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Verfahren zum Messen der Differenzfrequenz zwischen Stänuerdrehfeldfrequenz
und Rotorfrequenz einer Asynchronmaschine Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum
Messen der Differenzfrequenz zwischen Ständerdrehfeldfrequenz und Rotorfrequenz
einer Asynchronmaschine.
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Bei Drehstromkurzschlußläufermotoren hoher Regelgüte wird oft die
Differenzfrequenz zwischen Ständerdrehfeldfrequenz und Rotorfrequenz, auch Schlupffrequenz
genannt, zu Regeizwecken benötigt.
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Es sind verschiedene Verfahren und Einrichtungen bekannt, die dazu
bestimmt sind, die Schlupffrequenz oder den Schlupf von Asynchronmaschinen zu messen.
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Bei einer bekannten Einrichtung bildet man die Differenz einer Gleichspannung,
die der synchronen Drehzahl der Asynchronmaschine proportional ist und einer der
wirklichen Drehzahl der Maschine proportionalen Gleichspannung. Hierbei Kann zur
Darstellung ein als Gleichstroimnaschine wirkender, mit den als Permanentmagnet
ausgebildeten Ständer versehener Tachodynamo, der mit der Welle der Asynchronmaschine
gekuppelt ist, verwendet werden, wie er beispielsweise in der Deutschen Patentschrift
1 o93 893 beschrieben ist. Die der synchronen Drehzahl proportionale Gleichspannung
kann mit Hilfe einer geeigneten Schaltung durch eine frequenzproportionale Umr-etztmg
der Speisewechzelspannung der Maschine in eine Gleichspannung gebildet werden, -wobei
die Proportionalitätsfaktoren der beiden Gleichspannungsdarstellungen aufeinctnder
abgeglichen sei müssen.
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Diese miteiner solchen Einrichtung durchgeführte Methode der Schlupfmessung
hat jedoch den Nachtell, daß als Schlupfwert
eine relativ kleine
Größe aus der Differenz zweier wenig verschiedener Gleichspannungen abgeleitet werden
muß. Die Meßmethode ist daher ungenau.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Mangel der bisherigen
Schlupffrequenzmeßgeräte zu beheben und die Schlupffrequenz auch dann richtig zu
erfassen, wenn die Scnlupffrequenz größer ist als die Synchronfrequenz oder die
Drehzahl der Asynchronmaschine.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemä3 dadurch gelöst, daß zwei hauptechselspannungen
U1 und U2, deren Frequenzen f1 und f2 gleich oder proportional der Ständerdrehfeldfrequenz
st bzw. der rotorfrequenz frot sInd, zusammen mit Hilfswecnselspannungen U1h und
U2h auf Vorrichtungen gegeben werden, wobei U1h gegenüber U1 und U2h gegenüber U2
um 900 el phasenverschoben ist und das eine Vorzeichen der Phasenverschiebung dem
gleichsinnigen und das andere Vorzeichen dem gegensinnigen Umlauf von Ständerfeld
bzw. Rotor zugeordnet ist, daß in den Vorrichtungen die Vorzeichen der Phasenlagen
zwischen Haupt- und Hilfewechseispannungen alle 1800 el geprüft und die Spannungen
U1 und U2 in Impulse mit den doppelten Frequenzen 2£i und 2f2 umgeformt werden,
daß ferner diese Impulse auf Umschal ter gegeben werden, die mittels von den Vorrichtungen
gelieferten Hilfssignalen in der leise gesteuert sind, daß bei gleichsinnigem Umlauf
von Ständerdrehfeld und Rotor die Impulse auf verschiedene Eingänge und bei gegensinnigem
Umlauf auf nur einen Eingang eines Frequenzdifferenzbildners gegeben werden, der
so eingerichtet ist, daß er bei gleichsinnigem Um. lauf die Differenz der Impulsfrequenzen
bildet und diese, Je nachdem ob f1>f2 oder f2>f1 ist, auf den einen oder den
anderen Eingang eines Frequenz-Spannungswandlers gibt, der ein der Impulsfrequenz
proportionales und entsprechend den Drehsinn posItives oder negatives Gleichspannungssignal
abgibt, im Falle des gegensinnigen Umlaufes nedoWh die nur an einem Eingang anstehenden
Impulse direXt an den Frequenz-Spannungs-Wandler weitergibt.
