SE456060B - Motorstyrning for reglering av en vexelstromsmotors hastighet - Google Patents

Description

456 060 uppfinning en motorstyrning, som är inrättad att kunna an- ordnas mellan en elektrisk energikälla och statorn hos en växelströmsmotor av flerfastyp för styrning av motorns hastighet. Det karakteristiska för en motorstyrning enligt uppfinningen är att den innefattar en strömstyrd växel- riktare med vâgformsgenererande organ för tillhandahållande av flerfasiga referenssignaler, vilka varierar i frekvens och amplitud i beroende av frekvens- resp. amplitudorder- signaler, âterkopplingsorgan för åstadkommande av signaler proportionella mot var och en av motorns ledningsströmmar, strömreglerorgan för jämförelse av var och en av nämnda referenssignaler från vågformsgeneratorn med en motsvarande ledningsström från nämnda âterkopplingsorgan för alstring av en felsignal, vilka strömreglerorgan även innefattar organ för jämförelse av var och en av nämnda felsignaler med ett hysteresisband för âstadkommande av pulsbreddmodu- lerade signaler för nämnda växelriktare, så att nämnda fel- signaler förblir inneslutna inom nämnda hysteresisband, och en första styrkrets för bibehållande av statorspänningen hos nämnda motor under varierande belastningar, vilken krets innefattar integratororgan för åstadkommande av en signal proportionell mot motorflödet från utgångsspänningen hos nämnda växelriktare, likriktarorgan för likriktning av nämnda signal, summeringsorgan för bestämning av skillnaden mellan nämnda utsignal från nämnda likriktarorgan och en förbestämd flödesordersignal för alstring av en flödesfel- signal, och flödesreglerorgan för âstadkommande av förstärk- ning av nämnda flödesfelsignal, vilken felsignal kopplas till nämnda amplitudstyringång hos nämnda vågformsgenere- rande organ, samt att motorstyrningen innefattar en andra styrkrets för stabilisering av rotorfrekvensen, vilken krets innefattar organ för bestämning av den reella komponenten hos motorströmmen, organ för âstadkommande av en kort puls- utsignal som svar på en ökning av den reella komponenten hos motorströmmen och summeringsorgan för bestämning av skillnaden mellan utsignalen från nämnda organ för åstad- kommande av en kort puls och en operatörsbeordrad frekvens- signal, vilken skillnad kopplas till nämnda frekvensstyr- y» ' 456 060 ingång hos nämnda vâgformsgenerator.

Förståelsen av ändamålen och fördelarna med uppfinningen underlättas av ett studium av den följande beskrivningen av en föredragen utföringsform, vilken beskrivning skall läsas i samband med bifogade ritningar.

Fig. 1 är en schematisk illustration av föreliggande uppfinning delvis i blockschemaform.

Fig. 2 är ett fasvektordiagram illustrerande förhållan- det mellan spänningarna mellan fas och nolla och luftgaps- flödet i motorn.

Fig. 3 är vâgformsdiagram illustrerande ingångs- och utgângsvågformer hos den synkrona likriktaren i fig. 1.

Fig. 1 illustrerar en växelströmsmotorstyrning. En pulsbreddmodulerad, strömstyrd växelriktare 8 innefattar en vågformsgenerator 10, som matar var och en av tre ström- regulatorer 12, 14 och 16 med en av tre sinusformade refe- renssignaler, vilka signaler var och en står i ett trefas- förhållande till varandra. Amplituden och frekvensen hos var och en av de tre sinussignalerna, som alstras av våg- formsgeneratorn, varierar i beroende av en frekvensbestäm- mande och en amplitudbestämmande insignal till vågformsgene- ratorn. Strömregulatorerna 12, 14 och 16 erhåller utöver in- signalerna från vâgformsgeneratorn var och en en insignal från strömkännare 18, 20 och 22, vilka är kopplade till växelriktarens 24 utgång. Strömregulatorerna matar puls- breddmodulerade signaler till växelriktaren 24. Effekt till- förs växelriktaren av likströmsmatningen 26. Växelriktarens utgång, vilken innefattar tre faser A, B och C, är kopplad till motorns 28 statorlindningar.

