DE1268716B

DE1268716B - Circuit arrangement for subsynchronous speed control of asynchronous squirrel cage motors

Info

Publication number: DE1268716B
Application number: DE19641268716
Authority: DE
Inventors: Heinz Schaeffersmann; Ernst Tuchen
Original assignee: Schleicher Regelautomatik G M
Current assignee: Schleicher Regelautomatik G M
Priority date: 1964-08-28
Filing date: 1964-08-28
Publication date: 1968-05-22

Description

Schaltungsanordnung zur untersynchronen Drehzahlregelung von Asynchron-Kurzschlußläufermotoren Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung mit gesteuerten und ungesteuerten Ventilen (Halbleiter) zur untersynchronen Drehzahlregelung eines Asynchron-Kurzschlußläufermotors.Circuit arrangement for subsynchronous speed control of asynchronous squirrel cage motors The invention relates to a circuit arrangement with controlled and uncontrolled Valves (semiconductors) for the subsynchronous speed control of an asynchronous squirrel cage motor.

Es ist bekannt, derartige Schaltungsanordnungen so auszuführen, daß die dem Motor zugeführte Spannung oder Frequenz, auch Spannung und Frequenz gleichzeitig, verändert werden, wobei die vom Motor abgegebenen Werte, im allgemeinen die abgegebene Drehzahl, zur Steuerung ausgenutzt werden. Die Schaltungen sehen eine Gegenparallel- oder Kreuzschaltung von Ventilen zwischen Netz und Motor vor. Es ist ferner bekannt, den Strom einer Halbwelle zur Steuerung auszunutzen. Desgleichen ist es im Rahmen von Schaltungsanordnungen zur untersynchronen Drehzahlsteuerung oder -regelung bekannt, Kurzschlußläufermotoren mit vom Anlauf bis zur maximalen Drehzahl ohne Einsattelung ständig fallender Drehmoment-Drehzahlkennlinie zu verwenden.It is known to perform such circuit arrangements so that the voltage or frequency supplied to the motor, also voltage and frequency at the same time, can be changed, whereby the values output by the motor, generally the output Speed, can be used for control. The circuits see an opposite parallel or cross-connection of valves between mains and motor. It is also known to use the current of a half-wave for control. It is the same in the frame of circuit arrangements for sub-synchronous speed control or regulation known, Squirrel cage motors with from start to maximum speed without saddle to use continuously falling torque-speed characteristic.

Auch ist eine elektronische Schalteinrichtung für einen Mehrphasenverbraucher, z. B. Induktionsmotor, bekannt, bei der ein einzelnes gesteuertes Ventil an eine Drehstrombrücke angeschlossen ist. Da hier kein frequenzabhängiger Nulldurchgang gegeben ist, ist die Möglichkeit einer Anschnittssteuerung nur schwer zu realisieren. Ein direktes ständiges Ein- und Ausschalten aller Phasen ist jedoch für eine Drehzahlregelung wegen der hohen Einschaltstromstöße nicht geeignet.There is also an electronic switching device for a multi-phase consumer, z. B. induction motor, known in which a single controlled valve to a Three-phase bridge is connected. Since there is no frequency-dependent zero crossing is given, the possibility of a gate control is difficult to implement. However, direct constant switching on and off of all phases is necessary for speed control not suitable because of the high inrush currents.

Es ist ferner bekannt, im Sternpunkt symmetrisch ungesteuerte Ventile mit gesteuerten zu vereinigen oder nur gesteuerte Ventile zu verwenden, die in einem Ring bzw. in einem Dreieck liegen.It is also known to have symmetrically uncontrolled valves at the star point to unite with controlled or to use only controlled valves that are in one Ring or in a triangle.