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Die Bildung der Differenzfrequenz geschieht mittels einer Einrichtung,
die dadurch gekennzeichnet ist, daß zwei bistabile Kippsenaltungen und zwei Auswerteeinrichtungen
vo-rgeseherl sind,
wovon die eine bistabile Kippschaltung zwei dynamische
Eingänge und zwei Ausgänge und die andere bistabile Kippschaltung zwei Vorwahleingänge,
zwei dynamische Eingänge und zwei Ausgänge aufweist, während die Auswerteeinheiten
mit je zwei Vorwahleingängen, einem dynamischen Eingang und einem Ausgang versehen
sind, daß der eine Eingang der ersten Kippstufe sowohl an den dynamischen Eingang
der ersten Auswerteeinrichtung als auch an den einen dynamischen eingang der zweiten
Kippschaltung angeschlossen ist, während der andere dynamische Eingang der ersten
Kippschaltung mit dem zweiten dynamischen Eingang der zweiten Kippschaltung und
dem dynamischen Eingang der zweiten Auswerteeinheit verbunden ist, daß ferner die
Ausgänge der ersten Kippstufe auf die Vorwahleingänge der zweiten Kippstufe und
je einem der Vorwahleingänge der Auswerteeinheiten zugeführt und die anderen Vorwahleingänge
der Auswerteeinheiten mit den Ausgängen der zweiten Kippschaltung verbunden sind.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen: Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines nacn dein beschriebenen
Verfahren arbeitenden Schlupffrequenzmeßgerätes; Fig. 2 das Schaltbild des Frequenzdifferenzbildners.
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Die beiden Vorrichtungen 1 und 2 sind mit je zwei Eingängen 3,4 bzw.
5,6 und zwei Ausgangsleitwigen 7,8 bzw. 9,10 versehen.
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Außerdem sind beide Vorrichtungen über ale Leitungen 11 und ;2 miteinanaer
verbunden. Die Leitungen 8 bzw. 9 sind den Eingängen der Umschalter 13 bzw. 14 zugeführt,
während die Leitungen 7 bzw.
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10 an die Steurereingänge dieser Umschalter angeschlossen sind. Die
Ausgänge der Umschalter 13, 14 sInd ebenfalls über zwei Leitungen 15, 16 miteinander
verbunden, von denen die Leitung 16 an en Eingang 17 und die Leitung 15 an den Eingang
18 des Frequenzdifferenzbildners 19 angeschlossen ist. Der Frequenzdifferenzbildner
19 besitzt zwei Ausgänge 20, 21, die mit den Eingängen 22, 23 eines Frequenz-Spannungs-bsetzers
24 verbunden sir.
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Der Vorrichtung 1 werden die Snnunger. U1 und Uih zugeführt.
uie
frequenzen aleser Spannung sind entweder gleich der Frequenz f st der Ständerspannung
des Asynchronmotors bzw. der Ständerdrehfeldfrequenz oder gleich einer Frequenz
die um einen konstanten, ganzzahligen Faktor K von der Ständerfrequenz abweicht.
Zwischen den beiden Spannungen U1 und Uih, von denen U1 als "Hauptspannung" und
U1h als "Hilfsspannung" bezeichnet werden soll, besteht eine Phasenverschiebung
von t 90°el. Das Vorzeichen der Phasenverschiebung hängt von der Drehrichtung des
Ständerfeldes ab, beispielsweise ist bei einem sich relativ zum Ständer im Uhrzeigersinn
drehenden Feld das Vorzeichen +90°el, während es bei einem sich im Gegenuhrzeigersinn
drehenden Feld -90°el. $+90°el, Analog werden der Vorrichtung 2 die Spannungen U2
und U2h zugeführt, deren Prequenz entweder gleich der Frequenz fn des Läufers oder
gleich einem ganzzahligen Vielfachen K davon ist.
