SE500804C2 - Anordning för styrning av elektriska motorer - Google Patents

Description

För växelströmsdrift har asynkronmotorn med kortsluten rotor fått en mycket stor utbredning. Detta beror på att motortypen är ro- bust och framförallt på att den är billig att tillverka genom att rotorn med sina enkla, kortslutna lindningar fordrar mycket litet arbete.

Vid en asynkronmotor alstras fältet i den kortslutna rotorn medelst statorns roterande fält, som bildas vid en trefasström, respektive som vid enfas kan alstras genom hjälpkretsar. För att detta skall ske erfordras en viss eftersläpning hos rotorn i förhållande till synkronitet med statorfältet så att detta passerar rotorns kort- slutna lindningar. Ett högre utvecklat drivmoment erfordrar högre inducerat fält i rotorn, vilket uppkommer genom en större efter- släpning ju större belastningen är. Vid mycket stor eftersläpning börjar momentutvecklingen minska med risk för att motorn faller ur och stannar. Sådan låg momentutveckling föreligger även vid start, asynkronmotorn har ett lågt startmoment från stillaståen- de. Dessa egenskaper och begränsningar gör att motorn fàtt en be- gränsad användning vid nämnda likströmsapplikationer även om in- sättandet av den nödvändiga växleströmsomvandlaren för motordrif- ten idag ofta inte betraktas som någon avsevärd nackdel.

Uppfinningens ändamål och lösning: Uppfinningens ändamål är att anvisa en styrkrets för drift av asyn- kronmotorer och särskilt drift av sådana motorer från en likströms- källa. Därvid är inriktningen att övervinna nämnda nackdelar och åstadkomma en motordrift, som anpassar sig till motorns momentbe- lastning och som även därvid ger ett gynnsamt startförlopp.

Detta åstadkommes på det sätt, som framgår av den kännetecknande delen i patentkravet 1. Närmare bestämt utnyttjar man avkänning av en uppträdande elektromotorisk kraft, som eftersläpningen ger upphov till när en rotorlindningsström blir noll. Storleken och varaktigheten hos denna EMK ökar vid ökande eftersläpning, så- ledes med ökande belastning. Detta konstateras vid drivning med fyrkantpuls, medan vid drivning med sinusvàg förhållandet ej är lika väl detekterbart.

I f: 1"? C: f* i ef u u' L* ”I Med elektroniska medel kan storleken och varaktigheten hos för- ändringen av EMK uppmätas och användas för styrning av motorn.

Förändringen har en viss proportionalitet till eftersläpningen och således till är inrättad att kontrollera värdet för EMK genom ändring av driv- momentbelastningen. Om en styrningsutrustning frekvensen får man en motor, som arbetar vid relativt konstant utvecklat moment men varierande varvtal. Detta skapar även för- bättrade momentförhållande vid start.

Dessutom kan vid drivomständigheter, där även motståndsmomentet sjunker med sjunkande varvtal, vilket är fallet vid accelera- tionspumpar och -fläktar, en intelligent reglering erhållas, så att en strypning av flödet, vilket ger upphov till större ström- ningsmotstånd, minskar varvtalet och därmed pump-/fläkttrycket.

En användningsidé i projektet är att denna möjlighet skall utnytt- jas för drift av särskilt pumpar och fläktar vid vilka flödesreg- lering erfordras. Flödesregleringen sker därvid genom strypning av flödet, varvtal anpassas till det vid strypningen ökade motståndet, så vilket ger upphov till den nämnda effekten att motorns att det producerade flödet anpassas till behovet vid ett energi- ekonomiskt drivsätt.

Ytterligare kan nämnda styrning användas för att överhuvudtaget göra asynkronmotorn lämplig för likströmsdrift, där man för när- varande inom många användningsområden enbart använder permanent- magnetsynkronmotorer med elektronisk kommutering i de fall, sär- skilt vid krav på långa serviceintervall, där borstkommutering ej kan accepteras.

Ritningar gällande uppfinningen: I det följande beskrives en utföringsform av uppfinningen med hänvisning till bifogade ritningar på vilka visas: I fig. 1 ett diagram över den föredragna utföringsformen av styrkretsen; och I fig. 2-5 ett antal diagram visande pulsförhållanden under mo- tordriften.

Föredragen utföringsform: I fig. 1 visas ett schema, där de ingående komponenterna genom omslutande linjer delats i ett antal funktionsblock; Därvid an- ges med 1 en likströmskälla, företrädesvis ett batteri. Till detta är direkt anslutna en spänningskontrollerad oscillator 2, en komparator 3 och en brygga 4 för alstring av en trefas driv- ström, vilken matas till statorlindningarna i en kortsluten asyn- kronmotor 5. Mellan oscillatorn och bryggan för alstring av driv- ström är anslutet en generator 6 för bryggans 4 styrning.