En första styrkrets 30 innefattar en differentialför- stärkare 32 med ett motstånd 34 kopplat till den negativa inanslutningen hos en förstärkare 36 och ett motstånd 38 kopplat till den positiva ingången hos förstärkaren. Till motståndet 38 är spänningen på ledningen A kopplad och till motståndet 34 är spänningen pâ ledningen B kopplad. Ett mot- stånd 40 är inkopplat mellan förstärkarens 36 positiva an- slutning och jord. Ett âterkopplingsmotstând 41 är inkopplat mellan utgången hos förstärkaren 36 och den negativa ingången 456 060 l - hos förstärkaren 36.

Differentialförstärkarens utsignal, som utgör skillna- den mellan spänningarna hos faserna A och B, bildar insignal till integratorn 42. Integratorn 42 innefattar ett motstånd 44, till vilket insignalen kopplas. Den andra änden av mot- ståndet 44 är kopplad till förstärkaren 46. Ett återkopp- lingsmotstând 48 och en återkopplingskondensator 50 är in- kopplade mellan förstärkarens 46 in- och utgång. Integra- torns utsignal bringas passera genom en likriktare och ett filter 52 och utsignalen kopplas till en negativ inanslut- ning hos en summeringspunkt 54. Till den positiva ingången hos summeringspunkten 54 är kopplad en flödesbestämmande signal Y*. Summeringspunktens utgång är kopplad till en flödesregulator 56. Flödesregulatorns utgång är förbunden med vågformsgeneratorns 10 amplitudregleringsingång.

En andra styrkrets 58 mottar ledningens C spänning vid en ingång hos en enpolig tvåvägsomkopplare 62. Omkoppla~ rens andra insignal utgörs av den inverterade spänning hos fas C från en signalinverterare 64. Integratorns 42 utgång är förbunden med den positiva ingången hos en komparator 66 och dennas negativa inanslutning är jordad. Komparatorns 66 utsignal styr positionsomkopplaren 62. Den synkront likrik- tade utsignalen från omkopplaren 62 bringas passera genom ett lågpassglättningsfilter 68, vilket i sin tur är kopplat till en krets 70 med en överföringsfunktion (JS/(s+LJ), som arbetar för att avlägsna den konstanta delen av glättnings- filtrets utsignal och för att endast låta transientändring- arna passera. En förstärkare 73 med enhetsförstärkning har ett motstånd 72 med ett värde R kopplat till sin ingång.

Mellan förstärkarens 73 ingång och utgång är ett motstånd 74 inkopplat, vilket även detta har värdet R. I serie med förstärkarens ingång är en kondensator 71 kopplad. Kretsens 70 utgång är kopplad till den negativa ingången hos en summe- ringspunkt 76. Ett annat förverkligande av överföringsfunk- tionen kan ske medelst en seriekondensator förbunden med ett motstånd som leder till jord. Utsignalen uttas mellan_mot- ståndet och kondensatorn. Den positiva ingången till summe- ringspunkten 76 är kopplad till en operatörsbeordrad frek- 456 060 vens F*. Felsignalen tillförs frekvensorderingângen hos vågformsgeneratorn 10.

