DE2730774A1

DE2730774A1 - Leistungsfaktor-steuerungssystem fuer einen wechselstrom-induktionsmotor

Info

Publication number: DE2730774A1
Application number: DE19772730774
Authority: DE
Inventors: Frank Joseph Nola
Original assignee: National Aeronautics and Space Administration NASA
Current assignee: National Aeronautics and Space Administration NASA
Priority date: 1976-07-19
Filing date: 1977-07-07
Publication date: 1978-01-26
Also published as: CA1075307A; GB1551644A; JPS5328223A; NL178639C; HK1681A; AU2714677A; NL178639B; JPS5726079B2; NL7707266A; IT1083368B; FR2359537B1; FR2359537A1; US4052648A; DE2730774C2; AU508213B2

Description

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Leistungsfaktor-Steuerungaayatem für einen Ve chaelatrom-Induktionamotor

Die Erfindung bezieht eich auf ein System zum Steuern der Eingangeleistung eines Notora und speziell auf ein Steuerungssystem, welches die Eingangsleistung einea Wechselatron-Induktionsmotors proportional zur Belastung des Motora einatellt.

Die vorliegende Erfindung schafft ein elektriaohea System, das, eingeaetzt in den Eingangskreis einea Wechselstrom-Induktionamotors, eine Reduzierung der den Motor zugeführten Leistung zur Folge hat, wenn der Motor entweder bei überhöhter Spannung Und/ oder bei einer Belastung betrieben wird, die geringer iat als die Nennbelaatung·

Daa erfindungsgemäße Syatem iat im Patentanapruoh 1 angegeben· Weiterbildungen desselben sind Gegenstand der Unteransprüche«

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die dem Motor zügeführte Spannung und der duroh ihn fließende Strom abgetastet, die Phaaenlagen der Abtaatwerte werden miteinander verglichen und ea wird ein Steuersignal daraus abgeleitet, daa dazu verwendet wird, diejenige Zeitdauer zu beatimmen, die während jeder Periode der Veraorgungaapannung der Motor mit Energie veraorgt wird, wobei dieae Einachaltzeiten aich umgekehrt proportional mit der festgestellten Phasendifferenz swlaohen Spannung und Strom verändern, wodurch die Phasendifferenz verändert und auf diese Weise der Leistungsfaktor auf einen optimalen Wert eingestellt wird, der sonst niedriger sein würde als der Optimalwert, der vorliegt, wenn Netzspannung und Motorstrom phasengleich sind·

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Die Erfindung soll nachfolgend tint er Bezugnahme auf die Zeichnungen naher erläutert werden· Ea zeigern

Fig. 1 ein elektrisches Schaltschema einer Ausführungsfom der Erfindung;

Fig· 2a - 21 verschiedene Kurvenformen, die die Betriebsweise dea erfindungsgemäßen Steuerungasysteme erläutern aollen, und

Fig· 3 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem von einem Motor abgegebenen Drehmoment und der aufgenommenen Leistung mit und ohne Einsatz der Erfindung.

Ein Wechselstrom-Induktionsmotor 10 ist an eine Wechselspannung 12 (Flg. 2a) über einen Schalter Ik angeschlossen, welcher den Motor 10 mit dem Wechselstromnetz 16 verbindet· Die Netzspannung wird außerdem einem Transformator 18 und einer Stromversorgungseinrichtung 20 für das erfindungsgemäße Steuerungssystem zugeführt. Ein Triac 22 ist in Serie mit dem Motor 10 geaohaltet und wird für bestimmte Zeitabschnitte einer jeden Halbwelle der Netzspannung in den Einschaltzustand versetzt. Sin Widerstand 2k von 0,01 bis 0,02 0hm ist in Serie mit dem Motor 10 geschaltet und dient dazu, ein Signal 26 (Fig. 2b) zu erzeugen, welohea proportional dem jeweils duroh den Motor fließenden Strom ist. Fig. 2b stellt einen Augenblickezustand unmittelbar naoh dem Inbetriebsetzen dea Motors dar mit einem anfänglich optimalen Spannungs/Lastverhältnis, wodurch der Triao 22 voll geöffnet wird und wo später die Belastung im wesentlichen abnimmt. Die anfängliche Phasendifferenz 28 zwischen Strom und Spannung für diesen optimalen Betriebszustand iat von Motor zu Motor verschieden und muß für jeden Motor, der mit dem erfindungsgemäßen Steuerungssystem ausge-

