Steuerschaltanordnung für einen Wechselstrommotor Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuerschalt- anordnung für .einen Wechselstrommotor, insbesondere Drehstrommotor, mit einem Wechselrichter, der über einen Spannungsregler von einer geregelten Gleichspan nung gespeist und mittels eines Frequenzreglers mit einer geregelten Frequenz betrieben wird, wobei Span nung und Frequenz voneinander abhängig sind und die Ist-Spannung am Ausgang des Spannungsreglers zur Regelung herangezogen ist.
Derartige Steuerschaltanordnungen dienen in erster Linie der Steuerung der Drehzahl des Motors. Ändert man nämlich die Frequenz, so folgt die Motordrehzahl. Mit der Frequenz steigt aber auch der Blindwiderstand des Motors, so dass zur Aufrechterhaltung annähernd gleicher magnetischer Durchflutungsverhältnisse die Spannung mit der Frequenz angehoben wird. üblich ist hierbei ein lineares Verhältnis zwischen Frequenz und Spannung.
Es sind Schaltungen dieser Art bekannt, bei denen die gewünschte Frequenz eingestellt und in Abhängig keit davon die Spannung geregelt wird. Dabei ergeben sich jedoch einige Nachteile. Beim Normalbetrieb tritt, zumindest bei Asynchronmotoren, in Abhängigkeit von der Belastung ein bestimmter Schlupf auf. Insbesondere bei kleiner eingestellter Drehzahl ist die durch Be lastungsänderungen hervorgerufene Änderung der tat sächlichen Drehzahl relativ gross.
Ausserdem treten bei kleiner Frequenz, wie sie zur Erzielung niedriger Dreh zahlen und unter Umständen auch zum Zweckdes An laufs benötigt wird, Betriebszustände auf, bei denen die von der Frequenz abhängige Spannung nicht mehr ge nügt, einen für die Magnetisierung ausreichenden Strom durch den Motor zu schicken, weil die konstanten ohmschen Widerstände im Verhältnis zu den mit der Frequenz variablen induktiven Widerständen zu gross sind; sinkt aber die Magnetisierung, so steigt ,der Schlupf und die belastungsabhängige Drehzahländerung. Bei alledem ist zu berücksichtigen, dass .der verwendete Mo tor nur für einen bestimmten Betriebspunkt, z. B.
SO Hz, 220 V, ausgelegt sein kann, so dass diese Nachteile nicht durch Änderungen in der Motorkonstruktion behoben werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuerschaltanordnung zu schaffen, mit .der ein handels üblicher Wechselstrommotor so betrieben werden kann, dass die geschilderten Schwierigkeiten hinsichtlich der Magnetisierung und/oder der Drehzahl wenigstens teil weise behoben werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch ge löst, dass Widerstandsmittel in den Wechselrichterstrom- kreis geschaltet sind, um wenigstens eine vom Wechsel richterstrom abgeleitete Korrekturspannung zu erzeugen, welche dazu dient, den Motor zu steuern.
Durch diese Massnahme erfolgt eine Korrektur einer oder mehrerer veränderlicher Grössen derart, dass je nach Wunsch die Magnetisierung und/oder die Drehzahl wenigstens annähernd konstant gehalten werden.
Bei einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die korrigierte Spannung mit dem Sollwert des Spannungsreglers verglichen und .in Abhängigkeit davon die Ist-Spannung eingestellt. Der Sollwert wird daher mit einer künstlich kleineren Spannung verglichen. Dem zufolge ist die Ist-Spannung jeweils grösser als der Soll wert, .der frequenzabhängig oder als primäre Steuer- grösse eingestellt wird. Die mit steigendem Wechselrich- terstrom anwachsende Spannung ergibt eine Schlupf kompensation.
Ausserdem vermag sie einen zu starken Einflussdes ohmschen Spannungsabfalls auszugleichen, so dass die Magnetisierung annähernd konstant bleibt.
