SE422862B - Strom-tid-styrd regleranordning for en kortsluten flerfasig asynkronmotor - Google Patents

Description

7901640-9 utläggningsskriften visade exemplet erhålles som skillnaden mellan ett inställt börvärde och spänningen från en proportionellt verkan- de tachometer, inkopplad till motoraxeln. I- det ögonblick' då ramp- spänningen uppnår styrspänningens värde komer en tändpuls att bil- das, varmed resp. strömbrytare aktiveras. När sedan strömmen sjunker till noll, slås strömbrytaren av på grund av den välbekanta tyristormekanismen.

Enligt den nämnda utläggningsskriften åstadkommes nu en motsvarande tändningspunkt för de båda ytterligare faserna i växel- strömssystemet därigenom att pulser motsvarande tändningen i den observerade fasen får passera genom två olika fördröjningskretsar.

Efter den första fördröjningskretsen uppstår en fördröjning av en sjättedels period, och efter den andra erhålles en ytterligare för- dröjning på en sjättedels period. Pulser fördröjda med resp. en sjättedels och en tredjedels period åstadkommas därmed, varigenom de båda ytterligare fasernas strömbrytare tändes. I princip uppnås därmed symmetrisk tändning, vilket är en fördel bl.a. genom att man får en symmetrisk belastning av nätet.

Emellertid föreligger vid denna tidigare kända uppfinningen den nackdelen, att man måste använda fördröjningskretsar, vilka måste uppvisa relativt hög precision och därför ej är billiga.

Särskilt vid låga varvtal är hög precision nödvändig, åtminstone om belastningen är låg och tändningen måste ske ganska nära ström- mens nollgenomgång. Om tändningen nämligen sker då och då på fel sida om nollgenomgängen, kan störningar uppträda t.ex. i form av stötig gång hos motorn.

Det är ett syfte med föreliggande uppfinning att åstadkomma en enkel och ej allt för. dyr styranordning för varvtalsreglering enligt den inledningsvis nämnda styrprincipen i "fassynkronism".

Det egentliga syftet är att åstadkomma en förbättrad styr- ning av p- en växelströmsmotor av kortsluten typ, och även om en reglering med hänsyn till varvtalet med åter- koppling via en tachometer kanske ligger närmast till hands, inser fackmannen med någon eftertanke att man med min uppfinningsprincip kan styra en motor med hänsyn till någon annan mätbar reglerstor- het, t.ex. utvecklat vridmoment eller dylikt, om en lämplig givare anordnas.

Uppfinningen har en mängd intressanta tillämpningar. Man behöver bara tänka på de problem som förekommer, när det gäller I 7801640-9 att åstadkomma en tillfredsställande växelströmsdrift av person- hissr. Vid många tillämpningar, där man måste använda en noggrann varvtalsstyrning, är man för närvarande hänvisad till att använda likströmsmotorer, med de uppenbara problem detta för med sig.

I andra fall, där problemet är att få högt startvridmoment, an- vändes dubbellindade motorer, Leonardsystem o.a.

De ovan angivna fördelarna jämte andra fördelar och egenska- per, vilka kommer att framgå av den fortsatta beskrivningen, er- hålles enligt uppfinningen genom en regleringsanordning, vilken företer de i patentkrav 1 angivna särdragen.

