WO1987000364A1 - Procede et dispositif de reduction des pertes d'un moteur a induction dans le fer et dans le cuivre - Google Patents

Procede et dispositif de reduction des pertes d'un moteur a induction dans le fer et dans le cuivre Download PDF

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WO1987000364A1
WO1987000364A1 PCT/EP1986/000372 EP8600372W WO8700364A1 WO 1987000364 A1 WO1987000364 A1 WO 1987000364A1 EP 8600372 W EP8600372 W EP 8600372W WO 8700364 A1 WO8700364 A1 WO 8700364A1
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WO
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current
induction motor
load
ignition angle
value
Prior art date
Application number
PCT/EP1986/000372
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English (en)
French (fr)
Inventor
Axel Weisse
Original Assignee
Ifl Ingenieurgesellschaft Für Leistungselektronik
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Publication date
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/02—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using supply voltage with constant frequency and variable amplitude
    • H02P27/026—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using supply voltage with constant frequency and variable amplitude whereby the speed is regulated by measuring the motor speed and comparing it with a given physical value
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/26—Power factor control [PFC]

Definitions

  • the invention relates to a method for reducing the iron and copper losses of an induction motor which is connected to a voltage source with its stator winding via at least one solid-state switch and which has a rotor connected to a load, the closing time of the solid-state switch depending on the. acting on the rotor load torque is changeable, and on a device for performing the method.
  • a control circuit for reducing the iron and copper losses of induction motors which drive loads of different sizes is already known (DE-OS 31 25 675).
  • the stator current is measured for a certain time after the start of a current wave.
  • the rise time and the magnitude of the inrush current during this time, which is a few hundred microseconds, as well as the timing of the start of the current wave are parameters which are decisive for the efficiency of the induction motor.
  • the quantities specified above are demodulated together and combined to form a signal which is a measure of the efficiency.
  • the demodulator connected to the current measuring device emits a DC voltage signal, the level of which is proportional to the load when the supply voltage of the induction motor is the nominal voltage.
  • the invention is based on the object of further developing a method of the type described in the introduction such that a minimum current sufficient for the operation of the respective load is fed into the induction motor for various loads with great accuracy.
  • the object is achieved by the measures described in claim 1.
  • the measures specified in claim 1 after a change in the load torque to be applied by the rotor, the high-efficiency operating mode is achieved again in a relatively short time.
  • the magnetizing current is set to the minimum value necessary to drive the respective load. This results in a low reactive power, so that the power factor is improved.
  • the load current of the induction motor is measured at the respective ignition angle and compared with an upper and lower, stored current value, the excitation of the induction motor being increased by reducing the ignition angle when the upper limit value is exceeded, while the excitation when the value falls below the lower limit value is reduced by increasing the ignition angle.
  • the induction motor is continuously adjusted to optimal operating conditions with variable loads, i. H . the efficiency that is favorable for the respective load.
  • the stored upper current value is preferably approximately 60% and the stored lower current value A0% of the current occurring at the breakdown torque for the terminal voltage corresponding to the ignition angle.
  • the ignition angle is preferably changed according to a predetermined dependency between the starting current and the starting speed. With this measure, the respective induction motor is started smoothly.
  • the full voltage is not immediately applied to the induction motor, but a lower voltage due to phase gating or. Phase section control placed. This voltage causes a lower start-up current, so that the network load is lower.
  • the ignition angle for the Control of the induction motor during startup are selected so that the tightening torque exceeds the load torque by a certain amount, so that a rapid startup to the nominal speed is guaranteed.
  • the load current is determined from the square root of the difference between the squares of the instantaneous values of the total current and the idle current. This determination takes into account the dependency between total current and no-load current which can be seen from the pie chart.
  • Load currents are sufficiently precise to reduce the losses of the induction motor and to achieve the smallest possible magnetizing current and a small phase shift between current and voltage.
  • the load current is expediently continuously compared with the maximum load current specified in accordance with the ignition angle. If the load current falls below this value, the breakdown torque is undershot. The start-up process has ended. The end of startup is reported to the user via a relay contact.
  • the solid-state switches are preferably controlled in such a way that direct currents flow through the stator windings.
  • the current generated in the rotor brakes the motor.
  • the brake circuit is automatically canceled.
  • the thermal load is taken into account by means of the maximum time.
  • Speed control of the induction motor is favorable. By comparing the speed setpoint and the actual speed value, the speed can be controlled over a wide range in the "speed control" mode.
  • the actual speed value can be measured both analogue from a speedometer machine and digitally using a simple pulse generator.
  • the direction of the rotating field is preferably detected in an initialization phase.
  • the ignition pulses are automatically switched in the correct order. This means that the user does not have to pay attention to the phase sequence when connecting.
  • a light is generated by means of a lamp when the idle current is too high, flashing light at an idle current corresponding to the type and no light when the idle current is too low.
  • the test is carried out while the induction motor is idling.
  • an apparatus for carrying out the method described in one of claims 1 to consists in that a
  • Fig. 1 is a circuit diagram of an arrangement for achieving the best possible efficiency of a variable loads
  • FIG. 2 shows a diagram of the temporal course of voltages and currents of a stator winding of the induction motor in accordance with the phase control of voltages of the induction motor according to FIG. 1 ,
  • FIG. 3 shows a diagram of the type of storage of the time profile of the idle currents of the induction motor according to FIG. 1 depending on the ignition angle of the phase control
  • FIG. 1.10 an equivalent circuit diagram for the induction motor according to FIG. 1.10 '
  • Fig. 5 shows a circuit diagram of an arrangement for achieving the best possible
  • a three-phase induction motor 1 contains three stator windings 2, 3, 4, each of which is connected via a current transformer 5 »6, 7 and a solid-state switch 8, 9, 10 to a three-pole switch 11 which is connected on the input side to the three.
  • Phases of a voltage source 12 is connected, which is z.
  • B. is a low-voltage three-phase network.
  • control electrodes of the solid-state switch 8 to 10 the z. B. thyristors in anti-parallel connection or triacs are connected to the outputs of a microcomputer 13 which contains a multiplexer 14 which is connected with one input to a secondary winding of the current transformers 5, 6 and 7.
  • the multiplexer 14 is with an analog-to-digital converter
  • the induction motor 1 has a rotor 19 to which a load 20 is coupled, which is, for. B. by one
  • the stator windings 2, 3, 4 are connected to the mains voltage in phase control or phase control by means of the solid-state switches 8, 9, 10.
  • the solid-state switches 8, 9, 10 work as an alternating current divider.
  • the Fig. 2 shows for an ignition delay angle of 90 ° with respect to the zero crossing Voltage shows the course of the total current I flowing through the current transformers 5, 6, 7 and the voltage U across the stator windings 2, 3, 4.
  • FIG. 2 shows the no-load current I and the load current I related to the stator side.
  • the time t is plotted in the abscissa direction and the respective current and voltage values in the ordinate direction.
  • the no-load current I n is the sum of a current that causes magnetization as a reactive current and a current that covers the iron losses and friction losses. It is assumed that the idling EMF remains essentially constant for the same ignition angle approximately in the range of the loads occurring on the induction motor 1.
  • the period of 360 ° is e.g. B. divided into 16 discrete sections, on which the respective value of the idle current is determined and stored digitally.
  • an ignition angle of (X) there are therefore sixteen values for the idle current
  • Induction motor 1 contained in memory 17 in the form of a table.
  • current values I are shown in a Z-axis direction, each of which in turn can comprise two groups of currents, namely maximum permissible currents and optimal currents for the respective ignition angle 0 ⁇ and the section of the period.
  • the maximum permissible currents and the optimal currents preferably define the range for a given ignition angle Q and a certain section of the period within which the current may fluctuate without changing the ignition angle with changing loads on the induction motor.
  • the firing angles ( ⁇ , the period segments and the associated currents are preferably stored in the form of matrices.
  • Fig. 4 shows the equivalent circuit diagram of the induction motor 1.