Da in allen Fällen mindestens so viel gesteuerte Ventile wie Phasen vorhanden sind, ist der zum Steuern dieser Ventile erforderliche Aufwand beachtlich. Außerdem haben die bekannten Schaltungsanordnungen folgende Nachteile: Sie nutzen nicht das volle mögliche Anlaufmoment des Motors aus und erfordern für die Regelung zusätzliche Bauelemente am oder im Motor bzw. an den angetriebenen rotierenden Teilen, oder es werden rotierende Hilfssteuerelemente verwendet. Wird eine Halbwelle zur Steuerung genutzt, so ist ein Mittelpunktleiter erforderlich. Außerdem ist der Motor einseitig belastet, wird also sehr heiß, und der Wirkungsgrad ist entsprechend niedriger. Der Schaltungs- und Zubehöraufwand ist in allen Fällen sehr groß.Since in all cases at least as many controlled valves as phases are present, the effort required to control these valves is considerable. In addition, the known circuit arrangements have the following disadvantages: They use do not use the full possible starting torque of the motor and require it for control additional components on or in the motor or on the driven rotating parts, or rotating auxiliary controls are used. If a half-wave becomes If the control system is used, a center conductor is required. Besides, the engine is loaded on one side, so it gets very hot and the efficiency is correspondingly lower. The circuit and accessories expense is very large in all cases.

Die Erfindung bezweckt die Schaffung eines verschleißfreien elektrisch geregelten Antriebes, der in vielen Anwendungsfällen mechanisch geregelte Antriebe ersetzen kann, und ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, bei der eine Drehzahlregelung eines oder mehrerer Asynchron-Kurzschlußläufermotoren erzielt wird, ohne daß zusätzliche mechanische Teile am oder im Motor vorhanden oder von ihnen angetriebene Elemente erforderlich sind. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine gleichmäßige Belastung aller Phasen mit einer automatischen Lastanpassung zu erzielen, d. h., der durch die Belastung auftretende Drehzahlabfall soll selbsttätig ausgeglichen und die durch Spannungsschwankungen bedingten Drehzahländerungen sollen kompensiert werden, wobei das volle Moment während des Hochlaufes ausgenutzt werden soll und die bekannten Drucktaster oder Endschaltersteuerungen Verwendung finden können. Ferner soll eine möglichst geringe Anzahl gesteuerter Ventile verwendet werden, da deren Schaltungszubehör in erster Linie die Kosten der Regelung bestimmt.The invention aims to create a wear-free electrical controlled drive, which in many applications is mechanically controlled drives can replace, and its underlying task is to create a circuit arrangement, in which a speed control of one or more asynchronous squirrel cage motors is achieved without additional mechanical parts on or in the engine or elements driven by them are required. There is another task therein, an even load of all phases with an automatic load adjustment to achieve, d. This means that the drop in speed caused by the load should be automatic balanced and the speed changes caused by voltage fluctuations should be compensated, the full torque being used during run-up and the well-known pushbuttons or limit switch controls are used can. Furthermore, the smallest possible number of controlled valves should be used because their circuit accessories primarily determine the cost of the scheme.