Funktionen hos anordningen enligt fig. 1 kommer nu att beskrivas. Vågformsgeneratorn 10 tillför en sinusformad referenssignal till var och en av strömregulatorerna 12, 14 och 16. De sinusformade signalerna står i ett inbördes tre- fasförhållande till varandra. Referenssignalen som tillförs varje strömregulator jämförs med en motsvarande motorled- ningsströmsignal för alstring av en felsignal. Felsignalen tillförs sedan till en komparator (ej visad) anordnad i strömregulatorn och då felsignalen ligger utanför ett förut- bestämt hysteresisband i en riktning alstras en logisk "1", medan då felsignalen överstiger hysteresisbandet i den andra riktningen alstras en logisk “-1"-signal. Tåget av logiska "-1"- och "1"-pulser från var och en av strömregulatorerna utgör de pulsbreddmodulerade omkopplingssignalerna för en respektive fas hos växelriktaren. Växelriktaromkopplings- signalerna kopplas till en grindkrets, som styr paren av om- kopplare i växelriktaren, av vilka varje par hör samman med en fas hos motorn. En logisk "1"-signal, exempelvis samhö- rande med ett par omkopplare i växelriktaren, bringar den övre omkopplaren att kopplas till och den nedre omkopplaren att kopplas från och inkopplar likspänningsmatningen över en motsvarande fas hos motorn. En logisk "-1" från samma strömregulator bringar den nedre omkopplaren i paret att kopplas till och den övre omkopplaren att kopplas från, vilket förbinder likspänningskällan i motsatt polaritet över motorfasen. Den upprepade omkopplingen av tre par av växelriktaromkopplare resulterar i att en trefaseffektsignal tillförs motorn, varvid strömmen som tillförs i varje fas förblir inom det motsvarande, förbestämda hysteresisbandet.

För en mer detaljerad information avseende växelriktarens funktion hänvisas till sökandens svenska patentansökan nr 80 06633-5.

Den första styrkretsen 30 övervakar motorspänningen på ledningarna A och B. Differentialförstärkaren 32 erhåller skillnaden mellan B och A och integratorn 42 integrerar skillnaden för erhållande av flödet A-B. Dessutom avlägsnar 456 060 integratorn 42 pulsationen och en stor del av det brus som förekommer i kretsen. Den varierande flödessignalen A-B likriktas och filtreras och jämförs sedan med en beordrad flödesnivâ W5. Den resulterande felsignalen kopplas till en flödesregulator, som ger en minimi- och maximiutsignal- amplitudnivâ med förstärkning mellan två gränser. Minimi- nivån förhindrar funktion vid nollflöde (om en induktions- motor utnyttjas) och maximigränsen är nödvändig för att undvika överström i växelriktarens utgång. Utsignalen från flödesregulatorn utnyttjas för att styra amplitudinsignalen hos vâgformsgeneratorn, vilken i sin tur styr växelriktar- strömmen. Om det beordrade flödet Y* är konstant, kan en första ordningens konstant spänning-frekvensfunktion er- hållas. Då belastningen på motorn ökar och motorn matas med en konstant ström faller motorspänningen. Den minskade motor- spänningen detekteras av den första styrkretsen, som kommer att öka motorströmamplituden för att kompensera och återföra spänningen till dess tidigare värde. Då frekvensen varierar, kompenserar även integratorn i styrkretsen automatiskt för frekvensvariationer, eftersom spänningen skulle öka linjärt med hastigheten. Funktionen hos växelriktaren med den första styrkretsen resulterar i karakteristikor liknande dem hos ett spänningsväxelriktarsystem med öppen slinga med bibe- hållande av de inre egenskaperna hos ett strömstyrt puls- breddmodulerat system, nämligen variation av pulsbredden hos växelriktaromkopplingspulserna för att bibehålla strömpulsa- tionen låg och därvid hålla motorförlusterna nere. Drivkret- sen kan bringas arbeta tillsammans med varje trefasmotor genom att endast förbinda växelriktarens utgång med motorns statoranslutningar. Den pulsbreddmodulerade strömväxelrikta- ren med den första styrkretsen kan även utnyttjas som en trefaseffektmatning med konstant spänning.'Då den utnyttjas som en effektmatning bör flödesregulatorn ha enhetsförstärk- ning och integreringstidkonstanten hos integratorn 42 bör vara förhållandevis längre än den tidskonstant som utnyttjas i en drivkretstillämpning. i: 456 060 Den andra styrkretsen 58 arbetar för att åstadkomma stabilisering för rotoroscillationer eller pendling. Rotor- oscillationer erhålls till följd av de övertoner som före- kommer i växelriktarens utsignal och vilka orsakar oscille- rande vridmoment, vilket är ett problem, speciellt vid låga hastigheter. I exempelvis en 60-perioders motor är pulsa- tioner hos rotorhastigheten mest förekommande vid en mat- ningsfrekvens på 10-20 perioder. Den andra styrkretsen S8 bestämmer den reella komponenten hos motorns statorström genom att tillföra den totala statorströmmen i ledningen C till en av de båda anslutningarna hos en enpolig tvåvägs- kopplare 62 och att tillföra inverterad ström från ledningen C till dennas andra ingångsanslutning. Omkopplarens 62 läge bestäms av komparatorn 66, vilken övervakar nollgenomgângarna för flödet B-A, som ligger i fas med ledningsströmmen.

