl eines Induktionsmotors

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Abstract

Verfahren und Vorrichtung zum Steuern der Drehzahl eines durch eine Wechselstromquelle gespeisten Wechselstrommotors mittels eines Frequenzwandlers, wobei ein auf die Eingangsspannung und den Eingangsstrom ansprechender Be grenzer vorgesehen ist, der die Primärfrequenz mit einer Geschwindigkeit absenkt, die größer ist als die Abnahmegeschwindigkeit der Drehzahl des Motors bei kurzzeitiger Unterbrechung der Stromzuführung durch die Stromquelle und der den Motor unter Begrenzung des Primärstroms auf einen vorgegebenen Wert und unter Beibehaltung eines vorgegebenen Verhältnisses zwischen Primärfrequenz und Primärstrom wieder beschleunigt. Demgegenüber war es bei den bekannten Systemen unter bestimmten Bedingungen nicht möglich, den Motor nach Wiederherstellung der Quellenspannung mit einem genügend großen Drehmoment wieder anlaufen zu las sen, was jedoch mit der Erfindung möglich ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung der Drehzahl eines von einer Wechselstromquelle über einen Umrichter mit Spannungen variabler Frequenz und hierzu etwa proportionale Amplitude gespeisten Induktionsmotors ( Asynchronmotors) gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche Vorrichtung ist aus der DE-OS 26 40 622 bekannt.
  • Bei dieser bekannten Vorrichtung wird bei einer kurzzeitigen Unterbrechung des von der Wechselstromquelle zugeführten Stromes die Frequenz mit einer Geschwindigkeit abgesenkt, die größer ist als die Abnahmegeschwindigkeit der Drehzahl des Induktionsmotors. Eine Strombegrenzung ist bei dieser Vorrichtung nicht vorgesehen. Wenn die Frequenzsteuergröße während der Zeitspanne der Stromunterbrechung mindestens dem Abfall der Motordrehzahl entsprechend vermindert wird, so kann der Motor kippen, sodaß sich entweder ein unzulässig hoher Strom oder - bei entsprechender Strombegrenzung - ein für den Hochlauf zu geringes Drehmoment ergibt. Weil die Änderungsgröße von der Länge des jeweiligen Unterbrechungsintervalls T c und der Belastung des Induktionsmotors stark abhängt, ist es deshalb erforderlich, daß man die Frequenz mit einer wesentlich größeren Geschwindigkeit absenkt als eigentlich nötig. Dann dauert es aber lange, bis die normale Drehzahl wieder erreicht ist, so daß unter Umständen beim Wiederhochlaufen die Ströme im Umrichter zu groß werden können, wenn die Frequenzsteuergröße zu groß ist.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorausgesetzte, bekannte Vorrichtung derart weiter auszubilden, daß die Antriebseinrichtung gegen Überströme geschützt ist und daß stets ein sicherer Hochlauf nach einer kurzzeitigen Stromunterbrechung gewährleistet ist, auch wenn der Abfall der Frequenzsteuergröße möglichst klein gehalten wird. Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Kennzeichens des Patentanspruchs 1.
  • Aus den technischen Mitteilungen AEG-Telefunken, 1979, Seite 194, war es zwar an sich bei Umrichterantrieben bereits bekannt, Hochlaufbegrenzer einzusetzen und diese Antriebe mit Spannungsregelung mit unterlagerter Stromregelung einschließlich Strombegrenzung zu betreiben. Eine Strombegrenzung mit zwei Strombegrenzungsregelungen gemäß vorliegender Erfindung jedoch ist dieser Vorveröffentlichung nicht entnehmbar. In der Zeichnung zeigt
  • Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung nach der Erfindung,
  • Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Betriebsweise der Vorrichtung von Fig. 1 zum Zeitpunkt einer momentanen Unterbrechung der Stromzuführung,
  • Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Teilbereichs der Vorrichtung von Fig. 1, und
  • Fig. 4 ein Blockschaltbild einer abgewandelten Vorrichtung nach der Erfindung.
  • Die Vorrichtung von Fig. 1 weist eine Wechselstromquelle 11, einen Gleichrichter 12, eine Glättungsspule 13, einen Umrichter 14, einen Induktionsmotor (Asynchronmotor) 15, einen Regelwiderstand 16 zum Einstellen einer Bezugsdrehzahl, einen Hochlaufbegrenzer 17, ein Frequenzsteuergerät 18, ein Spannungssteuergerät 19, einen Spannungsdetektor 20, einen Stromdetektor 21 in Form eines Stromwandlers, einen Spannungsdetektor 22 und einen Komparator 23 auf, wobei alle diese Elemente in der dargestellten Weise zusammengeschaltet sind. Zwischen Spannungsdetektor 22, Stromdetektor 21 und Hochlaufbegrenzer 17 ist ein Strombegrenzungsregler 24 eingeschaltet. Die Funktion dieses Strombegrenzungsreglers 24 wird anhand des Diagramms von Fig. 2 beschrieben, ein Beispiel der Verbindung des Hochlaufbegrenzers 17 mit dem Begrenzer 24 anhand von Fig. 3.