  • L. and L « represent the leakage resistances of the stator and (converted to the stator side) the rotor winding.
  • r. and r 2 / s are those Effective resistances of the stator and (converted to the stator side) of the rotor.
  • R represents a resistance corresponding to the iron losses.
  • L J is the reactance corresponding to the resistance of the entire magnetic circuit.
  • the effective resistance of the rotor 19 is proportional to the ohmic resistance r «of the rotor winding and inversely proportional to the slip ⁇ ) of the induction motor. It can be seen from this that the
  • Load current 1 is a function of the slip ⁇ and the magnetization.
  • the phase shift between the stator voltage and the total current I is also dependent on the slip s ⁇ . It follows that the slip and magnetization, i.e. H. the river, 'is a function of the load.
  • the induction motor 1 is thus in leading edge or. Phase section control operated that for the respective load, for. B. part of the nominal load, while maintaining the speed intended for the load, the total current I by reducing the proportion of the no-load current I
  • Multiplexer 14 and the A / D converter 15 can be determined. From the
  • the load current I is required to drive the respective load. Subsequently, the ignition angle X is changed by the proportion of idle current I-. to reduce the total current. The total current I is thus reduced.
  • the load current is then calculated from the new total current I determined by measurement and that no-load current I 1 which is associated with the changed ignition angle. If the load current I has remained unchanged, the changed ignition angle is maintained, since this results in smaller losses in the induction motor 1, ie the efficiency of the induction motor 1 becomes greater. If the load current I by changing the ignition angle is also changed, the ignition angle is reset in the opposite sense until the minimum total current 1 is reached for a certain load current I. q.
  • the change in the ignition angle Q is preferably carried out taking into account the transmission behavior of the rotor 19.
  • the rotor 19 forms an oscillatory device which has a certain inertia.
  • the excitation of the induction motor 1 depends on the value of the voltage applied.
  • the applied voltage can be set to desired values by the gate and / or section control.
  • the excitation of the induction motor therefore changes with the ignition angle.
  • the breakdown torque and the permissible load current change accordingly with the ignition angle.
  • the nominal data ie the nominal voltage and the nominal power or the nominal current, are given for a specific induction motor. 'The nominal current includes current component a load current and a Leerlauf ⁇ .
  • the breakdown torques and the maximum permissible currents are measured or calculated for various firing angles and thus for the voltages and excitations that are assigned to these firing angles. The maximum permissible currents and breakdown torques are then saved depending on the respective ignition angles.
  • the load current is compared with limit values. These limit values are preferably based on the current I,. based.
  • the upper limit of the load current can be, for example, 60% of the current occurring at the breakdown torque.
  • the lower limit of the load current is e.g. B. specified with 40% of the current occurring at the breakdown torque. Falls below the load current at a certain ignition angle the lower limit, ie 0.4 I-. . , then the excitation can be reduced, ie the ignition can be triggered at a later time.
  • the comparison with the assigned current at the breakdown torque is then carried out again. If, in the course of an increase in the load torque, the load current reaches the upper limit, ie 0, 6 I,. , exceeds, then the excitation is increased by an earlier ignition of the controllable rectifier. This results in a different torque characteristic of the induction motor 1, z. B. the tilting moment increases. This different torque characteristic also results in a different, for example smaller, load current.
  • the magnetic flux of the rotating field of the induction motor 1 changes. H. excitation of the induction motor in the event of a sudden change in the applied voltage only after a certain time delay. To compensate for this time delay, the applied voltage is specified in the event of a change in the ignition angle according to a differential behavior. In this way, oscillations of the rotor 19 can be avoided.
  • the solid-state switches 8 to 10 are therefore controlled in phase-angle control by the microcomputer 13 when the rotor 19 starts up.
  • the start-up curve can be contained in the memory 17 in the form of different firing angles for successive periods of the mains voltage.
  • the measures for reducing the iron and copper losses are only carried out when the induction motor 1 has at least approximately reached its speed corresponding to the respective load or partial load. For this reason, the achievement of an expedient speed for the release is monitored. This is done by continuously measuring the motor current and comparing the motor current with a given current.
  • the slip of the induction motor 1 can be obtained from the following relationship:
  • Idle current value I but also a maximum current value for I o q stored.
  • This maximum current value is characteristic of a slip value that lies between the stall slip and the nominal slip.
  • the typical slip value for the maximum current value results approximately at a torque that is a factor of 1.8 above the nominal torque. If it is determined when the induction motor 1 starts up when comparing the current flowing into the motor with the stored maximum current that the current has reached or exceeded the maximum current, this is taken into account as the end of the start-up. The process steps for reducing the iron and copper losses are then released.
  • the memory 17 are preferably for different frequencies, for. B. 50 Hz and 60 Hz, in tables the values of no-load currents I_. stored depending on different ignition angles ⁇ . Depending on the frequency of the voltage source 12, the corresponding storage values are selected by actuating the input elements 18. Furthermore, it is useful to store the values of idle currents I n as a function of different ignition angles Q ⁇ for engines with different powers in tables. The corresponding stored values can then be assigned to the respective engine type using the input elements 18.
  • a short response time combined with high dynamic stability can be achieved in the event of load changes.
  • the minimum power consumption at the respective load is achieved via a power-related flow control. This automatically results in an optimal value for the power factor. Because with simple Means a soft start can be achieved, the network connection performance can be limited, ie the effort for connection to the network is less.
  • the microcomputer 13 which polls the current transformers 5, 6, 7 cyclically and synchronously with the three phase voltages, can evaluate the measured values of the total current i with regard to whether a loss of current in one or two phases causes a fault in indicates the leads to the induction motor 1.
  • the microcomputer 13 can output a corresponding message in this case and z. B. lock the solid-state switch 8 to 10. It is also possible to determine via the measured currents whether the respective phase voltages are still present in the correct order.
  • the direction of rotation of the motor is stored in advance and adapted to the setting of the motor.
  • the power drawn by the induction motor 1 de voltage source 12 can also be determined.
  • the voltage s value can be fed to the microcomputer via the input elements 18. It is also possible to measure the voltage continuously and to supply the microcomputer via corresponding analog-digital conversion devices.
  • Temperature monitoring using the microcomputer 13 is also possible. From the squares of the measured currents, the electrical heat losses over predetermined periods can be determined with the aid of the microcomputer. Taking into account the heat dissipated by natural or forced cooling, it can be determined whether there are excess temperatures in the induction motor. In this case, a corresponding message is generated. The current losses are calculated from the resistances of the induction motor 1. The following relationship is preferably used for the calculation: I 2 (r, + R) + 1 2 (rl + __l). o 1
  • the difference between the electricity heat losses generated and the heat dissipation is formed.
  • the difference can be used to determine whether the induction motor 1 is continuously heating up or is exceeding a critical threshold.
  • FIG. 5 contains essentially the same components as the arrangement according to FIG. 1.
  • the same components in FIGS. 1 and 5 are provided with the same reference numerals.
  • Varistors 22 are connected in parallel to the solid-state switches 8, 9 and 10 which are designed as triacs.
  • the current transformers 5, 6, 7 are each connected to burden resistors 23 on the secondary side.
  • the microcomputer 13 contains the multiplexer 14 with a downstream A / D converter 15, which is connected to a bus 24 for data and addresses.
  • a bus 24 is a microprocessor 26, a memory 27, for. B. a PROM, a RAM (not shown), a timer 28 and an input / output circuit 29 are connected.
  • the input / output circuit 29 is connected via a pulse shaper stage 30 to the control electrodes of the solid-state switches 8 to 10.
  • a control panel 31 is also connected to the input / output circuit 29 and contains display and input elements which are not shown in detail.
  • An expedient embodiment enables the startup processes of the induction motor 1 to be monitored when the voltage is switched on to the stationary induction motor.
  • the currents in the stator windings 2, 3 and 4 change.
  • the load currents in the stator windings 2, 3 and 4 also change.
  • the run-up process is practically complete when the breakdown torque is exceeded.
