DE1110915B - Verfahren und Einrichtung zur kontinuierlichen Messung des an der Welle eines Asynchronmotors verfuegbaren Drehmomentes - Google Patents

Description

• Verfahren und Einrichtung zur kontinuierlichen Messung des an der Welle eines Asynchronmotors verfügbaren Drehmomentes Zur Messung des Drehmomentes von Asynchronmotoren ist es bekannt, den magnetischen Fluß im Luftspalt und das Drehmoment durch elektrische Multiplikation in einem geeigneten Meßinstrument nach Art eines Wattmeters zu bestimmen. Diese Multiplikation kann außerhalb der Maschine vorgenommen werden. Hierzu eignet sich vorteilhaft auch ein Hallspannungserzeuger, der bekanntlich als Multiplikator betrieben werden kann.
• Das neue Verfahren zur kontinuierlichen Messung des an der Welle eines Asynchronmotors, insbesondere eines Kurzschlußläufermotors verfügbaren Drehmomentes unterscheidet sich vom Bekannten dadurch, daß die aufgenommene Ständerleistung, die Ständerstromwärmeverluste und die Eisenverluste des Ständerhauptflusses als Spannungen nachgebildet und daraus eine der Drehfeldleistung entsprechende resultierende Spannung gebildet wird, die mit einer den schlupf- und stromabhängigen Zusatzverlusten entsprechenden Spannung verglichen wird, und die Differenzspannung als Maß für das an der Welle verfügbare Drehmoment ausgewertet wird.
• Es gelingt somit, mit ausreichender Genauigkeit auf rein elektrischem Wege das verfügbare Nutzmoment an der Welle des Asynchronmotors zu erhalten, wobei gemäß der Erfindung die zur Durchführung des Verfahrens vorgesehene Einrichtung überwiegend aus ruhenden Schaltungselementen besteht.
• Ein als elektrische Größe in Form einer Spannung gewonnenes Maß für das Drehmoment an der Welle kann insbesondere durch Zwischenschaltung eines Ausgangsverstärkers zur Regelung des Momentes oder zur Begrenzung desselben weiterverwendet werden, indem die Differenzspannung als Istwert einer elektrischen Regelstrecke zur Regelung auf konstantes Moment des Motors oder zur Begrenzung des Drehmomentes herangezogen wird.
• Zur Durchführung des Verfahrens dient eine Einrichtung, bei der zur Erzeugung der resultierenden Spannung die entsprechend abgestimmten Einzelspannungen eines Wattmeters, eines trägheitslos arbeitenden, die Primärseite quadrierenden und summierenden ersten Multiplikators und einer konstanten Spannungsquelle entsprechend zusammengeschaltet sind und daß ein trägheitslos arbeitender, die Primärströme quadrierender und summierender zweiter Multiplikator vorgesehen ist, der mit seiner Ausgangsspannung einen dritten trägheitslos arbeitenden Multiplikator beeinflußt, dessen Ausgangsspannung der resultierenden Spannung gegengeschaltet ist. Aus diesen beiden Spannungen ergibt sich die dem Nutzmoment proportionale Differenzspannung.
• Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß zum Erhalten einer ausreichend genauen Nachbildung des Nutzmomentes auf elektrischem Wege außer den Stromwärmeverlusten im Ständer und den Eisenverlusten des Hauptflusses im Ständer sowie den strom- und schlupfabhängigen Zusatzverlusten die übrigen Verluste vernachlässigt werden können.
• So ergibt sich somit die an der Welle abgegebene Leistung Nw ausreichend genau aus der Differenz der Drehfeldleistung ND mit den strom- und schlupfabhängigen Verlusten NZ. Dabei setzt sich die Drehfeldleistung ND mit ausreichender Genauigkeit aus der ständerseitig zugeführten LeistungN, abzüglich der Stromwärmeverlust im Ständer N Cai und der Eisenverluste des Hauptflusses im StänderNFet zusammen. Die strom- und schlupfabhängigen Verluste NZ verändern sich mit dem Quadrat des Ständerstromes und angenommenermaßen etwa dem Quadrat der Drehzahl nach der Gleichung Dabei bedeuten NZN, J1N und nO die Werte bei Nennlast. Die Nutzleistung ergibt sich demnach ausreichend genau nach der Gleichung Nw' ND -- NZ = N, - N,,, - N,,, - NZ woraus unter entsprechender Berücksichtigung der Drehzahl das Nutzmoment hervorgeht, worin M Imkgl, N [kw] und n[U/min] einzusetzen sind.