Vid konstruktionen enligt uppfinningen användes för de olika fasernas styrningwsr sin styrkrets. Genom de elektroniska mikro- kretsarnas utveckling innebär detta inte någon särskild nackdel, varken ekonomiskt, ur utrymmessynpunkt eller med hänsyn till den vid komplicerade system annars stora risken för uppkommande elektronikfel. Grundläggande är därvid att uppfinningen anvisar ett fördelaktigt sätt att erhålla de synkronpulser som möjliggör den synkrona tändningen av strömbrytarna. Detta åstadkommas där- igenom, att särskilda hjälpfaser anordnas, vilka utgör viktade vektorsummor av för respektive lindning två olika faser. För att utföra detta föredrages användning av vanliga motstånd i spännings- delarkoppling, men i och för sig torde godtyckliga impedanser kunna användas ekvivalent. i Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen är motorn triangelkopplad, varvid strömbrytarna är anordnade, ej utanför "triangeln“ på respektive faser, utan i serie med vardera faslind- ningen och alltså på "tríangelsidorna". Det har visat sig att en särdeles jämn gang därmed kan uppnås, om en med hänsyn till nät- spänningen för stjärnkopplingavsedd motor inkopplas i triangelkopp- ling tillsammans med en anordning enligt uppfinningen. Motorn kom- mer därmed att ha en viss överkapaoitet och skulle bli överbelastad, om strömbrytarna vore tillslagna hela tiden. Därmed föreligger ett lämfiigt reglerutrymme för effekten, och man har möjlighet till kortare effektuttag, som överstiger motorns märkeffekt. Bland annat kan man därigenom förbättra startmomentet och vridmomentet vid låga varvtal.

Uppfinningen kommer nu att beskrivas i anslutning till figurerna. Fig. 1 visar ett inkopplingsschema, delvis i block- schemaform, för de tre faslindningarna i en trefasmotor. Fig. 2 är ett vektordiagram, som förklarar hur en referensfas erhålles. 7 8 01 6 4 0 - 9 14 Fig. 5 är ett blockschema över en. styrkrets -för en med en fas- lindning seriekopplad, elektronisk strömbrytare. Fig. Lvvisar en oscilloskopkurva av en spänning. Fig. 5 ett schematiskt block-- diagram över en anordning för bromsning av en motor. Fig. 6 är ett detaljerat kopplingschema över en bromsningskrets.

I fig. 1 visas det allmänna kopplingschemat vid ett utfö- ringsexempel av uppfinningen. Inkopplingen av de tre faserna R, S och T till motorns tre lindningar La, Lb och Lo via var sin ström- brytare 10 framgår utan vidare av figuren. Strömbrytarna utgöres här av triacs, men det är alldeles självklart att de under full analogi kan utbytas mot par av tyristorer på sätt som kommer att förklaras närmare i anslutning till fig. 5. Strömbrytarna styras av var sin styrkrets A, B och G. Till dessa är kopplade var sin referensfas, vilka erhålles från spänningsdelare Rq-Rz, som är in- kopplade på. sätt som framgår av figuren.

Av fig. 2 framgår hur resp. referensfas ligger i förhållande till spänningarna mellan faserna. För enkelhets skull har behandlats endast den referensfas som-användes för styrkretsen A i fig. 1. p Spänningen över lindningen La och tillhörande strömbrytare 10 följer tydligen vektorn S-R enligt vektordiagrammet i fig. 2. Referens- spänningen erhålles genom spänningsdelning mellan faserna S och T.

Motständen H1 och Ra är i exemplet resp. 1,8 Mohm och 0,8 Mohm, innebärande ett förhållande mellan deras resistanser om 2,25. Enkla geometriska och matematiska överväganden ger dä. vid handen att vektorn REF i fig. 2 ganska noggrant parallell med vektorn S-R.

Motstånden bör vara åtminstone enprocentiga. i I rig. 3 visas en lämplig,- krets för styr-kretsarna A, s, c i blockschemaform. Den utritade kretsen motsvarar kretsen k fig. 1, med hänsyn till de styrda faserna. Den visade kretsen är uppkopplad med användning av den triggermodul som under beteclming- en Philts TCA 280 A försäljes av firma Elcoma. För detaljerade upp- lysningar hänvisas till datablad från tillverkaren.

Kretsen i utföringsexemplet kan schematiskt uppfattas som innehållande en likströmskälla 50, en nollgenomgångsdetektor 51, en differentialförstärkare 52, en pulsgenerator 55, (motsvarande "rampgeneratorn" i databladen för kretsen), samt en slutförstärkare 54-. Denna är kopplad till en transformator med omsättningsförhållan- det 1:1 och två sekxmdärlindningar, vilka är kopplade till styr- elektroderna på var sin tyristor. Tyristorerna ärqgššírallellkopplade och fungerar som strömbrytare för motorns lindning La. 1 5 7901640-9 Nollgenomgångsdetektorn i kombination med motståndet R11 och kondensatorn 02 alstrar spänningsramper i sàgtandform, vilka följer på varandra och har en längd motsvarande 180 strömgrader.

