DE3543941A1

DE3543941A1 - Verfahren zum ermitteln der drehzahl einer noch drehenden drehfeldmaschine

Info

Publication number: DE3543941A1
Application number: DE19853543941
Authority: DE
Inventors: Georg Dipl Ing Heinle
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1985-12-12
Filing date: 1985-12-12
Publication date: 1987-06-19
Also published as: AT398657B; ATA198786A; US4839589A; DE3543941C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ermitteln der Drehzahl einer noch drehenden Drehfeldmaschine.

Es sind Schaltungen für Asynchronmaschinen im Handel erhältlich, mit denen man einen Umrichter auf eine noch drehende Asynchronmaschine zuschalten kann. Dabei prägt der Umrichter der Asynchronmaschine einen Soll-Strom ein, der beispielsweise der Nennstrom der Asynchronmaschine sein kann. Dabei durchfährt der Umrichter von der Frequenz Null Hz beginnend in Richtung Maximalfrequenz das Frequenzband der zu suchenden Asynchronmaschine. Während dieses Hochlaufvorganges wird der magnetische Fluß der Maschine berechnet. Solange die Frequenz des Umrichters mehr als der Nennschlupf der Asynchronmaschine von der Maschinenfrequenz abweicht, d. h. außerhalb des Frequenzfensters sich befindet, ist der magnetische Fluß sehr klein. Wenn die Abweichung zwischen Umrichterfrequenz und Maschinenfrequenz kleiner wird als der Nennschlupf der zu "suchenden" Asynchronmaschine, baut sich der Fluß mit einer Flußzeitenkonstanten auf. Überschreitet der Fluß einen vorbestimmten Grenzwert, so wird dies als Kriterium dafür gewertet, daß die Umrichterfrequenz und die Maschinenfrequenz annähernd gleich sind, d. h., der Betriebspunkt der noch drehenden Asynchronmaschine ist gefunden worden. Sobald dieses Kriterium erfüllt ist, wird der Umrichter in den Normalbetrieb umgeschaltet.

Durch das Suchen des Betriebspunktes der noch drehenden Asynchronmaschine oder einer Synchronmaschine entsteht eine erhebliche Zeitverzögerung. Diese Zeitverzögerung entsteht, weil nur während der Umrichter das Frequenzfenster der zu suchenden Drehfeldmaschine durchläuft, sich ein ausreichender magnetischer Fluß in der Drehfeldmaschine aufbauen kann. Nur innerhalb des Frequenzfensters kann der vorbestimmte Wert des magnetischen Flusses überschritten werden, wenn eine ausreichende Zeit zum Flußaufbau vorhanden ist. Dieses Überschreiten des vorbestimmten Wertes des magnetischen Flusses wird als Kriterium ausgewertet, daß der Betriebspunkt der noch drehenden Drehfeldmaschine gefunden ist. Wenn man die Suchgeschwindigkeit erhöht, kann es möglich sein, daß das Frequenzfenster zu schnell durchlaufen wird. Dadurch kann sich kein genügender Fluß aufbauen, so daß der vorbestimmte Wert des magnetischen Flusses nicht überschritten wird. Das Überschreiten dieses vorbestimmten Wertes des magnetischen Flusses wird aber als Gefunden- Kriterium ausgewertet. Somit kann der Betriebspunkt der noch drehenden Drehfeldmaschine nicht gefunden werden und der Umrichter kann nicht auf diese Drehfeldmaschine umgeschaltet werden, um die beispielsweise wieder zu beschleunigen. Außerdem muß beim Zuschalten von Umrichtern auf noch drehende Drehfeldmaschinen die Umrichterausgangsspannung bzw. der Umrichterausgangsstrom dieselbe Frequenz bzw. sogar dieselbe Phasenlage wie die Drehfeldmaschine besitzen. Da die Drehfeldmaschinen meistens keinen Tachogenerator besitzen, ist es nicht möglich, den Umrichter mit der richtigen Frequenz auf die gefundene Drehfeldmaschine zu schalten.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren derart zu verbessern, daß ohne Tachogenerator die Drehzahl einer noch drehenden Drehfeldmaschine erheblich schneller ermittelt wird, wodurch der Umrichter mit der der Läuferdrehzahl entsprechenden Frequenz auf die noch drehende Drehfeldmaschine geschaltet werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird wenigstens eine der durch die Remanenz des Läufers in den Statorwicklungen induzierten, in ihrer Frequenz der Läuferdrehzahl entsprechenden Sinusspannungen ausgewertet. Dabei wird wenigstens eine Sinusspannung, die an einer Statorklemme ansteht, mittels eines Rechteckformers in eine symmetrisch verlaufende Rechteckspannung umgewandelt. Die Frequenz und die Phasenlage der Rechteckspannung stimmen mit der Frequenz und der Phasenlage der induzierten Sinusspannung überein. Anschließend wird aus dieser Rechteckspannung ein ihrer Frequenz proportionales Ausgangssignal gebildet. Da die Frequenz bzw. die Periodendauer dieser induzierten Sinusspannung nicht vom Maschinentyp oder der Maschinentemperatur abhängig ist, erhält man ein Verfahren, das allgemein bei Drehfeldmaschinen gilt. Durch die Bestimmung der Drehzahl der noch drehenden Drehfeldmaschine kann man einerseits den Umrichter mit der der Läuferdrehzahl entsprechenden Frequenz auf die noch drehende Drehfeldmaschine zuschalten und andererseits ist die Suchgeschwindigkeit des Suchlaufs erheblich vergrößert, weil bei diesem Verfahren die Suchgeschwindigkeit nicht mehr von dem Frequenzfenster der Drehfeldmaschine abhängig ist.