• Der zwischen 1,5 und 2 schwankende Exponent für das vorgenannte Verhältnis nln, wird hierbei, für die meisten Fälle zutreffend, zu 2 angegeben.
• Da die als konstant anzunehmenden Eisenverluste sowie die Zusatzverluste bei Nennlast für jede Maschinenart rechnerisch oder bei der Typenprüfung ermittelbar sind, ebenso wie die Stromwärmeverluste bei Nennbetrieb, kann eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens aufgebaut werden, die praktisch brauchbare Ergebnisse gibt.
• Weitere Einzelheiten der Erfindung sind an Hand eines Ausführungsbeispieles für eine solche Einrichtung zur Regelung der Differenzspannung als Maß für das Nutzmoment nachfolgend näher erläutert.
• Ein Asynchronmotor AM, dessen an der Welle zur Verfügung stehendes Moment laufend gemessen und als elektrische Spannung nachgebildet werden soll, ist ständerseitig an die Phasen R, S, T eines Netzes angeschlossen. Zur Messung der ständerseitig aufgenommenen Leistung dient ein Wattmeter A, das aus drei Hallgeneratoren H1, H2 und Ha besteht, deren Steuerstromkreise über Widerstände an je eine Sekundärwicklung II a, II b und II c eines Transformators TR, angeschlossen sind. Die in Stern geschaltete Primärwicklung 1 liegt an den Phasen R, S, T. Das Magnetfeld für jeden Hallgenerator wird von Erregerwicklungen El, E und Es erzeugt, die in Reihe mit den Erregerwicklungen E4, E5 und E6 und den diesen zugeordneten Hallgeneratoren H4, H5 und H6 an Stromwandler TR1, TR2 und TR3 an die Phasen R, S, T angeschlossen sind. Jeder Hallgenerator H1 bis H3 und H4 bis H6 enthält einen Widerstand, wobei die Widerstände der Hallgeneratoren H1 bis H3 und H4 bis H6 in Reihe geschaltet und durch ein Potentiometer P1 bZW. P3 überbrückt sind. Am Potentiometer P1 tritt eine der ständerseitig zugeführten Leistung proportionale Spannung auf. Am Potentiometer P3 wird eine den Stromwärmeverlusten N( im Ständer entsprechende Spannung abgegriffen, da der aus den Hallgeneratoren H4 bis H6 gebildete MultiplikatorB die Primärströme jeder Phase quadriert und diese Ströme summiert. Die Enden der beiden Potentiometer P1 und P2 sind so miteinander verbunden, daß die beiden an ihnen auftretenden Spannungen einander entgegenwirken. Durch entsprechende Bemessung der Hallkreiswiderstände kann die Konstante des Wattmeters dem des Multiplikators B angepaßt werden. Die Eisenverluste NFel des Hauptflusses im Ständer werden als konstante Größe angenommen und durch eine feste Spannungsquelle( nachgebildet, die aus einem von einer BatterieBA gespeisten Potentiometer P besteht. Der Abgriff des Potentiometers P ist mit dem Abgriff des Potentiometers Pl galvanisch verbunden, und zwar derart, daß die Teilspannung der BatterieBA der Teilspannung am Potentiometer P1 entgegenwirkt. Zwischen dem Abgriff des Potentiometers P (Klemme K) und der passenden Klemme der Batterie BA (Klemmen K bzw. K3) besteht eine Spannung, die der Drehfeld- leistungND angenähert proportional ist, so daß sie auch angenähert dem inneren Moment M1 des Motors AM entspricht.
• Um das an der Welle verfügbare Moment mm messen zu können, müssen die stromabhängigen Zusatzverluste Nz nachgebildet und daraus das Verlustmoment Mz abgeleitet werden, und zwar in Form einer Spannung, die der resultierenden Spannung entgegenwirkt, so daß die Differenzspannung der Differenz des inneren Momentes M, und des Zusatzmomentes entspricht. Dies ergibt das Nutzmoment an der Welle. Das Zusatzmoment, das vom Quadrat des Ständerstromes und dem Quadrat der Drehzahl abhängt, wird durch die Einrichtung D erfaßt. Drei Hallgeneratoren H7, H8 und H9 sind in Reihe mit ihren Erregerwicklungen E7, E8 und Eg jeweils an Stromwandlern TR4, Tris und TR6 angeschlossen, die den einzelnen Phasenleitern zugeordnet sind. Im Hallkreis jedes der genannten Hallgeneratoren liegt je ein Widerstand, der in Reihe geschaltet und durch ein Potentiometer P4 überbrückt ist. An das eine Ende des Potentiometers P4 und dessen Abgriff ist über einen Verstärker VS die Erregerwicklung Elo eines dritten Multiplikators angeschlossen, der aus dem HallgeneratorH,, besteht. Der Steuerkreis dieses Hallgenerators ist über einen Widerstand an einen von dem Motor angetriebenen Tachodynamo TD angeschlossen, so daß die Hallspannung des Hallgenerators H10 dem Zusatzmoment Mz entspricht. Diese Spannung ist so der übrigen Spannung über das Potentiometer P5 zugeführt, daß an den Klemmen K1 und K4 eine dem Nutzmoment Mw proportionale Spannung abgegriffen werden kann. Dabei wird das Potentiometer P5 entsprechend den Zusatzverlusten bei Nennlast eingestellt.
