DE1110915B

DE1110915B - Method and device for continuous measurement of the torque available on the shaft of an asynchronous motor

Info

Publication number: DE1110915B
Application number: DES65438A
Authority: DE
Inventors: Dr Walter Hartel; Dipl-Ing Rudolf Weppler
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1959-10-15
Filing date: 1959-10-15
Publication date: 1961-07-13

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. Method and device for continuous measurement of the Shaft of an asynchronous motor available torque To measure the torque of asynchronous motors it is known, the magnetic flux in the air gap and the Torque by electrical multiplication in a suitable measuring instrument Determine type of wattmeter. This multiplication can be done outside the machine be made. A Hall voltage generator is also suitable for this purpose, which, as is well known, can be operated as a multiplier.

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. The new method for the continuous measurement of the on the shaft an asynchronous motor, in particular a squirrel cage motor available torque differs from the familiar in that the stator power consumed, the stator current heat losses and the iron losses of the stator main flow as Stresses are simulated and a resultant corresponding to the rotating field power Voltage is formed with one of the slip- and current-dependent additional losses corresponding voltage is compared, and the differential voltage as a measure of the torque available on the shaft is evaluated.

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. It is thus possible with sufficient accuracy on a purely electrical basis Ways to get the available useful torque on the shaft of the asynchronous motor, where according to the invention, the device provided for carrying out the method consists mainly of static circuit elements.

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. A measure for, obtained as an electrical quantity in the form of a voltage the torque on the shaft can in particular be achieved by interposing an output amplifier can be used to regulate the torque or to limit it, by using the differential voltage as the actual value of an electrical controlled system for regulation to a constant torque of the motor or to limit the torque will.

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. A facility is used to carry out the process Generation of the resulting voltage, the correspondingly coordinated individual voltages of a wattmeter, one that works without inertia, squaring the primary side and summing the first multiplier and a constant voltage source accordingly are interconnected and that an inertia-free working squaring the primary currents and a summing second multiplier is provided which is associated with its output voltage influences a third multiplier working without inertia, the output voltage of which the resulting voltage is connected in the opposite direction. From these two tensions results the differential voltage proportional to the useful torque.

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. The invention is based on the knowledge that to obtain a sufficiently accurate simulation of the useful torque by electrical means except the current heat losses in the stator and the iron losses of the main flow in the stator as well as the current- and slip-dependent additional losses, the remaining losses are neglected can be.

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.The power Nw output at the shaft is thus obtained with sufficient accuracy from the difference between the rotating field power ND and the current- and slip-dependent losses NZ. The rotating field power ND is made up with sufficient accuracy from the power N supplied on the stator side, minus the current heat loss in the stator N Cai and the iron losses of the main flow in the stator NFet. The current- and slip-dependent losses NZ change with the square of the stator current and, assumedly, approximately the square of the speed according to the equation NZN, J1N and nO mean the values at nominal load. The useful power is thus obtained with sufficient accuracy according to the equation Nw 'ND - NZ = N, - N ,,, - N ,,, - NZ from which the useful torque, taking into account the speed accordingly it can be seen where M Imkgl, N [kw] and n [rpm] are to be used.

Der zwischen 1,5 und 2 schwankende Exponent für das vorgenannte Verhältnis nln, wird hierbei, für die meisten Fälle zutreffend, zu 2 angegeben. The exponent for the aforementioned ratio, which fluctuates between 1.5 and 2 nln, is given here, applicable for most cases, to 2.

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. Since the iron losses, which can be assumed to be constant, as well as the additional losses at nominal load for each type of machine can be determined arithmetically or during the type test are, as well as the current heat losses during nominal operation, can be a circuit arrangement to carry out the process, the practically useful results gives.

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. Further details of the invention are based on an exemplary embodiment for such a device for regulating the differential voltage as a measure of the useful torque explained in more detail below.

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. An asynchronous motor AM, its available on the shaft Moment is to be continuously measured and simulated as an electrical voltage Connected on the stator side to phases R, S, T of a network. To measure the A wattmeter A, which consists of three Hall generators, is used for the power consumed on the stand side H1, H2 and Ha, whose control circuits are connected to a secondary winding via resistors II a, II b and II c of a transformer TR are connected. The one switched to star Primary winding 1 is connected to phases R, S, T. The magnetic field for each Hall generator is generated by excitation windings El, E and Es, which are in series with the excitation windings E4, E5 and E6 and the Hall generators H4, H5 and H6 assigned to them on current transformers TR1, TR2 and TR3 are connected to phases R, S, T. Each hall generator H1 to H3 and H4 to H6 contains a resistor, the resistances of the Hall generators H1 to H3 and H4 to H6 connected in series and controlled by a potentiometer P1 or. P3 are bridged. At potentiometer P1 one of the stator-side feeds occurs Power proportional voltage on. On the potentiometer P3 one of the current heat losses N (corresponding voltage tapped in the stator, since that from the Hall generators MultiplierB formed H4 to H6 squared the primary currents of each phase and these Currents summed. The ends of the two potentiometers P1 and P2 are so with each other connected that the two tensions occurring in them counteract each other. The constant of the wattmeter that of the multiplier B can be adjusted. The iron losses NFel of the main river in the stator are assumed to be constant and are supplied by a fixed voltage source ( which consists of a potentiometer P fed by a battery BA. The tap of the potentiometer P is galvanic with the tap of the potentiometer Pl connected, in such a way that the partial voltage of the battery BA of the partial voltage counteracts this on potentiometer P1. Between the tap of the potentiometer P (terminal K) and the matching terminal of the battery BA (terminals K or K3) there is a voltage, that of the rotating field powerND is approximately proportional, so that it is also approximated corresponds to the internal moment M1 of the motor AM.