För önskad funktion hos den synkrona växelriktaren 62 är det nödvändigt att ha en signal som ligger i fas med spänningen i fas C hos motorn. Med referens till fig. 2, vilken visar fasförhållandena mellan spänningarna och 1uft~ gapsflödena i motorn, framgår, att skillnaden mellan spänningen A mellan fas och nolla och spänningen B mellan fas och nolla resulterar i en fas - till fasspänning A-B. Spänningen B-A släpar 900 efter spänningen C. Flödet till följd av spänning- en A-B ligger i fas med spänningen hos fas C och ligger i fas med den reella eller effektalstrande komponenten hos ledningsströmmen i fas C.

Flödet A-B bestäms av integratorns 42 utsignal i den första styrkretsen. Då flödet A-B är positivt, tillåter om- kopplaren 62 att ledningsströmmen passerar, medan då flödet är negativt låter omkopplaren 62 negativ ledningsström att passera från signalinverteraren 64. I fig. 3 visas de våg- former som är involverade i den synkrona likriktningen.

Fig. 3A visar flödessignalen från komparatorn. Fig. 3B visar en ström som ligger i fas med spänningen. (Vid en induktionsmotor skulle strömmen typiskt vara 300 ur fas 456 060 relativt spänningen vid full belastning.) En ström i fas _ med spänningen innebär att hela strömmen är reell och effektalstrande. Fig. 3C visar utsignalen från omkoppla- ren arbetande som en synkron likriktare, då förhållandena enligt fig. 3B föreligger. Fig. 3D visar strömvågformen för ett nollbelastningstillstând med strömmen 900 ur fas relativt spänningen. Strömmen i fig. 3D har ingen reell komponent. Fig. 3E visar utsignalen från omkopplaren arbe- tande som en synkron likriktare, då förhållandena enligt fig. 3D föreligger.

Vid praktisk användning är strömmen ej en ren sinus- våg utan innefattar övertoner, som reducerar noggrannheten hos bestämningarna av den reella strömmen. Den reella ström- komponenten mätt på detta sätt är emellertid tillräckligt noggrann för stabiliseringsändamål. Utsignalen från omkopp- laren 62 passerar genom ett glättningsfilter. Vâgformen i fig. 3B resulterar i en mycket större signal vid utgången hos glättningsfiltret än vågformen enligt fig. 3E. Den reella strömmen passerar sedan genom en förstärkare 70 med enhetsförstärkning, som har en överföringsfunktionLås/(s+LJ), där s är en komplex variabel i Laplace-transformationen och pà är en funktion av frekvensen för den vågform som tillförs förstärkaren. Karakteristikorna hos överföringsfunktionen är sådana, att likströmskomponenten avlägsnas och att ök- ningar av den reella ströminsignalen till överföringsfunk- tionen resulterar i momentana snabba ändringar i utsignalen från överföringsfunktionen. Kretsens 70 utgång är kopplad för att arbeta som en negativ återkoppling för frekvens- ordersignalen. Då strömmen ökar till följd av att belast- ningen ökar på grund av verkan hos den första styrkretsen, kommer den andra styrkretsen att detektera ökningen i den reella strömkomponenten och att utmata en kort puls, som momentant nedtrycker frekvensordern till vågformsgeneratorn.