Bei einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die korrigierte Spannung als Steuergrösse für den Frequenzregler. Die Frequenz ist damit eine von der Spannung und vom Wechselrichterstrom abhängige Va riable. Sie wird künstlich kleiner gehalten, als es einer vorgegebenen Spannung entspricht. Infolgedessen wird .der induktive Widerstand im Vergleich zum ohmschen Widerstand verkleinert, @so dass auch diese Massnahme zur Aufrechterhaltung eines ausreichenden Magnetisie- rungsstromes beiträgt.
Besonders vorteilhaft ist .es, beide Massnahmen gleichzeitig anzuwenden. Wenn man dafür sorgt, dass eine erste korrigierte Spannung für den Spannungsregler kleiner ist als eine zweite korrigierte Spannung für den Frequenzregler, ergeben sich optimale Verhältnisse, wie später noch genauer erläutert wird.
Zweckmässigerweise wird die zur Korrektur der Ist- Spannung benutzte Spannung mittels eines Steuerwider standes erzeugt, der von einem dem Wechselrichterstrom proportionalen Strom durchflossen wird. Schaltet man den Spannungsabfall am Steuerwiderstand im negativen Sinn mit der Ist-Spannung in Reihe, so kann man un mittelbar die korrigierte Spannung abnehmen. Es ist auch möglich, die beiden zur Korrektur benutzten Span nungen mit Hilfe zweier Abgriffe desselben Widerstan des zu erzeugen.
Um Verluste im Wechselrichterkreis zu vermeiden, empfiehlt es sich, den Wechselrichterstromdurch einen Reiheninduktor fliessen zu lassen, dessen wechselspan- nungsgespeiste Sekundärwicklungen in Reihe liegen und über eine Gleichrichterschaltung den Steuerwiderstand mit Gleichstrom speisen. Zwar wird hierbei lediglich die Wirkkomponente des Wechselrichterstromes in den Steuerkreis übertragen; dies ist aber zulässig, weil im Normalbetrieb der cos (p relativ klein ist.
Bei solchen Vorkehrungen kann :der Frequenzregler eine lineare Spannungs-Frequenz-Kennlinie haben, was zu einem sehr einfachen Aufbau dieses Geräts führt.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung weist der Spannungsregler eine Strombegrenzerschaltung auf, die beim Überschreiten eines Strombegrenzerwertes unter Ausschaltung der normalen Spannungsregelung die Ist- Spannung reduziert. Eine solche Strombegrenzerschal- tung stellt sicher, dass Wechselrichter und Motor nie mals überlastet werden können. Dies gilt auch für den Anlauf. Trotzdem ermöglicht die erfindungsgemässe Steuerschaltung einen einwandfreien Hochlauf mit aus reichender Magnetisierung, so dass der Motor auch un ter Last anlaufen kann.
Bei einer besonders zweckmässigen Ausgestaltung wird der Spannungsregler mit konstanter Gleichspan nung gespeist und ein elektronischer Schalter lässt Im pulse konstanter Repetitionsfrequenz, aber unterschied licher Breite hindurch, wobei beim Überschreiten :des Grenzstromes die Impulsbreite und/oder die Repeti- tionsfrequenz herabgesetzt wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher er läutert, und zwar zeigt: Fig.1 ein schematisches Schaltbild einer Steuer schaltanordnung, für einen Drehstrommotor, Fig.2 ein Strom-Spannungs-Diagramm des Span nungsreglers und Fig. 3 ein Spannungs-Frequenz-Diagranim des Fre- quenzreglers.
An Klemmen 1 und 2, die den Versorgungsleitungen 3 und 4 zugeordnet sind, ist eine konstante Gleichspan nung U= gelegt. In :der Versorgungsleitung 3 befindet sich ein Spannungsregler 5, der einen Spannungs-Istwert Ui in Abhängigkeit von einem Sollwert erzeugt, der durch die Stellung eines Abgriffs 6 an einem Steuer widerstand R1 vorgegeben ist, der durch eine Batterie 7 gespeist wird. Ausserdem wird mit Hilfe einer Leitung 8 der Spannungsabfall an einem Messwiderstand R2 in der Versorgungsleitung 3 abgegriffen.