  • Fig. 2 zeigt Wellenformen der Signale an verschiedenen Abschnitten der Vorrichtung, und zwar unter der Bedingung, daß die Spannung der Wechselstromquelle 11 zum Zeitpunkt t 1 unter einen vorgegebenen Wert absinkt und zum Zeitpunkt t 2 wieder ihren ursprünglichen bzw. normalen Wert annimmt. Die Kurve (a) stellt die Quellenspannung, die Kurve (b) ein Betriebssignal, die Kurve (c) die Drehzahl des Asynchronmotors 15, die Kurve (d) das Bezugsfrequenzsignal e 2 und die Kurve (e) den Eingangsstrom zum Gleichrichter 12 des Asynchronmotors dar. Während einer Zeitspanne T c zwischen den Zeitpunkten t 1 und t 2 werden der Betrieb des Gleichrichters 12 und des Umrichters 14 unterbrochen, und die Wiederherstellung der Quellenspannung wird durch den Spannungsdetektor 22 festgestellt, um den Gleichrichter und den Umrichter wieder einzuschalten. Wenn Gleichrichter 12 und Umrichter 14 zum Zeitpunkt t 2 wieder eingeschaltet werden, dann entspricht eine Änderung Δ N 11 der Drehzahl des Asynchronmotors 15 nicht der Änderung Δ E 11 des Bezugsfrequenzsignales e 2. Wenn Δ E 11 zu klein ist, dann kann der Asynchronmotor kein vorgegebenes Drehmoment erzeugen, sodaß während dieser Zeitspanne zwischen den Seiten t 2 und t 21 die Drehzahl weiter absinkt, und zwar um Δ N 12. Während einer Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten t 2 und t 21 stellt der Strombegrenzungsregler 24 über den Spannungsdetektor 22 fest ob die Quellenspannung wieder vorhanden ist und stellt außerdem über den Stromdetektor 21 fest, ob der Eingangsstrom des Asynchronmotors einen vorgegebenen Wert überschritten hat, so daß das Bezugsfrequenzsignal e 2 während der Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten t 2 und t 21 um Δ E 12 erniedrigt wird, bis der Eingangsstrom des Motors einen vorgegebenen Wert I 1 erreicht, der kleiner ist als der Strombegrenzungswert. Als Folge davon erreicht die Änderung (Δ N 11 + Δ N 12) der Motordrehzahl ein vorgegebenes Verhältnis bezüglich der Änderung (Δ E 11 + Δ E 12) des Bezugsfrequenzsignals e 2, so daß der Motor 15 zum Zeitpunkt t 21 wieder hochläuft und zum Zeitpunkt t 3 wieder seine normale Drehzahl erreicht.
  • Ein Beispiel eines Stromkreises, der einen solchen Ablauf ermöglicht, ist in Fig. 3 dargestellt, wobei der Hochlaufbegrenzer 17 durch Operationsverstärker OA 1 und OA 2 gebildet ist. Wenn zwischen dem festgelegten Bezugssignal e 1 und dem Bezugsfrequenzsignal e 2 eine Differenz besteht, dann erzeugt der Operationsverstärker OA 1 ein Signal e 11, dessen Amplitude durch einen Ausgangsbegrenzer L 1 begrenzt ist, wobei dieses Signal e 11 normalerweise die Änderungsgeschwindigkeit des Ausgangssignals des Operationsverstärkers OA 2 steuert, also das Bezugsfrequenzsignal e 2. Die Änderungsgeschwindigkeit wird durch das Verhältnis e 11/R 13 · C 11 bestimmt, wobei R 13 den Widerstandswert eines Widerstands R 13 darstellt, der zwischen den Operationsverstärkern OA 1 und OA 2 liegt, und wobei C 11 die Kapazität eines Kondensators C 11 darstellt, der parallel zum Operationsverstärker OA 2 liegt. Wenn eine Gleichung e 1/R 11 = e 2/R 12 erfüllt ist, wobei R 11 der Widerstandswert eines an die Eingangsseite des Operationsverstärkers