DE3224645A1 - Elektroantrieb mit einem asynchronmotor - Google Patents

Elektroantrieb mit einem asynchronmotor

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DE3224645A1
DE3224645A1 DE19823224645 DE3224645A DE3224645A1 DE 3224645 A1 DE3224645 A1 DE 3224645A1 DE 19823224645 DE19823224645 DE 19823224645 DE 3224645 A DE3224645 A DE 3224645A DE 3224645 A1 DE3224645 A1 DE 3224645A1
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Roland D. Novosibirsk Baj
Vladimir N. Brodovskij
Aleksandr V. Feldman
Evgenij S. Moskva Ivanov
Aleksandr A. Kanep
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Description

PATENTANWÄLTE": ". : .- -..-- : 1. Juli 1982
ZELLENTf.fi.:.·:..:: --„'.{„ ooo/c/'c
2WEIBRÜCKENSTR. 15 . P 89 8$9Z Z 4 0 4 0
8OOO MÜNCHEN 2 - q- -
BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektroantrieb mit einem Kurzschlussläufer-Asynchronmotor,
Elektroantriebe mit Asynchronmotor werden zur Verschiebung der Arbeitsorgane von hochpräzisen Metallbearbeitungsmaschinen mit numerischer Steuerung verwendet. Diese El ektroant riebe können auch zu einer schnellen und exakten Verschiebung beliebiger Belastungen bei einem weiten Drehzahlbereich des Läufers des Asynchronmotors eingesetzt werden.
Die z.Z. bestehenden elektrischen Antriebe.mit einem Asynchronmotor weisen entweder keine hohe Arbeitsgeschwindigkeit oder eine niedrige Genauigkeit der Erzeugung des Drehmomentes an der Welle/und führen infolgedessen eine
3-5 Verschiebung der Arbeitsorgane der Metallbearbeitungsmaschinen mit numerischer Steuerung ungenügend genau und schnell aus·
Bekannt ist ein Elektroantrieb mit einem Asynchronmotor (siehe z.B. "Technische Kybernetik", herausgegeben von W.W.Solodownikow "Einrichtungen und Bauelemente automatischer Eegelungs- und Steuerungssysteme", Heft 3, "Stelleinrichtungen und Servomechanismen", Verlag "Maschinostroa'enijje" 1976, Moskau, Seiten 266-27Ό, welcher einen Drehwinkelgeber des Läufers des Asynchronmotors enthält, dessen Ständerwicklungen über eine regelbare Stromquelle mit den Ausgängen einer phasenempfindlichen Gleichrichter-Einheit elektrisch verbunden sind, deren Steuereingänge mit einem Blindstrom- und einem Wirkstromgebers des Ständers elektrisch verbunden sind und deren andere Eingänge an den Ausgängen einer mehrphasigen Spannungsquelle liegen.
Die Signale von den Ausgängen des Wirkstrom- und des Blindstromgebers des Ständers passieren dabei den Erreger" kreis und gelangen auf die Steuereingänge der phasenempfindlichen Gleichrichter-Einheit. Der Erregerkreis des Drehwinkelgebers des Läufers besitzt eine beträchtliche Zeitkonstante. Dieser Umstand verursacht eine verhältnismässig niedrige Arbeitsgeschwindigkeit des Elektroantriebs und bedingt eine geringe Genauigkeit der Bewegungen der Arbeitsorgane der Metallbearbeitungsmaschinen in dynamischen Betriebs-
"" "" ' 32?46'45
zuständen.
Bs ist ein Elektroantrieb mit Asynchronmotor bekannt, der eine Reihenschaltung aus einem. Wirkstromgeber des Ständers eines Kurzschlußläufer-Asynchronmotors, einem Koordinatenwandler und einer regelbaren Stromquelle, die an die Stander»icklangen des Asynchronmotors angeschlossen ist, enthält, wobei der andere Ausgang des Blindstromgebers an den Steuereingang eines JTrequenzer zeugers für die Lauf er ströme angeschlossen ist, der ausgangsse it ig mit dem Eingang XO eines Bezugssignalformers in Verbindung steht, dessen anderer Eingang mit einem -öezugsfrequenze inst eller verbunden ist (siehe z.B. die DB-Anmeldung Nr.50 36 760.3).
Bin Signal des Wirkstromgebers des Ständers wird auf den Amplitudeneingang des Koordinatenwandlers gegeben, an dessen Bezugssignaleingänge Signale vom Ausgang des Drehwinkelgebers des Läufers gelangen. Am Ausgang des Koordinatenwandlers wird ein Signal erzeugt, dessen Größe der des Signals des Wirkstromgebers des Ständers proportionalist und das an den Eingängen der phasenempfindlichen Gleichrichter-Einheit anliegt.
Die Ausgangssignale der phasenempfindliche21
Gleichrioh^er-^aeren Große der des Signals des Wirkstromgeber des Ständers proportional ist, werden in Ströme der Ständerwicklungen des Asynchronmotors mit Hilfe der regelbaren Stromquelle umgeformt. Dadurch wird ein Drehmoment an der Welle des Asynchronmotors erzeugt, dessen Betrag duroh die Signalgröße des Wirkstromgebers des Ständers bestimmt wird.
Bei dem genannten Elektroantrieb wird der Betrag des Drehmomentes an der Welle von der Drehzahl des Läufers des Asynchronmotors beeinflußt. Dies wird durch die Abhängigkeit des gesamten Ubertragungsfaktors in einer aus dem KoordgU^at^nwandler, der phasenempfindlichen Gleichrichter-/und der regelbaren Stromquelle bestehenden Übertragungskette des Signals des Wirkstromgebers von der Drehzahl des Läufers bestimmt. In diesem Pail wird die genannte Abhängigkeit des gesamten Übertragungsfaktors durch die Abhängigkeit des Übertragungsfaktors des Koordinatenwand-
322ΪΘ45
lers von der Drehzahl des Motorläufers bestimmt. Dies läßt sich dadurch erklären, daß die Größe der Signale am Ausgang des Koordinatenwandlers mit der Größe der Signale zusammenhängt, welche den Bezugssignaleingängen dieses Wandlers vom Ausgang des Drehwinkelgebers des Läufers zugeführt werden und deren Große von der Drehzahl des Läufers des Asynchronmotors abhängig ist.