Till komparatorn 3 är via en pulsseparator 7 anslutet en omvand- lare 8 för omvandling av pulstàget frán separatorn 7 till en likström, vilken föres till oscillatorn för spänningsstyrning av densamma. Separatorn är dessutom ansluten till generatorn 6.

Komparatorn 3 är förutom nämnda anslutningar till strömkällan 1 och till separatorn 7 ansluten till en av motorns matarledningar, vilka betecknas med 10, 11 och 12.

I fig. 1 visas inom de enskilda blocken ingående elektroniska komponenter med sedvanliga schablonbeteckningar. Valet av typ av komponenter, dessas prestanda och sammankoppling kan inom ramen för uppfinningen varieras i beroende av krav på driv- förhållanden, kostnadsramar och komponenttillgång och kan även vara beroende av framtagning av nya typer av komponenter lämpliga för användning i föreliggande sammanhang. Den detal- jerade uppbyggnaden av anordningen skall därför ej närmare be- skriva annat än när så är nödvändigt för förståelse för den cen- trala uppfinningstanken.

När det gäller kretsarna för alstring av drivströmmen till mo- torn 5, således oscillatorn 2, generatorns 6 och motorbryggan 4 är dessa uppbyggda enligt kända principer för alstring av en trefasström genom matning från en likströmskälla. Därvid gäller vid föreliggande uppbyggnad med den spänningsstyrda oscillatorn att frekvensen hos drivströmmen är beroende av spänningen hos styrströmmen, som vid 15 överföres till oscillatorn från omvand- laren 8. Med förändring av oscillatorfrekvensen förändras även motorns varvtal.

Vid den uppgift, som skall lösas genom uppfinningen och som anges inledningsvis, skall motorns varvtal anpassas efter drivmomentet, på sådant sätt att eftersläpningen ej ökar till sådant värde, att motorn faller ur och stannar. Detta åstadkommes enligt uppfin- ningen genom att drivströmmens frekvens anpassas till momentför- hållandena och vid den uppbyggnad som visas sker detta genom styr- ning av oscillatorn 2 närmast från omvandlaren 8 och på grundval av en detektering av motorns belastning medelst avläsning av puls- förloppet i någon matarledning för motorströmmen i komparatorn 3.

Detta ger sedan upphov till en ändrad styrspänning från omvandla- ren 8, som vid 15 överföres till oscillatorn 2 och styr den att ändra sin frekvens.

I diagrammet i fig. 2 visas pulsformen hos den signal, som avtap- pas från matarledningen 10 vid 16 och föres till komparatorn 3.

Därvid visas att efter varje drivpuls 18 alstras en puls 19 genom ett med-EMK när statorfältet passeras av det inducerade fältet från rotorlindningarna vid den för alstring av rotorfältet nöd- vändiga eftersläpningen. På ett motsvarande sätt alstras vid en ny puls 20 genom ett mot-EMK en spänningssänkning 21. Båda dessa avvikelser från den rena pulsen har en spänningsnivå, som är be- roende av eftersläpningens storlek. Ju större eftersläpningen är ju större blir också de inducerade rotorströmmarna och därmed ökar även med-EMK och mot-EMK. Dessa variationer i spänningsnivå markeras med streckprickade linjer inom partierna 19 och 21. I komparatorn 3 förändras detta pulståg till att vara sammansatt av rena fyrkantpulser mellan bestämda spänningsnivàer. Därmed kommer pulsbredden för de pulser, som motsvarar pulserna 19 och 21 att få en variation i pulslängd, som är direkt proportionell till variationen i spänningsnivå i pulsen enligt fig. 2. Denna omvandlade puls visas i fig. 3. I fig; 4 visas hur detta varie- rande pulståg separeras, så att enbart de pulser som represente- rar spänningssänkningarna 21 matas ut från separatorn vid 25 i fig. 1 till omvandlaren 8. Denna i sin tur ger en likström, vars spänningsnivå förändras med storleken hos pulserna 24 från sepa- ratorn 7.

Detta visas i fig. 5 genom spänningsnivåer, där fortfarande en större eftersläpning indikeras med en heldragen linje och en min- re med en streckprickad linje. Därmed har man uppnått den föränd- liga styrsignalen vid 15 till den spänningsstyrda oscillatorn 2.

Därvid är styrningen av densamma så inrättad, att en ökande spän- ning genom ökande eftersläpning ger en minskande frekvens ut fràn oscillatorn och därmed ett minskande varvtal hos motorn. Vid driv- förhållanden, där momentbelastningen är beroende av varvtalet kan vid ökande yttre belastning momentbehovet sänkas om motorns varv- tal tillàtes minska. Om detta kan ske automatiskt, såsom åstad- kommes genom uppfinningen, får man således en anpassning av motorns drivfunktion till varierande drivförhållanden. Detta är ej möjligt vid en asynkronmotor driven vid en fast frekvens, den kan endast arbeta inom ett begränsat eftersläpningsintervall i förhållande till det synkrona varvtalet.