Startpunkterna sammanfaller med nollgenomgångarna för referensfasen, som är kopplad till nollgenomgångsdetektorn. Spänningsramperna jäm- föres med en styrspänning, och så snart som spänningsramperna över- stiger styrspänningen, startar pulsgeneratorn 55 och avger, så länge detta förhållande består en kortare eller längre serie pulser med ett inbördes tidsavstånd av ungefär 0,6 ms. Dessa förstärkas av slutförstärkaren 54, och den av tyristorerna 56, 57, som är tändbar, kommer att tändas.

Med användning av TCA 280 A enligt ovan är värdena på de använda komponenterna följande: H10 - 4,7 Kmow 01 = 1000 1111 = 10-15 Ko.. 02 = 1 f' 1212 - 11~1o 05 = 2,2 " H15 = 150 K: 111 - 1N 4006 B14 = 680 Ko na = 1N 14148 B15 - 100 Kn 1:5 - nu - 1N 4006 B16 - aa m 1217 = 47 a En för fackmannen överraskande detalj är inkopplingen av dioderna D5 och D4. I förhållande till de tändpulser som skall aktivera tyristorerna 56 och 57 är de nämligen backspända. Slumpen och en med hänsyn till polariteten felvänd markering på en diod, som därigenom kom att bli "felinkopplad", ledde mig fram till in~ sikten om denna fördelaktiga verkan. Det hr nämligen visat sig, att denna koppling ger en utomordentligt vacker och störningsfri tëndning av tyristorer. För att få bästa verkan visar det sig dess- utom att man ej bör ha fina, dyrbara och snabba dioder utan tvärtom billiga och långsamma. Exempel pá dioder som visat sig lämpliga är 1 N 4006 och BA 148. Utan att vilja obetingat binda mig vid en baämd förklaring, som mycket väl kan vara felaktig, är för när- varande den bästa förklaringen den, att det avgörande är backspän- ningens snabbhet.

Enligt min praktiska erfarenhet är det alltså viktigt att välja dioderna Dš och D4 i fig. 5, så att de ej är för snabba, eftersom man då får en ren tändning av tyristorerna. Effektutveck- lingen i tyristorerna kan ju schematiskt beräknas såsom integralen .J 7801640-9 ._ = 6 över spänningen däröver gånger strömmen. När en tyristor leder, är spänningsfallet över densamma försumbart. När den blockerar, är strömmen försumbar. Den effekt som kan styras är därför mycket beroende av egenskaperna hos de styrpulser som styr tyristorerna.

Till saken hör också att en resolut pulsstyrning av tyristorerna tenderar att eliminera radiofrekvensstörningar. Med hänsyn till att tyristorerna är drosslade av motorlindningen, är det vidare tydligt att en så häftig strömrusning vid tyristortändningen att högfrekvensstörningar uppkommer knappast är tänkbar. Utförda praktiska försök att hitta radiostörningar stöder en dylik hypotes.

Erfarenheten har visat att den avbildade kretsen gör det möjligt att styra tyristorer vid effektiva strömmar, som närmast utgör det dubbla av vad de enligt datablad är avsedda för och ändå få dem att fungera med så låg värmeutveckling att man i vart fall ej med blotta handen kan känna någon temperaturförhöjning. i Vid de utföranden som hittills försökte har styrspänningen erhållits genom att på motorns axel monterats en tachometergenera- tor. Tachometern kopplades till ett för fackmannen ganska självklart spänningsdelarnät med möjlighet att reglera vikten av tachometer- spänningen för styrspänningens storlek. Genom att reglera E11 i fig. 3 kan man sedan ställa in det hela så att ett nollvarvsläge erhålles, där nollgenomgångsdetektorns utsignal har ett toppvärde överensstämmande med den för nollvarv avsedda styrspänningen.