Diese Abhängigkeit des Drehmomentes an der Welle von der Drehzahl der Ausgangszeile des Elektroantriebe
XO is* besonders unerwünscht in elektrischen Antrieben mit einem großen Geschwindigkeitsregelungsbereich, weil dies zur Verminderung der Genauigkeit und Arbeitsgeschwindigkeit bei Bewegungen der Arbeitsorgane der Maschinen in dynamischen Betriebszuständen führt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektroantrieb mit einem Asynchronmotor zu schaffen, bei welchem die gewährleistete Unabhängigkeit des Übertragungsfaktors in der Übertragungskette des Signals des Wirkstromgebers des Ständers von der Drehzahl des Läufers des Asynchronmotors die Möglichkeit bietet, die Genauigkeit der Erzeugung des Drehmomentes an der Welle des Antriebs in einem weiten Drehzahlbereich zu erhöhen und damit die Genauigkeit und Schnelligkeit bei der Steuerung der Geschwindigkeit und Bewegung der Arbeitsorgane von durch diesen Elektroantrieb betätigten Maschinen zu verbessern*
Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst ,daß bei einem Elektroantrieb mit einem Asynchronmotor, welcher eine Reihenschaltung aus einem Wirkstromgeber des Ständers eines Kurzschluß-Asynchronmotors, einem Koordinatenwandler, einer phasenerapfindlichen Gleichrichter-Einheit m^ einer regelbaren Stromquelle enthält, die an die Ständerwicklungen des Asynchronmotors angeschlossen 1st, der andere Ausgang des Wirkstromgebers des Ständers am Steuereingang eines Frequenzerzeugers für die Läuferströme liegt, dessen Ausgang mit einem Eingang eines Bezugssignalformers verbunden ist, dessen anderer Eingang mit einem Bezugsfrequenzeinsteller und dessen Ausgänge mit den Bezugssignaleingängen
-Einheit
der phasenempfindlichen Gleichrichter/verbunden sind, die ihrerseits mit einem Drehwinkelgeber des Läufers und einem Sinussignalerzeuger elektrisch verbunden sind, der an den Ausgang des Bezugsfrequenzein-
c stellers angeschlossen ist, gemäß der Erfindung ein Läuferrotationsfrequenz-Vervielfacher vorgesehen ist, dessen Eingänge an die Ausgänge des Drehwinkelgebers des Läufers und des Bezugsfrequenzeinstellers und dessen Ausgang an den Eingang des Bezugssignalformers angeschlossen sind, wobei die Ausgänge des Slnussignalerezeugers mit den Bezugssignaleingängen des Koordinatenwandlers verbunden s ind. ' .
Bs ist vorteilhaft, daß der Läuferrotationsfrequenz-Vervielfacher^eine Reihenschaltung aus einem fformierglled
für eineei/gdeir£aSferdrehwinkels und einem regelbaren !frequenzteiler, an dessen Eingang der.Ausgang des Bezugsfrequenzeinstallers angeschlossen ist, aufweist.
Dadurch wird ermöglicht,/in einem weiten Arbeitsgeschwindigkeitsbereich ein praktisch kontinuierliches Sig-QaI für die Drehzahl des Läufers gewonnen und damit Pulsat ionen des Drehmomentes an der Welle auf niedrigem
werden können .. . „_ ._
Niveau gehalten/, was seinerseits zur stoßfreien Verschiebung der Arbeitsorgane von Metallbearbeitungsmaschinen führt.
Vorteilhaft ist, daß beim Vorhandensein eines Blindstromgebers des Ständers und eines Temperaturgebers des Asynchronmotors, welche mit dem Frequenzerzeuger für die Läuferströme elektrisch verbunden sind, der letztere einen Impulsbreitenmodulator und einen Summator, der ausgangsse it ig an den Bezugssignaleingang des Impulsbreitenmodulators angeschlossen ist, dessen Steuereingang, der als Steuereingang des Freauenzerzeugers für die Läuferströme dient, mit dem Ausgang des Wirkstromgebers des Ständers verbunden 1st, enthält, wobei der Eingang des Summators, welcher einen zweiten Steuereingang des frequenzerzeugers für die Läuferströme darstellt, mit dem Auegang des Blindstromgebers des Ständers verbunden ist, der auch an einen Eingang für die Regelung der Steilheit der Kennlinie des
wiederum Temperaturgebers stage g chi ο a sen Ist, dessen Aussang/ mit einem anderen Eingang des Summators In Verbindung steht, der als Eingang für die Temperaturkorrektur des Frequenzerzeugers für die Läuferströme dient, wobei der Eingang des Impulsbreitenmodulatorβ an den Ausgang des Bezugsfrequenzeinst e Hers angeschlossen 1st.
Dies ermöglicht In einem weiten Bereich von Arbeitsgeschwindigkeiten und Temperaturen des Motors eine genaue Urzeugung der geforderten Frequenz der.Läuferströme und folglich des Drehmomentes an der Welle, «as seinerseits zu einer hochpräzisen Verschiebung der Arbeitsorgane der Metallbearbeitungsmaschinen beiträgt.