Zur schnelleren Ermittlung der Drehzahl einer noch drehenden Drehfeldmaschine werden drei durch die Remanenz des Läufers induzierte Sinusspannungen ausgewertet. Dabei wird jede Sinusspannung in eine symmetrische Rechteckspannung mittels eines Rechteckformers umgewandelt. Jede dieser Rechteckspannungen wird über eine monostabile Kippschaltung in Taktsignale gewandelt. Aus diesen Taktsignalen wird dann ein deren Frequenz proportionales Ausgangssignal gebildet. Durch dieses dreiphasige Verfahren wird die Ermittlungszeit der Drehzahl wesentlich verringert, da gegenüber dem einphasigen Verfahren drei Sinusspannungen ausgewertet werden, deren Taktsignale um 120° phasenverschoben sind. Somit werden zur Bildung eines Ausgangssignals dreimal soviel Taktsignale pro Periode ausgewertet wie beim einphasigen Verfahren. Dies wirkt sich besonders günstig aus bei niedrigen Drehzahlen einer noch drehenden Drehfeldmaschine.

Zur schnelleren Ermittlung der Drehzahl einer bei niedrigen Drehzahlen noch drehenden Drehfeldmaschine werden aus zwei in den Statorwicklungen induzierten Sinusspannungen n Hilfssinusspannungen mit jeweils beliebig einstellbaren Phasenlagen gebildet. Somit kann man die Anzahl der Taktsignale, aus denen ein der Drehzahl proportionales Signal gebildet wird, bestimmen. Damit wird die Zeit zur Ermittlung der Drehzahl wesentlich verringert. Diese Verringerung wirkt sich besonders bei sehr niedrigen Drehzahlen der noch drehenden Drehfeldmaschine aus.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Durchführungen des Verfahrens nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße einphasige Schaltungsanordnung zur Ermittlung der Drehzahl einer noch drehenden Drehfeldmaschine, in

Fig. 2 ist eine dreiphasige Schaltungsanordnung dargestellt, in

Fig. 3 ist eine n-phasige Schaltungsanordnung veranschaulicht und

Fig. 4 zeigt eine Schaltungsanordnung mit einer Periodendauermessung.

In der Fig. 1 ist eine einphasige Schaltungsanordnung zur Ermittlung der Drehzahl einer noch drehenden Drehfeldmaschine 2 dargestellt. Dabei ist eine Statorklemme 4 der drei Statorklemmen 4, 6 und 8 mit einem nichtinvertierenden Eingang 10 eines Komparators 12, der als Rechteckumformer vorgesehen ist, verbunden. Der invertierende Eingang 14 ist mit einer Bezugsspannung M, hier das Massepotential, verbunden. Der Ausgang 16 des Komparators 12 ist mit einem Frequenz-Spannungs-Wandler 18 verbunden, wobei dessen Ausgang 20 ein drehzahlproportionales Ausgangssignal U _DA führt. Da das Weicheisen des Läufers eine geringe Remanenz besitzt, auch wenn der magnetische Fluß bereits abgebaut ist, wird in den Statorwicklungen eine geringe Sinusspannung U _S induziert. Diese Sinusspannungen U _S sind an den Statorklemmen 4, 6 und 8 entnehmbar. Die Frequenz bzw. die Periodendauer dieser induzierten Sinusspannung U _S ist unabhängig vom Maschinentyp, Bauart oder der Maschinentemperatur. Eine dieser induzierten Sinusspannungen U _S wird mittels des Komparators 12 mit der Bezugsspannung M verglichen. Am Ausgang 16 des Komparators 12 erhält man eine Rechteckspannung U _R, deren Frequenz und Phasenlage mit der Frequenz und Phasenlage der Sinusspannung U _S übereinstimmt. Somit ist die Sinusspannung U _S in eine proportionale Rechteckspannung U _R umgewandelt worden. Der Frequenz-Spannungs-Wandler 18 bildet aus dieser Rechteckspannung U _R ein drehzahlproportionales Ausgangssignal U _DA, das am Ausgang 20 bereitgehalten wird.