Reglerförloppet går nu i princip ut på att en sänkt styr- spänning leder till att rampen till differentialförstärkaren för varje ramp under längre tid överstiger styrspänningen, varför pulsgeneratorn 53 avger fler pulser. Endast den första pulsen som kommer i en dylik serie tänder den av de båda tyristorerna som är tändbar, Resultatet blir tydligen tidigare tändning av tyristorn.

Tyristorn kommer då att leda under längre tid, motorn tillföras större effekt, får större vridmoment och går därför fortare, vilket leder till ökad, kompenserande styrspänning. En varvtalsreglering erhålles följámligen.

Genom att referensfasen är anordnad enligt ovan är det tyd- ligt att om bara en enda puls avges per 180°-period för strömmen, denna puls kommer att ligga ungefär vid nollgenomgången för spän- ningen R-S (se fig. 5). Kommer det fler pulser än en, så komer dessa med nödvändighet tidigare.

Under de förhållanden som här råder är det ganska svårt att .1 7 7801640-9 göra en beräkning på vad strömmen i motorns lindningar visar för förlopp och vilken fasförskjutning den har i förhållande till spän- ningen. Han skulle få ta hänsyn till varvtalsberoende motelektro- motoriska krafter etc. och faktiskt bygga ut teorien för växel- strömsmotorn en hel del. Det skulle leda för långt att gå in på detta här, och vi nöjer oss med att konstatera, att strömkurvorna knappast i praktiken ser ut som i fig. 2 i den anförda svenska gpatentskriften 565 673, eftersom de skall passera genom induktanser.

En inblick i problemens svårighetsgrad får man t.ex. från Shepherd: Thyristor Control of AC circuits (London 1977).

Fig. 4 visar resultatet av en mätning som gjorts med oscilloskop på punkten P i fig. 5. Den heldragna kurvan visar spänningsförloppet i punkten P, när tyristorerna är tillkopplade en ganska kort tidsandel. Större delen av tiden följer kurvan en sinusvåg motsvarande fasen S, ty tyristorerna är oledande och motorn går vid detta försök ganska sakta, så att knappast någon MMK är utvecklad över La. Strax innan spänningen mellan S och R har sin nollgenomgång kommer en av tyristorerna att bli ledande, och punkten P antar i stort sett spänningen R. Kurvan återgår till att följa S när strömmen haft nollgenomgång, något som på grund av att belast- ringen är väsentligen reaktiv inträffar efter spänningens nollgenom~ gång. Det kan konstateras, att när experimentet utföres så att tändningen sker tidigare (ej visat i figuren), släckningen sker senare och senare, tills, när motorns effekt är helt tillslagen, punkten P följer spänningen R större delen av tiden och strömmens nollgenomgång är fasförskjuten ungefär på samma sätt som vid en på normalt sätt inkopplad trefasmotor.

Ovanstående beskrivning har varit inriktad på en enda fas.

Eftersom övriga faser är symmetriskt likadana, torde detta vara tillräckligt för uppfinningens förståelse. Det må vidare påpekas att, ehuru styrsystemet beskrivits med utgångspunkt från en bestämd koppling, vars data är hänförliga till en i marknaden lätt till- gänglig integrerad krets, detta ej avses begränsa uppfinningen, som givetvis låter sig materialisera på en mångfald sätt. Styrspänning- en har t.ex. angivits bestämd genom signalen från en linjär tacho- generator, vilket är lämpligt vid en ren varvtalsstyrning. Denna kan naturligtvis göras på en mängd ganska självklara sätt, exempel- vis genom att utgå från magnetisk avkänning av en med motoraxeln roterande magnet, som avkännes med en magnetometeravkännare, 7 8 01 6 4 0 - 9 8 varifrån en varvtalsberoende signal erhålles. Man kan vidare vilja styra motorn för att åstadkomma någon annan verkan än konstant varv- tal. Exempelvis kan styrvariabeln vara det av motorn utvecklade, mekaniska vridmomentet, mätt med någon lämplig sensor. Man kan även vilja ha ett mjukt startförlopp, vilket går att åstadkomma genom att som styrspänning använda 'en spänningar-amp av lämplig utform- ning.