Bei dem vorgeschlagenen Elektroantrieb mit einem Asynchronmotor 1st die Unabhängigkeit des übertragungsfaktors in der Übertragungskette des Signals des Wirkstromgebers des Ständers von der Drehzahl der Welle dadurch gewährleistet, daß der Ausgang des Drehwinkelgebers des Läufers des Asynchronmotors über den Läuferrotationsfrequenz-Vervielfacher an den Eingang des Bezugssignalformers angeschlossen ist, dessen Ausgangssignale auf die
Bezugssignaleingänge der phasenempfindllchen
-Einheit
Gleichrichter/ gegeben werden und nur die Frequenz des Ausgangssignal dieser Einheit beeinflussen· Darüber hinaus wird eine Abhängigkeit des Übertragungsfaktors in der Übertragungskette des Signals des Wirkstromgebers des Ständers von der Drehzahl der Welle dadurch vermieden, daß an die Bezugssignaleingänge des Koordinatenwandlers die Ausgänge des Sinussignalerzeugers angeschlossen sind. Die Größe der Sinussignale des genannten Erzeugers hängt nioht von der Drehzahl der Welle ab·
Dadurch wird die Größe der Ständerströme oder das Drehmoment an der Welle des Elektroantriebs in exakter Übereinstimmung mit dem Vorgabesignal des Wirkstromes des Ständers erzeugt.
Beim erfindungsgemäßen Elektroantrieb wird eine exakte Abhängigkeit der Frequenz der Läuferströme von dem Verhältnis zwischen den Signalen des Wirkstrom- und des Blindstromgebers des Ständers unabhängig von der Temperatur
des Asynchronmotors dadurch erzielt, daß der Frequenzerzeuger für die Läuferströme aas einem Impulsbxeitenmodulator und einem Summator.aufgebaut ist, wobei der letztere ausgangsseit ig an den Bezugssignaleingang dieses Modulators angeschlossen ist, sowie dadurch, daß die Eingänge des Summatora und des Modulators mit den Ausgängen des Temperaturgebers und des Bezugsfrequenzformers verbunden sind.
Durch genaue Einhaltung der Abhängigkeit der Frequenz der Läuferströme vom Verhältnis der Signale des Wirkstrom- - und des Blindstromgebers des Ständers in Verbindung mit einer genauen Vorgabe der Größe der Ständerströme wird die Genauigkeit der Erzeugung der Drehmomentgröße an der Welle des Elektroantriebs verbessert.
Beim erfindungsgemäßen Elektroantrieb wird die hochpräzise und stoßfreie Erzeugung der Rotationsfrequenz des Läufers durch Anwendung einer Reihenschaltung aus dem Formierglied für eine VerT^es^äuferdrehwinkels und dem regelbaren Frequenzteiler, dessen Eingang mit dem Ausgang des Bezugsfrequenzeinstellers verbunden ist, erreicht.
Die genaue und stoßfreie Erzeugung der Rotationsfre*- quenz des Läufers zusammen mit der genauen Erzeugung der Größe der Ständerströme und der Frequenz der Läuferströme gewährleistet eine Erhöhung der Genauigkeit der Erzeugung der Drehmomentgröße an der Welle des Elektroantriebs.
Nachstehend wird die Erfindung an Hand von konkreten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen1
Fig. 1 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Elektroantriebs mit einem Asynchronmotor ;
Fig. 2 eine Schaltung des Frequenzerzeugers für die Läuferströme, gemäß der Erfindung;
Fig. 3(a,b,c,d) Zeitverläufe elektrischer Signale an den Eingängen und Ausgängen des Frequenzerzeugers für die Läuferströme, gemäß der Erfindung.
Der Elektroantrieb mit einem Asynchronmotor enthält eine Reihenschaltung aus einem Wirkstromgeber i(Fig.l) des Ständers, einem Koordinatenwandler 2, einer
"" 10 - · -Einheit 3
phasenempfindliohea Gleichrichter/und einer regelbaren Stromquelle 4, die mit den Ständers»ioklungen des Asynchronmotors 5 verbunden ist, der einen Kurzschlußläufer aufweist. Der Läufer eines Drehwinkelgebers 6 ist mit dem Läufer des Asynchronmotorβ 5 starr gekoppelt. Der andere Ausgang des Wirkstromgebers 1 des Ständers ist an den Steuereingang 7
eines Frequenzerzeugersfür die Läuferströme angeschlossen, dessen Auegang an einem Eingang 9 eines formera 10 liegt· Der Eingang 11 des Formers 10 steht mit dem Ausgang eines Bezugsfrequenzeinstellers 12 in Verbindung, während die Ausgänge an die Eingänge 13,. A4» 15 der phasenempfindlichea Gleichrichter/ angeschlossen sind. Der Eingang 16 eines Sinussignalerzeugers 1? ist mit einem Ausgang des Bezugsfrequenzeinstellers 12 verbunden·
Der Elektroantrieb enthält auch einen Läuferrotationsfrequenz-Vervielfacher 18, dessen Eingänge 19»20 ^e-
aes we ils an die Ausgänge des Drehwinkelgeberβ 6/Motorläufers
bzw. des Bezugsfrequenzeinstellers 12 und dessen Ausgang an den Eingang 21 des Bezugssignalformers 10 angeschlossen sind. Die Ausgänge des Sinussignalerzeugers 1? sind mit den Bezugesignal^aingängen 22'und 25'des Koordinatenwandlers 2 verbunden. Die Phase der Signale am Ausgang des Läuferrotationsfrequenz-Vervielfachers 18 wird durch die Phase der Signale bestimmt, die vom Bezugsfrequenzsteller 12 ankommen.
Um den Asynchronmotor 5 mit einer konstanten Leistung an der Welle zu betreiben und Temperatureinflüsse zu berücksichtigen, 1st der Elektroantrieb mit einem Blind-
JO stromgeber 22 des Ständers und einem Temperaturgeber 23 des Motors versehen, welche mit dem Frequenzerzeuger 8 in elektrischer Verbindung stehen.