Die Schaltungsanordnung zur untersynchronen Drehzahlregelung von Asynchron-Kurzschlußläufermotoren, deren Moment- und Stromkennlinien ihren maximalen Wert bei der Drehzahl Null haben und ohne Einsattelung bis zur maximalen Drehzahl stetig fallend verlaufen, mit einer Halbleiterventilanordnung aus gesteuerten und ungesteuerten Ventilen im Sternpunkt ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die im Sternpunkt liegende Halbleiterventilanordnung aus einer einphasigen ungesteuerten Brückenschaltung und einer am Gleichstromausgang der einphasigen Brückenschaltung liegenden, gesteuerten Antiparallelschaltung besteht. An Stelle der Antiparallelschaltung kann auch eine Schaltung mit nur einem einzigen gesteuerten Ventil vorgesehen sein.The circuit arrangement for the subsynchronous speed control of asynchronous squirrel cage motors, whose torque and current characteristics have their maximum value at zero speed and steadily falling without saddle up to the maximum speed, with a Semiconductor valve arrangement from controlled and uncontrolled valves in the star point is characterized according to the invention in that the semiconductor valve arrangement located in the star point from a single-phase uncontrolled bridge circuit and one at the direct current output the single-phase bridge circuit is controlled anti-parallel circuit. At Instead of the anti-parallel connection, a circuit with only one controlled valve may be provided.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Ventilanordnung ist auf Grund ihres in den einzelnen Phasen unsymmetrischen Aufbaues den Ventilanordnungen mit symmetrischem Aufbau überlegen, da hierbei mit einer geringeren Anzahl gesteuerter Ventile gearbeitet wird. Hierdurch wird das zum Steuern erforderliche Zubehör, welches insbesondere bei kleineren Leistungen den Preis einer elektronischen Steuer-und Regeleinrichtung bestimmt, beträchtlich vermindert. Außerdem wurde die Schaltungsanordnung so vorgesehen, daß die zur Bremsung genutzten Halbwellen mit beeinflußt werden, da ständig vollfließende Stromhalbwellen den Wirkungsgrad des Motors sehr verschlechtern.The valve arrangement proposed according to the invention is due to its in the individual phases of asymmetrical structure the valve arrangements with symmetrical The design is superior because it works with a smaller number of controlled valves will. As a result, the accessories required for controlling, which in particular for smaller services the price of an electronic control and regulation device certain, considerably diminished. In addition, the circuit arrangement was provided in such a way that that the half waves used for braking are also influenced, since they are constantly flowing Current half-waves greatly deteriorate the efficiency of the motor.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird erreicht, daß nach Anlegen der Netzspannung der .oder die Motoren zunächst mit ihrem vollen Moment anlaufen, dann entsprechend der Einstellung sich automatisch auf den jeweiligen Drehzahlpunkt einstellen, wobei Lastschwankungen sich automatisch ausgleichen.The arrangement according to the invention ensures that after application the mains voltage of the .or the motors initially start with their full torque, then automatically adjusts to the respective speed point according to the setting set, whereby load fluctuations compensate each other automatically.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt F i g.1 die Schaltungsanordnung in Prinzipdarstellung.Further details of the invention will become more detailed with reference to the drawing explained. FIG. 1 shows the circuit arrangement in a schematic diagram.

Mit 10 ist das die Betriebsspannung liefernde Netz bezeichnet. 21 und 22 zeigen die in Reihe geschalteten Motoren, deren Anzahl beliebig sein kann. 30 und 31 sind im Zündkreis a liegende Bauelemente. Mit 40, 41 und 42 sind für die Steuerspannung erforderliche Bauelemente bezeichnet. Das Bauelement 41 ist vorteilhaft so ausgeführt, daß es die Motoren und die Regelung vor Stromüberlastungen schützt und gleichzeitig die stromabhängige Steuerspannung liefert. Es kann z. B. ein Bimetallrelais sein, dessen stromabhängiger Spannungsabfall für die Zündspannungen benutzt wird. 60 stellt die Halbleiterventilsteuerung mit den ungesteuerten Ventilen 62 und den gesteuerten Ventilen 66 dar.The network supplying the operating voltage is designated by 10. 21 and 22 show the motors connected in series, the number of which can be any number. 30 and 31 are components in the ignition circuit a. With 40, 41 and 42 components required for the control voltage are designated. The component 41 is advantageously designed so that it protects the motors and the regulation from current overloads and at the same time supplies the current-dependent control voltage. It can e.g. B. be a bimetal relay whose current-dependent voltage drop is used for the ignition voltages. 60 shows the semiconductor valve control with the uncontrolled valves 62 and the controlled valves 66.

Der Funktionsablauf ist nun folgender: Die durch 10 gelieferte Netzspannung steht über 21 und 22 an der Ventilsteuerung 60 an. Der Stromfluß wird durch die gesperrten Ventile 66 verhindert. Wird nun durch die Betätigung von 31 über die Anpassungs- und Impulsformelemente 30 der Zündkreis a erregt, so werden die bisher gesperrten Ventile 66 freigegeben, und der Stromkreis über 21,22 ist geschlossen. Die Motoren laufen an, dabei bestimmt der Betriebsstrom durch 41 und die Spannung vom Punkt 42 in Verbindung mit 40 die weitere Zündspannung. 40 enthält die Impulsform- und Einstellbauelemente, deren veränderbare Höhe bzw. Phasenlage der Steuerspannung den Drehzahlpunkt für 21 und 22 festlegt. Bei der konstruktiven Ausführung können die Zündkreise a und b ineinandergelegt werden, d. h., es können teilweise die gleichen Übertragungselemente benutzt werden.The functional sequence is now as follows: The mains voltage supplied by 10 is present at the valve control 60 via 21 and 22. The flow of current is prevented by the blocked valves 66. If the ignition circuit a is now excited by actuating 31 via the adaptation and pulse shaping elements 30, the previously blocked valves 66 are released and the circuit via 21, 22 is closed. The motors start, the operating current through 41 and the voltage from point 42 in conjunction with 40 determine the further ignition voltage. 40 contains the pulse shape and setting components, the variable height or phase position of the control voltage of which defines the speed point for 21 and 22. In the structural design, the ignition circuits a and b can be placed one inside the other, that is, the same transmission elements can be used in some cases.