Vid minskande momentbelastning och minskande eftersläpning fås en varvtalsstegring, vilken begränsas till ett värde genom att oscil- latorn är anpassad att ge en förutbestämt, maximal frekvens. I kom- paratorn kan man med hjälp av de fyra motstànden 26, 27, 28 och 29 bestämma vid vilken belastning, således eftersläpning, som kompa- ratorn skall aktiveras. Spänningsförändringen 19, 21 (fig. 2) de- las i punkten mellan motstànden 26 och 29. När spänningen blir större än i punkten mellan 27 och 28 aktiveras komparatorn att ge en signal till separatorn 7. Separatorn skiljer den önskade pul- sen från andra signaler såsom visas i fig. 3. Man kan genom ändrat förhållande mellan motstànden 26 och 29 förutbestämma motorns vrid- UIOIDGHÉ .

En styrning av en asynkronmotor med hjälp med styranordningen en- ligt uppfinningen är särskilt fördelaktig vid belastningsfall, där moment minskar med minskande varvtal. Ett sådant fall är pumpdrift och fläktdrift. Ett ökande flöde ger där upphov till ett ökande motstånd och därmed ett ökande momentbehov. Motsatt ger ett mins- kande motstånd behov av ett ökande flöde om ett visst tryck skall kunna upprätthållas.

I drivning under sådana förhållanden med en motor med åtminstone nära nog fast varvtal uppkommer vid ökat flödesmotstånd, exempel- vis genom att man reglerar flödet med ventiler, vid drift med en accelerationspump/-fläkt (av centrifugaltyp exempelvis), ett ökande tryck men framförallt stora förluster i pumphuset, vilka avges som värme.

Betydligt bättre och mera ekonomiska drivförhållanden kan uppnås om varvtalet kan varieras efter motståndet på ett självregleran- de sätt såsom uppnås vid uppfinningen.

Anordningen enligt uppfinningen ger dessutom bättre startförhål- landen än som normalt uppnås vid en asynkronmotor. I startögon- blicket kan eftersläpningen sägas vara total. Detta ger mycket lågt moment för uppstartning och därför är det vanligen ej möj- ligt att använda asynkronmotorer där något avsevärt startmoment föreligger. Där man ändå önskar använda asynkronmotorer i såda- na fall måste dessa förses med något slags hjälplindningar för starten. Vid anordningen enligt uppfinningen uppnås dock genom den föränderliga frekvensen vid oscillatorn ett startförlopp, som medger momentbelastning redan från stillastående.

Claims (3)

1. 0 15 20 25 30 35 Patentkrav 10 asynkronmotor driven medelst en trefas växelström, vilken skapar ett roterande magnetfält i motorn, som vid viss varvtalseftersläpning från synkront varvtal i rotorn Anordning för styrning av elektriska motorer av typen inducerar ett fält, som ger det för rotorns rotation nödvändiga fältet, varvid för alstring av motorns (5) drivström är anordnad en oscillator (2) och en av densam- ma frekvensstyrd och förutsättningsvis från en likströms- källa (1) matad generator (4, 6) för växelspänningen, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att som oscillator (2) användes en sådan typ, vars utgående frekvens be- stämmes av nivån på en ingående styrspänning (vid 15), varvid styranordningen (3, 7, 8) är anordnad att mottaga den puls, som vid motorns (5) drift uppstår i dess matar- ledningar (10-12) för växelström, och därvid är anordnad att detektera förändringar i drivspänningens pulsform, vilka uppkommer genom elektromotoriska krafter inducerade från motorlindningarna när dessa passeras av rotorns inducerade fält, vilka förändringar i storlek varierar med eftersläpningens storlek, och att på grundval av nivån hos sagda förändringar inducera en proportionell spänning, vilken överföres till oscillatorn (2) för dess frekvensstyrning, varigenom vid förändringar i det motorn belastande vridmoment sagda styrspänning förändras och oscillatorns frekvens och därmed motorns varvtal för- ändras, så att en anpassning till drivmotståndet uppnås.

2. Anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k - n a d d ä r a v, att styranordningen innefattar en komparator (3), vilken är anordnad att omvandla föränd- ringsnivån från drivspänningen till ett pulståg av pulser 10 vars längd förändras proportionellt med den förändrade spänningsnivån, vilket pulståg omvandlas i en omvandlare (8) tillhörande styranordningen till en likström, vars spänning är beroende av pulsernas längd och som föres vidare till oscillatorn (2) för styrning av densamma.

3. _Anordning enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k - n a_d d ä r a v, att mellan komparatorn (3) och omvand- laren (8) är inkopplad en separator för avskiljande av de till längd varierande pulserna (22, 23), angivande efter- släpningen, från andra pulser i signalen från komparatorn (3)-