Dabei enthält der Frequenzerzeuger 8 für die Läuferströme einen Impulsbreitenmodulator 24 und einen Summator 25, dessen Ausgang an einem Bezugssignaleingang 26 des Impulsbreitenmodulators 24 liegt. Der Steuereingang des Modulators 24 dient als Steuereingang 7 des Frequenzerzeugers für die Läuferströme und ist an den Ausgang des
Wirkstromgebezs 1 des Ständers angeschlossen. Der eine Eingang des Summators 25 bildet einen zweiten Steuereingang 27 des Frequenzerzeugers 8 und steht mit dem Ausgang des Blindstromgebers 22 des Ständers in Verbindung.
Der Eingang 28 für die Regelung der Steilheit der Kennlinie des Temperaturgebers/ ist mit dem Ausgang des Blindstromgebers 22 des Ständers und der Ausgang des Temperatur gebers 23 mit einem anderen Eingang des Summators 25 verbunden, der als Eingang 29 für die Temperatur korrektur des Frequenzerzeugers 8 für die Läufer ströme dient. Ein Eingang des Impulsbreitenmodulators 24, welcher als Eingang 30 zur Synchronisierung des Frequenzerzeugers 8 bezüglich der Läuferströme dient, ist an den Ausgang des Bezugsfrequenzeinstellers 12 angeschlossen.
Der im Elektroantrieb vorgesehene Läuferrotationsfrequenz-Vervielfacher 18 enthält eine Reihenschaltung aus einem Formierglied 31 für eine Very desTJäuferdrehwinkels
Eingang als
und einen regelbaren Frequenzteiler 32, dessen einer/Eingang 20 des Läuferrotationsfrequenz-Vervielfaohers 18 dient, welcher am Ausgang des Bezugsfrequenzeinstellers 12 liegt.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel enthält der Koordinaten« and ler 2 einen Summator 33» dessen Eingänge an die Ausgänge der Multiplizierblöoke 34 und 35 angeschlossen sind. Die ersten Eingänge der Blöcke 34 und 35 dienen als _ Amplitudeneingänge 36 bzw.37 des Koordinatenwandlers 2 und die zweiten Eingänge als Bezugssignaleingänge des Koordinatenwandlers 2. Der Ausgang des Summators 33 bildet einen Ausgang des Koordinatenwandlers 2, der an die Amplitudeneingänge 38,39,40 der phasenempfindlichen Gleioh-
-Einheix
rieht er/angeschlossen ist. Die Einheit 3 enthält bei des) zu behandelnden Ausführungs/ drei phasenempfindliche Gleichrichter 41, 42 und 43. Der Drehwinkelgeber 6 des Läufers des Asynchronmotors ist in Form eines Gebers für den vollständigen Kode des Drehwinkels ausgeführt. Hierbei wird als primärer Geber die Verwendung eines Sinus-Kosinus- -Drehtransformators vorausgesetzt, der als Phasenschieber betrieben wird. Die übrigen Bauelemente des Elektroantriebs sind naoh den in der technischen Literatur allgemein bekann-
• .- 12 -. ·
ten Schaltungen ausgeführt.
Der Impulsbreitenmodulator 24 (Fig. 2) enthält einen Reihenkreis aus einem Komparator 44 mit einer Hysteresiskennlinie, einem Synchronisiertrigger 45, einem Multiplier zierer 46 zur Multiplikation des Signalwertes mit dem Vorzeichen der Funktion und einem RC-Filter, dessen Ausgang an den Eingang 4? des Komparator 44 angeschlossen ist. Der andere Eingang des Komparators 44 dient als Steuereingang 7 des Frequenzerzeugers 8 für die Läuferströme. Der zweite Hingang des Synchronisierte iggeiß 45 dient als Bingang 30 für die Synchronisierung des Frequenzerzeugers 8 und der Ausgang dieses !!!riggers als Ausgang des Erzeugers 8. Der zweite Bingang des Multiplizierers 46 liegt am Ausgang des Summators 25* Dabei stellt der Impulsbreitenmodulator 24 einen Impulsgenerator mit steuerbarer Dauer der an dessen Ausgang anliegenden Spannungsimpulse dar.
Zum besseren Verständnis der Wirkungsweise des Elektroantriebs sind in Fig.3(a,b,c,d) Zeitverläufe von Signalen am Eingang. 7 und Ausgang des Impulsbreitenmodulators 24 wiedergegeben, wobei^der Abszissenaohse die Zeit und auf der Ordinatenaohse die Spannung aufgetragen sind« Die Verläufe erläutern die Arbeit des Modulators 24 bei einem zeitlich veränderlichen Signal U1 des Wirkstromgebers des Ständers und bei betragsmäßig unveränderlichen Signalen des Blindstromgebers 22 des Ständers und des Temperaturgebers 23.
Dabei zeigt Fig.3a einen Spannungsverlauf U1 am Eingang .7 des Frequenzerzeugers 8 für die Läuferströme, d.h. am Eingang des Komparators 44 mit einer Hysteresissohlelfenbreite von. 217, Fig.Jb einen Spannungsverlauf U am Kondensator G, d.h. am zweiten Eingang des Komparators 44, Fig. 3c einen Verlauf einer Impulsspannung U1-, am Ausgang des Frequenzerzeugers 8 für die Lauferströme, d.h. am Ausgang des Synchronesiertriggers 45 und am Eingang des MuIt1-plizierers 46, Fig.3d einen Verlauf einer Impulsspannung U8 am Ausgang des MuItiplizierers 46.
Die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Elektroantriebs mit einem Asynchronmotor besteht im folgenden.
Es maß betont werden, daß die Bezeichnungen "Wirk- und Blindstrom des Ständers" vereinbart sind. Im realen Elektroantrieb erzeugt das Signal U-^Fig^a) to Form einer Gleichspannung am Ausgang des Gebers 1 (Fig.l) einen
zur Achse der Flu&verkettung des Läufers des Asynchronmotors 5 senkrecht orientierten Stand er str omanteil und das Signal Uo in Form einer Gleichspannung am Ausgang
des Blindstromgebers 22 einen Ständerstromanteil, der in Richtung der Achse der Flußverkettung des Läufers orien-
XO tiert wird. Sine solche Ausrichtung wird automatisch durch Auswahl von Maßstäben zwischen den vorgegebenen Signalen U1 und U2 und der Frequenz (O1 der Läuferströme erreicht, welche vom Frequenzerzeuger 8 erzeugt werden.