Die Motoren haben, damit sie im ganzen Drehzahlbereich regelbar sind, eine Kennlinie, deren grundsätzlicher Verlauf in F i g. 2 dargestellt ist. Zu jedem Drehzahlpunkt gehört eine bestimmte Stromhöhe. Diese wird durch 41 in Verbindung mit 42 und 40 zur Steuerung ausgenutzt. Dabei- ist von Vorteil, daß durch die Kombination von 41 und 42 eine größere Änderung erzielt wird und nicht nur Last-Schwankungen, sondern auch Spannungsänderungen ausgeglichen werden können. Weitere Einzelheiten der Drehzahlregelung sind bei der Erläuterung zu F i g. 3 bis 5 gemacht.So that they can be regulated over the entire speed range, the motors have a characteristic curve, the basic course of which is shown in FIG. 2 is shown. A certain current level belongs to each speed point. This is used by 41 in conjunction with 42 and 40 for control purposes. The advantage here is that the combination of 41 and 42 results in a greater change and not only load fluctuations but also voltage changes can be compensated for. Further details of the speed control can be found in the explanation of FIG. 3 to 5 made.

In F i g. 3 ist eine erfindungsgemäße Art der Halbleiterventilanordnung 60, bestehend aus einer einphasigen ungesteuerten Brückenschaltung und einer gesteuerten Antiparallelschaltung, dargestellt. Die Arbeitsweise der Schaltung ist folgende: An die Klemmen 67,68 und 69 sind die aus dem Motor kommenden Leitungen angeschlossen. Wenn die gesteuerten Ventile 65 und 66 nicht gezündet sind, ist der gesamte dreiphasige Stromkreis offen. Wird das Ventil 65 gezündet, und ist der Anschluß 67 positiv, so fließt ein Strom von 67 über 61 und 65 nach 69. Ist auch 66 noch gezündet, so kann der Strom weiter über 66 und 64 nach 68 fließen. Es sind somit die Klemmen 67,68 und 69 verbunden. Ist z. B. 69 positiv, so fließt der Strom über 66 und 64 nach 68 und über 66 und 63 nach 67. Ist 68 positiv; so fließt der Strom über 62 und 65 nach 69 und über 62, 65, 66 und 63 nach 67. Man sieht, daß die Ströme aller drei Phasen über nur zwei gesteuerte Ventile fließen müssen. Die vorteilhaft geringe Anzahl Ventile wird durch die Legung in den Sternpunkt erreicht. Es kann. durch eine unterschiedliche Aussteuerung von 65 und 66 der Bremsanteil, d. h. die unterschiedliche positive und negative Stromhöhe, in den einzelnen Phasen beeinflußt werden. Wie man sieht, sind mehrere ungesteuerte Ventile mit einem steuerbaren in Reihe gelegt. Es ist bekannt, daß zur Steuerung galvanisch getrennte Impulskreise erforderlich sind. Da nur zwei gesteuerte Ventile vorhanden sind, werden auch nur zwei Impulskreise benötigt. Die Öffnungszeiten von 65 und 66, die auch unterschiedlich zueinander sein können, bestimmen nun die Drehzahlen von 21 und 22, deren Drehzahlbereich von Null bis zur maximalen gehen kann.In Fig. 3 shows a type of semiconductor valve arrangement 60 according to the invention, consisting of a single-phase uncontrolled bridge circuit and a controlled anti-parallel circuit. The circuit works as follows: The cables coming from the motor are connected to terminals 67, 68 and 69. When the controlled valves 65 and 66 are not fired, the entire three phase circuit is open. If the valve 65 is ignited and the connection 67 is positive, a current flows from 67 via 61 and 65 to 69. If 66 is also ignited, the current can continue to flow via 66 and 64 to 68. The terminals 67, 68 and 69 are thus connected. Is z. B. 69 positive, the current flows through 66 and 64 to 68 and through 66 and 63 to 67. If 68 is positive; the current flows through 62 and 65 to 69 and through 62, 65, 66 and 63 to 67. It can be seen that the currents of all three phases have to flow through only two controlled valves. The advantageous low number of valves is achieved by placing them in the star point. It can. the braking component, ie the different positive and negative current levels, can be influenced in the individual phases by a different modulation of 65 and 66. As you can see, several uncontrolled valves are placed in series with a controllable one. It is known that galvanically separated pulse circuits are required for control. Since there are only two controlled valves, only two pulse circuits are required. The opening times of 65 and 66, which can also be different from each other, now determine the speeds of 21 and 22, whose speed range can go from zero to the maximum.