  • the load current reaches a certain value at the time of the tipping moment, which can be a maximum value.
  • This value e.g. B. the maximum value is entered for the respective induction motor 1 via the input elements 18 in the microcomputer 13 and stored in the RAM memory.
  • the load current is compared continuously or in the sampling periods matched to the duration of a startup process with the value. If the determined load current falls below the predetermined value, this is indicated by a corresponding signal. B. is indicated on an indicator light as the end of the startup process.
  • the signal can also be used otherwise, e.g. B. for releasing the switching on of other power consumers can be used to relieve the network of simultaneous inrush currents.
  • the induction motor 1 can also be braked very quickly by supplying the stator windings 2, 3, 4 with direct currents.
  • the solid-state switches 8, 9, 10 are operated in phase control or phase control so that direct currents flow through the stator windings 2, 3, 4.
  • the duration of the supply of the direct currents depends on the permissible winding temperature, which is determined by the permissible thermal load on the induction motor 1 by the current and iron losses. Since the currents * in the DC brake system are determined and thus determined by the applied voltages, the maximum duration of the braking for a permissible thermal load can be calculated. The maximum duration is stored as a predeterminable value in the microcomputer 13. During braking, the braking time is continuously compared with the stored value.
  • the induction motor 1 has already stopped rotating before the maximum permissible direct current application time has been reached. This can e.g. B. can be determined with a speed monitor that generates a signal to interrupt the currents in the stator windings 2, 3 and 4 at standstill.
  • a tachometer generator 32 is connected to the rotor 19.
  • a coding disk, the divisions of which are scanned, can be used as the tachometer generator.
  • the tachometer generator 32 is e.g. B. connected to the input / output circuit 29 via an analog / digital converter, not shown.
  • the actual speed values are measured with the tachometer generator 32.
  • the respective speed setpoint is entered into the microcomputer 13 via the control panel 31 and stored therein.
  • the microcomputer 13 determines the control deviation from the actual speed value and the speed setpoint value and influences the phase control and / or phase control of the solid-state switches 8, 9, 10 in such a way that the control deviation becomes as small as possible.
  • An operating element 33 for switching on and an actuating element 34 for switching off the induction motor 1 are provided in the control panel 31.
  • the induction motor 1 is connected to the voltages of the three phases in the manner specified above.
  • the solid state switch 8, 9, 10 is driven by the microcomputer 13 so as to be 'that the induction motor 1 z. B. is switched off after a braking operation from the network.
  • the induction motor 1 can therefore be switched on and off using electronic means.
  • the device thus has an input for motor start and an input for motor stop, so that the motor can be switched on and off, including all of the above, as with electronic protection
  • Part of the initialization procedure of the microcomputer 13 is the measurement of the currents in the stator windings 2, 3, 4 and the determination of the chronological order of the currents. Each sequence is assigned a specific direction of rotation of the induction motor 1. An indication of the direction of rotation is stored in the microcomputer 13 and can be set on the control panel 31. If during the initialization procedure in which the induction motor 1 is rotated, a deviation of the rotational speed from the selected rotational speed is determined by the microcomputer 13, then the order of ignition of the solid-state switches 8, 9, 10 is changed so that the direction of rotation of the Induction motor 1 reverses.
  • the measurement of the sequence of the currents via the current transformers 5, 6, 7 only gives a clear indication of the direction of rotation if the connection between the current transformers 5, 6, 7 and the associated stator winding 2, 3, 4 is always the same, ie during assembly is not set arbitrarily.
  • a clear assignment is possible using sensors in the motor with which the direction of rotation of the rotating field is detected.
  • the direction of rotation of the induction motor 1 can also be determined on the basis of the time sequence of the pulses of the two pulse sequences by means of a coding disk with two divisions arranged offset from one another and scanned to generate two pulse sequences.
  • the currents from induction motors differ depending on the power, the number of poles and the rotor design.
  • the value of the idle current of the induction motor 1 to be controlled can be entered into the microcomputer 13 via the control panel 31 and then saved.
  • the induction motor 1 is idling, at least the current flowing into a stator winding in one phase is measured and compared with the stored value. The result of the comparison is shown on a lamp 35, which is preferably designed as an LED.
  • the lamp 35 remains switched off. If the idle current is too high, the lamp 35 flashes. If the measured current is equal to the specified value within adjustable tolerances, the lamp 35 emits a steady light. The test is carried out at idle and ensures the correct assignment of the engine and stored control or regulation parameters.

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Description

Verfahren und Vorrichtung zur Verminderung der Eisen- und Kupferver- luste eines Induktionsmotors
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verminderung der Eisen- und Kupferverluste eines Induktionsmotors , der mit seiner Statorwicklung über mindestens einen Festkörperschalter an eine Spannungsquelle angeschlossen ist und der einen mit einer Last verbundenen Rotor aufweist, wobei die Schließzeit des Festkörperschalters in Abhängigkeit von dem .auf den Rotor einwirkenden- Lastmoment veränderbar ist, und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens .
Es ist bereits eine Regelschaltung zur Verminderung der Eisen- und Kupferverluste von Induktionsmotoren bekannt, die unterschiedlich große Lasten antreiben (DE-OS 31 25 675 ) . Bei dieser Regelschaltung wird der Statorstrom während einer gewissen Zeit nach dem Beginn einer Stromwelle gemessen. Die Anstiegszeit und die Größe des Einschaltstroms während dieser Zeit, die einige hundert MikroSekunden beträgt, sowie die zeitliche Lage des Beginns der Stromwelle sind Parameter, die für den irkungs- grad des Induktionsmotors maßgebend sind. Die vorstehend angegebenen Größen werden gemeinsam demoduliert und zu einem Signal vereinigt, das ein Maß für den Wirkungsgrad ist. Der an die Strommeßeinrichtung angeschlossene Demodulator gibt ein Gleichspannungssignal ab , dessen Höhe der Last proportional ist , wenn die Speisespannung des Induktions- motors die Nennspannung ist. Änderungen der Speisespannung verschlech¬ tern daher den Wirkungsgrad der bekannten Anordnung . Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung dahingehend weiterzuentwickeln , daß für verschiedene Lasten mit großer Genauigkeit ein für den Betrieb der jeweiligen Last ausreichender, minimaler Strom in den Induktionsmotor eingespeist wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 beschriebenen Maßnahmen gelöst. Mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen wird nach Änderungen des vom Rotor aufzubringenden Lastmoments in relativ kurzer Zeit wieder die einen hohen Wirkungsgrad zeigende Betriebsweise erreicht. Der Magnetisierungsstrom wird auf den für den Antrieb der jeweiligen Last notwendigen, minimalen Wert eingestellt. Damit ergibt sich eine geringe Blindleistung, so daß der Leistungsfaktor verbessert wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird beim jeweiligen Zündwinkel der Laststrom des Induktionsmotors gemessen und mit einem oberen und unteren, gespeicherten Stromwert verglichen, wobei beim Überschreiten des oberen Grenzwertes die Erregung des Induktionsmotors durch Verkleinerung des Zündwinkels erhöht wird, während bei der Unterschreitung des unteren Grenzwertes die Erregung durch Vergrößerung des Zündwinkels vermindert wird. Mit dieser Maßnahme wird der Induktionsmotor bei veränderlichen Lasten fortlaufend auf optimale Betriebsbedingungen, d. h . den für die jeweilige Last günstigen Wirkungsgrad, eingestellt . Der gespeicherte obere Stromwert ist vorzugsweise ungefähr 60 % und der gespeicherte untere Stromwert A0 % des beim Kippmoment für die dem Zündwinkel entsprechende Klemmenspannung auftretenden Stroms .