OA 1 angeschlossenen, veränderbaren Widerstandes R 11 und R 12 der Widerstandswert eines zwischen Eingang des Operationsverstärkers OA 1 und Ausgang des Operationsverstärkers OA 2 liegenden, veränderbaren Widerstandes R 12 ist, dann wird das Ausgangssignal e 11 des Operationsverstärkers OA 1 im wesentlichen Null, so daß das Bezugsfrequenzsignal e 2 sich nicht ändert und auf einem konstanten Wert bleibt. Im Komparator 25 wird das Ausgangssignal I des Stromdetektors 21 mit einem Grenzstrom CL 1 verglichen, der mittels eines Regelwiderstandes 26 eingestellt worden ist, und die ermittelte Differenz wird einem Strombegrenzer CL 2 zugeführt, um Steuersignale e 12 und e 13 zu erhalten. Während des in Fig. 2 dargestellten Intervalls T c zwischen den Zeitpunkten t 1 und t 2 verändert die Änderung Δ E 11 des Bezugsfrequenzsignals e 2 das eingestellte Bezugssignal e 1 und erniedrigt den Widerstandswert des Widerstandes R 12. Während der Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten t 2 und t 21 würde der Strombegrenzer CL 2 - weil der Eingangsstrom des Motors gemäß Fig. 2 einen vorgegebenen Wert I 1 überschreitet - ein Signal e 13 erzeugen, welches die Widerstandswerte der veränderbaren Widerstände R 12 und R 13 erniedrigt und damit das Bezugsfrequenzsignal e 2 schnell um Δ E 12 absenkt. Wenn jedoch der Eingangsstrom des Motors 15 sich zum Zeitpunkt t 21 auf den vorgegebenen Wert I 1 erniedrigt, dann hört der Strombegrenzer CL 2 auf, ein Signal e 13 zu erzeugen und erzeugt das Signal e 12, welches die Änderungsgeschwindigkeit de 2/dt = e 11/R 13 · C 11 des Bezugsfrequenzsignales e 2 durch Ändern der Amplitude des Ausgangssignals e 11 des Operationsverstärkers OA 1 so steuert, daß der Motor 15 unter Begrenzung seines Eingangsstroms auf den vorgegebenen Wert I 1 bis zum Zeitpunkt t 3 hochbeschleunigt wird. Zum Zeitpunkt t 3 erreicht somit die Drehzahl des Motors 15 wieder ihren ursprünglichen Wert vor dem Zeitpunkt t 1. Das vom Strombegrenzer CL 2 abgegebene Signal e 13 wird somit unterbrochen, und das Signal e 11 wird im wesentlichen zu Null, weil die Gleichung e 1/R 11 = e 2/R 13 erfüllt ist.
  • Wird also die Stromzuführung der Wechselstromquelle momentan unterbrochen, dann wird gemäß der Erfindung die Eingangsfrequenz des Motors schneller abgesenkt als der Abnahmegeschwindigkeit der Motorendrehzahl entspricht, um so den Motor unter Begrenzung seines Eingangsstroms auf einen vorgegebenen Wert wieder auf seine ursprüngliche Geschwindigkeit beschleunigen zu können, wobei das Verhältnis zwischen Eingangsfrequenz und Eingangsstrom bzw. Eingangsspannung derart gehalten wird, daß der Motor sein vorgegebenes Drehmoment erzeugt. Es ist somit möglich, den Motor auch bei kurzen Unterbrechungen der Wechselstromquelle in seinem stabilen Betrieb zu halten.
  • Der Aufbau des Hochlaufbegrenzers 17 und des Strombegrenzungsreglers 24 sind nicht auf das in Fig. 3 dargestellte Beispiel beschränkt, es können vielmehr auch andere Kombinationen von Schaltkreisen verwendet werden, wenn sichergestellt ist, daß sie in der Lage sind, das Bezugsfrequenzsignal e 2 mit einer Geschwindigkeit abzusenken, die größer ist als die Abnahmegeschwindigkeit der Motordrehzahl.