Vid en vidareutveckling enligt en ytterligare aspekt av uppfinningen har även insatts en bromsfunktion. Det är i och för sig välbekant att man kan få en trefasmotor att vända och gå åt motsatt håll, om man skiftar två faser., Avsikten med ifrågavarande vidareutveckling är emellertid i stället att få en förbättrad styr- ning av motorn, så att densamma även kan erhålla en mjuk inbromsning. _ Ett exempel på detta visas i fig. 5, som skall läsas sammanhang med fig. '1 och 5. Figuren visar styrningen för en enda faslindning av en motor, men fackmannen inser med ledning härav hur den andra av de faser som växlas vid bromsning skall kopplas samt att den tredje faslindningen ej behöver omkopplas. G och D styrkretsar tförda som i fig. 5. Förutom de i fig. 'I visade styrkretsarna är det alltså nödvändigt att anordna två ytterligare styrkretsar, varav den ena, betecknad D, är visad i figuren. I denna figur visas för övrigt också hur motorn kan bringas att styras genom en till densamma kopplad tachometer 40. Denna avger, beroende på varvtal, en ström av 0-140 /iA som lämpligen glättas med ej visade medel. För framåtfart inställes önskat varvtal på potentiometern 44 (som kan bytas mot en rampfunktion, om man önskar något särskilt startförlopp, t.ex. jämn acceleration av en hiss).

Så länge nu inställt värde nätt och jämnt hålles, så kommer styl- kretsen C att avge styrpulser. Om potentiometern vridas ned, kommer styrspänningen till styrkretsen C att sjunka och söka drivra upp motorns varvtal, så att tachometern ger mera ström. Om potentiome- tern vrides upp, kommer styr-spänningen att stiga, så att styrkretsen C alldeles upphör att lämna några utpulser, varigenom strömbrytaren till lindningen Lo ej längre slår till. Om man nu vill ha en broms- effekt, är det tydligt art det är vid dylika tillfällen som den skall verka. En pulsfastställande krets UA, exempelvis bestående av en grindkrets styrd av en pulsförlängande krets med lämplig tids- konstant, kommer då att avge en ettsignal, så. snart som pulserna under signifikant tidsintervall uteblir. Denna styr två reläer 14-2 7201640-9 9 och 45, varav det förra urkopplar styrkretsen G och inkopplar styrkretsen D till strömbrytaren för Lo. Det senare reläet 45 växlar fas från R till S för inkoppling till strömbrytaren. Vi kan lägga märke till att medan styrkretsen C erhåller en referens- fas från S och T, styrkretsen D erhåller sin referensfas från R och T. Vi har därmed fullständig växling mellan R och S till motorn, vilket tydligen medför riktningsändring för motorns driv- ning. g När nu styrkretsen C upphör att avge pulser, kommer puls- fastställaren 41 att driva reläerna 42 och 45, så att de slår om.

Styrkretsen D är hela tiden i gång och har en styrspänning, unge- fär motsvarande den som styrkretsen C hade vid omslag. En drivkraft kommer därigenom att ges motorn i motsatt riktning mot den förut- vrande. Genom inverkan av motståndet 46 och kondensatorn 47 kommer nu denna spänning att sjunka och bromskraften därmed att gradvis öka, något som ger fördelaktig, graduellt verkande bromsverkan.

Hela tiden är emellertid styrkretsen C inkopplad på ingångs- sidan. Detta medför att när motorn kommer ned i önskat och via inställningen av potentiometern 44 begärt varvtal, styrkretsen C kommer att ånyo avge pulser. Detta kommer att medföra att pulsfast- ställarkretsen 41 kommer att reagera på att det finns pulser på dess ingång,och detta leder till att reläerna 42 och 43 faller.