• Für die Einstellung der Schaltungsanordnung sind somit nur die Stromwärmeverluste, die stromabhängigen Zusatzverluste und die Eisenverluste im Ständer erforderlich. Diese Angaben können - wie bereits erwähnt - rechnerisch oder experimentell bei der Typenprüfung ermittelt werden oder bei den Herstellern der Maschinen in Erfahrung gebracht werden.
• Die an den Klemmen Kl und K= auftretende Differenzspannung kann gemäß der weiteren Anwendung der Erfindung als Istwert einer elektrischen Regelstrecke zur Regelung auf konstantes Moment des Motors oder zur Begrenzung seines Drehmomentes auf einen bestimmten Maximalwert weiterverwendet werden, indem die Differenzspannung zusammen mit einer Sollwertspannung einem Magnetverstärker zugeführt wird, dessen Arbeitswicklung zwischen Netz und Ständer eines Kurzschlußläufermotors liegen. Bei Motoren mit Läuferwiderständen kann die Differenzspannung zusammen mit einer Sollwertspannung einem Regelorgan zur Veränderung der Läuferwiderstände zugeführt werden.
• An Stelle der verwendeten Hallgeneratoren für das Wattmeter und die Multiplikatoren können auch andere trägheitslos arbeitende Einrichtungen zur Verwirklichung des Erfindungsgedankens vorgesehen sein.

Claims (9)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur kontinuierlichen Messung des an der Welle eines Asynchronmotors, insbesondere eines Kurzschlußläufermotors jeweils verfügbaren Drehmomentes, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgenommene Ständerleistung, die Ständerstromwärmeverluste und die Eisenverluste des Ständerhauptflusses als Spannung nachgebildet und daraus eine der Drehfeldleistung entsprechende resultierende Spannung gebildet wird, mit einer den schlupf- und stromabhängigen Zusatzverlusten entsprechenden Spannung verglichen und die Differenzspannung als Maß für das an der Welle verfügbare Drehmoment ausgewertet wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzspannung als Istwert einer elektrischen Regelstrecke zur Regelung auf konstantes Moment des Motors verwendet wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzspannung zur Begrenzung des Drehmomentes herangezogen wird.
4. 4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der resultierenden Spannung die entsprechend abgestimmten Einzelspannungen eines dreiphasigen Wattmeters, eines trägheitslos arbeitenden, die Primärströme quadrierenden und summierenden ersten Multiplikators und einer konstanten Spannungsquelle zusammengeschaltet sind und daß ein trägheitslos arbeitender, die Primärströme quadrierender und summierender trägheitslos arbeitender zweiter Multiplikator vorgesehen ist, der mit seiner Ausgangsspannung einen von einer drehzahlabhängigen Spannung gesteuerten dritten trägheitslos arbeitenden Multiplikator beeinflußt, dessen Ausgangsspannung der resultierenden Spannung gegengeschaltet ist zur Erzeugung der Differenzspannung.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wattmeter und die Multiplikatoren Hallgeneratoren enthalten, deren Hallspannungen an Potentiometern abnehmbar sind.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklungen der Hallgeneratoren des Wattmeters und des ersten Multiplikators in Reihe mit dessen Steuerkreisen an einen Stromwandler für jede Phase des Motors angeschlossen sind.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hallspannung des zweiten Multiplikators über einen Verstärker die Erregerwicklung des dritten Multiplikators speist, dessen Steuerkreis an einen Tachodynamo angeschlossen ist.
8. 8. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Netz und Motor ein Magnetverstärker vorgesehen ist, der von der Sollwertspannung und der dieser entgegenwirkenden Differenzspannung beeinflußbar ist im Sinne einer Regelung oder Begrenzung des Momentes.
9. 9. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, 2 oder 3 für Schleifringläufermotoren, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz aus Soll- und Istwertspannung auf ein die Läuferwiderstände verstellendes Regelorgan geführt ist. ~~~~~~~ In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 393, 1 065 633.