Mit dieser einfachen Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfinderischen Verfahrens ist es möglich, die Drehzahl einer noch drehenden Drehfeldmaschine 2 zu ermitteln. Mit dieser Ermittlung der Drehzahl ist man beim Suchen des Betriebspunktes einer noch drehenden Drehfeldmaschine 2 nicht mehr abhängig vom Frequenzfenster der Drehfeldmaschine 2. Somit ist der Suchlauf wesentlich kürzer und man kann den Umrichter mit der der Läuferdrehzahl entsprechenden Frequenz auf die noch drehende Drehfeldmaschine 2 schalten.

In der Fig. 2 ist eine dreiphasige Schaltungsanordnung veranschaulicht. Dabei ist jede Statorklemme 4, 6 und 8 mit einem nichtinvertierenden Eingang 10 eines Komparators 12 verbunden. Jeweils der invertierende Eingang 14 der Komparatoren 12 ist mit dem Massepotential als Bezugsspannung M verbunden. Jeder Ausgang 16 der Komparatoren 12 ist mit einem Monoflop 22 als monostabile Kippschaltung verbunden. Jeder Ausgang dieser Monoflops 22 ist mit einem Widerstand 24 verbunden, wobei die die Ausgänge der Widerstände 24 gemeinsam mit einem Kondensator 26 verbunden sind. Am Verbindungspunkt 20 der Widerstände 24 mit dem Kondensator 26 wird ein drehzahlproportionales Ausgangssignal U _DA bereitgehalten. Die Monoflops 22, die Widerstände 24 und der Kondensator 26 bilden zusammen einen Frequenz-Spannungs-Wandler 18. Die Rechteckspannungen U _R an den Ausgängen 16 der Komparatoren 12 werden mit Hilfe der Monoflops 22 jeweils in Taktsignale U _T umgewandelt, wobei jedes Monoflop 22 auf die Flanken der jeweiligen, anliegenden Rechteckspannung U _R kurzzeitig in den nicht stabilen Zustand geht. Dadurch erhält man den Flanken jeder Rechteckspannung U _R entsprechend ein Taktsignal U _T als Impulsfolge. Durch die Addition der drei Taktsignale U _T erhält man dreimal soviele Impulse, aus denen mit Hilfe des Tiefpasses ein analoges, der Drehzahl der noch drehenden Drehfeldmaschine 2 proportionales Ausgangssignal U _DA gebildet wird. Dadurch, daß alle drei induzierten Sinusspannungen U _S in den Statorwicklungen in Rechteckspannungen U _R umgewandelt werden, kann man selbst kleinere Drehzahlen der Drehfeldmaschine 2 ermitteln. Außerdem kann man den Kondensator 26 verkleinern, da ein Summentaktsignal, bestehend aus den drei Taktsignalen U _T, in das Ausgangssignal U _DA umgewandelt wird. Ein weiterer Vorteil dieser Schaltungsanordnung besteht darin, daß man mit Hilfe eines bekannten Drehrichtungsdiskriminators aus wenigstens zwei Rechteckspannungen U _R zusätzlich die Drehrichtung der noch drehenden Drehfeldmaschine 2 ermitteln kann.