Sobald ein vorge gebener Spannungsabfall, d. h. ein vorgegebener Grenz wert des Weehselrichterstromes, überschritten ist, wird die normale Spannungsregelung unwirksam gemacht und die Spannung Ui soweit reduziert, dass kein schädlicher Überstrom durch den Wechselrichter fliesst.
Der Spannungsregler 5 kann einen Aufbau haben, der im wesentlichen aus einem elektronischen Schal ter, einem nachgeschalteten Filterkreis und einem Impulssteuerkreis besteht. Zur<B>Regelung</B> der Span nung wird der Schalter mit konstanter Repetitions- frequenz geöffnet, aber nach unterschiedlicher Zeit wieder geschlossen. Sobald :der Stromgrenzwert über schritten ist, wird die Repetitionsfrequenz herabgesetzt, so dass die Ausgangsspannung einen entsprechend klei nen Wert hat.
Die Spannung wird über eine Kurzschlussimpedanz 9 einem üblichen Wechselrichter zugeführt, der sechs gesteuerte Gleichrichter E1-E6 und einen gemeinsamen Löschkreis 10 aufweist und an dem die drei Phasen R, S, T abgegriffen werden. Die Darstellung ist nur sche matisch zu verstehen. Zahlreiches übliches Zubehör, wie Freilaufdioden, sind nicht eingezeichnet. Der Löschkreis und die gesteuerten Dioden werden von einem Steuer gerät 11 gesteuert, :das seinerseits an einen Frequenz regler 12 angeschlossen ist.
Das Steuergerät 11 gibt an den Löschkreis Impulse von der sechsfachen Frequenz der vom Frequenzregler 12 vorgegebenen Frequenz ab, :die gesteuerten Dioden E1-E6 erhalten Steuerimpulse für ,diejenige Zeit, in der sie gezündet sein sollen.
In die Versorgungsleitung 4 ist die Primärwicklung 13 eines Reiheninduktors 14 gelegt, :dessen beide Sekun därwicklungen 15 und 16 miteinander und mit einem Brückengleichrichter 17 in Reihe an einer konstanten Wechselspannung U, liegen. In die Brücke der Gleich richterschaltung ist ein Steuerwiderstand R3 gelegt. Die ser besitzt einen :ersten Abgriff 18, :der mit zwei Span nun gsteilerwiderständen R4 und R5 in Reihe liegt, an :deren Verbindungspunkt 20 die zum Vergleich mit der Sollwertspannung herangezogene Spannung abgegriffen wird. Ein zweiter Abgriff 19 liegt mit einem Widerstand R6 und dem Frequenzregler 12 in Reihe.
Durch den Widerstand R3 fliesst ein Strom, der dem Wirkstrom in der Versorgungsleitung 4 und .dem jeweiligen Abgriff 18, 19 ein Spannungsabfall d Ui und d U2 erzeugt. Das bedeutet, dass der Spannungsregler 5 und der Frequenz regler 12 nicht durch eine zum Spannungs-Istwert Ui proportionale Spannung beeinflusst werden, sondern durch eine korrigierte Spannung U1;1. Diejenige für den Spannungsregler 5 hat den Wert Ukl = Ui _ d<B><I>Ui</I></B> :
die korrigierte Spannung U1;2 für den Frequenzregler 12 hat den Wert Uk2 = Ui _ d U2 Die Wirkungsweise dieser Schaltung :ergibt sich bei Be trachtung der Kennlinien :des Spannungsreglers 5 und des Frequenzreglers 12 nach ,den Fig. 2 und 3. Die ge wünschte Drehzahl wird mit Hilfedes Abgriffes 6 am Widerstand R1 .eingestellt.
Die Frequenz folgt dieser Einstellung, weil sie im wesentlichen vom Spannungs- Istwert Ui abhängt. Für :einen gegebenen Spannungs- Sollwert U1 (Fig. 2) versucht der Spannungsregler 5 die Ausgangsspannung auf einem konstanten Wert U1 zu halten (Kurvenast K1), bis der Stromgrenzwert 1i er- reicht ist. Dann wird die Spannung soweit abgesenkt (Kurvenast K2), dass der Stromwert h erhalten bleibt.