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Zwischen den Spannungen U2 und U2h besteht ebenfalls, je nachdem ob
sich der Läufer relativ zum Ständer im Uhr- oder im Gegenuhrzeigersinn bewegt, eine
Phasenverschiebung von # 90°el. In den Vorrichtungen 1 und 2 wird sowohl festgestellt,
ob positive oder negative Phasenverschiebung der Hilfsspannungen gegenüber den Hauptspannungen
vorliegt, als auch die Hauptspannungen U1 und U2 in Impulse mit der doppelten Frequenz
verwandelt. Diese Impulse mit den Frequenzen 2 ' Kfst bzw. 2 K # fn (K = 1,2 .n)
können über die Leitungen 11, 12 in ihrer zeitlichen Folge verschonen werden. Drehen
sich das Drehfeld der Ständerspeisung und er läufer der Asynchronmaschine beide
gleichsinnig, ent-@eder im Uhr- oder im Gegenuhrzeigersinn, so senden die Vorrichtungen
1 und 2 über die Leitungen 7 und 10 Signale aus, die die Umschalter 13 und 14 entweder
in dem Sinne bestätigen, wie er in der Zeichnung dargestellt ist, oder in die entgegengesetzte
Lage bringen. Dadurch wird erreicht, daß die Impulse mit der doppelten Frequenz
der Spannungen u1 bzw, U2 auf die verschiedenen Eingwnge 17 bzw. 18 des Frequenzdifferenzbildners
19 gegeben werden. StI::t dagegen die Drehfeldrichtung der Standerspannung nicht
mit der Rotordrehrichtung überein, so wird entweder der Umschalter 13 oder der Umschalter
14 umgeschaltet, so da;3 beide Impulsfrequenzen auf nur einen der Eingänge 17 bzw.
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18 des Frequenzdifferenzbildners 19 gegeben werden. Die Verdoppelung
der Frequenzen X f t bzw. X fn dient zur Vermeidung von Fehlanzeigen. Wird nämlich
nur alle 3600el die Phasenverschiebung zwischen U1 und U1h geprüft, so kann es vorkommen,
daß
bei der Prequenz Null der beiden Spannungen die in der Spannung U1 enthaltenen Oberwellen
so verarbeitet werden, als seien sie die Grundwelle der Hauptspannung. Der Umschalter
13 bleibt in diesem Falle z. B. in der eingezeichneten Stellung und gibt die Oberwellenfrequenz
auf den Eingang 18 des Frequenzdifferenzbildners 19. Findet dagegen die Überprüfung
der Phasenlagen alle 180°el statt, so werden bei aus Oberwellen gebildeten Zusatzimpulsen
in den Vorrichtungen 1 und 2 im Augenblick des Abfragens Signale auf die Leitungen
7 bzw. 1o gegeben, die bewirken, daß die Umschalter 13 und 14 im Rythmus der Abfragefrequenz
umgeschaltet werden. Damit erscheinen aber die durch die Oberwellen erzeugten Impulsfrequenzen
einmal am Eingang 17 und einmal am Eingang 18 des Frequenzdifferenzbildners. Da
beide Eingänge mit derselben Frequenz beaufschlagt werden, hebt sich als der Fehler
auf.
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Die Vorrichtungen 1 und 2 sind so miteinander gekoppelt, daß ihre
Ausgangs impulse nicht zusammenfallen, sondern nur zeitlich verschoben die beiden
Ausgänge verlassen. Dies ist deshalb erforderlich, weil sonst die gleichzeitig die
beiden Vorrichtungen 1 und 2 verlassenden Impulse zu einem Impuls verschmelzen könnten.
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Dadurch entstünden dann Meßfehler, wenn die Impulse über die Uschalter
13 und 14 auf den gleichen Eingang des Impulsdifferenzmeßgerätes gegeben würden.