Fig. 3 zeigt eine n-phasige Schaltungsanordnung, bei der aus zwei in den Statorwicklungen induzierten Sinusspannungen U _S n Hilfsspannungen U _HS1 bis U _HSn mit jeweils beliebig einstellbaren Phasenlagen gebildet werden. Diese beiden Sinusspannungen U _S werden an den Statorklemmen 4 und 6 entnommen. Dabei sind für jede Hilfssinusspannung U _HS1 bis U _HSn zwei Proportionalglieder 28 und 30 vorgsehen. Eingangsseitig ist jedes Proportionalglied 28 bzw. 30 mit der Statorklemme 4 bzw. 6 der Drehfeldmaschine 2 verbunden. Ausgangsseitig sind zwei Proportionalglieder 28 und 30 mittels eines Addierglieds 32 miteinander verbunden. Diese Addierglieder 32 sind jeweils mit dem nichtinvertierenden Eingang 10 der Komparatoren 12 verbunden. Jeder Ausgang 16 der Komparatoren 12 ist mit einem Monoflop 22 verbunden, wobei deren Ausgänge jeweils über einen Widerstand 24 gemeinsam mit einem Kondensator 26 verbunden sind. Die Proportionalglieder 28 und 30 können beliebig eingestellt werden. Mit Hilfe dieser Proportionalglieder 28 und 30 werden die induzierten Sinusspannungen U _S unterschiedlich gewichtet, so daß jeweils mittels des Addiergliedes 32 eine Hilfssinusspannung U _HS1 bis U _HSn gebildet wird, die sich untereinander insbesondere durch die Phasenlage unterscheiden. Jede dieser Hilfssinusspannungen U _HS1 bis U _HSn wird mittels der Komparatoren 12 in einer Rechteckspannung U _R1 bis U _Rn umgewandelt. Mit Hilfe des Frequenz-Spannungs- Wandlers 18 werden die Rechteckspannungen U _R1 bis U _Rn in Taktsignale U _T1 bis U _Tn, die dann als Summensignal in ein der Drehzahl des Läufers der Drehfeldmaschine 2 proportionales Ausgangssignal U _DA umgewandelt werden. somit erhält man eine einfache Schaltungsanordnung, mit der man kleinste Drehzahlen des Läufers der noch drehenden Drehfeldmaschine 2 ermitteln kann, damit man den Umrichter auf die noch drehende Drehfeldmaschine 2 zuschalten kann.

In Fig. 4 ist eine Schaltungsanordnung angegeben, die die Periodendauer der aus der induzierten Sinusspannung U _S umgewandelten Rechteckspannung U _R mißt. Dabei ist der Ausgang 16 des Komparators 12 mit einem Eingang 34 eines UND-Glieds 36 verbunden. Der zweite Eingang 38 des UND- Glieds 36 ist mit einem Taktgenerator TG verbunden und dessen Ausgang ist mit einem Zähler 40 verbunden. Außerdem ist der Ausgang 16 des Komparators 12 einerseits mit dem Reset-Eingang 42 des Zählers 40 und andererseits mit dem Taktflanken-Eingang 44 eines dem Zähler 40 nachgeschalteten Speichers 46 verbunden. Dem Speicher 46 ist ein Digital-Analog-Wandler 48 nachgeschaltet, dem ein Reziprokwertbildner 50 nachgeschaltet ist. Am Ausgang 52 des Reziprokwertbildners 50 wird das der Drehzahl des Läufers der noch drehenden Drehfeldmaschine 2 proportionale Ausgangssignal U _DA bereitgehalten.

Bei dieser Schaltungsanordnung wird folgendermaßen aus der Rechteckspannung U _R das Ausgangssignal U _DA gebildet. Bei jeder positiven Flanke der Rechteckspannung U _R wird der Zähler 40 gestartet. Bis zur folgenden negativen Flanke der Rechteckspannung U _R zählt der Zähler 40 die Taktimpulse des Taktgenerators TG. Mit der negativen Flanke der Rechteckspannung U _R sperrt das UND-Glied 36, wird der Zählerstand in den Speicher 46 übernommen und wird der Zähler 40 zurückgesetzt. Der im Speicher 46 vorhandene digitale Periodendauerwert der Sinusspannung U _S kann einem Prozessor zur weiteren Verarbeitung zugeführt werden. Hier in diesem Ausführungsbeispiel wird der gespeicherte Zählerstand im Digital-Analog-Wandler 48 in ein analoges Signal umgewandelt. Dieses Analogsignal wird mittels des Reziprokwertbildners 50 in einen reziproken Wert umgewandelt. Mit der folgenden positiven Flanke der Rechteckspannung U _R wird das UND-Glied 36 wieder geöffnet und die Taktimpulse des Taktgenerators TG werden vom Zähler 40 gezählt. Somit erhält man eine digitale Ausführungsform der Schaltungsanordnung zum Ermitteln der Drehzahl einer noch drehenden Drehfeldmaschine 2, wobei die Periodendauer zur Ermittlung der Drehzahl der noch drehenden Drehfeldmaschine 2 ausgewertet wird, so daß der Umrichter mit der der Läuferdrehzahl entsprechenden Frequenz auf die noch drehende Drehfeldmaschine 2 zugeschaltet werden kann.