Wird nur ein Ausschnitt aus dem Drehzahlbereich benötigt, so kann vorteilhaft eine Schaltung nach F i g. 4 verwendet werden, bei der nur ein gesteuertes Ventil mit einem Impulskreis erforderlich ist. Die teilweise nicht steuerbaren Halbwellen begrenzen dann den Regelbereich. Für die vielen Antriebe, bei denen nur eine geringe Drehzahländerung erforderlich ist, ergibt sich also somit eine sehr wirtschaftliche Regelung.If only a section of the speed range is required, then advantageously a circuit according to FIG. 4 can be used where only one controlled Valve with a pulse circuit is required. The partially uncontrollable half-waves then limit the control range. For the many drives with only a small one Speed change is required, so this results in a very economical one Regulation.

Von den in F i g. 3 dargestellten Ventilen kann nicht nur, wie in F i g. 4, ein gesteuertes fehlen, sondern es kann auch beliebig ein ungesteuertes fortgelassen werden. Man kann sogar durch Überbrücken eines Ventils sprunghaft den Regelbereich verändern. Dies ist in F i g. 4 durch den Schalter 71 dargestellt.Of the in F i g. 3 valves shown can not only, as in F i g. 4, a controlled one is missing, but an uncontrolled one can also be omitted as desired. You can even change the control range by leaps and bounds by bridging a valve. This is in FIG. 4 represented by the switch 71 .

Der erste Zündimpuls von 31 wird vorteilhaft aus dem Stromkreis eines Magnetschalters gewonnen. Dieser Magnetschalter ist allgemein vorhanden (zwischen Netz und Motor) und wird bei der Steuerung beibehalten, damit einmal die Hilfsstromkreise des Antriebes unverändert übernommen werden können und zum anderen eine einwandfreie Trennstelle vorhanden ist (spannungsfrei auch bei Arbeiten an den Antrieben und der Regelung).The first ignition pulse of 31 is advantageously from the circuit of a Magnetic switch won. This magnetic switch is generally available (between Mains and motor) and is retained in the control system, including the auxiliary circuits of the drive can be taken over unchanged and, on the other hand, a faultless one Separating point is available (tension-free also when working on the drives and of the regulation).