Nimmt man nun an, die Drehrichtungen von Ständerfeld und Rotor stimmten überein,
so werden die Impulsfrequenzen 2 Kf st und 2 Kfn auf verschiedene Eingänge des Frequenzdifferenzbildners
19 gegeben, voneinander subtrahiert und anschließend auf den Frequenz-Spannungs-Umsetzer
24 gegeben. Diesen gibt am Ausgang 25 eine der Impulsfrequenz proportionale Spannung
ab, und zwar je nachdem ob die Impulse an dem einen oder anderen seiner Eingänge
erscheinen eine positive oder negative Gleichspannung. Da die Impulsfrequenz f =
2 Kf - 2 Kfn = 3 ~ f4 der Relativfrequenz, mit der das Ständerdrehfeld über den
Läufer hinwegläuft, proportional ist, erhält man am Ausgang des Frequenz-Spannungs-Umsetzers
die wichtige Größe f = C ist t fn) als Gleichspannung dargestellt. Stimmt die Drehrichtung
des Stl;nderfeldes mit der des Rotors nicht überein, so gelangen die Impulse von
den Vorrichtungen 1 und 2 iiber die Umscnalter 13 und 14 zu nur einem Eingang des
Frequenzdifferenzbildners 19, passieren diesen ungehindert und erreichen einen der
beiden Eingänge 22, 23 des Frequenz-Spannungs-Umsetzars 24. Es gelangen
also
auf einen Eingang des requenzdifferenzbildners und damit zum Eingang des Frequenz-Spannungs-Wandles
die Frequenzen 2 Kfst = f3 und 2 Kfn = f4, also 2 K (fst + fn) bzw. f3 Diese Größe
entspricht der Relativfrequenz zwischen Ständerdrehfeld und Läufer. Im Frequenz-Spannungs-Umsetzer
werden die Impulse in negative oder positive Gleichspannungen umgewandelt.
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Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die Zusammenhänge zwischen
den Drehrichtungen und Frequenzen von Rotor und Ständerfeld sowie der Polarität
der Ausgangsgleichspannung.
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Richtung des Richtung des Verhältn.der Polarität Ständerdrehfeldes
Läufers Frequenzen d. der Ausbeiden Haupt- gangsspannungen gleichspannung Rechtsdrehfeld
Linkslauf fst # fn positiv Rechtsdrehfeld Rechtslauf f > f positiv Rechtsdrehfeld
Rechtslauf fst < fn negativ Linksdrehfeld Linkslauf st > > fn negativ Linksdrehfeld
Linkslauf £st < fn positiv Linksdrehfeld Rechtslauf fst#fn negativ In der Zeichnung
ist dargestellt, daß für f3> f4 bzw. f4>,f3 jeweils auf einen anderen Eingang
geschaltet wird.
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Der yrequenzdifferenzbildner 19 der Fig. 1 besteht nach Fig. 2 aus
zwei bistabilen Kippschaltungen 26, 27 und zwei Auswerteeinheiten 28, 29. Die bistabile
Kippschaltung 26 besitzt zwei dynamische Eingänge 3O, 31 und zwei Ausgänge 32, 33,
während die bistabile Kippschaltung 27 vier Eingänge 34, 35, 36, 37 von denen 34
und 36 dynamisch sind und zwei Ausgänge 7, 39 aufweist. Die Auswerteeinheiten 28,
29 sind gleichartig aufgebaut. Sie besitzen je drei Eingänge 4o, 41, 42 bzw.43,
44, 45 und je einen Ausgang 46 bzw. 47. Der eine Eingang 3O der bistabilen Kippstufe
26 ist mit dem Eingang 34 der bistabilen Kippstufe 27 und mit dem Eingang 4O der
Auswerteeinheit 28 verbunden, während der andere Eingang 31 zu dem Eingang 36 der
Stufe 27 und dem Eingang 45 der Einheit 29 führt. Der Ausgang 32 der Kippstufe 26
ist an den Eingang 35 der Kippstufe 27 und an den Eingang 41 der Auswerteeinheit
28, der Ausgang 33 der Kippstufe 26 an den Eingang 37 der Kippstufe 27 und an den
Eingang 44 der Auswerteeinheit 29 angeschlossen. Die Ausgänge 38, 39
der
Kippstufe 27 sind den Eingängen 42 bzw. 44 der Auswerteeinheiten 28, 29 zugeleitet.