Motorn återgår till att erhålla framåtdrivning igen. - Vid ett normalt bromsförlopp kommer styrkretsarna C och D sålundaett verka växelvis, tills inbromsningen är färdig.

Det är tydligt att både startverkan och bromsverkan kan styras även på andra sättmed hjälp av särskilt anordnade styrspän- ningar. Vid t.ex. en hiss är det bästa att kuna anordna en likfor- mig acceleration till marschfarten med hjäp av ett konstant vrid- moment för motorn och därefter hålla marschfarten tills hissen skall inbromsas, och då vill man ha ett konstant bromsmoment för likformig deceleration. Ett dylikt uppträdande av ett hissmaskineri är det behagligaste och för övrigt det skonsammaste för dess meka- niska detaljer. Med ledning av det nu sagda under hänvisning till fig. 5 kan fackmannen genom lämpliga och i beroende av förekommande maskineris egenskaper avvägda konstruktionsåtgärder utan stor svå- righet uppnå ett dylikt mål.

Genom uppfinningen är det möjligt att använda vanliga växel- strömsmotorer vid varvtalsreglering, och i många fall kan det vara lämpligt att bygga in en anordning enligt uppfinningen i befintliga 7801640-9 ...__ __, _ _ .,V--... anordningar. Man behöver bara tänka på vikten av att hålla mycket välbestämda skärhastigheter, när det gäller skärande bearbetning med moderna material och verktyg för att inse vikten av en möjlig- het att utan allt för höga kostnader åstadkomma en modernisering av annars obsoleta verktygsmaskiner.

Den teoretiska förklaringen till föreliggande uppfinnings verkningssätt har endast antytts i det föregående och är strängt taget inte alldeles förstådd, emedan den framkommit icke genom teo- retiska a priori-kalkyler utan genom eget experimenterande. Uppfin- ningens förtjänst ligger emellertid inte på det teoretiska planet utan i att den medför en enkel och ganska billig reglering. Resulta- tet bevisar metodens riktighet.

Claims (3)

7801640-9 11 *”l"* 2 2 2"' Patentkrav

1. Ström-tid-styrd regleringsanordning för en kortsluten, fler- fasig asynkronmotor, varvid i serie med varje faslindning (La, Lb, Lc) i motorn är inkopplad en styrd elektronisk strömbrytare, så anordnad att den endast framsläpper ström genom resp. lind- ningarna under en viss andel av varje period med början vid en reglerbar tidpunkt inom varje spänningshalvperiod och med av- slutning vid strömmens nollvärdesgenomgång, varvid den regler- bara tidpunkten är bestämd av en reglersignal (STYR) och är re- fererad till spänningens nollgenomgång, k ä n n e t e c k n a d av att för bestämning av spänningens nollgenomgång för varje fas är anordnade dels en spänningsdelare (R1-R2), vars ändar är kopp- lade till var sin av två av faserna och vars delningsspänning utgör en referensfas (REF), dels en nollgenomgångsdetektor (31), kopplad till resp. referensfas (REF) och vars utsignal är anord- nad att bestämma en begynnelsetidpunkt, efter vilken den nämnda reglerbara tidpunkten är anordnad att infalla inom resp. halv- period.

2. Regleringsanordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att de tre nätfasledningarna är triangelkopplade (fig. 1) till motorn och de nämnda spänningsdelarna utgöres av vardera tvâ motstånd (R1, B2), varvid ena ändpunkten till varje spän- ningsdelareär kopplad till den ena av de till tillhörande fas- lindning tillordnade nätfaserna, medan den andra ändpunkten är kopplad till den av de tre nätfaserna som ej är tillordnad fas- lindningen i fråga, varjämte kvoten mellan de båda motståndens resistansvärden är ungefär 2,25.

3.RflflßPÜE§fin0fiÜfiDE enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e e k - n a d av att reglersignalen (STYR) är en från en till motorn kopplad tackometer (H0) kommande signal. ANFÖRDÅ PUBLIKATIONER: Sverige 313 871, 365 360 US 3 551 700, 3 714 468, 4 070 605 *'""\- __