Die Impulsgewinnung von 41 und 42 wird so in 40 weiter moduliert, daß der einmal eingestellte Drehzahlpunkt erhalten bleibt. Wird z. B. das an der Welle des Motors wirksame Gegendrehmoment größer, so steigt der Strom I an. Über 41 und 40 werden die gesteuerten Ventile entsprechend früher gezündet. Die erhöhte Spannung hat dann einen Drehzahlanstieg auf den eingestellten Wert zur Folge. Bei Spannungserhöhung 42 würde sich eine erhöhte Drehzahl einstellen. Die Anordnung des Impulskreises 40 zur Steuerung der Ventile ist jedoch so getroffen, daß bei steigender Spannung der Bremsanteil, das ist die überwiegende Halbwelle, verstärkt wird. Bei Spannungsminderung wird die Bremsung entsprechend verringert. Diese Vorgänge werden durch F i g. 5 näher erläutert. Mit 1 ist die Spannungskurve einer Phase der Netzspannung dargestellt. Durch die Ventile 65 und 66 wird den Motoren eine Spannung entsprechend den Kurven 2 und 3 zugeführt. Da der Flächeninhalt der Kurve 2 von dem der Kurve 3 abweicht, ergibt die Differenz den Bremsanteil. Wird nun der Belastungsstrom höher, so wird der Zündpunkt a nach links verlegt und der Flächeninhalt der Kurve 3 größer, die dem Motor zugeführte Energiemenge entsprechend mehr und die Differenz zwischen 2 und 3 und somit der Bremsanteil entsprechend kleiner. Der Motor kann also an der Welle ein höheres Drehmoment abgeben. Wird nun die Netzspannung größer, so würde sich dadurch eine erhöhte Drehzahl ergeben. Dies wird jedoch dadurch verhindert, daß der Zündpunkt b weiter nach links wandert und der Bremsanteil vergrößert wird. Im umgekehrten Sinn wird bei Spannungsmindernng verfahren. Diese Verhältnisse gestatten eine einwandfreie Anpassung des Motors an den Antrieb. Die hier für Dreiphasennetzsysteme aufgezeigte Lösung kann auch für andere Mehrphasensysteme Verwendung finden.The pulse generation from 41 and 42 is further modulated in 40 so that the speed point that has been set is retained. Is z. B. the effective counter torque on the shaft of the motor is greater, the current I increases. Via 41 and 40 the controlled valves are ignited accordingly earlier. The increased voltage then results in an increase in speed to the set value. In the event of an increase in voltage 42, an increased speed would occur. The arrangement of the pulse circuit 40 for controlling the valves is, however, such that when the voltage rises, the braking component, which is the predominant half-wave, is amplified. When the voltage is reduced, the braking is reduced accordingly. These processes are illustrated by FIG. 5 explained in more detail. 1 shows the voltage curve of a phase of the mains voltage. A voltage corresponding to curves 2 and 3 is supplied to the motors through valves 65 and 66. Since the area of curve 2 deviates from that of curve 3, the difference results in the braking component. If the load current is now higher, the ignition point a is shifted to the left and the area of curve 3 is larger, the amount of energy supplied to the motor is correspondingly more and the difference between 2 and 3 and thus the braking component is correspondingly smaller. The motor can therefore deliver a higher torque on the shaft. If the mains voltage is now higher, this would result in an increased speed. However, this is prevented by the fact that the ignition point b moves further to the left and the braking component is increased. In the opposite sense, the procedure is to reduce the voltage. These conditions allow the motor to be perfectly matched to the drive. The solution shown here for three-phase network systems can also be used for other multi-phase systems.

Durch die Erwärmung der Motoren tritt ein zusätzlicher Schlupf auf, der besonders durch den erhöhten Sekundärwiderstand bedingt wird. Um den daraus resultierenden Drehzahlabfall zu kompensieren, werden in der Schaltungsanordnung temperaturabhängige Bauelemente vorgesehen, die eine zusätzliche Steuerspannung zur Erhöhung der Drehzahl abgeben.As the motors heat up, there is additional slip, which is particularly caused by the increased secondary resistance. To the out of it To compensate for the resulting drop in speed, are in the circuit arrangement temperature-dependent components are provided that provide an additional control voltage to increase the speed.

Claims

Claims: 1. Circuit arrangement for subsynchronous speed control of asynchronous squirrel cage motors, whose torque and current characteristics are at their maximum Have a value at zero speed and without dips up to the maximum speed steadily falling, with a semiconductor valve arrangement of controlled and uncontrolled valves in the star point, characterized by the fact that those in the star point lying semiconductor valve arrangement from a single-phase uncontrolled bridge circuit (61 to 64) and one at the DC output of the single-phase bridge circuit controlled anti-parallel connection (65, 66).

2. Circuit arrangement according to Claim 1, characterized in that in place of the anti-parallel connection one Circuit with only a single controlled valve (65) is provided. Into consideration Extracted publications: German Auslegeschrift No. 1 123 040; French patents No. 1275 449, 1305 513; British Patent No. 953 045.