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. In order to be able to measure the torque mm available on the shaft the current-dependent additional losses Nz are simulated and, from this, the torque loss Mz can be derived, in the form of a stress, which is the resulting stress counteracts so that the differential voltage of the difference of the internal moment M, and the additional torque. This gives the useful torque on the shaft. That Additional torque, which depends on the square of the stator current and the square of the speed, is detected by the device D. Three Hall generators H7, H8 and H9 are in Series with their excitation windings E7, E8 and Eg each on current transformers TR4, Tris and TR6, which are assigned to the individual phase conductors. In the reverberation circle each of the mentioned Hall generators has a resistor connected in series and is bridged by a potentiometer P4. To one end of the potentiometer P4 and its tap is the excitation winding Elo via an amplifier VS. connected third multiplier, which consists of the Hall generator H ,,. Of the The control circuit of this Hall generator is connected to one of the motor via a resistor driven Tachodynamo TD connected, so that the Hall voltage of the Hall generator H10 corresponds to the additional torque Mz. This tension is so above the rest of the tension the potentiometer P5 supplied that at the terminals K1 and K4 one of the useful torque Mw proportional voltage can be tapped. The potentiometer P5 set according to the additional losses at nominal load.

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. For the setting of the circuit arrangement, only the current heat losses are therefore the current-dependent additional losses and the iron losses in the stator are required. This information can - as already mentioned - mathematically or experimentally at can be determined during the type test or from the manufacturers of the machines to be brought.

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. The differential voltage occurring at terminals Kl and K = can be determined according to the further application of the invention as the actual value of an electrical controlled system to control the constant torque of the motor or to limit its torque to a certain maximum value can be further used by the differential voltage is fed together with a setpoint voltage to a magnetic amplifier whose Working winding lie between the network and the stator of a squirrel cage motor. at Motors with rotor resistors can use the differential voltage together with a setpoint voltage be fed to a control element for changing the rotor resistance.

An Stelle der verwendeten Hallgeneratoren für das Wattmeter und die Multiplikatoren können auch andere trägheitslos arbeitende Einrichtungen zur Verwirklichung des Erfindungsgedankens vorgesehen sein. Instead of the Hall generators used for the wattmeter and the Multipliers can also help achieve other inertia-free bodies of the inventive concept be provided.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Method for the continuous measurement of the an the shaft of an asynchronous motor, in particular a squirrel cage motor available torque, characterized in that the stator power consumed, the stator current heat losses and the iron losses of the stator main flow as Voltage is simulated and a resultant corresponding to the rotating field power Voltage is formed, with one of the slip- and current-dependent additional losses the corresponding voltage and the differential voltage as a measure of the torque available on the shaft is evaluated.

2. The method according to claim 1, characterized in that the differential voltage as the actual value of an electrical controlled system to control the constant torque of the Motor is used.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the differential voltage is used to limit the torque.

4. Device for performing the method according to claim 1, characterized characterized in that the correspondingly matched to generate the resulting voltage Individual voltages of a three-phase wattmeter, an inertia-free, The first multiplier and a first multiplier squaring and summing the primary currents constant voltage source are interconnected and that an inertia-free working, the primary currents of squaring and summing inertia-free working second Multiplier is provided with its output voltage one of a speed-dependent Voltage-controlled third inertia-free multiplier, whose output voltage is connected against the resulting voltage for generation the differential voltage.

5. Device according to claim 4, characterized in that the wattmeter and the multipliers contain Hall generators, their Hall voltages on potentiometers are removable.

6. Device according to claim 5, characterized in that the excitation windings the Hall generators of the wattmeter and the first multiplier in series with it Control circuits are connected to a current transformer for each phase of the motor.

7. Device according to claim 5, characterized in that the Hall voltage of the second multiplier via an amplifier, the excitation winding of the third Multiplier feeds whose control circuit is connected to a speedometer.

8. Device for performing the method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that a magnetic amplifier between the mains and the motor is provided, that of the setpoint voltage and the differential voltage counteracting this can be influenced in the sense of a regulation or limitation of the moment.

9. Device for performing the method according to claim 1, 2 or 3 for slip ring motors, characterized in that the difference is from Setpoint and actual value voltage to a control element that adjusts the rotor resistances is led. ~~~~~~~ Publications considered: German Auslegeschrift No. 1,393, 1,065,633.