Vorzugsweise wird nach dem Anlegen des stillstehenden Induktionsmotors an die Spannungsquelle der Zündwinkel nach einer vorgegebenen Abhängigkeit zwischen Anlaufstrom und Anlaufdrehzahl verändert. Mit dieser Maßnahme wird ein Sanftanlauf des jeweiligen Induktionsmotors erreicht . An den Induktionsmotor wird nicht sofort die volle Spannung , sondern eine geringere Spannung durch Phasenanschnitt- bzw . Phasenab¬ schnittsteuerung gelegt . Diese Spannung ruft einen geringeren Anlauf ström hervor, so daß die Netzbelastung kleiner ist . Die Zündwinkel für die Steuerung des Induktionsmotors beim Hochlaufen sind so gewählt , daß das Anzugsmoment das Lastmoment um ein gewisses Maß übersteigt, so daß ein schnelles Hochlaufen auf die Nenndrehzahl gewährleistet ist .
Es ist günstig, den Zündwinkel in Abhängigkeit von der Zeitkonstante des Rotors nach einem D-Verhalten zu verändern .
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der Laststrom aus der Quadratwurzel der Differenz der Quadrate der Momentanwerte des Gesamtstroms und des Leerlauf Stroms bestimmt . Diese Bestimmung berücksichtigt die an Hand des Kreisdiagramms ersichtliche Abhängigkeit zwischen Gesamtstrom und Leerlaufstrom. Die so erhaltenen Werte des
Laststroms sind für die Reduzierung der Verluste des Induktionsmotors und der Erzielung eines möglichst kleinen Magnetisierungsstroms und einer kleinen Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung ausreichend genau.
Zur Zeit des Hochlaufs des Induktionsmotors wird der Laststrom zweckmäßigerweise kontinuierlich mit dem entsprechend dem Zündwinkel vorgegebenem maximalen Laststrom verglichen. Unterschreitet der Laststrom diesen Wert, so ist das Kippmoment unterschritten . Der Anlaufvorgang ist beendet. Über ein Relaiskontakt wird dem Anwender das Ende des Hochlaufens gemeldet.
Soll der Induktionsmotor nach dem Ausschalten aktiv gebremst werden, so werden vorzugsweise die Festkörper-Schalter so angesteuert , daß durch die Ständerwicklungen Gleichströme fließen. Der dadurch im Rotor erzeugte Strom bremst den Motor ab. Nach einer vorgegebenen Maximalzeit wird die Bremsschaltung automatisch wieder aufgehoben. Die thermische Belastung wird mittels der Maximalzeit berücksichtigt .
Eine Drehzahlregelung des Induktionsmotors ist günstig . Mit dem Vergleich von Drehzahl-Sollwert und Drehzahl-Istwert kann bei einer Betriebsart "Drehzahlregelung" die Drehzahl über einen großen Bereich geregelt werden. Der Drehzahl-Istwert kann sowohl analog von einer Tachomaschine als auch digital über einen einfachen Impulsgeber gemessen werden. In einer Initialisierungsphase wird vorzugsweise die Richtung des Drehfelds erfaßt. Es werden selbständig die Zündimpulse in die richtige Reihenfolge umgeschaltet. Der Anwender braucht dadurch beim Anschließen nicht auf die Phasenfolge zu achten.
Zur Prüfung des Anschlusses der richtigen Nennleistung und Type wird mittels einer Leuchte bei zu hohem Leerlauf ström Blinklicht, bei einem der Type entsprechenden Leerlaufstrom Dauerlicht und bei zu kleinem Leerlauf ström kein Licht erzeugt. Die Prüfung erfolgt während des Leerlaufs des Induktionsmotors .
Eine Vorrichtung zur Durchführung der in einem der Ansprüche 1 bis beschriebenen Verfahren besteht erfindungsgemäß darin, daß ein
Stromwandler zwischen der Spannungsquelle und dem Induktionsmotor an einen Analog-Digital-Wandler angeschlossen ist, der mit einem Mikrorech¬ ner verbunden ist, der einen Speicher enthält , in dem für eine Reihe von Zündwinkeln die Momentanwerte der Leerlaufströme des Induktionsmotors gespeichert sind und ' der ausgangsseitig mit einem in Reihe mit ' dem Stromwandler -gelegten Fes'tkörperschalter verbunden ist. Mit dieser Anordnung können mehrere Werte der jeweiligen Welle des Gesamt- und des Leerlauf Stroms zur Bestimmung des Laststroms verwendet werden. Es ist daher eine gute Abstimmung auf die jeweiligen Gegebenheiten des Induktionsmotors und der Last möglich.
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 15 bis 21 beschrieben.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten, Merkmale sowie Vorteile ergeben.
Es zeigen :
Fig. 1 ein Schaltbild einer Anordnung zur Erzielung eines möglichst guten Wirkungsgrads eines mit veränderlichen Lasten beaufschlagbaren
Dreiphasen-Induktionsmotors , Fig. 2 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs von Spannungen und Strömen einer in Phasenanschnittsteuerung von Spannungen beaufschlagten Statorwicklung des Induktionsmotors gemäß Fig . 1 ,
5 Fig. 3 ein Schema der Art der Speicherung des zeitlichen Verlaufs der Leerlaufströme des Induktionsmotors gemäß Fig . 1 in Abhängigkeit vom Zündwinkel der Phasenanschnittsteuerung ,
Fig . ein Ersatzschaltbild für den Induktionsmotor gemäß Fig . 1. 10 '
Fig . 5 ein Schaltbild einer Anordnung zur Erzielung eines möglichst guten
Wirkungsgrads eines mit veränderlichen Lasten beaufschlagbaren
Dreiphasen-Induktionsmotors .
15 Ein dreiphasiger Induktionsmotor 1 enthält drei Statorwicklungen 2, 3, 4, die je über einen Stromwandler 5 » 6, 7 und einen Festkörperschalter 8 , 9, 10 an einen dreipoligen Schalter 11 angeschlossen sind, der eingangs- seitig mit den drei . Phasen einer Spännungsquelle 12 verbunden ist, bei der es sich z. B . um ein Niederspannungs-Drehstromnetz handelt. Die
20 Steuerelektroden der Festkörperschalter 8 bis 10, die z. B. Thyristoren in Antiparallelschaltung oder Triacs sind, stehen mit den Ausgängen eines Mikrorechners 13 in Verbindung , der einen Multiplexer 14 enthält, der mit je einem Eingang an eine Sekundärwicklung der Stromwandler 5, 6 und 7 angeschlossen ist . Der Multiplexer 14 ist mit einem Analog-Digital-Wandler
25 15 verbunden, an den ein Prozessor 16 angeschlossen ist , der weiterhin an einen Speicher 17 angeschlossen ist, bei dem es sich z. B. um ein PROM handelt. Der Prozessor 16 ist ferner mit Eingabeelementen 18 , z. B . Schaltern , verbunden. Der Induktionsmotor 1 weist einen Rotor 19 auf , an den eine Last 20 angekoppelt ist , bei der es sich z. B . um eine
30 Arbeitsmaschine handelt.
Die Statorwicklungen 2, 3, 4 werden in Phasenanschnitt- bzw. Phasenab¬ schnittsteuerung mittels der Festkörperschalter 8 , 9, 10 an die Netz¬ spannung gelegt. Die Festkörperschalter 8, 9 , 10 arbeiten als Wechsel- 35 stromsteiler. Es erfolgt eine symmetrische Zündung in den positiven und negativen Halbwellen der Netzspannung . Die Fig . 2 zeigt für einen Zündverzögerungswinkel von 90° gegenüber dem Nulldurchgang der Spannung den Verlauf des jeweils über die Stromwandler 5, 6, 7 fließenden Gesamtstroms I sowie die Spannung U an den Statorwicklungen 2, 3, 4. Ferner sind in Fig. 2 der Leerlaufstrom I und der auf die Statorseite bezogene Laststrom I dargestellt. In dem Diagramm gemäß Fig. 2 sind in Abszissenrichtung die Zeit t und in Ordinatenrichtung die jeweiligen Strom- und Spannungswerte aufgetragen. Bei dem Leerlauf ström In handelt es sich um die Summe aus einem Strom, der als Blindstrom die Magnetisierung hervorruft und aus einem Strom, , der die Eisenverluste und Reibungsverluste deckt. Es wird davon ausgegangen, daß die Leerlauf- EMK bei gleichem Zündwinkel näherungsweise im Bereich der auftretenden Belastungen des Induktionsmotors 1 im wesentlichen konstant bleibt.