Claims

1. Verfahren zum Ermitteln der Drehzahl einer noch drehenden Drehfeldmaschine (2), dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der durch die Remanenz des Läufers in den Statorwicklungen induzierten, in ihrer Frequenz der Läuferdrehzahl entsprechenden Sinusspannungen (U _S) mittels eines Rechteckformers in eine symmetrisch verlaufende Rechteckspannung (U _R) umgewandelt wird, wobei die Frequenz und die Phasenlage dieser Rechteckspannung (U _R) mit der Frequenz und der Phasenlage der induzierten Sinusspannung (U _S) übereinstimmt, und daß aus dieser Rechteckspannung (U _R) ein deren Frequenz proportionales Ausgangssignal (U _DA) gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei wenigstens zwei Sinusspannungen ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß jede Rechteckspannung (U _R) über eine monostabile Kippschaltung in Taktsignale (U _T) gewandelt wird, wobei das Puls-Pausenverhältnis der Taktsignale (U _T) so gewählt ist, daß die Pulszeiten der Taktsignale (U _T) voneinander getrennt sind, und daß aus diesen Taktsignalen (U _T) ein deren Frequenz proportionales Ausgangssignal (U _DA) gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus zwei in den Statorwicklungen induzierten Sinusspannungen (U _S) n Hilfssinusspannungen (U _HS1 bis U _HSn) mit jeweils beliebig einstellbaren Phasenlagen gebildet werden, und daß diese Hilfssinusspannungen (U _HS1 bis U _HSn) jeweils in eine symmetrische Rechteckspannung (U _R1 bis U _Rn) umgewandelt werden, wobei die Frequenz und die Phasenlage dieser Rechteckspannungen (U _Rl bis U _Rn) mit der Frequenz und der Phasenlage der jeweiligen Hilfssinusspannung (U _HS1 bis U _HSn) übereinstimmt.

4. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Statorklemmen (4, 6, 8) der Drehfeldmaschine (2) mit dem nichtinvertierenden Eingang (10) eines als Rechteckformer vorgesehenen Komparators (12) verbunden ist, wobei der invertierende Eingang (14) mit einer Bezugsspannung (M) beaufschlagt ist, und daß der Ausgang (16) des Komparators (12) mit einem Spannungs-Frequenz-Umsetzer (18) verbunden ist, dessen Ausgang (20) das Ausgangssignal (U _DA) führt.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Statorklemme (4, 6, 8) der Drehfeldmaschine (2) mit dem nichtinvertierenden Eingang (10) eines Komparators (12) verbunden ist, wobei jeweils der Ausgang (16) des Komparators (12) mit einem Monoflop (22) verbunden ist, und daß jedes Monoflop (22) mit einem Tiefpaß versehen ist, wobei ein Kondensator (26) für die Tiefpässe vorgesehen ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Hilfssinusspannung (U _HS1 bis U _HSn) zwei Proportionalglieder (28, 30) vorgesehen sind, die eingangsseitig jeweils mit einer Statorklemme (4, 6, 8) der Drehfeldmaschine (2) und ausgangsseitig mit einem Addierglied (32) verbunden sind, und daß der Ausgang jedes Addiergliedes (32) mit einem nichtinvertierenden Eingang (10) eines Komparators (12) verbunden ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der drei Statorklemmen (4, 6, 8) der Drehfeldmaschine (2) mit dem nichtinvertierenden Eingang (10) eines Komparators (12) mit nachgeschaltetem UND-Glied (36) verbunden ist, wobei der zweite Eingang (38) des UND-Glieds (36) mit einem Taktgenerator (TG) verbunden ist, daß der Ausgang des UND-Gatters (36) mit einem Zähler (40) verbunden ist und daß der Zähler (40) über einen Speicher (46) mit einem Digital-Analog-Wandler (48) verbunden ist, dem ein Reziprokwertbildner (50) nachgeschaltet ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gkennzeichnet, daß der Reset-Eingang (42) des Zählers (40) und der Taktflanken-Eingang (44) des Speichers (46) mit dem Ausgang (16) des Komparators (12) verbunden ist.