Es wird nun die Arbeit des Elektroantriebs in Betr iebszuständen.betr achtet,beid?Wine Regelung des magnetischen Flusses des Asynchronmotors erforderlich ist, d.h. wenn mit keiner konstanten Leistung gearbeitet werden muß.
Bei dieser Variante des Elektroantriebs erfolgt die Steuerung des Drehmomentes an der Welle des Asynchronmotors 5 nach einem Signal des Wirkstromgebers 1 des Ständers bei betragsmäßig konstantem Magnetfluß des Motors 5· Am Eingang des Summators 33 trifft ein Sinussignal U^ vom Sinussignalerzeuger 17 ein.
Der Einfachheit der Erläuterung halber wird auf die Arbeit des Elektroantriebs bei betragsmäßig konstantem Signal U-, und. konstanter Drehzahl des Läufers des Motors 5 eingegangen. In diesem Fall unterliegen bei einem stationä-
aie
ren Betrieb/Signale in den Wechselstromkreisen einem Sinusge set ζ, so daß diese analytisch beschrieben werden können. Das Signal U1 gelangt auf den Eingang des Multiplizierblocks 35, dessen anderem Eingang eine Spannung A sin it)Qt vom Ausgang des Sinussignalerzeugers 17 zugeführt wird, worin A eine Amplitude, cOQ eine Bezugsfrequenz, t eine Zeit bezeichnet. Am Ausgang des Blocks 35 wird ein Signal Uj a AU1 sin 6)Qt gebildet, das einem der Eingänge des Summators 33 zugeführt wird. Am anderen Eingang des Summators 33 trifft vom Erzeuger 17 ein Signal U4=AU2OOs ^01 ein,
wobeiU2 eine konstante Größe ist, durch die die Flußverkettung des Läufers charakterisiert wird· Am Ausgang des Summators 33 wird ein Signal erzeugt, das durch folgenden Ausdruck definiert ist:
2 + U2 2 coa ( (JQt -ei), wobei dieses Signal auf die Eingänge.38,39,4ο der phasenempfindliehen Gleichrichter/gegeben wird.
Auf die Eingänge 13, 14, 15 der Einheit 3 gelangen
Signale in Form von Spannungsimpulsen U^, wo der Index m eine Ordnungsnummer der Phase des BezugsSignalformers 10 bedeutet. Sa bei dem hier zu beschreibenden Ausführungsbeispieläie Einheit 3 über drei phasenempfindliohe Gleichrichter 41, 42 und 43 verfügt, ist m =3· Die Spannungsimpulse Ur-, ,U^2,U^, bilden ein Drehphasen-Spannungsimpulssystem mit einer Frequenz u)^ h(a +eJ+f%) ) wobei ^) eine Rotationsfrequenz des Läufers des Asynchronomotors 5, ^1 eine Frequenz für die Läuferströme des Asynchronmotors 5 darstellt..
Die Frequenz ^kder Signale Uj^ wird im Former durch Addition der Frequenzen der drei Signale in demselben gebildet, die vom Läuferrotationsfrequenz-Vervielfacher 18, Bezugsfrequenzeinsteller 12 und Frequenzerzeuger 3 für die Läuferströme kommen. An den Ausgängen der Einheit 3 wird ein System von Spannungen U.C,U ,U, gebildet:
Ux sK 1. \J U1 + U2 sin (+ ^) + cdx )t
L 2 + U2 2 sin^ (+ £t)±
si E^für einen Ecoportionalltätsfaktor steht. Diese Spannungen dienen als Vorgabe signale für die regelbare Stromquelle 4, die die Ständerwioklungen des Motors mit Sinusströmen speist, deren Amplitude proportional zu
2 2
U1 +U0 und deren Frequenz gleich (+ u) + it).. ) ist.
Die Frequenz Ct/-. der Ströme des Läufers wird im Erzeuger 8 entsprechend dem folgenden Ausdruck gebildet:
/ν) _ ui 1
Ai1 = Ji.
u2
worin T eine Ze itkonstantθ des Stromkreises des Läufers darstellt.
Da im geschilderten Elektroantrieb eine Stromfrequenz- -Steuerungsmethode für einen Asynchronmotor (siehe z.B. den SU-Urheberschein Nr. 193604) realisiert ist, hängt das Drehmoment an der Welle vom Signal U1 bei U2 =const linear ab, was den Betriebszustand des Motors 5 mit einer betragsmäßig konstanten Flußverkettung des Läufers einstellt.
Um die Frequenz cdQ zu einem Bestandteil der Frequenzen der an den Eingängfin der phasenempfindlicheu
Gleichrichter/eintreffenden Signale werden zu lassen, sind die Ausgänge des Bezugsfrequenzeinstellers 12 an den Eingang des Sinussignalerzeugers 17, den Eingang 20 des Läuferrotationsfrequenz-Vrevielfaohers 18 und den Eingang 11 des Bezugssignalformers 10 angeschlossen.
Bei dem vorgeschlagenen Elektroantrieb gelangen über die Übertragungskette der Signale U1 und U2, die die Amplitude des Ständerstromes und folglich das Drehmoment an der Welle des Motors 5 bestimmen, auoh Signale vom Erzeuger 17 mit einer Frequenz /^0, welche als Bezugssignale für den Koordinate.nwandler 2 dienen.
Da die Amplituden der Signale des Erzeugers 17 von der Drehzahl des Läufers nicht abhängen und konstante Größen sind, wird die Amplitude des Ausgangssignals des Koordinatenwandlers 2 durch die Signale" U1 und U2 festgelegt und 1st von der Rotationsfrequenz CO des Läufers nicht abhängig.