Für die verschiedenen Zündverzögerungswinkel, die der Einfachheit halber auch als Zündwinkel bezeichnet sind, ergeben sich jeweils unterschied- liehe Kurven der Leerlaufströme I-,. Die Periode von 360° ist z. B . in 16 diskrete Abschnitte aufgeteilt, an denen der jeweilige Wert des Leerlauf¬ stroms festgestellt und digital gespeichert wird. Für einen Zündwinkel von (X , ergeben sich demnach sechzehn Werte für den Leerlaufstrom
In, dessen Amplituden an den sechzehn Abschnitten der Periode wiederum in sechzehn Stufen quantisiert sein können. Die Kurven der Leerlauf ströme für die verschiedenen Zündwinkel sind zu dem entsprechenden
Induktionsmotor 1 im Speicher 17 in Form einer Tabelle enthalten.
In Fig . 3 sind in einer Z-Achsenrichtung Stromwerte I dargestellt, die jeweils wiederum zwei Gruppen von Strömen umfassen können, nämlich maximal zulässige Ströme und optimale Ströme für den jeweiligen Zündwinkel 0\ und den Abschnitt der Periode. Die maximal zulässigen Ströme und die optimalen Ströme legen vorzugsweise für einen gegebenen Zündwinkel Q und einen bestimmten Abschnitt der Periode den Bereich fest, innerhalb dessen der Strom ohne Änderung des Zündwinkels bei veränderlichen Belastungen des Induktionsmotors schwanken darf. Die Zündwinkel (Λ , die Periodenabschnitte und die zugeordneten Ströme sind vorzugsweise in Form von Matrizen gespeichert .
In Fig . 4 ist das Ersatzschaltbild des Induktionsmotors 1 dargestellt . L . und L « , stellen die Streublindwiderstände des Stators und ( auf die Statorseite umgerechnet) der Rotorwicklung dar. r. und r2/s sind die Wirkwiderstände des Stators und ( auf die Statorseite umgerechnet) des Rotors. R stellt einen den Eisenverlusten entsprechenden Widerstand dar. L J ist der dem Widerstand des ganzen magnetischen Kreises entsprechende Blindwiderstand. Der Wirkwiderstand des Rotors 19 ist proportional dem ohmschen Widerstand r« der Rotorwicklung und umgekehrt proportional zum Schlupf ✓ ) des Induktionsmotors . Hieraus ist ersichtlich, daß der
Laststrom 1 eine Funktion des Schlupfes ^ und der Magnetisierung ist. Die Phasenverschiebung zwischen der Statorspannung und dem Gesamtstrom I ist ebenfalls vom Schlupf s^ abhängig . Daraus ergibt sich, daß der Schlupf und die Magnetisierung , d. h. der Fluß, ' eine Funktion der Last ist.
Der Induktionsmotor 1 wird so in Phasenanschnitt- bzw . Phasenabschnitt¬ steuerung betrieben, daß für die jeweilige Last, z. B . einen Teil der Nennlast , unter Aufrechterhaltung der für die Last vorgesehenen Drehzahl der Gesamtstrom I durch Verminderung des Anteils des Leerlaufstroms I
Figure imgf000009_0001
Multiplexer 14 und den A/D-Wandler 15 festgestellt werden. Aus dem
Gesamtstrom I und dem Leerlaufstrom I, 0-. wird der Laststrom I q nach folgender Beziehung bestimmt :
Figure imgf000009_0002
Der Laststrom I wird für den Antrieb der jeweiligen Last benötigt. Anschließend wird der Zündwinkel X verändert, um den Anteil des Leerlauf ström I-. am Gesamtstrom zu vermindern. Damit wird der Gesamtstrom I verkleinert. Anschließend wird aus dem neuen, durch Messung festgestellten Gesamtstrom I und demjenigen Leerlaufstrom I„ , der dem geänderten Zündwinkel zugeordnet ist, der Laststrom berechnet. Wenn der Laststrom I unverändert geblieben ist , wird der geänderte Zündwinkel beibehalten, da sich hierbei kleinere Verluste im Induktions¬ motor 1 ergeben, d. h. der Wirkungsgrad des Induktionsmotors 1 wird größer. Falls der Laststrom I durch Veränderung des Zündwinkels ebenfalls geändert wird, wird der Zündwinkel in umgekehrten Sinne neu eingestellt, bis der minimale Gesamtstrom 1 für einen bestimmten Laststrom I erreicht ist. q.
Die Änderung des Zündwinkels Q wird vorzugsweise unter Berücksich¬ tigung des Übertragungsverhaltens des Rotors 19 durchgeführt. Der Rotor 19 bildet eine schwingungsfähige Einrichtung , die eine gewisse Trägheit hat. Damit unerwünscht große Überschwingungen vermieden werden, wird der Zündwinkel Qt? nur in kleinen Schritten verändert.
Die Erregung des Induktionsmotors 1 hängt vom Wert der angelegten Spannung ab. Die angelegte Spannung läßt sich durch die Anschnitt- und/oder Abschnittsteuerung auf gewünschte Werte einstellen. Die Erregung des Induktionsmotors verändert sich demnach mit dem Zündwinkel. Entsprechend verändert sich das Kippmoment und der zulässige Laststrom mit dem Zündwinkel. Gegeben sind für einen bestimmten Induktionsmotor die Nenndaten, d. h. die Nennspannung und die Nennleistung bzw. der Nennstrom. ' Der Nennstrom beinhaltet einen Laststrom und einen Leerlauf¬ stromanteil. Auf der Grundlage der Nenndaten werden für verschiedene Zündwinkel und damit für die Spannungen und Erregungen, die diesen Zündwinkeln zugeordnet sind, die Kippmomente sowie die maximal zulässigen Ströme gemessen bzw. berechnet. Die maximal zulässigen Ströme und Kippmomente werden dann in Abhängigkeit von den jeweiligen Zündwinkeln abgespeichert.
Falls auf den Induktionsmotor 1 unterschiedliche Lastmomente einwirken, ist eine fortlaufende Anpassung des Zündwinkels und damit des Leerlaufstroms an die jeweiligen Belastungsgegebenenheiten notwendig , um einen möglichst hohen Motorwirkungsgrad zu erreichen. Hierzu wird der Laststrom mit Grenzwerten verglichen. Diese Grenzwerte sind vorzugsweise auf den beim jeweiligen Kippmoment auftretenden Strom I, . bezogen. Die obere Grenze des Laststroms kann beispielsweise 60 % des beim Kippmoment auftretenden Stroms betragen. Die untere Grenze des Laststroms ist z. B . mit 40 % des beim Kippmoment auftretenden Stroms vorgegeben. Unterschreitet der Laststrom bei einem bestimmten Zündwinkel
Figure imgf000011_0001
die untere Grenze, d. h. 0,4 I-. . , dann kann die Erregung verkleinert, d. h. die Zündung zu einem späteren Zeitpunkt ausgelöst werden. Für diesen neuen Zündwinkel wird dann erneut der Vergleich mit dem zugeordneten Strom beim Kippmoment durchgeführt. Wenn im Zuge einer Erhöhung des Lastmomentes der Laststrom die obere Grenze, d. h. 0, 6 I, . , über¬ schreitet, dann wird die Erregung über eine frühere Zündung der steuerbaren Gleichrichter erhöht. Damit ergibt sich eine andere Drehmomentcharakteristik des Induktionsmotors 1 , wobei z. B. das Kippmoment ansteigt. Aufgrund dieser anderen Drehmomentcharakteristik ergibt sich auch ein anderer, beispielsweise kleinerer Laststrom.