  • Beispielsweise kann der Schaltkreis von Fig. 3 so abgewandelt werden, wie in Fig. 4 dargestellt ist, wobei das eingestellte Bezugsfrequenzsignal e 1 über den Widerstand R 11 dem Operationsverstärker OA 1 zugeführt wird und dessen Ausgang i 1 dann über den Widerstand R 13 dem Operationsverstärker OA 2 zugeleitet wird, um so das Bezugsfrequenzsignal e 2 zu erhalten. Dem Operationsverstärker OA 2 ist ein Kondensator C 11 parallel geschaltet. Der Widerstand R 12 ist in derselben Weise geschaltet wie derjenige von Fig. 3. Die Widerstände R 12 und R 13 sind jedoch beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 feste Widerstände. Der Strombegrenzer CL 2 und der Komparator 25 sind ähnlich geschaltet wie die entsprechenden Elemente von Fig. 3. Der Ausgang des Strombegrenzers CL 2 wird dem Eingang des Operationsverstärkers OA 1 über einen Polaritätsdiskriminator 30 zugeführt, der gemäß der Polarität des Ausgangs des Komparators 25 einen Ausgang -i 2 abgibt. Wenn somit i« - i 2, dann entlädt sich der Kondensator c 11 und erzeugt das gewünschte Bezugsfrequenzsignal e 2. Die Verwendung des Polaritätsdiskriminators 30 macht es möglich, feste Widerstände R 12 und R 13 zu verwenden, sodaß es nicht erforderlich ist, daß der Strombegrenzer CL 2 Steuersignale e 12 und e 13 abgibt.
  • Selbstverständlich ist es nicht immer erforderlich, das Bezugsfrequenzsignal e 2 während einer momentanen Unterbrechung der Stromquelle um einen vorgegebenen Wert Δ E 11 abzusenken, vielmehr kann der Wert Δ E 11 auch einmal Null sein, wobei dann die Zeitspanne zwischen den Zeiten t 2 und t 21 geringfügig länger wird.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur Steuerung der Drehzahl eines von einer Wechselstromquelle über einen Umrichter mit Spannungen variabler Frequenz und hierzu etwa proportionale Amplitude gespeisten Induktionsmotors (Asynchronmotors), mit einer Spannungsregelung und mit direkter Vorgabe der Frequenz durch ein Steuersignal, wobei bei einer kurzzeitigen Unterbrechung des Stromes von der Wechselstromquelle das Frequenzsteuersignal mit einer Geschwindigkeit abgesenkt wird, die größer ist als die zu erwartende Abnahmegeschwindigkeit der Drehzahl, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsregelung eine Stromregelung mit Strombegrenzung unterlagert ist, daß eine weitere Strombegrenzungsregelung (24) vorgesehen ist, deren Grenzwert kleiner ist, als der der unterlagerten Strombegrenzung und deren Ausgangssignal, nach Beendigung der kurzzeitigen Unterbrechung, auf das Frequenzsteuersignal derart einwirkt, daß bei Feststellung eines über der Grenze liegenden Stromes das Frequenzsteuersignal weiter erniedrigt wird oder bei Feststellung eines unter der Grenze liegenden Stromes das Frequenzsteuersignal erhöht wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hochlaufbegrenzer (17), bestehend aus einem Proportionalverstärker (OA 1) mit Ausgangsbegrenzung (L 1) und einem über einen ersten, veränderbaren Widerstand (R 13) nachgeschalteten Integrierglied (OA 2, C 11), dessen Ausgang über einen zweiten, veränderbaren Widerstand (R 12) auf den Eingang des Proportionalverstärkers, dem auch ein Drehzahl-Bezugssignal aufgeschaltet ist, zurückgeführt ist, zur Bildung des Frequenzsteuersignals vorgesehen ist, und daß die weitere Strombegrenzungsregelung (24) einen Komparator (25), der den Strom mit einem vorgegebenen Grenzstrom (CL 1) zur Abgabe von zwei Steuersignalen (e 13, e 12) für Stromüber- und Stromunterschreitung angeschlossen ist, aufweist, wobei das Steuersignal für Stromüberschreitung die Widerstände (12, 13) und das Steuersignal für Stromunterschreitung die Ausgangsbegrenzung (L 1) beeinflußt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hochlaufbegrenzer (17), bestehend aus einem Proportionalverstärker (OA 1) und einem über einem ersten Widerstand (R 13) nachgeschalteten Integrierglied (OA 2, C 11), dessen Ausgang über einen zweiten Widerstand (R 12) auf den Eingang des Proportionalverstärkers (OA 1), dem auch ein Drehzahl-Bezugssignal aufgeschaltet ist, zurückgeführt ist, zur Bildung des Frequenzsteuersignals vorgesehen ist, und daß die weitere Strombegrenzungsregelung (24) einen Komparator (25) der den Strom mit einem vorgegebenen Grenzstrom (CL 1) vergleicht, und dessen Ausgang an eine Einrichtung (CL 2) zur Abgabe eines Strombegrenzungs-Steuersignals angeschlossen ist, und einen der das Strombegrenzungs-Steuersignal abgebenden Einrichtung (CL 2) nachgeschalteten Polaritätsdiskriminator (30), dessen Ausgang am Eingang des Integrierglieds (OA 2, C 11), liegt, aufweist.
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