Somit wird eine hohe Genauigkeit der Erzeugung der Ständerströme und des Drehmomentes an der Welle des Motors sichergestellt, was seinerseits es gestattet, diesen Elektroantrieb in hoohprazisen Systemen zur Steuerung von Metallbearbeitungsmaschinen einzusetzen.
Um die Arbeitsorgane der Masohlnen in einem weiten Bereioh der Rotationsfrequenz unter Einhaltung einer konstanten Leistung an der Welle auf über dem Nennwert liegenden Frequenzen zu steuern, kommt eine Regelung des Signale U2 zustande.
~ ^ "ELektroantriebs
Ändert sich bei Betrieb des /die Temperatur des Asynchronmotors und folglich die Zeitkonstante T im Stromkreis des Läufers» so sind bei der Erzeugung der Frequenz £*λ, der Ströme des Läufers im Erzeuger 8 Temperatureinflüsse zu berücksichtigen.
Um die hohe Genauigkeit der Steuerung des Drehmomentes des Motors 5 in statischen und dynamischen Betriebszuständen und unter den Bedingungen einer Änderung der Flußverkettung und der Temperatur des Läufers beizubehalten, werden im Elektroantrieb ein Blindstromgeber 22 des Ständers, ein Geber 23 für Änderungen der Temperatur und ein Erzeuger 8 mit Impulsbreitenmodulator 24 verwendet. Dabei enthält der Koordinatenwandler 2 zwei Multiplizierblöcke 34 und 35.
Die Signale U1 und U2 an den Ausgängen der Geber 1 bzw.22 gelangen auf die Eingänge der Multiplizierblöcke 35 bzw. 34,deren anderen Eingängen Signale A . sin u) und A »cos^01 vom Sinussignalerzeuger 17 zugeführt werden. An den Auegängen der Blöcke 35 bzw. 34 werden folgende Signale gebildet:
Uj «A U1 sin <^ot,
U4 s A U2 oos <v>ot,
welche im Summator 33 addiert werden. Oen Amplitudeneingängen der Einheit 3
wird eine Spannung U^ zugeführt. Die Signale U1 und U2 gelangen auch auf die Eingänge 7 und 27 des Frequenzerzeugers 8 für die Läuferströme. Außerdem gelangt das Signal U2 zum Eingang 28 für die Regelung der Steilheit der Kennlinie des Temperaturgebers 23» an dessen Ausgang ein Signal (-t^^Q) formiert wird, wobei oC einen Proportionalitätsfaktor, Q einen positiven Zuwachs der Temperatur bedeuten. Dieses Signal trifft am Eingang 29 des Erzeugers 8 ein. Am Ausgang des Summators 25(Fig.2) wird ein Signal U6 =U2^1"C^'^ gebildet, das am Amplitudeneingang des MuIt i-
,r plizierers 46 eintrifft, der die Multiplikation des Signals mit dem Vorzeichen der Funkt ion durchführt, wobei an dem zweiten Eingang des Multiplizierers vorzeichenvariable SpannungsimpulseUr; (Fig. 3o) ankommen.
Am Auegang des Multiplizierers 46 (Fig. 2) wird eine Xmpulsspannung TJq (Fig. 3d) mit einer Spannungsamplitude U6 gebildet. Diese Impulse gelangen zum BC-Filter und die Spannung Uc(Fig. 3b) vom Sondensator C kommt am Eingang des !Comparators. 44 (Fig. 2) an, wo sie mit dem Signal U1 verglichen wird, das dem Eingang 7 des Erzeugers 8 zugeführt wird. Der Komparator 44 weist eine Hysteresiskurve auf, deren Breite gleich 2ü (Fig.Jb) ist, so daß die Spannung U0 von der Spannung U1 um die Größe +U abweichen kann«
Sobald die Spannung U0 den Wert (U-^U) erreicht hat, findet, eine sprunghafte Änderung des Signals am Ausgang des !Comparators 44 (Fig.2) statt, die den Synchronisiertrigger 45 in einen solchen Zustand umsteuert, bei dem an dessen Ausgang eine Spannung U1-, negativer Polarität erzeugt wird. Diese Spannung gelangt auf den Eingang des Multiplizierers 46, in dem eine negative Spannung mit einer Amplitude U6 gebildet wird.
Sobald die Spannung U0 den Wert (U1-U ) erreicht hat, findet eine sprunghafte Änderung des Signals am Ausgang des Komparator θ 44 statt, durch die die Umsteuerung des Synchronisiertriggers 45 in einen solohen Zustand bewirkt wird, bei dem an dessen Ausgang eine Spannung Ur7 positiver Polarität gebildet wird. Diese Spannung kommt am Eingang des Multiplizierers 46 an, an dessen Ausgang eine positive Spannung Us (Fig. 3d) geliefert wird.
Auf solche Weise werden mit Hilfe des geschlossenen Kreises 44,45,46 und des RC-Filters am Ausgang des Synchronisiertriggers 45 rechteckförmige Spannungsimpulse erzeugt, deren Dauer von der Größe der Signale U1 und Up beeinflußt wird. Diese Signale und das Verhältnis der Dauer t·^ des Impulses zur Periode T1 (Fig. 3c) des breitenmodulierten Signals Ur, sind durch folgende Beziehung verbunden:
Ul - Ul - 13I
U6 U2(I-OcQ) 1I '
Die Periode T1 wird durch die Breite der Hysteresisschleife bestimmt, die durch die Ansprechschwellspannung U des Komparators 44 und die Zeitkonstante des RC-Filters
festgelegt wird, wahrend die Größe t-l durch Aufreohterhaltung der Gleiohheit zwischen dem mittleren Wert der Spannung Ug und der Spannung U1 automatisch eingestellt wird. . .