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rüstet werden soll, vorher bestimmt werden. Im vorliegenden Beispiel beträgt die ursprüngliche optimale Phasendifferenz 28 ungefähr 30° und ein Potentiometer 78 wird so eingestellt, daß sich ein Nullfehler-Ausgangssignal für die Steuerung des Einschaltzeitpunktes des Triacs 22 so ergibt, daß der Phasenwinkel später auf diesen Optimalwert (oder einen gewünschten anderen) eingestellt wird. Das Auftreten eines größeren Phasenwinkels 28a zum Zeitpunkt T₁ zeigt eine plötzliche Abnahme der Motorbelastung an. Die Feststellung dieser Phasenwinkelvergrößerung wird, wie später erläutert, dazu benutzt, die mittlere Amplitude der dem Motor zugeführten Spannung zu reduzieren und so einen vorbestimmten optimalen Phasenwinkel zu erhalten.

Der Transformator 28 weist eine Sekundärwicklung mit einer Mittenanzapfung 32 auf, welche geerdet ist und welcher gegenüber zwei einander gegenpolige Spannungen erzeugt werden, die zwei Kurvenformern Jk und 36 zugeführt werden, die aus dem Sinus- einen Rechteckverlauf machen. Vie aus den Figuren 2o und 2d ersichtlich, entstehen zwei einander gegenpolige Reohteeksohwingungen 38 und kO_t die in Sägezahngeneratoren k2 und kk in Sägezahnsohwingungen umgewandelt werden« Die Ausgänge der Sägemahngeneratoren sind zusammengefaßt, so daß sich eine Sägezahnsehwingung ergibt, wie sie in Fig· 2k dargestellt ist, welche die doppelte Frequenz wie die der Reohteoksohwlngungen 38 und kO aufweist. Die Schwingung 38 wird auch als Referenzsignal verwendet, welches die Phasenlage der Netzspannung angibt und einem Vervielfacher k8 zugeführt wird, der als Phaeendetektor arbeitet und an seinem zweiten Eingang ein Signal 50 (Fig. 2g) erhält, welches die Phasenlage des Stromes aufweist· Das dem Strom entsprechende, am Widerstand 2k abgenommene Spannungssignal 26 wird über einen Trenntransformator 52 geleitet und einem Kurvenformer 54 zugeführt, weloher aus

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ihm eine Rechtecksehwingung 56 (Fig. 2e) erzeugt. Diese Rechteokachwlngung wird in einem Differenzierglied 58 differenziert, welches Nadelimpulse 60 erzeugt, die in Fig. 2f dargestellt sind· Diese negativen Impulse, die von den Abfallflanken der Rechteokschvlngung 56 abgeleitet werden, werden als Triggerimpulse für einen monostabilen Multivibrator (Monoflop) 62 verwendet, mit welchem eine Rechteoksohwingung 50 erzeugt wird, die in Fig. 2g dargestellt ist· Diese Rechteekschwingung beginnt sum Zeitpunkt des Flankenabfalls oder Nulldurchgangs des dem Strom entsprechenden Signals 26 (Fig· 2b) und hat eine Einschaltzeitdauer, die von der Zeitkonetanten des Monoflops 62 bestimmt ist· Letztere 1st so eingestellt, daß sie der Lange einer Halbperlode der Netzspannung entspricht· Auf diese Weise wird ein Reohteok-Stromsignal erzeugt, welches von gleicher Dauer ist wie eine Halbschwingung der Spannungeverlauf e 12, 38 und kO und welche in eine zeitliche Lage verschoben 1st, welche von der Phasendifferenz zwischen Strom und Spannung abhängt, weil es genau am Ende einer Halbschwingung des dem Strom entsprechenden Signale beginnt, welches entsprechend der Phasenverschiebung gegenüber dem Spannungssignal zeltversohoben ist*

Der Phasendetektor k8 multipliziert die Schwingung 38 (Fig. 2o) mit der Schwingung 50 (Fig· 2g) und ergibt somit eine Ausgangssohwingung 6k, wie sie in Fig· 2h dargestellt ist· Dieses Ausgangssignal 6k wird im Integrator 66 integriert und umgepolt· Ohne diese Umpolung würde die Aus gangs spannung des Integrators 66 maximal sein, wenn keine Phasenverschiebung vorhanden 1st, und minimal sein, wenn die Phasenverschiebung den Höchstwert Erreicht. Um die notwendige Umkehrung im Vorzeiohen zu erzielen, wird einem Eingang des Integrators 66 eine Vergleiche-Spannung v-, zugeführt, die im Integrator vom Aus gangs signal des Phasendetektors k8 abgezogen wird· Die integrierte Ausgangs·