Aufgrund der Rotorzeitkonstante ändert sich der magnetische Fluß des Drehfeldes des Induktionsmotors 1 , d. h. die Erregung des Induktions- motors bei einer sprunghaften Änderung der angelegten Spannung erst mit einer gewissen Zeitverzögerung. Zum Ausgleich dieser Zeitverzögerung wird die angelegte Spannung bei einer Änderung über die Zündwinkel nach einem Differential-Verhalten vorgegeben. Damit lassen sich Pendelungen des Rotors 19 vermeiden.
Es ist günstig , wenn beim Hochfahren des Rotors 19 aus dem Stillstand nicht die volle Phasenspannung an die Statorwicklungen 2, 3, 4 gelegt wird. Die Festkörperschalter 8 bis 10 werden beim Anlaufen des Rotors 19 deshalb in Phasenanschnittsteuerung durch den Mikrorechner 13 angesteuert . Die Anlaufkurve kann in Form von verschiedenen Zündwinkeln für aufeinanderfolgende Perioden der Netzspannung im Speicher 17 enthalten sein. Beim Schließen des Schalters 11 wird z. B . über einen Meldekontakt 21 der Mikrorechner 13 zur Abgabe entsprechender Steuersignale an die Festkörperschalter 8 bis 10 aktiviert.
Die Maßnahmen zur Verminderung der Eisen- und Kupferverluste werden erst durchgeführt, wenn der Induktionsmotor 1 seine der jeweiligen Last bzw. Teillast entsprechende Drehzahl zumindest ungefähr erreicht hat. Deshalb wird die Erreichung einer für die Freigabe zweckmäßigen Drehzahl überwacht. Dies geschieht durch die laufende Messung des Motσrstroms und den Vergleich des Motorstroms mit einem vorgegebenen Strom. Der Schlupf des Induktionsmotors 1 läßt sich aus folgender Beziehung gewinnen:
Zi s = • — —
wobei k eine Konstante und I der Magnetisierungsstrom ist, der in etwa dem Leerlaufstrom I entspricht. Zu jedem Zündwinkel ist nicht nur der
Leerlaufstromwert I , sondern auch ein Maximalstromwert für I o q gespeichert. Dieser Maximalstromwert ist für einen Schlupfwert charakte- ristisch, der zwischen dem Kippschlupf und dem Nennschlupf liegt. Während z. B. der Kippschlupf und damit das Kippmoment beim zweieinhalbfachen des Nennmomentes für eine bestimmt Klemmenspannung auftreten, ergibt sich der für den Maximalstromwert typische Schlupfwert in etwa bei einem Moment, das um den Faktor 1 , 8 über dem Nennmoment liegt. Wenn beim Hochlaufen des Induktionsmotors 1 beim Vergleich des in den Motor fließenden Stroms mit dem gespeicherten Maximalstrom festgestellt wird, daß der Strom den Maximalstrom erreicht oder überschritten hat, wird das als das Ende des Hochlaufs berücksichtigt. Anschließend werden die Verfahrensschritte -zur Verminderung der Eisen- und Kupferverluste freigegeben.
Im Speicher 17 sind vorzugsweise für verschiedene Frequenzen, z. B. 50 Hz und 60 Hz, in Tabellen die Werte von Leerlaufströmen I_. in Abhängigkeit von verschiedenen Zündwinkeln Λ gespeichert. Je nach der Frequenz der Spannungsquelle 12 werden die entsprechenden Speicherwerte durch Betätigung der Eingabeelemente 18 ausgewählt. Weiterhin ist es zweckmäßig , in Tabellen die Werte von Leerlauf strömen In in Abhängigkeit von verschiedenen Zündwinkeln Qζ für Motoren mit verschiedenen Leistungen zu speichern. Die entsprechenden Speicherwerte können dann mittels der Eingabeelemente 18 dem jeweiligen Motortyp zugeordnet werden.
Mit den oben beschriebenen Maßnahmen läßt sich bei Laständerungen eine kurze Reaktionszeit in Verbindung mit einer hohen dynamischen Stabilität erreichen. Der minimale Stromverbrauch bei der jeweiligen Belastung wird über eine leistungsbezogene Flußregelung erreicht . Damit ergibt sich automatisch ein optimaler Wert für den Leistungsfaktor. Da mit einfachen Mitteln ein Sanftanlauf zu erreichen ist , läßt sich die Netzanschluß leistung begrenzen, d. h. der Aufwand für den Anschluß an das Netz ist geringer.
In Weiterbildung der oben angegebenen Maßnahmen kann der Mikrorechne 13, der die Stromwandler 5, 6 , 7 zyklisch und synchron zu den drei Phasenspannungen abfragt , die gemessenen Werte des Gesamtstroms i Hinblick darauf auswerten, ob ein Wegfall des Stroms einer oder zweie Phasen eine Störung in den Zuleitungen zum Induktionsmotor 1 anzeigt. Der Mikrorechner 13 kann in diesem Falle eine entsprechende Meldun ausgeben und z. B. die Festkörperschalter 8 bis 10 sperren. Weiterhin is es möglich, über die gemessenen Ströme festzustellen , ob die jeweiligen Phasenspannungen auch in der richtigen Reihenfolge noch vorhanden sind .
Der Drehsinn des Motors ist jeweils vorab eingespeichert und an di Einstellung des Motors angepaßt.
Mit dem Mikrorechner 13 kann ferner die vom Induktionsmotor 1 de Spannungsquelle 12 entnommene Leistung bestimmt werden. Der Spannung s wert kann dem Mikrorechner über die Eingabeelemente 18 zugeführ werden. Es ist auch möglich, die Spannung ständig zu messen und de Mikrorechner über entsprechende Analog-Digital-Umsetzeinrichtunge zuzuführen. Der Mikrorechner 13 bestimmt dann die Scheinleistung nac folgender Beziehung : Ns = 1 , 73 • I • U,
worin U die Phasenspannung der Spannungsquelle 12 bedeutet .
Eine Temperaturüberwachung mit Hilfe des Mikrorechners 13 ist ebenfall möglich. Aus den Quadraten der gemessenen Ströme können mit Hilfe de Mikrorechners die Stromwärmeverluste über vorgegebene Zeiträume ermittel werden. Unter Berücksichtigung der durch natürliche oder zwangsweis Kühlung abgeführten Wärme läßt sich feststellen, ob im Induktionsmotor Übertemperaturen vorhanden sind. In diesem Fall wird eine entsprechend Meldung erzeugt. Die Stromverluste werden aus den Widerständen de Induktionsmotors 1 berechnet. Für die Berechnung wird vorzugsweis folgende Beziehung ausgenutzt : I 2 (r, + R) + 1 2 ( rl + __l ) . o 1
Unter der Voraussetzung einer bestimmten Wärmeabgabe an die Umgebung durch Kühlung wird die Differenz der erzeugten Stromwärmeverluste und der Wärmeabfuhr gebildet. An Hand der Differenz kann festgestellt werden, ob sich der Induktionsmotor 1 fortlaufend erwärmt bzw. eine kritische Schwelle überschreitet .
Die in Fig. 5 dargestellte Anordnung enthält im wesentlichen die gleichen Bauelemente wie die Anordnung gemäß Fig . 1. Gleiche Bauelemente in den Fig. 1 und 5 sind mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
Zu den als Triacs ausgebildeten Festkörperschaltern 8, 9 und 10 sind jeweils Varistoren 22 parallel geschaltet. Die Stromwandler 5, 6, 7 sind sekundärseitig je mit Bürdenwiderständen 23 verbunden. Der Mikrorechner 13 enthält den Multiplexer 14 mit nachgeschaltetem A/D-Wandler 15, der an einen Bus 24 für Daten und Adressen angeschlossen ist. Mit dem Bus 24 ist ein Mikroprozessor 26, ein Speicher 27, z. B . ein PROM, ein nicht näher dargestellter RAM-Speicher, ein Zeitgeber 28 und eine Eingabe- /Ausgabeschaltung 29 verbunden. Die Eingabe-/Ausgabeschaltung 29 steht über eine Impulsformerstufe 30 mit den Steuerelektroden der Festkörper¬ schalter 8 bis 10 in Verbindung . An die Eingabe-/Ausgabeschaltung 29 ist ferner ein Bedienfeld 31 angeschlossen, das Anzeige- sowie Eingabe¬ elemente enthält, die nicht näher dargestellt sind.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung ermöglicht die Überwachung der Hochlaufvorgänge des Induktionsmotors 1 beim Einschalten der Spannung auf den stillstehenden Induktionsmotor. Während des Hochlaufs ändern sich die Ströme in den Statorwicklungen 2, 3 und 4. Auch die Lastströme in den Statorwicklungen 2, 3 und 4 ändern sich. Der Hochlaufvorgang ist praktisch beendet, wenn das Kippmoment überschritten ist.