Bei U1SO, U2^O ist die Dauer t = 0,5T1, und die Aus
gangsspannung Un entspricht der Frequenz #>-. der Ströme des Läufers, die gleich Null ist.
Bei U1 jt 0,U2 / 0 weicht die Dauer t1 von dem Wert
0,5 T, um einen Betrag Δ ab, der durch den Wert und das U Vorzeionen des Verhältnisses 1 bestimmt
wird und die Frequenz cO-^ der Ströme des Läufers kennzeichnet .
Der Synchronismertrigger 45 bietet die Möglichkeit, die Periode T1 und die Impulsdauer t1 zu bilden, wel-
X5 ehe durch die Periode der Signale teilbar sind, die am Eingang 30 vom Bezugsfrequenzeinateliers 12 eintreffen, sowie bestimmte Phasenverhältnisee zwischen den Flanken des breitenmodulierten Signals U1- und den anderen Signalen, die zum Former 10 gelangen, vorzugeben. Auf solche Weise
trägt im Impulsbreitenmodulator 24 der Wert ,^l Q c\
eine Information über das Verhältnis von U1 zu U2, das seinerseits die geforderte Frequenz ^1 der Ströme des Läufers bestimmt.
Wird die Temperatur des Motors 5 in bezug auf einen gewissen Mittelwert um einen Betrag Q erhöht, so wird am Ausgang des Temperaturgebers 23 ein Signal (-UgC^Q) gebildet, wobei der Wert ( -O,5) durch den Ausdruck
1 U
"1 bestimmt
wird, was zur Erzeugung einer Frequenz (J-. der LäuferstrÖ-me führt, deren Wert größer als der bei Q= O ist. Gerade dies ist im realen Elektroantrieb bei einer Erhöhung der Temperatur des Motors 5 erforderlioh, weil mit zunehmender Temperatur der Wirkwiderst and des Läufers erhöht und folglich die Zeitkonstante T des Läufers verkürzt und ala Folge davon die gewünschte Frequenz td-, der Läuferströme gegenüber der Anfangsfrequenz ^1 bei Qa O vergrößert w ird.
Nun wird die Arbeit des Kanals zur Erzeugung der Frequenz <^k =( ^0 ± cd ± Ci)1) der Signale U^, U^.U^ betrachtet, die an den Bezugssignaleingängen 1^* 14, 15 der Einheit benutzt werden.
c Das Ausgangssignal-des Gebers 6 wird durch das Formier-
·> vergroiierung
glied 31 für eine / des lirehwinkels in einen Kode der Rotationsfrequenz des Läufers umgesetzt, der den Eingängen des regelbaren Frequenzteilers 32 zugeführt wird. Am maßstabgebenden Eingang des Frequenzteilers 32 gelangen Spannungsimpulse vom Bezugsfrequenzeinsteller 12. Am Ausgang des regelbaren Frequenzteilers 32 werden Spannungsimpulse mit einer iOlgefrequenz F^ geliefert, welche am Eingang 21 des Formers 10 ankommen.
Der Bezugs Signalformer 10 ist in Form einer Reihenschaltung aus einer logischen Einheit, einem Flip-Flop- y ausgebildet
-Frequenzteiler und einem De kodier er/(die se sind in Fig.1,2 nicht gezeigt). Die Frequenz des Ausgangssignals des Flip- -Flop-Frequenzteilers ist gleich dem Verhältnis einer Anzahl von am Eingang des Frequenzteilers angekommenen Impulsen zur Kapazität desselben. Daher erhält man die Komponente £ 6) der Frequenz a) ^ durch eine Teilung der Frequenz F-* , während sioh die Komponente ( (O^ + ^1) durch Änderung einer mittleren Anzahl von Impulsen ergibt, die am Eingang des Flip-Flop-Frequenzteilers innerhalb einer Zeitspanne ankommen, die durch die Periode T^
des breitenmodulierten Signals U1-, festgelegt ist. Dazu realisiert die logische Einheit eine Funktion (F2B +FJi), in der ß ein breitenmoduliertes Signal, F2 eine Impulsfolge, die überflüssige Impulse gegenüber der Impulsfolge mit einer vom Einsteller 12 erzeugten Frequenz enthält, F^ eine Impulsfolge, die auf der Basis der Impulsfolge FQ gebildet ist, aus der Impulse in einer solchen Menge herausgeschnitten werden, die gleich der Zahl überflüssiger Impulse in
Ti der Impulsfolge F2 ist. Dementsprechend ist bei t.= -——
55, die mittlere Frequenz am Eingang des Flip-Flop-Frequenzteilers gleich FQ und die Ausgangsfrequenz cd .
Ist t.. größer als Tj , so überwiegt die Impulsfolge χ ~2~
F2, und die Ausgangsfrequenz des Flip-Flop-Frequenzteilers
- 20 wird gleich (A> + ^1).
Dadurch werden am Ausgang des Flip-Flop-Frequenzteilers des Formers 10 Impulse mit einer Frequenz
^k ~( 1^o- 6^l- ^d) erzeugt, welche unter Zuhilfenahme des Dekodierers in ein Drehphasensystem von Impulsen Ukl'Uk2* Uk3 ^sef011111* werden.
Der Umstand, daß die Information über die Frequenz ^1 der Läufer ströme in Form von breitenmodulierten Impulsen und die Information über die Rotationsfrequenz ύύ des Läufers in Form einer Impulsfolge mit unveränderlicher Impulsdauer sowie die Phasen der genannten Impulse durch Synchronisierung mit den Impulsen des Einstellers 12 streng einander zugeordnet sind, gestattet es, die Frequenz der atome des Läufers des Motors 5 bei -Regelung dessen Drehmomentes bei Betriebszuständen mit regelbarer und konstanter Leistung an der Welle und bei bestehenden Schwankungen des TemperatUrzustandes vorzugeben.