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Geht man von den Tatsachen aus, daß bei unterschiedlichen Frequenzen
f3 und f4, beispielsweise f3>f4, innerhalb eines bestimmten Zeitabschnittes am
Eingang 30 ein Impuls mehr auftritt als am Eingang 31 und daß die Auswerteeinheiten
28, 29 nur dann einen Impuls an ihren Ausgängen 46 bzw. 47 abgeben, wenn vor Erscheinen
eines Impulses an dem Eingang 30 bzw. 31 an beiden Vorwahleingängen 41, 42 bzw.
43, 44 ein O-Signal stand, so geschieht die Differenzfrequenzbildung auf folgende
Weise. Bevor der zusätzliche Impuls auf den Eingang 30 der bistabilen Kippstufe
auftrifft wechseln die Signale an den Ausgängen 32, 33 fortwährend von L auf 0 und
umgekehrt, da immer an dem Ausgang ein O-Signal ansteht, an dessen zugehörigen Eingang
ein Impuls erscheint. Dadurch wird erreicht, daß immer derjenige der Vorwahleitgänge
41 bzw. 45 mit einem L-Signal beaufschlagt ist, an aessen Setzeingang Lo bzw. 45
bei abwechselnd an den Eingängen 3o und 31 erscheinenden Impulsen der nächste Impuls
auftritt. 3ei auf den Eingängen 30 und 31 abwechselnd erscheinenden Impulsen werden
also von keinem der Ausgänge 46 bzw. 47 der Auswerteeinheiten 28 und 29 Impulse
abgegeben. Es werde vorausgesetzt, daß an dem Ausgang 38 ein O-Signal und an 39
ein L-Signal anstehe. Kommt nun der zusätzlichte Impuls auf den Eingang, so kar£n
er die Auswerteein. weit 28 passieren, da durch den letzten Impuls der Ausgang 32
auf O-Signal gestellt wurde und an dem Ausgang 28, wie oben angenommen, ebenfalls
ein O-Signal abgegeben wird.
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Die bistabile Kippstufe 27 speichert, an welchem der beiden eingänge
3o, 31 die größere Impulsfrequenz ansteht. Wird nun beispielsweise 4>f3, so unterdrückt
die Kippstufe 27 aen ersten überzähligen Impuls am Ringang 31, der normalerweise
die zugehörige Auswerteeinrichtung 29 passieren könnte. Damit werden hochfrequente
Pendelungen der Eingangsimpulsfrequenzen des Frequenzbildners 19 unterdrückt, die
von Oberwellen in den Hauptspannungen U1 und U2 oder durch ungleiche Rasterabstände
in einem mit der Maschinenwelle der Asynchronmaschine gekuppelten Impulsgeber hervorgerufenen
jarequenzpendelungen stammen. Durch diese Maßhahme gibt der Frequenzdifferenzbildner
nur die Differenz der beiden Eingangsfrequenzen an seien Ausgang ab
und
nicht noch zusätzlich diese Prequenzpendelungen.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß die Differenzfrequenz zwischen Ständerdrehfeld und Rotor einer Asynchronmaschine
bei allen möglichen Drehrichtungen richtig erfaßt werden kann, der Einfluß der Oberwellen,
die in den die Ständerdrehfeldfrequenz bzw. Rotorfrequenz abbildenden Hauptspannungen
auftreten können, auf die Meßgenauigkeit ausgeschaltet ist und die Differenzfrequenz
auch dann noch richtig geessen wird, wenn entweder die Ständerdrehfeldfrequenz oder
die Rotorfrequenz oder beide kleiner als die Differenzfrequenz sind.