Nedtryckning av frekvensinsignalen till funktionsgeneratorn lll' bringar rotorn att snabbt sakta ned något, då belastningen ökar, vilket hindrar motorn från att ta upp vridmomentut j 456 060 omedelbart. En kort nedtryckning av frekvensen under till- stånd med ökande belastning verkar som en negativ återkopp- ling och stabiliserar rotorn mot pendlande oscillationer.

Det inses, att den föregående detaljerade beskriv~ ningen endast är avsedd att illustrera uppfinningen och att många modifikationer kan göras av denna utan avsteg från uppfinningstanken.

Claims (3)

456 060 10 Patentkrav *(1,1

1. Motorstyrning, inrättad att kunna anordnas mellan en elektrisk energikälla (26) och statorn hos en växel- strömsmotor (28) av flerfastyp för styrning av motorns hastighet, k ä n n e t e c k n a d av att den innefattar en strömstyrd växelriktare (8) med vâgformsgenererande organ (10) för tillhandahållande av flerfasiga referens- signaler, vilka varierar i frekvens och amplitud i bero- ende av frekvens- resp. amplitudordersignaler, återkopp- lingsorgan (18, 20, 22) för åstadkommande av signaler proportionella mot var och en av motorns ledningsströmmar, strömreglerorgan (12, 14, 16) för jämförelse av var och en av nämnda referenssignaler från vågformsgeneratorn med en motsvarande ledningsström från nämnda återkopplings- organ för alstring av en felsignal, vilka strömregler~ organ (12, 14, 16) även innefattar organ för jämförelse av var och en av nämnda felsignaler med ett hysteresis- band för åstadkommande av pulsbreddmodulerade signaler för nämnda växelriktare, så att nämnda felsignaler förblir inneslutna inom nämnda hysteresisband, och en första styr- krets (30) för bibehâllande av statorspänningen hos nämnda motor (28) under varierande belastningar, vilken krets innefattar integratororgan (42) för åstadkommande av en signal proportionell mot motorflödet fràuutgàngsspänning- en hos nämnda växelriktare (8), likriktarorgan (52) för likriktning av nämnda signal, summeringsorgan (54) för bestämning av skillnaden mellan nämnda utsignal från nämnda likriktarorgan och en förbestämd flödesordersignal för alstring av en flödesfelsignal, och flödesreglerorgan (56) för åstadkommande av förstärkning av nämnda flödes- felsignal, vilken felsignal kopplas till nämnda amplitud- f! styringång hos nämnda vågformsgenererande organ (10), samt att motorstyrningen innefattar en andra styrkrets (58) för stabilisering av rotorfrekvensen, vilken krets inne- Nr 456 060 11 fattar organ för bestämning av den reella komponenten hos motorströmmen, organ (70) för åstadkommande av en kort puls- utsignal som svar på en ökning av den reella komponenten hos motorströmmen och summeringsorgan (76) för bestämning av skillnaden mellan utsignalen från nämnda organ för åstad- kommande av en kort puls och en operatörsbeordrad frekvens- signal, vilken skillnad kopplas till nämnda frekvensstyrin- gång hos nämnda vâgformsgenerator (20).

2. Motorstyrning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att den andra styrkretsen (58) innefattar organ för lik- riktning av växelriktarens (8) utgångsström från en tredje utgång hos nämnda växelriktare synkront med nollgenomgången för flödet till följd av skillnaden mellan den andra och den första av växelriktarens utspänningar, och glättnings- filter (68) för glättning av utsignalen från nämnda syn- krona likriktare, samt organ (70) för âstadkommande av en kort puls som svar på en ökning av den reella komponenten hos den tredje utströmmen från växelriktaren, som en negativ âterkopplingssignal till frekvensstyrningen.

3. Motorstyrning enligt krav 2 och 3, k ä n n e t e c k- n a d av att nämnda organ för åstadkommande av en kort puls innefattar en operationsförstärkare (73) med enhets- förstärkning med en kondensator (71) i serie med nämnda förstärkares inanslutning.