Der Laststrom erreicht zum Zeitpunkt des Kippmoments einen bestimmten Wert, bei dem es sich um einen Maximalwert handeln kann. Dieser Wert, z. B. der Maximalwert, wird für den jeweiligen Induktionsmotor 1 über die Eingabeelemente 18 in den Mikrorechner 13 eingegeben und in diesem im RAM-Speicher gespeichert. Nach dem Einschalten des stillstehenden Induktionsmotors 1 wird der Laststrom fortlaufend oder in, auf die Dauer eines Hochlaufvorgangs abgestimmten, Abtastzeitspannen mit dem Wert verglichen. Wenn der festgestellte Laststrom den vorgegebenen Wert unterschreitet, wird dies über ein entsprechendes Signal z. B . an einer Anzeigeleuchte als Ende des Hochlaufvorgangs gemeldet. Das Signal kann auch noch anderweitig , z. B. für die Freigabe des Einschaltens anderer Stromverbraucher, verwendet werden, um das Netz von gleichzeitig auftretenden Einschaltstromstößen zu entlasten.
Mit der oben erläuterten Anordnung kann der Induktionsmotor 1 auch sehr schnell abgebremst werden, indem die Statorwicklungen 2, 3, 4 mit Gleichströmen versorgt werden. Die Festkörperschalter 8, 9, 10 werden in Phasenanschnitt- bzw. Phasenabschnittsteuerung so betätigt, daß durch die Statorwicklungen 2, 3 , 4 Gleichströme fließen. Die Dauer der Einspeisung der Gleichströme richtet sich nach der zulässigen Wicklungs¬ temperatur, die von der zulässigen thermischen Belastung des Induktions¬ motors 1 durch die Strom- und Eisenverluste bestimmt wird. Da die Ströme * bei der Gleichstrombremsurtg durch die angelegten Spannungen bestimmt und damit festgelegt sind, kann die maximale Dauer der Bremsung für eine zulässige thermische Belastung berechnet werden. Die maximale Dauer wird als vorgebbarer Wert im Mikrorechner 13 gespeichert . Während der Bremsung wird die Bremszeit fortlaufend mit dem gespeicherten Wert verglichen. Überschreitet die Bremszeit den gespeicherten Wert , dann wird die Gleichstrombremsung aufgehoben. Im allgemeinen hat der Induktions- motor 1 vor Erreichen der maximal zulässigen Gleichstrombeaufschlagungs¬ zeit bereits seine Drehung eingestellt. Dies kann z. B. mit einem Drehzahlwächter festgestellt werden , der bei Stillstand ein Signal zur Unterbrechung der Ströme in den Statorwicklungen 2, 3 und 4 erzeugt.
Es ist zweckmäßig , den Induktionsmotor 1 in einem Regelkreis für die Drehzahlregelung anzuordnen. Mit dem Rotor 19 wird hierzu ein Tachogenerator 32 verbunden. Als Tachogenerator kann eine Codierscheibe verwendet werden, deren Teilungen abgetastet werden. Während der Drehung wird mit einer derartigen Anordnung eine Impulsfolge erzeugt , deren Frequenz mit steigender Drehzahl des Induktionsmotors 1 zunimmt. Der Tachogenerator 32 ist z. B . über einen nicht dargestellten Analog/Digital-Umsetzer mit der Eingabe/Ausgabeschaltung 29 verbunden . Mit dem Tachogenerator 32 werden die Drehzahlistwerte gemessen. Der jeweilige Drehzahlsollwert wird über das Bedienfeld 31 in den Mikro¬ rechner 13 eingegeben und darin gespeichert. Der Mikrorechner 13 bestimmt aus dem Drehzahlistwert und dem Drehzahlsollwert die Regelab- weichung und beeinflußt die Phasenanschnitt- und/oder Phasenabschnitt¬ steuerung der Festkörperschalter 8, 9, 10 derart, daß die Regelab¬ weichung möglichst klein wird.
Im Bedienfeld 31 sind ein Betätigungselement 33 für das Einschalten und ein Betätigungselement 34 für das -Ausschalten des Induktionsmotors 1 vorgesehen. Bei Betätigung des Elements 33 wird der Induktionsmotor 1 in der oben angegebenen Art an die Spannungen der drei Phasen ange¬ schlossen. Wird das Element 34 bei eingeschaltetem Induktionsmotor 1 betätigt, dann werden die Festkörperschalter 8, 9, 10 durch den Mikrorechner 13 so angesteuert', daß der Induktionsmotor 1 , z. B. nach einem Bremsvorgang vom Netz abgeschaltet wird. Der Induktionsmotor 1 kann daher mit elektronischen Mitteln ein- und ausgeschaltet werden. Die Vorrichtung hat also einen Eingang für Motor-Start und einen Eingang für Motor-Stop , so daß wie mit einem elektronischen Schutz der Motor ein- und ausgeschaltet werden kann, einschließlich aller oben genannten
Schutzfunktionen .
Ein Teil der Initialisierungsprozedur des Mikrorechners 13 ist die Messung der Ströme in den Statorwicklungen 2, 3, 4 und die Feststellung der zeitlichen Reihenfolge der Ströme. Jeder Reihenfolge ist eine bestimmte Drehrichtung des Induktionsmotors 1 zugeordnet. Eine Drehrichtungsangabe ist im Mikrorechner 13 gespeichert und kann über das Bedienfeld 31 eingestellt werden. Wenn während der Initialisierungsprozedur, in der der Induktionsmotor 1 in Drehung versetzt wird, eine Abweichung der Drehzahl von der ausgewählten Drehzahl vom Mikrorechner 13 festgestellt wird, dann wird die Reihenfolge der Zündung der Festkörperschalter 8, 9, 10 so geändert, daß sich die Drehrichtung des Induktionsmotors 1 umkehrt . Die Messung der Reihenfolge der Ströme über die Stromwandler 5, 6, 7 gibt nur eine eindeutige Angabe über die Drehrichtung, wenn die Verbindung zwischen Stromwandlern 5, 6, 7 und zugehöriger Statorwicklung 2, 3, 4 immer gleich ist, d. h. , bei der Montage nicht willkürlich eingestellt wird. Eine eindeutige Zuordnung ist mittels Fühlern im Motor möglich, mit denen die Drehrichtung des Drehfelds erfaßt wird. Auch über eine Codierscheibe mit zwei gegeneinander versetzt angeordneten und zur Erzeugung zweier Impulsfolgen abgetasteter Teilungen läßt sich an Hand der zeitlichen Reihenfolge der Impulse beider Impulsfolgen die Drehrich- tung des Induktionsmotors 1 feststellen. Beim Anschließen der Statorwick¬ lungen 2, 3, 4 an das Netz bzw. an einen Netzstecker braucht daher nicht mehr auf die richtige Phasenfolge geachtet zu werden. Damit läßt sich der Aufwand bei der Montage verringern.