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spannung des Integrators 66 hat den Verlauf 68 (Figuren 21 und 2j). Dessen Größe variiert direkt mit dem Phasenwinkel· Je größer der Phasenwinkel ist, umso größer ist der Systemfehler, der korrigiert werden muß. Die Spannung 68a nach dem Zeltpunkt T₂ des Integrators 66, die proportional dem Phasenwinkel ist, wird dem negativen Eingang eines Operationsverstärkers 70 zugeführt« Dem gleichen Eingang wird auch eine entgegengesetzt gepolte Phasenwinkel-Steuerspannung 69 (Fig. 21) zugeführt, welohe von einem Spannungsteiler 78 abgegriffen und über einen Widerstand 76 zugeleitet wird· Der Spannungsteiler 78 ist so eingestellt, daß er eine Ausgangsspannung abgibt, die einem gewünschten, einzuhaltenden Phasenwinkel entspricht· Venn das System mit einem solchen vorgegebenen Phasenwinkel arbeitet, dann würde die Ausgangsspannung des Integrators gleich der vom Potentiometer 78 vorgegebenen Spannung, Jedoch von umgekehrtem Vorzeichen sein, ein Zustand, der in Fig· 2j ab dem Zeitpunkt T₂ gegeben 1st· Aufgrund des höheren Ausgangssignals 64a vom Phasendetektor 48 aufgrund eines entsprechend höheren Phaeenwlnkels 28 wächst die Aus gangsspannung des Integrators 66 negativ auf den Vert 68a an· Es würde daher eine Netto-Nullfehlerspannung 71 (Fig. 2J) dem negativen Eingang des Operationsverstärkers 70 zugeführt· Für die angegebene, den vorgegebenen Phasenwinkel übersteigende Phasenverschiebung würde sieh schließlich ein negatives Fehlersignal 71* ergeben, das dem genannten Eingang, wie gezeigt, zugeführt wird· Venn dies auftritt, dann erzeugt der hochverstärkende Operationsverstärker 70 ein verstärktes Fehlerslgnal 73a (Fig. 21), welehes einem Komparator 102 zugeführt wird, damit die SInsohaltzelt des Triao 22 herabgesetzt wird, wodurch sieh der optimale, vorbeotimmte Phasenwinkel ergibt· Dies vollzieht sich im Zeitabschnitt zwischen T₂ und T. (Flg. 2b).

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sieherzustellen, daß der Motor 10 nach de« Einschalten sehr sohneil anläuft und das dazu notwendige Maximale Dreh-■osient entwickelt, ist das Ansprechen des St eue rungs sys tens gemäß der vorliegenden Erfindung au Anfang verzögert. Diese Verzögerung wird durch einen Verzögerungskreis 80 bewirkt, der aus einem Kondensator 82 und eines Widerstand 84 besteht und zwischen einen Ausgang des über den Schalter Ik einzuschaltenden Netzgeräts 20 und den positiven Eingang des Operationsverstärkers 7O eingeschaltet ist. Der Anfangsladestrom ist durch den Widerstand 8k so eingestellt, daß am Widerstand 8k für eine Zeit von einigen Sekunden oder länger, Je nach Anwendungsfall, eine höhere Spannung ansteht als am negativen Eingang des Operationsverstärkers 70· Ein Rückkopplungskreis aus einem Widerstand 86 und einem Kondensator 88, die parallel zwischen den Ausgang des Operationsverstärkers 70 und dessen negativen Eingang eingeschaltet sind, siohert die notwendige Verstärkung und Dämpfungsfrequenz, die fttr die Stabilität des Systems erforderlich sind.