Dies ermöglicht es, die Genauigkeit der
Steuerung des Drehmomentes des Motors unter den Bedingungen beizubehalten oder zu verbessern, bei denen die Größe der Ständerströme hoohpräzis erzeugt wird und folglich die Anwendungsmögliohkeiten für den Elektroantrieb in hochpräzisen Metallbearbeitungsmaschinen erweitert »erden.
Die mechanischen Kennlinien des erfindungsgemäßen Elektroantriebs sind weich. Das Drehmoment wird durch das Signal U, bestimmt. Der Elektroantrieb mit weichen Kennlinien wird unmittelbar zur Regelung der Beschleunigung einer Belastung angewendet.
Falls dererfindun/jsgeraäße Elektroantrieb zur Regelung der Rotationsfrequenz (Winkelstellung) einer Belastung eingesetzt wird, gewinnt man Informationen über die Ist-Frequenz(Winkelstellung) der Belastung mit Hilfe des Läuferrot ationsfrequenz-Vervielfaohers 18 und bildet den Wirkstromgeber 1 des Ständers als Frequenzregler aus.
Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Elektroantriebs, der sich durch hohe Genauigkeit der Steuerung des Dreh-
momentβs in statischen und dynamischen Betriebszuständen auszeichnet, wird ermöglioht,schnellwirkende Regelsysteme für die Geschwindigkeit und Stellung der Arbeitsorgane verschiedener Maschinen aufzubauen, «as zur Erzielung einer hohen Güte bei der Bearbeitung von Werkstücken und zu einer Leistungssteigerung der Ausrüstung führt.

Claims (2)

  1. ZELLENTIN ZWEIBRÜCKENSTR. 15 8OOO MÜNCHEN 2
    Nautschno-issledowatelskij/ proektno- 1. Juli 1982 konstruktorskij i technologitscheskij Institut komplektnogo elektropriwoda
    Nowosibirsk / Sowjetunion P 89 849
    JEKTROANTEIBB MIT EIUM ASHTOHEOMOTOR
    Elektroantrieb mit einem Asynchronmotor, umfassend!
    - eine Reihenschaltung aus einem Wirkstromgeber (1) des Ständers des Kurzschlussläufer-Asynchronmotors, einem Koordinatenwandler (2), einer phasenempfindlichen Gleichrichter-Einheit (3) und einer regelbaren Stromquelle W die an die Sta'nderwirklungen des Asynchronmotors (5) ange"" schlossen ist,
    ~ einen Ire quenz er zeuger (8) fur die LSuf er ströme, dessen St euer eingang (7) an den anderen Eingang des Wirkstromgebers (1) des Standers angeschlossen ist,
    - einen Bezugssignalformer (10), dessen einem Eingang (9) der Ausgang des Irequenzerzeugers (8) fürdieLäuf er ströme voxgeschaltet und dessen Ausgänge an die Bezugssignaleinga'nge (13, 14, 15) der phasenempfindlichen Gleichrichter-Einheit (3) angeschlossen sind,
    - einen Bezugsfrequenzeinsteller (12), dessen Ausgang mit dem anderen Eingang (H) des Bezugssignalformers (10) in Verbindung steht,
    - einen Drehwinkelgeber (Ödes LSufers, welcher mit dem Bezugssignalformer (10) elektrisch verbunden ist,
    - einen Sinussignalerzeuger (17λ dessen Eingang an den Ausgang des Bezugsfrequenzeinstellers (12) angeschlossen
    dta? *"
    und dessen Ausgang mivPhasenempfindlichen Gleichrichter-Einheit (3) elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Anferißb einen Läuferrotationsfrequenz-Vervlelfaoher (18) enthält, dessen Eingänge (19* 20)an die Ausgänge des Drehwinkelgebers (6) des Läufers bzw. des Bezugsfrequenzeinstellers (12) und dessen Ausgang an den Eingang (21) des Bezugssignalformere (10) angeschlossen sind, wobei die Ausgänge des Sinussignalerzeugers (17) mit den Bezugesignaleingangen (22, 23) des Koordinatenwandlers (2) verbunden sind.
  2. 2. Elektroantrieb nach Anspruch 1, d ad u r ch gekennzeichnet, daß der Läuferrotationafrequenz-Vervielfaoher (18) eine Reihenschaltung aus einem
    Vergrößerung . _., . , ,..,, Formierglied (31) für eine / des Lauf er drehwinkels und
    einem regelbaren Stequenzteiler (32), an dessen Eingang der Ausgang des Bezugsfrequenzeinstellers (12) angeschlossen ist, aufweist.
    3· Bl ekt ro antrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Blindstromgeber (22) des Ständers und
    ein Temperaturgeber (23) des Asynohronmo^or^f^reTche^it dem Frequenzerzeuger (8) für die Läuferströme elektrisch verbunden sind,/dieser Brzeuger(8) folgende Elemente aufweist: -einen Impulsbreitenmodulator (24), dessen Steuereingang, der als Steuereingang (7)-des IPrequenzerzeugers (8) für die Läuferströme dient, an den Ausgang des Wirkstromgebers (1) des Ständers angeschlossen ist,
    -einen Summator (25)» dessen Ausgang mit dem Bezugssignaleingang (26) des Impulsbreitenmodulators (24) und dessen/Elngang, der einen zweiten Steuereingang (27) des Frequenzerzeugers (8) für die Läuferströme bildet, mit dem Ausgang des Blindstromgebers (22) des Ständers verbunden ist, der auch an einen Eingang (28) für die Regelung der Steilheit der Kennlinie des Temperatur geber s (23) des Asynchronmotors angeschlossen ist, dessen Ausgang mit dem zweiten Eingang des Summators (25) verbunden ist, wobei dieser Eingang als Eingang (29) für die Temper at urkorrek-r tür des Frequenzerzeugers (8) für die Läuferströme dient
    und ein Eingang des Impulsbreitenmodulators (24) am Ausgang des Bezugsfrequenzeinstellers (12) liegt.
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