Die Lehrlaufströme von Induktionsmotoren unterscheiden sich in Abhängig¬ keit von der Leistung , der Polzahl und der Rotorkonstruktion. Über das Bedienfeld 31 kann in den Mikrorechner 13 jeweils der Wert des Leerlaufstroms des zu steuernden Induktionsmotors 1 eingegeben und danach abgespeichert werden. Beim Leerlauf des Induktionsmotors 1 wird zumindest der in einer Phase in eine Statorwicklung fließende Strom gemessen und mit dem gespeicherten Wert verglichen . Das Ergebnis des Vergleichs wird an einer Leuchte 35 dargestellt, die vorzugsweise als LED ausgebildet ist.
Unterschreitet der Leerlauf ström den vorgegebenen Wert, dann bleibt die Leuchte 35 abgeschaltet . Bei zu hohem Leerlauf ström blinkt die Leuchte 35. Bei Gleichheit des gemessenen Stroms mit dem vorgegebenen Wert innerhalb einstellbarer Toleranzen gibt die Leuchte 35 Dauerlicht ab . Die Prüfung erfolgt im Leerlauf und stellt die richtige Zuordnung von Motor und gespeicherten Steuer- bzw. Regelkennwerten sicher.

Claims

- H-Patentansprüche
1. Verfahren zur Verminderung der Eisen- und Kupferverluste eines
Induktionsmotors, der mit seiner Statorwicklung über mindestens einen
Festkörperschalter an eine Spannungsquelle angeschlossen ist und der einen ' mit einer Last verbundenen Rotor aufweist, wobei die
* Schließzeit des Festkörperschalters in Abhängigkeit von dem auf den Rotor einwirkenden Lastmoment veränderbar ist,
■3 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß nach dem Zünden des Festkörperschalters der in die Statorwick¬ lung fließende Gesamtstrom gemessen und mit einem Stromwert ver¬ glichen wird, der dem bei dem jeweiligen Zündwinkel fließenden Leerlaufstrom des Induktionsmotors entspricht, daß danach aus dem
Stromwert des Leerlaufstroms und dem Gesamtstrom der Laststrom bestimmt wird und daß anschließend der Zündwinkel im Sinne einer Verminderung des Gesamtstroms unter Aufrechterhaltung des für den Betrieb der Last erforderlichen Laststroms verändert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß beim jeweiligen Zündwinkel der Laststrom des Induktionsmotors gemessen und mit einem oberen und unteren, gespeicherten Stromwert verglichen wird und daß beim Überschreiten des oberen Grenzwertes die Erregung des Induktionsmotors durch Verkleinerung des Zündwinkels erhöht wird, während bei der Unterschreitung des unteren Grenzwertes die Erregung durch Vergrößerung des Zünd¬ winkels vermindert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der obere Grenzwert etwa 60 % und der untere Grenzwert etwa 40 % des beim Kippmoment des Induktionsmotors (1) für den jeweiligen Zündwinkel auftretenden Stroms ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß nach dem Anlegen des stillstehenden Induktionsmotors an die Spannungsquelle der Zündwinkel nach einer vorgegebenen Abhängig- keit zwischen Anlauf ström und Anlauf drehzahl verändert wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Zündwinkel für den Hochlauf des Induktionsmotors auf die einer bestimmten Last entsprechende Drehzahl zumindest allmählich bis auf einen vorgebbaren Wert vermindert wird, daß der jeweilige Motorstrom gemessen und mit einem für den jeweiligen Zündwinkel vorgegebenen Strom verglichen wird und daß nach dem Erreichen oder Unterschreiten dieses Stroms die Schritte zur Verminderung des Ge- samtstroms unter Aufrechterhaltung des Laststroms freigegeben wer¬ den.
6. Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der vorgebbare Wert des Stroms etwa um den Faktor 1,8 größer als der beim jeweiligen Zündwinkel fließende Nennstrom ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Zündwinkel in Abhängigkeit von der Zeitkonstante des Rotors zur Einstellung eines D-Verhaltens verändert wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Laststrom aus der Quadratwurzel der Differenz der Quadrate der Momentanwerte des Gesamtstroms und des Leerlaufstroms bestimmt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß nach Beaufschlagung des Induktionsmotors aus dem Stillstand mit Spannung die Lastströme in aufeinanderfolgenden Zeiten mit einem
Maximalwert des Laststroms verglichen werden, der dem jeweils vorhandenen Zündwinkel zugeordnet ist, und daß bei Unterschreiten des Maximalwerts die Beendigung des Hochlaufvorgangs gemeldet wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zum Bremsen* des Induktionsmotors die Festkörperschalter * derart ein- und ausgeschaltet werden, daß in den Statorwicklungen Gleichströme für eine vorgebbare Zeit fließen.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g. e k e n n z e i c h n e t, daß die Drehzahl des Induktionsmotors durch Anschnitt- oder Abschnittsteuerung der an die Ständerwicklungen angelegten
Phasenspannungen geregelt wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Drehrichtung des Drehfeldes bestimmt und mit einer vorgebbaren Drehrichtung verglichen wird und daß die Reihenfolge der Anschnitt- oder Abschnittsteuerung in den drei Phasen bei Abweichungen zwischen festgestellter und vorgegebener Drehrichtung geändert wird.
13- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zumindest ein gemessener Leerlaufstrom mit einem vorgebbaren Wert des Leerlaufstrom verglichen wird, daß eine Leuchtanzeige bei 5 unterhalb des vorgebbaren Werts liegendem Leerlaufstrom ausge¬ schaltet wird, daß bei Gleichheit Dauerlicht erzeugt und daß bei über dem vorgebbaren Wert liegenden Leerlaufstrom Blinklicht erzeugt wird.
10 14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vor¬ hergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß ein Stromwandler (5, 6, 7) zwischen der Spannungsquelle (12) und dem Induktionsmotor (1) an einen Analog-Digital-Wandler (15)
15 angeschlossen ist, der mit einem Mikrorechner (13) verbunden ist, der einen Speicher (17) enthält, in dem für eine Reihe von Zünd¬ winkeln die Momentanwerte der Leerlaufströme des Induktionsmotors (1) gespeichert sind, und der ausgangsseitig mit einem in Reihe mit dem Stromwandler (5, 6, 7) gelegten Festkörperschalter (8, 9, 10)
20 verbunden ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, d a d u r c h- g e k e n n z e i c h n e t, daß der Induktionsmotor ein dreiphasiger Asynchronmotor ist, dessen 25 drei Statorwicklungen (2, 3, 4) über in Reihe geschaltete Festkörper¬ schalter (8, 9, 10) und Stromwandler (5, 6, 7) an die Spannungs¬ quelle (12) anschließbar sind.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15,
30 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß im Speicher (17) jeweils für Speisespannungen von 50 Hz und 60 Hz die Zündwinkel in Abhängigkeit von den Werten der zugehörigen Leerlauf ströme tabellenartig gespeichert sind.
17. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder einem der folgenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß Tabellen der Zündwinkel in Abhängigkeit von den Werten der zugehörigen Leerlaufströme für verschiedene Motornennleistungen im Speicher (17) enthalten sind.
18. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder einem der folgenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Stromwandler (5, 6, 7) mit einer Anordnung zur Leistungs- Überwachung verbunden sind.
19« Vorrichtung nach Anspruch 14 oder einem der folgenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Anzahl und/oder Reihenfolge der mit den Stromwandlern ge- messenen Ströme überwachbar ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder einem der folgenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Stromwärmeverluste berechnet und mit vorgegebenen Grenz- werten verglichen werden.
21. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder einem der folgenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß ein mit dem Rotor (19) des Induktionsmotors (1) verbundener Tachogenerator (32) an eine Eingabe/Ausgabeschaltung (29) angeschlossen ist, die mit einem Bus (24) des Mikrorechners (13) verbunden ist, der weiterhin ein an die Eingabe/Ausgabeschaltung (29) angeschlossenes Bedienfeld (31) enthält.
PCT/EP1986/000372 1985-07-01 1986-06-25 Procede et dispositif de reduction des pertes d'un moteur a induction dans le fer et dans le cuivre WO1987000364A1 (fr)

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