Der Triac 22 wird durch ein Steuersignal eingeschaltet, das ihm von der Sekundärseite eines Transformators 90 zugeführt wird· Dieses Steuersignal ist ein hochfrequentes Signal, welches von einem Oszillator 92 erzeugt und der Primäraeite des Transformators 9O über einen elektronischen Schalter 9k zugeführt wird· Ober die Primärwioklung des Transformators 1st eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 96 und einer Diode 98 gelegt, die Induktionsspannungen auf ein Niveau herabdrüoken, welches von den verwendeten Halbleitern vertragen wird« Dmr elektronische Schalter 9k wird durch Impulse 100 getriggert, die in Fig. 21 dargestellt sind und die Einschalt· zelt des Oszillators 92 darstellen. Diese Impulse stammen aus dem Komparator 102 und werden in Übereinstimmung mit der Säge· zahnsohwingung k6 (rig. 2k) und dem Steuersignal 73 (Flg. 2k)

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erzeugt. Die Impulse 100 aus den Komparator 102 entstehen immer dann, wenn die Spannung des Steuersignals 73 diejenige der Sägezahnschwingung 46 übersteigt. Auf diese Weise wird im vorliegenden Beispiel am Ausgang des Operationsverstärkers 70 zu Beginn eine positive Maximalspannung erzeugt und die Impulse 100 haben eine 100 #ige Einschaltzeit über die gesamte Periode der Sägezahnschwingung· Hierdurch wird der Oszillator 92 eingeschaltet und auch der Triac 22 ist für die gesamte Periode der Spannung 30 (Fig. 2b) eingeschaltet· Es sei angenommen, daß dies einige Sekunden lang erfolgt bis zum Zeitpunkt T₁, zu welchem die Motorbelastung auf nahezu Null abfällt. Venn dies auftritt, dann steigt der Phaaenuntersohied 28 auf den größeren Wert 28a an, wodurch der Kurvenverlauf 50 (Fig· 2g) nach rechts verschoben wird« Dies wiederum hat eine größere Impulsbreite der Ausgangsimpulse 6k des Phasendetektors k8 (im Zeitpunkt T.) zur Folge. Am Integrator 66 entsteht hierdurch eine vergrößerte Ausgangespannung, welche von einem Nullniveau (Niveau 71) Auf ein bestimmtes negatives Niveau (Niveau 71a) wechselt, wie es in Fig· 2j dargestellt ist. Der Operationsverstärker 70 gibt daher ein verstärktes weniger positives Ausgangssignal 73a ab, das zum Zeitpunkt T beginnt (Fig. 2k). Bei dessen Auftreten gibt der Komparator 102 kürzere Impulse 100a an den elektronischen Schalter 9k, so daß der Triac 22 für kürzere Zeitdauern in den Einschaltzustand versetzt wird, so daß er nur für einen Teil 30a der vollen Schwingungsperiode 30 eingeschaltet wird.

Der dem Motor 10 zugeführte Spannungsverlauf 30 erfährt zwischen den Zeitpunkten T. und T- eine Veränderung« Ausgehend von einem ursprünglichen Phasenwinkel 28 steigt er auf einen Phasenwinkel 28a an und wird dann auf den Phasenwinkel 28 zurüokgefUhrt, wobei aus vollen Spannungsperioden 30, die dem Motor zugeführt werden, extrem kurze Teilperioden 30a werden. Die Verschiebung

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d·· Phasenwinkel· hat dies notwendig gemaoht, via den vorgegebenen Optimalwinkel zwischen Spannung und Strom und somit den ursprünglichen Leistungsfaktor wiederzugewinnen· Venn dies nioht durchgeführt wird, dann steigt der Phasenwinkel sehr stark an und nimmt der Leistungsfaktor sehr stark ab, was au einem Energieverlust führt.

In Fig* 3 ist der Prosentanteil der vollen Leistung über den Prosentanteil der vollen Belastung oder des Drehmoments des Meters aufgetragen, wobei die Linie 112 den Zustand unter Anwendung der Erfindung und die Linie 110 den Zustand ohne Anwendung der Erfindung darstellt* Der schraffierte Bereioh zwischen den beiden Linien zeigt die Energie an, die man duroh den Einsatz der Erfindung spart.

Obgleich die Erfindung hier an einem Einphasenmotor gezeigt ist, sei doch betont, daß Ale auch bei mehrphasigen Motoren anwendbar ist« Bei einem Drehphasenmotor müssen beispielsweise drei der in Pig. 1 dargestellten Steuerungssysteme verwendet werden, Je eines für jede Phase, wobei bei Sternsohaltung gegen den Nulleiter als Bezugspunkt gearbeitet wird· In Dreieckschaltung ist es notwendig, einen Triac und einen zum Gewinnen eines vom Strom abhängigen Signals notwendigem Widerstand in Serie mit Jeder Wicklung des Motors zu sehalten und die Referenzspannung für die Steuerungseinrichtung erhalt man über die zwei Eingangsklemmen der entsprechenden Wicklung·