Der Frequenzregler 12 sorgt dafür, dass die Ausgangs frequenz f .proportional der an ihm liegenden Spannung ist (Kurve K3). Dann kann man die nachstehenden Be triebspunkte unterscheiden: a) Es .sei angenommen, dass ein bestimmter Spannungs- Sollwert mit Hilfedes Abgriffs 6 auf den Widerstand R1 eingestellt ist. Diesem Sollwert entsprechen die Koordinaten (U1, f1). Wird nun die Spannung U- an die Klemmen 1, 2 angelegt, nimmt der Motor, der noch stillsteht, einen sehr grossen Strom auf. Dieser wächst bis zum Wert h.
Ohne Kompensation wäre der Arbeitspunkt .durch (Il, U2, f2) gegeben. Durch den Widerstand R3 erfolgt aber eine Kompensation. Diese hat keinen direkten Einfluss auf den Span nungsregler, da dieser im Augenblick nur vom Strom gesteuert ist. Dagegen wird die Frequenz auf den Wert fs erniedrigt. Hierdurch fällt der ,induktive Wi derstand des Motors ab, während der ohmsche Wi derstand konstant bleibt.
Da ausserdem der Strom konstant gehalten wird, sinkt auch die zur Aufrecht erhaltung des Stromes notwendige Spannung auf den Wert U3. Dieser Wert ist aber gegenüber der Kennlinie K3 bezüglich der Frequenz fs angehoben. Dies ist gleichbedeutend mit .einer Kompensation des ohmschen Spannungsabfalls oder anders ausgedrückt mit einer Aufrechterhaltung,der Magnetisierung des Motors. Dieser hat also .ein hohes Anlaufdrehmo ment.
Der neue Arbeitspunkt ist dann (Il, U3, f3). Die Kompensation kann durch den Vektor V1 aus gedrückt werden.
b) Beim Hochlaufen des Motors vergrössert sich die Motorimpedanz. .Spannung und Frequenz wachsen bei konstantem .Strom und der Vektor V verschiebt sich längs der strichpunktierten Linie K4.
c) Wenn Frequenz und Spannung einen Wert erreichen, bei dem der Strom unter den Grenzwert fällt, tritt die Spannungsregelung in Funktion. Da der Span nungsregler 5 versucht, die Ist-Spannung Ui so ein zustellen, dass die korrigierte Spannung Ui" dem Sollwert .entspricht, steigt Ui von Ui auf U4.
Da diese höhere Spannung aber auch auf den Frequenzregler 12 wirkt, erzeugt dieser eine höhere Frequenz, aller ,dings nicht proportional höher, sondern wegen der Gegenkompensation mittels des Abgriffes 19 in ver mindertem Masse, 5o idass sich statt des Arbeits punktes (U1, f1) der neue Arbeitspunkt (U4, f4) er gibt. Diese Kompensation kann durch den Vektor V2 dargestellt werden. Hierbei stellt die Differenz f4-fl eine wirkstromabhängige Schlupfkompensation dar.
Die Differenz U4-Ul dient teils zur Schlupfkompen- sation (durch denAnteil U,-U,), teils zur Spannungs- abfallkompensation (durch den Anteil U4-U5).
Die Abgriffe 18 und 19 müssen der Motorcharakte ristik angepasst werden. Der Abgriff 19 für den Fre- quenzregler 12 wird durch einen Anlassversuch so ju stiert, dass der Motor unter einer gegebenen Last hoch läuft. Der Abgriff 18 für den Spannungsregler wird durch einen Belastungsversuch so justiert, dass die Dreh zahl unter Vollast der gewünschten Nenndrehzahl ent spricht.
Mit einem handelsüblichen Asynchronmotor konnte auf diese Weise jede eingestellte Drehzahl bis herab zu 10 0/0 ,der maximalen Drehzahl innerhalb des gesamten Belastungsbereiches von Null bis zum Vollast-Drehmo- ment mit .einer Toleranz von 2 % konstant gehalten werden.