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rs e i te

Claims

PATENTANWÄLTE

Ο-β MÜNCHEN aa ■ WIDENMAYERSTRASSE 4» D-I BERLIN-DAHLEM 33 · PODBIELSKIALLEE ββ

BERLIN: DIPL.-ΙΝβ. R. MÜLLER-BÖRNER

NATIONAL AERONAUTICS AND München: dipl.-ινθ. hans-heinrich wey

SPACE ADMINISTRATION dipl.-inq. ekkeharo körner

Washington, D.C. 205^6/USA

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Ansprüche

Λ Leistungefaktor-Steuerungesystem für einen Wechselstrom-Induktionsmotor, bestehend aus

a) einer Stromabtasteinrichtung mit Mitteln, die dazu eingerichtet sind, in den Stromkreis jeder Phasenwieklung des Motors eingeschaltet zu werden und ein

· Weehselstromausgangssignal abzugeben, das mit dem Strom durch die entsprechende Phasenwicklung gleichphasig ist,

b) einer Spannungsabtasteinrichtung, die dazu eingerichtet ist, die Spannung einer elektrischen Eingangsgröße an der Wicklung festzustellen und ein Ausgangssignal abzugeben, das mit der Spanung über der Wicklung gleich· phasig ist,

c) einen Phasendetektor, der auf die Ausgangesignale von Stromabtasteinrichtung und Spannungsabtasteinrichtung anspricht und ein Ausgangssignal abgibt, das sioh mit der Phasendifferenz ändert, und

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MÜNCHEN: TELEFON (OBtI) 225585 BERLIN: TELEFON (O3O) 8313Ο88

KABEL: PROPINDUS · TELEX O5 24 344 KABEL: PROPINDUS -TELEX Ο184Ο57

ORIGINAL INSPECTED

d) einer Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, elektrisch in Serie mit jeder Wicklung des Motors geschaltet zu werden und auf das Ausgangssignal des Phasendetektors anzusprechen, um die Länge der Einschaltzeit jeder Periode der Eingangsleistung der Wicklung umgekehrt proportional zur Phasendifferenz zwischen Strom und Spannung zu verändern«

2. Steuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromabtasteinrichtung aus einem mit einer Motorwicklung in Serie geschalteten Widerstand und einer Einrichtung zum Erzeugen eines den Spannungsabfall über den Widerstand proportionalen Ausgangssignals besteht.

3· Steuerungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsabtasteinrichtung aus einer Einrichtung zum Erzeugen eines Rechteokimpuls-Ausgangssignals mit einer der der Motorwicklung zugeführten Spannung entsprechenden Frequenz besteht und die Stromabtasteinrichtung einen mit dem Widerstand verbundenen Reehteekimpulsgenerator umfaßt, welcher Impulse liefert, deren Länge und Höhe denen der Impulse der Spannungsabtasteinrichtung gleichen, und daß jeder Impuls aus dem Impulsgenerator eine Flanke aufweist, welche mit einem Nulldurchgang der Spannung über dem Widerstand zeitlich zusammenfällt.

k. Steuerungssystem nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendetektor eine Einrichtung zum Vervielfachen der Amplituden der ihm zugeführten Reohteckimpulse von Spannungsabtasteinrichtung und Stromabtasteinrichtung aufweist.

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5. Steuerungssystem nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung umfaßt

a) eine Einrichtung, welche auf die an der Wicklung des Induktionsmotors anliegende Spannung anspricht und eine Sägezahnschwlngung mit gegenüber besagter Spannung doppelter Frequenz erzeugt,

b) einen Impulsgenerator, welcher auf einen Vergleichswert zwischen der Sägezahnspannung und dem Ausgangesignal des Phasendetektors anspricht und Ausgangsnadel· impulse hoher Frequenz abgibt, von welchen die Impulsbreite proportional der Zeit ist, während welcher das Ausgangssignal des Phasendetektors in einer vorgegebenen Richtung von der Augenblickegröße der Sägezahnsohwingung abweicht, und

c) eine Schalteinrichtung, die dazu eingerichtet ist, in den Wioklungsstromkreis des Induktionsmotor eingeschaltet zu werden und auf den Impulsgenerator anzusprechen, um die Breite der Halbperioden der der Motorwloklung zugeführten Antriebsenergie in Übereinstimmung mit der Breite der Nadelimpulse zu variieren·

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